KR101302531B1

KR101302531B1 - 전기화학적 가스검출장치

Info

Publication number: KR101302531B1
Application number: KR1020127015918A
Authority: KR
Inventors: 도모히로 이노우에; 유키 후지모리; 유키 가토
Original assignee: 휘가로기켄 가부시키가이샤
Priority date: 2010-02-04
Filing date: 2010-09-16
Publication date: 2013-09-02
Also published as: CN102713596A; EP2533038A4; KR20120093391A; JPWO2011096106A1; CN102713596B; WO2011096106A1; JP5377670B2; EP2533038A1; US20120290222A1

Abstract

직류전원의 출력을 한 쌍의 저항으로 분압하고, 버퍼 증폭기를 통하여, 검출극과 대극과 고체 전해질막을 구비한 전기화학적 가스센서에 어느 하나의 전극에 가한다.
스위치에 의하여, 전기화학적 가스센서의 타극의 접속처를 전류증폭회로와 임피던스 측정회로로 바꾸고, 가스센서의 임피던스를 측정한다.
임피던스 측정회로는, 스위치에 일단측이 접속된 저항과 저항의 타단측의 전위를, 직류전원의 출력전위와 그라운드 전위의 사이에서 전환하는 교류전원으로 이루어진다.
전기화학적 가스센서의 습도 의존성과 온도 의존성을 기억하고, 측정한 임피던스와 주위온도로부터, 전류증폭회로의 출력을 보정하여 가스농도를 구한다.

Description

전기화학적 가스검출장치{ELECTROCHEMICAL GAS DETECTION DEVICE}

본 발명은 전기화학 가스센서(電氣化學 gas sensor)를 사용한 가스검출장치(gas 檢出裝置)에 관한 것으로서, 특히 가스센서의 상대습도 의존성(相對濕度依存性)의 보정(補正)에 관한 것이다.

발명자는, 프로톤 도전체막(proton 導電體膜)에 검출극(檢出極)과 대극(對極)을 접속(接續)한 전기화학적 가스센서(電氣化學的 gas sensor)를 개발하였다(예를 들면 특허문헌1:JP2008-58213A). 이러한 가스센서에서는, 프로톤 도전체의 도전성(導電性)이 상대습도에 의하여 변화하기 때문에 저수조(貯水槽)로부터 수증기를 공급한다. 그러나 저수조를 설치(設置)하면, 가스센서가 대형화된다.

특허문헌2:JPH05-39509B(USP4718991)는, 프로톤 도전체 가스센서의 임피던스(impedance)를 측정함으로써 습도 의존성을 보정하는 것을 개시(開示)하고 있다. 그러나 특허문헌2에서의 가스센서의 구동회로(驅動回路)는 복잡하다. 따라서 발명자는, 프로톤 도전체 가스센서의 습도 의존성을 보정하기 위한 실용적인 회로를 검토하여, 본 발명에 이르렀다.

JP2008-58213A JPH05-39509B(USP4718991)

본 발명의 과제는, 간단한 회로에 의하여 전기화학적 가스센서의 습도 의존성(濕度依存性)과 온도 의존성(溫度依存性)을 보정하는 것에 있다.

본 발명의 전기화학적 가스검출장치(電氣化學的 gas檢出裝置)는, 저수조를 구비하지 않고, 전기화학적 가스센서의 출력을 상기 가스센서의 임피던스에 따라 보정함으로써 가스를 검출하는 가스검출장치에 있어서,

직류전원(直流電源)과,

직류전원에 접속된 적어도 한 쌍의 저항(抵抗)과,

상기 적어도 한 쌍의 저항에서의 저항간의 전위(電位)에 따른 전위를 출력하는 버퍼 증폭기(buffer 增幅器)와,

검출극과 대극과 고체 전해질막(固體電解質膜)을 구비하고, 상기 버퍼 증폭기에 검출극과 대극의 일방(一方)이 접속된 전기화학적 가스센서와,

전기화학적 가스센서에 통과한 전류를 증폭하는 전류증폭회로와,

전기화학적 가스센서의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정회로와,

전기화학적 가스센서의 타극(他極)의 접속처(接續處)를 전류증폭회로와 임피던스 측정회로로 전환하는 스위치와,

전기화학적 가스센서의 습도 의존성과 온도 의존성의 데이터를 기억하는 기억수단과,

주위온도(周圍溫度)의 측정용의 온도센서와,

상기 임피던스 측정회로의 출력신호와 상기 온도센서의 출력신호에 따라 상기 기억수단의 데이터를 읽어내고, 상기 데이터에 의하여 상기 전류증폭회로의 출력신호를 보정함으로써 가스농도를 구함과 아울러 상기 스위치를 제어하는 마이크로컴퓨터(microcomputer)를 구비하고,

상기 임피던스 측정회로는, 상기 스위치에 일단측(一端側)이 접속된 저항과 상기 저항의 타단측(他端側)의 전위를 상기 직류전원의 출력전위와 그라운드 전위(ground 電位) 사이에서 전환하는 교류전원(交流電源)과, 전기화학적 가스센서에 가해지는 교류전압을 측정하는 교류전압 측정회로(交流電壓測定回路)로 이루어진 것을 특징으로 한다.

고체 전해질막은 예를 들면 프로톤 도전체막, 수산 이온 도전체막 등으로 하고 고체 전해질막의 일면에 검출극을, 타면에 대극을 접촉시킨다.

본 발명에서는, 적어도 한 쌍의 저항에 의하여 직류전원의 전압을 예를 들면 1:1로 분압하고, 버퍼 증폭기를 통하여 가스센서의 일방의 전극에 접속한다. 가스센서의 타방의 전극은, 스위치(switch)를 통하여 전류증폭회로(電流增幅回路)와 임피던스 측정회로(impedance 測定回路)에 접속한다. 그리고 검출대상의 가스가 검출극에 의하여 반응하고, 가스센서에 전류가 통과하면, 전류증폭회로에 의하여 증폭한다. 여기에서 가스센서에는 직류전원을 예를 들면 1:1로 분압(分壓)한 바이어스 전압(bias 電壓)이 가해짐으로써 전류가 정부(正負)의 어느 방향으로 통하더라도 증폭할 수 있다. 임피던스를 측정할 때에는, 스위치를 바꾸고, 가스센서와 전류증폭회로를 차단하고, 교류전원으로부터 교류를 가한다. 여기에서 교류전원의 출력을 직류전원의 출력전위와 그라운드 전위 사이에서 전환하면, 간단하게 교류를 가스센서와 저항의 직렬회로에 가할 수 있다. 가스센서의 임피던스로부터 습도가 판명(判明)되고, 온도센서에 의하여 주위온도를 측정한다. 임피던스의 측정치와 주위의 온도에 따라, 기억수단(記憶手段)으로부터 보정계수(補正係數)의 데이터(data)를 읽어내고, 전류증폭회로의 출력을 보정하면, 주위의 습도와 온도의 영향을 보정하여 가스농도(gas 濃度)를 구할 수 있다. 이 발명에서는, 저수조 없이, 가스센서의 상대습도 의존성과 온도 의존성을 간단한 회로에 의하여 보정할 수 있다.

바람직하게는 교류전원을 마이크로컴퓨터의 출력포트(出力 port)로 구성함으로써 교류전원의 구성을 간단하게 한다. 바람직하게는, 상기 교류전압 측정회로는 상기 마이크로컴퓨터의 AD컨버터(AD converter)이다. 교류는, 바람직하게는 직류전원의 출력전위와 그라운드 전위 사이에서 전위가 변화되는 구형파(矩形波)이다.

[도1]실시예의 가스검출장치의 블럭도면
[도2]마이크로컴퓨터에서의 처리를 나타내는 도면
[도3]임피던스 측정용의 교류파형(交流波形)을 나타내는 도면
[도4]실시예에서의 맵(map)의 구성을 나타내는 도면

이하 본 발명을 실시하기 위한 최적의 실시예를 나타낸다.

실시예

도1~도4는, 실시예의 전기화학적 가스검출장치(電氣化學的 gas檢出裝置)를 나타낸다. 도1에 검출장치의 회로의 예를 나타내면, 2V 등의 직류전원(Vcc)을 저항(R1, R2)에 의하여 예를 들면 1:1로 분압(分壓)하여 1V의 바이어스 전위(bias 電位)(1/2Vcc)를 만들고, 버퍼 증폭기(buffer 增幅器)(4)를 통하여, 전기화학 가스센서(電氣化學的 gas sensor)(2)의 예를 들면 대극(對極)(C)에 가한다. 또 가스센서(2)의 방향을 도1과는 반대로 하여, 검출극(檢出極)(W)에 바이어스 전위를 가하여도 좋다. 가스센서(2)의 타극의 검출극(W)을 스위치(switch)(10)에 접속한다. 6은 전류증폭회로로서, 가스센서(2)를 통과한 전류를 전류증폭하고, 그 출력(V0)을 마이크로컴퓨터(microcomputer)(8)의 AD컨버터(AD converter)(20)에 의하여 AD변환한다. R3은 1KΩ 등의 임피던스 측정용 저항으로, 저항값은 100Ω~10KΩ 등의 범위에서 변경할 수 있다. 저항(R3)은, 예를 들면 마이크로컴퓨터(8)의 출력포트(出力 port)(9)로부터 +Vcc와 0V(그라운드 전위)를 교대로 가하고, 마이크로컴퓨터(8)를 교류전원으로 한다. 출력포트(9)는, 마이크로컴퓨터(8) 내의 도면에 나타나 있지 않은 제어부(制御部)로부터의 제어 명령에 의하여, 출력을 예를 들면 +Vcc와 0V로 전환하는 스위치이다. 또 도1에 점선으로 나타나 있는 것과 같이, 출력포트(9)를 대신하여 3상버퍼(three state buffer)(12) 등의 스위치를 설치하고, 마이크로컴퓨터(8)에 의하여 제어하여, 출력전위를 Vcc와 그라운드 사이에서 바꾸어도 좋다.

저항(R3)과 스위치(10)의 접속점(接續点)에 가해지 교류신호를, 마이크로컴퓨터(8)의 AD컨버터에 의하여 AD변환하고, 상대습도를 나타내는 신호(V1)로서 사용한다. 14는 맵으로서 EEPROM 등의 기억매체(記憶媒體)로 이루어지고, 가스센서(2)의 상대습도 의존성(相對濕度依存性)과 주위온도 의존성(周圍溫度依存性)의 데이터(data)를 기억한다. 16은 서미스터(Thermistor) 등의 온도센서이고, R4는 고정 저항(固定抵抗)으로서, 온도센서(16)와 저항(R4)의 접속점의 신호(V2)를 마이크로컴퓨터(8)에 의하여 AD변환하여, 주위온도를 구한다.

가스센서(2)는, 프로톤 도전체막(proton 導電體膜) 등의 고체 전해질막(固體電解質膜)에 검출극과 대극을 접속한 것으로, 전극은 검출극과 대극의 2전극이다. 프로톤 도전체막은 예를 들면 고분자(高分子)의 고체 전해질막으로서 프로톤 도전성이지만, 금속산화물(金屬酸化物)의 프로톤 도전성 고체 전해질막이어도 좋다. 가스센서(2)는, 상대습도가 저하되면, 고체 전해질막의 도전성이 저하되어, 가스의 검출전류가 작아진다. 이 발명에서는, 가스센서(2)의 상대습도 의존성을 임피던스에 의하여 보정하기 때문에 저수조(貯水槽)는 불필요하다.

또 저항(R1, R2)의 중점전위(中点電位)는, 직류전원(Vcc)의 50%에 한정되지 않고, 예를 들면 48~52%정도의 범위에서 변화시켜도 좋다. 또한 직류전원(Vcc)은 2V에 한정되지 않고, 예를 들면 1V~3V정도의 전압으로 하여도 좋다. 저항(R3)은 1개의 저항으로 한정되지 않고 복수의 저항으로 구성하여도 좋고, 스위치(10)는 마이크로컴퓨터(8) 내의 제어부에 의하여 제어되고, 3상버퍼(12)를 설치할 경우에, 마찬가지로 마이크로컴퓨터(8)의 제어부에 의하여 제어된다.

도2는 입력신호(V0)~(V2)에 대한 처리를 나타낸다. 마이크로컴퓨터(8) 내의 AD컨버터(20)는 이러한 신호(信號)를 AD변환하고, 신호(V0)는 가스농도에 비례한다. 가스센서(2)에는 상대습도 의존성과 주위온도 의존성이 있으므로, 신호(V1)에 의하여 상대습도 의존성을 보정하고, 신호(V2)에 의하여 주위온도 의존성을 보정한다. 맵(map)(14)에는 가스센서(2)의 주위온도와 상대습도의 의존성이 기재되어, 이 데이터를 신호(V1, V2)에 의하여 참조하여 보정계수를 읽어내고, 마이크로컴퓨터(8) 내의 도면에 나타나 있지 않은 RAM에 의하여 기억하고, 마이크로컴퓨터(8) 내의 가스농도 산출부(gas濃度算出部)(22)로 신호(V0)에 보정계수를 곱하여 가스농도를 구한다. 가스농도의 검출 정밀도(精密度)는 용도에 따라 결정함으로써, 예를 들면 계측용(計測用)에서는 고정밀도(高精密度)로 하고 공조(空調)의 제어용 등에서는 가스농도를 복수(複數)의 랭크(rank)로 분류하면 좋다.

스위치(10)가 전류증폭회로(6)측에 접속되어 있는 경우, 가스센서(2)의 일방의 전극에 바이어스 전위(1/2Vcc)가 가해져, 가스센서(2)에 통과한 전류를 전류증폭회로(6)로 증폭한다. 이 경우, 가스센서(2) 내의 어느쪽 측으로 전류가 통과하여도, 전류증폭회로(6)로 증폭할 수 있다. 습도 의존성을 보정하기 위하여, 마이크로컴퓨터(8)는 도면에 나타나 있지 않은 타이머(timer)를 구비하고, 1시간에 1회 ~ 6시간에 1회 등 적절한 주기(周期)로 스위치(10)의 접속을 저항(R3)측으로 전환한다. 스위치(10)의 접속을 저항(R3)측으로 전환하면, 도3과 같이 저항(R3)에 가해지는 전위를 +Vcc와 그라운드(2V와 0V) 사이에서, 예를 들면 10Hz~1KHz정도의 주파수로 예를 들면 수주기(數周期) 정도에 걸쳐서 변화시킨다. 이 때문에 스위치(10)의 접속을 저항(R3)측으로 바꾸고 있는 동안, 마이크로컴퓨터(8) 내의 제어부는 출력포트(9)의 출력을 0V와 +Vcc의 사이에서 변화시킨다.

가스센서(2)의 대극은 1/2Vcc 등의 바이어스 전위로 고정되어 있기 때문에, 진폭Vcc이 구형파(矩形波)로 이루어지는 교류가 가스센서(2)와 저항(R3)의 직렬회로에 수주기 정도 가해진다. 저항(R3)에 의하여 가스센서(2)에 가하는 전압을 제한함과 아울러, 저항(R3)과 스위치(10)의 접속부에 가하는 교류신호(交流信號)(V1)를 AD컨버터(20)로 AD변환하고, 교류신호(V1)의 진폭(振幅), 피크치(peak値), 실효치(實效値) 등으로부터 가스센서(2)의 임피던스를 측정한다. 이 임피던스는, 주로 가스센서(2)의 저항, 특히 고체 전해질막과 검출극 및 대극의 저항에 의한 것으로, 용량성분(容量成分) 등의 기여는 작다. 여기에서 측정 정밀도(精密度)는 임피던스를 몇 종류의 랭크로 나눌 수 있을 정도이면 좋다. 그러나, 임피던스를 보다 정확하게 측정하여, 더욱 정확한 습도보정을 하여도 좋다. 교류는 예를 들면 1주기~10,000주기정도 더 가하면 교류를 가하는 시간을 예를 들면 1msec~10sec로 한다. AD변환하는 전압파형은, 저항(R3)과 스위치(10) 사이의 전위에 한정되지 않고, 가스센서(2)와 스위치(10) 사이의 전위, 저항(R3)에 가하는 전압을 분할한 전압파형 등이어도 좋다. 즉 저항(R3)과 가스센서(2)의 직렬 회로에 진폭 +Vcc를 가하여, 가스센서(2)의 저항을 측정하는 임의의 교류전압 측정회로를 사용할 수 있다. 또 구형파를 대신하여 정현파로 이루어지는 교류를 가하여도 되고, 그 경우는 출력포트(9)를 대신하여 DA컨버터를 사용한다.

도4는 맵(14)의 구성을 나타내고, 맵(14)은 마이크로컴퓨터(8)의 내부의 ROM 등에 기억하여도, 마이크로컴퓨터(8)의 외부의 메모리에 기억하여도 좋다. 그리고 맵(14)은 예를 들면 2차원의 테이블로 이루어지고, 일방의 차원은 가스센서(2)의 임피던스를 나타내는 신호(V1)이고, 타방의 차원은 주위온도를 나타내는 신호(V2)로서, 신호(V1, V2)로부터 보정계수를 읽어낼 수 있도록 한다.

실시예에서는 이하의 효과가 얻어진다.

(1) 전기화학적 가스센서에 수증기를 공급하기 위한 저수조가 불필요하게 된다.

(2) 가스센서(2)를 구동하기 위한 회로에 스위치(10)와 저항(R3) 등을 추가 하는 것만으로, 임피던스를 측정할 수 있다.

(3) 교류전원을 마이크로컴퓨터(8)의 출력포트로 구성하면, 특히 간단하게 교류전원을 구성할 수 있다.

(4) 맵(14)에 가스센서(2)의 온도 의존성과 상대습도 의존성의 쌍방의 데이터를 기억시키고, 서미스터(16)를 설치하면 습도 의존성과 온도 의존성의 쌍방을 보정할 수 있다.

2 전기화학적 가스센서
4 버퍼 증폭기
6 전류증폭회로
8 마이크로컴퓨터
9 출력포트
10 스위치
12 3상버퍼
14 맵
16 온도센서(서미스터)
20 AD컨버터
22 가스농도 산출부
R1~R4 저항

Claims

저수조(貯水槽)를 구비하지 않은 전기화학적 가스센서(電氣化學的 gas sensor)의 출력을 상기 가스센서의 임피던스(impedance)에 따라 보정함으로써 가스를 검출하는 가스검출장치(gas 檢出裝置)에 있어서,
직류전원과,
직류전원에 접속된 적어도 한 쌍의 저항과,
상기 적어도 한 쌍의 저항에서의 저항간의 전위에 따른 전위를 출력하는 버퍼 증폭기(buffer 增幅器)와,
검출극(檢出極)과 대극(對極)과 고체 전해질막(固體電解質膜)을 구비하고, 상기 버퍼 증폭기에 검출극과 대극의 일방이 접속된, 저수조(貯水槽)를 구비하지 않은 전기화학적 가스센서와,
전기화학적 가스센서에 통과한 전류를 증폭하는 전류증폭회로와,
전기화학적 가스센서의 임피던스를 측정하는 임피던스 측정회로와,
전기화학적 가스센서의 타극의 접속처(接續處)를 전류증폭회로와 임피던스 측정회로로 전환하는 스위치와,
전기화학적 가스센서를 통과하는 전류의, 상기 임피던스 의존성과 온도 의존성(溫度依存性)의 데이터를 기억하는 기억수단과,
주위온도(周圍溫度)의 측정용의 온도센서와,
상기 임피던스 측정회로의 출력신호와 상기 온도센서의 출력신호에 따라 상기 기억수단의 데이터를 읽어내고, 상기 데이터에 의하여 상기 전류증폭회로의 출력신호를 보정함으로써 가스농도를 구함과 아울러 상기 스위치를 제어하는 마이크로컴퓨터를
구비하고,
상기 임피던스 측정회로는, 상기 스위치에 일단측(一端側)이 접속된 저항과 상기 저항의 타단측(他端側)의 전위를 상기 직류전원의 출력전위와 그라운드 전위 사이에서 전환하는 교류전원과, 전기화학적 가스센서에 가해지는 교류전압을 측정하는 교류전압 측정회로로 이루어진 것을 특징으로 하는 전기화학적 가스검출장치.
제1항에 있어서,
상기 교류전원이 상기 마이크로컴퓨터의 출력포트(出力port)로 이루어지는 것을 특징으로 하는 전기화학적 가스검출장치.
제2항에 있어서,
상기 교류전압 측정회로가 상기 마이크로컴퓨터의 AD컨버터(AD converter)인 것을 특징으로 하는 전기화학적 가스검출장치.
제3항에 있어서,
상기 교류전원의 출력은 구형파(矩形波)인 것을 특징으로 하는 전기화학적 가스검출장치.