JP2017506759A - 半導体式ガス検出センサの診断 - Google Patents

Abstract

金属酸化物半導体ベースの有毒ガス検出器（１０）が、提供される。金属酸化物半導体ベースの検出器は、有毒ガスの濃度に応じて変化する電気的特性を有する金属酸化物半導体ベースのガスセンサ（３０）を備えている。測定回路（２８）は、金属酸化物半導体ベースのガスセンサ（３０）へ結合され、そして電気的特性を測定するように構成され、そして測定された電気的特性のデジタル指示値を提供する。制御器（２２）は、測定回路（２８）へ結合され、デジタル指示値に基づく有毒ガス出力を提供するように構成されている。制御器（２２）はまた、測定された時間上の電気的特性の変動に基づいて金属酸化物半導体ベースのガスセンサ（３０）に関する診断出力を提供するように構成されている。

Description

［背景技術］
有毒ガス、例えば硫化水素ガスは、低濃度であっても致死的でありうる。一般に、人がそのような有毒ガスに曝されるときに、比較的迅速に治療を受けることが不可欠である。したがって、多くの産業的状況において、漏洩が生じたときに最も困難かつ遠隔の状態においてさえも、可能な限り速く低濃度の毒ガスを検出しうることが非常に重要である。さらに、有毒ガス漏洩の発生が極度に稀であるときでも、有毒ガスセンサは、その機能をすぐに果たすことができることが重要である。

多くの国において、健康及び安全基準は、センサ応答時間及び感知要素の全体的安定性が改良されるにつれて、受容可能暴露レベルをゆっくりと下げつつある。たとえば、米国において労働安全衛生局（ＯＳＨＡ）は、硫化水素に対する暴露について、８時間の期間で百万分の２０（２０ppm）、１０分間で５０ppmの最大ピーク暴露を伴う許容濃度限界を設けている。

任意の定位置有毒ガス検出器の重要な目的は、センサの近傍においてそのような有毒ガスの危険なレベルの存在を警告することによって労働者及び公衆を守ることである。電気化学的及び金属酸化物半導体（ＭＯＳ）セルは、多年にわたり、現場で実証済みの有毒ガス感知技術である。ＭＯＳに基づくセンサは、電気化学的センサに比べて長寿命でありかつ広い温度範囲で、特に高温、及び極端に乾燥した条件の中で動作し続ける。

いくつかの実装において、有毒ガスセンサは、白金ヒーター要素、絶縁媒体、及びガス感応抵抗性フィルムを重ねたサンドウィチ状の構造として構成されうる。別の実装において、有毒ガスセンサ、例えば硫化水素センサは、ビーズとして構築され得、ビーズは、そこに配置されたヒーター及びビーズを通して走る引出し線を有する。ビーズは、ガス感応半導体の形状をなしている。このガス感応物質は、従来の金属酸化物半導体物質又は劇的に性能を改良するようにナノレベルで強化された金属酸化物半導体物質を採用するであろう。運転の間、有毒ガスがガス感応物質と接触するとき、センサの電気的導電率における測定可能な変化が存在する。これらの変化は、一般的に検出器デバイスのエレクトロニクスを用いて増幅される。

センサのこのタイプは、一般的には、感知物質（半導体金属酸化物）の多結晶構造、及び負に帯電された表面酸素種の存在を利用しており、表面酸素種は、物質のショトキー障壁の高さ及び電気抵抗値を制御する。センサが、或る還元ガスに曝されるとき、表面の酸素は消費され、そしてショトキー障壁及び感知信号である抵抗値を減らす。

金属酸化物半導体有毒ガスセンサが実行可能な信号を提供することができることを保証するために、診断法によって、センサが損傷又は別の劣化を受けたか否かを試験又は決定できることは重要である。

金属酸化物半導体ベース有毒ガス検出器が提供される。金属酸化物半導体ベース検出器は、有毒ガスの濃度によって変化するところの電気的特性を有する金属酸化物半導体ベースガスセンサを含んでいる。測定回路は、金属酸化物半導体ベースガスセンサに結合され、電気的特性を測定するように構成され、そして測定された電気的特性のデジタル指示値を提供する。制御器は、測定回路に結合され、デジタル指示値に基づく有毒ガス出力を提供するように構成されている。制御器は、また、時間にわたり測定された電気的特性の変動に基づく金属酸化物半導体ベースセンサに関連して診断出力を提供するように構成されている。

本発明の実施態様が特に有用であるところの金属酸化物半導体有毒ガス検出器の線図である。 本発明の実施態様による金属酸化物半導体有毒ガス検出器のブロック図である。 金属酸化物半導体有毒ガスセンサについての時間にわたるアナログ対デジタル信号測定の分散プロット図である。 本発明の実施態様による金属酸化物半導体有毒ガスセンサに関連して診断指示を生成するための方法の流れ図である。

上述したように、有毒ガスセンサの診断法は、有毒ガスセンサが、効果的に動作しており、かつ有毒ガスが存在するようになる事象において信頼できる信号を提供できることを保証する１つの重要な特徴である。半導体金属酸化物の感知技術に基づく安全な応用における有毒ガスセンサの利用は、センサにおける機能不全モードを検出する様々な診断法を必要とする。そのような安全な応用において、センサが被りうる、例えばセンサ要素の短絡、またはセンサ要素の開放のような全ての機能不全モードを検出することが必要である。

本発明の実施態様は、概して、半導体式金属酸化物半導体有毒ガスセンサにおけるより微妙な機能不全モードを検出する。特に、機能不全モードは、不調の（ステール）センサとして公知である。この機能不全モードが生じたとき、センサの読みは、有毒ガス濃度を効果的には示さないであろう。しかし、センサは、実際の抵抗値を示し続けるであろう。それ故に、回路の短絡または開放の検出に基づくセンサ診断は、不調の機能不全を検出しないであろう。その代わりに、本発明の実施態様は、概して、不調の機能不全を検出するために、金属酸化物半導体有毒ガスセンサの信号の或る特徴を利用する。特に、金属酸化物半導体有毒ガスセンサが正しく動作しているときは、センサ抵抗値は、自然な変化または変動を有している。一般に、センサ電子機器は、これらの変化を除去するために、センサ入力信号を低域通過フィルタに通してきた。それ故に、センサの抵抗値は、有毒ガスセンサ出力を提供する前に、変動を除去するために処理されまたは別に特徴付けられる。しかし、本発明の実施態様によると、以下に述べるように、これらの変動は、金属酸化物半導体有毒ガスセンサに対して、具体的に測定されかつ診断指示を提供するように用いられる。

図１は、本発明の実施態様がそれにより特に有用である金属酸化物半導体有毒ガス検出器の線図である。検出器１０は、センサ本体１４と結合された電子機器筐体１２を備えている。センサ本体１４は、金属酸化物半導体ベースの有毒ガスセンサ、例えば硫化水素ガスセンサを備えており、これは「従来の」金属酸化物半導体センサまたはＮＥ−ＭＯＳベース半導体ガスセンサであってよい。センサ本体１４の下方部分１６は、周囲の空気中の有毒ガス、例えば硫化水素ガスの濃度を決定するために周囲の空気に有毒ガスセンサを曝すように構成されている。センサ本体１４内のセンサは、導管１８を介して筐体１２内の適切な電子機器（図２に示される）に結合されている。筐体１２内の電子機器は、有毒ガス濃度の指示値を提供するために、センサ応答を増幅、線形化、及びそれら以外に特徴付けることができる。この指示値は、導管２０を通るプロセス配線を介してプロセス通信ループまたはセグメント上に提供され得、及び／又は局所的に提供されうる。有毒ガスのローカルな指示値は、有毒ガス濃度、音響若しくは視覚の警報、又はこれらの何らかの組合せを表示するローカルの操作者インタフェース（ＬＯＩ）を含みうる。

図２は、本発明の実施態様による金属酸化物半導体の有毒ガス検出器のブロック図である。検出器１０は、センサ本体１４に結合された電子機器筐体１２を備えている。電子機器筐体１２内に、制御器２２、通信モジュール２４、電力モジュール２６、及び測定回路２８が、配置されている。金属酸化物半導体ベース有毒ガスセンサ３０は、センサ本体１４内に配置され、測定回路２８に結合されている。

制御器２２は、センサ信号における変動性又は動揺性を決定し又は別に特徴付けるために、センサ測定にデジタル処理技術又はフィルタリングを適用することができる何らかの適切な処理回路でありうる。さらに、制御器２２はまた、センサ測定に基づく有毒ガス濃度出力を生成するように構成されている。１実施態様において、制御器２２は、マイクロプロセッサである。制御器２２は、制御器２２がプロセス制御及び監視システムにおける他のデバイスと通信することを可能なように通信回路２４に結合されている。通信回路は、制御器２２が、プロセス産業標準通信プロトコル、例えば、Highway Addressable Remote Transducer（ハイウェイアドレス可能遠隔トランスデューサー）（ＨＡＲＴ（商標））プロトコル、FOUNDATION^TM Fieldbus（フィールドバス）プロトコル又はその他に従い、通信することを可能にするところの回路を備えうる。さらに、いくつかの実施態様において、デバイス１０は、有線プロセス通信を用いることに加えて又は替わりに無線で通信してもよい。例えば、１実施態様において、通信回路２４は、IEC62591に従う通信を可能にしてもよい。最後に、通信回路は、ローカルな出力の通信、例えばローカルな表示又は警報を提供してもよい。

電力モジュール２６は、「全てへ」と標識付けられた矢印により示されたように、筐体１２内の全ての構成要素に結合されている。電力モジュール２６は、適切な源から電力を受けるように構成され、かつ筐体１２内の回路に対する電圧調整又は適切な電力調節を提供する。いくつかの実施態様において、電力モジュール２６は、デバイス１０が有線プロセス通信ループからの運転エネルギーの全てを受けることができるように、有線プロセス通信ループに結合されてもよい。別の実施態様において、電力モジュール２６は、適切なＡＣ又はＤＣ電力源と結合されてもよい。

測定回路２８は、制御器２２に結合され、半導体ベース有毒ガスセンサ３０から測定値を得ることができ、さらにそのデジタル指示値を制御器２２へ与える。測定回路２８は、１以上のアナログ‐デジタル変換器、適切なマルチプレクサ回路、及び増幅及び／又は線形化回路を備えうる。さらに、測定回路２８は、センサとアナログ‐デジタル変換器の間に選択的に挿入されるところの適合しうるフィルタ回路、例えば低域通過フィルタを備えてもよい。そのような実施態様において、そのような低域通過フィルタをセンサとアナログ‐デジタル変換器の間に挿入することは、有毒ガスセンサ濃度の信号指示値の直接測定を可能にしうる。次に、低域通過フィルタを通過することは、アナログ‐デジタル変換器が、その変動が適切なセンサ機能を示すところのセンサ信号に対して変動を測定することを可能にする。しかし、本発明の実施態様は、アナログフィルタが用いられない場合に、及び変動及び有毒ガスセンサ濃度の両方が、複数のアナログ‐デジタルセンサ測定値から数学的に得られる場合にも実施されうることが留意されるべきである。

図３は、金属酸化物半導体有毒ガスセンサについての時間にわたるアナログ対デジタル信号測定の分散プロット図である。図３に示されたように、センサは、検出可能な変動又は変化を表している。図３に示された例において、有毒ガス濃度は、約５分の時から約７０分の時までの変化が示されている。垂直軸は、各個別の測定に対するアナログ‐デジタル変換器のカウントである。有毒ガス濃度は、センサがおよそ57,850カウントの出力を有するときに、５分から４０分まで徐々の増加を伴い変化する。およそ４０分の時間で、有毒ガス濃度は、アナログ‐デジタル変換器のカウントがおよそ57,775であるとき、およそＴ＝６５分まで徐々に減少し始める。実施例において示されたように、変化は、一般的にはおよそ２５カウントのオーダーである。本発明の様々な実施態様によると、相対的に安定な有毒ガス濃度の出力を提供するために、変化の効果を除去するように又は短い時間窓にわたる値を平均するように何らかの適合しうる仕方で、有毒ガス濃度が処理されうる一方で、診断出力が、実質的に変動に基づいて生成される。変動は、検出され得又は何らかの適合しうる仕方で観測されうる。例えば、別の適切なメモリ構造のアレイは、固定時間間隔にわたるアナログ‐デジタル変換器の測定値の列で、又は単純に測定値の或る数で満たされうる。メモリ構成は、新たな測定値が得られるときに最も古い測定値が捨てられるように、アップデートされうる。制御器２２又は何らかの別の適切なプロセッサが、変動特性、例えば、ばらつきに関する情報を得るために、測定値が貯蔵されたアレイ又は列についてデジタル的に動作しうる。例えば、測定値の集合の分散は、公知の統計学的技術に従い簡単に計算されうる。しかし、変動の程度に関する有用な情報を提供できるところの何らかの別の適切な数学的操作は、本発明の実施態様に従い用いることができる。

図４は、本発明の実施態様による半導体金属酸化物有毒ガスセンサに関連して診断指示を生成するための方法の流れ図である。方法１００は、複数のセンサ測定値が得られるところのブロック１０２で始まる。これらセンサ測定値は、適切な時間周期で、例えば数秒又は数分の間隔で得られる。次に、ブロック１０４で、センサ信号測定値における変動が検出される。上で述べたように、１実施態様において、多数のセンサ測定値が、メモリに記憶され、変動性を検出するために何らかの適した数学的手法に従って処理されうる。例えば、統計処理手法１０６は、そのような変動を検出するのに用いられうる。追加的又は代替的に、個々の測定値の間の差異は、処理され又は別な閾値処理１０８を受けうる。最後に、記憶された測定値は、センサ信号測定値における変動性を増幅し又は別にハイライトを当てるために、デジタルフィルタ１１０を通される。次に、ブロック１１２において、検出された変動又は変動性は、予め選定された限界と比較される。この限界は、デバイスの製造中に規定されてもよく又は別に設定されてもよく、又はデバイスと通信中に設定されてもよい。例えば、１の特定の有毒ガスセンサは、有毒ガスセンサの別のタイプよりもより広い変動性を示す。こうして、検出器が特定の有毒ガスセンサにより作動されるとき、そのセンサに適した変動性の閾値が設定されうる。もしも半導体ベースの有毒ガスセンサの検出された変動性が選定された限界よりも低いと、制御は、ブロック１１４を通り、ここで制御器２２が診断指示を生成するであろう。診断指示は、プロセス通信ループ又はセグメントによって運ばれる障害又は誤りメッセージ、検出器での映像又は音声で示されたローカルな指示、又はこれらの組合せの生成でありうる。代わりに、検出された変動性が、選定された限界より低いときに、制御は、ブロック１１６を通過し、そして方法１００は終わる。したがって、検出器は、如何なる障害の指示を出すことなく有毒ガス濃度出力を単純に提供するであろう。

方法１００は、周期的に、例えば１分間に１回、又は何らかの適切な入力信号に対する応答として実行されうる。例えば、技術者は、ボタンを押してもよく、又は方法１００をデバイス１０に実行させるようにデバイス１０へコマンドを送信してもよい。さらに、方法１００が実行される頻度はまた、有毒ガスセンサ濃度値の関数であってもよい。例えば、デバイス１０が選定された閾値を上回る有毒ガスセンサ濃度を示しているとき、方法１００は速い頻度で実行されてもよく、一方、有毒ガスセンサ濃度が選定された閾値よりも低いときには、方法１００は、異なる頻度で実行されてもよい。

本発明の実施態様は、センサ信号に何らかの問題があるときにその検出によって、金属酸化物半導体ベース有毒ガスセンサのための重要な診断法を提供するであろうと考えられている。これは、センサがさらに劣化し開放又は短絡のどちらかになる前に、是正の措置が取られることを可能にするであろう。さらに、本発明の実施態様は、上記と異なるように機能する金属酸化物ベースの半導体有毒ガスセンサ（例えば、開放でも短絡でもない）が、それでもなお有毒ガス濃度を正確に示すことに失敗していることを検出しうる。

Claims (17)

1. 金属酸化物半導体ベースガスセンサであって、ガスセンサは、有毒ガスの濃度と共に変化する電気的特性を有するガスセンサ；
   金属酸化物半導体ベースガスセンサに結合された測定回路であって、測定回路は、電気的特性を測定するように、及び測定された電気的特性のデジタル指示値を提供するように構成されている測定回路；及び
   測定回路と結合され、且つデジタル指示値に基づく有毒ガス出力を提供する制御器であって、制御器は、さらに時間にわたる測定された電気的特性の変動に基づいて金属酸化物半導体ベースセンサについての診断出力を提供するように構成されている制御器；
   を含む、
   金属酸化物半導体ベース有毒ガス検出器。
2. さらに、制御器に結合され、かつプロセス産業標準通信プロトコルに従って通信するように構成された通信回路を含む、請求項１に記載の金属酸化物半導体ベース有毒ガス検出器。
3. 通信回路は無線通信回路である、請求項２に記載の金属酸化物半導体ベース有毒ガス検出器。
4. 制御器は、複数のデジタル指示値を貯蔵するところのメモリに結合され、及び制御器は、変動のレベルを決定するために複数のデジタル指示値を処理する、請求項１に記載の金属酸化物半導体ベース有毒ガス検出器。
5. 処理は、複数のデジタル指示値に対する統計量を決定すること含む、請求項４に記載の金属酸化物半導体ベース有毒ガス検出器。
6. 統計量は、デジタル的に得られた変動特性である、請求項５に記載の金属酸化物半導体ベース有毒ガス検出器。
7. 変動のレベルは、診断出力を生成するために所定の閾値と比較される、請求項４に記載の金属酸化物半導体ベース有毒ガス検出器。
8. 閾値は、金属酸化物半導体ベース有毒ガスセンサのタイプに関係している、請求項７に記載の金属酸化物半導体ベース有毒ガス検出器。
9. 診断出力は、プロセス通信ループ又はセグメントによって通信される、請求項７に記載の金属酸化物半導体ベース有毒ガス検出器。
10. 診断出力は、検出器によって局所的に提供される、請求項７に記載の金属酸化物半導体ベース有毒ガス検出器。
11. 金属酸化物半導体ベース有毒ガスセンサを有する有毒ガス検出器を操作する方法であって、方法は、
    金属酸化物半導体ベース有毒ガスセンサの電気的特性の一連の測定値を得ること、
    測定値の少なくとも１つに基づいて有毒ガス検出器出力を準備すること、及び
    一連の測定値の測定値間の変動に基づいて診断出力を生成すること、
    を含む、
    上記方法。
12. 変動に基づいて診断出力を生成することは、一連の測定値の統計量を計算することを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 統計量は、デジタル的に得られた変動特性を示す、請求項１２に記載の方法。
14. 統計量は、診断出力を生成するか否かを決定するために所定の閾値と比較される、請求項１２に記載の方法。
15. 診断出力は、プロセス通信ループ又はセグメントによって通信される、請求項１１に記載の方法。
16. 診断出力は、無線で通信される、請求項１１に記載の方法。
17. 診断出力は、有毒ガス検出器によって局所的に通信される、請求項１１に記載の方法。