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、センサ出力の検出値の微分波形から正確にガス種を判定する。
【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抵抗値を高速サンプリングする。最初に余分なガス成分、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、測定ガスを吸着させる。次に、マイクロヒータを一定昇温制御しながら抵抗値を高速サンプリングする。計測値を微分して微分波形を求める。微分波形をウェーブレット分解・合成し、ノイズを除去する。ノイズを除去した微分波形と基準ガスの微分波形との相互相関をとり、相関係数を求める。複数の基準ガスを選択しながら、相関係数を閾値と比較し、閾値以上の場合にその基準ガスのガス種を測定ガスのガス種とする。異なる吸着時間または吸着温度を設定して同様に相関係数によりガス種を判定する。
【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抵抗値を高速サンプリングする。最初に余分なガス成分、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、測定ガスを吸着させる。次に、マイクロヒータを一定昇温制御しながら抵抗値を高速サンプリングする。計測値を微分して微分波形を求める。微分波形をウェーブレット分解・合成し、ノイズを除去する。ノイズを除去した微分波形と基準ガスの微分波形との相互相関をとり、相関係数を求める。複数の基準ガスを選択しながら、相関係数を閾値と比較し、閾値以上の場合にその基準ガスのガス種を測定ガスのガス種とする。異なる吸着時間または吸着温度を設定して同様に相関係数によりガス種を判定する。
【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３３はこのガス検知装置の回路ブロック図、図３４は同ガス検知装置の駆動用のパルス電圧を示す図、図３５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３５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３３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３４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微分波形が得られる。ガス濃度検出部は積分演算部の値からガス濃度を算出する。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。詳細には、微分波形データにおける微分値上昇方向から下降方向に変わる変局点の出現時間をピーク位置とするとともに、この変局点の数をピーク数として算出する。そして、ピーク位置及びピーク数を、基準ピークデータを含む微分波形データベースと比較して、ガス種を判定する。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】
前記のように、従来の技術では、微分波形データの微分値上昇方向から下降方向に変わる変局点の出現時間をピーク位置としているが、マイコンやＤＳＰ等でこの方法でピーク位置を検出しようとすると、ノイズや微分波形の歪みを間違ってピークと判断する可能性がある。また、被検出ガスにおける微分波形のピーク数は多くても３個程度であり、ピーク数からガス種を判定するにはデータが少なすぎて、誤判定し易いという問題がある。また、ピーク位置とピーク数からの判定ではデータが少なすぎ、計測誤差等によりピーク位置が微妙にずれた場合、判定精度に問題が生じる。
【０００９】
本発明は、微分波形から精度よくガス種を判定でき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】
【００１０】
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種を判定するガス分析装置であって、ガス種と微分波形データが既知である複数の基準ガスの該微分波形データを記憶手段に記憶しておき、前記取得した微分波形データに対して前記記憶手段から基準ガスの微分波形データを読み出し、該取得した微分波形データと該基準ガスの微分波形データとの相互相関関係による相関係数を求め、ずらし量が０のときの該相関係数が所定の閾値以上となった基準ガスのガス種を、前記取得した微分波形データに対応するガスのガス種であるとして、該ガス種を判定することを特徴とする。
【００１１】
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、前記記憶手段に、前記複数の基準ガスとして、同じガス種であって吸着時間の異なる複数の基準ガスの前記微分波形データを含んで記憶しておき、該吸着時間の異なる基準ガスの各々に対して、前記吸着燃焼式ガスセンサにおける吸着時間を該各々の吸着時間に設定して前記微分波形データを取得し、該吸着時間の異なる基準ガスにより同じガス種について、前記相互相関係数により前記ガス種を判定することを特徴とする。
【００１２】
請求項３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、前記記憶手段に、前記複数の基準ガスとして、同じガス種であって吸着温度の異なる複数の基準ガスの前記微分波形データを含んで記憶しておき、該吸着温度の異なる基準ガスの各々に対して、前記吸着燃焼式ガスセンサにおける吸着温度を該各々の吸着温度に設定して前記微分波形データを取得し、該吸着温度の異なる基準ガスにより同じガス種について、前記相互相関係数により前記ガス種を判定することを特徴とする。
【００１３】
請求項４のガス分析装置は、請求項１乃至３のいずれか一項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。
【００１４】
請求項５のガス分析装置は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガス分析装置であって、前記取得した微分波形データをウェーブレット分解し、マザーウェーブレットのスケールの大きな高レベルのウェーブレット係数により合成してノイズを除去し、該ノイズを除去した微分波形データに基づいてガス種の判定を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１のガス分析装置によれば、微分波形はガス濃度に依らずガス種に固有の同じ波形となるので、基準ガスの微分波形との相互相関関係によりガス種を精度高く判定することができる。
【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、ガス種が異なり同じ吸着時間の基準ガスについての微分波形が類似していても、ガス種判別の精度が高まる。
【００１７】
請求項３のガス分析装置によれば、請求項１の効果に加えて、ガス種が異なり同じ吸着温度の基準ガスについての微分波形が類似していても、ガス種判別の精度が高まる。
【００１８】
請求項３のガス分析装置によれば、請求項１または請求項２の効果に加えて、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く、さらに正確なガス種の判定を行うことができる。
【００１９】
請求項３のガス分析装置によれば、請求項１または請求項２または請求項３の効果に加えて、微分波形からノイズを除去できるとともにピーク値の位置のズレや波形の歪みが生じることがなく、さらに正確なガス種の判定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】実施形態の第１実施例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】実施形態の第１実施例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】実施形態の第１実施例に係るガス種判定処理のフローチャートである。
【図６】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７】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８】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９】実施形態におけるＩＳＯブタノール５０ｐｐｍの微分波形を示すグラフである。
【図１０】実施形態におけるｃｏｉｆｒｅｔｓ５のマザーウェーブレットを示す図である。
【図１１】実施形態におけるウェーブレット分解の様子を説明する図である。
【図１２】実施形態におけるＴＥＲＴブタノールのノイズを除去した微分波形のグラフである。
【図１３】実施形態における係数を乗算したＴＥＲＴブタノールの微分波形である。
【図１４】実施形態における係数を乗算したエタノールの微分波形である。
【図１５】実施形態におけるＴＥＲＴブタノール３０ｐｐｍと他のガスの相関係数のグラフである。
【図１６】実施形態におけるエタノール１０００ｐｐｍと他のガスの相関係数のグラフである。
【図１７】実施形態におけるＴＥＲＴブタノール３０ｐｐｍと他のガスのｌａｇ０での相関係数のグラフである。
【図１８】実施形態におけるエタノール１０００ｐｐｍと他のガスのｌａｇ０での相関係数のグラフである。
【図１９】実施形態における吸着温度２００℃、吸着時間２５分でのエタノールの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。
【図２０】実施形態における吸着温度２００℃、吸着時間２５分でのアセトンの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。
【図２１】実施形態におけるエタノール１００ｐｐｍを基準波形とした各濃度のエタノールの微分波形と３０ｐｐｍ及び５０ｐｐｍのアセトンの微分波形の相関係数のグラフである。
【図２２】実施形態におけるエタノール１００ｐｐｍを基準波形とした各濃度のエタノールの微分波形と３０ｐｐｍ及び５０ｐｐｍのアセトンの微分波形のｌａｇ０での相関係数のグラフである。
【図２３】実施形態における吸着温度２００℃、吸着時間１分でのエタノールの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。
【図２４】実施形態における吸着温度２００℃、吸着時間１分でのアセトンの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。
【図２５】実施形態における吸着時間１分でのエタノール１００ｐｐｍを基準波形とした各濃度のエタノールの微分波形と３０ｐｐｍ及び５０ｐｐｍのアセトンの微分波形の相関係数のグラフである。
【図２６】図２５のｌａｇ０での縦軸拡大図である。
【図２７】実施形態の第２実施例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２８】実施形態における吸着温度１００℃、吸着時間２５分でのエタノールの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。
【図２９】実施形態における吸着温度１００℃、吸着時間２５分でのアセトンの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。
【図３０】実施形態における吸着温度１００℃でのエタノール１００ｐｐｍを基準波形とした各濃度のエタノールの微分波形と３０ｐｐｍ及び５０ｐｐｍのアセトンの微分波形の相関係数のグラフである。
【図３１】図３０のｌａｇ０での縦軸拡大図である。
【図３２】実施形態の第３実施例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３３】従来のガス検知装置の回路ブロック図である。
【図３４】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３５】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】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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）
【００２５】
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。
【００２６】
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
【００２７】
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。
【００２８】
（第１実施例）図３、図４及び図５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。図５はガス種判定処理のサブルーチンのフローチャートである。次に、同フローチャートに基づいて動作を説明する。
【００２９】
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で後述する図５によるガス種判定処理を行う。そして、プＳ７でガス濃度の判定を行い、ステップＳ８でガス種、ガス濃度を出力し、ステップＳ９でその他の処理を行って処理を終了する。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
図６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秒間で測定ガスを吸着させる。そして、２回目の一定昇温制御によるガス計測を行う。
【００３５】
図７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８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７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。
【００３６】
図７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。
【００３７】
そして、以上のように一定昇温制御のもとにサンプリングしたＡＤ３のデータに対して次式（４）により微分演算を行う。
【００３８】
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）
【００３９】
図９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（微分波形）である。なお、図９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。
【００４０】
このような微分波形にはノイズが発生する。このノイズはノコギリ状のノイズであり、このノイズの周期が一定である。そして、この微分波形データに対して、図１０のｃｏｉｆｒｅｔｓ５のマザーウェーブレットでレベル５のウェーブレット分解を行う。
【００４１】
図１１はウェーブレット分解の様子を説明する図である。図１１(A) に示すように、この実施例では図１０のマザーウェーブレット波形の時間軸方向の幅を５段階にスケーリングしてウェーブレット分解した。なお、レベル１からレベル５になるほどスケールは大きくなる。そして、レベル１〜５の各レベルの各ブロックにウェーブレット係数が求まる。このレベル１〜５の各々のディテイルは図１１(B) のようになり、各レベル１〜５の合成波形は図１１(C) のようになる。ノイズを除去した微分波形としたはレベル５だけ必要である、レベル４〜１はノイズ成分と見なすことができる。このため、ウェーブレット係数に対するスレッシュホールドを、レベル４〜１に対して最高値とし、レベル５に対して０とし、合成を行うことでノイズが除去できる。
【００４２】
次に、ガス種の判定方法について説明する。ガスの種類毎に、予め所定濃度の基準ガスを決めておき、その基準ガスについての微分波形を求めておく。また、この基準ガスの微分波形におけるピークの値は既知である。これらの基準ガスの微分波形データとピークの値をそのガス種に対応してＲＯＭ１５等に記憶しておく。
【００４３】
サンプリングして微分した得られた微分波形データからガス濃度０での微分波形データを減算し、そのデータに対して前記ウェーブレット分解及び合成によりよるノイズ除去を行う。図１２はＴＥＲＴブタノールの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。基準ガスの微分波形データのピークの値をこのノイズを除去した微分波形データのピークの値で除算して係数を求め、この係数をノイズを除去した微分波形データに乗算し、ピークの高さを同じにする。すなわち規格化する。図１３は係数を乗算して規格化したＴＥＲＴブタノールの微分波形である。また、図１４は同様に係数を乗算して規格化したエタノールの微分波形である。
【００４４】
これらの図から解るように、この微分波形はガス濃度に依らずガス種に固有の同じ波形をしている。すなわち、ピークの位置もガス濃度に依らずガス種に固有の一定の位置である。そこで、基準ガスの微分波形データをｘと測定ガスの規格化した微分波形データをｙとし、この微分波形データｘと微分波形データｙの相関関係をとり、次式（５）により相関係数ｒを求める。
【００４５】
【数１】
【００４６】
そして、ｌａｇ（ずれ時間）が０での相関係数ｒ０を閾値と比較し、その相関係数が閾値以上でれば測定ガスがその相関関係をとった基準ガスと同じガス種であると判定する。
【００４７】
図１５はＴＥＲＴブタノール３０ｐｐｍを基準ガスとした場合の他のガスの相関係数のグラフである。図１６はエタノール１０００ｐｐｍを基準ガスとした場合の他のガスの相関係数のグラフである。ガス種が同じであれば、濃度によらず相関係数のグラフはｌａｇ０を基準ガスとした正規分布を描き、波形形状も大きさもほぼ同一である。一方、ガス種が異なれば、相関係数のピークはｌａｇ０を外れる。
【００４８】
以上のことから、ｌａｇ０での相関係数ｒ０に閾値を設けることで測定ガスが基準ガスと同じガス種であるか否かが解り、この処理を複数の基準ガスを用いて判断することで、測定ガスのガス種を判定することができる。なお、図１７はＴＥＲＴブタノール３０ｐｐｍと他のガスのｌａｇ０での相関係数のグラフ、図１８(A) はエタノール１０００ｐｐｍと他のガスのｌａｇ０での相関係数のグラフ、図１８(B) は図１８(A) の縦軸拡大図である。この図から解るように、相関係数の閾値を０．９５に設定し、測定ガスと基準ガスの微分波形の相関係数が０．９５以上の場合は、測定ガスは基準ガスと同種のガスであると判定でき、０．９５未何の場合は、測定ガスは基準ガスと異種のガスであると判定できる。
【００４９】
図５のガス種判定処理では、ステップＳ４１で、基準ガスを選択し、ＲＯＭ１５に記憶されている基準ガスの微分波形データ及びピーク値を読み出す。次に、ステップＳ４２で測定ガスの微分波形からガス濃度０の微分波形を減算し、ステップＳ４３でウェーブレット分解及び合成によりノイズ除去を行う。次に、ステップＳ４４で係数を演算するとともにノイズを除去した微分波形に係数を乗算して規格化し、ステップＳ４５で相関係数を演算する。
【００５０】
次に、ステップＳ４６でｌａｇ＝０における相関係数ｒ０を抽出し、ステップＳ４７で相関係数ｒ０が閾値以上であるかを判定する。閾値以上であれば、現在の基準ガスのガス種を測定ガスのガス種と判定して元のルーチンに復帰する。閾値以上でなければ、ステップＳ４９で全基準ガスについての処理が終了しているかを判定し、判定がＮＯであればステップＳ４１に戻って同様の処理を行う。なお、閾値以上がなく全ての基準ガスについての処理が終了した場合には、ステップＳ５０でガス種の判定がＮＧであると判断し、元のルーチンに復帰する。
【００５１】
（第２実施例）以上のように相関係数ｒ０を閾値と比較する方法は、微分波形の形状及びピーク位置が一致するか否かを判定しているが、異なるガス種でも波形及びピーク位置が類似している場合に誤判定をするおそれがある。
【００５２】
例えば、図１９は吸着温度２００℃、吸着時間２５分でのエタノールの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフであり、図２０は吸着温度２００℃、吸着時間２５分でのアセトンの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。このように。図１９に示す各濃度でのエタノールと、図２０に示す低濃度（１０ｐｐｍ）でのアセトンの波形及びピーク位置は類似している。なお、吸着温度及び吸着時間は、前掲の図６に示す第１実施例における１００℃、１０秒に相当するものである。
【００５３】
上記の波形の類似をさらに確認した。エタノール１００ｐｐｍを基準波形として、上記各濃度のエタノールの微分波形と、３０ｐｐｍ及び５０ｐｐｍのアセトンの微分波形について相互相関をとると、その相関係数は図２１のようになった。この図から解るように、エタノールとアセトンの相関係数の波形に殆ど変わりはない。図２２は図２１のｌａｇ０での縦軸拡大図であるが、エタノール１０ｐｐｍの相関係数より、アセトンの３０ｐｐｍ及び５０ｐｐｍでの相関係数（ｒ０）の方が大きく、エタノールとアセトンの判別ができないことが解る。このように、微分波形が似ているガス同士では判別ができない場合がある。
【００５４】
そこで、以下の第２実施例あるいは第３実施例のようにするとよりガス種の判別を高精度とすることができる。図２３は吸着温度２００℃、吸着時間１分でのエタノールの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。このグラフと図１９のグラフとを比較すると、同種のガスでもセンサへの吸着時間の違いにより、ガス種固有の微分波形の二つの山の比率が変わることが解る。なお、これらのグラフの横軸は、前述のとり一定昇温制御での燃焼反応時の時間をガスセンサの温度にした温度軸である。
【００５５】
エタノールの場合、微分波形に３００℃と４００℃（いずれも時間相当）付近にピークを持つ山がある。吸着時間が２５分の場合は４００℃付近にピークを持つ山の比率が、３００℃付近にピークを持つ山に比べて著しく大きい。これに対して、吸着時間が１分の場合は４００℃付近にピークを持つ山の比率が、３００℃付近にピークを持つ山に比べて若干大きい程度である。
【００５６】
図２４は吸着温度２００℃、吸着時間１分でのアセトンの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。このグラフと図２０のグラフとを比較すると、この場合も、同種のガスでもセンサへの吸着時間の違いにより、ガス種固有の微分波形の二つの山の比率が変わることが解る。
【００５７】
アセトンの場合、微分波形に３５０℃と４００℃（いずれも時間相当）付近にピークを持つ山がある。吸着時間が２５分の場合（図２０）は、低濃度で４００℃付近にピークを持つ山の比率が、３５０℃付近にピークを持つ山に比べ大きい。これに対して、吸着時間が１分の場合は４００℃付近にピークを持つ山が殆どなく、３５０℃付近にピークを持つ山だけになる。
【００５８】
このように、微分波形は吸着時間に対し、ガス種固有のパターンを持つ。図２５は、吸着時間１分でのエタノール１００ｐｐｍを基準波形として、上記各濃度のエタノールの微分波形と、３０ｐｐｍ及び５０ｐｐｍのアセトンの微分波形について相互相関をとった相関係数のグラフである。各濃度のエタノールの波形（相関係数）とアセトンの波形は明らかに異なっている。図２６は図２５のｌａｇ０での縦軸拡大図であるが、各濃度のエタノールでの相関係数（ｒ０）は０．９以上あるが、アセトンの相関係数は０．８以下である。したがって、吸着時間１分では相関係数の閾値を０．９から０．８に切替設定することにより、エタノールとアセトンの判別ができる。
【００５９】
このように、同種のガスでも、センサへの吸着時間の違いにより、ガス種固有の微分波形の二つの山の比率が変わり、この変わる比率はガス種により異なっている。そこで、複数の吸着時間を設定し、吸着時間毎に判別を行い、各吸着時間での判別結果の総合判定を行うことにより、ガス種判別をより高精度化できる。例えば、総合判定は各吸着時間での基準ガスの微分波形との相関係数ｒ０が０．９以上の場合、基準ガスと同種であると判定する。また、エタノールとアセトンの場合、吸着時間２５分では相関係数０．９により同定されるが、このエタノールとアセトンの場合でも、吸着時間１分では相関係数０．８以下となり、別種でると判定される。すなわち、二つの吸着時間での判定から、エタノールを基準ガスとし、測定ガスをアセトンとした場合、基準ガスと測定ガスは異種と判定される。
【００６０】
図２７はこの第２実施例に係るフローチャートであり、前記同様図４及び図５はＤＳＰ１６が実行するプログラムのフローチャートである。先ず、ステップＳ６１でセンサを高温にして高温燃焼し、ステップＳ６２で第１吸着時間に設定してこの第１吸着時間の間、測定ガスを吸着させる。次に、ステップＳ６３で、前記同様にヒータ制御＆サンプリング処理を行い、ステップＳ６４でサンプリングデータに微分演算を行う。そして、ステップＳ６５で、各種基準ガスのデータを記憶しているデータベースを検索し、第１吸着時間に対応する基準ガスとの相互相関をとって相関係数を演算する。なお、このステップＳ６５では、前記同様にノイズ除去及び係数乗算による規格化等の処理も行う。
【００６１】
次に、ステップＳ６６で第２吸着時間に設定してこの第２吸着時間の間、測定ガスを吸着させる。次に、ステップＳ６７で、前記同様にヒータ制御＆サンプリング処理を行い、ステップＳ６８でサンプリングデータに微分演算を行い、ステップＳ６９でステップＳ６６と同様にデータベースの検索、相関係数の演算等を行う。そして、ステップＳ７０で、各演算された相関係数と、各種閾値により、ガス種の総合判定を行う。
【００６２】
（第３実施例）以下の第３実施例のようにするとより前掲の図１９乃至図２２で説明した微分波形が似ているガス同士に対してガス種の判別を高精度とすることができる。図２８は吸着温度１００℃、吸着時間２５分でのエタノールの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。このグラフと図１９のグラフとを比較すると、同種のガスでもセンサへの吸着温度の違いにより、ガス種固有の微分波形の二つの山の比率が変わることが解る。なお、これらのグラフの横軸は、前述のとり一定昇温制御での燃焼反応時の時間をガスセンサの温度にした温度軸である。
【００６３】
エタノールの場合、微分波形に約２２０℃、約３００℃、４００℃（いずれも時間相当）付近にピークを持つ山がある。吸着温度が２００℃の場合は２２０℃と３００℃付近にピークを持つ山が殆ど無いが、４００℃付近にピークを持つ山が大きくでる。これに対して、吸着温度が１００℃の場合、１８０℃と３００℃付近にピークを持つ山があるが、４００℃付近にピークを持つ山が殆ど無い。
【００６４】
図２９は吸着温度１００℃、吸着時間２５分でのアセトンの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。このグラフと図２０のグラフとを比較すると、この場合も、同種のガスでもセンサへの吸着温度の違いにより、ガス種固有の微分波形の山の比率が変わることが解る。
【００６５】
アセトンの場合、微分波形に３５０℃と４００℃（いずれも時間相当）付近にピークを持つ山がある。吸着温度が２００℃（図２０）の場合は、低濃度で４００℃付近にピークを持つ山の比率が、３５０℃付近にピークを持つ山に比べ大きい。これに対して、吸着温度が１００℃の場合は４００℃付近にピークを持つ山が殆どなく、３５０℃付近にピークを持つ山だけになる。
【００６６】
このように、微分波形は吸着温度に対し、ガス種固有のパターンを持つ。図３０は、吸着温度１００℃でのエタノール１００ｐｐｍを基準波形として、上記各濃度のエタノールの微分波形と、３０ｐｐｍ及び５０ｐｐｍのアセトンの微分波形について相互相関をとった相関係数のグラフである。各濃度のエタノールの波形（相関係数）とアセトンの波形は明らかに異なっている。図３１は図３０のｌａｇ０での縦軸拡大図であるが、各濃度のエタノールでの相関係数（ｒ０）は０．８以上あるが、アセトンの相関係数は０．７以下である。したがって、吸着温度１００℃では相関係数の閾値を０．８から０．７に切替設定することにより、エタノールとアセトンの判別ができる。
【００６７】
このように、同種のガスでも、センサへの吸着温度の違いにより、ガス種固有の微分波形の二つの山の比率が変わり、この変わる比率はガス種により異なっている。そこで、複数の吸着温度を設定し、吸着温度毎に判別を行い、各吸着温度での判別結果の総合判定を行うことにより、ガス種判別をより高精度化できる。例えば、総合判定は各吸着温度での基準ガスの微分波形との相関係数ｒ０が０．８以上の場合、基準ガスと同種であると判定する。また、エタノールとアセトンの場合、吸着温度２００℃では相関係数０．９により同定されるが、このエタノールとアセトンの場合でも、吸着温度１００℃では相関係数０．７以下となり、別種でると判定される。すなわち、二つの吸着温度での判定から、エタノールを基準ガスとし、測定ガスをアセトンとした場合、基準ガスと測定ガスは異種と判定される。
【００６８】
図３２はこの第３実施例に係るフローチャートであり、前記同様図４及び図５はＤＳＰ１６が実行するプログラムのフローチャートである。先ず、ステップＳ７１でセンサを高温にして高温燃焼し、ステップＳ７２で第１吸着温度に設定してこの第１吸着温度で、測定ガスを吸着させる。次に、ステップＳ７３で、前記同様にヒータ制御＆サンプリング処理を行い、ステップＳ７４でサンプリングデータに微分演算を行う。そして、ステップＳ７５で、各種基準ガスのデータを記憶しているデータベースを検索し、第１吸着温度に対応する基準ガスとの相互相関をとって相関係数を演算する。なお、このステップＳ７５では、前記同様にノイズ除去及び係数乗算による規格化等の処理も行う。
【００６９】
次に、ステップＳ７６で第２吸着時間に設定してこの第２吸着時間の間、測定ガスを吸着させる。次に、ステップＳ７７で、前記同様にヒータ制御＆サンプリング処理を行い、ステップＳ７８でサンプリングデータに微分演算を行い、ステップＳ７９でステップＳ７６と同様にデータベースの検索、相関係数の演算等を行う。そして、ステップＳ８０で、各演算された相関係数と、各種閾値により、ガス種の総合判定を行う。
【００７０】
以上の実施形態では、微分波形からノイズを除去する処理としてウェーブレット分解及び合成を行うようにしているが、ノイズ除去の方法は他の方法でもよい。
【００７１】
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】
【００７２】
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
１５ ＲＯＭ（記憶手段）
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３３はこのガス検知装置の回路ブロック図、図３４は同ガス検知装置の駆動用のパルス電圧を示す図、図３５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３５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３３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３４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微分波形が得られる。ガス濃度検出部は積分演算部の値からガス濃度を算出する。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。詳細には、微分波形データにおける微分値上昇方向から下降方向に変わる変局点の出現時間をピーク位置とするとともに、この変局点の数をピーク数として算出する。そして、ピーク位置及びピーク数を、基準ピークデータを含む微分波形データベースと比較して、ガス種を判定する。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】
前記のように、従来の技術では、微分波形データの微分値上昇方向から下降方向に変わる変局点の出現時間をピーク位置としているが、マイコンやＤＳＰ等でこの方法でピーク位置を検出しようとすると、ノイズや微分波形の歪みを間違ってピークと判断する可能性がある。また、被検出ガスにおける微分波形のピーク数は多くても３個程度であり、ピーク数からガス種を判定するにはデータが少なすぎて、誤判定し易いという問題がある。また、ピーク位置とピーク数からの判定ではデータが少なすぎ、計測誤差等によりピーク位置が微妙にずれた場合、判定精度に問題が生じる。
【０００９】
本発明は、微分波形から精度よくガス種を判定でき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】
【００１０】
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種を判定するガス分析装置であって、ガス種と微分波形データが既知である複数の基準ガスの該微分波形データを記憶手段に記憶しておき、前記取得した微分波形データに対して前記記憶手段から基準ガスの微分波形データを読み出し、該取得した微分波形データと該基準ガスの微分波形データとの相互相関関係による相関係数を求め、ずらし量が０のときの該相関係数が所定の閾値以上となった基準ガスのガス種を、前記取得した微分波形データに対応するガスのガス種であるとして、該ガス種を判定することを特徴とする。
【００１１】
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、前記記憶手段に、前記複数の基準ガスとして、同じガス種であって吸着時間の異なる複数の基準ガスの前記微分波形データを含んで記憶しておき、該吸着時間の異なる基準ガスの各々に対して、前記吸着燃焼式ガスセンサにおける吸着時間を該各々の吸着時間に設定して前記微分波形データを取得し、該吸着時間の異なる基準ガスにより同じガス種について、前記相互相関係数により前記ガス種を判定することを特徴とする。
【００１２】
請求項３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、前記記憶手段に、前記複数の基準ガスとして、同じガス種であって吸着温度の異なる複数の基準ガスの前記微分波形データを含んで記憶しておき、該吸着温度の異なる基準ガスの各々に対して、前記吸着燃焼式ガスセンサにおける吸着温度を該各々の吸着温度に設定して前記微分波形データを取得し、該吸着温度の異なる基準ガスにより同じガス種について、前記相互相関係数により前記ガス種を判定することを特徴とする。
【００１３】
請求項４のガス分析装置は、請求項１乃至３のいずれか一項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。
【００１４】
請求項５のガス分析装置は、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガス分析装置であって、前記取得した微分波形データをウェーブレット分解し、マザーウェーブレットのスケールの大きな高レベルのウェーブレット係数により合成してノイズを除去し、該ノイズを除去した微分波形データに基づいてガス種の判定を行うことを特徴とする。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１のガス分析装置によれば、微分波形はガス濃度に依らずガス種に固有の同じ波形となるので、基準ガスの微分波形との相互相関関係によりガス種を精度高く判定することができる。
【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、ガス種が異なり同じ吸着時間の基準ガスについての微分波形が類似していても、ガス種判別の精度が高まる。
【００１７】
請求項３のガス分析装置によれば、請求項１の効果に加えて、ガス種が異なり同じ吸着温度の基準ガスについての微分波形が類似していても、ガス種判別の精度が高まる。
【００１８】
請求項３のガス分析装置によれば、請求項１または請求項２の効果に加えて、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く、さらに正確なガス種の判定を行うことができる。
【００１９】
請求項３のガス分析装置によれば、請求項１または請求項２または請求項３の効果に加えて、微分波形からノイズを除去できるとともにピーク値の位置のズレや波形の歪みが生じることがなく、さらに正確なガス種の判定を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【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】実施形態の第１実施例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】実施形態の第１実施例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】実施形態の第１実施例に係るガス種判定処理のフローチャートである。
【図６】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７】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８】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９】実施形態におけるＩＳＯブタノール５０ｐｐｍの微分波形を示すグラフである。
【図１０】実施形態におけるｃｏｉｆｒｅｔｓ５のマザーウェーブレットを示す図である。
【図１１】実施形態におけるウェーブレット分解の様子を説明する図である。
【図１２】実施形態におけるＴＥＲＴブタノールのノイズを除去した微分波形のグラフである。
【図１３】実施形態における係数を乗算したＴＥＲＴブタノールの微分波形である。
【図１４】実施形態における係数を乗算したエタノールの微分波形である。
【図１５】実施形態におけるＴＥＲＴブタノール３０ｐｐｍと他のガスの相関係数のグラフである。
【図１６】実施形態におけるエタノール１０００ｐｐｍと他のガスの相関係数のグラフである。
【図１７】実施形態におけるＴＥＲＴブタノール３０ｐｐｍと他のガスのｌａｇ０での相関係数のグラフである。
【図１８】実施形態におけるエタノール１０００ｐｐｍと他のガスのｌａｇ０での相関係数のグラフである。
【図１９】実施形態における吸着温度２００℃、吸着時間２５分でのエタノールの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。
【図２０】実施形態における吸着温度２００℃、吸着時間２５分でのアセトンの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。
【図２１】実施形態におけるエタノール１００ｐｐｍを基準波形とした各濃度のエタノールの微分波形と３０ｐｐｍ及び５０ｐｐｍのアセトンの微分波形の相関係数のグラフである。
【図２２】実施形態におけるエタノール１００ｐｐｍを基準波形とした各濃度のエタノールの微分波形と３０ｐｐｍ及び５０ｐｐｍのアセトンの微分波形のｌａｇ０での相関係数のグラフである。
【図２３】実施形態における吸着温度２００℃、吸着時間１分でのエタノールの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。
【図２４】実施形態における吸着温度２００℃、吸着時間１分でのアセトンの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。
【図２５】実施形態における吸着時間１分でのエタノール１００ｐｐｍを基準波形とした各濃度のエタノールの微分波形と３０ｐｐｍ及び５０ｐｐｍのアセトンの微分波形の相関係数のグラフである。
【図２６】図２５のｌａｇ０での縦軸拡大図である。
【図２７】実施形態の第２実施例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２８】実施形態における吸着温度１００℃、吸着時間２５分でのエタノールの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。
【図２９】実施形態における吸着温度１００℃、吸着時間２５分でのアセトンの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。
【図３０】実施形態における吸着温度１００℃でのエタノール１００ｐｐｍを基準波形とした各濃度のエタノールの微分波形と３０ｐｐｍ及び５０ｐｐｍのアセトンの微分波形の相関係数のグラフである。
【図３１】図３０のｌａｇ０での縦軸拡大図である。
【図３２】実施形態の第３実施例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３３】従来のガス検知装置の回路ブロック図である。
【図３４】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３５】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】
【００２１】
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。
【００２２】
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。
【００２３】
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。
【００２４】
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）
【００２５】
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。
【００２６】
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
【００２７】
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。
【００２８】
（第１実施例）図３、図４及び図５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。図５はガス種判定処理のサブルーチンのフローチャートである。次に、同フローチャートに基づいて動作を説明する。
【００２９】
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で後述する図５によるガス種判定処理を行う。そして、プＳ７でガス濃度の判定を行い、ステップＳ８でガス種、ガス濃度を出力し、ステップＳ９でその他の処理を行って処理を終了する。
【００３０】
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。
【００３１】
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。
【００３２】
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。
【００３３】
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。
【００３４】
図６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秒間で測定ガスを吸着させる。そして、２回目の一定昇温制御によるガス計測を行う。
【００３５】
図７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８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７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。
【００３６】
図７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。
【００３７】
そして、以上のように一定昇温制御のもとにサンプリングしたＡＤ３のデータに対して次式（４）により微分演算を行う。
【００３８】
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）
【００３９】
図９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（微分波形）である。なお、図９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。
【００４０】
このような微分波形にはノイズが発生する。このノイズはノコギリ状のノイズであり、このノイズの周期が一定である。そして、この微分波形データに対して、図１０のｃｏｉｆｒｅｔｓ５のマザーウェーブレットでレベル５のウェーブレット分解を行う。
【００４１】
図１１はウェーブレット分解の様子を説明する図である。図１１(A) に示すように、この実施例では図１０のマザーウェーブレット波形の時間軸方向の幅を５段階にスケーリングしてウェーブレット分解した。なお、レベル１からレベル５になるほどスケールは大きくなる。そして、レベル１〜５の各レベルの各ブロックにウェーブレット係数が求まる。このレベル１〜５の各々のディテイルは図１１(B) のようになり、各レベル１〜５の合成波形は図１１(C) のようになる。ノイズを除去した微分波形としたはレベル５だけ必要である、レベル４〜１はノイズ成分と見なすことができる。このため、ウェーブレット係数に対するスレッシュホールドを、レベル４〜１に対して最高値とし、レベル５に対して０とし、合成を行うことでノイズが除去できる。
【００４２】
次に、ガス種の判定方法について説明する。ガスの種類毎に、予め所定濃度の基準ガスを決めておき、その基準ガスについての微分波形を求めておく。また、この基準ガスの微分波形におけるピークの値は既知である。これらの基準ガスの微分波形データとピークの値をそのガス種に対応してＲＯＭ１５等に記憶しておく。
【００４３】
サンプリングして微分した得られた微分波形データからガス濃度０での微分波形データを減算し、そのデータに対して前記ウェーブレット分解及び合成によりよるノイズ除去を行う。図１２はＴＥＲＴブタノールの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。基準ガスの微分波形データのピークの値をこのノイズを除去した微分波形データのピークの値で除算して係数を求め、この係数をノイズを除去した微分波形データに乗算し、ピークの高さを同じにする。すなわち規格化する。図１３は係数を乗算して規格化したＴＥＲＴブタノールの微分波形である。また、図１４は同様に係数を乗算して規格化したエタノールの微分波形である。
【００４４】
これらの図から解るように、この微分波形はガス濃度に依らずガス種に固有の同じ波形をしている。すなわち、ピークの位置もガス濃度に依らずガス種に固有の一定の位置である。そこで、基準ガスの微分波形データをｘと測定ガスの規格化した微分波形データをｙとし、この微分波形データｘと微分波形データｙの相関関係をとり、次式（５）により相関係数ｒを求める。
【００４５】
【数１】
【００４６】
そして、ｌａｇ（ずれ時間）が０での相関係数ｒ０を閾値と比較し、その相関係数が閾値以上でれば測定ガスがその相関関係をとった基準ガスと同じガス種であると判定する。
【００４７】
図１５はＴＥＲＴブタノール３０ｐｐｍを基準ガスとした場合の他のガスの相関係数のグラフである。図１６はエタノール１０００ｐｐｍを基準ガスとした場合の他のガスの相関係数のグラフである。ガス種が同じであれば、濃度によらず相関係数のグラフはｌａｇ０を基準ガスとした正規分布を描き、波形形状も大きさもほぼ同一である。一方、ガス種が異なれば、相関係数のピークはｌａｇ０を外れる。
【００４８】
以上のことから、ｌａｇ０での相関係数ｒ０に閾値を設けることで測定ガスが基準ガスと同じガス種であるか否かが解り、この処理を複数の基準ガスを用いて判断することで、測定ガスのガス種を判定することができる。なお、図１７はＴＥＲＴブタノール３０ｐｐｍと他のガスのｌａｇ０での相関係数のグラフ、図１８(A) はエタノール１０００ｐｐｍと他のガスのｌａｇ０での相関係数のグラフ、図１８(B) は図１８(A) の縦軸拡大図である。この図から解るように、相関係数の閾値を０．９５に設定し、測定ガスと基準ガスの微分波形の相関係数が０．９５以上の場合は、測定ガスは基準ガスと同種のガスであると判定でき、０．９５未何の場合は、測定ガスは基準ガスと異種のガスであると判定できる。
【００４９】
図５のガス種判定処理では、ステップＳ４１で、基準ガスを選択し、ＲＯＭ１５に記憶されている基準ガスの微分波形データ及びピーク値を読み出す。次に、ステップＳ４２で測定ガスの微分波形からガス濃度０の微分波形を減算し、ステップＳ４３でウェーブレット分解及び合成によりノイズ除去を行う。次に、ステップＳ４４で係数を演算するとともにノイズを除去した微分波形に係数を乗算して規格化し、ステップＳ４５で相関係数を演算する。
【００５０】
次に、ステップＳ４６でｌａｇ＝０における相関係数ｒ０を抽出し、ステップＳ４７で相関係数ｒ０が閾値以上であるかを判定する。閾値以上であれば、現在の基準ガスのガス種を測定ガスのガス種と判定して元のルーチンに復帰する。閾値以上でなければ、ステップＳ４９で全基準ガスについての処理が終了しているかを判定し、判定がＮＯであればステップＳ４１に戻って同様の処理を行う。なお、閾値以上がなく全ての基準ガスについての処理が終了した場合には、ステップＳ５０でガス種の判定がＮＧであると判断し、元のルーチンに復帰する。
【００５１】
（第２実施例）以上のように相関係数ｒ０を閾値と比較する方法は、微分波形の形状及びピーク位置が一致するか否かを判定しているが、異なるガス種でも波形及びピーク位置が類似している場合に誤判定をするおそれがある。
【００５２】
例えば、図１９は吸着温度２００℃、吸着時間２５分でのエタノールの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフであり、図２０は吸着温度２００℃、吸着時間２５分でのアセトンの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。このように。図１９に示す各濃度でのエタノールと、図２０に示す低濃度（１０ｐｐｍ）でのアセトンの波形及びピーク位置は類似している。なお、吸着温度及び吸着時間は、前掲の図６に示す第１実施例における１００℃、１０秒に相当するものである。
【００５３】
上記の波形の類似をさらに確認した。エタノール１００ｐｐｍを基準波形として、上記各濃度のエタノールの微分波形と、３０ｐｐｍ及び５０ｐｐｍのアセトンの微分波形について相互相関をとると、その相関係数は図２１のようになった。この図から解るように、エタノールとアセトンの相関係数の波形に殆ど変わりはない。図２２は図２１のｌａｇ０での縦軸拡大図であるが、エタノール１０ｐｐｍの相関係数より、アセトンの３０ｐｐｍ及び５０ｐｐｍでの相関係数（ｒ０）の方が大きく、エタノールとアセトンの判別ができないことが解る。このように、微分波形が似ているガス同士では判別ができない場合がある。
【００５４】
そこで、以下の第２実施例あるいは第３実施例のようにするとよりガス種の判別を高精度とすることができる。図２３は吸着温度２００℃、吸着時間１分でのエタノールの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。このグラフと図１９のグラフとを比較すると、同種のガスでもセンサへの吸着時間の違いにより、ガス種固有の微分波形の二つの山の比率が変わることが解る。なお、これらのグラフの横軸は、前述のとり一定昇温制御での燃焼反応時の時間をガスセンサの温度にした温度軸である。
【００５５】
エタノールの場合、微分波形に３００℃と４００℃（いずれも時間相当）付近にピークを持つ山がある。吸着時間が２５分の場合は４００℃付近にピークを持つ山の比率が、３００℃付近にピークを持つ山に比べて著しく大きい。これに対して、吸着時間が１分の場合は４００℃付近にピークを持つ山の比率が、３００℃付近にピークを持つ山に比べて若干大きい程度である。
【００５６】
図２４は吸着温度２００℃、吸着時間１分でのアセトンの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。このグラフと図２０のグラフとを比較すると、この場合も、同種のガスでもセンサへの吸着時間の違いにより、ガス種固有の微分波形の二つの山の比率が変わることが解る。
【００５７】
アセトンの場合、微分波形に３５０℃と４００℃（いずれも時間相当）付近にピークを持つ山がある。吸着時間が２５分の場合（図２０）は、低濃度で４００℃付近にピークを持つ山の比率が、３５０℃付近にピークを持つ山に比べ大きい。これに対して、吸着時間が１分の場合は４００℃付近にピークを持つ山が殆どなく、３５０℃付近にピークを持つ山だけになる。
【００５８】
このように、微分波形は吸着時間に対し、ガス種固有のパターンを持つ。図２５は、吸着時間１分でのエタノール１００ｐｐｍを基準波形として、上記各濃度のエタノールの微分波形と、３０ｐｐｍ及び５０ｐｐｍのアセトンの微分波形について相互相関をとった相関係数のグラフである。各濃度のエタノールの波形（相関係数）とアセトンの波形は明らかに異なっている。図２６は図２５のｌａｇ０での縦軸拡大図であるが、各濃度のエタノールでの相関係数（ｒ０）は０．９以上あるが、アセトンの相関係数は０．８以下である。したがって、吸着時間１分では相関係数の閾値を０．９から０．８に切替設定することにより、エタノールとアセトンの判別ができる。
【００５９】
このように、同種のガスでも、センサへの吸着時間の違いにより、ガス種固有の微分波形の二つの山の比率が変わり、この変わる比率はガス種により異なっている。そこで、複数の吸着時間を設定し、吸着時間毎に判別を行い、各吸着時間での判別結果の総合判定を行うことにより、ガス種判別をより高精度化できる。例えば、総合判定は各吸着時間での基準ガスの微分波形との相関係数ｒ０が０．９以上の場合、基準ガスと同種であると判定する。また、エタノールとアセトンの場合、吸着時間２５分では相関係数０．９により同定されるが、このエタノールとアセトンの場合でも、吸着時間１分では相関係数０．８以下となり、別種でると判定される。すなわち、二つの吸着時間での判定から、エタノールを基準ガスとし、測定ガスをアセトンとした場合、基準ガスと測定ガスは異種と判定される。
【００６０】
図２７はこの第２実施例に係るフローチャートであり、前記同様図４及び図５はＤＳＰ１６が実行するプログラムのフローチャートである。先ず、ステップＳ６１でセンサを高温にして高温燃焼し、ステップＳ６２で第１吸着時間に設定してこの第１吸着時間の間、測定ガスを吸着させる。次に、ステップＳ６３で、前記同様にヒータ制御＆サンプリング処理を行い、ステップＳ６４でサンプリングデータに微分演算を行う。そして、ステップＳ６５で、各種基準ガスのデータを記憶しているデータベースを検索し、第１吸着時間に対応する基準ガスとの相互相関をとって相関係数を演算する。なお、このステップＳ６５では、前記同様にノイズ除去及び係数乗算による規格化等の処理も行う。
【００６１】
次に、ステップＳ６６で第２吸着時間に設定してこの第２吸着時間の間、測定ガスを吸着させる。次に、ステップＳ６７で、前記同様にヒータ制御＆サンプリング処理を行い、ステップＳ６８でサンプリングデータに微分演算を行い、ステップＳ６９でステップＳ６６と同様にデータベースの検索、相関係数の演算等を行う。そして、ステップＳ７０で、各演算された相関係数と、各種閾値により、ガス種の総合判定を行う。
【００６２】
（第３実施例）以下の第３実施例のようにするとより前掲の図１９乃至図２２で説明した微分波形が似ているガス同士に対してガス種の判別を高精度とすることができる。図２８は吸着温度１００℃、吸着時間２５分でのエタノールの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。このグラフと図１９のグラフとを比較すると、同種のガスでもセンサへの吸着温度の違いにより、ガス種固有の微分波形の二つの山の比率が変わることが解る。なお、これらのグラフの横軸は、前述のとり一定昇温制御での燃焼反応時の時間をガスセンサの温度にした温度軸である。
【００６３】
エタノールの場合、微分波形に約２２０℃、約３００℃、４００℃（いずれも時間相当）付近にピークを持つ山がある。吸着温度が２００℃の場合は２２０℃と３００℃付近にピークを持つ山が殆ど無いが、４００℃付近にピークを持つ山が大きくでる。これに対して、吸着温度が１００℃の場合、１８０℃と３００℃付近にピークを持つ山があるが、４００℃付近にピークを持つ山が殆ど無い。
【００６４】
図２９は吸着温度１００℃、吸着時間２５分でのアセトンの各濃度でのノイズを除去した微分波形のグラフである。このグラフと図２０のグラフとを比較すると、この場合も、同種のガスでもセンサへの吸着温度の違いにより、ガス種固有の微分波形の山の比率が変わることが解る。
【００６５】
アセトンの場合、微分波形に３５０℃と４００℃（いずれも時間相当）付近にピークを持つ山がある。吸着温度が２００℃（図２０）の場合は、低濃度で４００℃付近にピークを持つ山の比率が、３５０℃付近にピークを持つ山に比べ大きい。これに対して、吸着温度が１００℃の場合は４００℃付近にピークを持つ山が殆どなく、３５０℃付近にピークを持つ山だけになる。
【００６６】
このように、微分波形は吸着温度に対し、ガス種固有のパターンを持つ。図３０は、吸着温度１００℃でのエタノール１００ｐｐｍを基準波形として、上記各濃度のエタノールの微分波形と、３０ｐｐｍ及び５０ｐｐｍのアセトンの微分波形について相互相関をとった相関係数のグラフである。各濃度のエタノールの波形（相関係数）とアセトンの波形は明らかに異なっている。図３１は図３０のｌａｇ０での縦軸拡大図であるが、各濃度のエタノールでの相関係数（ｒ０）は０．８以上あるが、アセトンの相関係数は０．７以下である。したがって、吸着温度１００℃では相関係数の閾値を０．８から０．７に切替設定することにより、エタノールとアセトンの判別ができる。
【００６７】
このように、同種のガスでも、センサへの吸着温度の違いにより、ガス種固有の微分波形の二つの山の比率が変わり、この変わる比率はガス種により異なっている。そこで、複数の吸着温度を設定し、吸着温度毎に判別を行い、各吸着温度での判別結果の総合判定を行うことにより、ガス種判別をより高精度化できる。例えば、総合判定は各吸着温度での基準ガスの微分波形との相関係数ｒ０が０．８以上の場合、基準ガスと同種であると判定する。また、エタノールとアセトンの場合、吸着温度２００℃では相関係数０．９により同定されるが、このエタノールとアセトンの場合でも、吸着温度１００℃では相関係数０．７以下となり、別種でると判定される。すなわち、二つの吸着温度での判定から、エタノールを基準ガスとし、測定ガスをアセトンとした場合、基準ガスと測定ガスは異種と判定される。
【００６８】
図３２はこの第３実施例に係るフローチャートであり、前記同様図４及び図５はＤＳＰ１６が実行するプログラムのフローチャートである。先ず、ステップＳ７１でセンサを高温にして高温燃焼し、ステップＳ７２で第１吸着温度に設定してこの第１吸着温度で、測定ガスを吸着させる。次に、ステップＳ７３で、前記同様にヒータ制御＆サンプリング処理を行い、ステップＳ７４でサンプリングデータに微分演算を行う。そして、ステップＳ７５で、各種基準ガスのデータを記憶しているデータベースを検索し、第１吸着温度に対応する基準ガスとの相互相関をとって相関係数を演算する。なお、このステップＳ７５では、前記同様にノイズ除去及び係数乗算による規格化等の処理も行う。
【００６９】
次に、ステップＳ７６で第２吸着時間に設定してこの第２吸着時間の間、測定ガスを吸着させる。次に、ステップＳ７７で、前記同様にヒータ制御＆サンプリング処理を行い、ステップＳ７８でサンプリングデータに微分演算を行い、ステップＳ７９でステップＳ７６と同様にデータベースの検索、相関係数の演算等を行う。そして、ステップＳ８０で、各演算された相関係数と、各種閾値により、ガス種の総合判定を行う。
【００７０】
以上の実施形態では、微分波形からノイズを除去する処理としてウェーブレット分解及び合成を行うようにしているが、ノイズ除去の方法は他の方法でもよい。
【００７１】
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】
【００７２】
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
１５ ＲＯＭ（記憶手段）
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種を判定するガス分析装置であって、
ガス種と微分波形データが既知である複数の基準ガスの該微分波形データを記憶手段に記憶しておき、
前記取得した微分波形データに対して前記記憶手段から基準ガスの微分波形データを読み出し、該取得した微分波形データと該基準ガスの微分波形データとの相互相関関係による相関係数を求め、ずらし量が０のときの該相関係数が所定の閾値以上となった基準ガスのガス種を、前記取得した微分波形データに対応するガスのガス種であるとして、該ガス種を判定することを特徴とするガス分析装置。
【請求項２】
前記記憶手段に、前記複数の基準ガスとして、同じガス種であって吸着時間の異なる複数の基準ガスの前記微分波形データを含んで記憶しておき、該吸着時間の異なる基準ガスの各々に対して、前記吸着燃焼式ガスセンサにおける吸着時間を該各々の吸着時間に設定して前記微分波形データを取得し、該吸着時間の異なる基準ガスにより同じガス種について、前記相互相関係数により前記ガス種を判定することを特徴とする請求項１に記載のガス分析装置。
【請求項３】
前記記憶手段に、前記複数の基準ガスとして、同じガス種であって吸着温度の異なる複数の基準ガスの前記微分波形データを含んで記憶しておき、該吸着温度の異なる基準ガスの各々に対して、前記吸着燃焼式ガスセンサにおける吸着温度を該各々の吸着温度に設定して前記微分波形データを取得し、該吸着温度の異なる基準ガスにより同じガス種について、前記相互相関係数により前記ガス種を判定することを特徴とする請求項１に記載のガス分析装置。
【請求項４】
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乃至３のいずれか一項に記載のガス分析装置。
【請求項５】
前記取得した微分波形データをウェーブレット分解し、マザーウェーブレットのスケールの大きな高レベルのウェーブレット係数により合成してノイズを除去し、該ノイズを除去した微分波形データに基づいてガス種の判定を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガス分析装置。
【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種を判定するガス分析装置であって、
ガス種と微分波形データが既知である複数の基準ガスの該微分波形データを記憶手段に記憶しておき、
前記取得した微分波形データに対して前記記憶手段から基準ガスの微分波形データを読み出し、該取得した微分波形データと該基準ガスの微分波形データとの相互相関関係による相関係数を求め、ずらし量が０のときの該相関係数が所定の閾値以上となった基準ガスのガス種を、前記取得した微分波形データに対応するガスのガス種であるとして、該ガス種を判定することを特徴とするガス分析装置。
【請求項２】
前記記憶手段に、前記複数の基準ガスとして、同じガス種であって吸着時間の異なる複数の基準ガスの前記微分波形データを含んで記憶しておき、該吸着時間の異なる基準ガスの各々に対して、前記吸着燃焼式ガスセンサにおける吸着時間を該各々の吸着時間に設定して前記微分波形データを取得し、該吸着時間の異なる基準ガスにより同じガス種について、前記相互相関係数により前記ガス種を判定することを特徴とする請求項１に記載のガス分析装置。
【請求項３】
前記記憶手段に、前記複数の基準ガスとして、同じガス種であって吸着温度の異なる複数の基準ガスの前記微分波形データを含んで記憶しておき、該吸着温度の異なる基準ガスの各々に対して、前記吸着燃焼式ガスセンサにおける吸着温度を該各々の吸着温度に設定して前記微分波形データを取得し、該吸着温度の異なる基準ガスにより同じガス種について、前記相互相関係数により前記ガス種を判定することを特徴とする請求項１に記載のガス分析装置。
【請求項４】
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乃至３のいずれか一項に記載のガス分析装置。
【請求項５】
前記取得した微分波形データをウェーブレット分解し、マザーウェーブレットのスケールの大きな高レベルのウェーブレット係数により合成してノイズを除去し、該ノイズを除去した微分波形データに基づいてガス種の判定を行うことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載のガス分析装置。
【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１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【公開番号】特開２０１０−２５６２６８（Ｐ２０１０−２５６２６８Ａ）
【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２００９−１０８８７３（Ｐ２００９−１０８８７３）
【出願日】平成２１年４月２８日（２００９．４．２８）
【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２８日（２００９．４．２８）
【出願人】（０００００６８９５）矢崎総業株式会社 (7,019)
【Ｆターム（参考）】
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