JP2010145258A - ガス分析装置 - Google Patents

Abstract

【課題】吸着燃焼式のガスセンサを用いたガス分析装置で、センサ出力の検出値の微分波形のノイズを除去し、ピーク値の正確な位置特定、精度高い波形分析を行えるようにする。
【解決手段】吸着燃焼式のガスセンサのマイクロヒータを一定昇温制御する。１回目の４０ミリ秒の間に、マイクロヒータを一定昇温制御しながらマイクロヒータの抵抗値を高速サンプリングする。１回目の４０ミリ秒でガスセンサの余分なガス成分、水分等を焼き飛ばす。その後の１０秒間マイクロヒータを１００℃に保ち、計測ガスを吸着させる。２回目の４０ミリ秒の間に、マイクロヒータを一定昇温制御しながらマイクロヒータの抵抗値を高速サンプリングする。計測値を微分して微分波形を求める。微分波形をウェーブレット分解・合成し、ノイズを除去する。ノイズを除去した微分波形からピーク値を求め、ガス種を判定する。ピーク値の抵抗値からガス濃度を判定する。
【選択図】図５

Description

本発明は、吸着燃焼式ガスセンサを用いて有極性ガスを検知するガス分析装置に関する。

従来、吸着燃焼式ガスセンサを用いたガス検知装置として、例えば特開２００５−８３９４９号公報（特許文献１）に開示されたものがある。図１８はこのガス検知装置の回路ブロック図、図１９は同ガス検知装置の駆動用のパルス電圧を示す図、図２０は吸着燃焼式ガスセンサの概略構造を示す図である。

図２０に示す吸着燃焼式ガスセンサは、シリコン基板１０を異方性エッチングして形成されたダイヤフラム１０ａの上に、白金でパターニングされたマイクロヒータ１，２が形成されている。センサ側となるマイクロヒータ１の上には触媒３が塗布されているが、リファレンス側となるマイクロヒータ２上にはなにも形成されていない。

マイクロヒータ１，２を加熱していくと、センサ側では触媒３に吸着したガスが燃焼反応を起こす。この燃焼反応により、センサ側の温度が上昇するため、このセンサ側のマイクロヒータ２の抵抗値Ｒｓを計測することでガス濃度が計測できる。なお、リファレンス側はガスによる燃焼反応を起こさない。

上記吸着燃焼式ガスセンサは、図１８に示すようにガスセンサ側のマイクロヒータ１とリファレンス側のマイクロヒータ２は、抵抗器及び可変抵抗器でブリッジ回路を構成している。このブリッジ回路にはセンサ駆動制御部から図１９に示す駆動用のパルス電圧が印加される。そして、吸着燃焼式ガスセンサはパルス電圧ＯＦＦの３ｓｅｃ間にガスが吸着され、パルス電圧ＯＮの２００ミリ秒間に燃焼反応を起こす。

センサ出力検出部では、ガスの燃焼反応によるブリッジ回路のバランスのズレを検出する。センサ出力検出部の出力を積分演算部で演算すると、ガス濃度に応じた値が出力される。また、センサ出力検出部の出力を微分演算部で微分すると、ガス種固有のピークを持つ波形が得られる。ガス濃度検出部は積分演算部の値からガス濃度を算出し、ガス種検出部は微分演算部の出力波形からガス種を算出する。そして、それぞれ算出されたガス種、ガス濃度は出力部より出力される。
特開２００５−８３９４９号公報

前記微分演算による出力波形には微分演算による高周波数成分のノイズが増幅される。図１４はＩＳＯブタノールの各濃度での抵抗値の検出波形の一例であり、図１５は図１４の波形データを次式（４）で微分演算した結果である。なお、図１５の横軸は時間軸からガスセンサの温度にした温度軸である。
Ｙ［ｎ］＝（Ｘ［ｎ］−Ｘ［ｎ−ｍ］）／ｍ…（４）
ｎ＝Ｎ，Ｎ−ｍ，Ｎ−２ｍ，Ｎ−３ｍ，…，１
Ｙ［ｎ］：微分値
Ｘ［ｎ］：サンプリングデータ
ｍ：間引き率（例えば１０）
Ｎ：全データ数

図１５のように微分演算によるノイズが増幅されるため、波形のピーク値の正確な位置特定や、精度高い波形分析に問題がある。そこで、ノイズ成分を除去する必要がある。このノイズ除去の方法としては、移動平均が考えられる。図１６はＩＳＯブタノール濃度５０ｐｐｍでの検出値の微分波形を５０回の移動平均でノイズ除去した波形と、ノイズ除去前の波形のグラフである。移動平均の回数が多いため、波形が高温側にズレ、波形も歪んでいる。また、図１７は同様の処理を１０回の移動平均した波形とノイズ除去前の波形のグラフである。この場合には、高温側への波形のズレ、波形の歪みはそれほどないが、ノイズが十分に除去されていない。このように、移動平均等の一般的なフィルタリングでは、波形のピーク位置にズレが生じ、また、波形が歪むため、高精度な分析器のノイズ除去方法として向いていない。

本発明は、吸着燃焼式のガスセンサを用いたガス分析装置において、検出値の微分波形のノイズを除去し、ピーク値の正確な位置特定、精度高い波形分析を行えるようにすることを課題とする。

請求項１のガス分析装置は、吸着燃焼式ガスセンサのセンサ出力をサンプリングして、該サンプリングしたセンサ出力を時間微分して微分波形データを取得し、該取得した微分波形データに基づいてガスの分析を行うガス分析装置であって、前記微分波形データをウェーブレット分解し、マザーウェーブレットのスケールの大きな高レベルのウェーブレット係数により合成してノイズを除去し、該ノイズを除去した微分波形データに基づいてガスの分析を行うことを特徴とする。

請求項１のガス分析装置によれば、ガスセンサの出力の微分波形からノイズを除去できるとともにピーク値の位置のズレや波形の歪みが生じることがなくなる。したがって、ピーク値の正確な位置特定、精度高い波形分析を行える。

次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は実施の形態のガス分析装置のアナログ部の回路図、図２は同ガス分析装置のデジタル部の回路ブロック図である。図１において、ガスセンサ側のマイクロヒータ１及びリファレンス側のマイクロヒータ２は前記従来のものと同様な構造である。ガスセンサ側のマイクロヒータ１、リファレンス側のマイクロヒータ２はそれぞれブリッジ回路Ｂｓ，Ｂｒを構成している。

デジタル部（図２）から出力される後述のブリッジ電圧ＤＡ１はオペアンプａｐ１に入力され、このオペアンプａｐ１の増幅出力はガスセンサ側のブリッジ回路Ｂｓとリファレンス側のブリッジ回路Ｂｒとに印加される。ガスセンサ側のブリッジ回路Ｂｓの出力は計装アンプａｐ２により１０倍にに増幅されてＡＤ１として出力され、デジタル部のＡＤコンバータ１１に取り込まれる。リファレンス側のブリッジ回路Ｂｒの出力は計装アンプａｐ３により１０倍にに増幅される。また、ブリッジ電圧ＤＡ１は分圧回路Ｄにより１／２に分圧されてＡＤ２として出力され、デジタル部のＡＤコンバータ１２に取り込まれる。

ガスセンサ側のブリッジ回路Ｂｓの出力を計装アンプａｐ２（ガスセンサ側）で増幅した電圧と計装アンプａｐ３（リファレンス側）で増幅した電圧との差は、２段目の計装アンプａｐ４で差動増幅されてＡＤ３として出力される。この計装アンプａｐ４の出力は、デジタル部でデータサンプリングされた後、ＲＡＭ（メモリ）１４に格納される。この２段目の計装アンプａｐ４の増幅率は可変とし、外部より設定可能とする。なお、図１に付記したＲｓ、Ｒｒ、Ｒｘ、Ｒ１、Ｒはそれぞれマイクロヒータ１，２、各抵抗器の抵抗値である。

以上の構成により、計装アンプａｐ２，ａｐ３のゲインをGAIN1とすると、出力ＡＤ１の値と出力ＡＤ２の値から、以下の式（１），（２）でガスセンサ側のマイクロヒータ１の抵抗値Ｒｓを算出することができる。
Ｒｓ＝Ｒ×（２×GAIN1×ＡＤ２／（ＡＤ１＋２×GAIN2×ＡＤ２）−１）…（１）
GAIN2＝GAIN1×Ｒ／（Ｒ＋Ｒｘ）…（２）

図２に示すように、デジタル部は、アナログ部の出力ＡＤ１、ＡＤ２及びＡＤ３をそれぞれアナログ／デジタル変換するＡＤコンバータ１１，１２，１３、計測データを記憶するＲＡＭ（メモリ）１４、制御プログラム等を記憶しているＲＯＭ１５、計測制御処理をするＤＳＰ１６、ＤＳＰ１６から出力されるデジタル信号としてのブリッジ電圧ＤＡ１をデジタル／アナログ変換してアナログ部のオペアンプａｐ１に出力するＤＡコンバータ１７を備えている。なお、ＤＳＰ１６は後述の割り込み処理により、抵抗値Ｒｓのサンプリングとブリッジ電圧の出力を１００ＫＨｚのサンプリング間隔で４０００回繰り返す。

ここで、ＤＳＰ１から出力するブリッジ電圧ＤＡ１は、計測したガスセンサ側の抵抗値Ｒｓと、理想的なガスセンサの抵抗値とのズレから予測したブリッジ電圧である。理想的なガスセンサの抵抗値Ｒｏは以下の式（３）で求まる。
Ｒｏ＝（Ｒｍａｘ−Ｒｍｉｎ）／４０００×カウント＋Ｒｍｉｎ…（３）
Ｒｍａｘ：ガスセンサが５００℃のときの抵抗値
Ｒｍｉｎ：ガスセンサが１００℃のときの抵抗値
４０００：サンプリング回数
カウント：そのときのサンプリング回

ブリッジ電圧の予測方法は以下のとおりである。計測した抵抗値Ｒｓが理想抵抗値より大きい場合は、ＤＡ１に加える増量ΔＤＡ１から係数（ｋｉｎｃ）を引く。計測した抵抗値Ｒｓと理想的抵抗値が同じ場合は、ＤＡ１に加える増量ΔＤＡ１は前回のままとする。計測した抵抗値Ｒｓが理想抵抗値より小さい場合は、ＤＡ１に加える増量ΔＤＡ１に係数（ｋｉｎｃ）を加算する。そして、この更新される増量ΔＤＡ１を前回のブリッジ電圧に加算して抵抗値Ｒｓの１回のサンプリング毎にこの予測したブリッジ電圧ＤＡ１を出力する。

図３及び図４はＤＳＰ１６が実行するプログラムのフローチャートであり、図３(A) は計測制御処理のメインルーチンのフローチャート、図３(B) はヒータ制御＆サンプリング処理のサブルーチンのフローチャート、図４は割り込み処理のフローチャートであり、割り込み処理は、割り込みイネーブルにより図示しないタイマにより１００ＫＨｚで起動される。次に、同フローチャートに基づいて動作を説明する。

図３(A) の処理では、ステップＳ１で、ＲＡＭ１４内の各種レジスタのリセット等の初期設定を行い、ステップＳ２で図３(B) のヒータ制御＆サンプリング処理を行う。次に、ステップＳ３で、ブリッジ電圧ＤＡ１の初期値として１００℃になる電圧を出力しながら１０秒間待機し、ステップＳ４で２回目のヒータ制御＆サンプリング処理を行う。次に、ステップＳ５でＲＡＭ１４に格納した２回目のヒータ制御＆サンプリング処理によるサンプリングデータに微分演算を行う。次に、ステップＳ６で微分波形データについてウェーブレット分解・合成を行ってノイズを除去し、ステップＳ７でノイズ除去した微分波形のピーク値を取得する。次に、プＳ８でガス種の判定及びガス濃度の判定を行い、ステップＳ９でガス種、ガス濃度を出力する。そして、ステップＳ１０でその他の処理を行って処理を終了する。

図３(B) のヒータ制御＆サンプリング処理では、ステップＳ１１で、前記式（３）の傾きをΔＲｏとして求める。次に、ステップＳ１２でサンプリングのカウント値をリセットし、ステップＳ１３で割り込みをイネーブルにし、ステップＳ１４で、ブリッジ電圧の増量ΔＤＡ１のレジスタ、ブリッジ電圧の待避用のレジスタＤＡ１＿ｏｌｄのレジスタをリセットする。そして、ステップＳ１５でカウント値が４０００になるまで待機する。カウント値は、図５の割り込み処理を行う毎にインクリメントされるので、４０００回の割り込み処理により、４０００のデータをサンプリングするとカウント値が４０００を越えるので、ステップＳ１６で割り込みをディセーブルにし、ステップＳ１７で出力処理を行ってメインルーチン（図３(A) ）に復帰する。

図４の割り込み処理では、ステップＳ２１で、前記式（３）により現在のカウントに対応する理想的な抵抗値Ｒｏを求め、ステップＳ２２で、ＡＤコンバータ１１，１２，１３からＡＤ１、ＡＤ２及びＡＤ３のデータをそれぞれ入力し、ステップＳ２３でＡＤ３のデータをメモリ（ＲＡＭ）に格納する。次に、ステップＳ２４で、１５ビットデータのＡＤ１及びＡＤ２を電圧値に変換し、ステップＳ２５で、前記式（１）によりガスセンサ側の抵抗値Ｒｓを演算する。

次に、ステップＳ２６及びステップＳ２７でＲｓとＲｏの大小関係を判定し、Ｒｓ＜Ｒｏであれば、ステップＳ２８で、ブリッジ電圧の増量ΔＤＡ１に係数ｋｉｎｃを加算して更新し、ステップＳ３０に進む。Ｒｓ＝Ｒｏであれば増量ΔＤＡ１はもとのままでステップＳ３０に進む。Ｒｓ＞Ｒｏであれば、ステップＳ２９で、増量ΔＤＡ１から係数ｋｉｎｃを減算して更新し、ステップＳ３０に進む。そして、ステップＳ３０で、前回のブリッジ電圧ＤＡ１＿ｏｌｄに増量ΔＤＡ１を加算して今回のブリッジ電圧ＤＡ１とする。

次に、ステップＳ３１でブリッジ電圧ＤＡ１をＤＡコンバータ１６を介してアナログ部に出力し、ステップＳ３２で今回のブリッジ電圧ＤＡ１をレジスタＤＡ１＿ｏｌｄに待避するとともに、カウントをインクリメントして元のルーチンに復帰する。

図５は上記計測制御処理によるガスセンサ側のマイクロヒータ１の温度変化を示す図であり、１回目及び２回目の４０ミリ秒のマイクロヒータ１の温度は一定昇温制御されている。１回目の一定昇温制御により、ガスセンサの余分なガス成分、水分等を焼き飛ばし、その後の１０秒間で計測ガスを吸着させる。そして、２回目の一定昇温制御によるガス計測を行う。

図６は時間に対するガスセンサのマイクロヒータ１の抵抗値を示すグラフ、図７はマイクロヒータ１の抵抗値と理想的な抵抗値との時間に対する誤差を示すグラフである。なお、マイクロヒータ１は白金で構成されているため、その抵抗値と温度は直線関係にある。図６に示すように、マイクロヒータ１の温度制御は、定常状態に入ると０．２％以内の誤差で制御されている。

図６に示す抵抗値のように、マイクロヒータ１の温度は、ガスによる吸着燃焼反応を起こしても、時間に対して一定の昇温温度になるように制御されるが、リファレンス側のマイクロヒータ２は、ガスによる吸着燃焼反応が無いため、ガスセンサが吸着燃焼反応を起こした場合も低い温度に制御される。このため、ＡＤ３の値は、ガス種、ガス濃度により変化する。

図８は前掲の図１５のＩＳＯブタノール５０ｐｐｍの微分波形を示すグラフであり、前掲の図１４の抵抗値に対して前記式（４）により微分演算したものである。なお、このグラフの横軸はウェーブレット変換の仮想的な時間軸である。図のように、ノコギリ状のノイズで、このノイズの周期が一定であることが解る。そして、この微分波形データに対して、図９のｃｏｉｆｒｅｔｓ５のマザーウェーブレットでレベル５のウェーブレット分解を行う。

図１０はウェーブレット分解の様子を説明する図である。図１０(A) に示すように、この実施例では図９のマザーウェーブレット波形の時間軸方向の幅を５段階にスケーリングしてウェーブレット分解した。なお、レベル１からレベル５になるほどスケールは大きくなる。そして、レベル１〜５の各レベルの各ブロックにウェーブレット係数が求まる。このレベル１〜５の各々のディテイルは図１０(B) のようになり、各レベル１〜５の合成波形は図１０(C) のようになる。ノイズを除去した微分波形としたはレベル５だけ必要である、レベル４〜１はノイズ成分と見なすことができる。このため、ウェーブレット係数に対するスレッシュホールドを、レベル４〜１に対して最高値とし、レベル５に対して０とし、合成を行うことでノイズが除去できる。

図１１はＩＳＯブタノール５０ｐｐｍについて上記の方法でノイズ除去した微分波形のグラフである。図から解るように、波形の低域の原型は維持したまま、完全にノイズが除去されている。

図１２はＩＳＯブタノールの各ガス濃度でのノイズ除去した微分波形のグラフであり、ピーク位置がガス濃度によらす一定であることが解る。また、ピーク時のセンサ温度が計測できていることが解る。

図１３はＴＥＲＴブタノールの各ガス濃度でのノイズ除去した微分波形のグラフであり、ＩＯＳブタノールと同様に、ピーク位置がガス濃度によらす一定であることが解る。また、ピーク時のセンサ温度が計測できていることが解る。

なお、図１２と図１３のグラフから、ガス種により微分波形のピークの温度が異なることが解り、ガスの組成とピークの出る温度との関係を考察することができる。

なお、従来のガス検知器では、ガス濃度によらずガスセンサ側のマイクロヒータ１を一定電圧で制御するため、ガスセンサの吸着燃焼時の発熱温度の違い（濃度の違い）により、ピーク位置にズレが出てしまうという問題があるが、実施形態のガス分析装置では、ヒータの抵抗値をサンプリングして該サンプリングした抵抗値が一定変化で上昇するように、ヒータに対して一定昇温制御を行っているので、ガスセンサの出力の微分波形のピーク位置が、ガス濃度の違いによる影響を受けずに殆どずれを生じることがない。また、ピークの出るセンサ温度も計測することができ、こにれより、ガスの組成によるピークの出力を考察する分析器として活用することができる。さらに、クリーンガスによるゼロガス補正を必要としない。

なお、図１に示すガスセンサのアナログ部の構成は一例であり、この実施形態に限らず、他の構成でもよい。また、図２に示すデジタル部のＤＳＰの処理はパーソナルコンピュータ、マイコン等で行ってもよい。

本発明の実施の形態のガス分析装置のアナログ部の回路図である。 同ガス分析装置のデジタル部の回路ブロック図である。 実施形態に係るメインルーチン及びサブルーチンのフローチャートである。 実施形態に係る割り込み処理ルーチンのフローチャートである。 実施形態における計測制御処理によるガスセンサ側のマイクロヒータの温度変化を示す図である。 実施形態における時間に対するガスセンサのマイクロヒータの抵抗値を示すグラフである。 実施形態におけるガスセンサのマイクロヒータの抵抗値と理想的な抵抗値との時間に対する誤差を示すグラフである。 ＩＳＯブタノール５０ｐｐｍの微分波形を示すグラフである。 実施形態におけるｃｏｉｆｒｅｔｓ５のマザーウェーブレットを示す図である。 実施形態におけるウェーブレット分解の様子を説明する図である。 ＩＳＯブタノール５０ｐｐｍのノイズ除去した微分波形のグラフである。 ＩＳＯブタノールの各ガス濃度でのノイズ除去した微分波形のグラフである。 ＴＥＲＴブタノールの各ガス濃度でのノイズ除去した微分波形のグラフである。 ＩＳＯブタノールの各濃度での抵抗値の検出波形の一例である。 図１４の波形データを微分演算した微分波形のグラフである。 ＩＳＯブタノール濃度５０ｐｐｍでの検出値の微分波形を５０回の移動平均でノイズ除去した波形のグラフである。 ＩＳＯブタノール濃度５０ｐｐｍでの検出値の微分波形を１０回の移動平均でノイズ除去した波形のグラフである。 従来のガス検知装置のの回路ブロック図である。 同ガス検知装置の駆動用のパルス電圧を示す図である。 吸着燃焼式ガスセンサの概略構造を示す図である。

符号の説明

１ ガスセンサ側のマイクロヒータ
２ リファレンス側のマイクロヒータ
Ｂｓ ガスセンサ側のブリッジ回路
Ｂｒ リファレンス側のブリッジ回路
ａｐ４ 計装アンプ
１６ ＤＳＰ
１７ ＤＡコンバータ

Claims (1)

1. 吸着燃焼式ガスセンサのセンサ出力をサンプリングして、該サンプリングしたセンサ出力を時間微分して微分波形データを取得し、該取得した微分波形データに基づいてガスの分析を行うガス分析装置であって、
   前記微分波形データをウェーブレット分解し、マザーウェーブレットのスケールの大きな高レベルのウェーブレット係数により合成してノイズを除去し、該ノイズを除去した微分波形データに基づいてガスの分析を行うことを特徴とするガス分析装置。

Images