KR100816436B1

KR100816436B1 - 전기화학 가스 센서를 사용하는 자기진단 기능을 구비하는가스 검출장치

Info

Publication number: KR100816436B1
Application number: KR1020067008563A
Authority: KR
Inventors: 도모히로 이노우에; 유키 후지모리
Original assignee: 휘가로기켄 가부시키가이샤
Priority date: 2004-10-28
Filing date: 2005-10-25
Publication date: 2008-03-25
Also published as: US7090755B2; JPWO2006046568A1; JP4134228B2; ES2392724T3; US20060091007A1; EP1806576A1; CN1906481A; EP1806576A4; KR20060085918A; WO2006046568A1; EP1806576B1; CN100451638C

Abstract

전기화학 가스 센서에 병렬로 10초 정도 테스트 신호를 인가하고, 이 사이에 증폭회로를 오프 해 둔다. 테스트 신호의 오프 후에 증폭회로를 온 하고, 온 후의 소정의 시간 동안 가스 센서의 출력파형에 소정의 전압의 피크가 있으면 가스 센서를 정상이라고 진단한다.

Description

전기화학 가스 센서를 사용하는 자기진단 기능을 구비하는 가스 검출장치{GAS DETECTING DEVICE WITH SELF-DIAGNOSIS FOR ELECTROCHEMICAL GAS SENSOR}

본 발명은 전기화학 가스 센서(電氣化學 gas sensor)의 자기진단(自己診斷)에 관한 것이다.

특허문헌1∼특허문헌3은, 전기화학 가스 센서의 정전용량(capacitance)을 사용한 자기진단을 개시하고 있다. 특허문헌1, 2에서는, 액체 전해질(電解質)을 사용한 가스 센서를 대상으로 하고, 펄스(pulse)의 테스트 신호를 가스 센서가 아니라 증폭기(增幅器)에 입력한다. 가스 센서는 고정 저항과 병렬로 증폭기의 다른 입력에 접속되어, 증폭기가 테스트 신호의 입력에 대응하여 출력을 변화시키지만, 이 때의 전달함수(傳達函數)가 가스 센서의 용량에 의하여 변화된다. 가스 센서의 용량은 센서가 정상인가 아닌가에 따라 변화하기 때문에 증폭기의 출력으로부터 가스 센서의 상태를 진단할 수 있다.

특허문헌3에서는, 가스 센서에 펄스의 전압을 인가하고, 펄스 종료 후의 센서의 출력 파형으로부터 자기진단을 한다. 즉 정상적인 가스 센서는 그 용량이 크고, 불량한 가스 센서는 그 용량이 작으므로 펄스 종료 후의 출력의 완화속도(緩和速度)로부터 가스 센서를 검사할 수 있다.

[특허문헌1] ＵＳＰ6251243

[특허문헌2] ＵＳＰ6123818

[특허문헌3] ＵＳＰ6200443

[발명이 이루고자 하는 기술적 과제]

본 발명의 과제는, 전기화학 가스 센서의 새로운 자기진단 장치를 제공하고자 하는 것이다.

[발명의 구성]

본 발명의 가스 검출장치는, 고체(固體) 또는 액체(液體)의 전해질(電解質)에 적어도 검출극(檢出極)과 대극(對極)을 접속하고, 전기화학 가스 센서의 출력을 증폭회로에 의하여 증폭하여 가스를 검출하고 또한 전기적인 테스트 신호를 인가했을 때의 상기 가스 센서의 출력 응답으로부터 상기 가스 센서를 자기진단 하도록 하는 장치에 있어서,

상기 증폭회로가 상기 가스 센서의 출력을 증폭하지 않는 상태에서 상기 가스 센서에 상기 테스트 신호를 인가하기 위한 테스트 신호 인가수단과,

상기 테스트 신호의 종료 시에 상기 증폭회로를 상기 가스 센서의 출력을 증폭하는 상태로 하고 또한 그 시점으로부터 소정의 시간 내에 상기 증폭회로의 출력을 샘플링 하기 위한 샘플링 수단과,

샘플링 수단의 출력으로부터 상기 가스 센서의 자기진단을 하기 위한 자기진단수단을

설치하는 것을 특징으로 한다.

전기화학 가스 센서에서 사용하는 전해질은, 고체 전해질이어도 좋고, 황산이나 수산화 칼륨, 금속염 수용액 등의 액체 전해질이어도 좋고 또는 이온성 액체 등이어도 좋다. 증폭회로를 가스 센서의 출력을 증폭하는 상태로 하는 것은, 바람직하게는 테스트 신호의 종료와 동시에 혹은 그 이후의 타이밍으로 하고, 특히 바람직하게는 테스트 신호의 종료 후에 증폭회로를 가스 센서의 출력을 증폭하는 상태로 한다.

바람직하게는, 자기진단수단은, 샘플링 수단의 출력이 청정공기(淸淨空氣) 중에서의 출력과는 다른 제1소정범위 내에 있을 때에 상기 가스 센서를 정상이라고 진단하고, 샘플링 수단의 출력이, 청정공기 중에서의 출력 부근에 있어서 제1소정범위와 중복되지 않는 제2소정범위 내에 있을 때와 상기 증폭회로의 출력 레인지(出力 range)의 양단 부근에 있을 때에, 상기 가스 센서를 이상이라고 진단한다.

바람직하게는, 상기 가스 센서와 병렬로 저항을 접속한다.

바람직하게는, 가스 검출장치의 전원에 의하여 가스 센서의 검출극 및 대극 중의 일방의 전극을 정전위(定電位)로 유지하고, 가스 센서의 타방의 전극을 상기 증폭회로 중의 연산 증폭기의 입력 측에 접속하고, 소스의 전위와 게이트의 전위의 전압이 소정치 이상인 경우에 오픈(open)하는 FET 스위치를 구비하고, 소스와 드레인을 상기 가스 센서와 병렬로 배치하고, 상기 전원이 온인 상태에서 FET 스위치의 소스와 게이트 간의 전압이 소정치 이상이 되고, 전원이 오프인 상태에서 소정치 미만이 되도록 게이트를 배치한다.

여기에서 바람직하게는, 테스트 신호를 인가하는 동안에 오픈 하는 스위치를, 상기 타방의 전극과 연산 증폭기의 입력과의 사이에 설치한다.

특히 바람직하게는, 테스트 신호 인가수단은, 상기 타방의 전극으로부터 가스 센서에 테스트 신호를 인가한다.

도1은, 실시예에서 사용하는 전기화학 가스 센서의 요부 단면도,

도2는, 실시예의 자기진단 기능을 구비하는 가스 검출장치의 회로도,

도3은, 실시예에서의 자기진단 알고리즘을 나타내는 플로우 차트,

도4는, 실시예의 자기진단에서 센서 출력과 각 트랜지스터의 동작을 나타내는 타이밍 차트,

도5는, 실시예에서 2개의 가스 센서의 자기진단 결과를 나타내는 특성도,

도6은, 실시예에서 자기진단을 10회 실시한 전후에서 가스 센서의 출 력을 나타내는 특성도,

도7은, 가스 센서에 병렬저항을 배치하였을 경우와 배치하지 않았을 경우에 전원을 온 했을 때의 출력의 차이를 나타내는 특성도로서, 전원 온 전에 1000ppm의 CO 중에 1시간 방치하고, 뒤이어 공기 중에서 1시간 방치한 경우를 나타내며,

도8은, 최적 실시예의 회로도,

도9는, 최적 실시예의 타이밍 차트,

도10은 제3 실시예의 회로도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

2 가스 센서 4 전해질막

6 대극 8 검출극

10, 12 다공질 도전성막 14 대극판

16 검출극판 20 전원

22 마이크로 컴퓨터 24 자가 진단부

26 가스 검출부 28 입출력

30 제너 다이오드 32, 33　FET 스위치

Tr1, Tr2 트랜지스터 R1∼R12 저항

C1∼C7 콘덴서 VR1, VR2 가변저항

IC1∼IC3 연산 증폭기 Vcc　증폭회로 전원

A 접지 P1, P2 제어신호

P3 출력

이하에 본 발명을 실시하기 위한 실시예를 나타낸다.

(실시예)

도1∼도7에 실시예를 나타낸다. 도1에 사용하는 전기 화학식의 가스 센서2를 설명하면, 4는 전해질(電解質)막으로서, 고분자 프로톤 도전체막(polymer proton conductive membrance) 등의 고체 전해질막이어도 좋고 혹은 세퍼레이터에 의하여 수용되는 액체 전해질의 막이어도 좋다. 또 액체 전해질로서는, 황산, ＫＯＨ, MgＳＯ₂ 등의 전해질을 물에 녹인 수성 전해질 이외에 유기 전해질을 사용하더라도 좋고, 특히 이온성 액체를 사용하여도 좋다. 액체 전해질을 사용하는 경우에 전해질은 반드시 막 모양으로 할 필요는 없고, 예를 들면 적절한 용기에 수용하더라도 좋다.

6은 대극(對極), 8은 검출극(檢出極)으로서, 여기에서는 대극6과 검출극8을 전해질막4의 양면에 설치하지만, 한 면에 거리를 두고 배치하더라도 좋다. 대극6이나 검출극8에서는, 예를 들면 미세한 카본 입자에 Pt나 Pt-Ru 등의 귀금속 촉매를 보강시킴과 아울러 바인더(binder)를 첨가하고, 필요에 따라 고체나 액체의 전해질을 더 첨가한다. 10, 12는 다공질 도전성 막(porous conductive membrance)으로서, 여기에서는 다공질이고 또한 소수성(疏水性)의 카본 시트(carbon paper)나 카본 페이퍼(carbon paper)로 한다. 14는 대극판(對極板), 16은 검출극판(檢出極板)이다. 대극판14에는 파선으로 나타내는 구멍을 형성하여 도면에 나타나 있지 않은 수조(水槽) 등으로부터 수증기나 전해액, 산소를 공급한다. 검출극판16에도 파선으로 나타내는 구멍을 형성하여 CO 등의 검출대상 가스를 유입하고 또한 검출극에서의 반응에 의하여 발생한 CO₂ 등을 배출한다. 대극판14이나 검출극판16은, 예를 들면 금속판으로서, 검출극8에서의 피검출 가스의 전극반응에 따른 전류를 증폭하여 가스를 검출한다.

도2에 자기진단 기능을 구비하는 가스 검출장치의 회로를 나타내면, 20은 전원으로서, 예를 들면 여기에서는 5V나 3V 등의 전지(電池) 전원으로 하고, 22는 마이크로 컴퓨터로서, 자기진단부24와 가스 검출부26 및 입출력28을 구비하고 있다. 30은 2∼3V 정도의 출력의 제너 다이오드이다. Tr1, Tr2는 트랜지스터로서, 다른 스위치이어도 좋다. R1∼R11은 저항이다. 이 중 저항R9는 예를 들면 100Ω∼10KΩ정도의 저항이고, 저항R10은 저항R9에 비하여 충분히 높은 저항값을 갖는 저항으로서, 예를 들면 트랜지스터Tr2를 온 시켜서 저항R10을 접지A에 접속했을 때에 가스 센서2에 걸리는 전압이 충분히 작은 값이 되도록 한다. 이 전압은 여기에서는 1mV 정도로서, 바람직하게는 10μV∼100mV 정도로 한다. C1∼C6은 콘덴서이고, VR1, VR2는 가변저항이다. 도2에서는 가스 센서2의 대극을 C, 검출극을 S로 표시하고, 대극C가 예를 들면 1.0V의 정전위로 유지되도록 가변저항VR1을 조정한다.

IC1, IC2는 연산 증폭기(演算增幅器; operational amplifier)로서, 예를 들면 가스 센서2의 검출극S를 반전입력(反轉入力) 측에 접속하여 2단의 연산 증폭기IC1, IC2로 가스 센서2의 출력을 증폭한다. 이 경우의 증폭율은, 가스 센서2에 1μA의 전류가 흐르는 경우에, 출력P3이 3V로 변화한다. Vcc은 증폭회로 전원으로서 트랜지스터Tr1을 통하여 전원20으로부터 공급되어, 연산 증폭기IC1, IC2의 전원이며 또한 가스 센서2의 증폭회로의 전원으로 기능한다.

도2의 회로에서는, 가스 센서2의 대극을 예를 들면 1.0V의 정전위로 유지함과 아울러 검출극S를 저항R3을 통하여 연산 증폭기IC1의 반전입력에 접속한다. 가스 센서2와 저항R9를 병렬로 접속하고 또한 가스 센서2와 저항R9로 이루어지는 병렬부 특히 그 검출극Ｓ 측을 트랜지스터Tr2와 1MΩ 정도의 저항R10을 통하여 접지한다. 그리고 트랜지스터Tr2의 제어신호가 P2로서, 트랜지스터Tr2를 온 시키는 것을 테스트 신호를 인가한다고 한다. 저항R10과 저항R9의 저항값의 비율은, 여기에서는 1000:1로서, 예를 들면 10:1 ∼ 100000:1정도로 한다. 트랜지스터Tr2를 온 하고, 짧은 초기의 완화시간(緩和時間; relaxation time)이 경과하면 가스 센서2에는 극히 작은 전압이 인가되게 된다. 이렇게 테스트 신호를 인가했을 때에, 가스 센서2에 가 해지는 전압을 극히 작은 값으로 유지하는 것이 저항R9의 역할 중의 하나이다. 저항R9의 다른 역할은, 전원20이 오프 하고 있을 때에 가스 센서2가 분극하는 것을 방지하는 것이다.

마이크로 컴퓨터22의 자기진단부24는, 적절한 주기로 예를 들면 제어신호P2에 의하여 트랜지스터Tr2를 10초간 온 시킴과 아울러 제어신호P1에 의하여 증폭회로 전원Vcc를 오프 시킨다. 그리고 바람직하게는 트랜지스터Tr2가 온 하고 있는 사이에 트랜지스터Tr1은 오프 하고 있는 것으로 한다. 트랜지스터Tr2를 10초간 온 시킨 후에 오프 시키고, 예를 들면 이와 동시에 바람직하게는 트랜지스터Tr2의 오프 후에 1ms ∼ 100초 정도, 더 바람직하게는 10ms∼10초 정도의 간격을 두고 트랜지스터Tr1을 온 시킨다. 그리고 트랜지스터Tr1을 온 시킨 후에, 10초간 등 소정의 시간 내의 출력P3의 파형으로부터 가스 센서2를 자기진단 한다. 이와 같이 제어신호P1에 의하여 증폭회로 전원Vcc를 제어하고, 제어신호P2에 의하여 테스트 신호를 제어하고, 출력P3을 입출력28로부터 받아들여 자기진단을 한다.

실시예에서는 대극C를 예를 들면 1.0V의 정전위 측에 접속하고 있지만, 검출극Ｓ 측을 정전위에 접속하고, 대극Ｃ 측을 트랜지스터Tr2이나 연산 증폭기IC1의 반전입력 측에 접속하여도 좋다. 또 실시예에서는 가스 센서2를 전류 구동하기 때문에 그 출력을 연산 증폭기IC1의 반전입력 측에 접속하고 있지만, 전압구동으로 하더라도 좋고 또 비반전입력(非反轉入力) 측에 접속하여도 좋다. 또한 실시예에서는 연산 증폭기IC1, IC2를 2단으로 사용하고 있지만, 그 이외에 버퍼용의 연산 증폭기를 통하여 예를 들면 1V의 정전위를 발생시키더라도 좋다. 테스트 신호는 트랜지스터Tr2를 통하여 인가하지만, 예를 들면 입출력28로부터 직접 인가하도록 하더라도 좋다. 또한 테스트 신호로서는 저항R9로부터 저항R10으로 전류가 흐르도록 하고 있지만, 테스트 신호의 극성을 반대로 하더라도 좋다. 또 가스 센서2는 검출극, 대극의 2극에 한정되지 않고 그 이외에 참조극(參照極)을 더한 3극의 것이더라도 좋다.

통상 시의 가스 검출장치의 동작을 나타내면, 트랜지스터Tr1이 온 되고 트랜지스터Tr2는 오프 하고 있다. 여기에서 CO나 수소, 알코올 등의 가스가 검출극S로 확산되면, 검출극S로부터 대극C로 향하여 전류가 흐른다. 이 전류와 같은 전류가 저항R2에 즉 본 실시예에는 100KΩ의 저항에 흐른다. 이 때문에 예를 들면 가스 센서2에 1μA의 전류가 흐르면, 연산 증폭기IC1의 출력 측의 전위는 100mV로 변화되고, 연산 증폭기IC2의 비반전입력의 전위도 100mV로 증가한다. 따라서 연산 증폭기IC2 측에서는, 저항R6의 양단간 전압은 예를 들면 100mV가 되고, 저항R7의 저항값을 저항R6의 30배로 하면 연산 증폭기IC2의 출력P3은 예를 들면 +3V로 증가한다.

마이크로 컴퓨터22의 자기진단부24는, 예를 들면 1일 1회 혹은 1주일에 1회 등의 적절한 빈도로, 예를 들면 10초간 트랜지스터Tr2를 온 시키는데, 이 때에 트랜지스터Tr1을 오프 시켜 놓는다. 트랜지스터Tr2의 오프와 동시에, 바람직하게는 트랜지스터Tr2의 오프로부터 1ms∼100초 정도 경 과한 후에 트랜지스터Tr1을 온 시킨다. 이렇게 트랜지스터Tr1을 다시 온 시킨 후에 소정의 시간 내에서 출력P3의 파형으로부터 가스 센서2를 자기진단 한다.

도3∼도4에 자기진단 알고리즘을 나타내면, 예를 들면 10초간 트랜지스터Tr1을 오프 하고, 트랜지스터Tr2를 온 한다. 이어서 트랜지스터Tr2를 오프 하고, 예를 들면 1초 대기하여 트랜지스터Tr1을 온 한다. 트랜지스터Tr1을 온 한 직후에는 연산 증폭기IC1, IC2가 안정될 때까지의 과도현상(transient phenomena)이나 콘덴서C2∼C5의 전압이 안정될 때까지의 과도현상이 가해지기 때문에, 예를 들면 5초간 대기한다. 이 사이의 대기시간은 0이라도 좋으나 바람직하게는 10초 이하로 한다.

트랜지스터Tr1을 온 한 후의 5초 동안 출력P3(Vout)이 2∼4V의 소정의 범위 내에 있는가 아닌가를 검사하고, 1회라도 이 범위 내에 출력P3이 있으면 가스 센서를 정상으로 진단한다. 그리고 5초 동안 출력P3이 항상 2V미만 혹은 4V를 넘은 경우에, 가스 센서에 이상이 발생하고 있고 진단한다. 또 여기에서는 연산 증폭기IC1, IC2의 출력 레인지가 0∼5V의 범위에서 청정공기 중에서의 출력P3의 값은 1V이다. 또 1회 이상 검출한 것을 가지고, 가스 센서2가 이상하다고 진단하지 않고, 예를 들면 복수 회 이상(異常)을 계속하여 검출했을 때에, 이상이라고 판단하더라도 좋다.

도4에 나타나 있는 바와 같이 트랜지스터Tr1을 오프 하고, 트랜지스터Tr2를 온 하면, 출력P3과 대극C는 저항R6, R7 등을 통하여 접속되므로, 출력P3의 값은 1V 미만의 대략 일정한 값이 된다. 또한 이 사이에서, 트랜지스터Tr2를 온 한 직후를 제외하면, 가스 센서2에 인가되는 전압은 저항R10과 저항R9의 비율에 의하여 정해지므로, 가스 센서2에는 극히 작은 전압, 예를 들면 1mV 정도의 전압이 인가된다. 그리고 이 정도의 작은 전압이라도, 가스 센서의 전해질과 전극의 사이에 전기 2중층(電氣2重層; electric double layer) 등을 형성시킬 수 있다. 또 가스 센서2에 인가되는 테스트 신호는 극히 작은 것이므로, 히스테리시스 등의 원인이 되는 일이 없다.

트랜지스터Tr2를 오프 한 후에 트랜지스터Tr1을 온 하면, 테스트 신호로 가스 센서2에 형성된 전기 2중층 등을 중화(中和)하도록 예를 들면 검출극S로부터 대극Ｃ 측으로 전류가 흘러 들어가고, 이에 따라 환원성(還元性) 가스를 검출했을 때와 같은 극성의 신호가 출력P3에 나타난다. 이 신호는 전기 2중층 등이 소멸하면 없어지므로 일시적인 펄스 신호로서 나타나고, 어떠한 형태로도 이 펄스를 검출함으로써 가스 센서2가 정상인 것을 확인할 수 있다.

예를 들면 가스 센서2에 단선이 있거나, 가스 센서2가 삽입되어 있지 않거나, 가스 센서2의 전해질막이 드라이업(drying-up) 등에 의하여 이상으로 되어 있거나, 가스 센서2의 전극이 열화되어 있는 등의 경우에, 출력 신호는 도4의 파선과 같다. 이것은, 테스트 신호에 의하여 가스 센서2에 발생하는 전기 2중층 등을 해소하기 위한 전류가 흐르지 않음으로써 발생 한다. 또 가스 센서2가 쇼트(short) 되어 있을 경우에, 트랜지스터Tr1을 온 하면 출력P3은 출력 레인지의 양단 중 어느 하나에 나타난다. 또 연산 증폭기IC1, IC2 등의 부대 회로를 자기진단 하는 경우에, 트랜지스터Tr1, Tr2의 온/오프에 동기되는 출력 변화가 발생하는가 아닌가를 체크하면 좋다.

도5에 2개의 가스 센서에 대한 자기진단의 결과를 나타낸다. 출력(Output/V)은 도2의 출력P3으로서, 1V가 청정공기 중에 대한 출력이다. "Blank"은 가스 센서를 떼어낸 상태를, "Good1", "Good2"는 정상적인 가스 센서를 부착한 상태를 나타내고, "Good1"과 "Good2"에서는 2개의 가스 센서가 서로 절환된다.

"Short"는 가스 센서를 단락시킨 상태를 나타내고, "Open"은 단선된 가스 센서를 부착한 상태를 나타낸다. "Catalyst Deteriorated" 은 촉매가 열화된 가스 센서를 사용한 예로서, 여기에서는, 검출극이나 대극을 카본 만으로 하여 귀금속을 포함하지 않고 있는 전극으로 함으로써 촉매가 열화된 가스 센서에 대용하였다. "Dry-Up"은, 가스 센서에 수증기가 공급되지 않거나 혹은 전해액이 공급되지 않는 등에 의하여 전해질이 이상이 된 상태이다. 여기에서는, 수조를 빈 것으로 하여 세퍼레이터의 ＫＯＨ 수용액에 수증기가 공급되지 않도록 하고, 50도의 건조 공기 중에서 2시간 건조한 센서를 "Dry-Up"이라고 한다.

도5의 "Power"의 줄은, 전지 전원의 ON/OFF를 나타내고, Tr1이나 Tr2의 ON/OFF에서는 사선을 그은 상태가 온이고 그 이외의 상태가 오프이다. 사용한 가스 센서에서는, 전해질은 0.1 노르말 농도의 ＫＯＨ 수용액으로서 친수성의 세퍼레이터에 의하여 수용된다. 또 전해질을 프로톤 도전체 고체 전해질이나 황산 수용액으로 하여도 동일한 결과가 얻어졌다.

"Good1", "Good2"의 상태에서, 트랜지스터Tr1이 오프이고 트랜지스터Tr2가 온인 상태를 10초간 유지하고, 뒤이어서 트랜지스터Tr2를 오프 한 후에 1초 뒤에 트랜지스터Tr1을 온 하였다. 이 때에, 가스 센서의 출력에는 그 폭이 5∼20초 정도의 피크 형상의 펄스가 발생하였다. 이에 대하여 가스 센서가 단선되어 있거나, 촉매가 열화되어 있거나, 드라이업 되어 있는 등의 경우에, 트랜지스터Tr2를 오프 한 후에 트랜지스터Tr1을 온 하면, 출력P3은 0V 정도로 일단 감소하고, 뒤이어서 청정공기 중의 출력 1V를 향하고, 지수 함수적으로 완화된다(relax). 한편 가스 센서를 쇼트 해 두면, 트랜지스터Tr1이 온이면 출력은 0V 혹은 5V 부근의 값을 나타낸다. 0V와 5V 부근의 어느 쪽의 값이 될지는, 회로의 작은 상수(常數)나 연산 증폭기IC1, IC2 등의 편차로 정해지는 것으로 생각된다.

가스 센서를 삽입하지 않고 있는 "Blank"에서도, 10초간 트랜지스터Tr1을 오프 하고 또한 트랜지스터Tr2를 온 하고, 뒤이어서 트랜지스터Tr2를 오프 한 후에 트랜지스터Tr1을 온 하였다. 그렇게 하니 단선의 경우 등과 마찬가지로, 출력은 0V까지 감소한 후에 1V를 향하여 지수 함수적으로 완화되었다. 한편 "Blank"의 상태에서, 트랜지스터Tr1, Tr2를 모두 온 하면, 저항R9로부터 저항R10으로 흐르는 전류 때문에 출력P3은 3V를 약간 넘는 값으로 증가하였다. 또 "Good2"의 상태에서도 트랜지스터Tr1과 트랜지스터Tr2를 모두 온 하면, 출력은 마찬가지로 3V를 약간 넘는 값으로 증가하였다. 따라서 트랜지스터Tr1을 온 한 채로 트랜지스터Tr2를 온 하여 테스트 신호를 인가하여도, 가스 센서의 자기진단을 할 수 없는 것이 밝혀졌다.

다음에 트랜지스터Tr2의 오프 전에 트랜지스터Tr1을 온 하면, "Blank"에 나타나 있는 바와 같이, 출력P3은 3V가 약간 넘는 값으로 증가하기 때문에, 이 피크와, 정상적인 가스 센서에서 발생하는 피크가 겹치므로 진단이 어렵게 된다. 이 때문에 트랜지스터Tr2를 오프 시킴과 동시에 혹은 트랜지스터Tr2를 오프 시킨 후에, 트랜지스터Tr1을 온 시키는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 트랜지스터Tr2를 오프 시킨 후에, 1msec∼100sec 뒤에, 특히 바람직하게는 10msec∼10sec 뒤에 트랜지스터Tr1을 온 시킨다.

정상적인 가스 센서로부터 발생되는 펄스의 검출에서는, 트랜지스터Tr1을 다시 온 한 후에, 5∼10초 사이에 센서 신호가 1회라도 2∼4V의 사이에 있으면 펄스가 있다고 하였다. 이러한 검출방법을 대신하여, 트랜지스터Tr1을 다시 온 한 후에 10초 정도 동안에, 출력P3이 2V 등의 라인을 하방에서부터 상방으로 향하면서 옆으로 가고 또한 2V 혹은 3V 등의 라인을 상방에서부터 하방을 향하면서 옆으로 가는 것을 검출하더라도 좋 다. 즉 펄스의 검출방법 자체는 임의적이다. 또 실시예에서는, 트랜지스터Tr1을 다시 온 한 후에 출력P3이 2∼4V의 범위에 도달하지 않는 경우를 이상이라고 하여, 이 사이의 출력이 0∼2V로 유지되면 가스 센서를 이상이라고 진단한다. 또 그 외에 가스 센서 출력이 0V 부근에서 고정되었을 경우나, 4V이상으로 고정된 경우에도, 가스 센서를 이상이라고 판단한다. 펄스를 검출하는 시간폭(window)은 센서의 종류나 검사조건 등에 따라 정하고, 트랜지스터Tr2의 오프로부터 트랜지스터Tr1의 온까지의 시간은 이미 알고 있는 것이므로, 트랜지스터Tr2의 오프로부터 소정의 시간폭 내에 펄스를 검출한다고 하는 것도 가능하다.

실시예에서는, 테스트 신호로서 가스 센서에 극히 작은 전압을 인가하므로 히스테리시스가 작다. 실시예에서의 자기진단을 1시간에 걸쳐서 10회 계속했을 때에 가스 센서의 출력신호의 변화를 도6에 나타낸다. 자기진단을 10회 하여도 출력에 의미 있는 차이는 없다. 도7은, 전지 전원을 오프 한 상태에서 가스 센서의 분극 방지에 대한 저항R9의 역할을 나타낸다. 2개의 가스 센서를 각각 1KΩ의 저항R9와 병렬로 접속하고, 다른 2개의 가스 센서는 병렬저항이 없는 상태에서, 이들을 1000ppm의 CO 중에 무전원으로 1시간 방치하였다. 그 후에 청정공기 중에서 1시간 방치하고, 뒤이어서 실시예의 가스 검출회로에 조립하여 전지 전원을 온 하였다. 그 때의 출력파형을 도7에 나타낸다. 병렬저항을 배치하지 않고 있는 경우에, 전원투입으로부터 센서 신호가 안정될 때까지는 10분 정도의 시간이 필요하다. 이에 대하여 병렬저항을 배치하면, 예를 들면 1분 이내에 가스의 검출을 시작할 수 있다.

또 트랜지스터Tr2를 설치하지 않고, 저항R10에 대하여 가스 센서2의 반대측에 입출력28로부터 직접 테스트 신호를 인가하여도 좋다. 테스트 신호의 파형을 구형파(矩型波)로 하고 있지만, 파형은 임의적이다. 가스 센서2는, 검출극S와 대극C를 반대로 하여 도2의 회로에 조립할 수도 있고, 또 도2의 증폭회로 등은 적절하게 변경할 수 있다.

실시예에서는 다음과 같은 효과가 얻어진다.

(1)전기화학 가스 센서의 상태를, 정상/쇼트/단선이나 촉매 열화 등의 이상으로 식별할 수 있다.

(2)자기진단에 있어서 인가하는 테스트 신호는 1mV×10초로서 극히 작고, 자기진단에 필요한 시간은 1분 이내이므로, 히스테리시스도 없고 또한 고정 저항R9로 간단하게 테스트 전압을 만들어낼 수 있다. 테스트 신호를 더 작게 혹은 짧게 하면, 자기진단에 필요한 시간을 더 짧게 할 수 있다.

(3)전기화학 가스 센서에서 통상의 증폭회로를 사용하여 테스트 신호의 인가회로를 추가하는 것만으로 족하므로, 자기진단 때문에 가스 센서를 특수한 증폭회로에 조립할 필요가 없다.

(최적 실시예)

도8, 도9에 최적 실시예를 나타내는데, 특별히 지적하는 점 이외에는 도1∼도7의 실시예와 같으므로 동일한 부호는 같은 것을 나타내는 것으로 한다. 연산 증폭기IC3은, 가스 센서2의 대극을 예를 들면 1.5∼2V 정도의 정전위로 유지하고, 트랜지스터Ｔｒ1을 통하지 않고 전원Vcc1에 의하여 동작한다. C7은 콘덴서이다. 32는 FET 스위치로서, 소스S2와 게이트G의 전위차가 0 부근이고, 소스S2와 드레인Ｄ 간의 저항은 50Ω정도이나 1.5V 이상에서는 MΩ대의 저항이 된다. FET 스위치32는, 검출회로의 전원을 온 하면 열리고, 전원을 오프 하면 닫혀 방치 시의 가스 센서2의 분극을 방지한다. 연산 증폭기IC3은 트랜지스터Ｔｒ1을 경유하여 전원Vcc2에 접속되고, 도2의 연산 증폭기IC2는 설치하지 않았다.

도8의 최적 실시예의 동작을 도9에 나타내면, 트랜지스터Ｔｒ1을 예를 들면 10초간 오프 하고, 이 사이에 예를 들면 트랜지스터Ｔｒ1의 오프보다도, 상승(rising edge)에서도 하강(falling edge)에서도 0.1∼1초씩 좁은 폭으로 트랜지스터Ｔｒ2를 온 한다. 트랜지스터Ｔｒ1의 오프에 의하여 연산 증폭기IC1이 오프 하고, 트랜지스터Ｔｒ2의 온에 의하여 가스 센서2에 테스트 신호를 인가한다. 이 때에 FET 스위치32는 오프 한 채로 자기진단에는 관여하지 않는다. 그리고 도2의 회로와 마찬가지로 자기진단을 하고, 예를 들면 트랜지스터Ｔｒ1을 다시 온 하고 나서 3∼5초째에 신호P3을 샘플링하고, 소정의 전압범위 예를 들면 2∼4V에 있으면 센서2는 양호라고 판단한다.

분극 방지용의 FET 스위치32는, 게이트G가 어스A에 접속되어, 전원 Vcc1이 오프 하면 닫히고 전원Vcc1이 온 하면 열리므로 연산 증폭기IC1의 오프셋을 없앤다. 도2의 회로에서는 연산 증폭기IC1의 2개의 입력이 저항R9에 접속되어 있기 때문에, 연산 증폭기IC1의 출력에 오프셋이 발생한다. 도8에서는, 2개의 입력은 비옴 소자인 가스 센서2로 접속되어 있어 오프셋을 작게 할 수 있다. 이 때문에 오프셋이 큰 연산 증폭기에서도 사용할 수 있으므로 회로비용을 현저하게 작게 할 수 있다.

도10은 최적 실시예를 변형한 것으로서, 33은 FET 스위치32와 동일한 FET 스위치로서, S는 소스, D는 드레인, G는 게이트이다. R12는 1Ω 정도의 큰 저항이다. 신호P1로 FET 스위치33이 열려 센서2와 연산 증폭기IC1의 접속을 끊는다. 또 신호P1의 인가 중에 테스트 신호P2가 인가된다. 그 외의 점은 상기의 최적 실시예와 같다. 도10에서는, 2개의 연산 증폭기IC1, IC3을 공통의 전원Vcc로 구동할 수 있기 때문에 연산 증폭기를 2개 포함하는 패키지를 연산 증폭기IC1, IC3으로서 사용하는 할 수 있다. 이에 대하여 도8에서는, 연산 증폭기IC1, IC3은 별도의 전원으로 동작하기 때문에 패키지에서 이들의 전원회로를 공통화 하지 않으므로 연산 증폭기가 2패키지 필요하게 된다.

본 발명에서는, 전기화학 가스 센서를 간단하게 자기진단 할 수 있고, 특히 가스 센서의 상태를, 정상(正常)과, 쇼트(short)나 단선/전극열화 (電極劣化)/드라이업(drying-up) 등의 이상으로 진단할 수 있다.

가스 센서에 병렬로 저항을 접속하면, 무전원 방치 시 등에 있어서 센서의 분극(分極)을 방지할 수 있고 또한 가스 센서에 극히 작은 테스트 신호를 인가하는 것이 용이하게 된다.

가스 검출장치의 전원에 의하여 가스 센서의 검출극 및 대극 중의 일방의 전극을 정전위(定電位)로 유지하고, 가스 센서의 타방의 전극을 상기 증폭회로 중의 연산 증폭기의 입력 측에 접속하고, 소스의 전위와 게이트의 전위의 전압이 소정치 이상인 경우에 오픈(open)하는 FET 스위치를 구비하고, 소스와 드레인을 상기 가스 센서와 병렬로 배치하고, 상기 전원이 온인 상태에서 FET 스위치의 소스와 게이트 간의 전압이 소정치 이상이 되고, 전원이 오프인 상태에서 소정치 미만이 되도록 게이트를 배치한다. 그렇게 하면, 전원이 온인 경우에 FET 스위치는 오픈 하여 동작하지 않고 또한 전원이 오프인 경우에 닫힘으로써 가스 센서의 양극을 접속하여 분극을 방지한다.

연산 증폭기에는 오프셋(offset)이 있으므로, 가스 센서의 분극 방지 때문에 병렬로 저항을 배치하면 연산 증폭기의 양쪽 입력이 저항에 접속된다. 오프셋이 있고 높은 증폭율로 동작하는 연산 증폭기에서는, 양쪽 입력의 전압이 완전히 같게 되면 큰 오프셋 전압이 출력된다. 가스 센서를 FET 스위치에 병렬 접속하고, 전원이 온 되어 스위치가 열리면, 연산 증폭기의 양쪽 입력은 비옴 저항(非ohm 抵抗)의 가스 센서에 접속되어, 오프셋에 의한 출력전압을 작게 할 수 있다. 따라서 연산 증폭기에 관한 제한을 감소시키고, 회로 비용을 대폭적으로 작게 할 수 있다.

여기에서 바람직하게는, 상기 타방의 전극과 연산 증폭기의 입력과의 사이에, 테스트 신호를 인가하는 동안에 오픈 하는 스위치를 설치하면, 스위치에 의하여 가스 센서와 증폭회로의 접속을 개폐할 수 있다. 가스 센서의 일방의 전극을 포텐셔스탓트 회로(potentionstat circuit)를 통하여 전원에 접속하고, 타방의 전극을 연산 증폭기에 접속할 경우를 생각한다. 포텐셔스탓트 회로는 일종의 버퍼로서, 연산 증폭기를 포함하고 있다. 여기에서 버퍼용의 연산 증폭기와 센서 신호의 증폭용인 연산 증폭기를 별도의 전원으로 하면, 2패키지 분의 연산 증폭기가 필요하게 된다. 그런데 증폭용의 연산 증폭기에 센서 신호의 입력을 차단하기 위한 스위치를 설치하면, 2개의 연산 증폭기를 전원이 공통인 1패키지로 구현할 수 있으므로 연산 증폭기를 1패키지 분 감소시킬 수 있다.

특히 바람직하게는, 테스트 신호 인가수단은, 상기 타방의 전극으로부터 가스 센서에 테스트 신호를 인가하면, 작은 테스트 신호를 가스 센서에 간단하게 인가하여 전해질이나 전극의 열화, 히스테리시스(hysteresis) 등을 방지할 수 있다.

Claims

고체(固體) 또는 액체(液體)의 전해질(電解質)에 적어도 검출극(檢出極)과 대극(對極)을 접속하고, 전기화학 가스 센서의 출력을 증폭회로에 의하여 증폭하여 가스를 검출하고 또한 전기적인 테스트 신호를 인가했을 때의 상기 가스 센서의 출력 응답으로부터 상기 가스 센서를 자기진단 하도록 하는 장치에 있어서,

상기 증폭회로가 상기 가스 센서의 출력을 증폭하지 않는 상태에서 상기 가스 센서에 상기 테스트 신호를 인가하기 위한 테스트 신호 인가수단과,

상기 테스트 신호의 종료 시에 상기 증폭회로를 상기 가스 센서의 출력을 증폭하는 상태로 하고 또한 그 시점으로부터 소정의 시간 내에 상기 증폭회로의 출력을 샘플링 하기 위한 샘플링 수단과,

샘플링 수단의 출력으로부터 상기 가스 센서의 자기진단을 하기 위한 자기진단수단을

설치하는 것을 특징으로 하는 가스 검출장치.
제1항에 있어서,

자기진단수단은,

샘플링 수단의 출력이 청정공기(淸淨空氣) 중에서의 출력과는 다른 제1소정범위 내에 있을 때에 상기 가스 센서를 정상이라고 진단하고,

샘플링 수단의 출력이, 청정공기 중에서의 출력에 있어서 제1소정범위와 중복되지 않는 제2소정범위 내에 있을 때와 상기 증폭회로의 출력 레인지(出力 range)의 양단에 있을 때에, 상기 가스 센서를 이상이라고 진단하는 것을

특징으로 하는 가스 검출장치.
제1항에 있어서,

상기 가스 센서는 병렬로 저항에 접속하는 것을 특징으로 하는 가스 검출장치.
제1항에 있어서,

가스 검출장치의 전원에 의하여 가스 센서의 검출극 및 대극 중의 일방의 전극을 정전위(定電位)로 유지하고,

가스 센서의 타방의 전극을 상기 증폭회로 중의 연산 증폭기의 입력 측에 접속하고,

소스의 전위와 게이트의 전위의 전압이 소정치 이상인 경우에 오픈(open)하는 FET 스위치를 구비하고,

소스와 드레인을 상기 가스 센서와 병렬로 배치하고,

상기 전원이 온인 상태에서 FET 스위치의 소스와 게이트 간의 전압이 소정치 이상이 되고, 전원이 오프인 상태에서 소정치 미만이 되도록 게이트를 배치하는 것을

특징으로 하는 가스 검출장치.
제4항에 있어서,

테스트 신호를 인가하는 동안에 오픈 하는 스위치를, 상기 타방의 전극과 연산 증폭기의 입력과의 사이에 설치하는 것을 특징으로 하는 가스 검출장치.
제4항에 있어서,

테스트 신호 인가수단은, 상기 타방의 전극으로부터 가스 센서에 테스트 신호를 인가하도록 하는 것을 특징으로 하는 가스 검출장치.