JP3750998B2 - Exhalation detection method and apparatus - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の利用分野】
この発明はガス検出に関し、特にガスセンサの被毒の検出に関する。
【0002】
【従来技術】
金属酸化物半導体ガスセンサはシリコーン蒸気などの触媒毒により被毒を受けることが知られ、特開平2001−194330号は、被毒を受けたガスセンサではヒートクリーニング時に空気中での抵抗値が増加することを報告している。しかしながらこの公報のデータによれば、被毒検出時のCOに対する警報濃度の分布は4400〜6300ppmに及び、被毒を検出した時にはガスセンサは極端に劣化しており、被毒の検出前に使用者がCO中毒を起こす可能性がある。
【0003】
【発明の課題】
この発明の基本的な課題は、より実用的な被毒の検出方法と装置とを提供することにある。
この発明での追加の課題は、被毒時の感度不足を補うことにある。
【0004】
【発明の構成】
この発明の呼気検知方法は、ヒータを備えた金属酸化物半導体ガスセンサを加熱した後、安定状態へ移行する過程での、金属酸化物半導体の抵抗値の変化の程度を求め、該変化の程度が小さいことからガスセンサの被毒を検出し、次いで、被毒を検出しなかった場合には、金属酸化物半導体の抵抗値が第1の所定値以上不連続に変化することから呼気がガスセンサへ向けて吹き込まれたことを検知すると共に、被毒を検出した場合には、前記第1の所定値よりも小さな第2の所定値以上、金属酸化物半導体の抵抗値が不連続に変化することから呼気が吹き込まれたことを検知し、さらに、被毒を検出しなかった場合には、呼気の吹き込み検知から第1の時間経過した時点での、金属酸化物半導体の抵抗値を検出閾値と比較して呼気中のガスを検出し、被毒を検出した場合には、呼気の吹き込み検知から前記第1の時間よりも長い第2の時間経過した時点での、金属酸化物半導体を検出閾値と比較して呼気中のガスを検出し、かつ前記検出閾値を被毒による感度低下を補うように変更することを特徴とする。
【0005】
この発明の呼気検知装置は、ヒータを備えた金属酸化物半導体ガスセンサと、該ヒータに通電して金属酸化物半導体を加熱するための手段と、加熱後に安定状態へ移行する過程での金属酸化物半導体の抵抗値の変化の程度を求めて、該変化の程度が小さいことからガスセンサの被毒を検出するための被毒検出手段と、被毒検出手段が被毒を検出しなかった場合には、被毒の有無の検出後に、金属酸化物半導体の抵抗値が第1の所定値以上不連続に変化することから呼気がガスセンサへ向けて吹き込まれたことを検知すると共に、被毒を検出した場合には、被毒の有無の検出後に、前記第1の所定値よりも小さな第2の所定値以上、金属酸化物半導体の抵抗値が不連続に変化することから呼気が吹き込まれたことを検知するための吹き込み検知手段と、被毒を検出しなかった場合には、呼気の吹き込み検知から第1の時間経過した時点での、金属酸化物半導体の抵抗値を検出閾値と比較して呼気中のガスを検出し、被毒を検出した場合には、呼気の吹き込み検知から前記第1の時間よりも長い第2の時間経過した時点での、金属酸化物半導体を検出閾値と比較して呼気中のガスを検出し、かつ前記検出閾値を被毒による感度低下を補うように変更するための手段とを設けたことを特徴とする。
【0006】
好ましくは、前記金属酸化物半導体の抵抗値から基準値を求めて記憶し、該基準値を検出閾値に変換して、金属酸化物半導体の抵抗値と比較し、金属酸化物半導体の抵抗値が検出閾値以下でガスを検出すると共に、被毒検出時に、被毒による感度低下を補うように、基準値から検出閾値への変換条件を変更する。
【0007】
また例えば、前記加熱をヒータへの通電による金属酸化物半導体のヒートクリーニングとすると、ヒートクリーニング後の抵抗値の減少の程度が小さいことから、被毒を検出できる。
【0008】
なおこの明細書では、パルス加熱は例えば加熱時間が2秒以下の場合をいい、パルス加熱時間は好ましくは1秒以下とし、また特にパルス加熱時間が1秒以下で、かつパルス加熱とパルス加熱との間に、パルス加熱時間の50倍、好ましくは100倍以上の非加熱時間を置くものをいう。ヒートクリーニングとは、ヒートクリーニング以外の場合にもガスセンサが加熱されるもので、かつ電源投入時などの所定のイベントに対して例えば非定期的に行われるものである。ヒートクリーニングの時間は例えば3秒以上とし、ヒートクリーニングでは、これ以外の加熱時期での加熱温度よりも高い温度に加熱する。
【0009】
【発明の作用と効果】
発明者らは、被毒を受けたガスセンサでは、高温に加熱した後に安定状態へ移行する間の抵抗値の変化が、正常なセンサに比べ小さいことを見出した。なおパルス加熱では、被毒によってパルス加熱後安定状態へ移行する間に抵抗値が増加し、被毒によってこの抵抗値の増加が小さくなる(図10)。またヒートクリーニングでは、ヒートクリーニング後安定状態へ移行する間の抵抗値の減少の程度が、被毒によって小さくなる(図5)。この発明では、ガスセンサの被毒を検出できる。
【0010】
【実施例】
図1〜図6に、携帯用の口臭検出装置を例に実施例を示す。図1に用いたガスセンサ2を示すと、4はアルミナなどの基板で、6はガラスなどを用いた断熱膜で、8は膜状のヒータ、10はガラス膜やシリカ膜などを用いた絶縁膜で、12は膜状の金属酸化物半導体で、ここでは厚さ20μmのSnO2膜を用いた。基板4は剛性樹脂製のベースに接着剤などでダイボンドしたが、宙吊りにしてリード線で支えても良い。なおガスセンサの形状,構造,材料自体は任意で、例えばコイル状のヒータ兼用電極の中心部に検出電極を配置し、これらをSnO2などの金属酸化物半導体でビーズ状に埋設したガスセンサなどでもよい。
【0011】
図2にガス検出装置の構成を示すと、20は電池電源で、ここでは単5アルカリ乾電池×2の3V電源とし、22はスイッチ、24は負荷抵抗である。26はマイクロコンピュータで、28はサンプリング部でADコンバータを備え、30はヒータ制御部で、スイッチ22を介してヒータ8をオンする。32はタイマで、ヒータのオン/オフや金属酸化物半導体12の抵抗値(センサ抵抗)のサンプリング、被毒の検出などに必要なタイミング信号を発生する。
【0012】
34は被毒検出部で、ヒートクリーニング終了後の所定時間帯でのセンサ抵抗の変化から、被毒の有無とその程度とを検出する。被毒検出はここでは所定時間帯の最初と最後とのセンサ抵抗の比で行い、これ以外に、所定時間帯の最後などでのセンサ抵抗の値自体などを加味してもよい。36は立上り検出部で、センサ抵抗が不連続に変化することから、呼気が吹き込まれたことを検出する。38はバックグラウンド汚染検出部で、ヒートクリーニング終了後所定の時間でのセンサ抵抗から、ヒートクリーニングが不足もしくはバックグラウンドが汚染されていることを検出する。40はガス検出部で、例えば立上り検出時のセンサ抵抗と、それから所定時間経過後のセンサ抵抗との比を用いて、あるいはこの比に立上り検出時のセンサ抵抗などを加味して、呼気中のガス濃度を検出する。
【0013】
42はI/Oで、LED44〜46を介して口臭の程度などを表示すると共に、ガスセンサ2が被毒されており検出不能の場合はその旨を、またバックグラウンドが汚染されており検出不能の場合にはその旨を表示する。48はスタート処理部で、スイッチ50がオンされたことに伴い、マイクロコンピュータ26をスタートさせ、所定の条件でマイクロコンピュータ26を停止させる。なおガス検出装置を使用していないときに、金属酸化物半導体12に検出電流が流れることを防止するため、金属酸化物半導体12と電源20との間などに適宜のスイッチを設けてもよい。
【0014】
図3にガスセンサの駆動パターンを模式的に示す。ガス検出装置の電源がオンされると、例えば6秒間ヒータ8に連続的に通電して金属酸化物半導体をヒートクリーニングし、その後は例えば250m秒周期で、例えば8m秒ずつヒータをオンし、ヒータオフ後所定時間(120m秒)経過時に破線で示すように、サンプリングパルスを発生させて、センサ抵抗を読み込む。
【0015】
図4〜図6に実施例の動作アルゴリズムと特性とを示す。スイッチをオンして電源を投入すると、例えば6秒間ヒートクリーニングし、ヒートクリーニング終了から1秒後(7秒目)のセンサ抵抗と、ヒートクリーニング終了から4秒後(10秒目)のセンサ抵抗との比などにより、被毒の有無とその程度とを検出する。被毒を検出すると、被毒が極端に著しい場合、LEDなどを介して被毒により検出不能であることを表示する。被毒の程度が極端ではない場合、被毒の程度に応じて以降の検出条件を変更する。
【0016】
呼気が吹き込まれたことを圧力センサなどで検出してもよいが、ここではセンサ抵抗の不連続な変化から立上りを検出する。例えば被毒が存在しない場合、250m秒間でセンサ抵抗が3LSB以上低下したことをもって立上りとし、被毒を検出した場合、250m秒間で2LSB以上の変化があれば呼気が吹き込まれたものとする。そして立上り検出時のセンサ抵抗を基準値として、図2のガス検出部40に記憶する。ここで基準値が極端に低いのは、ヒートクリーニング不足かバックグラウンド汚染かのいずれかである。そこで例えば、立上り検出時のセンサ抵抗が所定の基準値よりも低い場合、基準値の関数として、判定しきい値を変更する。なお判定しきい値は、基準値に乗算などを行う定数で、基準値を判定しきい値を用いて変換したものが、検出閾値である。判定しきい値の変更では、基準値に応じて判定しきい値に乗算する係数を例えば3段階などに不連続に変化させてもよく、あるいは基準値に応じてこの定数を連続的に変化させてもよい。
【0017】
呼気中の出力のサンプリングは、被毒の有無によりサンプリングのタイミングをシフトさせる。被毒がない場合、呼気への応答が速いので、例えば立上り検出から3秒後のセンサ信号を用い、被毒がある場合立上り検出から5秒後のセンサ信号を用いる。なお被毒がない状態からのサンプリング時期のシフトは、被毒の程度により複数段階に変化させてもよい。呼気中のセンサ出力と基準値の比などにより、呼気の汚れの程度を検出する。これはガスセンサが口臭センサの場合、口臭の程度を表し、アルコールセンサの場合はアルコール濃度となる。汚れ判定では例えば3つの検出閾値を設け、これらとの比較により、汚れの程度を4段階に分けて検出する。
【0018】
検出閾値の発生では、基準となる定数を例えば3種類用意し、これにバックグラウンド汚染時の判定しきい値変更用の定数と被毒の程度による定数とを乗算する。そして被毒が著しい、もしくはバックグラウンドが汚染されている場合、基準値からの変化が小さくても、呼気が汚染されているものとするように定数を制御する。このようにして口臭の程度やアルコールの程度を4段階に識別し、結果をLED44〜46に表示し、その後例えば2秒間程度ヒートクリーニングして、電源をオフする。
【0019】
図5に、被毒時と正常時とのセンサ抵抗の波形を示し、これらは各5ヶのセンサ抵抗の波形の平均値である。またセンサの被毒は、10ppmのヘキサメチルジシロキサン雰囲気中に1日センサを曝すことにより行った。ヒートクリーニング中のセンサ抵抗は、正常品も被毒品も大差なく、ヒートクリーニング終了直後のセンサ抵抗にも大差はない。時刻7秒目〜10秒目の3秒間でのセンサ抵抗の変化は、被毒品では小さく正常品では大きい。なお7秒目での金属酸化物半導体の温度は100℃程度、10秒目の間の金属酸化物半導体12の温度は室温である。そこで10秒目と7秒目との抵抗値の比、あるいは10秒目や7秒目の抵抗値自体をこれらに加味したものなどを用いれば、被毒の程度を検出することができる。
【0020】
被毒を検出すると、呼気の吹き込みの立上り検出の条件を変更する。これは被毒により呼気中の水蒸気に対する応答性が低下するためである。そして被毒すると、呼気に対する応答が低下するので、呼気中出力のサンプリングの時間を例えば2秒間延長する。また呼気中のメチルメルカプタンなどに対する感度も低下するので、検出閾値の発生に用いた定数を変更する。これらにより被毒の影響を補正して、ほぼ正確に呼気中のメチルメルカプタン濃度やアルコール濃度などを測定することができる。
【0021】
図6に、被毒の程度と1ppmのメチルメルカプタンへの感度との関係を示す。この図は17ヶのガスセンサに対する測定値を示し、図の左下側の集団は被毒を受けていないガスセンサで、中央部〜右上の集団は被毒を受けたガスセンサの集団である。横軸の被毒係数は10秒目と7秒目とのセンサ抵抗の比で、被毒によりこの値は1に近づく。縦軸は12秒目と15秒目との抵抗値の比で、被毒により感度が失われ、この値も1に近づく。そして被毒係数とメチルメルカプタン感度とはよく相関し、被毒係数により被毒の有無を評価し、かつメチルメルカプタン感度の低下を正確に補正し得ることが分かる。
【0022】
参考例
図7〜図11に、CO検出装置の被毒検出を例に、参考例を示す。図7に回路構成を示すと、用いたガスセンサ2は図1のもので、図2と同じ符号は同じものを表す。23は金属酸化物半導体12を電池電源20に接続するためのスイッチで、60は新たなマイクロコンピュータである。62は新たなタイマで、64はADコンバータを備えた新たなサンプリング部で、スイッチ23を制御すると共に、負荷抵抗24への出力電圧を読み込む。66は新たなヒータ制御部で、ヒータ信号Hによりスイッチ22をオンさせて、ヒータ8に電力を加える。68はCO検出部で、70は被毒検出部であり、パルス加熱後のセンサ抵抗の増加率を統計化し、被毒を検出する。72は新たなI/Oで、COの発生時にはCO検出信号を、被毒検出時には被毒検出信号を発生し、報知部74によりCOの発生並びにガスセンサ2の劣化(被毒)を報知する。
【0023】
図8にガスセンサ2の駆動パターンを示す。動作周期は例えば60秒で、そのうち最初の14m秒の間、ヒータ8をオンして金属酸化物半導体12をパルス的に加熱し、パルス加熱時の最高温度は約400℃である。そして周期の最初から例えば1秒目のセンサ信号をサンプリング部で読み込んで、COを検出する。被毒の検出には、ヒータ8によるパルス加熱(以下単にパルス加熱)後のセンサ抵抗の増加率を用い、ここでは周期の始めから15m秒目と30m秒目のセンサ信号を用いる。なおこの実施例では、周期の始めを0m秒として時刻を表し、例えばパルス加熱の終了時が14m秒で、被毒検出用の信号のサンプリング時が15m秒と30m秒である。
【0024】
ガスセンサ2を劣化させるため加速試験を行った。50℃相対湿度95%の雰囲気で、ガスセンサ2を10個使用し、時々恒温恒湿槽から取り出してCOに対する警報濃度の変化を調べた。なおCOに対する警報濃度の初期値は100ppmである。10個のガスセンサ中で最も劣化の激しかったものでは、50℃相対湿度95%中46日目に、COの警報濃度(ガスセンサの抵抗値のCO濃度依存性から算出)が100ppmから300ppmに増加し、56日目にはCOの警報濃度が1000ppmに達した。残りの9個のガスセンサでは、56日目の警報濃度は400ppm以下であった。
【0025】
50℃相対湿度95%の雰囲気中で劣化したセンサは水蒸気による被毒を受けたものと見なし、以下被毒センサあるいは被毒品と呼ぶ。図9,図10は、恒温恒湿槽から取り出した直後の、被毒センサと他の正常なセンサ(1個)の抵抗値の波形を示している。被毒センサに対して空気中の抵抗値の波形(20℃相対湿度65%)を示し、正常センサに対して、空気中と水素1000ppm中並びにCO100ppm中の波形を示す。図9には時刻0〜20秒間の波形を示し、図10には時刻0〜100m秒間の波形を示す。
【0026】
被毒センサの波形では、パルス加熱中の抵抗値も高く、パルス加熱終了後の抵抗値の増加率が僅かである。しかしながらパルス加熱中の抵抗値は、−10℃などの極端に低温でかつ絶対湿度の低い雰囲気(空気中)で、正常センサの場合、標準状態の空気から10〜100倍程度増加するので、パルス加熱中の抵抗値自体から被毒の有無を検出するのは困難である。これに対して、パルス加熱後の抵抗値の増加率は、低温低湿中でむしろ増加するので、パルス加熱後の抵抗値の増加率を用いると、低温低湿中(絶対湿度の低い雰囲気)で、誤って被毒と判断することがない。
【0027】
次に水素1000ppm中ではパルス加熱後の抵抗値の増加率がごく僅かであるが、これは30m秒目や15m秒目のセンサ抵抗をチェックすること(抵抗値が低いことをチェック)により、被毒と区別することができる。またこれ以外に梅雨などの多湿期には、パルス加熱後のセンサ抵抗の増加率が減少する。しかし正常品の場合、多湿期でも被毒センサの抵抗の増加率よりは充分大きな抵抗の増加率(15m秒〜30m秒の間に抵抗値が10〜20倍程度増加)を示し、また多湿期での15m秒目のセンサ抵抗(通常は10KΩ程度)は被毒時の15m秒目のセンサ抵抗(1MΩ程度)よりも充分に低い。これらのため、15m秒目と30m秒目とのセンサ抵抗の比を用いることにより、被毒の有無を検出できる。そして検出の信頼性を増す場合、15m秒目や30m秒目のセンサ抵抗の値自体を加味してやればよい。なお15m秒目や30m秒目は、パルス加熱後の過渡的な抵抗値の増加を検出するための適宜の時刻の例である。
【0028】
図11に、参考例での被毒検出のアルゴリズムを示す。ガスセンサは60秒周期で動作するが、被毒の検出は7時間毎に行い、これは被毒検出の時定数を1週間〜30日程度とし、この間の様々な時刻の信号を用いるためである。
【0029】
被毒検出のサブルーチンが起動すると、15m秒目でのセンサ抵抗Rs15と、30m秒目でのセンサ抵抗Rs30とを記憶し、Rs30とRs15との比が10未満か否かをチェックし、かつRs15が50kΩ以上か否かをチェックする。図10の例では、被毒品でRs30とRs15の比は3程度、正常品で40程度である。また乾燥雰囲気ではこの比は増加する。水素中や多湿の雰囲気ではこの比は減少するものの、Rs15が50kΩ以上となることはほとんどない。Rs15の値のチェックは省略してもよく、またRs30のチェックなどに変えてもよい。
【0030】
1回のみの被毒の兆候で被毒と判断するのは危険なので、被毒の有無の検出結果を統計化する。統計化の原理は、Rs30/Rs15の値の移動平均を求め、移動平均が例えば10以下になった際に被毒と判断することである。ここではRs30とRs15の比が10以下で、かつRs15が50kΩ以下の場合カウンタを1加算する。ただしカウンタの最大値は255とする。また前記のいずれかの条件が満たされない場合、被毒の兆候がないものとしてカウンタを1減算し、カウンタの値の最小値は0とする。次にカウンタの値が32以上か否かをチェックし、カウンタの値が32以上でガスセンサが被毒されたものとして報知し、以降は被毒の兆候が消滅した場合にも、被毒検出の結果がキャンセルされないようにカウンタの値を固定する。またカウンタの値が32未満の場合、被毒がないものとして被毒の報知を行わない。
【0031】
7時間毎に被毒の有無を判断し、カウンタの値を32とするので、被毒の兆候が生じてから、被毒の報知を行うまでの最短時間は約9日となる。この期間は例えば1週間〜30日程度の範囲で適宜に変更できる。一旦被毒を報知するとカウンタの値を固定するのは、それ以降に被毒の兆候が消えても、正常なセンサとは見なさないためである。しかしながら、被毒を報知するためのカウンタの値を32以上,被毒の報知を取り消すためのカウンタの値を例えば16未満として、被毒の検出と取り消しとにマージンを持たせ、被毒を報知後もカウンタの値の増減を認めてもよい。これは一時的な被毒を受けるが、その後被毒から回復し得る場合に有効である。
【0032】
なお実施例1(図1〜図5)では被毒検出の統計化を示さなかったが、図11と同様のアルゴリズムで統計化しても良い。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例で用いたガスセンサの断面図
【図2】 実施例のガス検出装置のブロック図
【図3】 実施例でのガスセンサの駆動パターンを示す図
【図4】 実施例のガス検出装置の動作アルゴリズムを示すフローチャート
【図5】 実施例での被毒の検出、呼気の吹き込みによる立上りの検出、被毒による呼気中出力のサンプリング時期の変更と、判定しきい値の変更とを示す特性図
【図6】 実施例での被毒の検出結果と1ppmのメチルメルカプタンへの感度との相関を示す特性図
【図7】 参考例のガス検出装置のブロック図
【図8】 参考例でのガスセンサの駆動パターンを示す図
【図9】 図8の駆動パターンでの、20秒分のセンサの出力波形を示し、被毒センサの空気中の抵抗値の挙動と、正常センサの空気中及び水素1000ppm中並びにCO100ppm中の抵抗値の挙動を示す。
【図10】 図9中の0〜100m秒の区間でのセンサの抵抗値の挙動を拡大して示す図
【図11】 参考例での被毒検出のアルゴリズムを示すフローチャート
【符号の説明】
2 ガスセンサ
4 基板
6 断熱膜
8 ヒータ
10 絶縁膜
12 金属酸化物半導体
20 電池電源
22,23 スイッチ
24 負荷抵抗
26,60 マイクロコンピュータ
28,64 サンプリング部
30,66 ヒータ制御部
32,62 タイマ
34,70 被毒検出部
36 立上り検出部
38 バックグラウンド汚染検出部
40 ガス検出部
42,72 I/O
44〜46 LED
48 スタート処理部
50 スイッチ
68 CO検出部
74 報知部
[0001]
[Field of the Invention]
The present invention relates to gas detection, and more particularly to detection of poisoning of a gas sensor.
[0002]
[Prior art]
Metal oxide semiconductor gas sensors are known to be poisoned by catalyst poisons such as silicone vapor. Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-194330 states that a resistance value in air increases in heat-cleaned gas sensors. Has been reported. However, according to the data of this publication, the alarm concentration distribution for CO at the time of detection of poisoning ranges from 4400 to 6300 ppm, and when the poisoning is detected, the gas sensor is extremely deteriorated. May cause CO poisoning.
[0003]
[Problems of the Invention]
A basic object of the present invention is to provide a more practical poisoning detection method and apparatus .
An additional problem with the present invention is to compensate for the lack of sensitivity during poisoning.
[0004]
[Structure of the invention]
According to the breath detection method of the present invention, after the metal oxide semiconductor gas sensor provided with the heater is heated, the degree of change in the resistance value of the metal oxide semiconductor in the process of shifting to a stable state is obtained. If the gas sensor poisoning is detected because it is small , and then the poisoning is not detected, the resistance value of the metal oxide semiconductor changes discontinuously beyond the first predetermined value, so that exhaled air is directed to the gas sensor. When the poisoning is detected, the resistance value of the metal oxide semiconductor changes discontinuously over a second predetermined value smaller than the first predetermined value. If it is detected that exhaled air has been blown and further poisoning has not been detected, the resistance value of the metal oxide semiconductor is compared with the detection threshold when the first time has elapsed since the detection of exhalation of breath. And let the exhaled gas When the poisoning is detected, the metal oxide semiconductor is compared with the detection threshold at the time when the second time longer than the first time has elapsed since the detection of the inhalation of the breath, and the gas in the breath is detected. It detects, and the said detection threshold value is changed so that the sensitivity fall by poisoning may be compensated.
[0005]
The breath detection device of the present invention includes a metal oxide semiconductor gas sensor provided with a heater, means for heating the metal oxide semiconductor by energizing the heater, and a metal oxide in the process of transitioning to a stable state after heating. When the degree of change in the resistance value of the semiconductor is determined and the degree of change is small, poisoning detection means for detecting poisoning of the gas sensor, and when the poisoning detection means does not detect poisoning After the detection of the presence or absence of poisoning, the resistance value of the metal oxide semiconductor changes discontinuously beyond the first predetermined value, so that it was detected that exhaled air was blown toward the gas sensor and the poisoning was detected In this case, after the detection of the presence or absence of poisoning, the breath is blown because the resistance value of the metal oxide semiconductor changes discontinuously over a second predetermined value smaller than the first predetermined value. Blow detection to detect If no poisoning was detected, the resistance value of the metal oxide semiconductor at the time when the first time has passed since the detection of exhalation was compared with the detection threshold value to detect the gas in the exhalation. When poisoning is detected, the gas in the expired gas is detected by comparing the metal oxide semiconductor with the detection threshold at the time when the second time longer than the first time has elapsed since the detection of the inhalation of the breath. And a means for changing the detection threshold so as to compensate for the sensitivity reduction due to poisoning.
[0006]
Preferably, a reference value is obtained from the resistance value of the metal oxide semiconductor and stored, the reference value is converted into a detection threshold value, and compared with the resistance value of the metal oxide semiconductor. The gas is detected below the detection threshold, and the conversion condition from the reference value to the detection threshold is changed so as to compensate for the sensitivity reduction due to poisoning when poisoning is detected .
[0007]
Further, for example, when the heating is heat cleaning of the metal oxide semiconductor by energizing the heater, the degree of decrease in the resistance value after the heat cleaning is small, so that poisoning can be detected .
[0008]
In this specification, pulse heating means, for example, the case where the heating time is 2 seconds or less, the pulse heating time is preferably 1 second or less, and in particular, the pulse heating time is 1 second or less, and pulse heating and pulse heating are performed. The non-heating time is 50 times, preferably 100 times or more of the pulse heating time. In the heat cleaning, the gas sensor is heated even in cases other than the heat cleaning, and is performed, for example, irregularly in response to a predetermined event such as when the power is turned on. The heat cleaning time is, for example, 3 seconds or more, and in the heat cleaning, heating is performed at a temperature higher than the heating temperature at other heating timings.
[0009]
[Operation and effect of the invention]
The inventors have found that in a poisoned gas sensor, the change in resistance value during transition to a stable state after heating to a high temperature is small compared to a normal sensor. In pulse heating, the resistance value increases during the transition to a stable state after pulse heating due to poisoning, and the increase in resistance value decreases due to poisoning (FIG. 10). In heat cleaning, the degree of decrease in resistance value during the transition to a stable state after heat cleaning is reduced by poisoning (FIG. 5). In this invention, poisoning of the gas sensor can be detected .
[0010]
【Example】
1 to 6 show an embodiment of a portable breath odor detection device as an example. The gas sensor 2 used in FIG. 1 shows a substrate 4 such as alumina, 6 a heat insulating film using glass, 8 a film heater, 10 an insulating film using a glass film or a silica film. In the figure, 12 is a film-like metal oxide semiconductor, and here, a SnO2 film having a thickness of 20 μm was used. The substrate 4 is die-bonded to a rigid resin base with an adhesive or the like, but may be suspended in the air and supported by a lead wire. The shape, structure, and material of the gas sensor are arbitrary. For example, a gas sensor in which a detection electrode is arranged at the center of a coil-shaped heater / electrode and is embedded in a bead shape with a metal oxide semiconductor such as SnO 2 may be used.
[0011]
FIG. 2 shows the configuration of the gas detection apparatus. Reference numeral 20 denotes a battery power supply, which is a 3V power supply of single alkaline batteries × 2, 22 is a switch, and 24 is a load resistance. Reference numeral 26 denotes a microcomputer, reference numeral 28 denotes a sampling unit which includes an AD converter, and reference numeral 30 denotes a heater control unit which turns on the heater 8 via the switch 22. A timer 32 generates a timing signal necessary for turning on / off the heater, sampling the resistance value (sensor resistance) of the metal oxide semiconductor 12, and detecting poisoning.
[0012]
Reference numeral 34 denotes a poisoning detection unit that detects the presence or absence of poisoning and the degree thereof from the change in sensor resistance in a predetermined time zone after the end of heat cleaning. Here, the poisoning detection is performed based on the ratio of the sensor resistance at the beginning and end of the predetermined time zone, and in addition to this, the sensor resistance value itself at the end of the predetermined time zone may be taken into account. Reference numeral 36 denotes a rise detection unit, which detects that exhaled air has been blown because the sensor resistance changes discontinuously. Reference numeral 38 denotes a background contamination detection unit, which detects that the heat cleaning is insufficient or the background is contaminated from the sensor resistance at a predetermined time after the completion of the heat cleaning. Reference numeral 40 denotes a gas detection unit that uses, for example, the ratio of the sensor resistance at the time of rising detection and the sensor resistance after the elapse of a predetermined time, or adds the sensor resistance at the time of rising detection to this ratio. Detect gas concentration.
[0013]
42 is an I / O which displays the degree of bad breath etc. via the LEDs 44 to 46, and if the gas sensor 2 is poisoned and cannot be detected, this is indicated, and the background is contaminated and cannot be detected. If so, this is displayed. A start processing unit 48 starts the microcomputer 26 when the switch 50 is turned on, and stops the microcomputer 26 under predetermined conditions. Note that an appropriate switch may be provided between the metal oxide semiconductor 12 and the power supply 20 in order to prevent a detection current from flowing through the metal oxide semiconductor 12 when the gas detection device is not used.
[0014]
FIG. 3 schematically shows the driving pattern of the gas sensor. When the gas detector is turned on, for example, the heater 8 is energized continuously for 6 seconds to heat-clean the metal oxide semiconductor, and then the heater is turned on, for example, every 8 milliseconds, for example, every 250 milliseconds. After a predetermined time (120 milliseconds) has elapsed, a sampling pulse is generated and the sensor resistance is read as indicated by a broken line.
[0015]
4 to 6 show the operation algorithm and characteristics of the embodiment. When the switch is turned on and the power is turned on, for example, heat cleaning is performed for 6 seconds, sensor resistance 1 second after the end of heat cleaning (7 seconds), and sensor resistance 4 seconds after the end of heat cleaning (10 seconds) The presence / absence of poisoning and its level are detected by the ratio. When the poisoning is detected, if the poisoning is extremely significant, it is displayed that the detection is impossible due to the poisoning via the LED or the like. If the degree of poisoning is not extreme, the subsequent detection conditions are changed according to the degree of poisoning.
[0016]
Although it may be detected by a pressure sensor or the like that exhaled air has been blown, the rise is detected from a discontinuous change in sensor resistance. For example, when there is no poisoning, it is assumed that the sensor resistance has decreased by 3 LSB or more in 250 msec, and when the poisoning is detected, if there is a change of 2 LSB or more in 250 msec, exhalation is assumed. Then, the sensor resistance at the time of rising detection is stored as a reference value in the gas detection unit 40 of FIG. Here, the reference value is extremely low because of insufficient heat cleaning or background contamination. Therefore, for example, when the sensor resistance at the time of rising detection is lower than a predetermined reference value, the determination threshold is changed as a function of the reference value. The determination threshold is a constant for multiplying the reference value, and the detection threshold is obtained by converting the reference value using the determination threshold. In changing the judgment threshold value, the coefficient to be multiplied by the judgment threshold value may be changed discontinuously, for example, in three steps according to the reference value, or the constant may be changed continuously according to the reference value. May be.
[0017]
The sampling of the output during exhalation shifts the sampling timing depending on the presence or absence of poisoning. When there is no poisoning, the response to exhalation is fast. For example, a sensor signal 3 seconds after the rising edge detection is used, and when there is poisoning, a sensor signal 5 seconds after the rising edge detection is used. Note that the sampling time shift from the state of no poisoning may be changed in a plurality of stages depending on the degree of poisoning. The degree of exhalation contamination is detected based on the ratio between the sensor output during expiration and the reference value. This represents the degree of bad breath when the gas sensor is a bad breath sensor, and the alcohol concentration when it is an alcohol sensor. For example, three detection threshold values are provided in the dirt determination, and the degree of dirt is detected in four stages by comparison with these.
[0018]
For generation of the detection threshold, for example, three types of reference constants are prepared, and this is multiplied by a constant for changing the determination threshold at the time of background contamination and a constant depending on the degree of poisoning. If the poisoning is significant or the background is contaminated, the constant is controlled so that exhaled air is contaminated even if the change from the reference value is small. In this way, the degree of bad breath and the degree of alcohol are identified in four stages, and the results are displayed on the LEDs 44 to 46, and then heat-cleaned for about 2 seconds, for example, and the power is turned off.
[0019]
FIG. 5 shows the sensor resistance waveforms at the time of poisoning and at the normal time, and these are the average values of the waveforms of the five sensor resistances. The sensor was poisoned by exposing the sensor to a 10 ppm hexamethyldisiloxane atmosphere for one day. The sensor resistance during heat cleaning does not differ greatly between normal products and poisoned products, and there is no significant difference in sensor resistance immediately after the end of heat cleaning. The change in sensor resistance in 3 seconds from the 7th to 10th time is small for poisoned products and large for normal products. Note that the temperature of the metal oxide semiconductor at 7 seconds is about 100 ° C., and the temperature of the metal oxide semiconductor 12 at 10 seconds is room temperature. Therefore, the degree of poisoning can be detected by using the ratio of the resistance values between the 10th and 7th seconds, or the resistance values of the 10th and 7th seconds added to them.
[0020]
When poisoning is detected, the condition for detecting the rise of exhalation is changed. This is because the responsiveness to the water vapor in the exhaled breath decreases due to poisoning. If poisoning occurs, the response to exhalation decreases, so the sampling time of the output during exhalation is extended, for example, by 2 seconds. Also, since sensitivity to exhaled methyl mercaptan also decreases, the constant used to generate the detection threshold is changed. Thus, the influence of poisoning can be corrected, and the methyl mercaptan concentration, alcohol concentration, etc. in exhaled breath can be measured almost accurately.
[0021]
FIG. 6 shows the relationship between the degree of poisoning and the sensitivity to 1 ppm methyl mercaptan. This figure shows measured values for 17 gas sensors. The group on the lower left side of the figure is a gas sensor that is not poisoned, and the group on the center to the upper right is a group of gas sensors that are poisoned. The poisoning coefficient on the horizontal axis is the ratio of the sensor resistance between the 10th and 7th seconds, and this value approaches 1 due to poisoning. The vertical axis represents the ratio of resistance values between the 12th and 15th seconds, and the sensitivity is lost due to poisoning, and this value also approaches 1. It can be seen that the poisoning coefficient and methyl mercaptan sensitivity correlate well, and it is possible to evaluate the presence or absence of poisoning by the poisoning coefficient and to accurately correct the decrease in methyl mercaptan sensitivity.
[0022]
Reference Example FIGS. 7 to 11 show a reference example using poison detection of a CO detection device as an example . When the circuit configuration is shown in FIG. 7, the gas sensor 2 used is that of FIG. 1, and the same reference numerals as those in FIG. Reference numeral 23 denotes a switch for connecting the metal oxide semiconductor 12 to the battery power source 20, and reference numeral 60 denotes a new microcomputer. 62 is a new timer, and 64 is a new sampling unit equipped with an AD converter, which controls the switch 23 and reads the output voltage to the load resistor 24. A new heater control unit 66 turns on the switch 22 by the heater signal H to apply power to the heater 8. Reference numeral 68 denotes a CO detection unit, and reference numeral 70 denotes a poisoning detection unit, which statistically measures the rate of increase in sensor resistance after pulse heating and detects poisoning. Reference numeral 72 denotes a new I / O, which generates a CO detection signal when CO is generated, and generates a poison detection signal when poisoning is detected, and notifies the generation of CO and the deterioration (poisoning) of the gas sensor 2 by the notification unit 74.
[0023]
FIG. 8 shows a driving pattern of the gas sensor 2. The operation cycle is, for example, 60 seconds, and during the first 14 milliseconds, the heater 8 is turned on to heat the metal oxide semiconductor 12 in a pulsed manner, and the maximum temperature during the pulse heating is about 400 ° C. Then, for example, the sensor signal at the first second from the beginning of the cycle is read by the sampling unit, and CO is detected. For detection of poisoning, the sensor resistance increase rate after pulse heating (hereinafter simply referred to as pulse heating) by the heater 8 is used. Here, sensor signals at 15 msec and 30 msec from the beginning of the cycle are used. In this embodiment, the time is expressed with 0 ms as the beginning of the cycle. For example, the end of the pulse heating is 14 ms, and the sampling time of the poisoning detection signal is 15 ms and 30 ms.
[0024]
An acceleration test was conducted to degrade the gas sensor 2. Ten gas sensors 2 were used in an atmosphere having a relative humidity of 95% at 50 ° C., and the change in the alarm concentration with respect to CO was examined by taking it out from the constant temperature and humidity chamber. The initial value of the alarm concentration for CO is 100 ppm. Of the 10 gas sensors, the most severely deteriorated, the CO alarm concentration (calculated from the CO concentration dependency of the resistance value of the gas sensor) increased from 100 ppm to 300 ppm on the 46th day at 50 ° C. and 95% relative humidity. On the 56th day, the alarm concentration of CO reached 1000 ppm. In the remaining nine gas sensors, the alarm concentration on the 56th day was 400 ppm or less.
[0025]
A sensor deteriorated in an atmosphere at 50 ° C. and a relative humidity of 95% is considered to have been poisoned by water vapor, and is hereinafter referred to as a poisoned sensor or a poisoned product. 9 and 10 show waveforms of resistance values of the poisoning sensor and another normal sensor (one piece) immediately after being taken out from the constant temperature and humidity chamber. The waveform of the resistance value in the air (20 ° C. relative humidity 65%) is shown for the poison sensor, and the waveform in the air, 1000 ppm of hydrogen and 100 ppm of CO is shown for the normal sensor. FIG. 9 shows a waveform at time 0 to 20 seconds, and FIG. 10 shows a waveform at time 0 to 100 msec.
[0026]
In the waveform of the poisoning sensor, the resistance value during pulse heating is also high, and the increase rate of the resistance value after the end of pulse heating is slight. However, the resistance value during pulse heating increases by about 10 to 100 times from the air in the normal state in the case of a normal sensor in an atmosphere (in air) having an extremely low temperature such as −10 ° C. and a low absolute humidity. It is difficult to detect the presence or absence of poisoning from the resistance value itself during heating. On the other hand, the rate of increase in resistance value after pulse heating rather increases in low temperature and low humidity, so if the rate of increase in resistance value after pulse heating is used, in low temperature and low humidity (atmosphere with low absolute humidity), It is not mistakenly judged as poisoning.
[0027]
Next, in 1000 ppm of hydrogen, the rate of increase in resistance after pulse heating is negligible, but this is done by checking the sensor resistance at 30 msec or 15 msec (checking that the resistance value is low). Can be distinguished from poison. In addition, in the humid season such as the rainy season, the rate of increase in sensor resistance after pulse heating decreases. However, in the case of a normal product, even in the high humidity period, the resistance increase rate is sufficiently larger than that of the poisoning sensor (the resistance value increases about 10 to 20 times between 15 msec and 30 msec). The sensor resistance at 15 msec (normally about 10 KΩ) is sufficiently lower than the sensor resistance at 15 msec (about 1 MΩ) during poisoning. For these reasons, it is possible to detect the presence or absence of poisoning by using the sensor resistance ratio between the 15 msec and the 30 msec. In order to increase the reliability of detection, the sensor resistance value itself at the 15 msec or 30 msec may be taken into account. The 15 msec and 30 msec are examples of appropriate times for detecting a transient resistance value increase after pulse heating.
[0028]
FIG. 11 shows a poisoning detection algorithm in the reference example . Although the gas sensor operates at a cycle of 60 seconds, poisoning is detected every 7 hours because the poisoning detection time constant is set to about one week to 30 days and signals at various times during this period are used. .
[0029]
When the poisoning detection subroutine is activated, the sensor resistance Rs15 at the 15 msec and the sensor resistance Rs30 at the 30 msec are stored, it is checked whether the ratio of Rs30 and Rs15 is less than 10, and Rs15 Is checked whether it is 50 kΩ or more. In the example of FIG. 10, the ratio of Rs30 and Rs15 is about 3 for poisoned products and about 40 for normal products. This ratio also increases in a dry atmosphere. Although this ratio decreases in an atmosphere of hydrogen or in a humid atmosphere, Rs15 rarely exceeds 50 kΩ. The check of the value of Rs15 may be omitted or may be changed to a check of Rs30.
[0030]
Since it is dangerous to judge poisoning with a single sign of poisoning, the detection result of poisoning is statistically calculated. The principle of statistics is to obtain a moving average of the values of Rs30 / Rs15, and determine that the poisoning is caused when the moving average becomes 10 or less, for example. Here, when the ratio of Rs30 and Rs15 is 10 or less and Rs15 is 50 kΩ or less, the counter is incremented by one. However, the maximum value of the counter is 255. If any of the above conditions is not satisfied, the counter is decremented by 1 assuming that there is no sign of poisoning, and the minimum value of the counter is set to 0. Next, it is checked whether or not the counter value is 32 or more, and it is notified that the gas sensor has been poisoned when the counter value is 32 or more. The counter value is fixed so that the result is not canceled. When the value of the counter is less than 32, the poisoning notification is not performed because there is no poisoning.
[0031]
Since the presence / absence of poisoning is determined every 7 hours and the counter value is set to 32, the minimum time from the occurrence of poisoning to the notification of poisoning is about 9 days. This period can be appropriately changed within a range of, for example, about 1 week to 30 days. Once the poisoning is notified, the counter value is fixed because it is not considered as a normal sensor even if the poisoning sign disappears thereafter. However, the counter value for notifying poisoning is set to 32 or more, and the counter value for canceling poisoning notification is set to less than 16, for example, to provide a margin for detection and cancellation of poisoning and notify poisoning. You may allow the counter value to increase or decrease later. This is effective when the patient is temporarily poisoned but can recover from it later.
[0032]
In addition, although Example 1 (FIGS. 1-5) did not show the statistics of poisoning detection, you may statisticalize with the same algorithm as FIG.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a cross-sectional view of a gas sensor used in an embodiment. FIG. 2 is a block diagram of a gas detection apparatus in the embodiment. FIG. 3 is a diagram showing a driving pattern of the gas sensor in the embodiment. FIG. 5 is a flowchart showing an operation algorithm of the apparatus. FIG. 5 shows poisoning detection, rise detection by inhalation of breath, change of sampling timing of output during expiration due to poisoning, and change of determination threshold. Characteristic diagram [Fig. 6] Characteristic diagram showing the correlation between the detection result of poisoning in the example and sensitivity to 1 ppm methyl mercaptan [Fig. 7] Block diagram of the gas detector of the reference example [Fig. 8] In the reference example FIG. 9 shows the output waveform of the sensor for 20 seconds in the drive pattern of FIG. 8, showing the behavior of the resistance value of the poison sensor in the air, In 1000ppm of hydrogen The behavior of the resistance value in 100 ppm of CO is shown.
FIG. 10 is an enlarged view showing the behavior of the resistance value of the sensor in a section of 0 to 100 milliseconds in FIG. 9. FIG. 11 is a flowchart showing an algorithm for poisoning detection in a reference example .
2 Gas sensor 4 Substrate 6 Heat insulation film 8 Heater 10 Insulation film 12 Metal oxide semiconductor 20 Battery power source 22, 23 Switch 24 Load resistance 26, 60 Microcomputer 28, 64 Sampling unit 30, 66 Heater control unit 32, 62 Timer 34, 70 Poison detection unit 36 Rise detection unit 38 Background contamination detection unit 40 Gas detection unit 42, 72 I / O
44-46 LED
48 Start processing unit 50 Switch 68 CO detection unit 74 Notification unit

Claims (2)

ヒータを備えた金属酸化物半導体ガスセンサを加熱した後、安定状態へ移行する過程での、金属酸化物半導体の抵抗値の変化の程度を求め、該変化の程度が小さいことからガスセンサの被毒を検出し、
次いで、被毒を検出しなかった場合には、金属酸化物半導体の抵抗値が第1の所定値以上不連続に変化することから呼気がガスセンサへ向けて吹き込まれたことを検知すると共に、被毒を検出した場合には、前記第1の所定値よりも小さな第2の所定値以上、金属酸化物半導体の抵抗値が不連続に変化することから呼気が吹き込まれたことを検知し、
さらに、被毒を検出しなかった場合には、呼気の吹き込み検知から第1の時間経過した時点での、金属酸化物半導体の抵抗値を検出閾値と比較して呼気中のガスを検出し、被毒を検出した場合には、呼気の吹き込み検知から前記第1の時間よりも長い第2の時間経過した時点での、金属酸化物半導体を検出閾値と比較して呼気中のガスを検出し、かつ前記検出閾値を被毒による感度低下を補うように変更することを特徴とする、呼気検知方法。
After heating the metal oxide semiconductor gas sensor equipped with a heater, the degree of change in the resistance value of the metal oxide semiconductor in the process of transitioning to a stable state is obtained. detected,
Next, if poisoning is not detected, the resistance value of the metal oxide semiconductor changes discontinuously beyond the first predetermined value, so that it is detected that exhaled air has been blown toward the gas sensor, and If the poison is detected, the second predetermined value smaller than the first predetermined value is detected, and the resistance value of the metal oxide semiconductor changes discontinuously to detect that exhalation has been blown,
Furthermore, if no poisoning is detected, the gas in the exhalation is detected by comparing the resistance value of the metal oxide semiconductor with the detection threshold at the time when the first time has passed since the detection of inhalation of exhalation, When poisoning is detected, the gas in the expired gas is detected by comparing the metal oxide semiconductor with the detection threshold at the time when the second time longer than the first time has elapsed since the detection of the inhalation of the breath. And the breath detection method characterized by changing the said detection threshold value so that the sensitivity fall by poisoning may be compensated.
ヒータを備えた金属酸化物半導体ガスセンサと、該ヒータに通電して金属酸化物半導体を加熱するための手段と、加熱後に安定状態へ移行する過程での金属酸化物半導体の抵抗値の変化の程度を求めて、該変化の程度が小さいことからガスセンサの被毒を検出するための被毒検出手段と
被毒検出手段が被毒を検出しなかった場合には、被毒の有無の検出後に、金属酸化物半導体の抵抗値が第1の所定値以上不連続に変化することから呼気がガスセンサへ向けて吹き込まれたことを検知すると共に、被毒を検出した場合には、被毒の有無の検出後に、前記第1の所定値よりも小さな第2の所定値以上、金属酸化物半導体の抵抗値が不連続に変化することから呼気が吹き込まれたことを検知するための吹き込み検知手段と、
被毒を検出しなかった場合には、呼気の吹き込み検知から第1の時間経過した時点での、金属酸化物半導体の抵抗値を検出閾値と比較して呼気中のガスを検出し、被毒を検出した場合には、呼気の吹き込み検知から前記第1の時間よりも長い第2の時間経過した時点での、金属酸化物半導体を検出閾値と比較して呼気中のガスを検出し、かつ前記検出閾値を被毒による感度低下を補うように変更するための手段とを設けたことを特徴とする、呼気検知装置。
Metal oxide semiconductor gas sensor provided with a heater, means for energizing the heater to heat the metal oxide semiconductor, and degree of change in resistance value of the metal oxide semiconductor during the transition to a stable state after heating And poisoning detection means for detecting the poisoning of the gas sensor because the degree of the change is small ,
If the poisoning detection means does not detect poisoning, the resistance value of the metal oxide semiconductor changes discontinuously beyond the first predetermined value after detecting the presence or absence of poisoning. When the poisoning is detected, the resistance value of the metal oxide semiconductor is equal to or more than a second predetermined value smaller than the first predetermined value after detecting the presence or absence of poisoning. Inhalation detecting means for detecting that exhaled air has been infused because of the discontinuous change,
If poisoning is not detected, the gas in the breath is detected by comparing the resistance value of the metal oxide semiconductor with the detection threshold at the time when the first time has passed since the detection of breath inhalation. And detecting the gas in the expiration by comparing the metal oxide semiconductor with the detection threshold at the time when the second time longer than the first time has elapsed since the detection of the inhalation of the expiration, and A breath detection apparatus, comprising: means for changing the detection threshold so as to compensate for a decrease in sensitivity due to poisoning.
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