JP2006053163A - ガス検出装置 - Google Patents

Abstract

【課題】温度や湿度変化によるノイズ、ガスセンサ信号のドリフトによる誤検出を防ぐとともに、ガスセンサ信号の立ち上がりを速やかに検知し、誤差の少ない検知ができるガス検出装置を提供することを目的とする。
【解決手段】ガスセンサ１と信号処理部５と、信号処理部５内には基準値発生部８と計算部１１と汚染度計算部９とＤ／Ａコンバータ１０を備えガス検出装置とし、計算部１１で基準値更新条件を汚染度に応じて決定し、基準値発生部８で更新することにより、センサ信号のドリフトによる誤検出を防止し、検知誤差の少ないガス検出装置が得られる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ガス検出装置に関する。

従来、金属酸化物半導体からなるガスセンサを用いて雰囲気の汚染、特に喫煙による炭酸ガスの発生を検出するものとして、特開平６−６６７５０号公報に記載されたものが知られている。この従来例は、ガスセンサの周囲温度、経時変化等によるドリフトを補正するため、ガスセンサ信号の包絡線を求めて該包絡線を基準値とし、ガスセンサ信号のレベルが基準値よりもガス濃度が高い側にある場合、つまり汚染側にある場合には基準値をガスセンサ信号のレベルに速やかに追随させ、逆にガスセンサ信号が基準値よりもガス濃度が低い側にある場合には、基準値をガスセンサ信号のレベルに向けて緩慢に追随させ、ガスセンサ信号のレベルと現在の基準値のレベルとの比較により、両者の差が許容値以上となった場合にガス発生と判定するようになっている。図８はこの従来例のガスセンサ信号のレベル（イ）と、基準値（ロ）の推移を示している。
特開平６−６６７５０号公報

ところで、上記従来例では、図８（ａ）、（ｂ）に示すように基準値よりもガスセンサ信号のレベルが基準値を越えると、一定時間毎に基準値をガスセンサ信号レベルに近づけるようになっているため、ガス濃度が高く、ガス発生と判定されるべき筈の状態にかかわらず、基準値とガスセンサ信号のレベルとの差が大きくならず、汚染度出力は正確な検出ができないという問題があった。

また、広範囲なガスセンサ信号を検出対象とするのが難しいものとして、限られた範囲を対象としていた。

本発明はこのような従来の課題を解決するものであり、温度や湿度変化によるノイズ、ガスセンサ信号のドリフトによる誤検出を防ぐとともに、ガスセンサ信号の立ち上がりを速やかに検知することができ、また、ガス検知後の基準値の計算による誤差を低減することができ、また、広範囲なガスセンサ信号を計算精度を落とす事なく処理できるガス検出装置を提供することを目的としている。

本発明のガス検出装置は、ガスセンサの出力信号の基準となる基準値を出力信号に近づくように更新する基準値更新手段において、更新条件を汚染度に応じて変化させる更新条件決定手段を備えたものである。

本発明によれば、汚染度に応じて基準値が適切に更新されるため、センサ信号のドリフトを補正しつつ、検知誤差の少ないガス検出装置が得られる。

また、他の手段は、更新条件決定手段において、基準値を出力信号に近づける量を変化させることによって更新条件を決定するものである。

本発明によれば、基準値の更新量を汚染度に応じて変化させるため、基準値更新による誤差を低減できる効果のあるガス検出装置が得られる。

また、他の手段は、更新条件決定手段において、基準値を出力信号に近づける周期を変化させることによって更新条件を決定するものである。

本発明によれば、基準値更新の機会を汚染度に応じて決定するため、正確な基準値を得ることができるガス検出装置が得られる。

また、他の手段は、更新条件決定手段において、基準値を出力信号に近づける周期と量を変化させることによって更新条件を決定するものである。

本発明によれば、より基準値更新による誤差が小さく、正確に基準値を得ることができるガス検出装置が得られる。

また、他の手段は、ガスセンサ信号のレベルを判定して、このレベルに応じて前記ガスセンサに直列接続される負荷抵抗値を切り替える負荷抵抗切り替え手段と、前記負荷抵抗値の変更に応じて前記基準値を、前記ガスセンサ信号のレベルとの関係が変化しないように補正する基準値補正手段とを備えたものである。

本発明によれば、ガスセンサのバラツキやドリフトによってセンサ信号が大きくばらついた場合においても精度の高い検出をすることができるガス検出装置が得られる。

本発明により、ガスセンサのガスセンサ信号のレベルと基準値とを比較して雰囲気の清浄、汚染を検出するガス検出装置において、前記ガスセンサ信号のレベルが清浄方向に推移している場合に前記基準値を早くガスセンサ信号のレベルに近づくように更新し、前記ガスセンサ信号のレベルが汚染方向に推移している場合に前記基準値を前記ガスセンサ信号のレベルに反比例する速度で前記ガスセンサ信号のレベルに近づくように更新する基準値更新手段を備えたので、温度や湿度変化によるノイズ、ガスセンサ信号のドリフトによる誤検出を防ぐとともに、ガスセンサ信号の立ち上がりを速やかに検知でき、空気の汚染状態を正確に検出することが可能となるという効果がある。

さらに、基準値の更新量が出力に応じて変化することにより、出力が小さい時、すなわち低濃度時に更新量を大きくし、出力が大きいとき、すなわちガスが高濃度時には更新量が小さくなるため、基準値更新による誤差を小さくすることができ、精度の高い検知が可能となる。

また、基準値更新の周期を出力に応じて変化することにより、低濃度時に更新タイミングを多くすることが可能となり、清浄時の出力を基準値とすることが可能となり、正確な検知ができる。

また、基準値更新の周期と量を出力に応じて変化することにより、より基準値更新による誤差が少なく、基準値を正確に取ることが可能となる。

また、ガスセンサ信号のレベルを判定してレベルに応じて前記ガスセンサに直列接続される負荷抵抗値を切り替える手段と、前記負荷抵抗値の変更に応じて前記基準値を前記ガスセンサ信号のレベルとの関係が変化しないように補正する手段とを備えたので、広範囲なガスセンサ信号を計算精度を落とす事なく処理できるという効果がある。

ガスセンサの出力信号と、この出力信号の基準となる基準値と、この基準値と前記出力信号とを比較して雰囲気の汚染度を出力する出力手段と、前記基準値を前記出力信号に近づくように更新する基準値更新手段と、この基準値更新手段の更新条件を前記汚染度に応じて変化させる更新条件決定手段を備えたものである。

また、更新条件決定手段において、基準値を出力信号に近づける量を変化させることによって更新条件を決定するものである。

また、更新条件決定手段において、基準値を出力信号に近づける周期を変化させることによって更新条件を決定するものである。

また、更新条件決定手段において、基準値を出力信号に近づける周期と量を変化させることによって更新条件を決定するものである。

ガスセンサ信号のレベルを判定して、このレベルに応じてガスセンサに直列接続される負荷抵抗値を切り替える負荷抵抗切り替え手段と、前記負荷抵抗値の変更に応じて基準値を前記ガスセンサ信号のレベルとの関係が変化しないように補正する基準値補正手段とを備えたものであり、負荷抵抗切り替えの前後で出力される汚染度の誤差を防止することができる。

以下、本発明の実施例について図面を参照しながら説明する。

（実施例１）
図１に示すように、金属酸化物半導体ガスセンサ（以下ガスセンサと省略する）１は負荷抵抗回路を介してバッテリーなどの直流電源３に接続してある。４はガスセンサ１に設けられたヒータであり、このヒータ４も直流電源３に接続してある。負荷抵抗回路は、抵抗２から構成される。

５は本実施例における信号処理を行うための１チップの例えば４ビットマイクロコンピュータからなる信号処理部であって、図においてはその機能をブロック化して示しており、負荷抵抗回路の両端電圧ＶＲＬをＡ／Ｄコンバータ６を介して取り込み、電圧ＶＲＬからガスセンサ１のセンサ抵抗値Ｒｓを計算するセンサ抵抗計算部７をＡ／Ｄコンバータ６を介して取り込み、センサ抵抗値Ｒｓと比較する基準値Ｒｓｍを発生させる基準値発生部８と、基準値Ｒｓｍとセンサ抵抗値Ｒｓとの比較により汚染度を計算する汚染度計算部９と、この汚染度計算部９で計算された汚染度をアナログ値に変換するＤ／Ａコンバータ１０と、汚染度から基準値Ｒｓｍの更新量Ｘ及び更新周期Ｚを計算する計算部１１等から構成される。

次に図１の回路を図２に示すフローチャートに基づいて説明する。まず、装置をスタートさせると、信号処理部５では、負荷抵抗値ＲＬ、基準値発生部８の基準値Ｒｓｍを初期設定する。

さて初期値設定後、現在の負荷抵抗値ＲＬによる電圧ＶＲＬを取り込み、センサ抵抗計算部７がセンサ抵抗値Ｒｓを電圧ＶＲＬより計算する。この計算は例えばＲｓ＝（（２５６−ＶＲＬ）×６４）／ＶＲＬの式にて行う。

このようにセンサ抵抗値Ｒｓは基準値発生部８で発生している現在の基準値Ｒｓｍとコンパレータ１２，１３で比較し、センサ抵抗値Ｒｓが基準値Ｒｓｍ以上で無ければ、汚染方向基準値更新部８ｂにより基準値Ｒｓｍを更新し、逆にセンサ抵抗値Ｒｓが基準値Ｒｓｍ０以上であれば、清浄方向基準値更新部８ａにより基準値Ｒｓｍを更新する。これらの更新量、更新周期は計算部１１により計算され、夫々の更新部８ａ、８ｂに与えられる。

この場合清浄方向であれば、サンプリング毎に例えばＲｓｍ＝Ｒｓｍ０＋（Ｒｓ−Ｒｓｍ０）／３で更新される。尚Ｒｓｍ０が現在の基準値を示す。

また汚染方向であれば、基準値更新周期毎（例えば、前回の更新タイミングからのサンプリング回数が所定値Ｚ以上になった場合）に、Ｒｓｍ＝Ｒｓｍ０−（Ｒｓｍ０−Ｒｓ）／Ｘで更新する。ここでＸは基準値更新量を示し、Ｘ＝Ｃ１＝（Ｒｓｍ−Ｒｓ）×Ｖｓｐａｎ×８／Ｒｓｍより求める。尚Ｃ１はガスセンサ１の計算出力を示す。またＶｓｐａｎは定数であり、Ｘは１０＜Ｘ＜１００の範囲とし、その初期値を１０とする。

さて、上記のように基準値更新が為されながら、汚染度計算部９はセンサ抵抗値Ｒｓとの差により汚染度を求めて、その汚染度をＤ／Ａコンバータ１０を介して外部に出力する。

この汚染度出力により例えば空気清浄器や換気扇の場合であればファンの運転を汚染度に応じて運転制御する等行うことになる。

以上のように、基準値更新の更新量を出力に応じて変化させることにより、高濃度では更新量を少なく、低濃度では更新量を多くすることが可能となり、基準値とすべき低濃度時は積極的に基準値を更新し、基準値をとるべきでない高濃度時は更新を小さくするため、基準値更新による誤差の少ない検知が可能となる。

なお、センサ抵抗値Ｒｓの計算において、本実施例では電圧ＶＲＬより直接計算したが、サーミスタ等の温度センサ、湿度センサなどによる温度補正や湿度補正などの補正を加えてもよい。

（実施例２）
図３を参照しながら説明する。なお、本発明の実施例１と同一の部分は説明を省略する。

センサ抵抗値Ｒｓが基準値Ｒｓｍ０以下の汚染方向であれば、基準値更新周期Ｚ毎に、Ｒｓｍ＝Ｒｓｍ０−（Ｒｓｍ０−Ｒｓ）／Ｘ１で更新する。ここでＸ１は基準値更新量を示し、１０＜Ｘ１＜１０００の範囲の定数とする。

更新周期Ｚは、Ｚ＝Ｃ１×Ｖｋ５により求める。尚Ｖｋ５は更新周期係数であり、Ｚは２０＜Ｚ＜１０００の範囲とし、その初期値を２０とする。

以上のように、基準値更新周期を出力に応じて変化させることにより、基準値をとるべき低濃度時に更新のタイミングが多くなり、確実に基準値をとることが可能となり、正確な検知を行うことができる。

（実施例３）
図４を参照しながら説明する。なお、本発明の実施例１，２と同一の部分は説明を省略する。

センサ抵抗値Ｒｓが基準値Ｒｓｍ０以下の汚染方向であれば、基準値更新周期毎（前回の更新タイミングからのサンプリング回数が所定値Ｚ以上になった場合）に、Ｒｓｍ＝Ｒｓｍ０−（Ｒｓｍ０−Ｒｓ）／Ｘで更新する。ここでＸは基準値更新量を示し、Ｘ＝Ｃ１＝（Ｒｓｍ−Ｒｓ）×Ｖｓｐａｎ×８／Ｒｓｍより求める。尚Ｃ１はガスセンサ１の計算出力を示す。またＶｓｐａｎは定数であり、Ｘは１０＜Ｘ＜５００の範囲とし、その初期値を１０とする。

更新周期Ｚは、Ｚ＝Ｃ１×Ｖｋ５により求める。尚Ｖｋ５は更新周期係数であり、Ｚは２０＜Ｚ＜１０００の範囲とし、その初期値を２０とする。

図５（ａ）は本発明による基準値更新の状態を、センサ抵抗値Ｒｓを電圧ＶＲＬに換算し、また基準値Ｒｓｍを電圧レベル（イ）、（ロ）に換算して示しており、センサ抵抗値Ｒｓが基準値Ｒｓｍより下降している汚染方向時、つまりガスセンサ信号レベルである電圧ＶＲＬが基準値レベルを大きく越える汚染方向の場合には、ガスセンサ信号レベルに対して基準値レベルを緩やかに近づけるようにその速度をガスセンサ信号レベルに反比例させて更新している。逆にセンサ抵抗値Ｒｓが基準値Ｒｓｍより上昇している清浄方向時、つまり電圧ＶＲＬが基準値レベルを下回っている場合には早く基準値レベルを電圧ＶＲＬに近づくように更新している。図５（ｂ）は、その時の汚染度出力を示している。図に示すように汚染度の変化を正確に検知することが可能となる。

以上のように、基準値更新の更新量と更新周期を出力に応じて変化させることにより、更新誤差が少なく、かつ確実に基準値をとることが可能となる。

（実施例４）
図６、７を参照しながら説明する。なお、本発明の実施例１、２、３と同一の部分は説明を省略する。

図６は本発明の実施例４の全体構成を示しており図６、図６において金属酸化物半導体ガスセンサ（以下ガスセンサと省略する）１は負荷抵抗回路を介してバッテリーなどの直流電源３に接続してある。４はガスセンサ１に設けられたヒータであり、このヒータ４も直流電源３に接続してある。負荷抵抗回路は、抵抗２、抵抗１５，１６を後述する条件で並列接続してその合成抵抗から構成される。５は本実施例における信号処理を行うための１チップの例えば４ビットマイクロコンピュータからなる信号処理部であって、図においてはその機能をブロック化して示しており、負荷抵抗回路の両端電圧ＶＲＬをＡ／Ｄコンバータ６を介して取り込み、電圧ＶＲＬからガスセンサ１のセンサ抵抗値Ｒｓを計算するセンサ抵抗計算部７をＡ／Ｄコンバータ６を介して取り込み、電圧ＶＲＬから負荷抵抗値ＲＬを切り替える負荷抵抗切り替え部１４と、センサ抵抗値Ｒｓと比較する基準値Ｒｓｍを発生させる基準値発生部８と、基準値Ｒｓｍとセンサ抵抗値Ｒｓとの比較により汚染度を計算する汚染度計算部９と、この汚染度計算部９で計算された汚染度をアナログ値に変換するＤ／Ａコンバータ１０と、汚染度から基準値Ｒｓｍの更新量Ｘ及び更新周期Ｚを計算する計算部１１等から構成される。

抵抗１５，１６は負荷抵抗切り替え部１４のスイッチ素子１７，１８を介して抵抗２に並列接続され、抵抗２のみの時が負荷抵抗回路の両端電圧ＶＲＬが最大値となり、抵抗１５を抵抗２に並列に接続した状態で電圧ＶＲＬが中間値に、両抵抗１５，１６を共に抵抗２に並列接続した状態で電圧ＶＲＬが最小値となるように設定される。

次に図６の回路を図７に示すフローチャートに基づいて説明する。まず、装置をスタートさせると、信号処理部５では、負荷抵抗値ＲＬ、基準値発生部８の基準値Ｒｓｍを初期設定する。ここで初期の負荷抵抗回路の抵抗値ＲＬは抵抗２と抵抗１５の並列回路の合成値となるように負荷抵抗切り替え部１４の制御部１９はスイッチ素子１７をオンする。

さて初期値設定後、現在の負荷抵抗値ＲＬによる電圧ＶＲＬを取り込み、負荷抵抗切り替え部１４に設けてあるコンパレータ２０，２１で下限値ＶＲＬｍｉｎ，上限値ＶＲＬｍａｘと比較して、下限値ＶＲＬｍｉｎと上限値ＶＲＬｍａｘの間に入っているか、否かを判定し、否であれば、下限値ＶＲＬｍｉｎを下回っている場合には、負荷抵抗値ＲＬを最も高くなるように、逆に上限値ＶＲＬｍａｘを上回った場合には負荷抵抗値ＲＬを最も低くなるように、負荷抵抗切り替え部１４の制御部１９はスイッチ素子１７，１８を制御する。そして負荷抵抗値ＲＬを切り替えた後、電圧ＶＲＬを測定し、この測定値と切り替え前の測定値とに基づいて基準値発生部８の基準値補正部８ｃが負荷抵抗値ＲＬの切り替え後の基準値補正量を決定して現在発生している基準値Ｒｓｍを負荷抵抗値ＲＬに合わせて補正する。

一方上記の電圧ＶＲＬが、下限値ＶＲＬｍｉｎ乃至上限値ＶＲＬｍａｘの範囲にある場合には、センサ抵抗計算部７がセンサ抵抗値Ｒｓを電圧ＶＲＬより計算する。

負荷抵抗切り替えタイミングでは切り替え前に基準値更新計算を行い切り替えから例えば５秒後に下記の計算を行う。

Ｒｓ１≧Ｒｓの場合（尚Ｒｓ１は切り替え直後の値を示す）
Ｒｓｍ＝Ｒｓ１＋（Ｒｓｍ−Ｒｓ）×（Ｒｓ１／Ｒｓ）
…（Ｒｓ＜Ｒｓｍの場合）
Ｒｓｍ＝Ｒｓ１＋（Ｒｓ−Ｒｓｍ）×（Ｒｓ１／Ｒｓ）
…（Ｒｓ＞Ｒｓｍの場合）
そしてその後Ｒｓ＝Ｒｓ１とする。

以上のように、負荷抵抗を切り替えることにより、ガスセンサ１の抵抗値が製造のバラツキや使用中に大きく変化した場合においても、常に精度の高い検知が可能となり、負荷抵抗切り替え後に基準値の補正を行うことにより、負荷抵抗切り替えによる誤差を防止できる。

ガス検出装置に関する。

本発明の実施例１の全体構成図 同動作説明用フローチャート 同実施例２の動作説明用フローチャート 同実施例３の動作説明用フローチャート 同基準値更新時の説明図 同実施例４の全体構成図 同動作説明用フローチャート 従来の基準値更新の説明図

符号の説明

１ ガスセンサ
２ 抵抗
７ センサ抵抗計算部
８ 基準値発生部
９ 汚染度計算部
１０ Ｄ／Ａコンバータ
１１ 計算部
１２ コンパレータ
１３ コンパレータ
１４ 負荷抵抗切り替え部
１５ 抵抗
１６ 抵抗
１７ スイッチ素子
１８ スイッチ素子
２０ コンパレータ
２１ コンパレータ

Claims (5)

1. ガスセンサの出力信号と、この出力信号の基準となる基準値と、この基準値と前記出力信号とを比較して雰囲気の汚染度を出力する出力手段と、前記基準値を前記出力信号に近づくように更新する基準値更新手段と、この基準値更新手段の更新条件を前記汚染度に応じて変化させる更新条件決定手段を備えたことを特徴とするガス検出装置。
2. 更新条件決定手段において、基準値を出力信号に近づける量を変化させることによって更新条件を決定することを特徴とする請求項１記載のガス検出装置。
3. 更新条件決定手段において、基準値を出力信号に近づける周期を変化させることによって更新条件を決定することを特徴とする請求項１記載のガス検出装置。
4. 更新条件決定手段において、基準値を出力信号に近づける周期と量を変化させることによって更新条件を決定することを特徴とする請求項１記載のガス検出装置。
5. ガスセンサ信号のレベルを判定して、このレベルに応じてガスセンサに直列接続される負荷抵抗値を切り替える負荷抵抗切り替え手段と、前記負荷抵抗値の変更に応じて基準値を、前記ガスセンサ信号のレベルとの関係が変化しないように補正する基準値補正手段とを備えたことを特徴とするガス検出装置。

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