JP7829855B2 - Gas detection device, gas detection method, and gas detection program - Google Patents
Gas detection device, gas detection method, and gas detection programInfo
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Description
本発明は、気体検出装置、気体検出方法及び気体検出プログラムに関する。 This invention relates to a gas detection device, a gas detection method, and a gas detection program.
微小電子機械システム(Micro Electro Mechanical Systems、MEMS)を利用して形成され、水素等の所定の気体を検出する気体センサが知られている(例えば、非特許文献1~3を参照)。非特許文献1には、MEMSを利用して形成された気体センサによって消費電力を抑制しながら気体を高感度で検出する技術が記載されている。また、非特許文献2には、複数の元素を含有する気体を、定電力、定抵抗及び定エネルギー状態で気体センサによって測定することで、気体に含有される元素の含有率を推定する技術が記載される。さらに、非特許文献3には、-15℃から84℃の範囲において湿度が高い雰囲気中で、気体センサによって0%~4%の範囲で雰囲気中に含有される水素を検出する技術が記載される。 Gas sensors that utilize Micro Electro Mechanical Systems (MEMS) to detect specific gases such as hydrogen are known (see, for example, Non-Patent Documents 1-3). Non-Patent Document 1 describes a technique for detecting gases with high sensitivity while suppressing power consumption using a gas sensor formed using MEMS. Non-Patent Document 2 describes a technique for estimating the elemental content of a gas by measuring a gas containing multiple elements under constant power, constant resistance, and constant energy conditions using a gas sensor. Furthermore, Non-Patent Document 3 describes a technique for detecting hydrogen contained in an atmosphere in the range of 0% to 4% using a gas sensor in a high-humidity atmosphere within the temperature range of -15°C to 84°C.
非特許文献1~3に記載される技術では、気体センサにパルス電流を供給することによる気体センサの抵抗値の変化に基づいて水素を検出する。しかしながら、気体センサにパルス電流を供給するとき、気体センサに供給される電流量は、最小値及び最大値の2点のみであり、供給されるパルス電流から演算される気体センサの抵抗値を示す信号は、センサ周辺の環境に影響され、SN比が低くなり、気体の有無を誤判定するおそれがある。 The technologies described in Non-Patent Documents 1-3 detect hydrogen based on changes in the resistance value of a gas sensor caused by supplying a pulsed current to the sensor. However, when supplying a pulsed current to a gas sensor, the amount of current supplied to the sensor is limited to only two points: a minimum and a maximum value. The signal indicating the resistance value of the gas sensor, calculated from the supplied pulsed current, is affected by the surrounding environment, resulting in a low signal-to-noise ratio and potentially leading to misjudgment of the presence or absence of gas.
本発明は、このような課題を解決するものであり、気体の有無及び濃度を高精度で推定可能な気体検出装置を提供することを目的とする。 This invention aims to solve these problems and provide a gas detection device capable of accurately estimating the presence and concentration of gases.
本発明に係る気体検出装置は、温度の変化に応じて抵抗値が変化する導電体と、導電体に電気を供給する電源と、導電体から出力される電気特性を示す物理量を検出する電気センサと、導電体の周囲に存在する所定の気体の濃度を推定する推定装置と、を有し、推定装置は、導電体に供給される電気の量を徐々に変化させ、導電体に供給される電気の量を変化させる間に、電気センサによって検出された複数の物理量を取得し、導電体に供給される電気の量、及び取得した複数の物理量に基づいて、導電体の周囲に存在する気体の濃度を推定し、推定した気体の濃度を示す濃度信号を出力する。 The gas detection device according to the present invention comprises a conductor whose resistance changes in response to temperature changes, a power supply that supplies electricity to the conductor, an electrical sensor that detects physical quantities indicating the electrical characteristics output from the conductor, and an estimation device that estimates the concentration of a predetermined gas present around the conductor. The estimation device gradually changes the amount of electricity supplied to the conductor, acquires multiple physical quantities detected by the electrical sensor while changing the amount of electricity supplied to the conductor, estimates the concentration of the gas present around the conductor based on the amount of electricity supplied to the conductor and the acquired multiple physical quantities, and outputs a concentration signal indicating the estimated gas concentration.
さらに、本発明に係る気体検出装置では、電源は、導電体に電流を供給する電流源であり、電気センサは、導電体から出力される電圧を検出する電圧計であり、推定装置は、導電体に供給される電流量を変化させる間に、電圧計によって検出された複数の電圧値を取得し、導電体に供給される電流量、及び取得した複数の電圧値から演算される抵抗値及び電力に基づいて、導電体の周囲に存在する気体の量を推定することが好ましい。 Furthermore, in the gas detection device according to the present invention, the power supply is a current source that supplies current to the conductor, the electrical sensor is a voltmeter that detects the voltage output from the conductor, and the estimation device preferably acquires multiple voltage values detected by the voltmeter while changing the amount of current supplied to the conductor, and estimates the amount of gas present around the conductor based on the amount of current supplied to the conductor and the resistance value and power calculated from the acquired multiple voltage values.
さらに、本発明に係る気体検出装置では、電源は、導電体に電圧を印加する電圧源であり、電気センサは、導電体を流れる電流を検出する電流計であり、推定装置は、導電体に供給される電圧値を変化させる間に、電流計によって検出された複数の電流量を取得し、導電体に供給される電圧値、及び取得した複数の電流量から演算される抵抗値及び電力に基づいて、導電体の周囲に存在する気体の量を推定することが好ましい。 Furthermore, in the gas detection device according to the present invention, the power supply is a voltage source that applies voltage to the conductor, the electrical sensor is an ammeter that detects the current flowing through the conductor, and the estimation device preferably acquires multiple current amounts detected by the ammeter while changing the voltage value supplied to the conductor, and estimates the amount of gas present around the conductor based on the voltage value supplied to the conductor and the resistance value and power calculated from the acquired multiple current amounts.
さらに、本発明に係る気体検出装置では、導電体は、大気中に配置され、気体は、水素であることが好ましい。 Furthermore, in the gas detection device according to the present invention, the conductor is preferably placed in the atmosphere, and the gas is preferably hydrogen.
さらに、本発明に係る気体検出装置では、推定装置は、第1の量から第1の量よりも高い第2の量に導電体に供給される電気の量を徐々に増加させる供給処理を繰り返すことが好ましい。 Furthermore, in the gas detection device according to the present invention, it is preferable that the estimation device repeatedly performs a supply process that gradually increases the amount of electricity supplied to the conductor from a first amount to a second amount higher than the first amount.
さらに、本発明に係る気体検出装置では、推定装置は、導電体に供給される電気の量、及び取得した複数の物理量から、取得した複数の物理量が導電体から出力されるときに、導電体に投入された電力を演算し、導電体に供給される電気の量、取得した複数の物理量から、取得した複数の物理量が導電体から出力されるときの導電体の抵抗値を演算し、演算された電力及び抵抗値から、電力と抵抗値との相関関係を示す相関係数を演算し、相関係数に基づいて、導電体の周囲に存在する気体の濃度を推定することが好ましい。 Furthermore, in the gas detection device according to the present invention, it is preferable that the estimation device calculates the power supplied to the conductor when the acquired physical quantities are output from the conductor, based on the amount of electricity supplied to the conductor and the acquired physical quantities; calculates the resistance value of the conductor when the acquired physical quantities are output from the conductor, based on the amount of electricity supplied to the conductor and the acquired physical quantities; calculates a correlation coefficient showing the correlation between power and resistance from the calculated power and resistance; and estimates the concentration of gas present around the conductor based on the correlation coefficient.
さらに、本発明に係る気体検出装置では、相関係数は、演算された電力の変化量と演算された抵抗値の変化量との間の比率であることが好ましい。 Furthermore, in the gas detection device according to the present invention, the correlation coefficient is preferably the ratio between the calculated change in power and the calculated change in resistance.
さらに、本発明に係る気体検出装置では、供給処理において、推定装置は、導電体に供給される電気の量を第1の量から第2の量に増加させた後に、導電体に供給される電気の量を第2の量から第1の量に徐々に減少させることが好ましい。 Furthermore, in the gas detection device according to the present invention, in the supply process, it is preferable that the estimation device increases the amount of electricity supplied to the conductor from a first amount to a second amount, and then gradually decreases the amount of electricity supplied to the conductor from the second amount back to the first amount.
さらに、本発明に係る気体検出装置では、推定装置は、演算された電力を第1軸とし、演算された抵抗値を第2軸とする直交座標系において、取得した複数の物理量のそれぞれに対応するプロットに囲まれた領域の面積を相関係数として演算することが好ましい。 Furthermore, in the gas detection device according to the present invention, it is preferable that the estimation device calculates the correlation coefficient by using the area of the region enclosed by the plots corresponding to each of the acquired physical quantities in a Cartesian coordinate system where the calculated power is the first axis and the calculated resistance value is the second axis.
さらに、本発明に係る気体検出装置では、推定装置は、第2の量より第1の量に近い電気の量を供給するときに取得した物理量に基づいて、相関係数を補正することが好ましい。 Furthermore, in the gas detection device according to the present invention, it is preferable that the estimation device corrects the correlation coefficient based on the physical quantity obtained when supplying an amount of electricity closer to the first amount than the second amount.
さらに、本発明に係る気体検出装置では、推定装置は、最初に取得した物理量に基づいて、相関係数を補正することが好ましい。 Furthermore, in the gas detection device according to the present invention, it is preferable that the estimation device corrects the correlation coefficient based on the initially acquired physical quantity.
さらに、本発明に係る気体検出装置では、推定装置は、演算された電力及び抵抗値から、導電体に電気が供給されないときの抵抗値を推定し、推定された抵抗値と基準抵抗値との差が所定のしきい値差以上であるか否かを判定し、推定された抵抗値と基準抵抗値との差が所定のしきい値差以上であると判定したときに、導電体が劣化したことを示す警報信号を出力することが好ましい。 Furthermore, in the gas detection device according to the present invention, it is preferable that the estimation device estimates the resistance value when no electricity is supplied to the conductor from the calculated power and resistance values, determines whether the difference between the estimated resistance value and the reference resistance value is greater than or equal to a predetermined threshold difference, and outputs an alarm signal indicating that the conductor has deteriorated when it is determined that the difference between the estimated resistance value and the reference resistance value is greater than or equal to the predetermined threshold difference.
本発明に係る気体検出方法は、温度の変化に応じて抵抗値が変化する導電体に供給される電気の量を徐々に変化させ、導電体に供給される電気の量を変化させる間に、導電体から出力される電気特性を示す物理量を検出する電気センサによって検出された複数の物理量を取得し、導電体に供給される電気の量、及び取得した複数の物理量に基づいて、導電体の周囲に存在する気体の濃度を推定し、推定した気体の濃度を示す濃度信号を出力する。 The gas detection method according to the present invention gradually changes the amount of electricity supplied to a conductor whose resistance changes in response to temperature changes. While the amount of electricity supplied to the conductor is changing, multiple physical quantities are acquired by an electrical sensor that detects physical quantities indicating the electrical characteristics output from the conductor. Based on the amount of electricity supplied to the conductor and the acquired multiple physical quantities, the concentration of the gas present around the conductor is estimated, and a concentration signal indicating the estimated gas concentration is output.
本発明に係る気体検出プログラムは、温度の変化に応じて抵抗値が変化する導電体に供給される電気の量を徐々に変化させ、導電体に供給される電気の量を変化させる間に、導電体から出力される電気特性を示す物理量を検出する電気センサによって検出された複数の物理量を取得し、導電体に供給される電気の量、及び取得した複数の物理量に基づいて、導電体の周囲に存在する気体の濃度を推定し、推定した気体の濃度を示す濃度信号を出力する、処理をコンピュータに実行させる。 The gas detection program according to the present invention causes a computer to perform the following processing: gradually changing the amount of electricity supplied to a conductor whose resistance changes in response to temperature changes; acquiring multiple physical quantities detected by an electrical sensor that detects physical quantities indicating the electrical characteristics output from the conductor while the amount of electricity supplied to the conductor is changing; estimating the concentration of the gas present around the conductor based on the amount of electricity supplied to the conductor and the acquired multiple physical quantities; and outputting a concentration signal indicating the estimated gas concentration.
また、発明に係る気体検出装置は、温度の変化に応じて抵抗値が変化する導電体と、導電体に電気を供給する電源と、導電体から出力される電気特性を示す物理量を検出する電気センサと、導電体の周囲に所定の気体が存在か否かを判定する判定装置と、を有し、判定装置は、導電体に供給される電気の量を徐々に変化させ、導電体に供給される電気の量を変化させる間に、電気センサによって検出された複数の物理量を取得し、導電体に供給される電気の量、及び取得した複数の物理量に基づいて、導電体の周囲に気体が存在するか否かを判定し、導電体の周囲に気体が存在すると判定したときに、気体を検出したことを示す検出信号を出力する。 Furthermore, the gas detection device according to the invention comprises a conductor whose resistance changes in response to temperature changes, a power supply that supplies electricity to the conductor, an electrical sensor that detects physical quantities indicating the electrical characteristics output from the conductor, and a determination device that determines whether or not a predetermined gas is present around the conductor. The determination device gradually changes the amount of electricity supplied to the conductor, acquires multiple physical quantities detected by the electrical sensor while changing the amount of electricity supplied to the conductor, and determines whether or not a gas is present around the conductor based on the amount of electricity supplied to the conductor and the acquired multiple physical quantities. When it determines that a gas is present around the conductor, it outputs a detection signal indicating that a gas has been detected.
本発明に係る気体検出装置は、気体の有無及び濃度を高精度で推定することができる。 The gas detection device according to the present invention can estimate the presence and concentration of gas with high accuracy.
以下、図面を参照して、本発明に係る気体検出装置の一例である水素検出装置を説明する。ただし、本発明の技術的範囲はそれらの実施の形態には限定されず、特許請求の範囲に記載された発明とその均等物に及ぶ点に留意されたい。 The following describes a hydrogen detection device, an example of a gas detection device according to the present invention, with reference to the drawings. However, it should be noted that the technical scope of the present invention is not limited to these embodiments, but extends to the invention described in the claims and its equivalents.
(実施形態に係る水素検出装置の概要)
本発明の発明者らは、水素センサに供給される電流量を徐々に増加させた後に水素センサに供給される電流量を徐々に減少させることにより、従来の熱伝導式水素センサのように検出素子に加えて補償素子を配置することなく水素を検出することを見出した。実施形態に係る水素検出装置は、導電体である水素センサに供給される電流量を徐々に変化させる間に、電圧計によって検出された複数の電圧値を取得する。実施形態に係る水素検出装置は、水素センサに供給される電流量、及び水素センサから取得した複数の電圧値に基づいて、水素センサの周囲に存在する水素の濃度を推定し、推定した濃度を示す濃度信号を出力する。実施形態に係る水素検出装置は、水素センサに供給される電流量、及び水素センサに供給される電流量を変化させる間に水素センサから取得した複数の電圧値に基づいて、水素の濃度を推定することで、水素センサの周囲に存在する水素の濃度を高精度に推定できる。
(Overview of the hydrogen detection device according to the embodiment)
The inventors of the present invention have found that by gradually increasing the amount of current supplied to the hydrogen sensor and then gradually decreasing the amount of current supplied to the hydrogen sensor, hydrogen can be detected without arranging a compensation element in addition to the detection element, as is done in conventional thermal conduction type hydrogen sensors. The hydrogen detection device according to the embodiment acquires a plurality of voltage values detected by a voltmeter while gradually changing the amount of current supplied to the hydrogen sensor, which is a conductor. Based on the amount of current supplied to the hydrogen sensor and the plurality of voltage values acquired from the hydrogen sensor, the hydrogen detection device according to the embodiment estimates the concentration of hydrogen present around the hydrogen sensor and outputs a concentration signal indicating the estimated concentration. The hydrogen detection device according to the embodiment can estimate the concentration of hydrogen present around the hydrogen sensor with high accuracy by estimating the hydrogen concentration based on the amount of current supplied to the hydrogen sensor and the plurality of voltage values acquired from the hydrogen sensor while changing the amount of current supplied to the hydrogen sensor.
図1は、実施形態に係る水素検出装置の概要を説明するための図である。図1(a)は実施形態に係る水素検出装置の水素センサに供給される電流量を示し、図1(b)は図1(a)に示す電流量が水素センサに供給されることに応じて水素センサから出力される電圧値を示す。図1(c)は水素センサに供給される電流量と水素センサから出力される電圧値との相関関係を示し、図1(d)は水素センサに投入される電力と水素センサの抵抗値との間の相関関係を示す。図1に示す例では、水素センサは、直径が0.05mmであり且つ長さが88mmの白金(Pt)製のワイヤである。図1(a)において、横軸は時間であり、縦軸は水素センサに供給される電流量である。図1(b)において、横軸は時間であり、縦軸は水素センサから出力される電圧値である。図1(c)において、横軸は水素センサに供給される電流量であり、縦軸は水素センサから出力される電圧値である。図1(d)において、横軸は水素センサに投入される電力であり、左縦軸は水素センサの抵抗値であり、右縦軸は水素センサの温度変化量である。水素センサの温度変化量は、水素センサの抵抗値の変化量から抵抗温度係数TCRにより演算された。図1(b)~1(d)において、実線は水素センサの周囲の雰囲気を一気圧の窒素(N2)とした場合を示し、破線は水素センサの周囲の雰囲気を一気圧の水素(H2)とした場合を示す。図1(a)及び1(d)において、「1」~「21」の数字は、水素センサに供給される電流量を階段状に変化させたときのステップ数である。図1(d)において、四角印は窒素が100%である雰囲気における特性を示し、丸印は水素が100%である雰囲気における特性を示す。 Figure 1 is a diagram illustrating the overview of a hydrogen detection device according to an embodiment. Figure 1(a) shows the amount of current supplied to the hydrogen sensor of the hydrogen detection device according to the embodiment, and Figure 1(b) shows the voltage value output from the hydrogen sensor in response to the amount of current supplied to the hydrogen sensor as shown in Figure 1(a). Figure 1(c) shows the correlation between the amount of current supplied to the hydrogen sensor and the voltage value output from the hydrogen sensor, and Figure 1(d) shows the correlation between the power supplied to the hydrogen sensor and the resistance value of the hydrogen sensor. In the example shown in Figure 1, the hydrogen sensor is a platinum (Pt) wire with a diameter of 0.05 mm and a length of 88 mm. In Figure 1(a), the horizontal axis is time and the vertical axis is the amount of current supplied to the hydrogen sensor. In Figure 1(b), the horizontal axis is time and the vertical axis is the voltage value output from the hydrogen sensor. In Figure 1(c), the horizontal axis is the amount of current supplied to the hydrogen sensor and the vertical axis is the voltage value output from the hydrogen sensor. In Figure 1(d), the horizontal axis represents the power supplied to the hydrogen sensor, the left vertical axis represents the resistance of the hydrogen sensor, and the right vertical axis represents the temperature change of the hydrogen sensor. The temperature change of the hydrogen sensor was calculated from the change in the resistance of the hydrogen sensor using the temperature coefficient of resistance (TCR). In Figures 1(b) to 1(d), the solid line shows the case where the atmosphere surrounding the hydrogen sensor is nitrogen ( N2 ) at one atmosphere, and the dashed line shows the case where the atmosphere surrounding the hydrogen sensor is hydrogen ( H2 ) at one atmosphere. In Figures 1(a) and 1(d), the numbers "1" to "21" represent the number of steps when the amount of current supplied to the hydrogen sensor is changed in a stepwise manner. In Figure 1(d), the square marks indicate the characteristics in an atmosphere of 100% nitrogen, and the circles indicate the characteristics in an atmosphere of 100% hydrogen.
図1(a)に示すように、水素センサに供給される電流量は、0.0sから1.0sまでの間、階段状に10mAずつ徐々に増加され、1.0sから2.0sまでの間、階段状に10mAずつ徐々に減少された後、約0.7sに亘る休止期間が設定される。休止期間が設定されることで、水素センサの温度は室温より若干高い平衡温度まで低下する。 As shown in Figure 1(a), the current supplied to the hydrogen sensor is gradually increased in steps of 10 mA from 0.0 s to 1.0 s, then gradually decreased in steps of 10 mA from 1.0 s to 2.0 s, followed by a pause period of approximately 0.7 s. This pause period allows the hydrogen sensor's temperature to drop to an equilibrium temperature slightly above room temperature.
図1(b)及び1(c)に示すように、水素センサの周囲の雰囲気が窒素である場合と水素センサの周囲の雰囲気が水素である場合とで、水素センサに供給される電流量と水素センサから出力される電圧値との間の相関関係が相違する。水素センサの周囲の雰囲気が水素である場合、水素センサの周囲の雰囲気が窒素である場合よりも水素センサから出力される電圧値は低くなる。水素センサの周囲の雰囲気が水素である場合、水素は窒素よりも熱伝導率が高いため、水素センサの自己加熱による温度上昇に対する水素センサの周囲に存在する気体を介する熱損失による温度下降の割合が大きくなる。水素センサの周囲の雰囲気が水素である場合、自己加熱による温度上昇に対する熱損失による温度下降の割合が大きくなるので、水素センサの温度上昇が抑制され、水素センサから出力される電圧値は、水素センサの周囲の雰囲気が窒素である場合よりも低くなる。 As shown in Figures 1(b) and 1(c), the correlation between the amount of current supplied to the hydrogen sensor and the voltage output from the hydrogen sensor differs depending on whether the surrounding atmosphere is nitrogen or hydrogen. When the surrounding atmosphere is hydrogen, the voltage output from the hydrogen sensor is lower than when the surrounding atmosphere is nitrogen. This is because hydrogen has a higher thermal conductivity than nitrogen, so the ratio of temperature decrease due to heat loss through the surrounding gas to temperature rise due to self-heating is larger. Therefore, when the surrounding atmosphere is hydrogen, the temperature rise of the hydrogen sensor is suppressed, and the voltage output from the hydrogen sensor is lower than when the surrounding atmosphere is nitrogen.
実施形態に係る水素検出装置は、水素センサの周囲に存在することに起因する水素センサに供給される電流量及び水素センサから出力される電圧値の相関関係の変化から、水素センサの周囲に存在する水素の濃度を推定する。 The hydrogen detection device according to this embodiment estimates the concentration of hydrogen present around the hydrogen sensor from the change in the correlation between the amount of current supplied to the hydrogen sensor and the voltage value output from the hydrogen sensor, which are caused by the presence of hydrogen in the surrounding area.
図1(d)に示すように、実施形態に係る水素検出装置は、水素センサに投入される電力と水素センサの抵抗値とから演算される相関係数に基づいて、水素センサの周囲に存在する水素の濃度を推定する。一例では、実施形態に係る水素検出装置は、図1(d)において矢印Aで示される傾き、すなわち電力Pの変化量と抵抗値Rの変化量との間の比率に基づいて水素センサの周囲に存在する水素の濃度を推定する。他の例では、実施形態に係る水素検出装置は、図1(d)において斜線で示される領域B、すなわち取得した電圧値のそれぞれに対応するプロットに囲まれた領域の面積に基づいて水素センサの周囲に存在する水素の濃度を推定する。 As shown in Figure 1(d), the hydrogen detection device according to the embodiment estimates the hydrogen concentration present around the hydrogen sensor based on a correlation coefficient calculated from the power supplied to the hydrogen sensor and the resistance value of the hydrogen sensor. In one example, the hydrogen detection device according to the embodiment estimates the hydrogen concentration present around the hydrogen sensor based on the slope indicated by arrow A in Figure 1(d), i.e., the ratio between the change in power P and the change in resistance R. In another example, the hydrogen detection device according to the embodiment estimates the hydrogen concentration present around the hydrogen sensor based on the area of region B indicated by the shaded area in Figure 1(d), i.e., the area enclosed by the plots corresponding to each of the acquired voltage values.
実施形態に係る水素検出装置は、水素センサに供給される電流量を徐々に変化させたときの複数の電流量及び電圧値の相関関係の変化に基づいて水素濃度を推定するので、気体の濃度を高精度に推定できる。 The hydrogen detection device according to this embodiment estimates the hydrogen concentration based on the change in the correlation between multiple current values and voltage values when the amount of current supplied to the hydrogen sensor is gradually changed, thereby enabling highly accurate estimation of the gas concentration.
(第1実施形態に係る水素検出装置の構成および機能)
図2は、第1実施形態に係る水素検出装置を示す図である。
(Configuration and function of the hydrogen detection device according to the first embodiment)
Figure 2 shows a hydrogen detection device according to the first embodiment.
水素検出装置1は、水素センサ10と、電流源11と、電圧計12と、第1制御線13と、第2制御線14と、推定装置20とを有する。水素検出装置1は、電流源11から水素センサ10に供給される電流量を徐々に変化させる間に、水素センサ10に供給される電流量及び電圧計12から取得した複数の電圧値に基づいて、水素センサ10の周囲に存在する水素の濃度を推定する。 The hydrogen detection device 1 comprises a hydrogen sensor 10, a current source 11, a voltmeter 12, a first control line 13, a second control line 14, and an estimation device 20. While gradually changing the amount of current supplied from the current source 11 to the hydrogen sensor 10, the hydrogen detection device 1 estimates the concentration of hydrogen present around the hydrogen sensor 10 based on the amount of current supplied to the hydrogen sensor 10 and multiple voltage values obtained from the voltmeter 12.
水素センサ10は、白金で形成される直径が0.01~0.1mm程度のワイヤであり、電流源11から電流が供給されることにより自己加熱して温度が上昇することに応じて抵抗値が上昇する。水素センサ10は、ガラス、セラミックス、及び合成樹脂等により形成され、大気が流入する1又は2以上の開口部が形成された容器の内部に収容される。水素センサ10が収容される容器に形成される開口部は、スポンジメタル及び微細な金属メッシュにより覆われる。なお、水素センサ10は、大気の対流の影響が大きくない場合、容器の内部に収容されなくてもよい。また、対流量が一定の場合、対流による熱散逸を事前に考慮に入れることで、容器の内部に収容されなくてもよい。水素センサ10は、白金で形成されるが、実施形態に係る水素検出装置では、水素センサは、水素センサ10自体の温度の変化に応じて抵抗値が変化するタングステン(W)及びコバルト(Co)等の金属を含む導電体であればよく、ワイヤの直径は0.01mm以下でもよく、0.1mm以上であってもよい。実施形態に係る水素検出装置は、ワイヤの直径を短くすることで検出感度を向上させることができる。また、水素センサ10は、ワイヤ形状であるが、実施形態に係る水素検出装置では、水素センサは、薄膜状に形成されてもよい。 The hydrogen sensor 10 is a wire made of platinum with a diameter of approximately 0.01 to 0.1 mm. It self-heats when current is supplied from the current source 11, and its resistance increases as the temperature rises. The hydrogen sensor 10 is housed inside a container made of glass, ceramics, or synthetic resin, which has one or more openings for air to flow in. The openings in the container housing the hydrogen sensor 10 are covered with sponge metal and a fine metal mesh. Note that the hydrogen sensor 10 does not need to be housed inside a container if the influence of atmospheric convection is not significant. Also, if the convection flow rate is constant, it does not need to be housed inside a container by taking into account heat dissipation due to convection. Although the hydrogen sensor 10 is made of platinum, in the hydrogen detection device according to this embodiment, the hydrogen sensor may be any conductor containing metals such as tungsten (W) and cobalt (Co) whose resistance changes according to the temperature of the hydrogen sensor 10 itself, and the wire diameter may be 0.01 mm or less, or 0.1 mm or more. The hydrogen detection device according to this embodiment can improve detection sensitivity by shortening the wire diameter. Furthermore, although the hydrogen sensor 10 is wire-shaped, in the hydrogen detection device according to this embodiment, the hydrogen sensor may be formed as a thin film.
電流源11は、商用電源や電池から降圧した直流電圧を生成する降圧回路、降圧回路を制御する電圧制御回路及びインタフェース部を有する。電流源11は、第1制御線13を介して推定装置20からインタフェース部に入力された設定信号に応じた電流量に対応する電圧を、水素センサ10に供給する。電流源11は、推定装置20から設定信号が入力されることに応じて、増加期間、増加期間に続く減少期間及び減少期間に続く休止期間を有するスウィープ期間を繰り返す。図1(a)に示す例では、増加期間は0.0sから1.0sまでの間の期間であり、増加期間では、電流源11は水素センサ10に供給する電流量を第1電流量とも称される0mAから第2電流量とも称される100mAまで階段状に10mAずつ徐々に増加する。減少期間は1.0sから2.0sまでの間の期間であり、減少期間では、電流源11は水素センサ10に供給する電流量を第2電流量とも称される100mAから第1電流とも称される0mAまで階段状に10mAずつ徐々に減少する。休止期間は2.0sから2.7sまでの間の期間であり、休止期間では、電流源11は、水素センサ10に電流を供給しない。 The current source 11 includes a step-down circuit that generates a DC voltage stepped down from a commercial power source or battery, a voltage control circuit that controls the step-down circuit, and an interface unit. The current source 11 supplies a voltage corresponding to the amount of current corresponding to a setting signal input to the interface unit from the estimation device 20 via the first control line 13 to the hydrogen sensor 10. In response to the setting signal input from the estimation device 20, the current source 11 repeats a sweep period having an increasing period, a decreasing period following the increasing period, and a pause period following the decreasing period. In the example shown in Figure 1(a), the increasing period is the period between 0.0 s and 1.0 s, and during the increasing period, the current source 11 gradually increases the amount of current supplied to the hydrogen sensor 10 in a stepwise manner of 10 mA from 0 mA, also called the first current amount, to 100 mA, also called the second current amount. The reduction period is from 1.0 s to 2.0 s. During this period, the current source 11 gradually reduces the amount of current supplied to the hydrogen sensor 10 in a stepwise manner, from 100 mA (also called the second current) to 0 mA (also called the first current), in increments of 10 mA. The pause period is from 2.0 s to 2.7 s. During this pause period, the current source 11 does not supply current to the hydrogen sensor 10.
電圧計12は、公知の電圧計であり、アナログ電圧計及びデジタル電圧計の何れでもよい。電圧計12は、電流源11から水素センサ10に電流が供給されることにより水素センサ10から出力される電圧値を検出し、検出した電圧値を示す電圧信号を第2制御線14を介して推定装置20に出力する。なお、水素検出装置1は、電流源11と電圧計12とを別体として有するが、実施形態に係る水素検出装置は、電流源11及び電圧計12の代わりに、電流源と電圧計とを一体化したソース・メジャー・ユニット(Source Measure Uni、SMU)を有してもよい。また、実施形態に係る水素検出装置は、電流源と電圧計を内蔵したアナログ・フロント・エンド(Analog Front End、AFE)ICを電流源11及び電圧計12の代わりに有してもよい。 The voltmeter 12 is a known voltmeter, and may be either an analog or digital voltmeter. The voltmeter 12 detects the voltage value output from the hydrogen sensor 10 when current is supplied from the current source 11 to the hydrogen sensor 10, and outputs a voltage signal indicating the detected voltage value to the estimation device 20 via the second control line 14. While the hydrogen detection device 1 has the current source 11 and voltmeter 12 as separate components, the hydrogen detection device according to this embodiment may have a source measure unit (SMU) integrating the current source and voltmeter instead of the current source 11 and voltmeter 12. Furthermore, the hydrogen detection device according to this embodiment may have an analog front-end (AFE) IC with a built-in current source and voltmeter instead of the current source 11 and voltmeter 12.
推定装置20は、通信部21と、記憶部22と、入力部23と、出力部24と、処理部30とを有する。通信部21、記憶部22、入力部23、出力部24及び処理部30は、バス25を介して互いに接続される。推定装置20は、導電体である水素センサに供給する電流量を徐々に変化させる間に、電圧計によって検出された複数の電圧値を取得する。推定装置20は、水素センサ10に供給する電流量、及び水素センサ10から取得した複数の電圧値に基づいて、水素センサ10の周囲に存在する水素の濃度を推定し、推定した濃度を示す濃度信号を出力する。 The estimation device 20 comprises a communication unit 21, a storage unit 22, an input unit 23, an output unit 24, and a processing unit 30. The communication unit 21, storage unit 22, input unit 23, output unit 24, and processing unit 30 are connected to each other via a bus 25. The estimation device 20 acquires multiple voltage values detected by a voltmeter while gradually changing the amount of current supplied to the hydrogen sensor, which is a conductor. Based on the amount of current supplied to the hydrogen sensor 10 and the multiple voltage values acquired from the hydrogen sensor 10, the estimation device 20 estimates the concentration of hydrogen present around the hydrogen sensor 10 and outputs a concentration signal indicating the estimated concentration.
通信部21は、I2Cなどの通信インターフェース回路を有する。通信部21は、第1制御線13を介して電流源11に設定信号を送信すると共に、第2制御線14を介して電圧計12から電圧信号を受信する。 The communication unit 21 has a communication interface circuit such as I2C. The communication unit 21 transmits a setting signal to the current source 11 via the first control line 13 and receives a voltage signal from the voltmeter 12 via the second control line 14.
記憶部22は、例えば、半導体記憶装置、磁気テープ装置、磁気ディスク装置、又は光ディスク装置のうちの少なくとも一つを備える。記憶部22は、処理部30での処理に用いられるオペレーティングシステムプログラム、ドライバプログラム、アプリケーションプログラム、データ等を記憶する。例えば、記憶部22は、アプリケーションプログラムとして、水素センサ10の周囲に存在する水素の濃度を推定する推定処理を処理部30に実行させるための推定プログラム等を記憶する。推定プログラムは、例えばCD-ROM、DVD-ROM等のコンピュータ読み取り可能な可搬型記録媒体から、公知のセットアッププログラム等を用いて記憶部22にインストールされてもよい。また、記憶部22は、推定処理で使用される種々のデータを記憶する。記憶部22は、所定の処理に係る一時的なデータを一時的に記憶し、データを蓄積するデータベースを記憶する。例えば、記憶部22は、推定処理を実行するときに使用される電流遷移情報220及び濃度推定テーブル225を記憶する。 The storage unit 22 includes, for example, at least one of a semiconductor memory device, a magnetic tape device, a magnetic disk device, or an optical disk device. The storage unit 22 stores operating system programs, driver programs, application programs, data, etc., used in processing by the processing unit 30. For example, the storage unit 22 stores an estimation program as an application program, which causes the processing unit 30 to execute an estimation process to estimate the concentration of hydrogen present around the hydrogen sensor 10. The estimation program may be installed in the storage unit 22 using a known setup program, etc., from a computer-readable portable recording medium such as a CD-ROM or DVD-ROM. The storage unit 22 also stores various data used in the estimation process. The storage unit 22 temporarily stores temporary data related to a predetermined process and stores a database for accumulating data. For example, the storage unit 22 stores current transition information 220 and a concentration estimation table 225 used when executing the estimation process.
電流遷移情報220は、電流源11から供給される電流の基本パターンであるスウィープ期間における電流供給パターンを示す情報を記憶するテーブルである。電流遷移情報220に記憶される情報に対応する電流供給パターンの一例は、図1(a)に示される電流供給パターンである。 The current transition information 220 is a table that stores information indicating the current supply pattern during the sweep period, which is the basic pattern of the current supplied from the current source 11. An example of a current supply pattern corresponding to the information stored in the current transition information 220 is the current supply pattern shown in Figure 1(a).
図3は、電流遷移情報220を示す図である。 Figure 3 shows the current transition information 220.
電流遷移情報220は、ステップ欄221と、供給電流量欄222と、電流供給時間欄223とを有する。ステップ欄221は、「1」~「21」の数字が識別子として示される。 The current transition information 220 includes a step column 221, a supplied current amount column 222, and a current supply time column 223. The step column 221 is indicated by the numbers "1" through "21" as identifiers.
供給電流量欄222は、電流源11から水素センサ10に供給される電流量がステップ欄に示されるステップ数と関連付けて記憶される。供給電流量欄222において、供給電流量「10mA」はステップ「1」及び「20」に関連付けて記憶され、供給電流量「20mA」はステップ「2」及び「19」に関連付けて記憶される。供給電流量「30mA」はステップ「3」及び「18」に関連付けて記憶され、供給電流量「40mA」はステップ「4」及び「17」に関連付けて記憶される。供給電流量「50mA」はステップ「5」及び「16」に関連付けて記憶され、供給電流量「60mA」はステップ「6」及び「15」に関連付けて記憶される。供給電流量「70mA」はステップ「7」及び「14」に関連付けて記憶され、供給電流量「80mA」はステップ「8」及び「13」に関連付けて記憶される。供給電流量「90mA」はステップ「9」及び「12」に関連付けて記憶され、供給電流量「100mA」はステップ「10」及び「11」に関連付けて記憶される。 The supply current amount column 222 stores the amount of current supplied from the current source 11 to the hydrogen sensor 10 in association with the step number shown in the step column. In the supply current amount column 222, a supply current amount of "10 mA" is stored in association with steps "1" and "20", a supply current amount of "20 mA" is stored in association with steps "2" and "19", a supply current amount of "30 mA" is stored in association with steps "3" and "18", a supply current amount of "40 mA" is stored in association with steps "4" and "17", a supply current amount of "50 mA" is stored in association with steps "5" and "16", and a supply current amount of "60 mA" is stored in association with steps "6" and "15". The supplied current of "70 mA" is stored in association with steps "7" and "14," the supplied current of "80 mA" is stored in association with steps "8" and "13," the supplied current of "90 mA" is stored in association with steps "9" and "12," and the supplied current of "100 mA" is stored in association with steps "10" and "11."
電流供給時間欄223は、それぞれのステップにおいて、電流源11から水素センサ10に電流が供給される電流供給時間がステップ欄に示されるステップ数と関連付けて記憶される。電流供給時間欄223において、電流供給時間「0.1秒」は、ステップ「1」~「20」に関連付けて記憶され、電流供給時間「0.7秒」はステップ「21」に関連付けて記憶される。 The current supply time column 223 stores the current supply time for each step, associated with the step number indicated in the step column. In the current supply time column 223, a current supply time of "0.1 seconds" is stored associated with steps "1" through "20," and a current supply time of "0.7 seconds" is stored associated with step "21."
電流遷移情報220において、ステップ「1」~「10」は、水素センサ10に供給される電流量が階段状に10mAずつ徐々に増加する増加期間である。また、ステップ「11」~「20」は水素センサ10に供給される電流量が階段状に10mAずつ徐々に減少する減少期間であり、ステップ「21」は水素センサ10に電流を供給しない休止期間である。 In the current transition information 220, steps "1" to "10" represent an increasing period in which the amount of current supplied to the hydrogen sensor 10 gradually increases in a stepwise manner by 10 mA. Steps "11" to "20" represent a decreasing period in which the amount of current supplied to the hydrogen sensor 10 gradually decreases in a stepwise manner by 10 mA, and step "21" represents a pause period in which no current is supplied to the hydrogen sensor 10.
濃度推定テーブル225は、水素センサ10に供給される電力Pと水素センサ10の抵抗値Rとの相関関係を示す相関係数と、水素センサ10の周囲に存在する水素の濃度との関係を記憶するテーブルである。濃度推定テーブル225は、電力Pの変化量dPと抵抗値Rの変化量dRとの間の比率(dR/dP)である相関係数と水素の濃度との関係を記憶する。また、濃度推定テーブル225は、電力Pを第1軸とし、演算された抵抗値Rを第2軸とする直交座標系において電流遷移情報220のステップ「1」~「20」のそれぞれに対応するプロットに囲まれた領域の面積APRである相関係数と、水素の濃度との関係を記憶する。 The concentration estimation table 225 is a table that stores the relationship between the correlation coefficient, which shows the correlation between the power P supplied to the hydrogen sensor 10 and the resistance value R of the hydrogen sensor 10, and the concentration of hydrogen present around the hydrogen sensor 10. The concentration estimation table 225 stores the relationship between the correlation coefficient, which is the ratio (dR/dP) between the change in power P dP and the change in resistance value R dR, and the hydrogen concentration. Furthermore, the concentration estimation table 225 stores the relationship between the correlation coefficient, which is the area APR of the region enclosed by plots corresponding to each of steps "1" to "20" of the current transition information 220 in a Cartesian coordinate system with power P as the first axis and the calculated resistance value R as the second axis, and the hydrogen concentration.
入力部23は、データの入力が可能であればどのようなデバイスでもよく、例えば、タッチパネル、キーボード等である。オペレータは、入力部23を用いて、文字、数字、記号等を入力することができる。入力部23は、オペレータにより操作されると、その操作に対応する信号を生成する。そして、生成された信号は、オペレータの指示として、処理部30に供給される。 The input unit 23 can be any device capable of data input, such as a touch panel or keyboard. The operator can use the input unit 23 to input characters, numbers, symbols, etc. When the input unit 23 is operated by the operator, it generates a signal corresponding to that operation. The generated signal is then supplied to the processing unit 30 as an instruction from the operator.
出力部24は、映像や画像等の表示が可能であればどのようなデバイスでもよく、例えば、液晶ディスプレイ又は有機EL(Electro-Luminescence)ディスプレイ及びスピーカを含む。出力部24は、処理部30から供給された映像データに応じた映像や、画像データに応じた画像等を表示する。また、出力部24は、音声やアナログ電気信号、デジタル電気信号を出力してもよい。 The output unit 24 can be any device capable of displaying video or images, including, for example, a liquid crystal display or an organic EL (Electro-Luminescence) display and a speaker. The output unit 24 displays video corresponding to video data supplied from the processing unit 30, or images corresponding to image data. The output unit 24 may also output audio, analog electrical signals, or digital electrical signals.
処理部30は、一又は複数個のプロセッサ及びその周辺回路を有する。処理部30は、推定装置20の全体的な動作を統括的に制御するものであり、例えば、CPUである。処理部30は、記憶部22に記憶されているプログラム(ドライバプログラム、オペレーティングシステムプログラム、アプリケーションプログラム等)に基づいて処理を実行する。また、処理部30は、複数のプログラム(アプリケーションプログラム等)を並列に実行できる。 The processing unit 30 comprises one or more processors and their peripheral circuits. The processing unit 30 comprehensively controls the overall operation of the estimation device 20, and is, for example, a CPU. The processing unit 30 executes processing based on programs (driver programs, operating system programs, application programs, etc.) stored in the memory unit 22. Furthermore, the processing unit 30 can execute multiple programs (application programs, etc.) in parallel.
処理部30は、電流供給部31と、電圧取得部32と、推定処理部33と、濃度信号出力部34とを有する。これらの各部は、処理部30が備えるプロセッサで実行されるプログラムにより実現される機能モジュールである。あるいは、これらの各部は、ファームウェアとして処理部30に実装されてもよい。 The processing unit 30 includes a current supply unit 31, a voltage acquisition unit 32, an estimation processing unit 33, and a density signal output unit 34. Each of these units is a functional module implemented by a program executed on the processor of the processing unit 30. Alternatively, each of these units may be implemented in the processing unit 30 as firmware.
(第1実施形態に係る推定装置による推定処理の第1態様)
図4は、推定装置20により実行される推定処理の第1態様に係るフローチャートである。図4に示す推定処理は、予め記憶部22に記憶されているプログラムに基づいて、主に処理部30により推定装置20の各要素と協働して実行される。また、図4に示す推定処理は、所定の周期で繰り返し実行される。
(First aspect of estimation processing by the estimation device according to the first embodiment)
Figure 4 is a flowchart relating to a first mode of estimation processing performed by the estimation device 20. The estimation processing shown in Figure 4 is performed mainly by the processing unit 30 in cooperation with each element of the estimation device 20, based on a program stored in the storage unit 22 beforehand. Furthermore, the estimation processing shown in Figure 4 is repeatedly performed at a predetermined cycle.
まず、電流供給部31は、記憶部22に記憶される電流遷移情報220を参照して、電流源11から水素センサ10に供給される電流量を決定する(S101)。電流供給部31は、電流遷移情報220のステップ欄に示される「1」に関連付けて記憶される供給電流量「10mA」を電流源11から水素センサ10に供給される電流量に決定する。 First, the current supply unit 31 refers to the current transition information 220 stored in the memory unit 22 to determine the amount of current supplied from the current source 11 to the hydrogen sensor 10 (S101). The current supply unit 31 determines the amount of supplied current "10mA," which is stored in association with the "1" shown in the step column of the current transition information 220, as the amount of current supplied from the current source 11 to the hydrogen sensor 10.
次いで、電流供給部31は、S101の処理で決定した供給電流量「10mA」を示す設定信号を電流源11に通信部21に出力する(S102)。通信部21は、電流供給部31から入力された設定信号を第1制御線13を介して電流源11に送信する。電流源11は、設定信号が入力されることに応じて、設定信号に対応する供給電流量となるように電流を水素センサ10に供給する。電流源11は、供給電流量が10mAとなるように電流を水素センサ10に供給する。 Next, the current supply unit 31 outputs a setting signal to the communication unit 21 of the current source 11, indicating the supply current amount "10 mA" determined in the process of S101 (S102). The communication unit 21 transmits the setting signal received from the current supply unit 31 to the current source 11 via the first control line 13. The current source 11 supplies current to the hydrogen sensor 10 so that the supply current amount corresponds to the setting signal. The current source 11 supplies current to the hydrogen sensor 10 so that the supply current amount is 10 mA.
次いで、電圧取得部32は、電圧計12によって検出された電圧値を取得する(S103)。電圧取得部32は、通信部21を介して電圧要求信号を電圧計12に送信する。電圧計12は、電圧要求信号を受信したことに応じて、検出した電圧値を示す電圧信号を第2制御線14を介して通信部21に送信する。電圧取得部32は、電圧計12から送信された電圧信号に対応する電圧値を取得し、取得した電圧値を示す電圧情報を電流遷移情報220のステップ欄に示される「1」に関連付けて記憶部22に記憶する。 Next, the voltage acquisition unit 32 acquires the voltage value detected by the voltmeter 12 (S103). The voltage acquisition unit 32 transmits a voltage request signal to the voltmeter 12 via the communication unit 21. Upon receiving the voltage request signal, the voltmeter 12 transmits a voltage signal indicating the detected voltage value to the communication unit 21 via the second control line 14. The voltage acquisition unit 32 acquires the voltage value corresponding to the voltage signal transmitted from the voltmeter 12 and stores the voltage information indicating the acquired voltage value in the storage unit 22, associating it with the "1" shown in the step column of the current transition information 220.
次いで、電流供給部31は、ステップ数を1つ加算して(S104)、ステップ数を「2」とする。次いで、電流供給部31は、現在のステップ数が最終ステップであるステップ「20」であるか否かを判定する(S105)。電流供給部31は、現在のステップ数が最終ステップでないと判定する(S105-NO)と、現在のステップ数である「1」に関連付けて記憶される電流供給時間「0.1秒」に亘って待機する。次いで、処理はS101に戻る。 Next, the current supply unit 31 increments the step count by one (S104), making the step count "2". Then, the current supply unit 31 determines whether the current step count is the final step, step "20" (S105). If the current supply unit 31 determines that the current step count is not the final step (S105-NO), it waits for a current supply time of "0.1 seconds," which is associated with the current step count of "1." The process then returns to S101.
以降、電流供給部31によって現在のステップ数が最終ステップであると判定する(S105-YES)まで、S101~S105の処理が繰り返される。現在のステップ数が最終ステップであると判定される(S105-YES)まで、S101~S105の処理が繰り返されることで、電流供給部31は、図1(a)に示す増加期間及び減少期間に対応する電流を供給する電流供給処理を繰り返す。電流供給部31が電流供給処理を繰り返すことで、電流源11は、図1(a)に示す増加期間及び減少期間に対応する電流を水素センサ10に供給する。電圧取得部32は、図1(a)に示す増加期間及び減少期間のそれぞれのステップに対応する電流量が供給された状態の水素センサ10から出力される電圧値を順次取得する。 From this point onward, the processes S101 to S105 are repeated until the current supply unit 31 determines that the current step number is the final step (S105-YES). As the processes S101 to S105 are repeated until the current step number is determined to be the final step (S105-YES), the current supply unit 31 repeatedly performs the current supply process, supplying current corresponding to the increasing and decreasing periods shown in Figure 1(a). As the current supply unit 31 repeats the current supply process, the current source 11 supplies current corresponding to the increasing and decreasing periods shown in Figure 1(a) to the hydrogen sensor 10. The voltage acquisition unit 32 sequentially acquires the voltage values output from the hydrogen sensor 10 while the current corresponding to each step of the increasing and decreasing periods shown in Figure 1(a) is supplied.
現在のステップ数が最終ステップであると判定される(S105-YES)と、推定処理部33は、供給される電流量及びS103の処理で取得された電圧値から、それぞれのステップにおいて水素センサ10に投入された電力を演算する(S106)。推定処理部33は、ステップ「1」~「20」のそれぞれにおける電流量Iとステップ「1」~「20」のそれぞれにおいて取得された電圧値Vとを乗算することで、それぞれのステップにおいて水素センサ10に投入された電力Pを演算する。推定処理部33は、演算した電力Pを対応するステップ数に関連付けて記憶部22に記憶する。 When it is determined that the current step is the final step (S105-YES), the estimation processing unit 33 calculates the power supplied to the hydrogen sensor 10 at each step from the supplied current and the voltage value obtained in the processing of S103 (S106). The estimation processing unit 33 calculates the power supplied to the hydrogen sensor 10 at each step by multiplying the current I at each step "1" to "20" by the voltage value V obtained at each step "1" to "20". The estimation processing unit 33 stores the calculated power P in the storage unit 22, associating it with the corresponding step number.
次いで、推定処理部33は、水素センサ10に供給される電流量、及びS103の処理で取得された複数の電圧値から、それぞれのステップにおける水素センサ10の抵抗値Rを演算する(S107)。ステップ「1」~「20」のそれぞれにおいて取得された電圧値Vをステップ「1」~「20」のそれぞれにおける電流量Iによって除算することで、それぞれのステップにおける水素センサ10の抵抗値Rを演算する。推定処理部33は、演算した抵抗値Rを対応するステップ数に関連付けて記憶部22に記憶する。 Next, the estimation processing unit 33 calculates the resistance value R of the hydrogen sensor 10 at each step from the amount of current supplied to the hydrogen sensor 10 and the multiple voltage values obtained in the processing of S103 (S107). The resistance value R of the hydrogen sensor 10 at each step is calculated by dividing the voltage value V obtained in each step "1" to "20" by the amount of current I in each step "1" to "20". The estimation processing unit 33 stores the calculated resistance value R in the storage unit 22, associating it with the corresponding step number.
次いで、推定処理部33は、S106及びS107のそれぞれで演算された電力P及び抵抗値Rから、電力Pと抵抗値Rとの相関関係を示す相関係数を演算する(S108)。推定処理部33は、演算された電力Pの変化量dPと抵抗値Rの変化量dRとの間の比率(dR/dP)を相関係数として演算する。推定処理部33は、記憶部22に記憶されるステップ「7」~「10」のそれぞれに関連付けて記憶される電力P及び抵抗値Rから図1(d)において矢印Aで示される傾きに相当する相関係数を演算する。ステップ「7」~「10」において水素センサ10に供給される電流量は、70mA、80mA、90mA及び100mAである。図1(d)に示すように、ステップ「7」からステップ「10」までの間は、電力Pの変化量と抵抗値Rの変化量は、ほぼ線形関係である。推定処理部33は、ステップ「7」~「10」のそれぞれの電力Pと抵抗値Rから、例えば最小二乗法によって電力Pの変化量dPと抵抗値Rの変化量dRとの間の比率(dR/dP)を演算する。窒素中では、比率(dR/dP)は4.242Ω/Wであり、水素中では、比率(dR/dP)は0.858Ω/Wであり、窒素中の比率(dR/dP)は水素中の比率(dR/dP)と大きく相違する。 Next, the estimation processing unit 33 calculates a correlation coefficient showing the correlation between power P and resistance R from the power P and resistance R calculated in S106 and S107, respectively (S108). The estimation processing unit 33 calculates the correlation coefficient as the ratio (dR/dP) between the calculated change in power P dP and the change in resistance R dR. The estimation processing unit 33 calculates a correlation coefficient corresponding to the slope shown by arrow A in Figure 1(d) from the power P and resistance R stored in the storage unit 22 in association with each of steps "7" to "10". The current supplied to the hydrogen sensor 10 in steps "7" to "10" is 70mA, 80mA, 90mA, and 100mA. As shown in Figure 1(d), from step "7" to step "10", the change in power P and the change in resistance R are in an almost linear relationship. The estimation processing unit 33 calculates the ratio (dR/dP) between the change in power P (dP) and the change in resistance R (dR) from the power P and resistance R in steps 7 to 10, for example, by the least squares method. In nitrogen, the ratio (dR/dP) is 4.242 Ω/W, while in hydrogen, the ratio (dR/dP) is 0.858 Ω/W. The ratio (dR/dP) in nitrogen differs significantly from that in hydrogen.
次いで、推定処理部33は、水素センサ10に供給される電流量及びS103の処理で取得された電圧値からS106~S108の処理で演算される相関係数に基づいて、水素センサ10の周囲に存在する水素の濃度を推定する(S109)。推定処理部33は、記憶部225に記憶される濃度変換テーブル225を参照して、S108の処理で演算された相関係数である比率(dR/dP)に対応する濃度を水素センサ10の周囲に存在する水素の濃度として推定する。 Next, the estimation processing unit 33 estimates the hydrogen concentration present around the hydrogen sensor 10 based on the current supplied to the hydrogen sensor 10 and the voltage value obtained in processing S103, using the correlation coefficient calculated in processing S106 to S108 (S109). The estimation processing unit 33 refers to the concentration conversion table 225 stored in the storage unit 225 and estimates the concentration corresponding to the ratio (dR/dP), which is the correlation coefficient calculated in processing S108, as the hydrogen concentration present around the hydrogen sensor 10.
そして、濃度信号出力部34は、検出した水素の濃度を示す濃度信号を出力部24に出力する(S110)。出力部24は、濃度信号が入力されることに応じて、検出した水素の濃度を示す画像を表示する。 The concentration signal output unit 34 then outputs a concentration signal indicating the detected hydrogen concentration to the output unit 24 (S110). The output unit 24 displays an image indicating the detected hydrogen concentration in response to the input concentration signal.
(第1実施形態に係る推定装置による推定処理の第2態様)
推定処理の第2態様は、電力P及び抵抗値Rから、電力Pと抵抗値Rとの相関関係を示す相関係数を演算するS108の処理が推定処理の第1態様と相違する。S108の処理以外の推定処理の第2態様の処理は、推定処理の第1態様の処理と同様なので、ここでは詳細な説明は省略する。
(Second aspect of estimation processing by the estimation device according to the first embodiment)
The second aspect of the estimation process differs from the first aspect of the estimation process in that process S108 calculates a correlation coefficient showing the correlation between power P and resistance R from the power P and resistance R. The processes of the second aspect of the estimation process other than process S108 are the same as those of the first aspect of the estimation process, so a detailed explanation is omitted here.
推定処理部33は、演算された電力Pを第1軸とし、演算された抵抗値Rを第2軸とする直交座標系において、S103の処理で取得された複数の電圧値のそれぞれに対応するプロットに囲まれた領域の面積APRを相関係数として演算する。推定処理部33は、記憶部22に記憶されるステップ「1」~「20」のそれぞれに関連付けて記憶される電力P及び抵抗値Rから図1(d)において斜線で示される領域の面積Bに相当する相関係数を演算する。推定処理部33は、ステップ「1」~「20」のそれぞれの電力Pと抵抗値Rから、例えば座標法によってS103の処理で取得された複数の電圧値のそれぞれに対応するプロットに囲まれた領域の面積APRを演算する。なお、窒素中では、面積APRは0.00484Ω・Wであり、水素中では、面積APRは0.00016Ω・Wであり、窒素中の面積APRは水素中の面積APRと大きく相違する。 The estimation processing unit 33 calculates the area APR of the region enclosed by plots corresponding to each of the multiple voltage values obtained in the S103 process, in a Cartesian coordinate system with the calculated power P as the first axis and the calculated resistance R as the second axis, as the correlation coefficient. The estimation processing unit 33 calculates the correlation coefficient corresponding to the area B of the region shown by the shaded area in Figure 1(d) from the power P and resistance R stored in the storage unit 22 in association with each of steps "1" to "20". The estimation processing unit 33 calculates the area APR of the region enclosed by plots corresponding to each of the multiple voltage values obtained in the S103 process, for example by the coordinate method, from the power P and resistance R of each of steps "1" to "20". Note that in nitrogen, the area APR is 0.00484 Ω·W, and in hydrogen, the area APR is 0.00016 Ω·W, and the area APR in nitrogen is significantly different from the area APR in hydrogen.
(第1実施形態に係る水素検出装置の作用効果)
水素検出装置1では、水素センサ10に供給させる電流を徐々に変化させる間に取得された電圧値に基づいて水素センサ10の周囲に存在する水素の濃度を推定することで、比較に使用される補償センサを使用することなく、水素の濃度を推定できる。また、水素検出装置1は、水素センサ10に電流を常時供給しないので、補償センサを使用する水素検出装置よりも省電力化が可能である。
(Effects and effects of the hydrogen detection device according to the first embodiment)
In the hydrogen detection device 1, the hydrogen concentration present around the hydrogen sensor 10 can be estimated without using a compensation sensor for comparison, by estimating the hydrogen concentration based on the voltage value acquired while gradually changing the current supplied to the hydrogen sensor 10. Furthermore, since the hydrogen detection device 1 does not constantly supply current to the hydrogen sensor 10, it is possible to reduce power consumption compared to hydrogen detection devices that use a compensation sensor.
また、水素検出装置1は、水素センサ10に供給される電流量、及び水素センサ10に供給される電流量を変化させる間に、取得した複数の電圧値に基づいて演算される比率(dR/dP)又は面積APRを使用して水素の濃度を推定する。水素検出装置1は、複数の電流量及び電圧値に基づいて演算される比率(dR/dP)又は面積APRをパラメータとして使用するので、最小値及び最大値の2点のみで水素の濃度を推定する場合よりもS/N比が大きい信号を生成することができる。また、水素検出装置1は、比率(dR/dP)又は面積APRをパラメータとして使用することで、水素センサ10の周囲に存在する水素の濃度を高精度に推定することができる。 Furthermore, the hydrogen detection device 1 estimates the hydrogen concentration using the amount of current supplied to the hydrogen sensor 10 and a ratio (dR/dP) or area APR calculated based on multiple voltage values acquired while the amount of current supplied to the hydrogen sensor 10 is changed. Since the hydrogen detection device 1 uses the ratio (dR/dP) or area APR calculated based on multiple current amounts and voltage values as parameters, it can generate a signal with a larger signal-to-noise ratio than when the hydrogen concentration is estimated using only two points, the minimum and maximum values. In addition, by using the ratio (dR/dP) or area APR as parameters, the hydrogen detection device 1 can estimate the concentration of hydrogen present around the hydrogen sensor 10 with high accuracy.
また、水素検出装置1では、推定装置20は、水素センサ10に供給する電流をパルス状ではなく階段状に徐々に変化させるため、水素センサ10に供給する電流量を高くすることができる。水素が存在する雰囲気の温度が急激に上昇した場合、水素が酸化反応することにより爆発するおそれがあるため、水素センサ10に電流をパルス状に供給するとき、パルスの振幅を大きくすることができず、S/N比が大きい信号が生成されない。一方、水素検出装置1では、水素センサ10に供給する電流を階段状に徐々に増加させるため、爆発しそうになったら電流の供給を中止することができるので、水素が酸化反応することにより爆発するおそれが低くなり、S/N比が大きい信号を生成することができる。 Furthermore, in the hydrogen detection device 1, the estimation device 20 gradually changes the current supplied to the hydrogen sensor 10 in a stepwise manner rather than in a pulsed manner, thus allowing for a higher current to be supplied to the hydrogen sensor 10. When the temperature of the atmosphere containing hydrogen rises rapidly, there is a risk of explosion due to the oxidation reaction of hydrogen. Therefore, when supplying current to the hydrogen sensor 10 in a pulsed manner, the amplitude of the pulse cannot be increased, and a signal with a high signal-to-noise ratio cannot be generated. On the other hand, in the hydrogen detection device 1, because the current supplied to the hydrogen sensor 10 is gradually increased in a stepwise manner, the current supply can be stopped if an explosion is imminent. This reduces the risk of explosion due to the oxidation reaction of hydrogen, and allows for the generation of a signal with a high signal-to-noise ratio.
また、水素検出装置1では、直径が0.01~0.1程度の白金ワイヤを水素センサ10として使用されるので、水素センサをMEMSを利用して形成する必要はなく、MEMSを利用して形成された水素センサを有する水素検出装置よりも製造コストが低い。 Furthermore, since the hydrogen detection device 1 uses a platinum wire with a diameter of approximately 0.01 to 0.1 mm as the hydrogen sensor 10, there is no need to form the hydrogen sensor using MEMS, resulting in lower manufacturing costs compared to hydrogen detection devices that use MEMS-formed hydrogen sensors.
また、推定装置20による推定処理の第1態様では、電力Pの変化量と抵抗値Rの変化量が線形関係であるステップ「7」~ステップ「10」を使用して相関係数を演算するので、電力Pの変化量と抵抗値Rの変化量との間の比率を相関係数として演算する。推定装置20による推定処理の第1態様では、電力Pの変化量と抵抗値Rの変化量が線形関係であるステップを使用するので、相関係数は、高精度に演算できる。 Furthermore, in the first mode of the estimation process by the estimation device 20, the correlation coefficient is calculated using steps "7" to "10," where the change in power P and the change in resistance R are linearly related. Therefore, the ratio between the change in power P and the change in resistance R is calculated as the correlation coefficient. Because the first mode of the estimation process by the estimation device 20 uses steps where the change in power P and the change in resistance R are linearly related, the correlation coefficient can be calculated with high accuracy.
(第2実施形態に係る水素検出装置の構成および機能)
図5は、第2実施形態に係る水素検出装置を示す図である。
(Configuration and function of the hydrogen detection device according to the second embodiment)
Figure 5 shows a hydrogen detection device according to the second embodiment.
水素検出装置2は、推定装置40を推定装置20の代わりに有することが水素検出装置1と相違する。推定装置40は、記憶部42及び処理部50を記憶部22及び処理部30の代わりに有することが推定装置20と相違する。記憶部42及び処理部50以外の水素検出装置2の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された水素検出装置1の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。 The hydrogen detection device 2 differs from the hydrogen detection device 1 in that it has an estimation device 40 instead of the estimation device 20. The estimation device 40 differs from the estimation device 20 in that it has a storage unit 42 and a processing unit 50 instead of the storage unit 22 and processing unit 30. The configuration and function of the components of the hydrogen detection device 2, other than the storage unit 42 and processing unit 50, are the same as those of the components of the hydrogen detection device 1, which are given the same reference numerals; therefore, a detailed explanation is omitted here.
記憶部42は、抵抗補正テーブル420を有することが記憶部22と相違する。抵抗補正テーブル420以外の記憶部42の構成及び機能は、記憶部22の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。抵抗補正テーブル420は、水素センサ10に投入された電力及び水素センサ10の抵抗値を補正するときに使用される補正係数を温度と関連付けて記憶するテーブルである。 The memory unit 42 differs from the memory unit 22 in that it has a resistance correction table 420. The configuration and functions of the memory unit 42, other than the resistance correction table 420, are the same as those of the memory unit 22, so a detailed explanation is omitted here. The resistance correction table 420 is a table that stores correction coefficients used to correct the power supplied to the hydrogen sensor 10 and the resistance value of the hydrogen sensor 10, associated with temperature.
図6は、抵抗補正テーブル420を示す図である。 Figure 6 shows the resistance compensation table 420.
抵抗補正テーブル420は、温度欄421と、10mAでの抵抗値欄422と、補正係数欄423とを有する。温度欄421は、-40℃から40度まで温度が示される。温度欄421に示される温度の間隔は、補正するときの精度に応じて適宜設定され、例えば1℃であってもよく、0.5℃であってもよく、0.1℃であってもよい。 The resistance correction table 420 has a temperature column 421, a resistance value column 422 at 10 mA, and a correction coefficient column 423. The temperature column 421 shows temperatures from -40°C to 40°C. The temperature intervals shown in the temperature column 421 are appropriately set according to the accuracy required for correction; for example, it may be 1°C, 0.5°C, or 0.1°C.
10mAでの抵抗値欄422は、温度欄421に示される温度のそれぞれに関連付けて記憶される抵抗値が示される。10mAでの抵抗値欄422に示される抵抗値は、水素センサ10に供給される供給電流量が10mAであるときの水素センサ10のそれぞれの温度における抵抗値である。10mAでの抵抗値欄422に示される抵抗値は、大気中に配置される水素センサ10の周囲の温度を、温度欄421に示される対応する温度に設定して、水素センサ10に10mAの電流を供給して測定される。 The resistance value column 422 at 10 mA displays the resistance value stored in association with each of the temperatures shown in the temperature column 421. The resistance value shown in the resistance value column 422 at 10 mA is the resistance value of the hydrogen sensor 10 at each temperature when the supply current supplied to the hydrogen sensor 10 is 10 mA. The resistance value shown in the resistance value column 422 at 10 mA is measured by setting the ambient temperature of the hydrogen sensor 10, which is placed in the atmosphere, to the corresponding temperature shown in the temperature column 421, and supplying a current of 10 mA to the hydrogen sensor 10.
補正係数欄423は、温度欄421に示される温度のそれぞれに関連付けて記憶される補正係数が示される。相関係数が図1(d)において矢印Aで示される傾きに相当する第1態様では、補正係数は、温度が25℃であるときの電力Pの変化量と抵抗値Rの変化量との間の比率を基準として、それぞれの温度における電力Pの変化量と抵抗値Rの変化量との間の比率である。また、相関係数が図1(d)において領域Bの面積に相当する第2態様では、補正係数は、温度が25℃であるときのプロットに囲まれた領域の面積を基準として、それぞれの温度におけるプロットに囲まれた領域の面積である。補正係数は、例えば窒素雰囲気中における室温の変化と比率(dR/dP)及び面積APRのそれぞれの変化に基づいて演算される。なお、補正係数は、室温の近傍などの温度の変化量が小さい場合は、室温の変化量に比例して変化するように演算してもよい。 The correction coefficient column 423 shows the correction coefficients stored in association with each of the temperatures shown in the temperature column 421. In the first embodiment, where the correlation coefficient corresponds to the slope indicated by arrow A in Figure 1(d), the correction coefficient is the ratio between the change in power P and the change in resistance R at each temperature, based on the ratio between the change in power P and the change in resistance R when the temperature is 25°C. In the second embodiment, where the correlation coefficient corresponds to the area of region B in Figure 1(d), the correction coefficient is the area of the region enclosed by the plots at each temperature, based on the area of the region enclosed by the plots when the temperature is 25°C. The correction coefficient is calculated, for example, based on the change in room temperature and the ratio (dR/dP) and the change in area APR in a nitrogen atmosphere. Note that when the change in temperature is small, such as near room temperature, the correction coefficient may be calculated to change in proportion to the change in room temperature.
処理部50は、補正部55を有することが処理部30と相違する。補正部55以外の処理部50の構成及び機能は、処理部30の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。 The processing unit 50 differs from the processing unit 30 in that it has a correction unit 55. The configuration and functions of the processing unit 50, other than the correction unit 55, are the same as those of the processing unit 30, so a detailed explanation is omitted here.
(第2実施形態に係る推定装置による推定処理)
図7は、推定装置40により実行される推定処理の第1態様に係るフローチャートである。図7に示す推定処理は、予め記憶部42に記憶されているプログラムに基づいて、主に処理部50により推定装置40の各要素と協働して実行される。また、図7に示す推定処理は、所定の周期で繰り返し実行される。S201~S208の処理は、S101~S108の処理の処理と同様なので、ここでは詳細な説明は省略する。
(Estimation processing by the estimation device according to the second embodiment)
Figure 7 is a flowchart relating to a first mode of estimation processing performed by the estimation device 40. The estimation processing shown in Figure 7 is performed mainly by the processing unit 50 in cooperation with each element of the estimation device 40, based on a program stored in the storage unit 42 beforehand. Furthermore, the estimation processing shown in Figure 7 is performed repeatedly at a predetermined cycle. The processing in S201 to S208 is the same as the processing in S101 to S108, so a detailed explanation is omitted here.
S208の処理が終了すると、補正部55は、S208の処理で演算された相関係数を補正するときに使用される補正係数を決定する(S209)。補正部55は、補正係数欄423を参照して、S207の処理で演算されたステップ「1」における抵抗値Rに関連付けて記憶される補正係数を、S208の処理で演算された相関係数を補正するときに使用する補正係数に決定する。 When the process in S208 is completed, the correction unit 55 determines the correction coefficient to be used when correcting the correlation coefficient calculated in the process in S208 (S209). The correction unit 55 refers to the correction coefficient column 423 and determines the correction coefficient stored in association with the resistance value R in step "1" calculated in the process in S207 to be the correction coefficient to be used when correcting the correlation coefficient calculated in the process in S208.
次いで、補正部55は、S209の処理で決定された補正係数を使用して、S208の処理で演算された相関係数を補正する(S210)。補正部55は、相関係数は、S208の処理で演算された相関係数に、S209の処理で決定された補正係数を乗算することで、相関係数を補正する。補正部55は、補正した相関係数を記憶部42に記憶する。 Next, the correction unit 55 corrects the correlation coefficient calculated in process S208 using the correction coefficient determined in process S209 (S210). The correction unit 55 corrects the correlation coefficient by multiplying the correlation coefficient calculated in process S208 by the correction coefficient determined in process S209. The correction unit 55 stores the corrected correlation coefficient in the storage unit 42.
次いで、推定処理部33は、S210の処理で補正された相関係数に基づいて、水素センサ10の周囲に存在する水素の濃度を推定する(S211)。そして、濃度信号出力部34は、S110の処理と同様に、濃度信号を出力部24に出力する(S212)。 Next, the estimation processing unit 33 estimates the hydrogen concentration present around the hydrogen sensor 10 based on the correlation coefficient corrected in the processing of S210 (S211). Then, the concentration signal output unit 34 outputs the concentration signal to the output unit 24, similar to the processing in S110 (S212).
(第2実施形態に係る水素検出装置の作用効果)
水素検出装置2では、推定装置40は、水素の濃度を推定するときに使用される相関係数は、温度に応じて規定された補正係数により補正されるので、水素センサ10自体の温度変化にかかわらず、水素の有無を高精度に判定することができる。
(Effects and effects of the hydrogen detection device according to the second embodiment)
In the hydrogen detection device 2, the estimation device 40 corrects the correlation coefficient used to estimate the hydrogen concentration using a correction coefficient defined according to the temperature. Therefore, it is possible to determine the presence or absence of hydrogen with high accuracy regardless of temperature changes in the hydrogen sensor 10 itself.
また、水素検出装置2では、相関係数を補正する補正係数は、スウィープ期間において最初のステップであるステップ「1」において取得された電圧値に基づいて決定されるので、水素センサ10の温度が室温に近く、相関係数を高精度に補正することができる。 Furthermore, in the hydrogen detection device 2, the correction coefficient for correcting the correlation coefficient is determined based on the voltage value acquired in step "1," which is the first step in the sweep period. Therefore, since the temperature of the hydrogen sensor 10 is close to room temperature, the correlation coefficient can be corrected with high accuracy.
(第3実施形態に係る水素検出装置の構成および機能)
図8は、第3実施形態に係る水素検出装置を示す図である。
(Configuration and function of the hydrogen detection device according to the third embodiment)
Figure 8 shows a hydrogen detection device according to the third embodiment.
水素検出装置3は、推定装置60を推定装置20の代わりに有することが水素検出装置1と相違する。推定装置60は、記憶部62及び処理部70を記憶部22及び処理部30の代わりに有することが推定装置20と相違する。記憶部62及び処理部70以外の水素検出装置2の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された水素検出装置1の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。 The hydrogen detection device 3 differs from the hydrogen detection device 1 in that it has an estimation device 60 instead of an estimation device 20. The estimation device 60 differs from the estimation device 20 in that it has a storage unit 62 and a processing unit 70 instead of a storage unit 22 and a processing unit 30. The configuration and function of the components of the hydrogen detection device 2, other than the storage unit 62 and the processing unit 70, are the same as those of the components of the hydrogen detection device 1, which are given the same reference numerals; therefore, a detailed explanation is omitted here.
記憶部62は、基準抵抗情報620を有することが記憶部22と相違する。基準抵抗情報620以外の記憶部62の構成及び機能は、記憶部22の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。基準抵抗情報620は、温度が25℃であるときの水素センサ10の抵抗値を示す情報である。温度が25℃であるときの水素センサ10の抵抗値は、基準抵抗値とも称される。 The memory unit 62 differs from the memory unit 22 in that it has reference resistance information 620. The configuration and function of the memory unit 62, other than the reference resistance information 620, are the same as those of the memory unit 22, so a detailed explanation is omitted here. The reference resistance information 620 indicates the resistance value of the hydrogen sensor 10 when the temperature is 25°C. The resistance value of the hydrogen sensor 10 when the temperature is 25°C is also called the reference resistance value.
処理部70は、劣化判定部75、警報信号出力部76及び検出信号出力部77を有することが処理部30と相違する。劣化判定部75、警報信号出力部76及び検出信号出力部77以外の処理部70の構成及び機能は、処理部30の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。 The processing unit 70 differs from the processing unit 30 in that it includes a deterioration determination unit 75, an alarm signal output unit 76, and a detection signal output unit 77. The configuration and functions of the processing unit 70, other than the deterioration determination unit 75, alarm signal output unit 76, and detection signal output unit 77, are the same as those of the processing unit 30, so a detailed explanation is omitted here.
(第3実施形態に係る推定装置による推定処理)
図9は、推定装置60により実行される推定処理の第1態様に係るフローチャートである。図9に示す推定処理は、予め記憶部22に記憶されているプログラムに基づいて、主に処理部70により推定装置60の各要素と協働して実行される。S301~S310の処理は、S101~S110の処理の処理と同様なので、ここでは詳細な説明は省略する。
(Estimation processing by the estimation device according to the third embodiment)
Figure 9 is a flowchart relating to a first mode of estimation processing performed by the estimation device 60. The estimation processing shown in Figure 9 is performed mainly by the processing unit 70 in cooperation with each element of the estimation device 60, based on a program stored in the storage unit 22 beforehand. The processing in S301 to S310 is the same as the processing in S101 to S110, so a detailed explanation is omitted here.
S310の処理が終了すると、劣化判定部75は、水素センサ10に供給される電流量及びS303の処理で取得された電圧値からS306~S308の処理で演算される相関係数に基づいて、水素センサ10の周囲に水素が存在するか否かを判定する(S311)。劣化判定部75は、S308の処理で演算された相関係数である比率(dR/dP)が所定のしきい値以上であるときに、水素センサ10の周囲に水素が存在しないと判定する(S311-NO)。また、劣化判定部75は、S108の処理で演算された相関係数である比率(dR/dP)が所定のしきい値未満であるときに、水素センサ10の周囲に水素が存在すると判定する(S311-YES)。S109の処理で使用されるしきい値は、大気中に水素が存在しないときの比率(dR/dP)から誤差に相当する係数を減算した値である。 When the process in S310 is completed, the degradation determination unit 75 determines whether or not hydrogen is present around the hydrogen sensor 10 based on the current supplied to the hydrogen sensor 10 and the voltage value obtained in the process in S303, using the correlation coefficient calculated in processes S306 to S308 (S311). The degradation determination unit 75 determines that hydrogen is not present around the hydrogen sensor 10 when the ratio (dR/dP), which is the correlation coefficient calculated in the process in S308, is greater than or equal to a predetermined threshold (S311-NO). Alternatively, the degradation determination unit 75 determines that hydrogen is present around the hydrogen sensor 10 when the ratio (dR/dP), which is the correlation coefficient calculated in the process in S108, is less than a predetermined threshold (S311-YES). The threshold used in the process in S109 is the value obtained by subtracting a coefficient corresponding to the error from the ratio (dR/dP) when hydrogen is not present in the atmosphere.
劣化判定部75は、水素が存在しないと判定する(S311-NO)と、S306及びS307の処理で演算された電力P及び抵抗値Rから、水素センサ10に電流が供給されないときの水素センサ10の抵抗値を推定する(S312)。 The degradation determination unit 75, upon determining that hydrogen is not present (S311-NO), estimates the resistance value of the hydrogen sensor 10 when no current is supplied to it, based on the power P and resistance value R calculated in processes S306 and S307 (S312).
図10は、S312の抵抗値推定処理の概要を説明するための図である。図10において、横軸は水素センサに投入される電力であり、左縦軸は水素センサの抵抗値であり、右縦軸は水素センサの温度変化量であり、四角印は窒素が100%である雰囲気における特性を示す。また、「1」~「20」の数字は、水素センサに供給される電流量を階段状に変化させたときのステップ数である。 Figure 10 is a diagram illustrating the overview of the resistance value estimation process in S312. In Figure 10, the horizontal axis represents the power supplied to the hydrogen sensor, the left vertical axis represents the resistance value of the hydrogen sensor, the right vertical axis represents the temperature change of the hydrogen sensor, and the square marks indicate the characteristics in an atmosphere of 100% nitrogen. The numbers "1" to "20" represent the number of steps when the amount of current supplied to the hydrogen sensor is changed in a stepwise manner.
図10において破線で囲まれるステップ「7」からステップ「10」までの間は、電力Pの変化量と抵抗値Rの変化量は、線形関係である。一方、図10において一点鎖線で囲まれるステップ「1」からステップ「5」までの間は、電力Pの変化量と抵抗値Rの変化量は、非線形関係である。S312の抵抗値推定処理では、劣化判定部75は、ステップ「1」~「5」に対応するプロットから指数近似又は累乗近似により水素センサ10に電流が供給されないときの水素センサ10の抵抗値を推定する。 In Figure 10, the relationship between the change in power P and the change in resistance R is linear from step "7" to step "10," which is enclosed by a dashed line. On the other hand, the relationship between the change in power P and the change in resistance R is nonlinear from step "1" to step "5," which is enclosed by a dashed line in Figure 10. In the resistance estimation process of S312, the degradation determination unit 75 estimates the resistance of the hydrogen sensor 10 when no current is supplied to it, using exponential or power approximation from the plots corresponding to steps "1" to "5."
次いで、劣化判定部75は、S312で推定された抵抗値と基準抵抗値との差が所定のしきい値差以上であるか否かを判定する(S313)。劣化判定部75は、劣化判定部75は、S311で推定された抵抗値と、基準抵抗情報620に対応する基準抵抗値との間の差の絶対値を演算する。次いで、劣化判定部75は、推定された抵抗値と基準抵抗値との間の差の絶対値が所定のしきい値差以上であるか否かを判定する。 Next, the degradation determination unit 75 determines whether the difference between the resistance value estimated in S312 and the reference resistance value is greater than or equal to a predetermined threshold difference (S313). The degradation determination unit 75 calculates the absolute value of the difference between the resistance value estimated in S311 and the reference resistance value corresponding to the reference resistance information 620. Then, the degradation determination unit 75 determines whether the absolute value of the difference between the estimated resistance value and the reference resistance value is greater than or equal to a predetermined threshold difference.
推定された抵抗値と基準抵抗値との間の差の絶対値が所定のしきい値差未満であると判定される(S313-NO)と、処理はS301に戻る。 If it is determined that the absolute value of the difference between the estimated resistance value and the reference resistance value is less than a predetermined threshold difference (S313-NO), the process returns to S301.
推定された抵抗値と基準抵抗値との間の差の絶対値が所定のしきい値差以上であると判定される(S313-YES)と、警報信号出力部76は、水素センサ10が劣化したことを示す警報信号を出力部24に出力する(S314)。出力部24は、警報信号が入力されることに応じて、水素センサ10が劣化したことを示す画像を表示する。次いで、処理はS301に戻る。以降、判定処理部33によって水素センサ10の周囲に水素が存在すると判定される(S311-YES)まで、S301~S314の処理が繰り返される。 If the absolute value of the difference between the estimated resistance value and the reference resistance value is determined to be greater than or equal to a predetermined threshold difference (S313-YES), the alarm signal output unit 76 outputs an alarm signal to the output unit 24 indicating that the hydrogen sensor 10 has deteriorated (S314). The output unit 24 displays an image indicating that the hydrogen sensor 10 has deteriorated, in response to the alarm signal input. The process then returns to S301. Subsequently, the processes S301 to S314 are repeated until the determination processing unit 33 determines that hydrogen is present around the hydrogen sensor 10 (S311-YES).
判定処理部33によって水素センサ10の周囲に水素が存在すると判定される(S311-YES)と、検出信号出力部77は、水素を検出したことを示す検出信号を出力部24に出力する(S315)。出力部24は、検出信号が入力されることに応じて、水素を検出したことを示す画像を表示すると共に水素を検出したことを示す音声を警報音と共に出力する。 When the determination processing unit 33 determines that hydrogen is present around the hydrogen sensor 10 (S311-YES), the detection signal output unit 77 outputs a detection signal to the output unit 24 indicating that hydrogen has been detected (S315). In response to the input detection signal, the output unit 24 displays an image indicating hydrogen detection and outputs an audio alert sound indicating hydrogen detection.
(第3実施形態に係る水素検出装置の作用効果)
水素検出装置3では、推定装置60は、水素センサ10に電流が供給されないときの水素センサ10の抵抗値と基準抵抗値との間の差の絶対値が所定のしきい値差以上となったときに警報信号を出力して、水素センサ10の経年劣化をオペレータに認識させることができる。
(Effects and effects of the hydrogen detection device according to the third embodiment)
In the hydrogen detection device 3, the estimation device 60 outputs an alarm signal when the absolute value of the difference between the resistance value of the hydrogen sensor 10 and the reference resistance value when no current is supplied to the hydrogen sensor 10 exceeds a predetermined threshold difference, thereby allowing the operator to recognize the deterioration of the hydrogen sensor 10 over time.
また、水素検出装置3では、推定装置60は、電流量を増加させる間に複数の電圧値を取得することで、電力Pの変化量と抵抗値Rの変化量が非線形関係プロットと、電力Pの変化量と抵抗値Rの変化量が線形関係を演算できる。水素検出装置3では、推定装置60は、電力Pの変化量と抵抗値Rの変化量が非線形関係プロットを使用することで、水素センサ10に電流が供給されないときの水素センサ10の抵抗値を高精度に推定できる。 Furthermore, in the hydrogen detection device 3, the estimation device 60 acquires multiple voltage values while increasing the current, enabling it to calculate a nonlinear relationship plot between the change in power P and the change in resistance R, and a linear relationship plot between the change in power P and the change in resistance R. In the hydrogen detection device 3, the estimation device 60 uses the nonlinear relationship plot between the change in power P and the change in resistance R to accurately estimate the resistance value of the hydrogen sensor 10 when no current is supplied to it.
(実施形態に係る気体検出装置の変形例)
水素検出装置1~3は、大気中において水素の濃度を推定すると共に、水素を検出する検出装置であるが、実施形態に係る気体検出装置は、窒素等の大気以外の雰囲気において、水素の濃度を推定すると共に、水素を検出する検出装置であってもよい。また、実施形態に係る気体検出装置は、大気中において、ヘリウム(He)及び一酸化炭素(CO)等の水素以外の元素を検出する検出装置であってもよい。
(Modified example of a gas detection device according to an embodiment)
Hydrogen detection devices 1 to 3 are detection devices that estimate the concentration of hydrogen in the atmosphere and detect hydrogen. However, the gas detection device according to the embodiment may be a detection device that estimates the concentration of hydrogen and detects hydrogen in an atmosphere other than the atmosphere, such as nitrogen. Furthermore, the gas detection device according to the embodiment may be a detection device that detects elements other than hydrogen, such as helium (He) and carbon monoxide (CO), in the atmosphere.
また、水素検出装置1~3は、比率(dR/dP)及び面積APRをパラメータとして使用して水素の存在の有無を判定するが、実施形態に係る水素検出装置は、比率(dR/dP)及び面積APR以外のパラメータを使用して水素の存在の有無を判定してもよい。実施形態に係る水素検出装置は、例えば水素センサ10の温度上昇のピークの白金に供給される電流量のピークからの遅延量をパラメータとして水素の存在の有無を判定してもよい。 Furthermore, while hydrogen detection devices 1 to 3 determine the presence or absence of hydrogen using the ratio (dR/dP) and area APR as parameters, the hydrogen detection device according to the embodiment may determine the presence or absence of hydrogen using parameters other than the ratio (dR/dP) and area APR . For example, the hydrogen detection device according to the embodiment may determine the presence or absence of hydrogen using the delay amount from the peak of the current supplied to the platinum at the peak of the temperature rise of the hydrogen sensor 10 as a parameter.
また、水素検出装置1~3は、水素センサ10に供給される電流量を変化させる間に電圧計11によって検出された複数の電圧値を取得する。しかしながら、実施形態に係る水素検出装置は、水素センサ10に印加される電圧値を変化させる間に電流計によって検出された複数の電流量を取得してもよい。 Furthermore, hydrogen detection devices 1 to 3 acquire multiple voltage values detected by the voltmeter 11 while varying the amount of current supplied to the hydrogen sensor 10. However, the hydrogen detection device according to this embodiment may also acquire multiple current amounts detected by the ammeter while varying the voltage value applied to the hydrogen sensor 10.
図11は、第1変形例に係る水素検出装置を示す図である。 Figure 11 shows a hydrogen detection device according to the first modified example.
水素検出装置4は、電圧源16、電流計17及び推定装置20aを電流源11、電圧計12及び推定装置20の代わりに有することが水素検出装置と相違する。電圧源16、電流計17及び推定装置20a以外の水素検出装置4の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された水素検出装置1の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。 The hydrogen detection device 4 differs from the hydrogen detection device in that it has a voltage source 16, an ammeter 17, and an estimation device 20a instead of a current source 11, a voltmeter 12, and an estimation device 20. The configuration and function of the components of the hydrogen detection device 4, other than the voltage source 16, ammeter 17, and estimation device 20a, are the same as those of the components of the hydrogen detection device 1, which are given the same reference numerals; therefore, a detailed explanation is omitted here.
電圧源16は、商用電源や電池から降圧した直流電圧を生成する降圧回路、降圧回路を制御する電圧制御回路及びインタフェース部を有する。電圧源16は、第1制御線13を介して推定装置20aからインタフェース部に入力された設定信号に応じた電圧値を、水素センサ10に供給する。 The voltage source 16 includes a step-down circuit that generates a DC voltage stepped down from a commercial power source or battery, a voltage control circuit that controls the step-down circuit, and an interface unit. The voltage source 16 supplies a voltage value corresponding to a setting signal input to the interface unit from the estimation device 20a via the first control line 13 to the hydrogen sensor 10.
電流計17は、公知の電流計であり、アナログ電流計及びデジタル電流計の何れでもよい。また、実施形態に係る水素検出装置は、電圧源16及び電流計17の代わりに、電圧源と電流計とを一体化したSMUを有してもよく、電圧源と電流計を内蔵したAFE ICを電圧源16及び電流計17の代わりに有してもよい。電流計17は、電圧源16から水素センサ10に電圧が印加されることにより水素センサ10を流れる電流の電流量を検出し、検出した電流量を示す電流信号を第2制御線14を介して推定装置20aに出力する。 The ammeter 17 is a known ammeter, and may be either an analog or digital ammeter. Furthermore, the hydrogen detection device according to this embodiment may have an SMU integrating the voltage source and ammeter instead of the voltage source 16 and ammeter 17, or it may have an AFE IC with a built-in voltage source and ammeter instead of the voltage source 16 and ammeter 17. The ammeter 17 detects the amount of current flowing through the hydrogen sensor 10 when voltage is applied from the voltage source 16 to the hydrogen sensor 10, and outputs a current signal indicating the detected amount of current to the estimation device 20a via the second control line 14.
推定装置20aは、記憶部27及び処理部30aを記憶部22及び処理部30の代わりに有することが推定装置20と相違する。記憶部27及び処理部30a以外の推定装置20aの構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された推定装置20の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。 The estimation device 20a differs from the estimation device 20 in that it has a storage unit 27 and a processing unit 30a instead of the storage unit 22 and processing unit 30. The configuration and function of the components of the estimation device 20a other than the storage unit 27 and processing unit 30a are the same as those of the components of the estimation device 20, which are given the same reference numerals; therefore, a detailed explanation is omitted here.
記憶部27は、電圧推移情報270を電流推移情報220の代わりに記憶することが記憶部22と相違する。電圧推移情報270は、電圧源16から出力される電圧の基本パターンであるスウィープ期間における電圧印加パターンを示す情報を記憶するテーブルである。電圧推移情報270は、図3を参照して説明される電流遷移情報220と同様に、ステップ欄、印加電圧値欄、及び電圧印加時間欄を有し、印加電圧値欄及び電圧印加時間欄に、ステップ欄に示されるステップ数に関連づけて印加電圧値及び印加時間を記憶する。電圧推移情報270は、階段状に電圧値が上昇する増加期間、階段状に電圧値が下降する減少期間及び休止期間を有するスウィープ期間を形成する電圧値を水素センサ10に印加するように電圧印加パターンを記憶する。 The memory unit 27 differs from the memory unit 22 in that it stores voltage transition information 270 instead of current transition information 220. The voltage transition information 270 is a table that stores information indicating the voltage application pattern during the sweep period, which is the basic pattern of the voltage output from the voltage source 16. Similar to the current transition information 220 described with reference to Figure 3, the voltage transition information 270 has a step column, an applied voltage value column, and a voltage application time column. The applied voltage value column and the voltage application time column store the applied voltage value and application time in relation to the number of steps indicated in the step column. The voltage transition information 270 stores the voltage application pattern so that voltage values are applied to the hydrogen sensor 10 to form a sweep period having an increasing period where the voltage value rises in a stepwise manner, a decreasing period where the voltage value falls in a stepwise manner, and a pause period.
処理部30aは、電圧印加部36、電流取得部37及び推定処理部38を電流供給部31、電圧取得部32及び推定処理部33の代わりに有することが処理部30と相違する。電圧印加部36、電流取得部37及び推定処理部38以外の処理部30aの構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された処理部30の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。 The processing unit 30a differs from the processing unit 30 in that it has a voltage application unit 36, a current acquisition unit 37, and an estimation processing unit 38 instead of a current supply unit 31, a voltage acquisition unit 32, and an estimation processing unit 33. The configuration and function of the components of the processing unit 30a other than the voltage application unit 36, the current acquisition unit 37, and the estimation processing unit 38 are the same as those of the components of the processing unit 30 that are given the same reference numerals, so a detailed explanation is omitted here.
(第1変形例に係る推定装置による推定処理の第1態様)
図12は、推定装置20aにより実行される推定処理の第1態様に係るフローチャートである。図12に示す推定処理は、予め記憶部27に記憶されているプログラムに基づいて、主に処理部30aにより推定装置20aの各要素と協働して実行される。また、図12に示す推定処理は、所定の周期で繰り返し実行される。
(First aspect of estimation processing by the estimation device relating to the first modified example)
Figure 12 is a flowchart relating to a first mode of estimation processing performed by the estimation device 20a. The estimation processing shown in Figure 12 is performed mainly by the processing unit 30a in cooperation with each element of the estimation device 20a, based on a program stored in the storage unit 27 beforehand. Furthermore, the estimation processing shown in Figure 12 is repeatedly performed at a predetermined cycle.
まず、電圧印加部36は、記憶部27に記憶される電圧推移情報270を参照して、電圧源16から水素センサ10に印加される電圧値を決定する(S401)。電圧印加部36は、電圧推移情報270のステップ欄に示される「1」に関連付けて記憶される印加電圧値を電圧源16から水素センサ10に印加される電圧値に決定する。 First, the voltage application unit 36 refers to the voltage transition information 270 stored in the memory unit 27 to determine the voltage value to be applied from the voltage source 16 to the hydrogen sensor 10 (S401). The voltage application unit 36 determines the applied voltage value stored in association with "1" in the step column of the voltage transition information 270 as the voltage value to be applied from the voltage source 16 to the hydrogen sensor 10.
次いで、電圧印加部36は、S401の処理で決定した電圧値を示す設定信号を電圧源16に通信部21に出力する(S402)。通信部21は、電圧印加部36から入力された設定信号を第1制御線13を介して電圧源16に送信する。電圧源16は、設定信号が入力されることに応じて、設定信号に対応する印加電圧値を水素センサ10に供給する。 Next, the voltage application unit 36 outputs a setting signal indicating the voltage value determined in the process of S401 to the communication unit 21 of the voltage source 16 (S402). The communication unit 21 transmits the setting signal received from the voltage application unit 36 to the voltage source 16 via the first control line 13. The voltage source 16 supplies the applied voltage value corresponding to the setting signal to the hydrogen sensor 10 in response to the input of the setting signal.
次いで、電流取得部37は、電流計17によって検出された電流量を取得する(S403)。電流取得部37は、通信部21を介して電流要求信号を電流計17に送信する。電流計17は、電流要求信号を受信したことに応じて、検出した電流量を示す電流信号を第2制御線14を介して通信部21に送信する。電流取得部37は、電流計17から送信された電流信号に対応する電流量を取得し、取得した電流量を示す電流情報を電圧遷移情報270のステップ欄に示される「1」に関連付けて記憶部22に記憶する。 Next, the current acquisition unit 37 acquires the amount of current detected by the ammeter 17 (S403). The current acquisition unit 37 transmits a current request signal to the ammeter 17 via the communication unit 21. Upon receiving the current request signal, the ammeter 17 transmits a current signal indicating the detected amount of current to the communication unit 21 via the second control line 14. The current acquisition unit 37 acquires the amount of current corresponding to the current signal transmitted from the ammeter 17 and stores the current information indicating the acquired amount in the storage unit 22, associating it with the "1" shown in the step column of the voltage transition information 270.
次いで、電圧印加部36は、ステップ数を1つ加算して(S404)、ステップ数を「2」とする。次いで、電圧印加部36は、現在のステップ数が最終ステップであるか否かを判定する(S405)。電圧印加部36は、現在のステップ数が最終ステップでないと判定する(S405-NO)と、現在のステップ数である「1」に関連付けて記憶される電圧印加時間に亘って待機する。次いで、処理はS401に戻る。 Next, the voltage application unit 36 increments the step count by one (S404), making the step count "2". Then, the voltage application unit 36 determines whether the current step count is the final step (S405). If the voltage application unit 36 determines that the current step count is not the final step (S405-NO), it waits for the voltage application time stored in association with the current step count, "1". Then, the process returns to S401.
以降、電圧印加部36によって現在のステップ数が最終ステップであると判定する(S405-YES)まで、S401~S405の処理が繰り返される。現在のステップ数が最終ステップであると判定される(S405-YES)まで、S401~S405の処理が繰り返されることで、電圧印加部36は、電圧推移情報270に対応する電圧を印加する電圧印加処理を繰り返す。電圧印加部36が電圧印加処理を繰り返すことで、電圧源16は、電圧推移情報270に対応する電圧を水素センサ10に印加する。電流取得部37は、電圧推移情報270に対応する電圧値が印加された状態の水素センサ10を流れる電流の電流量を順次取得する。 From this point onward, the processes S401 to S405 are repeated until the voltage application unit 36 determines that the current step number is the final step (S405-YES). As the processes S401 to S405 are repeated until the current step number is determined to be the final step (S405-YES), the voltage application unit 36 repeatedly performs the voltage application process, applying the voltage corresponding to the voltage transition information 270. As the voltage application unit 36 repeatedly performs the voltage application process, the voltage source 16 applies the voltage corresponding to the voltage transition information 270 to the hydrogen sensor 10. The current acquisition unit 37 sequentially acquires the amount of current flowing through the hydrogen sensor 10 while the voltage value corresponding to the voltage transition information 270 is applied.
現在のステップ数が最終ステップであると判定される(S405-YES)と、推定処理部38は、印加される電圧値及びS403の処理で取得された電流量から、それぞれのステップにおいて水素センサ10に投入された電力を演算する(S406)。推定処理部33は、ステップのそれぞれにおける電圧値Vとステップのそれぞれにおいて取得された電流量Iとを乗算することで、それぞれのステップにおいて水素センサ10に投入された電力Pを演算する。推定処理部38は、演算した電力Pを対応するステップ数に関連付けて記憶部22に記憶する。 When it is determined that the current step is the final step (S405-YES), the estimation processing unit 38 calculates the power supplied to the hydrogen sensor 10 at each step from the applied voltage value and the amount of current obtained in the processing of S403 (S406). The estimation processing unit 33 calculates the power supplied to the hydrogen sensor 10 at each step by multiplying the voltage value V at each step by the amount of current I obtained at each step. The estimation processing unit 38 stores the calculated power P in the storage unit 22, associating it with the corresponding step number.
次いで、推定処理部38は、水素センサ10に印加される電圧値、及びS403の処理で取得された複数の電流量から、それぞれのステップにおける水素センサ10の抵抗値Rを演算する(S407)。ステップのそれぞれにおける電圧値Vをステップのそれぞれにおいて取得された電流量Iによって除算することで、それぞれのステップにおける水素センサ10の抵抗値Rを演算する。推定処理部33は、演算した抵抗値Rを対応するステップ数に関連付けて記憶部22に記憶する。S408~S410の処理は、S108~S110の処理と同様なので、ここでは詳細な説明は省略する。 Next, the estimation processing unit 38 calculates the resistance value R of the hydrogen sensor 10 at each step from the voltage value applied to the hydrogen sensor 10 and the multiple current amounts obtained in the processing of S403 (S407). The resistance value R of the hydrogen sensor 10 at each step is calculated by dividing the voltage value V at each step by the current amount I obtained at each step. The estimation processing unit 33 stores the calculated resistance value R in the storage unit 22, associating it with the corresponding step number. The processing of S408 to S410 is the same as the processing of S108 to S110, so a detailed explanation is omitted here.
また、実施形態に係る水素検出装置は、電流の供給又は電圧の印加によって水素センサ10に供給される電気の量を変化させる間に、電圧計11及び電流計16以外の電気センサによって検出された電気特性を示す物理量を取得して、水素の濃度を推定してもよい。実施形態に係る水素検出装置が取得する電気特性を示す物理量は、水素センサ10に供給される電気を示す物理量と共に、水素センサ10の電力及び抵抗が演算可能な物理量であればよい。電気センサは、水素センサ10の抵抗値を検出する抵抗計であってもよく、水素センサ10の電力を検出する電力計であってもよい。また、実施形態に係る水素検出装置は、抵抗計及び電力計を電気センサとして有してもよい。 Furthermore, the hydrogen detection device according to the embodiment may estimate the hydrogen concentration by acquiring physical quantities indicating electrical characteristics detected by electrical sensors other than the voltmeter 11 and ammeter 16 while changing the amount of electricity supplied to the hydrogen sensor 10 by supplying current or applying voltage. The physical quantities indicating electrical characteristics acquired by the hydrogen detection device according to the embodiment may be any physical quantities that can be calculated, including the power and resistance of the hydrogen sensor 10, along with the physical quantity indicating the electricity supplied to the hydrogen sensor 10. The electrical sensors may be resistance meters that detect the resistance value of the hydrogen sensor 10, or power meters that detect the power of the hydrogen sensor 10. The hydrogen detection device according to the embodiment may also include resistance meters and power meters as electrical sensors.
また、水素検出装置1~3は、水素センサ10の周囲に存在する水素の濃度を推定するが、実施形態に係る水素検出装置は、水素センサ10の周囲に水素が存在するか否かを判定してもよい。 Furthermore, while hydrogen detection devices 1 to 3 estimate the concentration of hydrogen present around the hydrogen sensor 10, the hydrogen detection device according to this embodiment may determine whether or not hydrogen is present around the hydrogen sensor 10.
図13は、第2変形例に係る水素検出装置を示す図である。 Figure 13 shows a hydrogen detection device according to a second modified example.
水素検出装置5は、判定装置80を推定装置20の代わりに有することが水素検出装置1と相違する。判定装置80は、処理部90を処理部30の代わりに有することが推定装置20と相違する。処理部90以外の水素検出装置5の構成要素の構成及び機能は、同一符号が付された水素検出装置1の構成要素の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。 The hydrogen detection device 5 differs from the hydrogen detection device 1 in that it has a determination device 80 instead of an estimation device 20. The determination device 80 differs from the estimation device 20 in that it has a processing unit 90 instead of a processing unit 30. The configuration and function of the components of the hydrogen detection device 5, other than the processing unit 90, are the same as those of the components of the hydrogen detection device 1, which are assigned the same reference numerals; therefore, a detailed explanation is omitted here.
処理部90は、判定処理部93及び検出信号出力部94を推定処理部33及び濃度信号出力部34の代わりに有することが処理部30と相違する。判定処理部93及び検出信号出力部94以外の処理部90の構成及び機能は、処理部30の構成及び機能と同一なので、ここでは詳細な説明は省略する。 The processing unit 90 differs from the processing unit 30 in that it has a determination processing unit 93 and a detection signal output unit 94 instead of the estimation processing unit 33 and the concentration signal output unit 34. The configuration and functions of the processing unit 90, other than the determination processing unit 93 and the detection signal output unit 94, are the same as those of the processing unit 30, so a detailed explanation is omitted here.
(第2変形例に係る判定装置による判定処理)
図14は、判定装置80により実行される判定処理の第1態様に係るフローチャートである。図14に示す判定処理は、予め記憶部22に記憶されているプログラムに基づいて、主に処理部90により判定装置80の各要素と協働して実行される。S501~S508の処理は、S101~S108の処理の処理と同様なので、ここでは詳細な説明は省略する。
(Determination process by the determination device relating to the second modified example)
Figure 14 is a flowchart relating to a first mode of the determination process performed by the determination device 80. The determination process shown in Figure 14 is performed mainly by the processing unit 90 in cooperation with each element of the determination device 80, based on a program stored in the storage unit 22 beforehand. The processes from S501 to S508 are the same as the processes from S101 to S108, so a detailed explanation is omitted here.
S508の処理が終了すると、判定処理部93は、水素センサ10に供給される電流量及びS503の処理で取得された電圧値からS506~S508の処理で演算される相関係数に基づいて、水素センサ10の周囲に水素が存在するか否かを判定する(S509)。判定処理部93は、S508の処理で演算された相関係数である比率(dR/dP)が所定のしきい値以上であるときに、水素センサ10の周囲に水素が存在しないと判定する(S509-NO)。また、判定処理部93は、S508の処理で演算された相関係数である比率(dR/dP)が所定のしきい値未満であるときに、水素センサ10の周囲に水素が存在すると判定する(S509-YES)。S509の処理で使用されるしきい値は、大気中に水素が存在しないときの比率(dR/dP)から誤差に相当する係数を減算した値である。 When the process in S508 is completed, the determination processing unit 93 determines whether or not hydrogen is present around the hydrogen sensor 10 based on the correlation coefficient calculated in processes S506 to S508 from the amount of current supplied to the hydrogen sensor 10 and the voltage value obtained in process S503 (S509). The determination processing unit 93 determines that hydrogen is not present around the hydrogen sensor 10 if the ratio (dR/dP), which is the correlation coefficient calculated in process S508, is greater than or equal to a predetermined threshold (S509-NO). Alternatively, the determination processing unit 93 determines that hydrogen is present around the hydrogen sensor 10 if the ratio (dR/dP), which is the correlation coefficient calculated in process S508, is less than a predetermined threshold (S509-YES). The threshold used in process S509 is the value obtained by subtracting a coefficient corresponding to the error from the ratio (dR/dP) when hydrogen is not present in the atmosphere.
判定処理部93によって水素が存在しないと判定される(S509-NO)と、処理はS501に戻る。以降、判定処理部93によって水素が存在すると判定される(S509-YES)まで、S501~S509の処理が繰り返される。 If the determination processing unit 93 determines that hydrogen is not present (S509-NO), the process returns to S501. Thereafter, the process from S501 to S509 is repeated until the determination processing unit 93 determines that hydrogen is present (S509-YES).
判定処理部93によって水素が存在すると判定される(S509-YES)と、検出信号出力部94は、水素を検出したことを示す検出信号を出力部24に出力する(S510)。出力部24は、検出信号が入力されることに応じて、水素を検出したことを示す画像を表示すると共に水素を検出したことを示す音声を警報音と共に出力する。 When the determination processing unit 93 determines that hydrogen is present (S509-YES), the detection signal output unit 94 outputs a detection signal to the output unit 24 indicating that hydrogen has been detected (S510). In response to the input detection signal, the output unit 24 displays an image indicating that hydrogen has been detected and outputs an audio alert sound indicating that hydrogen has been detected.
また、水素検出装置1~3では、階段状に電流量が上昇する増加期間、階段状に電流量が下降する減少期間及び休止期間を有するスウィープ期間が繰り返されるが、実施形態に係る気体検出装置では、スウィープ期間は、他の態様であってもよい。 Furthermore, in hydrogen detection devices 1 to 3, a sweep period is repeated, consisting of an increasing period in which the current increases in a stepwise manner, a decreasing period in which the current decreases in a stepwise manner, and a pause period. However, in the gas detection device according to this embodiment, the sweep period may be in other forms.
図15(a)は実施形態に係るスウィープ期間の第1変形例を示す図であり、図15(b)は実施形態に係るスウィープ期間の第2変形例を示す図である。図15(c)は実施形態に係るスウィープ期間の第3変形例を示す図であり、図15(d)は実施形態に係るスウィープ期間の第4変形例を示す図である。図15(a)~15(d)において、横軸は時間であり、縦軸は水素センサに供給される電流量である。 Figure 15(a) shows a first modified example of the sweep period according to the embodiment, and Figure 15(b) shows a second modified example of the sweep period according to the embodiment. Figure 15(c) shows a third modified example of the sweep period according to the embodiment, and Figure 15(d) shows a fourth modified example of the sweep period according to the embodiment. In Figures 15(a) to 15(d), the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the amount of current supplied to the hydrogen sensor.
スウィープ期間の第1変形例は、階段状に電流量が上昇する増加期間、増加期間に続く休止期間を有し、減少期間を有さないことが図1(a)に示す実施形態に係るスウィープ期間と相違する。スウィープ期間の第1変形例は、実施形態に係る水素検出装置が推定処理の第1態様を実施するときに使用されてもよい。スウィープ期間の第2変形例は、増加期間において電流量が階段状に上昇せずに単調増加すると共に、減少期間において電流量が階段状に下降せずに単調減少することが図1(a)に示す実施形態に係るスウィープ期間と相違する。スウィープ期間の第2変形例では、増加期間及び減少期間は三角波である。スウィープ期間の第3変形例は、増加期間及び減少期間において電流量が階段状に変化せずに、増加期間及び減少期間がサイン波であることが図1(a)に示す実施形態に係るスウィープ期間と相違する。 The first modified sweep period differs from the sweep period in the embodiment shown in Figure 1(a) in that it has an increasing period in which the current increases in a stepwise manner, a pause period following the increasing period, and no decreasing period. The first modified sweep period may be used when the hydrogen detection device according to the embodiment performs the first aspect of the estimation process. The second modified sweep period differs from the sweep period in the embodiment shown in Figure 1(a) in that the current increases monotonically without a stepwise increase during the increasing period, and decreases monotonically without a stepwise decrease during the decreasing period. In the second modified sweep period, the increasing and decreasing periods are triangular waves. The third modified sweep period differs from the sweep period in the embodiment shown in Figure 1(a) in that the current does not change in a stepwise manner during the increasing and decreasing periods, and the increasing and decreasing periods are sine waves.
スウィープ期間の第4変形例は、増加期間、減少期間及び休止期間に加え、増加期間の前にパルス状に電流量を変化させるパルス期間を有することが図1(a)に示す実施形態に係るスウィープ期間と相違する。パルス期間に取得された電圧値は、例えば第2実施形態に係る推定装置40によって相関係数を補正するときに使用されてもよい。 The fourth variation of the sweep period differs from the sweep period in the embodiment shown in Figure 1(a) in that, in addition to the increase period, decrease period, and pause period, it includes a pulse period in which the current quantity is changed in a pulsed manner before the increase period. The voltage value acquired during the pulse period may be used, for example, when correcting the correlation coefficient by the estimation device 40 according to the second embodiment.
また、水素検出装置2では、ステップ「1」において取得された電圧値に基づいて相関係数を補正するが、実施形態に係る水素検出装置では、ステップ「10」よりステップ「1」に近いステップにおいて取得された電圧値に基づいて相関係数を補正してもよい。すなわち、実施形態に係る水素検出装置では、ステップ「10」において供給される100mAよりステップ「1」において供給される10mAに近い電流量を供給されるときに取得した電圧値に基づいて相関係数を補正してもよい。 Furthermore, while the hydrogen detection device 2 corrects the correlation coefficient based on the voltage value obtained in step "1," the hydrogen detection device according to the embodiment may correct the correlation coefficient based on the voltage value obtained in a step closer to step "1" than step "10." That is, the hydrogen detection device according to the embodiment may correct the correlation coefficient based on the voltage value obtained when a current amount closer to 10 mA supplied in step "1" is supplied than the 100 mA supplied in step "10."
図1(a)に示す実施形態に係るスウィープ期間に対応する増加期間、減少期間及び休止期間に相当する電流量を白金に供給したときの白金の温度変化を有限要素法(FEM法)によりスーパーコンピュータ「TSUBAME」を使用してシミュレーションした。 The temperature change of platinum when current amounts corresponding to the increasing, decreasing, and pausing periods corresponding to the sweep period in the embodiment shown in Figure 1(a) was supplied to the platinum was simulated using the finite element method (FEM) on the supercomputer "TSUBAME".
図16(a)は図1(a)に示す実施形態に係るスウィープ期間に対応する増加期間、減少期間及び休止期間に相当する電流量を白金に供給したときのシミュレーション結果及び実測値を示す図であり、図16(b)は白金に供給される電流量を示す図である。図16(a)において、横軸は時間であり、縦軸は白金の温度変化量であり、図16(b)において、横軸は時間であり、縦軸は水素センサに供給される電流量である。図16(a)において、四角印は窒素が100%である雰囲気における実測値を示し、丸印は水素が100%である雰囲気における実測値を示す。また、波形W101は窒素が100%である雰囲気におけるシミュレーション結果を示し、四角印は窒素が100%である雰囲気におけるシミュレーション結果を示す。波形W102は水素が100%である雰囲気におけるシミュレーション結果を示し、丸印は水素が100%である雰囲気におけるシミュレーション結果を示す。白金は、直径が0.05mmであり且つ長さが88mmのワイヤ状の形状を有する。シミュレーションでは、熱輸送の中で対流及び輻射は考慮されず、熱伝導のみが考慮されている。また、白金の温度は室温を基準とし、その温度からの温度上昇を計算している。 Figure 16(a) shows the simulation results and measured values when current amounts corresponding to the increasing period, decreasing period, and pause period corresponding to the sweep period in the embodiment shown in Figure 1(a) are supplied to the platinum, and Figure 16(b) shows the amount of current supplied to the platinum. In Figure 16(a), the horizontal axis is time and the vertical axis is the temperature change of the platinum, and in Figure 16(b), the horizontal axis is time and the vertical axis is the amount of current supplied to the hydrogen sensor. In Figure 16(a), the square marks indicate measured values in an atmosphere of 100% nitrogen, and the circles indicate measured values in an atmosphere of 100% hydrogen. Waveform W101 shows the simulation results in an atmosphere of 100% nitrogen, and the square marks indicate the simulation results in an atmosphere of 100% nitrogen. Waveform W102 shows the simulation results in an atmosphere of 100% hydrogen, and the circles indicate the simulation results in an atmosphere of 100% hydrogen. The platinum material is in the form of a wire with a diameter of 0.05 mm and a length of 88 mm. In the simulation, only thermal conduction is considered in heat transport; convection and radiation are not taken into account. Furthermore, the temperature of the platinum is set to room temperature, and the temperature rise from that temperature is calculated.
図16(a)に示すように、窒素が100%である雰囲気及び水素が100%である雰囲気の何れでもシミュレーション結果は、熱の蓄積により白金の温度上昇のピークが白金に供給される電流量のピークから遅延して現れることを含めて実測値と略一致している。熱伝導のみが考慮されたシミュレーション結果が実測値と略一致するので、室温において、図1(a)に示すスウィープ期間に対応する電流量をワイヤ状の白金に供給する場合、熱輸送の中で熱伝導が対流及び輻射よりも寄与度が非常に大きいことが推認される。 As shown in Figure 16(a), the simulation results for both a 100% nitrogen atmosphere and a 100% hydrogen atmosphere closely match the measured values, including the fact that the peak of the platinum temperature rise due to heat accumulation appears with a delay from the peak of the current supplied to the platinum. Since the simulation results considering only heat conduction closely match the measured values, it can be inferred that, at room temperature, when supplying the current corresponding to the sweep period shown in Figure 1(a) to a wire-shaped platinum, heat conduction contributes significantly more to heat transport than convection and radiation.
図17は、実施例2において使用された実験装置の外観を示す図である。 Figure 17 shows the external appearance of the experimental apparatus used in Example 2.
図17に示す実験装置では、窒素及び水素の混合ガスが充填された試験管中にワイヤ状の形状を有する白金を配置して、雰囲気中の図1(a)に示す実施形態に係るスウィープ期間に対応する電流量を白金に供給したときに白金から出力される電圧値を測定した。白金は、直径が0.05mmであり且つ長さが88mmのワイヤ状の形状を有する。 In the experimental setup shown in Figure 17, a wire-shaped platinum strip was placed in a test tube filled with a mixture of nitrogen and hydrogen gas. The voltage output from the platinum strip was measured when a current corresponding to the sweep period shown in the embodiment in Figure 1(a) was supplied to the platinum strip in the atmospheric environment. The platinum strip had a wire-like shape with a diameter of 0.05 mm and a length of 88 mm.
(水素濃度を変化させたときの応答特性について)
図17に示す実験装置を使用して、試験管に導入される混合ガスに含有される水素の含有率を変化させながら、雰囲気中の図1(a)に示す実施形態に係るスウィープ期間に対応する電流量を白金に供給したときに白金から出力される電圧値を測定した。白金に供給した電流量及び測定された電圧値から、白金に投入された電力Pの変化量dPと抵抗値Rの変化量dRとの間の比率(dR/dP)を演算した。併せて、電力Pを第1軸とし、演算された抵抗値Rを第2軸とする直交座標系において、測定された複数の電圧値のそれぞれに対応するプロットに囲まれた領域の面積APRを演算した。
(Regarding the response characteristics when the hydrogen concentration is changed)
Using the experimental apparatus shown in Figure 17, the voltage output from platinum was measured when a current corresponding to the sweep period shown in the embodiment in Figure 1(a) was supplied to the platinum while varying the hydrogen content in the mixed gas introduced into the test tube. From the current supplied to the platinum and the measured voltage, the ratio (dR/dP) between the change in power P supplied to the platinum (dP) and the change in resistance R (dR) was calculated. In addition, the area APR of the region enclosed by the plots corresponding to each of the multiple measured voltage values was calculated in a Cartesian coordinate system with power P as the first axis and the calculated resistance R as the second axis.
図18(a)は混合ガスに含有される水素の含有率と比率(dR/dP)との関係を示す図(その1)であり、図18(b)は混合ガスに含有される水素の含有率と比率(dR/dP)との関係を示す図(その2)である。図18(c)は混合ガスに含有される水素の含有率と面積APRとの関係を示す図(その1)であり、図18(d)は混合ガスに含有される水素の含有率と面積APRとの関係を示す図(その2)である。図18(a)及び14(b)において、横軸は時間を示し、左縦軸は比率(dR/dP)を示し、右縦軸は混合ガスに含有される水素濃度を示す。図18(c)及び18(d)において、横軸は時間を示し、左縦軸は面積APRを示し、右縦軸は混合ガスに含有される水素濃度を示す。水素の含有率は、1%から10%まで1%毎に変更され、20%から100%まで20%毎に変更された。図18(a)~18(d)に示すグラフは、2.7秒毎に繰り返される図1(a)に示すスウィープ期間を所定の時間に亘って繰り返したときの比率(dR/dP)及び面積APRを演算してプロットしたものである。 Figure 18(a) is a diagram (part 1) showing the relationship between the hydrogen content and ratio (dR/dP) of the mixed gas, and Figure 18(b) is a diagram (part 2) showing the relationship between the hydrogen content and ratio (dR/dP) of the mixed gas. Figure 18(c) is a diagram (part 1) showing the relationship between the hydrogen content and area APR of the mixed gas, and Figure 18(d) is a diagram (part 2) showing the relationship between the hydrogen content and area APR of the mixed gas. In Figures 18(a) and 18(b), the horizontal axis represents time, the left vertical axis represents the ratio (dR/dP), and the right vertical axis represents the hydrogen concentration of the mixed gas. In Figures 18(c) and 18(d), the horizontal axis represents time, the left vertical axis represents area APR , and the right vertical axis represents the hydrogen concentration of the mixed gas. The hydrogen content was changed in 1% increments from 1% to 10%, and in 20% increments from 20% to 100%. The graphs shown in Figures 18(a) to 18(d) plot the ratio (dR/dP) and area APR calculated when the sweep period shown in Figure 1(a), which is repeated every 2.7 seconds, is repeated over a predetermined period of time.
比率(dR/dP)及び面積APRは、何れも混合ガスに含有される水素濃度の変化に応じて変化しており、実施形態に係る水素検出装置1~3において推定装置による推定処理の第1態様及び第2態様の何れの態様でも水素濃度が推定可能であることが確認された。 The ratio (dR/dP) and area APR both change in accordance with the change in the hydrogen concentration contained in the mixed gas, and it was confirmed that the hydrogen concentration can be estimated in both the first and second modes of estimation processing by the estimation device in the hydrogen detection devices 1 to 3 according to the embodiment.
(水素濃度を変化させたときの繰り返し特性について)
図17に示す実験装置を使用して、水素を含有しない窒素ガス及び水素の含有率が10%である混合ガスを試験管に交互に導入し、図1(a)に示す実施形態に係るスウィープ期間に対応する電流量を白金に供給したときに白金から出力される電圧値を測定した。白金に供給した電流量及び測定された電圧値から、白金に投入された電力Pの変化量dPと抵抗値Rの変化量dRとの間の比率(dR/dP)を演算した。併せて、電力Pを第1軸とし、演算された抵抗値Rを第2軸とする直交座標系において、測定された複数の電圧値のそれぞれに対応するプロットに囲まれた領域の面積APRを演算した。
(Regarding the repeatability characteristics when the hydrogen concentration is changed)
Using the experimental apparatus shown in Figure 17, nitrogen gas without hydrogen and a mixed gas with a hydrogen content of 10% were alternately introduced into a test tube, and the voltage value output from the platinum was measured when the amount of current corresponding to the sweep period according to the embodiment shown in Figure 1(a) was supplied to the platinum. From the amount of current supplied to the platinum and the measured voltage value, the ratio (dR/dP) between the change in power P supplied to the platinum (dP) and the change in resistance R (dR) was calculated. In addition, the area APR of the region enclosed by the plots corresponding to each of the multiple measured voltage values was calculated in a Cartesian coordinate system with power P as the first axis and the calculated resistance R as the second axis.
図19(a)は混合ガスに含有される水素の含有率と比率(dR/dP)との関係を示す図(その3)であり、図19(b)は混合ガスに含有される水素の含有率と面積APRとの関係を示す図(その3)である。図19(a)において、横軸は時間を示し、左縦軸は比率(dR/dP)を示し、右縦軸は混合ガスに含有される水素濃度を示す。図19(b)において、横軸は時間を示し、左縦軸は面積APRを示し、右縦軸は混合ガスに含有される水素濃度を示す。図19(a)及び19(b)に示すグラフは、2.7秒毎に繰り返される図1(a)に示すスウィープ期間を所定の時間に亘って繰り返したときの比率(dR/dP)及び面積APRを演算してプロットしたものである。 Figure 19(a) is a diagram (part 3) showing the relationship between the hydrogen content and ratio (dR/dP) in the mixed gas, and Figure 19(b) is a diagram (part 3) showing the relationship between the hydrogen content and area APR in the mixed gas. In Figure 19(a), the horizontal axis represents time, the left vertical axis represents the ratio (dR/dP), and the right vertical axis represents the hydrogen concentration in the mixed gas. In Figure 19(b), the horizontal axis represents time, the left vertical axis represents the area APR , and the right vertical axis represents the hydrogen concentration in the mixed gas. The graphs shown in Figures 19(a) and 19(b) plot the ratio (dR/dP) and area APR calculated when the sweep period shown in Figure 1(a), which is repeated every 2.7 seconds, is repeated over a predetermined time.
比率(dR/dP)及び面積APRの双方において、窒素ガスの雰囲気中及び水素の含有率が10%である混合ガスの雰囲気の双方で繰り返す毎に、同一値となることが確認された。 It was confirmed that both the ratio (dR/dP) and the area APR remained the same with each repetition, both in a nitrogen gas atmosphere and in a mixed gas atmosphere with a hydrogen content of 10%.
(相関係数である比率(dR/dP)及び面積APRと水素濃度との関係について)
図20(a)は水素濃度を変化させたときの比率(dR/dP)の変化を示す図であり、図20(b)は水素濃度を変化させたときの面積APRの変化を示す図であり、図20(c)は水素濃度を変化させたときの混合ガスの熱抵抗率の変化を示す図である。
(Regarding the correlation coefficient (dR/dP) and the relationship between area APR and hydrogen concentration)
Figure 20(a) shows the change in the ratio (dR/dP) when the hydrogen concentration is changed, Figure 20(b) shows the change in area APR when the hydrogen concentration is changed, and Figure 20(c) shows the change in the thermal resistivity of the mixed gas when the hydrogen concentration is changed.
図20(a)に示す比率(dR/dP)及び20(b)に示す面積APRのそれぞれは、水素濃度に対して指数関数的に減少することが確認された。また、図20(a)に示す比率(dR/dP)及び図20(b)に示す面積APRの双方の水素濃度特性は、濃度を変化させたときの混合ガスの熱抵抗率の水素濃度特性に略一致することが確認された。熱抵抗率は、熱伝導率の逆数であり、熱輸送の中で熱伝導が対流及び輻射よりも寄与度が非常に大きいことが裏付けられた。 It was confirmed that the ratio (dR/dP) shown in Figure 20(a) and the area APR shown in Figure 20(b) both decrease exponentially with respect to hydrogen concentration. Furthermore, it was confirmed that the hydrogen concentration characteristics of both the ratio (dR/dP) shown in Figure 20(a) and the area APR shown in Figure 20(b) substantially coincide with the hydrogen concentration characteristics of the thermal resistivity of the mixed gas when the concentration is changed. Thermal resistivity is the reciprocal of thermal conductivity, and this supports the fact that heat conduction contributes far more to heat transport than convection and radiation.
図17に示す実験装置において、白金の直径を0.05mmから0.03mmに変更した実験装置を使用して、より低濃度の水素の検出可能性を検証すると共に、第2実施形態に係る水素検出装置における補正処理の実用性を検証した。白金の直径を0.05mmから0.03mmに変更することにより、白金の抵抗値は約3倍となるので、白金の加熱量は図17に示す実験装置の約3倍となると共に、測定する電圧も約3倍となり、実験装置の検出精度は図17に示す実験装置の約10倍となる。 In the experimental apparatus shown in Figure 17, the possibility of detecting lower concentrations of hydrogen was verified using an apparatus in which the diameter of the platinum was changed from 0.05 mm to 0.03 mm, and the practicality of the correction process in the hydrogen detection apparatus according to the second embodiment was also verified. By changing the diameter of the platinum from 0.05 mm to 0.03 mm, the resistance of the platinum increases by approximately three times. Therefore, the amount of platinum heated becomes approximately three times that of the experimental apparatus shown in Figure 17, and the measured voltage also increases by approximately three times. Consequently, the detection accuracy of the experimental apparatus becomes approximately ten times that of the experimental apparatus shown in Figure 17.
(低濃度の水素の検出可能性について)
図21は混合ガスに含有される水素の含有率と比率(dR/dP)との関係を示す図(その4)であり、図21(a)は比率(dR/dP)の経時変化を示し、図21(b)は導入水素量の経時変化を示す。図21(a)において、横軸は時間を示し、縦軸は比率(dR/dP)を示す。図21(b)において、横軸は時間を示し、縦軸は水素含有率を示す。水素の含有率は、0.4%から4%まで0.4%毎に変更された。図21(a)に示すグラフは、2.7秒毎に繰り返される図1(a)に示すスウィープ期間を所定の時間に亘って繰り返したときの比率(dR/dP)を演算してプロットしたものである。
(Regarding the detectability of low concentrations of hydrogen)
Figure 21 is the fourth figure showing the relationship between the hydrogen content and ratio (dR/dP) in the mixed gas. Figure 21(a) shows the change in ratio (dR/dP) over time, and Figure 21(b) shows the change in the amount of hydrogen introduced over time. In Figure 21(a), the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the ratio (dR/dP). In Figure 21(b), the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the hydrogen content. The hydrogen content was changed in 0.4% increments from 0.4% to 4%. The graph shown in Figure 21(a) plots the ratio (dR/dP) calculated when the sweep period shown in Figure 1(a), which is repeated every 2.7 seconds, is repeated over a predetermined period of time.
比率(dR/dP)は、0.4%においても混合ガスに含有される水素濃度の変化に応じて変化しており、実施形態に係る水素検出装置1~3において推定装置による推定処理の第1態様において、0.4%程度の水素濃度が検出可能であることが確認された。 The ratio (dR/dP) changes even at 0.4% in accordance with the change in hydrogen concentration contained in the mixed gas. It was confirmed that a hydrogen concentration of approximately 0.4% can be detected in the first embodiment of the estimation process by the estimation device in the hydrogen detection devices 1 to 3 according to the embodiment.
(補正処理の実用性について)
図22(a)は実験装置が配置される雰囲気の温度の経時変化を示す図であり、図22(b)は増加期間において10mAの電流量が供給されたときの白金の抵抗値の経時変化を示す図である。図22(a)において、横軸は時間を示し、縦軸は実験装置が配置される雰囲気の温度を示す。図22(b)において、横軸は時間を示し、縦軸は10mAの電流量が供給されたときの白金の抵抗値を示す。
(Regarding the practicality of the correction process)
Figure 22(a) shows the change in ambient temperature over time in which the experimental apparatus is placed, and Figure 22(b) shows the change in the resistance of platinum over time when a current of 10 mA is supplied during the increasing period. In Figure 22(a), the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the ambient temperature in which the experimental apparatus is placed. In Figure 22(b), the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the resistance of platinum when a current of 10 mA is supplied.
10mAの電流量が供給されたときの白金の抵抗値の経時変化は、実験装置が配置される雰囲気の温度の経時変化と略一致している。10mAの電流量が供給されたときの抵抗値の経時変化が実験装置が配置される雰囲気の温度の経時変化と略一致しているので、白金に10mAの電流量が供給されたときの白金の抵抗値から演算される補正係数は、室温の変動を反映することが確認された。 The change in the resistance of platinum over time when a current of 10 mA is supplied closely matches the change in the ambient temperature of the experimental setup. Since the change in resistance over time when a current of 10 mA is supplied closely matches the change in ambient temperature of the experimental setup, it was confirmed that the correction factor calculated from the resistance of platinum when a current of 10 mA is supplied reflects fluctuations in room temperature.
図23(a)は補正前の比率(dR/dP)の経時変化を示す図であり、図23(b)は補正後の比率(dR/dP)の経時変化を示す図である。図23(c)は補正前の面積APRの経時変化を示す図であり、図23(d)は補正後の面積APRの経時変化を示す図である。図23(a)及び23(b)において、横軸は時間を示し、縦軸は比率(dR/dP)を示し、図23(c)及び23(d)において、横軸は時間を示し、縦軸は面積APRを示す。図23(a)~23(d)に示すグラフは、2.7秒毎に繰り返される図1(a)に示すスウィープ期間を所定の時間に亘って繰り返したときの比率(dR/dP)及び面積APRを演算してプロットしたものである。 Figure 23(a) shows the change over time of the ratio (dR/dP) before correction, and Figure 23(b) shows the change over time of the ratio (dR/dP) after correction. Figure 23(c) shows the change over time of the area APR before correction, and Figure 23(d) shows the change over time of the area APR after correction. In Figures 23(a) and 23(b), the horizontal axis represents time and the vertical axis represents the ratio (dR/dP), and in Figures 23(c) and 23(d), the horizontal axis represents time and the vertical axis represents the area APR . The graphs shown in Figures 23(a) to 23(d) plot the ratio (dR/dP) and area APR calculated when the sweep period shown in Figure 1(a), which is repeated every 2.7 seconds, is repeated over a predetermined period of time.
図23(a)において、矢印A、B、C及びDで示される実験装置が配置される雰囲気の温度変化に起因すると推察される比率(dR/dP)の変位は、補正後の比率(dR/dP)では確認されない。また、図23(c)において、矢印E、F,G及びHで示される実験装置が配置される雰囲気の温度変化に起因すると推察される面積APRの変位は、補正後の面積APRでは確認されない。第2実施形態に係る水素検出装置における補正処理によって、水素検出装置が配置される雰囲気の温度変化の影響が除去されることが確認された。 In Figure 23(a), the displacement of the ratio (dR/dP) that is presumed to be due to the temperature change of the atmosphere in which the experimental apparatus indicated by arrows A, B, C, and D is placed is not observed in the corrected ratio (dR/dP). Similarly, in Figure 23(c), the displacement of area APR that is presumed to be due to the temperature change of the atmosphere in which the experimental apparatus indicated by arrows E, F, G, and H is placed is not observed in the corrected area APR . It has been confirmed that the correction process in the hydrogen detection device according to the second embodiment eliminates the effect of temperature changes in the atmosphere in which the hydrogen detection device is placed.
図17に示す実験装置において、水素センサとして使用される白金の代わりにタングステン及びコバルトを水素センサとして使用することが可能であるかを検証した。白金の結晶構造は、面心立方格子構造である。一方、タングステンの結晶構造は体心立方格子構造であり、コバルトの結晶構造は六方最密充填構造であり、タングステン及びコバルトは結晶構造が白金と相違する。 In the experimental setup shown in Figure 17, we investigated whether tungsten and cobalt could be used as hydrogen sensors instead of platinum, which is typically used as a hydrogen sensor. Platinum has a face-centered cubic lattice structure. On the other hand, tungsten has a body-centered cubic lattice structure, and cobalt has a hexagonal close-packed structure; therefore, the crystal structures of tungsten and cobalt differ from those of platinum.
図24は白金の代わりにタングステンを水素センサとして使用する実験装置の特性を示す図であり、図25は白金の代わりにコバルトを水素センサとして使用する実験装置の特性を示す図である。図24及び25の特性の取得のために使用された実験装置は、水素センサの材料以外の構成及び機能は図13に示す実験装置の構成及び機能と同一である。 Figure 24 shows the characteristics of an experimental apparatus using tungsten instead of platinum as a hydrogen sensor, and Figure 25 shows the characteristics of an experimental apparatus using cobalt instead of platinum as a hydrogen sensor. The experimental apparatus used to obtain the characteristics shown in Figures 24 and 25 has the same configuration and function as the experimental apparatus shown in Figure 13, except for the hydrogen sensor material.
図24(a)及び図25(a)は水素センサに供給される電流量を示し、図24(b)及び図25(b)は図24(a)及び図25(a)に示す電流量が水素センサに供給されることに応じて水素センサから出力される電圧値を示す。図24(c)及び図25(c)は図24(a)及び図25(a)に示す電流量を水素センサに供給したときのシミュレーション結果及び実測値を示す。図24(d)及び図25(d)は水素センサに供給される電流量と水素センサから出力される電圧値との相関関係を示し、図24(e)及び図25(e)は水素センサに投入される電力と水素センサの抵抗値との間の相関関係を示す。 Figures 24(a) and 25(a) show the amount of current supplied to the hydrogen sensor, and Figures 24(b) and 25(b) show the voltage values output from the hydrogen sensor in response to the current amounts shown in Figures 24(a) and 25(a). Figures 24(c) and 25(c) show the simulation results and measured values when the current amounts shown in Figures 24(a) and 25(a) are supplied to the hydrogen sensor. Figures 24(d) and 25(d) show the correlation between the amount of current supplied to the hydrogen sensor and the voltage values output from the hydrogen sensor, and Figures 24(e) and 25(e) show the correlation between the power supplied to the hydrogen sensor and the resistance value of the hydrogen sensor.
図24(a)及び図25(a)において、横軸は時間であり、縦軸は水素センサに供給される電流量である。図24(b)及び図25(b)において、横軸は時間であり、縦軸は水素センサから出力される電圧値である。図24(c)及び図25(c)において、横軸は時間であり、左縦軸は水素センサの抵抗値であり、右縦軸は水素センサの温度変化量である。図24(d)及び図25(d)において、横軸は水素センサに供給される電流量であり、縦軸は水素センサから出力される電圧値である。図24(e)及び図25(e)において、横軸は水素センサに投入される電力であり、左縦軸は水素センサの抵抗値であり、右縦軸は水素センサの温度変化量である。 In Figures 24(a) and 25(a), the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the amount of current supplied to the hydrogen sensor. In Figures 24(b) and 25(b), the horizontal axis represents time, and the vertical axis represents the voltage output from the hydrogen sensor. In Figures 24(c) and 25(c), the horizontal axis represents time, the left vertical axis represents the resistance of the hydrogen sensor, and the right vertical axis represents the temperature change of the hydrogen sensor. In Figures 24(d) and 25(d), the horizontal axis represents the amount of current supplied to the hydrogen sensor, and the vertical axis represents the voltage output from the hydrogen sensor. In Figures 24(e) and 25(e), the horizontal axis represents the power supplied to the hydrogen sensor, the left vertical axis represents the resistance of the hydrogen sensor, and the right vertical axis represents the temperature change of the hydrogen sensor.
白金の代わりにタングステン及びコバルトを水素センサとして使用した場合でも、実施形態に係る水素検出装置において、白金を水素センサとして使用する場合と同様に、比率(dR/dP)及び面積APRが演算可能であることが確認された。 It was confirmed that even when tungsten and cobalt are used as hydrogen sensors instead of platinum, the ratio (dR/dP) and area APR can be calculated in the hydrogen detection device according to the embodiment, just as when platinum is used as the hydrogen sensor.
1~3 水素検出装置(気体検出装置)
10 水素センサ(導電体)
11 電流源
12 電圧計
16 電圧源
17 電流計
20、20a、40、60、80 推定装置
31 電流供給部
32 電圧取得部
33、38 推定処理部
34 濃度信号出力部
36 電圧印加部
37 電流取得部
55 補正部
75 劣化判定部
76 警報信号出力部
93 判定処理部
94 検出信号出力部
1-3 Hydrogen detection device (gas detection device)
10. Hydrogen sensor (conductive material)
11 Current source 12 Voltmeter 16 Voltage source 17 Ammeter 20, 20a, 40, 60, 80 Estimation device 31 Current supply unit 32 Voltage acquisition unit 33, 38 Estimation processing unit 34 Concentration signal output unit 36 Voltage application unit 37 Current acquisition unit 55 Correction unit 75 Degradation determination unit 76 Alarm signal output unit 93 Determination processing unit 94 Detection signal output unit
Claims (15)
前記導電体に電気を供給する電源と、
前記導電体の電気特性を示す物理量を検出する電気センサと、
前記導電体の周囲に存在する所定の気体の濃度を推定する推定装置と、を有し、
前記推定装置は、
前記導電体に供給される電気の量を徐々に変化させ、
前記導電体に供給される電気の量を変化させる間に、前記電気センサによって検出された複数の物理量を取得し、
前記導電体に供給される電気の量、及び取得した前記複数の物理量から演算される前記導電体に投入された電力及び前記導電体の抵抗値の相関関係に基づいて、前記導電体の周囲に存在する前記気体の濃度を推定し、
推定した前記気体の濃度を示す濃度信号を出力する、
ことを特徴とする気体検出装置。 A conductor whose resistance changes in response to temperature changes,
A power supply that supplies electricity to the conductor,
An electrical sensor that detects a physical quantity indicating the electrical properties of the conductor,
The device includes an estimation device for estimating the concentration of a predetermined gas present around the conductor,
The estimation device is,
The amount of electricity supplied to the conductor is gradually changed.
While changing the amount of electricity supplied to the conductor, a plurality of physical quantities detected by the electrical sensor are acquired.
Based on the amount of electricity supplied to the conductor and the correlation between the power input to the conductor and the resistance value of the conductor, calculated from the acquired multiple physical quantities, the concentration of the gas present around the conductor is estimated.
Outputs a concentration signal indicating the estimated concentration of the gas.
A gas detection device characterized by the following features.
前記電気センサは、前記導電体から出力される電圧を検出する電圧計であり、
前記推定装置は、
前記導電体に供給される電流量を変化させる間に、前記電圧計によって検出された複数の電圧値を取得し、
前記導電体に供給される電流量、及び取得した前記複数の電圧値から演算される抵抗値及び電力に基づいて、前記導電体の周囲に存在する前記気体の量を推定する、
請求項1に記載の気体検出装置。 The power supply is a current source that supplies current to the conductor,
The electrical sensor is a voltmeter that detects the voltage output from the conductor,
The estimation device is,
While changing the amount of current supplied to the conductor, multiple voltage values detected by the voltmeter are acquired.
Based on the amount of current supplied to the conductor and the resistance and power calculated from the acquired plurality of voltage values, the amount of gas present around the conductor is estimated.
The gas detection device according to claim 1.
前記電気センサは、前記導電体を流れる電流を検出する電流計であり、
前記推定装置は、
前記導電体に供給される電圧値を変化させる間に、前記電流計によって検出された複数の電流量を取得し、
前記導電体に供給される電圧値、及び取得した前記複数の電流量から演算される抵抗値及び電力に基づいて、前記導電体の周囲に存在する前記気体の量を推定する、
請求項1に記載の気体検出装置。 The power supply is a voltage source that applies a voltage to the conductor,
The aforementioned electrical sensor is an ammeter that detects the current flowing through the conductor,
The estimation device is,
While changing the voltage value supplied to the conductor, multiple current amounts detected by the ammeter are acquired.
Based on the voltage value supplied to the conductor and the resistance value and power calculated from the acquired multiple current amounts, the amount of gas present around the conductor is estimated.
The gas detection device according to claim 1.
前記気体は、水素である、請求項2又は3に記載の気体検出装置。 The aforementioned conductor is placed in the atmosphere,
The gas detection device according to claim 2 or 3 , wherein the gas is hydrogen.
前記導電体に供給される電気の量、及び取得した前記複数の電気特性を示す物理量から、取得した前記複数の物理量が前記導電体から出力されるときに、前記導電体に投入された電力を演算し、
前記導電体に供給される電気の量、取得した前記複数の物理量から、取得した前記複数の物理量が前記導電体から出力されるときの前記導電体の抵抗値を演算し、
演算された前記電力及び前記抵抗値から、前記電力と前記抵抗値との相関関係を示す相関係数を演算し、
前記相関係数に基づいて、前記導電体の周囲に存在する前記気体の量を推定する、
請求項5に記載の気体検出装置。 The estimation device is,
From the amount of electricity supplied to the conductor and the acquired physical quantities representing the plurality of electrical characteristics, the power supplied to the conductor is calculated when the acquired physical quantities are output from the conductor.
From the amount of electricity supplied to the conductor and the acquired multiple physical quantities, the resistance value of the conductor is calculated when the acquired multiple physical quantities are output from the conductor.
From the calculated power and resistance values, a correlation coefficient showing the correlation between the power and the resistance value is calculated.
Based on the correlation coefficient, the amount of gas present around the conductor is estimated.
The gas detection device according to claim 5.
推定された前記抵抗値と基準抵抗値との差が所定のしきい値差以上であるか否かを判定し、
推定された前記抵抗値と基準抵抗値との差が所定のしきい値差以上であると判定したときに、前記導電体が劣化したことを示す警報信号を出力する、請求項6~11の何れか一項に記載の気体検出装置。 The estimation device estimates the resistance value when no electricity is supplied to the conductor from the calculated power and resistance value.
Determine whether the difference between the estimated resistance value and the reference resistance value is greater than or equal to a predetermined threshold difference.
A gas detection device according to any one of claims 6 to 11, which outputs an alarm signal indicating that the conductor has deteriorated when it is determined that the difference between the estimated resistance value and the reference resistance value is greater than or equal to a predetermined threshold difference.
前記導電体に供給される電気の量を変化させる間に、前記導電体から出力される電気特性を示す物理量を検出する電気センサによって検出された複数の物理量を取得し、
前記導電体に供給される電気の量、及び取得した前記複数の物理量から演算される前記導電体に投入された電力及び前記導電体の抵抗値の相関関係に基づいて、前記導電体の周囲に存在する所定の気体の濃度を推定し、
推定した前記気体の濃度を示す濃度信号を出力する、
ことを含むことを特徴とする気体検出方法。 The amount of electricity supplied to a conductor whose resistance changes in response to temperature changes is gradually altered.
While changing the amount of electricity supplied to the conductor, multiple physical quantities are obtained by an electrical sensor that detects physical quantities indicating the electrical characteristics output from the conductor.
Based on the amount of electricity supplied to the conductor and the correlation between the power input to the conductor and the resistance value of the conductor, calculated from the acquired plurality of physical quantities, the concentration of a predetermined gas present around the conductor is estimated.
Outputs a concentration signal indicating the estimated concentration of the gas.
A method for detecting a gas, characterized by including the following.
前記導電体に供給される電気の量を変化させる間に、前記導電体から出力される電気特性を示す物理量を検出する電気センサによって検出された複数の物理量を取得し、
前記導電体に供給される電気の量、及び取得した前記複数の物理量から演算される前記導電体に投入された電力及び前記導電体の抵抗値の相関関係に基づいて、前記導電体の周囲に存在する所定の気体の濃度を推定し、
推定した前記気体の濃度を示す濃度信号を出力する、
処理をコンピュータに実行させることを特徴とする気体検出プログラム。 The amount of electricity supplied to a conductor whose resistance changes in response to temperature changes is gradually altered.
While changing the amount of electricity supplied to the conductor, multiple physical quantities are obtained by an electrical sensor that detects physical quantities indicating the electrical characteristics output from the conductor.
Based on the amount of electricity supplied to the conductor and the correlation between the power input to the conductor and the resistance value of the conductor, calculated from the acquired multiple physical quantities, the concentration of a predetermined gas present around the conductor is estimated.
Outputs a concentration signal indicating the estimated concentration of the gas.
A gas detection program characterized by having a computer perform the processing.
前記導電体に電気を供給する電源と、
前記導電体から出力される電気特性を示す物理量を検出する電気センサと、
前記導電体の周囲に所定の気体が存在か否かを判定する判定装置と、を有し、
前記判定装置は、
前記導電体に供給される電気の量を徐々に変化させ、
前記導電体に供給される電気の量を変化させる間に、前記電気センサによって検出された複数の物理量を取得し、
前記導電体に供給される電気の量、及び取得した前記複数の物理量から演算される前記導電体に投入された電力及び前記導電体の抵抗値の相関関係に基づいて、前記導電体の周囲に前記気体が存在するか否かを判定し、
前記導電体の周囲に前記気体が存在すると判定したときに、前記気体を検出したことを示す検出信号を出力する、
ことを特徴とする気体検出装置。 A conductor whose resistance changes in response to temperature changes,
A power supply that supplies electricity to the conductor,
An electrical sensor for detecting a physical quantity that indicates the electrical characteristics output from the conductor,
The device includes a determination device for determining whether or not a predetermined gas is present around the conductor,
The determination device is
The amount of electricity supplied to the conductor is gradually changed.
While changing the amount of electricity supplied to the conductor, a plurality of physical quantities detected by the electrical sensor are acquired.
Based on the amount of electricity supplied to the conductor and the correlation between the power input to the conductor and the resistance value of the conductor, calculated from the acquired multiple physical quantities, it is determined whether or not the gas is present around the conductor.
When it is determined that the gas is present around the conductor, a detection signal indicating that the gas has been detected is output.
A gas detection device characterized by the following features.
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