特開 2023-111271 気体検出装置、気体検出方法及び気体検出プログラム

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023111271

(43)【公開日】2023-08-10

(54)【発明の名称】気体検出装置、気体検出方法及び気体検出プログラム

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/04 20060101AFI20230803BHJP

【ＦＩ】

G01N27/04 E

G01N27/04 L

【審査請求】未請求

【請求項の数】15

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022013047

(22)【出願日】2022-01-31

(71)【出願人】

【識別番号】304021417

【氏名又は名称】国立大学法人東京工業大学

(71)【出願人】

【識別番号】301021533

【氏名又は名称】国立研究開発法人産業技術総合研究所

(74)【代理人】

【識別番号】100099759

【弁理士】

【氏名又は名称】青木 篤

(74)【代理人】

【識別番号】100123582

【弁理士】

【氏名又は名称】三橋 真二

(74)【代理人】

【識別番号】100092624

【弁理士】

【氏名又は名称】鶴田 準一

(74)【代理人】

【識別番号】100114018

【弁理士】

【氏名又は名称】南山 知広

(74)【代理人】

【識別番号】100153729

【弁理士】

【氏名又は名称】森本 有一

(74)【代理人】

【識別番号】100160716

【弁理士】

【氏名又は名称】遠藤 力

(72)【発明者】

【氏名】春本 高志

(72)【発明者】

【氏名】史 蹟

(72)【発明者】

【氏名】中村 吉男

(72)【発明者】

【氏名】藤木 弘之

【テーマコード（参考）】

2G060

【Ｆターム（参考）】

2G060AA02

2G060AB03

2G060AE19

2G060AF07

2G060AG03

2G060BB02

2G060HA06

2G060HC02

2G060KA01

(57)【要約】

【課題】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。
【解決手段】気体検出装置１は、温度の変化に応じて抵抗値が変化する導電体１０と、導電体１０に電気を供給する電源１１と、導電体１０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１２と、導電体１０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２０と、を有し、推定装置２０は、導電体１０に供給される電気の量を徐々に変化させ、導電体１０に供給される電気の量を変化させる間に、電気センサ１２によって検出された複数の物理量を取得し、導電体１０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１０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。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

温度の変化に応じて抵抗値が変化する導電体と、
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。

【請求項2】

前記電源は、前記導電体に電流を供給する電流源であり、
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。

【請求項3】

前記電源は、前記導電体に電圧を印加する電圧源であり、
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。

【請求項4】

前記導電体は、大気中に配置され、
前記気体は、水素である、請求項１～３の何れか一項に記載の気体検出装置。

【請求項5】

前記推定装置は、第１の量から前記第１の量よりも高い第２の量に前記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、請求項１～４の何れか一項に記載の気体検出装置。

【請求項6】

前記推定装置は、
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。

【請求項7】

前記相関係数は、演算された前記電力の変化量と演算された前記抵抗値の変化量との間の比率である、請求項６に記載の気体検出装置。

【請求項8】

前記供給処理において、前記推定装置は、前記導電体に供給される電気の量を前記第１の量から前記第２の量に増加させた後に、前記導電体に供給される電気の量を前記第２の量から前記第１の量に徐々に減少させる、請求項６に記載の気体検出装置。

【請求項9】

前記推定装置は、演算された前記電力を第１軸とし、演算された前記抵抗値を第２軸とする直交座標系において、取得した前記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を前記相関係数として演算する、請求項８に記載の気体検出装置。

【請求項10】

前記推定装置は、前記第２の量より前記第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、前記相関係数を補正する、請求項６～９の何れか一項に記載の気体検出装置。

【請求項11】

前記推定装置は、最初に取得した物理量に基づいて、前記相関係数を補正する、請求項１０に記載の気体検出装置。

【請求項12】

前記推定装置は、演算された前記電力及び前記抵抗値から、前記導電体に電気が供給されないときの前記抵抗値を推定し、
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。

【請求項13】

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、
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。

【請求項14】

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、
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。

【請求項15】

温度の変化に応じて抵抗値が変化する導電体と、
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。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0003】

【非特許文献1】Transient thermal response of micro-thermal conductivity detector (μTCD) for the identification of gas mixtures: An ultra-fast and low power method, Allireza Mahodafar et al., Microsystems &Nanoengineering 1 (2015) 15025

【非特許文献2】Investigating time-resolved response of micro thermal conductivitysensor under various modes of operation, Daniel Struka et al., Sensors and Actuators B 254 (2018) 771-777

【非特許文献3】MEMS-based thermal conductivity sensor for hydrogen gas detectionin automotive applications, Dominik Berndt et al., Sensors and Actuators A 305 (2020) 111670

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

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。

【0005】

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。

【課題を解決するための手段】

【0006】

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。

【0007】

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。

【0008】

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。

【0009】

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。

【0010】

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。

【0011】

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。

【0012】

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。

【0013】

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。

【0014】

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。

【0015】

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。

【0016】

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。

【0017】

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。

【0018】

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。

【0019】

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。

【0020】

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。

【発明の効果】

【0021】

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。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】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り、（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、（ｂ）は（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し、（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、（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2】第１実施形態に係る水素検出装置を示す図である。

【図3】図２に示す電流遷移情報を示す図である。

【図4】図２に示す推定装置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5】第２実施形態に係る水素検出装置を示す図である。

【図6】図５に示す抵抗補正テーブルを示す図である。

【図7】図５に示す推定装置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8】第３実施形態に係る水素検出装置を示す図である。

【図9】図８に示す推定装置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10】図９に示す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11】第１変形例に係る水素検出装置を示す図である。

【図12】図１１に示す推定装置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13】第２変形例に係る水素検出装置を示す図である。

【図14】図１３に示す判定装置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、（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り、（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、（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、（ｂ）は白金に供給される電流量を示す図である。

【図17】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。

【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、（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）であり、（ｃ）は混合ガスに含有される水素の含有率と面積Ａ_PRとの関係を示す図（その１）であり、（ｄ）は混合ガスに含有される水素の含有率と面積Ａ_PRとの関係を示す図（その２）である。

【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、（ｂ）は混合ガスに含有される水素の含有率と面積Ａ_PRとの関係を示す図（その３）である。

【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、（ｂ）は水素濃度を変化させたときの面積Ａ_PRの変化を示す図であり、（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。

【図21】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、（ａ）は比率（ｄＲ／ｄＰ）の経時変化を示し、（ｂ）は導入水素量の経時変化を示す。

【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、（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23】（ａ）は補正前の比率（ｄＲ／ｄＰ）の経時変化を示す図であり、（ｂ）は補正後の比率（ｄＲ／ｄＰ）の経時変化を示す図であり、（ｃ）は補正前の面積Ａ_PRの経時変化を示す図であり、（ｄ）は補正後の面積Ａ_PRの経時変化を示す図である。

【図24】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、（ａ）は水素センサに供給される電流量を示し、（ｂ）は（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し、（ｃ）は（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し、（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、（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。

【図25】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り、（ａ）は水素センサに供給される電流量を示し、（ｂ）は（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し、（ｃ）は（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し、（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、（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。

【発明を実施するための形態】

【0023】

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。

【0024】

（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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

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。

【0030】

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。

【0031】

（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。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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。

【0035】

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。

【0036】

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。

【0037】

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。

【0038】

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。

【0039】

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。

【0040】

図３は、電流遷移情報２２０を示す図である。

【0041】

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。

【0042】

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。

【0043】

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。

【0044】

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。

【0045】

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Ａ_PRである相関係数と、水素の濃度との関係を記憶する。

【0046】

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。

【0047】

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。

【0048】

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。

【0049】

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。

【0050】

（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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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。

【0054】

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。

【0055】

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。

【0056】

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。

【0057】

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。

【0058】

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。

【0059】

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。

【0060】

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。

【0061】

（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。

【0062】

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Ａ_PR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Ａ_PRを演算する。なお、窒素中では、面積Ａ_PRは０．００４８４Ω・Ｗであり、水素中では、面積Ａ_PRは０．０００１６Ω・Ｗであり、窒素中の面積Ａ_PRは水素中の面積Ａ_PRと大きく相違する。

【0063】

（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。

【0064】

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Ａ_PR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Ａ_PR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Ａ_PR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。

【0065】

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。

【0066】

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。

【0067】

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。

【0068】

（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。

【0069】

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。

【0070】

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。

【0071】

図６は、抵抗補正テーブル４２０を示す図である。

【0072】

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。

【0073】

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。

【0074】

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Ａ_PR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。

【0075】

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。

【0076】

（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。

【0077】

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。

【0078】

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。

【0079】

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）。

【0080】

（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。

【0081】

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。

【0082】

（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。

【0083】

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。

【0084】

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。

【0085】

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。

【0086】

（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。

【0087】

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。

【0088】

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）。

【0089】

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。

【0090】

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。

【0091】

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。

【0092】

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。

【0093】

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。

【0094】

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。

【0095】

（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。

【0096】

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。

【0097】

（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。

【0098】

また、水素検出装置１～３は、比率（ｄＲ／ｄＰ）及び面積Ａ_PR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Ａ_PR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。

【0099】

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。

【0100】

図１１は、第１変形例に係る水素検出装置を示す図である。

【0101】

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。

【0102】

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。

【0103】

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。

【0104】

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。

【0105】

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。

【0106】

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。

【0107】

（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。

【0108】

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。

【0109】

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。

【0110】

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。

【0111】

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。

【0112】

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。

【0113】

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。

【0114】

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。

【0115】

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。

【0116】

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。

【0117】

図１３は、第２変形例に係る水素検出装置を示す図である。

【0118】

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。

【0119】

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。

【0120】

（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。

【0121】

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。

【0122】

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。

【0123】

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。

【0124】

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。

【0125】

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。

【0126】

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。

【0127】

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。

【0128】

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。

【実施例0129】

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。

【0130】

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。

【0131】

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。

【実施例0132】

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。

【0133】

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。

【0134】

（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Ａ_PRを演算した。

【0135】

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Ａ_PR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Ａ_PR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Ａ_PR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Ａ_PRを演算してプロットしたものである。

【0136】

比率（ｄＲ／ｄＰ）及び面積Ａ_PR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。

【0137】

（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Ａ_PRを演算した。

【0138】

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Ａ_PR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Ａ_PR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Ａ_PRを演算してプロットしたものである。

【0139】

比率（ｄＲ／ｄＰ）及び面積Ａ_PR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。

【0140】

（相関係数である比率（ｄＲ／ｄＰ）及び面積Ａ_PR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Ａ_PR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。

【0141】

図２０（ａ）に示す比率（ｄＲ／ｄＰ）及び２０（ｂ）に示す面積Ａ_PR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Ａ_PR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。