(57)【要約】【構成】  ガス検出装置のＥＥＰＲＯＭへの基準信号の書き込みを可能にし、ガス検出装置を調整槽にセットする。そして例えば６５ppmのＣＯを注入し、０秒目、６秒目、６９秒目のセンサの抵抗値の対数をＥＥＰＲＯＭに書き込む。次いでＣＯ濃度を２００ppmに増加し、同様の手順を行う。さらにＣＯ濃度を４００ppmまで増加させる。【効果】  ＥＥＰＲＯＭに簡単に基準信号を書き込むことができ、可変抵抗を調整する必要が無く、調整作業が簡単になる。【選択図】      図７
2007139801.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ガスにより抵抗値が変化する金属酸化物半導体ガスセンサの温度を変化させながらガスを検出するようにした装置の調整方法において、
温度変化の過程でガスセンサから得られる測定データと比較してガスを検出するための、基準信号を発生させて記憶するために、
ａ：  前記金属酸化物半導体の抵抗値の対数に線形な基準信号を、温度変化に伴うガスセンサの抵抗値の波形上の複数の点の組み合わせとして記憶する不揮発性メモリーを設けて、
ｂ：  前記ガスセンサを所定濃度のガス中に曝して温度変化させ、前記複数の点で金属酸化物半導体の抵抗値の対数に線形な信号を求めて、前記の基準信号を発生させ、前記不揮発性メモリーに基準信号として記憶させることを特徴とする、ガス検出装置の調整方法。
【請求項２】
前記不揮発性メモリーをＥＥＰＲＯＭとしたことを特徴とする、請求項１のガス検出装置の調整方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は金属酸化物半導体ガスセンサを用いたガスの検出に関し、特にガスセンサを温度変化させてガスを検出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
温度変化を用いた金属酸化物半導体ガスセンサとして、ＳｎＯ2系のＣＯセンサＴＧＳ２０３(ＴＧＳ２０３はフィガロ技研の商品名)がある。このガスセンサは１５０秒周期で動作し、最初の６０秒間を高温域に次の９０秒間を低温域に割り当て、高温域での最終温度は３００℃、低温域での最終温度は８０℃で、低温域終了時の金属酸化物半導体の抵抗値からＣＯを検出する。センサの抵抗値はＣＯ濃度にほぼ反比例し、水素とＣＯとの相対感度は１：１０で、例えば水素１０００ppmとＣＯ１００ppmとが等価となる。さらに抵抗値の初期分布は、ＣＯ１００ppm中で１〜１０ＫΩである。
【０００３】
発明者は、ＴＧＳ２０３を用いたＣＯ検出装置を高精度化し、同じセンサを用いて検出精度を２倍以上向上させることを検討した。検討した問題はセンサ特性のドリフトで、ＴＧＳ２０３は使用開始から２カ月程度で抵抗値が最大２倍増加し、その後は数年間程度で抵抗値が初期値の最大約１／２に低下する。ＴＧＳ２０３の抵抗値はＣＯ濃度にほぼ反比例するので、これらのドリフトはＣＯの検出値が現実の２倍〜１／２の範囲で変動することを意味する。発明者は、検出誤差を真の値の±２０％程度に減少させることを検討した。
【０００４】
後に示すように、ドリフトの補正には高温域の初期の信号で低温域の信号を補正することが有効であることを、発明者は見い出した。またＴＧＳ２０３の抵抗値の濃度依存性には分散があり、これによる誤差を除くため複数の濃度について基準信号を記憶することが好ましいことを、発明者は見い出した。
【０００５】
従ってガス検出装置には、複数の点での基準信号を記憶させることが必要で、これは可変抵抗を負荷抵抗として基準信号を可変抵抗の値で記憶させる、現行のＣＯ検出装置の仕様とは相容れなかった。
【０００６】
ここで関連する先行技術を示す。ガスセンサの温度を変化させて、その抵抗値の挙動を温度波形と見なし、これをフーリエ変換してガスを検出することは、吉川らにより提案されている(アナリティカル・ケミストリー  VoL６８,No.１３,２０６７−２０７２,１９９６)。またＥＥＰＲＯＭをガス検出装置での不揮発性メモリーとして用いることは公知である。さらに金属酸化物半導体ガスセンサに負荷抵抗を直列に接続すると、負荷抵抗への出力電圧が金属酸化物半導体の抵抗値の対数と線形な関係にあることは、沖野により発表されている(日本特許２５７８,６２４)。また沖野は、負荷抵抗の値を切り替えて、負荷抵抗と金属酸化物半導体の抵抗値の比を適正な範囲に保つことを提案している。ガスセンサの高温域の信号と低温域の信号とを組み合わせることには、多数の研究がある(例えば、米国特許４８９６１４３,同４３９９６８４)。
【特許文献１】日本特許２５７８,６２４号
【特許文献２】米国特許４８９６１４３号
【特許文献３】米国特許４３９９６８４号
【非特許文献１】アナリティカル・ケミストリー  VoL６８,No.１３,２０６７−２０７２,１９９６
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
この発明の課題は、ガスセンサの温度変化を用いたガス検出装置に対して、その高精度化に適した調整方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
この発明は、ガスにより抵抗値が変化する金属酸化物半導体ガスセンサの温度を変化させながらガスを検出するようにした装置の調整方法において、
温度変化の過程でガスセンサから得られる測定データと比較してガスを検出するための、基準信号を発生させて記憶するために、
ａ：  金属酸化物半導体の抵抗値の対数に線形な基準信号を、温度変化に伴うガスセンサの抵抗値の波形上の複数の点の組み合わせとして記憶する不揮発性メモリーを設けて、
ｂ：  ガスセンサを所定濃度のガス中に曝して温度変化させ、複数の点で金属酸化物半導体の抵抗値の対数に線形な信号を求めて、前記の基準信号を発生させ、前記不揮発性メモリーに基準信号として記憶させることを特徴とする。
好ましくは、
ｃ：  工程ｂを複数のガス濃度について繰り返す。
【０００９】
この明細書では、１サイクルの温度変化に対するセンサ信号の波形を温度波形と呼ぶ。また複数の点と呼ぶ場合、温度変化の開始時からの時刻が異なる複数の点を指す。ガスセンサの種類はＳｎＯ2系に限らず、Ｉn2Ｏ3系やＷＯ3系等でも良く、検出対象はＣＯに限らず、アンモニアやエタノール,ホルムアルデヒド等の様々なガスである。また温度変化はガスセンサのヒータへの印加電力を変えることで行い、この電力のパターンをヒータ波形と呼ぶと、方形波状やサイン波状、あるいはランプ波状等の、様々なヒータ波形を用いることができる。
【００１０】
ここに複数の点での信号の組み合わせには、複数の点での信号の線形結合を含み、例えば複数の点をｉ＝１〜ｎで示し、各点での抵抗値の対数に線形な信号をＳ１〜Ｓｎとし、係数をａ１〜ａｎとして、線形結合は  Σａｉ・Ｓｉ  で与えられる。また基準信号は複数のガス濃度の各々に対して記憶することが好ましい。
【００１１】
不揮発性メモリーには、ＥＥＰＲＯＭや、マイクロコンピュータ内蔵や外付けのＲＡＭにバックアップ用電池を接続したもの等を用い、特にＥＥＰＲＯＭが好ましい。また線形とは信号Ａと信号Ｂとが互いに１次関数で表現される関係を呼び、例えばセンサ抵抗(金属酸化物半導体の抵抗値)とその対数とは線形ではないが、センサ抵抗の対数と抵抗ラダーへの出力電圧とは狭い範囲では線形である。後述の用に、データ処理の大部分は基準信号と測定データの差で表され、測定データや基準信号に定数値が加えられても影響はなく、抵抗値の対数を求める必要があるのではなく、抵抗値の対数に線形な量を求める必要がある。直列片の出力としては、例えば抵抗ラダーと金属酸化物半導体との接続点の出力電圧を用いるが、これに限らず上記の出力電圧を分割あるいは増幅して用いても良い。
【発明の効果】
【００１２】
この発明では、ガス検出用の基準信号を不揮発性メモリーに記憶させる。この発明では、ガス検出装置の調整時に不揮発性メモリーを書き込み可能状態に置き、ガスセンサを温度変化させながら、所定濃度のガス中で所定のタイミングでの信号、あるいはそれらの信号の線形和等を不揮発性メモリーに書き込む。好ましくは、この処置をガス濃度を変えて繰り返し、必要な数のガス濃度での基準信号を不揮発性メモリーに記録させる。なおこの処理は完成したガス検出装置を調整槽に収容して行っても良く、あるいはセンサのみを調整槽に置き、その信号をパーソナルコンピュータ等で処理して不揮発性メモリーに書き込んでも良い。そしてパーソナルコンピュータ等を用いる場合処理能力上の制限はないので、センサ抵抗をそのままＡＤ変換し、これを対数変換して基準信号としても良い。
【００１３】
この発明では、基準信号の調整を可変抵抗で行うのではなく、不揮発性メモリーへの記憶で得るので、調整都度、可変抵抗を操作する必要はない。なお複数のガス濃度について基準信号を記憶させると、ガス濃度依存性の分散による誤差が少なくなる。
【００１４】
不揮発性メモリーにはバックアップ用の電池が不要なＥＥＰＲＯＭが好ましく、基準信号としては少なくとも３つのガス濃度での信号を記憶させることが好ましい。ガス検出装置に用いるマイクロコンピュータは通常ＲＡＭの容量が乏しいので、ＥＥＰＲＯＭからは通常は低濃度側の２濃度での基準信号をＲＡＭに記憶させ、ガス濃度が基準信号の濃度を超えると、より高濃度側の基準信号をＥＥＰＲＯＭからＲＡＭに記憶させる。そしてガス濃度が低下すると、再度低濃度側の基準信号をＲＡＭに記憶させる。ＥＥＰＲＯＭへのアクセス回数には制限があり、例えば１０万回程度のアクセスが信頼性を保つ上での上限とされる。温度変化の１サイクルを例えば１分とし、毎回ＥＥＰＲＯＭにアクセスすると、約７０日間でＥＥＰＲＯＭの信頼性が失われる。しかしながらガス濃度が低濃度側の２濃度を越えることは一般には僅かで、ＥＥＰＲＯＭへのアクセスはこの場合と、ガス検出装置をリセットした場合等に限られる。そしてこのような回数は一般に少なく、１０万回のアクセス制限でもＥＥＰＲＯＭの信頼性を保つことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
以下に本発明を実施するための最適実施例を示す。
【実施例】
【００１６】
図１〜図１４に実施例とその変形とを示す。図１に実施例の構成を示すと、Ｓは金属酸化物半導体ガスセンサで、ここではＴＧＳ２０３を用い、ＳｎＯ2系の金属酸化物半導体２の両端に一対のヒータｈ１,ｈ２を配置したものである。センサＳの種類や構造は任意である。４は直流５Ｖ等の直流電源で、その出力ＶDDを用いてガス検出装置を駆動する。ガスセンサＳの一対のヒータｈ１,ｈ2を共に駆動するため、トランジスタＴ１,Ｔ２を用い、これらを同時にオン／オフさせる。そしてトランジスタＴ１,Ｔ２が共にオンすると、ヒータｈ１、ｈ２に電流が流れ、トランジスタＴ１,Ｔ２のオンのデューティー比を変えることによって、金属酸化物半導体２の温度を周期的に変化させる。ここではＴＧＳ２０３の動作条件に従い、高温域を６０秒間、低温域を９０秒間とし、ヒータ電力の波形は高温域と低温域の２段階で変化する方形波状で、高温域の最終温度は３００℃、低温域の最終温度は８０℃である。また実施例では時刻の表示として、低温域の終了直前を０秒目とし、０〜６０秒目を高温域として、９０〜１５０秒目(１５０秒目は０秒目と等しい)を低温域とする。
【００１７】
金属酸化物半導体２には、抵抗ラダー５を接続し、Ｒ１〜Ｒｎはその個別の抵抗である。ここでは各抵抗Ｒ１〜Ｒｎは４倍ずつ変化するものとし、例えば０.５ＫΩ,２ＫΩ,８ＫΩ,３２ＫΩ,１２８ＫΩ,５１２ＫΩの６つの抵抗を用いる。固定抵抗の精度は±２％程度のものが容易に得られ、抵抗値の切り替えに基づくＡＤ変換誤差は±２％程度である。そしてトランジスタＴ１,Ｔ２をオフすると、電源出力ＶDD(以下検出電圧Ｖcと呼ぶ)は金属酸化物半導体２を介して抵抗ラダー５に流れ、抵抗ラダー５への出力電圧をＡＤ変換して処理する。
【００１８】
８はマイクロコンピュータで、ここでは４ビットの１チップマイクロコンピュータを想定する。１０はそのバスで、１２は例えば８ビットのＡＤコンバータ、１４は抵抗ラダー制御部で、抵抗Ｒ１〜Ｒｎの１本のみをアースし、アースした抵抗を負荷抵抗として用いる。そして前記のように抵抗ラダーへの出力電圧はＡＤコンバータ１２でＡＤ変換される。なお抵抗ラダー５への出力電圧をさらに分圧してＡＤ変換しても良いことは当然で、また抵抗ラダー５側の電圧ではなく、センサＳ側の電圧をＡＤ変換しても同じことである。１６はヒータ制御部で、トランジスタＴ１,Ｔ２のオン／オフを制御し、６０秒の高温域と９０秒の低温域からなる温度サイクルを発生させる。１８はＥＥＰＲＯＭ制御部で、２０はＥＥＰＲＯＭである。
【００１９】
ＥＥＰＲＯＭ２０の構成を図３に示すと、例えばここではＣＯを検出対象とし、検出範囲をＣＯ５０〜６００ppmの約１０倍の範囲とする。基準信号としてはＣＯ６５ppm,２００ppm,４００ppmの３点を用い、基準信号として０秒目のセンサ抵抗の対数ＬnＲ0,６秒目のセンサ抵抗の対数ＬnＲ6,６９秒目(低温域の初期)のセンサ抵抗の対数ＬnＲ69を用いる。なおＬnは自然対数を表し、Ｒ0の０等の添え字は０秒基準のタイミングを表す。ＣＯ２００ppmや４００ppmでも、同様にして０秒目,６秒目,６９秒目の３つの基準信号をセンサ抵抗の対数の形で記憶させる。４１〜４３は、各濃度についての基準信号を１枚のカードとして考えた際のカードである。これ以外にカード４４にはＣＯ検出装置の使用経歴を記録させる。即ち経過時間として、延べ使用時間と過去のＣＯの警報に関する記録を記憶させる。延べ使用時間はＣＯ検出装置の電源がオンしている時間の累積値であり、例えば時間の単位は１日として、累積使用時間をカード４４に記憶させる。警報の記録としては、後述のブザーが鳴動する毎にその日付を記憶する。日付としては、延べ使用時間と同じ基準での日付を記憶させる。このようにすると、ブザーが鳴動した日が判明する。
【００２０】
２２は入出力で、調整スイッチ２３とリセットスイッチ２４が接続されており、調整スイッチ２３をオンすると、ＥＥＰＲＯＭ制御部１８はＥＥＰＲＯＭ２０への書き込みが可能になり、ＣＯ検出装置の調整時にのみ使用するスイッチである。リセットスイッチ２４はブザー３８の鳴動を停止させるためのスイッチである。
【００２１】
マイクロコンピュータ８には４ビットの算術論理演算ユニット２６があり、１５０秒周期でＣＯ検出装置を動作させるためのシーケンス制御部２８が存在し、シーケンス制御部２８はタイマを内蔵している。３０はＲＡＭで、揮発性メモリーとして用い、その構成を図２に示す。ＲＡＭ３０には、ＬnＲ0,ＬnＲ6,ＬnＲ69の３つの測定データと、これらに対する２濃度での基準信号が記憶されている。基準信号は常時は低濃度側の６５ppmと２００ppmを使用し、ガス濃度が２００ppmを越えると、６５ppmの基準信号を４００ppmの基準信号で置き換える。そしてガス濃度が２００ppm以下に低下すると、４００ppmの基準信号を６５ppmの基準信号で置き換える。ガスの検出範囲は５０〜６００ppmであり、５０〜６５ppmの範囲は、基準信号６５ppmに近い。また４００〜６００ppmの範囲は、基準信号の４００ppmに対して１.５倍の範囲であり、４００ppmの基準信号を用いてガス濃度を正確に求めることができる。これらの範囲を除くと、ＣＯが発生している場合、現実のＣＯ濃度の両側の基準信号を用いて、２つの基準信号間の補間によりガス濃度を決定する。
【００２２】
ＲＡＭ３０にはこれ以外に、求めたＣＯ濃度やＣＯ濃度から換算したＣＯＨｂ(血中のＣＯヘモグロビン濃度)やその他の補助信号(例えば１日単位でのタイマを構成するための時刻データ)等を記録する。
【００２３】
図１に戻り、３２は警報制御部で、駆動回路３６を介してＬＥＤ３９,４０を動作させ、血中ＣＯヘモグロビン濃度が例えば５％以上でブザー３８を鳴動させる。ブザー３８を鳴動させると、ＥＥＰＲＯＭ制御部１８はカード４４に警報の日付を書き込む。３４はプログラムメモリーであり、これ以外に温度補正に用いる様々な常数等のデータも記録させてある。なおこれらのデータは、センサＳが変わっても共通の固定データである。そしてセンサ毎のデータは全てＥＥＰＲＯＭ２０に記録させてある。
【００２４】
図４に１０個のセンサの平均の温度波形を示す。ＣＯ１００ppmの波形に実施例で用いたサンプリングポイントを○で示すと、１５０秒目,６秒目及び６９秒目でサンプリングを行う。センサの抵抗値はＣＯ３０ppm〜３００ppmの範囲で約１０倍変化し、また０秒目と６９秒目とでは抵抗値が約１０倍異なる。これ以外にセンサ抵抗のばらつきや周囲温湿度の変動等を加えると、ＡＤ変換の範囲は抵抗値で約０.５〜５００ＫΩとなる。そこでこの範囲でＡＤ変換ができるように、抵抗Ｒ１〜Ｒｎを０.５ＫΩ〜５１２ＫΩまで４倍ずつ６段階に変化させ、各サンプリングタイミングの直前に抵抗ラダーへの出力ＶRlを監視して、その値に応じて負荷抵抗を切り替える。ＶRlのＡＤ変換自体は１秒以内に行うことができ、その時の値に応じて各サンプリングポイントでどの抵抗を用いるかを決定すればよい。
【００２５】
図５は、別の１０個のセンサについて高温域の初期の温度波形を拡大して示したものである。雰囲気は０℃で相対湿度９６％,２０℃  ６５％,５０℃  ４０％,の３種類で、±２δ(δは標準偏差)の範囲と平均値とを示してある。ガス濃度はＣＯ１００ppmであるが、周囲の温度や湿度の変動により抵抗値は各タイミングで１０倍弱変化している。また０秒目と６秒目の抵抗値はほぼ等しく、例えば６秒目には０秒目と同じ負荷抵抗を用いても良い。しかし好ましくは例えば１４８秒目の信号で０秒目(もしくは高温域への移行前のサンプリングを確実にするため、１４９秒目)の抵抗値を決定し、５秒目の抵抗値から６秒目の負荷抵抗を決定する。同様に６８秒目の抵抗値から６９秒目の負荷抵抗を決定する。
【００２６】
図６にサンプリングのアルゴリズムを示す。時刻が１４８秒目に達すると、出力電圧をＡＤ変換し、この値が検出電圧Ｖc(ＶDDと同じ)の１／３〜２／３の範囲内にあることを確認する。この範囲では、センサ抵抗と負荷抵抗との抵抗値の比は２：１〜１：２の範囲内にある。出力電圧が正しければそのままで、正しくない場合には負荷抵抗を切り替え、この範囲に収まるようにする。次に０秒目に達すると出力電圧をＡＤ変換し、ＡＤ変換した出力電圧ＶRlを用いて式(1)により０秒目でのセンサ抵抗の対数を求める。同様に５秒に負荷抵抗の値が正しいかどうかをチェックし、６秒目のセンサ抵抗の対数を求める。さらに６８秒目でも負荷抵抗の値が正しいかどうかをチェックし、６９秒目でセンサ抵抗の対数を求める。
【００２７】
ＬnＲ＝２−４ＶRl／Ｖc＋ＬnＲl              (1)
式(1)のようにセンサ抵抗の対数を１次の項まで近似した場合、Ｒ／Ｒlが１で誤差が０、Ｒ／Ｒlが１／２または２で誤差は２％、Ｒ／Ｒlが１／３または３で誤差は１１％となる。実施例ではＣＯ濃度を±２０％以下の誤差で検出することを目的とするので、±１０％の誤差は大きすぎる。そこでセンサ抵抗と負荷抵抗との比を０秒目,６秒目,６９秒目の３点で２〜１／２の範囲に保つように抵抗ラダー５を制御する。
【００２８】
式(1)によるＶRlからセンサ抵抗の対数への変換は線形変換であり、極めて簡単な変換である。しかしこれに伴って６個の負荷抵抗が必要であった。負荷抵抗の数を例えば４個に減少させるには、Ｒ／Ｒlの範囲を４〜１／４、より好ましくはルート８〜１／ルート８の範囲に保つようにする。このためには３次の項までの変換が必要である。センサ抵抗の対数をＶRlで級数展開すると、２次の項は存在せず、３次の項までを加味したものが式(2)、(3)である。式(2),(3)を用いた場合、Ｒ／Ｒlが１で変換誤差は０％、Ｒ／Ｒlが１／４または４で変換誤差は４％、Ｒlが１／３または３で変換誤差は２％である。そこで例えば抵抗Ｒ１〜Ｒｎの値を１６倍ずつ、より好ましくは８倍もしくは９倍ずつ変化させる。そして例えば抵抗Ｒ１〜Ｒｎの値を１ＫΩ,８ＫΩ,６４ＫΩ,５１２ＫΩの４種とする。このようにすれば０.５〜１ＭΩの範囲を２％以下の誤差で対数に変換することができる。
ＬnＲ＝２ｘ＋２／３×ｘ３＋ＬnＲl             (2)
ｘ＝１−２ＶRl／Ｖc                           (3)
【００２９】
図１のガス検出装置の調整の手続を図７に示す。なおこの時調整スイッチ２３をオンし、ＥＥＰＲＯＭ２０への基準信号の書き込みを可能にしておく。ＣＯ検出装置を調整槽にセットするものとして説明すると、検出装置をセットした後、電源を投入して作動させる。そして例えば６５ppmのＣＯを注入する。するとマイクロコンピュータ８はＲＡＭ３０に書き込むために、ＬnＲ0,ＬnＲ6,ＬnＲ69を発生する。これをＥＥＰＲＯＭ２０のカード４１に記入させる。次いでＣＯ濃度を２００ppmに増加し、同様の手順を行う。さらにＣＯ濃度を４００ppmまで増加させる。このように所定の手順でＣＯ濃度を増加させれば、ＥＥＰＲＯＭ２０に基準信号を書き込むことができる。そしてこの結果、可変抵抗を調整して基準信号を記憶させる必要が無く、調整作業が簡単になる。
【００３０】
ここではＣＯ検出装置を調整槽にセットするものとしたが、センサＳのみをセットしても良い。そしてセンサＳの抵抗値を例えば１２ビット程度のＡＤコンバータでＡＤ変換し、パーソナルコンピュータ等に記録させ、これをＥＥＰＲＯＭ２０に書き込んでも良い。この場合にはセンサＳはＣＯ検出装置には組み込まれておらず、センサＳをＥＥＰＲＯＭ２０とセットにして取り扱い、これらを別途に組み立てたＣＯ検出装置に組み付ける。センサＳとＥＥＰＲＯＭ２０以外の部分は、通常の電子回路と全く同様に扱え、ガスセンサについて経験のないメーカーでもＣＯ検出装置を組み立てることができる。
【００３１】
図８にセンサ抵抗のドリフト補正を示す。これはＴＧＳ２０３の４５個のデータで、不良品(７個)や良品(２０個)、あるいは２年以上放置したサンプル(８個)、さらにはいったんＣＯ検出装置にセットした後に回収したサンプル(１０個)を含んでいる。図の横軸は０秒目のセンサ抵抗を対数目盛りで示し、縦軸は６秒目のセンサ抵抗を同様に対数目盛りで示している。そして横軸が１は０秒目のＣＯ１００ppm中での基準信号(通電開始３日目)で、縦軸が１は６秒目のＣＯ１００ppmでの基準信号(通電開始３日目)である。図８はＣＯ１００ppm中での通電開始３日目の基準信号で正規化してある。図の各点は５週間の通電に伴う測定点を示し、４５個のＴＧＳ２０３を５週間使用すると、高低抵抗化するものや、偶発的に低抵抗化するもの等が現れるが、それは６秒目と０秒目との２次元平面で傾きが１の狭い直線上に集中している。この軸をドリフト軸と呼ぶことにする。なおＣＯ３０ppm中や３００ppm中でドリフト軸が明瞭でないのは、ＴＧＳ２０３の濃度依存性の分散のためである。即ち濃度依存性が均一でなく、ＣＯ３０ppm中や３００ppm中での初期点が１点に揃わないので、初期点の分散のためドリフト軸が不明瞭である。またＣＯ３０ppm,１００ppm,３００ppmの３点を結んだ直線をＣＯ濃度軸と呼ぶことにする。そしてＴＧＳ２０３の初期の特性はこの濃度軸上にあり、使用と共に濃度軸はドリフト軸の方向に沿って平行移動していく。
【００３２】
図８にはこれ以外にＣＯ１００ppmと水素３００ppmの混合ガスの挙動を示した。また水素１０００ppm中での挙動を示した。これらの各挙動は、５週間の通電期間の各点をセンサ毎に表示してある。図８から明らかなように、水素に対しては感度は僅かに負になっている。例えば図８のＣＯ１００ppm＋水素３００ppmの各点をドリフト軸に沿って平行移動させ、ＣＯ濃度軸との交点を求めると、得られる濃度範囲はＣＯ８０ppm〜６０ppmである。一方ＣＯ１００ppm中での５週間の各点の分布は狭く、ドリフト軸に沿って平行移動させ、ＣＯ濃度軸との交点を求めると、分布範囲はＣＯ８０〜１２０ppm程度となる。水素に対する感度が負になるのは、６秒目の信号の方が０秒目の信号よりも水素感度が高いためである。そこでこれを補正するため、０秒目と６９秒目との信号の組合せを用いる。この場合の同様の５週間の通電データを図９に示す。図９から明らかなように、水素が発生すると６９秒目の抵抗値は著しく減少し、ＣＯ濃度軸から極端に離れた場所にある。そこでＣＯ濃度軸から図９の下方向に下降する距離をもって水素濃度を表す信号とする。
【００３３】
このような水素検出信号は正確なものではないが、元々水素感度は小さく、その補正用なので、定量性のない水素検出信号でも用いることができる。そして水素感度の補正では、図８で僅かに負になっている水素感度を０に戻す、即ちＣＯのみに極めて選択的なＣＯ検出装置を設計する、あるいはＴＧＳ２０３の本来の特性のようにＣＯ対水素の相対感度を１０：１となるように補正する、の２通りが考えられる。これらのいずれを選ぶかは、ＣＯ検出装置の設計方針の問題である。
【００３４】
図１０にドリフト補正の原理を示す。図の実線はＣＯ濃度軸、破線はドリフト軸である。そして６５ppm、２００ppm,４００ppmの３点での基準信号がＥＥＰＲＯＭ２０に記録されている。測定により、ＬnＲ0とＬnＲ6の２つの次元での位相空間上の点(ａ,ｂ)が定まる。またこの位相空間での各基準信号の座標を図１０のように定める。そして点(ａ,ｂ)からドリフト軸に沿って平行移動させ、ＣＯ濃度軸との交点の座標を(ｅ,ｆ)とする。
【００３５】
図１０を用いてのＣＯ濃度の算出を図１２のメインループに示す。測定データから、ａ,ｂ,ｃの３つの変数を定義する。次に図１０において、ｎ−ｐがａ−ｂ以上かどうかチェックする。この条件が不成立の場合、測定点は２００ppmからドリフト軸を延ばした際にドリフト軸の下側にあり、検出濃度は２００ppm以下である。ドリフト軸の傾きは１で、ｅ−ａとｆ−ｂは等しい。このため
ｆ＝ｅ＋(ｂ−ａ)  が成立する。次に点(ｅ,ｆ)は６５ppmと２００ppmの２つの基準信号で定まる線分を内分している。このことからｅ,ｆは６５ppmや２００ppmでの基準信号の座標ｎ,ｐ,ｑ,ｒと１つの関係式に拘束され、これらを用いて座標ｅを解くことができる。なおここで実際に扱っているのは、ｎ−ｅやｐ−ｆあるいはｅ−ｆ等の変数である。これらは対数の差に対応し、実際にはＶRlの差に直接対応する。従って前記の対数変換を行わず、センサ抵抗の対数を求めずにＶRlを求めるだけに留めても良いことは明らかである。
【００３６】
値ｅが判明すると、６５ppmと２００ppm間の線分の内分比ｙを求める。ｙが０でＣＯ濃度が２００ppm、ｙが１でＣＯ濃度が６５ppmである。この間には約３倍のＣＯ濃度の変化があり、これをそのまま解くと、ｅｘｐ(ｙ)の級数展開で２次以上の項が必要になるので、６５ppmと２００ppmの中点を考え、これよりも２００ppm寄りでは、２００ppmの濃度を元に級数展開し、これよりも６５ppm寄りでは６５ppmの濃度を元に級数展開する。このようにすれば
ｅｘｐ(ｙ)＝１＋ｙ  と近似しても、ほとんど近似誤差は生じない。このようにして水素濃度の補正前のＣＯ濃度が定まる。
【００３７】
さて求めた位相点がＣＯ２００ppmを通るドリフト軸よりも上側にある場合、ＣＯ濃度は２００ppmを越えている。そこでこの場合ＥＥＰＲＯＭ２０にアクセスし、ＣＯ４００ppmの基準信号を読み出す。以下同様にしてＣＯ濃度を求める。この場合の処理はＣＯ６５ppmと２００ppmの２つの基準信号を用いた場合の処理と同様で、ＣＯ６５ppmの基準信号の代わりにＣＯ４００ppmの基準信号を用いればよい。
【００３８】
ＣＯ濃度が求まると水素補正を施す。その処理を図１３に、その原理を図１１に示す。０秒目の抵抗値の対数と６９秒目の抵抗値の対数で定まる２次元位相空間において、測定点の座標が(ａ,ｃ)であるとする。これを６５ppm,２００ppm,４００ppmのＣＯ濃度軸へ図１１の垂直上方に移動させた際の交点を(ａ,ｇ)とする。そしてｇとｃとの差をｈとし、ｈによって水素濃度が定まるものとする。この場合ａの値がｎを越えるか否かから、基準信号として４００ppmの信号を用いる必要があるか否かを判別し、ａがｎ以下の場合、ＥＥＰＲＯＭ２０にアクセスして４００ppmの基準信号を読み出す。そして点(ａ,ｇ)が２００ppmの基準信号と４００ppmの基準信号を結ぶ線分上にあることから、座標ｇについて１つの式が発生し、これからｇを求めることができる。ｇが求まればｈが求まり、例えばｋ１を適当な正の定数として、図１２のメインループで求めたＣＯ濃度にｋ１×ｈを加算する。ここでの加算の基準としては、例えばＣＯ検出装置の水素濃度依存性が０となるようにする、あるいはＣＯ対水素の相対感度が１０：１等の適当な値となるようにする。ａがｎよりも大きい場合、即ち図１１で求めた座標点(ａ,ｃ)が２００ppmの基準信号よりも右側にある場合、６５ppmと２００ppmの基準信号を用いる。そして前記と同様にしてｈを求め、水素濃度の補正を行う。
【００３９】
水素濃度の補正を行うと図１３のメインループに戻り、ＣＯ濃度から血中ＣＯヘモグロビン濃度ＣＯＨｂを求める。なおＣＯＨｂの初期値はリセット時には０としておく。この変換自体は既に周知で、ｋ２,ｋ３,ｋ４は定数で、ｋ４はここでは検出下限以下のＣＯ３０ppm程度に相当する値とし、ＣＯ濃度が３０ppm以下では検出を行わないようにする。
【００４０】
図１４にフーリエ変換を用いた変形例を示す。この変形例は新たなマイクロコンピュータ４８を用い、フーリエ変換部５０を設ける以外は実施例と同様である。ただしフーリエ変換を行うことに伴ってマイクロコンピュータ４８は例えば８ビット系とする。ＣＯの検出の場合フーリエ変換では、方形波的な温度変化は好ましくない。そこで例えばセンサ温度の変化波形を、高温域６０秒、低温域６０秒の合計１２０秒周期でのサイン波形とする。そして１２０秒周期での温度変化に同期したフーリエ変換成分(サインの基本波)と、１２０秒周期で９０度位相が進んだ成分(コサインの基本波)及び、高調波成分として６０秒周期のサイン成分とコサイン成分の４成分を用いる。この４成分があれば、図１〜図１３の実施例と同様の検出をフーリエ変換を行った後に行うことができる。これ以外の点で、図１４の変形例は図１〜図１３の実施例と同様である。即ちＥＥＰＲＯＭ２０には６５,２００,４００の３濃度での１２０秒周期及び６０秒周期のサイン及びコサインの合計４成分が記録され、基準信号は４×３の合計１２個である。またフーリエ変換では常時センサ抵抗をＡＤ変換し、あるいは低温域の末期から高温域の初期のＣＯと相関の高い波形成分と低温域の初期の水素と相関の高い波形成分をＡＤ変換し、抵抗ラダー制御部１４は、例えば１秒毎に出力電圧ＶRlの値を監視し、次の１秒後にＶRlが正しい範囲にあるように抵抗ラダー５を制御する。そしてフーリエ変換は、１２０秒周期に対して６０点でのセンサ抵抗の対数を用いて、センサ抵抗の対数をフーリエ変換して４つの基準信号と比較する。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】実施例のガス検出装置のブロック図である。
【図２】実施例のガス検出装置でのＲＡＭの構成を示す図である。
【図３】実施例のガス検出装置でのＥＥＰＲＯＭの構成を示す図である。
【図４】実施例で用いたガスセンサの抵抗値の波形を示す特性図である。
【図５】実施例で用いたガスセンサの高温域初期の抵抗値波形を示す特性図である。
【図６】実施例のガス検出装置での、サンプリングアルゴリズムを示すフローチャートである。
【図７】実施例のガス検出装置での、調整アルゴリズムを示すフローチャートである。
【図８】実施例で用いたガスセンサのドリフトによる特性の推移を示す特性図である。
【図９】実施例で用いたガスセンサでの水素の検出を示す特性図である。
【図１０】実施例でのＣＯ濃度の算出機構を示す特性図である。
【図１１】実施例での共存水素の検出機構を示す特性図である。
【図１２】実施例のガス検出装置での、メインプログラムを示すフローチャートである。
【図１３】実施例のガス検出装置での、共存水素への補正を示すフローチャートである。
【図１４】変形例のガス検出装置のブロック図である。
【符号の説明】
【００４２】
２            金属酸化物半導体
４            直流電源
５        抵抗ラダー
８,４８      マイクロコンピュータ
１０        バス
１２        ＡＤコンバータ
１４        抵抗ラダー制御部
１６        ヒータ制御部
１８        ＥＥＰＲＯＭ制御部
２０        ＥＥＰＲＯＭ
２２        入出力
２３        調整スイッチ
２４        リセットスイッチ
２６        算術論理演算ユニット
２８        シーケンス制御部
３０        ＲＡＭ
３２        警報制御部
３４        プログラムメモリー
３６        駆動回路
３８        ブザー
３９,４０      ＬＥＤ
４１〜４４      カード
５０        フーリエ変換部
Ｓ        金属酸化物半導体ガスセンサ
ｈ１,ｈ２      ヒータ
Ｔ１,Ｔ２      トランジスタ
Ｒ１〜Ｒｎ      抵抗
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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