CN1213082A - 气体检测装置及其调整方法 - Google Patents

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Abstract

把金属氧化物半导体气体传感器S连接到电阻梯形网络R上,输出电压根据LnR=2—4VR1/Vc+LnR1,在温度变化的波形上的多个点上,进行对数变换。其中,R表示MOS的电阻值,VR1表示加至电阻梯形网络上的输出电压,Vc表示检测电压,R1表示电阻梯形网络的电阻值,Ln表示自然对数。把在多个浓度且在波形的多个点上,由MOS的电阻值的对数构成的基准信号存储到EEPROM中,对这些基准信号和所得到的对数进行比较,来检测气体。

Description

气体检测装置及其调整方法
本发明涉及使用金属氧化物半导体气体传感器的气体检测，特别涉及使气体传感器发生温度变化来检测煤气的技术。
作为应用了温度变化的金属氧化物半导体气体传感器，有SnO2系的CO传感器TGS203(TGS203是费加罗技研的商品名称)。该气体传感器以150秒为周期进行动作，把最初的60秒分配给高温区，把接下来的的90秒分配给低温区，高温区的最终温度为300℃，低温区的最终温度为80℃，并用低温区结束时的金属氧化物半导体的电阻值，来检测CO。传感器的电阻值与CO浓度大体上成反比，氢和CO之间的相对灵敏度为1∶10，例如，氢1000ppm和CO 100ppm是等价的。此外，电阻值的初始分布，在CO 100ppm中为1～10KΩ。
本发明人使应用了TGS203的CO检测装置高精度化，并对用相同的传感器使检测精度提高两倍以上的课题进行了研究。所研究的问题是传感器特性的漂移，TGS203从使用开始在约2个月左右电阻值最大增加2倍，其后，在数年间电阻值将下降到初始值的最大约1/2。由于TGS203的电阻值大体上反比于CO浓度，故这些漂移意味着CO的检测值将在现实值的2倍～1/2的范围内变动。本发明人对使检测误差减少到真值的±20％左右的课题进行了研究。
如后所示，本发明人发现，对漂移的补偿，用高温区的初始信号补偿低温区的信号是有效的。此外，本发明人还发现，TGS203的电阻值的温度依赖性中存在着分散，为了除去由此产生的误差，对多个浓度存储基准信号是必要的。
因此，在气体检测中，对多个浓度存储多个点的基准信号是必要的，这与把可变电阻作为负载电阻，用可变电阻的值存储基准信号的现行的CO检测装置的作法是不相容的。
在这里，示出有关的先导技术。使气体传感器的温度变化，并把其电阻值的举动看做温度波形，对它进行富利叶变换来检测气体这一方法，是吉川等人提出来的(Analytical Chemistry，Vol.68，No.13,2067-2072,1996)。此外，把EEPROM用作气体检测装置中的非易失性存储器是众所周知的。此外，倘把负载电阻串接到金属氧化物半导体气体传感器上，则加至负载电阻的输出电压与金属氧化物半导体的电阻值的对数成线性关系这一结果，是冲野发表的(日本特许2,578,624)。另外，冲野还提出了对负载电阻的值进行切换，使负载电阻和金属氧化物半导体的电阻值之比保持在适当的范围内的想法。在使气体传感器的高温区的信号和低温区的信号进行组合方面，有许多的研究(例如，美国专利4,896,143，和4,399,684)。
本发明的课题是，对应用了气体传感器的温度变化的气体检测装置，提供适合于其高精度化的构造及调整方法。其它的课题，将从发明的作用和效果的叙述中变得明了。
在本发明中，边使电阻值因气体而变化的金属氧化物半导体气体传感器的温度变化，边用温度波形上的多点的信号，检测CO，乙醇，氨等的气体。在这里，把传感器信号对1个周期的温度变化的波形叫做温度波形。此外，在叫做多点温度波形的情况下，指的是距温度变化开始时的时刻不同的多个点。气体传感器的种类不限于SnO2系，也可以是In2O3或者WO3系，检测对象也不限于CO，可以是氨或乙醇，甲醛等的各种气体。此外，采用使加到气体传感器的加热器上的功率变化的办法来进行温度变化，若把该功率的图形叫做加热器波形，则可以用方波，正弦波或斜波等的种种的加热器波形。
在本发明中，设有：
(1)把与金属氧化物半导体的电阻值的对数成线性的基准信号，作为温度波形上的多点的组合而存储起来的非易失性存储器；
(2)一种作为气体传感器的负载电阻而连接上的电阻梯形网络，使其电阻值和金属氧化物半导体的电阻值之比在多个点上保持在规定的范内；
(3)用于把检测电压加至电阻梯形网络和金属氧化物半导体之间的串联片上的电源；
(4)用于从与加至电阻梯形网络的输出电压成线性的输出，在多个点的各个点上，得到与金属氧化物半导体的电阻值的对数成线性的测定数据的采样装置；
(5)用于使在多个点上的测定数据的组合与基准信号进行比较，以检测气体的气体检测装置。在这里，在多个点上的信号的组合中，含有在多个点上的信号的线性结合，例如，用i=1～n表示多个点，设与在多个点上的电阻值的对数成线性的信号为S1～Sn，设系数为a1～an，则线性结合可由∑ai·Si给出。另外，最好相对于多种气体浓度的各浓度来存储基准信号。
在非易失性存储器中，用的是EEPROM，或在微型计算机内置或外加的RAM中已连接上后备电池的器件。此外，所谓线性，指的是信号A和信号B可以互相用1次函数来表现的关系，例如传感器电阻(金属氧化物半导体的电阻值)与其对数虽然不是线性关系，但传感器电阻的对数和加至电阻梯形网络上的输出电压的关系在狭窄的范围内是线性的。如后述那样，数据处理的大部分都可用基准信号与测定数据之差来表示，即便是给测定数据或基准信号加上恒定数值也没什么影响，只要求出与电阻值的对数成线性的量，而不需要求出电阻值的对数。作为串联片的输出，例如虽然用电阻梯形网络与金属氧化物半导体之间的连接点的输出电压，但是，不限于此，也可以用把上述的输出电压进行分割和放大后使用。
金属氧化物半导体的电阻值的对数和加至电阻梯形网络上的输出电压，两者的电阻值的比在1/2～2左右的范围内是线性的。电阻值向对数的变换，在此范围内可按式(1)进行。
LnR=2-4VR1/Vc+LnR1                 (1)
但是，在这里，R代表金属氧化物半导体的电阻值，VR1代表加至电阻梯形网络上的输出电压，Vc代表检测电压，R1代表电阻梯形网络的电阻值，Ln表示自然对数。
在用式(1)进行的变换中，由于将增加电阻梯形网络中所需要的电阻的个数，所以在变换范围宽到用R/R1表示为例如4～1/4的情况下，就用式(2),(3)进行非线性变换。
LnR=2X+2/3×X3+LnR1               (2)
X=1-2VR1/Vc                        (3)
如后文所述，随着温度的变化，金属氧化物半导体的电阻将变化，为了使对数变化成功，就必须正确地保持电阻梯形网络的值和金属氧化物半导体的电阻值之比。为此，例如，在一个温度周期内通常不产生气体浓度的变动，而是可以利用在前次温度周期的各个时间点的金属氧化物半导体的电阻值，来决定下次的温度周期的各个时间点的电阻梯形网络的电阻值。但是，如用这种方法，则在气体检测装置的调整或检查时，不可能急剧地改变气体浓度。于是，理想的是对多个点之内的至少1点，用与在其前1时间点的加至电阻梯形网络上的输出电压成线性的输出，来切换电阻梯形网络的电阻值。在这里，之所以定为至少1点，是因为在应用例如在2点上的信号的情况下，2点之间的时差很小的情况下，可以由前一点的电阻值预测下一点的电阻值的缘故。但是，用该方法的话，在电阻梯形网络的控制中将产生界限，更为理想的是，对于多点的各个点由其前一时间点的输出，切换电阻梯形网络的电阻值。
作为非易失性存储器，理想的是不要后备电池的EEPROM，但若用EEPROM的话，在存取次数上，从可靠性上说存在着限制。此外，在气体检测装置中所用的RAM中，在许多情况下存在着容量的限制。如果把检测范围用气体浓度的变化幅度定为约10倍左右，则要想抑制气体浓度依赖性的分散的影响，就必须例如3种浓度上的基准信号，并把它存储在EEPROM中去。在RAM等的易失性存储器中，通常存储在EEPROM中所存储的基准信号中的低浓度一侧的2种浓度的基准信号。当气体浓度超过了这2种浓度时，就从EEPROM中读入更高浓度上的基准信号，当气体浓度下降时则，把低浓度一侧的2种浓度存储于易失性存储器中。这样一来，就可以减少对EEPROM的存取次数，就可以防止出故障。
此外，本发明的特征是，设有下述部分：
(1)用多个气体浓度存储由金属氧化物半导体的电阻值的对数的富利叶变换成分构成的基准信号的非易失性存储器；
(2)一种作为气体传感器的负载电阻而连接上的电阻梯形网络，使其电阻值和金属氧化物半导体的电阻值之比，保持在规定的范内，最好保持在通常规定的范围；
(3)用于把检测电压加至前述电阻梯形网络和金属氧化物半导体之间的串联片上的电源；
(4)用于把线性的输出变换成加至电阻梯形网络的输出电压，在波形上的多个点上，得到与金属氧化物半导体的电阻值的对数成线性的测定数据的采样装置；以及
(5)用于使在前述多个点上的测定数据与移进行了富利叶变换后的基准信号进行比较，以检测气体的气体检测装置。
即，富利叶变换信号示出了气体传感器的温度波形的特征，是原封不动地用传感器电阻的对数进行处理，还是把传感器电阻的对数进行富利叶变换后再进行处理，实质上是一样的。于是，在关于原封不动地用传感器电阻的对数进行处理的情况下的本说明书中的叙述，也适合于应用富利叶变换的情况。
本发明是一种边使电阻值因气体而变化的金属氧化物半导体气体传感器的温度变化，边对气体进行检测的装置的调整方法，其特征是：
a：设有非易失性存储器，用于把与金属氧化物半导体的电阻值的对数成线性的基准信号，以多种气体浓度，且作为随着温度变化而变化的气体传感器的电阻值的波形上的多点的组合而存储起来，
b：把气体传感器暴露于规定浓度的气体中并使温度变化，在多个点上，求出与金属氧化物半导体的电阻值的对数成线性的信号，产生上述的基准信号，并作为基准信号存储到上述非易失性存储器中。
最好c：对于多个气体浓度反复进行工序b。
下边，对第1方面的发明进行说明。为使气体检测装置高精度化，就必须采用在多点上的且在多个气体浓度的基准信号。而且，这些使信号存储到非易失性存储器中。如在实施例中所示，在基准信号中，比起金属氧化物半导体的电阻值来其对数更易于处理。即，若原样不变地应用金属氧化物半导体的电阻值，则在用信号的组合进行补偿时的运算将会变得复杂，用小规模的微型计算机将不能进行处理。于是，在本发明中，不用传感器的电阻值，而用与其对数成线性的信号。
由于传感器电阻将随着温度变化而变大，故必须使电阻值能够在宽的范围内而且能够简单地变换成对数。与传感器电阻的变换范围广这一情况对应，采用电阻梯形网络并在必要的点上使其电阻值和金属氧化物半导体的电阻值之比保持于规定的范围内。其中作为必要的点，例如有应用了基准信号的温度波形上的点。当电阻梯形网络的电阻值和金属氧化物半导体的电阻值在规定的范围内时，加至电阻梯形网络上的电压或者与之成线性的信号，与传感器电阻的对数有线性的关系。于是，如果把电阻梯形网络连接到金属氧化物半导体上，使负载电阻的值保持于固定的范围内，且采用加到负载电阻上的输出电压等的话，则在用小规模的微型计算机可以处理的范围内，就可以得到与传感器的电阻的对数成线性的测定数据。如果经这样处理能得到测定数据，则使之与基准信号比较，检测出气体。
若将传感器电阻的对数对加至负载上的输出电压进行级数展开，则在考虑到1次项为止将变成如式(1)所示。
LnR=2-4VR1/Vc+LnR1                        (1)由此可以看出，传感器电阻的对数与输出电压VR1为线性关系，且在线性变换的范围内可以得到传感器电阻的对数。
在用式(1)进行的对数变换中，变换的范围窄，传感器电阻R和负载电阻的电阻值R1之比受限于2～1/2的范围内。而且，在该范围内，变换误差为±2％以下。要使变换的范围更宽的话，就要把传感器电阻的对数展开到3次项为止。用式(2)和(3)进行对数变换。这样一来，R/R1的值在4～1/4的范围内，变换误差将变为小于4％。
为了得到传感器电阻的对数，就有必要正确地保持电阻梯形网络的电阻值。于是，对于用求得测定数据的多个点之内的至少一点，由其前一时间点的输出，切换电阻梯形网络的电阻值。这样的话，即便是在气体检测装置的调整或检查时急剧地改变气体浓度的时候，也可以正确地保持负载电阻的值(电阻梯形网络的电阻值)。
非易失性存储器理想的是不要后备电池的EEPROM，作为基准信号理想的是至少存储3种浓度下的信号。由于在气体检测装置中所用的微型计算机通常RAM的容量都不富裕，故通常都从EEPROM中把低浓度的2种浓度的基准信号存储在RAM中，当气体浓度超过基准信号的浓度时，再从EEPROM中把更高浓度的基准信号存储到RAM中。而当气体浓度降低时，则再次把低浓度的基准信号存储到RAM中去。向EEPROM进行的存取次数是有限制的，例如把10万次左右的存取定为保持可靠性的上限。温度变化的1个周期，例如定为1分，若每次都对EEPROM进行存取，则在大约70天的期间内EEPROM将失去可靠性。但是，气体浓度超过低浓度的2种浓度，一般说来是很少的，对EEPROM的存取，在这种情况下，仅限定于已使气体检测装置复位后情况。而这样的次数，一般是不多的，即便是10万次的存取限制，也可以保持EEPROM的可靠性。
用温度波形上的多点来检测气体，与用例如富利叶变换求出温度波形的特性函数来检测气体是同等的。所以，照原样不变地用传感器电阻的对数的气体的检测，可以置换为对传感器电阻的对数进行富利叶变换后来检测气体。在这种情况下，作为富利叶变换，例如用频率与传感器的温度变化相等的基波成分的正弦成分和余弦成分或者其高次谐波成分等，不需要用从0次到无限大次的富利叶变换成分的所有成分，在极端的情况下，仅仅用1个成分即可，正弦成分和余弦成分作为别的成分，理想的是用2成分～6成分。
其次，为对这样的检测装置进行调整，就必须把基准信号存储于非易失性存储器中。于是，在调整时，把非易失性存储器置于可写入的状态下，边使气体传感器进行温度变化，边在规定的浓度，把规定的时刻的信号或者这些信号的线性和等写入非易失性存储器中去。然后，最好改变气体浓度反复进行该处置，把必要的个数的气体浓度下的基准信号记录到非易失性存储器中去。此外，还可以把已完成的气体检测装置收容到调整槽中后进行该处理，或者仅把传感器置于调整槽中，用个人计算机等处理其信号后再写入非易失性存储器中去。这样一来，由于在应用个人计算机等的情况下，其处理能力没有限制，所以在把传感器电阻原封不变地进行AD转换，并对之进行对数变换后用作基准信号也可。
在本发明中，可以容易地把补偿气体传感器的信号所必须的信号，记录到非易失性存储器中去。此外，基准信号不是在可变电阻的调整中进行，而是可以在向非易失性存储器中的存储中得到，所以，不需要在每次调整时操作可变电阻，此外，若对多个气体浓度存储基准信号，则因气体浓度依赖性的分散所引起误差将变小。另外，由于用加至电阻梯形网络的输出进行对数变换，故即便是小规模的微型计算机也可以容易地得到与传感器电阻的对数成线性的测定数据。
附图的简单说明
图1是实施例的气体检测装置的框图。
图2是示出了实施例的气体检测装置中的RAM的构成图。
图3是示出了实施例的气体检测装置中的EEPROM的构成图。
图4是示出了在本实施例中所用的气体传感器的电阻值的波形的特性图。
图5是示出了在本实施中所用的气体传感器的高温区初始电阻值波形的特性图。
图6是示出了在实施例的气体检测装置中的采样算法的流程图。
图7是示出了在实施例的气体检测装置中的采样算法的流程图。
图8是示出了在本实施例中所用的由气体传感器的漂移所产生的特性的推移的特性图。
图9是示出了用在本实施例中所用的气体传感器进行的氢检测的特性图。
图10是示出了本实施例中的CO浓度的计算机构的特性图。
图11是示出了本实施例中的共存氢的检测机构的特性图。
图12是示出了实施例的气体检测装置中的主程序的流程图。
图13是示出了实施例的气体检测装置中的对共存氢进行的补偿的流程图。
图14是变形例的气体检测装置的框图。
实施例
图1～图14示出了实施例及其变形。在示于图1的实施例的构成中，S是金属氧化物半导体气体传感器，在这里，用的是TGS203，是把一对加热器h1和h2配置到SnO2系的金属氧化物半导体2的两端的传感器。传感器的种类和构造是任意的。4是直流5V等的直流电源，用其输出VDD驱动气体检测装置。为了同时驱动气体传感器S的一对加热器h1和h2，用晶体管T1和T2，并使其同时导通/截止。这样一来，当晶体管T1、T2同时导通时，电流就流向加热器h1、h2，采用使晶体管T1、T2的导通的占空比变化的办法，使金属氧化物半导体2的温度周期性地变化。在这里，根据TGS203的动作条件，把高温区定为60秒钟，把低温区定为90秒钟，加热功率的波形是在高温区和低温区这两个阶段变化的方波状，高温区的最终温度为300℃，低温区的最终温度为80℃。此外，在本实施例中，作为时刻的显示，把低温区的结束之前当做第0秒，把第0～第60秒当做高温区，把第90～第150秒(第150秒与第0秒相等)当做低温区。
把电阻梯形网络5连接到金属氧化物半导体2上，R1～Rn是各个电阻。在这里，假定各个电阻R1～Rn每个变换4倍，例如用0.5KΩ,2KΩ,8KΩ,32KΩ,128KΩ,512KΩ这6个电阻。固定电阻的精度，易于得到±2％左右的精度，基于电阻值的切换的AD转换误差为约±2％。这样一来，当晶体管T1、T2变为截止时，电源输出VDD(以下，叫做检测电压Vc)通过金属氧化物半导体2流向电阻梯形网络5，对加至电阻梯形网络5上的输出电压进行AD转换后进行处理。
8是微型计算机，在这里假定是4位的单片微计算机，10是其总线，12是例如8位的AD转换器，14是电阻梯形网络控制部分，仅使电阻R1～Rn中的一个接地，已接地的电阻用作负载电阻。接着，如上述那样，用AD转换器12对加至电阻梯形网络上的输出电压施行AD转换。此外，当然也可以把加至电阻梯形网络5上的输出电压进行分压后再进行AD转换。另外，即便不是对电阻梯形网络5的电压而是对传感器S的电压进行AD转换也是一样的。16是加热器控制部分，控制晶体管T1、T2的导通/截止，使之产生由60秒的高温区和90秒的低温区构成的温度周期。18是EEPROM控制部分，20是EEPROM。
图3示出了EEPROM 20的构成。在这里，例如以CO为检测对象，把检测范围定为CO50～600ppm的约10倍的范围。作为基准信号，采用CO65ppm,200ppm,400ppm这3点，作为基准信号采用第0秒的传感器电阻的对数LnR0，第6秒的传感器电阻的对数LnR6，第69秒(低温区的初始)的传感器电阻的对数LnR69。Ln表示自然对数，R0等的附标表示0秒基准的定时。在CO 200ppm或400ppm处也经同样处理后，以传感器电阻的对数的形式存储第0秒，第6秒和第69秒这3个基准信号。41～43是把对于各浓度的基准信号看做一枚的卡之时的卡。除此之外，在卡44上记录CO检测装置的使用履历。即，作为使用时间存储总计使用时间和有关过去的CO的报警的记录。总计使用时间是CO检测装置的电源接通时间的累积值，例如时间的单位定为1天，在卡44中存储累计使用时间。作为报警的记录在后边要讲的蜂鸣器每一次报警是就存储其日期。作为日期存储总计使用时间和在相同基准下的日期。这样，就可弄清楚蜂鸣器报警的日期。
22是输入输出，调整开关23和复位开关24已连接好，当使调整开关23变成接通时，EEPROM控制部分18，是使得可以向EEPROM20中写入，且仅在CO检测装置的调整时才使用的开关。复位开关24是用来使蜂鸣器38停止警报的开关。
在微型计算机8中有4位的算术逻辑运算单元26，存在有用来以150秒周期使CO检测装置动作的顺序控制部分28，顺序控制部分28内装有定时器。30是RAM，用作易失性存储器，其构成示于图2。在RAM30中，已存储有LnR0、LnR6、LnR69这3个测定数据，和对于它们的在2种浓度下的基准信号。基准信号通常使用低浓度的65ppm和200ppm，当气体浓度超过了200ppm时就用400ppm的基准信号置换65ppm的基准信号。而当气体浓度下降到200ppm以下时，就用65ppm的基准信号置换400ppm的基准信号。气体的检测范围是50～600ppm，50～650ppm的范围，接近基准信号65ppm。另外，400～600ppm的范围对于基准信号的400ppm，是1.5倍的范围，可以用400ppm的基准信号来正确地求气体浓度。除这些范围之外，当CO正在产生的情况下，用现实的CO浓度的高低两类的基准信号，以2个基准信号的内插决定气体浓度。
除此之外，在RAM30中还记录所求得的CO浓度，由CO浓度经换算后的COHb(血液中的CO血红蛋白浓度)，以及其它辅助信号(例如，用来构成以1天为单位的定时器的时刻数据)等。
回到图1,32是报警控制部分，通过驱动电路36使LED39、40动作，血液中的CO血红蛋白浓度在例如5％以上时就使蜂鸣器38发出蜂鸣。当使蜂鸣器38蜂鸣后，EEPROM控制部分18就向卡44中写入报警的日期。34是程序存储器，除此之外，还记录有温度补偿用的各种的常数等数据。这些数据，即便是更换了传感器也是共同的固定数据。对于每一传感器的数据，全都已记录在EEPROM20中。
在图4中示出了10个传感器的平均的温度波形。如用小白圈○表示在实施例中所用的采样点，则在CO100ppm的波形上，在第150秒，第6秒和第69秒进行采样。传感器的电阻值在CO30ppm～300ppm的范围内约变化10倍，此外，在第0秒和第69秒时，电阻值约差10倍。除此之外，倘加上传感器电阻的不一致性和周围温湿度的变动等，则AD转换的范围，用电阻表示，将变成0.5～500KΩ。于是，在该范围内，使电阻R1～Rn从0.5～500KΩ每次4倍分6个阶段变化，以使得可以进行AD转换，在各个采样时刻之前，监视加至电阻梯形网络上的输出电压VR1，并根据其值来切换负载电阻。VR1的AD转换本身可以在1秒之内进行，只要根据其时的值即可决定在各个采样点上用多大电阻。
图5示出了对另外10个传感器的高温区的初始温度波形的扩大图。气氛示出了在0℃下相对湿度为96％，在20℃下相对湿度为65％，在50℃下相对湿度为40％这3种，示出了±2δ(δ为标准偏差)的范围和平均值。气体浓度虽然为CO100ppm，但是由于周围的温度或湿度的变动，电阻值在各个定时变化了10倍差一点。此外，第0秒和第6秒的电阻值大体上相等，例如，也可以在第6秒中用与第0秒相同的负载电阻。但是，理想的是用例如第148秒的信号决定第0秒(或者为了确实地进行移往高温区之前的采样，第149秒)的电阻值，并从第5秒的电阻值决定第6秒的负载电阻值。同样，由第68秒的电阻值决定第69秒的负载电阻。
在图6中示出了采样算法。当时刻到达第148秒时，就对输出电压进行AD转换，并确认该值处于检测电压VC(与VDD同)的1/3～2/3的范围之内。在该范围内，传感器电阻和负载电阻之间的电阻值之比在2∶1～1∶2的范围内。输出电压如果正确就不加改动，在不正确的情况下就切换负载电阻，使之进入该范围之内。其次，当到达第0秒时，就对输出电压施行AD转换，并用AD转换后的输出电压VR1，由式(1)求出第0秒的传感器电阻的对数。同样，在第5秒检查负载电阻的值是否正确，求出第6秒时的传感器电阻的对数。此外，在第68秒也检查负载电阻的值是否正确，在第69秒，求传感器电阻的对数。
LnR=2-4VR1/Vc+LnR1                     (1)
如式(1)所示，在已对传感器电阻的对数进行了到1次项为止的近似的情况下，R/R1为1，误差将变为0；R/R1为1/2或2，误差将变为2％；R/R1为1/3或3，误差将变为11％。在实施例中，由于目的是以±20％以下的误差检测CO浓度，所以±10％的误差过大。于是，把电阻梯形网络5控制在使传感器电阻和负载电阻之比在第0秒，第6秒和第69秒这3点上保持在2～1/2的范围内。
从由式(1)得到的VR1向传感器的电阻的对数进行的变换是线性变换，是极其简单的变换。但是，伴随着这一变换需要6个负载电阻。为把负载电阻的个数减少到例如4个的话，则要使R/R1的范围保持在4～1/4的范围内，更为理想的是使之保持在根号8～1/根号8的范围内。为此，需要进行到3次项为止的变换。当用VR1对传感器的电阻进行级数展开时，2次项不存在，加进到3次项为止的变换是式(2)、(3)。在用式(2)、(3)的情况下，R/R1为1时，误差为0％；R/R1为1/4或4时，误差为4％；R/R1为1/3或3时，误差为2％。于是，例如使R1～Rn的值每个变化16倍，更为理想的是每个变换8倍或9倍。这样一来，例如使电阻R1～Rn的值变为1KΩ,8KΩ,64KΩ,512KΩ这4种。这样的话，就可以以2％以下的误差把0.5KΩ～1MΩ的范围变换成对数。
LnR=2X+2/3×X3+LnR1               (2)
X=1-2VR1/Vc                        (3)
在图7中示出了图1的气体检测装置的调整步骤。另外这时，要先使调整开关23导通，使得可以进行向EEPROM20中写入基准信号。在把CO检测装置作为设置于调整槽中的装置来说明时，则在已使检测装置置位之后，再投入电源使之动作。然后，注入例如65ppm的CO。这样一来，为了向RAM中写入，微型计算机8就产生LnR0,LnR6,LnR69。把它们写入EEPROM20的卡41中。接下来，把CO浓度增加到200ppm，进行同样的步骤。再把CO浓度增加400ppm。如果象这样地以规定的步骤使CO浓度增加，就可以把基准信号写入到EEPROM20中去。其结果是，无须调整可变电阻来存储基准信号，调整作业将变得简单。
在这里，虽然已假定把CO检测装置设置在调整槽中，但是，也可以仅仅设置传感器S。也可以用12位左右的AD转换器对传感器S的电阻值施行AD转换，使之记录于个人计算机中，再将其写入EEPROM20中。在这种情况下，传感器S未组装进CO检测装置中，使传感器S与EEPROM20形成一组来处理，并把它们安装到另外组装起来的CO检测装置中去。传感器S和EEPRM20之外的部分进行与通常的电子电路完全一样的处理，对于气体传感器，即便是没经验的厂家也可以装配CO检测装置。
图8示出了传感器电阻的漂移补偿。这是TGS203的45个数据，包含不合格品(7个)和合格品(20个)，或者已放置了2年以上的样品(8个)，还包含有曾一时设置到CO检测装置上后又收回的样品(10个)。图的横轴用对数刻度表示第0秒的传感器电阻，纵轴同样以对数刻度表示第6秒的传感器电阻。横轴的1是第0秒的CO100ppm中的基准信号(通电开始第3天)，纵轴的1是第6秒的CO100ppm下的基准信号(通电开始第3天)。图8是以CO100ppm中的通电开始第3天的基准信号，进行了标准化。图的各点表示5周的通电所伴随的测定点，如果在5周期间使用45个TGS203，则将会出现高电阻化的传感器，偶然地也会出现低电阻化的传感器，但是，这些在第6秒和第0秒之间的2维平面上集中于斜率为1的狭窄的直线上。决定把该轴叫做漂移轴。另外，在CO30ppm中或300ppm中，漂移轴之所以不明了，是由于TGS203的浓度依赖性的分散的缘故。即，由于浓度依赖性不均一，在CO30ppm中或300ppm中的初始点并不聚集在1点上，所以，漂移轴因初始点的分散而不明了。此外，决定把CO30ppm,100ppm,300ppm这3点联结起来的直线叫做CO浓度轴。这样，TGS203的初始特性将位于该浓度轴上，伴随着使用，浓度轴将沿着漂移轴的方向平行地移动。
除此之外，图8还示出了CO100ppm和氢300ppm的混合气体的举动。此外，还示出了在氢1000ppm中的举动。这些个举动，对每一传感器都表示出5周通电期间的各点。由图8可知，对于氢，灵敏度变成为稍负一点。例如，当使图8的CO100ppm+氢300ppm的各点沿着漂移轴平行移动，并求出与CO浓度轴之间的交叉点时，所得到的浓度范围为CO80ppm～60ppm。另一方面，在C100ppm中的5周间的各点的分布狭窄，当使之沿漂移轴平行移动，并求出与CO浓度轴之间的交叉点时，分布范围将变成为C80～120ppm左右。对于氢的灵敏度之所以变负，是因为第6秒的信号的氢灵敏度比第0秒的信号高的缘故。所以，为了对此进行补偿，采用第0秒和第69秒的信号的组合。在图9中示出了与此情况相同的5周间的通电数据。由图9可知，当产生了氢时，第69秒的电阻值将显著地减少，有时候将极端地偏离CO浓度轴。于是把从CO浓度轴向图9的下方下降的距离定为表示氢浓度的信号。
虽然这样的氢检测信号不是正确的信号，但是氢灵敏度本来就小，且由于是对之进行补偿，故即便是缺乏定量性的氢检测信号也可以应用。所以，在氢灵敏度的补偿中，考虑两种补偿：使在图8中变成为稍稍负一点的氢灵敏度返回到0的、即仅仅对CO设计极富选择性的CO检测装置的补偿，或者如TGS203的本来的特性所示，使CO对氢的相对灵敏度变成为10∶1的补偿。这两者中选择哪一个，是CO检测装置的设计方针的问题。
在图10中，示出了漂移补偿的原理。图中的实线是CO浓度轴，虚线是漂移轴。在65ppm,200ppm和400ppm这3点上的基准信号已记录于EEPROM20中。根据测定来决定在LnR0和LnR6这2维上的相位空间上的点(a,b)。此外，象图10那样地决定在该相位空间上的各基准信号的坐标。然后，从点(a,b)开始使之沿漂移轴平行移动，把与CO浓度轴的交点的坐标定为(e,f)。
在图12的主程序中示出了用图10进行的CO浓度的计算。由测定数据定义a,b,c这3个变数。其次，在图10中，检查n-p是否在a-b以上。在该条件不成立的情况下，在测定点从200ppm延伸到漂移轴的时候，将位于漂移轴的下侧，检测浓度为200ppm以下。漂移轴的斜率为1,e-a与f-b相等。为此，f=e+(b-a)成立。其次，点(e,f)已把由65ppm和200ppm的2个基准信号决定的线段进行了内分。由此可知e,f受限于65ppm或200ppm中的基准信号的坐标n,p,q,r和1个关系式，用这些就可以求解坐标e。此外，在这里实际地进行处理的，是n-e和p-f或e-f等的变数。这些与对数的差相对应，实际上直接对应于VR1的差。因此可知，也可以不进行上述的对数变换，不求出传感器电阻的对数，仅留下求出VR1就行。
知道了值e后，求出65ppm和200ppm间的线段的内分比y。y为0时，CO浓度为200ppm，y为1时，CO浓度为65ppm。在此区间有约3倍的CO浓度的变化，当不加变动地对此求解时，在exp(y)的级数展开中，2次以上的项是必要的，所以，考虑65ppm和200ppm的中点，在比中点更靠近200ppm时，就以200ppm的浓度为基础进行级数展开，在比中点更靠近65ppm的浓度时，就以65ppm的浓度为基础进行级数展开。这样一来，即便是与exp(y)=1+y取近似，也几乎不会产生近似误差。经这样处理后，氢浓度补偿前的CO浓度就定了下来。
在所求得的相位点位于比通过CO200ppm的漂移轴往上侧的情况下，CO浓度就已超过了200ppm。于是，在这种情况下，就存取EEPROM20，读出CO400ppm的基准信号。以下经同样处理求出CO浓度。这种情况下的处理，与应用CO65ppm和200ppm的2个基准信号的情况下的处理是一样的，也可以不用CO65ppm的基准信号，而代之以用CO400ppm的基准信号。
求出CO浓度后就施行氢补偿。其处理示于图13，其原理图示于图11。在由第0秒的电阻值的对数和第69秒的电阻值的对数决定的2维相位空间中，设测定点的坐标为(a,c)。设在使该测定点沿着65ppm,200ppm,400ppm的CO浓度轴，向图11的垂直上方移动时的交点为(a,g)。设g和c之差为h，并由h决定氢浓度。从这种情况下的a的值是否超过n，来判别作为基准信号是否需要用400ppm的信号，当a在n以下的时候，就存取EEPROM20读出400ppm的基准信号。然后，由于点(a,g)处于联结200ppm的基准信号和40ppm的基准信号的线段上，对坐标g产生1个公式，并可由此求出g。求得g后就求h，例如，设k1是一适当的正常数，给用图12的主环路求得的CO浓度加上k1×h。作为这里的加法的基准，要使得CO检测装置的氢浓度依赖性变成为0，或者使得CO对氢的相对灵敏度变成为10∶1等适当的值。在a比n大的情况下，即，用图11所求得的坐标点(a,c)处于比200ppm的基准信号还往右侧的情况下，就采用65ppm和200ppm的基准信号。然后，与上述一样地求h并进行氢浓度补偿。
进行氢浓度补偿后，返回图13的主环路，从CO浓度求血液中的CO血红蛋白浓度COHb。此外，COHb的初始值在复位时已经预先变成为0。该变换本身是众所周知的，k2,k3,k4是常数，k4在这里设为相当于检测下限以下的约CO30ppm的值，使得CO浓度在30ppm以下不能进行检测。
在图14中示出了应用了富利叶变换的变形例。该变形例除用新的微型计算机48，设置富利叶变换部分50外，与实施例是一样的。但是，随着进行富叶变换，把微型计算机48变成为8位系统。在检测CO的情况下，在富利叶变换中，不希望是方波式的温度变化。所以，在这里设传感器温度的变化波形例如是高温区为60秒，低温区为60秒的合计为120秒周期的正弦波形。于是，采用与在120秒周期下的温度变化同步的富利叶变换成分(正弦的基波)，120秒周期且超前90度相位的成分(余弦的基波)以及作为高次谐波成分，60秒周期的正弦成分和余弦成分这4个成分。如果有该4个成分，在进行了富利叶变换后则可以进行与图1～图13的实施例相同的检测。在除此之外的点上，图14的变形例与图1～图13的实施例是一样的。即把65,200,400的3种浓度下的120秒周期和60秒周期的正弦和余弦的合计4个成分记录到EEPROM 20中去，基准信号为4×3共计12个。此外，在富利叶变换中通常对正弦电阻进行AD转换，或者说，从低温区的末期，对与高温区的初期的CO相关的高波形成分和与低温区的初期的氢相关的高波形成分施行AD转换，电阻梯形网络控制部分14，例如，每1秒监视输出电压VR1的值，在其次的1秒之后对电阻梯形网络5进行控制，使得VR1处于正确的范围之内。这样，富利叶变换对120秒周期，采用在60点上的传感器电阻的对数，对传感器电阻的对数施行富利叶变换后，与4个基准信号进行比较。

Claims (10)

1．一种使其电阻值因气体而变化的金属氧化物半导体气体传感器的温度变化来检测气体的气体检测装置，其特征是设有：
把与上述金属氧化物半导体的电阻值的对数成线性的基准信号，作为随温度变化而变化的气体传感器的电阻波形上的多点的组合而存储起来的非易失性存储器；
一种作为上述气体传感器的负载电阻而连接上的电阻梯形网络，使其电阻值和金属氧化物半导体的电阻值之比，在上述多个点上保持在规定的范围内；
用于把检测电压加至上述电阻梯形网络和金属氧化物半导体之间的串联片上的电源；
用于在加至上述电阻梯形网络的输出电压上对线性输出进行采样，在上述多个点的各个点上，得到与上述金属氧化物半导体的电阻值的对数成线性的测定数据的采样装置；
用于使在上述多个点上的测定数据的组合与上述基准信号进行比较，以检测气体的气体检测装置。
2．权利要求1所述的气体检测装置，其特征是：
在上述采样装置中，根据下式，把上述输出变换成上述测定数据。
LnR=2-4VR1/Vc+LnR1
其中，R表示金属氧化物半导体的电阻值，VR1表示加至电阻梯形网络上的输出电压，Vc表示检测电压，R1表示电阻梯形网络的电阻值，Ln表示自然对数。
3．权利要求1所述的气体检测装置，其特征是：
在上述采样装置中，根据下式，把上述输出变换成上述测定数据。
LnR=2X+2X3/3+LnR1
X=1-2VR1/Vc
其中，R表示金属氧化物半导体的电阻值，VR1表示加至电阻梯形网络上的输出电压，Vc表示检测电压，R1表示电阻梯形网络的电阻值，Ln表示自然对数。
4．权利要求3所述的气体检测装置，其特征是：把上述电阻梯形网络构成为使上述金属氧化物半导体与电阻梯形网络的电阻值之比，在上述多个点上，保持于4～1/4的范围内。
5．权利要求2所述的气体检测装置，其特征是：把上述电阻梯形网络构成为使上述金属氧化物半导体与电阻梯形网络的电阻值之比，在上述多个点上，保持于2～1/2的范围内。
6．权利要求2所述的气体检测装置，其特征是：对上述多个点之内的至少1点，用其前一时间点的上述输出切换电阻梯形网络的电阻值。
7．权利要求1所述的气体检测装置，其特征是：
上述非易失性存储器是EEPROM，把至少在3种气体浓度下的基准信号存储于EEPROM中，
设有易失性存储器，把已存储在上述EEPROM中的基准信号中的低浓度的2种浓度的基准信号，从EEPROM中读入上述易失性存储器中，
而且，在上述气体检测装置中，将测定数据和已存储在易失性存储器中的基准信号进行比较后，变更将存储在易失性存储器中的基准信号。
8．一种边使其电阻值因气体而变化的金属氧化物半导体气体传感器的温度变化，边检测气体的气体检测装置，其特征是设有：
把由上述金属氧化物半导体的电阻值的对数的富利叶变换成分构成的基准信号，以多种的气体浓度存储起来的非易失性存储器；
一种作为上述气体传感器的负载电阻而连接上的电阻梯形网络，使其电阻值和金属氧化物半导体的电阻值之比，保持在规定的范围内；
用于把检测电压加至上述电阻梯形网络和金属氧化物半导体之间的串联片上的电源；
用于在多个点上对与加至上述电阻梯形网络的输出电压成线性的输出施行变换，以得到与上述金属氧化物半导体的电阻值的对数成线性的测定数据的采样装置；
用于使在上述多个点上的测定数据进行富利叶变换之后，与上述基准信号进行比较，以检测气体的气体检测装置。
9．一种边使其电阻值因气体而变化的金属氧化物半导体气体传感器的温度变化，边检测气体的气体检测装置的调整方法，其特征是：
a：设有非易失性存储器，用于把与金属氧化物半导体的电阻值的对数成线性的基准信号，作为随着温度变化而变化的气体传感器的电阻值的波形上的多点的组合而存储起来，
b：把上述气体传感器暴露于规定浓度的气体中并使温度变化，在多个点上，求出与金属氧化物半导体的电阻值的对数成线性的信号，产生上述的基准信号，并作为基准信号存储到上述非易失性存储器中。
10．权利要求9所述的气体检测装置的调整方法，其特征是：上述非易失性存储器是EEPROM。
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