特開 2023-153546 ガス測定器

(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】P2023153546

(43)【公開日】2023-10-18

(54)【発明の名称】ガス測定器

(51)【国際特許分類】

   G01N 27/12 20060101AFI20231011BHJP

【ＦＩ】

G01N27/12 A

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022062887

(22)【出願日】2022-04-05

【国等の委託研究の成果に係る記載事項】（出願人による申告）令和１年度 国立研究開発法人科学技術振興機構 研究成果展開事業 産学共創プラットフォーム共同研究推進プログラム 産業競争力強化法第１７条の適用を受ける特許出願

(71)【出願人】

【識別番号】000191009

【氏名又は名称】新東工業株式会社

(71)【出願人】

【識別番号】304027349

【氏名又は名称】国立大学法人豊橋技術科学大学

(74)【代理人】

【識別番号】100088155

【弁理士】

【氏名又は名称】長谷川 芳樹

(74)【代理人】

【識別番号】100113435

【弁理士】

【氏名又は名称】黒木 義樹

(74)【代理人】

【識別番号】100161425

【弁理士】

【氏名又は名称】大森 鉄平

(72)【発明者】

【氏名】水谷 学世

(72)【発明者】

【氏名】鈴木 誉久

(72)【発明者】

【氏名】野田 俊彦

(72)【発明者】

【氏名】澤田 和明

【テーマコード（参考）】

2G046

【Ｆターム（参考）】

2G046AA19

2G046AA20

2G046BD01

2G046BD06

2G046BH02

2G046FE22

2G046FE25

2G046FE46

(57)【要約】

【課題】可燃性ガスを適切にふるい分けできるガス測定器を提供する。
【解決手段】ガス測定器は、フィルタと、フィルタを通過したガスを検出するガスセンサと、を備える。フィルタには、電圧または電流を印加する電源が接続され、抵抗発熱すると共に接触した可燃性ガスを燃焼させる。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電圧または電流を印加する電源が接続され、抵抗発熱すると共に接触した所定の可燃性ガスを燃焼させるフィルタと、
前記フィルタを通過した可燃性ガスを検出するガスセンサと、
を備える、ガス測定器。

【請求項2】

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、
前記フィルタの温度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フィルタの温度が前記制御信号によって決定される温度とな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、
を備える、請求項１に記載のガス測定器。

【請求項3】

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２に記載のガス測定器。

【請求項4】

前記フィルタは、タングステン、ニッケルクロム合金、モリブデン及び銅の少なくとも１つからなる、請求項１～３何れか一項に記載のガス測定器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、ガス測定器に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１は、金属塩を含むフィルタと感知素子とを備える可燃性ガスセンサを開示する。この可燃性ガスセンサは、浸食性を有する硫黄化合物からなるガスを、フィルタに含まれる金属塩と反応させることで除去する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特表２０２０－５２３１８２号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

ところで、測定対象とするガスは、複数の種類のガスを含むことがある。このような場合、何れのガスを検出しているのか区別できないため、検出するガスのふるい分けが必要になる。特許文献１に記載の可燃性ガスセンサは、フィルタの化学反応により検出するガスのふるい分けを行うが、金属塩と反応する特定のガスしかふるい分けできない。本開示は、可燃性ガスを適切にふるい分けできるガス測定器を提供する。

【課題を解決するための手段】

【0005】

本開示の一側面に係るガス測定器は、フィルタと、フィルタを通過したガスを検出するガスセンサと、を備える。フィルタには、電圧または電流を印加する電源が接続され、抵抗発熱すると共に接触した可燃性ガスを燃焼させる。

【0006】

このガス測定器では、電圧または電流が印加されることで、フィルタが抵抗発熱して上昇する。フィルタの温度が可燃性ガスの発火点まで上昇すると、フィルタに接触した可燃性ガスが燃焼する。燃焼した可燃性ガスは、ガスセンサに検知されない。このとき、発火点は可燃性ガスの種類に応じて異なるため、ガス測定器は、フィルタの温度を変更することにより、ガスセンサが検出する可燃性ガスをふるい分けできる。

【0007】

一実施形態においては、信号発生部と、制御部と、取得部と、出力部とを備える。信号発生部は、タイミングを決定する同期信号を出力する。制御部は、フィルタの温度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フィルタの温度が制御信号によって決定される温度となるように電源を制御する。取得部は、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。出力部は、検出値と制御信号とを関連付けて出力する。この場合、ガス測定器は、検出値と同期信号とを関連付けて出力できる。

【0008】

一実施形態においては、予め取得された関係と検出値と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。予め取得された関係は、ガス種と検出値と制御信号との関係である。この場合、ガス測定器は、可燃性ガスのガス種を判定できる。

【0009】

一実施形態においては、フィルタは、タングステン、ニッケルクロム合金、モリブデン及び銅の少なくとも１つからなってもよい。

【発明の効果】

【0010】

本開示に係るガス測定器によれば、可燃性ガスを適切にふるい分けできる。

【図面の簡単な説明】

【0011】

【図1】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】図２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２の（Ｂ）は制御信号及び同期信号の一例である。

【図3】触媒部材の温度に応じたガス分子の反応を例示する模式図である。

【発明を実施するための形態】

【0012】

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。

【0013】

［ガス測定器の構成］
図１は、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、ガスセンサ３０、及び基材４０を備える。

【0014】

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。

【0015】

フィルタ１０は、電気伝導体であって、通電によって発熱する。フィルタ１０は、タングステン（Ｗ）、ニッケルクロム合金又はモリブデン（Ｍｏ）などの抵抗値が高い金属からなる。フィルタ１０は、銅（Ｃｕ）からなっていてもよい。フィルタ１０は、電圧または電流を印加する電源１１に接続され、電圧印加または電流印加によって発熱する。フィルタ１０は、マイクロオーダーからナノオーダーの範囲の複数の隙間を含んでいる。ガスは、フィルタ１０の隙間を通過する。発熱したフィルタ１０は、ガスに含まれる可燃性ガスを燃焼させる。

【0016】

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、フィルタ１０の下流、即ちガスがフィルタ１０に接触してフィルタ１０を通過した側に設けられる。ガスセンサ３０は、フィルタ１０を通過しても燃焼していない、ふるい分けされたガスを検出する。ガスセンサ３０は、例えば、半導体を利用したガスセンサである。ガスセンサ３０は、ガスを検出する検知面を有している。この場合、ガスセンサ３０は、ガスセンサ３０の検知面に接触したガス分子を、電気信号として出力する。

【0017】

［ガス測定器の制御回路］
図２の（Ａ）は、実施形態に係るガス測定器１の一例を示すブロック図である。ガス測定器１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。

【0018】

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、フィルタ１０の温度を決定する信号である。同期信号は、制御部と取得部とを同期させる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フィルタ１０の温度を制御する電圧または電流をフィルタ１０へ印加するように、電源１１を制御する。図２の（Ｂ）は、制御信号及び同期信号の一例である。図２の（Ｂ）では、制御信号は、ＳＩＧ１、ＳＩＧ２、ＳＩＧ３の三種類の温度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、制御信号に示される温度となるように、フィルタ１０の温度を制御する。取得部７０は、同期信号に基づいて検出値を取得する。

【0019】

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、フィルタ１０の温度に対応する波形の制御信号を出力する。一例として、図２の（Ｂ）の３段階に変化する制御信号は、フィルタ１０の温度を３段階で制御する。フィルタ１０の温度は、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。

【0020】

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、検出値を取得する。よって、取得部７０は、制御信号によるフィルタ１０の温度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、フィルタ１０の温度が変化した後にフィルタ１０と接触したガスが最大となったタイミングで、検出値を取得できる。

【0021】

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及び制御信号とに基づいてガスを判定する。ガス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、ガスを決定する。

【0022】

［ガス測定器の動作］
図３は、触媒部材の温度に応じたガス分子の挙動を例示する模式図である。一例として、検出対象の可燃性ガスは、メタン（ＣＨ_４）及びエタン（Ｃ_２Ｈ_６）などの炭化水素を含む混合ガスとする。ガス測定器１は、メタン（ＣＨ_４）及びエタン（Ｃ_２Ｈ_６）などの炭化水素のうち、特定の種類の分子を検出可能なガスセンサ３０を有する。本実施形態では、一例として、ガス測定器１は、メタン（ＣＨ_４）及びエタン（Ｃ_２Ｈ_６）を検出する。

【0023】

図２の（Ｂ）に示されるように、最初に、フィルタ１０の温度は、制御信号及び同期信号に基づいて動作する制御部６０によって変更される。図３の（Ａ）は、制御信号がＳＩＧ１の場合に、フィルタ１０と接触するガス分子の挙動を示す。一例として、制御信号がＳＩＧ１の場合、制御部６０は、フィルタ１０に電圧または電流を印加しないように、電源１１を制御する。よって、フィルタ１０は発熱しない。制御信号がＳＩＧ１の場合、メタン（ＣＨ_４）及びエタン（Ｃ_２Ｈ_６）は、燃焼しない。ガスセンサ３０は、メタン（ＣＨ_４）及びエタン（Ｃ_２Ｈ_６）を検出する。

【0024】

図３の（Ｂ）は、制御信号がＳＩＧ２の場合に、フィルタ１０と接触するガス分子の挙動を示す。制御信号がＳＩＧ２の場合、制御部６０は、フィルタ１０に電圧または電流を印加するように、電源１１を制御する。フィルタ１０は、通電によってエタン（Ｃ_２Ｈ_６）の発火点（一例として、５２０℃）まで発熱する。フィルタ１０を通過したエタン（Ｃ_２Ｈ_６）は、燃焼する。メタン（ＣＨ_４）は、発火点がエタンよりも高いため、燃焼しない。ガスセンサ３０は、メタン（ＣＨ_４）を検出する。

【0025】

図３の（Ｃ）は、制御信号がＳＩＧ３の場合に、フィルタ１０と接触するガス分子の挙動を示す。制御信号がＳＩＧ３の場合、制御部６０は、フィルタ１０に制御信号がＳＩＧ２の場合より大きな電圧または電流を印加するように、電源１１を制御する。フィルタ１０は、通電によってメタン（ＣＨ_４）の発火点（一例として、５３７℃）まで発熱する。フィルタ１０を通過したメタン（ＣＨ_４）及びエタン（Ｃ_２Ｈ_６）は、燃焼する。ガスセンサ３０は、メタン（ＣＨ_４）及びエタン（Ｃ_２Ｈ_６）が存在しない場合を検出する。

【0026】

次に、取得部７０は、ガスセンサ３０が出力した測定値を、同期信号に基づいて取得する。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、ガス特性テーブルと、取得部７０により取得された測定値及び制御信号とに基づいて、ガスを判定する。制御信号が示すフィルタ１０の温度と測定値との予め取得された関係から、混合ガスは、メタン（ＣＨ_４）及びエタン（Ｃ_２Ｈ_６）を含むと判定される。

【0027】

［実施形態のまとめ］
ガス測定器１では、電圧または電流が印加されることで、フィルタ１０が抵抗発熱して上昇する。フィルタ１０の温度が可燃性ガスの発火点まで上昇すると、フィルタ１０に接触した可燃性ガスが燃焼する。燃焼した可燃性ガスは、ガスセンサ３０に検知されない。このとき、発火点は可燃性ガスの種類に応じて異なるため、ガス測定器は、フィルタ１０の温度を変更することにより、可燃性ガスをふるい分けできる。

【0028】

ガス測定器１では、制御部６０によって、フィルタ１０の温度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フィルタ１０の温度が制御信号によって決定される温度となるように、電源が制御される。そして、取得部７０によって、ガスセンサ３０の検出値が、同期信号によって決定されるタイミングで取得される。このように、ガス測定器１は、検出値と同期信号を関連付けて出力できる。

【0029】

ガス測定器１では、判定部９０によって、予め取得された関係と検出値と制御信号とに基づいて、ガス種が判定される。これにより、ガス測定器１は、可燃性ガスのガス種を判定できる。

【0030】

［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。

【0031】

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。

【0032】

フィルタ１０は、その内部に空間を画成してもよい。この場合、フィルタ１０は、可撓性及び導電性を有しており、かつ、熱による変形量が小さい素材からなってもよい。フィルタ１０は、例えば、金属のメッシュからなる。フィルタ１０は、その下部が開放され、空間に連通する開口を有する。板状の基材４０は、フィルタ１０の下部の開口を塞ぐように配置される。これにより、フィルタ１０及び基材４０は、ガス室４１を画成してもよい。この場合、ガスセンサ３０は、基材４０から離間して、ガス室４１の中心に配置されていてもよい。

【0033】

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。

【0034】

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、フィルタ１０の温度は、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。

【0035】

ガス測定器１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１は、出力部８０が測定値と制御信号とを外部へ出力する。

【符号の説明】

【0036】

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

【図1】

【図2】

【図3】