JPS63215959A - ガスセンサの感ガス性検知装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は９例えば還元性ガスに反応する５ｎ０２゜Ｚ
ｎＯ，ＮｉＯ等の半導体ガスセ／すのように９周囲雰囲
気のガス濃度に応じて抵抗が変化するガスセンサの感ガ
ス性検知装置に関するものである。

〔従来の技術〕

第＄図は２例えば昭和５５年に発行された刊行物「月刊
「計装」昭和５５年Ｔ月号・８月号・９月号・１０月号
通巻第２６８号〜２７１号別刷」に示されている従来の
半導体式のガス濃度センナの回路図であシ、第６図は第
５図の回路に使用されるガスセンサ素子を示す図で１例
えばトランジスタ技術１９８１年４月号掲載の「半導体
ガスセンサ」に示されているものである。

第５図において、（１）は半導体ガスセンサ素子。

（２）は交流電源、（３１は変圧器、Ｒは出力素子（抵
抗）。

Ｅはこの出力素子Ｒの出力電圧（両端電圧）である。第
６図において、　ｆａ）［ｂ）はそれぞれ５ｎ０２を主
成分とする異なる構造のｎ型半導体ガスセンサ素子を一
部断面で示す斜視図である。第６図ｔａｌにおいて、　
　（１０１）　ｔｔ’ｌ　５ｎ０２焼結体、　　（１０
２０１０３）はＩｒ　−Ｐｄ合金線からなるヒータ兼電
極である。第６図ｔｂ）において、　　（１０４）（１
０５）は電極、　　（１０６）（１０７）はリード線、
　　（１ｏｓ）はヒータ、　　（１０９）　　は磁製絶
縁チューブである。第７図は第５図に示す回路構成のガ
ス濃度検知装置に使用される半導体式ガスセンサ素子の
各種ガスに対する感ガス特性図で９ｊ）、ｆａ）はＡｉ
ｒ　Ｌｅｖｅｌ　　（ガスを含−！！ない空気中の特性
）。

（ｂｌは一酸化炭素、（Ｃ）は水素、（ｄ）はエタノー
ル、（ｅ）はメタン、１ｆ）Ｕイソブタンの場合を示す
。第７図の感ガス特性から明らかなように、半導体式ガ
スセンサ素子（１）に吸着した還元性ガス墓に応じて該
ガスセンサ素子（１）の電気抵抗は減少するため、第５
図の回路における出力素子Ｒの出力電圧Ｅは。

ガスセンサ（１）の周囲の雰囲気におけるガス濃度に応
じた値となる。

〔発明が解決しようとする問題点〕

ガス濃度検知に使用される半導体ガスセンサ素子＋１１
　Ｖｉ、一般的にＨ，２５０Ｃ以上に加熱して用いるた
め、有機物による汚染は少ないが、長期間の使用によっ
てガスセンサ素子温度における蒸発残分や塵埃の堆積が
起シ、徐々に感度が低下する。

また、半導体ガスセンサには、ガス選択性や感ガス性を
向上させるために各種の触媒が用いられているが、この
触媒も経年変化によって触媒能が落ち、十分な性能が得
られなくなる。更に１強い衝撃が加わったり、腐食性ガ
スに触れてリード線（１０６）（１０７）や電極部（１
０２）（１０３）　、　（１０４）（１０５）で断線し
た場合や、単に電気的接続が十分でなかった場合も、ガ
スセンサは正常な動作をしない。前述のようなガスセン
サを用いているガス濃度検知装置。

例えばガス漏れ警報器は３周囲雰囲気中にガス漏れが発
生して危険な状態となってこの危険状態を報知しなけれ
ばならないにも拘らず応答せず、報知動作しないという
問題点がある。

この発明はこのような従来の問題点を解決するためにな
されたもので、ガスセンサの性能低下や。

リード線等の断線、接触不良等によるガスセンサの動作
不能状態を検知できるガスセンサの感ガス性検知装置を
得ることを目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

この発明に係るガスセンサの感ガス性検知装置は１周囲
雰囲気中のガス濃度に応じて抵抗が変化するガスセンサ
素子への通電状態を通電制御手段によって通常通電状態
及び非通常通電状態に繰り返し制御すると共に、前記非
通常通電状態から前記通常通電状態に切換った後に過渡
的に発生する前記ガスセンサ素子の抵抗変化の度合を判
定手段によって判定して前記ガスセンサ素子の感ガス性
を検知するものである。

〔作用〕

この発明のガスセンサの感ガス性検知装置は。

ガスセンサ素子の温度が通常加熱温度よシ低い場合はガ
スセンサ素子によるガス吸着量が多いが応答性は鈍く１
通常加熱部度よシ高い場合は逆にガス吸着量は少ないが
応答性が良い性質を持っていることを利用したもので、
センサ素子加熱用ヒータの電源を一旦切って無通電状態
とし、或いは通電量を減少してセンサ素子の温度を下げ
た後に再通電した場合、低温時に吸着した多くのガスｔ
に対応して、つまり、清浄雰囲気中においてもセンナ素
子の無通電時間が、長いとそれに応じて、再通電直後に
過渡的な出力電圧の上昇（センナ素子の電気抵抗の減少
）が生じるが、劣化したガスセンサ素子ではこのような
過渡的な出力電圧の上昇（センナ素子の電気抵抗の減少
）の現象が現れないか、または鈍いため、この違いをと
らえて正常な感度を持ったガスセンサか否かを検知でき
る。

〔発明の実施例〕

笛１図はこの発明の一実施例によるガスセンナの感ガス
性検知装置の動作フロー兼ブロック図。

第２図はガスセンサ素子加熱用ヒータへの通電とガスセ
ンサ出力電圧の測定タイミングを示す説明図、第３図は
第１図の機能を実行するための全体回路構成を示すブロ
ック図、第４図はガスセンサ素子への通電を停止した後
再通電した場合の出力電圧と経過時間との関係を示す図
である。

先ず、これら第１図〜第３図による詳細な説明の前に、
この発明の原理を具体的に説明する。この発明及びこの
発明の実施例では、ガスセンサ素子を加熱するヒータへ
の通電を停止したシ２通電量を減らして非通常通電状態
とし、ガスセンサ素子の温度を下げ、再度正常通電（通
常通電状態）する動作を繰シ返し行なう機能を持ってい
る。この正常通電開始直後は、ガスセンサ素子の温度が
一度低下したことによシ、ガスセンサ素子表面への吸着
分子量が増加しているため、過渡的にガスセンサ素子の
電気抵抗が減少する。このガスセンサ素子の電気抵抗の
減少量は、ガスセンサ素子の温度を低下させたときの温
度と時間、ガスセンサ素子の感度に大きく影響されるの
で、ガスセンサ素子の温度低下時の温度と時間とを固定
条件とすれば、ガスセンサ素子の電気抵抗の減少量から
ガスセンサ素子の感度を自動的に知ることができる。

また、この発明及びこの発明の実施例は、半導体ガスセ
ンサ素子の温度が１通常通電状態での通常加熱温度よシ
低い場合はガスセンサ素子のガス吸着量は多いが、対ガ
ス応答性は鈍く、前記通常加熱温度より高い場合は逆に
ガス吸着量は少ないが対ガス応答性が良い性質を利用し
たもので、ガスセンサ素子加熱用のヒータ電源を一旦切
って無通電状態とし或いは通電量を減少してガスセンサ
素子の温度を下げた後に再通電した場合、再通電直後に
、低温時に吸着した多くのガス量に対応して過渡的に高
い出力電圧を発生することを応用したものである。第４
図は５ｎ０２系の半導体ガスセンサ素子を使用して、Ａ
無通電状態１２０分、Ｂ同３０分、Ｃ同５分、Ｄ同１分
、それぞれＡＩＲＬ／ベベルガスの存在しない正常空気
の状態）で室温で放置した後に再度通電した場合の第３
図、第５図の回路におけるアナログ出力電圧を測定した
もので、清浄雰囲気においても無通電時間が長ければそ
れに応じて、再通電後の過渡的な出力電圧の上昇（ガス
センサ素子の電気抵抗値の減少）が見られる。これが、
劣化したガスセンサ素子では前述のような過渡的な現象
が現れないか、または鈍いため、この違いをとらえて正
常な感度を持ったガスセンサ素子か否かを区別し、不良
品の場合には不良であることを表示または警報を発する
ことにより、ガスセンサの良否を検知できるのである。

以下、第１図〜第３図によってこの発明の一実施例を詳
しく説明する。

第３図において、（１）はガスセンサで１例えば５ｎ０
２系の半導体ガスセンサ素子等が使用される。

（２）は交流電源、（３１は変圧器、　（４１ｔ−ｆガ
スセンを素子（１）の出力電圧をアナログからデジタル
信号に変換するＡ／Ｄ変換器、（５）はＡ／Ｄ変換器（
４）の出力信号を処理する入力回路、（６）は内部に時
計機能を持ち前記入出力回路（５）からの信号を演算処
理する中央処理装置（ＣＰＵ　）　、　（７）はこの中
央処理装置（６）の直流電源、　＋８１Ｈ中央処理装置
（６）からの出力信号を他の部品へ送る信号に変換する
出力回路、（９１Ｈ前記出力回路（８）からの信号によ
りガスセンサ素子（１）のヒータ電源を開閉するスイッ
チ、［１０１−ｊ：中央処理装置（６）で得た出力電圧
信号を記憶するメモリ（記憶装置）、αυはガスセンサ
素子（１）に異常があった場合に出力回路（８）からの
信号で動作する報知器で１例えば警報ブザー、表示ラン
プ等である。

次に、第１図〜第３図によって動作を説明する。

通常のガス検知状態（通常通電状態）を１ケ月継続する
（通常運転ステップ（１３）と、中央処理装置（６）か
らの命令が６り、Ａ／Ｄ変換器（４）、入力回路（５）
を介して出力素子Ｒの出力電圧Ｅを測定（出力電圧測定
ステップα３）し、この値をｇｏ　　としてメモリＱＧ
に記憶させる（記憶ステップα４１）。次に出力回路（
８）を介してスイッチ（９）を開としてガスセンサ素子
（１）のヒータの発熱を停止（ヒータＯＦＦステップα
５１）させ、非通常通電状態として該ヒータの温度を下
げ、１分後、再び出力回路（８）を介してスイッチ（９
）を閉（ヒータＯＮステップａυ）とし。

ガスセンサ素子（１）のヒータに再通電して通常通電状
態とし該ヒータを再加熱する。前記非通常通電状態によ
る前記ガスセンサ素子（１）の低温時に空気等の周囲雰
囲気中の水分など有感ガスがガスセンサ素子（１）の表
面に多量に吸着する。前記再通電開始から２５秒後、中
央処理装置（６）よＦ）Ａ／Ｄ変換器（４）、入力回路
（５）を介して出力素子Ｒの出力電圧Ｅを再度測定（出
力電圧測定ステップ（１７））し、この値をＥｍ　とし
メモリα１に記憶する（記憶ステップ（Ｉｓ）。そして
メモリ＋１（ｌより前記非通常通電状態に入る前の出力
電圧Ｅｏ　を読み、Ｅｍ／ＥＯを求め。

この値が１．３よシ小さいかどうか判定（判定ステップ
ａＬＪ）する。小さければ、ガスセンサ素子（１）ノ感
度が鈍っていたシ、ガスセンサ素子（１）への通電用ヒ
ータの断線等の異常を示すものであるため。

出力回路（８）を介して報知器αηを動作させて異常表
示あるいに異常警報（ステップ■）シ１点検や。

ガスセンサ素子（１）の交換を促す。Ｅｍ／Ｅｏ≧１．
３ならば、ガスセンサ素子（１１Ｖｉ正常に動作してい
るものと判断し、１ケ月間は正常運転（通常通電状態）
を行わせ、１ケ月後は、前述の不良検出プログラム通シ
、正常か否かの判定を行うというサイクルを繰シ返し行
う。これによってガスセンサの自動的な定期点検が行え
１本来検出すべきガス漏れ状態等において、ガスセンサ
の不良によって警報を発しないような危険な事態を回避
することができる。

なお、前述の実施例では１通常通電状態の運転期間（点
検間隔）を１ケ月、ヒータＯＦＦ　（非通常通電状態）
時間を１分、再通電後出方電圧（Ｅｍ）測定時間を３０
秒とし、Ｅｍ／Ｅｏの判定規準を１．３としたが、使用
雰囲気やガス検知の重要性に応じて変更設定することが
必要である。また、ガスセンサ素子の不良を知らせる報
知は、ガス漏れを知らせる本来の警報とは音色、音量、
報知形態の相違等で区別できるようにするのがよい。更
に。

ガスセンサ素子（１）のヒータへの通電は、非通常通電
状態時には必ずしも停止しなくても１通電量を減少する
ようにしてもよい。

〔発明の効果〕

この発明は前述のように１周囲雰囲気中のガス濃度に応
じて抵抗が変化するガスセンサ素子への通電状態を通電
制御手段によって通常通電状態及び非通常通電状態に繰
シ返し制御すると共に、前記非通常通電状態から前記通
常通電状態に切換った後に過渡的に発生する前記ガスセ
ンサ素子の抵抗変化の度合を判定手段によって判定して
前記ガスセンサ素子の感ガス性を検知するものであるの
で。

例えばガス漏れ警報器等に使用されているガスセンサ素
子の感度低下やリード線の断線等の不良状態を自動検知
でき１例えば不良であればこれを報じ１人為的な点検や
交換を促す等ができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第３図はこの発明の一実施例を示す図で、第１
図はガスセンサの感ガス性検知装置の動作フロー兼ブロ
ック図、第２図はガスセンサ素子加熱用ヒータへの通電
とガスセンサ出力電圧の測定タイミングを示す説明図、
第３図は第１図の機能を実行するための全体回路構成を
示すブロック図、第４図はガスセンサ素子への通電を停
止した後再通電した場合の出力電圧と経過時間との関係
を示す図、第５図は従来のガス検知回路を示す図であシ
、この発明を適用できるガス検知回路の一例でもある。 第６図は第５図の回路に使用されるガスセンサ素子を一
部断面で示す斜視図で、（ａ）はヒータ兼電極を５ｎ０
２で一体に焼結したもの、（ｂ）は外側に５ｎ０２焼結
体が施された絶縁チューブ内にヒータを挿入したものを
示す。第７図は各種ガス雰囲気中でのガス濃度とガスセ
ンサ素子の抵抗値との関係を示す図である。 図にオイ−４（、（ｌｉｔ−１ｍ’／スセ：／？、　（
６１（８０９１（ｌＧｔ−ｔカ、＊センサ素子への通電
状態を制御する通電制御手段を構成する中央演算処理装
置、出力回路、スイッチ、メモリである。（５１（６１
αａｔ′ｉガスセンサ素子の抵抗変化度合を判定する判
定手段を構改する入力回路、中央演算処理装置、メモリ
である。αＸ５は通常運転ステップ、α３１は出力電圧
測定ステップ、Ｑ４１ｔ：を記憶ステップ、α５はヒー
タＯＦＦステップ、α０はヒータＯＮステップ、αηは
出力電圧測定ステップ。 側は記憶ステップ、α！Ｉ　ＦｉＥｍ　／　Ｅｏ　（ｔ
　３の判定ステップである。 なお、各図中同一符号は同−又は相当部分を示す。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）周囲雰囲気中のガス濃度に応じて抵抗が変化する
   ガスセンサ素子への通電状態を通電制御手段によつて通
   常通電状態及び非通常通電状態に繰り返し制御すると共
   に、前記非通常通電状態から前記通常通電状態に切換つ
   た後に過渡的に発生する前記ガスセンサ素子の抵抗変化
   の度合を判定手段によつて判定して前記ガスセンサ素子
   の感ガス性を検知することを特徴とするガスセンサの感
   ガス性検知装置。
2. （２）判定手段が、ガスセンサ素子に接続されこのガス
   センサ素子の抵抗変化によつてその出力電圧が変化する
   出力手段、及び前記ガスセンサ素子の通常通電状態時の
   前記出力手段の出力電圧Ｅｏと前記ガスセンサ素子の非
   通常通電状態時の前記出力手段の出力電圧Ｅｍとを比較
   しＥｍ／Ｅｏが所定値外となつた場合に出力する比較手
   段を備えていることを特徴とする特許請求の範囲第１項
   記載のガスセンサの感ガス性検知装置。
3. （３）非通常通電状態が通電停止状態あるいは通電量を
   減じた状態であることを特徴とする特許請求の範囲第１
   項または第２項に記載のガスセンサの感ガス性検知装置
   。
4. （４）通常通電状態及び非通常通電状態の繰り返し制御
   が１年に１回以上自動的に行なわれることを特徴とする
   特許請求の範囲第３項に記載のガスセンサの感ガス性検
   知装置。
5. （５）Ｅｍ／Ｅｏが所定値外となつた場合に警報あるい
   は表示することを特徴とする特許請求の範囲第３項又は
   第４項に記載のガスセンサの感ガス性検知装置。