JPH01311261A

JPH01311261A - ガス検出装置

Info

Publication number: JPH01311261A
Application number: JP14138688A
Authority: JP
Inventors: Takashi Yamaguchi; 隆司山口
Original assignee: Figaro Engineering Inc
Current assignee: Figaro Engineering Inc
Priority date: 1988-06-08
Filing date: 1988-06-08
Publication date: 1989-12-15
Anticipated expiration: 2013-09-30
Also published as: JP2805048B2

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１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する
。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。

温度変化に対するセンサ出力の波形がガスの種類毎に明
確に異なる場合は、波形の分析手法を特に検討しなくて
も問題はない。しかしガス毎の波形の差が不明確な場合
、ガスの種類の同定が困難となる。また温度変化に対す
る出力波形全体を記憶させると、装置の記憶容量が増大
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１この発明では、温度変化時のガスセンサの出力を時間微
分する。そして微分のピークの位置と、温度変化に伴う
少なくとも１点でのセンサ出力の値とから、ガスの種類
や濃度を検出する。微分出力のピークの位置はガスの種
類を鋭敏に反映し、ピークの位置からガスの種類を判別
できる。そしてガスの種類が判別できれば、例えば温度
変化終了時のセンサ出力から、ガス濃度が判明する。な
お微分値のピーク位置の他に、その強度、例えばピーク
の大きさや面積も、ガスの種類を示す信号として利用し
得る。また微分出力のピークの位置は、同じガスでも濃
度により異なる。そこでガス濃度により、ピーク位置の
モデル値を修正するのが好ましい。

［実施例１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°Ｃとの間を温度変化する。検出対象ガスとし
て、各１００〜１０．０００ｐｐｍのメタン、イソブタ
ン、−酸化炭素、水素を選び、これらのガス種の同定と
濃度の判別とを行った。

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）〜（Ｄ）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）〜（Ｄ）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ｌｏｏｐｐｍ、３００　　ｐｐｍ、１１
０００ｐｐ、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。また水素と一酸化炭素の波形は類似
している。例えば水素１１０００ｐｐに対する出力波形
と、−酸化炭素１０゜０００ｐｐｍに対する出力波形は
区別し難い。

第４図（Ａ）〜（Ｅ）に、センサ出力の微分波形を示す
。これらの微分波形は、各３．０００ｐｐｍのガスに対
応し、ヒータをオンさせてから２秒間の波形を図に示す
。図の縦軸は、センサ出力の時間微分値を表すが、図に
より倍率を変えて表示しである。即ちセンサ出力の小さ
な空気やメタン、−酸化炭素では拡大して表示しである
。なおこの図のデータは用いたセンサが異なるため、第
３図には直接対応しない。図から明らかなように、微分
出力にはピークが有り、その位置はガスにより異なる。

例えば空気やメタンでは、昇温の終了直前にピークが発
現する。一方イツブタンでは、昇温周期の中間（約１／
２秒）にピークが生じる。また水素では、昇温周期の前
半にピークが生じる。−酸化炭素では、昇温周期の前半
にピークが生じるが、ピークは幅広で弱く明確ではない
。

第５図（Ａ）〜（Ｄ）に、各１００〜ＩＯ１０００ｐｐ
ｍのガスに対する、センサ出力の時間微分波形を示す。

これらのデータは第３図（Ａ）〜（Ｄ）のデータを微分
値に変換したものである。

なお第５図（Ａ）〜（Ｄ）も、ガスの種類や濃度毎に倍
率を変えて表示しである。メタンではピークの位置は昇
温周期の終了直前に有り、イソブタンでは昇温周期のほ
ぼ中間にピークが有る。水素、−酸化炭素のピークは昇
温周期の前半付近に有る。

そして−酸化炭素に対するピークは弱い。また同じガス
でもピークの位置は濃度により異なる。ピーク位置のガ
ス濃度依存性を図の鎖線に示す。

これらの結果から、次の処理によりガスの種類と濃度と
を定め得ることが判る。センサ出力の絶対値を少なくと
も１点でサンプリングし、サンプリングした絶対値と一
致するように微分出力のピーク位置のモデル値をガス種
毎に演算する。演算したモデル値と実測したピーク位置
とを比較し、最も良く一致するガスが生じたものとする
。このようにしてガスの種類を同定する。ガスの種類が
定まれば、出力の絶対値から濃度が定まる。

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ＳｎＯ□、Ｉｎ、
０３等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、ｌＯ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ＩＯＶ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ｔ；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３にΩとした。

ＣＩは微分用のコンデンサ、１６は微分出力を取り出す
ための抵抗、Ｃ２は微分出力の平滑用コンデンサである
。

２０はマイクロコンピュータで、２２はＡ／Ｄコンバー
タである。Ａ／Ｄコンバータ２２では、内蔵スイッチに
より入力を切り替え、負荷抵抗１２への電圧と抵抗１６
への微分出力の双方をＡ／Ｄ変換するものとする。２４
はＡＬＵ　（算術論理演算ユニット）、２６はＲＯＭで
、動作プログラムの他に、ガスの種類と濃度毎にセンサ
出力の絶対値や微分出力のピーク位置等のモデル値を記
憶させる。これらのモデル値を、任意のガス濃度に対し
て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１１００ｐｐ。

３００ｐｐｍ、ｌ　ＯＯＯｐｐｍ、３０００ｐｐｍ。

１０、ＯＯＯｐｐｍの５点に対して、モデル値を記憶さ
せた。

２８はデータの記憶用ＲＡＭで、センサ出力の絶対値や
微分出力のピーク位置τとその高さＰ等を記憶させる。

実施例では、センサ出力の絶対値として、温度変化終了
時のセンサ出力Ｓと温度変化開始前のセンサ出力Ｓとを
記憶させた。この内、温度変化終了時のセンサ出力Ｓか
らガス濃度を判定し、温度変化開始前のセンサ出力Ｓは
測定結果の信頼性のチエツクに用いた。なお出力Ｓに変
え、昇温過程でのセンサ出力の最大値、あるいは昇温開
始から特定の時点でのセンサ出力等を用いても同様の結
果が得られる。ピークの位置【は、ピーりが生じる時刻
として記憶させたが、ピークが生じた時のセンサ出力と
して記憶させても良い。ＲＯＭ２６には、特定の濃度に
対するＳ、ｓ、Ｐ。

ｒ等のモデル値を記憶させた。そこで実測した出力Ｓを
用い、任意のＳに対するｓ、Ｐ、ｒ等のモデル値を作成
する。この作成は、例えばＳに最も近い２点のモデル値
を用い、モデル値の間を直線近似等により内挿して行う
。内挿は、例えば次のようにする。出力Ｓの２つのモデ
ル値をＳの実測値で内分する。次にこの内分比に応じて
、τ、ＰｌＳ等のモデル値を内分する。このようにして
Ｓが一致するようにガス毎に求めたτ、Ｐ等のモデル値
も、ＲＡＭ２８に記憶させる。またＲＡＭ２８には、こ
れ以外にガスの種類や濃度等の検出結果も記憶させる。

３０４まヒータ４の制御用タイマである。

３２はクロンク回路、３４は検出結果の表示用デイスプ
レィである。

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。ここで時調信号を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をオンする。また昇温開始前のセンサ出力Ｓを、ヒー
タ４のオン前にサンプリングしておく。昇温を開始する
とセンサ出力は増加するので、この信号Ｓはセンサ出力
の最小値に等しい。次いで昇温過程でのセンサ出力の時
間微分値をサンプリングする。サンプリングは微分出力
のピークの位置τとピークの高さＰに付いて行う。

１秒経過後ヒータ４をオフし、以後６秒間ヒー多４をオ
フさせる。また昇温終了時のセンサ出力Ｓをサンプリン
グして記憶する。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。まず昇温終了時
のセンサ出力Ｓを用い、ガスの種類毎にピークの位置τ
や高さＰ１昇温開始前のセンサ出力Ｓのモデル値を作成
する。

そしてピークの位置τからガスの種類を判別する。

例えばメタン、イソブタン、水素、−酸化炭素の場合、
ピークの位置τから、メタン、イソブタン、水素または
一酸化炭素の３つのグループに識別できる。なおピーク
の位置τは同じガスでも濃度により変化するので、τの
モデル値はガス濃度（実際には昇温終了時のセンサ出力
Ｓ）により変化させて記憶させておく。そして水素か一
酸化炭素かは、ピークの高さＰあるいはピークのブロー
ドさを用いて識別できる。このようにしてガスの種類を
定める。

ガスの種類を定めると、Ｓのモデル値と実測値とを比較
し、誤差が許容範囲内か否かを求める。

誤差が許容範囲内であれば、Ｓからガス濃度を求め、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、このようなチエツクは
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、ｌ　ｍ５ｅｃ〜ｌＯ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、微分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、−酸化炭素、水素の
４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ＲＯ
Ｍ２６に記憶させるモデル値の種類を増せば、混合ガス
の分析も可能である。

用いるセンサ出力は昇温側に限らず、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°Ｃ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。

また実施例では、コンデンサＣ３を用いアナログ微分を
行ったが、デジタル微分としても良い。

デジタル微分の場合、微分出力のスムージング等の種々
の処理を施しても良いことは当然である。

［発明の効果１この発明では、温度変化に対するセンサ出力の時間微分
のピーク位置からガスの種類を同定する。

微分出力のピーク位置はガスの種類により異なり、ガス
の種類の同定が容易である。またサンプリングする信号
は、温度変化時の出力波形全体でなく、ピーク等の特定
の信号のみでよいので、装置に必要な記憶容量を小さく
できる。

微分出力のピークの位置のみではガスの種類が曖昧な場
合、ピークの高さや面積等のピーク強度を用いると、ガ
スの種類を同定できる。そしてピークの位置にはガス濃
度への依存性が有り、これを加味してピーク位置へのモ
デル値を定めれば、検出の信頼性を更に向上できる。

【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）〜（Ｄ）は従来例の特性図、
第４図（Ａ）〜（Ｅ）、及び第５図（Ａ）〜（Ｄ）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　　ＲＯＭ。２８　　ＲＡＭ、　　　　　３０　　タイマ、３４　デ
イスプレィ。

Claims

【特許請求の範囲】

（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少なくとも１点でサンプ
リングして記憶するセンサ出力記憶手段と、温度変化時のガスセンサ出力を時間微分し、そのピーク
位置を記憶する微分値記憶手段と、記憶したガスセンサ
出力と時間微分値のピーク位置とを、ガスの種類及び濃
度に対応してあらかじめ記憶させたモデル値と比較し、
ガスの種類及び濃度を求める同定手段とを設けたことを
特徴とする、ガス検出装置。
（２）前記微分値記憶手段では、ガスセンサ出力の時間
微分値のピークの位置の他に、ピークの強度を記憶する
ようにし、かつ前記同定手段では、センサ出力記憶手段に記憶した
センサ出力、微分値記憶手段に記憶したピークの位置と
その強度とを、ガスの種類及び濃度に対応してあらかじ
め記憶させたモデル値と比較するようにしたことを特徴
とする、請求項１に記載のガス検出装置。
（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）前記同定手段では、時間微分値のピークの位置の
モデル値を、ガス濃度により変化させて記憶するように
し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。