JP2012042399A

JP2012042399A - Ｔｖｏｃの検出方法、検出装置および外気導入量制御システム

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Publication number: JP2012042399A
Application number: JP2010185596A
Authority: JP
Inventors: Hajime Yamaguchi; 一山口; Toshihiro Otsuka; 俊裕大塚; Tsuneyoshi Matsugi; 常義眞継; Masaki Nakayama; 正樹中山
Original assignee: Shimizu Construction Co Ltd; New Cosmos Electric Co Ltd; Shimizu Corp
Current assignee: Shimizu Construction Co Ltd; New Cosmos Electric Co Ltd; Shimizu Corp
Priority date: 2010-08-20
Filing date: 2010-08-20
Publication date: 2012-03-01
Anticipated expiration: 2030-08-20
Also published as: JP5416055B2

Abstract

【課題】ＴＶＯＣを精度よく検出することができるＴＶＯＣの検出方法、検出装置および外気導入量制御システムを提供する。
【解決手段】室内２のＴＶＯＣの濃度を、半導体式センサ１２を用いて検出する方法であって、ＴＶＯＣの濃度と半導体式センサ１２の出力信号との関係を示す感度曲線を絶対湿度毎に予め求めておき、室内２のＴＶＯＣの濃度を半導体式センサ１２で検出する際に、同時に温湿度センサ１４で半導体式センサ１２位置の温湿度を測定し、この測定値に基づいて絶対湿度を求め、この絶対湿度に対応する感度曲線から半導体式センサ１２の出力信号に対応するＴＶＯＣの濃度を読み取り、読み取ったＴＶＯＣの濃度に対応する出力信号を、真値と定義した感度曲線から読み取り、この出力信号を補正値として半導体式センサ１２の出力信号の温湿度誤差を補正するようにする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体式センサを用いたＴＶＯＣ（総揮発性有機化合物：Total Volatile Organic Compound）の検出方法、検出装置および外気導入量制御システムに関するものである。

従来、半導体式センサ等で臭気を測定する際に温湿度誤差が生じることが知られている。この温湿度誤差を補正する方法としては、例えば、特許文献１〜３の方法がある。

特許文献１の臭いセンサを用いた空気清浄器では、周囲の温湿度の影響を受ける半導体センサの出力信号を、複数の特定の波長を選別して検出できる赤外線センサの出力信号で補正している。

また、特許文献２の臭気ガスの測定装置では、測定ガスの絶対湿度と等しい絶対湿度の空気を製造し、それを標準空気としてゼロ値の設定に用いることにより、測定値より水分の影響を補正している。

また、特許文献３の臭気・ガス分析用温湿度補正器は、測定ガスと標準空気の温湿度を等しくすることにより、温湿度誤差を補正している。

一方、本発明者は、既に特許文献４に示す外気導入量制御システムを提供している。このシステムは、簡易ＴＶＯＣセンサで測定したＴＶＯＣ濃度値が所定値以上となった場合に、外気導入量を増大させる制御を行うものであり、簡易ＴＶＯＣセンサとしては、半導体式センサを始めとする種々のセンサを用いることができる。

特開２００１−７４６８２号公報特開平５−１０７１６７号公報実開平６−２８７０２号公報特開２００８−１９０７６０号公報

ところで、室内のＴＶＯＣの検出においては、半導体式センサを始めとした種々のセンサでは感度が不足しているために、要求されるＴＶＯＣの濃度を検出することは一般に困難とされている。また、センサの感度不足を、センサアンプ（増幅器）の増幅度を上げることで出力を得ようとしても、温湿度などの外乱による影響が、検知対象によるセンサの出力を上回り実用的ではなかった。このため、ＴＶＯＣを精度よく検出することができる技術の開発が望まれていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、ＴＶＯＣを精度よく検出することができるＴＶＯＣの検出方法、検出装置および外気導入量制御システムを提供することを目的とする。

上記した課題を解決し、目的を達成するために、本発明の請求項１に係るＴＶＯＣの検出方法は、室内のＴＶＯＣの濃度を、半導体式センサを用いて検出する方法であって、ＴＶＯＣの濃度と前記半導体式センサの出力信号との関係を示す感度曲線を絶対湿度毎に予め求めておき、室内のＴＶＯＣの濃度を前記半導体式センサで検出する際に、同時に温湿度センサで前記半導体式センサ位置の温湿度を測定し、この測定値に基づいて絶対湿度を求め、この絶対湿度に対応する感度曲線から前記半導体式センサの出力信号に対応するＴＶＯＣの濃度を読み取り、読み取ったＴＶＯＣの濃度に対応する出力信号を、真値と定義した感度曲線から読み取り、この出力信号を補正値として前記半導体式センサの出力信号の温湿度誤差を補正することを特徴とする。

また、本発明の請求項２に係るＴＶＯＣの検出方法は、上述した請求項１において、温湿度センサの測定値に基づいて、温度による出力変動に伴う測定系のセンサアンプのドリフトを補正することを特徴とする。

また、本発明の請求項３に係るＴＶＯＣの検出装置は、室内のＴＶＯＣの濃度を、半導体式センサを用いて検出する装置であって、ＴＶＯＣの濃度と前記半導体式センサの出力信号との関係を示す感度曲線を絶対湿度毎に予め求めておき、室内のＴＶＯＣの濃度を前記半導体式センサで検出する際に、同時に温湿度センサで前記半導体式センサ位置の温湿度を測定し、この測定値に基づいて絶対湿度を求め、この絶対湿度に対応する感度曲線から前記半導体式センサの出力信号に対応するＴＶＯＣの濃度を読み取り、読み取ったＴＶＯＣの濃度に対応する出力信号を、真値と定義した感度曲線から読み取り、この出力信号を補正値として前記半導体式センサの出力信号の温湿度誤差を補正することを特徴とする。

また、本発明の請求項４に係るＴＶＯＣの検出装置は、上述した請求項３において、温湿度センサの測定値に基づいて、温度による出力変動に伴う測定系のセンサアンプのドリフトを補正することを特徴とする。

また、本発明の請求項５に係る外気導入量制御システムは、上述した請求項３または４に記載のＴＶＯＣの検出装置を備え、ＴＶＯＣの検出値に基づいて外気導入量を制御することを特徴とする。

また、本発明の請求項６に係る外気導入量制御システムは、上述した請求項５において、複数種類の臭気を測定する複数の臭気用センサをさらに備えることを特徴とする。

また、本発明の請求項７に係る外気導入量制御システムは、上述した請求項６において、臭気の検出値に基づいて外気導入量を制御することを特徴とする。

本発明によれば、室内のＴＶＯＣの濃度を、半導体式センサを用いて検出する方法であって、ＴＶＯＣの濃度と前記半導体式センサの出力信号との関係を示す感度曲線を絶対湿度毎に予め求めておき、室内のＴＶＯＣの濃度を前記半導体式センサで検出する際に、同時に温湿度センサで前記半導体式センサ位置の温湿度を測定し、この測定値に基づいて絶対湿度を求め、この絶対湿度に対応する感度曲線から前記半導体式センサの出力信号に対応するＴＶＯＣの濃度を読み取り、読み取ったＴＶＯＣの濃度に対応する出力信号を、真値と定義した感度曲線から読み取り、この出力信号を補正値として前記半導体式センサの出力信号の温湿度誤差を補正するので、ＴＶＯＣを精度よく検出することができるという効果を奏する。

図１は、本発明に係るＴＶＯＣの検出方法および検出装置の実施例を示す図である。図２は、感度曲線および温湿度補正の一例を示す図である。図３は、標準状態での測定結果の一例を示す図である。図４は、低湿状態での測定結果の一例を示す図である。図５は、臭気用センサによる外気導入量制御の一例を示す図である。

以下に、本発明に係るＴＶＯＣの検出方法、検出装置および外気導入量制御システムの実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。なお、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

まず、本発明をなすに至った着想について説明する。
本発明者が、半導体式センサを使った室内空気の長期モニター結果とＴＶＯＣの精密測定結果について検討したところ、ＴＶＯＣに含まれる個々の成分について要求される濃度では、半導体式センサによる出力は有意なものではなかった。しかしながら、ＴＶＯＣを管理するために要求される濃度付近においては、外乱を排除した半導体式センサ出力とＴＶＯＣの濃度との間には相関性があることが見出された。

半導体式センサは、一般に外乱として温度、湿度の影響を受け、ＴＶＯＣによらない出力変動がＴＶＯＣの濃度変化を上回る。このため、半導体式センサ出力の温湿度補正を実施し外乱を排除することで、ＴＶＯＣによる出力変動のみを検出することができる。本発明はこうした着想に基づいてなされたものである。

図１に示すように、本発明に係るＴＶＯＣの検出装置１０は、室内２のＴＶＯＣの濃度を検出する半導体式センサ１２と、半導体式センサ１２位置の温湿度を測定する温湿度センサ１４と、これらと電気的に接続されたマイクロコンピュータ１６とを備える。

ここで、半導体式センサ１２と温湿度センサ１４は同一ユニット１８内に近接配置してある。このようにすれば、ユニット１８内の構成品から熱等が発生してユニット１８内の温湿度が室内２の温湿度と異なっても、半導体式センサ１２の出力信号の温湿度誤差を高精度で補正できる。

マイクロコンピュータ１６は、Ａ／Ｄ、Ｄ／Ａ変換機能を有し、温湿度補正済みの出力信号を信号線２０、２２を介してアナログ出力、デジタル出力する。

上記したように、半導体式センサ１２の出力値（出力信号）は温湿度により変動する。そこで、ＴＶＯＣの濃度と半導体式センサの出力信号との関係を示す感度曲線を絶対湿度毎に予め作成しておき、これをマイクロコンピュータ１６のメモリに格納しておく。この場合、例えば、予め決められた温湿度条件（例えば、相対湿度２０℃６０％ＲＨ）の下、標準（清浄）空気中で半導体式センサ１２の出力値が最小になった値と、検知対象の一定濃度ガスにより得られる出力値から感度曲線を作成する。

本発明では、室内のＴＶＯＣの濃度を半導体式センサで検出する際に、同時に温湿度センサで半導体式センサ位置の温湿度を測定し、この測定値に基づいて絶対湿度を求める。

次いで、この絶対湿度に対応する感度曲線から半導体式センサの出力信号に対応するＴＶＯＣの濃度を読み取る。

続いて、読み取ったＴＶＯＣの濃度に対応する出力信号を、真値と定義した感度曲線から読み取る。この出力信号を補正値として半導体式センサの出力信号の温湿度誤差を補正する。このようにすることで、半導体式センサを用いてＴＶＯＣを精度よく検出することができ、ＴＶＯＣの精密測定を要しない。

このように、本発明の半導体式センサの温湿度補正は、上記温湿度条件の半導体式センサ出力値を真値と定義し、半導体式センサの温湿度による出力値の変動を上記温湿度条件の出力値に変換することで真の半導体式センサ値を測定できるようにしている。

通常、温湿度補正を行おうとする場合、温度、湿度が共に出力値の変動要因であるときは、温度毎に湿度を変えた出力特性を測定して、その変化が近似式等で表される場合はその式を使用し、そうでない場合は補正テーブル（半導体式センサを使用する温湿度でのセンサ出力値と、真値の対応表）などを作成して補正を行う必要がある。

半導体式センサの温湿度による出力値の変動は、主に絶対湿度に依存し、温度による変動は小さいので、半導体式センサの置かれている温湿度から絶対湿度を計算し、先に真値と定義した絶対湿度条件での値に変換することで、半導体式センサを使用する全ての温湿度領域での補正テーブルを持つ必要はない。

例えば、相対湿度が２０℃６０％ＲＨの場合、絶対湿度は１０．３６６ｇ／ｋｇ’となる。これは相対湿度６０℃８％ＲＨの場合の絶対湿度１０．３６５ｇ／ｋｇ’とほとんど同じなので、この環境の場合、補正する必要がないことが分かる。

次に、感度曲線の具体的な作成方法および温湿度補正について図２を参照しながら説明する。

（１）半導体式センサの検知対象ガス（ＴＶＯＣ）の各濃度（例えば、検知対象ガス濃度０ｐｐｍ、１ｐｐｍ、２ｐｐｍ、５ｐｐｍ、１０ｐｐｍ、２０ｐｐｍ、５０ｐｐｍ、１００ｐｐｍ、２００ｐｐｍ、５００ｐｐｍ、１０００ｐｐｍ）での出力値を、絶対湿度を変化させて測定し（例えば、４．２ｇ／ｋｇ’、６．３ｇ／ｋｇ’、９．３ｇ／ｋｇ’、１７．９ｇ／ｋｇ’、２７．２ｇ／ｋｇ’、４０．９ｇ／ｋｇ’）、図２に示すような感度曲線を作る。図２中、横軸はガス濃度を、縦軸は半導体式センサ出力値（電圧）を示している。なお、異なるガス濃度毎に絶対湿度の変化を測定する必要があるのは、半導体式センサ出力値がガス濃度に対して直線的に変化しないためである。

（２）半導体式センサでガス濃度を測定したときに、同時に温湿度センサで温湿度を測定し、この測定値に基づいて絶対湿度を計算する。

（３）計算結果の絶対湿度での感度曲線を、作成済みの感度曲線（図２）中から探す。ちょうど一致する感度曲線がない場合には、作成済みの感度曲線を利用して補間により求める。

（４）補間にて感度曲線を求める方法は、各濃度における測定時の絶対湿度での値の点を比例換算で求め、その点を直線で結ぶ直線補間によって求める。

（５）補間して作成した感度曲線上から半導体式センサ出力値に対応するガス濃度を求め、真値の感度曲線上からこのガス濃度に対応する電圧を読み取り、これを真値として半導体式センサ出力値の温湿度補正を行う。

（温湿度補正の具体的な方法）
次に、温湿度補正の具体的な方法について、絶対湿度１０ｇ／ｋｇ’（相対湿度２０℃６０％ＲＨ）での出力値を求める場合を例にとり説明する。

温湿度センサで測定した温湿度から計算される絶対湿度が５ｇ／ｋｇ’の場合、図２に示すように、５ｇ／ｋｇ’を通る感度曲線は無いので、４．２ｇ／ｋｇ’と６．３ｇ／ｋｇ’の感度曲線の間に、各濃度（１０００ｐｐｍ、５００ｐｐｍ、２００ｐｐｍ・・・）の５ｇ／ｋｇ’の値の各点（１）、（２）、（３）・・・を比例により求める。次に、各点を直線で結ぶことで５ｇ／ｋｇ’の感度曲線が得られる。

いま、半導体式センサで測定された出力値が３．８Ｖとすると、捕間により作成した感度曲線Ａの３．８Ｖの点Ｂから真値の絶対湿度の１０ｇ／ｋｇ’（２０℃６０％ＲＨ）の感度曲線（実線）上に垂直に投影してＣ点を見つけ、Ｃ点から電圧軸（縦軸）上の点Ｄ（４．２Ｖ）を得ることができる。

なお、補間方法は、直線補間でもよいし、指数関数などでもよい。指数関数を使えばセンサ感度の特性上さらに補間精度は向上する。

次に、温湿度補正の効果について図３および図４を参照しながら説明する。
図３および図４は、室内の温度が２０℃で、相対湿度が５５％と１６％の異なる条件下においてエタノールを１０ｐｐｍ注入した後に２０ｐｐｍ注入した場合の半導体式センサの出力値の時刻変化を表したものである。

通常、温湿度が各々２０℃で５５％の場合は、図３に示すように、半導体式センサは正常な出力を示す。しかし、２０℃で１６％の場合は、図４に示すように、半導体式センサの出力値（点線）は、相対湿度が低下した影響で真値より低い値を示す。この場合、本発明による温湿度補正を施せば、図４中の実線で示すように、真値に復帰もしくは接近することが確認できる。

なお、上記の実施の形態において、測定系のセンサアンプのドリフトを補正することもできる。一般に、測定系のセンサアンプについても温度による出力変動があることから、通常は温度の影響を受けないチョッパーアンプや温度変動の影響を受けにくい高精度計測アンプを使用するが、本発明では半導体式センサの補正用に温湿度を測定するので、予め温湿度に対するセンサアンプの温度ドリフトを測定しておき、その測定値を用いて、センサアンプの温度ドリフトを計算により補正してもよい。

（外気導入量制御システム）
次に、本発明に係る外気導入量制御システムについて説明する。
本発明に係る外気導入量制御システムは、上記のＴＶＯＣの検出装置１０と換気装置を備え、半導体式センサによるＴＶＯＣの検出値に基づいて換気装置による室内への外気導入量や換気量を制御するものである。

ここで、空気調和機器や空気清浄装置をさらに備え、半導体式センサ等の検出値に基づいて空気調和機器や空気清浄装置の動作を制御してもよい。

また、人間が知覚できる臭気の種類は多く、１個のセンサでこれら臭気全てを検知することは困難であることから、本発明に係る外気導入量制御システムは、複数種類の臭気を測定する複数の臭気用センサをさらに備えるようにしてもよい。そして、臭気用センサによる臭気の検出値に基づいて外気導入量や換気量を制御してもよい。

この臭気用センサに関しては、炭化水素類（芳香属、脂肪属など）、ケトン類、アルデヒド類、アルコール類、エーテル類、低級脂肪類、窒素化合物、硫黄化合物やハロゲン化物などの臭気物質を感知できる複数のセンサを用い、１種類のみ対応できない臭気域をカバーする。また、臭気用センサが温湿度により影響を受ける場合には、上記のＴＶＯＣ用の半導体式センサと同様の補正を行ってもよい。特に、臭気用センサでは、相対湿度が７０〜８０％以上で真値より高い値となることがあるので、本発明の補正方法の適用は効果的である。

このようにすることで、室内のＴＶＯＣ等の濃度が一定以上になれば外気導入や空気清浄機による室内環境の浄化等を実施したり、一定未満の濃度であれば外気導入量を絞るといった制御ができ、リアルタイムで外気導入量や換気量等の制御が可能となる。このため、居室の空気質を常にＴＶＯＣや臭気のレベルで監視して高度な清浄状態に保つことができる。また、不要な換気や空調機器運転を減らすことで外気負荷低減による省エネルギーや空調費用のコストダウンを図ることができる。

（臭気用センサによる外気導入制御例）
次に、臭気用センサによる外気導入制御の一例について図５を参照しながら説明する。

図５に示すように、例えば、臭気用センサの出力値が２Ｖ以上の場合は臭気が発生したと判断して、外気導入量を２回／ｈに上昇させる制御を行う。なお、通常の外気導入量は０．５回／ｈと想定する。

臭気用センサの出力値は、制御したい対象物質や室内環境の条件毎に設定することもできる。場合によっては、人感センサによって在室人員の比率によって換気（外気導入量）を２０から３０ｍ^３／ｈ・人に設定し、必要時に外気導入量を増やす制御を加えることも可能である。

また、二酸化炭素（ＣＯ_２）センサを用い、いわゆる建築物衛生法（ビル管理法）の基準濃度である１０００ｐｐｍ以下の場合でも、例えば臭気用センサの出力値が２Ｖ以上なら、外気導入量を増やす制御を行うことも可能である。さらに、センシングする物質が異なる複数の臭気用センサを用いる場合、セレクタを用い、最も高い出力値のセンサによって外気導入量を制御することも可能である。

また、センサ出力値が２Ｖ以上になって直ぐに外気導入を開始する即時制御や、センサのノイズ等の出力を排除するために数秒から数分のインターバルをおいてから外気導入するタイマー制御を行うことも可能である。

また、外気導入制御だけでなく、センサ出力値に基づいて、空気清浄機の稼動の制御や窓明け換気の制御を行ってもよい。さらに、ＴＶＯＣおよび臭気等の複合の対象物に関してセンサによるモニタリングを行ってもよいし、上記の制御をこれらのセンサ出力値に基づいて行ってもよい。

以上説明したように、本発明によれば、室内のＴＶＯＣの濃度を、半導体式センサを用いて検出する方法であって、ＴＶＯＣの濃度と前記半導体式センサの出力信号との関係を示す感度曲線を絶対湿度毎に予め求めておき、室内のＴＶＯＣの濃度を前記半導体式センサで検出する際に、同時に温湿度センサで前記半導体式センサ位置の温湿度を測定し、この測定値に基づいて絶対湿度を求め、この絶対湿度に対応する感度曲線から前記半導体式センサの出力信号に対応するＴＶＯＣの濃度を読み取り、読み取ったＴＶＯＣの濃度に対応する出力信号を、真値と定義した感度曲線から読み取り、この出力信号を補正値として前記半導体式センサの出力信号の温湿度誤差を補正するので、ＴＶＯＣを精度よく検出することができる。

以上のように、本発明に係るＴＶＯＣの検出方法、検出装置および外気導入量制御システムは、室内においてＴＶＯＣの検出が必要な分野（室内空気質の向上、保全等）や、室内において臭気の検出が必要な分野（室内臭気の低減等）に有用であり、特に、住宅、オフィス、病院、老健施設や生産施設に適している。

２室内
１０ＴＶＯＣの検出装置
１２半導体式センサ
１４温湿度センサ
１６マイクロコンピュータ
１８ユニット
２０，２２信号線

Claims

室内のＴＶＯＣの濃度を、半導体式センサを用いて検出する方法であって、
ＴＶＯＣの濃度と前記半導体式センサの出力信号との関係を示す感度曲線を絶対湿度毎に予め求めておき、
室内のＴＶＯＣの濃度を前記半導体式センサで検出する際に、同時に温湿度センサで前記半導体式センサ位置の温湿度を測定し、この測定値に基づいて絶対湿度を求め、この絶対湿度に対応する感度曲線から前記半導体式センサの出力信号に対応するＴＶＯＣの濃度を読み取り、読み取ったＴＶＯＣの濃度に対応する出力信号を、真値と定義した感度曲線から読み取り、この出力信号を補正値として前記半導体式センサの出力信号の温湿度誤差を補正することを特徴とするＴＶＯＣの検出方法。
温湿度センサの測定値に基づいて、温度による出力変動に伴う測定系のセンサアンプのドリフトを補正することを特徴とする請求項１に記載のＴＶＯＣの検出方法。
室内のＴＶＯＣの濃度を、半導体式センサを用いて検出する装置であって、
ＴＶＯＣの濃度と前記半導体式センサの出力信号との関係を示す感度曲線を絶対湿度毎に予め求めておき、
室内のＴＶＯＣの濃度を前記半導体式センサで検出する際に、同時に温湿度センサで前記半導体式センサ位置の温湿度を測定し、この測定値に基づいて絶対湿度を求め、この絶対湿度に対応する感度曲線から前記半導体式センサの出力信号に対応するＴＶＯＣの濃度を読み取り、読み取ったＴＶＯＣの濃度に対応する出力信号を、真値と定義した感度曲線から読み取り、この出力信号を補正値として前記半導体式センサの出力信号の温湿度誤差を補正することを特徴とするＴＶＯＣの検出装置。
温湿度センサの測定値に基づいて、温度による出力変動に伴う測定系のセンサアンプのドリフトを補正することを特徴とする請求項３に記載のＴＶＯＣの検出装置。
請求項３または４に記載のＴＶＯＣの検出装置を備え、ＴＶＯＣの検出値に基づいて外気導入量を制御することを特徴とする外気導入量制御システム。
複数種類の臭気を測定する複数の臭気用センサをさらに備えることを特徴とする請求項５に記載の外気導入量制御システム。
臭気の検出値に基づいて外気導入量を制御することを特徴とする請求項６に記載の外気導入量制御システム。