JP7276751B2 - ガス測定器及びガス測定方法 - Google Patents

Description

本開示は、ガス測定器及びガス測定方法に関する。

特許文献１は、ガスセンサを開示する。ガスセンサは、特定のガスと化学反応する反応膜と、反応膜に接続された一対の電極とを備える。ガスセンサは、反応膜を通過するガスの組成に応じて変化する電極間の抵抗値を検出する。

特開平４－２１６４５２号公報

特許文献１記載のガスセンサにおいては、複数の種類のガスを測定対象とする場合、ガスの種類を特定するために複数の種類の反応膜が必要となる。本開示は、簡易な構成で複数の種類のガスを検出できるガス測定器及びガス測定方法を提供する。

本開示の一側面に係るガス測定器は、複数の電極と、ガスセンサと、を備える。複数の電極は、ガスが通過可能な間隙を有するように互いに離間して配置され、且つ電圧もしくは電流を印加する電源がそれぞれに接続される。ガスセンサは、電極間を通過したガス分子を検出する。

このガス測定器では、複数の電極が設けられ、複数の電極に電圧又は電流が印加されることにより電極間に静電力が発生する。ガスは電極間を通過する。このとき、ガスに含まれるイオン化されたガス分子の進行方向は静電力によって変化する。イオン化されていないガス分子の進行方向は変化しない。このため、ガス測定器は、静電力の大きさを変更することにより、ガスセンサに到達可能なガス分子の種類を変化させることができる。よって、ガス測定器は、複数の種類の反応膜を備えるガス測定器と比べて、簡易な構成で複数の種類のガスを検出できる。

一実施形態においては、ガスセンサを含む複数のガスセンサをさらに備え、複数のガスセンサは、複数の電極の配列方向に沿ってそれぞれ配置される。イオン化されたガス分子の進行方向は、電極の陽極又は陰極の何れか一方の方向へ変化する。このため、ガス測定器は、進行方向が変化した複数の種類のガスを検出できる。

一実施形態においては、複数のガスセンサは、ガスセンサにより検出されるガス分子のガス種とは異なるガス種のガス分子を検出可能な別なガスセンサを含む。この場合、このガス測定器は、単一種類のガスを検出可能なガスセンサを備えるガス測定器と比べて、ガスの検出精度を向上できる。

一実施形態においては、電極間を直進して通過したガスが到達する第１領域と、第１領域に隣接する第２領域とが設定され、ガスセンサは第２領域に配置される。この場合、ガス測定器は、イオン化されたガス分子を主に測定できる。

一実施形態においては、ガス測定器は、タイミングを決定する同期信号を出力する信号発生部と、電圧又は電流の大きさを決定する制御信号と同期信号とに基づいて、同期信号によって決定されるタイミングで制御信号によって決定される大きさの電圧又は電流が出力されるように電源を制御する制御部と、ガスセンサの検出値を同期信号によって決定されるタイミングで取得する取得部と、検出値と制御信号とを関連付けて出力する出力部と、をさらに備える。この場合、ガス測定器は、検出値と同期信号を関連付けて出力できる。

一実施形態においては、ガス測定器は、ガス種と検出値及び制御信号との予め取得された関係と、出力部により出力された検出値及び制御信号とに基づいて、ガス種を判定する判定部をさらに備える。この場合、ガス測定器は、ガスの進行方向が異なるガス分子を含む混合ガスのガス種を判定できる。

本開示の他の側面に係るガス測定方法は、以下の（１）～（４）の工程を備える。
（１）ガスが通過可能な間隙を有するように互いに離間して配置される複数の電極に対して、電圧又は電流を印加する工程。電圧又は電流の印加は、電圧又は電流の大きさを決定する制御信号とタイミングを決定する同期信号とに基づく。電圧又は電流の大きさは、制御信号によって決定される。電圧又は電流を印加するタイミングは、同期信号によって決定される。
（２）電極間を通過したガス分子をガスセンサが検出する工程。
（３）同期信号によって決定されるタイミングでガスセンサが検出した検出値を取得する工程。
（４）ガス種と制御信号と検出値との予め取得された関係と、取得された検出値及び制御信号と、に基づいて、ガス種を判定する工程。

本開示に係るガス測定器及びガス測定方法によれば、簡易な構成で複数の種類のガスを検出できる。

実施形態に係るガス測定器の一例を示す断面図である。 図２は図１の電極間を拡大したガス分子の進行方向を例示する模式図である。 図３の（Ａ）は複数の電極の配列方向に沿って配置される複数のガスセンサを例示する断面図である。図３の（Ｂ）は第２領域に配置されたガスセンサを例示する断面図である。 図４の（Ａ）は実施形態に係るガス測定器の一例を示すブロック図である。図４の（Ｂ）は制御信号及び同期信号の一例である。 実施形態に係るガス測定方法の一例を示すフローチャートである。 図６は電極の静電力の強さによるガス分子の進行方向の変化を例示する模式図である。

以下、図面を参照して、本開示の実施形態について説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を付し、重複する説明は繰り返さない。図面の寸法比率は、説明のものと必ずしも一致していない。「上」「下」「左」「右」の語は、図示する状態に基づくものであり、便宜的なものである。

［ガス測定器の構成］
図１は、実施形態に係るガス測定器１の一例を示す断面図である。図１に示されるガス測定器１は、ガスの成分を測定する機器である。ガス測定器１は、電気回路部品として提供され得る。一例として、ガス測定器１は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスである。ガス測定器１は、フィルタ１０、複数の電極１１、基材４０、ガスセンサ３０を備える。

基材４０は、その内部に空間を画成する。基材４０は、ガスを透過しない材料で形成される。基材４０は、その上部が開放され、空間に連通する開口を有する。フィルタ１０は、基材４０の上部の開口を塞ぐように配置される。フィルタ１０は、略板状の部材であり、ガスを透過する材料で形成される。フィルタ１０及び基材４０は、ガスを透過する隙間が無いように接合される。これにより、フィルタ１０及び基材４０は、ガス室４１を画成する。

フィルタ１０には、複数の電極１１が設けられる。複数の電極１１それぞれは略板状で、それぞれが離間して配置される。複数の電極１１は、一例としてフィルタ１０の面内方向に対して垂直方向に設けられる。複数の電極１１は、フィルタ１０の面内方向に沿って平行に配列される。複数の電極１１は、電圧又は電流を印加可能な電源１２にそれぞれ接続される。複数の電極１１は、電源１２の正極または負極に接続され、少なくとも一対の陽極及び陰極を構成する。複数の電極１１のそれぞれの間は、ガスが通過可能な間隙が画成される。

ガスセンサ３０は、ガス室４１内に設けられる。一例として、ガスセンサ３０は、複数の電極１１の下流、即ちガスが電極１１の間を通過した側、に設けられる。ガスセンサ３０は、電極１１の間を通過してガスセンサ３０の所定の面に付着したガス分子を検出する。

［フィルタの有する電極の詳細］
図２は、図１のフィルタ１０に設けられた電極１１の間を拡大した、ガス分子の進行方向を示す模式図である。図２では、一例として、第１電極１１ａが電源１２の正極に接続されて陽極を構成する。第２電極１１ｂが電源１２の負極に接続されて陰極を構成する。

ガスは、イオン化されないガス分子、陰イオンにイオン化されたガス分子及び陽イオンにイオン化されたガス分子を含み得る。第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間を通過するガスに含まれるイオン化されたガス分子は、第１電極１１ａ及び第２電極１１ｂにその進行方向を変化される。イオン化されないガス分子は、第１電極１１ａ及び第２電極１１ｂの影響を受けない。イオン化されないガス分子は、第１電極１１ａ及び第２電極１１ｂの間を直進して通過する。

具体的には、正に帯電する第１電極１１ａと、負に帯電する陰イオンとの間には、静電力による引力が発生する。負に帯電する第２電極１１ｂと、負に帯電する陰イオンとの間には、静電力による斥力が発生する。陰イオンに印加される静電力は、陰イオンの価数に応じて強くなる。一例として、第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間を通過する陰イオン（１価）は、その進行方向が第１電極１１ａに近づく方向へと変化する。第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間を通過する陰イオン（２価）は、その進行方向が第１電極１１ａに近づく方向へと大きく変化して、第１電極１１ａに吸着される。

同様に、正に帯電する第１電極１１ａと、正に帯電する陽イオンとの間には、斥力が発生する。負に帯電する第２電極１１ｂと、正に帯電する陽イオンとの間には、引力が発生する。陽イオンに印加される静電力は、陽イオンの価数に応じて強くなる。一例として、第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間を通過する陽イオン（１価）は、その進行方向が第２電極１１ｂに近づく方向へと変化する。第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間を通過する陽イオン（２価）は、その進行方向が第２電極１１ｂに近づく方向へと大きく変化して、第２電極１１ｂに吸着される。

［ガスセンサの構成の詳細］
図３の（Ａ）は、複数の電極１１の配列方向に沿って配置される複数のガスセンサを例示する断面図である。一例として、複数のガスセンサは、第１ガスセンサ３１（ガスセンサ３０の一例）、第２ガスセンサ３２及び第３ガスセンサ３３を含む。複数のガスセンサは、複数の電極１１の下流にそれぞれ配置される。第２ガスセンサ３２は、ガス室４１内の第１領域４２に設けられる。第１領域４２は、第１電極１１ａ及び第２電極１１ｂの下流に設定される。第１領域４２は、第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間を直進して通過したガスが到達する領域である。第１領域４２は、第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間の中心線と交わる領域である。第１領域４２は、ガス測定器１の上方からガス流通方向にみて、第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間に形成された隙間と重なる領域である。第１ガスセンサ３１及び第３ガスセンサ３３は、第１領域４２に隣接する第２領域４３に配置される。第２領域４３は、第１電極１１ａ及び第２電極１１ｂの下流に設定される、ガス室４１内の第１領域４２以外の領域となる。第１ガスセンサ３１は、第２電極１１ｂよりも第１電極１１ａの近くに配置される。第３ガスセンサ３３は、第１電極１１ａよりも第２電極１１ｂの近くに配置される。

第１電極１１ａの近くに配置される第１ガスセンサ３１は、進行方向が第１電極１１ａに近づく方向へと変化された陰イオンを主に検出する。第２電極１１ｂの近くに配置される第３ガスセンサ３３は、進行方向が第２電極１１ｂに近づく方向へと変化された陽イオンを主に検出する。第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間と対向する位置に配置される第２ガスセンサ３２は、イオン化されないガス分子を主に検出する。

図３の（Ｂ）は、は第２領域４３に配置された複数のガスセンサを例示する断面図である。第１ガスセンサ３１（ガスセンサ３０の一例）及び第２ガスセンサは、第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間を直進して通過したガスが到達する第１領域４２と隣接する第２領域４３に配置される。第１ガスセンサ３１は、進行方向が第１電極１１ａに近づく方向へと変化された陰イオンを主に検出する。第２ガスセンサ３２は、進行方向が第２電極１１ｂに近づく方向へと変化された陰イオンを主眼に検出する。イオン化されないガス分子の進行方向は、第１電極１１ａと第２電極１１ｂに近づく方向へと変化しないため、第１ガスセンサ３１及び第２ガスセンサ３２には検出されない。

［ガス測定器の制御回路］
図４の（Ａ）は、実施形態に係るガス測定器１Ａの一例を示すブロック図である。ガス測定器１Ａは、測定部２（ガス測定器の一例）と回路部３とを備える。回路部３は、信号発生部５０、制御部６０、取得部７０、出力部８０及び判定部９０を備える。回路部３は、例えば、電気回路で構成され得る。回路部３は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）などの演算装置、ＲＯＭ（ReadOnly Memory）、ＲＡＭ（Random Access Memory）、ＨＤＤ（Hard Disk Drive）などの記憶装置、及び通信装置などを有する汎用コンピュータで構成されてもよい。

信号発生部５０は、制御部６０及び取得部７０へ制御信号及び同期信号を出力する。制御信号は、電源１２が電極１１へ印加する電圧又は電流の大きさ（電位差であってもよい）を決定する信号である。同期信号は、制御部６０と取得部７０との動作のタイミングを決定する信号である。制御部６０は、制御信号及び同期信号に基づいて、制御信号によって決定される大きさの電圧又は電流を同期信号によって決定されるタイミングで電極１１へ印加するように電源１２を制御する。図４の（Ｂ）は、制御信号及び同期信号の一例である。図４の（Ｂ）では、制御信号は、ＳＩＧ１、ＳＩＧ２、ＳＩＧ３の三種類の電圧の大きさに相当する信号となる。同期信号は、水晶発振器などの発振器に基づいた矩形波である。

制御部６０は、同期信号の矩形波を所定の回数受信した際に、制御信号に応じた電源１２を制御する信号を出力する。一例として、図４の（Ｂ）の３段階に変化する制御信号は、電圧の大きさを３段階で制御する。電圧の大きさは、無段階で制御されてもよい。この場合、制御信号は、三角波又は正弦波を示す。

取得部７０は、同期信号の矩形波を所定の回数受信した際に、同期信号によって決定されるタイミングでガスセンサが検出した検出値を取得する。よって、取得部７０は、制御信号による電圧又は電流の大きさの変化に対応した検出値を取得できる。取得部７０が検出値を取得する際の矩形波を受信する所定の回数は、制御部６０が制御信号を出力する際の矩形波を受信する回数以上でもよい。取得部７０が検出値を取得する時期を、制御部６０が制御信号を出力する時期よりも遅くすることで、取得部７０は、電圧又は電流の大きさが変化した後に電極１１の間を通過したガス分子が多数となったときの、検出値を取得できる。

出力部８０は、制御信号と、取得部７０から取得された検出値とを関連付けて出力する。

判定部９０は、ガス種と検出値と制御信号との予め取得された関係と、出力部８０により出力された検出値と制御信号とに基づいてガス種を判定する。ガス種と検出値と制御信号との組合せについては、事前に予め取得され、例えばガス特性テーブルとして記憶される。判定部９０は、出力部８０によって出力された組合せに基づいてガス特性テーブルを参照し、ガス種を決定する。

［ガス測定器の動作］
図５は、実施形態に係るガス測定方法の一例を示すフローチャートである。図５に示されるフローチャートの工程は、ガス測定器１Ａの動作を示す。図６は、電極１１の静電力の強さによるガス分子の進行方向の変化を例示する模式図である。一例として、検出対象のガスは、一酸化炭素（ＣＯ）と、亜塩素酸イオン（ＣｌＯ^－）及び硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２－）を含む混合ガスとする。複数の電極の下流には、第１ガスセンサ３１と第２ガスセンサ３２とがそれぞれ配置される。第１ガスセンサ３１は、第１電極１１ａに近い第２領域４３に配置される。第２ガスセンサ３２は、第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間に対応する第１領域４２に配置される。

図５に示されるように、最初に、制御部６０は、制御信号及びタイミングを決定する同期信号に基づいて、ガスが通過可能な間隙を有するように互いに離間して配置される電極１１に印加される電圧又は電流の大きさを変更する（ステップＳ１０）。図６の（Ａ）は、制御信号がＳＩＧ１の場合に、電極１１の間を通過するガス分子の進行方向を示す。一例として、制御信号がＳＩＧ１の場合、制御部６０は、電極１１に電圧又は電流を印加しない。よって、静電力は電極１１に発生しない。制御信号がＳＩＧ１の場合、一酸化炭素（ＣＯ）、イオン化した亜塩素酸イオン（ＣｌＯ^－）及び硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２－）の進行方向は、変化しない。

図６の（Ｂ）は、制御信号がＳＩＧ２の場合に、電極１１の間を通過するガス分子の進行方向を示す。制御信号がＳＩＧ２の場合、制御部６０は、電極１１に電圧又は電流を印加する。第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間には、陰イオンの進行方向を第１電極１１ａに近づく方向へと変化させる静電力が発生する。よって、制御信号がＳＩＧ２の場合、イオン化した亜塩素酸イオン（ＣｌＯ^－）及び硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２－）の進行方向は、第１電極１１ａに近づく方向へと変化する。この場合、第１ガスセンサ３１は、イオン化した亜塩素酸イオン（ＣｌＯ^－）及び硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２－）を主に検出する（ステップＳ２０）。第２ガスセンサ３２は、進行方向が変化しない一酸化炭素（ＣＯ）を主に検出する（ステップＳ２０）。

図６の（Ｃ）は、制御信号がＳＩＧ３の場合に、電極１１の間を通過するガス分子の進行方向を示す。制御信号がＳＩＧ３の場合、制御部６０は、電極１１に制御信号がＳＩＧ２の場合より大きな電圧又は電流を印加する。第１電極１１ａと第２電極１１ｂとの間には、制御信号がＳＩＧ２の場合より強い静電力が発生する。よって、制御信号がＳＩＧ３の場合、２価の硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２－）は、進行方向が第１電極１１ａに近づく方向へと大きく変化され、第１電極１１ａに吸着される。この場合、第１ガスセンサ３１は、イオン化した亜塩素酸イオン（ＣｌＯ^－）を主に検出する（ステップＳ２０）。

次に、取得部７０は、第１ガスセンサ３１が出力した第１測定値と第２ガスセンサ３２が出力した第２測定値とを、同期信号に基づいて取得する（ステップＳ３０）。

判定部９０は、ガス特性テーブルと、取得部７０により取得された第１測定値、第２測定値及び制御信号とに基づいて、ガス種を判定する（ステップＳ４０）。制御信号が示す電圧又は電流の大きさと測定値との予め取得された関係から、検出対象のガスは、一酸化炭素（ＣＯ）、イオン化した亜塩素酸イオン（ＣｌＯ^－）及び硫酸イオン（ＳＯ_４ ^２－）を含むと判断される。

［実施形態のまとめ］
ガス測定器１,１Ａによれば、複数の電極１１が設けられ、複数の電極１１に電圧又は電流が印加されることにより電極間に静電力が発生する。ガスは電極間を通過する。このとき、ガスに含まれるイオン化されたガス分子の進行方向は静電力によって変化する。イオン化されていないガス分子の進行方向は変化しない。このため、ガス測定器１,１Ａは、静電力の大きさを変更することにより、ガスセンサ３０に到達可能なガス分子の種類を変化させることができる。よって、ガス測定器１,１Ａは、複数の種類の反応膜を備えるガス測定器と比べて、簡易な構成で複数の種類のガスを検出できる。

イオン化されたガス分子の進行方向は、複数の電極１１の陽極又は陰極のどちらかの方向へ進行方向が変化する。このため、ガス測定器１,１Ａは、進行方向が変化した複数の種類のガスを検出できる。

ガス測定器１Ａは、検出値と同期信号を関連付けて出力できる。ガス測定器１Ａ及びガス測定方法は、進行方向が異なるガス分子を含む混合ガスのガス種を判定できる。

［変形例］
以上、種々の例示的実施形態について説明してきたが、上記の例示的実施形態に限定されることなく、様々な省略、置換、及び変更がなされてもよい。

複数の電極の下流に第１ガスセンサ３１（ガスセンサ３０の一例）及び第２ガスセンサ３２（別のガスセンサの一例）が配置される場合、第２ガスセンサ３２は、第１ガスセンサ３１で検出したガス分子とは異なる種類のガス分子を主に検出可能に構成されてもよい。この場合、複数の電極１１の下流にガス検出性能が異なる複数のガスセンサを備えることで、電極１１の下流にガス検出性能が単一種類のガスセンサを備えるガス測定器と比べて、ガスの測定精度を向上できる。

フィルタ１０及びガスセンサ３０は、別々に形成された後に組み合わされて作製されてもよい。フィルタ１０及びガスセンサ３０は、一体として作製されてもよい。

信号発生部５０は、制御部６０と一体であってもよい。取得部７０は、出力部８０と一体であってもよい。出力部８０は、判定部９０と一体であってもよい。

ガス測定器１は、基材４０及びガス室４１を含まないように構成されてもよい。この場合、ガス測定器１は、ガスセンサ３０にフィルタ１０の電極１１が密着するように構成される。ガス測定器１は、Ｍ種類のガスセンサ（Ｍは２以上の整数）を備えてもよい。Ｍが３以上の場合、Ｍ種類のガスセンサは同じ種類のセンサを含んでいてもよい。また、電極１１の静電力の強さは、Ｎ段階で（Ｎは２以上の整数）で制御されてもよい。この場合、ガス測定器１は、最大でＭ×Ｎ種類の組み合わせでガスを測定できる。

ガス測定器１Ａは、判定部９０を含まないように構成されてもよい。この場合、ガス測定器１Ａは、出力部８０が測定値と制御信号とを外部へ出力する。ガス測定器１Ａは、測定値と制御信号との関係を、シミュレーションによって予め取得してもよい。この場合、電極１１の静電力の強さとイオン化したガス分子との間に発生する静電力は、計算で求められる。測定値と制御信号との関係は、既知のガスで校正されてもよい。この場合、ガス種及びイオン化したガス分子の価数が特定された既知のガスに基づいて、制御信号と電極１１の静電力の強さとの関係、ガスセンサ３０の出力特性は、校正される。

１，１Ａ…ガス測定器、２…測定部、３…回路部、１０…フィルタ、１１…電極、１２…電源、３０…ガスセンサ、４０…基材、４１…ガス室、４２…第１領域、４３…第２領域、５０…信号発生部、６０…制御部、７０…取得部、８０…出力部、９０…判定部。

Claims (6)

1. ガスが通過可能な間隙を有するように互いに離間して配置され、且つ電圧もしくは電流を印加する電源がそれぞれに接続された複数の電極と、
   前記電極間を通過したガス分子を検出するガスセンサと、前記ガスセンサにより検出されるガス分子のガス種とは異なるガス種のガス分子を検出可能な別なガスセンサと、を含む複数のガスセンサと、
   を備え、
   前記複数のガスセンサは、ガス検出性能が異なる、
   ガス測定器。
2. 前記複数のガスセンサは、前記複数の電極の配列方向に沿ってそれぞれ配置される、請求項１に記載のガス測定器。
3. 前記電極間を直進して通過した前記ガスが到達する第１領域と、前記第１領域に隣接する第２領域とが設定され、
   前記ガスセンサは前記第２領域に配置される、請求項１又は２に記載のガス測定器。
4. タイミングを決定する同期信号を出力する信号発生部と、
   電圧又は電流の大きさを決定する制御信号と前記同期信号とに基づいて、前記同期信号によって決定されるタイミングで前記制御信号によって決定される大きさの電圧又は電流が出力されるように前記電源を制御する制御部と、
   前記ガスセンサの検出値を前記同期信号によって決定されるタイミングで取得する取得部と、
   前記検出値と前記制御信号とを関連付けて出力する出力部と、
   をさらに備える、請求項１～３の何れか一項に記載のガス測定器。
5. 予め取得された関係と前記検出値と前記制御信号とに基づいて、ガス種を判定する判定部をさらに備え、
   前記予め取得された関係は、前記ガス種と前記検出値と前記制御信号との関係である、請求項４に記載のガス測定器。
6. 電圧又は電流の大きさを決定する制御信号とタイミングを決定する同期信号とに基づいて、ガスが通過可能な間隙を有するように互いに離間して配置される複数の電極に対して、前記制御信号によって決定される大きさの電圧又は電流を前記同期信号によって決定されるタイミングで印加する工程と、
   前記電極間を通過したガス分子を複数のガスセンサが検出する工程と、
   前記同期信号によって決定されるタイミングで前記ガスセンサが検出した検出値を取得する工程と、
   ガス種と前記制御信号と前記検出値との予め取得された関係と、取得された前記検出値及び前記制御信号とに基づいて、ガス種を判定する工程と、
   を備え、
   前記複数のガスセンサは、前記電極間を通過したガス分子を検出するガスセンサと、前記ガスセンサにより検出されるガス分子のガス種とは異なるガス種のガス分子を検出可能な別なガスセンサと、を含み、
   前記複数のガスセンサは、ガス検出性能が異なる、
   ガス測定方法。

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