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。
【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。
【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
【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
【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。
【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。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【公開番号】特開2010−256052(P2010−256052A)
【公開日】平成22年11月11日(2010.11.11)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2009−103528(P2009−103528)
【出願日】平成21年4月22日(2009.4.22)
【出願人】(000006895)矢崎総業株式会社 (7,019)
【Fターム(参考)】
【公開日】平成22年11月11日(2010.11.11)
【国際特許分類】
【出願日】平成21年4月22日(2009.4.22)
【出願人】(000006895)矢崎総業株式会社 (7,019)
【Fターム(参考)】
[ Back to top ]