JP4094795B2 - ガス検出器の感度劣化を診断する方法、及び感度劣化診断機能を備えたガス検出器 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はガス検出器の感度劣化を診断する方法、及び感度劣化診断機能を備えたガス検出器に関し、詳しくは、センサ素子における感ガス部の加熱を間欠的に行うべく、ＯＮ・ＯＦＦを繰り返してヒーター電圧を印加するように構成したガス検出器の感度劣化を診断する方法、及び感度劣化診断機能を備えたガス検出器に関する。
【０００２】
【従来の技術と発明が解決しようとする課題】
一般的にいって、ガス検出器は、設置環境中に存在する様々な被毒性ガスにより被毒し、不可逆的に感度の鋭敏化や鈍化を起こすといった劣化の問題が知られている。
【０００３】
劣化したガス検出器に気が付かないままで使用すると、当然のことながら、検知対象ガス濃度を誤って表示したり、誤報や対象ガスを検知しても警報を示さない挙動がみられる。
【０００４】
従って、ガス検出器の感度の劣化を定期的に調べる必要があるが、従来の劣化を調べる方法としては、例えば、清浄空気や清浄空気中に含まれる検知対象ガスを用いてガス検出器をマニュアルで点検するなど、非常に手間がかかる方法を採っていた。
【０００５】
ところで、最近、ヒーターによるセンサの加熱を連続的に行うのではなく間欠的に行ない、加熱時間でのみガスを検知する試みが行われている。ヒーターによるセンサの加熱を間欠的に行なうことにより、駆動源をＡＣ電源に頼ることなく太陽電池や乾電池を使用することができるので、電力供給の容易さといった点で好都合である。
【０００６】
そこで本発明者らは、このようなガス検出器の特性（ＯＮ・ＯＦＦを繰り返してヒーター電圧の印加を行なうという特性）を利用して上記した問題を解決できないものかと鋭意検討を行った結果、劣化したガス検出器にあっては、ヒーター電圧ＯＮ後の感度立ち上がり勾配が、劣化前と比較して変移することを発見し、そして本発明に至った。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
請求項１に係る発明は、センサ素子における感ガス部の加熱を間欠的に行うべく、ＯＮ・ＯＦＦを繰り返してヒーター電圧を印加するように構成したガス検出器の感度劣化を診断する方法であって、ヒーター電圧ＯＮ時に、前記感ガス部における出力値を互いに異なる２以上の時点で測定し、当該複数の測定値に基づいてヒーター電圧ＯＮ後の感度立ち上がり勾配値を算出し、前記勾配値が所定の範囲から逸脱しているときは前記感度が劣化していると判断する、ガス検出器の感度劣化を診断する方法である。
【０００８】
請求項２記載のガス検出器の感度劣化を診断する方法は、請求項１記載の方法において、前記した互いに異なる２以上の時点中、１点がヒーター電圧ＯＮ時の最終時点であることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に係る発明は、センサ素子における感ガス部の加熱を間欠的に行うべく、ＯＮ・ＯＦＦを繰り返してヒーター電圧を印加するように構成したガス検出器であって、ヒーター電圧ＯＮ時に、前記感ガス部における出力値を互いに異なる２以上の時点で測定する測定部と、前記測定部による複数の測定値から、ヒーター電圧ＯＮ後の感度立上がり勾配を算出するとともに当該算出値が所定の範囲から逸脱しているかどうかを判断し、逸脱していると判断した場合に警報発令信号を発する演算処理部と、前記演算処理部からの警報発令信号が入力されたときに警報を発する警告部と、を備えているガス検出器である。
【００１０】
請求項４記載のガス検出器は、請求項３記載のガス検出器において、前記した互いに異なる２以上の時点中、１点をヒーター電圧ＯＮ時の最終時点としてなるものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
ガス検出器のガス検知部（感ガス部）
本発明で使用されるガス検出器としては、上記したような、センサ素子における感ガス部への加熱を間欠的に行なうタイプの検出器であるという以外、とくに限定はない。また、センサ素子における感ガス部として、本発明では、可燃ガス性ガスの検知を目的として、ＲＦスパッタリング法により作成した酸化スズ薄膜を用いているが、これに限らず、酸化亜鉛、酸化チタン、酸化チタン、酸化銅、酸化鉄などの遷移金属酸化物を主成分とする半導体材料であってもよい。
【００１２】
また、感ガス部の製法としては、上記スパッタリング法に限らず、ＣＶＤ法や、粉体の焼結法によって得ることも可能である。
【００１３】
間欠駆動
本発明におけるガス検出器は、前述したようにセンサ素子における感ガス部への加熱を間欠的に行うべく、ＯＮ・ＯＦＦを繰り返してヒーター電圧を印加するように構成されている。ヒーター電圧を所定時間（期間）停止させたのち、センサ素子に対してセンサ動作用温度相当のヒーター電圧を印加することによって、図１に示すように感ガス部はセンサ動作用温度（例えば、３００℃、４００℃、５００℃など）にまで加熱される。そして、ヒーター電圧がＯＮの間、感ガス部はガス検知動作可能状態となり、この間にセンサ素子によるガス検知が行われ、検知後、ヒーター電圧の印加が再度ＯＦＦとなり、感ガス部は雰囲気温度（例えば室温）にまで下がる。
【００１４】
ＯＮ・ＯＦＦ間またはＯＦＦ・ＯＮ間の時間は、ガス検出器やこれを使用する環境あるいは検知対象ガス等によりさまざまなので一概には言えないが、例えばＯＮ−ＯＦＦ時間が数百ミリ秒〜１０分間、ＯＦＦ−ＯＮ時間が２０秒〜１ヶ月といった具合である。
【００１５】
参考例１
図２は、ガス検出器のセンサ素子における感度テストを行なった結果を示すグラフである。このテストにおいて、ＯＮ−ＯＦＦ時間が４分間、ＯＦＦ−ＯＮ時間が５６分間で、１時間に１回のガス検知測定が、加湿清浄空気中にて１７０時間以上行われたという設定である。なお、ガス検知は、電圧がＯＮである４分の間、終始行われているのではなく、ヒーター電圧印加がＯＮされてから４分後（すなわち、ヒーター電圧ＯＮ時の最終時点）にセンサ素子の内部抵抗値を測定することにより行なわれている。
【００１６】
図２から明らかなように、測定される抵抗値は経時的に湿度の変動により僅かな変動はあるもの、ほぼ一定の数値範囲で推移している。
【００１７】
参考例２
上記参考例１の実験状態で、センサ素子を５０ｐｐｍ・ｈの硫化水素（被毒性ガスの一種）によって被毒させてガス検出器を意図的に劣化させた場合、ヒーター電圧印加ＯＮ４分後に測定される抵抗値がどのように変動するかを観測した。結果を図３に示す。
【００１８】
図３から、センサ素子の劣化以降（矢印以降）、抵抗値は僅かながら低下していることが分かる。しかしながら、これは飽くまで実験によるものであり、意図的に劣化させたことが明らかなだけに上記した抵抗値の変動は硫化水素による感ガス性能の劣化であることに疑いの余地はない。したがって、これが実験ではなく、実際、日常に行なわれているガス検知であれば、このような抵抗値の下降変動が、はたしてセンサ素子の劣化によるものか、あるいは対象ガスの検知によるものなのかが全く判断つかない。ガス検出器は、対象ガスを検知しただけでも、測定される抵抗値が下降するからである。すなわち、ガス検出器の感ガス部が対象ガス（例えばメタンガス）を検知した場合、図４に示すように抵抗値が下降し、この下降によってガスを検知した旨を知らせるブザーなどの警報がなされるようにプログラムされているわけであるが、このようなブザーが鳴ったとしても、前述したようにセンサ素子の劣化によるものか、対象ガスの検知によるものかは、判断がつかない。
【００１９】
そこで、以下の実施例において、抵抗値の下降がセンサ素子の劣化によるものかどうかを判断する方法について説明する。
【００２０】
実施例１
感度劣化診断機能を備えた本発明のガス検出器は、ＯＮ・ＯＦＦを繰り返してヒーター電圧を印加するガス検出器の一般的な構成に加え、次の構成がさらに具備されている（図５参照）。
【００２１】
（Ａ）ヒーター電圧ＯＮ時に、センサ素子における感ガス部の出力値（電圧、抵抗値など）を互いに異なる２以上の時点で測定する測定部。
【００２２】
（Ｂ）前記測定部による複数の測定値から、ヒーター電圧ＯＮ後の感度立上がり勾配を算出するとともに当該算出値が所定の範囲から逸脱しているかどうかを判断し、逸脱していると判断した場合に警報発令信号を発する演算処理部。
【００２３】
（Ｃ）前記演算処理部からの警報発令信号が入力され、これによりブザーなどの警報を発する警告部。
【００２４】
本実施例は、ヒーター電圧ＯＮの時間が４分、またＯＦＦの時間が５６分に設定され、このようなＯＮ・ＯＦＦ工程が繰り返されるものであり、前記測定部によるヒーター電圧ＯＮ時における出力値（本実施例では抵抗値）の測定を電圧ＯＮの１分後と４分後（ヒーター電圧ＯＮ時の最終時点）との２点測定法にて行なった。
【００２５】
１４回の測定後（すなわち１４時間後）に、センサ素子を硫化水素によって被毒させてガス検出器を意図的に劣化させた。劣化させた時に、当該劣化を知らせる警報（ブザー、光など）が警告部から発せられた。
【００２６】
ガス検出器がセンサ素子の劣化を認識したのは、次のようなシステムから説明できる。すなわち、
被毒前後において、終始、感ガス部の出力値（抵抗値）の２点測定が引き続き行われているが、このような測定値、すなわち測定部によって測定された被毒前および被毒後の測定値（１分後の抵抗値と４分後の抵抗値）が演算処理部に入力されるとともに、演算処理部は、入力された２つの抵抗値から、ヒーター電圧ＯＮ後の感度立上がり勾配（傾き絶対値）を算出した。換言すれば、抵抗値の比率（すなわち、［１分後の抵抗値］／［４分後の抵抗値］）を算出した。そして、その算出値（立ち上がり傾き絶対値）が、演算処理部に予め入力されている許容範囲（本実施例の場合、１．０±０．２（０．８〜１．２））から逸脱しているかどうかを当該演算処理部は判断し、もし上記範囲から逸脱しているのであれば、演算処理部は、警告部に対して警報発令信号を出力し、この信号を受けた時のみ、警告部は警報を発するわけであるが、警告部が警報を発したのは、演算処理部により算出された抵抗値比率が、自らが認識している上記許容範囲から逸脱していると判断し、警告部に対して警報発令信号を出力したためである。
【００２７】
すなわち、図６に示すように、硫化水素による劣化前においては、抵抗値の比率（［１分後の抵抗値］／［４分後の抵抗値］）が１．０前後を推移しているのに対し、硫化水素による劣化直後においては、この抵抗値比率が、上記許容範囲から大きく逸脱する０．６前後を推移するほど顕著に、かつ不可逆的に下降したためである。
【００２８】
なお、上記した抵抗値の比率（［１分後の抵抗値］／［４分後の抵抗値］）は、対象ガスの検知だけでは、図７に示すように変化することがないため、これにより、両者（センサ素子の劣化による抵抗値の変化と対象ガスの検知による抵抗値の変化）を区別することが可能となる。
【００２９】
このように、単に出力値（抵抗値）を１時点のみで以て測定した場合、この抵抗値が下降変移すれば、それがセンサ素子の劣化を意味するのか、対象ガスの検知を意味するのかが分からないが、本発明のように、出力値を複数時点で測定し、感度立ち上がりの勾配を観測することにより、速やかに、かつ確実にセンサ素子の劣化を判断（診断）することができる。
【００３０】
上記した実施例では、ヒーター電圧ＯＮ時における感ガス部の抵抗値を、ＯＮしてから「１分後」と「４分後」の２点で測定してヒーター電圧ＯＮ後の感度立ち上がり勾配を判断したが、これに限らず、「２分後」と「４分後」の２点、あるいは「３分後」と「４分後」の２点でも構わない。しかし、感度立ち上がり勾配の変動を速やかに、かつ確実に知るためには、可能な限り当該２点が時間的に離れている方が好ましい。したがって、「１分後」と「４分後」の２点、又は「２分後」と「４分後」の２点で測定することが好ましく、前者の「１分後」と「４分後」の２点で測定することがさらに好ましい。つまり、抵抗値等の出力値の測定の２点目を「ヒーター電圧ＯＮ時の最終時点」とすることが好ましい。
【００３１】
また、上記した実施例では、ヒーター電圧ＯＮの保持時間を４分間としたため、抵抗値測定の２点目を「４分後」としただけであり、ヒーター電圧ＯＮの保持時間を、例えば６分間とした場合には、抵抗値測定の２点目を「６分後」とすればよい。
【００３２】
なお、ヒーター電圧ＯＮ後からの２時点以上の出力値測定は、センサ素子における感ガス部の感度が安定している期間、すなわち“感度安定期”に行なうべきである。ヒーター電圧ＯＮ後からこの感度安定期に至るまでの挙動は、センサ素子が置かれる環境（例えば湿度など）によって異なり、またヒーター電圧ＯＮ後からこの感度安定期に至るまでの所要時間は、センサ素子の種類によって異なる（例えば１秒で感度安定期に入るものもある）。従って、ヒーター電圧ＯＮ後、感度が立ち上がって感度安定期に至るまでの挙動としては、例えば図８や図９に示す挙動などが考えられるが、いずれにしても、当該センサ素子がどのような挙動を示しどの部分で感度安定期が得られるかを予め作業者が認識し、そのうえで、ヒーター電圧ＯＮ後からの２時点以上の出力値測定をおこなえばよい。
【００３３】
また、上記した実施例では、ヒーター電圧ＯＮ時における感ガス部の抵抗値を、ＯＮしてから２つの時点で測定してヒーター電圧ＯＮ後の感度立ち上がり勾配を判断したが、これに限らず、３つの時点あるいはそれ以上の時点で出力値を測定することによってヒーター電圧ＯＮ後の感度立ち上がり勾配を判断することもできる。
【００３４】
【発明の効果】
本発明により、ガス検出器の感度劣化を確実に、かつ速やかに判断（診断）することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】センサ素子における感ガス部への加熱を間欠的に行うべく、ＯＮ・ＯＦＦを繰り返してヒーター電圧を印加するタイプの電圧印加パターン図である。
【図２】ヒーター電圧印加ＯＮから４分後のセンサ素子の抵抗値の経時的変動を示したグラフ図である（センサ素子は劣化されていない）。
【図３】ヒーター電圧印加ＯＮから４分後のセンサ素子の抵抗値の経時的変動を示したグラフ図であり、中途にて強制的にセンサ素子を劣化させた図である。
【図４】ガス検出器の感ガス部が対象ガス（メタンガス）を検知した時に観測される抵抗値の下降を表したグラフ図である。
【図５】感度劣化診断機能を備えた本発明のガス検出器の要部構成図である。
【図６】センサ素子劣化前の抵抗値比率の変動と、劣化後の抵抗値比率の変動とを表したグラフ図である。
【図７】対象ガス検知による抵抗値比率の変動を表したグラフ図である。
【図８】通常の、ヒーター電圧ＯＮ後からの感度立ち上がりを表すグラフ図である。
【図９】ヒーター電圧ＯＮ直後からの感度立ち上がりが不安定で、感度安定期に至るまで比較的時間を要する場合のグラフ図である。

Claims (4)

1. センサ素子における感ガス部の加熱を間欠的に行うべく、ＯＮ・ＯＦＦを繰り返してヒーター電圧を印加するように構成したガス検出器の感度劣化を診断する方法であって、
   ヒーター電圧ＯＮ時に、前記感ガス部における出力値を互いに異なる２以上の時点で測定し、
   当該複数の測定値に基づいてヒーター電圧ＯＮ後の感度立ち上がり勾配値を算出し、
   前記勾配値が所定の範囲から逸脱しているときは前記感度が劣化していると判断する、
   ガス検出器の感度劣化を診断する方法。
2. 前記した互いに異なる２以上の時点中、１点がヒーター電圧ＯＮ時の最終時点である、
   請求項１記載の方法。
3. センサ素子における感ガス部の加熱を間欠的に行うべく、ＯＮ・ＯＦＦを繰り返してヒーター電圧を印加するように構成したガス検出器であって、
   ヒーター電圧ＯＮ時に、前記感ガス部における出力値を互いに異なる２以上の時点で測定する測定部と、
   前記測定部による複数の測定値から、ヒーター電圧ＯＮ後の感度立上がり勾配を算出するとともに当該算出値が所定の範囲から逸脱しているかどうかを判断し、逸脱していると判断した場合に警報発令信号を発する演算処理部と、
   前記演算処理部からの警報発令信号が入力されたときに前記感度が劣化しているという警報を発する警告部と、
   を備えているガス検出器。
4. 前記した互いに異なる２以上の時点中、１点がヒーター電圧ＯＮ時の最終時点である、
   請求項３記載のガス検出器。

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