JP2001091416A - Odor/gas flow visualizing device and odor/gas flow measurement device - Google Patents
Odor/gas flow visualizing device and odor/gas flow measurement deviceInfo
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】におい・ガスセンサを並べた
小型のセンサアレイを用い、空気中を漂うにおいガスの
流れを動画像として可視化するにおい・ガス流可視化装
置およびそれを用いたにおい・ガス流計測装置に関す
る。TECHNICAL FIELD The present invention relates to an odor / gas flow visualization apparatus for visualizing a flow of odor gas floating in the air as a moving image using a small sensor array in which odor / gas sensors are arranged, and an odor / gas flow measurement using the same. Related to the device.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、におい・ガスの発生源を探索する
装置としては、以下の研究がある。2. Description of the Related Art Heretofore, there has been the following research as an apparatus for searching for a source of odor or gas.
【0003】(1)平中幸雄、山崎弘郎:半導体ガスセ
ンサアレイによるガス濃度分布の可視化 Transa
ction of Sensor Technolog
y Research,ST−88−4,IEE of
Japan,1988,pp.33−42.ガスセン
サを2次元平面上に並べて巨大なセンサアレイを製作
し、発生源から広がるガス濃度分布の全体像を計測す
る。得られた像はコンピュータ画面上に可視化され、最
も濃度の高い場所を探すことにより発生源位置が分か
る。しかし、においやガスが発生すると予想される場所
に予めセンサを配置しておく必要があり、汎用性に欠け
る。(1) Yukio Hiranaka, Hiroo Yamazaki: Visualization of gas concentration distribution using semiconductor gas sensor array Transa
Ction of Sensor Technology
y Research, ST-88-4, IEEE of
Japan, 1988, pp. 33-42. A huge sensor array is manufactured by arranging gas sensors on a two-dimensional plane, and the entire image of the gas concentration distribution spreading from the source is measured. The resulting image is visualized on a computer screen, and the location of the source can be determined by searching for the location with the highest density. However, it is necessary to dispose a sensor in advance at a place where odor or gas is expected to be generated, which lacks versatility.
【0004】(2)特開平7−12671、特開平7−
260618 上記(1)の問題点を解決するため、本願発明者は発生
源方向を判定する小型装置を用い、得られた方向に移動
して発生源を探索する方法を提案した。風向を求めるセ
ンサとガスセンサを使用し、空間の中の1点で計測した
ガス濃度勾配と風向を組み合わせて発生源の方向を判定
する。しかし、風が不安定な環境では局所的な風の乱れ
の影響を受け、方向判定の信頼性が低い。また、一般室
内のような風速5cm/s以下の微風速に適用可能な風
向センサは少ないため、このような環境での使用は困難
であった。(2) JP-A-7-12771 and JP-A-7-271
260618 In order to solve the problem (1), the inventor of the present application has proposed a method of searching for a source by moving in the obtained direction using a small device for determining the source direction. Using a sensor for determining the wind direction and a gas sensor, the direction of the generation source is determined by combining the gas concentration gradient measured at one point in the space with the wind direction. However, in an environment where the wind is unstable, the reliability of the direction determination is low due to the influence of local wind turbulence. In addition, since there are few wind direction sensors applicable to a fine wind speed of 5 cm / s or less as in a general room, it has been difficult to use in such an environment.
【0005】(3)特開平8−261893、特願平8
−121996 上記(2)における風向センサの問題点を解決するた
め、これを使用しない方式の発生源方向判定装置を本願
発明者が提案した。小型ファンを用いて前方からガスを
吸引し、ファンの前に並べたガスセンサの応答差を測定
してにおい・ガス源の方向を判定する。しかし、上記
(2)と同様に空間の1点で得た情報に基づいて判定を
行うため、局所的な風の乱れの影響を受けやすいという
問題点がある。(3) JP-A-8-261893, Japanese Patent Application No. 8
-121996 In order to solve the problem of the wind direction sensor in the above (2), the inventor of the present application has proposed a source direction determining apparatus that does not use the wind direction sensor. The gas is sucked from the front using a small fan, and the response difference of the gas sensors arranged in front of the fan is measured to determine the direction of the odor / gas source. However, similar to the above (2), since the determination is performed based on the information obtained at one point in the space, there is a problem that it is easily affected by local wind turbulence.
【0006】[0006]
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来は、におい・ガス源の方向判定を行う際に、におい
ガスセンサの配置位置の選定が困難であったり、局所的
な風の乱れの影響を受けやすいという問題点があった。As described above,
Conventionally, when the direction of the odor / gas source is determined, there is a problem that it is difficult to select an arrangement position of the odor gas sensor or that the sensor is easily affected by local wind turbulence.
【0007】そこで、本発明は、多数のにおい・ガスセ
ンサを用いてにおい・ガス濃度変化の多点計測を行うこ
とにより、風の局所的な乱れの影響を受けにくく、短時
間で信頼性の高い方向判定が可能となり、しかも、可搬
な小型のセンサアレイを用いて、におい・ガス源の方向
判定を行うことにより、におい・ガス流の発生源の周囲
に予めセンサが配置されている必要がなく、汎用性の高
いにおい・ガス流可視化装置およびそれを用いたにおい
・ガス流計測装置を提供することを目的とする。Therefore, the present invention performs multipoint measurement of changes in odor and gas concentration using a large number of odor and gas sensors, thereby making it less susceptible to local turbulence in the wind and having high reliability in a short time. It is possible to determine the direction, and furthermore, by using a portable small sensor array to determine the direction of the odor / gas source, it is necessary to arrange sensors in advance around the odor / gas flow source. Another object of the present invention is to provide a highly versatile smell / gas flow visualization device and a smell / gas flow measurement device using the same.
【0008】すなわち、本発明のにおい・ガス流可視化
装置によれば、におい・ガスセンサを並べた小型のセン
サアレイを用い、この小型センサアレイ上を流れ去る空
気中を漂うにおい・ガスの流れを動画像として可視化
し、これにより指し示す方向に従って移動すれば、にお
いやガスの発生源を容易にしかも正確に発見することが
できる。また、におい・ガスの流れる方向と速度から、
風向と風速を計測することができる。That is, according to the odor / gas flow visualization apparatus of the present invention, a small sensor array in which odor / gas sensors are arranged is used, and the flow of odor / gas floating in the air flowing off the small sensor array is displayed as a moving image. By visualizing the image and moving in the direction indicated by the image, the source of the odor or gas can be easily and accurately found. Also, from the direction and speed of smell and gas flow,
Wind direction and speed can be measured.
【0009】[0009]
【課題を解決するための手段】(1)本発明のにおい・
ガス流可視化装置は、1または複数のにおい・ガスセン
サを二次元平面上に配列した複数のセンサアレイを組み
合わせて、におい・ガス流の濃度変化を多点計測するに
おい・ガス流計測手段と、このにおい・ガス流計測手段
で計測された濃度変化を可視化する可視化手段とを具備
したことを特徴とする。本発明によれば、におい・ガス
センサの配置位置の選定を行う必要がなく、風の局所的
な乱れの影響を受けにくく、短時間で信頼性の高いにお
い・ガス流の方向判定が可能となる。特に、におい・ガ
ス流を位置平面的に捉えるセンサアレイを複数組み合わ
せて用いることにより、あらゆる方向からのにおい・ガ
ス流を同時多点計測できる。また、におい・ガスセンサ
に水晶振動子におい・ガスセンサを用いた場合、におい
・ガスの瞬間的な濃度変化にもすばやく追従できるとい
う利点がある。Means for Solving the Problems (1) Smell of the present invention
The gas flow visualization device is a combination of a plurality of sensor arrays in which one or a plurality of odor / gas sensors are arranged on a two-dimensional plane, and an odor / gas flow measuring means for measuring the concentration change of the odor / gas flow at multiple points. And a visualizing means for visualizing a change in concentration measured by the odor / gas flow measuring means. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is not necessary to select the arrangement | positioning position of an odor gas sensor, it is hard to be affected by local turbulence of wind, and it becomes possible to determine the odor gas flow direction with high reliability in a short time. . In particular, by using a plurality of sensor arrays that capture the odor / gas flow in a position plane manner, odor / gas flow from any direction can be measured at multiple points simultaneously. Further, in the case of using a crystal oscillator odor / gas sensor as the odor / gas sensor, there is an advantage that an instantaneous change in concentration of odor / gas can be quickly followed.
【0010】(2)本発明のにおい・ガス流計測装置
は、1または複数のにおい・ガスセンサを二次元平面上
に配列した複数のセンサアレイを組み合わせて、におい
・ガス流の濃度変化を多点計測するにおい・ガス流計測
手段と、このにおい・ガス流計測手段で計測された濃度
変化を可視化する可視化手段と、前記可視化された濃度
変化に基づきにおい・ガス流の方向および流速を測定す
る測定手段とを具備したことを特徴とする。本発明によ
れば、におい・ガスセンサの配置位置の選定を行う必要
がなく、風の局所的な乱れの影響を受けにくく、短時間
で信頼性の高いにおい・ガス流の方向判定が可能とな
る。特に、におい・ガス流を位置平面的に捉えるセンサ
アレイを複数組み合わせて用いることであらゆる方向か
らのにおい・ガス流を同時多点計測することができ、そ
の結果を合成することで、より正確ににおい・ガス流の
方向、速度の測定が行える。また、におい・ガスセンサ
に水晶振動子におい・ガスセンサを用いた場合、におい
・ガスの瞬間的な濃度変化にもすばやく追従できるとい
う利点がある。(2) The odor / gas flow measuring device of the present invention combines a plurality of sensor arrays in which one or a plurality of odor / gas sensors are arranged on a two-dimensional plane, and measures the concentration change of the odor / gas flow at multiple points. Odor / gas flow measuring means to measure, visualization means to visualize the concentration change measured by the odor / gas flow measuring means, and measurement to measure the direction and flow velocity of the odor / gas flow based on the visualized concentration change Means. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is not necessary to select the arrangement | positioning position of an odor gas sensor, it is hard to be affected by local turbulence of wind, and it becomes possible to determine the odor gas flow direction with high reliability in a short time. . In particular, by using a plurality of sensor arrays that capture odors and gas flows in a planar manner, odors and gas flows from all directions can be measured simultaneously at multiple points, and the results can be combined more accurately. It can measure the direction and speed of smell and gas flow. Further, in the case of using a crystal oscillator odor / gas sensor as the odor / gas sensor, there is an advantage that an instantaneous change in concentration of odor / gas can be quickly followed.
【0011】(3)また、上記1または複数のセンサア
レイには、その検知面に平行な板状体を該検知面に所定
の間隔を存して配したことにより、におい・ガス流の流
れ方向のうち、センサ検知面に乱気流を発生させるよう
な成分は遮蔽されて、検知面と平行な成分だけを取り出
して測定することができる。よって、より正確ににおい
・ガス流の方向、速度の測定が行える。(3) In the one or more sensor arrays, a plate-like body parallel to the detection surface is arranged at a predetermined interval on the detection surface, so that the flow of the odor / gas flow can be improved. Of the directions, components that generate turbulence on the sensor detection surface are blocked, and only components parallel to the detection surface can be extracted and measured. Therefore, the direction and speed of the odor / gas flow can be measured more accurately.
【0012】(4)本発明のにおい・ガス流可視化装置
は、1または複数のにおい・ガスセンサを二次元平面上
に配列したセンサアレイと、このセンサアレイでにおい
・ガス流の濃度変化を多点計測して該計測された濃度変
化を可視化する可視化手段とを具備し、前記センサアレ
イには、その検知面に平行な板状体を該検知面に所定の
間隔を存して配したことを特徴とする。本発明によれ
ば、におい・ガスセンサの配置位置の選定を行う必要が
なく、風の局所的な乱れの影響を受けにくく、短時間で
信頼性の高いにおい・ガス流の方向判定が可能となる。
特に、センサアレイには、その検知面に平行な板状体を
該検知面に所定の間隔を存して配したことにより、にお
い・ガス流の流れ方向のうち、センサ検知面に乱気流を
発生させるような成分は遮蔽されて、検知面と平行な成
分だけを取り出して測定することができる。よって、よ
り正確ににおい・ガス流の方向、速度の測定が行える。
また、におい・ガスセンサに水晶振動子におい・ガスセ
ンサを用いた場合、におい・ガスの瞬間的な濃度変化に
もすばやく追従できるという利点がある。(4) The odor / gas flow visualization device of the present invention is a sensor array in which one or a plurality of odor / gas sensors are arranged on a two-dimensional plane, and the sensor array detects the odor / gas flow concentration change at multiple points. Visualizing means for measuring and visualizing the measured concentration change, wherein the sensor array has a plate-like body parallel to the detection surface arranged at a predetermined interval on the detection surface. Features. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is not necessary to select the arrangement | positioning position of an odor gas sensor, it is hard to be affected by local turbulence of wind, and it becomes possible to determine the odor gas flow direction with high reliability in a short time. .
In particular, in the sensor array, a plate-like body parallel to the detection surface is arranged at a predetermined interval on the detection surface, so that turbulence is generated on the sensor detection surface in the smell / gas flow direction. The component that is to be blocked is shielded, and only the component parallel to the detection surface can be extracted and measured. Therefore, the direction and speed of the odor / gas flow can be measured more accurately.
Further, in the case of using a crystal oscillator odor / gas sensor as the odor / gas sensor, there is an advantage that an instantaneous change in concentration of odor / gas can be quickly followed.
【0013】(5)本発明のにおい・ガス流可視化装置
は、1または複数のにおい・ガスセンサを二次元平面上
に配列したセンサアレイと、このセンサアレイでにおい
・ガス流の濃度変化を多点計測して該計測された濃度変
化を可視化する可視化手段と、前記可視化された濃度変
化に基づきにおい・ガス流の方向および流速を測定する
測定手段とを具備し、前記センサアレイには、その検知
面に平行な板状体を該検知面に所定の間隔を存して配し
たことを特徴とする。本発明によれば、におい・ガスセ
ンサの配置位置の選定を行う必要がなく、風の局所的な
乱れの影響を受けにくく、短時間で信頼性の高いにおい
・ガス流の方向判定が可能となる。特に、センサアレイ
には、その検知面に平行な板状体を該検知面に所定の間
隔を存して配したことにより、におい・ガス流の流れ方
向のうち、センサ検知面に乱気流を発生させるような成
分は遮蔽されて、検知面と平行な成分だけを取り出して
測定することができる。よって、より正確ににおい・ガ
ス流の方向、速度の測定が行える。また、におい・ガス
センサに水晶振動子におい・ガスセンサを用いた場合、
においガスの瞬間的な濃度変化にもすばやく追従できる
という利点がある。(5) The odor / gas flow visualizing device of the present invention is a sensor array in which one or a plurality of odor / gas sensors are arranged on a two-dimensional plane, and the sensor array detects changes in odor / gas flow concentration at multiple points. A measuring means for measuring a direction and a flow velocity of an odor / gas flow based on the visualized concentration change; and A plate-like body parallel to the surface is arranged at a predetermined interval on the detection surface. ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, it is not necessary to select the arrangement | positioning position of an odor gas sensor, it is hard to be affected by local turbulence of wind, and it becomes possible to determine the odor gas flow direction with high reliability in a short time. . In particular, in the sensor array, a plate-like body parallel to the detection surface is arranged at a predetermined interval on the detection surface, so that turbulence is generated on the sensor detection surface in the smell / gas flow direction. The component that is to be blocked is shielded, and only the component parallel to the detection surface can be extracted and measured. Therefore, the direction and speed of the odor / gas flow can be measured more accurately. Also, when using a quartz oscillator smell / gas sensor for the smell / gas sensor,
There is an advantage that it can quickly follow the instantaneous change in concentration of the odor gas.
【0014】[0014]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.
【0015】(第1の実施形態) (構成と動作)図1は、本実施形態にかかるにおい・ガ
ス流可視化装置の構成例を示したものである。この装置
で用いるセンサアレイ3は、パルス駆動型半導体におい
・ガスセンサ素子(例えば、TGS2440、Figa
ro技研)C11〜C15、C21〜C25、C31〜
C35、C41〜C45、C51〜C55を25個用
い、これを5行5列の2次元アレイ状に並べたものであ
る。アレイ3の一辺の長さは、例えば55mmである。(First Embodiment) (Structure and Operation) FIG. 1 shows an example of the structure of an odor / gas flow visualization device according to the present embodiment. The sensor array 3 used in this apparatus includes a pulse-driven semiconductor odor / gas sensor element (for example, TGS2440, FIG.
ro Giken) C11-C15, C21-C25, C31-
In this example, 25 C35, C41 to C45, and C51 to C55 are used and arranged in a two-dimensional array of 5 rows and 5 columns. The length of one side of the array 3 is, for example, 55 mm.
【0016】空気中を漂う希薄なにおい・ガスを検出す
るためには、高感度なセンサが必要となる。また、発熱
の大きいセンサを微風速環境下で数多く並べて用いる
と、アレイ自身が対流を起こし、流れを変えてしまう。
このため、消費電流が少ないセンサが望ましい。A high-sensitivity sensor is required to detect a rare odor or gas floating in the air. Also, if a large number of sensors generating a large amount of heat are used side by side in a low wind speed environment, the array itself causes convection and changes the flow.
For this reason, a sensor with low current consumption is desirable.
【0017】通常の半導体におい・ガスセンサは、素子
加熱用ヒータの消費電力が大きいという欠点がある。本
実施形態で用いるパルス駆動型センサは応答を測定する
ときのみ素子を瞬間的に加熱して用いるため、ヒータ消
費電力が小さく、多数のセンサを並べても発熱が小さ
い。An ordinary semiconductor smell / gas sensor has the disadvantage that the heater for heating the element consumes a large amount of power. Since the pulse-driven sensor used in the present embodiment is used by heating the element instantaneously only when measuring a response, the power consumption of the heater is small, and even if many sensors are arranged, the heat generation is small.
【0018】パーソナルコンピュータ1は、装置全体の
制御を行う。このコンピュータ1からの指令を受け、制
御回路2ではセンサアレイ3から1行分のセンサ(5
個)を選択し、電源電圧を印加して、選択された1行分
のセンサのヒータを瞬間加熱する。半導体におい・ガス
センサはにおい・ガスを検出すると電気抵抗が減少し、
素子を流れる電流が増加する。The personal computer 1 controls the entire apparatus. In response to a command from the computer 1, the control circuit 2 sends one row of sensors (5
), A power supply voltage is applied, and the heaters of the selected one row of sensors are instantaneously heated. Semiconductor odor and gas sensors reduce the electrical resistance when they detect odor and gas,
The current flowing through the device increases.
【0019】対数変換回路4は、この電流変化を対数変
換し、それをA/D変換器5でアナログ信号からディジ
タル信号へ変換した後、測定値をコンピュータ1にとり
こむ。The logarithmic conversion circuit 4 performs a logarithmic conversion of this current change, converts it from an analog signal to a digital signal by the A / D converter 5, and then takes the measured value into the computer 1.
【0020】対数変換回路4は、5組の演算増幅器(対
数アンプ)4a〜4eで構成され、1つの回路にはセン
サアレイ3の縦1列のセンサが並列に接続されている。
すなわち、センサ素子C11〜C15からのセンサ応答
信号は演算増幅器4aに入力し、センサ素子C21〜C
25からのセンサ応答信号は演算増幅器4bに入力し、
センサ素子C31〜C35からのセンサ応答信号は演算
増幅器4cに入力し、センサ素子C41〜C45からの
センサ応答信号は演算増幅器4dに入力し、センサ素子
C51〜C55からのセンサ応答信号は演算増幅器4e
に入力している。The logarithmic conversion circuit 4 is composed of five sets of operational amplifiers (logarithmic amplifiers) 4a to 4e, and one circuit is connected in parallel with the sensors in one column of the sensor array 3.
That is, the sensor response signals from the sensor elements C11 to C15 are input to the operational amplifier 4a,
The sensor response signal from 25 is input to the operational amplifier 4b,
Sensor response signals from the sensor elements C31 to C35 are input to the operational amplifier 4c, sensor response signals from the sensor elements C41 to C45 are input to the operational amplifier 4d, and sensor response signals from the sensor elements C51 to C55 are input to the operational amplifier 4e.
Is being entered.
【0021】このうち、制御回路2で選択された横1行
のセンサのみに電流が流れ、同時に横1行の5個のセン
サ応答を測定する構成となっている。選択する行を順次
切り替えることによって25個全てのセンサ応答を測定
し、この操作を所時間おきに繰り返す。Of these, current flows only to the sensors in one horizontal row selected by the control circuit 2, and at the same time, the response of five sensors in one horizontal row is measured. By sequentially switching the rows to be selected, the responses of all 25 sensors are measured, and this operation is repeated at intervals.
【0022】次に、図2に示すタイミングチャートを参
照して、図1のセンサアレイ3の動作について説明す
る。Next, the operation of the sensor array 3 of FIG. 1 will be described with reference to the timing chart shown in FIG.
【0023】図1のH1〜H5はセンサアレイ3のセン
サ素子のヒータを駆動する電源線である。図2に示すよ
うに、初めに幅T1のヒータ電圧パルスを電源線H1に
印加し、第1行目(最も上の行)に並ぶ5つのセンサ素
子C11、C21、C31、C41、C51を加熱す
る。全素子を同時加熱すると、パルス駆動素子を利用し
ても瞬間的に大電流が流れるために、行毎に加熱する方
式をとる。このときの電源電圧は例えば5Vで、ヒータ
電圧パルスは、例えば、周期T2=0.25秒ごとに繰
り返し与える。H1 to H5 in FIG. 1 are power supply lines for driving the heaters of the sensor elements of the sensor array 3. As shown in FIG. 2, first, a heater voltage pulse having a width T1 is applied to the power supply line H1, and the five sensor elements C11, C21, C31, C41, and C51 arranged in the first row (the top row) are heated. I do. When all the elements are heated simultaneously, a large current flows instantaneously even if a pulse drive element is used. Therefore, a method of heating each row is adopted. The power supply voltage at this time is, for example, 5 V, and the heater voltage pulse is repeatedly applied, for example, every cycle T2 = 0.25 seconds.
【0024】センサ応答の測定は、ヒータ電圧パルスの
印加からT3秒毎に行う。The measurement of the sensor response is performed every T3 seconds from the application of the heater voltage pulse.
【0025】図1のS1〜S5はセンサ素子抵抗測定用
の電源線である。図2に示すように、電源線S1に幅1
5msの電圧パルスを与えると、第1行目の5個のセン
サ素子C11、C21、C31、C41、C51に電流
が流れる。これを演算増幅器4a〜4eで増幅し、A/
D変換器5でアナログ信号からディジタル信号に変換し
た後、パーソナルコンピュータ1にて値を測定する。S1 to S5 in FIG. 1 are power supply lines for measuring the resistance of the sensor element. As shown in FIG. 2, the power supply line S1 has a width 1
When a voltage pulse of 5 ms is applied, a current flows through the five sensor elements C11, C21, C31, C41, and C51 in the first row. This is amplified by the operational amplifiers 4a to 4e, and A / A
After converting the analog signal into a digital signal by the D converter 5, the value is measured by the personal computer 1.
【0026】演算増幅器4a〜4eのそれぞれには、セ
ンサアレイ3の縦一列のセンサ素子が並列に接続されて
いるが、電圧パルスが加えられた横一列のセンサ素子の
みに電圧がかかり、その素子を通って電流が流れる。Each of the operational amplifiers 4a to 4e is connected in parallel with a sensor element in a vertical row of the sensor array 3, but a voltage is applied only to the sensor element in a horizontal row to which a voltage pulse is applied. Electric current flows through.
【0027】図2に示すように、以上の操作を例えば1
5msずつづらして全ての行に対して行う。[0027] As shown in FIG.
The processing is performed for all the rows at intervals of 5 ms.
【0028】パーソナルコンピュータ1では、測定した
電流値からセンサの素子抵抗を計算し、次式に従ってセ
ンサ応答rを計算する。In the personal computer 1, the element resistance of the sensor is calculated from the measured current value, and the sensor response r is calculated according to the following equation.
【0029】 r=Rgas/Rair …(1) 但し、Rgasはにおい・ガス中のセンサの素子抵抗、
Rairは空気中のセンサの素子抵抗を表し、rはにお
い・ガス濃度の単調減少関数である。R = Rgas / Rair (1) where Rgas is the element resistance of the sensor in the odor / gas,
Rair represents the element resistance of the sensor in air, and r is a monotonically decreasing function of the odor / gas concentration.
【0030】本実施形態で用いたパルス駆動型半導体に
おい・ガスセンサのエタノ一ルガスに対する応答校正曲
線を図3に示す。同図ではガス中におけるセンサ抵抗R
gasと空気中における抵抗Rairの比、Rgas/
Rairをセンサ応答rとして用いた。希薄なppmレ
ベルのガスに応答してセンサ応答r=Rgas/Rai
rが減少していることが分かる。FIG. 3 shows a response calibration curve of the pulse-driven semiconductor odor / gas sensor used in the present embodiment to ethanol gas. In the figure, the sensor resistance R in the gas is shown.
gas and the resistance Rair in air, Rgas /
Rair was used as the sensor response r. Sensor response r = Rgas / Rai in response to lean ppm level gas
It can be seen that r has decreased.
【0031】さて、得られたセンサ応答を映像化するた
めに、ガス濃度の高低を白黒の濃さ(画像輝度)で表
す。画素の輝度bを b=255×(1−r) …(2) として表示することにより、ガス濃度が高く、rが小さ
い場所ほど明るい画像が得られる。ここで、係数255
は、パーソナルコンピュータ1で表示可能な濃淡の階調
数である。Now, in order to visualize the obtained sensor response, the level of the gas concentration is represented by the density of black and white (image brightness). By displaying the brightness b of the pixel as b = 255 × (1-r) (2), a brighter image can be obtained in a place where the gas concentration is higher and r is smaller. Here, the coefficient 255
Is the number of shades of gray that can be displayed on the personal computer 1.
【0032】(におい・ガス流可視化実験)以上説明し
たようなにおい・ガス流可視化装置を用いたにおい・ガ
ス流可視化実験は、図4に示すような風洞で行った。風
洞のほぼ中央ににおい・ガスセンサアレイ3を設置し、
ACファン11を用いて風を起こした。また、におい・
ガス発生源として、エタノ一ル飽和蒸気を噴出するノズ
ルを用い、その噴出口12からの噴出量は50ml/m
inとした。噴出口12とセンサアレイ3との距離は4
5cmである。(Odor / Gas Flow Visualization Experiment) The odor / gas flow visualization experiment using the odor / gas flow visualization apparatus described above was performed in a wind tunnel as shown in FIG. The smell / gas sensor array 3 is installed almost in the center of the wind tunnel,
Wind was generated using the AC fan 11. In addition, smell
As a gas generation source, a nozzle for jetting ethanol saturated steam was used, and the jet amount from the jet port 12 was 50 ml / m2.
in. The distance between the ejection port 12 and the sensor array 3 is 4
5 cm.
【0033】においやガス分子の拡散速度は非常に遅
く、噴出口12から放出されたにおいガス分子は風に運
ばれて広がる。もし、風洞内の風が完全に層流であれ
ば、におい・ガスは噴出口12から一筋の連続した帯の
ように風下に広がる。しかし、図3に示す風洞の風には
現実の環境と同様に乱れがあり、におい・ガスの分布が
揺らぐ。このため、煙突からたなびく煙のように、にお
い・ガス濃度の高い部分と低い部分の模様を持ったにお
い・ガス雲がセンサアレイ3上を風下に流れて行く。The diffusion speed of the odor and gas molecules is very slow, and the odor gas molecules released from the jet port 12 are carried by the wind and spread. If the wind in the wind tunnel is completely laminar, the odor and gas spread downwind from the outlet 12 like a continuous band. However, the wind in the wind tunnel shown in FIG. 3 is disturbed similarly to the real environment, and the distribution of smell and gas fluctuates. For this reason, like the smoke flowing from the chimney, an odor / gas cloud having a pattern of high and low odor / gas concentrations flows downwind on the sensor array 3.
【0034】センサアレイ3の25個のセンサ素子の中
から風と並行に並ぶ5個のセンサ素子を選び、そのセン
サ応答rを図5に示す。図5に示したセンサ素子は、風
上からNo.20、No.19、No.18、No.1
7、No.16の順に並んでいる。図5からにおい・ガ
スに応答することきには、風上のセンサ素子No.20
の応答値が最初に減少を始め、以下、センサ素子の並ん
でいる順に応答していることがわかる。逆に図5には示
していないが、センサが回復を始める際にも応答値が同
じ順で増加を始める。この応答・回復の順序は、におい
・ガス流の向きと対応している。Five sensor elements arranged in parallel with the wind are selected from the 25 sensor elements of the sensor array 3, and the sensor response r is shown in FIG. The sensor element shown in FIG. 20, no. 19, no. 18, No. 1
7, no. They are arranged in the order of 16. As shown in FIG. 20
It can be seen that the response value starts to decrease first, and then responds in the order in which the sensor elements are arranged. Conversely, although not shown in FIG. 5, the response values also start to increase in the same order when the sensor starts to recover. This order of response / recovery corresponds to the direction of the odor / gas flow.
【0035】そこで、センサアレイ3の25個のセンサ
素子のセンサ応答rをコンピュータ画面上に映像化し、
観察する。Then, the sensor responses r of the 25 sensor elements of the sensor array 3 are visualized on a computer screen,
Observe.
【0036】図6に、このような状況でセンサアレイ3
の25個のセンサ応答を動画像として可視化した結果を
示す。同図(a)〜(d)はセンサ素子がにおい・ガス
に応答を始めた際の映像を表し、(e)〜(h)はにお
い・ガスが通り過ぎてセンサが回復を始めた際の映像で
ある。色の白い部分が高濃度のにおい・ガスを表すが、
図6では可視化像の移動が見やすいようにセンサ応答を
2値化し、応答しているセンサの場所には無地の(色の
白い)矩形を、応答していないセンサの場所には斜め斜
線のはいった(色の濃い)矩形を描いた。FIG. 6 shows the sensor array 3 in such a situation.
25 shows the results of visualizing the 25 sensor responses as a moving image. 6A to 6D show images when the sensor element starts responding to the odor / gas, and FIGS. 7E to 7H show images when the odor / gas passes and the sensor starts to recover. It is. The white part of the color represents a high concentration of smell and gas,
In FIG. 6, the sensor response is binarized so that the movement of the visualized image is easy to see, and a plain (white) rectangle is inserted in the place of the responding sensor, and an oblique hatching is inserted in the place of the unresponsive sensor. I drew a (dark) rectangle.
【0037】図6から明らかなように、におい・ガスが
左から右に流れている様子が確認された。As is clear from FIG. 6, it was confirmed that the smell and gas flowed from left to right.
【0038】(方向推定アルゴリズム)以上説明したよ
うなにおい・ガス流可視化装置によって、図6に示した
ようなにおい・ガス流の可視化画像が得られれば、にお
い・ガス流の方向を人間が見て判断できる。また、各種
画像処理アルゴリズムを用いて方向および流速を自動判
定することも可能である。このにおい・ガス流の可視化
画像から方向と流速を判定する処理は、図1のパーソナ
ルコンピュータ1で行うことができる。(Direction Estimation Algorithm) If the odor / gas flow visualization apparatus as described above obtains a visualized image of the odor / gas flow as shown in FIG. 6, a human observes the direction of the odor / gas flow. Can be determined. It is also possible to automatically determine the direction and the flow velocity using various image processing algorithms. The process of determining the direction and the flow velocity from the visualized image of the smell / gas flow can be performed by the personal computer 1 in FIG.
【0039】ここでは、将来の計算を回路化してリアル
タイム処理を行うことを考え、計算の容易なオプティカ
ルフローの拘束方程式による方向推定法(B.K.P.
Horn、”ロボットビジョン”朝倉書店、305〜3
28、1993)を用い、方向の自動判定を行う場合に
ついて説明する。Here, it is considered that a future calculation is made into a circuit to perform real-time processing, and a direction estimating method (BKP.
Horn, "Robot Vision" Asakura Shoten, 305-3
28, 1993) will be described.
【0040】におい・ガスの分子拡散を無視し、可視化
されたにおい・ガス濃度分布が一定の形状を保ったまま
2次元的にセンサアレイ3上を流れると仮定する。にお
い・ガス流のx軸方向成分をu、y軸方向成分をvとす
れば、オプティカルフローの拘束方程式は、It is assumed that the molecular diffusion of the odor / gas is ignored, and that the visualized odor / gas concentration distribution flows over the sensor array 3 two-dimensionally while maintaining a constant shape. Assuming that the x-axis component of the smell / gas flow is u and the y-axis component is v, the constraint equation for the optical flow is
【0041】[0041]
【数1】 (Equation 1)
【0042】となる。Is as follows.
【0043】第i行j列目の画像輝度をbijとおき、
上式(3)に含まれる微分を中心差分近似すると、Let the image luminance at the ith row and jth column be bij,
When the differentiation included in the above equation (3) is approximated by central difference,
【0044】[0044]
【数2】 (Equation 2)
【0045】但し、センサアレイ3のセンサ素子の配置
間隔Δl=11mm、サンプリング時間Δt=250m
sであるとする。におい・ガス流の流速ベクトル(u、
v)は、上式(4)をi=2,3,4、j=2,3,4
に対して連立し、最小2乗法により求めることができ
る。However, the arrangement interval Δl of the sensor elements of the sensor array 3 is 11 mm, and the sampling time Δt is 250 m.
s. Smell / gas flow velocity vector (u,
v) is obtained by converting the above equation (4) into i = 2, 3, 4 and j = 2, 3, 4
And can be obtained by the least squares method.
【0046】ここで、図6に示した可視化画像に対し、
上述した手法に従い、におい・ガス流の方向および流速
の推定を行った結果を図7に示す。Here, the visualized image shown in FIG.
FIG. 7 shows the result of estimating the direction and the flow velocity of the odor / gas flow according to the above-described method.
【0047】方向推定は、サンプリング周期Δt=25
0ms毎に行ったが、図6に示した結果においては、図
5において隣接している画像の中間の時刻の推定値を示
した。方向は右向きを0°とし、半時計回りを正とし
た。図6に示す画像の移動方向とおおよそ対応した方向
が得られた。風洞内の風向きは0°を中心に変動してお
り、得られた方向はこれと一致している。In the direction estimation, the sampling period Δt = 25
The measurement was performed every 0 ms, but the result shown in FIG. 6 shows the estimated value at the intermediate time between the adjacent images in FIG. The direction was set to 0 ° in the right direction and positive in the counterclockwise direction. A direction roughly corresponding to the moving direction of the image shown in FIG. 6 was obtained. The wind direction in the wind tunnel fluctuates around 0 °, and the obtained direction is consistent with this.
【0048】得られたにおい・ガス流の速さはセンサの
応答時より回復時の方が小さかったが、これはセンサの
回復速度が応答速度に比べて遅いためであり、においや
ガスの流れをリアルタイムに可視化するためには、セン
サ応答の回復が充分に高速なセンサを用いることが好ま
しい。あるいは、センサの動作条件を最適化してセンサ
応答の回復速度の高速化を図ることもできる。The speed of the obtained odor / gas flow was smaller at the time of recovery than at the time of the response of the sensor. This is because the recovery speed of the sensor was slower than the response speed. In order to visualize in real time, it is preferable to use a sensor whose recovery of the sensor response is sufficiently fast. Alternatively, the operating condition of the sensor can be optimized to increase the speed of recovery of the sensor response.
【0049】例えば、前述のT1やT3の設定値によ
り、センサの応答特性は変化するため、始めに、これら
におい・ガスセンサの動作条件を最適化すればよい。For example, since the response characteristics of the sensor change depending on the set values of T1 and T3 described above, it is only necessary to first optimize the operating conditions of these odor / gas sensors.
【0050】すなわち、上述のヒータ電圧パルス幅T1
の値が小さいほどエタノールガスに対するセンサ応答の
回復時間が短くなり、センサの応答感度もデータ測定タ
イミングT3によって異なり、T1の値を小さくするほ
ど低下する。そこで、感度と回復速度とのバランスを考
え、感度をほぼ同等に保ったまま回復が高速になるよう
に、T1やT3の値を設定すればよい。That is, the above-described heater voltage pulse width T1
Is smaller, the recovery time of the sensor response to the ethanol gas is shorter, and the response sensitivity of the sensor also depends on the data measurement timing T3, and decreases as the value of T1 decreases. Therefore, considering the balance between the sensitivity and the recovery speed, the values of T1 and T3 may be set so that the recovery is performed at a high speed while keeping the sensitivity substantially equal.
【0051】におい・ガスセンサの動作条件を最適化し
て、センサのエタノールガスに対応する回復速度を改善
することにより、おおよそ流速がl〜2cm/sまでの
におい・ガス流を可視化することができる。By optimizing the operating conditions of the odor / gas sensor and improving the recovery speed of the sensor corresponding to ethanol gas, it is possible to visualize the odor / gas flow at a flow rate of approximately 1 to 2 cm / s.
【0052】(まとめ)このように、上記した空気中に
漂うにおい・ガスの発生源を探索するにおい・ガス流可
視化装置によれば、パルス駆動型半導体におい・ガスセ
ンサを5×5個並べた小型のセンサアレイ3を用い、そ
のセンサ応答を動画像として捉えることにより、アレイ
上を通り過ぎるにおい・ガス流を可視化する。得られた
画像からにおい・ガス流の方向を判定し、これをたどっ
てにおい・ガス源を探索する。多点計測(本実施形態で
説明したような行単位の微少な時間差(におい・ガス流
の濃度変化を無視できる程度の微少な計測時間差)は許
容されるが、実質的にセンサアレイ3の全てのにおい・
ガスセンサによる同時多点計測)を行ってにおい・ガス
の濃度変化を測定することにより、短時間で信頼性の高
い方向判定が可能となる。また、画像の移動方向と速度
から、におい・ガスを運ぶ風の風向・風速を求めること
ができる。(Summary) As described above, according to the above-described odor and gas flow visualization apparatus for searching for the source of odor and gas generated in the air, a pulse-driven semiconductor odor and a compact 5 × 5 gas sensor are arranged. By using the sensor array 3 and capturing the sensor response as a moving image, the smell and gas flow passing over the array are visualized. The direction of the odor / gas flow is determined from the obtained image and the odor / gas source is searched for by following the direction. Multipoint measurement (small time difference in line units as described in this embodiment (small measurement time difference in which the change in concentration of odor and gas flow can be ignored) is permitted, but substantially all of the sensor array 3 is used. Smell
By measuring the concentration change of the odor / gas by performing simultaneous multi-point measurement with a gas sensor), highly reliable direction determination can be performed in a short time. Further, the direction and speed of the wind carrying the smell and gas can be obtained from the moving direction and speed of the image.
【0053】風洞内でにおい・ガス流の可視化実験を行
った結果、2cm/s程度の微少なにおい・ガス流を可
視化して、それを用いてにおい・ガス流の方向を正しく
推定できることが確認され、従来は、探索が困難であっ
た微風速環境や風の乱れの大きな環境への応用が期待で
きる。As a result of conducting an experiment for visualizing the odor and gas flow in the wind tunnel, it was confirmed that a minute odor and gas flow of about 2 cm / s could be visualized and the direction of the odor and gas flow could be correctly estimated using the visualization. Thus, application to a wind speed environment or an environment with large wind turbulence, which was difficult to search in the past, can be expected.
【0054】以上説明したように、上記実施形態によれ
ば、におい・ガス流方向を短時間で信頼性高く判定する
ことが可能になり、におい・ガス発生源を容易に探索す
ることができる。探索するターゲットとしては、ガス漏
れ箇所や火災発生箇所などが考えられる。得られた画像
を表示して人間がにおい・ガス流方向を判定するだけで
なく、各種画像処理手法を用いれば方向を自動判定する
ことも可能である。これを移動ロボットに取り付けれ
ば、危険ガスの発生源探知などにも応用できる。また、
現在、微風速に対する有効な計測手段が少ない。しか
し、空気中ににおいガスを意図的に放出し、その流れを
可視化すれば、本装置を微風速・風向計として使用する
ことができる。従来、各種煙が可視化に用いられている
が、風速がcm/sオーダになると沈降してしまう。に
おい・ガスの方が風に対する追従性が高いため、微風速
場では本装置が有効である。As described above, according to the above embodiment, the odor / gas flow direction can be determined with high reliability in a short time, and the odor / gas generation source can be easily searched. The target to be searched may be a gas leak location or a fire location. In addition to displaying the obtained image to determine the direction of smell and gas flow, it is also possible to automatically determine the direction by using various image processing techniques. If this is attached to a mobile robot, it can be applied to the detection of dangerous gas sources. Also,
At present, there are few effective means of measuring wind speed. However, if the smell gas is intentionally released into the air and its flow is visualized, the present device can be used as a fine wind speed / wind vane. Conventionally, various types of smoke have been used for visualization, but sedimentation occurs when the wind speed is on the order of cm / s. Since the smell and gas follow the wind better, the present device is effective in a weak wind speed field.
【0055】(第2の実施形態)パルス駆動型半導体に
おい・ガスセンサを用いたにおい・ガス流可視化装置
は、半導体におい・ガスセンサの応答速度は速いがその
回復運度が不十分であり、それが可視化に影響を与え
る。そこで、上記第1の実施形態では、パルス駆動型半
導体におい・ガスセンサを用い、ヒータ駆動電圧のパル
ス波形を最適にし、従来の半導体におい・ガスセンサと
同等の感度を持たせつつ回復速度を速め、風洞内でエタ
ノ一ルガスの流れを可視化するものであった。しかし、
それでもセンサの回復速度が数十秒程度かかり、におい
・ガスの噴出開始時と終了時以外は流れを判定すること
ばできない。(Second Embodiment) In a pulse-driven semiconductor odor / gas flow visualization device using a gas sensor, the response speed of the semiconductor odor / gas sensor is fast, but the recovery motility is insufficient. Affects visualization. Therefore, in the first embodiment, the pulse drive type semiconductor odor / gas sensor is used, the pulse waveform of the heater drive voltage is optimized, and the recovery speed is increased while having the same sensitivity as that of the conventional semiconductor odor / gas sensor. It visualized the flow of ethanol gas inside. But,
Nevertheless, the recovery speed of the sensor takes about several tens of seconds, and the flow cannot be determined except at the start and end of the odor / gas ejection.
【0056】そこで、第2の実施形態では、常時におい
・ガスの流れを判定できるにおい・ガス流可視化装置の
実現を目的とし、センサには応答回復速度の速い水晶振
動子におい・ガスセンサを採用した場合について説明す
る。Therefore, in the second embodiment, the purpose is to realize an odor / gas flow visualization device which can always determine the odor / gas flow, and employs a quartz oscillator / gas sensor having a fast response recovery speed as a sensor. The case will be described.
【0057】ここでは、まず、におい・ガス流可視化装
置の原理と第2の実施形態に係るにおい・ガス流可視化
装置の構成について説明する。その後、風洞内でにおい
・ガス流の可視化実験を行った結果を示す。First, the principle of the odor / gas flow visualization device and the configuration of the odor / gas flow visualization device according to the second embodiment will be described. After that, the results of an experiment to visualize smell and gas flow in the wind tunnel are shown.
【0058】(原理)におい・ガス流可視化装置は、同
種のにおい・ガスセンサを並べて数センチ四方のセンサ
アレイを構成し、その上を通過するにおい・ガスの瞬間
分布を動面像として得る。(Principle) The smell / gas flow visualization device forms a sensor array of several centimeters square by arranging the same type of smell / gas sensor, and obtains the instantaneous distribution of smell / gas passing thereover as a moving image.
【0059】風に全く乱れが無ければ、プルーム(一般
ににおい・ガス分子の拡散速度は非常に遅く、におい・
ガス分子は主に風の動きに乗って雲状に広がる。この雲
をプルームと呼ぶ)はにおい・ガス源から一筋の帯のよ
うに、切れ目無く伸びる。しかし、現実には風に必ず乱
れがあり、プルームは不規則、不連続な形状となる。こ
のように複雑な分布を持ったにおい・ガスがアレイ上を
流れていくため、におい・ガスセンサが濃度の瞬時的な
変化に追従すれば、におい・ガスの分布が流れる様子を
可視化することができる。If there is no turbulence in the wind, the plume (generally smell, gas molecules diffuse very slowly,
The gas molecules spread in a cloud shape mainly by the movement of the wind. This cloud is called a plume.) It extends like a band from a source of odor or gas without interruption. However, in reality, the wind always has turbulence, and the plume has an irregular and discontinuous shape. Since the odor and gas having such a complicated distribution flow on the array, if the odor and gas sensor follows the instantaneous change in concentration, it is possible to visualize how the odor and gas distribution flow. .
【0060】第2の実施形態に係る装置によりにおい・
ガス源を探知する際には、装置自身を人間が手に持つ
か、またはロボットに搭載し、得られたにおい・ガス流
の方向をたどってロボットを移動させる。With the device according to the second embodiment,
When detecting a gas source, the device itself is held by a human hand or mounted on a robot, and the robot is moved in the direction of the obtained smell / gas flow.
【0061】(小型水晶振動子におい・ガスセンサ)こ
のような原理により、におい・ガスの流れを可視化する
には、個々のにおいガスセンサがにおい・ガスの瞬間的
な濃度変化にすばやく追従できなければならない。パル
ス駆動型半導体におい・ガスセンサを用いた場合、セン
サの応答回復速度が遅<、充分な性能が得られなかっ
た。すなわち、におい・ガス噴出開始直後、におい・ガ
スがアレイに到着する様子と、におい・ガス噴出停止後
ににおい・ガスの流れ去る様子が確認できた以外は流れ
を獲認することはできなかった。(Small Quartz Crystal Odor / Gas Sensor) According to such a principle, in order to visualize the odor / gas flow, each odor gas sensor must be able to quickly follow the instantaneous odor / gas concentration change. . When a pulse-driven semiconductor odor gas sensor was used, the response recovery speed of the sensor was slow and sufficient performance was not obtained. That is, immediately after the start of the odor / gas ejection, the flow could not be recognized except that the odor / gas arrived at the array and the odor / gas flowed off after the odor / gas ejection was stopped.
【0062】そこで、第2の実施形態では、水晶振動子
におい・ガスセンサの採用を検討した。水晶振動子にお
い・ガスセンサの時定数は通常1秒以下であるため(青
柳、中本、森泉.電子情報通信学会総合大会、194.
C−13−8(1999))、装置の性能向上が期待さ
れる。センサアレイには高密度にセンサを実装するた
め、センサは小型である必要がある。また、高周波回路
で起こりやすい引き込み、干渉などの影響を考えると発
振回路を内蔵しているもの(発振回路内蔵型小型水晶振
動子)が望ましい。Therefore, in the second embodiment, the use of a quartz oscillator and a gas sensor was examined. Since the time constant of the gas sensor in a quartz oscillator is usually 1 second or less (Aoyagi, Nakamoto, Moriizumi. IEICE General Conference, 194.
C-13-8 (1999)), and an improvement in the performance of the device is expected. In order to mount the sensors on the sensor array at high density, the sensors need to be small. Considering the effects of pull-in, interference, and the like, which are likely to occur in a high-frequency circuit, it is desirable to use a device having a built-in oscillation circuit (small crystal oscillator with a built-in oscillation circuit).
【0063】例えば、ここで用いた発振回路内蔵型小型
水晶振動子(FCXO−02、リバーエレテック)は、
AT−cut、銀電極、共振周波数は28MHz、大き
さ4×8mmである。振動子表面に塗布する感応膜には
フォスファチジルコリンを用い、周波数シフトが10K
Hzとなるようにスプレー法により塗布した。For example, the small crystal oscillator (FCXO-02, River Eletech) with a built-in oscillation circuit used here is
AT-cut, silver electrode, resonance frequency is 28 MHz, and size is 4 × 8 mm. Phosphatidylcholine is used for the sensitive film applied to the transducer surface, and the frequency shift is 10K.
Hz by a spray method.
【0064】第1の実施形態では、エタノールガスを対
象としたが、ここでは、トリエチルアミンを用いた。ト
リエチルアミン臭は悪臭の一つであり、その発生源を探
知することは環境計測有用である。このアミンに対して
比数的感度が大きく、応答回復時間の速いという理由か
らフォスファチジルコリン膜を感応膜として選択した。In the first embodiment, ethanol gas is used, but here, triethylamine is used. Triethylamine odor is one of the bad odors, and it is useful for environmental measurement to detect its source. A phosphatidylcholine membrane was selected as a sensitive membrane because of its high numerical sensitivity and quick response recovery time for this amine.
【0065】図8(a)は、第1の実施形態で使用した
パルス駆動型半導体におい・ガスセンサ(例えば、TG
S2440)のエタノールガスに対する応答波形の例
を、図8(b)に第2の実施形態に係る小型水晶振動子
におい・ガスセンサのトリエチルアミンガスに対する応
答波形の例を示す。測定は、例えば、図4に示した風洞
(幅70cm、高さ35cm、長さ80cm)の中で、
におい・ガスを噴出するノズル(におい・ガス源)から
風下に30cmの地点にセンサ3、103を設置して応
答を測定した(図4参照)。風洞内の平均風速は約18
cm/秒である。ただし、におい・ガスの噴出速度は図
8(a)では50ml/分、図8(b)では75ml/
分である。FIG. 8A shows a pulse-driven semiconductor smell / gas sensor (for example, TG) used in the first embodiment.
FIG. 8B shows an example of a response waveform to the ethanol gas in S2440), and FIG. 8B shows an example of a response waveform to the triethylamine gas of the gas sensor in the small quartz oscillator according to the second embodiment. For example, in the wind tunnel (width 70 cm, height 35 cm, length 80 cm) shown in FIG. 4,
The response was measured by installing the sensors 3 and 103 at a point 30 cm downwind from a nozzle (smell / gas source) that emits smell / gas (see FIG. 4). Average wind speed in the wind tunnel is about 18
cm / sec. However, the jetting speed of the odor / gas was 50 ml / min in FIG. 8 (a) and 75 ml / min in FIG. 8 (b).
Minutes.
【0066】風洞内の風でさえ乱れがあるのでにおい・
ガスのプルームは不規則に蛇行し、また不連続になって
いる(T.Yamanaka、H.Ishida、T.
Nakamoto、T.Moriizumi、.Sen
sors and Actuators A,69,7
7〜81(1998))。このためセンサを設置した位
置においても瞬間的な濃度変化が起こっているはずであ
る。しかし、図8(a)のパルス駆動型半導体におい・
ガスセンサでは回復が遅く、濃度変化が捉えられていな
い。また、におい・ガス噴出を止めた後の回復も遅い。
図8(b)の小型水晶振動子におい・ガスセンサの応答
波形では、空気中における発振周波数を基準(0Hz)
ににおい・ガス中における発振周波数の変化を時間軸で
示している。におい・ガス噴出中において発振周波数に
変化があることがわかる。におい・ガスを噴出している
間、常にスパイク状の濃度変化を捉えることができてお
り、におい・ガス噴出を止めた後の回復も早い。Even the wind in the wind tunnel is disturbed,
The plume of gas meanders irregularly and is discontinuous (T. Yamanaka, H. Ishida, T. Yamada).
Nakamoto, T .; Morizumi,. Sen
sors and Actuators A, 69, 7
7-81 (1998)). For this reason, even at the position where the sensor is installed, there should be an instantaneous change in density. However, in the pulse-driven semiconductor shown in FIG.
Recovery is slow with a gas sensor, and no change in concentration is detected. In addition, recovery after stopping odor and gas emission is slow.
In the response waveform of the gas sensor of the small quartz oscillator shown in FIG. 8B, the oscillation frequency in air is set as a reference (0 Hz).
The change of the oscillation frequency in the odor / gas is shown on the time axis. It can be seen that there is a change in the oscillation frequency during the emission of the odor / gas. The spike-like concentration change can always be detected during the emission of the smell and gas, and the recovery after stopping the emission of the smell and gas is quick.
【0067】以上2つの測定はにおい・ガスの種類も異
なり、また風速などの環境も若干違うため、単純には比
較できない。しかし、におい・ガス流可視化装置ヘの適
用を考えるならば、水晶振動子におい・ガスセンサを用
いることでにおい・ガスの瞬間的な濃度変化にすばやく
追従でき、パルス駆動型半導体におい・ガスセンサを用
いた場合における問題点を改善できる。The above two measurements cannot be simply compared because the types of smell and gas are different and the environment such as wind speed is slightly different. However, considering application to odor and gas flow visualization devices, using a quartz oscillator and a gas sensor can quickly follow instantaneous changes in odor and gas concentrations, and using a pulse-driven semiconductor odor and a gas sensor The problem in the case can be improved.
【0068】(装置構成)小型水晶振動子におい・ガス
センサアレイを用いたにおい・ガス流可視化装置の構成
を図9に示す。この装置は、センサアレイ部103、多
チャンネル(例えば、25チャンネル(25ch))周
波数カウンタおよびシリアルインターフェイス部10
2、そしてコンピュータ1と3つに大別できる。(Apparatus Configuration) FIG. 9 shows the configuration of an odor / gas flow visualization apparatus using a small quartz oscillator / gas sensor array. This device includes a sensor array unit 103, a multi-channel (for example, 25-channel (25ch)) frequency counter, and a serial interface unit 10.
It can be roughly divided into two, and computer one and three.
【0069】センサアレイ部103は、例えば、上記し
たような発信回路内蔵型小型水晶振動子におい・ガスセ
ンサ(例えば、FCXO−02、リバーエレテック)1
03aを行方向、列方向にそれぞれ5個づつ、計5×5
=25個を、プリント基板上に均等に配置し、2次元状
にセンサアレイを構成したものである。この5×5個と
いうアレイサイズについては、方向推定に必要な最低限
のデータを得るため、かつ比較的容易に実現できるとい
う理由から決定した。例えば、センサの間隔(中心間の
距離)は12.7mmであり、センサアレイの大ききは
50.8mm×50.8mmである。センサアレイ部1
03の25個のセンサ出力(周波数変化)は、同時並列
に25ch周波数カウンタおよびシリアルインターフェ
イス部102(サンプリング間隔:1秒)に取り込まれ
る。The sensor array section 103 includes, for example, a gas sensor (for example, FCXO-02, River Eletech) 1 in a small crystal oscillator having a built-in oscillation circuit as described above.
03a in the row direction and in the column direction, 5 in each, a total of 5 × 5
= 25 are evenly arranged on a printed circuit board to form a two-dimensional sensor array. The array size of 5 × 5 was determined because the minimum data required for the direction estimation could be obtained and it could be realized relatively easily. For example, the interval between sensors (distance between centers) is 12.7 mm, and the size of the sensor array is 50.8 mm × 50.8 mm. Sensor array unit 1
The 25 sensor outputs 03 (frequency changes) of 03 are taken into the 25ch frequency counter and the serial interface unit 102 (sampling interval: 1 second) in parallel at the same time.
【0070】この25ch周波数カウンタおよびシリア
ルインターフェイス部102は、例えば、FPGA(F
ield Programmable Gatearr
ay)で構成されている。発振回路内蔵型センサを用い
たため大部分の回路をFPGA内に納めることができ、
装置全体の小型化が実現できる。また、発振回路とFP
GAとの配線を最短にし、かつ電源からの回り込みを防
ぐために、各センサに1つずつ3端子チップコンデンサ
を用い、電源とGNDをバイパスした。これらの対策に
より、発振回路間の干渉を防ぐことができる。The 25-channel frequency counter and serial interface unit 102 are, for example, an FPGA (F
Field Programmable Gater
ay). Most of the circuits can be stored in the FPGA because of the use of the sensor with built-in oscillation circuit.
The size of the entire apparatus can be reduced. Also, the oscillation circuit and FP
In order to minimize the wiring to the GA and to prevent sneak from the power supply, a three-terminal chip capacitor was used for each sensor, and the power supply and GND were bypassed. These measures can prevent interference between the oscillation circuits.
【0071】図9のセンサアレイ部103と多チャンネ
ル周波数カウンタおよびシリアルインターフェイス部1
02は、例えば、2層構造で構成することができる。す
なわち、上層の基板にはセンサアレイ部103が実装さ
れていて、多チャンネル周波数カウンタおよびシリアル
インターフェイス部102等の電気回路は下層の基板に
実装する構成であってもよい。The sensor array unit 103 and the multi-channel frequency counter and serial interface unit 1 shown in FIG.
02 can have a two-layer structure, for example. That is, the sensor array unit 103 may be mounted on the upper substrate, and the electric circuits such as the multi-channel frequency counter and the serial interface unit 102 may be mounted on the lower substrate.
【0072】コンピュータ1は、例えば、モニタを含む
パーソナルコンピュータで、装置全体の制御を行うとと
もに、毎秒送られてくるセンサ応答から、4段階の階調
でセンサアレイ上のにおい・ガス濃度分布を画像(にお
い・ガス流の可視化画像)としてモニタに表示する。2
5個の各センサ103aの出力は、水晶振動子の発信周
波数の変化として現れ、それを測定することでにおい・
ガス濃度分布を測定するものである。具体的には、測定
開始以降に得られた最大応答により各センサ応答は、適
当に定めた閾値により4段階に分類され、各段階に異な
った階調を割り当てる。におい・ガス濃度が高いほど明
るい階調として、濃度の分布を色調の分布として表示す
る。The computer 1 is, for example, a personal computer including a monitor. The computer 1 controls the entire apparatus and, based on sensor responses sent every second, images the odor / gas concentration distribution on the sensor array in four gradations. It is displayed on the monitor as (a visualized image of smell and gas flow). 2
The output of each of the five sensors 103a appears as a change in the oscillation frequency of the quartz oscillator, and by measuring it, the odor is measured.
It measures the gas concentration distribution. Specifically, each sensor response is classified into four levels according to an appropriately determined threshold value according to the maximum response obtained after the start of the measurement, and a different gradation is assigned to each level. The higher the odor / gas concentration, the brighter the gradation, and the distribution of the concentration is displayed as a color distribution.
【0073】なお、センサアレイ部103中の各センサ
103aには感度のばらつきがある。そこで、予めセン
サアレイ部103全体に容器をかぶせ密閉し、すべての
センサ103aを同じ濃度のトリエチルアミンガスにさ
らして応答を比較し、この結果から各センサに応じた定
数を乗じ、全センサの感度ができるだけ揃うように較正
することが望ましい。Note that each sensor 103a in the sensor array section 103 has a variation in sensitivity. Therefore, the entire sensor array unit 103 is covered and sealed in advance, all the sensors 103a are exposed to the same concentration of triethylamine gas, and the responses are compared. From this result, the sensitivity of all the sensors is multiplied by a constant corresponding to each sensor. It is desirable to calibrate as closely as possible.
【0074】(方向推定アルゴリズム)図9に示した装
置により、におい・ガス流の可視化画像が得られれば、
においガス流の方向を人間が見て判断できる。また、各
種画像処理アルゴリズムを用い、方向を自動判定するこ
とも可能である。このにおい・ガス流の可視化画像から
方向と流速を判定する処理は、図9のパーソナルコンピ
ュータ1で行うことができる。(Direction Estimation Algorithm) If a visualized image of the odor / gas flow can be obtained by the apparatus shown in FIG.
The direction of the odor gas flow can be judged by humans. In addition, the direction can be automatically determined using various image processing algorithms. The process of determining the direction and the flow velocity from the visualized image of the smell / gas flow can be performed by the personal computer 1 in FIG.
【0075】ここでは、将来的に計算を回路化して実時
間処理を行うことを考え、計算の容易なオプティカルフ
ローの拘束方程式による方向推定法(T.Yamana
ka,H.Ishida,T.Nakamoto,T.
Moriizumi,.Sensors and Ac
tuators A,69,77〜81(1998)、
B.K.P.Horn,”ロボットビジョン”朝倉出
版、305〜328(1993))を用い、方向の自動
判定を試みる。この方程式は、画像処理の分野でも、画
像から物体とカメラの相対運動を復元するためによく用
いられる。Here, it is considered that the calculation is made into a circuit in the future and real-time processing is performed, and a direction estimation method using a constraint equation of an optical flow which is easy to calculate (T. Yamana).
ka, H .; Ishida, T .; Nakamoto, T .;
Morizumi,. Sensors and Ac
tuators A, 69, 77-81 (1998),
B. K. P. Horn, "Robot Vision" Asakura Shuppan, 305 to 328 (1993)), and attempts to automatically determine the direction. This equation is often used in the field of image processing to recover the relative motion between the object and the camera from the image.
【0076】におい・ガスの分子拡散を無視し、可視化
されたにおい・ガス濃度分布が一定の形状を保ったまま
2次元的にセンサアレイ上を流れると仮定する。におい
・ガス流のx軸方向(例えば、センサアレイの行方向)
成分をu、y軸方向(例えば、センサアレイの列方向)
成分をv、におい・ガスセンサの応答をlとすれば、オ
プティカルフローの拘束方程式は、It is assumed that the molecular diffusion of the odor / gas is ignored, and that the visualized odor / gas concentration distribution flows two-dimensionally on the sensor array while maintaining a constant shape. X-axis direction of odor / gas flow (eg, row direction of sensor array)
Components are u, y-axis direction (for example, column direction of sensor array)
Assuming that the component is v and the response of the odor / gas sensor is 1, the constraint equation of the optical flow is
【0077】[0077]
【数3】 (Equation 3)
【0078】となる。Is obtained.
【0079】第i行j列目のセンンサ応答をlijとお
き、上式(5)に含まれる微分を中心差分近似にする
と、時刻kでは以下の拡散方程式が成り立つ。When the sensor response at the i-th row and the j-th column is set to lij and the differentiation included in the above equation (5) is approximated to the central difference, the following diffusion equation is established at the time k.
【0080】[0080]
【数4】 (Equation 4)
【0081】ただし、Δdはセンサ間隔(12.7m
m)、Δtはサンプリング時間(1秒)である。におい
・ガス流の流速ベクトル(u、v)はi、jによらず一
定と考え、上式(6)をi=2、3、4、 j=2、
3、4に対して連立し、最小2乗法により、u、vを求
める。Here, Δd is the sensor interval (12.7 m).
m) and Δt are sampling times (1 second). The flow velocity vector (u, v) of the odor / gas flow is assumed to be constant regardless of i and j, and the above equation (6) is given by i = 2, 3, 4, j = 2,
Simultaneously with 3 and 4, u and v are obtained by the least squares method.
【0082】(結果) (におい・ガス流可視化実験)図8の測定と同じ風洞
(図4と同様な風洞)の中で、図8と同様な環境条件で
小型水晶振動子におい・ガスセンサのトリエチルアミン
ガスに対するにおい・ガス流の可視化実験を行った。た
だし、微風速環境下で実験を行うため、風速は平均で約
3cm/秒とした。1回の測定は300秒間行い、最初
の15秒はセンサのベースラインを測定し、その後、試
験管上部の気体部分(ヘッドスペース)に溜まったトリ
エチルアミンガスをエアポンプで押し、流量75m/分
で3分間噴出した。(Results) (Smell / gas flow visualization experiment) In the same wind tunnel (wind tunnel as in FIG. 4) as the measurement in FIG. 8, under the same environmental conditions as in FIG. An experiment on visualization of gas smell and gas flow was performed. However, the wind speed was set to about 3 cm / sec on average in order to conduct the experiment in a low wind speed environment. One measurement was performed for 300 seconds, the baseline of the sensor was measured for the first 15 seconds, and then triethylamine gas accumulated in the gas portion (head space) at the top of the test tube was pushed by an air pump, and the flow rate was 3 m at a flow rate of 75 m / min. Squirted for a minute.
【0083】におい・ガスを噴出している間に得られた
動画像の例を図10(a)〜(f)に示す。図10は2
値化した画像であり、におい・ガス濃度が高い部分が黒
く、低い部分が白く表示されている。図10(a)〜
(c)、及び(d)〜(f)はそれぞれ連続した3秒間
で、どちらもにおい・ガス噴出から60秒以上経過した
後の画像である。におい・ガスの塊が左から流れてきて
右に流れ去る様子が可視化されている。FIGS. 10 (a) to 10 (f) show examples of moving images obtained while the odor / gas is being ejected. FIG.
This is a binarized image, in which parts having a high odor / gas concentration are displayed in black, and parts having a low odor / gas concentration are displayed in white. FIG.
(C) and (d) to (f) are images for three consecutive seconds, respectively, each of which is obtained after 60 seconds or more have elapsed since the odor / gas ejection. It is visualized that the smell / gas mass flows from the left and flows off to the right.
【0084】第1の実施形態で説明した半導体におい・
ガスセンサの場合、時定数が数十秒と長いため、短時間
の計測は相互干渉等のため困難であったが、本実施形態
の水晶振動子におい・ガスセンサアレイを用いた計測
は、時定数が通常1秒前後と速く、明瞭な画像が得られ
る。In the semiconductor described in the first embodiment,
In the case of the gas sensor, the time constant is as long as several tens of seconds, so it was difficult to measure in a short time due to mutual interference and the like, but the measurement using the gas sensor array of the quartz resonator of the present embodiment has a time constant. Usually, a clear image is obtained, which is as fast as about 1 second.
【0085】すなわち、第1の実施形態では前述した通
り、におい・ガス噴出の最初と最後しか可視化すること
ができなかったが、図10から明らかなように、本装置
において、ほほ常時におい・ガスの流れる方向を確認す
ることができた。風の乱れにより断片化されたプルーム
が、不景則な形でアレイ上を通過するので、センサの応
答・回復が速ければ常時におい・ガスが流れる方向を確
認することができる。That is, in the first embodiment, as described above, only the beginning and the end of the odor / gas ejection could be visualized. However, as is clear from FIG. I was able to confirm the direction of flow. Since the plume fragmented by the wind turbulence passes over the array in an irregular manner, if the response and recovery of the sensor is fast, it is possible to always check the direction of the gas flow.
【0086】(アルゴリズムによる自動方向推定)(方
向推定アルゴリズム)で述べた方法に従い、第2の実施
形態に係るにおいガス可視化装置で得られた動画像から
におい・ガス流の方向推定を行った。図11にその結果
を示す。図11に示すように、におい・ガス源からセン
サアレイまでの距離と、センサアレイに対してにおい・
ガスが入射する方向をパラメータとし、 条件1:センサアレイの入りがにおい・ガス源から20
cmで入射角度が0度 条件2:センサアレイの入りがにおい・ガス源から20
cmで入射角度が−45度 条件3:センサアレイの入りがにおい・ガス源から30
cmで入射角度が0度 条件4:センサアレイの入りがにおい・ガス源から30
cmで入射角度が−45度 この4つの条件のそれぞれに場合における計4回分の動
画像データに対して推定実験を行なった。使用したデー
タは、300秒分のうちガスがセンサアレイに到着した
直後からガス噴出を止めたときまでのデータとした。た
だし、風洞内の風には乱れがあるので風向+−45度以
内に推定された場合を正解とした。(Automatic Direction Estimation by Algorithm) According to the method described in (Direction Estimation Algorithm), the odor / gas flow direction was estimated from the moving image obtained by the odor gas visualization device according to the second embodiment. FIG. 11 shows the result. As shown in FIG. 11, the distance from the odor / gas source to the sensor array and the odor / gas
The incident direction of the gas is used as a parameter. Condition 1: The entry of the sensor array is odor.
cm and the incident angle is 0 degree Condition 2: Sensor array entry is odor, 20 from gas source
cm: the incident angle is -45 degrees. Condition 3: The sensor array has a bad smell.
cm and the incident angle is 0 degree Condition 4: Sensor array entry is odor, 30 from gas source
cm and an incident angle of -45 degrees An estimation experiment was performed on a total of four times of moving image data in each of these four conditions. The data used was data from immediately after the gas arrived at the sensor array to when the gas ejection was stopped in 300 seconds. However, since the wind in the wind tunnel was disturbed, the case where the wind direction was estimated within + -45 degrees was regarded as the correct answer.
【0087】条件1から条件4の全ての場合において、
最低でも49%が正解方向に推定された。これは風洞内
の風の乱れを考えると、高い正解率といえる。また、条
件4の推定結果をヒストグラムで表したものを図12に
示す。正解方向は−45度であり、点線で仕切った内側
が正解域である。正解方向付近にほ多く推定されている
のに対し、反対方向付近にはほとんど推定されていない
ことが分かる。実際のにおい・ガス源探知では、多数の
場所で何度も方向推定を行うのでこの程度の正解率が得
られればにおい源探知は可能であると思われる。In all of the conditions 1 to 4,
At least 49% were estimated in the correct direction. This is a high accuracy rate when considering the turbulence in the wind tunnel. FIG. 12 shows the estimation result of the condition 4 in the form of a histogram. The correct answer direction is -45 degrees, and the inside of the area separated by the dotted line is the correct answer area. It can be seen that while the estimation is made almost in the vicinity of the correct direction, the estimation is hardly made in the vicinity of the opposite direction. In actual odor and gas source detection, direction estimation is performed many times in many places, so if this accuracy rate is obtained, odor source detection seems to be possible.
【0088】(まとめ)上記したような発振回路内蔵の
小型水晶振動子におい・ガスセンサを用いたにおい・ガ
ス流可視化装置によれば、平均風速3cm/秒程度のに
おい・ガス流に対し、ほぼ常時におい・ガスの流れる様
子を確認できた。また、得られた動画像に対しオプティ
カルフローの拘束方程式に基づいた画像処理アルゴリズ
ムを用い、におい・ガス流の自動方向推定が可能である
ことが確認された。(Summary) According to the above-described small crystal oscillator having a built-in oscillation circuit, the odor using a gas sensor, and the gas flow visualization device, the odor and gas flow having an average wind speed of about 3 cm / sec are almost always applied. The flow of smell and gas was confirmed. In addition, it was confirmed that it was possible to estimate the odor and gas flow automatically using the image processing algorithm based on the optical flow constraint equation for the obtained moving images.
【0089】(第3の実施形態)第1の実施形態で説明
したパルス駆動型半導体におい・ガスセンサアレイ3、
第2の実施形態で説明した小型水晶振動子におい・ガス
センサアレイ103を用いて、におい・ガス流の可視化
を試みる場合、におい・ガス流の流れの方向がセンサ面
(センサアレイ3、103のにおい・ガスセンサ素子の
配置されている面)と平行でないと、図13(a)に示
したように、におい・ガス流がセンサアレイ3、103
に当たり、センサ面上で乱気流が発生し、測定対象のに
おい・ガス流の流れ自体を乱してしまい、におい・ガス
流の流れの正確な測定ができないとい問題点があった。
すなわち、センサアレイ3、103のセンサ面と、にお
い・ガス流の流れる方向とが常に平行であることが望ま
しい。しかし、実際には、流れの方向が未知のにおい・
ガス流を測定するのであるから、必ずしもセンサ面とに
おい・ガス流の流れの方向とが平行であるとは限らな
い。(Third Embodiment) The pulse-driven semiconductor odor gas sensor array 3 described in the first embodiment,
When attempting to visualize the odor / gas flow using the small crystal resonator / gas sensor array 103 described in the second embodiment, the direction of the flow of the odor / gas flow is determined on the sensor surface (the odor of the sensor arrays 3 and 103). If it is not parallel to the surface on which the gas sensor element is arranged), the odor and gas flow will be reduced as shown in FIG.
In this case, a turbulent air flow is generated on the sensor surface, disturbing the smell / gas flow itself to be measured, and there is a problem that accurate measurement of the smell / gas flow cannot be performed.
That is, it is desirable that the sensor surfaces of the sensor arrays 3 and 103 and the direction in which the odor / gas flow flows are always parallel. However, actually, the direction of the flow is unknown.
Since the gas flow is measured, the direction of the smell and the flow of the gas flow are not always parallel to the sensor surface.
【0090】そこで、図13(b)に示したように、セ
ンサアレイ3、103上のセンサ素子全体を覆うように
センサ面と平行の板(ガイド板)を所定の間隔を存して
配置する。すると、図13(a)に示したようなセンサ
面中央部に乱気流を発生させるようなにおい・ガス流は
ガイド板で遮蔽され、周囲の開口部を通ってくる(セン
サ面とガイド板との間を通ってくる)におい・ガス流の
みを取り込み、排出し、よって、センサアレイ3、10
3は、におい・ガス流の流れ方向のうちセンサ面と平行
な成分だけを取り出して測定することができる。Therefore, as shown in FIG. 13B, plates (guide plates) parallel to the sensor surface are arranged at predetermined intervals so as to cover the entire sensor elements on the sensor arrays 3 and 103. . Then, an odor / gas flow that generates turbulence at the center of the sensor surface as shown in FIG. 13A is shielded by the guide plate and passes through the surrounding opening (between the sensor surface and the guide plate). ), Which only takes in and exhausts the smell / gas flow, thus the sensor arrays 3, 10
No. 3 can measure only the component parallel to the sensor surface in the flow direction of the odor / gas flow.
【0091】図14は、におい・ガス流可視化装置のセ
ンサアレイ3、103のセンサ面の上部にセンサ面を覆
うように平行に上記したガイド板201を設けて、風洞
実験を行う場合の様子を示したものである。センサアレ
イ3、103の大きさ、におい・ガス流の速度、方向等
の条件にもよるが、ここでは、例えば、センサアレイ
3、103の一辺がたかだか5cm程度であるので、セ
ンサアレイ3、103とほぼ同じ大きさのガイド板20
1をセンサ面からおおよそ1cm前後の高さの位置にセ
ンサアレイ3、103の4角に立てた支柱で支持する。FIG. 14 shows a state in which the above-mentioned guide plate 201 is provided in parallel above the sensor surfaces of the sensor arrays 3 and 103 of the odor / gas flow visualization device so as to cover the sensor surfaces, and a wind tunnel experiment is performed. It is shown. Although it depends on conditions such as the size of the sensor arrays 3 and 103, the speed and the direction of the odor / gas flow, here, for example, since one side of the sensor arrays 3 and 103 is at most about 5 cm, the sensor arrays 3 and 103 Guide plate 20 of approximately the same size as
1 is supported at a height of about 1 cm from the sensor surface by the columns set up at the four corners of the sensor arrays 3 and 103.
【0092】これにより、センサアレイ3、103は、
におい・ガス流の流れ方向のうちセンサ面と平行な成分
だけを取り出して測定することができるので、より正確
ににおい・ガス流の方向および速度を測定できる。Thus, the sensor arrays 3 and 103 are
Since only the component parallel to the sensor surface in the flow direction of the odor / gas flow can be extracted and measured, the odor / gas flow direction and velocity can be measured more accurately.
【0093】(第4の実施形態)図15は、第1の実施
形態で説明したパルス駆動型半導体におい・ガスセンサ
アレイ3、第2の実施形態で説明した小型水晶振動子に
おい・ガスセンサアレイ103のセンサ面(検知面)か
らみたにおい・ガス流の方向および流速を検知できる有
効成分を示したものである。(Fourth Embodiment) FIG. 15 shows the configuration of the pulse-driven semiconductor odor / gas sensor array 3 described in the first embodiment and the small crystal resonator / gas sensor array 103 described in the second embodiment. It shows the effective components capable of detecting the direction and the flow velocity of the odor / gas flow as viewed from the sensor surface (detection surface).
【0094】図15に示すように、センサアレイ3、1
03のセンサ面上の任意の点に着目したとき、センサア
レイ3、103は、そのセンサ面と平行方向を最大感知
方向とする断面が円のドーナツ状で表される曲線m1、
m2を横切るにおい・ガス流の方向のみを検知するよう
になっている。すなわち、センサ面に対するにおい・ガ
ス流の入射角θが90度のときは、当該におい・ガス流
はセンサ面上のその入射点を交点とする曲線m1、m2
を横切ることがないので、その流れは検知できない。例
えば、入射角θ=45度で、速度10m/秒のにおい・
ガス流は、センサ面に平行な成分のみ、すなわち、表面
での流速を考えると、入射角θのcosθ分の逆数とな
り、 10/cos45°=10/21/2 と測定されることになる。As shown in FIG. 15, the sensor arrays 3, 1
Focusing on an arbitrary point on the sensor surface of No. 03, the sensor arrays 3 and 103 have a curve m1 whose cross section having a direction parallel to the sensor surface as the maximum sensing direction is a circular donut shape.
Only the direction of smell and gas flow across m2 is detected. That is, when the incident angle θ of the odor / gas flow with respect to the sensor surface is 90 degrees, the odor / gas flow has curves m1, m2 intersecting the incident point on the sensor surface.
Since it does not cross, the flow cannot be detected. For example, when the incident angle θ is 45 degrees and the speed is 10 m / sec.
Considering only the component parallel to the sensor surface, that is, the gas flow, the reciprocal of cos θ of the incident angle θ, considering the flow velocity at the surface, is measured as 10 / cos 45 ° = 10/2 1/2. .
【0095】なお、センサ面が上下の両面にある場合
は、図15に示すようなセンサ面を挟む円状の曲線が感
度成分となり、センサ面が上面のみの場合は曲線m1、
m2の上側の半円状の曲線が感度成分となる。When the sensor surface is on both the upper and lower surfaces, a circular curve sandwiching the sensor surface as shown in FIG. 15 is a sensitivity component.
The semicircular curve above m2 is the sensitivity component.
【0096】従って、センサ面が上面のみのセンサアレ
イ3、103を1枚のみ用いてにおい・ガス流の可視
化、および方向、速度を測定するのでは、におい・ガス
流を一平面的にしか捉えることができない。しかし、に
おい・ガス流を多面的に捉えることができれば、より正
確ににおい・ガス流の方向、速度の測定が行えるので、
本実施形態ではこの点に着目する。Therefore, if the odor and gas flow are visualized, and the direction and the velocity are measured using only one sensor array 3, 103 having only the upper surface, the odor and gas flow are captured only in one plane. Can not do. However, if the smell / gas flow can be captured from multiple angles, the direction and speed of the smell / gas flow can be measured more accurately.
This embodiment focuses on this point.
【0097】そこで、本実施形態に係るにおい・ガス流
可視化装置は、複数の2次元平面上センサアレイを組み
合わせて用いることを考える。例えば、図16に示すよ
うに、2枚のセンサアレイA1、A2(例えば、第1の
実施形態で説明したパルス駆動型半導体におい・ガスセ
ンサアレイ3、第2の実施形態で説明した小型水晶振動
子におい・ガスセンサアレイ103のいずれか一方を2
枚、あるいは各々1枚づつでもよい)の一方をxz平面
に、他方をyz平面にと、お互い垂直に交わるように配
置して、におい・ガス流計測部を構成する。このにおい
・ガス流計測部を構成するセンサアレイA1、A2のそ
れぞれをパーソナルコンピュータ1等の他の機器に接続
して、におい・ガス流可視化装置を構成する。Therefore, the odor / gas flow visualization device according to the present embodiment is considered to use a plurality of two-dimensional planar sensor arrays in combination. For example, as shown in FIG. 16, two sensor arrays A1 and A2 (for example, the pulse-driven semiconductor odor / gas sensor array 3 described in the first embodiment, the small crystal resonator described in the second embodiment) One of the smell / gas sensor array 103 is set to 2
One or one each) may be arranged on the xz plane and the other on the yz plane so as to intersect perpendicularly with each other to constitute an odor / gas flow measuring unit. Each of the sensor arrays A1 and A2 constituting the odor / gas flow measuring section is connected to another device such as the personal computer 1 to configure an odor / gas flow visualization device.
【0098】すると、図17に示すように、におい・ガ
ス流のセンサアレイA1のセンサ面に垂直な成分(にお
い・ガス流のセンサアレイA1のセンサ面に対する入射
角θが90度となる成分)の方向・速度は、センサアレ
イA1からは不明であっても、センサアレイA2のセン
サ面で測定することができ、両方のセンサアレイA1、
A2のそれぞれで測定された当該におい・ガス流の速
度、方向を合成することで、3次元的ににおい・ガス流
を捉えることができる。Then, as shown in FIG. 17, a component perpendicular to the sensor surface of the sensor array A1 of the odor / gas flow (a component where the incident angle θ of the odor / gas flow with respect to the sensor surface of the sensor array A1 is 90 degrees) Direction and speed can be measured on the sensor surface of the sensor array A2 even if it is unknown from the sensor array A1, and both sensor arrays A1,
By synthesizing the speed and direction of the odor / gas flow measured in each of A2, the odor / gas flow can be captured three-dimensionally.
【0099】複数のセンサアレイを組み合わせて用いる
場合の例としては、図16に示したように、2枚のセン
サアレイを互いに垂直関係となるように組み合わせる以
外にも、図18に示すような組み合わせ方もある。な
お、以下でセンサアレイという場合、第1の実施形態で
説明したパルス駆動型半導体におい・ガスセンサアレイ
3、第2の実施形態で説明した小型水晶振動子におい・
ガスセンサアレイ103のいずれも含まれる。As an example of using a plurality of sensor arrays in combination, as shown in FIG. 16, in addition to combining two sensor arrays in a vertical relationship with each other, a combination as shown in FIG. Some people. In the following, a sensor array will be referred to as the pulse-driven semiconductor described in the first embodiment. The gas sensor array 3 will be referred to as the small crystal resonator described in the second embodiment.
Any of the gas sensor arrays 103 is included.
【0100】図18(a)は、2枚のセンサアレイ30
1a、301bをそれぞれの裏面(センサの配置されて
いない面)を向かい合わせにして組み合わせて構成され
たにおい・ガス流計測部300である。このにおい・ガ
ス流計測部300では、センサアレイ301aと301
bとで、上面側と下面側を流れるにおい・ガス流を検知
できる。FIG. 18A shows two sensor arrays 30.
The odor / gas flow measurement unit 300 is configured by combining the first and second back surfaces 1a and 301b with their back surfaces (surfaces on which no sensors are arranged) facing each other. In the odor / gas flow measurement unit 300, the sensor arrays 301a and 301a
b, the odor and gas flow flowing on the upper surface side and the lower surface side can be detected.
【0101】図18(b)は、立方体(あるいは直方
体)の各面の中央部に6枚のセンサアレイ302a〜3
02fのそれぞれをそのセンサ面を立方体(あるいは直
方体)の内部に向けてに貼り付けて、その内部を流れる
におい・ガス流を計測する場合を示している。この立方
体(あるいは直方体)形状のにおい・ガス流計測部31
0の各面(あるいは6枚のうちの一部の面)はにおい・
ガス流が何ら遮蔽されることなく通過するような構造と
なっている。そして、この立方体(あるいは直方体)の
内部を流れるにおい・ガス流を各面のセンサアレイ30
2a〜302fで計測して得られたデータを合成するこ
とにより、どの方向からきた流れに対しても少なくとも
3面から計測可能なら、その得られたデータを合成する
ことで当該におい・ガス流の3次元的な方向、速度を求
めることができる。ここで示す立方体(あるいは直方
体)は、センサアレイ302a〜302fの大きさがた
かだか5cm四方であることを考慮すれば、例えば、
縦、横、高さが50cm程度の大きさのものであるが、
その大きさは、とくに限定するものではない。FIG. 18B shows six sensor arrays 302a to 302a at the center of each surface of a cube (or a rectangular parallelepiped).
This shows a case where each of 02f is attached with its sensor surface facing the inside of a cube (or a rectangular parallelepiped), and the odor and gas flow flowing through the inside are measured. This cubic (or rectangular) odor / gas flow measuring unit 31
Each side of 0 (or some of the 6) smells
The structure is such that the gas flow passes without any shielding. Then, the odor and gas flow flowing inside the cube (or the rectangular parallelepiped) are transferred to the sensor array 30 on each surface.
If the data obtained by measuring in 2a to 302f can be combined to measure the flow coming from any direction from at least three surfaces, the obtained data is combined to obtain the smell / gas flow. A three-dimensional direction and speed can be obtained. Considering that the size of the sensor arrays 302a to 302f is at most 5 cm square,
It is about 50cm in length, width and height,
Its size is not particularly limited.
【0102】なお、センサ面を立方体(あるいうは直方
体)の外部に向けて貼り付けても同様な効果が得られ
る。この場合を図18(c)に示す。The same effect can be obtained even if the sensor surface is attached to the outside of a cube (or a rectangular parallelepiped). This case is shown in FIG.
【0103】図18(c)に示す立方体(あるいは直方
体)形状のにおい・ガス流計測部320は、立方体(あ
るいは直方体)の各面の中央部に6枚のセンサアレイ3
03a〜303fのセンサ面を立方体(あるいは直方
体)の外部に向けてに貼り付けて、その外部を流れるに
おい・ガス流を計測するものである。A cubic (or rectangular parallelepiped) odor / gas flow measuring section 320 shown in FIG. 18 (c) has six sensor arrays 3 at the center of each surface of the cube (or rectangular parallelepiped).
The sensor surfaces 03a to 303f are attached to the outside of the cube (or the rectangular parallelepiped), and the odor and gas flow flowing outside the cube are measured.
【0104】図18(d)に示す球状のにおい・ガス流
計測部330は、所定の大きさの球面上にセンサアレイ
あるいはセンサ素子そのものを配置したものである。こ
のように、できるだけ多くの方向にセンサアレイを設け
ることにより、あらゆる方向からのにおい・ガス流を1
カ所にいながら3次元的に容易に計測することができ
る。The spherical odor / gas flow measuring section 330 shown in FIG. 18D is one in which a sensor array or a sensor element itself is arranged on a spherical surface of a predetermined size. Thus, by providing the sensor array in as many directions as possible, the smell and gas flow from all directions can be reduced by one.
It is possible to easily measure three-dimensionally while staying at different locations.
【0105】図19は、例えば、図18(c)に示すよ
うなにおい・ガス流計測部320(あるいは、図18
(a)〜(d)に示す各におい・ガス流計測部のいずれ
であってもよい)を用いてにおい・ガス流を計測する場
合のにおい・ガス流計測部320のにおい・ガス流の流
れる計測場所(例えば、風洞)への配置例について示し
たものである。FIG. 19 shows, for example, the odor / gas flow measuring section 320 (or FIG. 18) shown in FIG.
(It may be any of the odor and gas flow measuring units shown in (a) to (d).) The odor and gas flow of the odor and gas flow measuring unit 320 when measuring the odor and gas flow This shows an example of arrangement at a measurement location (for example, a wind tunnel).
【0106】におい・ガス流計測部320は、計測場所
(ここでは、例えば立方体形状)の上部の4角から線材
402a〜402dを用いて計測場所のほぼ中央部に宙
吊りにされ、におい・ガス流計測部320の各センサア
レイ303a〜303fをパーソナルコンピュータ1等
の他の機器403に接続して、におい・ガス流可視化装
置を構成する。The smell / gas flow measuring section 320 is suspended from the upper four corners of the measurement place (here, for example, a cubic shape) at substantially the center of the measurement place using wires 402a to 402d. Each of the sensor arrays 303a to 303f of the measuring section 320 is connected to another device 403 such as the personal computer 1 to constitute an odor / gas flow visualization device.
【0107】図19に示したように、複数のセンサアレ
イを組み合わせて構成されたにおいガス流計測部をにお
い・ガス流の計測場所に宙吊りにして用いることによ
り、あらゆる方向からのにおいガス流を同時多点計測す
ることができ、より正確ににおい・ガス流の方向および
速度を測定できる。As shown in FIG. 19, by using an odor gas flow measurement unit composed of a plurality of sensor arrays in a suspended manner at the odor / gas flow measurement location, odor gas flow from all directions can be measured. Simultaneous multi-point measurement can be performed, and the direction and velocity of smell and gas flow can be measured more accurately.
【0108】図19に示したようににおい・ガス流計測
部を配置することにより、におい・ガス流計測部320
自体は、より小型化が可能となる。By arranging the odor / gas flow measuring section as shown in FIG. 19, the odor / gas flow measuring section 320 is provided.
As such, miniaturization is possible.
【0109】複数のセンサアレイを組み合わせてにおい
・ガス流計測部を構成する場合、複数のセンサアレイの
全てあるいは、そのうちの1つあるいはいくつかについ
て、第3の実施形態で説明したようなガイド板を設けて
もよい。When a plurality of sensor arrays are combined to form an odor / gas flow measuring section, a guide plate as described in the third embodiment may be used for all or one or some of the plurality of sensor arrays. May be provided.
【0110】以上、種々の例を説明したが、本発明はこ
れらの例に限定されるものではなく、種々変形して応用
可能である。Although various examples have been described above, the present invention is not limited to these examples, and can be applied with various modifications.
【0111】[0111]
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ガスセンサの配置位置の選定を行う必要がなく、風の局
所的な乱れの影響を受けにくく、短時間で信頼性の高い
においガス流の方向判定が可能となる。As described above, according to the present invention,
It is not necessary to select the arrangement position of the gas sensor, and it is hardly affected by local turbulence of the wind, and the determination of the direction of the odor gas flow can be made in a short time and with high reliability.
【図1】本発明の実施形態にかかるにおい・ガス流可視
化装置の構成例を示した図。FIG. 1 is a diagram showing a configuration example of an odor / gas flow visualization device according to an embodiment of the present invention.
【図2】図1のセンサアレイ3の動作について説明する
ためのタイミングチャート。FIG. 2 is a timing chart for explaining the operation of the sensor array 3 of FIG.
【図3】パルス駆動型半導体ガスセンサのエタノ一ルガ
スに対する応答校正曲線を示した図。FIG. 3 is a diagram showing a response calibration curve of a pulse-driven semiconductor gas sensor with respect to ethanol gas.
【図4】におい・ガス流可視化装置を用いたにおい・ガ
ス流可視化実験を行った風洞の構成例を示した図。FIG. 4 is a diagram showing a configuration example of a wind tunnel in which an odor / gas flow visualization experiment was performed using an odor / gas flow visualization device.
【図5】風向きと並行に並ぶ5個のセンサ素子のセンサ
応答の時間の経過に伴う変化の一例を示した図。FIG. 5 is a diagram showing an example of a change with time of sensor responses of five sensor elements arranged in parallel with the wind direction.
【図6】センサアレイ3のセンサ応答を可視化した動画
像の一例を示した図。FIG. 6 is a diagram showing an example of a moving image in which a sensor response of a sensor array 3 is visualized.
【図7】図6に示した可視化画像に対し、ガス流の方向
および流速の推定を行った結果をまとめたテーブルを示
した図。7 is a diagram showing a table summarizing the results of estimating the direction and flow velocity of a gas flow with respect to the visualized image shown in FIG. 6;
【図8】第1の実施形態で使用したパルス駆動型半導体
におい・ガスセンサ(例えば、TGS2440)のエタ
ノールガスに対する応答波形の例と第2の実施形態に係
る小型水晶振動子におい・ガスセンサのトリエチルアミ
ンガスに対する応答波形の例を示した図。FIG. 8 shows an example of a response waveform of a pulse-driven semiconductor odor gas sensor (for example, TGS2440) used in the first embodiment to ethanol gas, and a small crystal oscillator according to the second embodiment; a triethylamine gas in the gas sensor; FIG. 4 is a diagram showing an example of a response waveform to the response.
【図9】小型水晶振動子におい・ガスセンサアレイを用
いたにおい・ガス流可視化装置の構成例を示した図。FIG. 9 is a diagram showing a configuration example of an odor / gas flow visualization device using a small quartz oscillator / gas sensor array.
【図10】におい・ガスを噴出している間に得られた動
画像の例を示した図。FIG. 10 is a diagram showing an example of a moving image obtained while odor / gas is being ejected.
【図11】第2の実施形態に係るにおい・ガス可視化装
置で得られた動画像からにおい・ガス流の方向推定結果
を示した図。FIG. 11 is a diagram showing a direction estimation result of an odor / gas flow from a moving image obtained by the odor / gas visualization device according to the second embodiment.
【図12】方向推定結果(図11の条件4の場合)をヒ
ストグラムで表した図。FIG. 12 is a diagram illustrating a direction estimation result (in the case of condition 4 in FIG. 11) in a histogram.
【図13】センサアレイのセンサ面上で発生する乱気流
に対する対策について説明するための図。FIG. 13 is a view for explaining a countermeasure against turbulence generated on the sensor surface of the sensor array.
【図14】ガイド板の設けられたセンサアレイにおい・
ガス流可視化装置で、風洞実験を行う場合の様子を示し
た図。FIG. 14 shows a sensor array provided with a guide plate.
FIG. 3 is a diagram illustrating a state in which a wind tunnel experiment is performed with a gas flow visualization device.
【図15】センサアレイのセンサ面(検知面)からみた
におい・ガス流の方向を検知できる有効領域を示した
図。FIG. 15 is a diagram showing an effective area in which the direction of the odor and gas flow can be detected from the sensor surface (detection surface) of the sensor array.
【図16】2枚のセンサアレイを組み合わせて構成され
たにおい・ガス流計測部の一例を示した図。FIG. 16 is a diagram illustrating an example of an odor / gas flow measurement unit configured by combining two sensor arrays.
【図17】図16のにおい・ガス流計測部のにおい・ガ
ス流の方向を検知できる有効領域を示した図。FIG. 17 is a diagram showing an effective area in which the direction of the odor / gas flow of the odor / gas flow measuring unit in FIG. 16 can be detected.
【図18】複数のセンサアレイを組み合わせて構成され
たにおい・ガス流計測部の他の例を示した図。FIG. 18 is a diagram showing another example of the odor / gas flow measurement unit configured by combining a plurality of sensor arrays.
【図19】複数のセンサアレイを組み合わせて構成され
たにおい・ガス流計測部のにおいガス流の流れる計測場
所(例えば、風洞)への配置例について示した図。FIG. 19 is a diagram showing an example of arrangement of an odor / gas flow measurement unit configured by combining a plurality of sensor arrays at a measurement location (for example, a wind tunnel) where an odor gas flow flows.
1…パーソナルコンピュータ 2…制御回路 3…センサアレイ(パルス駆動型半導体におい・ガスセ
ンサアレイ) 4…対数変換回路 5…A/D変換器 102…多チャンネル周波数カウンタおよびシリアルイ
ンターフェイス部 103…センサアレイ(水晶振動子におい・ガスセンサ
アレイ)DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Personal computer 2 ... Control circuit 3 ... Sensor array (pulse drive type semiconductor smell / gas sensor array) 4 ... Logarithmic conversion circuit 5 ... A / D converter 102 ... Multi-channel frequency counter and serial interface unit 103 ... Sensor array (crystal) Oscillator smell, gas sensor array)
Claims (5)
次元平面上に配列した複数のセンサアレイを組み合わせ
て、におい・ガス流の濃度変化を多点計測するにおいガ
ス流計測手段と、 このにおい・ガス流計測手段で計測された濃度変化を可
視化する可視化手段と、 を具備したことを特徴とするにおい・ガス流可視化装
置。An odor / gas flow measuring means for measuring a concentration change of an odor / gas flow at multiple points by combining a plurality of sensor arrays in which one or a plurality of odor / gas sensors are arranged on a two-dimensional plane. An odor / gas flow visualization device, comprising: a visualization device for visualizing a change in concentration measured by the gas flow measurement device.
次元平面上に配列した複数のセンサアレイを組み合わせ
て、におい・ガス流の濃度変化を多点計測するにおいガ
ス流計測手段と、 このにおい・ガス流計測手段で計測された濃度変化を可
視化する可視化手段と、 前記可視化された濃度変化に基づきにおい・ガス流の方
向および流速を測定する測定手段と、 を具備したことを特徴とするにおい・ガス流計測装置。2. An odor / gas flow measuring means for combining a plurality of sensor arrays in which one or more odor / gas sensors are arranged on a two-dimensional plane to measure a change in concentration of the odor / gas flow at multiple points. Visualization means for visualizing the concentration change measured by the gas flow measurement means, and measurement means for measuring the direction and flow velocity of the odor / gas flow based on the visualized concentration change, Gas flow measurement device.
その検知面に平行な板状体を該検知面に所定の間隔を存
して配したことを特徴とする請求項1または請求項2記
載のにおい・ガス流計測装置。3. The one or more sensor arrays,
3. The odor / gas flow measuring device according to claim 1, wherein a plate-like body parallel to the detection surface is arranged at a predetermined interval on the detection surface.
次元平面上に配列したセンサアレイと、 このセンサアレイでにおい・ガス流の濃度変化を多点計
測して該計測された濃度変化を可視化する可視化手段
と、 を具備し、 前記センサアレイには、その検知面に平行な板状体を該
検知面に所定の間隔を存して配したことを特徴とするに
おい・ガス流可視化装置。4. A sensor array in which one or a plurality of odor / gas sensors are arranged on a two-dimensional plane, and a concentration change of an odor / gas flow is measured at multiple points by the sensor array to visualize the measured concentration change. An odor / gas flow visualization device, comprising: a visualization means; and a plate-like body parallel to a detection surface of the sensor array arranged at a predetermined interval on the detection surface.
次元平面上に配列したセンサアレイと、 このセンサアレイでにおい・ガス流の濃度変化を多点計
測して該計測された濃度変化を可視化する可視化手段
と、 前記可視化された濃度変化に基づきにおい・ガス流の方
向および流速を測定する測定手段と、 を具備し、 前記センサアレイには、その検知面に平行な板状体を該
検知面に所定の間隔を存して配したことを特徴とするに
おい・ガス流可視化装置。5. A sensor array in which one or a plurality of odor / gas sensors are arranged on a two-dimensional plane, and a concentration change of an odor / gas flow is measured at multiple points by the sensor array to visualize the measured concentration change. Visualization means, and measurement means for measuring the direction and flow velocity of the odor / gas flow based on the visualized concentration change, wherein the sensor array has a plate-like body parallel to its detection surface. An odor / gas flow visualization device, wherein the odor / gas flow visualization device is arranged at predetermined intervals.
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