(57)【要約】【課題】吸着燃焼式のガスセンサを用いたガス分析装置で、計測ガスのセンサ出力の微分波形においてノイズを低減するとともに、濃度の違いによるセンサ出力の微分波形に十分な差異がでるようにする。【解決手段】吸着燃焼式のガスセンサのマイクロヒータを含むブリッジ回路に印加するブリッジ電圧を制御する。ガスセンサのマイクロヒータを４０ミリ秒間一定昇温制御する。予備燃焼工程でガスセンサの余分なガス成分、水分等を焼き飛ばす。１０秒間のガス吸着工程でガスセンサに計測ガスを吸着させる。サンプリング工程でセンサ出力を高速サンプリングする。予備燃焼工程、ガス吸着工程、サンプリング工程の１サイクルを４回繰り返し、センサ出力の４回分の値を同じサンプリングタイミングで積算する。積算した値で微分波形を求める。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸着燃焼式ガスセンサのセンサ出力をサンプリングして、該サンプリングしたセンサ出力を時間微分して微分波形データを取得し、該取得した微分波形データに基づいてガスの分析を行うガス分析装置であって、
前記吸着燃焼式ガスセンサへガスを吸着させるガス吸着工程と、前記吸着燃焼式ガスセンサのヒータに印加する電圧を制御して該ヒータを一定昇温制御しながら前記センサ出力をサンプリングするサンプリング工程とを繰り返し、複数回の該サンプリング工程でサンプリングした同じサンプリングタイミングのセンサ出力を積算し、該積算値により前記微分波形データを取得することを特徴とするガス分析装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、吸着燃焼式ガスセンサを用いて有極性ガスを検知するガス分析装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、吸着燃焼式ガスセンサを用いたガス検知装置として、例えば特開２００５−８３９４９号公報（特許文献１）に開示されたものがある。図１０はこのガス検知装置の回路ブロック図、図１１は同ガス検知装置の駆動用のパルス電圧を示す図、図１２は吸着燃焼式ガスセンサの概略構造を示す図である。
【０００３】
図１２に示す吸着燃焼式ガスセンサは、シリコン基板１０を異方性エッチングして形成されたダイヤフラム１０ａの上に、白金でパターニングされたマイクロヒータ１，２が形成されている。センサ側となるマイクロヒータ１の上には触媒３が塗布されているが、リファレンス側となるマイクロヒータ２上にはなにも形成されていない。
【０００４】
マイクロヒータ１，２を加熱していくと、センサ側では触媒３に吸着したガスが燃焼反応を起こす。この燃焼反応により、センサ側の温度が上昇するため、このセンサ側のマイクロヒータ２の抵抗値Ｒｓを計測することでガス濃度が計測できる。なお、リファレンス側はガスによる燃焼反応を起こさない。
【０００５】
上記吸着燃焼式ガスセンサは、図１０に示すようにガスセンサ側のマイクロヒータ１とリファレンス側のマイクロヒータ２は、抵抗器及び可変抵抗器でブリッジ回路を構成している。このブリッジ回路にはセンサ駆動制御部から図１１に示す駆動用のパルス電圧が印加される。そして、吸着燃焼式ガスセンサはパルス電圧ＯＦＦの３ｓｅｃ間にガスが吸着され、パルス電圧ＯＮの２００ミリ秒間に燃焼反応を起こす。
【０００６】
センサ出力検出部では、ガスの燃焼反応によるブリッジ回路のバランスのズレを検出する。センサ出力検出部の出力を積分演算部で演算すると、ガス濃度に応じた値が出力される。また、センサ出力検出部の出力を微分演算部で微分すると、ガス種固有のピークを持つ波形が得られる。ガス濃度検出部は積分演算部の値からガス濃度を算出し、ガス種検出部は微分演算部の出力波形からガス種を算出する。そして、それぞれ算出されたガス種、ガス濃度は出力部より出力される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００５−８３９４９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
従来のガス検知器では、ガス濃度によらずガスセンサ側のマイクロヒータ１を一定電圧で制御するため、ガスセンサの吸着燃焼時の発熱温度の違い（濃度の違い）により、ピーク位置にズレが出てしまうという問題がある。
【０００９】
また、吸着燃焼式ガスセンサをパルス電圧により印加しているため、微分演算部１４から出力されるガス種特有のピークの位置の、ガス濃度による間隔が小さい。また、前記微分演算による出力波形には微分演算による高周波数成分のノイズが増幅される。このため、ピーク位置からガス種を特定する場合、誤差が多くなるという問題がある。
【００１０】
本発明は、吸着燃焼式のガスセンサを用いたガス分析装置において、検出値の微分波形のノイズを除去し、その微分波形のピーク位置からガス種を精度よく判定することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
請求項１のガス分析装置は、吸着燃焼式ガスセンサのセンサ出力をサンプリングして、該サンプリングしたセンサ出力を時間微分して微分波形データを取得し、該取得した微分波形データに基づいてガスの分析を行うガス分析装置であって、前記吸着燃焼式ガスセンサへガスを吸着させるガス吸着工程と、前記吸着燃焼式ガスセンサのヒータに印加する電圧を制御して該ヒータを一定昇温制御しながら前記センサ出力をサンプリングするサンプリング工程とを繰り返し、複数回の該サンプリング工程でサンプリングした同じサンプリングタイミングのセンサ出力を積算し、該積算値により前記微分波形データを取得することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１のガス分析装置によれば、複数回のサンプリング工程でサンプリングしたセンサ出力の積算値により微分波形データを取得するので、微分波形のピーク位置での間隔が広くなるとともに、微分波形のノイズを低減することができ、微分波形のピーク位置からガス種を精度よく判定することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施の形態のガス分析装置のアナログ部の回路図である。
【図２】同ガス分析装置のデジタル部の回路ブロック図である。
【図３】実施形態に係るメインルーチン及びサブルーチンのフローチャートである。
【図４】実施形態に係る割り込み処理ルーチンのフローチャートである。
【図５】実施形態における計測制御処理によるガスセンサ側のマイクロヒータに対する制御電圧の変化を示す図である。
【図６】実施形態におけるエタノールの微分波形のグラフである。
【図７】実施形態におけるエタノールの微分波形のノイズ処理後の波形のグラフである。
【図８】エタノールの比較例の微分波形のグラフである。
【図９】エタノールの比較例の微分波形のノイズ処理後の波形のグラフである。
【図１０】従来のガス検知装置のの回路ブロック図である。
【図１１】同ガス検知装置の駆動用のパルス電圧を示す図である。
【図１２】吸着燃焼式ガスセンサの概略構造を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
次に、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１は実施の形態のガス分析装置のアナログ部の回路図、図２は同ガス分析装置のデジタル部の回路ブロック図である。図１において、ガスセンサ側のマイクロヒータ１及びリファレンス側のマイクロヒータ２は前記従来のものと同様な構造である。ガスセンサ側のマイクロヒータ１、リファレンス側のマイクロヒータ２はそれぞれブリッジ回路Ｂｓ，Ｂｒを構成している。
【００１５】
デジタル部（図２）から出力される後述のブリッジ電圧ＤＡ１はオペアンプａｐ１に入力され、このオペアンプａｐ１の増幅出力はガスセンサ側のブリッジ回路Ｂｓとリファレンス側のブリッジ回路Ｂｒとに印加される。ガスセンサ側のブリッジ回路Ｂｓの出力は計装アンプａｐ２により１０倍にに増幅されてＡＤ１として出力され、デジタル部のＡＤコンバータ１１に取り込まれる。リファレンス側のブリッジ回路Ｂｒの出力は計装アンプａｐ３により１０倍にに増幅される。また、ブリッジ電圧ＤＡ１は分圧回路Ｄにより１／２に分圧されてＡＤ２として出力され、デジタル部のＡＤコンバータ１２に取り込まれる。
【００１６】
ガスセンサ側のブリッジ回路Ｂｓの出力を計装アンプａｐ２（ガスセンサ側）で増幅した電圧と計装アンプａｐ３（リファレンス側）で増幅した電圧との差は、２段目の計装アンプａｐ４で差動増幅されてＡＤ３として出力される。この計装アンプａｐ４の出力は、デジタル部でデータサンプリングされた後、ＲＡＭ（メモリ）１４に格納される。この２段目の計装アンプａｐ４の増幅率は可変とし、外部より設定可能とする。なお、図１に付記したＲｓ、Ｒｒ、Ｒｘ、Ｒ１、Ｒはそれぞれマイクロヒータ１，２、各抵抗器の抵抗値である。
【００１７】
以上の構成により、計装アンプａｐ２，ａｐ３のゲインをGAIN1とすると、出力ＡＤ１の値と出力ＡＤ２の値から、以下の式（１），（２）でガスセンサ側のマイクロヒータ１の抵抗値Ｒｓを算出することができる。
Ｒｓ＝Ｒ×（２×GAIN1×ＡＤ２／（ＡＤ１＋２×GAIN2×ＡＤ２）−１）…（１）
GAIN2＝GAIN1×Ｒ／（Ｒ＋Ｒｘ）…（２）
【００１８】
図２に示すように、デジタル部は、アナログ部の出力ＡＤ１、ＡＤ２及びＡＤ３をそれぞれアナログ／デジタル変換するＡＤコンバータ１１，１２，１３、計測データを記憶するＲＡＭ（メモリ）１４、制御プログラム等を記憶しているＲＯＭ１５、計測制御処理をするＤＳＰ１６、ＤＳＰ１６から出力されるデジタル信号としてのブリッジ電圧ＤＡ１をデジタル／アナログ変換してアナログ部のオペアンプａｐ１に出力するＤＡコンバータ１７を備えている。なお、ＤＳＰ１６は後述の割り込み処理により、抵抗値Ｒｓのサンプリングとブリッジ電圧の出力を１００ＫＨｚのサンプリング間隔で４０００回繰り返す。
【００１９】
ここで、ＤＳＰ１から出力するブリッジ電圧ＤＡ１は、計測したガスセンサ側の抵抗値Ｒｓと、理想的なガスセンサの抵抗値とのズレから予測したブリッジ電圧である。理想的なガスセンサの抵抗値Ｒｏは以下の式（３）で求まる。
Ｒｏ＝（Ｒｍａｘ−Ｒｍｉｎ）／４０００×カウント＋Ｒｍｉｎ…（３）
Ｒｍａｘ：ガスセンサが５００℃のときの抵抗値
Ｒｍｉｎ：ガスセンサが１００℃のときの抵抗値
４０００：サンプリング回数
カウント：そのときのサンプリング回
【００２０】
ブリッジ電圧の予測方法は以下のとおりである。計測した抵抗値Ｒｓが理想抵抗値より大きい場合は、ＤＡ１に加える増量ΔＤＡ１から係数（ｋｉｎｃ）を引く。計測した抵抗値Ｒｓと理想的抵抗値が同じ場合は、ＤＡ１に加える増量ΔＤＡ１は前回のままとする。計測した抵抗値Ｒｓが理想抵抗値より小さい場合は、ＤＡ１に加える増量ΔＤＡ１に係数（ｋｉｎｃ）を加算する。そして、この更新される増量ΔＤＡ１を前回のブリッジ電圧に加算して抵抗値Ｒｓの１回のサンプリング毎にこの予測したブリッジ電圧ＤＡ１を出力する。
【００２１】
なお、マイクロヒータ１は白金で構成されているため、その抵抗値と温度は直線関係にある。また、マイクロヒータ１の温度は、吸着ガスによる吸着燃焼反応を起こしても、時間に対して一定の昇温温度になるように制御されるが、リファレンス側のマイクロヒータ２は、ガスによる吸着燃焼反応が無いため、ガスセンサが吸着燃焼反応を起こした場合低い温度に制御される。このため、ＡＤ３の値及び微分波形は、ガス種、ガス濃度により変化する。
【００２２】
図３及び図４はＤＳＰ１６が実行するプログラムのフローチャートであり、図３(A) は計測制御処理のメインルーチンのフローチャート、図３(B) はヒータ制御＆サンプリング処理のサブルーチンのフローチャート、図４は割り込み処理のフローチャートであり、割り込み処理は、割り込みイネーブルにより図示しないタイマにより１００ＫＨｚで起動される。次に、同フローチャートに基づいて動作を説明する。
【００２３】
ＲＡＭ１４には、ＡＤ３のサンプリングデータを各カウントに対応して記憶しておくレジスタＡＤ３（カウント）が設定されており、１回のサンプリングで得られたＡＤ３の値を前回の値に積算しながら、レジスタＡＤ３（カウント）に格納する。また、計測ガスの吸着前に、サンプリングを行わないで一定昇温制御によりガスセンサの余分なガス成分、水分等を焼き飛ばしを行うモードを「モード０」、計測ガスの吸着後に一定昇温制御しながらサンプリングを行うモードを「モード１」とする。「モード０」はフラグＭＯＤを“０”にし、「モード１」はフラグＭＯＤを“１”にして区別する。
【００２４】
図３(A) の処理では、ステップＳ１で、ＲＡＭ１４内のＡＤ３（カウント）を含む各種レジスタのリセット等の初期設定を行い、ステップＳ２でＭＯＤを“０”にし、ステップＳ３で図３(B) のヒータ制御＆サンプリング処理を行う。次に、ステップＳ４で、ブリッジ電圧ＤＡ１を制御してガスセンサが５２５℃になるようにして２秒間待機し、ステップＳ５でブリッジ電圧ＤＡ１を制御してガスセンサが１７０℃になるようにして１０秒間待機しする。この１０秒間は計測ガスをガスセンサに吸着させるガス吸着工程である。次に、ステップＳ６でＭＯＤを“１”にし、ステップＳ７で図３(B) のヒータ制御＆サンプリング処理を行い、ステップＳ８で上記同様にガスセンサが５２５℃になるようにして２秒間待機し、ステップＳ９に進む。このステップＳ７の２回目のヒータ制御＆サンプリング処理がサンプリング工程である。以上のステップＳ２〜Ｓ８の一連の処理は１サイクルであり、これを４回繰り返す。
【００２５】
次に、ステップＳ９で、上記のサイクルが４回目であるかを判定し、４回目でなければステップＳ２に戻って次のサイクルを行う。４回目であれば、ステップＳ１０でＡＤ３（カウント）のサンプリング値により微分演算を行い、ステップＳ１１で微分波形からノイズを除去するノイズ処理を行う。そして、ステップＳ１２でノイズを除去した微分波形のデータを出力し、ステップＳ１３で、微分波形のデータに基づいてガス種の判定、ガス濃度の判定及び、ガス種、ガス濃度の出力を行って、処理を終了する。なお、ガス種の判定は、微分波形のピーク位置（温度）から判定し、ガス濃度は、ピーク位置でのＡＤ３の値と予め求められた回帰式から算出する。
【００２６】
図３(B) のヒータ制御＆サンプリング処理では、ステップＳ２１で、前記式（３）の傾きをΔＲｏとして求める。次に、ステップＳ２２でサンプリングのカウント値をリセットし、ステップＳ２３で割り込みをイネーブルにし、ステップＳ２４で、ブリッジ電圧の増量ΔＤＡ１のレジスタ、ブリッジ電圧の待避用のレジスタＤＡ１＿ｏｌｄのレジスタをリセットする。そして、ステップＳ２５でカウント値が４０００になるまで待機する。カウント値は、図４の割り込み処理を行う毎にインクリメントされるので、４０００回の割り込み処理により、４０００のデータをサンプリングするとカウント値が４０００を越えるので、ステップＳ２６で割り込みをディセーブルにし、メインルーチン（図３(A) ）に復帰する。
【００２７】
図４の割り込み処理では、ステップＳ３１で、前記式（３）により現在のカウントに対応する理想的な抵抗値Ｒｏを求め、ステップＳ３２で、ＡＤコンバータ１１，１２，１３からＡＤ１、ＡＤ２及びＡＤ３のデータをそれぞれ入力し、ステップＳ３３でフラグＭＯＤが“１”であるかを判定する。ＭＯＤが“１”でなければモード０であるので、そのままステップＳ３５に進む。ＭＯＤが“１”でればモード１であるので、ステップＳ３４でＡＤ３（カウント）の値にＡＤ３を加算してレジスタＡＤ３（カウント）に格納する。次に、ステップＳ３５で、１５ビットデータのＡＤ１及びＡＤ２を電圧値に変換し、ステップＳ３６で、前記式（１）によりガスセンサ側の抵抗値Ｒｓを演算する。
【００２８】
次に、ステップＳ３７及びステップＳ３８でＲｓとＲｏの大小関係を判定し、Ｒｓ＜Ｒｏであれば、ステップＳ３９で、ブリッジ電圧の増量ΔＤＡ１に係数ｋｉｎｃを加算して更新し、ステップＳ４１に進む。Ｒｓ＝Ｒｏであれば増量ΔＤＡ１はもとのままでステップＳ４１に進む。Ｒｓ＞Ｒｏであれば、ステップＳ４０で、増量ΔＤＡ１から係数ｋｉｎｃを減算して更新し、ステップＳ４１に進む。そして、ステップＳ４１で、前回のブリッジ電圧ＤＡ１＿ｏｌｄに増量ΔＤＡ１を加算して今回のブリッジ電圧ＤＡ１とする。
【００２９】
次に、ステップＳ４２でブリッジ電圧ＤＡ１をＤＡコンバータ１６を介してアナログ部に出力し、ステップＳ４３で今回のブリッジ電圧ＤＡ１をレジスタＤＡ１＿ｏｌｄに待避するとともに、カウントをインクリメントして元のルーチンに復帰する。
【００３０】
図５は上記計測制御処理によるガスセンサ側のマイクロヒータ１に対する制御電圧の変化を経過時間とガスセンサの温度とで示す図である。前記フローチャートで説明したように、１サイクルは予備燃焼工程と、ガス吸着工程と、サンプリング工程とからなる。予備燃焼工程では、ガスセンサが１７０℃から５２５℃となるように４０ミリ秒間で一定昇温制御で昇温させた後、５２５℃の高温で２秒間保ち、ガスセンサに付着したガスや水分等を燃焼、除去する。次に、ガス吸着工程では、ガスセンサを１７０℃に保ち、１０秒間計測ガスを吸着させる。次に、サンプリング工程では、ガスセンサが１７０℃から５２５℃となるように４０ミリ秒間で一定昇温制御で昇温させ、計測ガスを燃焼させながらサンプリングを行い、その後、５２５℃の高温で２秒間保ち、ガスセンサに付着したガスや水分等を燃焼、除去する。
【００３１】
このサイクルを４回繰り繰り返し、各サンプリングタイミングにおいて、ＡＤ３のデータを４回分積算する。そして、この積算されたＡＤ３のデータに対して、次式（４）により微分演算を行う。
【００３２】
Ｙ［ｎ］＝（Ｘ［ｎ］−Ｘ［ｎ−ｍ］）／ｍ…（４）
ｎ＝Ｎ，Ｎ−ｍ，Ｎ−２ｍ，Ｎ−３ｍ，…，１
Ｙ［ｎ］：微分値
Ｘ［ｎ］：サンプリングデータ
ｍ：間引き率（１０）
Ｎ：全データ数（４０００）
【００３３】
図６はエタノールを計測ガスとして上記の４回のサイクルの積算処理で計測した微分波形のグラフであり、図７は図６の微分波形にノイズ処理を施した波形のグラフである。また、図８は比較例として１回のサイクルで計測した微分波形のグラフであり、図９は図８の微分波形にノイズ処理を施した波形のグラフである。なお、図７及び図９のグラフの横軸は、一定昇温制御での時間（４０ミリ秒）をガスセンサの温度にした温度軸で示してある。
【００３４】
図８のように、１回のサイクルでは、各濃度毎の元の波形が判別できないほど大きなノイズが載っている。このため、図９のノイズ処理後の波形でも、エタノール３００ｐｐｍでの４５０℃のピーク値は１程度と小さく、ガス種の判定などを行う波形解析や波形パターン認識で、高精度を期待できない。
【００３５】
これに対して、４回のサイクルでサンプリングデータを積算した場合、図６に示すように、微分波形に載っているノイズ成分は、微分波形全体の大きさに対して十分小さく、図７のノイズ処理後の波形でも、濃度の違いが顕著に表れている。例えば、エタノール３００ｐｐｍで４５０℃のピーク値は８程度であり、上記比較例の値の８倍以上と大きく、波形解析や、波形パターン認識のために十分な精度が得られる。
【００３６】
なお、上記実施形態では、各サイクルによる積算回数を４回としているが、他の回数でもよい。
【００３７】
また、図１に示すガスセンサのアナログ部の構成は一例であり、この実施形態に限らず、他の構成でもよい。また、図２に示すデジタル部のＤＳＰの処理はパーソナルコンピュータ、マイコン等で行ってもよい。
【符号の説明】
【００３８】
１      ガスセンサ側のマイクロヒータ
２      リファレンス側のマイクロヒータ
Ｂｓ    ガスセンサ側のブリッジ回路
Ｂｒ    リファレンス側のブリッジ回路
ａｐ４  計装アンプ
１６    ＤＳＰ
１７    ＤＡコンバータ
【図１】
2010256052.tif 000003
【図２】
2010256052.tif 000004
【図３】
2010256052.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2010256052.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2010256052.tif 000013
【図１２】
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