(57)【要約】【課題】異なる検知方式の互いの短所を補って幅広い測定範囲で水素ガスの濃度測定を行う。【解決手段】水素センサ１は、検知方式が異なる複数種類のセンサを用いて雰囲気中の水素ガスの濃度を測定するものであり、熱伝導式センサＳ１と、測定範囲の下限値が熱伝導式センサＳ１の測定範囲よりも低濃度側にある電気化学式センサＳ２とを備え、熱伝導式センサＳ１にて測定される水素ガスの濃度が熱伝導式センサＳ１の測定範囲の下限値以下と判定したときに、電気化学式センサＳ２の測定電源をオンして水素ガスの濃度の測定を行うように制御する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
検知方式が異なる複数種類のセンサを用いて雰囲気中の水素ガスの濃度を測定する水素センサであって、
熱伝導式センサと、
前記熱伝導式センサの測定範囲の下限値よりも低濃度側に測定範囲の下限値がある低濃度側センサと、
前記熱伝導式センサの測定電源をオンして当該熱伝導式センサにて測定される水素ガスの濃度が測定範囲の下限値以下と判定したときに、前記低濃度側センサの測定電源をオンして前記水素ガスの濃度の測定を行うように制御する制御手段とを備えたことを特徴とする水素センサ。
【請求項２】
検知方式が異なる複数種類のセンサを用いて雰囲気中の水素ガスの濃度を測定する水素センサであって、
熱伝導式センサと、
前記熱伝導式センサの測定範囲の下限値よりも低濃度側に測定範囲の下限値がある複数種類のセンサの組み合わせで構成される低濃度側センサと、
前記熱伝導式センサの測定電源をオンして当該熱伝導式センサにて測定される水素ガスの濃度が測定範囲の下限値以下と判定したときに、前記低濃度側センサを構成する複数種類のセンサの何れかの測定電源を選択的にオンして前記水素ガスの濃度の測定を行うように制御する制御手段とを備えたことを特徴とする水素センサ。
【請求項３】
前記雰囲気中の水素ガスが導入／導出されるガス流路の上流側に前記熱伝導式センサを配置し、前記ガス流路の下流側に前記低濃度側センサを配置することを特徴とする請求項１または２に記載の水素センサ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、雰囲気中の水素ガスの濃度を測定する水素センサに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば下記非特許文献１に記載されるように、雰囲気中の水素ガスの濃度を測定する水素センサは、様々な検知方式が知られており、これら各種の検知方式を用いた水素センサは、これまでに様々なガス専門メーカーで発売されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】化学工学  ２０１７年  第８１巻  第８号  第４１０〜４１３頁「特集  ガスセンサの進歩と新たな応用」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、この種の水素センサは、図５に示すように、検知方式によって測定範囲が異なり、また長所と短所がある。一般的に、半導体式、接触燃焼式、電気化学式の水素センサは、熱伝導式の水素センサの測定範囲の下限値（１％）よりも低い濃度で高感度の測定が行える利点があるが、濃度が１０％以上の測定が行えないという欠点がある。これに対し、熱伝導式の水素センサは、１−１００％までの広範囲で測定が行える利点があるが、濃度が１％以下の低濃度側での高感度の測定が行えないという欠点がある。
【０００５】
このため、従来は濃度が１％以下の低濃度から１０％以上の高濃度による幅広い測定範囲で水素ガスを測定できる水素センサは存在しなかった。また、半導体式や電気化学式などの低濃度用の水素センサは、高分解能（ｐｐｍオーダー）な測定ができる反面、測定状態がＯＮのまま高濃度の水素ガスに曝されると、ドリフト（測定値ずれ、誤差）や故障などが発生するという問題があった。そのため、使用環境を考慮して水素ガスの検知方式を選ぶ必要があった。
【０００６】
そこで、本発明は上記問題点に鑑みてなされたものであって、異なる検知方式の互いの短所を補って幅広い測定範囲で水素ガスの測定が可能な水素センサを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するため、本発明の請求項１に記載された水素センサは、検知方式が異なる複数種類のセンサを用いて雰囲気中の水素ガスの濃度を測定する水素センサであって、
熱伝導式センサと、
前記熱伝導式センサの測定範囲の下限値よりも低濃度側に測定範囲の下限値がある低濃度側センサと、
前記熱伝導式センサの測定電源をオンして当該熱伝導式センサにて測定される水素ガスの濃度が測定範囲の下限値以下と判定したときに、前記低濃度側センサの測定電源をオンして前記水素ガスの濃度の測定を行うように制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００８】
請求項２に記載された水素センサは、検知方式が異なる複数種類のセンサを用いて雰囲気中の水素ガスの濃度を測定する水素センサであって、
熱伝導式センサと、
前記熱伝導式センサの測定範囲の下限値よりも低濃度側に測定範囲の下限値がある複数種類のセンサの組み合わせで構成される低濃度側センサと、
前記熱伝導式センサの測定電源をオンして当該熱伝導式センサにて測定される水素ガスの濃度が測定範囲の下限値以下と判定したときに、前記低濃度側センサを構成する複数種類のセンサの何れかの測定電源を選択的にオンして前記水素ガスの濃度の測定を行うように制御する制御手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
請求項３に記載された水素センサは、請求項１または２の水素センサにおいて、
前記雰囲気中の水素ガスが導入／導出されるガス流路の上流側に前記熱伝導式センサを配置し、前記ガス流路の下流側に前記低濃度側センサを配置することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、異なる検知方式の複数種類のセンサを用いて幅広い測定範囲（数ｐｐｍ〜１００％）で水素ガスの濃度測定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明に係る水素センサの内部構造の概略図である。
【図２】本発明に係る水素センサの電気的構成を示すブロック図である。
【図３】本発明に係る水素センサに用いられる電気化学式センサの回路構成の概略図である。
【図４】本発明に係る水素センサの測定アルゴリズムのフローチャートである。
【図５】検知方式が異なる複数種類の水素センサそれぞれの測定範囲を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態について、添付した図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１３】
［水素センサの用途について］
本発明に係る水素センサは、対象となる雰囲気中の水素ガスの濃度を測定するもので、例えば水素ステーション、水素プラント、運搬、貯蔵庫などの水素ガスを利用するインフラ設備での漏れ検知に用いられる。
【００１４】
［水素センサの構成について］
次に、本実施の形態の水素センサの構成について図１を参照しながら説明する。図１に示すように、水素センサ１は、矩形状の装置本体２の上面にガス導入口３が形成され、ガス導入口３と対向してガス導出口４が装置本体２の下面に形成されており、ガス導入口３とガス導出口４との間が直線状の貫通穴からなるガス流路Ｒ１を形成している。ガス導入口３には、雰囲気中の水素ガスを吸引して応答速度を速めるため、例えばファンやポンプなどの吸引手段５が設けられる。
【００１５】
これにより、雰囲気中の水素ガスは、図１の白矢印の順路Ａ１→Ａ２→Ａ３→Ａ４で示すように、装置本体２のガス導入口３から吸引手段５にてガス流路Ｒ１内に吸引され、ガス流路Ｒ１を通ってガス導出口４から導出される。
【００１６】
ガス流路Ｒ１には、図１の黒矢印の順路Ｂ１→Ｂ２→Ｂ３で示すように、ガス導入口３から導入された水素ガスがガス流路Ｒ１の上流側で分岐された後にガス流路Ｒ１と並行に流れてガス流路Ｒ１の下流側で合流する分岐流路Ｒ２が形成される。分岐流路Ｒ２におけるガス流路Ｒ１の下流側との合流部分には、ガス流路Ｒ１の上流側で分岐された水素ガスを吸引するため、例えばファンやポンプなどの吸引手段６が設けられる。
【００１７】
分岐流路Ｒ２は、上流側の空間Ｒ２ａに熱伝導式センサＳ１が配置され、下流側の空間Ｒ２ｂに低濃度側センサとしての電気化学式センサＳ２が配置される。そして、このような配置構成において、電気化学式センサＳ２は、後述するように、熱伝導式センサＳ１が測定した水素ガスの濃度が１％以下にならなければ測定電源をＯＮして測定を開始することがないので、電気化学式センサＳ２が高濃度の水素ガスに曝されることによる劣化や故障を防ぐことができる。
【００１８】
熱伝導式センサＳ１は、図５に示すように、水素ガスの測定範囲が１％（下限値）〜１００％（上限値）であり、水素ガスと基準ガス（例えば空気）との熱伝導率の差を利用して分岐流路Ｒ２に流れる水素ガスの濃度を検出するものである。
【００１９】
電気化学式センサＳ２は、図５に示すように、水素ガスの測定範囲が０．０１（下限値）〜１％（上限値）であって、測定範囲の下限値が熱伝導式センサＳ１の測定範囲の下限値よりも低濃度側にあり、電解液を介して２つの電極間を導体で電気的に接続し、電極間に電位差が生じたときの電極表面の酸化反応と還元反応によって導体に流れる電流の大きさから分岐流路Ｒ２に流れる水素ガスの濃度を検出するものである。
【００２０】
［水素センサの電気的な構成について］
次に、水素センサ１の電気的な構成について図２を参照しながら説明する。図２に示すように、熱伝導式センサＳ１の出力は、熱伝導式用測定回路１１を介してＡ／Ｄ変換回路１２に入力される。電気化学式センサＳ２の出力は、電気化学式用測定回路１３を介してＡ／Ｄ変換回路１２に接続される。
【００２１】
Ａ／Ｄ変換回路１２は、各測定回路１１，１３にて測定された水素ガスの濃度に応じた出力電圧（アナログ信号）をそれぞれデジタルデータに変換する。
【００２２】
制御回路（ＣＰＵ）１４は、Ａ／Ｄ変換回路１２から入力される熱伝導式センサＳ１のデジタルデータに基づく水素ガスの濃度に応じて測定ＯＮ／ＯＦＦ回路１５のＯＮ／ＯＦＦを制御する。
【００２３】
さらに説明すると、制御回路１４は、熱伝導式センサＳ１から得られた出力電圧値から水素ガスの濃度を算出し、水素ガスの濃度が１％（測定範囲の下限値）以下の場合は測定ＯＮ／ＯＦＦ回路１５を介して後述する測定ＯＮ／ＯＦＦスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３をＯＮし、電気化学式センサＳ２の測定も開始するように制御する。
【００２４】
これに対し、制御回路１４は、熱伝導式センサＳ１から得られた出力電圧値から算出した水素ガスの濃度が１％（測定範囲の下限値）より大きい場合、測定ＯＮ／ＯＦＦ回路１５を介して後述する測定ＯＮ／ＯＦＦスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３をＯＦＦのままとし、熱伝導式センサＳ１のみで水素ガスの濃度を測定するように制御する。
【００２５】
出力回路としてのＤ／Ａ変換回路１６は、最終的に、水素ガスの濃度が１％より大きければ熱伝導式センサＳ１の出力に基づいて算出した水素ガスの濃度をアナログ信号（水素濃度値）に変換して出力し、水素ガスの濃度が１％以下であれば電気化学式センサＳ２の出力に基づいて算出した水素ガスの濃度をアナログ信号（水素濃度値）に変換して出力する。
【００２６】
ここで、電気化学式センサＳ２が接続される電気化学式用測定回路１３の回路構成について図３を参照しながら説明する。
【００２７】
電気化学式用測定回路１３は、図３に示すように、前段増幅回路１３ａ、ボルテージフォロア回路１３ｂ、Ｉ−Ｖ変換回路１３ｃを備えており、電気化学式センサＳ２のリファレンス極ＲＥに一定のバイアス電圧Ｖｒｅｆを与えた状態で、電気化学式センサＳ２の対極ＣＥと検知極ＷＥとの間の水素濃度に対応した電流を測定する。
【００２８】
前段増幅回路１３ａは、オペアンプＯＰ１の非反転入力端子が抵抗Ｒ１を介して接地され、反転入力端子にバイアス電圧Ｖｒｅｆが入力され、出力端子が測定ＯＮ／ＯＦＦスイッチＳＷ１を介して電気化学式センサＳ２の対極ＣＥに接続される。
【００２９】
ボルテージフォロワ回路１３ｂは、オペアンプＯＰ２の非反転入力端子が測定ＯＮ／ＯＦＦスイッチＳＷ２を介して電気化学式センサＳ２のリファレンス極ＲＥに接続され、オペアンプＯＰ２の反転入力端子が出力端子に接続され、出力端子が前段増幅回路１３ａのオペアンプＯＰ１の反転入力端子に接続される。
【００３０】
ボルテージフォロワ回路１３ｂは、電気化学式センサＳ２のリファレンス極ＲＥに電流が流れ込まないようにするとともに、リファレンス極ＲＥの電位がバイアス電圧Ｖｒｅｆを保つようにする。
【００３１】
Ｉ−Ｖ変換回路１３ｃは、電気化学式センサＳ２からの測定電流を電圧に変換する回路であり、オペアンプＯＰ３の非反転入力端子が抵抗Ｒ２を介して接地され、オペアンプＯＰ３の反転入力端子が電気化学式センサＳ２の検知極ＷＥに接続されるとともに抵抗Ｒ３を介してオペアンプＯＰ３の出力端子に接続される。また、Ｉ−Ｖ変換回路１３ｃのオペアンプＯＰ３の出力には、測定ＯＮ／ＯＦＦスイッチＳＷ３が接続される。
【００３２】
図３の回路構成において、電気化学式センサＳ２は、図２の制御回路１４により測定ＯＮ／ＯＦＦ回路１５を介して制御される測定ＯＮ／ＯＦＦスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３がＯＦＦ状態のときに化学反応が止まり、電流が流れないようにできる。
【００３３】
［水素ガスの濃度測定方法について］
次に、上記のように構成される水素センサ１にて雰囲気中の水素ガスの濃度を測定する方法について図４の測定アルゴリズムを参照しながら説明する。
【００３４】
雰囲気中の水素ガスの濃度を測定するにあたっては、まず、熱伝導式センサＳ１の測定電源をＯＮする（ＳＴ１）。熱伝導式センサＳ１は、測定電源がＯＮすると、雰囲気中の水素ガスの濃度測定を開始する（ＳＴ２）。
【００３５】
次に、制御回路１４は、熱伝導式センサＳ１にて測定した水素濃度が１％以下か否かを判別する（ＳＴ３）。そして、熱伝導式センサＳ１にて測定した水素濃度が１％以下であると判定すると（ＳＴ３−Ｙｅｓ）、測定ＯＮ／ＯＦＦ回路１５にて測定ＯＮ／ＯＦＦスイッチＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３をＯＮし、電気化学式センサＳ２の測定電源をＯＮする（ＳＴ４）。そして、電気化学式センサＳ２は、測定電源がＯＮすると、雰囲気中の水素ガスの濃度測定を開始する（ＳＴ５）。これにより、熱伝導式センサＳ１と電気化学式センサＳ２にて雰囲気中の水素ガスの濃度が測定される。
【００３６】
その後、制御回路１４は、測定終了か否かを判別し（ＳＴ６）、測定終了であると判定すると（ＳＴ６−Ｙｅｓ）、そのときの電気化学式センサＳ２による水素濃度値を出力する（ＳＴ７）。これに対し、測定終了ではないと判定すると（ＳＴ６−Ｎｏ）、ＳＴ２に戻り、熱伝導式センサＳ１と電気化学式センサＳ２による雰囲気中の水素ガスの濃度の測定を継続する。
【００３７】
一方、制御回路１４は、ＳＴ３において、熱伝導式センサＳ１にて測定した水素濃度が１％以下ではない、すなわち、水素濃度が１％未満であると判定すると（ＳＴ３−Ｎｏ）、電気化学式センサＳ２の測定電源をＯＦＦのままとし（ＳＴ８）、測定終了か否かを判別する（ＳＴ９）。
【００３８】
そして、制御回路１４は、測定終了であると判定すると（ＳＴ９−Ｙｅｓ）、そのときの熱伝導式センサＳ１による水素濃度値を出力する（ＳＴ１０）。これに対し、測定終了ではないと判定すると（ＳＴ９−Ｎｏ）、ＳＴ２に戻り、熱伝導式センサＳ１による雰囲気中の水素ガスの濃度の測定を継続する。
【００３９】
このように、本実施の形態によれば、検知方式の異なる熱伝導式センサと電気化学式センサを用い、熱伝導式センサにて測定した雰囲気中の水素ガスが高濃度の場合には熱伝導式センサにて水素ガスの濃度測定を継続し、熱伝導式センサにて測定した雰囲気中の水素ガスが１％以下の低濃度の場合には電気化学式センサの測定電源をＯＮして水素ガスの濃度測定を行う。これにより、検知方式の異なる熱伝導式センサと電気化学式センサの互いの短所を補って幅広い測定範囲（数ｐｐｍ〜１００％）で水素ガスの濃度測定が行え、ユーザは水素ガスの濃度を気にせずに使用することが可能となる。
【００４０】
また、雰囲気中の水素ガスが導入／導出されるガス流路の上流側に熱伝導式センサを配置し、ガス流路の下流側に電気化学式センサを配置し、熱伝導式センサが測定する水素ガスの濃度に応じて電気化学式センサの測定電源をＯＮ／ＯＦＦ制御すれば、高濃度の水素ガスに電気化学式センサが曝された場合に劣化や故障を防ぐことができる。
【００４１】
さらに、検知方式の異なる熱伝導式センサと電気化学式センサを併用するので、高湿度環境で使用した場合には、熱伝導式センサは湿度の影響を受けて指示ズレを起こすおそれがあるが、電気化学式センサはほぼ影響を受けないため補正が可能となる。
【００４２】
ところで、上述した実施の形態において、制御回路１４は、熱伝導式センサＳ１が測定する水素ガスの濃度に応じて電気化学式センサＳ２の測定電源をＯＮ／ＯＦＦ制御しているが、例えば雰囲気中の水素ガスの濃度が急激に高くなり、熱伝導式センサＳ１または電気化学式センサＳ２が測定する水素ガスの濃度の変化量が所定量以上となったときに、電気化学式センサＳ２の測定電源をＯＦＦ制御してもよい。
【００４３】
また、上述した実施の形態では、図１に示すように、水素ガスの流速の影響を小さくするため、ガス導入口３から導入された水素ガスがガス流路Ｒ１の上流側で分岐された後にガス流路Ｒ１と並行に流れてガス流路Ｒ１の下流側で合流する分岐流路Ｒ２を形成し、分岐流路Ｒ２の上流側に熱伝導式センサＳ１を配置し、分岐流路Ｒ２の下流側に電気化学式センサＳ２を配置する構成としている。また、ガス導入口３から導入された水素ガスを電気化学式センサＳ２まで行き届かせるため、ガス導入口３とガス導出口４に吸引手段５，６を設けた構成としている。しかし、これらの構成に限定されるものではない。例えばガス流路Ｒ１を中心として、それぞれの検出面がガス流路Ｒ１に向くように熱伝導式センサＳ１と電気化学式センサＳ２とを対向配置してもよい。
【００４４】
さらに、上述した実施の形態では、熱伝導式センサＳ１と電気化学式センサＳ２による検知方式が異なる２種類のセンサを装置本体２に内蔵した構成として説明したが、この構成に限定されるものではない。
【００４５】
すなわち、本実施の形態では、測定範囲が水素濃度１％以上の熱伝導式センサＳ１を必須の構成とするが、低濃度側センサに関しては、熱伝導式センサＳ１の測定範囲の下限値よりも低濃度側に測定範囲の下限値があるセンサであれば電気化学式センサＳ２以外のセンサ（例えば半導体式センサ、接触燃焼式センサなど）でも良い。
【００４６】
また、複数種類のセンサを適宜組み合わせて低濃度側センサを構成し、熱伝導式センサＳ１が測定した水素濃度が１％以下になったときに、低濃度側センサを構成する複数種類のセンサの何れかの測定電源を選択的にＯＮして水素ガスの濃度を測定することもできる。例えば低濃度側センサとして、電気化学式センサ、半導体式センサ、接触燃焼式センサによる３種類のセンサを用いた場合には、熱伝導式センサＳ１が測定した水素濃度が１％以下になったときに、水素濃度が０．１〜１％では接触燃焼式センサの測定電源をＯＮし、水素濃度が０．０１〜０．１％では電気化学式センサの測定電源をＯＮし、０．００１〜０．１％では半導体センサの測定電源をＯＮして水素ガスの濃度を測定する。
【００４７】
以上、本発明に係る水素センサの最良の形態について説明したが、この形態による記述及び図面により本発明が限定されることはない。すなわち、この形態に基づいて当業者等によりなされる他の形態、実施例及び運用技術などはすべて本発明の範疇に含まれることは勿論である。
【符号の説明】
【００４８】
１  水素センサ
２  装置本体
３  ガス導入口
４  ガス導出口
５，６  吸引手段
１１  熱伝導式用測定回路
１２  Ａ／Ｄ変換回路
１３  電気化学式用測定回路
１３ａ  前段増幅回路
１３ｂ  ボルテージフォロア回路
１３ｃ  Ｉ−Ｖ変換回路
１４  制御回路（ＣＰＵ）
１５  測定ＯＮ／ＯＦＦ回路
１６  Ｄ／Ａ変換回路
Ｓ１  熱伝導式センサ
Ｓ２  電気化学式センサ
Ｒ１  ガス流路
Ｒ２  分岐流路
ＳＷ１，ＳＷ２，ＳＷ３  測定ＯＮ／ＯＦＦスイッチ
ＲＥ  リファレンス極
ＣＥ  対極
ＷＥ  検知極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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