JP2791476B2 - ガス検出装置 - Google Patents

ガス検出装置

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JP2791476B2
JP2791476B2 JP14138588A JP14138588A JP2791476B2 JP 2791476 B2 JP2791476 B2 JP 2791476B2 JP 14138588 A JP14138588 A JP 14138588A JP 14138588 A JP14138588 A JP 14138588A JP 2791476 B2 JP2791476 B2 JP 2791476B2
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Description

【発明の詳細な説明】 [発明の利用分野] この発明は、温度変化に伴うガスセンサの出力波形を
用いたガス検出装置に関する。
[従来技術] 特開昭58-189,547号公報は、ガスセンサを温度変化さ
せ、温度変化に伴うセンサ出力の波形から、ガスを検出
することを開示している。この公報では、温度変化時の
センサの出力波形を記憶し、あらかじめ記憶させた波形
と比較してガスを検出している。
しかしこの公報では、求めた波形の具体的な分析手法
は示されていない。特に波形の特徴が曖昧な場合に、ど
のようにしてガスの種類を同定するかが示されていな
い。またセンサの出力波形全体を用いると、検出装置の
側にもあらかじめ出力波形の全体に対応した信号を記憶
させておく必要が生じる。これは一般にかなりの記憶容
量を必要とする。
[発明の課題] この発明の課題は、 (1)温度変化に伴うセンサの出力波形の分析手法を確
立し、ガスの種類や濃度の検出を容易にすること、特に
出力波形の特徴が曖昧な場合にも、ガスの種類の判別を
可能にすること、 (2)検出装置に必要な記憶容量を小さくすること、に
有る。
[発明の構成] この発明では、温度変化時のガスセンサ出力を所定の
時間間隔でサンプリングし、サンプリングしたガスセン
サ出力を所定の分解能でガスセンサ出力の値に応じて分
類して、ガスセンサ出力の値の頻度分布を表すヒストグ
ラムを求め、ヒストグラムから特徴を抽出する。ヒスト
グラムを用いれば、出力波形をそのまま用いる場合よ
り、容易に特徴を抽出できる。例えば第3図(A)〜
(E)の出力波形は曖昧である。しかしこれらの波形を
第5図(A)〜(E)のようにヒストグラムに変換する
と、明確なピークが現れる。そこで例えばこのピーク
を、ガスの種類を示す特徴として利用する。
次に抽出した特徴を、あらかじめガスの種類と濃度毎
に求めた特徴と比較し、ガスの種類や濃度を求める。特
徴としては、例えば温度変化時のセンサ出力の最大値、
ヒストグラムのピークの有無とその位置、ピークの大き
さを用いる。ピークの大きさとしては、例えばピーク高
さやピーク面積を用いれば良い。またガスセンサには、
例えばSnO2等のガスにより抵抗値が変化する金属酸化物
半導体を用いたガス感応部を、ヒータにより加熱するよ
うにしたものを用いれば良い。
この発明では、ヒストグラムから抽出した特徴を、装
置にあらかじめ記憶させた特徴と比較する。従って装置
にあらかじめ記憶させておくガスの同定用の情報として
は、ヒストグラムの特徴のみで良く、センサ出力の波形
全体を記憶させておく必要はない。またヒストグラム
は、特徴を抽出できる程度の精度でサンプリングすれば
良い。これらのため、検出装置に必要な記憶容量を小さ
くすることができる。
[実施例] ガスセンサとしてSnO2系のもの(出願人のガスセンサ
“TGS812"、TGS812は商品名)を用い、7秒サイクルで
1秒間ヒータをオンし、6秒間ヒータをオフするサイク
ルにさらした。この結果、センサは室温と500℃との間
を温度変化する。検出対象ガスとして、各100〜10,000p
pmのメタン、イソブタン、一酸化炭素、水素、エタノー
ルを選び、これらのガス種の同定と濃度の判別とを行っ
た。なおエタノールのみは、測定対象濃度を100〜3000p
pmとした。
これらのガスに対する温度変化時のセンサの出力波形
を、第3図(A)〜(E)に示す。測定に用いた回路条
件は、後に第1図の説明と共に示す。第3図(A)〜
(E)の縦軸はセンサ出力vを表し、横軸はヒータオン
からの時間を表す。また図の波形は、下からガス濃度で
100ppm、300ppm、1000ppm、3000ppm、10,000ppmに対応
する。
図の波形からは、ガスの種類の判別は困難である。メ
タンとイソブタンの波形は出力の大小が異なるだけで、
相違点は曖昧である。また水素とエタノールの波形は類
似している。一酸化炭素への波形は、水素やエタノール
の波形とイソブタンとの中間を示す。
第4図〜第5図(A)〜(E)に、センサ出力のヒス
トグラムを示す。これらのヒストグラムは、第3図の出
力波形をヒストグラムに変換したもので、ヒータオンか
ら1秒間のセンサ出力ヒストグラムである。勿論昇温側
に代えて降温側のヒストグラムや、昇温側と降温側双方
のヒストグラムを用いても良い。図の横軸はセンサ出力
を表し、左端が出力0を、右端がフルスケール(フルス
ケールの値は図毎に異なり、f.sとして各図毎に表示し
た。)を表す。縦軸は、出力毎の頻度である。第4図に
清浄空気のヒストグラムを、第5図にガス毎のヒストグ
ラムを示す。
これらの図から、次のことが明らかである。空気やメ
タンに対しては、ピークは1つしかなく、かつその位置
は低出力側である。これ以外のガス、イソブタン、一酸
化炭素、水素、エタノールは、ピークは低出力側と高出
力側の2カ所で現れる。また2つのピークの相対的大き
さはガス濃度により変化するが、ガスの種類によっても
異なる。イソブタンでは低出力側のピークが顕著であ
り、一酸化炭素やエタノールでは高出力側のピークが顕
著である。水素はこの中間のパターンを示す。更にピー
クとピークとの間隔は、ガスの種類により異なる。例え
ばセンサ出力の最大値がほぼ等しい、10,000ppmの一酸
化炭素と、300ppmの水素やエタノールを比較すると、低
出力側のピークが強いことから水素を弁別できる。次に
一酸化炭素ではピークとピークとの間隔は狭く、エタノ
ールではピークとピークの間隔が大きい。そしてこれら
の情報以外に、センサ出力の最大値や最小値、あるいは
また最大値と最小値との間隔等も利用できる。そこでこ
れらの信号を用いれば、ガスの種類と濃度とを判別でき
る。例えば、センサ出力の最大値をガス濃度に関する情
報とし、ピークの個数とその位置、及びその大きさをガ
スの種類に対する情報とすれば良い。
第1図に、実施例の回路構成を示す。図において、2
はガスセンサで、4はそのヒータ、6はSnO2、In2O3
の金属酸化物半導体を用いたガス感応部である。ガスセ
ンサ2の種類は任意で、ヒータとガス感応部とを有する
ものであれば良い。またガス感応部には、例えば接触燃
焼触媒でガスを燃焼させ、その燃焼熱を検出するように
したものを用いても良い。あるいはアンチモン酸等のプ
ロトン導電体を用いても良い。
8は適宜の電源、10はFET等のスイッチ、12は負荷抵
抗、14はガスセンサ2の周囲温度依存性を補償するため
のNTCサーミスタである。ここでは電源8から10Vの出力
を取り出し、1秒間ヒータ4に加え、6秒間ヒータ4を
オフさせるサイクルを用いた。また金属酸化物半導体6
と負荷抵抗12とに加える電圧は5Vとし、負荷抵抗12は3K
Ωとした。
20はマイクロコンピュータで、22はA/Dコンバータ、2
4はALU(算術論理演算ユニット)、26は動作プログラム
やガスの種類と濃度毎のヒストグラムの特徴を記憶させ
たROMである。28はデータの記憶用RAMで、センサ出力の
ヒストグラム、ヒストグラムから抽出した特徴、これら
の特徴に対するガスの種類毎の理論値、ガスの種類や濃
度等の検出結果を記憶させる。ヒストグラムの特徴とし
ては、例えばヒストグラムの低出力側のピークの高さ
P1、その位置v1、高出力側のピークの高さP2、その位置
v2を用いる。これ以外にセンサ出力vの最大値S、最小
値sを用いる。信号S、sは、ヒストグラムから求めて
も良く、あるいはヒストグラムを介さず波形から直接求
めても良い。これらの特徴に対する理論値を、任意のガ
ス濃度毎にROM26に記憶させると、ROM26の記憶容量が増
大する。そこで例えば100ppm,300ppm、1000ppm、3000pp
m、10,000ppmの5点に対して理論値を記憶させ、その間
を直線近似等により内挿する。内挿は例えば、センサ出
力の最大値Sを用い、ガス濃度毎に記憶させた最大値S
の間をSの実測値で内分する。次にこの内分比に応じ
て、P1、P2、v1、v2、s等の特徴を記憶データの間で内
分するようにする。30はヒータ4の制御用タイマであ
る。
32はクロック回路、34は検出結果の表示用ディスプレ
イである。
第2図により、装置の動作を説明する。タイマ30をリ
セットし、再スタートさせる。ここで時刻信号をTとす
る。次いで最初の1秒間スイッチ10を用いてヒータ4を
オンし、その間のセンサ出力のヒストグラムを作成す
る。ヒストグラムは例えば、5Vの検出電圧を100分割
し、50mV毎に作成する。またセンサ出力vは例えば2.5m
sec間隔で400点サンプリングする。
1秒経過後ヒータ4をオフし、以後6秒間ヒータ4を
オフさせる。ヒータオフの期間に、ガスの種類の同定
や、ガス濃度の判定等の作業を行う。まずセンサ出力の
最大値S、最小値s、ピークの個数と位置、大きさ等の
特徴を抽出する。低出力側のピーク、P1は、最小値sと
(s+S)/2との間から求め、高出力側のピークP2
(s+S)/2とSとの間から求める。高出力側のピーク
が存在しない場合(メタン)、P2を0とする。
次にSを用い、ガスの種類毎にP1、P2、v1、v2、sへ
の理論値を作成する。この作業は、ガスの種類と濃度毎
にROM26に記憶させた値を用い、Sが一致するように各
濃度に対する値を内分して求める。これらの作業の後
に、ガスの種類を判別する。ピークP2の値が0の場合、
ガスはメタンである。これ以外の場合、P2/P1の比、|
v1‐v2|の値から、ガスの種類を判別する。具体的に
は、例えばこれらに対する実測値と理論値との誤差を求
め、誤差の程度を最小二乗法により評価し、最小二乗法
誤差が最も小さいガスが発生したものとする。ガスの種
類が判別できると、出力の最大値Sや最小値s、あるい
は各ピークの位置や高さ等から、ガス濃度が判る。ここ
では最大値Sから、ガス濃度を判定する。
実施例では、センサ出力の最小値sが未使用である。
そこでsやP1、P2、v1、v2、あるいはsのみを用い、検
出結果の合理性を確認する。例えばこれらの信号と理論
値との誤差を最小二乗法等で評価し、誤差が許容範囲内
なら合理性が有るとし、検出したガスの種類と濃度とを
表示する。誤差が許容範囲を越える場合、エラー表示を
行う。勿論、合理性検査は省略しても良い。
これらの後に、タイマ30の時刻が7秒に達すると、次
の検出サイクルに移行する。
実施例は単なる一例であり、種々の変形が可能であ
る。例えば温度変化のサイクルは、1msec〜10分程度と
すれば良い。実施例で1秒間ヒータオン、6秒間ヒータ
オフの7秒サイクルを用いたのは、温度変化の過程でガ
ス濃度が変化することを恐れたためである。そこで好ま
しい温度変化の時間は、ヒストグラムの作成に利用する
時間(実施例では1秒)で10秒以下、より好ましくは5
秒以下である。
実施例では、メタン、イソブタン、一酸化炭素、水
素、エタノールの5種のガスを対象としたが、対象ガス
は任意である。また水蒸気感度の高いセンサを用いれ
ば、可燃性ガスや毒性ガスのみでなく水蒸気の検出も可
能である。更にROM26に記憶させる情報を増せば、混合
ガスの分析も可能である。
ヒストグラムは昇温側に限らず、降温側や昇温側と降
温側の双方を用いても良い。センサの温度変化の条件や
範囲は任意で、例えば300℃と500℃との間の温度変化、
あるいは300℃と室温との間の温度変化、等の任意のも
のを用い得る。
更にヒストグラムはセンサ出力の微分値のヒストグラ
ム等としても良く、ヒストグラムの作成にはスムージン
グや、データ圧縮等の処理を施しても良い。
[発明の効果] この発明では、温度変化に対するセンサ出力の分析手
法を確立し、ガスの種類や濃度の判別を容易にする。特
にヒストグラムを用いると、センサの出力波形をそのま
ま用いる場合に比べ、ガス毎の特徴がより明確となる。
また装置に記憶させるガス種毎の理論値としては、ヒス
トグラム全体でなくその特徴のみで良い。従って、装置
に必要な記憶容量を減少させることができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は実施例の回路図、第2図はその動作フローチャ
ートである。第3図(A)〜(E)は従来例の特性図、
第4図、及び第5図(A)〜(E)は、実施例の特性図
である。 図において、2……ガスセンサ、20……マイクロコンピ
ュータ、22……A/Dコンバータ、24……ALU、26……RO
M、28……RAM、30……タイマ、34……ディスプレイ。

Claims (4)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】ヒータとガス感応部とを有するガスセンサ
    の加熱温度を変化させ、温度変化時のガスセンサの出力
    からガスを検出するようにした装置において、 温度変化時のガスセンサ出力を所定の時間間隔でサンプ
    リングし、サンプリングしたガスセンサ出力を所定の分
    解能でガスセンサ出力の値に応じて分類して、ガスセン
    サ出力の値の頻度分布を表すヒストグラムを求める手段
    と、 求めたヒストグラムの特徴を抽出する手段と、 抽出した特徴を、ガスの種類及び濃度に対応してあらか
    じめ記憶させた特徴と比較し、ガスの種類及び濃度を求
    める手段を設けたことを特徴とする、ガス検出装置。
  2. 【請求項2】前記ヒストグラムの特徴として、ガスセン
    サ出力の最大値、ヒストグラムのピークの有無とその位
    置、並びにその大きさを用いたことを特徴とする、請求
    項1に記載のガス検出装置。
  3. 【請求項3】ガスセンサとして、ガスにより抵抗値が変
    化する金属酸化物半導体をガス感応部としたものを用い
    たことを特徴とする、請求項1または2に記載のガス検
    出装置。
  4. 【請求項4】ヒストグラムのピークの大きさとして、ピ
    ークの高さもしくはピークの面積を用いたことを特徴と
    する、請求項2または3に記載のガス検出装置。
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