JP7659469B2 - Gas sensor and method for correcting gas sensor - Google Patents
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Description
本発明は、ガスセンサ、及びガスセンサの補正方法に関する。 The present invention relates to a gas sensor and a method for correcting a gas sensor.
ガスセンサの出力(センサ感度)は経時劣化により変化するため、その経時劣化による変化に応じてセンサ感度を補正することが行われている(例えば、特許文献1,2等参照)。特許文献1には、測定用検出部と補正用検出部とを備えるガスセンサ素子を用い、両検出部の出力の比較結果に応じて測定用検出部のセンサ感度を補正する方法が記載されている。また、特許文献2には、接触燃焼式ガスセンサにおけるエアベース出力と経時量とガスセンサの感度との関係を予めROM(Read Only Memory)に格納しておき、燃焼時の被検ガスに対する出力とエアベース出力との差が一定値以下の場合に、経時量とセンサ感度とをROMから取得してセンサ感度を補正する方法が記載されている。
Since the output (sensor sensitivity) of a gas sensor changes due to deterioration over time, the sensor sensitivity is corrected in response to the change due to deterioration over time (see, for example,
特許文献1に記載の補正方法は、測定用と補正用との複数の検出部が必要となりコスト増となる。また、環境中には微量の可燃性ガス(VOC:Volatile Organic Compounds)や水蒸気が存在し、環境温度も変化するところ、これら(濃度、湿度、温度)の微量な変化によりエアベース出力にゆらぎが生じる。特許文献2に記載の補正方法は、環境の影響によるエアベース出力のゆらぎを考慮していない分、センサ感度の経時劣化による変化量の検知精度に劣る。
The correction method described in
本発明は、上記事情に鑑み、ガスセンサの出力の経時劣化による変化に応じてガスセンサの出力を適切に補正すると共にコスト増を抑えることができるガスセンサ、及びガスセンサの補正方法を提供することを目的とする。 In view of the above circumstances, the present invention aims to provide a gas sensor and a method for correcting a gas sensor that can appropriately correct the output of the gas sensor in response to changes in the output of the gas sensor due to deterioration over time while suppressing increases in costs.
本発明のガスセンサは、センサ出力又は被検ガスの検知を判定するための閾値を補正する補正部を備えるガスセンサであって、前記補正部は、被検ガスが存在しない環境でのセンサ出力であるエアベース出力を取得して前記エアベース出力のゆらぎ又は変動幅の低下の度合を求め、求めた前記エアベース出力のゆらぎ又は変動幅の低下の度合に応じて、センサ出力又は被検ガスの検知を判定するための閾値を補正する。 The gas sensor of the present invention is a gas sensor equipped with a correction unit that corrects the sensor output or the threshold value for determining the detection of the test gas. The correction unit acquires an air base output, which is the sensor output in an environment in which the test gas is not present, determines the degree of the decrease in the fluctuation or fluctuation range of the air base output, and corrects the sensor output or the threshold value for determining the detection of the test gas according to the determined degree of the decrease in the fluctuation or fluctuation range of the air base output.
本発明のガスセンサの補正方法は、コンピューターを用いてセンサ出力又は被検ガスの検知を判定するための閾値を補正するガスセンサの補正方法であって、被検ガスが存在しない環境でのセンサ出力であるエアベース出力を取得して前記エアベース出力のゆらぎ又は変動幅の低下の度合を求め、求めた前記エアベース出力のゆらぎ又は変動幅の低下の度合に応じて、センサ出力又は被検ガスの検知を判定するための閾値を補正する。 The gas sensor correction method of the present invention is a gas sensor correction method that uses a computer to correct the sensor output or the threshold value for determining the detection of the test gas, and obtains the air base output, which is the sensor output in an environment in which the test gas is not present, and calculates the degree of the decrease in the fluctuation or fluctuation range of the air base output, and corrects the sensor output or the threshold value for determining the detection of the test gas according to the degree of the decrease in the fluctuation or fluctuation range of the air base output.
本発明によれば、ガスセンサの出力の経時劣化による変化に応じてガスセンサの出力を適切に補正すると共にコスト増を抑えることができる。 The present invention makes it possible to appropriately correct the output of the gas sensor in response to changes in the output of the gas sensor due to deterioration over time, while suppressing increases in costs.
以下、本発明を好適な実施形態に沿って説明する。なお、本発明は以下に示す実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、以下に示す実施形態においては、一部構成の図示や説明を省略している箇所があるが、省略された技術の詳細については、以下に説明する内容と矛盾点が発生しない範囲内において、適宜公知又は周知の技術が適用される。 The present invention will be described below in accordance with a preferred embodiment. Note that the present invention is not limited to the embodiment described below, and can be modified as appropriate without departing from the spirit of the present invention. In addition, in the embodiment described below, some configurations are omitted from illustration and description, but for the details of the omitted technology, publicly known or well-known technology is applied as appropriate within the scope of not causing any inconsistencies with the contents described below.
図1は、本発明の一実施形態に係るガスセンサ1の概略構成を示す図である。この図に示すガスセンサ1は、検知素子20と補償素子30とを2辺とするブリッジ回路40を備える接触燃焼式(又は吸着燃焼式)のガスセンサである。このガスセンサ1が検知する被検ガスとしては、メタン、水素、プロパン、ブタン等を例示できる。なお、吸着燃焼式とは、パルス電圧がOFF又はLOW電圧の期間に被検ガスの分子が検知素子20の触媒に吸着し、パルス電圧がON又はHIGH電圧になった時に当該ガス分子が検知素子20の触媒上で燃焼しセンサ出力が得られるというガス検知方式である。
Figure 1 is a diagram showing the schematic configuration of a
検知素子20は、ヒーター21と、ヒーター21を覆う検知部22とを備える。また、補償素子30は、ヒーター31と、ヒーター31を覆う補償部32とを備える。ヒーター21,31としては、マイクロチップ上にパターニングされたマイクロヒーター等を例示できる。また、ヒーター21,31の材料としては白金(Pt)等を例示できる。
The
検知部22は、酸化反応に触媒活性を持つ物質で構成されている。この検知部22は、触媒と、触媒を担持する触媒担体とを備える。検知部22の触媒の材料としては、白金、パラジウム(Pd)、イリジウム(Ir)、ルテニウム(Ru)、ロジウム(Rh)等の白金族系や、金(Au)、銀(Ag)、銅(Cu)、ニッケル(Ni)、コバルト(Co)等のその他の金属を例示できる。また、検知部22の触媒担体の材料としては、アルミナ(Al2O3)、酸化チタン(TiO2)、酸化セリウム(CeO2)、酸化スズ(SnO2)等を例示できる。補償部32は、酸化反応に触媒活性を持たない物質で構成されている。また、補償部32は、検知部22の触媒担体と同様の材料で構成されている。
The
ガスセンサ1では、ヒーター21により数百度に加熱された検知部22に可燃性の被検ガスの分子が接触(又は吸着)すると、検知部22上で接触燃焼反応(又は吸着燃焼反応)が起こり、その反応熱によりヒーター21の温度が上昇して抵抗値が増大する。他方で、補償素子30の補償部32に可燃性の被検ガスの分子が接触(又は吸着)しても接触燃焼反応(又は吸着燃焼反応)は起きない。このようなガスセンサ1では、ヒーター21の抵抗値の変化をブリッジ回路40によりセンサ出力として取得して被検ガスを検知したり被検ガスの濃度を同定したりする。
In the
ブリッジ回路40は、一対の並列回路40A,40Bと、電源41とを備える。この一対の並列回路40A,40Bは、電源41の正極に接続された導線から分岐する。分岐した一対の並列回路40A,40Bは、可変抵抗VRを介して電源41の負極に接続された導線に再結合する。一方の並列回路40Aにおいて、検知素子20と、補償素子30とが直列で接続されている。他方の並列回路40Bにおいては、一対の固定抵抗R1,R2が直列で接続されている。本実施形態では、検知素子20が電源41の正極側に配され、補償素子30が電源41の負極側に配されている。
The
ブリッジ回路40は、検知素子20と補償素子30との間に接続された端子42と、固定抵抗R1と固定抵抗R2との間に接続された端子43とを備え、端子42と端子43との電位差である出力電圧VoutをMCU(Micro Controller Unit)50に出力する。MCU50は、ブリッジ回路40をパルス駆動させると共にブリッジ回路40の出力電圧Voutに基づいて被検ガスを検知する。また、後述するように、MCU50は、エアベース出力VABのゆらぎに応じて出力電圧Voutを補正する。
The
図2は、ガスセンサ1のエアベース出力VAB[mV]を示すグラフである。このグラフに示すエアベース出力VABは、被検ガスが存在しない環境での出力電圧Voutである。ここで、環境中には微量の可燃性ガスや水蒸気が存在し、環境温度も変化するので、これら(濃度、湿度、温度)の微量な変化によりエアベース出力VABにゆらぎが生じる。なお、エアベース出力VABの「ゆらぎ」は、エアベース出力VABの初期値に対する長期的な変動を指すのではなく、エアベース出力VABの例えば600秒間等の短期的な変動を指す。
2 is a graph showing the air base output V AB [mV] of the
MCU50は、定期的にエアベース出力VABを取得し、エアベース出力VABのゆらぎを求める。エアベース出力VABの取得は、例えば、10秒間隔で600秒間継続する。エアベース出力VABのゆらぎとしては、短期間のエアベース出力VABの標準偏差や二乗平均ゆらぎや分散を例示でき、例えば600秒間に10秒間隔で取得された多数の値から求められる。
The
MCU50は、エアベース出力VABのゆらぎの初期値を求めてメモリー(図示省略)に格納している。MCU50は、エアベース出力VABのゆらぎを定期的に求め、メモリーに格納した初期値と比較し、エアベース出力VABのゆらぎの初期値に対する低下の度合を求める。そして、MCU50は、求めたエアベース出力VABのゆらぎの初期値に対する低下の度合に応じて、出力電圧Voutを補正する。
The
図3は、エアベース出力VABのゆらぎ(μV)と出力電圧Vout(mV)との関係を示すグラフである。このグラフには、被検ガスの濃度が1000ppmの環境中にガスセンサ1を設置した時のエアベース出力VABのゆらぎ(μV)と出力電圧Vout(mV)との関係を示している。このグラフに示すように、エアベース出力VABのゆらぎと出力電圧Voutとは比例関係にあり、エアベース出力VABのゆらぎが大きくなるほど出力電圧Voutが高くなる。
3 is a graph showing the relationship between the fluctuation (μV) of the air base output V AB and the output voltage V out (mV). This graph shows the relationship between the fluctuation (μV) of the air base output V AB and the output voltage V out (mV) when the
ここで、ガスセンサ1の使用開始当初では、検知素子20の検知部22の触媒が高活性を維持していることから、エアベース出力VABが相対的に高く、環境の影響によるエアベース出力VABのゆらぎも相対的に大きく現れる。それに対して、ガスセンサ1の使用期間が長期に亘ってくると、検知素子20の検知部22の触媒の劣化等(熱容量の大きな分子や被毒物質の触媒への吸着・固着等)により、エアベース出力VAB(感度)が相対的に低くなり、環境の影響によるエアベース出力VABのゆらぎも相対的に小さくなる。即ち、エアベース出力VABのゆらぎの低下の度合と、出力電圧Vout(感度)の低下の度合(劣化率)との間には相関がある。
Here, at the beginning of use of the
図4は、エアベース出力VABのゆらぎの低下の度合(変化率)と出力電圧Vout(感度)の低下の度合(劣化率)との関係を示すグラフである。このグラフに示すように、エアベース出力VABのゆらぎの変化率と感度の劣化率とは比例関係にあり、エアベース出力VABのゆらぎの変化率が大きくなるほど出力電圧Voutの劣化率が高くなる。 4 is a graph showing the relationship between the degree of decrease (rate of change) in the fluctuation of the air base output V AB and the degree of decrease (rate of deterioration) in the output voltage V out (sensitivity). As shown in this graph, the rate of change in the fluctuation of the air base output V AB and the rate of deterioration of the sensitivity are in a proportional relationship, and the greater the rate of change in the fluctuation of the air base output V AB , the higher the rate of deterioration of the output voltage V out .
そこで、本実施形態のガスセンサ1では、MCU50が、エアベース出力VABのゆらぎの初期値に対する変化率を求め、求めた変化率に応じた補正係数を出力電圧Voutに乗じることにより、ガスセンサ1の出力電圧Voutを補正する。
Therefore, in the
以上説明したように、本実施形態のガスセンサ1では、MCU50が、エアベース出力VABを取得してエアベース出力VABのゆらぎの低下の度合を求め、求めたエアベース出力VABのゆらぎの低下の度合に応じて、出力電圧Voutを補正する。これによって、校正用のセンサ素子を備えることなく(検知用のセンサ素子のみで)、被検ガスに対するセンサ出力(感度)の経時劣化の影響を考慮した、出力電圧Voutの補正を実行できる。従って、ガスセンサ1の出力電圧Voutの経時劣化による変化に応じてガスセンサ1の出力電圧Voutを適切に補正すると共にガスセンサ1のコスト増を抑えることができる。
As described above, in the
また、校正用のガスを使用することなく、且つ、作業者がガスセンサ1の設置現場に赴くことなく、ガスセンサ1の出力電圧Voutの経時劣化による変化に応じてガスセンサ1の出力電圧Voutを適切に補正することができる。
In addition, the output voltage Vout of the
以上、上記実施形態に基づき本発明を説明したが、本発明は上記実施形態に限られるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、変更を加えてもよいし、適宜公知や周知の技術を組み合わせてもよい。 The present invention has been described above based on the above embodiment, but the present invention is not limited to the above embodiment, and modifications may be made without departing from the spirit of the present invention, and publicly known or well-known technologies may be appropriately combined.
例えば、上記実施形態では、エアベース出力VABのゆらぎの低下の度合に応じて、出力電圧Voutを補正したが、出力電圧Voutの補正に代えて、被検ガスの有無を判断するための閾値を補正してもよい。この場合、エアベース出力VABのゆらぎの低下の度合が大きくなるほど、被検ガスの有無を判断するための閾値を低くすればよい。 For example, in the above embodiment, the output voltage Vout is corrected according to the degree of reduction in the fluctuation of the air base output VAB , but instead of correcting the output voltage Vout , the threshold value for determining the presence or absence of the detected gas may be corrected. In this case, the greater the degree of reduction in the fluctuation of the air base output VAB , the lower the threshold value for determining the presence or absence of the detected gas.
また、上記実施形態では、エアベース出力VABのゆらぎの低下の度合を求め、求めたエアベース出力VABのゆらぎの低下の度合に応じて、出力電圧Voutを補正した。しかしながら、エアベース出力VABのゆらぎに代えて、エアベース出力VABの最大値と最小値との差である変動幅の低下の度合を求め、求めたエアベース出力VABの変動幅の狭小化の度合に応じて、出力電圧Voutの補正や被検ガスの有無を判断するための閾値の補正を行ってもよい。なお、エアベース出力VABの変動幅を求める際には、特異値を除く等の処理を行うことにより、出力電圧Voutや閾値の補正の精度を向上できる。 In the above embodiment, the degree of reduction in the fluctuation of the air base output V AB is obtained, and the output voltage V out is corrected in accordance with the obtained degree of reduction in the fluctuation of the air base output V AB . However, instead of the fluctuation of the air base output V AB , the degree of reduction in the fluctuation range, which is the difference between the maximum and minimum values of the air base output V AB , may be obtained, and the output voltage V out and the threshold value for determining the presence or absence of the test gas may be corrected in accordance with the obtained degree of narrowing of the fluctuation range of the air base output V AB. When the fluctuation range of the air base output V AB is obtained, the accuracy of the correction of the output voltage V out and the threshold value can be improved by performing a process such as removing singular values.
また、上記実施形態では、接触燃焼式(又は吸着燃焼式)のガスセンサ1を例に挙げたが、半導体式や熱線半導体式等の他の方式のガスセンサにも本発明を適用できる。さらに、本発明のガスセンサは、ガス警報器のみならず、携帯型のチェッカーや定置式の装置等の様々なガス検知器に適用できる。
In the above embodiment, the catalytic combustion type (or adsorption combustion type)
1 ガスセンサ
50 MCU(補正部、コンピューター)
VAB エアベース出力
Vout 出力電圧(センサ出力)
1
V AB Air base output V out Output voltage (sensor output)
Claims (3)
前記補正部は、
被検ガスが存在しない環境でのセンサ出力であるエアベース出力を取得して前記エアベース出力のゆらぎ又は変動幅の低下の度合を求め、
求めた前記エアベース出力のゆらぎ又は変動幅の低下の度合に応じて、センサ出力又は被検ガスの検知を判定するための閾値を補正するガスセンサ。 A gas sensor including a correction unit that corrects a sensor output or a threshold value for determining detection of a test gas,
The correction unit is
An air base output, which is a sensor output in an environment in which the test gas is not present, is obtained, and a degree of reduction in the fluctuation or fluctuation range of the air base output is obtained;
The gas sensor corrects a threshold value for determining whether the sensor output or the detection of the test gas is detected, depending on the degree of the fluctuation or the decrease in the fluctuation range of the air base output.
被検ガスが存在しない環境でのセンサ出力であるエアベース出力を取得して前記エアベース出力のゆらぎ又は変動幅の低下の度合を求め、
求めた前記エアベース出力のゆらぎ又は変動幅の低下の度合に応じて、センサ出力又は被検ガスの検知を判定するための閾値を補正するガスセンサの補正方法。 A gas sensor calibration method for calibrating a sensor output or a threshold value for determining detection of a test gas using a computer, comprising the steps of:
An air base output, which is a sensor output in an environment in which the test gas is not present, is obtained, and a degree of reduction in the fluctuation or fluctuation range of the air base output is obtained;
A gas sensor correction method for correcting a sensor output or a threshold value for determining detection of a test gas in accordance with the degree of fluctuation or decrease in the fluctuation range of the air base output.
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