JP2004012193A - Method for identifying and sensing gas - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数種のガスを、複数の半導体式ガスセンサにより識別検知する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
このような複数種のガスを識別検知するガスの識別検知方法としては、特性の異なった複数種のガスセンサを備えたセンサアレイをガス検知部に備え、これらのガスセンサが、識別対象ガスに感応して得られる出力(静的情報)から、その識別検知を行うものが知られている。
【0003】
通常、この種の識別検知にあっては、識別対象ガスを一定時間センサアレイに接触させ、その時間経過後に得られる各ガスセンサの最大出力値あるいはその規格化値に基づいて、ガスを識別検知する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら識別対象ガスが混合ガスであり、比較的多量の主成分ガスと微量のマイナガス(成分エキス)とからなり、後者の成分エキスを識別検知したい場合、上記、従来の方法では、識別検知が非常に難しいという問題があった。
【0005】
例えば、混合ガスが、主成分としてのエタノールに微量の茶成分が混合したものであり、この茶成分が、緑茶、紅茶、ウーロン茶由来の成分である場合にあっては、従来手法を採用すると、複数のガスセンサ間での最大出力値(規格化したもの)は図6に示すようなパターンを示すこととなっていた。
【0006】
図6において、符号S1からS8は、種類を異にするガスセンサに対応する軸であり、実線は緑茶を、破線は紅茶を、一点鎖線はウーロン茶に対応している。各軸上の点は、先に説明したようにセンサを働かせる一定時間(例えば120秒)内の最大出力値を示している。
【0007】
この図からも判明するように、各茶成分間でパターンは重なっており、識別検知ができない。
【0008】
従って、従来型の識別方法では、極めて高い選択性を持つガスセンサを備えたセンサアレイが必要となるが、現実にはこのようなセンサアレイは存在しない。
【0009】
本願の目的は、上記のような識別検知が比較的困難なガスを、従来型のセンサアレイを使用しながら、容易に識別検知できるガスの識別検知方法を得ることにある。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するための本発明によるガスの識別検知方法の特徴手段は、
識別対象ガスに対する前記複数の半導体式ガスセンサの過渡応答出力を、個別に取得する過渡応答出力取り込み工程と、
前記過渡応答出力取り込み工程において、前記複数の半導体式ガスセンサそれぞれについて取り込まれた出力に関し、その周波数特性を得る周波数特性導出工程とを実行し、
前記周波数特性導出工程で、各半導体式ガスセンサ毎に得られる前記識別対象ガスの周波数特性間の関係に基づいて、前記識別対象ガスを識別することにあり、その作用・効果は次の通りである。
【0011】
本願発明に到達した発明者らが考える理論的根拠は以下の通りである。
半導体式ガスセンサにおける、センサ感応部でのガスの吸脱着は化学吸着であって、一種の表面化合物の形成と見ることができる。
【0012】
一方、各種ガスセンサ表面への吸着あるいは脱着進行速度は、センサ表面での化学反応速度と密接な関係を持っており、異なる化学種を持つガスによってセンサでのガスの吸脱着における過渡応答は異なってくる。
【0013】
従って、ガスの識別において識別対象ガスが、比較対象との関係において、同じ主成分に支配されていても、マイナ成分間の反応速度の違いによって、吸脱着速度の差が発生し、センサ出力の過渡応答は異なったものとなる。
【0014】
半導体式センサは、例えば、速い反応速度を持つガスに対してその吸脱着も速く、遅い場合は遅い。従って、マイナ成分の反応速度が主成分の反応速度より速いと、マイナ成分間の違いは、吸着時あるいは脱離時等の過渡応答に良く現われる。よって、この過渡応答波形の周波数特性を検出することで、成分の識別検知が可能となる。
【0015】
従って、本願方法においては、過渡応答出力の取り込みを積極的に実行し、反応速度の差が内在する波形出力を得る。そして、例えば、フーリエ変換を施し、周波数依存の特性を得るとともに、そのセンサ間におけるスペクトル強度データに基づく主成分分析を施し、センサ種及びガス種と関連付けられる周波数領域での特性を得ることにより、識別検知を良好に実行することができる。
【0016】
さらに、上記方法において、請求項2に記載されているように、前記過渡応答出力取り込み工程において、前記識別対象ガスに対する前記複数の半導体式ガスセンサの過渡応答出力を取り込むに、
前記識別対象ガスが存在する状態で、半導体式ガスセンサによるガス検知温度を変更する検知温度変更工程を実行することが好ましい。
【0017】
半導体ガスセンサのガスに対する感度は、センサの動作温度に依存しており、各種ガスに対して最大感度を持つ動作温度は異なっている。
従って、主成分を持つガスを識別する際、ガス検知温度の変更を行って、例えば、マイナ成分間で異なった感度を持つようにガス検知温度を変えることが可能で、結果的に、微妙なマイナ成分の違いを検出でき、識別を可能にすることができる。
【0018】
但し、事前に適当な動作温度を選ぶのは困難で、また複数種のガスのマイナ成分に対する最大感度を持つ動作温度は異なっているため、事実上は、ガス検知温度をある範囲内で連続あるいは段階的に変化させて、反応速度の差異に基づく周波数特性起因の情報が載った出力波形を得る測定を行うこととなる。
そして、温度変更に伴った過渡応答出力を得て、周波数特性を導出することで、本願の識別検知を良好なものとできる。
【0019】
さらに上記方法において、請求項3に記載されているように、
前記検知温度変更工程を経た後、
前記半導体式ガスセンサの通常検知温度で、前記半導体式ガスセンサをエアー中に暴露するエアー暴露工程と、
前記半導体式ガスセンサの通常検知温度より高いパージ温度で、前記半導体式ガスセンサをエアー中に暴露するパージ工程とのいずれか一方、もしくは、その両方を、前記過渡応答出力取り込み工程に含むことが好ましい。
【0020】
上記の例において過渡応答出力を得るのに、ガス検知温度を変更することで、所望の情報の載った出力を得るものとしたが、一旦ガスを吸着した状態から、ガスセンサがガスを脱離する場合にあっても、同様にガス種起因(言い換えれば反応速度起因で、且つガスセンサ種に依存した)の応答を得ることができる。
【0021】
この操作は、所謂、通常検知温度で実行しても良いし、パージ操作によるものとしても良い。
そして、ガスセンサ周りに識別対象のガスがある状態で一応の過渡応答出力を得ておくととともに、その後に、脱離側の過渡応答出力を得るようにする場合は、さらに、多くの周波数特性を得るのに有用な情報が載った過渡応答出力を得ることができ、結果的に、有効な識別検知を行うことができることとなる。
【0022】
【発明の実施の形態】
[ガスの識別検知装置の構造]
1 装置構成
本願のガスの識別検知方法を使用するガスの識別検知装置1の概略構造を図1に示した。同図は、例えば本願発明者が属する新コスモス電機社製のニオイ識別装置EOS−100が有する装置構成と概略同様なものであるが、動作手段201及び解析手段202をハードウエア資源とともに構築するコンピュータ2内に収納される動作ソフト、解析ソフトが、以下に示すように、従来とは異なったものであり、ガスの識別を目的とした独特の動作、解析を実現可能となっている。
【0023】
装置1の概略を示すと、装置1はガスセンサアレイ3が収納されるガス検知部4としてのセンサーセルに、識別対象ガスを導入するガス導入系5と、このガス検知部4からのガスを排気するガス排気系6とを備えて構成されており、装置全体の動作制御が、上記コンピュータ2によって実行される構造が採られている。
【0024】
前記ガス導入系5は、識別対象ガスを識別装置内に個別に導入するための公知構造のサンプリングシステム7に繋がるガス導入部51と、活性炭を備え、エアーを導入するためのエアー導入部52とを切換え、前記ガス検知部4に導く切換えバルブ53を有して構成されている。
この構成を採用することで、コンピュータ2からの指令に従って、サンプリングシステム7からの識別対象のガス、もしくは外気からのエアーを、ガス検知部4に送ることができる。 この動作を実行する手段を動作手段201と呼ぶ。
【0025】
前記ガス排気系6には、流量制御装置61が備えられるとともに、その下手にポンプ62を備え、ガス検知部4から排出すべきガスもしくはエアーを適宜排気できるように構成されている。
この動作も、コンピュータ2からの動作手段201による指令に従ったものとされる。
【0026】
2 ガスセンサアレイ3
前記ガス検知部4に備えられるガスセンサアレイ3の構成について、以下に詳細に説明する。
このガスセンサアレイ3は、複数のガスセンサ31を所定形状の基板32上に備えたものであり、個々のガスセンサ出力が、図1に示される様に個別にセンサ出力回路8を経て取り込まれ、上記コンピュータ2に送られるように構成されている。
【0027】
図2に示すように、各ガスセンサ31は、所謂、基板型センサに構成されている。このセンサはアルミナ等の基板32の裏側にヒータ33を、その表側に一対の櫛歯状電極膜34を設けたものであり、これら一対の電極膜34を覆うように酸化錫膜層35を備え、さらに、その表側に触媒層36を備える、もしくは備えない構造とされている。
前記酸化錫膜層35には酸化鉛を担持しており、酸化錫膜層35に到達するガスにより、一対の電極膜34間の抵抗が変化し、この抵抗の変化をセンサ出力として取り出すことが可能とされている。即ち、この部位がガスセンサ31の感応部となっている。
【0028】
前記触媒層36は、上記のガスセンサ31の感応部へのガスの到達を制御することとなる。
【0029】
本願のセンサアレイ3には8種のガスセンサ31が備えられており、その感応部35の構成は共通で、触媒層36は以下のように異なった組成物からなるものとされている。触媒層36の組成物を以下の表に示した。
【0030】
【表1】
センサ1(S1) 触媒層無し
センサ2(S2) Al2 O3
センサ3(S3) ZnO
センサ4(S4) ZnO2
センサ5(S5) TiO2
センサ6(S6) Mo−FeOx
センサ7(S7) V/SiO2
センサ8(S8) SiO2 −Al2 O3
【0031】
この種のガスセンサ31は以下の工程を経て製造される。
酸化錫厚膜35をスクリーン印刷法で基板上に作成し、1200℃で2時間焼成し、含浸法でPbOx をその膜に担持させる。上記組成の触媒をセンサの感応膜上に塗布して、乾燥し、2次焼結処理し、エージングを経て完成する。
これらのガスセンサ31は、従来知られているように、異なったガスに対して、異なった感応特性を示す。
【0032】
3 識別検知動作
本願ガスの識別検知装置1にあっては、コンピュータ2が動作手段201の働きでガス識別に必要な情報の取り込みを適切に制御するとともに、本願独特の状態で取り込まれたセンサ出力を解析処理するものとされている。この解析処理側の手段を解析手段202と呼ぶ。
【0033】
この動作及びその解析は、以下のように要約することが可能である。
1 過渡応答出力取り込み工程(動作手段201により主に実行される)
識別対象ガスに対する複数の半導体式ガスセンサ31の過渡応答出力を、個別に取得する。具体的には、図3(イ)に示すようなセンサ出力を取得するものである。ここで、図3は、以下に詳細に示すように、センサ出力波形を(イ)に、この出力を得るための温度変更を(ロ)に、さらにその中間にセンサ周りの雰囲気の種別を示したものである。
【0034】
2 周波数特性導出工程(解析手段202により主に実行される)
過渡応答出力取り込み工程において、複数の半導体式ガスセンサ31それぞれについて取り込まれた出力について、その周波数特性を得る。ここでいう、周波数特性とは、過渡応答出力を周波数分析(具体的にはフーリエ変換処理)して、その周波数毎のスペクトル強度(具体的には識別検知に有用な周波数のスペクトル強度)を得ること、さらには、各センサ毎に得られる、そのスペクトル強度を、全センサ種に亘ってパターン的に認識・検討し、主成分分析を実施することを意味する。
【0035】
3 識別検知工程
周波数特性導出工程で、各半導体式ガスセンサ毎に得られる識別対象ガスの周波数特性間の関係に基づいて、識別対象ガスを識別する。
この識別判定は、作業者による判定とすることが可能であるとともに、コンピュータ2内に構築される経験データとの比較において、自動的に識別判定を行うことも可能である。この場合は、コンピュータ2内に判定手段まで備えることとなる。
【0036】
以上が、本願装置1が識別検知を行う場合の主な流れであるが、以下さらに、過渡応答出力取り込み工程を、図3(ロ)とともに詳細に説明する。
この工程は、以下の4工程を含んでいる。
【0037】
a ガス吸着工程
この工程は、ガスセンサ31が使用される通常のセンサ温度である通常検知温度にセンサを維持し、ガスが無いブランク状態から、識別対象ガスをガス検知部4に導いて各ガスセンサにガスを吸着もしくは感応させる工程である。
この工程にあっては、図3(イ)のaエリアで示すようなガスセンサ出力が得られ、その波形は上昇・飽和する波形となる。
【0038】
b センサ温度変更工程
この工程は、識別対象のガスをガス検知部に導きながら、前記通常検知温度に対して、この通常温度とは異なる(通常は低い)温度にセンサを変更し、各センサ素子のセンサ出力を得る工程である。この変更の形態は、ステップ状の変更であってもよいし、連続的な変更であってもよい。
この工程にあっては、温度を低下させた場合、図3(イ)のb1エリアで示すように、センサ出力が下がる(逆の温度操作を行うと、b2エリアで示すように逆の変化を示す)。この操作により反応速度と検知温度対感度特性の異なるセンサ種間の感応データを容易に取り込むことが可能となる。
【0039】
c エアー暴露工程
この工程は、上記のようにしてガスを吸着した状態にあるガスセンサ31を、通常検知温度に維持しながら、識別対象ガスの無いエアーに接触させて、吸着状態にあるガスの一部を放出させる工程である。
この工程にあっては、例えば、図3(イ)に示すように、前記センサ温度変更工程において検知温度を低下・復帰させた後、引き続いてこの工程を実施すると、cエリアで示すように、センサ出力が低下する。
【0040】
d パージ工程
この工程は、通常検知温度より高いパージ温度で、センサ31をエアー中に暴露するものであり、基本的には、吸着されたガスの全体をガスセンサ31からパージすることを意図する。
この工程にあっては、図3(イ)にdエリアで示すように、センサ出力が急速に低下する。
これら工程は、ガスが無い状態から有る状態への変化もしくはその逆の変化、及びガスが有る状態におけるセンサ温度の変化を含んでいるため、そのセンサ出力変化は、センサ出力が定常に達していない過渡応答形態のものである。
結果、ガスの特性を特定するのに好ましい周波数応答特性を得られる多数の情報を含んでいる。
【0041】
このような工程変更操作は、コンピュータの記憶部20に記憶された所定の動作パターンに基づくものとされる。先に示したように動作手段201により、この様な動作パターンで個々のガスセンサ31のセンサ出力を取得し、解析手段202により所定の周波数分析処理及び主成分分析を実行することで、本願が目的とするような精度の高い識別検知に役立つ解析結果を得ることができる。
【0042】
[ガスの識別検知の具体例]
以下、緑茶、紅茶、ウーロン茶エキスの10%エタノール液の識別を例にとって、その検知状況を具体的に説明する。
【0043】
1 過渡応答出力取り込み工程
先に説明したように、図3は、横軸に時間を、縦軸にセンサ出力(イ)、センサ設定温度(ロ)を取ったものである。図3(ロ)で、ヒータ電圧は温度に対応するものであり、電圧が高いほうが温度が高い。
同図に示すように、ガス吸着工程において、120秒間、ガスセンサを通常検知温度500℃に設定する。その後、温度変更工程において、120秒間に亘ってセンサ温度を連続的に変化させる。具体的には、500℃から一旦400℃まで温度を低下させた後に、再度500℃まで復帰させる。この間、識別対象のガスは個別に150mlの流量でずっと供給し続ける。
【0044】
次に、センサ温度が通常検知温度500℃に戻った時点で、エアー暴露工程としてクリーンエアーを500mlの流量で供給してガスセンサ31のリフレッシングを30秒間実行する。さらに、ガスの脱離を急速に起こさせるため、パージ工程として560℃に温度を上げて30秒間パージをかける。
【0045】
その時の各ガスセンサ31の出力波形は、図3(イ)の様になる。
この図において各線は8のガスセンサ個々のセンサ出力を示している。ガスに含有される成分エキスは同図にあっては具体的には緑茶である。
従って、本具体例の場合、この図と同構造の図が、紅茶、ウーロン茶についてもそれぞれ得られる。
【0046】
2 周波数特性導出工程
上記のようにして、各ガスセンサ種毎且つ各識別対象(緑茶、紅茶、ウーロン茶)毎に得られる出力曲線の波形を、個別にフーリエ変換し、その周波数成分スペクトル毎にスペクトルパターンを求め、そのパターンを主成分分析方法で解析する。図5、6に解析結果を示す例にあっては、図4に示したほぼ全時間領域を単一の周波数解析対象領域とした。
【0047】
図4は、上記のようにしてフーリエ変換後のスペクトル強度をパターン化して図示したものである。同図には、基本周波数の3倍成分を表示した。スペクトル強度は規格化されている。各軸は、先に説明した8種のガスセンサ(S1〜S8)に対応しており、実線、破線、一点鎖線の種別は、先に図6において説明したと同様である。図6と比較すると、線種間でばらつきが認められ、ガスの識別検知がそのパターンレベルで可能なことが分かる。
【0048】
さらに、主成分分析の結果を図5に示した。横軸は第一主成分を、縦軸は第二主成分を示している。茶の種類によって、それぞれの成分に対する分布域が明らかに分離されており、容易に識別することができることが分かる。
【0049】
〔別実施の形態〕
(1) 上記の実施の形態にあっては、センサ種の個数を8とするものを示したが、原理的には2以上の複数であればよく、5種以上で、比較的簡易な識別検知が可能となる。また、上記の実施形態では、基板型のセンサを示したが、所謂、熱線型のものも使用できる。
【0050】
(2) 上記の実施の形態にあっては、異なった種類の茶を識別検知することとしたが、発明者は醤油に対しても本願方法を実施したが、有効に識別検知できた。即ち、本願は主成分に微量のエキス成分が含まれたガスの識別検知に特に有用である。
【0051】
(3) 本願識別検知の方法は、主成分中に微量に含まれている成分の識別検知が可能であるため、通用の識別差が出やすい識別検知対象を検査する場合も当然に使用できる。
【0052】
(4) 上記の実施の形態にあっては、ガス吸着工程、センサ温度変更工程、エアー暴露工程、パージ工程を順次連続して実行するものとしたが、ガスが無しから有る状態間で変化させられる場合のみ、その後センサ温度を変更する場合のみにあっても、本願は適応できる。
さらに、ガス吸着状態にある複数種のガスセンサをエアーに暴露して、脱離させる場合にあっても、本願を適応できる。
また、過渡応答出力取り込み工程にあっては、その出力の取り込み時間は、本願の目的に対応させて、任意に設定可能である。
【0053】
(5) 上記の実施形態において、通常検知温度が500℃である場合を示したが、半導体式ガスセンサの場合、その通常検知温度は450〜550℃の範囲で選択される例もある。この場合、温度変更工程にあっては、通常検知温度から±100℃〜200℃の範囲で温度変更することが、好ましい。
また、パージ温度は、560℃〜650℃程度の温度範囲で選択することが、好ましい。
【0054】
(6) これまでの説明にあっては、識別対象のガスを単にガスと称し、エアーに対する用語として使用したが、この種のガスとしては、ニオイ識別の対象となるもの、さらには、組成種識別の対象となるもの、任意のものを含むことは当然である。
(7) 上記の実施の形態にあっては、周波数特性を得るのにフーリエ変換手法を採ったが、スタンフォード大学のTim Edwardsらが紹介しているDWT(Discrete Wavelet Transforms)手法等、任意の手法を採用できる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本願で使用するガス識別装置の構成を示す図
【図2】ガス識別装置に備えられるセンサアレイの各センサの構成を示す図
【図3】各ガスセンサにおけるセンサ出力と、検知温度設定を示す図
【図4】スペクトル強度パターンを示す図
【図5】主成分分析結果を示す図
【図6】各センサからの出力最大値に基づいて得られるパターンを示す図
【符号の説明】
1 ガスの識別検知装置
2 コンピュータ
3 ガスセンサアレイ
4 ガス検知部
20 記憶部
201 動作手段
202 解析手段[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for identifying and detecting a plurality of types of gases with a plurality of semiconductor gas sensors.
[0002]
[Prior art]
As a gas identification detection method for identifying and detecting a plurality of types of gas, a sensor array including a plurality of types of gas sensors having different characteristics is provided in a gas detection unit, and these gas sensors are sensitive to a gas to be identified. There is known an output (static information) obtained by performing the identification detection.
[0003]
Usually, in this type of identification detection, the gas to be identified is brought into contact with the sensor array for a certain period of time, and the gas is identified and detected based on the maximum output value of each gas sensor obtained after the lapse of the time or its standardized value. .
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the identification target gas is a mixed gas, which is composed of a relatively large amount of the main component gas and a trace amount of the minor gas (component extract), and the latter component extract is to be detected by identification, the conventional method described above makes the identification detection extremely difficult. There was a problem that was difficult.
[0005]
For example, when the mixed gas is a mixture of ethanol as a main component and a trace amount of a tea component, and this tea component is a component derived from green tea, black tea, or oolong tea, the conventional method is adopted. The maximum output value (normalized value) between the plurality of gas sensors has a pattern as shown in FIG.
[0006]
In FIG. 6, reference numerals S1 to S8 are axes corresponding to different types of gas sensors. The solid line corresponds to green tea, the broken line corresponds to black tea, and the one-dot chain line corresponds to oolong tea. The point on each axis indicates the maximum output value within a fixed time (for example, 120 seconds) for operating the sensor as described above.
[0007]
As can be seen from this figure, the patterns are overlapped between the respective tea components, and the identification cannot be detected.
[0008]
Therefore, the conventional identification method requires a sensor array having gas sensors with extremely high selectivity, but such a sensor array does not exist in reality.
[0009]
An object of the present application is to provide a gas identification detection method that can easily identify and detect a gas that is relatively difficult to detect as described above, using a conventional sensor array.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
To achieve this object, the gas detection and identification method according to the present invention is characterized by:
Transient response output of the plurality of semiconductor gas sensors for the identification target gas, a transient response output capturing step of individually acquiring,
In the transient response output capturing step, a frequency characteristic deriving step of obtaining a frequency characteristic of the output captured for each of the plurality of semiconductor gas sensors is performed,
In the frequency characteristic deriving step, the identification target gas is identified based on a relationship between frequency characteristics of the identification target gas obtained for each semiconductor gas sensor. The operation and effect are as follows. .
[0011]
The theoretical basis considered by the inventors who have reached the present invention is as follows.
The adsorption and desorption of gas at the sensor-sensitive part in a semiconductor gas sensor is chemisorption and can be regarded as the formation of a kind of surface compound.
[0012]
On the other hand, the rate of progress of adsorption or desorption on the surface of various gas sensors is closely related to the rate of chemical reaction on the surface of the sensor. come.
[0013]
Therefore, even if the gas to be identified in the gas identification is dominated by the same main component in relation to the comparison object, a difference in the adsorption / desorption speed occurs due to the difference in the reaction speed between the minor components, and the sensor output The transient response will be different.
[0014]
For example, the semiconductor type sensor has a fast adsorption and desorption with respect to a gas having a high reaction rate, and has a slow rate when the gas has a low reaction rate. Therefore, when the reaction rate of the minor component is faster than the reaction rate of the main component, the difference between the minor components appears in the transient response at the time of adsorption or desorption. Therefore, by detecting the frequency characteristic of the transient response waveform, the component can be identified and detected.
[0015]
Therefore, in the method of the present invention, the capture of the transient response output is positively executed, and the waveform output having the difference in the reaction speed is obtained. Then, for example, performing a Fourier transform to obtain a frequency-dependent characteristic, and performing a principal component analysis based on the spectrum intensity data between the sensors to obtain a characteristic in a frequency domain associated with the sensor type and the gas type. Identification detection can be performed satisfactorily.
[0016]
Further, in the above method, as described in
It is preferable to execute a detection temperature changing step of changing a gas detection temperature by the semiconductor gas sensor in a state where the identification target gas is present.
[0017]
The sensitivity of a semiconductor gas sensor to gas depends on the operating temperature of the sensor, and the operating temperatures having the maximum sensitivity to various gases are different.
Therefore, when identifying a gas having a main component, it is possible to change the gas detection temperature by changing the gas detection temperature, for example, so as to have different sensitivities between the minor components. Minor component differences can be detected and discriminated.
[0018]
However, it is difficult to select an appropriate operating temperature in advance, and since the operating temperatures having the maximum sensitivity to the minor component of a plurality of types of gases are different, the gas detection temperature is, in effect, continuously or within a certain range. The measurement is performed so as to obtain an output waveform on which information based on the frequency characteristic based on the difference in the reaction speed is loaded while being changed stepwise.
Then, by obtaining the transient response output accompanying the temperature change and deriving the frequency characteristic, the identification detection of the present application can be made good.
[0019]
Further, in the above method, as described in
After passing through the detected temperature changing step,
At an ordinary detection temperature of the semiconductor gas sensor, an air exposure step of exposing the semiconductor gas sensor to air,
It is preferable that either or both of a purge step of exposing the semiconductor gas sensor to air at a purge temperature higher than a normal detection temperature of the semiconductor gas sensor or both are included in the transient response output capturing step.
[0020]
In the above example, in order to obtain a transient response output, an output carrying desired information is obtained by changing the gas detection temperature. However, once the gas is adsorbed, the gas sensor desorbs the gas. Even in such a case, similarly, a response due to a gas type (in other words, a response rate based and dependent on a gas sensor type) can be obtained.
[0021]
This operation may be performed at a so-called normal detection temperature, or may be performed by a purge operation.
When a transient response output is obtained in a state where the gas to be identified is present around the gas sensor, and then a transient response output on the desorption side is obtained, more frequency characteristics are further required. It is possible to obtain a transient response output on which useful information is obtained, and as a result, it is possible to perform effective identification detection.
[0022]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
[Structure of gas detection device]
1 Device Configuration FIG. 1 shows a schematic structure of a gas identification and
[0023]
In general, the
[0024]
The
By employing this configuration, the gas to be identified from the
[0025]
The
This operation is also in accordance with a command from the operation means 201 from the
[0026]
2
The configuration of the
The
[0027]
As shown in FIG. 2, each
The tin
[0028]
The
[0029]
The
[0030]
[Table 1]
Sensor 1 (S1)
Sensor 3 (S3) ZnO
Sensor 4 (S4) ZnO2
Sensor 5 (S5) TiO2
Sensor 6 (S6) Mo-FeOx
Sensor 7 (S7) V / SiO2
Sensor 8 (S8) SiO2-Al2O3
[0031]
This type of
A thick
These
[0032]
3. Identification Detection Operation In the gas
[0033]
This operation and its analysis can be summarized as follows.
1 Transient response output capturing step (mainly executed by the operation means 201)
The transient response outputs of the plurality of
[0034]
2. Frequency characteristic deriving step (mainly executed by the analyzing means 202)
In the transient response output capturing step, the frequency characteristics of the output captured for each of the plurality of
[0035]
3. Identification detection step In the frequency characteristic derivation step, the identification target gas is identified based on the relationship between the frequency characteristics of the identification target gas obtained for each semiconductor gas sensor.
This identification determination can be performed by the operator, and can be automatically performed in comparison with experience data constructed in the
[0036]
The above is the main flow in the case where the
This step includes the following four steps.
[0037]
a Gas adsorption step In this step, the sensor is maintained at the normal detection temperature, which is the normal sensor temperature at which the
In this step, a gas sensor output as shown by area a in FIG. 3A is obtained, and its waveform becomes a rising and saturated waveform.
[0038]
b Sensor temperature changing step In this step, the sensor is changed to a temperature different from (normally lower than) the normal detection temperature while guiding the gas to be identified to the gas detection unit. This is the step of obtaining the sensor output. The form of this change may be a step-like change or a continuous change.
In this step, when the temperature is decreased, the sensor output decreases as indicated by the b1 area in FIG. 3A (the reverse change in the temperature occurs when the reverse temperature operation is performed). Shown). With this operation, it is possible to easily capture the sensitivity data between the sensor types having different reaction speeds and detection temperature-sensitivity characteristics.
[0039]
c Air exposure step In this step, the
In this step, for example, as shown in FIG. 3A, if the detected temperature is lowered and returned in the sensor temperature changing step, and then this step is performed, as shown in area c, Sensor output decreases.
[0040]
d Purge Step This step is to expose the
In this step, the sensor output rapidly decreases as indicated by area d in FIG.
Since these steps include a change from a state without gas to a state with gas or vice versa, and a change in sensor temperature in a state with gas, the sensor output change does not reach steady state. It is of a transient response type.
As a result, it contains a great deal of information that can obtain a favorable frequency response characteristic for specifying the characteristic of the gas.
[0041]
Such a process change operation is based on a predetermined operation pattern stored in the
[0042]
[Specific example of gas identification detection]
Hereinafter, the detection status will be described in detail by taking as an example the identification of a 10% ethanol solution of green tea, black tea, and oolong tea extract.
[0043]
1. Transient Response Output Capture Step As described above, FIG. 3 shows the time on the horizontal axis, the sensor output (a), and the sensor set temperature (b) on the vertical axis. In FIG. 3B, the heater voltage corresponds to the temperature, and the higher the voltage, the higher the temperature.
As shown in the figure, in the gas adsorption step, the gas sensor is set to the normal detection temperature of 500 ° C. for 120 seconds. Thereafter, in the temperature changing step, the sensor temperature is continuously changed for 120 seconds. Specifically, after the temperature is once decreased from 500 ° C. to 400 ° C., the temperature is returned to 500 ° C. again. During this time, the gas to be identified is continuously supplied individually at a flow rate of 150 ml.
[0044]
Next, when the sensor temperature returns to the normal detection temperature of 500 ° C., refreshing of the
[0045]
The output waveform of each
In this figure, each line indicates the sensor output of each of the eight gas sensors. The component extract contained in the gas is specifically green tea in FIG.
Therefore, in the case of this specific example, a figure having the same structure as this figure can be obtained for black tea and oolong tea.
[0046]
2 Frequency characteristic deriving step As described above, the waveform of the output curve obtained for each gas sensor type and for each identification target (green tea, black tea, oolong tea) is individually Fourier transformed, and the spectrum pattern is obtained for each frequency component spectrum. And analyze the pattern by a principal component analysis method. In the example in which the analysis results are shown in FIGS. 5 and 6, almost the entire time domain shown in FIG. 4 was set as a single frequency analysis target domain.
[0047]
FIG. 4 shows the spectral intensity after Fourier transform in a pattern as described above. In the figure, a component three times the fundamental frequency is displayed. The spectral intensity is standardized. Each axis corresponds to the eight types of gas sensors (S1 to S8) described above, and the types of solid lines, broken lines, and dashed lines are the same as those described above with reference to FIG. Compared to FIG. 6, it can be seen that there is variation between line types, and that gas identification and detection is possible at that pattern level.
[0048]
FIG. 5 shows the results of the principal component analysis. The horizontal axis represents the first principal component, and the vertical axis represents the second principal component. It can be seen that the distribution areas for each component are clearly separated according to the type of tea, and can be easily identified.
[0049]
[Another embodiment]
(1) In the above embodiment, the case where the number of sensor types is eight is shown. However, in principle, it is sufficient that the number is two or more, and five or more types are used, and relatively simple identification is performed. Detection becomes possible. Further, in the above embodiment, the substrate type sensor is shown, but a so-called hot wire type sensor can be used.
[0050]
(2) In the above embodiment, different types of tea are discriminated and detected. However, the inventor carried out the method of the present invention also for soy sauce, but could effectively discriminate and detect. That is, the present application is particularly useful for discrimination and detection of a gas containing a small amount of an extract component as a main component.
[0051]
(3) Since the identification and detection method of the present application is capable of identifying and detecting a component contained in a very small amount in the main component, it can be naturally used even when inspecting an identification and detection target in which a general identification difference easily occurs.
[0052]
(4) In the above embodiment, the gas adsorption step, the sensor temperature changing step, the air exposure step, and the purging step are performed sequentially and continuously. The present application can be applied only when the sensor temperature is changed, and only when the sensor temperature is changed thereafter.
Further, the present invention can be applied to a case where a plurality of types of gas sensors in a gas adsorption state are exposed to air and desorbed.
In the transient response output capturing step, the output capturing time can be arbitrarily set according to the purpose of the present application.
[0053]
(5) In the above embodiment, the case where the normal detection temperature is 500 ° C. has been described. However, in the case of a semiconductor gas sensor, the normal detection temperature may be selected in the range of 450 to 550 ° C. In this case, in the temperature changing step, it is preferable to change the temperature within a range of ± 100 ° C. to 200 ° C. from the normal detected temperature.
Further, it is preferable to select the purge temperature in a temperature range of about 560 ° C. to 650 ° C.
[0054]
(6) In the description so far, the gas to be identified is simply referred to as gas, and used as a term for air. However, as this kind of gas, a gas to be subjected to odor identification and a composition type Naturally, it includes those to be identified and any ones.
(7) In the above embodiment, the Fourier transform method was used to obtain the frequency characteristics, but any method such as the DWT (Discrete Wavelet Transforms) method introduced by Tim Edwards of Stanford University and the like was used. Can be adopted.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a diagram showing a configuration of a gas identification device used in the present application; FIG. 2 is a diagram showing a configuration of each sensor of a sensor array provided in the gas identification device; FIG. 3 is a sensor output and a detection temperature setting for each gas sensor; FIG. 4 shows a spectrum intensity pattern. FIG. 5 shows a principal component analysis result. FIG. 6 shows a pattern obtained based on the maximum output value from each sensor.
DESCRIPTION OF
Claims (3)
識別対象ガスに対する前記複数の半導体式ガスセンサの過渡応答出力を、個別に取得する過渡応答出力取り込み工程と、
前記過渡応答出力取り込み工程において、前記複数の半導体式ガスセンサそれぞれについて取り込まれた出力に関し、周波数特性を得る周波数特性導出工程とを実行し、
前記周波数特性導出工程で各半導体式ガスセンサ毎に得られる前記識別対象ガスの周波数特性間の関係に基づいて、前記識別対象ガスを識別するガスの識別検知方法。A gas identification detection method for identifying and detecting a plurality of types of gases with a plurality of semiconductor gas sensors,
Transient response output of the plurality of semiconductor gas sensors for the identification target gas, a transient response output capturing step of individually acquiring,
In the transient response output capturing step, for the output captured for each of the plurality of semiconductor gas sensors, performing a frequency characteristic deriving step of obtaining a frequency characteristic,
A gas identification detection method for identifying the identification target gas based on a relationship between frequency characteristics of the identification target gas obtained for each semiconductor type gas sensor in the frequency characteristic derivation step.
前記識別対象ガスが存在する状態で、半導体式ガスセンサによるガス検知温度を変更する検知温度変更工程を実行する請求項1記載のガスの識別検知方法。In the transient response output capturing step, to capture the transient response output of the plurality of semiconductor gas sensors for the identification target gas,
The gas identification detection method according to claim 1, wherein a detection temperature changing step of changing a gas detection temperature by a semiconductor gas sensor is performed in a state where the identification target gas is present.
前記半導体式ガスセンサの通常検知温度で、前記半導体式ガスセンサをエアー中に暴露するエアー暴露工程と、前記通常検知温度より高いパージ温度で、前記半導体式ガスセンサをエアー中に暴露するパージ工程とのいずれか一方、もしくは、その両方を、前記過渡応答出力取り込み工程に含む請求項2記載のガスの識別検知方法。After passing through the detected temperature changing step,
Any of an air exposure step of exposing the semiconductor gas sensor to air at the normal detection temperature of the semiconductor gas sensor, and a purge step of exposing the semiconductor gas sensor to air at a purge temperature higher than the normal detection temperature 3. The method according to claim 2, wherein one or both of them are included in the transient response output capturing step.
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