ガス分析装置

【課題】吸着燃焼式のガスセンサを用いたガス分析装置で、計測ガスの濃度の違いによってもセンサ出力の微分値のピークにズレを生じず、ピークのガスセンサの温度を検知できるようにする。
【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一定昇温制御する。１回目の４０ミリ秒の間に、マイクロヒータを一定昇温制御しながらマイクロヒータの抵抗値を高速サンプリングする。１回目の４０ミリ秒でガスセンサの余分なガス成分、水分等を焼き飛ばす。その後の１０秒間マイクロヒータを１００℃に保ち、計測ガスを吸着させる。２回目の４０ミリ秒の間に、マイクロヒータを一定昇温制御しながらマイクロヒータの抵抗値を高速サンプリングする。計測値を微分してピーク値を求め、ガス種を判定する。ピーク値の抵抗値からガス濃度を判定する。

【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１１はこのガス検知装置の回路ブロック図、図１２は同ガス検知装置の駆動用のパルス電圧を示す図、図１３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１３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１１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１２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。
【特許文献１】特開２００５−８３９４９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
前記のように、吸着燃焼式ガスセンサはパルス電圧により駆動されている。そのため、微分演算部から出力されるピークを持つ波形の、ピーク時の燃焼温度が計測できないという問題がある。
【０００８】
ところで、ガス分析器として考えた場合、微分波形のピークが何度の温度の時に出現するかを計測することは重要な意味を持つ。例えば、吸着離脱ガスセンサを用いた分析器などは、同様な計測を行い、出現するピークの温度から、ガス成分の組成等の検討をするのに用いられている。このため、前記従来のガス検知器ではガス分析器として用いることができない。
【０００９】
また、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。
【００１０】
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、ガス種による間隔が小さい。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。
【００１１】
また、一旦、ゼロガス補正を行う必要があるため、クリーンガスを準備しなければならないという問題がある。
【００１２】
本発明は、微分波形のピーク位置がガス濃度によりズレを生じることなく、ピーク位置の温度を計測できる、ガス分析を精度良く行えるガス分析装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
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ことを特徴とする。
【００１４】
請求項２のガス分析装置は、請求項１に記載のガス分析装置であって、前記ヒータの抵抗値をサンプリングして該サンプリングした抵抗値が一定変化で上昇するように、該ヒータに印加する電圧を制御することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１のガス分析装置によれば、ガスセンサの出力の微分波形のピーク位置が、ガス濃度の違いによる影響を受けずに殆どずれを生じることがない。また、ピークの出るセンサ温度も計測することができ、こにれより、ガスの組成によるピークの出力を考察する分析器として活用することができる。さらに、クリーンガスによるゼロガス補正を必要としない。
【００１６】
請求項２のガス分析装置によれば、請求項１の効果に加えて、抵抗値のフィードバック制御でよいので、制御が容易になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
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。
【００１８】
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。
【００１９】
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。
【００２０】
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）
【００２１】
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。
【００２２】
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
【００２３】
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。
【００２４】
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。
【００２５】
図３(A) の処理では、ステップＳ１で、ＲＡＭ１４内の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Ｓ３で、ブリッジ電圧ＤＡ１の初期値として１００℃になる電圧を出力しながら１０秒間待機し、ステップＳ４で２回目のヒータ制御＆サンプリング処理を行う。次に、ステップＳ５でＲＡＭ１４に格納した２回目のヒータ制御＆サンプリング処理によるサンプリングデータに微分演算を行う。次に、ステップＳ６で微分波形のピーク値を取得し、ステップＳ７でガス種の判定、ステップＳ６でガス濃度の判定を行い、ステップＳ９でガス種、ガス濃度を出力する。そして、ステップＳ１０でその他の処理を行って処理を終了する。
【００２６】
図３(B) のヒータ制御＆サンプリング処理では、ステップＳ１１で、前記式（３）の傾きをΔＲｏとして求める。次に、ステップＳ１２でサンプリングのカウント値をリセットし、ステップＳ１３で割り込みをイネーブルにし、ステップＳ１４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Ｓ１５でカウント値が４０００になるまで待機する。カウント値は、図５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Ｓ１６で割り込みをディセーブルにし、ステップＳ１７で出力処理を行ってメインルーチン（図３(A) ）に復帰する。
【００２７】
図４の割り込み処理では、ステップＳ２１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Ｓ２２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Ｓ２３でＡＤ３のデータをメモリ（ＲＡＭ）に格納する。次に、ステップＳ２４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Ｓ２５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Ｓ２６及びステップＳ２７でＲｓとＲｏの大小関係を判定し、Ｒｓ＜Ｒｏであれば、ステップＳ２８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Ｓ３０に進む。Ｒｓ＝Ｒｏであれば増量ΔＤＡ１はもとのままでステップＳ３０に進む。Ｒｓ＞Ｒｏであれば、ステップＳ２９で、増量ΔＤＡ１から係数ｋｉｎｃを減算して更新し、ステップＳ３０に進む。そして、ステップＳ３０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Ｓ３１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Ｓ３２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の温度変化を示す図であり、１回目及び２回目の４０ミリ秒のマイクロヒータ１の温度は一定昇温制御されている。１回目の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、その後の１０秒間で計測ガスを吸着させる。そして、２回目の一定昇温制御によるガス計測を行う。
【００３１】
図６は時間に対するガスセンサのマイクロヒータ１の抵抗値を示すグラフ、図７はマイクロヒータ１の抵抗値と理想的な抵抗値との時間に対する誤差を示すグラフである。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。図６に示すように、マイクロヒータ１の温度制御は、定常状態に入ると０．２％以内の誤差で制御されている。
【００３２】
図６に示す抵抗値のように、マイクロヒータ１の温度は、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も低い温度に制御される。このため、ＡＤ３の値は、ガス種、ガス濃度により変化する。
【００３３】
図８は計測ガスがＩＳＯブタノールの場合のＡＤ３の出力変化を示すグラフである。なお、以下の図８〜図１０のグラフの横軸は、一定昇温制御での時間（１５ミリ秒〜４０ミリ秒）をガスセンサの温度にした温度軸である。また、０〜１５ミリ秒までの波形はヒータ制御が定常状態に無いため省略した。そして、このサンプリングされたＡＤ３のデータに対して次式（４）により微分演算を行う。
【００３４】
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）
【００３５】
図９は図８に示すＩＳＯブタノールの一定昇温制御におけるＡＤ３の微分値のグラフである。また、図１０はＴＥＲＴブタノールの一定昇温制御におけるＡＤ３の微分値のグラフである。このような微分値の波形からそのピーク位置（温度）を求め、そのピーク位置からガス種を判定する。また、ピーク位置でのＡＤ３の値を求め、ガス濃度を算出する。なお、ガス濃度の算出は、予めガス濃度毎に求めておいた回帰式による。
【００３６】
図９に示すＩＳＯブタノールの各濃度での微分波形、図１０に示すＴＥＲＴブタノールの各濃度での微分波形を見ても解るとおり、ガス濃度によるピーク位置のズレが殆ど生じていない。また、ＩＳＯブタノールの各濃度での微分波形、ＴＥＲＴブタノールの各濃度での微分波形で、ピークの出るセンサ温度も計測することができる。
【００３７】
また、実施形態によれば、２段目の計装アンプａｐ４のゲインを切り換えることで、低濃度のガスでも分析が可能となる。また、吸着離脱式分析器のような大きな部品を必要としななど、装置の小型化が可能であり、装置の携帯が可能となる。さらに、ガス検知装置と同様な部品により、低コストのガス分析装置となる。
【００３８】
なお、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。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【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の温度変化を示す図である。
【図６】実施形態における時間に対するガスセンサのマイクロヒータの抵抗値を示すグラフである。
【図７】実施形態におけるガスセンサのマイクロヒータの抵抗値と理想的な抵抗値との時間に対する誤差を示すグラフである。
【図８】計測ガスがＩＳＯブタノールの場合のＡＤ３の出力変化を示すグラフである。
【図９】ＩＳＯブタノールの一定昇温制御におけるＡＤ３の微分値のグラフである。
【図１０】ＴＥＲＴブタノールの一定昇温制御におけるＡＤ３の微分値のグラフである。
【図１１】従来のガス検知装置のの回路ブロック図である。
【図１２】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１３】吸着燃焼式ガスセンサの概略構造を示す図である。
【符号の説明】
【００４０】
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
１６ＤＳＰ
１７ＤＡコンバータ

【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ことを特徴とするガス分析装置。
【請求項２】
前記ヒータの抵抗値をサンプリングして該サンプリングした抵抗値が一定変化で上昇するように、該ヒータに印加する電圧を制御することを特徴とする請求項１に記載のガス分析装置。

【図１】