JP3809897B2 - 可燃性ガス濃度測定装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、接触燃焼式ガスセンサを用いた水素等の可燃性ガスの濃度を測定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
接触燃焼式ガスセンサは、通電により発熱するヒータコイルを、熱伝導関係を形成するように酸化触媒で包囲して構成されていて、被検出燃焼性ガスに接触すると、酸化触媒が発熱し、熱伝導によりヒータコイルの温度が上昇する。したがって、ヒータコイルの電気抵抗を検出することにより可燃性ガスの濃度を測定することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、酸化触媒による燃焼熱による温度変化を利用する関係上、可燃性ガスの燃焼が不可能な高濃度、つまり酸欠状態の環境では発熱が無く、可燃性ガスの濃度が極めて低い状態と、極めて高い状態とを判別することができないという不都合がある。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、低濃度から燃焼不可能な高濃度までの可燃性ガスの濃度を検出することができるガス測定装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このような問題を解消するために本発明においては、通電によりジュール熱により発熱するヒータと、前記ヒータの表面に形成された電気絶縁層と、前記電気絶縁層の表面に形成された可燃性ガスを酸化反応させて発熱する酸化触媒層とを備え、前記酸化触媒層が前記電気絶縁層により前記ヒータと電気絶縁を維持しつつ熱伝導関係を形成して前記ヒータにより加熱される接触燃焼式ガスセンサを用いて空気よりも熱伝導度が高い可燃性ガスを検出する可燃性ガス濃度測定装置において、前記接触燃焼式ガスセンサと一定の作動電圧を按分するように熱伝導式ガスセンサをブリッジ回路に接続し、前記ブリッジ回路の出力と、前記接触燃焼式ガスセンサと熱伝導式ガスセンサとに流れる電流とを検出し、予め検出されている前記可燃性ガスの濃度と、前記ブリッジ回路の出力及び前記接触燃焼式ガスセンサと熱伝導式ガスセンサとに流れる電流との関係に基づいて可燃性ガスの濃度を検出する。
【０００５】
【作用】
予め検出されている前記可燃性ガスの濃度と、前記ブリッジ回路の出力及び前記接触燃焼式ガスセンサと熱伝導式ガスセンサとに流れる電流との関係を利用して低濃度領域と高濃度領域とを区別して可燃性ガスの濃度を検出する。
【０００６】
【発明の実施の態様】
そこで以下に本発明の詳細を図示した実施例に基づいて説明する。
図１は、本発明の水素濃度測定装置の一実施例を示すものであって、接触燃焼式ガスセンサ１は、図２に示したように通電により発熱するヒータコイル２に、熱伝導関係を形成するように電気絶縁性材料、たとえばアルミナ等の電気絶縁層３を形成し、その外周に可燃性ガスと酸素との酸化反応を促す酸化触媒層４を形成して構成されている。
熱伝導式ガスセンサ５は、温度抵抗係数が大きく、かつ被検ガスに対して触媒作用を奏しない材料、例えば白金に金メッキを施した材料を、被検ガスと熱伝導関係を形成するように配置して構成されている。
【０００７】
接触燃焼式ガスセンサ１、及び熱伝導式ガスセンサ５は、基準抵抗８、７とともに大気中ではゼロ出力となるように平衡が取られてブリッジ接続され、電流検出用抵抗８を介して電源９から作動電力が供給され、またブリッジ部１０には定電圧維持回路１１が接続されている。
【０００８】
測定回路１２は、センサ１、５に流れるセンサ電流、つまり電流検出用抵抗８の電圧と、これらセンサ１、５のガスの感応度に起因する不平衡電圧、つまりブリッジ出力が入力し、データ記憶手段１３に格納されている検量線データからガス濃度を算出するように構成されている。
【０００９】
この実施例において、大気中の可燃性ガス、例えば水素ガスの濃度がゼロ％から上昇すると、酸素が十分に存在する状態では、酸化触媒での燃焼熱がガス濃度に比例するため、ヒータコイル２の抵抗値が上昇し、また熱伝導式ガスセンサ５の抵抗値が低下してブリッジ部１０の出力が図３の曲線Ａの領域Ｉに示したように上昇する一方、電流検出用抵抗８に流れる電流は、ヒータコイル２の抵抗値の上昇割合が熱伝導式ガスセンサ５の抵抗値の低下の割合に比べて大きいため、図３の曲線Ｂの領域Iに示したように水素ガスの濃度上昇につれて減少する。
【００１０】
さらにガスの濃度が所定の濃度まで上昇すると、接触燃焼式ガスセンサ１は、その酸化触媒層４での燃焼の度合が低くなるために抵抗値が低下し、かつエアに比較して水素ガスの熱伝導度が高いことによる冷却もあいまって温度が低下する。
一方、熱伝導式ガスセンサ５は、エアに比較して熱伝導率が高い水素ガスによる熱放散が大きくなるため温度が低下してやはり抵抗値が低下する。そして、接触燃焼式ガスセンサ１と熱伝導式ガスセンサ５との抵抗値の低下割合は、接触燃焼式ガスセンサ１の方が燃焼が停止した分だけヒータコイル２の方が大きくなる。
このため、水素ガスの濃度が低い場合（領域I）とは反対に、熱伝導式ガスセンサ５の抵抗変化率がガス濃度の変化に大きく影響をうけて図３の領域IIに示すように最大値から水素ガスの濃度上昇につれてセンサ回路１０の出力が減少する。
一方、水素ガスの濃度の高い領域では、２つのセンサ１、５の抵抗値が共に低下するから、抵抗８を流れるセンサ電流は増大する。
【００１１】
すなわち、接触燃焼式ガスセンサ１の抵抗値は、
ＲHW＋ΔＲa−ΔＲb
（ただし、ＲHWはエアに接触している状態での抵抗値、ΔＲaは可燃性ガスの燃焼熱による温度上昇に起因する抵抗変化分、ΔＲbは、エアよりも高い可燃性ガスの熱伝導率による温度低下に起因する抵抗変化分）
また、熱伝導式ガスセンサ５の抵抗値は、
ＲTE−ΔＲc
（ただし、ＲTHはエアに接触している状態での抵抗値、ΔＲｃはエアよりも高い可燃性ガスの熱伝導率による温度低下に起因する抵抗変化分）
と表わすことができ、
また、通常、
ΔＲb≒ΔＲc
ということができる。
このため領域Ｉの濃度では、可燃性ガスを十分に燃焼させることできる酸素が存在するので、ΔＲaが増大してブリッジ出力も増大する一方、ΔＲb≒ΔＲc≪ΔＲaであるため、電流値は低下する。
領域IIの濃度では、可燃性ガスを十分に燃焼させることができる酸素が存在しないので、ΔＲaが低下してブリッジ出力も減少する一方、ΔＲb≒ΔＲc≪ΔＲaであるため、電流値は増大する。
【００１２】
他方、同一のセンサ出力に対して２種類のガス濃度値（図３における領域I、及び領域II）が存在することになるが、センサ電流、つまり抵抗８の電圧を測定回路１２により検出することにより、領域Ｉ、または領域IIのいずれかを特定できる。
【００１３】
したがって、測定回路１２によりセンサ電流を検出し、その値から領域I、または領域IIのいずれかを判定させる一方、データ記憶手段１３に図３に示す曲線Ａ、つまりブリッジ出力と水素濃度との関係を規定する量線データとして格納しておけば、１つの検量線データにより低濃度から高濃度までを、センサ部１０の電流値を判定基準に用いて検出することができる。
【００１４】
なお、前述のブリッジ出力とセンサ電流との関係は、水素ガス濃度をパラメータに取ると、センサ電圧とセンサ電流との関係を関係式、または辞書データとして記憶手段に格納するとともに、ブリッジ出力とセンサ電流とによりアクセスすることにより、ガス濃度を検出できることは明らかである。
【００１５】
また上述の実施例においては、ヒータをコイル状に形成したものに例を採って説明したが、板状のヒータの表面に絶縁層を介して酸化触媒を形成した接触燃焼式ガスセンサを用いても同様の作用を奏することは明らかである。
【００１６】
さらに本発明は、エアとの熱伝導率が大きく異なる水素ガスの濃度測定に特に有効であるが、エアよりも熱伝導率が大きな他の燃焼性ガス、例えばメタン（熱伝導率１．６４）等の検出にも適用することができる。
【００１７】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、予め検出されている前記可燃性ガスの濃度と、前記ブリッジ回路の出力及び前記接触燃焼式ガスセンサと熱伝導式ガスセンサとに流れる電流との関係を利用して低濃度領域と高濃度領域とを区別して可燃性ガスの濃度を検出するため、接触燃焼式ガスセンサと熱伝導式ガスセンサとの特性を使い分けて広い範囲の濃度を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の水素濃度測定装置の一実施例を示すブロック図である。
【図２】 接触燃焼式ガスセンサの一実施例を示す断面図である。
【図３】 同上装置におけるブリッジ出力及びセンサ電流と、ガス濃度との関係を示す線図である。
【符号の説明】
１ 接触燃焼式ガスセンサ
５ 熱伝導式ガスセンサ
８ センサ電流検出用抵抗
【発明の属する技術分野】
本発明は、接触燃焼式ガスセンサを用いた水素等の可燃性ガスの濃度を測定する装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
接触燃焼式ガスセンサは、通電により発熱するヒータコイルを、熱伝導関係を形成するように酸化触媒で包囲して構成されていて、被検出燃焼性ガスに接触すると、酸化触媒が発熱し、熱伝導によりヒータコイルの温度が上昇する。したがって、ヒータコイルの電気抵抗を検出することにより可燃性ガスの濃度を測定することができる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、酸化触媒による燃焼熱による温度変化を利用する関係上、可燃性ガスの燃焼が不可能な高濃度、つまり酸欠状態の環境では発熱が無く、可燃性ガスの濃度が極めて低い状態と、極めて高い状態とを判別することができないという不都合がある。
本発明はこのような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、低濃度から燃焼不可能な高濃度までの可燃性ガスの濃度を検出することができるガス測定装置を提供することである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
このような問題を解消するために本発明においては、通電によりジュール熱により発熱するヒータと、前記ヒータの表面に形成された電気絶縁層と、前記電気絶縁層の表面に形成された可燃性ガスを酸化反応させて発熱する酸化触媒層とを備え、前記酸化触媒層が前記電気絶縁層により前記ヒータと電気絶縁を維持しつつ熱伝導関係を形成して前記ヒータにより加熱される接触燃焼式ガスセンサを用いて空気よりも熱伝導度が高い可燃性ガスを検出する可燃性ガス濃度測定装置において、前記接触燃焼式ガスセンサと一定の作動電圧を按分するように熱伝導式ガスセンサをブリッジ回路に接続し、前記ブリッジ回路の出力と、前記接触燃焼式ガスセンサと熱伝導式ガスセンサとに流れる電流とを検出し、予め検出されている前記可燃性ガスの濃度と、前記ブリッジ回路の出力及び前記接触燃焼式ガスセンサと熱伝導式ガスセンサとに流れる電流との関係に基づいて可燃性ガスの濃度を検出する。
【０００５】
【作用】
予め検出されている前記可燃性ガスの濃度と、前記ブリッジ回路の出力及び前記接触燃焼式ガスセンサと熱伝導式ガスセンサとに流れる電流との関係を利用して低濃度領域と高濃度領域とを区別して可燃性ガスの濃度を検出する。
【０００６】
【発明の実施の態様】
そこで以下に本発明の詳細を図示した実施例に基づいて説明する。
図１は、本発明の水素濃度測定装置の一実施例を示すものであって、接触燃焼式ガスセンサ１は、図２に示したように通電により発熱するヒータコイル２に、熱伝導関係を形成するように電気絶縁性材料、たとえばアルミナ等の電気絶縁層３を形成し、その外周に可燃性ガスと酸素との酸化反応を促す酸化触媒層４を形成して構成されている。
熱伝導式ガスセンサ５は、温度抵抗係数が大きく、かつ被検ガスに対して触媒作用を奏しない材料、例えば白金に金メッキを施した材料を、被検ガスと熱伝導関係を形成するように配置して構成されている。
【０００７】
接触燃焼式ガスセンサ１、及び熱伝導式ガスセンサ５は、基準抵抗８、７とともに大気中ではゼロ出力となるように平衡が取られてブリッジ接続され、電流検出用抵抗８を介して電源９から作動電力が供給され、またブリッジ部１０には定電圧維持回路１１が接続されている。
【０００８】
測定回路１２は、センサ１、５に流れるセンサ電流、つまり電流検出用抵抗８の電圧と、これらセンサ１、５のガスの感応度に起因する不平衡電圧、つまりブリッジ出力が入力し、データ記憶手段１３に格納されている検量線データからガス濃度を算出するように構成されている。
【０００９】
この実施例において、大気中の可燃性ガス、例えば水素ガスの濃度がゼロ％から上昇すると、酸素が十分に存在する状態では、酸化触媒での燃焼熱がガス濃度に比例するため、ヒータコイル２の抵抗値が上昇し、また熱伝導式ガスセンサ５の抵抗値が低下してブリッジ部１０の出力が図３の曲線Ａの領域Ｉに示したように上昇する一方、電流検出用抵抗８に流れる電流は、ヒータコイル２の抵抗値の上昇割合が熱伝導式ガスセンサ５の抵抗値の低下の割合に比べて大きいため、図３の曲線Ｂの領域Iに示したように水素ガスの濃度上昇につれて減少する。
【００１０】
さらにガスの濃度が所定の濃度まで上昇すると、接触燃焼式ガスセンサ１は、その酸化触媒層４での燃焼の度合が低くなるために抵抗値が低下し、かつエアに比較して水素ガスの熱伝導度が高いことによる冷却もあいまって温度が低下する。
一方、熱伝導式ガスセンサ５は、エアに比較して熱伝導率が高い水素ガスによる熱放散が大きくなるため温度が低下してやはり抵抗値が低下する。そして、接触燃焼式ガスセンサ１と熱伝導式ガスセンサ５との抵抗値の低下割合は、接触燃焼式ガスセンサ１の方が燃焼が停止した分だけヒータコイル２の方が大きくなる。
このため、水素ガスの濃度が低い場合（領域I）とは反対に、熱伝導式ガスセンサ５の抵抗変化率がガス濃度の変化に大きく影響をうけて図３の領域IIに示すように最大値から水素ガスの濃度上昇につれてセンサ回路１０の出力が減少する。
一方、水素ガスの濃度の高い領域では、２つのセンサ１、５の抵抗値が共に低下するから、抵抗８を流れるセンサ電流は増大する。
【００１１】
すなわち、接触燃焼式ガスセンサ１の抵抗値は、
ＲHW＋ΔＲa−ΔＲb
（ただし、ＲHWはエアに接触している状態での抵抗値、ΔＲaは可燃性ガスの燃焼熱による温度上昇に起因する抵抗変化分、ΔＲbは、エアよりも高い可燃性ガスの熱伝導率による温度低下に起因する抵抗変化分）
また、熱伝導式ガスセンサ５の抵抗値は、
ＲTE−ΔＲc
（ただし、ＲTHはエアに接触している状態での抵抗値、ΔＲｃはエアよりも高い可燃性ガスの熱伝導率による温度低下に起因する抵抗変化分）
と表わすことができ、
また、通常、
ΔＲb≒ΔＲc
ということができる。
このため領域Ｉの濃度では、可燃性ガスを十分に燃焼させることできる酸素が存在するので、ΔＲaが増大してブリッジ出力も増大する一方、ΔＲb≒ΔＲc≪ΔＲaであるため、電流値は低下する。
領域IIの濃度では、可燃性ガスを十分に燃焼させることができる酸素が存在しないので、ΔＲaが低下してブリッジ出力も減少する一方、ΔＲb≒ΔＲc≪ΔＲaであるため、電流値は増大する。
【００１２】
他方、同一のセンサ出力に対して２種類のガス濃度値（図３における領域I、及び領域II）が存在することになるが、センサ電流、つまり抵抗８の電圧を測定回路１２により検出することにより、領域Ｉ、または領域IIのいずれかを特定できる。
【００１３】
したがって、測定回路１２によりセンサ電流を検出し、その値から領域I、または領域IIのいずれかを判定させる一方、データ記憶手段１３に図３に示す曲線Ａ、つまりブリッジ出力と水素濃度との関係を規定する量線データとして格納しておけば、１つの検量線データにより低濃度から高濃度までを、センサ部１０の電流値を判定基準に用いて検出することができる。
【００１４】
なお、前述のブリッジ出力とセンサ電流との関係は、水素ガス濃度をパラメータに取ると、センサ電圧とセンサ電流との関係を関係式、または辞書データとして記憶手段に格納するとともに、ブリッジ出力とセンサ電流とによりアクセスすることにより、ガス濃度を検出できることは明らかである。
【００１５】
また上述の実施例においては、ヒータをコイル状に形成したものに例を採って説明したが、板状のヒータの表面に絶縁層を介して酸化触媒を形成した接触燃焼式ガスセンサを用いても同様の作用を奏することは明らかである。
【００１６】
さらに本発明は、エアとの熱伝導率が大きく異なる水素ガスの濃度測定に特に有効であるが、エアよりも熱伝導率が大きな他の燃焼性ガス、例えばメタン（熱伝導率１．６４）等の検出にも適用することができる。
【００１７】
【発明の効果】
以上、説明したように本発明によれば、予め検出されている前記可燃性ガスの濃度と、前記ブリッジ回路の出力及び前記接触燃焼式ガスセンサと熱伝導式ガスセンサとに流れる電流との関係を利用して低濃度領域と高濃度領域とを区別して可燃性ガスの濃度を検出するため、接触燃焼式ガスセンサと熱伝導式ガスセンサとの特性を使い分けて広い範囲の濃度を検出することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明の水素濃度測定装置の一実施例を示すブロック図である。
【図２】 接触燃焼式ガスセンサの一実施例を示す断面図である。
【図３】 同上装置におけるブリッジ出力及びセンサ電流と、ガス濃度との関係を示す線図である。
【符号の説明】
１ 接触燃焼式ガスセンサ
５ 熱伝導式ガスセンサ
８ センサ電流検出用抵抗
Claims (1)
- 通電によりジュール熱により発熱するヒータと、前記ヒータの表面に形成された電気絶縁層と、前記電気絶縁層の表面に形成された可燃性ガスを酸化反応させて発熱する酸化触媒層とを備え、前記酸化触媒層が前記電気絶縁層により前記ヒータと電気絶縁を維持しつつ熱伝導関係を形成して前記ヒータにより加熱される接触燃焼式ガスセンサを用いて空気よりも熱伝導度が高い可燃性ガスを検出する可燃性ガス濃度測定装置において、
前記接触燃焼式ガスセンサと一定の作動電圧を按分するように熱伝導式ガスセンサをブリッジ回路に接続し、前記ブリッジ回路の出力と、前記接触燃焼式ガスセンサと熱伝導式ガスセンサとに流れる電流とを検出し、予め検出されている前記可燃性ガスの濃度と、前記ブリッジ回路の出力及び前記接触燃焼式ガスセンサと熱伝導式ガスセンサとに流れる電流との関係に基づいて可燃性ガスの濃度を検出する可燃性ガス濃度測定装置。
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2001039653A JP3809897B2 (ja) | 2001-02-16 | 2001-02-16 | 可燃性ガス濃度測定装置 |
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| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
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| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
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| JP6815352B2 (ja) * | 2017-09-15 | 2021-01-20 | 日本特殊陶業株式会社 | ガスセンサ |
| JP7199875B2 (ja) * | 2018-08-23 | 2023-01-06 | 株式会社チノー | 水素センサ |
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2001
- 2001-02-16 JP JP2001039653A patent/JP3809897B2/ja not_active Expired - Fee Related
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