JP2006275606A - Gas detecting method and gas detector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ガスセンサとして金属酸化物半導体センサを用いたガス検出方法及びガス検出装置に関する。 The present invention relates to a gas detection method and a gas detection apparatus using a metal oxide semiconductor sensor as a gas sensor.
金属酸化物半導体ガスセンサは電極間に金属酸化物半導体から成る感応膜を形成したものであり、この感応膜を高温に加熱した状態で、該感応膜表面に付着したガス成分との間で酸化還元反応を生じさせる。この過程で電子の移動が起こり、感応膜中の自由電子密度や電荷空乏層の厚さが変化して電極間の抵抗値が変化する。この種のガスセンサは、例えば家庭用のガス漏れ検知器などに広く利用されている。 A metal oxide semiconductor gas sensor is a sensor in which a sensitive film made of a metal oxide semiconductor is formed between electrodes. When this sensitive film is heated to a high temperature, it is oxidized and reduced with gas components adhering to the surface of the sensitive film. Cause a reaction. In this process, movement of electrons occurs, the free electron density in the sensitive film and the thickness of the charge depletion layer change, and the resistance value between the electrodes changes. This type of gas sensor is widely used in, for example, a home gas leak detector.
しかしながら、上記のような金属酸化物半導体ガスセンサは、還元性のガスであれば殆どのガスに対して応答してしまい、しかも定常的な応答からはガス成分を区別することができない。そのため、例えば特定のガスを検出するような選択性を持たせたい場合には、不所望のガス成分を予め除去するフィルタを設ける等の構成を採る必要があり、ガス成分の選択性の向上が大きな課題の一つとなっている。 However, the metal oxide semiconductor gas sensor as described above responds to almost any gas as long as it is a reducing gas, and the gas components cannot be distinguished from a steady response. Therefore, for example, when it is desired to have selectivity for detecting a specific gas, it is necessary to adopt a configuration such as providing a filter that removes an undesired gas component in advance, which improves the selectivity of the gas component. It is one of the big issues.
一方、多種類のガス成分の同定や定量が可能であるようなガス検出装置は、環境測定、食品や香料等の検査、犯罪捜査など幅広い分野で要望されており、これまで様々な技術が提案されている。その代表的なものは、添加触媒等の工夫によって互いに異なる応答特性を持たせた複数のガスセンサを並設して多次元情報を得るものである。こうした構成では、同じガスに晒された複数のガスセンサで得られる複数の検出信号に対し、主成分分析等の多変量解析処理やニューラルネットワークを用いた解析処理を実行してガス成分の同定や定量分析を行うのが一般的である(例えば特許文献1など参照)。 On the other hand, gas detectors capable of identifying and quantifying various types of gas components are required in a wide range of fields such as environmental measurement, inspection of foods and fragrances, criminal investigations, and various technologies have been proposed so far. Has been. A typical example is to obtain multidimensional information by arranging a plurality of gas sensors having different response characteristics by devising an added catalyst or the like. In such a configuration, gas components are identified and quantified by performing multivariate analysis processing such as principal component analysis and analysis processing using a neural network on multiple detection signals obtained by multiple gas sensors exposed to the same gas. Analysis is generally performed (see, for example, Patent Document 1).
しかしながら、こうした装置では、識別可能なガス成分の種類を増やそうとするほどガスセンサの数も増加させる必要が生じ、また解析処理の計算量も膨大になる。そのため、装置の大規模化やコストの上昇などが避けられない。 However, in such an apparatus, it is necessary to increase the number of gas sensors as the number of types of gas components that can be identified increases, and the amount of calculation for analysis processing becomes enormous. For this reason, an increase in the scale of the apparatus and an increase in costs are inevitable.
これに対し、単一のガスセンサから多次元情報を得る方法として、ガスセンサの温度(厳密に言えば感応膜の温度)を意図的に変化させ、それに対するガスセンサによる検出信号の動的な変化を解析することでガス成分の同定や定量を行うという手法が従来から知られている(例えば特許文献2、3、4など参照)。例えば特許文献2では、温度変化時のガスセンサ出力のピーク位置と強度とを利用してガス成分を同定している。しかしながら、従来提案されているいずれの手法でも、ガス成分の種類に関する情報、即ち定性情報と、ガス成分の濃度に関する情報、即ち定量情報とを完全には分離することができないという根本的な問題がある。そのため、定性分析(成分の同定)と定量分析(濃度の算出)のいずれについても実用上十分な精度を得ることが困難である。また、周期的温度変化における動的応答の解析では安定したデータを抽出するのに時間がかかるため、例えば環境測定の現場等においてリアルタイムにガス成分の同定や定量を行うには不向きである。
On the other hand, as a method of obtaining multidimensional information from a single gas sensor, the temperature of the gas sensor (strictly speaking, the temperature of the sensitive film) is intentionally changed, and the dynamic change of the detection signal by the gas sensor is analyzed. A method of identifying and quantifying gas components by doing so is conventionally known (see, for example,
上述のような単一のガスセンサにおける温度変化に対する動的な応答波形から、ガス成分の種類に関する情報と濃度に関する情報とを良好に分離することが可能であれば、単一又は少数のガスセンサで以て多種類のガス成分の同定が可能となる。また、ガス成分を正確に同定できれば、見かけ上特定ガスのみ対して応答するような高い選択性を持たせることもできる。 If it is possible to satisfactorily separate the information on the type of gas component and the information on the concentration from the dynamic response waveform to the temperature change in the single gas sensor as described above, a single or a small number of gas sensors can be used. This makes it possible to identify many types of gas components. In addition, if the gas component can be accurately identified, it is possible to have such a high selectivity that apparently responds only to a specific gas.
本発明はこのような点に鑑みて成されたものであり、その主な目的は、単一ガスセンサの動的応答を利用して複雑な処理を伴わずに高いガス識別能力を達成することができるガス検出方法及びガス検出装置を提供することにある。 The present invention has been made in view of these points, and its main object is to achieve a high gas discrimination capability without complicated processing by using the dynamic response of a single gas sensor. An object of the present invention is to provide a gas detection method and a gas detection device.
本発明者は金属酸化物半導体ガスセンサの温度変化に対する動的応答に関する研究を長期間に亘って行う過程で、温度変化に対する動的な応答波形の時間に関するn次微分波形が濃度に依存しない固定点を通過し、しかもその固定点がガスに含まれる成分(化合物)毎に相違することを見い出した。換言すれば、その固定点の位置はガス成分の種類に関する情報(定性情報)のみを有し、濃度に関する情報(定量情報)は有さないということになる。したがって、試料ガスに含まれる成分の種類及びその濃度がいずれも不明であるとき、金属酸化物半導体ガスセンサの温度変化に対する動的応答波形のn次微分波形がその波形を含む2次元グラフ上でどのような固定点を通過しているのかを調べれば、濃度とは無関係にその成分を特定することが可能となる。 In the course of conducting research on dynamic response to temperature change of a metal oxide semiconductor gas sensor over a long period of time, the present inventor has a fixed point where the nth-order differential waveform related to time of the dynamic response waveform to temperature change is independent of concentration. And the fixing point was found to be different for each component (compound) contained in the gas. In other words, the position of the fixed point has only information (qualitative information) regarding the type of gas component, and does not have information (quantitative information) regarding the concentration. Therefore, when the type of component contained in the sample gas and its concentration are unknown, the nth-order differential waveform of the dynamic response waveform with respect to the temperature change of the metal oxide semiconductor gas sensor is displayed on the two-dimensional graph including the waveform. If it is checked whether it passes through such a fixed point, it becomes possible to specify the component regardless of the concentration.
本発明はこうした原理を利用して上記課題を解決することを意図したものであり、本発明に係るガス検出方法は、金属酸化物半導体を利用したガスセンサにより未知の成分を含むガスを検出して少なくともその成分を同定するためのガス検出方法において、
a)前記ガスセンサに試料ガスが晒された状態の下で、該ガスセンサの温度をその応答動作可能な範囲内で変化させ、
b)その温度変化に応じた前記ガスセンサの検出信号の動的応答を測定し、
c)その動的応答波形の時間に関するn次微分(n=1、2、…)波形と、該n次微分波形が描かれるグラフ上に設定された、濃度の相違する同一ガス成分に対するn次微分波形のいずれもが共通に通過し且つガス成分の種類毎には一致しないような固定点と、の関係に基づいて前記試料ガスに含まれるガス成分を同定する、
ことを特徴としている。
The present invention is intended to solve the above-mentioned problems using such a principle, and the gas detection method according to the present invention detects a gas containing an unknown component by a gas sensor using a metal oxide semiconductor. In a gas detection method for identifying at least its components,
a) Under the condition where the sample gas is exposed to the gas sensor, the temperature of the gas sensor is changed within a range where the response operation is possible,
b) Measure the dynamic response of the detection signal of the gas sensor according to the temperature change,
c) nth order differential (n = 1, 2,...) waveform with respect to time of the dynamic response waveform and the nth order for the same gas component having different concentrations set on the graph on which the nth order differential waveform is drawn. Identifying the gas component contained in the sample gas based on the relationship with a fixed point where all of the differential waveforms pass in common and do not match for each type of gas component,
It is characterized by that.
また本発明に係るガス検出装置は上記ガス検出方法を具現化する装置であって、
a)金属酸化物半導体を利用したガスセンサと、
b)前記ガスセンサの温度をその応答動作可能な範囲内で変化させる温度制御手段と、
c)前記ガスセンサに試料ガスが晒された状態の下で、前記温度制御手段による温度変化に応じた前記ガスセンサの検出信号の動的応答を測定する測定制御手段と、
d)前記動的応答波形の時間に関するn次微分(n=1、2、…)波形と、該n次微分波形が描かれるグラフ上に設定された、濃度の相違する同一ガス成分に対するn次微分波形のいずれもが共通に通過し且つガス成分の種類毎には一致しないような固定点と、の関係に基づいて前記試料ガスに含まれるガス成分を同定する定性手段と、
を備えることを特徴としている。
A gas detection apparatus according to the present invention is an apparatus that embodies the gas detection method.
a) a gas sensor using a metal oxide semiconductor;
b) temperature control means for changing the temperature of the gas sensor within a range in which the response operation is possible;
c) a measurement control means for measuring a dynamic response of a detection signal of the gas sensor according to a temperature change by the temperature control means under a state in which the sample gas is exposed to the gas sensor;
d) nth-order differential (n = 1, 2,...) waveform with respect to time of the dynamic response waveform and nth-order for the same gas component having different concentrations set on the graph on which the n-order differential waveform is drawn. Qualitative means for identifying a gas component contained in the sample gas based on a relationship between a fixed point where all of the differential waveforms pass in common and do not coincide with each type of gas component;
It is characterized by having.
なお、本明細書で言う「固定点」は厳密な「点」を意味するものではなく、実際には分析時の条件のばらつきや経時変化などを考慮した適度な面積を有する小領域と考えることができる。 Note that the “fixed point” in this specification does not mean a strict “point”, but is actually considered as a small region having an appropriate area in consideration of variations in conditions during analysis and changes over time. Can do.
本発明に係るガス検出方法及びガス検出装置によれば、ガス成分の濃度の影響を受けずにガス成分の種類に関する情報を抽出してそれに基づいてガス成分を同定しているので、従来に比べて正確な同定が可能となる。また、ガス成分が特定されれば、ガス成分の種類という条件を絞った状態で、例えば温度変化から所定時間が経過した時点でのガスセンサの検出値等に基づいて濃度を算出することができる。したがって、定量精度も向上する。これにより、1個のガスセンサで複数のガス成分の定性及び定量が可能となり、ガスセンサの運用効率が向上する。 According to the gas detection method and the gas detection device of the present invention, the information on the type of the gas component is extracted without being influenced by the concentration of the gas component, and the gas component is identified based on the extracted information. And accurate identification is possible. If the gas component is specified, the concentration can be calculated based on, for example, the detection value of the gas sensor when a predetermined time has elapsed from the temperature change, with the condition of the type of the gas component narrowed down. Therefore, quantitative accuracy is also improved. This makes it possible to qualitatively and quantitatively determine a plurality of gas components with a single gas sensor, improving the operational efficiency of the gas sensor.
また、本発明に係るガス検出方法及びガス検出装置によれば、n次微分演算処理や波形が固定点を通過するか否かといった判定処理など、必要な解析処理が簡単であるので、比較的安価な処理装置(例えばパーソナルコンピュータ)でもリアルタイムで分析を行うことができる。したがって、装置の小型化、低コスト化が容易であり、測定場所でのリアルタイム測定も可能である。 Further, according to the gas detection method and the gas detection device according to the present invention, since necessary analysis processing such as n-th order differential calculation processing and determination processing such as whether a waveform passes through a fixed point is simple, Even an inexpensive processing device (for example, a personal computer) can perform analysis in real time. Therefore, it is easy to reduce the size and cost of the apparatus, and real-time measurement at the measurement location is also possible.
本発明に係るガス検出装置の好ましい一態様として、複数種類のガス成分について前記固定点を予め調べて記憶しておくための記憶手段を備え、前記定性手段は、試料ガスの測定によって得られたn次微分波形が、前記記憶手段に記憶されたガス成分毎の固定点のいずれを通るのか調べることによりガス成分を同定する構成とすることができる。 As a preferable aspect of the gas detection device according to the present invention, the gas detection device includes a storage unit for previously checking and storing the fixed points for a plurality of types of gas components, and the qualitative unit is obtained by measuring a sample gas. The gas component can be identified by examining which of the fixed points for each gas component stored in the storage means passes through the nth-order differential waveform.
即ち、上述したようにn次微分波形を含む2次元グラフ上での上記固定点の位置はガス成分の種類毎に相違しているから、予め標準試料を用いて実際に測定を行って分析対象として考えられるガス成分毎に固定点を求めて記憶手段に記憶しておくことができる。この構成によれば、定性手段の処理内容が簡単であるので、装置の小型化、低コスト化に有利である。 That is, as described above, the position of the fixed point on the two-dimensional graph including the nth-order differential waveform is different for each type of gas component. Therefore, the measurement target is actually measured using a standard sample in advance. It is possible to obtain a fixed point for each gas component that can be stored in the storage means. According to this configuration, the processing content of the qualitative means is simple, which is advantageous for downsizing and cost reduction of the apparatus.
なお、上記固定点の装置間差(器差)が大きい場合には、各装置毎にそれぞれ標準試料の測定を行って固定点を求めるようにするか、或いは固定点の装置間差を補正するような演算処理を各装置で行うようにするとよい。また、固定点の経時変化が大きい場合には、予め経時変化を想定してその想定に沿った補正を行うようにするか、或いは、例えば所定時間装置を使用する毎に標準試料を測定し直して固定点の較正を実行するようにするとよい。 In addition, when the difference (instrument difference) between the fixed points is large, the standard sample is measured for each device to obtain the fixed point, or the fixed point difference between the devices is corrected. Such arithmetic processing may be performed by each device. In addition, when the change with time of the fixed point is large, it is assumed that the change with time is assumed in advance and correction is performed according to the assumption, or the standard sample is measured again every time the apparatus is used for a predetermined time, for example. It is advisable to perform a fixed point calibration.
本発明に係るガス検出装置では、ガスセンサとしては各種の金属酸化物半導体ガスセンサを用いることができ、例えば広く使用されているSnO2センサを用いてもよい。これにより、特殊なガスセンサではなく、一般的な安価なガスセンサを利用することができる。 In the gas detection device according to the present invention, various metal oxide semiconductor gas sensors can be used as the gas sensor, for example, a widely used SnO 2 sensor may be used. Thereby, not a special gas sensor but a general inexpensive gas sensor can be used.
なお、微分の次数nが大きくなると波形の時間的変化が小さくなるから、一般的にnは小さいほうがよく、例えば1又は2とする(つまり1次微分又は2次微分とする)とよい。また、nを1つのみ選択するのではなく複数選択し、例えば動的応答の時間に関する1次微分波形と固定点との関係、及び2次微分波形と固定点との関係の両方に基づいてガス成分を同定するようにしてもよい。 In addition, since the time change of a waveform will become small if the order n of a differentiation becomes large, generally n should be small, for example, it is good to set it as 1 or 2 (namely, it is set as a primary differentiation or a secondary differentiation). Further, not only one n but a plurality are selected, for example, based on both the relationship between the primary differential waveform and the fixed point related to the dynamic response time, and the relationship between the secondary differential waveform and the fixed point. You may make it identify a gas component.
以下、まず本発明に係るガス検出方法及びガス検出装置におけるガス成分の同定の原理について、本発明者が行った実験結果を交えて説明する。 Hereinafter, the principle of gas component identification in the gas detection method and gas detection apparatus according to the present invention will be described together with the results of experiments conducted by the present inventors.
単一成分を含むガス雰囲気中に置かれた金属酸化物半導体ガスセンサ(この例ではSnO2ガスセンサ)の温度を、ガス検知可能な温度範囲内で第1温度T1から第2温度T2に上昇させたとき、その温度変化の過程でガスセンサの検出信号は特徴的な態様を以て変化する。この過渡的な変化が温度変化に対する動的応答であるが、その応答特性はガス成分の種類とその濃度とによって異なるものとなる。 The temperature of the metal oxide semiconductor gas sensor (SnO 2 gas sensor in this example) placed in a gas atmosphere containing a single component was raised from the first temperature T1 to the second temperature T2 within the temperature range in which gas can be detected. When the temperature changes, the detection signal of the gas sensor changes in a characteristic manner. This transient change is a dynamic response to a temperature change, but its response characteristic varies depending on the type of gas component and its concentration.
図4は本発明者が行った実験において、時刻0でガスセンサに付設されたヒータに流す加熱電流をステップ状に増加させたときのガスセンサの表面温度の実測値を示すグラフである。時間0から約15秒間で温度はT1=約410[K](約140℃)からT2=約520[K](約250℃)まで上昇する。但し、後述のガスセンサ10の応答特性の結果からみると、この温度変化はこの実験で使用した温度検出装置の限界により、実際にガスセンサの感応膜で生じている温度変化よりも遅れているものと考えられる。いずれにしても、このような加熱電流の増加に伴ってガスセンサ10の温度は第1温度T1から第2温度T2まで適宜のレートで上昇し、第2温度T2に近づくにつれて上昇レートが緩やかになり、第2温度T2近傍に達すると熱平衡によりほぼその温度に維持される。
FIG. 4 is a graph showing measured values of the surface temperature of the gas sensor when the heating current passed through the heater attached to the gas sensor at
図5は、メタノール、エタノール、ベンゼン、1−プロパノール、2−プロパノール、1−ブタノール、2−メチル−1−プロパノール、及び2−ブタノールの8種のガス成分と希釈ガスである空気とについて、上記のような温度変化に対するガスセンサ10の動的応答を実測した波形を示すグラフである。ガス成分の濃度は各成分とも100、200、300ppmの3段階である。
FIG. 5 shows the above eight gas components of methanol, ethanol, benzene, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, 2-methyl-1-propanol, and 2-butanol, and air as a dilution gas. It is a graph which shows the waveform which measured the dynamic response of the
図5で分かるように、動的応答の波形形状は基本的にガス成分毎に異なっており、また濃度によっても異なる。したがって、この動的応答の波形はガス成分の種類に関する情報(定性情報)と濃度に関する情報(定量情報)とを含むと言える。しかしながら、この波形形状から直接的に定性情報と定量情報とを完全に分離して、それぞれ求めることは困難である。 As can be seen from FIG. 5, the waveform shape of the dynamic response basically differs for each gas component, and also varies depending on the concentration. Therefore, it can be said that the waveform of this dynamic response includes information (qualitative information) regarding the type of gas component and information (quantitative information) regarding the concentration. However, it is difficult to completely separate qualitative information and quantitative information directly from this waveform shape.
図6は図5に示した各波形をそれぞれ時間に関して1次微分した波形を示すグラフである。この図6を見れば、特に温度変化の初期の5秒間においてガス成分毎に波形形状に相違が生じていることが分かる。一方、7.5秒経過以降の波形形状ではガス成分による明確な差異は殆どみられない。そこで、本発明者はこの初期の5秒間の過渡的な波形変動に着目した。 FIG. 6 is a graph showing waveforms obtained by first-order differentiation of the waveforms shown in FIG. 5 with respect to time. It can be seen from FIG. 6 that there is a difference in the waveform shape for each gas component, particularly in the initial 5 seconds of the temperature change. On the other hand, in the waveform shape after 7.5 seconds, there is almost no clear difference due to the gas component. Therefore, the present inventor has paid attention to the initial 5 second transient waveform fluctuation.
図7は、エタノール、1−ブタノール、2−メチル−1−プロパノールの3種のガス成分をそれぞれ単体で含む試料ガスについて、温度変化時点(時刻0)からの初期の5秒間の動的応答の時間に関する1次微分波形及び2次微分波形をより詳細に求めた結果を示すグラフである。各ガス成分毎に1次微分波形及び2次微分波形は異なるが、それぞれの2次元グラフ上で濃度に依存しない或る固定点を通過しており、しかもその固定点はガス成分毎に異なる位置(時間及び微分値)に存在していることが分かる。 FIG. 7 shows the dynamic response of the initial 5 seconds from the time of temperature change (time 0) for the sample gas containing each of the three gas components, ethanol, 1-butanol and 2-methyl-1-propanol. It is a graph which shows the result of having calculated | required in detail the primary differential waveform and secondary differential waveform regarding time. The primary differential waveform and the secondary differential waveform differ for each gas component, but pass through a fixed point that does not depend on the concentration on each two-dimensional graph, and the fixed point is different for each gas component. It can be seen that it exists in (time and differential value).
例えばエタノールについての1次微分波形では約0.5秒経過後に1個の固定点が存在し、1−ブタノールについての1次微分波形では約1.0秒経過後と約3.6秒経過後とにそれぞれ1個ずつ固定点が存在し、さらに2−メチル−1−プロパノールについての1次微分波形では約0.6経過後、約2.1秒経過後、及び約3.4秒経過後の3箇所にそれぞれ1個ずつ固定点が存在していることが分かる。 For example, in the first derivative waveform for ethanol, there is one fixed point after about 0.5 seconds, and in the first derivative waveform for 1-butanol, after about 1.0 seconds and after about 3.6 seconds. In addition, there is one fixed point for each, and in the first derivative waveform for 2-methyl-1-propanol, after about 0.6, after about 2.1 seconds, and after about 3.4 seconds It can be seen that one fixed point exists at each of the three locations.
上記図7は3種のガス成分のみの結果であるが、上述したような他のガス成分についても同様の結果となり、濃度には依存しないが各成分の種類に依存して、1次微分波形を含む2次元グラフ(横軸を時間、縦軸を1次微分値としたグラフ)上及び2次微分波形を含む2次元グラフ(横軸を時間、縦軸を2次微分値としたグラフ)上で、それぞれ互いに異なる固定点を有することが判明した。 Although FIG. 7 shows the result of only three kinds of gas components, the same result is obtained for the other gas components as described above, and the first-order differential waveform does not depend on the concentration but depends on the type of each component. Two-dimensional graph (including time on the horizontal axis and the primary differential value on the vertical axis) and a two-dimensional graph including the secondary differential waveform (graph on the horizontal axis with time and the vertical axis with the secondary differential value) Above, it has been found that each has a different fixed point.
各種ガス成分の1次微分波形についての上記固定点の位置をまとめたのが図8に示すグラフである。図8中には参考のために濃度が100ppmである2−メチル−1−プロパノールの1次微分波形を点線で示している。2次微分波形についても同様のグラフを作成することができる。このように横軸を時間、縦軸を1次微分値(又は2次微分値)とした2次元グラフ上において固定点の位置はガス成分毎に明瞭に異なるので、この情報をガス成分の同定に利用することができる。 The graph shown in FIG. 8 summarizes the positions of the fixed points for the first-order differential waveforms of various gas components. In FIG. 8, the first-order differential waveform of 2-methyl-1-propanol having a concentration of 100 ppm is shown by a dotted line for reference. A similar graph can be created for the secondary differential waveform. As described above, the position of the fixed point on the two-dimensional graph with the horizontal axis representing time and the vertical axis representing the primary differential value (or secondary differential value) is clearly different for each gas component. Can be used.
即ち、ガス成分が未知である試料ガスを上述したような方法でガスセンサにより測定して、温度変化に対する動的応答の波形を取得する。そして、その動的応答波形を時間に関して1次微分して得られた波形が図8に示した固定点のいずれを通過しているのかを調べ、その結果からガス成分を同定することができる。 That is, the sample gas whose gas component is unknown is measured by the gas sensor by the method as described above, and the waveform of the dynamic response to the temperature change is acquired. Then, it is possible to examine which of the fixed points shown in FIG. 8 the waveform obtained by first-order differentiation of the dynamic response waveform with respect to time passes and identify the gas component from the result.
また、未知のガス成分が図8中に示したいずれかのガス成分であることが既知である場合(換言すれば、それ以外のガス成分である可能性がない場合)には、1次微分波形が固定点のいずれを通過しているのかを調べるのではなく、例えば1次微分波形と各固定点との相関係数或いは相関性を示す指標値を算出し、相関係数が最も高く相関性が大きいと判定されたガス成分、つまりは最も確からしいと判定されたガス成分が未知のガス成分であると結論付けてもよい。また、同様の考え方として、1次微分波形と各固定点との間の最短距離を算出し、その値に基づいて上記のような識別を行うこともできる。いずれにしても、固定点は濃度に関する情報を持たずガス成分の種類のみの情報を持つとみなして、1次微分波形又はそれ以上の次数の微分波形と該微分波形を含む2次元グラフ上に位置付けられる各ガス成分毎の固定点との関係から、ガス成分を同定することができる。 Further, when it is known that the unknown gas component is one of the gas components shown in FIG. 8 (in other words, when there is no possibility of other gas components), the first derivative Rather than examining which of the fixed points the waveform passes through, for example, the correlation coefficient between the first derivative waveform and each fixed point or an index value indicating the correlation is calculated, and the correlation coefficient is the highest. It may be concluded that the gas component that is determined to be large, that is, the gas component that is determined to be the most probable is an unknown gas component. As a similar idea, the shortest distance between the primary differential waveform and each fixed point can be calculated, and the above identification can be performed based on the value. In any case, the fixed point does not have information on the concentration but has only information on the type of gas component, and on the two-dimensional graph including the first-order differential waveform or higher-order differential waveform and the differential waveform. The gas component can be identified from the relationship with the fixed point for each gas component positioned.
以上が本発明に係るガス検出方法のガス成分同定の原理である。次に、この原理を利用した本発明に係るガス検出装置の一実施例について図1〜図3を参照して説明する。図1は本実施例のガス検出装置の概略構成図である。 The above is the principle of gas component identification of the gas detection method according to the present invention. Next, an embodiment of the gas detection apparatus according to the present invention using this principle will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a gas detection apparatus according to this embodiment.
このガス検出装置では、分析対象である試料ガスが導入されるガスチャンバ11内にSnO2ガスセンサ10が設置されている。なお、試料ガス中に含まれる水分の影響を軽減するために、試料ガスを除湿部に通過させた後にガスチャンバ11内に送り込んでもよい。ガスセンサ10に付設されたヒータ10aには外部の温度制御部12より加熱電流が供給され、それによってガスセンサ10は所定温度に加熱される。このガスセンサ10による検出信号は、A/D変換部13によりデジタルデータに変換されてデータ処理部20に入力される。データ処理部20は、微分演算処理部22、ガス種判別処理部23、濃度算出処理部24、固定点情報記憶部25、検量線情報記憶部26、等を機能ブロックとして備える。温度制御部12、データ処理部20等は制御部14によりその動作が統括的に制御され、制御部14には分析者が各種の指示を与えるための入力部15と、分析結果等を表示するための表示部16とが接続されている。
In this gas detector, a SnO 2 gas sensor 10 is installed in a
なお、データ処理部20及び制御部14は例えばパーソナルコンピュータ上で所定のプログラムを実行することによりその機能を達成することもできるし、またデジタルシグナルプロセッサなどを含む専用のハードウエアで以て構成することもできる。
The
図2は上記装置に含まれる固定点情報記憶部25における記憶情報を示す概念図である。上述したように、検出対象である各種の成分(化合物)についての動的応答の1次微分波形はそれぞれ濃度に依存しない固定点を有するから、予めこの固定点を化合物毎に調べて図2に示すようなテーブル形式にまとめて固定点情報記憶部25に記憶しておく。この例では、例えばガス種Aは固定点a1、a2を、ガス種Bは固定点b1、b2、b3を、ガス種Cは固定点c1、c2を持つ。なお、上述の如く、1次微分波形の固定点ではなく、2次微分波形等、n次微分(n=1、2、…)波形の固定点を用いてもよく、また複数のn次微分波形の固定点を併用することで識別性を高めることもできる。
FIG. 2 is a conceptual diagram showing the stored information in the fixed point
一方、上記装置に含まれる検量線情報記憶部26には、各種の化合物についての動的応答から求めた、検出値と濃度との関係を示す検量線を表す情報を格納しておく。例えば図5を見れば分かるように、温度変化時点から10秒又は15秒経過後の検出値は濃度によって相違するから、化合物毎に濃度と検出値との関係から例えば図3に示すような検量線を作成して、その検量線を表す近似多項式を求めてその情報を検量線情報記憶部26に格納しておくものとする。
On the other hand, the calibration curve
続いて、本実施例のガス検出装置におけるガス分析動作を説明する。制御部14の制御の下に、温度制御部12はガスセンサ10の温度が第1温度T1となるようにヒータ10aに流す加熱電流を制御する。そして、その状態から所定のタイミング(例えば時刻t0)で以て温度制御部12はガスセンサ10の温度が第1温度T1から第2温度T2(T2>T1)に変化するように加熱電流を増加させる。これによって、ガスセンサ10の温度は第1温度T1から第2温度T2に上昇する。加熱電流の増加はステップ状であっても、熱容量などの影響で実際にはガスセンサ10の温度上昇はステップ状とはならない。なお、第1温度T1、第2温度T2は検出対象であるガス成分の範疇などに応じて適宜に設定するとよい。例えば検出対象がアルコール類であるような場合には、上述したようにT1を400[K]近辺、T2を500[K]近辺にしておけばよい。
Subsequently, a gas analysis operation in the gas detection apparatus of the present embodiment will be described. Under the control of the
制御部14から測定開始の指示を受けたデータ処理部20は上記時刻t0からデータの収集を開始し、A/D変換部13により所定のサンプリング時間間隔でデジタルデータに変換された検出信号を取り込み始める。ガスセンサ10の温度が第1温度T1から第2温度T2に上昇するとき、特にその初期の5秒程度の期間中にガスセンサ10の検出信号は大きく変化し、その後、定常状態に近づくように緩やかに変化する。微分演算処理部22はこうした時間依存性を有するデータを受け、リアルタイムで微分演算処理を行うことで1次微分波形データを作成しガス種判別処理部23に送る。
Upon receiving an instruction to start measurement from the
ガス種判別処理部23は固定点情報記憶部25に格納されている上述したような各ガス成分毎の固定点に関する情報を読み出し、微分演算処理部22より受け取った1次微分波形データがいずれの固定点を通るのかを判定する。ここで、例えば固定点情報記憶部25に格納されている固定点がそれぞれ或る1点の座標位置を示すものであったとしても、分析条件のばらつきや分析誤差などを考えると、或る程度のずれを許容する必要がある。そこで、実際には固定点で示される座標位置を中心として所定範囲をその固定点としての検出範囲と定め、1次微分波形がこの検出範囲を通過した場合には固定点を通過したものとみなすような処理を行う。これによって、分析条件のばらつきや各種誤差の影響が軽減される。
The gas type
ガス種判別処理部23は上記のように1次微分波形と固定点との位置関係に基づいて、未知のガス成分がいずれのガス成分であるのかを特定し、成分種類情報として制御部14とともに濃度算出部24に送る。濃度算出部24はその成分情報を受けて、検量線情報記憶部26に格納されているその成分に応じた検量線情報を読み出して検量線を再現する。そして、データ処理部20に入力された動的応答波形において予め決められた経過時間(例えば15秒経過後)における検出値を取得し、再現した検量線を参照して検出値から濃度を求める。
The gas type
制御部14は上記のようにして求まった成分種類情報と濃度情報とを受けて、これを表示部16に表示させる。これによって、分析者は測定した未知ガスの含有成分の種類とその濃度とを短時間で知ることができる。
The
なお、ガス種判別処理部23は上記のような処理の結果、固定点情報記憶部25に用意されている固定点に対応したものが見つからない場合には、検出不能であるとして制御部14を通して表示部16にその旨を表示させればよい。
Note that if the gas type
なお、固定点は常に一定とは限らず、経時変化を生じる場合もあるし或いは分析条件(例えば試料ガスの湿度など)等によっても変化する可能性があり得る。また、一般にガスセンサの応答特性には幾分の個体差が認められるため、固定点の装置間差異もあるものと考えれる。そこで、例えば補正処理を行ったり、或いは実際に標準試料の測定を行った結果に基づいて校正処理を行ったりして、固定点を適宜に修正して用いるとよい。 Note that the fixed point is not always constant and may change with time or may change depending on the analysis conditions (for example, the humidity of the sample gas). In addition, since there are generally some individual differences in the response characteristics of the gas sensor, it is considered that there are also differences between the devices at fixed points. Accordingly, for example, correction processing may be performed, or calibration processing may be performed based on the result of actual measurement of a standard sample, and the fixed point may be appropriately corrected and used.
また、上記実施例では1次微分波形がいずれの固定点を通過するのかを判定していたが、上述したように、固定点と1次(又はn次)微分波形との相関性など利用してガス成分の種類を同定するようにしてもよい。 In the above-described embodiment, it is determined which fixed point the first-order differential waveform passes through. However, as described above, the correlation between the fixed point and the first-order (or n-th order) differential waveform is used. Thus, the type of gas component may be identified.
また、上記実施例では、ガスセンサにより得られる検出信号をほぼリアルタイムで処理して分析結果を出すようにしているが、検出信号をA/D変換したデータを一旦データメモリに保存し、その後にバッチ処理的に解析処理を行う構成としてもよい。 In the above embodiment, the detection signal obtained by the gas sensor is processed almost in real time and the analysis result is output. However, the data obtained by A / D conversion of the detection signal is temporarily stored in the data memory, and then batch processing is performed. It is good also as a structure which performs an analysis process in process.
また、上記実施例では1個のガスセンサでガス成分の同定と定量とを行う場合について述べたが、異なる応答特性を有するガスセンサを2個以上併設して、同定可能なガス種類を増やしたり、或いは同定や定量の信頼性を一層高めたりするようにしてもよい。 Further, in the above embodiment, the case where the gas component is identified and quantified by one gas sensor has been described. However, two or more gas sensors having different response characteristics can be provided to increase the types of gas that can be identified, or The reliability of identification and quantification may be further increased.
さらに、上記実施例は本発明の一例であるから、上記記載の点以外においても、本発明の趣旨の範囲で適宜、変更、修正、追加などを行っても本願特許請求の範囲に包含されることは明らかである。 Further, since the above embodiment is an example of the present invention, any change, correction, addition, etc., as appropriate within the scope of the present invention, are included in the scope of the claims of the present application in addition to the above description. It is clear.
10…SnO2ガスセンサ
10a…ヒータ
11…ガスチャンバ
12…温度制御部
13…A/D変換部
14…制御部
15…入力部
16…表示部
20…データ処理部
22…微分演算処理部
23…ガス種判別処理部
24…濃度算出処理部
25…固定点情報記憶部
26…検量線情報記憶部
10 ... SnO 2 gas sensor 10a ...
25 ... Fixed point
Claims (5)
a)前記ガスセンサに試料ガスが晒された状態の下で、該ガスセンサの温度をその応答動作可能な範囲内で変化させ、
b)その温度変化に応じた前記ガスセンサの検出信号の動的応答を測定し、
c)その動的応答波形の時間に関するn次微分(n=1、2、…)波形と、該n次微分波形が描かれるグラフ上に設定された、濃度の相違する同一ガス成分に対するn次微分波形のいずれもが共通に通過し且つガス成分の種類毎には一致しないような固定点と、の関係に基づいて前記試料ガスに含まれるガス成分を同定する、
ことを特徴とするガス検出方法。 In a gas detection method for detecting a gas containing an unknown component by a gas sensor using a metal oxide semiconductor and identifying at least the component,
a) Under the condition where the sample gas is exposed to the gas sensor, the temperature of the gas sensor is changed within a range where the response operation is possible,
b) Measure the dynamic response of the detection signal of the gas sensor according to the temperature change,
c) nth order differential (n = 1, 2,...) waveform with respect to time of the dynamic response waveform and the nth order for the same gas component having different concentrations set on the graph on which the nth order differential waveform is drawn. Identifying the gas component contained in the sample gas based on the relationship with a fixed point where all of the differential waveforms pass in common and do not match for each type of gas component,
The gas detection method characterized by the above-mentioned.
b)前記ガスセンサの温度をその応答動作可能な範囲内で変化させる温度制御手段と、
c)前記ガスセンサに試料ガスが晒された状態の下で、前記温度制御手段による温度変化に応じた前記ガスセンサの検出信号の動的応答を測定する測定制御手段と、
d)前記動的応答波形の時間に関するn次微分(n=1、2、…)波形と、該n次微分波形が描かれるグラフ上に設定された、濃度の相違する同一ガス成分に対するn次微分波形のいずれもが共通に通過し且つガス成分の種類毎には一致しないような固定点と、の関係に基づいて前記試料ガスに含まれるガス成分を同定する定性手段と、
を備えることを特徴とするガス検出装置。 a) a gas sensor using a metal oxide semiconductor;
b) temperature control means for changing the temperature of the gas sensor within a range in which the response operation is possible;
c) a measurement control means for measuring a dynamic response of a detection signal of the gas sensor according to a temperature change by the temperature control means under a state in which the sample gas is exposed to the gas sensor;
d) nth-order differential (n = 1, 2,...) waveform with respect to time of the dynamic response waveform and nth-order for the same gas component having different concentrations set on the graph on which the n-order differential waveform is drawn. Qualitative means for identifying a gas component contained in the sample gas based on a relationship between a fixed point where all of the differential waveforms pass in common and do not coincide with each type of gas component;
A gas detection device comprising:
The gas detection method according to claim 1 or the gas detection device according to any one of claims 2 to 4, wherein n is 1 or 2.
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