説明

熱伝導式ガスセンサの出力補正方法およびガス検知器

【課題】 低濃度から高濃度までの広い濃度範囲において、可燃性ガスの濃度検出精度を向上させることのできる熱伝導式ガスセンサの出力補正方法およびガス濃度測定を精確に、かつ、高い信頼性で行うことのできるガス検知器を提供すること。
【解決手段】 この熱伝導式ガスセンサの出力補正方法は、可燃性ガス検出用の熱伝導式ガスセンサより得られる被検ガスについてのセンサ出力を当該被検ガス中の酸素濃度に基づいて補正するものである。ガス検知器は、可燃性ガス検出用の熱伝導式ガスセンサと、被検ガスについて得られた熱伝導式ガスセンサによるセンサ出力を、当該被検ガス中の酸素濃度に基づいて補正して、当該被検ガス中の可燃性ガスのガス濃度を算出する機能を有する濃度算出機構とを具えてなる。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、熱伝導式ガスセンサの出力補正方法および熱伝導式ガスセンサを具えたガス検知器に関する。
【背景技術】
【0002】
可燃性ガスの検出は、低濃度から高濃度までの広い濃度範囲において実行されることが必要とされており、例えば、爆発下限界濃度以下の低濃度の可燃性ガス検出用の接触燃焼式ガスセンサと、例えば100%LELを超える高濃度の可燃性ガスや、酸素濃度が10%以下である可燃性ガスの検出用の熱伝導式ガスセンサとが切り換えられて用いられる構成のガス検知器が提案されている(特許文献1参照)。
【0003】
接触燃焼式ガスセンサは、雰囲気中の酸素と可燃性ガスとの燃焼による発熱量を例えばヒータコイルの抵抗値の変化量として検出するものであるため、例えば、原油タンカーのタンク内の可燃性ガスを検出する場合においては、タンク内に窒素等の不活性ガスがパージされることにより非助燃性ガスが高濃度で存在するような場合には、酸化反応による接触燃焼式ガスセンサの温度上昇が可燃性ガス濃度に対応せず誤差が生じたりするなどの問題がある。
【0004】
一方、熱伝導式ガスセンサにおいては、被検ガスにおけるベースガス種によりゼロ点出力が変わってしまうため、ベースガス種より具体的にはベースガスを構成するバランスガスの種類に応じた校正用ガスによるゼロ点出力補正や感度補正などの校正作業が必要となる。
しかしながら、例えば、原油タンカーのタンク内の可燃性ガスを検出する場合などにおいては、同一のタンク内であってもベースガス種が変化することがあるため、その都度、校正作業が必要となって相当に手間がかかると共に、ベースガス種に応じた校正用ガスを常時用意しておくことは実際上困難であるため、可燃性ガスの濃度測定を高い精度で行うことが困難である、という問題があった。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0005】
【特許文献1】特開2005−207879号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明者らは、熱伝導式ガスセンサのセンサ出力が酸素濃度に応じて比例関係的に変化することを見出し、被検ガス中の酸素濃度に基づいて熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力を補正することにより可燃性ガスのガス濃度測定を高い精度で行うことができるものと考え、本発明を完成させるに至った。
【0007】
本発明の目的は、低濃度から高濃度までの広い濃度範囲において、可燃性ガスのガス濃度の検出精度を向上させることのできる熱伝導式ガスセンサの出力補正方法を提供することにある。
また、本発明の他の目的は、熱伝導式ガスセンサを具えたものにおいて、可燃性ガスのガス濃度測定を精確に、かつ、高い信頼性で行うことのできるガス検知器を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明の熱伝導式ガスセンサの出力補正方法は、可燃性ガス検出用の熱伝導式ガスセンサより得られる被検ガスについてのセンサ出力を当該被検ガス中の酸素濃度に基づいて補正することを特徴とする。
【0009】
本発明の熱伝導式ガスセンサの出力補正方法においては、前記熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力校正を互いにバランスガスの種類が異なる2種類のゼロ点出力校正用ガスを用いて行うことにより、当該熱伝導式ガスセンサについての2つのゼロ点出力を予め取得しておき、
一方のゼロ点出力(X1 )に係るゼロ点出力校正用ガスに含まれる酸素濃度をY1 、他方のゼロ点出力(X2 )に係るゼロ点出力校正用ガスに含まれる酸素濃度をY2 、被検ガス中の酸素濃度をY0 とするとき、
被検ガスについて取得された熱伝導式ガスセンサのセンサ出力を補正すべき出力補正量ΔXを下記式1に基づいて算出することが好ましい。
【0010】
【数1】

【0011】
本発明のガス検知器は、可燃性ガス検出用の熱伝導式ガスセンサと、当該熱伝導式ガスセンサより得られる被検ガスについてのセンサ出力に基づいて可燃性ガスのガス濃度を算出する濃度算出機構とを具えてなり、
前記濃度算出機構は、被検ガスについて得られた前記熱伝導式ガスセンサによるセンサ出力を、当該被検ガス中の酸素濃度に基づいて補正して、当該被検ガス中の可燃性ガスのガス濃度を算出する機能を有することを特徴とする。
【0012】
本発明のガス検知器においては、酸素検出用の酸素センサをさらに具えてなり、
前記濃度算出機構は、当該酸素センサより得られるセンサ出力に基づいて被検ガス中の酸素濃度を算出する機能を有する構成とされていることが好ましい。
【0013】
また、本発明のガス検知器においては、前記酸素センサのゼロ点出力校正時における前記熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力X1 と、前記熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力校正時における当該熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力X2 とが記録されたメモリを備えており、
前記濃度算出機構は、前記熱伝導式ガスセンサより得られるセンサ出力を補正すべき出力補正量ΔXを、前記酸素センサのゼロ点出力校正に際して用いられる酸素センサゼロ点出力校正用ガスに含まれる酸素濃度をY1 、前記熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力校正に際して用いられる熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスに含まれる酸素濃度をY2 、検出された被検ガス中の酸素濃度をY0 とするとき、上記式1に基づいて、算出する機能を有する構成とされていることが好ましい。
【0014】
さらにまた、本発明のガス検知器においては、タンカーにおけるタンク内の可燃性ガスのガス濃度測定に用いられるものである場合には、前記熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力校正時における当該熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力が、排ガスイナートをバランスガスとする熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスによって取得されたものとすることができる。
【発明の効果】
【0015】
本発明の熱伝導式ガスセンサの出力補正方法によれば、熱伝導式ガスセンサにより得られるセンサ出力の出力補正が被検ガス中の酸素濃度に基づいてなされることにより、被検ガスにおけるベースガス種の違いによるセンサ出力の変動が補償されるので、低濃度から高濃度までの広い濃度範囲において、可燃性ガスの濃度の検出精度を向上させることができる。
従って、熱伝導式ガスセンサのセンサ出力に対して上記の出力補正が行われることにより可燃性ガスの濃度測定が行われる本発明のガス検知器によれば、広い濃度範囲にわたる可燃性ガスの濃度測定を、熱伝導式ガスセンサのみによって、精確に、かつ、高い信頼性で行うことができる。また、被検ガスにおけるベースガス種に応じた校正用ガスを常時用意しておく必要がないので、所期のガス濃度測定を容易に行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【0016】
【図1】本発明のガス検知器の一例における構成の概略を示すブロック図である。
【図2】本発明のガス検知器における熱伝導式ガスセンサのセンサ出力の補正方法を説明するための、センサ出力と可燃性ガスのガス濃度との関係を示す出力特性データの一例を示すグラフである。
【図3】原油タンカーのタンク内の可燃性ガスの濃度測定における可燃性ガスの濃度の経時的変化を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0017】
以下、本発明の実施の形態について詳細に説明する。
図1は、本発明のガス検知器の一例における構成の概略を示すブロック図である。
この実施の形態に係るガス検知器は、可燃性ガス検出用の熱伝導式ガスセンサ10と、酸素検出用の酸素センサ20と、これらのガスセンサを含む各構成部に適宜の動作指令信号を発する制御手段30と、測定結果を表示する表示手段45とを備えている。酸素センサ20としては、例えばガルバニ電池式酸素センサを用いることができる。
【0018】
制御手段30は、熱伝導式ガスセンサ10および酸素センサ20より得られるセンサ出力に基づいて可燃性ガスのガス濃度および酸素濃度を算出する機能を有する濃度算出機構35と、可燃性ガス濃度の算出に係るデータが記録されたメモリ31とを備えている。
ここに、メモリ31に記録されたデータとしては、後述するように、熱伝導式ガスセンサ10および酸素センサ20の各々についての校正作業の実施によって取得されたセンサ出力に係るデータ(基準センサ出力データ)、熱伝導式ガスセンサ10のセンサ出力と可燃性ガスのガス濃度との関係を示す出力特性データ(検量線データ)などを挙げることができる。
【0019】
濃度算出機構35は、酸素センサ20より得られる被検ガスについてのセンサ出力に基づいて当該被検ガス中の酸素濃度Y0 を算出する酸素濃度算出部36と、熱伝導式ガスセンサ10より得られる被検ガスについてのセンサ出力(以下、「検出センサ出力」という。)Xを補正すべき出力補正量ΔXを、酸素濃度算出部36によって算出された当該被検ガスの酸素濃度Y0 およびメモリ31に記録された基準センサ出力データD1に基づいて、算出する出力補正量算出部37と、この出力補正量算出部37によって算出された出力補正量ΔXによって熱伝導式ガスセンサ10の検出センサ出力Xを補正した補正出力X´を算出する補正出力算出部38と、この補正出力算出部38によって算出された補正出力X´に応じた可燃性ガスのガス濃度Sをメモリ31に記録された出力特性データD2に基づいて算出するガス濃度算出部39と、このガス濃度算出部39によって算出された可燃性ガスのガス濃度Sを表示手段45に出力する出力部40とを具えている。
【0020】
以下、上記のガス検知器における可燃性ガスの濃度算出方法について図2を参照して説明する。
先ず、規定濃度(Y1 %)の酸素をバランスガスとする酸素センサゼロ点出力校正用ガスによって、酸素センサ20のゼロ点出力校正を行い、この酸素センサゼロ点出力校正用ガスについての熱伝導式ガスセンサ10のセンサ出力を第1の基準ゼロ点出力X1 として取得しメモリ31に記録する。
また、バランスガスの酸素濃度がY2 〔%〕である熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスによって、熱伝導式ガスセンサ10のゼロ点出力校正を行い、当該熱伝導式ガスセンサ10のセンサ出力を第2の基準ゼロ点出力X2 として取得しメモリ31に記録する。 さらに、規定濃度(例えば100vol%)の可燃性ガス(検知対象ガス)を含む熱伝導式ガスセンサスパン校正用ガスによって、熱伝導式ガスセンサ10のスパン校正を行うことにより得られる熱伝導式ガスセンサ10のセンサ出力を基準スパン出力X3 として取得しメモリ31に記録する。
そして、熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスのバランスガスについての出力特性データ(図2における直線(イ))を、第2の基準ゼロ点出力X2 と基準スパン出力X3 とに基づいて取得すると共に、酸素センサゼロ点出力校正用ガスのバランスガスについての出力特性データ(直線(ロ))を、第1の基準ゼロ点出力X1 と基準スパン出力X3 とに基づいて取得する。
【0021】
可燃性ガスの検出においては、酸素センサ20より得られるセンサ出力が濃度算出機構35における酸素濃度算出部36に入力され、この酸素濃度算出部36によって、被検ガス中の酸素濃度Y0 が算出される。
【0022】
次いで、出力補正量算出部37によって、熱伝導式ガスセンサ10より得られる検出センサ出力Xを補正すべき出力補正量ΔXが算出される。出力補正量ΔXは、出力特性データ(イ)と出力特性データ(ロ)との比例関係を利用して算出され、具体的には、酸素センサ20によって検出された被検ガスの酸素濃度Y0 、並びに、予め取得されてメモリ31に記録された、第1の基準ゼロ点出力X1 、酸素センサゼロ点出力校正用ガスにおけるバランスガスの酸素濃度Y1 、第2の基準基準ゼロ点出力X2 、および、熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスにおけるバランスガスの酸素濃度Y2 に基づいて、下記式1によって算出される。
【0023】
【数2】

【0024】
そして、補正出力算出部38によって、熱伝導式ガスセンサ10より得られた検出センサ出力Xを、上記のように算出された出力補正量ΔXで補正した補正センサ出力が算出される。ここに、補正センサ出力は、検出センサ出力Xから出力補正量ΔXを減算することにより得られる。
このようにして取得された補正センサ出力(X−ΔX)を、予め取得されてメモリ31に記録された熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスにおけるバランスガスについての出力特性データ(ロ)に対照することにより被検ガス中の可燃性ガスのガス濃度Sを算出する処理がガス濃度算出部39によって行われ、これにより得られた可燃性ガスのガス濃度Sに応じた動作指令信号が出力部40から表示手段45に出力されて濃度測定結果が表示される。
【0025】
熱伝導式ガスセンサ10の出力補正方法についての具体例を示すと、例えば、酸素センサゼロ点出力校正用ガスにおけるバランスガスの酸素濃度Y1 が20.9%、熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスのバランスガスが窒素、すなわち、熱伝導式ガスセンサ10のゼロ点出力校正時における酸素濃度Y2 が0%、第1の基準ゼロ点出力X1 と第2の基準ゼロ点出力X2 との出力差(X1 −X2 )が+8vol%相当の値であり、酸素センサ20によって検出された被検ガスの酸素濃度Y0 が10.45%であるとすると、出力補正量ΔXは、上記式1より、+4vol%相当の大きさと算出される。
【0026】
而して、上記のような熱伝導式ガスセンサ10の出力補正方法によれば、熱伝導式ガスセンサ10より得られる検出センサ出力Xの出力補正が被検ガス中の酸素濃度Y0 に基づいてなされることにより、被検ガスにおけるベースガスを構成するバランスガスの種類の違いによるセンサ出力の変動が補償されるので、被検ガスに係るバランスガスの種類に拘らず、低濃度から高濃度までの広い濃度範囲において、可燃性ガスのガス濃度の検出精度を向上させることができる。
従って、熱伝導式ガスセンサ10のセンサ出力に対して上記の出力補正が行われることにより可燃性ガスの濃度測定が行われる上記構成のガス検知器によれば、広い濃度範囲にわたる可燃性ガスの濃度測定を、例えば従来の可燃性ガス検出器において好適に用いられている低濃度の可燃性ガス検出用の接触燃焼式ガスセンサを用いることなく、熱伝導式ガスセンサ10のみによって、精確に、かつ、高い信頼性で行うことができる。
【0027】
上記のガス検知器によれば、上述のように、被検ガスに係るバランスガスの種類の違いによる熱伝導式ガスセンサ10のセンサ出力の変動が補償されるので、例えば原油タンカーのタンク内の可燃性ガスの濃度測定に極めて有用なものとなる。
【0028】
すなわち、原油タンカーのタンク内の可燃性ガスの濃度測定にあっては、図3に示すように、原油が充填されたタンク外部の環境雰囲気(フィールド)の空気についての測定が行われる(濃度測定領域A)。このとき、被検ガスにおけるバランスガスは、空気(酸素濃度が例えば20.9%)であり、タンク内の可燃性ガス例えばHCの濃度は例えば0vol%である。
そして、タンク内の可燃性ガスの濃度測定が開始されると、HCの濃度は例えば100vol%に至るまで経時的に変化する(濃度測定領域B)。このとき、被検ガスにおけるバランスガスは、排ガスイナートである。ここに、排ガスイナートは、例えば湿度が80%RH程度、酸素濃度が8%以下であり、例えば二酸化炭素などが含まれるものである。 タンク内の原油は、排ガスイナートをタンク内に充填しながら抜かれることとなる。このとき、タンク内雰囲気に係るバランスガスは排ガスイナートであり、HCの濃度が100vol%から例えば1vol%程度まで経時的に変化する(濃度測定領域C)。そして、原油をタンク内から抜き終わった後に、HC濃度が1vol%以下であることが確認されることにより空気がタンク内に入れられる。このとき、タンク内雰囲気におけるバランスガスは空気(酸素濃度が例えば20.9%)である。
【0029】
以上のように、原油タンカーの同一のタンク内であってもベースガス種が変わることにより、図3に示すように、規定濃度の酸素をバランスガスとする熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスについての出力特性データに基づいて、HCの濃度を算出したのであれば、排ガスイナートをバランスガスとするベースガスを含む被検ガスの濃度測定領域Cにおいて、ガス濃度値が0以下となるといった不具合が生ずることとなる。
【0030】
従って、熱伝導式ガスセンサ10におけるゼロ点出力の、ベースガス種に応じた校正用ガスによるゼロ点出力校正が必要とされるところ、上記のガス検知器によれば、校正用ガスとして標準ガスを用いた校正作業は不要であり、また、被検ガスにおけるベースガス種に応じた校正用ガスを常時用意しておく必要がないので、所期のガス濃度測定を容易に行うことができる。また、排ガスイナートをバランスガスとする熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスによって熱伝導式ガスセンサ10のゼロ点出力校正を行うことにより当該バランスガスについての熱伝導式ガスセンサ10の基準ゼロ点出力X2 を取得しておき、当該基準ゼロ点出力X2 を利用して出力補正量ΔXを算出することができるので、高い使用上の利便性を得ることができる。
【0031】
酸素濃度Y2 が6%である排ガスイナートをバランスガスとする熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスを用いて熱伝導式ガスセンサ10のゼロ点出力校正を行った場合の、熱伝導式ガスセンサ10の出力補正方法についての具体例を示すと、酸素センサゼロ点出力校正用ガスにおけるバランスガスの酸素濃度Y1 が20.9%、熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスのバランスガスが排ガスイナート、すなわち、熱伝導式ガスセンサ10のゼロ点出力校正時における酸素濃度Y2 が例えば6%、第1の基準ゼロ点出力X1 と第2の基準ゼロ点出力X2 との出力差(X1 −X2 )が+5vol%相当の値であり、酸素センサ20によって検出された被検ガスの酸素濃度Y0 が16.45%であるとすると、出力補正量ΔXは、上記式1より、+2.5vol%相当の値と算出される。
【0032】
以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、種々の変更を加えることができる。
例えば、熱伝導式ガスセンサの出力補正を行うに際して用いられる被検ガスの酸素濃度Y0 は、ガス検知器それ自体が有する酸素センサにより検出された値であっても、別個の酸素濃度検出手段によって検出された値が入力されたものであってもよく、従って、ガス検知器それ自体が酸素センサを具備する構成とされている必要はないが、例えばタンカーにおけるタンク内の濃度測定を行う場合などのように、ベースガス種が経時的に変化する場合には、ガス検知器が酸素センサを具備した構成とされていることが好ましい。
そして、ガス検知器が酸素センサを有さない構成とされている場合には、互いにベースガス種の異なる2種類のゼロ点出力校正用ガスについての熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力を予め取得してメモリに記録しておけばよい。
【符号の説明】
【0033】
10 熱伝導式ガスセンサ
20 酸素センサ
30 制御手段
31 メモリ
35 濃度算出機構
36 酸素濃度算出部
37 出力補正量算出部
38 補正出力算出部
39 ガス濃度算出部
40 出力部
45 表示手段

【特許請求の範囲】
【請求項1】
可燃性ガス検出用の熱伝導式ガスセンサより得られる被検ガスについてのセンサ出力を当該被検ガス中の酸素濃度に基づいて補正することを特徴とする熱伝導式ガスセンサの出力補正方法。
【請求項2】
前記熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力校正を互いにバランスガスの種類が異なる2種類のゼロ点出力校正用ガスを用いて行うことにより、当該熱伝導式ガスセンサについての2つのゼロ点出力を予め取得しておき、
一方のゼロ点出力(X1 )に係るゼロ点出力校正用ガスに含まれる酸素濃度をY1 、他方のゼロ点出力(X2 )に係るゼロ点出力校正用ガスに含まれる酸素濃度をY2 、被検ガス中の酸素濃度をY0 とするとき、
被検ガスについて取得された熱伝導式ガスセンサのセンサ出力を補正すべき出力補正量ΔXを下記式1に基づいて算出することを特徴とする請求項1に記載の熱伝導式ガスセンサの出力補正方法。
【数1】

【請求項3】
可燃性ガス検出用の熱伝導式ガスセンサと、当該熱伝導式ガスセンサより得られる被検ガスについてのセンサ出力に基づいて可燃性ガスのガス濃度を算出する濃度算出機構とを具えてなり、
前記濃度算出機構は、被検ガスについて得られた前記熱伝導式ガスセンサによるセンサ出力を、当該被検ガス中の酸素濃度に基づいて補正して、当該被検ガス中の可燃性ガスのガス濃度を算出する機能を有することを特徴とするガス検知器。
【請求項4】
酸素検出用の酸素センサをさらに具えてなり、
前記濃度算出機構は、当該酸素センサより得られるセンサ出力に基づいて被検ガス中の酸素濃度を算出する機能を有することを特徴とする請求項3に記載のガス検知器。
【請求項5】
前記酸素センサのゼロ点出力校正時における前記熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力X1 と、前記熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力校正時における当該熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力X2 とが記録されたメモリを備えており、
前記濃度算出機構は、前記熱伝導式ガスセンサより得られるセンサ出力を補正すべき出力補正量ΔXを、前記酸素センサのゼロ点出力校正に際して用いられる酸素センサゼロ点出力校正用ガスに含まれる酸素濃度をY1 、前記熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力校正に際して用いられる熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスに含まれる酸素濃度をY2 、検出された被検ガス中の酸素濃度をY0 とするとき、下記式1に基づいて、算出する機能を有することを特徴とする請求項4に記載のガス検知器。
【数2】

【請求項6】
タンカーにおけるタンク内の可燃性ガスのガス濃度測定に用いられるものであって、
前記熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力校正時における当該熱伝導式ガスセンサのゼロ点出力が、排ガスイナートをバランスガスとする熱伝導式ガスセンサゼロ点出力校正用ガスによって取得されたものであることを特徴とする請求項3乃至請求項5のいずれかに記載のガス検知器。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【公開番号】特開2013−2891(P2013−2891A)
【公開日】平成25年1月7日(2013.1.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2011−132869(P2011−132869)
【出願日】平成23年6月15日(2011.6.15)
【出願人】(000250421)理研計器株式会社 (216)
【Fターム(参考)】