JPH07110312A - 成分ガスの測定方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 複数の成分ガスに感応するセンサを用いても
個々の成分ガスの濃度を正確に測定できる成分ガスの測
定方法を提供する。 【構成】 ｍ種の成分ガスのそれぞれの濃度をｍ個のセ
ンサで測定するにあたり、各成分ガスが単独で任意の基
準濃度存在したときの各センサの出力値と、混合ガス測
定時の各センサからの出力値とを基にして重み変数を求
め、該重み変数の変化量が許容誤差以内のとき、基準濃
度と重み変数とから混合ガス中の各成分ガスの濃度を算
出する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、成分ガスの測定方法に
関し、詳しくは、空気中の漏洩ガス、混合ガス中の成分
ガス等の各種成分ガスの濃度を測定する方法であって、
例えば、作業空間内での有毒ガスの漏洩監視、混合ガス
の組成成分ガス分析等に好適な成分ガスの濃度測定方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】例えば、半導体製造分野においては、ク
リーンルーム等の作業空間内で種々のガスを用いて半導
体を製造している。しかし、使用するガスは、人体に有
毒なものが多いので、作業空間内に漏洩ガス検出用のセ
ンサを設けて有毒ガスの漏洩を検知し、作業者の安全を
図っている。

【０００３】通常、検出対象となる成分ガスは、成分ガ
ス数と同数で、かつ、専用のセンサによって成分ガスを
個別に検出している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、現状用いられ
ているセンサは、検出対象ガスに対する選択性が十分で
なく、検出対象ガス以外のガスにも感応することがあ
る。このため、漏洩ガスを特定できず、現実に漏洩して
いるガスが流れる配管の元弁だけを閉止すれば十分に操
業を継続できる場合であっても、センサが感応した全て
のガスの配管の元弁を閉止し、全面的な操業停止に至っ
てしまう不都合があった。そこで、検出対象の成分ガス
のみに感応し、それ以外の成分ガスには感応しない、即
ち選択性の高いセンサが望まれるが、現状は極めて困難
なのが実情である。

【０００５】そこで本発明は、複数の成分ガスに感応す
るセンサを用いても個々の成分ガスの濃度を正確に測定
できる成分ガスの測定方法を提供することを目的として
いる。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記した目的を達成する
ため、本発明の成分ガスの測定方法は、検出対象のｍ
（ｍは２以上の自然数）種の成分ガスＸｉ（ｉは１〜ｍ
の自然数）を成分ガス数と同数個のセンサＡｋ（ｋ＝は
１〜ｍの自然数）を用いて測定する方法において、前記
センサを成分ガスに対して独立した検出特性を有するセ
ンサとし、かつ、これらのセンサを各成分ガスと１対１
に対応させ、成分ガスＸｉが単独で任意の基準濃度αｉ
存在したときの各センサＡｋの出力値Ｓikと、実ガス測
定時のセンサＡｋからの出力値Ｙｋと、重み変数Ｗｉと
を用いて、

【数２】 の計算値を変数Ｌに代入し、ｉ＝１〜ｍについてＬ×Ｓ
ikの計算値を変数ｄＷｉに代入した後、重み変数Ｗｉ
に、Ｗｉ＋ｄＷｉの計算値をそれぞれ代入する（Ｌ，Ｗ
ｉ，ｄＷｉは計算に用いる変数であり、初期値は任意）
循環工程をｋが１からｍまで繰り返し、ｋ＝ｍのときの
任意のｄＷｉの値が許容誤差以内のとき、前記成分ガス
Ｘｉの濃度βｉをαｉ×Ｗｉとして算出することを特徴
としている。

【０００７】上記のように、本発明では、ｍ種の成分ガ
スをｍ個のセンサで測定するが、用いるセンサは、各成
分ガスに対して独立した検出特性を有する必要がある。
まず、この点を表１に基づいて説明する。

【０００８】

【表１】

【０００９】表１は、成分ガスＸｉが基準濃度αｉで単
独に存在したときの各センサＡｋからの出力を示すもの
であるが、各センサが成分ガスに対し独立しているため
には、任意の成分ガスＸｉに対するセンサＡ１，Ａ２，
Ａ３，…，Ａｍの出力Ｓi1，Ｓi2，Ｓi3，ＳiK，…，Ｓ
imを要素とする行が行方向で同一又は実数倍のものがな
いこと、及び、成分ガスＸ１，Ｘ２，Ｘ３，…，Ｘｍに
対する任意のセンサＡｋの出力Ｓ1K，Ｓ2K，Ｓ3K，Ｓi
K，…，ＳnKを要素とする列が列方向で同一又は実数倍
のものがないことである。

【００１０】前記行方向で同一行が存在する場合と言う
のは、行を構成する各要素が全く同一の場合を意味す
る。例えば成分ガスＸ１とＸ２に対するセンサＡ１，Ａ
２，Ａ３，…，Ａｍの出力値がすべて同じだった場合に
は、全センサは成分ガスＸ１，Ｘ２に同一に感応し識別
できない。但し、行単位で比較した場合、要素の部分的
一致は問題ない。また、行方向で実数倍の行があった場
合と言うのは、行を構成する各要素がすべて全く同一の
実数倍であることを意味し、独立ではない。但し、要素
の一部が実数倍であっても問題はない。

【００１１】また、列方向で同一列が存在する場合と言
うのは、列を構成する各要素が全く同一の場合を意味
し、例えばセンサＡ１とＡ２の出力が各成分ガスに対し
同一の出力を示す場合であり、この場合、センサＡ１と
Ａ２は同一のセンサであることになり、独立ではない。
列方向で実数倍の列があった場合も前記同様に独立では
ない。なお、列を構成する要素の一部が同一または実数
倍であっても問題ない。

【００１２】また、本発明においては、任意のセンサＡ
ｋの出力は、任意の成分ガスに対して直線的であること
が必要である。これは、実際の混合ガスを測定する際
に、実際の混合ガスを構成する成分ガスの濃度が前記基
準濃度の実数倍として計算されるからで、もし、センサ
の出力が成分ガスに対して直線的でない場合には、周知
の方法で予め直線化処理しておく必要がある。

【００１３】以上は、本発明を実施するための前提条件
であるが、引き続き本発明をさらに詳しく説明する。な
お、以下の説明においては、変数名に用いた記号をその
まま変数名の値として用いる。例えば、記号Ｌを用い
た”変数Ｌ”の値を単に”Ｌ”と表記する。

【００１４】本発明では、複数の成分ガスを含む実ガス
（実際の測定対象となる混合ガス）中の成分ガスＸｉの
濃度βｉを、前記表１のＳikと実ガス測定時のセンサＡ
ｋからの出力値Ｙｋとを用いて計算する。ここで、表２
は前記出力Ｙｋを示すもので、表２における濃度β１，
β２，β３、βｉ，…βｍは，実ガス中に含まれる成分
ガスの実際の濃度であり、最終的に求めようとする濃度
であるが、これに対し、各センサの出力は、該センサが
複数の成分ガスに感応する場合には，それらのガスに対
する検出値が加算されるので、検出対象ガスが単独で存
在した場合よりも大きな値となる。

【００１５】

【表２】

【００１６】次に、図１に示すフローチャートを参照し
ながら成分ガスの濃度を測定する手順の一例を説明す
る。まず、変数ｋが１からｍまでについて、ステップ１
〜３の循環工程を行う。

【００１７】最初に、前記表１で予め求めたＳikと、計
算に用いる変数Ｗｉ（重み変数）とを用いて変数Ｎに

【数３】 の計算値を代入する。ここで、ｍは成分ガス数であり、
また、第１回目のサイクルではｋ＝１なので、ＳikはＳ
i1においてｉ＝１〜ｍについて行う。すなわち、変数Ｎ
には、Ｗ１×Ｓ11＋Ｗ２×Ｓ21＋Ｗ３×Ｓ31＋…＋Ｗｍ
×Ｓm1の値が代入される。続いて、前記計算値の変数Ｎ
と実ガス測定時のセンサＡｋからの出力値Ｙｋとを用い
て変数ＬにＹｋ−Ｎの値を代入する（ステップ１）。な
お、センサＡｋは成分ガスＸｋに対応するものである
が、前記したように、センサＡｋが対応成分ガスＸｋ以
外の成分ガスにも感応する場合には、出力値Ｙｋは成分
ガスＸｋが単独で存在した場合よりも大きくなる。

【００１８】次に、ステップ１で求めた変数Ｌと表１の
Ｓikとから、ｉ＝１〜ｍについて、変数ｄＷｉにＬ×Ｓ
ikの計算値を代入し（ステップ２）、また、この計算値
の変数ｄＷｉと前記重み変数Ｗｉの和、即ちＷｉ＋ｄＷ
ｉの計算値を再び重み変数Ｗｉに代入する（ステップ
３）。これによって、重み変数Ｗｉは、ｄＷｉ増加した
値として更新される。なお、前記Ｌ×Ｓikの計算では、
ｋ＝１なので、ＳikはＳi1の場合について行う。

【００１９】ｋ＝１においてｉ＝１〜ｍまでの場合の計
算を終了したら、今後はｋ＝２として前記ステップ１〜
３の循環工程の計算を行う。すなわち、表１のＳikと重
み変数Ｗｉとを用いた変数Ｎの計算及び計算値のＮと前
記出力値Ｙｋとを用いた変数Ｌの計算（ステップ１）、
計算値のＬと前記Ｓikとを用い、ｉ＝１〜ｍについての
変数ｄＷｉの計算及び計算値のｄＷｉを重み変数Ｗｉに
加算して重み変数Ｗｉを更新する計算（ステップ３）を
行う。なお、この場合は、ｋ＝２なので、ＳikはＳi2の
場合について行われる。

【００２０】ｋ＝２の場合の計算を終了したら、以下、
ｋ＝３の場合、ｋ＝４の場合と前記循環工程の計算を行
い、最後にｋ＝ｍの場合の循環工程を計算した後、以下
の判定工程を行う。

【００２１】誤差変数として変数Ｅに

【数４】 の計算値、すなわち、ｉ＝１〜ｍにおけるｄＷｉの絶対
値の和を代入し（ステップ４）、次いで、計算値の変数
Ｅが予め定めた許容誤差値ｕの範囲内か否かを判定する
（ステップ５）。そして、変数Ｅの値が許容誤差値ｕを
超えた場合は、ｋ＝１からｍについて前記ステップ１〜
５の工程を繰り返して行い、新たに算出された変数Ｅの
値と許容誤差値ｕとを比較する。そして、変数Ｅの値が
許容誤差内の場合は、以下の濃度算出工程を行う。

【００２２】本工程では、成分ガスＸｉの濃度を変数β
ｉとして、変数βｉをαｉ×Ｗｉと計算する（ステップ
６）。これをｉ＝１〜ｍまで行うことにより、各成分ガ
スの濃度が測定される。

【００２３】なお、以上の説明では、循環工程（ステッ
プ１〜３）終了後に誤差変数Ｅを計算したが、誤差変数
Ｅを循環工程の最後で計算しても、計算の対象となる変
数ｄＷｉは同一であるから同一の結果になる。また、前
記判定工程（ステップ４，５）では、本来は、任意のｄ
Ｗｉが許容誤差以内であれば良いが、前記のように、誤
差変数Ｅに

【数５】 の計算値を代入する方が、条件が厳しくなる一方、条件
判定の回数が減少するので好ましい。

【００２４】

【実施例】以下、３種類の成分ガスＸ１，Ｘ２，Ｘ３
を、３個のセンサＡ１，Ａ２，Ａ３で測定した結果を説
明する。本実施例においては、制御装置として、上記工
程をプログラミングしたコンピュータを用いた。

【００２５】前記成分ガスＸ１，Ｘ２，Ｘ３は、具体的
には、成分ガスＸ１はフッ化水素、成分ガスＸ２は塩
素、成分ガスＸ３は塩化水素である。また、センサＡ
１，Ａ２，Ａ３には、定電位電解式ガスセンサを用い
た。さらに実験用の混合ガスは、センサＡ１，Ａ２，Ａ
３を密封した気密容器内にマイクロシリンジを用いて各
ガスを所定流量導入することにより作成し、気密容器の
体積と各成分ガスＸ１，Ｘ２，Ｘ３の導入量とから計算
によって各成分ガス濃度を求めた。本実験では、測定用
のサンプルガスとして、成分ガスＸ１を１２ｐｐｍ，成
分ガスＸ２を５ｐｐｍ，成分ガスＸ３を３ｐｐｍ含むも
のを製造した。

【００２６】表３は、各段階におけるコンピュータによ
る計算値を示すもので、０１〜０７行は準備段階であ
り、０１〜０３行は、成分ガスＸ１，Ｘ２，Ｘ３が単独
で基準濃度存在したときの各センサＡ１，Ａ２，Ａ３の
出力値（単位はボルト）を示す。記号Ｓ[1][1]，Ｓ[1]
[2]，Ｓ[1][3]は、それぞれ前記したＳ11，Ｓ12，Ｓ13
を表す。なお、成分ガスＸ１〜Ｘ３の基準濃度は任意で
よいが、実際に測定され得る濃度を予想してその濃度に
近い値を設定することが正確な測定の上で好ましい。本
実験では、基準濃度は、成分ガスＸ１を９ｐｐｍ，成分
ガスＸ２を３ｐｐｍ，成分ガスＸ３を５ｐｐｍとした。

【００２７】

【表３】

【００２８】なお、０１〜０３行において、Ｓ[1][1]，
Ｓ[2][2]，Ｓ[3][3]の値が、全て１．０００と切りの良
い数値となっているが、これは、成分ガスＸ１，Ｘ２，
Ｘ３を基準濃度単独で存在させたときの各成分ガスに対
応するセンサＡ１，Ａ２，Ａ３の出力を予め前記数値に
調整したからで、計算をし易くするためであり、必要に
応じて行うものである。

【００２９】すなわち、成分ガスＸ１のみを存在させた
ときのセンサＡ１の出力を１．０００に、次いで、成分
ガスＸ２のみを存在させたときのセンサＡ２の出力を
１．０００に、次いで、成分ガスＸ３のみを存在させた
ときのセンサＡ３の出力を１．０００に調整した後、成
分ガスＸ１のみを存在させたときのセンサＡ１〜Ａ３の
出力、成分ガスＸ２のみを存在させたときのセンサＡ１
〜Ａ３の出力、成分ガスＸ３のみを存在させたときのセ
ンサＡ１〜Ａ３の出力を測定したものである。

【００３０】以上のように、０１〜０３行において、Ｓ
[1][1]，Ｓ[2][2]，Ｓ[3][3]の値は、それぞれ１．００
０であるが、０２行において、Ｓ[2][1]が１．０００と
なっている。Ｓ[2][1]は、成分ガスＸ２に対するセンサ
Ａ１の出力で、これは、成分ガスＸ２に対しては、対応
するセンサＡ２以外にもセンサＡ１が反応したことを示
している。また、０３行におけるＳ[3][1]＝０．８００
も同様で、成分ガスＸ３に対し、対応センサＡ３以外に
もセンサＡ１が反応したことを示している。以上からセ
ンサＡ１は、すべての成分ガスに反応することが判る。

【００３１】次に、０４行は、サンプルガスに対するセ
ンサＡ１，Ａ２，Ａ３のそれぞれの出力Ｙ１，Ｙ２，Ｙ
３を読み取った結果を示している。

【００３２】次の０５〜０７行は、計算に用いる各種変
数の初期値をセットするもので、初期値は任意でよい
が、とりあえず変数Ｎ，Ｌ，Ｅ，ｄＷ１，ｄＷ２，ｄＷ
３をそれぞれ０．０００に、また、重み変数Ｗ１，Ｗ
２，Ｗ３をそれぞれ０．１００とした。なお、許容誤差
ｕは、予め０．０１に設定した。

【００３３】次の０８〜１７行は、第１回目の計算の結
果であり、０８〜１０行は、ｋ＝１の場合における計算
値である。０８行のＮは、

【数６】 の計算値（但し、ｍ＝３）、すなわち、Ｎ＝Ｗ[1] ×Ｓ
[1][1]＋Ｗ[2] ×Ｓ[2][1]＋Ｗ[3] ×Ｓ[3][1]であり、
Ｌは、前記求めたＮを用いたＹ[1] −Ｎの計算値であ
る。

【００３４】また、０９行のｄＷ[1] ，ｄＷ[2] ，ｄＷ
[3] は、それぞれ、前記求めたＬを用いたＬ×Ｓ[1]
[1]，Ｌ×Ｓ[2][1]，Ｌ×Ｓ[3][1]の計算値、１０行の
Ｗ[1] ，Ｗ[2] ，Ｗ[3] は、前記求めたｄＷ[1] ，ｄＷ
[2] ，ｄＷ[3] と、既に値が定まっているＷ[1] ，Ｗ
[2] ，Ｗ[3] （この場合は０７行に示される初期設定
値）とを用い、それぞれ、Ｗ[1] ＋ｄＷ[1] ，Ｗ[2] ＋
ｄＷ[2] ，Ｗ[3] ＋ｄＷ[3] の計算値を新たなＷ[1] ，
Ｗ[2] ，Ｗ[3] としたもので、この、新たなＷ[1] ，Ｗ
[2] ，Ｗ[3] は保存される。すなわち、Ｗ[1] ，Ｗ[2]
，Ｗ[3] は、それぞれ新たな値として更新される。

【００３５】次に、１１〜１３行は、ｋ＝２の場合にお
ける計算値で、前記０８〜１０行の場合と同様にして求
める。但し、１１行のＮの計算、１２行のｄＷ[1] 〜ｄ
Ｗ[3] の計算においては、０９〜１０行の場合と異な
り、ｋ＝２の場合であるからＳikを含む計算において
は、Ｓikとして、Ｓ[1][2]，Ｓ[2][2]，Ｓ[3][2]を用い
る。上記のように計算してＷ[1] 〜Ｗ[3] の値が更に更
新される。

【００３６】次に、１４〜１６行は、ｋ＝３の場合にお
ける計算値で、前記０８〜１０行の場合と同様にして求
めるが、ｋ＝３の場合であるから、Ｓikを含む計算にお
いては、前記同様に正しいＳikの値を用いて計算する。
このようにしてＷ[1] 〜Ｗ[3] の値が更に更新される。

【００３７】次に、１７行は誤差変数Ｅの値を求めるも
ので、

【数７】 の値、すなわち、誤差変数ＥにｄＷ[1] ，ｄＷ[2] ，ｄ
Ｗ[3] の各絶対値の和を代入する。なお、この場合のｄ
Ｗ[1] ，ｄＷ[2] ，ｄＷ[3] は、ｋ＝３の場合における
値である。

【００３８】そして、上記のように誤差変数Ｅを求めた
後、誤差変数Ｅの値が予め定めた許容誤差より小さい場
合は最終計算値に行くが、そうでない場合は、再び前記
０８〜１７行と同様の計算を行う。本実施例では、許容
誤差ｕが０．０１であるから、再び前記０８〜１７行と
同様の計算を行う。

【００３９】再計算の結果が１８〜２７行であり、第２
回目の計算結果である。１８〜２０行はｋ＝１の場合、
２１〜２３行はｋ＝２の場合、２４〜２６行はｋ＝３の
場合であり、前記した手順により計算する。上記計算毎
にＷ[1] ，Ｗ[2] ，Ｗ[3] は更新され、そして、ｋ＝３
の場合が終了した時点で、前記同様に誤差変数Ｅの値を
求める。２７行に示されるように誤差変数Ｅの値は許容
誤差以上なので再び再計算を行う。

【００４０】第３回目の再計算値を２８〜３７行に示
す。２８〜３０行，３１〜３３行，３４〜３６行は、そ
れぞれｋ＝１，２，３の場合を示している。今度の計算
では、３７行で明らかなように、Ｅの値が許容誤差であ
る０．０１以下になっているので、サンプルガス中の成
分ガスＸ１，Ｘ２，Ｘ３の濃度β１，β２，β３は、そ
れぞれの基準濃度α１，α２，α３に対して、それぞれ
の重み変数Ｗ１，Ｗ２，Ｗ３を積算して算出される。す
なわち、 β１＝α１×Ｗ１ β２＝α２×Ｗ２ β３＝α３×Ｗ３ のようにして計算される。ここで、基準濃度α１，α
２，α３は、前記のようにそれぞれ９ｐｐｍ，３ｐｐ
ｍ，５ｐｐｍであり、最終値の重み変数Ｗ１，Ｗ２，Ｗ
３は、３６行に示されているようにそれぞれ１．３０
０，１．７００，０．６００であるから、濃度β１，β
２，β３は、それぞれ１１．７ｐｐｍ，５．１ｐｐｍ，
３ｐｐｍとなり、ほぼ正確に測定できたことが判る。

【００４１】なお、実際の使用方法、例えば、作業空間
内での漏洩ガスの検知では、漏洩ガスの濃度は一定でな
く、経時的に変化するものであるから、前記のように最
終濃度が計算された後は、再び前記０１行に戻って同様
の計算を行う必要がある。

【００４２】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
センサが複数の成分ガスに感応する場合であっても、混
合ガス中の各成分ガスの濃度を正確に測定することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明の測定手順の一例を説明するフローチ
ャートである。

【符号の説明】 ｍ…成分ガスの数 Ｓik…成分ガスＸｉが単独で任意の基準濃度αｉ存在し
たときの各センサＡｋの出力値 Ｙｋ…混合ガス測定時のセンサＡｋからの出力値 Ｗｉ…重み変数 βｉ…成分ガスＸｉの濃度

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 検出対象のｍ（ｍは２以上の自然数）種
   の成分ガスＸｉ（ｉは１〜ｍの自然数）を成分ガス数と
   同数個のセンサＡｋ（ｋ＝は１〜ｍの自然数）を用いて
   測定する方法において、前記センサを成分ガスに対して
   独立した検出特性を有するセンサとし、かつ、これらの
   センサを各成分ガスと１対１に対応させ、成分ガスＸｉ
   が単独で任意の基準濃度αｉ存在したときの各センサＡ
   ｋの出力値Ｓikと、実ガス測定時のセンサＡｋからの出
   力値Ｙｋと、重み変数Ｗｉとを用いて、 【数１】 の計算値を変数Ｌに代入し、ｉ＝１〜ｍについてＬ×Ｓ
   ikの計算値を変数ｄＷｉに代入した後、重み変数Ｗｉ
   に、Ｗｉ＋ｄＷｉの計算値をそれぞれ代入する（Ｌ，Ｗ
   ｉ，ｄＷｉは計算に用いる変数であり、初期値は任意）
   循環工程をｋが１からｍまで繰り返し、ｋ＝ｍのときの
   任意のｄＷｉの値が許容誤差以内のとき、前記成分ガス
   Ｘｉの濃度βｉをαｉ×Ｗｉとして算出することを特徴
   とする成分ガスの測定方法。