JP3992231B2 - NO2 detector - Google Patents

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Description

【0001】
【発明の利用分野】
この発明はNO2の検出に関し、特に自動車の外気導入制御や、自動車の暖機運転時のNO2濃度の検出、駐車場でのNO2濃度の検出などに関する。
【0002】
【従来技術】
【特許文献1】
特許3024217号公報
特許文献1は、金属酸化物半導体を用いて外気中のNO2濃度を検出し、自動車への外気導入を制御することを記載している。そして自動車の外気導入での検出レンジがNO2の0.3〜3ppm程度の低濃度であり、しかも用途上の特徴から、速やかにNO2を検出することが要求されている。
【0003】
【発明の課題】
この発明の課題は、低濃度のNO2を速やかにかつ正確に測定できるようにすることにある。
【0004】
【発明の構成】
この発明のNO2検出装置は、金属酸化物半導体ガスセンサのヒータ電力を周期的に変化させるための手段と、前記ヒータ電力の変化に同期してセンサ信号を周波数変換するための手段と、得られた周波数変換値を重回帰分析によりNO2濃度に変換するための回帰分析手段とを備えたことを特徴とする。
ここで好ましくは、ヒータ電力の変化周期を2秒以下、特に好ましくは1秒以下とする。センサの構造は好ましくは、ビーズ状の金属酸化物半導体の内部に、コイル状のヒータ兼用電極とその中心に配置した中心電極、とを埋設したものとする。
【0005】
好ましくは、得られた周波数変換値から基準となる値をサンプリングして記憶するための手段と、得られた周波数変換値とその基準値との差分値を求めるための手段とを設け、得られた差分値を前記回帰分析手段で重回帰分析する。
【0006】
また好ましくは、回帰分析手段では、前記重回帰分析によりNO2濃度の対数値を求め、例えば求めた対数値を指数変換してNO2濃度とし、D/A変換などにより出力する。
【0007】
好ましくは、前記周波数変換を、センサ温度が低い領域を中心とする、温度変化の1周期分の窓関数をセンサ信号に乗算して、短時間フーリエ変換により行う。
【0008】
【発明の作用と効果】
発明者らは、例えば1Hz程度の周波数で金属酸化物半導体ガスセンサを温度変化させ、その応答波形を短時間フーリエ変換などにより変換し、変換値を重回帰分析すると、正確に低濃度のNO2を検出できることを見出した。1Hz程度の周波数で金属酸化物半導体ガスセンサを駆動しても、温度変化が速すぎるため、NO2の検出感度が低下することが予想されたが、正確にNO2濃度を求めることができた。また変換値の処理には、ニューラルネットワークなどの種々のものが考えられたが、重回帰分析によりNO2濃度を求めることができた。このため、自動車の外気導入制御システムなどにも搭載可能な範囲に、回路コストを抑えることができた。
【0009】
温度変化時の金属酸化物半導体ガスセンサの出力波形(応答波形)は、センサの経時変化や周囲の温度、湿度、バックグラウンドのガスなどにより変化した。しかし応答波形の変換値自体ではなく、スタート時(エンジン起動時)などのセンサ信号を空気中の応答波形(基準波形)として、基準波形の変換値との差分値を用いると、経時変化などに対してタフな、精度のある検出ができた。
【0010】
またセンサ信号の処理では、前記の差分値を重回帰分析して、NO2濃度の対数値を求めると、精度の高い検出ができた。言い換えると、差分値とNO2濃度自体、あるいは差分値の対数とNO2濃度よりも、差分値と濃度の対数との重回帰分析で、高い精度が得られた。このようにして得られる検出精度は、0.1〜3ppm程度のレンジに対して、例えば6ヶ月間のデータで、真実値の1/3〜3倍程度の範囲に検出値が収まるものであった。これは検出濃度が低く、測定期間が長いことを考えると、極めて良好な数値である。即ち、金属酸化物半導体ガスセンサを用いた低濃度のNO2検出は従来は定性的なものであったが、ある程度定量的な低濃度のNO2の検出が可能になった。
【0011】
自動車の外気導入制御などでは、応答時間を短縮することが重要である。通常のFFT(高速フーリエ変換)では、10周期程度の応答時間が必要である。これに対して、短時間フーリエ変換により例えば1周期分のセンサ信号を処理すると、例えば1秒程度でNO2の検出ができた。
【0012】
【実施例】
図1〜図8に、実施例のNO2検出装置を示す。これらの図において、2は電源で、4は金属酸化物半導体ガスセンサで、例えばSnO2系金属酸化物半導体のビーズ内にコイル状のヒータ兼用電極と中心電極とを埋設したものである。SnO2ビーズはほぼ球形で、その直径は約400μm程度である。またヒータ兼用電極や中心電極には、直径15μm程度のPt−W線を用いた。ガスセンサ4では、ヒータ兼用電極や中心電極の4本の端子をステムなどに溶接し、上部に金網を設けたキャップを被せて、ガスセンサとして使用する。なおガスセンサの構造自体は任意で、その材料も任意である。Tr1,Tr2はスイッチング用のトランジスタで、他のスイッチでも良く、RLは負荷抵抗である。RHはガスセンサ4のヒータ抵抗を、RSはセンサ抵抗(金属酸化物半導体の抵抗値)を示す。
【0013】
6はマイクロコンピュータで、8はセンサドライブで、トランジスタTr1,Tr2をオン/オフさせることにより、ガスセンサ4のヒータ電力を制御すると共に、検出用の電圧を加えるタイミングを制御する。即ち、ヒータ電力を例えば1秒周期(1Hz)で、サイン波状に変化させ、センサ温度を1秒周期で変化させる。電力の波形は方形波やランプ波などでもよい。センサ温度の最高値は500℃、最低値は約150℃である。センサドライブ8は、トランジスタTr2をオンさせることにより、検出電圧を負荷抵抗RLとセンサ抵抗RSとの直列片に加え、その出力(センサ信号)をADコンバータ10に加え、短時間フーリエ変換部12で、例えば1周期分〜過去5周期分のセンサ信号をフーリエ変換する。なお短時間フーリエ変換に代えて、ウェーブレット変換や離散コサイン変換などを用いても良い。14は基準値学習部で、NO2検出装置の電源をオンしてから所定時間後、例えば1分後の、フーリエ変換値を基準値として記憶する。
【0014】
実施例のNO2検出装置は、自動車の外気導入制御や、駐車場のNO2やCO濃度の検出あるいは自動車の暖機運転時のガレージ内のNO2やCO濃度の検出などに用いる。そして動作開始から例えば1分後のセンサ信号の波形は、ほぼ空気中でのセンサ信号のフーリエ変換値に対応し、これとの差分を用いてNO2を検出する。基準となるフーリエ変換値の算出方法自体は任意で、例えば自動車の走行中に、センサ信号の波形が安定していることを条件として、清浄な空気中の信号をサンプリングしているものと仮定し、基準値とするようにしても良い。
【0015】
16は差分部で、基準値学習部14で記憶しているフーリエ変換値の基準値と、短時間フーリエ変換部12で新たに求めたフーリエ変換値、との差分値を算出する。フーリエ変換値は直流成分と、交流のサインやコサイン成分との組み合わせから成る信号であり、一種のベクトルと見なすことができる。その場合、差分部16は、基準となる変換値のベクトルと、求めたフーリエ変換値のベクトルとの差分を算出するということができる。
【0016】
重回帰分析部18は、得られた差分のベクトルを用いて、重回帰分析によりNO2濃度の対数値を算出する。そして指数変換部20で、求めた対数値を指数変換してNO2濃度に換算し、出力部22で例えばD/A変換し、アナログ出力として出力する。出力部22の出力を用いることにより、自動車の外気導入のオン/オフや駐車場などの空調、ガレージ内で長時間暖機運転を行うことによる空気汚染などを検出する。また出力部22では、NO2濃度のアナログ値などに対応する出力が得られるので、容易に濃度表示ができる。
【0017】
図2に、温度変化に伴うセンサ信号の波形を模式的に示す。センサ抵抗RSは、最低温度の150℃付近で最大値を示し、最高温度の500℃付近で最小値を示す。このうち最低温度の付近で最もNO2感度が高いので、例えば図2の下側のように、1周期分の信号波形をフーリエ変換するための窓関数を用い、窓関数の値をセンサ抵抗に乗算して、フーリエ変換する。例えば窓関数として、ハミング窓を用いるとよい。このようにすると過去1周期分の信号波形で、短時間フーリエ変換を行うことができ、短時間でNO2を検出できる。また窓関数は、NO2感度が最大となる低温域を中心として、その両側に対称な関数が好ましい。
【0018】
図3に、空気中〜3ppmのNO2での、ガスセンサ4の応答波形を示す。3ppm程度のNO2では、波形の特徴が空気中とあまり変わらない、特徴のない波形である。
【0019】
図4に、NO2の検出アルゴリズムを示す。金属酸化物半導体ガスセンサを、適宜の周期で温度変化させる。温度変化の周波数(周期の逆数)は例えば0.5Hz以上とし、好ましくは0.8Hz〜4Hz、特に好ましくは1Hz〜2Hzとする。実施例ではセンサ温度の変化幅を150〜500℃としたが、温度変化の周波数を高めると、ヒータ電力を変化させても温度変化が追随しなくなり、温度変化の幅は減少する。
【0020】
次に例えば1周期分のセンサ信号の波形を用い、NO2感度の高い低温域を中心として左右対称な窓関数を用いて、短時間フーリエ変換を行う。得られたフーリエ変換値は1種のベクトルで、複数の成分から成ることを強調する場合、フーリエ変換スペクトルということがある。
【0021】
センサの経時的変化や周囲の温湿度の影響、その他のノイズ要因を打ち消して、低濃度のNO2を検出するため、基準となるフーリエ変換スペクトルを求める。実施例ではエンジンスタート時(動作開始1分後など)のフーリエ変換スペクトルを、基準値(標準値)として記憶する。そしてNO2の検出を行う場合、得られたフーリエ変換値と基準値との差分値を求め、差分値を重回帰分析によりNO2濃度の対数に変換する。このようにしてNO2濃度を求め、外気導入制御などの制御を行うと共に、NO2濃度の表示を行う。
【0022】
ガスセンサを温度変化させると、周囲の風の影響が小さくなる。図5に無風時の空気中でのセンサ信号の波形と、風速7.6m/秒時の空気中での波形を示す。2つの波形は一致し、風の影響は見られない。
【0023】
図5の波形を、短時間フーリエ変換した際のフーリエ変換値を図6に示す。なお横軸の情報No.は、フーリエ変換値の各成分を示し、情報No.1は直流成分で、情報No.2,3は温度変化と同じ周波数の1Hzの成分、No.4,5が2Hzの成分、No.6,7が3Hzの成分である。そして偶数成分がサイン成分を、奇数成分がコサイン成分を示している。このように図6は、無風時の空気中でのフーリエ変換スペクトルに対する、風のある際のフーリエ変換スペクトルの変化を示している。図6からは、フーリエ変換を行っても風の影響は検出できない。以上のように、センサの温度変化を利用してNO2の検出を行うと、風の影響が小さくなる。なお温度変化により風の影響が小さくなった原因は不明である。
【0024】
次に、フーリエ変換スペクトルの基準値との差分値と、NO2濃度との換算手法を検討した。そこで例えば各5個のセンサに対し、NO2濃度を0.3ppm〜3ppmの範囲で変化させ、各15回の測定を行った。そして、どのような手法で重回帰分析を行うと、最も良い結果が得られるかを検討した。差分値とNO2濃度とをそのまま対応させると、重回帰分析での決定係数は約0.9,差分値の対数にNO2濃度を対応させると決定係数は約0.75,差分値とNO2濃度の対数を対応させると決定係数は0.999以上となった。また差分値並びに濃度を共に対数とすると、決定係数は約0.95となった。このように、差分値をNO2濃度の対数へと重回帰分析を行うことにより、正確な分析を行うことができた。
【0025】
個々のセンサ毎に重回帰係数を定めるのは不便である。そこで例えば1ロットのガスセンサは同じ特性のセンサと見なして、これらのガスセンサに対して、共通の重回帰係数を用いると良い。また、0.1〜3ppmで校正した重回帰係数を用いて、3〜30ppmの高濃度域でのNO2濃度を求めると、低い濃度が得られた。これは高濃度域でNO2感度が低下するためである。この問題を解決するため、3〜30ppmのNO2の検出では、センサ温度の変化周波数を2Hzに増し、センサ温度の変化幅を小さくすることが好ましい。このようにするとセンサ温度は200℃強と450℃強の間を変化し、低濃度に敏感な低温の部分が減少し、結果的に高濃度のNO2に対する直線性が増加した。
【0026】
重回帰分析の1例を示すと、例えば1ppmのNO2を定量する場合、直流成分の寄与が約62%、1Hzの成分の寄与が約27%、2Hz及び3Hzの成分の寄与が各3%で、4Hz並びに5Hzの寄与が各2%の例が得られた。回帰係数を相対値で示すと、パワースペクトルで、直流成分に対して、1Hz成分に対して5.5、2Hz成分に対して2.8、3Hz成分に対して9.2、4Hz成分に対して5.2、5Hz成分に対して8.2、6Hz成分に対して1.2であった。実施例では、直流成分と6倍波までのサイン波,コサイン波共に各6成分で、合計13成分を用いたが、直流成分と5倍波までの11成分などを用いてもよく、極端な場合、直流成分〜3倍波までのパワースペクトルを用いてもよい。
【0027】
図7に、1つのガスセンサを用い、2日間で20回NO2濃度を求めた際の結果を示す。極めて高い短期再現性が得られている。
【0028】
図8に、5個のガスセンサに対する約200日間のNO2濃度の検出結果を示す。測定に用いたNO2濃度は、0.3,1,3ppmの3種類で、各濃度に対する得られた検出値の分布幅を図8に示す。NO2濃度の検出精度は極めて高い。
【図面の簡単な説明】
【図1】 実施例のNO2検出装置のブロック図
【図2】 実施例での、センサ信号と短時間フーリエ変換の窓関数とを示す特性図
【図3】 空気中〜3ppmのNO2中での応答波形を示す特性図
【図4】 実施例でのNO2検出アルゴリズムを示すフローチャート
【図5】 実施例でのセンサ信号への風の影響を示す特性図
【図6】 図5のセンサ信号のフーリエ変換スペクトルを示す特性図
【図7】 実施例での、NO2検出結果の短期再現性(2日間/20測定)を示す特性図
【図8】 実施例での、NO2検出値の長期再現性(約200日間)を示す特性図
【符号の説明】
2 電源
4 金属酸化物半導体ガスセンサ
6 マイクロコンピュータ
8 センサドライブ
10 ADコンバータ
12 短時間フーリエ変換部
14 基準値学習部
16 差分部
18 重回帰分析部
20 指数変換部
22 出力部
RH ヒータ抵抗
RS センサ抵抗
RL 負荷抵抗
Tr1,Tr2 トランジスタ
[0001]
[Field of the Invention]
The present invention relates to NO2 detection, and more particularly, to outside air introduction control of a vehicle, detection of NO2 concentration during warming-up of the vehicle, detection of NO2 concentration in a parking lot, and the like.
[0002]
[Prior art]
[Patent Document 1]
Japanese Patent No. 3024217 discloses that a metal oxide semiconductor is used to detect the NO2 concentration in the outside air and control the introduction of the outside air into the automobile. Further, the detection range when introducing outside air into the automobile is a low concentration of about 0.3 to 3 ppm of NO2, and further, it is required to detect NO2 promptly from the point of application characteristics.
[0003]
[Problems of the Invention]
An object of the present invention is to enable quick and accurate measurement of low concentration NO2.
[0004]
[Structure of the invention]
The NO2 detection device of the present invention is obtained by means for periodically changing the heater power of the metal oxide semiconductor gas sensor, and means for frequency-converting the sensor signal in synchronization with the change of the heater power. And a regression analysis means for converting the frequency conversion value into the NO2 concentration by multiple regression analysis.
Here, the change period of the heater power is preferably 2 seconds or less, particularly preferably 1 second or less. The sensor preferably has a bead-shaped metal oxide semiconductor in which a coil-shaped electrode serving as a heater and a central electrode arranged at the center thereof are embedded.
[0005]
Preferably, a means for sampling and storing a reference value from the obtained frequency conversion value and a means for obtaining a difference value between the obtained frequency conversion value and the reference value are provided. The difference value is subjected to multiple regression analysis by the regression analysis means.
[0006]
Preferably, the regression analysis means obtains a logarithmic value of the NO2 concentration by the multiple regression analysis. For example, the obtained logarithmic value is exponentially converted into a NO2 concentration and output by D / A conversion or the like.
[0007]
Preferably, the frequency conversion is performed by short-time Fourier transform by multiplying the sensor signal by a window function for one period of temperature change centering on a region where the sensor temperature is low.
[0008]
[Operation and effect of the invention]
The inventors, for example, change the temperature of a metal oxide semiconductor gas sensor at a frequency of about 1 Hz, convert the response waveform by short-time Fourier transform, etc., and detect the low concentration of NO2 accurately by performing multiple regression analysis of the converted value. I found out that I can do it. Even if the metal oxide semiconductor gas sensor was driven at a frequency of about 1 Hz, the temperature change was too fast, so that the NO2 detection sensitivity was expected to decrease, but the NO2 concentration could be obtained accurately. Various values such as a neural network were considered for the conversion value processing, but the NO2 concentration could be obtained by multiple regression analysis. For this reason, the circuit cost could be suppressed to the extent that it can be installed in an outside air introduction control system of an automobile.
[0009]
The output waveform (response waveform) of the metal oxide semiconductor gas sensor at the time of temperature change was changed by the change of the sensor with time, ambient temperature, humidity, background gas, and the like. However, if the difference value from the reference waveform conversion value is used as the response waveform (reference waveform) in the air instead of the response waveform conversion value itself, the sensor signal at the start (when the engine is started), etc. It was tough and accurate.
[0010]
In the sensor signal processing, when the difference value was subjected to multiple regression analysis to obtain the logarithmic value of the NO2 concentration, highly accurate detection was possible. In other words, higher accuracy was obtained in the multiple regression analysis of the difference value and the logarithm of the concentration than the difference value and the NO2 concentration itself or the logarithm of the difference value and the NO2 concentration. The detection accuracy obtained in this way is such that the detected value falls within the range of about 1/3 to 3 times the true value in the range of about 0.1 to 3 ppm, for example, data for 6 months. It was. This is a very good value considering that the detection concentration is low and the measurement period is long. That is, detection of low concentration of NO2 using a metal oxide semiconductor gas sensor has been qualitative in the past, but it has become possible to detect low concentration of NO2 to a certain extent.
[0011]
In outside air introduction control of automobiles, it is important to shorten the response time. In normal FFT (Fast Fourier Transform), a response time of about 10 cycles is required. On the other hand, for example, when sensor signals for one cycle are processed by short-time Fourier transform, NO2 can be detected in about one second, for example.
[0012]
【Example】
1 to 8 show an NO2 detector according to an embodiment. In these figures, 2 is a power source and 4 is a metal oxide semiconductor gas sensor, for example, in which a coiled heater combined electrode and a center electrode are embedded in a bead of a SnO2 metal oxide semiconductor. SnO2 beads are almost spherical and have a diameter of about 400 μm. Further, a Pt-W wire having a diameter of about 15 μm was used for the heater combined electrode and the center electrode. The gas sensor 4 is used as a gas sensor by welding four terminals of a heater combined electrode and a center electrode to a stem or the like and covering with a cap provided with a metal mesh on the top. The structure of the gas sensor itself is arbitrary, and the material thereof is also arbitrary. Tr1 and Tr2 are switching transistors, which may be other switches, and RL is a load resistance. RH represents the heater resistance of the gas sensor 4, and RS represents the sensor resistance (resistance value of the metal oxide semiconductor).
[0013]
Reference numeral 6 denotes a microcomputer, and reference numeral 8 denotes a sensor drive, which controls the heater power of the gas sensor 4 by turning on / off the transistors Tr1 and Tr2, and also controls the timing of applying a detection voltage. That is, the heater power is changed in a sine wave shape with a cycle of 1 second (1 Hz), for example, and the sensor temperature is changed with a cycle of 1 second. The power waveform may be a square wave or a ramp wave. The maximum sensor temperature is 500 ° C., and the minimum value is about 150 ° C. The sensor drive 8 turns on the transistor Tr2 to apply the detection voltage to the series piece of the load resistance RL and the sensor resistance RS, and to add the output (sensor signal) to the AD converter 10, For example, the sensor signal for one period to the past five periods is Fourier transformed. Note that wavelet transform, discrete cosine transform, or the like may be used instead of the short-time Fourier transform. A reference value learning unit 14 stores a Fourier transform value as a reference value after a predetermined time, for example, 1 minute, after turning on the power of the NO2 detecting device.
[0014]
The NO2 detection device of the embodiment is used for outside air introduction control of a car, detection of NO2 and CO concentrations in a parking lot, or detection of NO2 and CO concentrations in a garage during a warm-up operation of a car. For example, the waveform of the sensor signal one minute after the start of the operation corresponds to the Fourier transform value of the sensor signal in the air, and NO2 is detected using the difference between the two. The calculation method of the reference Fourier transform value is arbitrary. For example, it is assumed that the signal in clean air is sampled on the condition that the waveform of the sensor signal is stable while the vehicle is running. The reference value may be used.
[0015]
A difference unit 16 calculates a difference value between the reference value of the Fourier transform value stored in the reference value learning unit 14 and the Fourier transform value newly obtained by the short-time Fourier transform unit 12. The Fourier transform value is a signal composed of a combination of a DC component and an AC sine or cosine component, and can be regarded as a kind of vector. In this case, it can be said that the difference unit 16 calculates the difference between the reference transformation value vector and the obtained Fourier transformation value vector.
[0016]
The multiple regression analysis unit 18 calculates the logarithmic value of the NO2 concentration by multiple regression analysis using the obtained difference vector. Then, the exponent conversion unit 20 exponentially converts the obtained logarithmic value to convert it into NO2 concentration, and the output unit 22 performs D / A conversion, for example, and outputs it as an analog output. By using the output of the output unit 22, on / off of outside air introduction of the automobile, air conditioning such as a parking lot, and air pollution due to long-time warm-up operation in the garage are detected. Further, since the output unit 22 can obtain an output corresponding to the analog value of the NO2 concentration, the concentration can be easily displayed.
[0017]
FIG. 2 schematically shows a waveform of a sensor signal accompanying a temperature change. The sensor resistance RS shows a maximum value in the vicinity of the lowest temperature of 150 ° C., and shows a minimum value in the vicinity of the highest temperature of 500 ° C. Of these, the NO2 sensitivity is highest near the lowest temperature. For example, as shown in the lower part of FIG. 2, a window function for Fourier-transforming the signal waveform for one period is used, and the value of the window function is multiplied by the sensor resistance. And Fourier transform. For example, a Hamming window may be used as the window function. In this way, a short-time Fourier transform can be performed with the signal waveform for the past one period, and NO2 can be detected in a short time. The window function is preferably a symmetric function on both sides of the low temperature region where the NO2 sensitivity is maximized.
[0018]
FIG. 3 shows a response waveform of the gas sensor 4 at about 3 ppm NO 2 in the air. With NO2 of about 3 ppm, the waveform characteristics are not so different from those in the air, and the waveform has no characteristics.
[0019]
FIG. 4 shows the NO2 detection algorithm. The temperature of the metal oxide semiconductor gas sensor is changed at an appropriate cycle. The frequency of the temperature change (reciprocal of the cycle) is, for example, 0.5 Hz or more, preferably 0.8 Hz to 4 Hz, and particularly preferably 1 Hz to 2 Hz. In the embodiment, the change width of the sensor temperature is 150 to 500 ° C. However, if the frequency of the temperature change is increased, the temperature change does not follow even if the heater power is changed, and the width of the temperature change decreases.
[0020]
Next, for example, using the waveform of the sensor signal for one cycle, short-time Fourier transform is performed using a window function that is symmetric about a low temperature region with high NO2 sensitivity. The obtained Fourier transform value is a kind of vector, and when emphasizing that it consists of a plurality of components, it may be called a Fourier transform spectrum.
[0021]
A reference Fourier transform spectrum is obtained in order to detect low concentrations of NO2 by canceling out the sensor change with time, the influence of ambient temperature and humidity, and other noise factors. In the embodiment, a Fourier transform spectrum at the time of engine start (such as one minute after the start of operation) is stored as a reference value (standard value). When NO2 is detected, a difference value between the obtained Fourier transform value and the reference value is obtained, and the difference value is converted into a logarithm of NO2 concentration by multiple regression analysis. In this way, the NO2 concentration is obtained, control such as outside air introduction control is performed, and the NO2 concentration is displayed.
[0022]
When the temperature of the gas sensor is changed, the influence of the surrounding wind is reduced. FIG. 5 shows the waveform of the sensor signal in the air when there is no wind and the waveform in the air when the wind speed is 7.6 m / sec. The two waveforms match and no wind effect is seen.
[0023]
FIG. 6 shows Fourier transform values when the waveform of FIG. 5 is subjected to a short-time Fourier transform. The information No. on the horizontal axis indicates each component of the Fourier transform value, information No. 1 is a direct current component, information No. 2 and 3 are 1 Hz components having the same frequency as the temperature change, and No. 4 and 5 are Components of 2 Hz and Nos. 6 and 7 are components of 3 Hz. An even component indicates a sine component and an odd component indicates a cosine component. Thus, FIG. 6 shows the change of the Fourier transform spectrum in the presence of wind with respect to the Fourier transform spectrum in the air when there is no wind. From FIG. 6, the influence of wind cannot be detected even if Fourier transform is performed. As described above, when NO2 is detected using the temperature change of the sensor, the influence of the wind is reduced. The reason why the influence of the wind is reduced by the temperature change is unknown.
[0024]
Next, a conversion method between the difference value from the reference value of the Fourier transform spectrum and the NO2 concentration was examined. Therefore, for example, for each of five sensors, the NO2 concentration was changed in the range of 0.3 ppm to 3 ppm, and measurement was performed 15 times each. Then, we examined what kind of method would give the best result by performing multiple regression analysis. If the difference value and the NO2 concentration are directly associated with each other, the coefficient of determination in the multiple regression analysis is about 0.9, and if the NO2 concentration is made to correspond to the logarithm of the difference value, the coefficient of determination is about 0.75, and the difference value and the NO2 concentration When the logarithm was made to correspond, the coefficient of determination was 0.999 or more. When the difference value and the concentration are both logarithmic, the coefficient of determination is about 0.95. Thus, accurate analysis could be performed by performing multiple regression analysis of the difference value to the logarithm of the NO2 concentration.
[0025]
It is inconvenient to determine multiple regression coefficients for each individual sensor. Therefore, for example, one lot of gas sensors may be regarded as sensors having the same characteristics, and a common multiple regression coefficient may be used for these gas sensors. Further, when the NO2 concentration in the high concentration range of 3 to 30 ppm was obtained using the multiple regression coefficient calibrated at 0.1 to 3 ppm, a low concentration was obtained. This is because the NO2 sensitivity decreases in the high concentration range. In order to solve this problem, it is preferable to increase the change frequency of the sensor temperature to 2 Hz and reduce the change width of the sensor temperature in the detection of NO2 of 3 to 30 ppm. In this way, the sensor temperature changed between a little over 200 ° C. and a little over 450 ° C., and the low temperature portion sensitive to the low concentration decreased, and as a result, the linearity with respect to the high concentration NO 2 increased.
[0026]
An example of multiple regression analysis shows that, for example, when quantifying 1 ppm of NO2, the contribution of the DC component is about 62%, the contribution of the 1 Hz component is about 27%, and the contribution of the 2 Hz and 3 Hz components is 3% each. An example was obtained in which the contribution of 4 Hz and 5 Hz was 2% each. When the regression coefficient is expressed as a relative value, the power spectrum is 5.5 for the 1 Hz component, 2.8 for the 2 Hz component, 9.2 for the 3 Hz component, and 9.2 for the 4 Hz component. It was 8.2 for the 5.2 Hz component and 1.2 for the 6 Hz component. In the embodiment, the DC component and the sine wave and the cosine wave up to the sixth harmonic are each six components, and a total of 13 components are used. However, the DC component and the eleven components up to the fifth harmonic may be used. In this case, a power spectrum from a direct current component to a third harmonic may be used.
[0027]
FIG. 7 shows the results when the NO2 concentration was obtained 20 times in two days using one gas sensor. Extremely high short-term reproducibility is obtained.
[0028]
FIG. 8 shows the detection results of NO2 concentration for about 200 days for five gas sensors. The NO2 concentration used for the measurement is 0.3, 1, 3 ppm, and the distribution width of the detected value obtained for each concentration is shown in FIG. The detection accuracy of NO2 concentration is extremely high.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of the NO2 detector according to the embodiment. FIG. 2 is a characteristic diagram showing the sensor signal and the window function of the short-time Fourier transform in the embodiment. FIG. Fig. 4 is a characteristic diagram showing a response waveform. Fig. 4 is a flowchart showing an NO2 detection algorithm in the embodiment. Fig. 5 is a characteristic diagram showing the influence of wind on the sensor signal in the embodiment. Fig. 6 is a Fourier diagram of the sensor signal in Fig. 5. Characteristic diagram showing conversion spectrum [Fig. 7] Characteristic diagram showing short-term reproducibility of NO2 detection result (2 days / 20 measurements) in the embodiment [Fig. 8] Long-term reproducibility of NO2 detection value in the embodiment (Fig. 7) Characteristic diagram showing about 200 days) [Explanation of symbols]
2 Power supply 4 Metal oxide semiconductor gas sensor 6 Microcomputer 8 Sensor drive 10 AD converter 12 Short-time Fourier transform unit 14 Reference value learning unit 16 Difference unit 18 Multiple regression analysis unit 20 Exponential conversion unit 22 Output unit RH Heater resistance RS Sensor resistance RL Load resistance Tr1, Tr2 transistor

Claims (5)

金属酸化物半導体ガスセンサのヒータ電力を周期的に変化させるための手段と、前記ヒータ電力の変化に同期してセンサ信号を周波数変換するための手段と、得られた周波数変換値を重回帰分析によりNO2濃度に変換するための回帰分析手段とを備えたことを特徴とする、NO2検出装置。Means for periodically changing the heater power of the metal oxide semiconductor gas sensor, means for frequency-converting the sensor signal in synchronization with the change of the heater power, and the obtained frequency conversion value by multiple regression analysis A NO2 detection device comprising a regression analysis means for converting to a NO2 concentration. ヒータ電力の変化周期が2秒以下であることを特徴とする、請求項1のNO2検出装置。2. The NO2 detection device according to claim 1, wherein the change period of the heater power is 2 seconds or less. 得られた周波数変換値から基準となる値をサンプリングして記憶するための手段と、得られた周波数変換値とその基準値との差分値を求めるための手段とを設け、得られた差分値を前記回帰分析手段で重回帰分析するようにしたことを特徴とする、請求項1または2のNO2検出装置。A difference value obtained by providing means for sampling and storing a reference value from the obtained frequency conversion value and means for obtaining a difference value between the obtained frequency conversion value and the reference value The NO2 detection device according to claim 1 or 2, wherein multiple regression analysis is performed by the regression analysis means. 回帰分析手段では、前記重回帰分析によりNO2濃度の対数値を求めるようにしたことを特徴とする、請求項3のNO2検出装置。4. The NO2 detection apparatus according to claim 3, wherein the regression analysis means obtains a logarithmic value of the NO2 concentration by the multiple regression analysis. 前記周波数変換を、センサ温度が低い領域を中心とする、温度変化の1周期分の窓関数をセンサ信号に乗算して、短時間フーリエ変換により行うことを特徴とする、請求項1〜4のいずれかのNO2検出装置。The frequency conversion is performed by short-time Fourier transform by multiplying the sensor signal by a window function for one period of temperature change centering on a region where the sensor temperature is low. Any NO2 detector.
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