(57)【要約】【解決手段】  可燃性ガスセンサは、触媒と、該触媒に作動的に接続されて、対象となるガス被験物質を燃焼するための温度を超えて前記触媒を加熱する加熱エレメントとを含む第１センシングエレメントと、前記第１センシングエレメントの前記加熱エレメントに作動的に接続されて、対象となる前記被験物質を燃焼する温度を超える温度と対象となる前記被験物質の酸化燃焼に前記触媒が触媒作用を及ぼす活性が実質的になくなる温度との間で、前記第１センシングエレメントを周期的に循環させる電気回路とを含む。前記電気回路は、サイクル周期内のＯＮ時間中に前記可燃性ガスセンサの第１出力から対象となる前記ガス被験物質の少なくとも１つの種を決定するように構成される。前記電気回路は、前記可燃性ガスセンサの第２出力から前記ガスの種の濃度を決定するようにさらに構成される。【選択図】図３Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
触媒と、該触媒に作動的に接続されて、対象となるガス被験物質を燃焼するための温度を超えて前記触媒を加熱する加熱エレメントとを含む第１センシングエレメントと、
前記第１センシングエレメントの前記加熱エレメントに作動的に接続されて、対象となる前記被験物質を燃焼させる温度を超える温度と対象となる前記被験物質の酸化燃焼に前記触媒が触媒作用を及ぼす活性が実質的になくなる温度との間で、前記第１センシングエレメントを定期的に循環させる電気回路とを備え、
前記電気回路は、循環周期内のＯＮ時間中に前記可燃性ガスセンサの第１出力から対象となる前記ガス被験物質の少なくとも１つの種を決定するように構成され、
前記電気回路は、前記可燃性ガスセンサの第２出力から前記ガスの種の濃度を決定するようにさらに構成される
可燃性ガスセンサ。
【請求項２】
前記第１センシングエレメントは、ＭＥＭＳペリスタのセンシングエレメントである
請求項１に記載の可燃性ガスセンサ。
【請求項３】
前記第１センシングエレメントは、８秒以下の熱定数を有する
請求項１に記載の可燃性ガスセンサ。
【請求項４】
前記循環周期内のＯＮ時間は、１００ミリ秒乃至１秒である
請求項２に記載の可燃性ガスセンサ。
【請求項５】
前記循環周期内のＯＮ時間は、３００ミリ秒乃至５００秒である
請求項２に記載の可燃性ガスセンサ。
【請求項６】
前記第１センシングエレメントの定期的循環のデューティサイクルは、５〜１２％の範囲内である
請求項１に記載の可燃性ガスセンサ。
【請求項７】
前記第１センシングエレメントの定期的循環のデューティサイクルは、８〜１１％の範囲内である
請求項１に記載の可燃性ガスセンサ。
【請求項８】
前記電気回路に作動的に接続された第１補償エレメントをさらに備える
請求項１に記載の可燃性ガスセンサ。
【請求項９】
前記触媒は、メタンを燃焼させる温度を超えて加熱される
請求項１に記載の可燃性ガスセンサ。
【請求項１０】
ハウジングをさらに備え、該ハウジングは、入口と、前記ハウジング内に配置された前記第１センシングエレメントと、少なくとも１つのフィルタとを備え、
前記少なくとも１つのフィルタは、対象となる前記被験物質以外の少なくとも１つの物質を除去するように構成される
請求項１に記載の可燃性ガスセンサ。
【請求項１１】
前記濃度は、既定の閾値濃度であり、
前記電気回路は、さらに、警報信号を生成するように構成される
請求項１に記載の可燃性ガスセンサ。
【請求項１２】
触媒と、該触媒に作動的に接続されて、対象となるガス被験物質を燃焼するための温度を超えて前記触媒を加熱する加熱エレメントとを含む第１センシングエレメントと、前記第１センシングエレメントの前記加熱エレメントに作動的に接続された電気回路とを有する可燃性ガスセンサの作動方法であって、
前記電気回路を介して、対象となる前記被験物質を燃焼させる温度を超える温度と対象となる前記被験物質の酸化燃焼に前記触媒が触媒作用を及ぼす活性が実質的になくなる温度との間で前記第１センシングエレメントを定期的に循環させることと、
前記電気回路が循環周期内のＯＮ時間中に前記可燃性ガスセンサの第１出力から、対象となる前記ガス被験物質の少なくとも１つの種を決定し、かつ、前記可燃性ガスセンサの第２出力から前記ガスの種の濃度を決定することと、を備える
可燃性ガスセンサの作動方法。
【請求項１３】
前記第１センシングエレメントは、ＭＥＭＳペリスタとして形成される
請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１センシングエレメントは、８秒以下の熱定数を有する
請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記循環周期内のＯＮ時間は、１００ミリ秒乃至１秒である
請求項１３に記載の方法。
【請求項１６】
前記循環周期内のＯＮ時間は、３００ミリ秒乃至５００秒である
請求項１３に記載の方法。
【請求項１７】
前記第１センシングエレメントの定期的循環のデューティサイクルは、５〜１２％の範囲内である
請求項１２に記載の方法。
【請求項１８】
前記第１センシングエレメントの定期的循環のデューティサイクルは、８〜１１％の範囲内である
請求項１２に記載の方法。
【請求項１９】
前記可燃性ガスセンサは、前記電気回路に作動的に接続された第１補償エレメントをさらに備える
請求項１２に記載の方法。
【請求項２０】
対象となる前記ガス被験物質の１よりも多い種が、前記サイクル周期内のＯＮ時間中に前記可燃性ガスセンサの過渡出力から決定される
請求項１２に記載の方法。
【請求項２１】
前記触媒は、メタンを燃焼させる温度を超えて加熱される
請求項１２に記載の方法。
【請求項２２】
前記可燃性ガスセンサは、ハウジングをさらに備え、該ハウジングは、入口と、前記ハウジング内に配置された前記第１センシングエレメントとを備え、
前記方法は、対象となる前記被験物質以外の少なくとも１つの物質を除去する少なくとも１つのフィルタを提供することをさらに備える
請求項１２に記載の方法。
【請求項２３】
前記濃度は、既定の閾値濃度であり、
前記方法は、前記既定の閾値濃度を決定したときに前記電気回路を介して警報信号を生成することをさらに備える
請求項１２に記載の方法。
【請求項２４】
対象となる複数のガス被験物質の少なくとも１つの種の同定方法であって、
触媒を含み、かつ、８秒未満の熱時定数を有する第１センシングエレメントを、対象となる複数の被験物質を燃焼させる温度を超える温度と対象となる前記被験物質の酸化燃焼に前記触媒が触媒作用を及ぼす活性が実質的になくなる温度との間で定期的に循環させることと、
前記循環周期内のＯＮ時間中に前記可燃性ガスセンサの動的出力から対象となる前記ガス被験物質の少なくとも１種を決定することと、を備える
対象となる複数のガス被験物質の少なくとも１つの種の同定方法。
【請求項２５】
第１可燃性ガスセンサであって、
第１入口を有する第１ハウジングと、
前記ハウジングの前記第１入口に作動的に接続された第１フィルタと、
前記ハウジング内の第１センシングエレメントであって、第１触媒と、該第１触媒に作動的に接続されて、前記第１可燃性ガスセンサの対象となるガス被験物質を燃焼させる温度を超えて前記第１触媒を加熱する第１加熱エレメントとを備える第１センシングエレメントと、
前記第１センシングエレメントの前記第１加熱エレメントに作動的に接続されて、前記第１可燃性ガスセンサの対象となる前記被験物質を燃焼させる温度を超える温度と前記第１可燃性ガスセンサの対象となる前記被験物質の酸化燃焼に前記触媒が触媒作用を及ぼす活性が実質的になくなる温度との間で、前記第１センシングエレメントを定期的に循環させる第１電気回路と備え、
前記第１フィルタが、前記第１可燃性ガスセンサの対象となる前記被験物質以外の少なくとも１つの物質を除去するように構成され、
前記第１電気回路が、前記第１可燃性ガスセンサの循環周期内のＯＮ時間中に、前記第１可燃性ガスセンサの第１出力から、前記第１可燃性ガスセンサの対象となる前記ガス被験物質の少なくとも１つの種を決定するように構成され、
前記第１電気回路が、前記第１可燃性ガスセンサの第２出力から前記ガスの種の濃度を決定するようにさらに構成される
第１可燃性ガスセンサと、
第２可燃性ガスセンサであって、
第２入口を有する第２ハウジングと、
前記第２入口に作動的に接続された前記第１フィルタとは異なる第２フィルタと、
前記ハウジング内の第２センシングエレメントであって、第２触媒と、該第２触媒に作動的に接続されて、前記第２可燃性ガスセンサの対象となるガス被験物質を燃焼させる温度を超えて前記第２触媒を加熱する第２加熱エレメントとを備える第２センシングエレメントと、
前記第２センシングエレメントの前記第２加熱エレメントに作動的に接続されて、前記第２可燃性ガスセンサの対象となる前記被験物質を燃焼させる温度を超える温度と前記第２可燃性ガスセンサの対象となる前記被験物質の酸化燃焼に前記触媒が触媒作用を及ぼす活性が実質的になくなる温度との間で、前記第２センシングエレメントを定期的に循環させる第２電気回路と備え、
前記第２フィルタが、前記第２可燃性ガスセンサの対象となる前記被験物質以外の少なくとも１つの物質を除去するように構成され、
前記第２電気回路が、前記第２可燃性ガスセンサの循環周期内のＯＮ時間中に、前記第２可燃性ガスセンサの第１出力から、前記第２可燃性ガスセンサの対象となる前記ガス被験物質の少なくとも１つの種を決定するように構成され、
前記第２電気回路が、前記第２可燃性ガスセンサの第２出力から前記ガスの種の濃度を決定するようにさらに構成される
第２可燃性ガスセンサとを備える
システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
（関連出願の相互参照）
本願は、２０１６年１１月４日に出願された米国特許出願第１５／３４３，９５６号の利益を主張し、該出願の開示は参照により本明細書に組み込まれる。
【背景技術】
【０００２】
以下の情報は、以下に開示された技術及びこのような技術が一般的に使用され得る環境を読者が理解することの助けとなるために提供される。本明細書で使用される用語は、本文献において特に明記されていない限り、何ら特定の狭い解釈に限定されることを意図したものではない。本明細書で記載された参考文献は、技術又は技術背景の理解を容易にし得る。本明細書で引用される全ての参考文献における開示は、参照により本明細書に組み込まれる。
【０００３】
触媒ガスセンサまたは可燃性（引火性）ガスセンサは、例えば、可燃性または引火性ガスの爆発が原因となる事故を防ぐために長年使用されてきた。一般に、可燃性ガスセンサは、可燃性ガスの触媒酸化によって作動する。図１Ａ及び１Ｂに示したように、従来のガスセンサ１０は、典型的に、耐火（例えば、アルミナ）ビーズ３０に包まれた白金エレメントワイヤまたはコイル２０などのエレメントを含んでいる。前記耐火ビーズ３０は、活性エレメントまたはセンシングエレメントを形成するための触媒で満たされており、前記エレメントは、Ｐエレメント４０、ペリスタ、検出器、または、センシングエレメントと称されることがある。Ｐエレメント及び該Ｐエレメントを含む触媒可燃性ガスセンサの詳細な議論は、Ｍｏｓｅｌｙ，Ｐ．Ｔ．及びＴｏｆｉｅｌｄ，Ｂ．Ｃ．，ｅｄ．，Ｓｏｌｉｄ  Ｓｔａｔｅ  Ｇａｓ  Ｓｅｎｓｏｒ，Ａｄａｍｓ  Ｈｉｌｇｅｒ  Ｐｒｅｓｓ，Ｂｉｓｔｏｌ，Ｅｎｇｌａｎｄ（１９８７）において見出される。可燃性ガスセンサは、Ｆｉｒｔｈ，Ｊ．Ｇ．ｅｔ  ａｌ．，Ｃｏｍｂｕｓｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｆｌａｍｅ  ２１，３０３（１９７３）及びＣｕｌｌｉｓ，Ｃ．Ｆ．，ａｎｄ  Ｆｉｒｔｈ，Ｊ．Ｇ．，Ｅｄｓ．，Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ  ｏｆ  Ｈａｚａｒｄｏｕｓ  Ｃａｓｅｓ，Ｈｅｉｎｅｍａｎｎ，Ｅｘｅｔｅｒ，２９（１９８１）においても、概論されている。
【０００４】
ビーズ３０は、該ビーズの出力を変化し得る触媒酸化以外の現象（つまり、前記ビーズにおけるエネルギーバランスを変化する全てのもの）に反応し、それにより、可燃性ガス濃度の測定におけるエラーを生じ得る。周囲温度、湿度、及び、圧力の変化は、これらの現象のうちの一つである。
【０００５】
センサ出力への副次効果の影響を最小にするために、不活性な補償エレメントまたはＰエレメント５０において具現化された参照抵抗に対するセンシングエレメントまたはＰエレメント４０の抵抗変化の観点から、前記可燃性ガスの酸化速度が測定されてもよい。前記２つの抵抗は、典型的に、図１Ｂに示したようなホイートストーンブリッジ回路などの測定回路の一部である。可燃性ガスが存在するときに前記ブリッジ回路を通って高められた出力または電圧は、前記可燃性ガスの濃度の測定を提供する。補償エレメント５０の特性は、典型的に、活性またはセンシングＰエレメント４０と可能な限り密接に適合される。しかしながら、補償Ｐエレメント５０は、典型的に、触媒を担持しないか、あるいは、不活性な／被毒された触媒を担持するかのいずれかである。
【０００６】
活性またはセンシングＰエレメント４０及び補償Ｐエレメント５０は、例えば、防爆ハウジング７０のウェル６０ａ及び６０ｂ内に配置されることができ、かつ、逆火防止装置、例えば、多孔性金属フリット８０によって、周囲環境から分けられることができる。多孔性金属フリット８０は、周囲ガスをハウジング７０内に通過させるが、高温エレメントによる前記周囲環境中での可燃性ガスの点火を防ぐ。このような触媒ガスセンサは、通常、機器内に搭載され、ある場合には、携帯可能であるため、固有の電源を携行する必要がある。したがって、触媒ガスセンサの電力消費を最小にすることが望ましい。
【０００７】
触媒可燃性ガスセンサの作動は、前記酸化触媒上での可燃性ガスの反応熱の電気的検出によって（通常は、上述のホイートストーンブリッジによる抵抗変化によって）進行する。前記酸化触媒は、例えば、メタン検出のために３５０〜６００℃の温度範囲で作動してもよい。前記センサは、抵抗加熱によって前記Ｐエレメントを十分に加熱するはずである。一般に、前記加熱及び検出エレメント（エレメント２０）は全く同一である。抵抗温度係数が大きく、その結果、ターゲットガスまたは分析ガスにおける信号が大きくなるために、白金合金が使用されることが多い。
【０００８】
上述のように、前記加熱エレメントは、細線の螺旋コイルであってもよい。前記加熱エレメントは、ホットプレート内に形成された平面曲折部または他の同様な物理的形状でもあり得る。加熱される触媒は、耐火性触媒基板上に配置された活性金属触媒を含むことが多い。通常、前記活性金属は、パラジウム、白金、ロジウム、銀などの１以上の貴金属であり、前記耐火性金属酸化物支持部は、アルミニウム、ジルコニウム、チタン、ケイ素、セリウム、スズ、ランタンなどの１以上の酸化物からなる。これらは、７５ｍ２／ｇを超える高い表面積を有していてもよいし、有していなくてもよい。前記支持部及び触媒金属前駆体は、当該技術分野において公知の膜技術またはセラミックスラリー技術を用いて、１ステップまたは別々のステップにて前記加熱エレメントに付着されてもよい。触媒金属塩前駆体は製造中に加熱され、該触媒金属塩前駆体を、所望の分散させた活性金属、金属合金、および／または、金属酸化物へと分解させることが多い。
【０００９】
螺旋状の細線ヒータ上に形成された酸化触媒は、典型的には、Ｐエレメントと称される一方で、ホットプレート（マイクロエレクトロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）ホットプレートまたは従来の大型のホットプレートのいずれか）上に形成された酸化触媒は、前記基板によって知られていることがある。ＭＥＭＳ加熱エレメント上で形成された酸化触媒は、本明細書では、ＭＥＭＳペリスタと称されることがある。上述のように、検出Ｐエレメントまたは触媒活性なホットプレートは、前記活性触媒と同様な熱伝導率を有するが活性サイトを有さない材料で被覆された、同様な大きさのヒータと組み合わせることができる。前記不活性Ｐエレメントまたはホットプレートは、周囲温度、相対湿度、または、可燃性ガスと関連のないバックグラウンドの熱伝導率の変化を保証するために使用されてもよく、それ故、補償装置と称されることが多い。適合する一対の検出エレメント及び補償エレメントは、作動及び可燃性ガス検出のためのホイートストーンブリッジ構成内で組み立てられ得る。前記ホイートストーンブリッジ構成は、前記検出器及び前記補償装置の両方が同一の昇温で作動することを要求する。これに代えて、前記補償装置の機能は、米国特許第８８２６７２１号明細書において教示されたように、電気的に制御された独立したブリッジ回路を用いて最低酸化温度未満で十分に運転される検出Ｐエレメントまたはホットプレートを用いることによって実現され得る。前記独立ブリッジ回路の作動モードの利点は、アクティブな検出器またはホットプレート切り替えることに起因する省力化及び長寿命化を含む。
【００１０】
触媒被毒の結果として、並びに、前記ガス相から前記触媒へと向かうが、前記固体触媒表面と結合するようになる、シリコーン、硫黄、リン、および、鉛などの阻害物質の結果として、酸化触媒が、不活性となり得ることが良く知られている。環境毒の影響を改善するために、触媒可燃性センサは、前記活性触媒の上流に、阻害化合物または被毒化合物を捕捉するための濾過材を含んでいてもよい。このようなフィルタは、例えば、物理吸着、化学吸着、化学反応、または、それらの組み合わせの作用に依拠して、前記可燃性センサの持続期間、安定性、および、寿命を向上させ得る。フィルタは、例えば、前記触媒に到達する毒の有効濃度を減少させることが知られている、種々の金属塩、活性炭、吸着性金属酸化物、または、これらの組み合わせを含んでいてもよい。例えば、米国特許第６７５６０１６号明細書を参照されたい。可燃性センサに上流濾過を加えた結果、対象となる可燃性ガスについての（特に、７５ｍ２／ｇを超える表面積を有する吸着剤が使用された場合、または、厚膜フィルタが使用された場合の重炭化水素についての）持続期間および応答時間が減ぜられ得る。上流濾過は、外部フィルタに限られるものではなく、前記触媒表面上に直に被覆された材料を含んでいてもよい。
【発明の概要】
【００１１】
一態様において、可燃性ガスセンサは、触媒と、該触媒に作動的に接続されて、対象となるガス被験物質を燃焼させるための温度を超えて前記触媒を加熱する加熱エレメントを含む第１センシングエレメントと、前記第１センシングエレメントの前記加熱エレメントに作動的に接続されて、対象となる被験物質を燃焼させる温度を超える温度と対象となる前記被験物質の酸化燃焼に前記触媒が触媒作用を及ぼす活性が実質的になくなる温度と間で、前記第１センシングエレメントを定期的に循環させる電気回路とを含む。前記電気回路は、循環周期内のＯＮ時間中に前記可燃性ガスセンサの第１出力から対象となるガス被験物質の少なくとも１つの種を決定するように構成される。前記電気回路は、前記可燃性ガスセンサの第２出力から前記ガスの種の濃度を決定するようにさらに構成される。前記触媒は、例えば、ＯＮ時間中にメタンを燃焼させる温度を超えて加熱されてもよい。前記可燃性ガスセンサは、前記電気回路と作動的に接続された第１補償エレメントをさらに含んでいてもよい。
【００１２】
複数の実施形態において、前記第１センシングエレメントは、８秒以下の熱定数または６秒以下の熱定数を有する。前記第１センシングエレメントは、例えば、８秒以下（または６秒以下）の熱定数を提供するために、低熱質量のＭＥＭＳペリスタまたはＰエレメントを備えていてもよい。
【００１３】
複数の実施形態において、前記循環周期内のＯＮ時間は、１００ミリ秒乃至１秒である。複数の実施形態において、前記循環周期内のＯＮ時間は、３００ミリ秒乃至５００秒である。前記第１センシングエレメントの定期的循環のデューティサイクルは、例えば、５〜１２％の範囲内であってもよい。複数の実施形態において、前記第１センシングエレメントの定期的循環のデューティサイクルは、８〜１１％の範囲内である。
【００１４】
本願の可燃性ガスセンサが安定な出力に達した後、または、前記可燃性ガスセンサが安定な出力に達する前に、前記第１出力、及び、対象となるガス被験物質の少なくとも１との種を決定するために、各循環の動的出力が解析されてもよい。
【００１５】
前記可燃性ガスセンサは、さらに、入口を含むハウジングを含んでもよい。前記第１センシングエレメントは、前記ハウジング内に配置されていてもよい。前記可燃性ガスセンサは、さらに、少なくとも１つのフィルタを含んでいてもよく、前記少なくとも１つのフィルタは、対象となる被験物質以外の少なくとも１つの物質を（部分的または完全に）除去するように構成されている。
【００１６】
前記濃度は、例えば、既定の閾値濃度（例えば、爆発下限界濃度またはＬＥＬに関連する閾値濃度）であってもよく、前記電気回路は、さらに、警報信号を生成するように構成される。前記閾値濃度の決定は、例えば、前記可燃性ガスセンサの出力信号または応答が安定な出力に達する前に生じてもよい。前記可燃性ガスセンサは、さらに、安定な出力に達したとき、または、前記出力信号／応答が安定な出力に達する前に、周囲環境において対象となるガス被験物質の少なくとも１種の濃度を決定してもよい。
【００１７】
別の態様において、可燃性ガスセンサを作動する方法（前記可燃性ガスセンサが、触媒と、該触媒に作動的に接続されて、対象となるガス被験物質を燃焼させるための温度を超えて前記触媒を加熱する加熱エレメントを含む第１センシングエレメントと、前記第１センシングエレメントの加熱エレメントに作動的に接続された電気回路とを有する）は、前記電気回路を介して、対象となる前記被験物質を燃焼させる温度を超える温度と対象となる前記被験物質の酸化燃焼に前記触媒が触媒作用を及ぼす活性が実質的になくなる温度との間で前記第１センシングエレメントを定期的に循環させることを含む。前記電気回路は、サイクル周期内のＯＮ時間中に前記可燃性ガスセンサの第１出力から対象となる前記ガス被験物質の少なくとも１つの種を決定し、かつ、前記可燃性ガスセンサの第２出力から前記ガスの種の濃度を決定する。前記可燃性ガスセンサは、前記電気回路に作動的に接続された第１補償エレメントをさらに備えてもよい。複数の実施形態において、前記触媒は、前記ＯＮ時間中にメタンを燃焼させるための温度を超えて加熱される。
【００１８】
前記第１センシングエレメントは、例えば、８秒以下（または６秒以下）の熱定数を有してもよい。上述のように、前記第１センシングエレメントは、例えば、低熱質量のＭＥＭＳペリスタまたはペリスタとして形成されてもよい。複数の実施形態において、前記循環周期内のＯＮ時間は、１００ミリ秒乃至１秒、または、３００ミリ秒乃至５００秒である。前記第１センシングエレメントの定期的循環のデューティサイクルは、例えば、５〜１２％または８〜１１％の範囲内であってもよい。
【００１９】
上述のように、前記第１出力、及び、対象となるガス被験物質の少なくとも１つの種を決定するために、各サイクルの動的出力が解析される。前記種の決定は、例えば、本明細書の可燃性ガスセンサが安定な出力に達した後、または、前記可燃性ガスセンサが安定な出力に達する前に、行われてもよい。対象となるガス被験物質の１以上の種は、例えば、前記循環周期内のＯＮ時間中に前記可燃性ガスセンサの動的出力から決定されてもよい。
【００２０】
複数の実施形態において、前記可燃性ガスセンサは、さらに、入口を有するハウジングを含んでおり、前記第１センシングエレメントは前記ハウジング内に配置されている。前記方法は、例えば、さらに、少なくとも１つのフィルタを提供することを含んでいてもよく、前記少なくとも１つのフィルタは、対象となる被験物質以外の少なくとも１つの物質を（部分的または完全に）除去する。
【００２１】
上述のように、測定された濃度は、例えば、既定の閾値濃度であってもよく、前記電気回路は、さらに、警報信号を生成してもよい。
【００２２】
更なる態様において、対象となる複数のガス被験物質のうちの少なくとも１つの種を同定する方法は、触媒を含み、かつ、対象となる複数の被験物質を燃焼させるための温度を超える温度と対象となる被験物質の酸化燃焼に前記触媒が触媒作用を及ぼす活性が実質的になくなる温度との間において８秒未満の熱時定数を有する第１センシングエレメントを定期的に循環させることと、循環周期内のＯＮ時間中に、前記可燃性ガスセンサの出力から、対象となる前記ガス被験物質の少なくとも１つの種を決定することとを含む。複数の実施形態において、前記熱時定数は６秒未満である。
【００２３】
更なる態様において、システムは、第１入口を有する第１ハウジングと、前記ハウジングの第１入口に作動的に接続された第１フィルタと、前記ハウジング内の第１センシングエレメントとを含む第１可燃性ガスセンサを含む。前記第１センシングエレメントは、第１触媒と、該第１触媒に作動的に接続されて、前記第１可燃性ガスセンサの対象となるガス被験物質を燃焼させる温度を超えて前記第１触媒を加熱する第１加熱エレメントを備える。前記第１可燃性ガスセンサは、前記第１センシングエレメントの前記第１加熱エレメントに作動的に接続されて、前記第１可燃性ガスセンサの対象となる前記被験物質を燃焼させるための温度を超える温度と前記第１可燃性ガスセンサの対象となる前記被験物質の酸化燃焼に前記第１触媒が触媒作用を及ぼす活性が実質的になくなる温度との間で、前記第１センシングエレメントを定期的に循環させる第１電気回路をさらに含む。前記第１フィルタは、前記第１可燃性ガスセンサの対象となる被験物質以外の少なくとも１つの物質を除去するように構成される。前記第１電気回路は、前記第１可燃性ガスセンサの循環周期内のＯＮ時間中に、前記第１可燃性ガスセンサの第１出力から、前記第１可燃性ガスセンサの対象となる前記ガス被験物質の少なくとも１つの種を決定するように構成される。前記第１電気回路は、前記第１可燃性ガスセンサの第２出力から前記ガスの種の濃度を決定するようにさらに構成される。
【００２４】
前記システムは、さらに、第２入口を有する第２ハウジングと、前記ハウジングの第２入口に作動的に接続された第１フィルタとは異なる第２フィルタと、前記ハウジング内の第２センシングエレメントとを含む第２可燃性ガスセンサとを含む。前記第２センシングエレメントは、第２触媒と、該第２触媒と作動的に接続されて、前記第２可燃性ガスセンサの対象となるガス被験物質を燃焼させるための温度を超えて前記第２触媒を加熱する第２加熱エレメントを備える。前記第２可燃性ガスセンサは、前記第２センシングエレメントの前記第２加熱エレメントに作動的に接続されて、前記第２可燃性ガスセンサの対象となる前記被験物質を燃焼させるための温度を超える温度と前記第２可燃性ガスセンサの対象となる前記被験物質の酸化燃焼に前記第２触媒が触媒作用を及ぼす活性が実質的になくなる温度との間で、前記第２センシングエレメントを定期的に循環させる第２電気回路をさらに含む。前記第２フィルタは、前記第２可燃性ガスセンサの対象となる被験物質以外の少なくとも１つの物質を除去するように構成される。前記第２電気回路は、前記第２可燃性ガスセンサの循環周期内のＯＮ時間中に、前記第２可燃性ガスセンサの第１過渡出力から、前記第２可燃性ガスセンサの対象となる前記ガス被験物質の少なくとも１つの種を決定するように構成される。前記第２電気回路は、前記第２可燃性ガスセンサの第２出力から前記ガスの種の濃度を決定するようにさらに構成される。
【００２５】
本発明のデバイス、システム、及び、方法は、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を考慮すると、本願の特性及び付随する利点とともに、最適に評価及び理解されることとなる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１Ａ】図１Ａは、従来の可燃性ガスセンサの実施形態を示している。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１Ａの可燃性ガスセンサのセンシングエレメント及び補償エレメントを含むホイートストーンブリッジ回路の拡大図を示している。
【図２】図２は、本明細書の検出器の実施形態におけるセンサインターフェースエレクトロニクスの概略図を示している。
【図３Ａ】図３Ａは、本明細書のＭＥＭＳペリスタの実施形態を示している。
【図３Ｂ】図３Ｂは、プリント回路基板上に載置された、本願のＭＥＭＳセンシングペリスタ及びＭＥＭＳ補償器ペリスタを示している。
【図３Ｃ】図３Ｃは、図３Ａ及び／又は３Ｂに示されたような複数の可燃性ガスセンサを含むシステムを示しており、可燃性ガスセンサのそれぞれは異なるフィルタを含む。
【図４Ａ】図４Ａは、３５０ミリ秒のパルスを超える種々の濃度のメタンガスについての本願の検出器の応答を示している。
【図４Ｂ】図４Ｂは、７．５秒間隔での３５０ミリ秒パルスについて、水素ガスの導入前後の検出器出力を示しており、示されたデータは、第１パルスオフセットを変化させた検討の複合画像である。
【図４Ｃ】図４Ｃは、３．５秒間隔での３５０ミリ秒パルスについて、ペンタンガス導入前後の検出器出力を示している。
【図５】図５は、メタン、水素ガス、プロパンガス、及び、ペンタンガスについてのセンサ出力を示している。
【図６】図６は、メタンガス、水素ガス、ヘプタンガス、及び、ペンタンガスについての触媒酸化ライトオフ曲線を示している。
【図７】図７は、低質量Ｐエレメントについてのセンサ出力を示している。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
概して、本願の図面に記載され、かつ示されているように、本実施形態の構成要素は、記載された代表的な実施形態に加えて、広範な種々の構成において配置及び設計され得ることが容易に理解されることとなる。そのため、図に示されているような代表的な実施形態の以下のより詳細な説明は、請求されているように実施形態の範囲を限定することを意図したものではなく、代表的な実施形態を単に例示的に示したものである。
【００２８】
本明細書を通じて、「一実施形態(one embodiment)」または「一実施形態(a embodiment)」についての参照は、実施形態に関連して記載された、特定の特徴、構造、または特性が、少なくとも一実施形態に含まれることを意味している。そのため、本明細書を通じた種々の場所における、「一実施形態において(in one embodiment)」または「一実施形態において(in an embodiment)」などの語句の出現は、必ずしも、同じ実施形態についての全ての参照ではない。
【００２９】
さらに、記載された特徴、構造、または特性は、１または複数の実施形態において、任意の好適な方法で組み合わされ得る。以下の説明では、種々の実施形態を完全に理解するために、多数の具体的詳細が提供される。しかしながら、関連技術における当業者であれば、１または複数の具体的詳細を用いずに、または他の方法、構成要素、材料などを用いて種々の実施形態が実施され得ることを理解することとなる。他の例では、公知の構造、材料、または作動は、曖昧さを避けるために、詳細に示されたり、記載されたりしない。
【００３０】
本明細書及び添付の請求の範囲で使用されているように、単数形”a”、”an”、及び”the”は、文脈上明らかに別の意味を示していると判断されない限り、複数の参照を含む。そのため、例えば、「エレメント(a element)」についての参照は、複数のそのようなエレメント及び当業者に公知のその等価物などを含み、「エレメント(the element)」についての参照は、１または複数のそのようなエレメント、及び当業者に公知のその等価物などについての参照である。本明細書の数値範囲の記載は、単に、前記範囲内の各別個の値についての個々の参照の簡略表記として役立つことを意図したものである。本明細書において特に断りのない限り、各個々の値及び中間の範囲が、本明細書において個々に引用されているように、本明細書に包含される。本明細書で記載された全ての方法は、本明細書において特に断りのない限り、または文脈によって明らかに禁じられていない限り、任意の好適な順番で実施され得る。
【００３１】
本明細書で使用されているように、用語「電気回路(electronic circuitry)」、「回路(circuitry)」または「回路(circuit)」は、これらに限られないが、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、または機能または作用を実行するためのそれぞれの組み合わせを含む。例えば、所望の特徴または要求に基づいて、回路は、ソフトウェア制御マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路(AISC)などの個別論理、または他のプログラムされたロジックデバイスを含み得る。回路はまた、ソフトウェアとして、完全に具体化され得る。本明細書で使用されているように、「回路」は、「論理」と同義であると目される。用語「論理」は、本明細書で使用されているように、これらに限られないが、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、または機能若しくは作用を実行するため、あるいは、他の部材からの機能若しくは作用を生じさせるためのそれぞれの組み合わせを含む。例えば、所望の用途または要求に基づくと、論理は、ソフトウェア制御マイクロプロセッサ、特定用途向け集積回路(AISC)などの個別論理、またはプログラムされた他のロジックデバイスを含み得る。論理はまた、ソフトウェアとして、完全に具体化され得る。
【００３２】
用語「プロセッサ」は、本明細書で使用されているように、これらに限られないが、任意に組み合わせた、１または複数のプロセッサシステム、またはマイクロプロセッサ、マイクロコントローラ、中央処理装置(CPU)、及びデジタルシグナルプロセッサ(DSP)などのスタンドアロンプロセッサを含む。プロセッサは、メモリシステム（例えば、ランダムアクセスメモリ(RAM)、リードオンリーメモリ(ROM)、プログラマブルリードオンリーメモリ(PROM)、消去可能なプログラマブルリードオンリーメモリ(EPROM)）、クロック、デコーダ、メモリコントローラ、または割り込みコントローラなどの、前記プロセッサの作動を支援する種々の他の回路と関連付けられ得る。これらの支援回路は、前記プロセッサまたはそれに関連付けられる電子パッケージの内部にあってもよいし、外部にあってもよい。前記支援回路は、前記プロセッサと作動的に通信する。前記支援回路は、必ずしも、ブロック図または他の図において、前記プロセッサと分離して示されていない。
【００３３】
用語「ソフトウェア」は、本明細書で使用されているように、これらに限られないが、コンピュータまたは他の電子デバイスに機能、作用を実行させ、または、コンピュータまたは他の電子デバイスを望ましい方法で動作させる、１または複数のコンピュータ読取可能な命令またはコンピュータ実行可能な命令を含む。前記命令は、動的リンクライブラリからの個別アプリケーションまたはコードを含む、ルーチン、アルゴリズム、モジュールまたはプログラムなどの種々の形態で実現され得る。ソフトウェアはまた、スタンドアロンプログラム、関数呼び出し、サーブレット、アプレット、メモリ内に保管された命令、オペレーティングシステムの一部、または、他の種の実行可能な命令などの、種々の形態で実装され得る。ソフトウェアの形態が、例えば、所望のアプリケーションからの要求、ソフトウェアが動作する環境、デザイナ／プログラマの欲求などによることが、当業者によって理解されることとなる。
【００３４】
幾つかの実施形態では、パルス幅変調が使用されて、ホットプレートに伝達されるエネルギを制御する。パルス幅変調は、負荷に伝達される平均出力および／またはエネルギを制御するために使用される公知の制御技術である。本明細書の実施形態では、例えば、ＭＥＭＳホットプレートまたは他の加熱エレメントに電圧が供給されて支持された触媒を所望温度まで加熱する。本明細書のペリスタまたはＰエレメントの熱質量は比較的低いので、循環時間(cycle time)を比較的短くできる。
【００３５】
加熱エネルギ（すなわち、加熱電圧または加熱電流）は、「ＯＮ時間」中に、前記加熱エレメントに定期的に供給されてもよい。前記加熱エネルギよりも小さい静止エネルギ（すなわち、静止電圧または静止電流）が「静止時間」中に供給されてもよい。高エネルギ時間またはＯＮ時間と低エネルギ時間または静止時間とを足した総量が、循環時間または循環周期(cycle duration)に対応する。ガス濃度または被験物質は、ＯＮ時間中に測定される。ＯＮ時間中に供給された加熱エネルギ（電圧／電流）は、ＯＮ時間中に一定であってもよいし、または、変化してもよい（例えば、平坦加熱電圧／電流として供給され、または、傾斜加熱電圧／電流として供給される）。前記静止エネルギ（電圧／電流）は、ゼロに等しくてもよく、または、前記加熱エネルギよりも十分低く、その結果、ガスセンサがいかなるガスをも消費せず、若しくは、実質的にいかなるガスも検出されなくてもよい。ＯＮ時間と同様に、静止時間中に供給された静止エネルギは、全ての静止時間中に、一定であってもよいし、または、変化してもよい（例えば、平坦静止電圧／電流として供給され、または、傾斜静止電圧／電流として供給される）。前記循環は繰り返されてもよい。
【００３６】
従来の触媒可燃性ガス検出器は、例えば、図１Ｂに関連して示されるように、一定電流または一定電圧下において、ホイートストーンブリッジ中で作動される。上述のように、このようなセンサは、動力供給されて、前記センサが作動可能なときはいつでも、Ｐエレメントまたはホットプレートを、例えば、３５０〜６００℃の温度範囲で動かす。この作動モードは、「連続」作動モードと称され得る。代わりの作動モードは、低質量ＰエレメントまたはＭＥＭＳホットプレート／ペリスタに特に適しており、パルス動力モードにおいて、前記検出器を迅速に加熱及び冷却する。低質量Ｐエレメントは、例えば、米国特許第８，８２６，７２１号明細書に開示されており、その開示は、参照により本明細書に組み込まれる。パルスモードでの作動の利点は、連続モードに比べて、消費動力が顕著に小さいことである。別の利点は、３５０〜６００℃の作動温度で前記触媒に連続的に動力供給することに比べて、非動力または低動力作動中（すなわち、静止時間中）の低温での触媒への過剰な可燃性ガスの吸着の結果、スパン応答が改善されることである。
【００３７】
本明細書で使用されるように、「ＭＥＭＳペリスタ」は、１ｍｍ未満の大きさのセンサ部材を意味している。該センサ部材は、マイクロ加工技術によって作製される。複数の代表的な実施形態では、本明細書のＭＥＭＳペリスタとして形成されたセンシングエレメントは、厚膜触媒を用いて作製され、抵抗加熱によって作動温度まで動力供給されてもよく、かつ、可燃性ガスを検出するために使用される。複数の代表的な実施形態では、ＭＥＭＳ触媒フィルムの厚み及び直径は、それぞれ、１５ミクロン及び６５０ミクロンである。
【００３８】
本発明の複数の検討において使用されたＭＥＭＳペリスタ１００（図３Ａ及び３Ｂを参照のこと）の一実施形態についての電気回路の代表的な実施形態は、図２に概略的に示されている。ＭＥＭＳペリスタ１００の出力は、例えば、図１Ｂに関連して説明されたようなホイートストーンブリッジの２本の腕として、ＭＥＭＳペリスタを接続することによって測定されてもよい。この出力測定方法は、抵抗の相対変化を比較する、直接的かつ信頼のおける方法である。複数の検討では、代表的な６Ｖ直流動力供給が使用され、リニア電圧レギュレータによって、動力供給は安定的に５Ｖに調節された。出力増幅器をバイアスするために、１．５Ｖの参照電圧が使用された。検討された実施形態における駆動波形は、テキサス州テーラーのピコテクノロジー社から市販されているＰｉｃｏＳｃｏｐｅオシロスコープによって提供された。ホイートストーンブリッジは、テキサス州ダラスのテキサスインスツルメンツ社から市販されている、高電流、高速増幅器であるＯＰＡ５６７によって駆動された。駆動電圧検出回路は、ブリッジ検出ワイヤを用いて前記センサ全体の電圧を測定した。駆動電圧検出回路は、駆動増幅器が機能しており、かつ、センサが正しく接続されていることの点検を提供する。検討された実施形態では、電流検出増幅器は、固定ゲインの高電流側検出集積回路またはＩＣを使用した。該回路やＩＣは、オフセット電圧が極めて小さく、小型のシャント抵抗器の使用が可能である。ケーブル補償フィードバックループ中に電流検出シャントを含むことによって、前記シャント抵抗器は、前記センサの位置で電圧に影響を及ぼさない。前記シャント抵抗器及び増幅器ゲインは、２５Ｖ／Ａのゲインを与えるように選ばれる（すなわち、通常のセンサ電流が４０ｍＶのときに出力は１Ｖである）。出力増幅器は、微分ブリッジ出力信号をオシロスコープのための単一の末端電圧に変換する。出力増幅器は、ノイズの衝撃を低減するための幾つかの増幅器も提供する。プリント回路板（ＰＣＢ）上のセンサインターフェースは、ブリッジ駆動及び検出のための（カリフォルニア州ロナート・パークのＬＥＭＯ  ＵＳＡ社から市販されている）２×２のピンＬＥＭＯプッシュ／プルコネクタ、及び、ＭＥＭＳペリスタ出力ノードのための単一のＢＮＣコネクタから形成された。センサを保持する電子機器の一部は、２つの部分に分けられた。大型ホルダＰＣＢ（図示せず）は、ＬＥＭＯ及びＢＮＣコネクタを受容する（ｈｏｓｔ）とともに、センサ１００は、小型の廉価なセンサブレイクアウトＰＣＢ２００に載置した。
【００３９】
図３Ａは、ＭＥＭＳペリスタの一実施形態の断面図を示しており、該ＭＥＭＳペリスタは、ガス入口１１０を有するハウジング１０２を含む。スクリーンまたはキャップ１２０は、フィルタ１３０を含むか、または、フィルタ１３０として機能し、例えば、入口１１０と関連付けて配置されてもよい。ペリスタ１００で使用されたエネルギ（電流及び電圧）は、例えば、十分に小さく、それにより、可燃性ガス検出器の技術分野において公知のフレッシュバックアレスタが必要となり得ないように、本質的な安全性を提供してもよい。フラッシュバックアレスタ（例えば、多孔質フリット）は、周囲ガスをハウジング内に通過させるが、ハウジング内の高温（ｈｏｔ）エレメントによって、周囲環境での可燃性／引火ガスの点火を妨げる。１または複数の加熱エレメントまたはホットプレート１４０が使用されて、これにより、酸化触媒層１５０を作動温度まで加熱してもよい。ＭＥＭＳ補償エレメントまたは補償器は、ＭＥＭＳペリスタ１００内に含まれていてもよい。上述のように、ＭＥＭＳ補償器は、１または複数の加熱エレメントまたはホットプレート１４０’によって加熱されてもよい不活性層１５０’を含んでいてもよい。代わりに、層１５０’は、活性触媒を含み、かつ、十分低温で作動され、これにより、可燃性ガスの酸化を防いでもよい。ＭＥＭＳペリスタ１００は、上述のように、ＰＣＢ２００に載置される。複数の検討では、スイス国のＣｏｒｃｅｌｌｅｓ−ＣｏｒｏｍｏｎｄｒｅｃｈｅのＳＧＸ  Ｓｅｎｓｏｒｔｅｃｈ  ＳＡ社から市販されているＳＧＸ  ＭＰ７２１７ペリスタが、本明細書の検討システムにおいて使用された。
【００４０】
図４Ａは、動力供給パルスまたは３５０ミリ秒のＯＮ時間にわたる、種々のメタンレベルについての本明細書の検出器の応答を示している。図４Ｂ及び４Ｃは、水素ガス及びプロパンガスに対して、それぞれ、本発明の検出器のｔ９０を決定するための検討を示している。図４Ｂ及び４Ｃの検討においてｔ９０を計算するために、パルス毎アルゴリズム（ｐｅｒ  ｐｕｌｓｅ  ａｌｇｏｒｉｔｈｅｍ）が使用された。各ｏｎ時間パルスについての最大値が決定された。これらのポイントの最小値及び最大値が決定され、最小値が最大値から引かれた。パルス毎最大曲線が挿入されて、（ａ）前記期間の最小値＋２％を超えて増えた測定値、及び、（ｂ）前記期間の最小値＋９０％を超えて増えた読取値のときの時間を見出した。これら２つの時間が使用されて、ｔ９０値を提供した。図４Ｂは、水素ガスの導入についての本明細書の検出器の応答を示しており、ここで、加熱エレメントについての動力は、３５０ミリ秒（０．３５秒）のＯＮ時間及び７．５秒の循環周期で循環された。図４Ｂでは、第１ＯＮ時間オフセットを変化させた運転からの複合データが説明される。４．１秒のｔ９０が、検討された非最適化実験センサについて決定された。図４Ｃは、プロパンガスの導入に対する本明細書の非最適化実験センサの応答を示しており、ここで、加熱エレメントについての動力は、３５０ミリ秒のＯＮ時間及び３．５秒の循環周期で循環された。５６．１秒のｔ９０が、検討された実験センサについて決定された。
【００４１】
本明細書の複数の検討では、パルスモードで作動される本明細書の触媒可燃性ガス検出器が、一定濃度の可燃性ガスについて安定出力に達した後、動力供給のサイクルがＯＮされたときに前記触媒の傾斜加熱と組み合わせて観察された非動力供給または低動力供給触媒への吸着の結果（すなわち、静止時間中）、各パルス応答の調査により、ガスの化学組成についての追加情報がもたらされた。センサ内にあり、かつ、センシングエレメントと接触する被験ガスの濃度は、最終的に、環境とともに濃度平衡に達する。平衡に達する前、センサによって検出された濃度は増加する。平衡に達した後、出力は、「安定である」とみなされてもよい。出力における平衡または安定性は、例えば、出力が既定の期間の既定量未満だけ変化したときに、達せられたとみなされてもよい。例えば、安定性は、２分間離れて取得され、かつ、測定範囲の±１％を上回る変化を示さない３つの連続する測定値として定義されてもよい。図５は、触媒ＭＥＭＳペリスタ１００からのホイートストーンブリッジ出力を示し、該触媒ＭＥＭＳペリスタは、時間０のときにパルス化された動力と、５０％爆発下限界（ＬＥＬ）の濃度で水素、プロパン、ペンタン、及び、メタンについて得られた応答とを有する適合された（上述した）検出及び補償エレメントとを有する。図５は、２５％ＬＥＬでのメタンについての出力も示す。４ミリ秒での初期ピークは、２つの適合されたホットプレート１４０及び１４０’の電子加熱効果に寄与される。しかしながら、その大きさは、化学物質によって変化すると考えられる。図５は、センサが５０％ＬＥＬメタンに曝されるとき、増加する濃度曲線が２５％ＬＥＬ曲線と同じ「着火」情報を提供することを示している。図５に示されるように、各応答曲線によれば、メタンとして識別または種形成される結果となった。図５は、識別または種形成を得るために、環境と共に濃度安定性のために待機する必要がないことを示している。
【００４２】
初期ピークの後、ＯＮ時間３５０ミリ秒の調査は、図６に示したような可燃性ガスの存在下において触媒を温度傾斜させることによって得られた典型的な触媒着火曲線と、定性的に同様な挙動を示す。一般的な炭化水素の中で、メタンは最も高い燃焼温度を要求し、水素は低温を要求し、より大きなアルカンはその間の範囲にあり、炭素鎖が長鎖から短鎖になるにつれて、要求される着火温度は低温から高温になる。図５では、この着火の順番は、例えば、Ｈ２＜Ｃ５＜Ｃ３＜Ｃ１の順番に対応する既定出力（例えば、３０ｍＶ出力）に達するのに要求される時間を測定することによるパルスデータから得られてもよい。この順番は、Ｈ２＜Ｃ７＜Ｃ５＜Ｃ１の順番に対応する３０ｍＶを生み出すために要求される電圧について、図６中の触媒上で観察された順番と同じである。パルスモード作動のために、着火情報は、図５中で４ミリ秒のときに動力ＯＮ時の初期ピークによって示された期間の順番、すなわち、Ｃ１＜Ｃ３＜Ｃ５＜Ｈ２とも相関関係がある。
【００４３】
前記濃度条件において、パルスデータと触媒着火データとの間には、追加の類似点がある。特に、２５％及び５０％ＬＥＬでの初期メタン応答は、濃度に依存して短時間で同様のパルス形状を示す。何らのメカニズムを限定するものではないが、メタンの最活性部位は、着火曲線開始時と同じ温度で吸着されたガスを酸化することとなる。これは、２５％及び５０％ＬＥＬメタンについての低着火電圧にて観察された挙動と同じである。
【００４４】
連続モードで運転される従来の可燃性センサが標的可燃性ガスの濃度及び化学特性次第で定常状態値に達することは、よく知られている。検出器製造業者は、校正ガスに対する前記標的ガスの予期される期間応答比を、実験的かつ理論的に決定するとともに、公知の標的ガスの定量化に役立つように、「応答因子」の表を公表する。図５を参照すると、ＯＮ時間パルスが１５０ミリ秒を超えて続いた後の値は、図６に示された、過去のメタン着火温度と同様な化学的酸化触媒システムにおける応答因子とかなり良好な相関関係がある。したがって、パルス化されたモデルは、新たな着火情報に加えて、連続運転された触媒可燃性センサから目下得られている全ての情報を提供する。
【００４５】
本明細書の検出器の検討は、本明細書の複数の実施形態では、ＯＮ時間継続期間が、例えば、１００ミリ秒〜１秒の範囲にあるか、または、３００ミリ秒〜５００ミリ秒の範囲にあることを示した。複数の実施形態では、前記ＯＮ時間継続期間は、応答時間を改善するために、可能な限り短時間維持される。複数の実施形態では、デューティサイクルは、例えば、５％〜１２％の範囲にある。複数の実施形態では、ＯＮ時間は、約３５０ミリ秒（すなわち、サイクルタイムの１０％以下）であり、デューティサイクルは、約１０％（すなわち、サイクルタイムの値の２０％以下）である。代表的な例では、サイクルタイムまたはサイクル周期は４０００ミリ秒であり、ＯＮ時間は３５０ミリ秒であり、静止時間は３６５０秒であった。したがって、デューティサイクルは８．７５％である。
【００４６】
ホイートストーンブリッジを用いて定電圧または定電流にて運転される現在市販のセンサを用いて着火タイプのデータを得ることは、非常に難しく、かつ、時間がかかる。低温にて長期間触媒を運転することに伴う一つの問題は、酸化反応について触媒を不活性化し、かつ、期間を減少し得る、コークとして知られる固体炭素などの不完全な可燃性生成物の形成である。さらに、多くの従来のＰエレメントは、数十秒のオーダで着火温度まで加熱する必要があり、これは、仲介業者および可燃性センサユーザにとって非実用的な長さである。
【００４７】
これに対し、化学組成に関する情報を得るために本明細書の迅速パルス技術を用いて可燃性ガス種を決定または識別することは、迅速に実現される。本明細書の方法は、特に、ＭＥＭＳホットプレートヒータまたは細線螺旋ヒータ上に形成された低質量触媒センサについて有用である。上述されたように、従来の連続モード運転は、製造業者公表の応答因子を用いて公知の標的ガスに関する定量的な情報を提供できる。しかしながら、前記標的ガスの識別は、従来の触媒可燃性センサを用いると不可能であり、より具体的には、ガスクロマトグラフィ、赤外線分光法、質量分析などの、洗練され、高額であり、かつ、場合によってはオフラインの検出器を含む別々の工業的な衛生方法を用いて実現される必要がある。化学種形成能を有する触媒可燃性検出器によって、可燃性ガス検出器の最先端の安全技術が大いに改善される。
【００４８】
さらに、システム３００（図３を参照されたい）におけるパルスセンサのアレイは、種々のフィルタ材料の後方に配されて、更なる化学種形成及び濃度測定を可能にしてもよい。本明細書の検出器にとって可能な低動力要求は、既存の市販の連続モード技術を用いた場合よりも、実用性が高いセンサのアレイを使用させる。例えば、活性炭は、長鎖炭化水素を阻止している間に、前記触媒に対して、メタン、水素、及びメタノールを含む軽質炭化水素被験物質の通過を可能にすることができる。別の例は、シリカゲルなどの親水性吸着剤で作製されたフィルタであり、該フィルタは、アルコールまたはアミンなどの極性種を阻止している間に、アルカンを通過させることができる。吸着ガスクロマトグラフィカラムについての文献中に、化学種による優先的な濾過の幾多の例がある。可燃性ペリスタの上流に採用されたので、これらのフィルタは、別体で、または、組み合わされて使用され、固有の化学特性を有する被験物質の通過を可能にすることができた。図３Ｃは、例えば、図３Ａ及び３Ｂに関連して上記されたような３つのセンサ１００を含むシステムを概略的に示している。システム３００のセンサ１００のそれぞれは、例えば、少なくとも１つのフィルタ１３０、１３０ａ、１３０ｂ、及び１３０ｂ’を含んでいてもよく、ここで、図３Ｂの最も右のセンサは、２つのフィルタ１３０ｂ及び１３０ｂ’を含んで示されている。フィルタ１３０、１３０ａ、１３０ｂ、及び１３０ｂ’のそれぞれは、例えば、入口１１０を通過する種々の物質を濾過してもよい。電気回路３９０は、例えば、（上述のように）センサ１００’への動力を制御し、センサ１００からの出力信号を加工するために、例えば、センサ１００のそれぞれと作動的に接続していてもよい。電気回路３９０は、例えば、（例えば、１または複数のマイクロプロセッサなどのプロセッサを含む）プロセッサシステム３９２及びメモリシステム３９４を含むか、または、プロセッサシステム３９２及びメモリシステム３９４と作動的に接続していてもよい。センサ１００の制御のため、及び／又は、データの加工のための１または複数のアルゴリズムは、例えば、メモリシステム３９４に保管されていてもよく、該メモリシステム３９４は、プロセッサシステム３９２と作動的に接続している。センサ１００の出力は、例えば、プロセッサシステム３９２と作動的に接続された（例えば、ディスプレイを含む）ユーザインターフェース３９６によって、単数または複数のユーザに提供されてもよい。ユーザインターフェース３９６は、例えば、可燃性ガスセンサの部品、及び／又は、可燃性ガスセンサから離れた部品として提供されてもよい。警報信号は、例えば、電気回路３９０によって生成され、（例えば、視覚的、聴覚的などの）ユーザインターフェース３９６の１または複数の部品によってユーザに提供されてもよい。システム３００と関連付けて説明されたように、電気回路３９０は、例えば、図３Ａ及び３Ｂのセンサ１００などの単一の可燃性ガスセンサと接続されて使用されてもよい。
【００４９】
複数の実施形態では、本明細書での使用のためのセンシングエレメントは、８秒以下または６秒以下の熱時定数を有している。センシングエレメントの時定数は、ゼロ動力の初期状態下で、駆動動力の階段関数変化に曝されたときに、初期温度と最終温度との間の総差の６３．２％変化に要求される時間として定義される。図５に示された代表的なデータは、触媒ＭＥＭＳペリスタを用いて取得されたが、同様なデータが、十分小さな質量を有する一対のＰエレメントを用いて取得されてもよい。例えば、約７５マイクログラムの触媒質量を有する直径４５０ミクロンのＰエレメントが３秒のＯＮ時間で空気中にて加熱されたときに取得されたパルスデータを、図７は示している。初期の動力ＯＮピークは、図５に示されたＭＥＭＳペリスタ応答と比較して、符号が逆である。初期の動力ＯＮピークはまた、ＭＥＭＳペリスタの検出及び補償エレメントの抵抗マッチングに応じて、選択されたＭＥＭＳホットプレートサンプルについての方向を変化させる。本明細書での使用に適した低熱質量を含むセンサは、例えば、米国特許第８，８２６，７２１号明細書中に開示されており、その開示は本明細書で使用されてもよい。
【００５０】
先の説明及び添付の図面は、現時点において数多くの代表的な実施形態を記載している。言うまでもないが、種々の修正、追加及び代替のデザインが、先の教示の観点から、本発明の範囲を逸脱することなく、当業者に明らかになるであろう。これらは、先の説明よりも以下のクレームによって示される。クレームの等価物の意味及び範囲に含まれる全ての変形及び修正が、クレームの範囲に包含される。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際調査報告】
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