JPH01107142A - ガス検出方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の利用分野］ この発明は、金属酸化物半導体ガスセンサによるガスの
検出に関する。

［従来技術］ 特公昭６１−２４，６１３号は、ガスセンサの使用開始
初期の出力を基準出力として、ガスを検出することを開
示している。しかし基準出力のサンプリング内容は明ら
かではない。次に実公昭５８−３９，２１９号は、セン
サ出力を１分程度の間隔でサンプリングして、基準出力
とすることを開示している。いずれの技術も、基準出力
からのセンサ出力の変化により、ガスを検出する。

これらの技術の特徴は、個別のセンサの抵抗値に応じた
調整を不要とし、バックグラウンドの影響を自動的に補
償する点にある。しかし基準出力の意味は不明確で、検
出値の信頼性には乏しい。

［発明の課題］ この発明の課題は、清浄雰囲気に対応した基準出力のサ
ンプリング方法を得ることに有る。この発明の課題は特
に、汚染雰囲気中でガスセンサの使用を開始した際にも
、清浄雰囲気に対応した基準出力を取り出せるようにす
ることに有る。

［発明の構成］ この発明では、ガスセンサの使用開始初期のセンサ出力
をサンプリングし、これに基づいて基準出力の初期値を
得る。センサを汚染雰囲気中で使用開始すると、その出
力は一旦清浄空気に対応した出力の極小値を示した後、
汚染雰囲気に対応した出力へ移行する。そこでこの極小
値を清浄雰囲気に対応した基準出力の初期値とする。基
準出力の以後の更新は、例えばより小さなセンサ出力が
得られた場合に、これを新たな基準出力として更新する
ようにすれば良い。なおこの明細書において、センサ出
力は雰囲気の汚染により増加し、雰囲気の浄化により減
少するものとして扱う。

基準出力の初期値は、汚染雰囲気中でガスセンサを使用
開始した際に生じる出力の極小値に基づくものであれば
良く、直接この値を基準出力の初期値としても良い。あ
るいはまたサンプリングした極小値から、その後のセン
サ出力の増加速度を求め、この増加速度に比例した分だ
け引いた更に小さな値を基準出力とする等としても良い
。

［実施例］ 第１図に、使用開始直後のガスセンサの出力特性を示す
。用いたセンサは出願人のＳ　ｎ　Ｏを系ガスセンサ“
ＴＧＳ８１２”である。時刻０に、室温で放置していた
ガスセンサにヒータ電力を印加し、使用を開始する。汚
染した雰囲気中で（図のＣＯ５ｐｐｍやＣＯ８ｐｐｍ）
使用を開始すると、センサの出力（電気伝導度σ）には
ボトムが生じる。ボトムが生じる時間は一般に２分以内
で、ボトムの値は清浄空気中（ＧＯ２ｐｐｍ中）での出
力の定常値に近い。そこでこのボトムを基準出力に利用
することが可能になる。ボトム出力と清浄空気中での出
力との差を補償するには、例えばボトムの発生後３０秒
程度の期間でのセンサ出力の増加をボトム出力から引け
ば良い。

このような特性は、５ｎＯｅに限らず金属酸化物半導体
一般に生じるものである。また使用開始時に一時的にヒ
ータ電力を高め、積極的にヒートクリーニングを行う場
合も、ヒートクリーニング直後に同様のボトムか得られ
る。更に使用開始後、適当な時間の経過後にヒートクリ
ーニングを行っ　・でも、やはりヒートクリーニング直
後に出力のボトムが生じる。

ガスセンサの使用開始後、周囲の雰囲気が浄化されると
、センサ出力は最初の基準値よりも低下する。そこでセ
ンサ出力が基準出力よりも低下すると、基準出力を変更
し、センサ出力の最小値を基準出力とするのが好ましい
。基準出力の更新を、第２図に模式的に示す。図の２点
が基準出力（σ０）の更新時点である。なおセンサ出力
は周囲の湿度に依存し、湿度が変動すると基゛卓出力は
意味を失う。そこで６時間程度の期間毎に基準出力を更
新しても良い。

第３図に、センサの電気伝導度がガス濃度により直線的
に変化するとした際の、検出方法の１例を示す。基準出
力σ０を読込、バックグラウンド（ガス濃度Ｂ）に対す
るセンサ出力σ、を記憶する。次ぎにガスの発生源付近
でのセンナ出力σ１からガス濃度（Ｂ十ΔＣ）を求め、
ガス発生源によるガス濃度Ｃを算出する。ここで基準出
力に不適切な値（σ０゛）を用いると、検出誤差が生じ
る。

第４図に、通常の金属酸化物半導体ガスセンサの出力特
性を示す。基準出力σ０を読込、これに基づいてガス濃
度特性（図の実線）を算出し、バックグラウンドに対す
るガス濃度Ｂ、ｒｉｌｌ定時のガス濃度Ｂ＋ΔＣを求め
、これからガス発生源によるガス濃度Ｃを算出する。こ
の場合も、基準出力の読込を誤ると、例えば図の破線の
ように汚染した雰囲気に対する出力を基準出力とすると
、検出値には誤差が生じる。

バックグラウンドからのガス濃度や、ガス発生源からの
ガス濃度との区別が不要な場合は、測定した電気伝導度
σをセンサのガス濃度特性と比較し、ガス濃度を求めれ
ば良い。

ここでは、基準出力からガス濃度特性を外挿したが、基
準出力の利用方法は任意である。例えばセンサの経時変
化がないものとすれば、センサ出力は周囲の湿度とガス
濃度とで定まる。そこで基零出力から湿度を算出し、セ
ンサ出力の湿度依存性の補償に用いても良い。

第５図、第６図に、匂いの検出用の実施例を示す。図に
おいて、２は電源、４はスイッチ、６は金属酸化物半導
体ガスセンサで、８はそのヒータ、ＩＯは金属酸化物半
導体である。ここでは金属酸化物半導体ＩＯにｎ形のＳ
ｎｏｗやＩｎｚＯ３等を用いるものとする。１２は負荷
抵抗、１４．１６は抵抗で、Ｉ８はガスセンサ６の温度
補償用のサーミスタである。２０．２２はスイッチ、２
４は抵抗、２６はコンデンサ、３０は信号処理用のマイ
クロコンピュータである。

マイクロコンピュータ３０の内部構成を機能に従って表
示する。３２は比較手段、３４はＡ／Ｄコンバータで、
抵抗２４を介してコンデンサ２６に充電した際の電圧が
負荷抵抗１２の電圧に一致するまでの時間をカウントす
る。この時間はセンサ６の電気伝導度σに比例する。

３６は電気伝導度σを記憶するためのメモリー、３８は
電気伝導度σの最小値を取り出すための比較手段で、電
気伝導度の最小値σ０をメモリー４０に記憶する。なお
金属酸化物半導体としてｐ形のものを用いる場合は、抵
抗の最小値が基準出力に相当する。

４２は匂いのサンプリング信号Ｓを指令するためのマニ
ュアルスイッチで、この信号が加わった後例えば１分程
度の期間、匂いのサンプリングを行う。４４はこの期間
に対応したタイマー、４６゜４８はゲートで、ゲート４
６はサンプリング信号の到着前の電気伝導度σをメモリ
ー５０にバックグラウンド出力σ、として記憶させるた
めに用いる。またゲート４８はサンプリング時の電気伝
導度σを取り出す。５２は比較手段で、サンプリング時
の電気伝導度の最大値をメモリー５４にサンプリング出
力σ、として取り出すために用いる。

５６は演算手段で、バックグラウンドやサンプリング時
の匂い成分のガス濃度を算出する。センサ６の電気伝導
度は一般に、次の式に従う。

％式％： （Ｃはガス濃度、αはガス濃度依存性を現す定数）この
式は清浄空気中での電気伝導度σ０を用いると、次のよ
うに変形できる。

σ／σｏ＝Ｃ’ そこで出力σと基準出力σ０との比を求め、これをｌ／
α乗すると、ガス濃度が得られる。次にサンプリング時
の出力σ、に対応したガス濃度をメモリー５８に、バッ
クグラウンドのガス濃度をメモリー６０に記憶し、その
差を引き算手段６２で取り出し、匂い濃度を求める。

６４はクロック回路で、６６は装置の電源投入によりス
タートするタイマーである。そしてクロック回路６４の
信号で、前記のタイマー４４やＡ／Ｄコンバータ３４を
駆動する。なおタイマー６６では、電源投入後センサ６
が動作開始状態に移行するまでの時間、例えば２分間、
の遅延を行い、この時間の経過後にＬＥＤ等を用いたサ
ンプリング可能表示６８を動作させる。また７０は匂い
濃度を表示するための、表示手段である。

第６図により、装置の動作を説明する。電源投入後に例
えば５秒程度待機した後、センサ６の電気伝導度σの読
込を開始する。ここで５秒待機するのは、センサの加熱
前の電気伝導度を読み込むことを防止するためである。

センサ６の加熱を開始すると、出力は第１図のように鋭
いピークを示した後、安定状態に移行する。メモリー４
０には電気伝導度σの最小値が記憶されるので、汚染雰
囲気中でセンサ６の使用を開始した場合には、使用開始
直後の出力の極小値が記憶される。これ以降にセンサ６
から得られる出力は汚染雰囲気に対応した出力であり、
基準出力にはならない。勿論雰囲気の浄化等により、セ
ンサ出力が基準出力σ０以下に低下すると、これを基準
出力に更新する。

電源投入後２分程度の期間、タイマー６６で検出を後ら
せた後に、サンプリング可能表示６８を動作させ、匂い
の検出が可能であることを表示する。次にサンプリング
信号Ｓを入力し、センサ６を人体からの呼気や、果物等
の生鮮食品等からの匂いに接触させる。電気伝導度のサ
ンプリングはタイマー４４のサンプリング時間の間行い
、その間の電気伝導度の最大値を出力σ１とする。そし
て被検出気体に対するガス濃度を　′ （σｌ／σｏ）Ｉ／″として求め、バックグラウンドの
ガス濃度を（σ、／σｏ）　１７　ｍとして求め、その
差から匂いに対するガス濃度を求める。ここでバックグ
ラウンドの補償をしたのは、バックグラウンドに含まれ
るガスは呼気等の中にも含まれるためである。

このようにすれば以下の効果が得られる。第１に、清浄
雰囲気に対応した出力を基準出力とするので、個別のセ
ンサ毎の調整が不要となる。第２に、バックグラウンド
の影響を自動的に補償することができる。第３に、バッ
クグラウンド自体が有機溶剤等により汚染した雰囲気で
も、検出ができる。

第７図、第８図に、雰囲気中のガス濃度の検出に適した
実施例を示す。この実施例は例えば、自動車への外気の
取り入れ制御等に用いる。変更点は、新たなマイクロコ
ンピュータ７２にある。この回路では、センサ６の電気
伝導度の最小値をメモリー４０に記憶し、これを基準に
検出を行う。

また匂いの検出とは異なり、バックグラウンドのガス濃
度σ、を算出する必要はないので、バックグラウンドへ
の補償は行わない。実施例では、センサ６の電気伝導度
σの最小値を基準出力とし、汚染雰囲気中で使用を開始
した場合、使用開始直後のセンサ出力の極小値を基準出
力とする。次に、ｘ＝Ｊ・［（σ／σｏ）”’　−１コ
　（Ｊは定数）を算出し、これからガス濃度を表示する
。この値はガス６度に比例する。

第９図〜第１１図に、べき東回路に変え、折れ線近似を
用いた実施例を示す。これに対応したマイクロコンピュ
ータ９０を第９図に示す。図において、９２は出力σと
基準出力σ０との比（σ／σ０）を求めるための除算手
段、９４は数点のガス濃度に対して比（σ／σ０）とガ
ス濃度との関係を記憶させたＲＯＭ、９６はＲＯＭの各
点の間を直線近似するための折れ線近似手段である。

第１０図、第１１図に移り、ＲＯＭ９４には、低濃度か
ら十分な高濃度までｍ個のガス濃度０１〜Ｃｍに対応し
た、比σ／σ０の値に、〜Ｋｍを記憶さ仕てお（。次に
実測した比σ／σ０とＫとの値を比較し、最も近い２点
を算出する。次いでその間を直線近似し、ガス濃度Ｃを
求める。

なお上記の実施例では、基準出力とセンサ出力との比を
用いたが、比に変え差等を用いることも可能である。

［発明の効果コ この発明では、清浄雰囲気に対応した基準出力をサンプ
リングし、ガスの検出を容易にする。特にこの発明では
、周囲の雰囲気が最初から汚染している場合にも、清浄
雰囲気に対応した基準出力を得ることが出来る。

清浄雰囲気に対応した基準出力は種々の目的に利用でき
る。以下にその例を示す。例えば、ガス中での一センサ
出力と清浄雰囲気中でのセンサ出力との比は、はぼガス
濃度のみで定まることが知られている。そこでこの比を
用いれば、個別のセンサ毎の電気伝導度に応じた調整な
しで、かつセンサの経時変動の影響を自動的に補償しな
がら１．ガスを検出できる。

また清浄雰囲気に対応した基準出力は、主として雰囲気
の湿度で定まる。そこでこの基準出力を利用し、センサ
の湿度依存性を補償することもできろ。この場合は例え
ば、各センサ毎に検出すべきガス濃度と出力との関係を
比較出力として求めておき、基準出力の大小により比較
出力を変更すれば、湿度の影響を補償できる。

【図面の簡単な説明】

第１図〜第４図は、実施例のガス検出方法の特性図、第
５図は実施例に用いる装置のブロック図、第６図はその
動作フローチャート、第７図は他の実施例に用いる装置
のブロック図、第８図はその動作フローチャート、第９
図は更に他の実施例に用いる装置のブロック図、第１Ｏ
図はその動作フローチャート、第１１図はその特性図で
ある。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）金属酸化物半導体ガスセンサの出力から清浄雰囲
   気に対応した出力をサンプリングして基準出力とし、こ
   の基準出力に対するセンサ出力の変化からガスを検出す
   る方法において、 汚染雰囲気中でガスセンサを使用開始した際に生じるガ
   スセンサ出力の極小値に基づいて、清浄雰囲気に対応し
   た基準出力を得、これを基準出力の初期値とすることを
   特徴とする、ガス検出方法。