JPWO2006046568A1 - 電気化学ガスセンサを用いた自己診断付きガス検出装置 - Google Patents

電気化学ガスセンサを用いた自己診断付きガス検出装置 Download PDF

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Abstract

電気化学ガスセンサに並列に１０秒程度の間テスト信号を加え、この間増幅回路をオフしておく。テスト信号のオフ後に増幅回路をオンし、オン後の所定時間の間にガスセンサの出力波形に所定電圧のピークが有れば、ガスセンサを正常とする。

Description

この発明は電気化学ガスセンサの自己診断に関する。
特許文献１〜特許文献３は、電気化学ガスセンサのキャパシタンスを用いた自己診断を開示している。特許文献１，２では、液体電解質を用いたガスセンサを対象とし、パルス的なテスト信号を、ガスセンサではなく増幅器に入力する。ガスセンサは固定抵抗と並列に増幅器の他の入力に接続され、増幅器はテスト信号の入力に対応して出力を変化させるが、この際の伝達関数がガスセンサの容量によって変化する。ガスセンサの容量はセンサが正常かどうかで変化するので、増幅器の出力からガスセンサの状態を診断できる。
特許文献３では、ガスセンサにパルス的な電圧を加え、パルス終了後のセンサの出力波形から自己診断を行う。即ち正常なガスセンサでは容量が大きく、不良なガスセンサでは容量が小さいので、パルス終了後の出力の緩和速度から、ガスセンサを検査できる。
ＵＳＰ６２５１２４３ ＵＳＰ６１２３８１８ ＵＳＰ６２００４４３
この発明の課題は、電気化学ガスセンサの新たな自己診断装置を提供することにある。
この発明のガス検出装置は、固体または液体の電解質に少なくとも検知極と対極とを接続した、電気化学ガスセンサの出力を、増幅回路で増幅してガスを検出すると共に、電気的なテスト信号を加えた際の、前記ガスセンサの出力応答から前記ガスセンサを自己診断するようにした装置において、
前記増幅回路が前記ガスセンサの出力を増幅しない状態で、前記ガスセンサに前記テスト信号を加えるためのテスト信号印加手段と、
前記テスト信号の終了時に前記増幅回路を前記ガスセンサの出力を増幅する状態にすると共に、この時点から所定の時間内に、前記増幅回路の出力をサンプリングするためのサンプリング手段と、
サンプリング手段の出力から、前記ガスセンサの自己診断を行うための自己診断手段、とを設けたことを特徴とする。
電気化学ガスセンサで用いる電解質は、固体電解質でも、硫酸や水酸化カリウム、金属塩水溶液などの液体電解質でも、あるいはイオン性液体などでも良い。増幅回路をガスセンサの出力を増幅する状態にするのは、好ましくはテスト信号の終了と同時もしくはそれ以降のタイミングとし、特に好ましくはテスト信号の終了後に増幅回路をガスセンサの出力を増幅する状態にする。
好ましくは、自己診断手段は、サンプリング手段の出力が、清浄空気中での出力とは異なる所定範囲内にある際に前記ガスセンサを正常とし、サンプリング手段の出力が、清浄空気中での出力付近の第２の所定範囲内にある際と、前記増幅回路の出力レンジの両端付近にある際とに、前記ガスセンサを異常とする。
好ましくは、前記ガスセンサと並列に抵抗を接続する。
好ましくは、ガス検出装置の電源によりガスセンサの検知極及び対極の一方の電極を定電位に保ち、ガスセンサの他方の電極を前記増幅回路中の演算増幅器の入力側に接続し、ソースの電位とゲートの電位との電圧が所定値以上であることによりオープンするＦＥＴスイッチの、ソースとドレインを前記ガスセンサと並列に配置し、前記電源がオンでＦＥＴスイッチのソースとゲート間の電圧が所定値以上、電源がオフで所定値未満となるように、ゲートを配置する。
ここで好ましくは、前記他方の電極と演算増幅器の入力との間に、テスト信号を加える間オープンするスイッチを設ける。
特に好ましくは、テスト信号印加手段は、該他方の電極からガスセンサにテスト信号を加える。
この発明では、簡単に電気化学ガスセンサを自己診断でき、特にガスセンサの状態を、正常と、ショートや断線／電極劣化／ドライアップなどの異常とに診断できる。
ガスセンサに並列に抵抗を接続すると、無電源放置時などのセンサの分極を防止でき、かつガスセンサに極く小さなテスト信号を加えるのが容易になる。
ガス検出装置の電源によりガスセンサの検知極及び対極の一方の電極を定電位に保ち、ガスセンサの他方の電極を前記増幅回路中の演算増幅器の入力側に接続し、ソースの電位とゲートの電位との電圧が所定値以上であることによりオープンするＦＥＴスイッチの、ソースとドレインを前記ガスセンサと並列に配置し、前記電源がオンでＦＥＴスイッチのソースとゲート間の電圧が所定値以上、電源がオフで所定値未満となるように、ゲートを配置する。すると電源がオンの場合、ＦＥＴスイッチはオープンして動作せず、かつ電源がオフで閉じて、ガスセンサの両極を接続して分極を防止する。
演算増幅器にはオフセットがあり、ガスセンサの分極防止のため並列に抵抗を配置すると、演算増幅器の両入力が抵抗で接続される。オフセットがあり、高い増幅率で動作する演算増幅器では、両入力の電圧が完全に等しくなると、大きなオフセット電圧が出力される。ガスセンサをＦＥＴスイッチで並列接続し、電源がオンでスイッチが開くと、演算増幅器の両入力は非オーミック抵抗のガスセンサで接続され、オフセットによる出力電圧を小さくできる。そこで演算増幅器に関する制限を減らし、回路コストを大幅に小さくできる。
ここで好ましくは、前記他方の電極と演算増幅器の入力との間に、テスト信号を加える間オープンするスイッチを設けると、スイッチでガスセンサと増幅回路の接続を開閉できる。ガスセンサの一方の電極をポテンショスタット回路を介して電源に接続し、他方の電極を演算増幅器に接続する場合を考える。ポテンショスタット回路は一種のバッファで、演算増幅器を含んでいる。ここで、バッファ用の演算増幅器とセンサ信号の増幅用の演算増幅器とを別電源とすると、２パッケージ分の演算増幅器が必要になる。ところが増幅用の演算増幅器へのセンサ信号の入力を遮断するためのスイッチを設けると、２つの演算増幅器を電源が共通の１パッケージで実現でき、演算増幅器を１パッケージ分減らすことができる。
特に好ましくは、テスト信号印加手段は、該他方の電極からガスセンサにテスト信号を加えると、簡単に小さなテスト信号をガスセンサに加えて、電解質や電極の劣化、ヒステリシスなどを防止できる。
実施例で用いた電気化学ガスセンサの要部断面図 実施例の自己診断付きのガス検出装置の回路図 実施例での自己診断アルゴリズムを示すフローチャート 実施例の自己診断での、センサ出力と各トランジスタの動作を示すタイミングチャート 実施例での２つのガスセンサの自己診断結果を示す特性図 実施例で１０回自己診断を行った前後での、ガスセンサの出力を示す特性図 ガスセンサに並列抵抗を配置した場合と配置しない場合とでの、電源をオンした際の出力の差異を示す特性図で、電源オン前に、１０００ppmのＣＯ中に１時間放置し、次いで空気中で１時間放置した。 最適実施例の回路図 最適実施例のタイミングチャート 第３の実施例の回路図
符号の説明
２ ガスセンサ ４ 電解質膜 ６ 対極 ８ 検知極
１０，１２ 多孔質導電性膜 １４ 対極板 １６ 検知極板
２０ 電源 ２２ マイクロコンピュータ ２４ 自己診断部
２６ ガス検出部 ２８ 入出力 ３０ ツェナーダイオード
３２，３３ ＦＥＴスイッチ Ｔr1，Ｔr2 トランジスタ
Ｒ1〜Ｒ12 抵抗 Ｃ１〜Ｃ７ コンデンサ
ＶR１，ＶR２ 可変抵抗 IC１〜IC3 演算増幅器
Ｖcc 増幅回路電源 Ａ 接地
Ｐ1，Ｐ2 制御信号 Ｐ3 出力
以下に本発明を実施するための実施例を示す。
図１〜図７に、実施例を示す。図１に用いた電気化学式のガスセンサ２を示すと、４は電解質膜で、高分子プロトン導電体膜などの固体電解質膜でもよく、あるいはセパレータに保持した液体電解質の膜でも良い。また液体電解質には、硫酸，ＫＯＨ，ＭgＳＯ４などの電解質を水に溶かした水性電解質の他に、有機電解質を用いても良く、特にイオン性液体を用いても良い。液体電解質を用いる場合、電解質は必ずしも膜状にする必要はなく、例えば適宜の容器に収容しても良い。
６は対極、８は検知極で、ここでは対極６と検知極８を電解質膜４の両面に設けるが、片面に距離を空けて配置しても良い。対極６や検知極８では、例えば微細なカーボン粒子にＰtやＰt−Ｒuなどの貴金属触媒を担持させると共にバインダーを添加し、必要に応じてさらに固体や液体の電解質を添加する。１０，１２は多孔質導電性膜で、ここでは多孔質でかつ疎水性のカーボンシートやカーボンペーパーとする。１４は対極板、１６は検知極板である。対極板１４には破線で示す孔を設けて、図示しない液溜から、水蒸気や電解液と酸素とを補給する。検知極板１６にも破線で示す孔を設けて、ＣＯなどの検出対象ガスを導入すると共に、検知極での反応により生じたＣＯ２などを排出する。対極板１４や検知極板１６は例えば金属板で、検知極８での被検出ガスの電極反応に伴う電流を増幅してガスを検出する。
図２に自己診断付きのガス検出装置の回路を示すと、２０は電源で、例えばここでは５Ｖや３Ｖなどの電池電源とし、２２はマイクロコンピュータで、自己診断部２４とガス検出部２６並びに入出力２８を備えている。３０は２〜３Ｖ程度の出力のツェナーダイオード、Ｔr1，Ｔr2はトランジスタで、他のスイッチでも良く、Ｒ1〜Ｒ11は抵抗である。このうち抵抗Ｒ9は例えば１００Ω〜１０ＫΩ程度の抵抗とし、抵抗Ｒ10は抵抗Ｒ9に比べて充分高抵抗な抵抗とし、例えばトランジスタＴr2をオンさせて抵抗Ｒ10を接地Ａに接続した際に、ガスセンサ２に加わる電圧が充分小さな値となるようにする。この電圧はここでは１ｍＶ程度で、好ましくは１０μＶ〜１００ｍＶ程度とする。Ｃ1〜Ｃ6はコンデンサで、ＶR１，ＶR２は可変抵抗である。図２ではガスセンサ２の対極をＣ、検知極をＳと表示し、対極Ｃが例えば１.０Ｖの定電位に保たれるように、可変抵抗ＶR１を調整する。
IC１，IC２は演算増幅器で、例えばガスセンサ２の検知極Ｓを反転入力側に接続し、２段の演算増幅器IC１，IC２でガスセンサ２の出力を増幅する。この場合の増幅率は、ガスセンサ２に１μＡの電流が流れた場合に、出力Ｐ3が３Ｖ変化するようにしてある。Ｖccは増幅回路電源で、トランジスタＴr1を介して電源２０から供給され、演算増幅器IC１，IC２の電源であり、ガスセンサ２の増幅回路の電源である。
図２の回路では、ガスセンサ２の対極を例えば１.０Ｖの定電位に保つと共に、検知極Ｓを抵抗Ｒ3を介して演算増幅器IC１の反転入力に接続する。ガスセンサ２と並列に抵抗Ｒ9を接続し、かつガスセンサ２と抵抗Ｒ9との並列片、特にその検知極Ｓ側を、トランジスタＴr2と１ＭΩ程度の抵抗Ｒ10を介して接地する。そしてトランジスタＴr2の制御信号がＰ2で、トランジスタＴr2をオンさせることをテスト信号を加えるという。抵抗Ｒ10と抵抗Ｒ9との抵抗値の比は、ここでは１０００：１で、例えば１０：１〜１０００００：１程度とする。トランジスタＴr2をオンし、短い初期的な緩和時間が経過すると、ガスセンサ２にはごく小さな電圧が加わることになる。このようにテスト信号を加えた際に、ガスセンサ２に加わる電圧をごく小さな値に保つことが抵抗Ｒ9の役割の１つである。抵抗Ｒ9の他の役割は、電源２０がオフしている際に、ガスセンサ２が分極することを防止する点にある。
マイクロコンピュータ２２の自己診断部２４は、適当な周期で、例えば制御信号Ｐ2によりトランジスタＴr2を１０秒間オンさせると共に、制御信号Ｐ1により増幅回路電源Ｖccをオフさせる。そして好ましくはトランジスタＴr2がオンしている間、トランジスタＴr1はオフしているものとする。トランジスタＴr2を１０秒間オンさせた後にオフし、例えばこれと同時に、好ましくはトランジスタＴr2のオフ後、１ｍ秒〜１００秒程度、より好ましくは１０ｍ秒〜１０秒程度の間隔をおいて、トランジスタＴr1をオンさせる。そしてトランジスタＴr1をオンさせた後１０秒間などの、所定時間内の出力Ｐ3の波形から、ガスセンサ２を自己診断する。このように、制御信号Ｐ1により増幅回路電源Ｖccを制御し、制御信号Ｐ2によりテスト信号を制御し、出力Ｐ3を入出力２８から取り込んで、自己診断を行う。
実施例では対極Ｃを例えば１.０Ｖの定電位側に接続したが、検知極Ｓ側を定電位に接続して、対極Ｃ側をトランジスタＴr2や演算増幅器IC１の反転入力側に接続しても良い。また実施例ではガスセンサ２を電流駆動するので、その出力を演算増幅器IC１の反転入力側に接続したが、電圧駆動としても良く、また非反転入力側に接続してもよい。さらに実施例では演算増幅器IC１，IC２を２段に用いたが、これ以外にバッファ用の演算増幅器を介して、例えば１Ｖの定電位を発生させても良い。テスト信号はトランジスタＴr2を介して加えるが、例えば入出力２８から直接加えるようにしても良い。さらにテスト信号では抵抗Ｒ9から抵抗Ｒ10へ電流が流れるようにしたが、テスト信号の極性を逆にしても良い。またガスセンサ２は検知極，対極の２極のものに限らず、これ以外に参照極を加えた３極のものでも良い。
通常時のガス検出装置の動作を示すと、トランジスタＴr1がオンで、トランジスタＴr2はオフしている。ここでＣＯや水素，アルコールなどのガスが検知極Ｓに拡散すると、検知極Ｓから対極Ｃへ向けて電流が流れる。この電流に等しい電流が、抵抗Ｒ2、ここでは１００ＫΩを流れる。このため例えばガスセンサ２に１μＡの電流が流れると、演算増幅器IC１の出力側の電位は１００ｍＶ変化し、演算増幅器IC２の非反転入力の電位も１００ｍＶ増加する。そこで演算増幅器IC２側では、抵抗Ｒ６の両端間電圧は例えば１００ｍＶとなり、抵抗Ｒ7の抵抗値を抵抗Ｒ6の３０倍としておくと、演算増幅器IC２の出力Ｐ3は、例えば＋３Ｖ増加する。
マイクロコンピュータ２２の自己診断部２４は、例えば１日１回、あるいは１週間に１回などの適当な頻度で、例えば１０秒間トランジスタＴr2をオンし、この時トランジスタＴr1をオンさせておく。トランジスタＴr2のオフと同時に、好ましくはトランジスタＴr2のオフから１ｍ秒〜１００秒程度経過した後にトランジスタＴr1をオンする。トランジスタＴr1を再度オンさせた後、所定時間内での出力Ｐ3の波形からガスセンサ２を自己診断する。
図３〜図４に自己診断アルゴリズムを示すと、例えば１０秒の間トランジスタＴr1をオフし、トランジスタＴr2をオンする。次いでトランジスタＴr2をオフし、例えば１秒待機して、トランジスタＴr1をオンする。トランジスタＴr1をオンした直後には、演算増幅器IC１，IC２が安定するまでの過渡現象や、コンデンサＣ2〜Ｃ5の電圧が安定するまでの過渡現象が加わるため、例えば５秒間待機する。この間の待機時間は０でもよく、好ましくは１０秒以下とする。
トランジスタＴr1をオンした後の５秒間に出力Ｐ3（Ｖout）が２〜４Ｖの所定範囲内にあるかどうかを検査し、１回でもこの範囲内に出力Ｐ3があれば、ガスセンサを正常とする。そして５秒間の間、出力Ｐ3が常に２Ｖ未満もしくは４Ｖ超の場合、ガスセンサに異常が発生しているものとする。なおここでは演算増幅器IC１，IC２の出力レンジは０〜５Ｖの範囲で、清浄空気中での出力Ｐ3の値は１Ｖである。また１回異常を検出したことをもって、ガスセンサ２が異常であるとはせず、例えば複数回異常を継続して検出した際に、異常と判断するようにしても良い。
図４に示すように、トランジスタＴr1をオフし、トランジスタＴr2をオンすると、出力Ｐ3と対極Ｃとは抵抗Ｒ6，Ｒ7などを介して接続されるので、出力Ｐ3の値は１Ｖ未満のほぼ一定値となる。またこの期間で、トランジスタＴr2をオンした直後を除くと、ガスセンサ２に加わる電圧は抵抗Ｒ10と抵抗Ｒ9との比で定まるので、ガスセンサ２にはごく僅かな電圧、例えば１ｍＶ程度の電圧が加わる。そしてこの程度の僅かな電圧でも、ガスセンサの電解質と電極との間に電気２重層などを形成させることができる。またガスセンサ２に加えるテスト信号はごく小さなものなので、ヒステリシスなどの原因となることがない。
トランジスタＴr2をオフした後トランジスタＴr1をオンすると、テスト信号でガスセンサ２に形成された電気２重層などを中和するように、例えば検知極Ｓから対極Ｃ側に電流が流れ込み、これによって還元性ガスを検出した際と同じ極性の信号が出力Ｐ3に表れる。この信号は電気２重層などが消滅すると消えるので、一時的なパルス信号として表れ、何らかの形でこのパルスを検出することにより、ガスセンサ２が正常であることを確認できる。
例えばガスセンサ２に断線がある、ガスセンサ２が差し込まれていない、ガスセンサ２の電解質膜がドライアップなどにより異常になっている、ガスセンサ２の電極が劣化しているなどの場合、出力信号は図４の破線のようになる。これは、テスト信号によりガスセンサ２に生じるはずの電気２重層、などを解消するための電流が流れないことによる。またガスセンサ２がショートしている場合、トランジスタＴr1をオンすると、出力Ｐ3は出力レンジの両端のいずれかに表れる。なお演算増幅器IC１，IC２などの付帯回路を自己診断する場合、トランジスタＴr1，Ｔr2のオン／オフに同期した出力変化が生じるかどうかをチェックすればよい。
図５に２個のガスセンサに対する自己診断の結果を示す。出力は図２の出力Ｐ3であり、１Ｖが清浄空気中に対する出力で、"Blank"はガスセンサを取り外した状態を、"Good1"，"Good2"は正常なガスセンサを取り付けた状態を示し、"Good1"と"Good2"では２個のガスセンサを入れ替えてある。
"Short"はガスセンサを短絡した状態を示し、"Open"は断線したガスセンサを取り付けた状態を示す。"Catalyst Deteriorated"は触媒劣化したガスセンサを用いた例で、ここでは、検知極や対極をカーボンのみで貴金属を担持していない電極として、触媒劣化したガスセンサに代用した。"Dry-Up"は、ガスセンサに水蒸気が補給されない、もしくは電解液が補給されないなどにより、電解質が異常となった状態である。ここでは、液溜を空にしてセパレータのＫＯＨ水溶液に水蒸気が補給されないようにし、５０℃の乾燥空気中で２時間乾燥したセンサを"Dry-Up"とした。
図５の"Power"の行は、電池電源のON／OFFを示し、Ｔr1やＴr2のON／OFFでは、斜線を付した状態がオンで、それ以外の状態がオフである。用いたガスセンサでは、電解質は０.１規定のＫＯＨ水溶液で、親水性のセパレータに保持させた。なお電解質をプロトン導電体固体電解質や硫酸水溶液にしても、同様の結果が得られた。
"Good1"，"Good2"の状態で、トランジスタＴr1がオフでトランジスタＴr2がオンの状態を１０秒間保ち、次いでトランジスタＴr2をオフした後、１秒後にトランジスタＴr1をオンした。この時、ガスセンサの出力には半値幅が５〜２０秒程度のピーク状のパルスが生じた。これに対して、ガスセンサが断線している、触媒劣化している、ドライアップしているなどの場合、トランジスタＴr2をオフした後、トランジスタＴr1をオンすると、出力Ｐ3は０Ｖ程度に一旦減少し、次いで清浄空気中の出力１Ｖへ向けて、指数関数的に緩和した。一方、ガスセンサをショートしておくと、トランジスタＴr1がオンであれば、出力は０Ｖもしくは５Ｖ付近の値を示した。０Ｖと５Ｖ付近のどちらの値となるかは、回路の細かな常数や演算増幅器IC１，IC２などのばらつきで定まるものと考えられる。
ガスセンサを差し込んでいない"Blank"でも、１０秒間、トランジスタＴr1をオフすると共にトランジスタＴr2をオンし、次いでトランジスタＴr2をオフした後に、トランジスタＴr1をオンした。すると断線の場合などと同様に、出力は０Ｖまで減少した後に１Ｖへ向けて指数関数的に緩和した。一方"Blank"の状態で、トランジスタＴr1，Ｔr2を共にオンすると、抵抗Ｒ9から抵抗Ｒ10へ流れる電流のため、出力Ｐ3は３Ｖ強へと増加した。また"Good2"の状態でも、トランジスタＴr1とトランジスタＴr2を共にオンすると、出力は３Ｖ強に同様に増加した。そこでトランジスタＴr1をオンしたままで、トランジスタＴr2をオンしてテスト信号を加えても、ガスセンサの自己診断を行うことはできないことが判明した。
次にトランジスタＴr2のオフ前にトランジスタＴr1をオンすると、"Blank"で示したように、出力Ｐ3は３Ｖ強へと増加しようとするので、このピークと正常なガスセンサで生じるピークとが重なり、診断が難しくなる。このためトランジスタＴr2をオフさせると同時に、もしくはトランジスタＴr2をオフさせた後に、トランジスタＴr1をオンさせることが好ましい。好ましくは、トランジスタＴr2をオフさせた後、１msec〜１００sec後に、特に好ましくは１０msec〜１０sec後に、トランジスタＴr1をオンさせる。
正常なガスセンサから生じるパルスの検出では、トランジスタＴr1を再度オンした後、５〜１０秒の間にセンサ信号が１回でも２〜４Ｖの間にあると、パルス有りとした。このような検出方法に代えて、トランジスタＴr1を再度オンした後１０秒程度の間に、出力Ｐ3が２Ｖなどのラインを下から上向きへと横切り、かつ２Ｖあるいは３Ｖなどのラインを上から下向きに横切ったことを検出するようにしても良い。即ちパルスの検出方法自体は任意である。また実施例では、トランジスタＴr1を再度オンした後に出力Ｐ3が２〜４Ｖの範囲に達しない場合異常とし、この間出力が０〜２Ｖに保たれると、ガスセンサを異常とする。またこれ以外にガスセンサ出力が０Ｖ付近に固定された場合や、４Ｖ以上に固定された場合も、ガスセンサを異常と判断する。パルスを検出する時間幅（window）はセンサの種類や検査条件などに応じて定め、トランジスタＴr2のオフからトランジスタＴr1のオンまでの時間は既知なので、トランジスタＴr2のオフから所定の時間幅内にパルスを検出するということもできる。
実施例では、テスト信号としてガスセンサにごく小さな電圧を加えるので、ヒステリシスが小さい。実施例での自己診断を１時間おきに１０回続けた際の、ガスセンサの出力信号の変化を図６に示す。自己診断を１０回行っても出力に有意差はない。図７は、電池電源をオフした状態での、ガスセンサの分極防止への、抵抗Ｒ9の役割を示す。２個のガスセンサを各々１ＫΩの抵抗Ｒ9と並列に接続し、他の２個のガスセンサは並列抵抗無しで、これらを１０００ppmのＣＯ中に無電源で１時間放置した。その後清浄空気中で１時間放置し、次いで実施例のガス検出回路に組み込み、電池電源をオンした。その際の出力波形を図７に示す。並列抵抗を配置していない場合、電源投入からセンサ信号を安定するまでには１０分程度の時間が必要である。これに対して並列抵抗を配置すると、例えば１分以内にガスの検出を開始できる。
なおトランジスタＴr2を設けず、抵抗Ｒ10のガスセンサ２の反対側に、入出力２８から直接テスト信号を加えても良い。テスト信号の波形は方形波としたが、波形は任意である。ガスセンサ２は、検知極Ｓと対極Ｃを逆にして図２の回路に組み込むこともでき、また図２の増幅回路などは適宜に変更できる。
実施例では以下の効果が得られる。
(1) 電気化学ガスセンサの状態を、正常／ショート／断線や触媒劣化などの異常とに識別できる。
(2) 自己診断に加えるテスト信号は１mV×１０秒と極く小さく、自己診断に要する時間は１分以内で、ヒステリシスも残らず、かつ固定抵抗Ｒ9で簡単にテスト電圧を作り出すことができる。テスト信号をさらに小さくもしくは短くすると、自己診断に要する時間をさらに短くできる。
(3) 電気化学ガスセンサでの通常の増幅回路を用いて、テスト信号の印加回路を追加するだけでよいので、自己診断のために、ガスセンサを特殊な増幅回路に組み込む必要がない。
最適実施例
図８，図９に最適実施例を示し、特に指摘した点以外は図１〜図７の実施例と同様で、同じ符号は同じものを示す。演算増幅器IC3はガスセンサ２の対極を例えば１.５〜２Ｖ程度の定電位に保ち、トランジスタＴｒ１を介さない電源Ｖcc1により動作し、Ｃ７はコンデンサである。３２はＦＥＴスイッチで、ソースＳ２とゲートＧとの電位差が０付近では、ソースＳ２とドレインＤ間の抵抗は５０Ω程度、１.５Ｖ以上ではＭΩ台の抵抗となる。ＦＥＴスイッチ３２は、検出回路の電源をオンすると開き、電源をオフすると閉じて、放置時のガスセンサ２の分極を防止する。演算増幅器IC2はトランジスタＴｒ１を経由する電源Ｖcc2に接続され、図２の演算増幅器IC2は設けなかった。
図８の最適実施例の動作を図９に示すと、トランジスタＴｒ１を例えば１０秒間オフし、この間に、例えばトランジスタＴｒ１のオフよりも、立ち上がりでも立ち下がりでも０.１〜１秒ずつ狭い幅で、トランジスタＴｒ２をオンする。トランジスタＴｒ１のオフにより演算増幅器IC1がオフし、トランジスタＴｒ２のオンにより、ガスセンサ２にテスト信号を加える。この時、ＦＥＴスイッチ３２はオフしたままで、自己診断には関与しない。そして図２の回路と同様に自己診断し、例えばトランジスタＴｒ１を再度オンしてから３〜５秒目に信号Ｐ３をサンプリングし、所定の電圧範囲、例えば２〜４Ｖ、に有ればセンサ２は良好とする。
分極防止用のＦＥＴスイッチ３２は、ゲートＧがアースＡに接続され、電源Ｖcc1がオフすると閉じ、電源Ｖcc1がオンすると開いて、演算増幅器IC1のオフセットを打ち消す。図２の回路では演算増幅器IC1の２つの入力が抵抗Ｒ９で接続されているため、演算増幅器IC1の出力にオフセットが生じる。図８では、２つの入力は非オーミック素子のガスセンサ２で接続され、オフセットを小さくできる。このためオフセットの大きな演算増幅器でも使用でき、回路コストを著しく小さくできる。
図１０は最適実施例を変形したもので、３３はＦＥＴスイッチ３２と同様のＦＥＴスイッチで、Ｓはソース、Ｄはドレイン、Ｇはゲートである。Ｒ１２は１Ω程度の大きな抵抗である。信号Ｐ１でＦＥＴスイッチ３３を開き、センサ２と演算増幅器IC1との接続を断つ。また信号Ｐ１のデュレーションの間に、テスト信号Ｐ２が加えられる。他の点では、最適実施例と同様である。図１０では、２つの演算増幅器IC1,IC3を共通の電源Vccで駆動できるので、演算増幅器を２個含むパッケージを演算増幅器IC1,IC3として用いることができる。これに対して図８では、演算増幅器IC1,IC3は別電源で動作するので、パッケージでのこれらの電源回路を共通化できず、演算増幅器が２パッケージ必要になる。
この発明は電気化学ガスセンサの自己診断に関する。
特許文献１〜特許文献３は、電気化学ガスセンサのキャパシタンスを用いた自己診断を開示している。特許文献１，２では、液体電解質を用いたガスセンサを対象とし、パルス的なテスト信号を、ガスセンサではなく増幅器に入力する。ガスセンサは固定抵抗と並列に増幅器の他の入力に接続され、増幅器はテスト信号の入力に対応して出力を変化させるが、この際の伝達関数がガスセンサの容量によって変化する。ガスセンサの容量はセンサが正常かどうかで変化するので、増幅器の出力からガスセンサの状態を診断できる。
特許文献３では、ガスセンサにパルス的な電圧を加え、パルス終了後のセンサの出力波形から自己診断を行う。即ち正常なガスセンサでは容量が大きく、不良なガスセンサでは容量が小さいので、パルス終了後の出力の緩和速度から、ガスセンサを検査できる。
ＵＳＰ６２５１２４３ ＵＳＰ６１２３８１８ ＵＳＰ６２００４４３
この発明の課題は、電気化学ガスセンサの新たな自己診断装置を提供することにある。
この発明のガス検出装置は、固体または液体の電解質に少なくとも検知極と対極とを接続した、電気化学ガスセンサの出力を、増幅回路で増幅してガスを検出すると共に、電気的なテスト信号を加えた際の、前記ガスセンサの出力応答から前記ガスセンサを自己診断するようにした装置において、
前記増幅回路が前記ガスセンサの出力を増幅しない状態で、前記ガスセンサに前記テスト信号を加えるためのテスト信号印加手段と、
前記テスト信号の終了時に前記増幅回路を前記ガスセンサの出力を増幅する状態にすると共に、この時点から所定の時間内に、前記増幅回路の出力をサンプリングするためのサンプリング手段と、
サンプリング手段の出力から、前記ガスセンサの自己診断を行うための自己診断手段、とを設けたことを特徴とする。
電気化学ガスセンサで用いる電解質は、固体電解質でも、硫酸や水酸化カリウム、金属塩水溶液などの液体電解質でも、あるいはイオン性液体などでも良い。増幅回路をガスセンサの出力を増幅する状態にするのは、好ましくはテスト信号の終了と同時もしくはそれ以降のタイミングとし、特に好ましくはテスト信号の終了後に増幅回路をガスセンサの出力を増幅する状態にする。
好ましくは、自己診断手段は、サンプリング手段の出力が、清浄空気中での出力とは異なる所定範囲内にある際に前記ガスセンサを正常とし、サンプリング手段の出力が、清浄空気中での出力付近の第２の所定範囲内にある際と、前記増幅回路の出力レンジの両端付近にある際とに、前記ガスセンサを異常とする。
好ましくは、前記ガスセンサと並列に抵抗を接続する。
好ましくは、ガス検出装置の電源によりガスセンサの検知極及び対極の一方の電極を定電位に保ち、ガスセンサの他方の電極を前記増幅回路中の演算増幅器の入力側に接続し、ソースの電位とゲートの電位との電圧が所定値以上であることによりオープンするＦＥＴスイッチの、ソースとドレインを前記ガスセンサと並列に配置し、前記電源がオンでＦＥＴスイッチのソースとゲート間の電圧が所定値以上、電源がオフで所定値未満となるように、ゲートを配置する。
ここで好ましくは、前記他方の電極と演算増幅器の入力との間に、テスト信号を加える間オープンするスイッチを設ける。
特に好ましくは、テスト信号印加手段は、該他方の電極からガスセンサにテスト信号を加える。
この発明では、簡単に電気化学ガスセンサを自己診断でき、特にガスセンサの状態を、正常と、ショートや断線／電極劣化／ドライアップなどの異常とに診断できる。
ガスセンサに並列に抵抗を接続すると、無電源放置時などのセンサの分極を防止でき、かつガスセンサに極く小さなテスト信号を加えるのが容易になる。
ガス検出装置の電源によりガスセンサの検知極及び対極の一方の電極を定電位に保ち、ガスセンサの他方の電極を前記増幅回路中の演算増幅器の入力側に接続し、ソースの電位とゲートの電位との電圧が所定値以上であることによりオープンするＦＥＴスイッチの、ソースとドレインを前記ガスセンサと並列に配置し、前記電源がオンでＦＥＴスイッチのソースとゲート間の電圧が所定値以上、電源がオフで所定値未満となるように、ゲートを配置する。すると電源がオンの場合、ＦＥＴスイッチはオープンして動作せず、かつ電源がオフで閉じて、ガスセンサの両極を接続して分極を防止する。
演算増幅器にはオフセットがあり、ガスセンサの分極防止のため並列に抵抗を配置すると、演算増幅器の両入力が抵抗で接続される。オフセットがあり、高い増幅率で動作する演算増幅器では、両入力の電圧が完全に等しくなると、大きなオフセット電圧が出力される。ガスセンサをＦＥＴスイッチで並列接続し、電源がオンでスイッチが開くと、演算増幅器の両入力は非オーミック抵抗のガスセンサで接続され、オフセットによる出力電圧を小さくできる。そこで演算増幅器に関する制限を減らし、回路コストを大幅に小さくできる。
ここで好ましくは、前記他方の電極と演算増幅器の入力との間に、テスト信号を加える間オープンするスイッチを設けると、スイッチでガスセンサと増幅回路の接続を開閉できる。ガスセンサの一方の電極をポテンショスタット回路を介して電源に接続し、他方の電極を演算増幅器に接続する場合を考える。ポテンショスタット回路は一種のバッファで、演算増幅器を含んでいる。ここで、バッファ用の演算増幅器とセンサ信号の増幅用の演算増幅器とを別電源とすると、２パッケージ分の演算増幅器が必要になる。ところが増幅用の演算増幅器へのセンサ信号の入力を遮断するためのスイッチを設けると、２つの演算増幅器を電源が共通の１パッケージで実現でき、演算増幅器を１パッケージ分減らすことができる。
特に好ましくは、テスト信号印加手段は、該他方の電極からガスセンサにテスト信号を加えると、簡単に小さなテスト信号をガスセンサに加えて、電解質や電極の劣化、ヒステリシスなどを防止できる。
以下に本発明を実施するための実施例を示す。
図１〜図７に、実施例を示す。図１に用いた電気化学式のガスセンサ２を示すと、４は電解質膜で、高分子プロトン導電体膜などの固体電解質膜でもよく、あるいはセパレータに保持した液体電解質の膜でも良い。また液体電解質には、硫酸，ＫＯＨ，ＭgＳＯ４などの電解質を水に溶かした水性電解質の他に、有機電解質を用いても良く、特にイオン性液体を用いても良い。液体電解質を用いる場合、電解質は必ずしも膜状にする必要はなく、例えば適宜の容器に収容しても良い。
６は対極、８は検知極で、ここでは対極６と検知極８を電解質膜４の両面に設けるが、片面に距離を空けて配置しても良い。対極６や検知極８では、例えば微細なカーボン粒子にＰtやＰt−Ｒuなどの貴金属触媒を担持させると共にバインダーを添加し、必要に応じてさらに固体や液体の電解質を添加する。１０，１２は多孔質導電性膜で、ここでは多孔質でかつ疎水性のカーボンシートやカーボンペーパーとする。１４は対極板、１６は検知極板である。対極板１４には破線で示す孔を設けて、図示しない液溜から、水蒸気や電解液と酸素とを補給する。検知極板１６にも破線で示す孔を設けて、ＣＯなどの検出対象ガスを導入すると共に、検知極での反応により生じたＣＯ２などを排出する。対極板１４や検知極板１６は例えば金属板で、検知極８での被検出ガスの電極反応に伴う電流を増幅してガスを検出する。
図２に自己診断付きのガス検出装置の回路を示すと、２０は電源で、例えばここでは５Ｖや３Ｖなどの電池電源とし、２２はマイクロコンピュータで、自己診断部２４とガス検出部２６並びに入出力２８を備えている。３０は２〜３Ｖ程度の出力のツェナーダイオード、Ｔr1，Ｔr2はトランジスタで、他のスイッチでも良く、Ｒ1〜Ｒ11は抵抗である。このうち抵抗Ｒ9は例えば１００Ω〜１０ＫΩ程度の抵抗とし、抵抗Ｒ10は抵抗Ｒ9に比べて充分高抵抗な抵抗とし、例えばトランジスタＴr2をオンさせて抵抗Ｒ10を接地Ａに接続した際に、ガスセンサ２に加わる電圧が充分小さな値となるようにする。この電圧はここでは１ｍＶ程度で、好ましくは１０μＶ〜１００ｍＶ程度とする。Ｃ1〜Ｃ6はコンデンサで、ＶR１，ＶR２は可変抵抗である。図２ではガスセンサ２の対極をＣ、検知極をＳと表示し、対極Ｃが例えば１.０Ｖの定電位に保たれるように、可変抵抗ＶR１を調整する。
IC１，IC２は演算増幅器で、例えばガスセンサ２の検知極Ｓを反転入力側に接続し、２段の演算増幅器IC１，IC２でガスセンサ２の出力を増幅する。この場合の増幅率は、ガスセンサ２に１μＡの電流が流れた場合に、出力Ｐ3が３Ｖ変化するようにしてある。Ｖccは増幅回路電源で、トランジスタＴr1を介して電源２０から供給され、演算増幅器IC１，IC２の電源であり、ガスセンサ２の増幅回路の電源である。
図２の回路では、ガスセンサ２の対極を例えば１.０Ｖの定電位に保つと共に、検知極Ｓを抵抗Ｒ3を介して演算増幅器IC１の反転入力に接続する。ガスセンサ２と並列に抵抗Ｒ9を接続し、かつガスセンサ２と抵抗Ｒ9との並列片、特にその検知極Ｓ側を、トランジスタＴr2と１ＭΩ程度の抵抗Ｒ10を介して接地する。そしてトランジスタＴr2の制御信号がＰ2で、トランジスタＴr2をオンさせることをテスト信号を加えるという。抵抗Ｒ10と抵抗Ｒ9との抵抗値の比は、ここでは１０００：１で、例えば１０：１〜１０００００：１程度とする。トランジスタＴr2をオンし、短い初期的な緩和時間が経過すると、ガスセンサ２にはごく小さな電圧が加わることになる。このようにテスト信号を加えた際に、ガスセンサ２に加わる電圧をごく小さな値に保つことが抵抗Ｒ9の役割の１つである。抵抗Ｒ9の他の役割は、電源２０がオフしている際に、ガスセンサ２が分極することを防止する点にある。
マイクロコンピュータ２２の自己診断部２４は、適当な周期で、例えば制御信号Ｐ2によりトランジスタＴr2を１０秒間オンさせると共に、制御信号Ｐ1により増幅回路電源Ｖccをオフさせる。そして好ましくはトランジスタＴr2がオンしている間、トランジスタＴr1はオフしているものとする。トランジスタＴr2を１０秒間オンさせた後にオフし、例えばこれと同時に、好ましくはトランジスタＴr2のオフ後、１ｍ秒〜１００秒程度、より好ましくは１０ｍ秒〜１０秒程度の間隔をおいて、トランジスタＴr1をオンさせる。そしてトランジスタＴr1をオンさせた後１０秒間などの、所定時間内の出力Ｐ3の波形から、ガスセンサ２を自己診断する。このように、制御信号Ｐ1により増幅回路電源Ｖccを制御し、制御信号Ｐ2によりテスト信号を制御し、出力Ｐ3を入出力２８から取り込んで、自己診断を行う。
実施例では対極Ｃを例えば１.０Ｖの定電位側に接続したが、検知極Ｓ側を定電位に接続して、対極Ｃ側をトランジスタＴr2や演算増幅器IC１の反転入力側に接続しても良い。また実施例ではガスセンサ２を電流駆動するので、その出力を演算増幅器IC１の反転入力側に接続したが、電圧駆動としても良く、また非反転入力側に接続してもよい。さらに実施例では演算増幅器IC１，IC２を２段に用いたが、これ以外にバッファ用の演算増幅器を介して、例えば１Ｖの定電位を発生させても良い。テスト信号はトランジスタＴr2を介して加えるが、例えば入出力２８から直接加えるようにしても良い。さらにテスト信号では抵抗Ｒ9から抵抗Ｒ10へ電流が流れるようにしたが、テスト信号の極性を逆にしても良い。またガスセンサ２は検知極，対極の２極のものに限らず、これ以外に参照極を加えた３極のものでも良い。
通常時のガス検出装置の動作を示すと、トランジスタＴr1がオンで、トランジスタＴr2はオフしている。ここでＣＯや水素，アルコールなどのガスが検知極Ｓに拡散すると、検知極Ｓから対極Ｃへ向けて電流が流れる。この電流に等しい電流が、抵抗Ｒ2、ここでは１００ＫΩを流れる。このため例えばガスセンサ２に１μＡの電流が流れると、演算増幅器IC１の出力側の電位は１００ｍＶ変化し、演算増幅器IC２の非反転入力の電位も１００ｍＶ増加する。そこで演算増幅器IC２側では、抵抗Ｒ６の両端間電圧は例えば１００ｍＶとなり、抵抗Ｒ7の抵抗値を抵抗Ｒ6の３０倍としておくと、演算増幅器IC２の出力Ｐ3は、例えば＋３Ｖ増加する。
マイクロコンピュータ２２の自己診断部２４は、例えば１日１回、あるいは１週間に１回などの適当な頻度で、例えば１０秒間トランジスタＴr2をオンし、この時トランジスタＴr1をオフさせておく。トランジスタＴr2のオフと同時に、好ましくはトランジスタＴr2のオフから１ｍ秒〜１００秒程度経過した後にトランジスタＴr1をオンする。トランジスタＴr1を再度オンさせた後、所定時間内での出力Ｐ3の波形からガスセンサ２を自己診断する。
図３〜図４に自己診断アルゴリズムを示すと、例えば１０秒の間トランジスタＴr1をオフし、トランジスタＴr2をオンする。次いでトランジスタＴr2をオフし、例えば１秒待機して、トランジスタＴr1をオンする。トランジスタＴr1をオンした直後には、演算増幅器IC１，IC２が安定するまでの過渡現象や、コンデンサＣ2〜Ｃ5の電圧が安定するまでの過渡現象が加わるため、例えば５秒間待機する。この間の待機時間は０でもよく、好ましくは１０秒以下とする。
トランジスタＴr1をオンした後の５秒間に出力Ｐ3（Ｖout）が２〜４Ｖの所定範囲内にあるかどうかを検査し、１回でもこの範囲内に出力Ｐ3があれば、ガスセンサを正常とする。そして５秒間の間、出力Ｐ3が常に２Ｖ未満もしくは４Ｖ超の場合、ガスセンサに異常が発生しているものとする。なおここでは演算増幅器IC１，IC２の出力レンジは０〜５Ｖの範囲で、清浄空気中での出力Ｐ3の値は１Ｖである。また１回異常を検出したことをもって、ガスセンサ２が異常であるとはせず、例えば複数回異常を継続して検出した際に、異常と判断するようにしても良い。
図４に示すように、トランジスタＴr1をオフし、トランジスタＴr2をオンすると、出力Ｐ3と対極Ｃとは抵抗Ｒ6，Ｒ7などを介して接続されるので、出力Ｐ3の値は１Ｖ未満のほぼ一定値となる。またこの期間で、トランジスタＴr2をオンした直後を除くと、ガスセンサ２に加わる電圧は抵抗Ｒ10と抵抗Ｒ9との比で定まるので、ガスセンサ２にはごく僅かな電圧、例えば１ｍＶ程度の電圧が加わる。そしてこの程度の僅かな電圧でも、ガスセンサの電解質と電極との間に電気２重層などを形成させることができる。またガスセンサ２に加えるテスト信号はごく小さなものなので、ヒステリシスなどの原因となることがない。
トランジスタＴr2をオフした後トランジスタＴr1をオンすると、テスト信号でガスセンサ２に形成された電気２重層などを中和するように、例えば検知極Ｓから対極Ｃ側に電流が流れ込み、これによって還元性ガスを検出した際と同じ極性の信号が出力Ｐ3に表れる。この信号は電気２重層などが消滅すると消えるので、一時的なパルス信号として表れ、何らかの形でこのパルスを検出することにより、ガスセンサ２が正常であることを確認できる。
例えばガスセンサ２に断線がある、ガスセンサ２が差し込まれていない、ガスセンサ２の電解質膜がドライアップなどにより異常になっている、ガスセンサ２の電極が劣化しているなどの場合、出力信号は図４の破線のようになる。これは、テスト信号によりガスセンサ２に生じるはずの電気２重層、などを解消するための電流が流れないことによる。またガスセンサ２がショートしている場合、トランジスタＴr1をオンすると、出力Ｐ3は出力レンジの両端のいずれかに表れる。なお演算増幅器IC１，IC２などの付帯回路を自己診断する場合、トランジスタＴr1，Ｔr2のオン／オフに同期した出力変化が生じるかどうかをチェックすればよい。
図５に２個のガスセンサに対する自己診断の結果を示す。出力は図２の出力Ｐ3であり、１Ｖが清浄空気中に対する出力で、"Blank"はガスセンサを取り外した状態を、"Good1"，"Good2"は正常なガスセンサを取り付けた状態を示し、"Good1"と"Good2"では２個のガスセンサを入れ替えてある。
"Short"はガスセンサを短絡した状態を示し、"Open"は断線したガスセンサを取り付けた状態を示す。"Catalyst Deteriorated"は触媒劣化したガスセンサを用いた例で、ここでは、検知極や対極をカーボンのみで貴金属を担持していない電極として、触媒劣化したガスセンサに代用した。"Dry-Up"は、ガスセンサに水蒸気が補給されない、もしくは電解液が補給されないなどにより、電解質が異常となった状態である。ここでは、液溜を空にしてセパレータのＫＯＨ水溶液に水蒸気が補給されないようにし、５０℃の乾燥空気中で２時間乾燥したセンサを"Dry-Up"とした。
図５の"Power"の行は、電池電源のON／OFFを示し、Ｔr1やＴr2のON／OFFでは、斜線を付した状態がオンで、それ以外の状態がオフである。用いたガスセンサでは、電解質は０.１規定のＫＯＨ水溶液で、親水性のセパレータに保持させた。なお電解質をプロトン導電体固体電解質や硫酸水溶液にしても、同様の結果が得られた。
"Good1"，"Good2"の状態で、トランジスタＴr1がオフでトランジスタＴr2がオンの状態を１０秒間保ち、次いでトランジスタＴr2をオフした後、１秒後にトランジスタＴr1をオンした。この時、ガスセンサの出力には半値幅が５〜２０秒程度のピーク状のパルスが生じた。これに対して、ガスセンサが断線している、触媒劣化している、ドライアップしているなどの場合、トランジスタＴr2をオフした後、トランジスタＴr1をオンすると、出力Ｐ3は０Ｖ程度に一旦減少し、次いで清浄空気中の出力１Ｖへ向けて、指数関数的に緩和した。一方、ガスセンサをショートしておくと、トランジスタＴr1がオンであれば、出力は０Ｖもしくは５Ｖ付近の値を示した。０Ｖと５Ｖ付近のどちらの値となるかは、回路の細かな常数や演算増幅器IC１，IC２などのばらつきで定まるものと考えられる。
ガスセンサを差し込んでいない"Blank"でも、１０秒間、トランジスタＴr1をオフすると共にトランジスタＴr2をオンし、次いでトランジスタＴr2をオフした後に、トランジスタＴr1をオンした。すると断線の場合などと同様に、出力は０Ｖまで減少した後に１Ｖへ向けて指数関数的に緩和した。一方"Blank"の状態で、トランジスタＴr1，Ｔr2を共にオンすると、抵抗Ｒ9から抵抗Ｒ10へ流れる電流のため、出力Ｐ3は３Ｖ強へと増加した。また"Good2"の状態でも、トランジスタＴr1とトランジスタＴr2を共にオンすると、出力は３Ｖ強に同様に増加した。そこでトランジスタＴr1をオンしたままで、トランジスタＴr2をオンしてテスト信号を加えても、ガスセンサの自己診断を行うことはできないことが判明した。
次にトランジスタＴr2のオフ前にトランジスタＴr1をオンすると、"Blank"で示したように、出力Ｐ3は３Ｖ強へと増加しようとするので、このピークと正常なガスセンサで生じるピークとが重なり、診断が難しくなる。このためトランジスタＴr2をオフさせると同時に、もしくはトランジスタＴr2をオフさせた後に、トランジスタＴr1をオンさせることが好ましい。好ましくは、トランジスタＴr2をオフさせた後、１msec〜１００sec後に、特に好ましくは１０msec〜１０sec後に、トランジスタＴr1をオンさせる。
正常なガスセンサから生じるパルスの検出では、トランジスタＴr1を再度オンした後、５〜１０秒の間にセンサ信号が１回でも２〜４Ｖの間にあると、パルス有りとした。このような検出方法に代えて、トランジスタＴr1を再度オンした後１０秒程度の間に、出力Ｐ3が２Ｖなどのラインを下から上向きへと横切り、かつ２Ｖあるいは３Ｖなどのラインを上から下向きに横切ったことを検出するようにしても良い。即ちパルスの検出方法自体は任意である。また実施例では、トランジスタＴr1を再度オンした後に出力Ｐ3が２〜４Ｖの範囲に達しない場合異常とし、この間出力が０〜２Ｖに保たれると、ガスセンサを異常とする。またこれ以外にガスセンサ出力が０Ｖ付近に固定された場合や、４Ｖ以上に固定された場合も、ガスセンサを異常と判断する。パルスを検出する時間幅（window）はセンサの種類や検査条件などに応じて定め、トランジスタＴr2のオフからトランジスタＴr1のオンまでの時間は既知なので、トランジスタＴr2のオフから所定の時間幅内にパルスを検出するということもできる。
実施例では、テスト信号としてガスセンサにごく小さな電圧を加えるので、ヒステリシスが小さい。実施例での自己診断を１時間おきに１０回続けた際の、ガスセンサの出力信号の変化を図６に示す。自己診断を１０回行っても出力に有意差はない。図７は、電池電源をオフした状態での、ガスセンサの分極防止への、抵抗Ｒ9の役割を示す。２個のガスセンサを各々１ＫΩの抵抗Ｒ9と並列に接続し、他の２個のガスセンサは並列抵抗無しで、これらを１０００ppmのＣＯ中に無電源で１時間放置した。その後清浄空気中で１時間放置し、次いで実施例のガス検出回路に組み込み、電池電源をオンした。その際の出力波形を図７に示す。並列抵抗を配置していない場合、電源投入からセンサ信号を安定するまでには１０分程度の時間が必要である。これに対して並列抵抗を配置すると、例えば１分以内にガスの検出を開始できる。
なおトランジスタＴr2を設けず、抵抗Ｒ10のガスセンサ２の反対側に、入出力２８から直接テスト信号を加えても良い。テスト信号の波形は方形波としたが、波形は任意である。ガスセンサ２は、検知極Ｓと対極Ｃを逆にして図２の回路に組み込むこともでき、また図２の増幅回路などは適宜に変更できる。
実施例では以下の効果が得られる。
(1) 電気化学ガスセンサの状態を、正常／ショート／断線や触媒劣化などの異常とに識別できる。
(2) 自己診断に加えるテスト信号は１mV×１０秒と極く小さく、自己診断に要する時間は１分以内で、ヒステリシスも残らず、かつ固定抵抗Ｒ9で簡単にテスト電圧を作り出すことができる。テスト信号をさらに小さくもしくは短くすると、自己診断に要する時間をさらに短くできる。
(3) 電気化学ガスセンサでの通常の増幅回路を用いて、テスト信号の印加回路を追加するだけでよいので、自己診断のために、ガスセンサを特殊な増幅回路に組み込む必要がない。
最適実施例
図８，図９に最適実施例を示し、特に指摘した点以外は図１〜図７の実施例と同様で、同じ符号は同じものを示す。演算増幅器IC3はガスセンサ２の対極を例えば１.５〜２Ｖ程度の定電位に保ち、トランジスタＴｒ１を介さない電源Ｖcc1により動作し、Ｃ７はコンデンサである。３２はＦＥＴスイッチで、ソースＳ２とゲートＧとの電位差が０付近では、ソースＳ２とドレインＤ間の抵抗は５０Ω程度、１.５Ｖ以上ではＭΩ台の抵抗となる。ＦＥＴスイッチ３２は、検出回路の電源をオンすると開き、電源をオフすると閉じて、放置時のガスセンサ２の分極を防止する。演算増幅器IC2はトランジスタＴｒ１を経由する電源Ｖcc2に接続され、図２の演算増幅器IC2は設けなかった。
図８の最適実施例の動作を図９に示すと、トランジスタＴｒ１を例えば１０秒間オフし、この間に、例えばトランジスタＴｒ１のオフよりも、立ち上がりでも立ち下がりでも０.１〜１秒ずつ狭い幅で、トランジスタＴｒ２をオンする。トランジスタＴｒ１のオフにより演算増幅器IC1がオフし、トランジスタＴｒ２のオンにより、ガスセンサ２にテスト信号を加える。この時、ＦＥＴスイッチ３２はオフしたままで、自己診断には関与しない。そして図２の回路と同様に自己診断し、例えばトランジスタＴｒ１を再度オンしてから３〜５秒目に信号Ｐ３をサンプリングし、所定の電圧範囲、例えば２〜４Ｖ、に有ればセンサ２は良好とする。
分極防止用のＦＥＴスイッチ３２は、ゲートＧがアースＡに接続され、電源Ｖcc1がオフすると閉じ、電源Ｖcc1がオンすると開いて、演算増幅器IC1のオフセットを打ち消す。図２の回路では演算増幅器IC1の２つの入力が抵抗Ｒ９で接続されているため、演算増幅器IC1の出力にオフセットが生じる。図８では、２つの入力は非オーミック素子のガスセンサ２で接続され、オフセットを小さくできる。このためオフセットの大きな演算増幅器でも使用でき、回路コストを著しく小さくできる。
図１０は最適実施例を変形したもので、３３はＦＥＴスイッチ３２と同様のＦＥＴスイッチで、Ｓはソース、Ｄはドレイン、Ｇはゲートである。Ｒ１２は１Ω程度の大きな抵抗である。信号Ｐ１でＦＥＴスイッチ３３を開き、センサ２と演算増幅器IC1との接続を断つ。また信号Ｐ１のデュレーションの間に、テスト信号Ｐ２が加えられる。他の点では、最適実施例と同様である。図１０では、２つの演算増幅器IC1,IC3を共通の電源Vccで駆動できるので、演算増幅器を２個含むパッケージを演算増幅器IC1,IC3として用いることができる。これに対して図８では、演算増幅器IC1,IC3は別電源で動作するので、パッケージでのこれらの電源回路を共通化できず、演算増幅器が２パッケージ必要になる。
実施例で用いた電気化学ガスセンサの要部断面図 実施例の自己診断付きのガス検出装置の回路図 実施例での自己診断アルゴリズムを示すフローチャート 実施例の自己診断での、センサ出力と各トランジスタの動作を示すタイミングチャート 実施例での２つのガスセンサの自己診断結果を示す特性図 実施例で１０回自己診断を行った前後での、ガスセンサの出力を示す特性図 ガスセンサに並列抵抗を配置した場合と配置しない場合とでの、電源をオンした際の出力の差異を示す特性図で、電源オン前に、１０００ppmのＣＯ中に１時間放置し、次いで空気中で１時間放置した。 最適実施例の回路図 最適実施例のタイミングチャート 第３の実施例の回路図
符号の説明
２ ガスセンサ ４ 電解質膜 ６ 対極 ８ 検知極
１０，１２ 多孔質導電性膜 １４ 対極板 １６ 検知極板
２０ 電源 ２２ マイクロコンピュータ ２４ 自己診断部
２６ ガス検出部 ２８ 入出力 ３０ ツェナーダイオード
３２，３３ ＦＥＴスイッチ Ｔr1，Ｔr2 トランジスタ
Ｒ1〜Ｒ12 抵抗 Ｃ１〜Ｃ７ コンデンサ
ＶR１，ＶR２ 可変抵抗 IC１〜IC3 演算増幅器
Ｖcc 増幅回路電源 Ａ 接地
Ｐ1，Ｐ2 制御信号 Ｐ3 出力

Claims (6)

  1. 固体または液体の電解質に少なくとも検知極と対極とを接続した、電気化学ガスセンサの出力を、増幅回路で増幅してガスを検出すると共に、電気的なテスト信号を加えた際の、前記ガスセンサの出力応答から前記ガスセンサを自己診断するようにした装置において、
    前記増幅回路が前記ガスセンサの出力を増幅しない状態で、前記ガスセンサに前記テスト信号を加えるためのテスト信号印加手段と、
    前記テスト信号の終了時に前記増幅回路を前記ガスセンサの出力を増幅する状態にすると共に、この時点から所定の時間内に、前記増幅回路の出力をサンプリングするためのサンプリング手段と、
    サンプリング手段の出力から、前記ガスセンサの自己診断を行うための自己診断手段、とを設けたことを特徴とするガス検出装置。
  2. 自己診断手段は、サンプリング手段の出力が、清浄空気中での出力とは異なる所定範囲内にある際に前記ガスセンサを正常とし、サンプリング手段の出力が、清浄空気中での出力付近の第２の所定範囲内にある際と、前記増幅回路の出力レンジの両端付近にある際とに、前記ガスセンサを異常とする、ことを特徴とする請求項１のガス検出装置。
  3. 前記ガスセンサと並列に抵抗を接続したことを特徴とする、請求項１のガス検出装置。
  4. ガス検出装置の電源によりガスセンサの検知極及び対極の一方の電極を定電位に保ち、ガスセンサの他方の電極を前記増幅回路中の演算増幅器の入力側に接続し、ソースの電位とゲートの電位との電圧が所定値以上であることによりオープンするＦＥＴスイッチの、ソースとドレインを前記ガスセンサと並列に配置し、前記電源がオンでＦＥＴスイッチのソースとゲート間の電圧が所定値以上、電源がオフで所定値未満となるように、ゲートを配置したことを特徴とする、請求項２のガス検出装置。
  5. 前記他方の電極と演算増幅器の入力との間に、テスト信号を加える間オープンするスイッチを設けたことを特徴とする、請求項４のガス検出装置。
  6. テスト信号印加手段は、該他方の電極からガスセンサにテスト信号を加えるようにしたことを特徴とする、請求項４のガス検出装置。
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