JP2651415B2 - におい検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は半導体ガスセンサを用いて、においを検出す
るにおい検出装置に関する。

（従来技術） 半導体ガスセンサは半導体表面にガスが吸脱着すると
その抵抗値が変化するものである。たとえば、ｎ形半導
体センサに酸化性ガスが触れると陰イオンが吸着し、セ
ンサから電子が吸着ガスに移動し、センサ表面に空間電
荷層が形成されセンサの抵抗値が増大する。一方、還元
性ガスが触れると陽イオンを吸着しセンサ内に電子を放
出するので、センサの抵抗値は減少する。

この種のセンサは、一般にガス漏れ警報器などに使用
されているが、このセンサを用いて火災の初期段階に発
生する焦げ臭などの異臭を検出することができ、これに
より、いち早く火災の発生を警報することができる。

このガスセンサを使ってにおいを検出する場合のセン
サ出力は小さく、そのため、においセンサとして用いる
ときは常温で10mV程度の分解能が必要となる。ところ
が、半導体ガスセンサはガスの吸着現象に基づいて検出
を行うものであるため、温度の影響を受け、さらに水蒸
気がセンサの抵抗値を変えるガスの一種であるため湿度
の影響も受ける。すなわちセンサの出力は外部の温度や
湿度によってドリフトする。たとえば、温度について言
えば15°Ｃから30°Ｃに変化すると、センサの出力が30
0mVから450mVにドリフトする。センサの分解能は10mV程
度必要であるから、これでは火災の時の焦げ臭などのに
おいを確実に検出することができなくなる。

（発明の目的および構成） 本発明は上記の点にかんがみてなされたもので、半導
体ガスセンサの温度や湿度の変化によるドリフトの影響
を受けることなく確実ににおいを検出できるようにする
ことを目的とし、この目的を達成するため、半導体ガス
センサと、この半導体ガスセンサの出力信号を微分する
微分手段と、この微分手段による微分値を微小時間ごと
に平均化した微分平均値を求める微分値平均化手段と、
この微分値平均化手段によって求めた微分平均値が所定
値以上になったとき検出信号を出力する手段とで、にお
い検出装置を構成した。

（実施例） 以下本発明を図面に基づいて説明する。

第１図は、本発明によるにおい検出装置を用いた火災
報知器のブロック線図である。

図において、１は半導体ガスセンサであり、ガスセン
サには所定の電圧が供給され、その抵抗値の変化を電圧
信号として出力する。２はガスセンサ１の出力信号を増
幅するプリアンプ、３はプリアンプ２で増幅された出力
信号を伝送する伝送線であり、本実施例においては光フ
ァイバを用いている。なお図示していないが、半導体ガ
スセンサ１およびプリアンプ２は８組設けられて、それ
ぞれ異なる場所に設置されており、そこからの出力信号
は８本の光ファイバによって伝送される。

４はプリアンプ２からの出力信号をA/D変換するA/D変
換器、５はマイクロコンピュータ（マイコン）であり、
このマイコン５は半導体ガスセンサ１の出力信号を微分
する微分手段、この微分手段による微分値を微小時間ご
とに平均化した微分平均値を求める微分値平均化手段お
よびこの微分値平均化手段によって求めた微分平均値が
所定値以上になったとき検出信号を出力する手段として
機能する。６はマイコン５の演算結果を表示するCRTな
どの表示手段、７はマイコン５からの検出信号を受ける
と警報を発する警報器である。

次に実施例の動作を第２図のフローチャートを用いて
説明する。

まずガスセンサ１の出力はプリアンプ２によって増幅
され（F-1）、その後A/D変換器４によりデジタル信号に
変換されて（F-2）マイコン５に出力される。マイコン
５ではその信号を平滑化する（F-3）。平滑化の方法と
しては色々あるが、たとえば多項式適合法を用いること
ができる。多項式適合法とは測定波形が各サンプル点の
近傍で多項式曲線で表現できると仮定して、この近傍内
で最小２乗誤差規範に基づき測定波形と多項式曲線を適
合させる方法である。

次に平滑化された信号を微分してその変化率を求める
（F-4）。この信号の微分値はノイズなどの影響で突発
的に変化することがあるので、次にその影響を取り除く
ため信号値の平均化を行う（F-5）。そのためには信号
値をある時間ごとに区切り、その時間内に検出された複
数の信号の平均をとるようにする。

第３図は上述した信号処理の各段階における信号波形
図であり、（イ）はセンサ出力の平滑値、（ロ）はその
変化率を示す微分値、（ハ）はその微分値を微小時間ご
とに平均化した微分平均値を示している。

次に第３図（ハ）に示すような微分平均値はCRTなど
の表示手段６に表示される（F-6）。一方、マイコン５
はこの微分平均値が所定値以上かどうかを判断し（F-
7）、所定値以上であれば検出信号が警報器７に出力さ
れ、それにより警報器７によって警報が発せられる（F-
8）。ステップ（F-7）において微分平均値が所定値以上
でなければ、ステップ（F-1）に戻り以下同様の動作を
繰り返す。

さて、火災の初期において焦げ臭などの異臭が発生す
ればガスセンサ１の出力が急に変化するので、その微分
平均値が第３図（ハ）のＢのように急激に増加して所定
値以上になり、これによって、におい検出をすることが
できる。一方、温度や湿度によるドリフトの場合はガス
センサ１の変化は緩慢なので、その微分平均値は所定値
以下になり検出信号は出力されない。このようにガスセ
ンサの温度や湿度によるドリフトに影響されず、におい
を確実に検出することができる。

発明者らは実施例の装置を用いて多くの可燃物質につ
いて燃焼実験を行った。第４図はそのとき使用した実験
装置である。この実験装置を100リットルの容器に入
れ、可燃物質のサンプルを量を変化させて中空セラミッ
クヒータ10を用いて３分間加熱し、その間ファン11を使
ってかくはんする。そして容器の最上部に取り付けたガ
スセンサでそのとき発生するにおいを検出した。

その結果、ガスセンサの出力信号の微分値と物質の燃
焼量には一定の量的関係が成立することが判った。第５
図はその結果をクラフト紙および小麦粉について示した
もので、横軸が100リットル当りのサンプルの量を表
し、縦軸が微分平均値の最大値（相対値）を表してい
る。同図（イ）がクラフト紙、（ロ）が小麦粉である
が、何れも燃焼量と微分平均値との間にリニアな関係が
あることがわかる。

さらに発明者らは18種類の可燃物質についてそれぞれ
5mgずつ上記実験装置を用いて燃焼実験を行った。第６
図はそのときの実験結果の一部であり、上から順に、コ
ーンスターチ、大豆粉、脱脂粉乳、グラニュー糖および
小麦粉を燃焼させたときの微分平均値を相対値で示した
ものである。この実験の結果、すべての物質について微
分値が変化したが、その値は物質によって異なることが
判った。第７図は各物質を燃焼したときの微分平均値の
最大値（相対値）の分布を示す図である。

さて、実施例の装置においてセンサ出力の微分平均値
が所定値以上になると警報を発することは既に説明し
た。この所定値は、センサを設置する部屋の容積、可燃
物質の種類、警報を発する燃焼量などに応じて、上記実
験結果に基づいて設定することができる。

上記実施例においては、マイコンを使って、半導体ガ
スセンサの出力信号を微分する微分手段と、この微分手
段による微分値を微小時間ごとに平均化した微分平均値
を求める微分値平均化手段と、この微分値平均化手段に
よって求めた微分平均値が所定値以上になったとき検出
信号を出力する手段を構成したが、本発明はそれに限ら
ず、ハード構成によりそれらを実現してもよいことはも
ちろんである。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明によれば、半導体ガスセ
ンサの出力信号を微分手段により微分し、この微分手段
による微分値を微小時間ごとに平均化した微分平均値が
所定値以上になったとき検出信号を出力するように構成
したので、半導体ガスセンサの温度や湿度の変化による
ドリフトおよびノイズによる影響を受けることなく確実
ににおいを検出することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるにおい検出装置の一実施例を用い
て構成した火災報知器のブロック線図、第２図は第１図
の実施例の動作を説明するフローチャート、第３図は同
実施例の動作を説明する信号波形図、第４図は実験装置
の斜視図、第５図は異なる２つのサンプルについてその
燃焼量とセンサ出力の微分値との関係を示す図、第６図
は異なるサンプルについてサンプルごとの微分値を示す
波形図、第７図は異なるサンプルについてサンプルごと
の微分値の最大値を示す図である。 １……半導体ガスセンサ、５……マイクロコンピュー
タ、７……警報器

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体ガスセンサと、この半導体ガスセン
   サの出力信号を微分する微分手段と、この微分手段によ
   る微分値を微小時間ごとに平均化した微分平均値を求め
   る微分値平均化手段と、この微分値平均化手段によって
   求めた微分平均値が所定値以上になったとき検出信号を
   出力する手段とを有することを特徴とするにおい検出装
   置。