JPH0868732A - ガス濃度測定装置 - Google Patents

ガス濃度測定装置

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JPH0868732A
JPH0868732A JP20489994A JP20489994A JPH0868732A JP H0868732 A JPH0868732 A JP H0868732A JP 20489994 A JP20489994 A JP 20489994A JP 20489994 A JP20489994 A JP 20489994A JP H0868732 A JPH0868732 A JP H0868732A
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JP
Japan
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gas
mixer
flow rate
sensor
concentration
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Gen Matsuno
玄 松野
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Yokogawa Electric Corp
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Yokogawa Electric Corp
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Abstract

(57)【要約】 【目的】センサの特性とは無関係に、ガス濃度に比例し
た出力および広いダイナミックレンジを有するガス濃度
測定装置を実現する。 【構成】試料ガスとゼロガスを混合する混合器と、この
混合器に導入する試料ガスの流量を調節する流量調節手
段と、前記混合器に導入するゼロガスの流量を調節する
流量調節手段と、内部に設置されたガスセンサにより前
記混合器から出力される希釈ガスの濃度レベルを検出す
るセンサセルと、前記ガスセンサの出力が予め設定した
値になるように前記2つの流量調節手段を制御する制御
回路と、この制御回路の制御信号に基づいて試料ガスの
濃度を求める演算回路を備える。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、においセンサ等に応用
される半導体ガスセンサを用いたガス濃度測定装置に関
し、特に被測定ガスの濃度に対してリニアな出力を得る
と共に測定レンジの拡大を図るための改善に関するもの
である。
【0002】
【従来の技術】従来より半導体ガスセンサは、酸化スズ
(SnO2 )等の酸化物半導体の焼結体に電極を取り付
けた構造をしており、半導体表面へのガス分子の吸着に
よる素子のインピーダンス変化を測定する。この種の半
導体ガスセンサは、ガスセンサの内でも感度が高く、ア
ルコールや硫化水素等の極微量ガスの検出や、においの
測定等に適しており、広く用いられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】ところで、素子のイン
ピーダンスすなわちセンサ出力は、ガス濃度の対数に比
例し、濃度そのものには比例しない。さらに、現実には
低濃度側では妨害物質の存在や温湿度ドリフトなどのノ
イズのため、また高濃度側では素子の飽和のために特性
がずれ、そのダイナミックレンジは通常せいぜい1桁程
度どまりである(図4は半導体ガスセンサの特性例であ
る)。したがって、通常半導体ガスセンサは濃度そのも
のの測定ではなく、ある濃度レベルの上か下かを判断す
るオンオフセンサとして用いられる例が多い。
【0004】特に、半導体ガスセンサの応用分野の一つ
であるにおい計測においては、対象となるにおい物質の
濃度は、例えば硫化水素においては1ppm以下のレベ
ルから%オーダーまで実に100万倍ものダイナミック
レンジの濃度範囲が対象となるため、従来のセンサでは
対応できる例が限られていたという問題があった。
【0005】本発明の目的は、このような点に鑑みて、
センサの特性がリニアでなくてもガス濃度に比例した出
力が得られると共に、センサの特性とは無関係に広いダ
イナミックレンジを有するガス濃度測定装置を実現する
ことにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】このような目的を達成す
るために本発明における第1の発明では、導入される試
料ガスとゼロガスを混合するための混合器と、この混合
器に導入する試料ガスの流量を調節するための第1の流
量調節手段と、前記混合器に導入するゼロガスの流量を
調節するための第2の流量調節手段と、内部に設置され
たガスセンサにより前記混合器から出力される希釈ガス
の濃度レベルを検出するセンサセルと、前記ガスセンサ
の出力が予め設定した値になるように前記2つの流量調
節手段を制御する制御回路と、この制御回路の制御信号
に基づいて試料ガスの濃度を求める演算回路を具備した
ことを特徴とする。
【0007】また本発明における第2の発明では、導入
される試料ガスとゼロガスを混合するための第1の混合
器と、この第1の混合器に導入する試料ガスの流量を調
節するための第1の流量調節手段と、前記第1の混合器
に導入するゼロガスの流量を調節するための第2の流量
調節手段と、前記第1の混合器の出力ガスと前記ゼロガ
スを混合するための第2の混合器と、前記第1の混合器
から第2の混合器に導入するガスの流量を調節するため
の第3の流量調節手段と、前記第2の混合器に導入する
ゼロガスの流量を調節するための第4の流量調節手段
と、内部に設置されたガスセンサにより前記第2の混合
器から出力される希釈ガスの濃度レベルを検出するセン
サセルと、前記ガスセンサの出力が予め設定した値にな
るように前記4つの流量調節手段を制御する制御回路
と、この制御回路の制御信号に基づいて試料ガスの濃度
を求める演算回路を具備したことを特徴とする。
【0008】更に本発明における第3の発明では、導入
される試料ガスから被測定ガス成分を除去してゼロガス
を発生するゼロガス発生装置と、導入される試料ガスと
ゼロガスとを混合するための混合器と、試料ガスを前記
混合器またはゼロガス発生装置に選択的に導入するため
の流路切り替え手段と、内部に設置されたガスセンサに
より前記混合器から出力される希釈ガスの濃度レベルを
検出するセンサセルと、前記ガスセンサの出力が予め設
定した値になるように前記流路切り替え手段を制御する
制御回路と、この制御回路の制御信号に基づいて試料ガ
スの濃度を求める演算回路を具備したことを特徴とす
る。
【0009】
【作用】混合器で試料ガスとゼロガスとを混合して希釈
ガスを得る。この希釈ガスの濃度レベルをセンサセルで
検出する。制御回路により、前記濃度レベルがある設定
値になるように試料ガスとゼロガスの流量を調節する手
段を制御する。演算回路において前記制御回路の制御信
号に基づいて試料ガスの希釈率、さらに最終的に試料ガ
スの濃度を求める。
【0010】
【実施例】以下図面を用いて本発明を詳しく説明する。
図1は本発明に係るガス濃度測定装置の一実施例を示す
構成図である。図において、1は試料ガスの導入口、2
はゼロガスの導入口である。ゼロガスとは例えば乾燥空
気である。3および4はそれぞれ試料ガスおよびゼロガ
スの流路途中に設けられ、それぞれの流量を制御する第
1および第2の流量調節手段である。なお、流量調節手
段としてはマスフローコントローラ等がある。実施例で
は流量調節手段としてマスフローコントローラを用いた
場合を例にとって説明する。
【0011】5は試料ガス流路とゼロガス流路が接続さ
れ、試料ガスとゼロガスとを混合する混合器である。6
はセンサセルであり、混合器5の出力流路が接続され内
部に設置したガスセンサ8により混合器5から送られる
ガスの濃度レベルを検出する。ガスセンサ8としては酸
化物半導体ガスセンサを用いることができる。7はセン
サセル6の排気口である。
【0012】9は制御回路であり、ガスセンサ8の出力
に基づきマスフローコントローラ3と4の流量設定値を
制御する。10は演算回路であり、ガスセンサ8の出力
と前記流量設定値から試料ガスのガス濃度を演算し出力
する。
【0013】このような構成における動作を次に説明す
る。測定開始時に制御回路9はマスフローコントローラ
3の流量設定を0、マスフローコントローラ4の設定を
適当な流量(例えば1リットル/分)とするような制御
信号を出力している。このときセンサセル6には混合器
5を通してゼロガスのみが導入されているため、試料ガ
スの濃度は0であり、ガスセンサ8は濃度0に対応する
出力を送出している。制御回路9にはあらかじめある一
定の濃度レベル(例えば1ppm)に対応するガスセン
サ出力値を目標値として与えておく。
【0014】ここで制御回路9は、ガスセンサ8の出力
が制御回路9に設定された設定値に一致するようにフィ
ードバックループを動作させ、マスフローコントローラ
3と4に与える出力信号を調節する。制御則としてはP
ID制御等を用いる。この動作により、ガスセンサ8の
出力があらかじめ設定された値に一致するように試料ガ
スとゼロガスの流量比が制御される。すなわち試料ガス
の希釈率が決定される。
【0015】演算回路10はガスセンサ8の出力があら
かじめ設定された値に一致したことを検出すると、マス
フローコントローラ3と4の制御信号から試料ガスの希
釈率を求め、さらに最終的に、試料ガスの濃度を計算し
て出力する。なお、一連の測定期間を通じてセンサセル
6に導入されたガスは排気口7から排気される。
【0016】なお、本発明は実施例に限定されるもので
はない。例えば、ここではセンサセルに導入される希釈
ガスの濃度が設定値に一致するようにフィードバック制
御を行っているが、目標値として例えば希釈ガス濃度が
1〜10ppmとかセンサ出力が1〜2Vのような範囲
を設定し、希釈動作はセンサ出力がその範囲に入るまで
行い、その範囲内での値付けはセンサ出力から計算して
行うような手法を用いることもできる。
【0017】また、マスフローコントローラ3と4の代
わりに電動ニードルバルブのようにより安価な流量調節
手段を用いることもできる。また、混合器とセンサセル
とを一体化し、混合器兼センサセルとしてもよい。
【0018】図2は本発明における第2の発明に係るガ
ス濃度測定装置の構成図で、特に図1と異なる部分を強
調した構成図である。図1と異なるところは、混合器5
(第1の混合器)の後に第2の混合器5aを設け、混合
器5の出力(希釈ガス)とゼロガスを第3および第4の
流量調節手段(マスフローコントローラ)3a,4aを
介してこの第2の混合器5aに入力し、その出力をセン
サセル6に導くようにした点である。このような構成に
より、希釈率が大きいとき(例えば10000倍)でも
安定に希釈動作を行わせることができる。
【0019】なお、第1の発明におけるマスフローコン
トローラ3と4の代わりにオンオフの電磁弁を用い、そ
れぞれの電磁弁のオンオフ時間の比によって試料ガスの
希釈率を制御する構造とすることもできる。その場合、
電磁弁を2個使用する代わりに、図3に示すように試料
ガスとゼロガスの流路を切り替える3ポートの電磁弁を
1つ用いる構成とすることもできる。
【0020】図3は本発明における第3の発明に係るガ
ス濃度測定装置の一実施例を示す構成図であり、電磁弁
12により試料ガスを混合器5またはゼロガス発生装置
13へ適宜入力する。ゼロガス発生装置13は試料ガス
中の被測定ガス成分を取り除いてゼロガスのみ発生でき
るように構成されたものである。この場合の電磁弁12
の切り替え制御は制御回路9が行う。試料ガスの濃度は
制御回路9から発生する切り替え制御信号に基づいて演
算回路10により計算される。
【0021】
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、セ
ルセンサの出力がある一定値になるように、またはある
範囲内に入るように、試料ガスの希釈率を制御する構成
としたため、半導体ガスセンサのように出力が濃度に対
してリニアでない特性のものを用いても、試料ガス濃度
に比例した出力を得ることができる。また、半導体ガス
センサのようにダイナミックレンジが狭い(1桁程度)
ものを用いても、非常に広い濃度範囲の試料ガスの測定
ができる。本発明の装置のダイナミックレンジはマスフ
ローコントローラなどの希釈手段の性能のみによって決
まり、容易に広いダイナミックレンジとすることができ
る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るガス濃度測定装置の一実施例を示
す構成図である。
【図2】本発明における第2の発明に係るガス濃度測定
装置の実施例構成図である。
【図3】本発明における第3の発明に係るガス濃度測定
装置の実施例構成図である。
【図4】半導体ガスセンサの特性を示す図である。
【符号の説明】
1,2 導入口 3 第1のマスフローコントローラ 4 第2のマスフローコントローラ 3a 第3のマスフローコントローラ 4a 第4のマスフローコントローラ 5 第1の混合器 5a 第2の混合器 6 センサセル 8 ガスセンサ 9 制御回路 10 演算回路

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】導入される試料ガスとゼロガスを混合する
    ための混合器と、 この混合器に導入する試料ガスの流量を調節するための
    第1の流量調節手段と、 前記混合器に導入するゼロガスの流量を調節するための
    第2の流量調節手段と、 内部に設置されたガスセンサにより前記混合器から出力
    される希釈ガスの濃度レベルを検出するセンサセルと、 前記ガスセンサの出力が予め設定した値になるように前
    記2つの流量調節手段を制御する制御回路と、 この制御回路の制御信号に基づいて試料ガスの濃度を求
    める演算回路を具備したことを特徴とするガス濃度測定
    装置。
  2. 【請求項2】前記ガスセンサとして酸化物半導体ガスセ
    ンサを用いたことを特徴とする請求項1記載のガス濃度
    測定装置。
  3. 【請求項3】前記混合器とセンサセルを一体化したこと
    を特徴とする請求項1記載のガス濃度測定装置。
  4. 【請求項4】導入される試料ガスとゼロガスを混合する
    ための第1の混合器と、 この第1の混合器に導入する試料ガスの流量を調節する
    ための第1の流量調節手段と、 前記第1の混合器に導入するゼロガスの流量を調節する
    ための第2の流量調節手段と、 前記第1の混合器の出力ガスと前記ゼロガスを混合する
    ための第2の混合器と、 前記第1の混合器から第2の混合器に導入するガスの流
    量を調節するための第3の流量調節手段と、 前記第2の混合器に導入するゼロガスの流量を調節する
    ための第4の流量調節手段と、 内部に設置されたガスセンサにより前記第2の混合器か
    ら出力される希釈ガスの濃度レベルを検出するセンサセ
    ルと、 前記ガスセンサの出力が予め設定した値になるように前
    記4つの流量調節手段を制御する制御回路と、 この制御回路の制御信号に基づいて試料ガスの濃度を求
    める演算回路を具備したことを特徴とするガス濃度測定
    装置。
  5. 【請求項5】導入される試料ガスから被測定ガス成分を
    除去してゼロガスを発生するゼロガス発生装置と、 導入される試料ガスとゼロガスとを混合するための混合
    器と、 試料ガスを前記混合器またはゼロガス発生装置に選択的
    に導入するための流路切り替え手段と、 内部に設置されたガスセンサにより前記混合器から出力
    される希釈ガスの濃度レベルを検出するセンサセルと、 前記ガスセンサの出力が予め設定した値になるように前
    記流路切り替え手段を制御する制御回路と、 この制御回路の制御信号に基づいて試料ガスの濃度を求
    める演算回路を具備したことを特徴とするガス濃度測定
    装置。
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