JP2805475B2 - ガス検出装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の利用分野］ この発明は、ガスセンサによるガス検出に関する。 ［従来技樹］ 特開昭54−53,600号は、２つのガスに対するガスセン
サ出力が、近似的に式（１）で現されることを指摘して
いる。 σ＝Ｋ・（ｘ＋ｋ・ｙ）^α （１） ここに、σは金属酸化物半導体ガスセンサの電気伝導
度、ｘは被検出ガスの濃度、ｙは共存ガスの濃度、ｋは
被検出ガスと共存ガスとの相対感度を示す定数である。
またＫはガスセンサの電気伝導度に関係した定数、αは
センサの濃度特製を現す定数である。 発明者はこの知見を発展させ、センサのバックグラウ
ンド出力と、濃度既知の被検出ガス中での出力との双方
での補償が可能なガス検出装置を検討した。 ［発明の課題］ この発明の課題は、センサの経時変化や共存ガス濃度
等の変化に基づく誤差要因を補償し、被検出ガスへの検
出精度を向上させる点に有る。 ［発明の構成］ この発明のガス検出装置は、金属酸化物半導体ガスセ
ンサを用いたガス検出装置において、バックグラウンド
中でのガスセンサの出力に応じて、ガス中でのガスセン
サ出力を検索するためのマップを設けて、前記マップに
はバックグラウンド中でのガスセンサ出力を複数記録し
て、各バックグラウンド中でのガスセンサ出力毎に複数
のガス濃度でのガスセンサ出力を記録し、バックグラウ
ンド中でのガスセンサ出力を基に、前記マップのガス中
でのガスセンサの参照範囲を決定するための手段を設
け、かつガス中でのガスセンサ出力で、前記参照範囲で
のマップに記録したガス中でのガスセンサ出力を参照し
てガス濃度を決定するための手段を設けたことを特徴と
する。 このマップは例えば２次元のマップで、次元の１つは
バックグラウンド中でのガスセンサ出力であり、他の次
元はガス濃度である。即ちバックグラウンドでのガスセ
ンサ出力毎に、ガス中でのガスセンサ出力がガス濃度を
変えて複数記録してある。そしてバックグラウンド中で
のガスセンサ出力から、マップの参照範囲を決定し、ガ
ス中でのガスセンサ出力を用いてガス濃度を決定する。 以下に実施例（図9,図10）以外に、２つの参考例（図
１〜図８）を示す。また実施例ではマップのデータ不足
を補うため、マップの各データの間を補間する例を示
す。 参考例１ 第１図〜第５図により、アナログ型の参考例を説明す
る。第１図において、２は電池等の適宜の電源で、その
出力Vccを回路の電源とする。４は金属酸化物半導体ガ
スセンサで、６はガス検出用のSnO₂等の金属酸化物半導
体、８はヒータである。R1はセンサの負荷抵抗、R2,R3
はバックグラウンド出力の補償用の抵抗で、10はセンサ
４の温度依存性を補償するためのサーミスタである。サ
ーミスタ10には負特性サーミスタを用いた。サーミスタ
10は負荷抵抗R1と並列に設置しても良い。A1は差動増幅
器、R4は差動増幅器A1のゲイン調整用の可変抵抗、R5は
濃度既知の被検出ガス中でのセンサ抵抗を記憶するため
の可変抵抗である。またＭは差動増幅器A1の出力を表示
するメータ、S1、S2はスイッチである。 ここでは抵抗R1を可変抵抗としたが、抵抗R2や抵抗R3
を可変抵抗しても良い。また可変抵抗には通常の可変抵
抗の他に、D/A変換回路等に用いられる抵抗ラダー回路
等を用いても良い。 第２図に、式（１）に従ったガスセンサ４の出力特性
を示す。横軸は被検出ガス濃度Ｃを対数単位で、縦軸は
センサの電気導電度σを対数単位で現す。バックグラウ
ンドで共存ガスがない場合、センサ出力は図の実線のよ
うに変化する。共存ガスが存在すると、出力は破線のよ
うに変化する。２つの出力の差は、被検出ガス濃度が低
い領域では大きいが、被検出ガス濃度が増加すると減少
する。なお式（１）の特性は、近似的にほぼ全てのガス
に対してセンサの種類を問わず成立する。 第３図〜第５図に装置の較正過程を示す。図中縦軸
は、メータＭの出力、横軸は被検出ガスの濃度を現す。
またCfはフルスケール濃度を現す。較正を施さないと、
メータＭの出力とガス濃度Ｃとの関係は第３図のように
なる。次に、抵抗R1、あるいは抵抗R2,R3の値を調整
し、被検出ガスとの接触前のメータ出力を０とする。こ
の操作は、第３図の汚染雰囲気中での０点出力を、セン
サ出力から引くことに対応する。すると第４図のよう
に、汚染雰囲気中でのメータ出力が実際より減少する。 次に濃度既知の被検出ガス、例えばフルスケール濃度
の被検出ガス、に対するセンサ抵抗を抵抗R5に記憶させ
ておくものとする。そしてスイッチS1を開放し、スイッ
チS2を閉じ、抵抗R1に濃度既知の被検出ガスに対する出
力を発生させる。この状態で抵抗R4を調整し増幅回路A1
のゲインを調整すると、第５図のように、バックグラウ
ンド雰囲気が清浄でも、汚染していても正しい出力が得
られる。このようにして、抵抗R1により０点補償を行
い、抵抗R4によりフルスケール等のゲイン調整を行う。
このような調整の後に、ガスセンサ４を被検出ガスに接
触させると、正しい測定知が得られる。 なお濃度既知の被検出ガスに対する可変抵抗R5の調整
は、次のように行う。ガスセンサ４を濃度既知の被検出
ガスに接触させ、その時のメータ出力と一致するよう
に、可変抵抗R5を調整する。この時点でのメータＭの表
示は真実の値に一致しても良く、一致しなくても良い。
メータＭの表示は、ゲイン調整抵抗R4を後に調整すれ
ば、実際の値に一致させることができる。また抵抗R5の
調整時には、０点補償を行う必要はない。第２図から明
らかなように、フルスケール等の高濃度領域での共存ガ
スの影響はわずかであり、０点の影響は小さいからであ
る。 参考例２ 第６図〜第８図に、1/α乗回路を中心にした参考例を
示す。信号処理の大部分はデジタル回路で処理するのが
好ましいが、個別回路あるいはマイクロコンピュータの
いずれも用い得る。図において、12はA/D変換回路でそ
の出力をＶとする。14は1/α乗を行うためのべき乗回路
で、べき乗係数1/αはα調整回路16で外部より調整でき
るようにしてある。S3、S4はスイッチで、18はバックグ
ラウンドでのべき乗回路14の出力を記憶するための記憶
回路、20は被検出ガス中でのべき乗回路14の出力を記憶
するための記憶回路である。22は２つの記憶回路の出力
と然を求めるための引き算回路、24は割り算回路であ
る。なお割り算回路24の除数Ｋは、Ｋ調整回路26で外部
から調整できるようにする。28は、スイッチS3,S4の切
り替えや、ガスの検出と較正等のモードを制御する制御
回路である。そして割り算回路24の出力を、表示回路30
で表示する。なおここでの、αやＫの意味は、式（１）
での意味に従ったものとする。 この装置の特徴は、式（１）に従い、次の処理を行う
点にある。 （σgas/K）^1/α−（σair/K）^1/α≒ｘ （２） 式（１）を1/α乗し、整理すると式（２）が得られる。
なおここにｘは、被検出ガス濃度を現す。そこでＫとα
に対して較正を行うと共に、被検出ガスとの接触前のセ
ンサ出力と被検出ガスとの接触時のセンサ出力との双方
を求め、式（２）に沿った処理を行えば、正確にガス濃
度を測定できる。Ｋやαの較正は、被検出ガスに対する
較正を濃度の異なる２点で行えば良い。 第７図に、較正済みのＫやαの値を用いて、ガス濃度
を測定する際のフローチャートを示す。測定は、例えば
被検出ガスとの接触前にセンサ４をバックグラウンドガ
スに接触させ、次いで被検出ガスに接触させるものとす
る。このようなガスとの接触方法は、例えば果物の鮮度
の検出、人体の口臭の検出、パイプライン等らのガスの
漏洩の検出等で通常に行なわれるものである。果物の鮮
度検出の場合、鮮度の変化に伴う芳香成分の変化をガス
センサ４で検出すると良い。なお被検出ガスとの接触後
に、バックグラウンドガスに接触させても良い。また被
検出ガスとの接触時に、マニュアルでサンプリング信号
を入力するものとする。 サンプリング信号の入力前には、バックグラウンドに
対するセンサ出力を処理する。そこでセンサ４の出力を
A/D変換し、その出力Ｖを読み取る。次にこれをべき乗
回路14で1/α乗し、その値を記憶回路18にM₁として記憶
する。この動作はサンプリング指令の入力まで繰り返さ
れ、記憶回路18にはサンプリング直前の出力M₁が記憶さ
れる。 センサ４を被検出ガスに接触させ、被検出ガスに対す
るA/D変換済みのセンサ出力Ｖを読み取る。この読み取
りは、例えばサンプリング信号の入力後の、被検出ガス
に対するセンサ４の接触期間での、出力Ｖの最大値や平
均値を読み取ることで行う。読み取り後の値を1/α乗
し、記憶回路20にM₂に記憶する。次いで引き算回路22で
M₂−M₁、Ｊを求め、センサ４の電気伝導度に応じＫで割
り算すれば、ガス濃度Ｃが得られる。この値を表示回路
30で表示し、測定を終える。 第８図に、Ｋやαの較正に対するフローチャートを示
す。なお較正はＫに対してのみ行い、αの較低は省略し
ても良い。αの較正回路はＫの較正回路よりも高価であ
り、経験的にＫの経時変動はαの経時変動よりも大きい
からである。 最初にバックグラウンドに対するセンサ出力Ｖを読み
取り、これを1/α乗したものをM₁として記憶する。次に
サンプリング信号１により、例えば低濃度で濃度既知の
被検出ガスに対するセンサ出力Ｖを読み取る。これを1/
α乗した値をM₂とし、M₂とM₁の差Ｊを算出し、Ｋで割り
算して、ガス濃度Ｃを表示する。この値が真の値に一致
するように、Ｋ調整回路26を操作し、Ｋを較正する。こ
の過程は、式（３）に応じた操作に等しい。この較正で
は、被検出ガス濃度xcが既知であれば良く、バックグラ
ウンドでの共存ガス濃度は不明のままで良い。 （σxc/K）^1/α−（σair/K）^1/α＝xc （３） xc:較正ガス濃度 次に、高濃度の被検出ガスを用い、αを較正する。セ
ンサ４を濃度既知の高濃度の被検出ガスに接触させ、同
時にサンプリング信号２を入力する。これに対するセン
サ出力Ｖを読み取り、1/α乗したものをM₂とする。これ
から同様に、ガス濃度Ｃを算出して、真の値と一致する
ようにαを較正する。この過程は、式（４）に応じたも
のである。 （σxc/K）^1/α′−（σair/K）^1/α＝xc （４） α′：較正後のα値、 α：較正前のα値 式（４）には較正後と較正前とのα値が混在する。しか
しσxcの値はバックグラウンド中でのσairの値に比べ
充分大きく、σairを較正前のα値で処理しても、誤差
は小さい。 実施例 第９図、第10図に、折れ線近似を用いた実施例を示
す。図において、A1は前記の差動増幅器、R4はゲイン調
整抵抗でここではＫ値の調整に用いる。32は、バックグ
ラウンド中でのセンサ出力と、被検出ガス中でのセンサ
出力との関係を記憶させたROM等のマップである。34は
マップ32の精度を補うための関数発生回路、36は関数発
生回路34の出力と、被検出ガスでのセンサ出力とを比較
するためのデジタル比較回路、38はデジタル比較回路36
の出力により折れ線近似を行うための近似回路、30は前
記の表示回路である。なおS3,S4はスイッチで、、バッ
クグラウンドではスイッチS3を、被検出ガス中ではスイ
ッチS4を閉じるものとする。 表１にマップ32の内容を示す。 このマップは式（１）に基づいている。即ちＫとαと
の値が既知であれば、バックグラウンドでのセンサ出力
に応じて、被検出ガス中でのセンサ出力か定まるはずで
ある。そこで空気中（バックグラウンド中）でのセンサ
出力（第０例）に対応してＮ個の行を設け、測定ガスの
濃度範囲に応じてＭ＋１個の列を設ける。そして表の各
要素は、特定のバックグラウンド出力に対する、特定の
被検出のガス濃度でのセンサ出力を現す。マップの大き
さは、ROMの能力に応じ、例えば10行×10列程度とす
る。マップの各行は、特定のバックグラウンド出力に対
する、センサの濃度依存性を現し、各列は特定のガス濃
度に対するバックグラウンド依存性を現す。このマップ
の各行は、第２図の濃度依存性を示すグラフに応じて配
置され、共存ガスがない清浄雰囲気から、高濃度の共存
ガスを含んだ汚染雰囲気まで多数のバックグラウンドの
状態に対応している。なおマップ32では、行数が大きい
程、また列数が大きい程、大きなセンサ出力が記憶され
ているものとする。 マップ32の行数を大きくすれば、任意のバックグラウ
ンド出力に対し、そのまま対応した行を得ることができ
る。しかしこれはマップ32を大規模化する。そこでバッ
クグラウンド出力と第０列との比較から最も近い２つの
行を求め、その間を行と行との間の内分比で近似する。
同様にマップ32の列の数には制限があるので、被検出ガ
ス中でのセンサ出力に応じ、最も近い２点の間で折れ線
近似を行う。 第10図に動作フローチャートを示す。被検出ガスとの
接触時にサンプリング信号を、較正時に較正信号をマニ
ュアルで入力するものとする。装置はバッググラウンド
中での出力の読み取りからスタートし、最初はサンプリ
ング信号や較正信号はない。まずバックグラウンド中で
のセンサ出力を入力し、A/D変換し出力Ｖを読み取る。
これをマップの第０列（バックグラウンド出力）と比較
し、最む近い行（ｎ行とｎ−１行）を取り出す。センサ
出力ＶでのFn,_oとFn_-1,_oとの内分比をＰとして算出し、
これによって第ｎ行と第ｎ−１行とをＰで内分した行を
発生させる。図のΔＦは、Fn,mとFn_-1,mとの差を示す。
Ｐで内分した行の発生は、関数発生回路34で行う。 被検出ガスとの接触時には、サンプリング信号をマニ
ュアルで入力し、サブルーチンＡに移行する。サブルー
チンＡでは、第６図の参考例と同様にして、センサ出力
Ｖを読み取り、Ｖに最も近い行の要素Pm,Pm_-1を求め
る。センサ出力Ｖによる、要素Pm,Pm_-1の内分比Ｑを算
出する。この処理は比較回路36で行う。Pm,Pm_-1に対応
したガス濃度Cm,Cm_-1をＱで内分し、出力を表示回路30
に現す。この処理は近似回路38で行う。なお図のΔＣは
CmとCm_-1との差を現す。 この実施例では、式（１）のαに対応した要素はマッ
プ32に記憶してある。マップ32の修正は困難で、較正は
式（１）のＫに対して行う。この較正はゲイン調整抵抗
R4で行い、調整過程を較正サブルーチンＢに示す。サブ
ルーチンＢでは、サブルーチンＡを利用し、濃度既知の
被検出ガスに対する検出出を表示させる。表示が真の値
に一致しない場合、ゲイン調整抵抗R4を変化させ、表示
を真の値に合致させる。この操作ではマップ32の行の選
択は、未較正の段階で行っている。較正精度を高めるに
は、被検出ガスに対する較正とバッググラウンドとの接
触とを繰り返せば良い。しかし第２図から明らかなよう
に、高濃度の被検出ガス中ではバックグラウンドの影響
は小さく、未較正のバックグラウンド出力を用いること
による誤差は小さい。 補足１ ガスセンサ４の出力が他の特性を示す場合、例えば σ＝Ｋ・（１＋ｘ）^α・（１＋ｙ）^β （５） となる場合も、ガス検出回路の構成は簡単である。ここ
にｘは被検出ガス濃度を、ｙは共存ガス濃度を現す。こ
の場合、バックグラウンド中と、被検出ガス中とのセン
サ出力をサンプリングし、これらの妃を取り出す。比の
値は式（６）で与えられる。 σ₁/σ_２＝（１＋ｘ）^α （６） そこでこの出力を1/α乗すればガス濃度ｘが得られる。
またこれに対する較正は、濃度既知の被検出ガスを用
い、αを較正すれば良い。 補足２ 実施例では、バックグラウンドに対する検出と、被検
出ガスに対する検出とを、明確に区別し得るものとして
扱った。このことは医院等での人の口臭の検査や、果物
等の生鮮食料品の芳香からの鮮度検査、あるいはプラン
トや化学工場、パイプライン等からのガスの漏洩の検出
等にはそのまま当てはまる。 しかしセンサ出力の相対的変化から、バックグラウン
ド出力と被検出ガスへの出力とを取り出す場合にも、実
施例は適用できる。例えば室内空気の汚染をガスセンサ
で検出し、空調を制御する場合を考える。この場合数時
間程度の長い時間でのセンサ出力の最小値は、清浄空気
に対するセンサ出力に対応すると近似して良い。そこで
例えばこの値を記憶し、これをバックグラウンド出力と
して用いれば、実施例はそのまま適用できる。 ［発明の効果］ この発明では、センサの経時変化や共存ガス濃度の変
化等による誤差要因を補償し、検出精度を高めることが
できる。

【図面の簡単な説明】 第１図は最初の従来例の回路図、第２図はガスセンサの
特性図、第３図〜第５図は最初の従来例での較正過程を
示す特性図である。 第６図は第２の従来例の回路構成を現すブロック図、第
７図及び第８図はその動作フローチャートである。 第９図は実施例の回路構成を現すブロック図、第10図は
その動作フローチャートである。 図において、４……ガスセンサ、 R1,R4,R5……可変抵抗、10……サーミスタ、 12……A/D変換回路、14……べき乗回路、 18,20……記憶回路、24……除算回路、 32……マップ、34……関数発生回路。

フロントページの続き (72)発明者 沖野 一雄 大阪府箕面市船場西１丁目５番３号 フ ィガロ技研株式会社内 (56)参考文献 特開 昭58−11847（ＪＰ，Ａ) 特開 昭54−53600（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) G01N 27/12

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．金属酸化物半導体ガスセンサを用いたガス検出装置
   において、 バックグラウンド中でのガスセンサの出力に応じて、ガ
   ス中でのガスセンサ出力を検索するためのマップを設け
   て、前記マップにはバックグラウンド中でのガスセンサ
   出力を複数記録して、各バックグラウンド中でのガスセ
   ンサ出力毎に複数のガス濃度でのガスセンサ出力を記録
   し、 バックグラウンド中でのガスセンサ出力を基に、前記マ
   ップのガス中でのガスセンサ出力の参照範囲を決定する
   ための手段を設け、 かつガス中でのガスセンサ出力で、前記参照範囲でのマ
   ップに記録したガス中でのガスセンサ出力を参照して、
   ガス濃度を決定するための手段を設けたことを特徴とす
   る、ガス検出装置。