JPH09297096A - ガス検知方法 - Google Patents
ガス検知方法Info
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- JPH09297096A JPH09297096A JP11232396A JP11232396A JPH09297096A JP H09297096 A JPH09297096 A JP H09297096A JP 11232396 A JP11232396 A JP 11232396A JP 11232396 A JP11232396 A JP 11232396A JP H09297096 A JPH09297096 A JP H09297096A
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 高精度で、小型な、膜厚および温度補正機能
付きのガス検知センサと検知方法を低原価で提供する。 【解決手段】 ガス吸着前の所定膜厚値を有するカウン
タ出力から周波数変化（吸着量）を計算し（Ｓ００
４）、膜厚のばらつき補正（Ｓ００５）、温度変化によ
る補正（Ｓ００６）を行う。
付きのガス検知センサと検知方法を低原価で提供する。 【解決手段】 ガス吸着前の所定膜厚値を有するカウン
タ出力から周波数変化（吸着量）を計算し（Ｓ００
４）、膜厚のばらつき補正（Ｓ００５）、温度変化によ
る補正（Ｓ００６）を行う。
Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は表面に吸着膜を有す
る水晶発振子を用いて、共振周波数の変化に基づいてガ
スの検知と判別を行なうガス検知センサ、及び、前記吸
着膜の製造過程で生じる膜厚のばらつきを補正する方
法、並びに温度変化によるセンサ応答の変化を補正する
方法を含むガス検知方法に関する。
る水晶発振子を用いて、共振周波数の変化に基づいてガ
スの検知と判別を行なうガス検知センサ、及び、前記吸
着膜の製造過程で生じる膜厚のばらつきを補正する方
法、並びに温度変化によるセンサ応答の変化を補正する
方法を含むガス検知方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】ガス検知センサにおいては、火災などに
よって発生する微量の燃焼ガスや有機化合物ガスを感度
よく検知し判別を行なうことが必要である。従来、この
ような用途に対するセンサとして、被検知ガスに対する
広い選択性を持った吸着膜を水晶発振子に塗布し、時間
の推移と共にその共振周波数を計測してガスを検知する
ものがある。水晶発振子の共振周波数はその表面に吸着
した物質の重量に比例して減少するので、共振周波数を
計測することによってガス吸着量を求めることができ
る。
よって発生する微量の燃焼ガスや有機化合物ガスを感度
よく検知し判別を行なうことが必要である。従来、この
ような用途に対するセンサとして、被検知ガスに対する
広い選択性を持った吸着膜を水晶発振子に塗布し、時間
の推移と共にその共振周波数を計測してガスを検知する
ものがある。水晶発振子の共振周波数はその表面に吸着
した物質の重量に比例して減少するので、共振周波数を
計測することによってガス吸着量を求めることができ
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】上記吸着膜を有する水
晶発振子によるガス検知センサには以下のような問題点
があった。すなわち、水晶発振子を用いたセンサは、そ
の出力である共振周波数を精度よく測定するのに高価な
周波数カウンタが必要である。すなわち、低原価な乗算
＆サンプリング回路、分周回路、カウンタを用いて周波
数を測定する場合には、カウンタのビット数に制限され
るから、常に精度のよい計測ができるとは限らない。ま
た、この種のセンサに使用する吸着膜は、製造過程で膜
厚にばらつきが生じやすく、同一材質で同一膜厚を有す
る吸着膜を使用しても、センサの特性にもばらつきを生
ずるのが一般的傾向である。さらに、温度変化によって
もセンサ出力は変動するため、実際にはガスが発生して
いないにも拘らず、温度が変化したためにセンサの出力
に変化が現れることもあり誤検知の要因となるおそれが
ある。
晶発振子によるガス検知センサには以下のような問題点
があった。すなわち、水晶発振子を用いたセンサは、そ
の出力である共振周波数を精度よく測定するのに高価な
周波数カウンタが必要である。すなわち、低原価な乗算
＆サンプリング回路、分周回路、カウンタを用いて周波
数を測定する場合には、カウンタのビット数に制限され
るから、常に精度のよい計測ができるとは限らない。ま
た、この種のセンサに使用する吸着膜は、製造過程で膜
厚にばらつきが生じやすく、同一材質で同一膜厚を有す
る吸着膜を使用しても、センサの特性にもばらつきを生
ずるのが一般的傾向である。さらに、温度変化によって
もセンサ出力は変動するため、実際にはガスが発生して
いないにも拘らず、温度が変化したためにセンサの出力
に変化が現れることもあり誤検知の要因となるおそれが
ある。
【０００４】本発明の目的は、比較的低原価な乗算＆サ
ンプリング回路、分周回路、カウンタを用いて実現が可
能であり、高精度で、小型な、膜厚および温度補正機能
付きのガス検知センサと検知方法を提供することにあ
る。
ンプリング回路、分周回路、カウンタを用いて実現が可
能であり、高精度で、小型な、膜厚および温度補正機能
付きのガス検知センサと検知方法を提供することにあ
る。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決する手
段として、乗算＆サンプリング回路、分周回路、カウン
タを用いて周波数変化を測定することに関して、ガス吸
着前の吸着膜の膜厚値に基づくカウンタ出力の変化値を
用いて、周波数そのものではなく、周波数の変化値を計
算するものである。すなわち、本発明は、表面に吸着膜
を有する水晶発振子のセンサを用い、被検知ガスの前記
吸着膜への吸着による前記水晶発振子の共振周波数の変
化を求めることにより被検知ガスを検知するガス検知方
法において、ガス吸着前の膜厚値から換算した、基準発
振子の共振周波数とガス吸着後の前記センサの共振周波
数との差から共振周波数の変化を求めることを特徴とす
るガス検知方法である。
段として、乗算＆サンプリング回路、分周回路、カウン
タを用いて周波数変化を測定することに関して、ガス吸
着前の吸着膜の膜厚値に基づくカウンタ出力の変化値を
用いて、周波数そのものではなく、周波数の変化値を計
算するものである。すなわち、本発明は、表面に吸着膜
を有する水晶発振子のセンサを用い、被検知ガスの前記
吸着膜への吸着による前記水晶発振子の共振周波数の変
化を求めることにより被検知ガスを検知するガス検知方
法において、ガス吸着前の膜厚値から換算した、基準発
振子の共振周波数とガス吸着後の前記センサの共振周波
数との差から共振周波数の変化を求めることを特徴とす
るガス検知方法である。
【０００６】また、センサ出力値に膜厚比を乗算して膜
厚のばらつきを補正する。さらに、温度変化に対する影
響を消去するには、同一の吸着膜を有する２つのセンサ
を設け、一方のセンサは、金属などのカバーを用いセン
サの吸着膜を覆ってガスに接触しないようにし、このセ
ンサの出力値の定数倍を、検知するセンサの出力値から
差し引いて温度変化の影響を補正するものである。
厚のばらつきを補正する。さらに、温度変化に対する影
響を消去するには、同一の吸着膜を有する２つのセンサ
を設け、一方のセンサは、金属などのカバーを用いセン
サの吸着膜を覆ってガスに接触しないようにし、このセ
ンサの出力値の定数倍を、検知するセンサの出力値から
差し引いて温度変化の影響を補正するものである。
【０００７】
【発明の実施の形態】図１は、本発明のガス検知方法の
実施の形態を示す周波数の変化計算、膜厚補正、温度補
正のフローチャートである。図２は、本発明のガス検知
方法の実施の形態の構成を示すブロック図である。図２
における温度補正用センサの構成のほかは、従来技術の
準用が可能である。以下図１、図２を参照して説明す
る。乗算＆サンプリング回路＆分周回路８、カウンタ９
を用いて水晶発振子センサ３、４の共振周波数ｆiを測
定するには、分周数Ｎ、基準水晶発振子の周波数ｆr
（一定）、カウンタ出力Ｃとすると、センサの共振周波
数と基準発振子周波数の差ｆdは、 ｆd＝ｆr−ｆi …（１） ｆd＝Ｎ・ｆr／Ｃ …（２） 式（１）、式（２）から ｆi＝（１−Ｎ／Ｃ）・ｆr …（３） が得られ、式（３）を使って共振周波数ｆiを計算す
る。この方法は周波数測定でよく用いられるレシプロカ
ル方式と同等である。
実施の形態を示す周波数の変化計算、膜厚補正、温度補
正のフローチャートである。図２は、本発明のガス検知
方法の実施の形態の構成を示すブロック図である。図２
における温度補正用センサの構成のほかは、従来技術の
準用が可能である。以下図１、図２を参照して説明す
る。乗算＆サンプリング回路＆分周回路８、カウンタ９
を用いて水晶発振子センサ３、４の共振周波数ｆiを測
定するには、分周数Ｎ、基準水晶発振子の周波数ｆr
（一定）、カウンタ出力Ｃとすると、センサの共振周波
数と基準発振子周波数の差ｆdは、 ｆd＝ｆr−ｆi …（１） ｆd＝Ｎ・ｆr／Ｃ …（２） 式（１）、式（２）から ｆi＝（１−Ｎ／Ｃ）・ｆr …（３） が得られ、式（３）を使って共振周波数ｆiを計算す
る。この方法は周波数測定でよく用いられるレシプロカ
ル方式と同等である。
【０００８】周波数測定の分解能を高めることは、カウ
ンタ９の出力変化に対する周波数変化の値を小さくする
ことであり、それには分周数Ｎを大きくすればよい。と
ころがカウンタのビット数は限られているので、Ｎの値
が大きすぎると、カウンタ９がオーバーフローし真のＣ
の値がわからなくなる。この種のガスセンサにおいて
は、ガスを感知する前のセンサの共振周波数とガスを感
知した後の共振周波数の変化値、すなわち−Δｆiが、
ガスの吸着量となる。ここで吸着量が増加するとｆiは
減少すので、共振周波数の変化値の符号は負となる。セ
ンサ出力として必要なのは、ｆiではなく−Δｆiである
から式（１）から式（４）が導かれる。
ンタ９の出力変化に対する周波数変化の値を小さくする
ことであり、それには分周数Ｎを大きくすればよい。と
ころがカウンタのビット数は限られているので、Ｎの値
が大きすぎると、カウンタ９がオーバーフローし真のＣ
の値がわからなくなる。この種のガスセンサにおいて
は、ガスを感知する前のセンサの共振周波数とガスを感
知した後の共振周波数の変化値、すなわち−Δｆiが、
ガスの吸着量となる。ここで吸着量が増加するとｆiは
減少すので、共振周波数の変化値の符号は負となる。セ
ンサ出力として必要なのは、ｆiではなく−Δｆiである
から式（１）から式（４）が導かれる。
【０００９】すなわち、 Δｆd＝−Δｆi …（４） となり、Δｆdを精度良く求めればよいことになる。限
られたビット数のカウンタでは、ｆiを精度良く求める
よりもΔｆdを精度良く求める方が容易である。
られたビット数のカウンタでは、ｆiを精度良く求める
よりもΔｆdを精度良く求める方が容易である。
【００１０】式（２）を変形して式（５）を求める。
【００１１】 Ｃ＝（Ｎ・ｆr）／ｆd …（５） 吸着膜がガスを吸着することにより、Ｃ、ｆdがそれぞ
れΔＣ、Δｆdだけ変化すると、 Ｃ＋ΔＣ＝（Ｎ・ｆr）／（ｆd＋Δｆd） …（６） となる。式（５）、式（６）からＣを消去すると、 −Δｆi＝Δｆd＝−ｆd・〔１−１／｛１＋（ｆd・ΔＣ）／（Ｎ・ｆr）｝〕… …（７） となる。ここでｆdはセンサと基準発振子の共振周波数
の差で、センサの膜厚を周波数換算したものである。セ
ンサの膜厚は製造後に計測しているので既知の量であ
る。
れΔＣ、Δｆdだけ変化すると、 Ｃ＋ΔＣ＝（Ｎ・ｆr）／（ｆd＋Δｆd） …（６） となる。式（５）、式（６）からＣを消去すると、 −Δｆi＝Δｆd＝−ｆd・〔１−１／｛１＋（ｆd・ΔＣ）／（Ｎ・ｆr）｝〕… …（７） となる。ここでｆdはセンサと基準発振子の共振周波数
の差で、センサの膜厚を周波数換算したものである。セ
ンサの膜厚は製造後に計測しているので既知の量であ
る。
【００１２】経時変化などにより膜厚が変化することも
あり得るので、より精密な共振周波数の変化値を求める
には、ガス吸着量を測定する前に式（２）においてカウ
ンタ９がオーバーフローしないＮを用いてｆdを求めて
おく（Ｓ００３）。式（７）においてガスの吸着量−Δ
ｆiを求めるのにＣの値を知る必要はなく、カウンタ９
出力の変化ΔＣがわかればよい。カウンタ９がオーバー
フローすることがあってもΔＣを求めることができ、Δ
Ｃの範囲はカウンタ９のビット数だけあると考えられる
ので、広範囲な周波数変化を計測できる。この方法によ
り低原価な乗算＆サンプリング回路＆分周回路８、カウ
ンタ９を用いて周波数変化を精度良く計算することがで
きる（Ｓ００４）。
あり得るので、より精密な共振周波数の変化値を求める
には、ガス吸着量を測定する前に式（２）においてカウ
ンタ９がオーバーフローしないＮを用いてｆdを求めて
おく（Ｓ００３）。式（７）においてガスの吸着量−Δ
ｆiを求めるのにＣの値を知る必要はなく、カウンタ９
出力の変化ΔＣがわかればよい。カウンタ９がオーバー
フローすることがあってもΔＣを求めることができ、Δ
Ｃの範囲はカウンタ９のビット数だけあると考えられる
ので、広範囲な周波数変化を計測できる。この方法によ
り低原価な乗算＆サンプリング回路＆分周回路８、カウ
ンタ９を用いて周波数変化を精度良く計算することがで
きる（Ｓ００４）。
【００１３】また、センサの材質が同一ならば、ガス吸
着量はセンサの膜厚に比例することが知られている。膜
厚ｆd0のセンサを用いて作成したデータベースによって
ガスの判別をする場合には、当然用いるセンサも膜厚ｆ
d0のセンサでなければならない。しかし、膜厚はセンサ
の製造過程において、ばらつきを生ずるのが一般的であ
る。同一材質で、膜厚がｆdのセンサをｆd0の膜厚のセ
ンサ特性に補正するために、膜厚ｆdのセンサ出力であ
る前記（７）式をｆd0／ｆd倍する。すなわち、 −Δｆi・（ｆd0／ｆd）＝Δｆd・（ｆd0／ｆd） ＝−ｆd・（ｆd0／ｆd）・〔１−１／｛１＋（ｆd・ΔＣ）／（Ｎ・ｆr）｝〕 ＝−ｆd0・〔１−１／｛１＋（ｆd・ΔＣ）／（Ｎ・ｆr）｝〕…（８） これにより、得られた値はｆd0の膜厚のセンサ出力と同
値になる。こうして製造過程で生じるセンサ膜厚のばら
つきによるセンサ出力を補正することができる（Ｓ００
５）。
着量はセンサの膜厚に比例することが知られている。膜
厚ｆd0のセンサを用いて作成したデータベースによって
ガスの判別をする場合には、当然用いるセンサも膜厚ｆ
d0のセンサでなければならない。しかし、膜厚はセンサ
の製造過程において、ばらつきを生ずるのが一般的であ
る。同一材質で、膜厚がｆdのセンサをｆd0の膜厚のセ
ンサ特性に補正するために、膜厚ｆdのセンサ出力であ
る前記（７）式をｆd0／ｆd倍する。すなわち、 −Δｆi・（ｆd0／ｆd）＝Δｆd・（ｆd0／ｆd） ＝−ｆd・（ｆd0／ｆd）・〔１−１／｛１＋（ｆd・ΔＣ）／（Ｎ・ｆr）｝〕 ＝−ｆd0・〔１−１／｛１＋（ｆd・ΔＣ）／（Ｎ・ｆr）｝〕…（８） これにより、得られた値はｆd0の膜厚のセンサ出力と同
値になる。こうして製造過程で生じるセンサ膜厚のばら
つきによるセンサ出力を補正することができる（Ｓ００
５）。
【００１４】さらに、ガスを感度良く感知するには温度
変化によるセンサ出力への影響を消去する補正をしてや
らなければならない。カバーにより被覆して吸着膜がガ
スに曝されないようにしたセンサの出力は、温度変化に
対応するので、ある時刻ｔにおけるセンサ出力ｓ（ｔ）
はカバーで被覆したセンサの出力ｓc（ｔ）の定数倍を
引き算し、ｓ（ｔ）−χ・ｓc（ｔ）とすることによっ
て、温度変化による出力への影響を消去することができ
る。ここで、χはガスが存在ない時に温度を変化させた
ときの両センサの出力比である。すなわち、 χ＝ｓ（ｔ）／ｓc（ｔ）…（９） とすると、χの値はセンサによって異なる。これにより
センサ出力に含まれる温度変化に対応する成分を差し引
き、ガス吸着量のみを取り出すことができる。このよう
にして膜厚補正、温度補正したセンサ出力をガス検知、
判別に利用することができる（Ｓ００６）。
変化によるセンサ出力への影響を消去する補正をしてや
らなければならない。カバーにより被覆して吸着膜がガ
スに曝されないようにしたセンサの出力は、温度変化に
対応するので、ある時刻ｔにおけるセンサ出力ｓ（ｔ）
はカバーで被覆したセンサの出力ｓc（ｔ）の定数倍を
引き算し、ｓ（ｔ）−χ・ｓc（ｔ）とすることによっ
て、温度変化による出力への影響を消去することができ
る。ここで、χはガスが存在ない時に温度を変化させた
ときの両センサの出力比である。すなわち、 χ＝ｓ（ｔ）／ｓc（ｔ）…（９） とすると、χの値はセンサによって異なる。これにより
センサ出力に含まれる温度変化に対応する成分を差し引
き、ガス吸着量のみを取り出すことができる。このよう
にして膜厚補正、温度補正したセンサ出力をガス検知、
判別に利用することができる（Ｓ００６）。
【００１５】図２において、雰囲気に曝されるセンサセ
ル０には、基準水晶発振子１と、表面にガス吸着膜２を
設けた水晶発振子３と、ガス吸着膜２を被覆してあるが
ガスに曝されないように空気を封入してカバーを被せた
水晶発振子４が設けられている。これらの水晶発振子
１、３、４の共振周波数は９ＭＨzである。水晶発振子
３、４は８個まで取り付け可能であり、各ガス吸着膜２
は材質、作製条件を変えてそれぞれ吸着特性を変えてあ
る。
ル０には、基準水晶発振子１と、表面にガス吸着膜２を
設けた水晶発振子３と、ガス吸着膜２を被覆してあるが
ガスに曝されないように空気を封入してカバーを被せた
水晶発振子４が設けられている。これらの水晶発振子
１、３、４の共振周波数は９ＭＨzである。水晶発振子
３、４は８個まで取り付け可能であり、各ガス吸着膜２
は材質、作製条件を変えてそれぞれ吸着特性を変えてあ
る。
【００１６】また、水晶発振子３には発振回路６、カバ
ーを被せた水晶発振子４には発振回路５が対応して設け
られ、この発振回路５、６は対応する水晶発振子３、カ
バーを被せた水晶発振子４の共振周波数で発振するよう
になっている。マルチプレクサ７は、何れか一つの発振
回路５を選択し、乗算＆サンプリング＆分周回路８は、
選択された発振回路５と発振回路６の出力の周波数差を
周波数とする信号を出力する。カウンタ９は、この信号
の周波数を計測してコンピュータ１０に送る。コンピュ
ータ１０はカウンタ９の出力、ガス吸着膜２の膜厚を用
いて周波数変化で表されるガス吸着量を計算し、ガス検
知、判別を行い、その判別結果をＬＥＤ、ＣＲＴなどの
表示器１１に表示する。検知器を複数台製造するとき、
各センサは同じ材質のものは同じ特性を有することが望
ましいが、センサの膜厚にばらつきが生じることがあ
り、このときセンサ特性もばらつくが、ある膜厚のセン
サ特性に統一して規格化する必要があるため、膜厚比を
定数としてセンサ出力を定数倍する。
ーを被せた水晶発振子４には発振回路５が対応して設け
られ、この発振回路５、６は対応する水晶発振子３、カ
バーを被せた水晶発振子４の共振周波数で発振するよう
になっている。マルチプレクサ７は、何れか一つの発振
回路５を選択し、乗算＆サンプリング＆分周回路８は、
選択された発振回路５と発振回路６の出力の周波数差を
周波数とする信号を出力する。カウンタ９は、この信号
の周波数を計測してコンピュータ１０に送る。コンピュ
ータ１０はカウンタ９の出力、ガス吸着膜２の膜厚を用
いて周波数変化で表されるガス吸着量を計算し、ガス検
知、判別を行い、その判別結果をＬＥＤ、ＣＲＴなどの
表示器１１に表示する。検知器を複数台製造するとき、
各センサは同じ材質のものは同じ特性を有することが望
ましいが、センサの膜厚にばらつきが生じることがあ
り、このときセンサ特性もばらつくが、ある膜厚のセン
サ特性に統一して規格化する必要があるため、膜厚比を
定数としてセンサ出力を定数倍する。
【００１７】次に、このガス検知器の動作について説明
する。各発振回路５、６を動作状態にすると、基準水晶
発振子１、水晶発振子３、カバーを被せた水晶発振子４
は発振を開始する。基準水晶発振子１、水晶発振子３、
カバーを被せた水晶発振子４は同一のセル０内にあるの
で各センサの温度は同一である。ガスが発生すると、各
水晶発振子３上のガス吸着膜２に対して被検知ガス分子
の吸着が開始し、吸着量に応じて各水晶発振子３の共振
周波数がシフトし、各発振回路５の発振周波数がシフト
する。この発振周波数のシフトは、各水晶発振子３のガ
ス吸着膜２に吸着した被検知ガスの質量に比例する。
する。各発振回路５、６を動作状態にすると、基準水晶
発振子１、水晶発振子３、カバーを被せた水晶発振子４
は発振を開始する。基準水晶発振子１、水晶発振子３、
カバーを被せた水晶発振子４は同一のセル０内にあるの
で各センサの温度は同一である。ガスが発生すると、各
水晶発振子３上のガス吸着膜２に対して被検知ガス分子
の吸着が開始し、吸着量に応じて各水晶発振子３の共振
周波数がシフトし、各発振回路５の発振周波数がシフト
する。この発振周波数のシフトは、各水晶発振子３のガ
ス吸着膜２に吸着した被検知ガスの質量に比例する。
【００１８】一方、カバーを被せた水晶発振子４上のガ
ス吸着膜２には、発生ガスが吸着しないので共振周波数
は変化しない。ただし、カバーを被せた水晶発振子４
は、温度変化によってカバー内の空気の吸着量が変化す
る。すなわち、温度変化によって各水晶発振子３への空
気の吸着量は変化するが、変化の大きさはカバーを被せ
た水晶発振子４の出力の定数倍になるので、各水晶発振
子３の出力からカバーを被せた水晶発振子４の出力の定
数倍を引き算することによって、各水晶発振子３の出力
から温度変化に対応する成分を打ち消している。このよ
うにして、温度変化によるセンサ出力の誤検知要因を消
去することができる。
ス吸着膜２には、発生ガスが吸着しないので共振周波数
は変化しない。ただし、カバーを被せた水晶発振子４
は、温度変化によってカバー内の空気の吸着量が変化す
る。すなわち、温度変化によって各水晶発振子３への空
気の吸着量は変化するが、変化の大きさはカバーを被せ
た水晶発振子４の出力の定数倍になるので、各水晶発振
子３の出力からカバーを被せた水晶発振子４の出力の定
数倍を引き算することによって、各水晶発振子３の出力
から温度変化に対応する成分を打ち消している。このよ
うにして、温度変化によるセンサ出力の誤検知要因を消
去することができる。
【００１９】
【実施例】以下、本発明の実施例について図面に基づい
て説明する。本実施例に基づいた測定結果について説明
する。ｆd＝５０ｋＨzの膜厚（約１．１ミクロンに相
当）を有するＰＴＦＥ＆ＰＥ（ポリテトラフロロエチレ
ンとポリエチレン）を原材料としたセンサ、Ｎ＝２０４
８、ｆr＝９ＭＨz、１６ビットのカウンタを使用すると
して、Ｃの最大値を６５５３６としたとき、膜厚を利用
せずに乗算＆サンプリング回路、分周回路、カウンタを
用いて周波数を計測しようとすると、ガスが吸着しない
状態で、式(５)に示したＣ＝Ｎ・ｆr／ｆdにより、Ｃ＝
３６８６４０となり、このカウンタでは測定できないこ
とになる。そこで、分解能を低下させて、Ｎ＝２５６と
すると、Ｃ＝４６０８０となり測定可能となるが、Ｃ＝
４６０８０での分解能は、 ｆi（４６０８０）−ｆi（４６０７９）＝ｆd（４６０
７９）−ｆd（４６０８０）＝１．０９（Ｈz） となる。ガスが吸着してＣが減ると分解能はさらに低下
する。例えば、ガスが吸着してΔｆd＝１０ｋＨzとなる
とカウンタの値はＣ＝３８３９９となりこのときの分解
能は、 ｆi（３８３９９）−ｆi（３８３９８）＝ｆd（３８３
９８）−ｆd（３８３９９）＝１．５６（Ｈz） である。
て説明する。本実施例に基づいた測定結果について説明
する。ｆd＝５０ｋＨzの膜厚（約１．１ミクロンに相
当）を有するＰＴＦＥ＆ＰＥ（ポリテトラフロロエチレ
ンとポリエチレン）を原材料としたセンサ、Ｎ＝２０４
８、ｆr＝９ＭＨz、１６ビットのカウンタを使用すると
して、Ｃの最大値を６５５３６としたとき、膜厚を利用
せずに乗算＆サンプリング回路、分周回路、カウンタを
用いて周波数を計測しようとすると、ガスが吸着しない
状態で、式(５)に示したＣ＝Ｎ・ｆr／ｆdにより、Ｃ＝
３６８６４０となり、このカウンタでは測定できないこ
とになる。そこで、分解能を低下させて、Ｎ＝２５６と
すると、Ｃ＝４６０８０となり測定可能となるが、Ｃ＝
４６０８０での分解能は、 ｆi（４６０８０）−ｆi（４６０７９）＝ｆd（４６０
７９）−ｆd（４６０８０）＝１．０９（Ｈz） となる。ガスが吸着してＣが減ると分解能はさらに低下
する。例えば、ガスが吸着してΔｆd＝１０ｋＨzとなる
とカウンタの値はＣ＝３８３９９となりこのときの分解
能は、 ｆi（３８３９９）−ｆi（３８３９８）＝ｆd（３８３
９８）−ｆd（３８３９９）＝１．５６（Ｈz） である。
【００２０】膜厚を利用する式（７）から吸着量を計算
する。膜厚ｆd＝５０ｋＨzは、センサ製造後に計測して
おいた値を用いるか、あるいは式（２）においてＮ＝２
５６とした時のカウンタ値Ｃ＝４６０８０から求める。
共振周波数変化の測定には、Ｎ＝２０４８を使用する。
通常、ガスが吸着するとＣは小さくなるので、ΔＣの符
号は負である。ΔＣの計測にはカウンタのビット数いっ
ぱい計測できるので、−６５５３６＜ΔＣ＜０となり、
最大ΔＣ＝−６５５３６のとき、−Δｆi（−６５５３
６）＝１０８１０．８（Ｈz）を、分解能 −Δｆi（−６５５３６）−（−Δｆi（−６５５３
５））＝０．２（Ｈz） によって計測できる。さらにΔＣ＝０においては −Δｆi（−１）−｛−Δｆi（０）｝＝０．１３６（Ｈ
z） の分解能である。すなわち、本方法を使えば同じ回路で
Ｎ＝２０４８を利用することができ、約１０．８ｋＨz
までの周波数変化を分解能約０．２Ｈz以下で測定でき
る。もちろん、Ｎの値を大きくすればその分さらに分解
能は高くなる。
する。膜厚ｆd＝５０ｋＨzは、センサ製造後に計測して
おいた値を用いるか、あるいは式（２）においてＮ＝２
５６とした時のカウンタ値Ｃ＝４６０８０から求める。
共振周波数変化の測定には、Ｎ＝２０４８を使用する。
通常、ガスが吸着するとＣは小さくなるので、ΔＣの符
号は負である。ΔＣの計測にはカウンタのビット数いっ
ぱい計測できるので、−６５５３６＜ΔＣ＜０となり、
最大ΔＣ＝−６５５３６のとき、−Δｆi（−６５５３
６）＝１０８１０．８（Ｈz）を、分解能 −Δｆi（−６５５３６）−（−Δｆi（−６５５３
５））＝０．２（Ｈz） によって計測できる。さらにΔＣ＝０においては −Δｆi（−１）−｛−Δｆi（０）｝＝０．１３６（Ｈ
z） の分解能である。すなわち、本方法を使えば同じ回路で
Ｎ＝２０４８を利用することができ、約１０．８ｋＨz
までの周波数変化を分解能約０．２Ｈz以下で測定でき
る。もちろん、Ｎの値を大きくすればその分さらに分解
能は高くなる。
【００２１】さらに、図３はＰＴＦＥ＆ＰＥを原材料と
したセンサの膜厚を変化させたときのアセトン１０００
ｐｐｍに対する吸着量をプロットしたものである。図３
より膜厚と吸着量の間には比例関係が成り立ち、膜厚ｆ
d（例えば、２７．８ｋＨz＝０．６ミクロン）のセンサ
（出力１００Ｈz）をｆd0（５５．６ｋＨz＝１．２ミク
ロン）の膜厚のセンサ（出力２００Ｈz）の特性に補正
するには、膜厚がｆdのセンサ出力、すなわち、−Δｆi
をｆd0／ｆd倍、すなわち２倍すればよいことがわか
り、これにより式（８）が膜厚補正の式として有効であ
ることが知られる。
したセンサの膜厚を変化させたときのアセトン１０００
ｐｐｍに対する吸着量をプロットしたものである。図３
より膜厚と吸着量の間には比例関係が成り立ち、膜厚ｆ
d（例えば、２７．８ｋＨz＝０．６ミクロン）のセンサ
（出力１００Ｈz）をｆd0（５５．６ｋＨz＝１．２ミク
ロン）の膜厚のセンサ（出力２００Ｈz）の特性に補正
するには、膜厚がｆdのセンサ出力、すなわち、−Δｆi
をｆd0／ｆd倍、すなわち２倍すればよいことがわか
り、これにより式（８）が膜厚補正の式として有効であ
ることが知られる。
【００２２】膜厚補正がガスの判別に有効である実施例
を示す。図４は、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフロロエ
チレン）センサ（膜厚０．８２ミクロン）とＰＴＦＥ＆
ＰＥセンサ（膜厚１．１６ミクロン）の濃度３５０ｐｐ
ｍアセトン（□印）と、濃度３６０ｐｐｍメタノール
（○印）に対する２５℃における最大吸着量ａ、ｂを下
記（数１）のように正規化したベクトルをプロットした
ものである。
を示す。図４は、ＰＣＴＦＥ（ポリクロロトリフロロエ
チレン）センサ（膜厚０．８２ミクロン）とＰＴＦＥ＆
ＰＥセンサ（膜厚１．１６ミクロン）の濃度３５０ｐｐ
ｍアセトン（□印）と、濃度３６０ｐｐｍメタノール
（○印）に対する２５℃における最大吸着量ａ、ｂを下
記（数１）のように正規化したベクトルをプロットした
ものである。
【００２３】
【数１】
【００２４】これらのセンサはある一種類だけのガスに
反応するのではなく、多種のガスに反応するという広い
選択性を持つので、各ガスに対するベクトルのプロット
を集めたデータベースをもとにしてガスの判別を行う。
このベクトルがどこにプロットされるかによってガスの
判別を行うことができる。ある未知のガスに対する両セ
ンサのプロットが□印に近いか○印に近いかによってア
セトンとメタノールを判別できる。ここでは特にアセト
ンを選択的に検知しようとしするものである。
反応するのではなく、多種のガスに反応するという広い
選択性を持つので、各ガスに対するベクトルのプロット
を集めたデータベースをもとにしてガスの判別を行う。
このベクトルがどこにプロットされるかによってガスの
判別を行うことができる。ある未知のガスに対する両セ
ンサのプロットが□印に近いか○印に近いかによってア
セトンとメタノールを判別できる。ここでは特にアセト
ンを選択的に検知しようとしするものである。
【００２５】〈実施例２〉ここで、別のＰＴＦＥ＆ＰＥ
センサ（膜厚０．４７ミクロン）が製造され、このセン
サを膜厚１．１６ミクロンのＰＴＦＥ＆ＰＥセンサのか
わりに使用する。ガスの判別は図４のプロットを参照し
なければならないが、ＰＴＦＥ＆ＰＥセンサの膜厚が異
なるのでこのままでは図４を利用することはできない。
濃度３５０ｐｐｍアセトンに対するベクトルは図５の×
印のようになるが、明らかに図４のアセトンとメタノー
ルのプロットから外れており、このガスをアセトンであ
ると判別するのは困難である。
センサ（膜厚０．４７ミクロン）が製造され、このセン
サを膜厚１．１６ミクロンのＰＴＦＥ＆ＰＥセンサのか
わりに使用する。ガスの判別は図４のプロットを参照し
なければならないが、ＰＴＦＥ＆ＰＥセンサの膜厚が異
なるのでこのままでは図４を利用することはできない。
濃度３５０ｐｐｍアセトンに対するベクトルは図５の×
印のようになるが、明らかに図４のアセトンとメタノー
ルのプロットから外れており、このガスをアセトンであ
ると判別するのは困難である。
【００２６】式（８）の膜厚補正の式を用いて膜厚１．
１６ミクロンのＰＴＦＥ＆ＰＥセンサの出力に補正しプ
ロットしたものを図６の×印に示す。アセトンのプロッ
ト（□印）に非常に近く、このガスがアセトンであると
判別できることがわかる。図７は、使用した各センサの
最大吸着量ａ、ｂを示す図表である。
１６ミクロンのＰＴＦＥ＆ＰＥセンサの出力に補正しプ
ロットしたものを図６の×印に示す。アセトンのプロッ
ト（□印）に非常に近く、このガスがアセトンであると
判別できることがわかる。図７は、使用した各センサの
最大吸着量ａ、ｂを示す図表である。
【００２７】さらに図８は、空気中で温度（□印）を変
えた場合のフェニルアラニンを原材料としたセンサ（膜
厚０．９３ミクロン）（○印）とカバーを被せた温度補
正用のフェニルアラニンを原材料としたセンサ（膜厚
０．８７ミクロン）（×印）の出力を示す特性図であ
る。ガスが存在しないのにセンサ出力が現れるのは温度
変化による影響である。この温度変化による応答成分は
望ましくないので、温度補正用のセンサ出力を用いてキ
ャンセルする。熱電対出力（温度曲線）よりも温度補正
用のセンサ出力の方がセンサ出力との相関が高いことが
はっきりわかり、温度補正用のセンサを用いた方が温度
補正が適当であると期待できる。この場合、センサ出力
ｓ（ｔ）から温度補正用センサ出力ｓc（ｔ）に係数χ
＝１を掛けたものを引き算し、 ｓ（ｔ）−χ・ｓc（ｔ）＝ｓ（ｔ）−ｓc（ｔ）…（１０） としたものをプロットしたものが図９の○印で示されて
いる。ｓ（ｔ）もあわせて□印でプロットしてあるが、
これと比較してその大きさが殆ど０で、温度補正が適当
であることがわかる。
えた場合のフェニルアラニンを原材料としたセンサ（膜
厚０．９３ミクロン）（○印）とカバーを被せた温度補
正用のフェニルアラニンを原材料としたセンサ（膜厚
０．８７ミクロン）（×印）の出力を示す特性図であ
る。ガスが存在しないのにセンサ出力が現れるのは温度
変化による影響である。この温度変化による応答成分は
望ましくないので、温度補正用のセンサ出力を用いてキ
ャンセルする。熱電対出力（温度曲線）よりも温度補正
用のセンサ出力の方がセンサ出力との相関が高いことが
はっきりわかり、温度補正用のセンサを用いた方が温度
補正が適当であると期待できる。この場合、センサ出力
ｓ（ｔ）から温度補正用センサ出力ｓc（ｔ）に係数χ
＝１を掛けたものを引き算し、 ｓ（ｔ）−χ・ｓc（ｔ）＝ｓ（ｔ）−ｓc（ｔ）…（１０） としたものをプロットしたものが図９の○印で示されて
いる。ｓ（ｔ）もあわせて□印でプロットしてあるが、
これと比較してその大きさが殆ど０で、温度補正が適当
であることがわかる。
【００２８】
【発明の効果】以上説明したように本発明は、比較的低
原価な乗算＆サンプリング回路、分周回路、カウンタを
用いて、高精度で、小型な、膜厚および温度補正機能付
きのガス検知センサと検知方法を提供することができ
る。また、製造過程で生じる膜厚のばらつきによるセン
サ出力の変化を補正するので、膜厚が異なっても同じ材
質のセンサであれば吸着特性を規格化することができ
る。また、温度変化によるセンサ出力への影響を消去す
ることができるので、温度変化に起因する誤検知を防止
することができるという優れた効果がある。
原価な乗算＆サンプリング回路、分周回路、カウンタを
用いて、高精度で、小型な、膜厚および温度補正機能付
きのガス検知センサと検知方法を提供することができ
る。また、製造過程で生じる膜厚のばらつきによるセン
サ出力の変化を補正するので、膜厚が異なっても同じ材
質のセンサであれば吸着特性を規格化することができ
る。また、温度変化によるセンサ出力への影響を消去す
ることができるので、温度変化に起因する誤検知を防止
することができるという優れた効果がある。
【図１】本発明のガス検知方法の実施の形態を示す周波
数の変化計算、膜厚補正、温度補正のフローチャートで
ある。
数の変化計算、膜厚補正、温度補正のフローチャートで
ある。
【図２】本発明のガス検知方法の実施の形態の構成を示
すブロック図である。
すブロック図である。
【図３】ＰＴＦＥ＆ＰＥを用いたセンサの膜厚と吸着量
の関係を示す特性図である。
の関係を示す特性図である。
【図４】ＰＣＴＦＥセンサ（膜厚０．８２ミクロン）と
ＰＴＦＥ＆ＰＥセンサ（膜厚１．１６ミクロン）のアセ
トンとメタノールの正規化最大吸着量の関係を示す図で
ある。
ＰＴＦＥ＆ＰＥセンサ（膜厚１．１６ミクロン）のアセ
トンとメタノールの正規化最大吸着量の関係を示す図で
ある。
【図５】図４におけるＰＣＴＦＥセンサ（膜厚０．８２
ミクロン）とＰＴＦＥ＆ＰＥセンサ（膜厚０．４７ミク
ロン）のアセトンとメタノールに対する正規化最大吸着
量の関係を示す図である。
ミクロン）とＰＴＦＥ＆ＰＥセンサ（膜厚０．４７ミク
ロン）のアセトンとメタノールに対する正規化最大吸着
量の関係を示す図である。
【図６】図４におけるＰＣＴＦＥセンサ（膜厚０．８２
ミクロン）とＰＴＦＥ＆ＰＥセンサ（膜厚０．４７ミク
ロン）のアセトンに対する膜厚補正後の正規化最大吸着
量を重ねた関係を示す図である。
ミクロン）とＰＴＦＥ＆ＰＥセンサ（膜厚０．４７ミク
ロン）のアセトンに対する膜厚補正後の正規化最大吸着
量を重ねた関係を示す図である。
【図７】図４、図５、図６で用いた各センサの各ガスに
対する最大吸着量を示す図表である。
対する最大吸着量を示す図表である。
【図８】フェニルアラニンを原材料としたセンサ（膜厚
０．９３ミクロン）の出力と、カバーで被覆した温度補
正用のフェニルアラニンを原材料としたセンサ（膜厚
０．８７ミクロン）の出力特性図である。
０．９３ミクロン）の出力と、カバーで被覆した温度補
正用のフェニルアラニンを原材料としたセンサ（膜厚
０．８７ミクロン）の出力特性図である。
【図９】未補正センサ出力と温度補正センサ出力特性図
である。
である。
０…センサセル １…基準水晶発振子 ２…ガス吸着膜 ３、４…センサ用水晶
発振子 ５、６…発振回路 ７…マルチプレクサ ８…乗算＆サンプリング＆分周回路 ９…カウンタ １０…コンピュータ １１…表示器
発振子 ５、６…発振回路 ７…マルチプレクサ ８…乗算＆サンプリング＆分周回路 ９…カウンタ １０…コンピュータ １１…表示器
Claims (3)
- 【請求項１】表面に吸着膜を有する水晶発振子のセンサ
を用い、被検知ガスの前記吸着膜への吸着による前記水
晶発振子の共振周波数の変化を求めることにより被検知
ガスを検知するガス検知方法において、 ガス吸着前の膜厚値から換算した、基準発振子の共振周
波数とガス吸着後の前記センサの共振周波数との差か
ら、共振周波数の変化を求めることを特徴とするガス検
知方法。 - 【請求項２】前記センサの出力値に前記吸着膜の膜厚比
を乗算し、膜厚のばらつきによるガス吸着量の変化を補
正することを特徴とする請求項１記載のガス検知方法。 - 【請求項３】被検知ガスの吸着防止カバーを設けた発振
子出力の定数倍を、前記センサの出力値から減算するこ
とにより、温度変化によるガス吸着量の変化を補正する
ことを特徴とする請求項１記載のガス検知方法。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08112323A JP3143060B2 (ja) | 1996-05-07 | 1996-05-07 | ガス検知方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP08112323A JP3143060B2 (ja) | 1996-05-07 | 1996-05-07 | ガス検知方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH09297096A true JPH09297096A (ja) | 1997-11-18 |
| JP3143060B2 JP3143060B2 (ja) | 2001-03-07 |
Family
ID=14583804
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP08112323A Expired - Lifetime JP3143060B2 (ja) | 1996-05-07 | 1996-05-07 | ガス検知方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP3143060B2 (ja) |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2016167067A1 (ja) * | 2015-04-17 | 2016-10-20 | 株式会社日立産機システム | 樹脂の劣化計測センサおよび劣化計測システム |
| CN111103395A (zh) * | 2018-10-29 | 2020-05-05 | 三星电子株式会社 | 气体感测装置、包括其的电子装置以及气体感测系统 |
| US10705052B2 (en) | 2016-08-09 | 2020-07-07 | Taiyo Yuden Co., Ltd. | Gas sensor |
-
1996
- 1996-05-07 JP JP08112323A patent/JP3143060B2/ja not_active Expired - Lifetime
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| WO2016167067A1 (ja) * | 2015-04-17 | 2016-10-20 | 株式会社日立産機システム | 樹脂の劣化計測センサおよび劣化計測システム |
| US10705052B2 (en) | 2016-08-09 | 2020-07-07 | Taiyo Yuden Co., Ltd. | Gas sensor |
| CN111103395A (zh) * | 2018-10-29 | 2020-05-05 | 三星电子株式会社 | 气体感测装置、包括其的电子装置以及气体感测系统 |
| CN111103395B (zh) * | 2018-10-29 | 2024-02-06 | 三星电子株式会社 | 气体感测装置、包括其的电子装置以及气体感测系统 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| JP3143060B2 (ja) | 2001-03-07 |
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