JP2009294138A - Inline flammable gas sensor - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、石油化学工場等においてCO、HC、ホルムアルデヒト、水素等の可燃性ガスの爆発等といった災害を未然に防止するために、例えば、燃料電池の酸素(O2 )供給及び排気ラインなど測定対象ガスが輸送される配管中に設置して該測定対象ガスの発熱量を測定することにより、該測定対象ガス中に含有されている可燃性ガス、主に水素の濃度を測定するように用いられるインライン型可燃性ガスセンサに関する。 The present invention measures, for example, oxygen (O 2 ) supply and exhaust lines of fuel cells in order to prevent disasters such as explosion of flammable gases such as CO, HC, formaldehyde, and hydrogen in petrochemical plants. Used to measure the concentration of combustible gas, mainly hydrogen, contained in the measurement target gas by installing it in the pipe where the target gas is transported and measuring the calorific value of the measurement target gas The in-line type combustible gas sensor.
上記のように測定対象ガスの輸送配管中に設置して用いられるインライン型ガスセンサとして、従来、輸送配管の周壁に開口部を形成し、この開口部を介して配管内部のガス流路に通じる凹形状のポケット部を形成し、このポケット部内に複数のサーモパイルなどの測温素子を備えてなるマイクロフローセンサを取り付け、前記複数の測温素子から出力される温度検出信号を演算処理して測定対象ガスの密度を測定するように構成したものが知られている(例えば、特許文献1参照)。また、このような構造のマイクロフローセンサを用いて可燃性ガスの濃度を測定するように応用することも容易に考えられる。 As described above, as an in-line type gas sensor that is installed and used in a transportation pipe for a gas to be measured, conventionally, an opening is formed in the peripheral wall of the transportation pipe, and a recess that communicates with the gas flow path inside the pipe through this opening. A micro-flow sensor that has a shape pocket part and a plurality of thermopile temperature measuring elements is attached to the pocket part, and the temperature detection signals output from the plurality of temperature measuring elements are processed and measured. What was comprised so that the density of gas might be measured is known (for example, refer patent document 1). Further, it can be easily applied to measure the concentration of combustible gas using the microflow sensor having such a structure.
しかし、上記特許文献1などで示されているマイクロフローセンサを用いたインライン型ガスセンサは、配管の周壁に内部ガス流路を流動する測定対象ガスの流れによる影響を受けないように十分に口径の小さい開口部を形成したり、この開口部を介して配管内部のガス流路に通じる凹状のポケット部を形成したりする必要があって、ガスセンサの実装のための構造及び施工が複雑である。また、配管内を流れる測定対象ガスを狭くて小さい開口部を通じてポケット部内に導入し、測定後は、再びその狭い開口部を通じてポケット部から排出されて配管内に戻す必要があるために、測定対象ガスと測温素子の感熱部との接触面積を大きくとることができず、両者の接触に伴う発熱量が小さいだけでなく、反応後のガス分子と測定対象ガスとの置換性も悪い。したがって、前記のような構造のマイクロフローセンサを、配管内を流れる測定対象ガスの発熱量を測定することで該測定対象ガス中に含まれている水素等の可燃性ガスの濃度を測定するインライン型可燃性ガスセンサに応用したとしても、十分な測定感度及び応答性は得られず、低レベル(例えば水素濃度であれば、1ppmオーダー)以上から高レベル(100%付近)までの濃度の可燃性ガスの測定には実用に供し得ないという問題がある。
However, the in-line type gas sensor using the microflow sensor shown in
また、前記マイクロフローセンサは、凹状のポケット部内に取り付けられて配管の外部に露出する状態に設置されるものであるから、外気などの周囲温度の影響を受けやすく、周囲温度の変化によってドリフトを発生して測定誤差を生じやすいという問題もある。 In addition, the microflow sensor is installed in a recessed pocket and exposed to the outside of the pipe, so it is easily affected by ambient temperature such as outside air, and drifts due to changes in ambient temperature. There is also a problem that measurement errors are likely to occur.
本発明は上述の実情に鑑みてなされたもので、その目的は、インライン実装が簡単容易であり、しかも、測定対象ガスと測温素子の感熱部との接触面積の増大及び感熱部に対する測定対象ガスの置換性を改善して低濃度の可燃性ガスであっても測定感度及び応答性の著しい向上が図れるとともに、周囲温度の変化にかかわらず高精度な測定結果を得ることができるインライン型可燃性ガスセンサを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and its purpose is that in-line mounting is simple and easy, and that the contact area between the gas to be measured and the thermosensitive part of the temperature measuring element is increased and the object to be measured with respect to the thermosensitive part. In-line flammability that improves measurement sensitivity and responsiveness even with low-concentration flammable gas by improving gas substitution, and can obtain highly accurate measurement results regardless of changes in ambient temperature It is in providing a sex gas sensor.
上記目的を達成するために案出された本発明に係るインライン型可燃性ガスセンサは、断面凸型の空洞を有し、その空洞内の温度を一定に保持する温度調節手段を備えてなる非腐蝕性材料製のブロックにおける前記凸型空洞内の上面部に、回路基板の下側表面上に測定対象ガスとの接触により酸化反応熱を発生する酸化触媒を担持した感熱部を有する測定用測温素子及び酸化触媒を担持していない感熱部を有する比較用測温素子を近接配置させ、これら両測温素子の出力差により測定対象ガス中の可燃性ガス濃度を測定するセンサ部が実装されているとともに、前記ブロックにおける前記凸型空洞の下部両側には、該空洞内に測定対象ガスを導入しかつ排出するために外部配管系に接続可能な継手部が設けられており、また、前記凸型空洞内には、該空洞内に導入された測定対象ガスを前記両測温素子の感熱部に接触させるべく流動案内するガス流れガイドが設置されていることを特徴としている。 The in-line flammable gas sensor according to the present invention devised to achieve the above object has a cavity having a convex cross section and is provided with a non-corrosive means provided with temperature adjusting means for keeping the temperature in the cavity constant. Temperature measuring device having a heat sensitive part carrying an oxidation catalyst for generating heat of oxidation reaction upon contact with a gas to be measured on the lower surface of the circuit board on the upper surface part in the convex cavity of the block made of a conductive material A sensor unit for measuring the concentration of the combustible gas in the measurement target gas is mounted by arranging the element and a comparative temperature measuring element having a heat sensitive part not supporting the oxidation catalyst in close proximity, and by the output difference between these two temperature measuring elements. In addition, on both sides of the lower part of the convex cavity in the block, there are provided joint portions that can be connected to an external piping system in order to introduce and discharge the gas to be measured in the cavity. Inside mold cavity It is characterized in that the gas flow guide for the flow guide so as to contact with the heat-sensitive part of the two temperature measuring elements the measurement target gas introduced into the air sinuses are installed.
上記のような特徴構成を有する本発明に係るインライン型可燃性ガスセンサは、既存の輸送配管系に小さい口径の開口部やそれに連なるポケット部などを形成する必要がなく、ブロックの下部両側に設けた継手部を外部配管系に直接に接続(直結)するだけでよいので、当該ガスセンサを構造的にも施工面からも簡単かつ容易にインライン実装して使用することができる。 The in-line flammable gas sensor according to the present invention having the above-described characteristic configuration is provided on both sides of the lower portion of the block without the need to form an opening portion having a small diameter or a pocket portion connected to the existing transportation piping system. Since it is only necessary to directly connect (directly connect) the joint portion to the external piping system, the gas sensor can be used by in-line mounting simply and easily from the structural and construction aspects.
しかも、実装状態では、外部配管系から継手部を通してブロックが有する大きな凸型空洞内に大量の測定対象ガスが導入され、その導入された測定対象ガスは流れガイドによって凸型空洞内の上面部に実装されているセンサ部に向けて流動案内されて該センサ部の測定用及び比較用測温素子に接触され、この接触に伴い測定対象ガス中の可燃性ガスは測定用測温素子の感熱部に担持されている酸化触媒により酸化されて反応熱を発生する。例えば、可燃性ガスが水素ガス(H2 )である場合、
2H2 +O2 →H2 O+Q …(1)
なる反応式で示されるとおり、水素ガス(H2 )分子が酸素ガス(O2 )分子と反応して水分子(H2 O)を生じ、このとき、反応熱Qを発生し、測定対象ガスの保有熱量も含めた熱量によって測定用測温素子の感熱部が急速に昇温して、その温度に見合った電圧が出力される一方、比較用測温素子の感熱部では上記のような化学反応による反応熱は発生されず、測定対象ガスの保有熱量のみによって昇温して、その温度に見合った電圧が出力されることになる。これら両出力電圧の差を求めることにより、前記凸型空洞内が温度調節手段により一定温度に保たれて両測温素子に接触する測定対象ガスの保有熱量は同じであるから、前記反応熱に起因する電圧のみが得られ、その電圧から測定対象ガス中の水素などの可燃性ガス濃度を求めることによって、所定の可燃性ガス濃度を外気などの周囲温度の変化に全く影響されることなく、高精度に測定することができる。
Moreover, in the mounted state, a large amount of measurement target gas is introduced into the large convex cavity of the block from the external piping system through the joint, and the introduced measurement target gas is introduced into the upper surface of the convex cavity by the flow guide. Flow-guided toward the mounted sensor unit and brought into contact with the measurement and comparison temperature measuring elements of the sensor unit, and in accordance with this contact, the combustible gas in the measurement target gas is transferred to the heat-sensitive part of the measurement temperature measurement element. It is oxidized by the oxidation catalyst supported on the catalyst to generate heat of reaction. For example, when the combustible gas is hydrogen gas (H 2 ),
2H 2 + O 2 → H 2 O + Q (1)
As shown by the following reaction formula, hydrogen gas (H 2 ) molecules react with oxygen gas (O 2 ) molecules to generate water molecules (H 2 O). At this time, reaction heat Q is generated, and the gas to be measured The temperature sensing element of the measurement temperature sensor rapidly rises due to the amount of heat, including the amount of heat held, and a voltage corresponding to the temperature is output. No reaction heat is generated by the reaction, and the temperature is raised only by the amount of heat held by the measurement target gas, and a voltage corresponding to the temperature is output. By calculating the difference between these two output voltages, the amount of heat held by the gas to be measured that contacts the two temperature measuring elements while the convex cavity is maintained at a constant temperature by the temperature adjusting means is the same. Only the resulting voltage is obtained, and by determining the concentration of combustible gas such as hydrogen in the measurement target gas from that voltage, the predetermined combustible gas concentration is not affected at all by changes in ambient temperature such as outside air, It can be measured with high accuracy.
加えて、測定対象ガスを容積的に十分大きい凸型空洞内に導入し、その導入した測定対象ガスの流れをガイドによりセンサ部に流動案内する構成としているので、反応熱発生後のガス分子と測定対象ガスとを迅速に置換させて測定感度及び応答性の向上が図れ、また、両測温素子が温度調節手段により一定温度に保たれているので、測定対象ガス中の可燃性ガスの濃度を低レベルから高レベルまで連続して効率よく測定することができるという効果を奏する。 In addition, the gas to be measured is introduced into a convex cavity that is sufficiently large in volume, and the flow of the introduced gas to be measured is guided to the sensor part by a guide. The measurement target gas can be quickly replaced to improve measurement sensitivity and responsiveness, and both temperature measuring elements are maintained at a constant temperature by the temperature control means, so the concentration of combustible gas in the measurement target gas Can be efficiently measured continuously from a low level to a high level.
本発明に係るインライン型可燃性ガスセンサにおいて、請求項2に記載のように、前記センサ部の酸化触媒を担持した感熱部側の測定用測温素子と酸化触媒を担持していない感熱部側の比較用測温素子とを、それらの極性が互いに直列逆極性となるように接続する構成を採用する場合は、ボンディングワイヤなどを用いて単に配線接続するだけで周囲温度の変化に伴う温度ドリフトを補償し、測定精度の向上を図ることができる。
In the in-line flammable gas sensor according to the present invention, as described in
また、本発明に係るインライン型可燃性ガスセンサにおいて、請求項3に記載のように、前記センサ部の酸化触媒を担持した感熱部側の測定用測温素子と酸化触媒を担持していない感熱部側の比較用測温素子とを、それらの極性が互いに直列逆極性となるように接続するとともに、それら両測温素子の出力差信号を増幅する増幅器を有し、この増幅器からの出力信号を演算処理することにより可燃性ガス濃度を算出する測定回路を設ける構成を採用してもよい。この場合は、増幅器からの出力信号を容易にデータサンプングしやすく、そのサンプリングデータを用いて温度調節手段を適正かつ迅速に制御することができる。
Moreover, in the in-line type combustible gas sensor according to the present invention, as described in
また、本発明に係るインライン型可燃性ガスセンサにおいて、請求項4に記載のように、前記センサ部の測定用測温素子が、その感熱部に酸化触媒を担持しているカーボンナノチューブ(Carbon Nano Tube、以下、CNTと称するものを含む)で代表されるカーボンクラスタを接続して構成されたものであり、比較用測温素子が、その感熱部に酸化触媒を担持していないカーボンナノチューブで代表されるカーボンクラスタを接続して構成されたものであることが好ましい。
この場合は、測定用測温素子の感熱部に接続されたCNTで代表されるカーボンクラスタが非常に大きな熱伝導度を有し(因みに、CNTの熱伝導度は約6000W/m・K)、かつ、測定対象ガス中の可燃性ガスとの接触面積も非常に大きくとれるものであるから、上記反応式(1)による反応熱を増大でき、その大きな反応熱を速やかに、かつ、効率よく前記測定用測温素子の感熱部に伝達して該感熱部の昇温度合いを顕著に高めることが可能である。したがって、酸化触媒担持のカーボンクラスタの使用により、ガスセンサ全体の小型化を図りつつ、測温素子の感熱部における昇温効率を高めて測定対象ガス中の水素等の可燃性ガス濃度の測定感度及び測定精度の著しい向上を実現することができる。
Further, in the in-line flammable gas sensor according to the present invention, as described in
In this case, the carbon cluster represented by CNT connected to the heat sensitive part of the temperature measuring element for measurement has a very large thermal conductivity (the thermal conductivity of CNT is about 6000 W / m · K), In addition, since the contact area with the combustible gas in the gas to be measured can be very large, the reaction heat according to the above reaction formula (1) can be increased, and the large reaction heat can be rapidly and efficiently obtained. It can be transmitted to the heat sensitive part of the temperature measuring element for measurement, and the temperature rise degree of the heat sensitive part can be remarkably increased. Therefore, by using the oxidation catalyst-supported carbon cluster, the gas sensor as a whole is reduced in size, and the temperature rise efficiency in the heat sensitive part of the temperature measuring element is increased to increase the measurement sensitivity of the combustible gas concentration such as hydrogen in the measurement target gas and A significant improvement in measurement accuracy can be realized.
また、本発明に係るインライン型可燃性ガスセンサにおけるセンサ部の両測温素子としては、請求項5に記載のように、サーモパイルの使用が最も好ましく、また、前記酸化触媒としては、白金、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ニッケルを含む貴金属の中から選択されたいずれを用いてもよい。
Further, as both temperature measuring elements of the sensor unit in the in-line type combustible gas sensor according to the present invention, it is most preferable to use a thermopile as described in
また、本発明に係るインライン型可燃性ガスセンサにおける前記ブロックとしては、請求項6に記載のように、凸型空洞を有する下部ブロックと前記凸型空洞の上端開口部を閉鎖する上部ブロックに分割されており、それら下部,上部ブロック間に前記回路基板が気密状態に挟持固定されている構成とすることにより、前記ブロックに形成される奥まった凸型空洞内であってもセンサ部の両測温素子を実装しやすく、当該ガスセンサ全体の組立製作が容易であるとともに、それら測温素子に対する点検、補修などのメンテナンス性にも優れている。
Further, the block in the in-line flammable gas sensor according to the present invention is divided into a lower block having a convex cavity and an upper block for closing an upper end opening of the convex cavity, as described in
さらに、本発明に係るインライン型可燃性ガスセンサにおいて、請求項7に記載のように、前記ブロックの全外周が、断熱及び電磁シールド用カバーで包囲されていることが好ましい。この場合は、外部の大きな温度変化にかかわらず、凸型空洞内の温度を一定に維持しやすいとともに、電磁波などの外来ノイズの影響を受けにくくなり、所定の測定感度及び測定精度のより一層の向上を図ることができる。 Furthermore, in the in-line type combustible gas sensor according to the present invention, as described in claim 7, it is preferable that the entire outer periphery of the block is surrounded by a cover for heat insulation and electromagnetic shielding. In this case, the temperature inside the convex cavity can be easily maintained regardless of a large external temperature change, and is less susceptible to external noise such as electromagnetic waves, so that the predetermined measurement sensitivity and measurement accuracy can be further improved. Improvements can be made.
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
図1は本発明の第1の実施の形態に係るインライン型可燃性ガスセンサ全体の縦断面図、図2は図1のX−X線に沿った横断面図である。このインライン型可燃性ガスセンサ1は、平面視が矩形状の非腐蝕性材料、例えば金属製ブロック2を備えている。この金属製ブロック2は、断面凸型の空洞3を有する下部ブロック2Bと前記凸型空洞3の上端開口部を閉鎖する上部ブロック2Aとに分割されており、これら上部ブロック2Aと下部ブロック2Bとの間に、耐高温性半導体材料、例えばアルミナなどの回路基板4の周辺部を挟み込むとともに、下部ブロック2Bと回路基板4の周辺部との接触部分の全周にOリング5を配置した状態で、上部ブロック2Aの上面側から下部ブロック2B側に複数本の止めねじ6をねじ込むことにより、前記凸型空洞3内が気密に保たれるように、上,下両ブロック2A,2B間に回路基板4を挟持固定している。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
FIG. 1 is a longitudinal sectional view of the entire inline-type combustible gas sensor according to the first embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a transverse sectional view taken along line XX of FIG. The in-line
前記ブロック2の上部ブロック2Aにはヒータ7Aが、また、下部ブロック2Bにはヒータ7Bが埋設されているとともに、前記凸型空洞3内の上端に位置する前記回路基板4の下側表面上には、測定用及び比較用測温素子の一例として、例えばポリシアンとアルミニウム等の異種金属を接合してなり、受熱量に応じたゼーベック効果により熱起電力を発生し出力する二つのサーモパイル8,9が互いに近接して形成されているとともに、これらサーモパイル8,9の表面を含めて前記回路基板4の上面全域には、例えばSiO2 やSiN薄膜などのダイヤフラム状の絶縁膜10(図3参照)が成膜されている。
A
前記二つのサーモパイル8,9のうち、一方のサーモパイル8の感熱部である温接点部には、図3に明示するように、酸化触媒の一例である白金(Pt)粒子を予め担持しているカーボンクラスタの代表例としての複数個のCNT11が前記絶縁膜10に対して直交する縦向き姿勢で互いに平行となるように並列に配置されている(以下、これを測定用サーモパイルという)とともに、他方のサーモパイル9の感熱部である温接点部には、Pt粒子を担持していない複数個のCNT12が上記同様に前記絶縁膜10に対して直交する縦向き姿勢で互いに平行となるように並列に配置されている(以下、これを比較用サーモパイルという)。これらPt粒子担持のCNT11及びPt粒子非担持のCNT12は、それらの一端に取り付けたチオール基の硫黄原子Sと前記絶縁膜10部分に成膜した金(Au)薄膜13,14のAu原子との結合によるCNT−R−S−Au構造の成膜化によって、測定用サーモパイル8及び比較用サーモパイル9の温接点部に接続され、このように構成された測定用サーモパイル8及び比較用サーモパイル9によって、前記ブロック2における凸型空洞3内に可燃性ガス濃度を測定するセンサ部20が実装されている。なお、前記化学式CNT−R−S−AuのRは、炭素鎖である。
As clearly shown in FIG. 3, platinum (Pt) particles, which are an example of an oxidation catalyst, are preliminarily supported on the hot junction part, which is the heat sensitive part of one of the two
前記回路基板4には、前記測定用及び比較用サーモパイル8,9に隣接して温度センサ15が取り付けられており、この温度センサ15による検出温度を温度調節回路16(図4参照)にフィードバックし、そのフィードバックされた検出温度と設定温度との差に応じた制御電圧を前記ヒータ7A,7Bに印加することにより前記凸型空洞3内の温度を一定に保持する温度調節手段が構成されている。この温度調節手段による温度調節範囲は、60〜200℃、好ましくは80〜150℃であり、この実施の形態では、80℃に設定している。なお、温度センサ15としては、熱電対やサーミスタ等が用いられる。
A
また、前記ブロック2における凸型空洞3の下部で直線的に対向する下部ブロック2Bの両側には、凸型空洞3内に測定対象ガスを導入しかつ排出するために測定対象ガスが流動する外部配管系、つまり、上流側配管17A及び下流側配管17Bに接続可能な継手部18A,18Bが取り付けられているとともに、前記凸型空洞3内の中間部に相当する下部ブロック2Bには、上流側配管17Aから継手部18Aを経て空洞3内に導入された測定対象ガスを図1のストライプ矢印で示すように、前記両サーモパイル8,9のCNT11,12に接触させるべく上向きの流れに流動案内するひれ板状のガス流れガイド19が固定設置されている。
なお、前記センサ部20における両サーモパイル8,9は、図面上、ガスの流れ方向に並置させて示しているが、実際は、ガスの流れ方向に直角に並置されている。
In addition, on both sides of the
The two
図4は、上記第1の実施の形態に係るインライン型可燃性ガスセンサ1の測定回路の一例であって、前記両サーモパイル8,9はそれらの極性が互いに直列逆極性となるように接続されているとともに、それらサーモパイル8,9にはそれらの出力(起電力)の差をインピーダンス変換並びに電圧増幅するプリアンプ21が接続されている。このプリアンプ21は一般にサーモパイルの起電力が小さいので、その起電力を数千倍以上のゲインを持たせて扱いやすい電圧となるように、(1+R2/R1)倍に増幅する。このプリアンプ21の出力をAD変換器22のアナログ入力端AIN0に入力し、AD変換したデジタル信号をMPU23に取り込むことにより測定対象ガスの温度を演算して測定対象ガス中の可燃性ガスの濃度を測定するように構成されている。また、前記温度センサ15による検出温度を温度調節回路16にフィードバックし、そのフィードバックされた検出温度とMPU23を介して予め入力されている設定温度との差に応じてMPU23から出力される制御信号に基いて制御電圧がヒータドライバ24を介してヒータ17A,17Bに印加されて前記凸型空洞3内の温度を一定(この実施の形態では、80℃)に保持する温度調節手段が測定回路に組み込まれている。
FIG. 4 is an example of the measurement circuit of the inline-type
前記プリアンプ21は、ブロック2における上部ブロック2Aの上面に設置されており、このプリアンプ21が外来ノイズや外部の温度変化の影響を受けないようにカバー25によりシールドされている。さらに、前記ブロック2の全外周は、断熱及び電磁シールド用カバー26で包囲された構造になっており、このカバー26を接地(アース)することにより、S/N比の高い濃度信号を外部へ送出することができるようにしている。なお、前記MPU23で演算された可燃性ガスの濃度値は、そのまま表示させるようにしても、例えばホストコンピュータなどの上位装置に通信転送しても、あるいは、印刷したり、メモリに記録保存したりしてもよい。
The
上記のように構成されたインライン型可燃性ガスセンサ1においては、ブロック2の両側に取り付けられている継手部18A,18Bを外部配管系の上流側配管17A及び下流側配管17Bに直接に接続(直結)するだけで、外部配管系内を流動している流量と同等流量の測定対象ガスを当該ガスセンサ1の凸型空洞3内に導入することが可能であり、外部配管系にガスの流れの影響を受けないようにするために小さい口径の開口部を形成したり、その小口径の開口部に連なる凹状ポケット部を形成したりする必要がないので、当該ガスセンサ1を構造的にも施工面からも簡単かつ容易にインライン実装して使用することができる。
In the in-line type
そして、実装使用状態では、上流側配管17Aから継手部18Aを通してブロック2の凸型空洞3内に導入された大量の測定対象ガスがひれ板状のガス流れガイド19によって凸型空洞3内の上面部に実装されているセンサ部20に向けて流動案内されて該センサ部の測定用サーモパイル8及び比較用サーモパイル9に接触される。ここで、水素等の可燃性ガスを含んだ測定対象ガスが前記測定用サーモパイル8のPt粒子担持のCNT11に接触すると、測定対象ガス中の可燃性ガス、例えば水素ガス(H2 )分子がCNT11に担持されているPt粒子のもとで、既述(1)式で示すとおり、酸素ガス(O2 )分子と反応して水分子(H2 O)を生じ、このとき、反応熱Qを発生する。この反応熱Qは、Pt粒子の表面から熱伝導度が約6000W/m・Kと非常に大きいCNT11を経て、測定用サーモパイル8の温接点部に速やかに、かつ、効率よく伝達されて該温接点部を急速かつ大きく昇温して大きな電圧が出力されることになる。
In a mounted and used state, a large amount of measurement target gas introduced into the
一方、比較用サーモパイル9のPt粒子非担持のCNT12では上記のような化学反応による反応熱は発生されず、測定対象ガスの保有熱量のみによって昇温して、その温度に見合った電圧が出力されることになる。これら両出力電圧の差を図3に示す測定回路に入力し、その差電圧から測定対象ガス中の水素などの可燃性ガス濃度を求めることによって、所定の可燃性ガス濃度を測定する。
On the other hand, in the
この測定時において、測定対象ガスが導入される前記凸型空洞3内の温度は、上述した温度調節手段により一定温度に保たれているので、センサ部20の測定用サーモパイル8及び比較用サーモパイル9に接触する測定対象ガスの保有熱量は同一またはほぼ同一であり、したがって、外気などの周囲温度が変化したとしても、前記測定用サーモパイル8のPt粒子担持のCNT11による前記反応熱に起因する電圧のみが得られ、外気などの周囲温度の変化にかかわらず、所定の可燃性ガス濃度を精度よく測定することができる。
At the time of this measurement, the temperature in the
また、測定対象ガスは容積的に十分大きい凸型空洞3内に導入されたのち、その流れがガイド19によりセンサ部20に向けて流動案内されるので、反応熱発生後のガス分子と測定対象ガスとの置換が迅速に行われて、それだけ測定感度及び応答性の向上が図れ、低レベルから高レベルまでの可燃性ガス濃度を連続して効率よく、かつ、精度よく測定することができる。
In addition, after the gas to be measured is introduced into the
因みに図5は、上記したインライン型可燃性ガスセンサ1を用いて本発明者らが測定対象ガス中に含まれる水素ガス(H2 )の濃度とセンサ出力との関係について実験を行った結果を示すH2 ガス検量線図であり、同図からも明らかなように、上記したインライン型可燃性ガスセンサ1によって、H2 ガスの濃度を低レベル(1ppmオーダー)から高レベル(100%付近)まで連続して効率よく測定できることが確認された。
Incidentally, FIG. 5 shows the result of an experiment conducted by the inventors on the relationship between the concentration of hydrogen gas (H 2 ) contained in the measurement target gas and the sensor output using the above-described inline-type
なお、上記第1の実施の形態では、センサ部20の測定用サーモパイル8及び比較用サーモパイル9共に、その感熱部(温接点部)にPt粒子担持のCNT11及びPt非担持のCNT12を接続したもので示したが、各サーモパイル8,9の温接点部上に炭素繊維などの繊維状多孔層をシランカップリング剤等で結合形成し、測定用サーモパイル8側の繊維状多孔層にPt粒子などの酸化触媒を担持させる一方、比較用サーモパイル9側の繊維状多孔層には酸化触媒を担持させない構成としてもよい。
In the first embodiment, both the
また、上記第1の実施の形態で示したインライン型可燃性ガスセンサ1を継手部18Aを介して接続する上流側配管17Aに、例えば電子冷却式あるいは中空糸膜差圧乾燥式などの除湿器を取り付けて測定対象ガスの湿度を低下させることにより、湿度による出力低下の影響を取り除いて測定感度の向上を図ることが可能である。
Further, a dehumidifier such as an electronic cooling type or a hollow fiber membrane differential pressure drying type is provided on the
また、温度センサ15としては、上記実施の形態で示したように、サーモパイル8,9に隣接させて回路基板4の表面側に取り付ける以外に、上部ブロック2Aもしくは下部ブロック2Bの温度が均一に伝わる位置に挿入配置しても、また、サーモパイルチップ上に白金の薄膜やアルミ配線してもよい。
As the
さらに、上記実施の形態では、測温素子として、サーモパイルを用いたもので説明したが、それ以外にサーミスタボロメータを用いたものであっても、上記と同様に、センサ全体の小型化を図りつつ、可燃性ガスの測定感度及び測定精度の向上効果を奏するものである。 Furthermore, in the above embodiment, the thermopile is used as the temperature measuring element. However, even if the thermistor bolometer is used in addition to the above, the entire sensor is reduced in size as described above. The effect of improving the measurement sensitivity and measurement accuracy of the combustible gas is exhibited.
1 インライン型可燃性ガスセンサ
2 ブロック
2A 上部ブロック
2B 下部ブロック
3 凸型空洞
4 回路基板
7A,7B ヒータ
8 測定用サーモパイル
9 比較用サーモパイル
11 Pt粒子担持のCNT
12 Pt粒子非担持のCNT
15 温度センサ(温度調節手段の構成要素)
16 温度調節回路(温度調節手段の構成要素)
17A 上流側配管
17B 下流側配管
18A,18B 継手部
19 ひれ板状のガス流れガイド
20 センサ部
21 プリアンプ
DESCRIPTION OF
12 Pt particle non-supported CNT
15 Temperature sensor (component of temperature control means)
16 Temperature control circuit (component of temperature control means)
17A Upstream piping 17B
Claims (7)
The in-line type combustible gas sensor according to any one of claims 1 to 6, wherein the entire outer periphery of the block is surrounded by a cover for heat insulation and electromagnetic shielding.
Priority Applications (1)
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