JP3144802U

JP3144802U - 温度及びエージング効果補償型ケミレジスタセンサシステム

Info

Publication number: JP3144802U
Application number: JP2008004503U
Authority: JP
Inventors: ジャード・スターリン
Original assignee: サーム−オー−ディスク・インコーポレイテッド
Priority date: 2007-07-02
Filing date: 2008-07-02
Publication date: 2008-09-11
Anticipated expiration: 2018-07-02
Also published as: EP2012115A2; EP2012115A3; US20090007636A1; CA2636414A1

Abstract

【課題】センサフィルムの抵抗を変化させる周囲温度の変化を補償したケミレジスタセンサシステムを提供する。
【解決手段】温度・劣化効果補償型ケミレジスタセンサシステムは、可燃性蒸気の存在と濃度の監視が行われる周囲環境の雰囲気に露出する検出素子と、その雰囲気から隔離される温度補償素子とを含む。検出素子と温度補償素子は電気的に直列で接続され、温度変化と温度サイクルに対し同様の性能を有する。検出素子の電圧降下に相当するケミレジスタセンサシステムの出力は、温度変化に応じた検出素子の抵抗の変化にかかわりなく一定に保たれ、温度変化を被る環境で長期間に亘り、可燃性蒸気の存在をより正確且つ安定的に検出する。
【選択図】図１

Description

本考案は、可燃性気体（flammable vapor）センサに、より具体的には温度とエージング効果（aging effects）を補償できる温度及びエージング効果補償型ケミレジスタ（chemiresistor）センサシステムに関する。

この項の記述は、本考案の開示と関係する背景的事項を単に提供し、先行技術の構成要素とはならない。

可燃性蒸気又は合物の存在を検出することは、多くの用途に対して、例えば可燃性蒸気の濃度が可燃限界を超過するか否かを検出を含めて重要である。可燃性蒸気の存在や濃度の検出にあたっては、公知の様々な可燃性蒸気センサシステムを利用できる。例えば、コンダクティオメトリック（conductiometric）センサシステム、光学式センサシステム、表面音響波センサシステムはいずれも利用できる。

コンダクティオメトリックセンサの１種には、高分子吸収ケミレジスタセンサがある。高分子吸収ケミレジスタセンサは、１対の電極と検出素子とを有するセンサプローブを含む。プローブはセンサ回路の一部である。検出素子は通例、２つの電極にかかる高分子センサフィルムからなる。このセンサフィルムは、周囲の雰囲気に晒される。周囲の雰囲気に存在する可燃性蒸気を吸収する高分子センサフィルムの具体的構成は、可燃性蒸気しだいで異なる。

可燃性蒸気に晒され、これを吸収したセンサフィルムは膨らみ、容積が変化する。容積の変化によってフィルムの電気抵抗は変化し、この変化を電極によって測定できる。

センサ回路には通例、プロセッサ又は御装置が接続される。プロセッサは、センサフィルムの抵抗を監視しながら可燃性蒸気の有無と、その濃度とを判定する。プロセッサはユーザインターフェイスへ接続できる。ユーザインターフェイスは通例、可燃性蒸気の濃度が所定の閾値を超過するときに信号を発する表示装置を含む。

但し、センサの抵抗は、可燃性蒸気の吸収に応じて変化するばかりでなく、周囲温度の変化に応じて変化する。正の抵抗温度係数（temperature coefficient of resistance）を持つセンサフィルムの場合は、周囲温度の増加にともないセンサフィルムの抵抗が増加する。負の抵抗温度係数を持つセンサフィルムの場合は、周囲温度の増加にともないセンサフィルムの抵抗が減少する。センサフィルムが正又はの抵抗温度係数を持つか否かは、センサフィルムの構成と用途しだいで決まる。
米国特許番号第７，１１３，３０４号公報米国特許出願番号第１０／４１１，８０５号公報

前述したように、可燃性蒸気の検出は、センサが可燃性蒸気を吸収するときに起こるセンサフィルムの抵抗の変化に基づく。このため、センサフィルムの抵抗を変化させる周囲温度の変化は、可燃性蒸気の存在を正確に検出するセンサシステムの能力に支障をきたしている。例えば、正の抵抗温度係数を持ち、可燃性蒸気の吸収時に抵抗が増加するセンサフィルムの場合に、周囲温度が上昇すると、センサシステムは、可燃性蒸気が存在しないにもかかわらず可燃性蒸気の存在を伝える誤った信号を発するおそれがある。

時間の経過にともなう典型的ケミレジスタセンサの劣化は、温度サイクルを被るケミレジスタセンサの場合は特に、性能のぶれをもたらす。温度と劣化の効果が重なると、可燃性蒸気の存在又は度をケミレジスタセンサで正確に検出できなくなる。

そこで本考案は、温度変化を被る環境で、及び／又は期間にわたり、可燃性蒸気の存在をより正確且つ安定的に検出できる温度及びエージング効果補償型ケミレジスタセンサシステムを提供することを目的とする。

本考案のいくつかの実施形態は、可燃性蒸気の存在により正確に反応する温度及び劣化補償型ケミレジスタセンサシステムを提供する。可燃性蒸気の存在を伝えるために使用するセンサシステムの出力電圧は、周囲温度の変化とセンサシステムの劣化（経時変化による老化）の影響を受けない。

一形態において、ケミレジスタセンサシステムは可燃性蒸気の存在を検出する検出素子と、検出素子と電気的に直列で接続される温度補償素子とを含む。検出素子と温度補償素子は、温度変化に対し同様に反応する（例えば既知の温度依存性能を有する）。温度補償素子は周囲環境から隔離される。

別の形態において、ケミレジスタセンサシステムは、可燃性蒸気の存在の監視が行われる周囲環境の雰囲気の中で可燃性蒸気の存在を検出する検出素子と、周囲環境から隔離された温度補償素子とを含む。検出素子と温度補償素子の各々の抵抗は、周囲環境の温度変化に応じて既知の様態で変化する。

さらに別の形態において、ケミレジスタセンサシステムは第１の抵抗器と第２の抵抗器とを含む。第１の抵抗器は、可燃性蒸気の存在の監視が行われる周囲環境の雰囲気に露出する。第２の抵抗器は周囲環境の雰囲気から隔離され、第１の抵抗器と直列で接続される。第２の抵抗器の抵抗温度係数は第１の抵抗器のそれにほぼ等しいから、周囲環境の温度変化を被るときに第１の抵抗器と第２の抵抗器の抵抗は概ね同じ量で変化し、第１の抵抗器の電圧降下は概ね一定に保たれる。
[考案の効果]

本考案によれば、温度変化を被る環境で、及び／又は期間にわたり、可燃性蒸気の存在をより正確且つ安定的に検出できるケミレジスタセンサシステムを提供することができる。

図面を参照して本考案の実施形態について詳細に説明する。
以下に説明する実施形態は、本質的に例証に過ぎず、本考案における適用又は使用を制限するものではない。以下に説明する図面は、専ら例証を目的とし、決して本考案の範囲を制限するものではない。数枚の図面の全体を通じて同様の参照番号は同様の部分を指示する。

図１は、一実施形態として、代表的な温度及びエージング効果補償型ケミレジスタセンサシステム１０の概念的な主たる構成示す図である。
このセンサシステム１０は概して、ケミレジスタセンサプローブ１２と、コントロールユニット１４と、ユーザインターフェイス１６とで構成される。センサプローブ１２は温度補償素子２０を含む。

注目の化学成分又は燃性蒸気１８の存在を検出するため、センサプローブ１２は外部環境１７と相互に作用する。センサプローブ１２は、外部環境１７における可燃性蒸気１８の連続的検出に基づき原出力信号１９ａを生成する。原出力信号１９ａはコントロールユニット１４によって処理される。センサプローブ１２からの原出力信号１９ａの解析内容を中継するため、コントロールユニット１４は算出された出力信号１９ｂをユーザインターフェイス１６へ送信する。コントロールユニット１４は、例えば、出力２２で示された操作コマンドと電力とを、プローブ１２へ供給できる。

ユーザインターフェイス１６は、センサシステム１０の状態に関する情報を、例えばシステム１０が可燃性蒸気１８の存在を検出したか否かを、ユーザに提供する。ユーザインターフェイス１６は当技術で公知の様々な形のものであってよく、その範囲は単純な警報信号から精緻なコンピュータ方式ディスプレイにまでおよぶ。

センサプローブ１２は様々なセンサプローブの形をとることができる。例えばセンサプローブ１２は、特許文献１「Robust Chemireistor Sensor（耐性ケミレジスタセンサ）」に記載されたセンサプローブのいずれかの形態をとることができる。センサプローブ１２は、可燃性蒸気１８を吸収し、可燃性蒸気の吸収時に抵抗を変化させる伝導性センサ素子又はフィルムを含んでよい。センサフィルムは、特許文献２「Vapor Sensor and Materials Therefor（蒸気センサとその材料）」に記載されたもの等、当業者に公知なセンサフィルムであってよい。これらの特許文献１，２の内容は、その全文が本実施形態に援用されるものである。

図２には、センサプローブ１２の代表的回路３０が示されている。
センサプローブ１２は、この実施形態において、第１の抵抗器３１の態様をなす検出素子と、第２の抵抗器３２の態様をなす温度補償素子とを含む。第１の抵抗器３１及び第２の抵抗器３２は、電気的に直列で接続されることにより分圧回路が形成される。

第１の抵抗器３１は、可燃性蒸気の存在及び／又は度の監視が行われる周囲環境に露出され、第１の抵抗器３１の抵抗は可燃性蒸気の存在に左右される。第２の抵抗器３２は監視の対象となる周囲環境から隔離され、第２の抵抗器３２の抵抗は、可燃性蒸気が存在するときに可燃性蒸気の影響を受けない。

従って、第２の抵抗器３２は、第１の抵抗器３１に対する可燃性蒸気の影響を判定するための基準素子として機能する。第２の抵抗器３２は、好ましくは、コーティング、カバー、又は体によって監視の対象となる周囲環境から隔離される。

本実施形態全体を通じて、語句「露出（露呈）する」又は周囲環境に露出（露呈）する」は、可燃性蒸気の存在の監視が行われる周囲環境の雰囲気に対象部品が露出した状態を示唆する。他方の語句「隔離される」又は周囲環境から隔離される」は、監視の対象となる周囲環境の雰囲気から対象部品が隔離され、それ故、環境内に可燃性蒸気が存在する場合には可燃性蒸気から隔離される。但し、環境における温度変化からは隔離されない状態を示唆する。

センサプローブ１２は、第１の抵抗器３１の電圧降下に等しい出力電圧を有する。可燃性蒸気の存在下において、その周囲環境に露出する第１の抵抗器３１は、第２の抵抗器３２（周囲環境から隔離され、引いては可燃性蒸気から隔離される）に対し、抵抗を変化させ、その結果、第１の抵抗器３１の電圧降下は変化する。可燃性蒸気の存在及び／又は度を伝えるため、コントロールユニット１４には、電圧降下に対応する信号が送信される。

第１の抵抗器３１と第２の抵抗器３２はほぼ同じ特性を有し、具体的にはほぼ同じ温度依存特性である。好ましくは、第１の抵抗器３１と第２の抵抗器３２は、同様、又は同じ、抵抗温度係数αを持ち、かくして第１の抵抗器３１と第２の抵抗器３２の抵抗は温度変化及びサイクルに応じて同様に変化する。

より具体的に、温度Ｔ_１におけるセンサプローブ１２の出力電圧Ｖ_ｏｕｔ（第１の抵抗器３１の電圧降下に等しい）は次のとおりに表すことができ、

ここでＶは電気回路３０に印加される電圧であり、Ｒ１及びＲ２はそれぞれ温度Ｔ１における第１の抵抗器３１と第２の抵抗器３２の抵抗である。

周囲温度がΔＴ（Ｔ_１からＴ_２まで）増加すると、抵抗器３１の抵抗はＲ１からＲ１（１＋αΔＴ）まで変化し、抵抗器３２の抵抗はＲ２からＲ２（１＋αΔＴ）まで変化し、ここでαは正又はの抵抗温度係数である。

温度Ｔ２におけるセンサプローブの出力電圧Ｖ_ｏｕｔは次のとおりに表すことができる。

第１の抵抗器３１と第２の抵抗器３２は同じ又は同様な温度依存性能を有し、温度及び／又はンサ劣化といった環境要因は、第１の抵抗器３１と第２の抵抗器３２の両方の抵抗における変化という結果となる。結果として、出力電圧（すなわち第１の抵抗器３１の電圧降下）は、温度変化及び／又はンサ劣化の影響を受けない。出力Ｖ_ｏｕｔは、第２の抵抗器３２の抵抗は可燃性蒸気の存在下で変化しないので、可燃性蒸気の存在下で第１の抵抗器３１の抵抗が変化するときにだけ変化する。

図３を参照し、本考案の第２の実施形態によるセンサプローブの代表的回路図が参照番号４０によって示されている。
回路４０は、ブリッジ回路を形成するよう配置された検出素子と温度補償素子とを含む。検出素子は第１の抵抗器４１と第２の抵抗器４２とを含む。温度補償素子は第３の抵抗器４３と第４の抵抗器４４とを含む。

第１の抵抗器４１と第２の抵抗器４２は可燃性蒸気の存在及び／又は度の監視が行われる周囲環境に露出し、他方の第３の抵抗器４３と第４の抵抗器４４は周囲環境から隔離され、基準素子として機能する。

ブリッジ回路は、４本の脚部を備えるホイートストンブリッジであり、２本の脚部は第１の側５０に含まれ、２本の脚部は第２の側５２に含まれる。第１の抵抗器４１と第３の抵抗器４３は第１の側５０にて直列で接続され、第２の抵抗器４２と第４の抵抗器４４は第２の側５２にて直列で接続される。

それぞれの側５０又は２で１つの抵抗器は周囲環境に露出し、１つの抵抗器は周囲環境から隔離される。同じ側の抵抗器はほぼ同じ特性を、具体的にはほぼ同じ温度依存特性を、持つ。センサプローブの出力電圧は、２つの側５０及び５２の中間点における電圧降下である。

より具体的に、温度Ｔ１におけるセンサプローブの電圧出力は次のとおりに表すことができ、

ここでＶはセンサプローブ１２に印加される電圧であり、Ｒ１、Ｒ２、Ｒ３、及びＲ４はそれぞれ温度Ｔ１における第１の抵抗器４１、第２の抵抗器４２、第３の抵抗器４３、及び第４の抵抗器４４の抵抗である。

第１の抵抗器４１と第３の抵抗器４３は同じ側５０にて直列で接続され、同様の、又はじ抵抗温度係数βを有する。第１の抵抗器４１と第３の抵抗器４３の抵抗は、温度Ｔ２でそれぞれＲ１及びＲ３からＲ１（１＋βΔＴ）及びＲ３（１＋βΔＴ）まで変化し、ここでΔＴ＝Ｔ_２−Ｔ_１である。

第２の抵抗器４２と第４の抵抗器４４は同じ側５２にて直列で接続され、同様の、又はじ抵抗温度係数γを有する。第２の抵抗器４２と第４の抵抗器４４の抵抗は、温度Ｔ２でそれぞれＲ２及びＲ４からＲ２（１＋γΔＴ）及びＲ４（１＋γΔＴ）まで変化する。

従って、温度Ｔ_２におけるセンサプローブの電圧出力は次のとおりに表すことができる。

第１の抵抗器４１（露出）と第３の抵抗器４３（隔離）はほぼ同じ特性を持つから、温度変化／サイクルは第１の側５０にある第１の抵抗器４１の電圧降下に影響しない。同様に、第２の抵抗器４２（露出）と第４の抵抗器４４（隔離）はほぼ同じ特性を持つから、温度変化／サイクルは第２の抵抗器４２の電圧降下に影響しない。相応に、２つの側５０及び５２の中間点におけるセンサプローブ１２の電圧出力Ｖ_ｏｕｔは、温度サイクルによって生じるセンサシステムの劣化や温度変化等、温度関係要因の影響を受けない。ブリッジ回路の同じ側にある２つの抵抗器の抵抗は同様に変化しないから、電圧出力Ｖ_ｏｕｔは可燃性蒸気の存在下でのみ変化する。

図３に示すブリッジ回路では、２つの抵抗器４１及び４２が周囲環境に露出した状態で示されているが、ブリッジ回路でただ１つの露出した抵抗器を用いても同様の補償効果を達成できることは当然である。

このケミレジスタセンサシステム構成により、温度補償素子は、周囲温度の変化によって生じる検出素子の抵抗値の変化を補償する。従って、ケミレジスタセンサシステムは、可燃性蒸気の存在によって生じる抵抗の変化と、周囲温度の変化によって生じる抵抗の変化を区別することができる。その結果、本考案のケミレジスタセンサシステムは可燃性蒸気１８の存在をより正確に検出できる。素子寿命を越える抵抗値ドリフトも本考案のコンセプトによって補償される。

ケミレジスタセンサシステムの典型的な特性劣化には、経年にともなう抵抗値ドリフトがあり、これは特に温度サイクルを被るケミレジスタセンサに該当する。本実施形態では、周囲環境から隔離された抵抗器を基準素子として使用することにより、センサプローブの安定性は高まり、センサプローブの出力電圧の相対的性質により温度関係要因の影響を受けることはない。

センサシステムの出力電圧は、隔離された抵抗器によって補償されるから、ケミレジスタセンサシステムには温度と劣化の効果を解析するための追加的解析ソフトウェアは必要なく、その結果、構造は簡略化する。

これまで、温度又は化補償素子としての隔離された抵抗器を分圧及びホイートストンブリッジ回路の文脈の中で説明してきたが、本考案の精神から逸脱することなく別の電気回路で温度又は劣化補償素子として隔離された抵抗器を使用できることは理解し、承知されたい。

この説明は本質的に例証に過ぎず、本考案の主旨から逸脱しないバリエーションは本考案の範囲内にあるものとする。かかるバリエーションは、本考案の精神及び範囲からの逸脱とみなすべきものではない。さらなる適用分野は、以上に提示した説明から明らかである。説明と具体例が専ら例証を目的とするものであって、本考案の範囲を制限するものではないことを理解されたい。

図１は、本考案の手法によるケミレジスタセンサシステムのブロック図である。図２は、本考案の第１の実施形態によるケミレジスタセンサシステムのセンサプローブの代表的回路図である。図３は、本考案の第２の実施形態によるケミレジスタセンサシステムのセンサプローブの代表的回路図である。

符号の説明

１０…センサシステム、１２…ケミレジスタセンサプローブ、１４…コントロールユニット、１６…ユーザインターフェイス、１７…外部環境、１８…可燃性蒸気、１９ａ…原出力信号、１９ｂ…出力信号、２０…温度補償素子、２２…出力、３０…代表的回路、３１…第１の抵抗器、３２…第２の抵抗器、４０…センサプローブの代表的回路、４１…第１の抵抗器、４２…第２の抵抗器、４３…第３の抵抗器、４４…第４の抵抗器、５０…第１の側、５２…第２の側。

Claims

周囲環境の雰囲気内で、存在する可燃性蒸気を検出する検出素子と、
前記検出素子と直列に電気的接続される温度補償素子と、を備え、
前記温度補償素子は、前記周囲環境の前記雰囲気から隔離され、
前記検出素子と前記温度補償素子は、共に温度変化に対して相似に反応することを特徴とするケミレジスタセンサシステム。
前記温度補償素子は、前記検出素子と同じ抵抗温度係数を有することを特徴とする請求項１に記載のケミレジスタセンサシステム。
前記温度補償素子は、前記検出素子の抵抗温度係数に等しい抵抗温度係数を有することを特徴とする請求項１に記載のケミレジスタセンサシステム。
前記抵抗温度係数は、正であることを特徴とする請求項３に記載のケミレジスタセンサシステム。
前記抵抗温度係数は、負であることを特徴とする請求項３に記載のケミレジスタセンサシステム。
前記ケミレジスタセンサシステムは、前記検出素子の電圧降下に等しい出力を提供することを特徴とする請求項１に記載のケミレジスタセンサシステム。
前記検出素子と前記温度補償素子は、分圧器の一部を形成するように配置されることを特徴とする請求項１に記載のケミレジスタセンサシステム。
前記検出素子と前記温度補償素子は、ブリッジ回路の一部を形成するように配置されることを特徴とする請求項１に記載のケミレジスタセンサシステム。
前記温度補償素子は、コーティング、カバー、及び筐体からなるグループから選択される部品によって、前記周囲環境の雰囲気から隔離されることを特徴とする請求項１に記載のケミレジスタセンサシステム。
可燃性蒸気の存在の監視が行われる周囲環境の雰囲気内で、該可燃性蒸気を検出する検出素子と、
前記周囲環境から隔離される温度補償素子と、を備え、
前記温度補償素子と前記検出素子が有する各々の抵抗は、前記周囲環境における温度変化に対し、既知の態様で反応することを特徴とするケミレジスタセンサシステム。
前記ケミレジスタセンサシステムは、さらに、前記検出素子の電圧降下に等しい出力を備えることを特徴とする請求項１０に記載のケミレジスタセンサシステム。
前記検出素子と前記温度補償素子は、直列に電気的接続されることを特徴とする請求項１０に記載のケミレジスタセンサシステム。
前記検出素子と前記温度補償素子は、分圧器を構成することを特徴とする請求項１０に記載のケミレジスタセンサシステム。
前記検出素子と前記温度補償素子は、ブリッジ回路を構成することを特徴とする請求項１０に記載のケミレジスタセンサシステム。
前記ブリッジ回路は、４つの区間を有するホイートストンブリッジを備え、
前記区間の各々には抵抗器を含み、２つの前記区間ずつの第１の側と第２の側に分けて並列で接続されて構成されることを特徴とする請求項１４に記載のケミレジスタセンサシステム。
前記抵抗器の少なくとも１つは、前記周囲環境の前記雰囲気に露出し、残りの前記抵抗器は前記周囲環境の前記雰囲気から隔離されることを特徴とする請求項１５に記載のケミレジスタセンサシステム。
前記検出素子は、第１の抵抗器と第２の抵抗器とを含み、
前記温度補償素子は、第３の抵抗器と第４の抵抗器とを含み、
前記第１及び第２の抵抗器の一方は、前記ホイートストンブリッジの第１の側にて前記第３及び第４の抵抗器の一方と直列で接続され、
前記第１及び第２の抵抗器の他方は、前記ホイートストンブリッジの第２の側にて前記第３及び第４の他方と直列で接続され、
前記第１の抵抗器と前記第２の抵抗器は、前記ホイートストンブリッジの相対する区間に位置することを特徴とする請求項１５に記載のケミレジスタセンサシステム。
前記センサシステムの前記出力電圧は、前記第１の側の中間点と前記第２の側の中間点との間で測定される電圧であることを特徴とする請求項１７に記載のケミレジスタセンサシステム。
前記温度補償素子は、前記検出素子の抵抗温度係数に等しい抵抗温度係数を有することを特徴とする請求項１０に記載のケミレジスタセンサシステム。
可燃性蒸気の存在の監視が行われている周囲環境の雰囲気に露出する第１の抵抗器と、
前記周囲環境の前記雰囲気から隔離され、且つ前記第１の抵抗器と直列で接続される第２の抵抗器と、を備え、
前記第２の抵抗器は、前記第１の抵抗器の抵抗温度係数に略等しい抵抗温度係数を有し、前記周囲環境の温度変化を被るときに、前記第１の抵抗器と前記第２の抵抗器の両方の抵抗値は、同じ増減で変化し、前記第１の抵抗器の電圧降下は一定に保たれることを特徴とするケミレジスタセンサシステム。