JP2628341B2 - ガス検出方法及びその装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の利用分野］ この発明は、可燃性ガスや毒性ガス、酸素、水蒸気等
のガスの検出に関する。

［用語法］ この明細書では、センサ出力が検出対象ガスにより増
加するものとして示す。しかしセンサの種類によって
は、これと逆の結果となる場合も有る。

［従来技術］ 過去のガスセンサ出力を基に、ガスの検出閾値を定
め、この閾値を用いてガスを検出するようにした技術は
周知である。例えば米国特許4437,391号公報は、センサ
出力の最小値を基準に検出閾値を定めることを開示して
いる。また米国特許4352,321号公報は、１分間隔でラン
ダムにセンサ出力をサンプリングし、この値を基に検出
閾値を定めている。

過去のガスセンサ出力を基に検出閾値を定めると、検
出閾値は自動的に決定される。従って、センサ毎に検出
閾値を決定する作業が不要となる。またセンサの出力が
経時変動等により変化すれば、検出閾値もそれに追随し
て自動的に変化する。このため、経時変動等の影響を自
動的に除去できる。

問題は検出閾値の意味に有る。例えばセンサの出力が
雰囲気の汚染により増加し、浄化により減少するとす
る。ここで出力の最小値に着目するのは、最も清浄な雰
囲気に対する出力を用いて検出閾値を定めるためであ
る。しかしセンサの出力は、風によるセンサの一時的冷
却、電源電圧の変動、周囲の温湿度の変動等の、影響も
受ける。そこで単純に最小値に着目すると、非現実的な
検出閾値が得られる可能性が有る。また最小値のサンプ
リング後長時間経過すると、周囲の温湿度等の変化に伴
い、検出閾値も変更しなければならないはずである。し
かし単純に最小値に着目するのみでは、検出閾値を修正
する余地がない。例えば最小値のサンプリング後、徐々
にセンサ出力が増加した場合、雰囲気の汚染が徐々に進
行したのか、周囲の温湿度が増しただけなのかを区別で
きない。

次に、１分毎にセンサ出力をサンプリングして検出閾
値を定めると、定めた検出閾値の意味は全く曖昧であ
る。例えば汚染雰囲気でのセンサ出力を基に検出閾値を
定めても、これを検出できない。また１分以上前のセン
サ出力を、検出閾値に反映させることができない。

これらの問題が生じるのは、過去のセンサ出力の挙動
全体ではなく、一点でのセンサ出力から検出閾値を定め
るためである。

［発明の課題］ この発明の課題は、過去のセンサ出力の挙動全体を基
に検出閾値を定めることと、センサ出力の偶発的変化が
検出閾値に影響することを防止することとに有る。

［発明の構成］ この発明は、過去のガスセンサ出力を基にガスの検出
閾値を定め、ガスセンサ出力とこの検出閾値との比較か
らガスを検出するようにした方法において、過去のガス
センサ出力のヒストグラムから、前記の検出閾値を定め
るようにしたことを特徴とする。

ヒストグラムから検出閾値への変換には、例えばヒス
トグラムの最大頻度に対応するセンサ出力、ヒストグラ
ムのメジアンに対応するセンサ出力、あるいはヒストグ
ラムから求めたセンサ出力の平均値等を用いる。そして
例えば、これらのものを適当な割合で増加させたものを
検出閾値とする。

検出閾値を求めるには、ヒストグラムの最大頻度に着
目するのが好ましい。センサの出力が偶発的な理由によ
り変動しても、この点に対するセンサ出力は変動しな
い。また最大頻度に着目するのは、ヒストグラムのメジ
アンや平均値に着目するのよりも優れている。センサが
汚染された環境に置かれている場合、メジアンやヒスト
グラムから求めたセンサ出力の平均値は、雰囲気の汚染
の影響を受ける。しかしヒストグラムの最大頻度に対応
するセンサ出力は、汚染の影響を余り受けない。何故な
ら雰囲気が常時一度濃度に汚染されていることは希で、
ヒストグラムには清浄雰囲気に対するピークと汚染雰囲
気に対するピークの２つが生じるからである。そして汚
染雰囲気に対するピークはブロードで洗浄雰囲気に対す
るピークの裾に隠れてしまう。このため最大頻度に着目
して検出閾値を定めると、バックグラウンドの汚染の影
響を小さくすることができる。

次にヒストグラムの幅は、雰囲気の変動の程度に対応
する。例えばバックグラウンド自体が汚染されている環
境では、バックグラウンドでのガス濃度の変動により、
ヒストグラムの分布幅が拡大する。そこでこれを用いて
検出閾値を修正することが好ましい。例えばヒストグラ
ムの最大頻度から検出閾値を定めると共に、ヒストグラ
ムの分布幅に応じて検出閾値を減少させれば良い。

ヒストグラムは過去のセンサ出力の挙動全体に対応し
たものである。これに対して、過去のセンサ出力の平均
値等を用いると、平均値以外の情報は失われてしまう。
またヒストグラムの場合、作成に必要なメモリーは小さ
く、制御回路への負担が小さい。

この発明に用いる装置としては、例えばセンサ出力を
A/D変換するためのA/Dコンバータ、A/D変換した出力を
用いてヒストグラムを作成する手段、ヒストグラムから
検出閾値を設定する手段、設定した検出閾値とセンサ出
力とを比較し、ガスを検出する手段を設ければ良い。

［実施例］ 第１図〜第３図に最初の実施例を示す。第１図におい
て、２は適宜の電源でその出力Vccを装置全体の電源と
する。４はガスセンサで、ここではSnO₂系金属酸化物半
導体６を、ヒータ８で加熱するようにしたものを用い
る。金属酸化物半導体６の抵抗値は、雰囲気中の可燃性
ガス濃度や一酸化炭素等の毒性ガス濃度、あるいは水蒸
気濃度等により減少する。また金属酸化物半導体６の抵
抗値は、雰囲気中の酸素濃度やNOx濃度、オゾン濃度に
より増加する。そこでガスセンサ６を用い、これらのガ
スを検出する。10はガスセンサ４の負荷抵抗で、これに
加わる電圧ｖをセンサ出力とする。

ガスセンサ４の種類や材料、構造等は任意である。例
えば、アンチモン酸等のプロトン導電体ガスセンサを用
い、水素や一酸化炭素、水蒸気等を検出しても良い。ま
た接触酸化触媒により可燃性ガスを燃焼させ、その燃焼
熱をPtコイル等の測温抵抗体で検出するようにした接触
燃焼式ガスセンサを用いても良い。この場合、メタンや
水素、プロパン等の可燃性ガスや、一酸化炭素等の毒性
ガスが検出対象となる。勿論ガスセンサには、ZrO₂等の
酸素センサ、あるいは定電位電解法センサ等を用いても
良い。

12は、信号処理用のマイクロコンピュータである。14
はセンサ出力ｖをA/D変換するためのA/Dコンバータ、16
は演算ユニット、18はクロック信号発生回路、20は動作
プログラムを収容したROMである。22はRAMで、例えばヒ
ストグラムをサンプリングするための間隔を定めるタイ
マと、ヒストグラムの各値Ｄ（ｖ）を収容したメモリー
等を設ける。ヒストグラムは、例えばセンサ出力ｖを△
ｖの間隔で分類し、各センサ出力毎の頻度をＤ（ｖ）と
したものを用いる。

ヒストグラムの作成に要するメモリーは比較的小さ
い。例えば過去100点の信号を記憶する場合を考える。
信号を10種に分類し、頻度の最大値を31とする。必要な
メモリーは、10×５の50ビットである。これに対して10
0点の信号をそのまま記憶すると、各信号の記憶精度を1
0％として、100×３（10％の精度に対応して３ビットの
信号を使用）の300ビットのメモリーが必要となる。

RAM22にはまた、ヒストグラムの最大頻度を示すセン
サ出力Ｍ、Ｍを定数Ｋ倍した検出閾値Ｊ、更にガスの検
出信号、等を記憶させる。なお定数Ｋは可変とし、外部
からスイッチ24により入力し得るようにする。また最大
頻度に対応した出力Ｍから、閾値Ｊへの変換方法は任意
で、例えばＭに定数を加算して閾値Ｊとしても良い。RA
M22にはガスの検出信号等のフラグ信号をも記憶させ
る。ガス検出信号により、空調装置やガス漏れ警報器の
ブザー等の外部負荷26を制御する。

第２図に移り、装置の動作を説明する。電源２を投入
すると、例えば２分間待機し、ガスセンサ４を安定化さ
せる。最初の時点ではヒストグラムは空白で、Ｄ（ｖ）
は全て０である。そこで暫定的に、最初のセンサ出力ｖ
に対応した点での頻度Ｄ（ｖ）をｎとし、他の点での頻
度を０として、ヒストグラムの初期分布を形成させる。
ヒストグラムの初期分布は、例えばｖに対応した頻度n,
その両側の頻度をn/2、更にその両側の頻度をn/3等とし
たもの等でも良い。あるいはまた、電源投入後の適当な
時間の間、ガスの検出を行わず、ヒストグラムの作成の
みを行い、ヒストグラムの初期分布を形成させるように
しても良い。ヒストグラムの初期分布は任意である。

次に、センサ出力ｖを読み取り、ｖに対応した頻度Ｄ
（ｖ）に１を加算する。そして最大頻度に対応したセン
サ出力ｖを、基準値Ｍとして取り出す。即ち、頻度Ｄ
（ｖ）の最大値をＬとし、最大値Ｌでのセンサ出力ｖを
Ｍとする。この基準値Ｍを定数Ｋ倍したものを、検出閾
値Ｊとする。ここでは最大頻度に着目したが、これは分
布のメジアンや、分布から求めたセンサ出力の平均値等
に変えても良い。また次のような変形も可能である。ヒ
ストグラムでの、センサ出力の高い側の裾に着目する。
この裾を適当な位置で切り、これ以上の出力でガスが発
生しているものとする。このためには、ヒストグラムか
ら発現頻度が所定の値以下となるセンサ出力を求め、こ
の出力を検出閾値とする。なお基準値Ｍから検出閾値Ｊ
への換算には、例えばＭに所定の値を加算したものを検
出閾値Ｊとするようにしても良い。

メモリーの飽和を防止するため、次の処理を行う。頻
度Ｄ（ｖ）を収容するメモリーの最大値をＳとする。頻
度の最大値ＬがＳ−１に達すると、メモリーの飽和防止
処理を行う。即ち各頻度Ｄ（ｖ）の値を一律にｍ倍（ｍ
＜１）し、メモリーの飽和を防止する。なおこの処理は
一律にｍ倍する必要が有るのではなく、頻度Ｄ（ｖ）の
値から定数だけ引き算する等の処理でも良い。

これらの作業により、ヒストグラムの作成と、メモリ
ーの飽和の防止とを行う。

ヒストグラムの作成のためのサンプリングは、例えば
所定の時間間隔で行うものとし、そのためにタイマを利
用する。即ちタイマで定める時間の経過毎に、センサ出
力ｖをサンプリングし、ヒストグラムに加える。なお用
いるサンプリング点の数とサンプリング間隔との積は、
ヒストグラムで考慮する過去のセンサ出力の時間的範囲
を意味する。この時間は例えば次のように定める。ガス
漏れの検出の場合、この時間を１日〜３カ月程度とし、
自動車の外気導入制御の場合10分〜４時間程度とする。
また居室の空調制御の場合30分〜12時間程度とする。更
に室内湿度の制御の場合、例えば１時間〜48時間程度と
する。ガス漏れの検出の場合、季節の変化毎にヒストグ
ラムの内容も修正されるようにし、かつ長時間かけてヒ
ストグラムを作成し、信頼し得る検出閾値を得られるよ
うにする。自動車の外気導入制御の場合、バックグラウ
ンドの雰囲気の変化毎に、ヒストグラムの内容を更新し
得るようにする。例えば市街地走行と郊外走行とでは、
バックグラウンドに含まれる汚染ガスの濃度が異なる。
そこで市街地走行と郊外走行とで検出閾値が変化するよ
うに、ヒストグラムの作成時間を定める。室内の空調の
場合、１日の労働時間以下の範囲で、ヒストグラムの作
成時間を定める。

そして各時点でのセンサ出力ｖと検出閾値Ｊとを比較
し、例えばｖがＪ以上でガスが生じたものとする。

第３図により、装置の動作を具体的に示す。今仮に、
空調制御のためにこの装置を用いているものとする。そ
してセンサ出力ｖから雰囲気の汚染を検出し、換気等の
処理を施すものとする。基準値Ｍの意味は、清浄空気に
対するセンサ出力である。そして最大頻度に対応したセ
ンサ出力Ｍを用いることにより、清浄空気に対応したセ
ンサ出力が得られる。ここでセンサ出力の最小値は、一
見清浄空気に対応しているように見える。しかし最小値
は、一時的なセンサ出力の低下を反映し、雰囲気の浄化
とは無関係な場合が多い。例えば、風によりセンサ４が
一時的に冷却されると、あるいは電源電圧の変動により
一時的にセンサ出力が低下すると、これを最小値として
サンプリングしてしまう場合が多い。

更に次のことを考慮する必要が有る。雰囲気が汚染し
ている場合、汚染ガスの濃度が一定であることは希で有
る。そこで長時間センサ出力のヒストグラムを取ると、
清浄空気に対するヒストグラムと汚染雰囲気に対するヒ
ストグラムの重ね合わせが得られる。汚染雰囲気に対す
るヒストグラムは幅が広く、ヒストグラムの最大頻度に
は余り影響しない。これに対してセンサ出力の平均値や
メジアンは、周囲の汚染によって変動してしまう。そこ
で最大頻度に着目することにより、清浄雰囲気に最も近
い雰囲気に対するセンサ出力をサンプリングできる。こ
のようにして清浄空気に対するセンサ出力を基準値Ｍと
してサンプリングし、これから検出閾値Ｊを定めるので
ある。そして検出閾値Ｊとセンサ出力との比較から、雰
囲気の汚染を検出し、換気扇等の負荷26を駆動するので
ある。

次にガス漏れの検出の例を考える。ガス漏れ警報器の
場合、ガス漏れに対応したセンサ出力を出荷前に測定
し、センサ出力がこの値を越えるとガス漏れと判断する
ように警報器を調整しておくのが普通である。しかしこ
の調整作業はかなりの熟練を要する。またセンサ４の使
用条件が不適切であると、あるいはセンサ４が経時変化
すると、ガス漏れ検出の信頼性が失われてしまう。勿
論、前記の警報器の調整が不適切でも同様である。しか
しこのような場合でも、清浄空気中とガス漏れ時とで
は、センサ出力は大きく異なる。そこでヒストグラムか
ら清浄空気中に対するセンサ出力をサンプリングして、
経時変化等の影響を補うフェイルセイフ出力を用意する
のである。

有機溶剤の使用等のガス漏れとは無関係な原因でも、
センサ出力は増加する。そこで例えば１日〜３カ月程度
の期間を用いてヒストグラムを作成すれば、このような
偶発的なセンサ出力の増加の影響を打ち消し、清浄空気
に対応した出力をサンプリングできる。ここでヒストグ
ラムの最大頻度に着目すると、より正確に清浄空気に対
応した出力をサンプリングできる。センサ４の出力は、
周囲の温湿度の低下等により、一時的に著しく低下する
ことが有る。しかし長時間かけてヒストグラムを作成す
れば、偶発的なセンサ出力の低下の影響を打ち消すこと
ができる。

また湿度制御の場合、最大頻度等を用いてヒストグラ
ムから求めた検出閾値を中心に、湿度のフィードバック
制御を施せば良い。

第４図、第５図により、ヒスグラムの分布幅を用い
て、検出閾値を修正するようにした実施例を示す。第４
図の実線の分布に清浄雰囲気でのセンサ出力のヒストグ
ラムを、第４図の破線の分布に汚染雰囲気でのヒストグ
ラムを示す。これらのヒストグラムは模式的なものであ
る。汚染雰囲気での特徴は、ヒストグラムの分布幅が広
がることである。これは常時一定の濃度で雰囲気が汚染
されることは少なく、汚染濃度の変動によりヒストグラ
ムが広がるためである。

そこでヒストグラムの分布幅により、最大頻度等から
求めた検出閾値を修正すれば、より正確な検出閾値が得
られることになる。このような動作アルゴリズムを、第
５図に示す。即ちヒストグラムでの総点数Ｔを計算し、
頻度Ｄ（ｖ）がT/U（Ｕは定数）以上でＰ（ｖ）を１、T
/U未満でＰ（ｖ）を０とする。Ｐ（ｖ）の和ｗは、ほぼ
ヒストグラムの分布幅に対応する。そこでＰ（ｖ）の和
ｗを定数Ｘ倍して、最大頻度Ｍから求めた値Ｋ・Ｍから
引き算し、検出閾値Ｊを定めるのである。このようにす
れば、バックグラウンドの汚染による検出閾値の増加を
補償することができる。

［発明の効果］ この発明では、センサ出力のヒストグラムを用い、過
去のセンサ出力全体を反映した検出閾値を定める。この
ためセンサ出力が偶発的に変動しても、検出閾値への影
響が小さい。

またヒストグラムの最大頻度を利用すると、清浄雰囲
気に対応したセンサ出力のサンプリングが容易である。

更にヒストグラムの分布幅は、雰囲気の変動の程度、
あるいはバックグラウンドの汚染の程度を反映する。そ
こでヒストグラムの分布幅で検出閾値を修正すれば、よ
り正確に検出閾値を設定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は最初の実施例の回路図、第２図はその動作アル
ゴリズムを示すフローチャート、第３図はその特性図で
ある。 第４図は第２の実施例の特性図、第５図はその動作アル
ゴリズムを示すフローチャートである。

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】過去のガスセンサ出力を利用してガスの検
   出閾値を定め、ガスセンサ出力とこの検出閾値との比較
   からガスを検出するようにした方法において、 過去のガスセンサ出力のヒストグラムから、前記の検出
   閾値を定めるようにしたことを特徴とする、ガス検出方
   法。
2. 【請求項２】前記のヒストグラムでの最大頻度を示すガ
   スセンサ出力を基に、検出閾値を定めるようにしたこと
   を特徴とする、請求項１に記載のガス検出方法。
3. 【請求項３】前記のヒストグラムでの少なくとも一点の
   ガスセンサ出力と、ヒストグラムの分布の幅とにより、
   検出閾値を定めるようにしたことを特徴とする、請求項
   １に記載のガス検出方法。
4. 【請求項４】ガスセンサと、 ガスセンサの出力をA/D変換するための手段と、 A/D変換したガスセンサ出力を基に、ガスの検出閾値を
   定めるための手段と、 この検出閾値とガスセンサ出力とを比較し、ガスを検出
   するための手段とを設けた、ガス検出装置において、 A/D変換したガスセンサ出力を基に、ガスセンサ出力の
   ヒストグラムを作成する手段を設けると共に、 作成したヒストグラムに基づいて、前記の検出閾値を定
   める手段とを設けたことを特徴とする、ガス検出装置。