(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＳｎＯ2を主成分とする感ガス体及び該感ガス体を加熱するヒータを備えた半導体ガス検知素子を用い、ヒータの通電を制御して感ガス体の温度を高温とする高温期間と、低温とする低温期間とを所定周期で交互に設定し、低温期間中であって且つ可燃性ガス、アルコール、湿度の存在によって感ガス体が大きな抵抗値変化を呈する低温期間開始時点から一定時間経過した後において、所定時間間隔の２点で感ガス体の抵抗値をそれぞれサンプリングして両サンプリング値の比を求め、その求めた比の値が一定値以下となることをもって、臭い成分を持つ対象ガスを検知することを特徴とするガス検知方法。
【請求項２】
高温期間の温度を３００℃〜４５０℃、低温期間の温度を１００℃〜２００℃とすることを特徴とする請求項１記載のガス検知方法。
【請求項３】
ＳｎＯ2を主成分とする感ガス体及び該感ガス体を加熱するヒータを備えた半導体ガス検知素子と、ヒータの通電を制御して感ガス体の温度を高温とする高温期間と低温とする低温期間とを所定周期で交互に設定する温度制御手段と、低温期間中であって且つ可燃性ガス、アルコール、湿度の存在によって感ガス体が大きな抵抗値変化を呈する低温期間開始時点から一定時間経過した後に、所定時間間隔の２点で感ガス体の抵抗値をそれぞれサンプリングして両サンプリング値の比を求め、その求めた比の値が一定値以下となることをもって、臭い成分を持つ対象ガスを検知するガス検知手段とを備えたことを特徴とするガス検知装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般家庭、工業分野において、少ない電力消費量で悪臭成分を持つガスを検知するガス検知方法及びその装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から都市ガス用やプロパン用の家庭用ガス漏れ警報器としてＳｎＯ2を主成分とする感ガス体を用いた半導体ガス検知素子や熱線方式のガスセンサが用いられている。
【０００３】
もっとも主流である半導体ガス検知素子を用いたガス検知装置は、半導体ガス検知素子の感ガス体を常時一定の比較的高温度となるようにヒータにより加熱し、対象ガスの接触により感ガス体の抵抗値がある一定値以下になることにより、対象ガスを検知するものであった。
【０００４】
またヒータに高、低２種類の電力を交互に一定周期で切り替えて供給し、高温期間と、低温期間とを交互に設定し、低温期間の一定点での感ガス体の抵抗値が一定値以下になるか否かに基づいて対象ガスを検知するものであった。
【０００５】
これらの半導体のガスセンサは雰囲気中の湿度や、調理の際に発生するアルコール成分でも抵抗値が変化するため、いわゆる雑ガスによって誤報することが問題とされてきた。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
上述の場合と同様に悪臭を伴うガス、例えばＨ2Ｓ、ＣＨ3ＳＨなどの硫化化合物、ＮＨ3、ＣＨ3ＮＨ2等のアンモニア、アミン系化合物、更にＨＣＨＯ、ＣＨ3ＣＨＯなどのアルデヒド系化合物に代表されるガス（以下臭い成分と称する）を検知する場合も同様である。しかし半導体ガス検知素子の抵抗値がある一定の抵抗値以下になると、臭い成分の存在を検知する検知方法では、湿度、雑ガスと臭い成分の区別がつかないという問題がある。特に微量な臭い成分を検出する場合、アルコールの感度が大きかったため臭い成分のみの検出精度が悪かった。
【０００７】
本発明は、上記の問題点に鑑みて、湿度、アルコールなどの雑ガスの影響を受けることことなく、対象ガスを確実に検知できるガス検知方法及びその装置を提供するにある。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明ではＳｎＯ2を主成分とする感ガス体及び該感ガス体を加熱するヒータを備えた半導体ガス検知素子を用い、ヒータの通電を制御して感ガス体の温度を高温とする高温期間と、低温とする低温期間とを所定周期で交互に設定し、低温期間中であって且つ可燃性ガス、アルコール、湿度の存在によって感ガス体が大きな抵抗値変化を呈する低温期間開始時点から一定時間経過した後に、所定時間間隔の２点で感ガス体の抵抗値をそれぞれサンプリングして両サンプリング値の比を求め、その求めた比の値が一定値以下となることをもって、臭い成分を持つ対象ガスを検知することを特徴とする。
請求項２の発明では、請求項１の発明において、高温期間の温度を３００℃〜４５０℃、低温期間の温度を１００℃〜２００℃とすることを特徴とする。
請求項３の発明では、ＳｎＯ2を主成分とする感ガス体及び該感ガス体を加熱するヒータを備えた半導体ガス検知素子と、ヒータの通電を制御して感ガス体の温度を高温とする高温期間と低温とする低温期間とを所定周期で交互に設定する温度制御手段と、低温期間中であって且つ可燃性ガス、アルコール、湿度の存在によって感ガス体が大きな抵抗値変化を呈する低温期間開始時点から一定時間経過した後に、所定時間間隔の２点で感ガス体の抵抗値をそれぞれサンプリングして両サンプリング値の比を求め、その求めた比の値が一定値以下となることをもって、臭い成分を持つ対象ガスを検知するガス検知手段とを備えたことを特徴とする。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下本発明を実施形態により説明する。
【００１０】
図１は本発明に用いるガス検知装置の回路構成を示しており、この図に示す回路では交流商用電源ＡＣの電圧を降圧トランスＴｒで降圧し、その降圧した電圧をダイオードブリッジＤＢ1，ＤＢ2でそれぞれ全波整流し、一方のダイオードブリッジＤＢ2整流された電圧を平滑コンデンサＣ1で平滑した後、３端子レギュレータＩＣ1で所定電圧に安定化させ、半導体ガス検知素子１のヒータ２の電圧及び検知電圧や、制御と検知をつかさどる４ビットのマイクロコンピュータ３の電源を得ている。
【００１１】
半導体ガス検知素子１は、ヒータ２をＰＮＰ型のトランジスタＱ1を介して前記３端子レギュレータＩＣ1の出力端に接続し、トランジスタＱ1がオンしたときにヒータ２に通電され、ヒータ２が発熱するようになっているもので、外形寸法が０．８ｍｍ以下で、ほぼ球状のＳｎＯ2を主成分とする感ガス体と、この感ガス体内に埋設されたコイル状の白金からなるヒータ兼用電極とからなり、熱容量が非常に小さい。
【００１２】
また半導体ガス検知素子１の感ガス体の検知出力端子は、検知電圧印加制御用のトランジスタＱ２１と負荷抵抗Ｒ２１との直列回路及び検知電圧印加制御用のトランジスタＱ２２と負荷抵抗Ｒ２２との直列回路とダイオードＤ１を介して３端子レギュレータＩＣ１の出力端子に接続するとともに、マイクロコンピュータ３の入力ポートＩ１に接続している。
【００１３】
マイクロコンピュータ３は出力ポートＯ１に抵抗を介してトランジスタＱ１のベースを、また出力ポートＯ２１，Ｏ２２に抵抗を介してトランジスタＱ２１，Ｑ２２のベースを接続している。
【００１４】
さらに出力ポートＯ３〜Ｏ５にはそれぞれ表示用発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３のカソードを接続し、出力ポートＯ６，Ｏ７にはフォトカプラＰＨ１，ＰＨ２の発光ダイオードＬ１，Ｌ２のカソードを接続してある。これら発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３及びＬ１,Ｌ２のアノードは３端子レギュレータＩＣ1の出力端子に限流抵抗を介して接続してある。
【００１５】
フォトカプラＰＨ1，ＰＨ2は検知ガスの濃度などに応じたガス検知信号を電圧信号として出力させるためのスイッチ素子として用いられる。
直列制御型安定化回路４は前記電圧信号を出力するための回路であり、前記ダイオードブリッジＤＢ1の整流出力を平滑する平滑コンデンサＣ2の両端に接続され、直列制御用トランジスタＱ3のベースに接続される基準電圧をフォトカプラＰＨ1，ＰＨ2のフォトトランジスタＰＴ1，ＰＴ2のオンオフにより切り換えるようになっている。
【００１６】
基準電圧は平滑コンデンサＣ2の両端に抵抗Ｒ4を介して接続したツエナーダイオードＺＤの両端電圧を抵抗Ｒ11〜Ｒ13で分圧することにより得るようなっており、フォトトランジスタＰＴ1がオン時には抵抗Ｒ11〜Ｒ13の直列回路の両端電圧、つまりツエナーダイオードＺＤの両端電圧がトランジスタＱ3のベースに基準電圧として印加され、またフォトトランジスタＰＴ2がオン時には抵抗Ｒ11と、Ｒ12とＲ13の直列回路との分圧電圧がトランジスタＱ3のベースに基準電圧として印加され、それぞれの基準電圧に対応した電圧信号がガス検知信号として外部に出力される。
【００１７】
上記トランジスタＱ1のエミッタ・ベース間にはプルアップ用抵抗Ｒ2を接続するとともに、該プルアップ用抵抗Ｒ2の両端にトランジスタＱ4を接続してある。
【００１８】
このトランジスタＱ4は、コンパレータＣＰ等とともにヒータ２の保護回路５を構成するものである。
【００１９】
つまり保護回路５は抵抗Ｒ6 ，Ｒ7 の直列回路をダイオードＤ1 を介して３端子レギュレータＩＣ1の出力端子に接続して、その出力電圧を分圧するとともに分圧点をコンパレータＣＰの反転入力端子に接続し、一方マイクロコンピュータ３の出力ポートＯ1 とグランドの間に抵抗Ｒ8 とコンデンサＣ0 との直列回路を接続してその直列回路の中点をコンパレータＣＰの非反転出力端子に接続し、コンパレータＣＰの出力端子を抵抗Ｒ9を介してトランジスタＱ4のベースを接続してある。
【００２０】
尚ブザー６は圧電ブザーであって、マイクロコンピュータ３の出力ポートＯ8，Ｏ9から交互に出力される信号により，交互に出力を”Ｌ”，”Ｈ”とする２つのコンパレータＣＰ1、ＣＰ2 にて印加電圧の極性が交互に反転され、警報音を発振出力するようになっている。また図中７はマイクロコンピュータ３に基準クロックを与えるための基準クロック発振回路、ＩＣ2は電源投入時にマイクロコンピュータ３をリセットするためのリセットＩＣである。
【００２１】
しかして、通常時においては、マイクロコンピュータ３の出力ポートＯ1が”Ｈ”レベルのときにはコンデンサＣ0 が抵抗Ｒ8 を介して充電され、その充電電圧が抵抗Ｒ6 ，Ｒ7 の接続点の電圧を上回ってコンパレータＣＰの出力が”Ｈ”レベルになり、トランジスタＱ4 をオフ状態にしている。
【００２２】
そしてマイクロコンピュータ３の出力ポートＯ1から所定周期（８ｍｓｅｃ）で所定時間（例えば高温期間では５００μｓｅｃ、低温期間では８μｓｅｃ）”Ｌ”レベルの制御信号が出力され、その所定時間中トランジスタＱ1がオンして半導体ガス検知素子１のヒータ２が通電される。一方マイクロコンピュータ３の出力ポートＯ1が”Ｌ”レベルになると、保護回路５のコンデンサＣ0の電荷が抵抗Ｒ8を介して放電され、その両端電圧が低下するが、抵抗Ｒ8とコンデンサＣ0の時定数により、前記所定時間が経過するまで、コンデンサＣ0の電圧が抵抗Ｒ6、Ｒ7の接続点の電圧を下回ることがなく、そのため所定時間中においてもコンパレータＣＰの出力が”Ｌ”レベルにならず、トランジスタＱ4のオフ状態が維持される。
【００２３】
さて通常時においては前記所定時間が終了すると、マイクロコンピュータ３は出力ポートＯ1を”Ｈ”レベルに戻してトランジスタＱ1をオフさせる。このオフにより、半導体ガス検知素子１のヒータ２の通電が停止する。
【００２４】
このようにして所定周期で所定時間ヒータ２を通電するデュティー制御を行うことにより、感ガス体を高温とする高温期間と低温とする低温期間とを交互に設定するのである。
【００２５】
ここで本発明者らは、臭い成分と、アルコール、湿度、可燃性ガスとを区別して検知するために、上記の回路構成を用い、各雰囲気下において半導体ガス検知素子１の感ガス体の抵抗値が低温期間の開始時点からどのように時間的に変化するかを実測してみた。
【００２６】
つまり上記回路において、高温期間を例えば８秒に設定した後３００秒間の低温期間を設定するように動作を設定し、高温期間から低温期間に切り替えてから感ガス体の抵抗値変化を測定した。
【００２７】
図２（ａ）は２０℃の清浄空気下で、湿度を６５％に設定した場合において、複数回低温期間（イ）…を設定し、それぞれの低温期間（イ）…においての感ガス体の抵抗値変化を示しており、この測定結果からわかるように、いずれの低温期間（イ）…においても低温期間切り替え時から期間終了までの抵抗値の幅はあまり大きくない。そして可燃性ガスの雰囲気下で感ガス体の抵抗値が大きく変化する期間（つまり感ガス体の温度があまり低下しない切り替え時点から所定時間、上記半導体ガス検知素子１の場合にはおよそ２０秒未満）経過後における２点（例えば２０秒時点（図では上向きの矢印で示す）と、２００秒時点（図では下向きの矢印で示す））において、各抵抗値をサンプリングし、その両点の抵抗値比Ｒｓａ／Ｒｓｂの値を求めたところその値は殆ど変わらない値を示している。
【００２８】
また図２（ｂ）は雰囲気温度を２０℃、３０℃、４０℃、０℃の各温度の清浄空気下において、それぞれの湿度を６５％、６５％、８０％、４０％と設定した場合の各低温期間（イ）…における感ガス体の抵抗値変化を示しており、この場合も上記２点の抵抗値の比Ｒｓａ／Ｒｓｂの値はそれぞれにおいて殆ど変わらないことを示している。
【００２９】
一方、図３（ａ）に示すように２０℃の温度で６５％の湿度の清浄空気下と、その空気に１０ｐｐｍのエタノール（アルコール）を加えた場合、同様にその空気に３０ｐｐｍのエタノール（アルコール）を加えた場合の各低温期間（イ）…の感ガス体の抵抗値変化を測定したところ、エタノールが存在する場合、低温期間の切り替えから凡そ２０秒付近までの抵抗値変化は大きいが、それ以後の抵抗値変化の幅は小さく、エタノールの濃度いかんに関わらず上記２点の抵抗値の比Ｒｓａ／Ｒｓｂの値は殆ど変わらないことを示している。
【００３０】
一方、図３（ｂ）に示すように、２０℃の温度で６５％の湿度の空気に、臭い成分であるＨ2Ｓを１０ｐｐｍ、３０ｐｐｍ、１００ｐｐｍ加えた場合における感ガス体の抵抗値を測定したところ、図示するように各濃度に対応する低温期間（ロ）…において切り替え時点から終了時点まで大きな傾きをもって変化し、また濃度によってその変化幅が異なることがわかった。尚同図の（イ）の低温期間は、２０℃の温度で６５％の湿度の清浄空気下の場合を示す。
従って上記の２点の抵抗値の比Ｒｓａ／Ｒｓｂの値を求めることにより、アルコールや湿度、或いは可燃性ガスとを区別してＨ2Ｓの濃度を知ることが可能であることが判明した。
【００３１】
そこで同一の濃度のＨ2Ｓを加えた空気の湿度及び温度を変えてそれぞれの抵抗値変化を測定したところ、図３（ｃ）に示すような結果が得られた。図においてａは２０℃、湿度６０％の清浄空気の場合を、ｂは２０℃、湿度６０％の空気にＨ2Ｓを１０ｐｐｍ加えた場合、ｃは３０℃、湿度６５％の空気にＨ2Ｓを１０ｐｐｍ加えた場合、ｄは４０℃、湿度８０％の空気にＨ2Ｓを１０ｐｐｍ加えた場合を示す。
【００３２】
この場合は、２０秒経過後のそれぞれの抵抗値の変化を示すカーブはほぼ平行する形となっており、従って上記の２点の抵抗値の比Ｒｓａ／Ｒｓｂの値は湿度、温度に影響受けることなく、ほぼ同じであることを示している。つまり抵抗値の比Ｒｓａ／Ｒｓｂの値がわかればＨ2 Ｓの濃度がわかることを示している。
【００３３】
同上に他の臭い成分であるＣＨ3ＳＨ等の硫化化合物、ＮＨ3，ＣＨ3ＮＨ2等のアンモニア、アミン系化合物、さらにＨＣＨＯ、ＣＨ3ＣＨＯ等のアルデヒド系化合物についても上述のような測定を行ったところ、同様な傾向を示すことがわかった。
【００３４】
そこで、臭い成分の複数の濃度に対応する抵抗値比Ｒｓａ／Ｒｓｂの値を予め実験等によって求め、各濃度に対応するＲｓａ／Ｒｓｂの値を濃度検知の基準値として、マイクロコンピュータ３内のＲＯＭに登録するともに、警報を発する濃度に対応する抵抗値比Ｒｓａ／Ｒｓｂの値を同様に予め登録し、またサンプリングする点を低温期間設定から２０秒経過時点と、２００秒経過時点とし、高温期間を８秒、低温期間を３００秒とするように動作プログラムを設定した。
【００３５】
而して、マイクロコンピュータ１は所定周期で所定時間ヒータ２を通電するデュティー制御を行うことにより、感ガス体を高温とする高温期間と低温とする低温期間とを交互に設定し、上述の低温期間中のサンプリング時点で、出力ポートＯ２１（又はＯ２２）を" Ｌ”レベルとしてトランジスタＱ２１又はＱ２２をオンさせることにより、負荷抵抗Ｒ２１（又はＲ２２）を介して半導体ガス検知素子１の感ガス体に検知電圧を印加し，その印加期間において半導体ガス検知素子１の感ガス体の両端電圧を入力ポートＩ１に取り込み臭い成分の有無を判定するサンプリング動作を行い、前記両端電圧から感ガス体の抵抗値を検知する。そして低温期間中の２点目（２００秒時点）のサンプリングが終了すると１点目（２０秒時点）でサンプリングして検知した抵抗値Ｒｓｂと２点目のサンプリングで検知した抵抗値Ｒｓａの比Ｒｓａ／Ｒｓｂの値を求め、この比の値と登録している基準値とを比較して濃度を検知し、検知濃度に応じて出力ポートＯ３〜Ｏ５の何れかを”Ｌ”レベルにし、それに接続されている発光ダイオードＬＥＤ１〜ＬＥＤ３の何れかを点灯させる。また検知濃度に応じて出力ポートＯ６又はＯ７を”Ｌ”レベルに設定して、対応するフォトカプラＰＨ１又はＰＨ２をオンさせ、安定化回路４より所定の電圧信号を外部へ出力させる。また検知濃度が警報濃度を超えている場合、基準となる抵抗値比の値を求めた抵抗値比の値が下回ったときには出力ポートＯ８，Ｏ９の出力を交互に反転させてブザー６を鳴動させて警報を発する。尚本実施形態の回路構成ではマイクロコンピュータ３が外部ノイズなどにより暴走して、マイクロコンピュータ３の出力ポートＯ１が”Ｌ”レベルに固定されると、保護回路５ではコンデンサＣ０の電荷が放電されてやがてコンデンサＣ０の電圧が抵抗Ｒ６，Ｒ７の接続点の電圧を下回ることになり、その結果コンパレータＣＰの出力が”Ｈ”レベルから”Ｌ”レベルに反転してトランジスタＱ４をオンさせ、トランジスタＱ１のベースの電圧を電源電圧に吊り上げトランジスタＱ１を強制的にオフ状態とする。
【００３６】
つまりマイクロコンピュータ３が暴走しても半導体ガス検知素子１のヒータ２には必要以上に通電されることがなく、ヒータ２の断線を防止できる。
【００３７】
このように本実施形態ではコンデンサＣ0と抵抗Ｒ8との時定数を適切に設定することで容易にマイクロコンピュータ３の暴走によるヒータ断線を防止できる。
【００３８】
また半導体ガス検知素子１の感ガス体に直列に接続する負荷抵抗値の設定はトランジスタＱ21又はＱ22の何れかを選択的にオンすることにより可能となっており、ガス検知装置が対象とする対象ガス種に応じて予め接続する負荷抵抗をプログラミングしてある。
【００３９】
尚高温期間、低温期間の時間設定は使用半導体ガス検知素子１の熱容量等によって、適宜な値に設定するのは勿論のことであり、上記の値には特に限定されないが、高温期間は０．８秒から数秒、低温期間はほぼ２００秒〜３００秒の範囲で設定する。またサンプリングする最初の点は可燃性ガスの影響を受けないようになってから設定するのは勿論である。
【００４０】
【発明の効果】
請求項１の発明は、ＳｎＯ2を主成分とする感ガス体及び該感ガス体を加熱するヒータを備えた半導体ガス検知素子を用い、ヒータの通電を制御して感ガス体の温度を高温とする高温期間と、低温とする低温期間とを所定周期で交互に設定し、低温期間中であって且つ可燃性ガス、アルコール、湿度の存在によって感ガス体が大きな抵抗値変化を呈する低温期間開始時点から一定時間経過した後に、所定時間間隔の２点で感ガス体の抵抗値をそれぞれサンプリングして両サンプリング値の比を求め、その求めた比の値が一定値以下となることをもって、臭い成分を持つ対象ガスを検知するので、可燃性ガスや、アルコール、湿度の影響を受けることなく臭い成分を持つ対象ガスを確実に検知することができ、しかも感ガス体を一定温度に加熱し続ける必要がないため、電力消費を押さえることができるという効果がある。
【００４１】
請求項２の発明では、請求項１の発明において、高温期間の温度を３００℃〜４５０℃、低温期間の温度を１００℃〜２００℃とするので、半導体ガス検知素子のリフレッシュをはかり、経年劣化の少なくすることができる。
【００４２】
請求項３の発明では、ＳｎＯ2を主成分とする感ガス体及び該感ガス体を加熱するヒータを備えた半導体ガス検知素子と、ヒータの通電を制御して感ガス体の温度を高温とする高温期間と低温とする低温期間とを所定周期で交互に設定する温度制御手段と、低温期間中であって且つ可燃性ガス、アルコール、湿度の存在によって感ガス体が大きな抵抗値変化を呈する低温期間開始時点から一定時間経過した後に、所定時間間隔の２点で感ガス体の抵抗値をそれぞれサンプリングして両サンプリング値の比を求め、その求めた比の値が一定値以下となることをもって、臭い成分を持つ対象ガスを検知するガス検知手段とを備えたので、可燃性ガスや、アルコール、湿度の影響を受けることなく臭い成分を持つ対象ガスを確実に検知することができる装置を提供できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態装置の回路図である。
【図２】同上の原理説明図である。
【図３】同上の原理説明図である。
【符号の説明】
１  半導体ガス検知素子
２  ヒータ
３  マイクロコンピュータ
【図１】
0003999891.tif 000002
【図２】
0003999891.tif 000003
【図３】
0003999891.tif 000004