JP4871776B2

JP4871776B2 - ガス検知装置およびガス検知方法

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Publication number: JP4871776B2
Application number: JP2007106734A
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Inventors: 隆博荘田
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Priority date: 2007-04-16
Filing date: 2007-04-16
Publication date: 2012-02-08
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Description

本発明は、接触燃焼式ガスセンサを用いたガス検知装置およびガス検知方法に関し、接触燃焼式ガスセンサの経年変化に対する補正に関するものである。

従来知られている接触燃焼式ガスセンサは、感応素子部と補償素子部を有し、検知すべきガスを感応素子部の触媒作用により燃焼させ、この燃焼熱を白金コイルの抵抗値変化として捉えるように構成されている。検知すべきガスのうちトルエン、酢酸やエタノール等のように、極性が大きく吸着力の大きなガスは、低温駆動時に、ガス分子が感応素子部の触媒表面に吸着し、高温駆動時に、吸着したガスが瞬時に燃焼すると共に接触燃焼反応も同時に起こるので、センサ出力は、短時間でピークに達しその後徐々に減少するピーク波形を生じる。一方、メタン、水素や一酸化炭素等の無極性または極性の小さいガスは、吸着力も小さいので上記のような現象は起こらず、センサ出力は、定常値で安定するまで徐々に増加していく。

このように、トルエン等の特定種類のガスにおいて固有のピーク波形を呈することを利用して、接触燃焼式ガスセンサを用いてガス濃度の検知ばかりでなくガス種を分別することができる。このような特定種類のガスの吸着現象を利用する接触燃焼式ガスセンサは、吸着燃焼式ガスセンサとも呼ばれている。

一方、ガスセンサは、経年変化を起こし、次第にセンサ出力が変化する。このような経年変化を補正するために、たとえば、特開２００６−１９４７７６号公報や特開平７−２７０３１５号公報等に見られるように、種々の方法が提案されている。

特開２００６−１９４７７６号公報に開示されているガスクロマトグラフ装置は、ガス分離カラムの排気側に設けられた半導体ガスセンサからなる検出器３０と、演算処理部３３を備えている。演算処理部３３は、校正モードにおいて、検出器３０の出力のピークから求めた検出対象ガス成分のガス濃度が、入力部３８を用いて入力された校正用ガスのガス濃度と一致するように出力を補正する校正計算式を求め、検出モードにおいては全ての検出対象ガス成分について、検出器３０の出力のピークを上記校正計算式を用いて補正して、メモリ３３ａに記憶された検量線データから補正後の検出出力に対応するガス濃度を求めている。

また、特開平７−２７０３１５号公報に開示されている制御装置では、被制御装置５０を制御するための被検知出気体の濃度を大気中で計測し計測濃度ａを出力する計測センサ２０を設けると共に、被検知出気体を含まない大気中における同種気体の濃度を計測し、大気ベース濃度ｂを出力する基準計測センサ２５を設け、制御手段１０により計測濃度ａから大気ベース濃度ｂを減算して経年変化が補正された制御用濃度ｃを得るようにして信頼性を向上させている。
特開２００６−１９４７７６号公報特開平７−２７０３１５号公報

しかしながら、特開２００６−１９４７７６号公報に開示されている経年変化補正方式では、校正用のガスを用いてセンサの感度低下量を測定し、その変化に応じた校正計算式を用いることで、センサ出力を補正しているが、この方式では、校正期間中は通常の測定を行うことができないことに加えて校正用の標準ガスを必要とし、被検知出ガスの流路を切り換える構造も必要となっている。そのため、構造が複雑で小型化が困難であり、換気システムなど小型で連続モニタを必須とする用途には不向きである。

また、特開平７−２７０３１５号公報に開示されている経年変化補正方式では、被検知出気体を含まない大気中に置かれた基準センサの出力と被検知出気体中に置かれた計測センサの出力を減算することで、センサの経年変化による出力変動を補正している。

しかし、ＶＯＣ（揮発性有機化合物）ガス等を検出する吸着燃焼式ガスセンサは、被検知出気体を吸着し燃焼させることにより、触媒表面に付着した燃えかすやシリコーン被毒による経年変化が発生する。したがって、特開平７−２７０３１５号公報に開示されている経年変化補正方式と同様の方法では、被検知出気体を含む大気中に置かれたガスセンサのみに、燃えかすやシリコーン被毒による経年変化が発生することになり、補正することができない。

そこで本発明は、上述した課題に鑑み、ＶＯＣなどの吸着性のガスを接触燃焼式ガスセンサで検出する際に、ガスセンサの経年変化によるセンサ感度の変化を良好に補正することができるガス検知装置およびガス検知方法を提供することを目的としている。

上記課題を解決するためになされた請求項１記載の発明のガス検知装置は、図１の基本構成図に示すように、被検知ガスが吸着した状態において前記被検知ガスが燃焼する燃焼温度に加熱された時に前記被検知ガスの濃度を計測すると共に、前記被検知ガスが吸着していない状態において前記燃焼温度に加熱された時にエアベース濃度を計測する接触燃焼式ガスセンサ４１と、前記接触燃焼式ガスセンサ４１で計測された前記被検知ガスの濃度を表す計測濃度出力を取得すると共に、前記接触燃焼式ガスセンサ４１で計測された前記エアベース濃度を表すエアベース濃度出力を取得する濃度出力取得手段１１ａと、経時量と前記エアベース濃度出力の関係、および経時量とセンサ感度の関係を予め記憶する記憶手段１２と、前記濃度出力取得手段１１ａで取得された前記計測濃度出力Ｖｇと前記エアベース濃度出力の差が予め決められた一定値以下の場合に、前記濃度出力取得手段１１ａで取得された前記エアベース濃度出力と、前記記憶手段１２に予め記憶されている経時量と前記エアベース濃度出力の関係とに基づいて経時量を取得する経時量取得手段１１ｂと、前記経時量取得手段１１ｂで取得された前記経時量と、前記記憶手段１２に予め記憶されている経時量とセンサ感度の関係とに基づいてセンサ感度を求めるセンサ感度取得手段１１ｃと、前記濃度出力取得手段１１ａで取得された前記計測濃度出力と前記エアベース濃度出力の差に、前記センサ感度取得手段１１ｃで取得された前記センサ感度の補正を行って前記被検知ガスの検知濃度を取得する検知濃度取得手段１１ｄと、を備えていることを特徴とする。

上記課題を解決するためになされた請求項２記載の発明は、請求項１記載のガス検知装置において、前記被検知ガスが吸着するように前記接触燃焼式ガスセンサ４１への通電を第１の通電停止期間の間停止した後に、吸着した前記被検知ガスを燃焼する前記燃焼温度となるように第１の通電期間の間通電し、続いて、前記被検知ガスが吸着しないように前記接触燃焼式ガスセンサ４１への通電を前記第１の通電停止期間より短い第２の通電停止期間の間停止した後に、前記燃焼温度となるように前記第１の通電期間と等しい第２の通電期間の間通電する制御を行う通電制御手段１１ｅをさらに備え、前記濃度出力取得手段１１ａは、前記第１の通電期間の間に前記計測濃度出力を取得し、前記第２の通電期間の間に前記エアベース濃度出力を取得することを特徴とする。

上記課題を解決するためになされた請求項３記載の発明は、請求項２記載のガス検知装置において、前記濃度出力取得手段１１ａは、前記エアベース濃度出力を積分値または瞬時値として取得することを特徴とする。

上記課題を解決するためになされた請求項４記載の発明は、請求項３記載のガス検知装置において、前記濃度出力取得手段１１ａは、前記積分値または瞬時値を複数回取得して平均処理した値を前記エアベース濃度出力として取得することを特徴とする。

上記課題を解決するためになされた請求項５記載の発明のガス検知方法は、接触燃焼式ガスセンサに被検知ガスが吸着した状態において被検知ガスが燃焼する燃焼温度に加熱された時に被検知ガスの濃度を計測し、計測された前記被検知ガスの濃度を表す計測濃度出力を取得する計測濃度出力取得ステップと、前記被検知ガスが吸着していない状態において前記燃焼温度に加熱された時にエアベース濃度を計測し、計測された前記エアベース濃度を表すエアベース濃度出力を取得するエアベース濃度出力取得ステップと、前記計測濃度取得ステップで取得された前記計測濃度出力と前記エアベース濃度出力取得ステップで取得された前記エアベース濃度出力の差が予め決められた一定値以下の場合に、前記エアベース濃度出力と、記憶手段に予め記憶されている経時量と前記エアベース濃度出力の関係とに基づいて経時量を取得する経時量取得ステップと、前記経時量取得ステップで取得された前記経時量と、前記記憶手段に予め記憶されている経時量とセンサ感度の関係とに基づいてセンサ感度を求めるセンサ感度取得ステップと、前記計測濃度取得ステップで取得された前記計測濃度出力と前記エアベース濃度出力取得ステップで取得された前記エアベース濃度出力の差に、前記センサ感度取得ステップで取得された前記センサ感度の補正を行って前記被検知ガスの検知濃度を取得する検知濃度取得ステップと、を備えていることを特徴とする。

請求項１記載の発明のガス検知装置によれば、校正用の標準ガスを必要とせずに、センサと検出回路などの最小の構成で接触燃焼式ガスセンサの経年変化に対する補正を良好に行うことができる。また、小型で校正が簡単である。また、被検知ガスの濃度の連続モニタが可能である。

請求項２記載の発明のガス検知装置によれば、駆動パルス信号における第１の通電停止期間と第２の通電停止期間の時間長を変える吸着時間差方式を用いて、被検知ガスが存在する雰囲気中でもゼロガス状態に近い状態でエアベース濃度出力の検出をすることができる。

請求項３記載の発明のガス検知装置によれば、エアベース濃度出力の積分値または瞬時値を用いて接触燃焼式ガスセンサの経年変化に対する補正を行うことができる。

請求項４記載の発明のガス検知装置によれば、複数のエアベース濃度出力の積分値または瞬時値の平均値を用いて接触燃焼式ガスセンサの経年変化に対する補正を行うことができる。

請求項５記載の発明のガス検知方法によれば、校正用の標準ガスを必要とせずに、接触燃焼式ガスセンサの経年変化に対する補正を良好に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

本発明の実施の形態に係るガス検知装置１は、図２に示すように、マイクロコントローラユニット（ＭＣＵ）１０と、駆動電源２０と、出力部３０と、ガスセンサ部４０とを有している。ＭＣＵ１０には、駆動電源２０、出力部３０およびガスセンサ部４０が接続されている。

ＭＣＵ１０は、予め定めたプログラムに従って各種の処理や制御などを行う中央演算処理装置（ＣＰＵ）１１と、ＣＰＵ１１のためのプログラム等を格納した読み出し専用のメモリであるＲＯＭ１２と、各種のデータを格納するとともにＣＰＵ１１の処理作業に必要なエリアを有する読み出し書き込み自在のメモリであるＲＡＭ１３と、電気的に書き込みおよび消去が可能な不揮発性メモリであるＥＥＰＲＯＭ１４とを有している。ＣＰＵ１１は、ＲＯＭ１２に記憶されている駆動制御プログラム等を実行することで、ガスセンサ部４０の駆動制御を行う。

ＣＰＵ１１は、請求項における濃度出力取得手段（図１の１１ａ）、経時量取得手段（図１の１１ｂ）、センサ感度取得手段（図１の１１ｃ）、検知濃度取得手段（図１の１１ｄ）および通電制御手段（図１の１１ｅ）として働く。ＲＯＭ１２は、請求項における記憶手段として働く。

駆動電源２０は、既成の商用電源や電池等が用いられ、ガス検知装置１のＭＣＵ１０、ガスセンサ部４０等の各部の動作に必要な直流電力を生成し各部に供給して動作させる。

出力部３０は、ＭＣＵ１０からの指示に応じて被検知ガスの検知濃度、ガス種等の各種データを出力する。出力部３０は、例えば、検知濃度等を表示する場合はＬＣＤ（液晶ディスプレイ）が用いられ、ガスの種類を色分け、点滅等で表示する場合はＬＥＤおよび駆動回路が用いられる。また、可聴信号にてガス検知結果を出力する場合はブザー、スピーカーおよび出力回路等が用いられる。

ガスセンサ部４０は、吸着した被検知ガスに感応したセンサ出力を出力する接触燃焼式ガスセンサ４１と、該接触燃焼式ガスセンサ４１を駆動する駆動部４２と、センサ出力部４３とを有している。

接触燃焼式ガスセンサ４１は、白金（Ｐｔ）ヒータ上に吸着ガスが燃焼可能な触媒を有する感応素子部Ｒｓと触媒を有さない補償素子部Ｒｒで構成され、両素子部が同一チップ上に構成されており、ＣＰＵ１１から駆動パルス信号が供給されて、低温駆動および高温駆動が交互するように間欠的に駆動される。

具体的には、図３に示すように、感応素子部Ｒｓは、白金（Ｐｔ）ヒータ４１２および白金族、たとえばパラジウム（Ｐｄ）を担持したアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）からなるＰｄ／Ａｌ₂Ｏ₃触媒層４１３を含み、補償素子部Ｒｒは、白金（Ｐｔ）ヒータ４１４およびアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）層４１５を含む。

詳しくは、図３（Ａ）に示すように、この接触燃焼式ガスセンサ４１は、シリコン（Ｓｉ）ウエハ４１１の上に、酸化シリコン（ＳｉＯ₂）膜、窒化シリコン（ＳｉＮ）膜および酸化ハフニウム（ＨｆＯ₂）膜等からなる絶縁薄膜４１８が成膜され、その上に、感応素子部Ｒｓとして白金（Ｐｔ）ヒータ４１２およびＰｄ／Ａｌ₂Ｏ₃触媒層４１３、補償素子部Ｒｒとして白金（Ｐｔ）ヒータ４１４およびアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）層４１５が形成されている。また、図３（Ｂ）に示すように、異方性エッチングして凹部４１６および４１７を形成して、それぞれ薄膜ダイアフラムＤｓおよびＤｒを形成することにより熱容量を小さくしている。

このように、感応素子部Ｒｓおよび補償素子部Ｒｒは、白金ヒータ４１２，４１４上に触媒層およびアルミナ層を構成し、感応素子部Ｒｓ側の触媒層には被検知ガスが吸着し、補償素子部Ｒｒ側のアルミナ層には被検知ガスが吸着しない構造となっている。そして、ヒータ温度が被検知ガスの燃焼温度まで加熱されると、感応素子部Ｒｓ側に吸着した被検知ガスが燃焼し、補償素子部Ｒｒ側よりも感応素子部Ｒｓ側のヒータ温度が高温になる。そして、白金ヒータ４１２および４１４の抵抗値は、温度に対して一定に増加するため、前述の燃焼による温度差は、白金ヒータ４１２および４１４の抵抗値の差として検出可能となっている。接触燃焼式ガスセンサ４１は、上述の構成により、熱容量が十分に小さく高速応答が可能となっている。

駆動部４２は、感応素子部Ｒｓの白金（Ｐｔ）ヒータ４１２および補償素子部Ｒｒの白金（Ｐｔ）ヒータ４１４と共にブリッジ回路を構成する固定抵抗Ｒ１およびＲ２と、抵抗Ｒｂと、ｎｐｎ型のトランジスタＱ１とを有している。ブリッジ回路において、感応素子部Ｒｓおよび抵抗Ｒ２の接続点には、トランジスタＱ１のコレクタが接続され、そのベースが固定抵抗Ｒｂを介してＭＣＵ１０のＣＰＵ１１に接続され、そのエミッタが接地されている。また、補償素子部Ｒｒおよび抵抗Ｒ１の接続点には、駆動電源２０が接続されている。

このように構成された駆動部４２を駆動するために、ローレベルおよびハイレベルが交互する駆動パルスがＭＣＵ１０で生成され、固定抵抗Ｒｂを介してトランジスタＱ１のベースへ入力される。そして、トランジスタＱ１は、ベースにロー（Ｌ）レベルの駆動パルスが入力されるとオフ状態となって、ブリッジ回路への通電停止状態となり、またハイ（Ｈ）レベルの駆動パルスが入力されるとオン状態になって、ブリッジ回路への通電状態となる。したがって、ブリッジ回路には、駆動パルスに連動して、電源電圧の印加および遮断が行われることになる。

センサ出力部４３は、アンプ４３１と、Ａ／Ｄ変換器４３２と、可変抵抗Ｒ３とを有している。アンプ４３１は、オペアンプからなり、その反転入力端子および非反転入力端子に入力される、ブリッジ回路における抵抗Ｒ１およびＲ２の接続点と感応素子部Ｒｓおよび補償素子部Ｒｒの接続点とからの中間電圧Ｖ−およびＶ＋の電位差を増幅する。アンプ４３１の出力は、Ａ／Ｄ変換器４３２に入力される。Ａ／Ｄ変換器４３２は、その出力がＭＣＵ１０に接続されており、Ａ／Ｄ変換した結果をＭＣＵ１０へ出力する。

また、ゼロガス状態（被検知ガスが存在しない状態）では、ブリッジ回路は平衡状態を保ち、中間電圧Ｖ−，Ｖ＋の間に電位差が発生しないように設定されているが、ブリッジ回路を構成する各抵抗には微小なばらつきが存在し、ゼロガス状態（被検知ガスが存在しない状態）でもＲｒ：Ｒｓ＝Ｒ１：Ｒ２が成立しない場合がある。このような場合、ブリッジ回路が不平衡になると、中間電圧Ｖ−，Ｖ＋の間に電位差が発生する。この電位差は、固定抵抗Ｒ１，Ｒ２を微調整することでもゼロにすることはできるが、微小なばらつきを調整することは困難であるため、駆動電源２０に接続された可変抵抗Ｒ３から、アンプ４３１にオフセット電圧を入力し、可変抵抗Ｒ３を可変することにより電位差がゼロになるように調整することが可能な構成となっている。

このように構成されたガスセンサ部４０では、ブリッジ回路に駆動電源２０から直流電圧Ｖｂが印加され、ゼロガス時の中間電圧Ｖ−，Ｖ＋は共にＶｂ／２となっている。ここで、感応素子部Ｒｓに被検知ガスが吸着した場合、トランジスタＱ１へのハイ（Ｈ）レベルの駆動パルス信号の印加によりヒータに電流が流れて高温駆動され、センサが加熱されてその温度が被検知ガスの燃焼温度（たとえば、４００℃）まで上昇すると、吸着した被検知ガスが燃焼する。それにより、感応素子部Ｒｓ側のヒータ温度が補償素子部Ｒｒより高温になり、中間電位Ｖ＋はＶｂ／２より大きくなる。一方、固定抵抗Ｒ１，Ｒ２の中間電位Ｖ−は、常にＶｂ／２となっている。よって、中間電圧Ｖ＋およびＶ−の間に電位差が発生するが、被検知ガスの濃度が増加して多くの被検知ガスが吸着して燃焼するほど、その電位差も大きくなる。

以上のように、被検知ガスの濃度変化に伴い、感応素子部Ｒｓへのガス吸着量が変化することで、中間電位Ｖ＋、Ｖ−の電位差にガス濃度に依存した変化を得ることができる。そして、この変化をアンプ４３１で必要なだけ増幅して、Ａ／Ｄ変換器４３２でＡ／Ｄ変換した結果を、センサ出力としてＭＣＵ１０に出力している。

上述の構成において、熱容量が十分に小さく高速応答の可能な接触燃焼式ガスセンサ４１を２つの異なる周期を有する駆動パルス信号で通電オン期間と通電オフ期間が交互するようにパルス駆動させることによって、エアベースおよびガス感度の取得が可能となる。特に、ＶＯＣ（揮発性有機化合物）などの吸着性のガスに対して有効で、センサ表面上への被検知ガス分子の吸着時間を飽和吸着時間より短くすることにより、ガス濃度を測定することができる。

図４は、駆動パルス信号の波形例のタイミングチャートを示す。図４において、通電オフの期間ａ１は、期間Ｂ０の通電オンによって一旦高温まで加熱された接触燃焼式ガスセンサ４１が、放熱して室温に戻るのに十分な期間であり、かつ被検知ガスの吸着がほとんど進行しない期間である。通常、この通電オフ期間ａ１は０．０５〜０．５秒であり、被検知ガス種、センサの熱容量によって多少異なる。この通電オフ期間ａ１は、請求項における第２の通電停止期間に相当する。

この後、通電オフ期間ａ１に続く通電オン期間Ａ１（＝Ｂ０）において、エアベース濃度出力Ｖａを取得する。このエアベース濃度出力Ｖａは、センサ表面に被検知ガス分子が吸着していない状態でのセンサ出力を表す電圧信号である。通電オン期間Ａ１は、請求項における第２の通電期間に相当する。また、エアベース濃度出力Ｖａを取得後の通電オフ期間ｂ１は、被検知ガス吸着期間であり、被検知ガス分子がセンサ表面上へ検出できる量になるまで吸着するのに十分な期間であり、通常１〜６０秒程度である。この通電オフ期間ｂ１は、請求項における第１の通電停止期間に相当する。その後、期間ｂ１に続く通電オンの期間Ｂ１（＝Ｂ０）において、計測濃度出力Ｖｇを取得する。この計測濃度出力Ｖｇは、センサ表面に被検知ガス分子が吸着して燃焼している状態でのセンサ出力を表す電圧信号である。通電オン期間Ｂ１は、請求項における第１の通電期間に相当する。そして、（計測濃度出力Ｖｇ−エアベース濃度出力Ｖａ）の演算により、被検知ガスの検知濃度出力を取得する。このように、通電オフ期間ａ１および通電オン期間Ａ１によるエアベース濃度測定期間Ｐａと、通電オフ期間ｂ１および通電オン期間Ｂ１による被検知ガスの計測濃度測定期間Ｐｂとを含む期間Ｐを１周期とする通電パターンによって、接触燃焼式ガスセンサ４１は駆動される。

図５〜図７は、上述のように接触燃焼式ガスセンサ４１が駆動された時に実側されたエアベース濃度出力Ｖａ、計測濃度出力Ｖｇおよび検知濃度出力（Ｖｇ−Ｖａ）の各波形を示す図である。なお、図７の縦軸は、図５および６より拡大されている。

ところで、接触燃焼式ガスセンサ４１は、図８に示すように、経年変化により被検知ガスに対するセンサ出力の感度が低下する。これは、感応素子部Ｒｓにおいて、触媒表面に燃えカスの蓄積やシリコーン被毒の現象が発生するためである。これらの現象により、感応素子部Ｒｓの熱容量が増加し、エアベース濃度測定期間Ｐａおよび計測濃度測定期間Ｐｂの過渡期に温度上昇の遅れが発生する。この遅れにより、センサ出力の検出値が低下するため、その低下した値を検出することで、センサの経年変化量を取得することができる。

本発明では、取得した経時変化量を用いてセンサ感度の低下を補正するものである。以下、センサ感度の補正について説明する。

（１）まず、初期学習として、経年変化初期の接触燃焼式ガスセンサ４１をゼロガス状態（被検知ガスが存在しない状態）において駆動し、エアベース測定期間Ｐａの通電オン期間Ａ１において測定したエアベース濃度出力波形Ｖａを取得する。取得した通電オン期間Ａ１のエアベース濃度出力波形Ｖａを積分し、Ｖａ積分値を初期エアベース濃度値としてＥＥＰＲＯＭ１４に保存しておく。Ｖａ積分値は、繰り返し取得して平均処理をすることにより初期エアベース濃度値の精度を向上させることができる。

（２）次に、通常の被検知ガス検出を行い、計測濃度測定期間Ｐｂの通電オン期間Ｂ１において測定した計測濃度出力波形Ｖｇを取得する。計測濃度出力Ｖｇとエアベース濃度出力Ｖａの差（Ｖｇ−Ｖａ）が予め決められた一定値以下である場合（すなわち、被検知ガスの濃度が十分に低い場合）、エアベース濃度出力Ｖａの積分値を取得する。

（３）次に、予め計測しＲＯＭ１２に格納しておいた接触燃焼式ガスセンサ４１の経時量とＶａ積分値の関係（図９参照）に基づいて、上記（２）で取得したＶａ積分値に対応する経時量を求める。図９に示すように、Ｖａ積分値は、時間の経過（経時量）にしたがって初期値より小さくなる数値として表される。

（４）次に、上記（３）で求めた経時量より、予め計測しＲＯＭ１２に格納しておいた経時量とセンサ感度の関係（図８参照）を用いて、センサ感度を求める。図８に示すように、センサ感度は、時間の経過（経時量）にしたがって初期値１より小さくなる数値として表される。求めたセンサ感度は、ＥＥＰＲＯＭ１４へ格納し、次に（２）の条件が成立するまで保持する。

（５）次に、エアベース濃度の変動の影響をなくすため、計測濃度出力Ｖｇからエアベース濃度出力Ｖａを減算し（Ｖｇ−Ｖａ）、減算結果に、ＥＥＰＲＯＭ１４に格納したセンサ感度による補正を行って、検知濃度を得る。

（６）上記（２）〜（５）の手順を繰り返す。

このようにして、接触燃焼式ガスセンサ４１の経年変化に対する補正が行われた検知濃度を取得することができる。上記では、エアベース濃度出力として通電オン期間Ａ１のＶａの積分値を使用しているが、積分値に限らず通電オン期間Ａ１中の所定タイミングにおける瞬時値を使用しても良い。また、上記（２）において、Ｖａ積分値が複数回取得されるまで（３）および（４）の作業を保留し、複数回のＶａ積分値を平均処理してから用いることで精度を向上させることができる。

次に、上述したＲＯＭ１２に予め記憶されているガス濃度測定処理プログラムにしたがってＣＰＵ１１が実行するガス検知処理の一例を、図１０のフローチャートを参照して以下に説明する。

まず、予め測定しＲＯＭ１２に格納されている接触燃焼式ガスセンサ４１の標準経年変化特性（図９参照）は、以下の回帰式の通りであったとする。
itg＿base＝itg＿base０×exp ^(-0.018×^age)・・・（１）
ここで、itg＿base：被検ガスの検知時のＶａ積分値、itg＿base０：経年変化初期におけるＶａ積分値、age ：経時量である。

また、予め測定しＲＯＭ１２に格納されている接触燃焼式ガスセンサ４１のセンサ感度標準経年変化特性（図８参照）は、以下の回帰式の通りであったとする。
sense ＝exp ^(-0.0087×^age)・・・（２）
ここで、sense ：センサ感度である。

そこで、まず、初期エアベース濃度出力Ｖａの積分値を取得済みか否かを判定する（ステップＳ１）。初期エアベース濃度出力Ｖａの積分値を取得済みでなければ、次に、経年変化初期の接触燃焼式ガスセンサ４１を図４に示す駆動パルス信号で駆動し、エアベース測定期間Ｐａにおいてゼロガス状態（被検知ガスが存在しない状態）で測定したエアベース濃度出力波形Ｖａの積分値itg＿baseをｎ回取得する（ステップＳ２）。次に、ｎ回取得したＶａ積分値を平均処理し、itg＿base平均値を初期エアベース濃度値itg＿base０としてＥＥＰＲＯＭ１４に保存する（ステップＳ３）。次に、センサ感度sense の初期値をＥＥＰＲＯＭ１４に保存する（ステップＳ４）。

ステップＳ４に続いて、（または、ステップＳ１で初期エアベース濃度出力Ｖａの積分値を取得済みであれば、次いで、）ＥＥＰＲＯＭ１４に保存された初期エアベース濃度値itg＿base０および初期センサ感度sense を読み込む（ステップＳ５）。次に、接触燃焼式ガスセンサ４１を図４に示す駆動パルス信号で駆動し、エアベース測定期間Ｐａにおいてゼロガス状態（被検知ガスが存在しない状態）で測定したエアベース濃度出力Ｖａの積分値itg＿baseを取得する（ステップＳ６）。次に、計測濃度測定期間Ｐｂにおいて通常の被検知ガスの測定を行い、測定した計測濃度出力Ｖｇの積分値itg＿gas を取得する（ステップＳ７）。

次に、以下の式（３）で示すように、測定した計測濃度出力Ｖｇの積分値からエアベース濃度出力Ｖａ積分値を減算した値にセンサ感度sense の補正を行って検知濃度gas を算出して出力する（ステップＳ８）。
gas ＝（itg＿gas −itg＿base）／sense ・・・（３）

次に、算出した検知濃度gas が、予め決められた一定値より低い濃度になっているか否かを判定する（ステップＳ９）。検知濃度gas が、一定値より低い濃度になっていなければ、次いでステップＳ６に戻り、なっていれば次いでステップＳ１０に進む。

ステップＳ１０で、エアベース濃度出力Ｖａの積分値itg＿baseと初期エアベース濃度値itg＿base０とを用い、上記式（１）を変換した以下の式（４）に代入して経時量age を算出する。
age ＝lｎ（itg＿base／itg＿base０）／（−０．０１８）・・・（４）

次に、求めた経時量age より式（２）を用いて、センサ感度sense を求め、ＥＥＰＲＯＭ１４へ保存し（ステップＳ１１）、次いでステップＳ６に戻り、以下ステップＳ６〜Ｓ１１の作業を繰り返す。

ステップＳ１１で取得されたセンサ感度sense は、次にステップＳ９の条件（すなわち、検知濃度gas が、予め決められた一定値より低い濃度になっていること）が成立して更新されるまでＥＥＰＲＯＭ１４に保持される。

以上の説明から明らかなように、図１０のステップＳ６は請求項におけるエアベース濃度出力取得ステップに対応し、ステップＳ７は請求項における計測濃度出力取得ステップに対応し、ステップＳ８は請求項における検知濃度取得ステップに対応し、ステップＳ９およびＳ１０は請求項における経時量取得ステップに対応し。ステップＳ１１は請求項におけるセンサ感度取得ステップに対応している。

図１１は、補正前および補正後の一定濃度の検知濃度出力と経時量の関係を示す図である。図１１から、接触燃焼式ガスセンサ４１の経年変化に対する補正がない場合の特性に比して、補正がある場合の特性は、時間がたってもほぼ一定になっていることが分かる。

以上説明したように、被検知ガスの検知濃度は、接触燃焼式ガスセンサ４１の経年変化を補正して出力される。なお、上記のフローチャートでは、ステップＳ９〜Ｓ１１において、被検知ガスの濃度が十分に低いとき、itg＿baseを用いて経時量およびセンサ感度を算出して保存している。itg＿baseは、ガス濃度に対して感度が低いため、低濃度の環境であればゼロガス状態（被検知ガスが存在しない状態）として扱うことが可能である。たとえば、１ｐｐｍ程度の精度が要求される場合、被検知ガス濃度０〜０．３ｐｐｍ程度までは、ゼロガス状態として扱うことができる。このように扱うことにより、検出精度を向上させることができる。

また、上記のフローチャートでは、ステップＳ１０およびＳ１１において、ステップＳ６で検出されたエアベース濃度検出値itg＿baseを用いて、経時量age とセンサ感度sense の推定を行っている。この推定を行う際に用いるＶａの積分値itg＿baseと初期Ｖａの積分値itg＿base０は、複数回の検出値を平均処理して用いることで、検出精度を向上させることも可能である。

以上説明したように、本発明によれば、以下の効果が得られる。
（１）センサと検出回路などの最小の構成で接触燃焼式ガスセンサ４１の経年変化に対する補正が可能である。
（２）校正用の標準ガスが不要である。
（３）小型で校正が簡単である。
（４）連続モニタが可能である。

以上の通り、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限らず、種々の変形、応用が可能である。

たとえば、上述の実施の形態では、エアベース濃度出力Ｖａと計測濃度出力Ｖｇを取得するのに、駆動パルス信号における通電オフ期間ａ１および通電オン期間Ａ１の時間長を変える吸着時間差方式を用いている。この吸着時間差方式は、接触燃焼式ガスセンサ４１への吸着時間を制御することで、被検知ガスが存在する雰囲気中でもゼロガス状態に近い状態でエアベース濃度出力の検出を可能とするものである。本発明は、この吸着時間差方式に代えて、被検知ガスが存在する雰囲気を活性炭などのフィルタを通過させることにより被検知ガスを吸収してゼロガス状態を生成し、エアベース濃度出力Ｖａの積分値itg＿baseを取得するように構成しても、同様に接触燃焼式ガスセンサ４１の経年劣化に対する補正を行うことが可能である。フィルタ方式の場合は、吸着時間差方式よりもほぼ被検知ガスが存在しないゼロガス状態を得ることができる。

本発明のガス検知装置の基本構成を示す基本構成図である。本発明の実施の形態に係るガス検知装置の構成を示すブロック図である。図２中の接触燃焼式ガスセンサの構成例を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は（Ａ）におけるＸ−Ｘ線断面図である。接触燃焼式ガスセンサを駆動する駆動パルス信号の波形例のタイミングチャートである。接触燃焼式ガスセンサが駆動された時に実側されたエアベース濃度出力Ｖａ波形を示す図である。接触燃焼式ガスセンサが駆動された時に実側された計測濃度出力Ｖｇおよび検知濃度出力（Ｖｇ−Ｖａ）の波形を示す図である。接触燃焼式ガスセンサが駆動された時に実側された検知濃度出力（Ｖｇ−Ｖａ）の波形を示す図である。経時量とセンサ感度の関係を示す特性図である。経時量とエアベース濃度出力Ｖａ積分値の関係を示す特性図である。図２中のＣＰＵが実行するガス検知処理の一例を示すフローチャートである。補正前および補正後の一定濃度の検知濃度出力と経時量の関係を示す図である。

符号の説明

１ガス検知装置
１１ＣＰＵ
１１ａ濃度出力取得手段（ＣＰＵ）
１１ｂ経時量取得手段（ＣＰＵ）
１１ｃセンサ感度取得手段（ＣＰＵ）
１１ｄ検知濃度取得手段（ＣＰＵ）
１１ｅ通電制御手段（ＣＰＵ）
１２記憶手段（ＲＯＭ）
１４ＥＥＰＲＯＭ
４１接触燃焼式ガスセンサ

Claims

被検知ガスが吸着した状態において前記被検知ガスが燃焼する燃焼温度に加熱された時に前記被検知ガスの濃度を計測すると共に、前記被検知ガスが吸着していない状態において前記燃焼温度に加熱された時にエアベース濃度を計測する接触燃焼式ガスセンサと、
前記接触燃焼式ガスセンサで計測された前記被検知ガスの濃度を表す計測濃度出力を取得すると共に、前記接触燃焼式ガスセンサで計測された前記エアベース濃度を表すエアベース濃度出力を取得する濃度出力取得手段と、
経時量と前記エアベース濃度出力の関係、および経時量とセンサ感度の関係を予め記憶する記憶手段と、
前記濃度出力取得手段で取得された前記計測濃度出力と前記エアベース濃度出力の差が予め決められた一定値以下の場合に、前記濃度出力取得手段で取得された前記エアベース濃度出力と、前記記憶手段に予め記憶されている経時量と前記エアベース濃度出力の関係とに基づいて経時量を取得する経時量取得手段と、
前記経時量取得手段で取得された前記経時量と、前記記憶手段に予め記憶されている経時量とセンサ感度の関係とに基づいてセンサ感度を求めるセンサ感度取得手段と、
前記濃度出力取得手段で取得された前記計測濃度出力と前記エアベース濃度出力の差に、前記センサ感度取得手段で取得された前記センサ感度による補正を行って前記被検知ガスの検知濃度を取得する検知濃度取得手段と、
を備えていることを特徴とするガス検知装置。
請求項１記載のガス検知装置において、
前記被検知ガスが吸着するように前記接触燃焼式ガスセンサへの通電を第１の通電停止期間の間停止した後に、吸着した前記被検知ガスを燃焼する前記燃焼温度となるように第１の通電期間の間通電し、続いて、前記被検知ガスが吸着しないように前記接触燃焼式ガスセンサへの通電を前記第１の通電停止期間より短い第２の通電停止期間の間停止した後に、前記燃焼温度となるように前記第１の通電期間と等しい第２の通電期間の間通電する制御を行う通電制御手段をさらに備え、
前記濃度出力取得手段は、前記第１の通電期間の間に前記計測濃度出力を取得し、前記第２の通電期間の間に前記エアベース濃度出力を取得することを特徴とするガス検知装置。
請求項２記載のガス検知装置において、
前記濃度出力取得手段は、前記エアベース濃度出力を積分値または瞬時値として取得することを特徴とするガス検知装置。
請求項３記載のガス検知装置において、
前記濃度出力取得手段は、前記積分値または瞬時値を複数回取得して平均処理した値を前記エアベース濃度出力として取得することを特徴とするガス検知装置。
接触燃焼式ガスセンサに被検知ガスが吸着した状態において被検知ガスが燃焼する燃焼温度に加熱された時に被検知ガスの濃度を計測し、計測された前記被検知ガスの濃度を表す計測濃度出力を取得する計測濃度出力取得ステップと、
前記被検知ガスが吸着していない状態において前記燃焼温度に加熱された時にエアベース濃度を計測し、計測された前記エアベース濃度を表すエアベース濃度出力を取得するエアベース濃度出力取得ステップと、
前記計測濃度取得ステップで取得された前記計測濃度出力と前記エアベース濃度出力取得ステップで取得された前記エアベース濃度出力の差が予め決められた一定値以下の場合に、前記エアベース濃度出力と、記憶手段に予め記憶されている経時量と前記エアベース濃度出力の関係とに基づいて経時量を取得する経時量取得ステップと、
前記経時量取得ステップで取得された前記経時量と、前記記憶手段に予め記憶されている経時量とセンサ感度の関係とに基づいてセンサ感度を求めるセンサ感度取得ステップと、
前記計測濃度取得ステップで取得された前記計測濃度出力と前記エアベース濃度出力取得ステップで取得された前記エアベース濃度出力の差に、前記センサ感度取得ステップで取得された前記センサ感度の補正を行って前記被検知ガスの検知濃度を取得する検知濃度取得ステップと、
を備えていることを特徴とするガス検知方法。