JPH05307018A

JPH05307018A - 炭酸ガス濃度検知装置

Info

Publication number: JPH05307018A
Application number: JP4111121A
Authority: JP
Inventors: Masashi Nishiguchi; 昌志西口
Original assignee: Matsushita Seiko Co Ltd
Current assignee: Panasonic Ecology Systems Co Ltd
Priority date: 1992-04-30
Filing date: 1992-04-30
Publication date: 1993-11-19

Abstract

(57)【要約】【目的】炭酸ガス濃度検知装置の炭酸ガス濃度測定を
校正を行わずに長期的に精度良く行うことを目的とす
る。【構成】炭酸ガスセンサ１０１の動作温度を測定タイ
ミング出力手段２の出力を受けたヒータ電圧設定手段１
により変化させ、そのときの炭酸ガスセンサの出力差を
出力差演算手段３で測定し、その出力差より濃度演算手
段４により炭酸ガス濃度を求めることにより、校正を行
うことなしに炭酸ガス濃度を測定することができる。ま
た、測定動作時以外は、炭酸ガスセンサ１０１の動作温
度を低温にする待機動作を行うことにより炭酸ガスセン
サ１０１の寿命を改善する事ができる。さらに、測定動
作時に炭酸ガスセンサ１０１をセンサ密閉手段７により
密閉することにより測定時の雰囲気が安定するため精度
良く校正できる。また、待機動作時のみ外気を導入し測
定開始前にセンサ密閉手段７により炭酸ガスセンサ１０
１を密閉することにより、より精度良く測定でき、測定
に必要な時間も短縮できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、施設園芸、環境衛生、
防災用、工業用などの炭酸ガス濃度を計測し制御する場
所に使用する固体電解質型の炭酸ガスセンサを用いた炭
酸ガス濃度検知器に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】炭酸ガス濃度を検知するセンサとして、
固体電解質を用い電気化学的に雰囲気中の炭酸ガス濃度
を検知する固体電解質型の炭酸ガスセンサがある。

【０００３】しかしながら、このセンサには多少の欠点
があり、図８のように経時変化により出力が除々に変化
する傾向がある。従って、センサの出力を処理する過程
で出力の経時変化分について考慮し補正する必要があ
る。

【０００４】そのため、清浄な大気の炭酸ガス濃度が一
定（一般的に約３５０ｐｐｍ）であることを利用し大気
でのセンサ出力を利用し経時変化の補正を行っていた。

【０００５】以下、従来の炭酸ガス濃度検知器について
図を参照しながら説明する。固体電解質型炭酸ガスセン
サは図９に示す特性のようにセンサ出力は炭酸ガス濃度
の対数に比例し、濃度が低いほど出力は大きくなる。こ
の特性を利用し通常の環境で最も炭酸ガス濃度が低い清
浄大気での出力すなわち出力の最大値を基準として出力
の補正を行っていた。図７に従来の炭酸ガス濃度検知器
のブロック図の一例を示す。

【０００６】図において炭酸ガスセンサ１０１は、ヒー
タ１０２により４００〜５００℃に加熱されている。ヒ
ータ電力供給手段１０３はヒータ１０２に電力を供給す
る。最大出力値記憶手段１０４に信号を送るとともに濃
度演算手段１０５に信号を送る。最大出力値記憶手段１
０４は、炭酸ガスセンサ１０１からの信号を受けて所定
の時間内での最大値を更新・記憶し、最大値を濃度演算
手段１０５に送る。濃度演算手段１０５は、炭酸ガスセ
ンサ１０１の信号と最大出力値記憶手段１０４の最大値
とを取り込み炭酸ガス濃度を演算し、濃度出力手段１０
６に炭酸ガス濃度を送る。濃度出力手段１０６は炭酸ガ
ス濃度を外部に出力する。ここで、濃度演算手段１０５
における炭酸ガス濃度算出方法は、図９の特性より炭酸
ガスセンサの出力と炭酸ガス濃度の関係は、

【０００７】

【数１】

【０００８】ここで、Ｖはセンサ出力、Ａは基準値、Ｂ
はセンサの感度、ＣＯ₂は炭酸ガス濃度（ｐｐｍ）とな
る。

【０００９】この中で、Ｂはセンサ固有の値であり定数
である。最大出力値記憶手段２で得られた最大値は、Ｃ
Ｏ₂＝３５０ｐｐｍでのセンサ出力Ｖとなる。最大値よ
り基準値Ａが算出され、出力Ｖと炭酸ガス濃度ＣＯ₂の
関係が一義的に決められる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
ように清浄な大気を利用して出力を補正する従来の炭酸
ガス濃度検知装置では基準となる清浄な大気が得られる
場所でしか利用できないという問題点があった。

【００１１】すなわち、気密性の高いビルや２４時間人
が活動する場所においては自然換気によって清浄外気を
得ることは難しい。また、施設園芸で利用する場合、植
物の光合成により炭酸ガスが消費され清浄外気以下の濃
度になることがあり正確な濃度が算出されなかった。

【００１２】本発明はこのような課題を解決するもので
炭酸ガスセンサの動作温度を変化させそのときの出力変
化量を用いて雰囲気の炭酸ガス濃度を測定するもので雰
囲気の影響を受けずにまた、出力の経時変化の補正の必
要がない炭酸ガス濃度検知装置を提供することを第１の
目的とする。

【００１３】第２の目的は測定時以外はセンサの動作温
度を低温に保つことにより、センサの寿命を改善するこ
とにある。

【００１４】第３の目的は測定時にセンサ雰囲気を安定
にし測定精度を向上することにある。

【００１５】第４の目的は測定開始前よりセンサの雰囲
気を安定に保つことにより、測定精度をより向上し、測
定に必要な時間を短縮することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明の第１の目的を達
成するための第１の手段は、炭酸ガス濃度を検知する固
体電解質型炭酸ガスセンサと前記炭酸ガスセンサを測定
温度に加熱するヒータと前記ヒータの温度を前記炭酸ガ
スセンサが正常に動作する温度内でＴ１、Ｔ２の２段階
に切り換えるヒータ電圧設定手段と前記電圧設定手段に
設定電圧の切り換えるタイミングを出力する測定タイミ
ング出力手段と前記炭酸ガスセンサの出力を受けヒータ
温度がＴ１の時の出力とＴ２の時の出力差を演算する出
力差演算手段と前記出力差演算手段の演算結果より炭酸
ガス濃度を演算する濃度演算手段と前記濃度演算手段か
ら受けた炭酸ガス濃度を外部に出力する濃度出力手段と
で構成したものである。

【００１７】また、第２の目的を達成するための第２の
手段は、ヒータの温度をＴ１、Ｔ２、Ｔ３の３段階に切
り換え、Ｔ１、Ｔ２は炭酸ガスセンサが正常に動作する
温度範囲内、Ｔ３は室温からＴ１、Ｔ２以下の温度で設
定し炭酸ガス濃度測定時以外はヒータ温度をＴ３とし測
定時にヒータ温度をＴ１、Ｔ２に順次切り換えるヒータ
温度設定手段を本発明第１の手段に追加して構成したも
のである。

【００１８】また、第３の目的を達成するための第３の
手段は、ヒータの温度をＴ１からＴ２もしくはＴ２から
Ｔ１に切り換え、出力差演算手段で出力差を演算する
間、炭酸ガスセンサの雰囲気を一定に保つセンサ密閉手
段を本発明第１または第２の手段に追加して構成したも
のである。

【００１９】また、第４の目的を達成するための第４の
手段は、ヒータ温度がＴ１、Ｔ２のとき炭酸ガスセンサ
の雰囲気を一定に保ち、ヒータ温度がＴ３の時は外気に
開放するセンサ密閉手段を本発明第２の手段に追加して
構成したものである。

【００２０】

【作用】本発明は上記した第１の手段の構成により、炭
酸ガスセンサのヒータ温度を一定量変化させる測定動作
によってセンサの動作温度を変化させ、その前後の炭酸
ガスセンサの出力差より炭酸ガス濃度を算出するもので
ある。

【００２１】また、第２の手段の構成により、測定時以
外はセンサの動作温度を室温以上通常の動作温度以下の
低温に保つ待機動作により熱によるセンサの劣化を防止
しセンサを長寿命化するものである。

【００２２】また、第３の手段の構成により、測定時の
センサを密閉し外気雰囲気から遮断することによって、
測定中にセンサの動作温度変化以外の影響による出力変
化を防止するものである。

【００２３】また、第４の手段の構成により、センサの
待機動作時のみセンサを外気雰囲気にさらし、測定動作
開始前にセンサを密閉し外気雰囲気から遮断することに
より、測定中にセンサの動作温度変化以外の影響による
出力変化を防止するとともに、測定動作時のセンサ出力
の安定化時間を短縮するものである。

【００２４】

【実施例】以下、本発明の第１の実施例について図１〜
３を参照しながら説明する。なお、従来例と同一の部分
については同一番号を付し、詳細な説明は省略する。

【００２５】まず、炭酸ガス濃度算出法について説明す
る。従来例で述べたように固体電解質型炭酸ガスセンサ
の炭酸ガス検知特性は図９に示している。これを数式で
表すと（数１）となる。

【００２６】これをさらに原理的に表すと

【００２７】

【数２】

【００２８】ここで、Ｖ、Ａ、ＣＯ₂は（数１）と同
じ、Ｃは定数、Ｔはセンサの動作温度単位は絶対温度と
なり、（数１）のＢの項がＣとＴに分けられる。

【００２９】そこで、ＣＯ₂濃度が一定の時に、第７図
に示すように動作温度をＴ１、からＴ２に変化させる、
そのときの出力をそれぞれＶ１、Ｖ２とすると

【００３０】

【数３】

【００３１】

【数４】

【００３２】（数３）（数４）より

【００３３】

【数５】

【００３４】となり、Ａ２−Ａ１の値が経時的に安定で
あれば、センサの動作温度とその変化量、そしてセンサ
出力とその変化量よりＡ１が得られる。

【００３５】よって、センサ出力よりＣＯ₂濃度を算出
するには、（数３）に（数５）を代入することにより

【００３６】

【数６】

【００３７】となり、Ａ２−Ａ１、Ｔ１、Ｔ２を定数と
すると出力差（Ｖ２−Ｖ１）より容易に炭酸ガス濃度を
求めることができる。つまり、炭酸ガスセンサの動作温
度を変化させその前後の出力差を求めることにより雰囲
気の炭酸ガス濃度が求められる。

【００３８】図１に示すように、炭酸ガスセンサ１０１
はヒータ１０２によりによって加熱され、出力差演算手
段に出力を出す。ヒータ１０２はヒータ電圧設定手段１
によって設定した電圧を受け炭酸ガスセンサ１０１が所
定の温度になるように加熱する。ヒータ電圧設定手段
は、測定タイミング出力手段の出力を受けヒータ１０２
の電圧を２段階に切り替える。測定タイミング出力手段
２は、測定開始信号をヒータ電圧設定手段１と出力差演
算手段３に出力する。出力差演算手段３は炭酸ガスセン
サ１０１の出力と測定タイミング出力手段３の信号を受
け測定タイミング出力手段３の出力を受ける直前の炭酸
ガスセンサ１０１の出力を記憶し、前回記憶した出力と
の差を演算し、その結果を濃度演算手段４に出力する。
濃度演算手段４は、出力差演算手段３から受けた出力差
より炭酸ガス濃度を演算し濃度出力手段１０６に出力す
る。濃度出力手段１０６は炭酸ガス濃度を外部に出力す
る。

【００３９】つぎに動作について説明する。図３におい
て、測定タイミング出力手段２は一定の時間間隔で測定
信号（Ａ点、Ｃ点）を出力する。最初の測定タイミング
のＡ点では測定信号を受け出力差演算手段３がセンサ出
力Ｖ１を記憶する。同時にヒータ電圧設定手段１により
ヒータ電圧がＶｈ１からＶｈ２に切り替わり、センサ動
作温度がＴ１からＴ２に変化する。センサ出力は、温度
変化にともないＶ１からＶ２に変化する。一定時間経過
後、Ｂ点では、出力差演算手段３はセンサ出力Ｖ２を記
憶しＶ１とＶ２の差を演算する。同時にヒータ電圧設定
手段１によってヒータ電圧がＶｈ２からＶｈ１に切り替
わり動作温度もＴ２からＴ１に変化する。濃度演算手段
４はＶ１とＶ２の差より（数６）の演算を行い炭酸ガス
濃度を求め濃度出力手段１０６より外部に出力する。次
に、測定タイミングＣ点ではＡ点と同様の動作をし、出
力差演算手段３はセンサ出力Ｖ３を記憶する。同時にＡ
点と同様にヒータ電圧が切り替わる。以降は前記Ａ点、
Ｂ点、の動作を繰り返す。ここで、センサ動作温度Ｔ
１、Ｔ２は４００℃〜６００℃の範囲でＴ１とＴ２の温
度差は２５℃〜１００℃が望ましい。また、測定タイミ
ングの時間間隔は５分以上が望ましい。

【００４０】次に本発明第２実施例について図４、図５
を参照しながら説明する。なお、従来例、本発明第１の
実施例と同一の部分には同一の番号をつけて説明は省略
する。

【００４１】図４において、ヒータ電圧設定手段ｂ５は
測定タイミング出力手段２の信号を受け、ヒータ１０２
のヒータ電圧を３段階に切り替える。出力差演算手段ｂ
６は測定タイミング出力手段２の信号を受け、炭酸ガス
センサ１０１のヒータ電圧の切り替わりに伴う３段階の
出力変化の内、２段階分の出力差を演算する。

【００４２】次に動作について説明する。図５におい
て、測定タイミング出力手段２は一定間隔で測定信号
（Ａ点、Ｄ点）出す。まず、Ａ点ではヒータ電圧設定手
段ｂ５は測定信号を受けヒータ電圧をＶｈ３からＶｈ２
に切り替える。その結果、炭酸ガスセンサ１０１の動作
温度はＴ３からＴ２に変化し、センサ出力Ｖ２を出す。
所定の時間経過後、Ｂ点では出力差演算手段ｂ６はセン
サ出力Ｖ２を記憶し、ヒータ電圧設定手段ｂ５がヒータ
電圧をＶｈ１に切り替える。その結果、センサ動作温度
はＴ１に変化し、センサ出力もＶ１に変化する。再び所
定の時間経過後、Ｃ点では出力差演算手段ｂ６はセンサ
出力Ｖ１を受け、Ｖ１と記憶しておいたＶ２の差すなわ
ち出力差を演算する。濃度演算手段４では、出力差より
炭酸ガス濃度を演算し濃度出力手段１０６より外部に出
力する。同時に、ヒータ電圧設定手段ｂ５は、ヒータ電
圧をＶｈ１からＶｈ３に切り替える。その後、Ｄ点以降
はＡ，Ｂ，Ｃ点の一連の動作を繰り返す。

【００４３】ここで、センサ動作温度Ｔ１、Ｔ２は４０
０℃〜６００℃の範囲でＴ１とＴ２の温度差は２５℃〜
１００℃が望ましい。Ｔ３は、Ｔ１、Ｔ２以下の温度で
あれば良いが１００〜２００℃が望ましい。

【００４４】次に本発明第３実施例について図３、図６
を参照しながら説明する。なお、従来例、本発明第１、
第２の実施例と同一の部分には同一の番号をつけて説明
は省略する。

【００４５】図６において、炭酸ガスセンサ１０１とヒ
ータ１０２はセンサ密閉手段７である開口部８を有する
キャップ９に内包されている。また、開口部８は開閉手
段１０により開閉する。開閉手段１０は温度により形状
が変化する材料（バイメタル、形状記憶合金等）で構成
されセンサ動作温度の影響を受け、形状が変化し動作温
度がＴ１の時には開口部８を開放し動作温度がＴ２に変
化すると開口部８を密閉する。また、キャップ９の下部
は密閉されている。

【００４６】次に動作について説明する。図３におい
て、Ａ点以前は動作温度がＴ１のため、センサ密閉手段
７の開口部８は開放し、測定雰囲気をキャップ９内に導
入している。つぎに、Ａ点では動作温度がＴ２に変化す
るため、開閉手段１０が動作し開口部８を密閉する。そ
の結果、センサ密閉手段７内の雰囲気は外気と遮断され
測定動作中は安定する。つぎに、Ｂ点では動作温度がＴ
１に変化するため再び開閉手段１０が動作し、開口部８
は開放され外気をセンサ密閉手段７内に導入する。その
ため、Ｂ点で出力差演算手段３が測定するセンサ出力Ｖ
２は、センサ密閉手段７内の安定した雰囲気下での出力
が得られる。

【００４７】以降、センサ動作温度に伴い同様の動作を
繰り返す。次に本発明第４実施例について図５、図６を
参照しながら説明する。なお、従来例、本発明第１、第
２、および第３の実施例と同一の部分には同一の番号を
つけて説明は省略する。

【００４８】図６において、開閉手段１０は動作温度が
Ｔ３の時、開口部８を開放し、動作温度がＴ１、Ｔ２の
場合は開口部８を密閉する。

【００４９】次に動作について説明する。図５において
Ａ点以前のセンサ動作温度がＴ３の間はセンサ密閉手段
７の開口部８は開放状態となり外気をセンサ密閉手段７
内に導入する。Ａ点センサ動作温度がＴ２に変化すると
開閉手段１０が動作しセンサ密閉手段７は密閉状態とな
る。その後、Ｂ点でセンサ動作温度がＴ１に変化しても
密閉状態を保ち、Ｃ点でセンサ動作温度がＴ３になると
開閉手段１０が動作してセンサ密閉手段７を開放状態に
する。以降、同様の動作を繰り返す。

【００５０】そのため、Ｂ点、Ｃ点で出力差演算手段ｂ
６が測定するセンサ出力Ｖ１、Ｖ２はセンサ密閉手段７
内の安定した雰囲気下での出力が得られる。

【００５１】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、固体電解
質型炭酸ガスセンサの動作温度変化による出力変化量よ
り炭酸ガス濃度求めることにより出力の補正を行うこと
なく炭酸ガス濃度を計測できる効果のある炭酸ガス濃度
検知装置を提供できる。

【００５２】また、測定時以外は動作温度を動作温度以
下の温度に下げる待機動作を行うことによりセンサの熱
による劣化を低減し長期にわたって安定した炭酸ガス濃
度を計測できる効果のある炭酸ガス濃度検知装置を提供
できる。

【００５３】さらに、測定動作時に炭酸ガスセンサを密
閉し外気雰囲気から遮断することにより測定時の炭酸ガ
ス濃度変化等の雰囲気の変化による測定精度の低下を防
止できる効果のある炭酸ガス濃度検知装置を提供でき
る。

【００５４】さらに、待機動作から測定動作に移る際に
炭酸ガスセンサを密閉し外気雰囲気から遮断することに
より、測定動作時は完全に雰囲気を定常に保つことがで
きるため測定精度をより向上でき、測定時間を短縮でき
る効果のある炭酸ガス濃度検知装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例の炭酸ガス濃度検知装置の
構成を示すブロック図

【図２】本発明の炭酸ガス濃度検知装置の測定動作を説
明するグラフ

【図３】本発明の第１実施例の炭酸ガス濃度検知装置の
動作を示すグラフ

【図４】本発明の第２実施例の炭酸ガス濃度検知装置の
構成を示すブロック図

【図５】同炭酸ガス濃度検知装置の動作を示すグラフ

【図６】本発明の第３、第４実施例の炭酸ガス濃度検知
装置のセンサ密閉手段の縦断面図

【図７】従来の炭酸ガス濃度検知装置の構成を示すブロ
ック図

【図８】炭酸ガスセンサの経時変化を示すグラフ

【図９】炭酸ガスセンサの炭酸ガス検知特性を示すグラ
フ

【符号の説明】

１ヒータ電圧設定手段２測定タイミング出力手段３出力差演算手段４濃度演算手段５ヒータ電圧設定手段ｂ６出力差演算手段ｂ７センサ密閉手段１０１炭酸ガスセンサ１０２ヒータ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭酸ガス濃度を検知する固体電解質型炭酸
ガスセンサと前記炭酸ガスセンサを測定温度に加熱する
ヒータと前記ヒータの温度を前記炭酸ガスセンサが正常
に動作する温度内でＴ１、Ｔ２の２段階に切り換えるヒ
ータ電圧設定手段と前記ヒータ電圧設定手段に設定電圧
の切り換えるタイミングを出力する測定タイミング出力
手段と前記炭酸ガスセンサの出力を受けヒータ温度がＴ
１の時の出力とＴ２の時の出力差を演算する出力差演算
手段と前記出力差演算手段の演算結果より炭酸ガス濃度
を演算する濃度演算手段と前記濃度演算手段から受けた
炭酸ガス濃度を外部に出力する濃度出力手段とからなる
炭酸ガス濃度検知装置。
【請求項２】ヒータの温度をＴ１、Ｔ２、Ｔ３の３段階
に切り換え、Ｔ１、Ｔ２は炭酸ガスセンサが正常に動作
する温度範囲内、Ｔ３は室温からＴ１、Ｔ２以下の温度
で設定し炭酸ガス濃度測定時以外はヒータ温度をＴ３と
し測定時にヒータ温度をＴ１、Ｔ２に順次切り換えるヒ
ータ電圧設定手段と前記炭酸ガスセンサの出力を受けヒ
ータ温度がＴ１の時の出力とＴ２の時の出力差を演算す
る出力差演算手段を設けてなる請求項１記載の炭酸ガス
濃度検知装置。
【請求項３】ヒータの温度をＴ１からＴ２もしくはＴ２
からＴ１に切り換え、出力差演算手段で出力差を演算す
る間、炭酸ガスセンサの雰囲気を一定に保つセンサ密閉
手段を設けてなる請求項１および２記載の炭酸ガス濃度
検知装置。
【請求項４】ヒータ温度がＴ１、Ｔ２のとき炭酸ガスセ
ンサの雰囲気を一定に保ち、ヒータ温度がＴ３の時は外
気に開放するセンサ密閉手段を設けてなる請求項２記載
の炭酸ガス濃度検知装置。