JP2023016310A - ガス検出装置、湿度補正方法および制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センサの経時変化に柔軟に対応しつつ、測定値の補正精度を向上させる。【解決手段】本発明の一形態に係るガス検出装置は、検出素子と、湿度センサと、制御装置とを具備する。前記検出素子は、検出対象ガスに含まれるにおい成分の吸着により出力変化を生じる。前記湿度センサは、前記検出対象ガスの湿度を検出する。前記制御装置は、取得部と、記憶部と、測定部と、更新部とを有する。前記取得部は、前記検出素子の測定値と、前記湿度センサの測定値とを取得する。前記記憶部は、補正係数を記憶する。前記測定部は、前記補正係数を用いて湿度補正された前記検出素子の出力に基づいて前記におい成分を測定する。前記更新部は、前記検出素子および前記湿度センサ各々の測定値の履歴である第１の履歴データに基づいて算出された更新用補正係数に更新する。【選択図】図１

Description

本発明は、ガス検出装置、湿度補正方法および制御装置に関する。

複数のにおい成分の集合体であるにおいを識別するために、複数の異なる化学的性質を有する吸着膜をアレイ化してマルチアレイセンサとし、においをパターン化させるにおいセンサの開発が近年活発となってきている。このようなにおいセンサを用いることにより快適なにおいと不快なにおいの区別が可能となり、室内や車内の環境管理、工場の工程管理、初期火災や人体に影響を及ぼす悪臭を検知するための環境モニタリングなど、これまで人が官能的に評価していた分野へのにおいセンサの応用が検討され始めている。

例えば、においセンサには、水晶振動子上に吸着膜を設けた検出素子が用いられる。水晶振動子の共振周波数は吸着膜に吸着したにおい成分の重量に比例して減少するので、共振周波数の変化量を基ににおい成分の量を検出することができる。このため、におい成分を吸着する吸着膜の経時劣化による感度レベルの低下はにおいセンサの信頼性に影響を及ぼす。経時劣化による吸着膜の劣化は、センサ使用時に吸着したにおい成分が吸着膜から脱離できなくなり、吸着膜に留まり続けることで、におい成分が堆積していくことが主要因である。

例えば特許文献１には、劣化具合に応じて２段階のパラメータをもつ補正手段を用いて経時劣化によるセンサ値の補正精度を向上させる手法が開示されている。また、特許文献２には、センサの応答量を補正するためのリファレンスとなるセンサを新たに付加することで補正を行う方法が開示されている。

特許第６７３０１１０号公報 特許第６４２８７７９号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、２段階のみのパラメータを持つため、劣化具合に対し、柔軟に対応することが難しく、長期的な環境や、パラメータの変化点等においては、その差が生じやすい。またセンサ個体に特有の経時変化を示してしまった場合には、補正はうまく機能しなくなる。

一方、特許文献２の方法では、ガスセンサの補正のためにリファレンスを用意しなければならないため、追加のコストが必要になる。また、使用するリファレンスは、測定に用いるセンサの経時変化特性を含めて同じ特性を持っていなければならない。

以上のような事情に鑑み、本発明の目的は、センサの経時変化に柔軟に対応しつつ、測定値の補正精度を向上させることができるガス検出装置、湿度補正方法および制御装置を提供することにある。

本発明の一形態に係るガス検出装置は、検出素子と、湿度センサと、制御装置とを具備する。
前記検出素子は、検出対象ガスに含まれるにおい成分の吸着により出力変化を生じる。
前記湿度センサは、前記検出対象ガスの湿度を検出する。
前記制御装置は、取得部と、記憶部と、測定部と、更新部とを有する。
前記取得部は、前記検出素子の測定値と、前記湿度センサの測定値とを取得する。
前記記憶部は、補正係数を記憶する。
前記測定部は、前記補正係数を用いて湿度補正された前記検出素子の出力に基づいて前記におい成分を測定する。
前記更新部は、前記検出素子および前記湿度センサ各々の測定値の履歴である第１の履歴データに基づいて算出された更新用補正係数に更新する。

前記検出素子の測定値は、測定期間内で取得された共振周波数の最小値もしくは最大値、又は、測定期間終了時点における共振周波数であってもよい。

前記検出素子および前記湿度センサ各々の測定値は、互いに時間的に紐づけされた測定値であってもよい。

前記制御装置は、前記補正係数の履歴である第２の履歴データを基に設定された判定基準に基づいて、前記補正係数を前記更新用補正係数に更新すべきか否かを判定する判定部をさらに有してもよい。

前記判定部は、前記第２の履歴データにおける前記補正係数の平均値を基に前記判定基準を設定し、前記更新用補正係数が前記判定基準を満たす場合に限り、前記補正係数を前記更新用補正係数に更新するように構成されてもよい。

前記検出素子は、複数の検出素子を有しもよい。

前記検出素子は、前記におい成分を吸着する吸着膜を有し、前記におい成分の吸着により共振周波数変化を生じる振動デバイスであってもよい。

本発明の一形態に係る湿度補正方法は、ガス検出装置用の湿度補正方法であって、
第１の周期で、検出対象ガスに含まれるにおい成分の吸着により出力変化を生じる検出素子の測定値と、前記検出対象ガスの湿度を検出する湿度センサの測定値とを取得し、
補正係数を用いて湿度補正された前記検出素子の出力に基づいて前記におい成分を測定し、
前記検出素子および前記湿度センサ各々の測定値の履歴である履歴データに基づいて算出された更新用補正係数を算出する。

本発明の一形態に係る制御装置は、ガス検出装置用の制御装置であって、
第１の周期で、検出対象ガスに含まれるにおい成分の吸着により出力変化を生じる検出素子の測定値と、前記検出対象ガスの湿度を検出する湿度センサの測定値とを取得する取得部と、
補正係数を記憶する記憶部と、
前記補正係数を用いて湿度補正された前記検出素子の出力に基づいて前記におい成分を測定する測定部と、
前記検出素子および前記湿度センサ各々の測定値の履歴である第１の履歴データに基づいて算出された補正係数に更新する更新部と
を具備する。

本発明によれば、センサの経時変化に柔軟に対応しつつ、測定値の補正精度を向上させることができる。

本発明の実施形態に係るガス検出装置の概略模式図である。 検出素子の一構成例を示す模式図である。 湿度補正用の補正係数の算出方法の説明図である。 湿度補正用の補正係数の算出方法の説明図である。 検出素子の周波数変化を示す模式図である。 ガス検出装置における制御装置の処理手順の一例を示すフローチャートである。 補正係数の履歴データの一例を示す図である。 更新用補正係数の採否判定方法を説明する図である。 更新用補正係数の採否判定方法を説明する図である。 更新用補正係数の採否判定方法を説明する図である。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。

［ガス検出装置］
図１は、本実施形態に係るガス検出装置１００の概略模式図である。
ガス検出装置１は、例えば、配電盤の内部に設置され、ケーブル火災などの異常が生じた際に発生するガス中の特定のにおい成分を検出して警報等を発動させる警報装置として構成される。

図１に示すように、ガス検出装置１００は、ガスセンサ２と、制御装置４と、警報装置５とを備える。

ガスセンサ２は、筐体２０と、第１吸気口２１と、第２吸気口２２と、センサ室６０とを有する。

第１吸気口２１は、第１流路３１を介してセンサ室６０に連通する。第２吸気口２２は、第２流路３２を介してセンサ室６０に連通する。
第１吸気口２１および第２吸気口２２は、センサ室６０に外気Ｇを取り込む入口である。外気Ｇは、ガス検出装置１００の検出対象ガスであり、本実施形態では、配電盤内部の空気である。本実施形態の説明において、ガスは、水分やにおい成分を含む。

第１流路３１には、第１吸気口２１から外気Ｇをセンサ室６０に取り込む第１ポンプ３１Ｐが配置される。
第２流路３２には、第２吸気口２２から外気Ｇをセンサ室６０に取り込む第２ポンプ３２Ｐが配置される。第２流路３２には、第２吸気口２２から取り込んだ外気Ｇに含まれるにおい成分や水分を吸着してクリーンエアを生成するフィルタ３２Ｆが配置される。

本発明の実施形態においてクリーンエアとは、外気Ｇに含まれるにおい成分や水分をフィルタで除いた気体のことを指すが、別途におい成分や水分が含まれない清浄な気体を生成する装置を備え、その装置から清浄な気体をクリーンエアとしてセンサ室６０に送出してもよい。

第１ポンプ３１Ｐおよび第２ポンプ３２Ｐは、典型的にはダイアフラムポンプで構成されるが、これ以外にも、ファンやブロワなど一定の流量で気体を送出あるいは吸引可能な気体送出器が採用可能である。
第１ポンプ３１Ｐおよび第２ポンプ３２Ｐは、制御装置４により個別に駆動されるとともに、いずれか一方が駆動されることで、外気の取り込み流路として第１流路３１および第２流路３２のいずれが選択される。

フィルタ３２Ｆには、湿度や親水性のにおい成分を除去するためにシリカゲルやモレキュラーシーブ等の湿度除去効果の高い材料、におい成分を除去するために活性炭やゼオライト等のにおい吸着効果の高い材料、またはそれらの組み合わせを用いることができる。

センサ室６０は、検出素子としての複数のＱＣＭ（Quartz Crystal Microbalance）センサ１０と、湿度センサ７０を収容する。

センサ室６０は、外気Ｇを取り込んで測定を行う部屋を形成する。センサ室６０は第１流路３１および第２流路３２に接続され、第１吸気口２１または第２吸気口２２を介して外気Ｇがセンサ室６０に導入される。センサ室６０には、図示しないが、導入されたガスを排気する排気通路が接続される。

ＱＣＭセンサ１０は、外気Ｇに含まれるにおい成分の吸着により共振周波数の変化が生じる検出素子である。各ＱＣＭセンサ１０は、検出チャンネル（ｃｈ）を構成する。ＱＣＭセンサ１０の数はチャンネル数に相当し、その数は特に限定されない。本実施形態では、１６ｃｈのＱＣＭセンサ１０を備える例をあげるが、少なくとも１ｃｈあればよい。

各ＱＣＭセンサ１０には、発振回路５０が接続される。各発振回路５０は、制御装置４により駆動される。各発振回路５０は、各ＱＣＭセンサ１０を所定の共振周波数で振動させる。発振回路５０は、ＱＣＭセンサ１０の発振周波数をカウントするカウンタ回路（図示略）に接続される。上記カウンタ回路は、各ＱＣＭセンサ１０の共振周波数の変化をカウントし、そのカウント値を制御装置４へ出力する。本実施形態において、各ＱＣＭセンサ１０の測定値は、上記カウンタ回路により出力されるカウント値である。

湿度センサ７０は、外気Ｇの相対湿度を測定するものである。湿度センサ７０の出力である測定値は、制御装置４へ出力される。制御装置４は、後述するように、湿度センサ７０により測定された湿度を基に、各ＱＣＭセンサ１０の測定値を補正する。
湿度センサ７０には、静電容量の出力値によって湿度を検出する静電容量方式、抵抗値の出力値によって湿度を検出する半導体方式といった従来のものを用いることができるが、これに限られない。ＱＣＭセンサ上に親水性の吸着膜を形成して、におい成分が吸着したときの共振周波数変化に基づき、各ＱＣＭセンサ１０の湿度を補正してもよい。

なお、センサ室６０には、外気Ｇの温度を検出する温度センサをさらに備えてもよい。この場合、当該温度センサにより検出された温度を基に、各ＱＣＭセンサ１０で検出された共振周波数から温度による共振周波数変化をキャンセルして、温度の影響のない各ＱＣＭセンサ１０の共振周波数変化を検出することができる。

各ＱＣＭセンサ１０、各発振回路５０および湿度センサ７０は、共通の配線基板に搭載されてもよいし、それぞれ別々の配線基板に搭載されてもよい。

各ＱＣＭセンサ１０は、いずれも振動子としての水晶振動子と、該水晶振動子上に設けられ、外気Ｇに含まれるにおい成分を吸着する吸着膜を備えた構成を有しており、吸着膜の種類が異なるのみで基本構造は同じである。

図２に示すように、ＱＣＭセンサ１０は、水晶振動子１３と、電極１１と、吸着膜１２と、リードランド１６Ａと、リードランド１６Ｂと、リード１４Ａと、リード１４Ｂと、ピン端子１９Ａと、ピン端子１９Ｂと、ホルダ１８とを有する。水晶振動子１３は、例えば、ＡＴカットの水晶板である。水晶振動子１３の共振周波数は特に限定されず、例えば、３２ＭＨｚである。

ＱＣＭセンサ１０の水晶振動子１３の共振周波数は吸着膜１２に吸着したガスの重量の増加に比例して減少するので、ＱＣＭセンサ１０ごとに共振周波数の変化量を算出し、外気Ｇにおけるにおい成分の有無を検出し、あるいは、1つ以上のにおい成分の量もしくは濃度を測定する。さらに、この算出結果を基に、外気Ｇに含まれるにおいの種類または強度を求めることができる。

本実施形態においては、検出素子の振動子に水晶振動子を用いるが、これに限定されない。例えば、水晶振動子以外にセラミック振動子、表面弾性波素子、圧電薄膜共振子、カンチレバー、ダイヤフラムなどの振動デバイスを用いることもできる。

電極１１は、水晶振動子１３の両面にそれぞれ形成され、吸着膜１２は水晶振動子１３の一方の面に形成された電極１１上に形成される。リードランド１６Ａは一方の面に形成された電極１１と一体形成されてなり、リードランド１６Ｂは他方の面に形成された電極１１と一体形成されてなる。

各ＱＣＭセンサ１０の吸着膜１２は、それぞれ、異なる種類の材料で構成される。吸着膜１２を構成する材料は、検出するべきにおい成分の種類に応じて任意に選定される。吸着膜１２は、１つ以上の種類のにおい成分を吸着できるように構成される。

リード１４Ａ及びリード１４Ｂは金属バネ材で構成される。リード１４Ａは、一端がリードランド１６Ａを介して一方の面に形成された電極１１と電気的に接続し、他端がピン端子１９Ａに接続する。リード１４Ｂは一端がリードランド１６Ｂを介して他方の面に形成された電極１１と電気的に接続し、他端がピン端子１９Ｂに接続する。
ピン端子１９Ａと、ピン端子１９Ｂは、配線基板上に設けられたホルダ１８に支持され、ホルダ１８によって水晶振動子１３は振動自在に支持される。

制御装置４は、各ＱＣＭセンサ１０の測定値に基づいて、検出対象ガスである外気Ｇにおけるにおい成分の有無を検出し、あるいは、１つ以上のにおい成分の量もしくは濃度を測定する。
この際、各ＱＣＭセンサ１０の吸着膜１２は、におい成分だけでなく、検出対象ガスに含まれる水分をも吸着する。このため、各ＱＣＭセンサ１０の測定値には、水分の吸着による周波数変化に関する情報も含まれる。
そこで制御装置４は、におい成分の吸着による周波数変化のみを精度よく測定するために、各ＱＣＭセンサ１０の測定値から湿度成分を除去するための補正（以下、湿度補正ともいう）を行う。
さらに、測定装置４は、各ＱＣＭセンサ１０の吸着膜１２の経時劣化に伴う測定精度の低下を抑えるため、湿度補正用の補正係数を定期的に更新することが可能に構成される。

［制御装置］
以下、制御装置４の詳細について説明する。
制御装置４は、ＣＰＵおよびメモリを有する情報処理装置で構成される。制御装置４は、第１ポンプ３１Ｐ、第２ポンプ３２Ｐ、発振回路５０、湿度センサ７０などの駆動を制御し、発振回路５０および湿度センサ７０から各ＱＣＭセンサ１０の共振周波数の変化量および外気Ｇの湿度に関する情報を取得する。

図１に示すように、制御装置４は、ＣＰＵの機能ブロックとして、取得部４１と、測定部４２と、算出部４３と、更新部４４と、判定部４５とを有する。制御装置４はさらに、半導体メモリ等で構成された記憶部４６を備える。

（記憶部）
記憶部４６は、取得部４１、測定部４２、算出部４３、判定部４５および更新部４４をＣＰＵの機能ブロックとして動作させるためのプログラムを記憶する。

記憶部４６は、取得部４１で取得された、クリーンエアにより吸着膜１２およびセンサ室６０が清浄化された状態での各ＱＣＭセンサ１０の共振周波数を記憶する。吸着膜１２の清浄化とは、クリーンエアによって、吸着膜１２からにおい成分を脱着させることをいう。クリーンエアには、第２吸気口２２から外気Ｇを取り込み、第２流路３２のフィルタ３２Ｆを通してセンサ室６０に導入したものを用いることができる。クリーンエアにより吸着膜１２およびセンサ室６０が清浄化された状態での各ＱＣＭセンサ１０の共振周波数を以下、各ＱＣＭセンサ１０の周波数のゼロ点ともいう。ゼロ点はＱＣＭセンサ１０毎に予め取得され、記憶部４６に記憶される。

記憶部４６は、取得部４１で取得された、各ＱＣＭセンサ１０の測定値を記憶する。各ＱＣＭセンサ１０の測定値は、第１吸気口２１から第１流路３１を通して外気Ｇをセンサ室６０に導入したときの各ＱＣＭセンサ１０の共振周波数の変化量に相当する。

記憶部４６は、取得部４１で取得された、湿度センサ７０の測定値を記憶する。
記憶部４６は、各ＱＣＭセンサ１０の測定値と湿度センサ７０の測定値とを時間的に紐づけし、これら各ＱＣＭセンサ１０及び湿度センサ７０各々の測定値の履歴である履歴データ（以下、第１の履歴データともいう）を記憶する。

記憶部４６は、算出部４３で算出された補正係数を、算出した日時情報と紐づけし、これらの履歴である履歴データ（以下、第２の履歴データともいう）を記憶する。
記憶部４６はさらに、各種のにおいをセンサ室６０で検出したときの参照用検出パターンを異なる種類のにおい毎に予め記憶する。

記憶部４６は、各ＱＣＭセンサ１０について固有の補正係数の初期値を記憶する。補正係数の初期値は、未使用のガス検出装置１００が最初に使用される際に参照される補正係数である。この補正係数は、予めにおい成分のない環境下で測定した各ＱＣＭセンサ１０の湿度依存特性に基づいて算出される。

（補正係数の初期値の決定方法）
ここで、補正係数の初期値の算出方法について説明する。
補正係数の初期値の算出に際しては、ガスとして大気を用いて測定した各ＱＣＭセンサ１０及び湿度センサ７０の出力の時間変化が参照される。その測定結果の一例を図３に示す。
図３において横軸は測定時間、左側の縦軸はＱＣＭセンサ１０の共振周波数、右側の縦軸は湿度センサ７０により検出される検出対象ガスである大気の相対湿度をそれぞれ示している。
におい成分を含まないガスを用いて各ＱＣＭセンサ１０の出力パターンを測定することで、各ＱＣＭセンサ１０の出力と環境要因（本例では湿度）との関係を知ることができる。

各ＱＣＭセンサ１０は、ガス中の水分の吸着量の相違に応じて共振周波数がゼロ点から徐々に低下する方向に変動し、測定開始から所定時間経過後に一定の共振周波数で振動する。図示の例では、検出チャンネル番号８である「ｃｈ８」のＱＣＭセンサ１０が最も周波数変化量が大きいことを示している。このことは、「ｃｈ８」のＱＣＭセンサ１０の吸着膜１２が他のチャンネルの吸着膜１２と比較して水分が吸着しやすく、水分との親和性が高いことを示している。

一方、湿度センサ７０については、大気の導入開始に伴う測定環境の湿度の上昇に伴い、測定開始から検出湿度が徐々に増加する方向に変動する。

図３において、「ｄｃｈ」は、各ＱＣＭセンサ１０のゼロ点からの周波数変動量であり、「ｄｃｈ ｍｉｎ」は、各ＱＣＭセンサ１０の共振周波数の最小値である。「ｃｈ８ ｍｉｎ」は、「ｃｈ８」のＱＣＭセンサ１０の共振周波数の最小値を意味する。
また、「ｄｈｕｍｉｄｉｔｙ」（以下、ｄｈｍｄと略記する）は、湿度センサ７０の測定値であり、「ｄｈｍｄ ｍｉｎ」は、全ＱＣＭセンサ１０のうち最も周波数変動量が大きい「ｃｈ８」のＱＣＭセンサ１０の共振周波数が最小値を示すときの湿度センサ７０の測定値である。

なお、図３に示すデータは、大気をＱＣＭセンサ１０に当てたとき、大気に含まれているにおい成分がＱＣＭセンサ１０に吸着されることでその共振周波数が低下する様子を示している。湿度センサ７０の測定値としては、上述のように、最も周波数変動量が大きい検出チャンネルのＱＣＭセンサ１０の共振周波数の最小値を示すときの湿度センサの測定値が採用される。図３に示す場合では、最も周波数変動量が大きい「ｃｈ８」のＱＣＭセンサ１０の共振周波数の最小値を示すときの湿度センサの測定値が採用される。
一方、大気によってＱＣＭセンサ１０に吸着された水分が脱着する場合がある。この場合、ＱＣＭセンサ１０の共振周波数は上昇するため、湿度センサ７０の測定値としては、最も周波数変動量が大きい検出チャンネルのＱＣＭセンサ１０の共振周波数が最大値を示すときの湿度センサの測定値が採用される。
このように、大気をＱＣＭセンサ１０に当てたときにＱＣＭセンサ１０の共振周波数が低下する場合と上昇する場合のいずれもが起こり得るため、湿度センサ７０の測定値の決定の際に基準とされるＱＣＭセンサ１０の測定値には、最も周波数変動の大きい検出チャンネルのＱＣＭセンサ１０の共振周波数の最小値の絶対値と最大値の絶対値を比較し、それらのうち最も大きな値を示す測定値が採用されてもよい。さらに別の方法として、測定期間の終了時点における最も周波数変動の大きい検出チャンネルのＱＣＭセンサ１０の測定値が採用されてもよい。

続いて、測定開始時の湿度と任意の測定時間における湿度センサ７０の測定値との差を湿度差とし、湿度差に対する各ＱＣＭセンサ１０の周波数変動量をプロットした結果を図４に示す。図４に示すように各ＱＣＭセンサ１０の周波数変動量と湿度差との間には、次式で示すように極めて明瞭な直線関係がみられる。
（ｄｃｈ）＝ａ１×（ｄｈｍｄ）＋ｂ１ …（１）

上式において、定数ａ１およびｂ１は、各ＱＣＭセンサ１０について固有の値であり、典型的には、定数ａ１が補正係数の初期値に相当する。なお、定数ａ１だけでなく、定数ｂ１や直線以外の式の係数も湿度補正に使用されてもよい。
上記補正式は、複数回の測定によって得られたＱＣＭセンサ１０の周波数変動量（ｄｃｈ）と湿度センサ７０の測定値（ｄｈｍｄ）から回帰分析によって求められる。

（取得部）
取得部４１は、各ＱＣＭセンサ１０の測定値、及び、湿度センサ７０の測定値を取得する。
より詳細には、取得部４１は、クリーンエアの導入により吸着膜１２およびセンサ室６０を清浄化したときの各ＱＣＭセンサ１０の共振周波数のゼロ点を取得する。以下、この処理をリフレッシュ処理ともいう。リフレッシュ処理は、外気Ｇに対する各ＱＣＭセンサ１０の測定前または測定後に実行される。リフレッシュ処理は、例えば1分間である。

取得部４１は、第１の周期で、センサ室６０に外気Ｇを導入したときの各ＱＣＭセンサ１０の測定値を取得する。以下、この処理をガス測定処理ともいう。第１の周期は特に限定されず、例えば１時間である。本実施形態では、毎回のガス測定処理中における各ＱＣＭセンサ１０の共振周波数の最大変化量を各ＱＣＭセンサ１０の測定値として取得する。

取得部４１は、第１の周期で、湿度センサ７０の測定値を取得する。本実施形態では図３を参照して説明したように、毎回のガス測定処理中において、ＱＣＭセンサ１０のうち周波数変化が最も大きいＱＣＭセンサ１０の共振周波数が最小値をとるときの湿度センサ７０の出力を、湿度センサ７０の測定値として取得する。
なお、この場合も上述と同様に、周波数変化が最も大きい検出チャンネルのＱＣＭセンサ１０の共振周波数の最小値の絶対値と最大値の絶対値のうちいずれか大きい方が採用されてもよいし、測定期間終了時点における測定値が採用されてもよい。

図５は、リフレッシュ処理およびガス測定処理におけるＱＣＭセンサ１０の出力変化の一例を示す模式図である。
同図に示すように、制御装置４は、リフレッシュ処理とガス測定処理とを交互に行う処理を実行する。

ガス測定処理前のリフレッシュ処理期間において、各ＱＣＭセンサ１０の吸着膜１２およびセンサ室６０をクリーンエアで十分に清浄化し、各ＱＣＭセンサ１０の振動数やセンサ室６０の湿度などの環境要因をゼロ点にする。このときのリフレッシュ処理期間は、例えば２０分である。
ガス測定処理は、リフレッシュ処理後に実行される。図示の例では、１６ｃｈのＱＣＭセンサ１０のうち、ｃｈ１、ｃｈ２及びｃｈ３の３つのＱＣＭセンサ１０の共振周波数が変化した様子を示す。各ｃｈの共振周波数のゼロ点からの最大変化量を示す周波数の最小値が、各ＱＣＭセンサ１０の測定値に含まれる。ガス測定処理は、第１の周期、例えば１時間ごとに所定時間（例えば１分）実行される。

具体的に例を挙げると、ガス測定処理前のリフレッシュ処理が２０分実行された後、ガス測定処理が１分実行され、その後１分のリフレッシュ処理が実行され、その後、３８分の待機時間を設けることを第１の周期とする。３８分の待機時間は、ポンプを駆動せず、リフレッシュ処理とガス測定処理を行わない期間である。その後次の周期が開始され、ガス測定処理前のリフレッシュ処理が始まる。第１の周期は、１時間に限られない。ガス測定処理、リフレッシュ処理、および待機時間も任意に設定できる。待機時間を設けず、ガス測定処理の実行とリフレッシュ処理の実行を順に行うことで第１の周期としてもよい。

ガス測定処理の終了後は、リフレッシュ処理が再度実行される。これにより、各ＱＣＭセンサ１０の吸着膜１２に吸着されたにおい成分や水分が脱離し、各ＱＣＭセンサ１０の共振周波数はゼロ点に復帰する。リフレッシュ処理期間は特に限定されず、ガス測定処理の終了後、次のガス測定処理の直前まで継続して行ってもよい。

各ＱＣＭセンサ１０の振動数のゼロ点は、経時劣化のないＱＣＭセンサ１０では、水晶振動子１３の固有振動数である３２ＭＨｚである。一方、吸着膜１２の経時劣化等によりにおい成分や水分の脱離が不十分な場合は、ＱＣＭセンサ１０のゼロ点は、水晶振動子１３の固有振動数よりも低い周波数となる。

（測定部）
測定部４２は、ガス測定処理時において、補正係数を用いて各ＱＣＭセンサ１０の測定値を湿度補正し、検出対象ガスである外気Ｇにおけるにおい成分の種類およびその量あるいは濃度を測定する。におい成分とは、各ＱＣＭセンサ１０のうち少なくとも１つの吸着膜１２で吸着されるにおい成分であって、記憶部４６に記憶された参照用検出パターンで特定可能なものをいう。

上述のように、ＱＣＭセンサ１０の周波数変動と湿度との間には直線的な関係が見られる。そこで、ＱＣＭセンサ１０の測定値に余分に含まれる湿度による周波数変動分を「Δｃｈhumidity」、湿度センサ７０の測定開始時における測定値とＱＣＭセンサ１０の測定値の取得時における湿度センサ７０の測定値との差を「ΔＨｕｍｉｄｉｔｙ」とすると、両者の間の関係は次式のように表すことができる。
Δｃｈhumidity＝ａ２×ΔＨｕｍｉｄｉｔｙ＋ｂ２ …（２）
なお、定数ａ２およびｂ２は、各ＱＣＭセンサ１０について固有の値をもち、典型的には、定数ａ２が補正係数として使用される。なお、定数ａ２だけでなく、定数ｂ２や直線以外の式の係数も湿度補正に使用されてもよい。

測定部４２において実行される各ＱＣＭセンサ１０の測定値の湿度補正では、各ＱＣＭセンサ１０の測定値に湿度による変動分が余分に含まれていると仮定する。そこで、湿度補正前のＱＣＭセンサ１０の測定値をΔｃｈraw、湿度補正後のＱＣＭセンサ１０の測定値をΔｃｈsampleとすると、測定部４２は、次式で示す演算処理を実行することで、ＱＣＭセンサ１０の測定値の湿度補正を行う。
Δｃｈsample＝Δｃｈraw－Δｃｈhumidity …（３）

測定部４２は、湿度補正した各ＱＣＭセンサ１０の測定値の組み合わせパターンを、記憶部４６に予め記憶されている参照用検出パターンと照合し、機械学習によるパターン認識などでにおい種類や強度を評価する。
測定部４２は、異常を示すにおい成分を検出したとき、あるいは、当該におい成分の濃度が所定以上の濃度であると評価したとき、異常信号を生成して警報装置５へ出力する。

警報装置５は、ブザー、ランプ等の警報機器を有する。警報装置５は、制御装置４からにおい成分の検出時に生成される異常信号を受信し、ブザーを鳴動し、あるいはランプを点灯あるいは明滅させる。これにより、外部へ配電盤の異常を報知することができる。

（算出部）
ＱＣＭセンサ１０の湿度補正に用いられる補正係数は、経時的に変化する。つまり、一定周期（本実施形態では１時間）でガス測定処理が繰り返し行われるため、その後のリフレッシュ処理での吸着膜１２の清浄化レベルが徐々に低下する。その結果、測定開始から日数が経過するにつれて、固定された補正係数では適切な湿度補正が行えなくなり、におい成分の評価結果を誤る可能性がある。具体的には、異常が発生していないにもかかわらず異常と判断したり、異常が発生しているにもかかわらず異常が発生していないと判断したりする可能性がある。

このような問題を防ぐため、本実施形態の制御装置４は、補正係数を更新することが可能に構成される。算出部４３は、更新用の補正係数を定期的に算出する処理を実行するように構成される。

算出部４３は、記憶部４６に記憶された各ＱＣＭセンサ１０および湿度センサ７０各々の測定値の履歴である第１の履歴データに基づいて補正係数を算出する。補正係数の算出方法は、図３および図４を参照して説明した補正係数の初期値の算出方法と同様な手法が採用されるが、更新用の補正係数の算出に際しては、各ＱＣＭセンサ１０の測定値として、ガス測定処理の際に取得した各ＱＣＭセンサ１０の測定値が用いられる。これにより、雰囲気調整された測定環境を新たに用意する必要がなくなるため、ガス検出装置１００による定常的な異常監視動作を継続しながら、新たに補正係数を算出することができる。

算出部４３は、ガス測定処理の動作周期である上述の第１の周期（本例では１時間）よりも長い第２の周期で、更新用の補正係数（以下、更新用補正係数ともいう）を算出する処理を実行する。第２の周期は特に限定されず、例えば１日（２４時間）である。

算出部４３は、補正係数の算出の際、過去２４時間分の各ＱＣＭセンサ１０の測定値とこれらに紐づけられた湿度センサ７０の測定値との履歴データ（第１の履歴データ）の中から直近の履歴データを用いて、上記（１）式で示したような補正式を算出する。直近の履歴データの数は特に限定されず、本実施形態では、過去２４時間分の履歴データ、すなわち、直近の過去２４回分のガス測定処理の際に取得した各ＱＣＭセンサ１０および湿度センサ７０の測定値が用いられる。

（更新部）
更新部４４は、測定部４２における湿度補正処理で使用されている補正係数を、第２の周期で（２４時間ごとに）、算出部４３において算出された更新用補正係数に更新する処理を実行可能に構成される。これにより、吸着膜１２の経時劣化に伴う各ＱＣＭセンサの測定値の精度低下を抑制し、長期にわたる適正な異常検知動作を確保することができる。

本実施形態では、後述するように、判定部４６において更新が許可された場合に限り、現在の補正係数を更新用補正係数に更新するように構成される。

（判定部）
更新用補正係数を算出する際に参照されるデータは、においがなく、純粋に湿度の変動のみによって周波数変動が引き起こされたＱＣＭセンサ１０の測定値であることが理想である。一方、本実施形態では、ガス測定処理期間で取得した各ＱＣＭセンサ１０の測定値を基に更新用補正係数を算出しているが、これらの測定値は、常ににおいのない環境で測定されたデータであるとは限られない。例えば、におい成分が検出されたものの、異常状態を評価されるほどではないときがある。このような条件で測定されたデータを基に算出された補正係数を採用した場合、後続の異常検知処理に多大な影響をもたらすおそれがある。

そこで本実施形態では、新たに算出された更新用補正係数をそのまま採用せず、算出された更新用補正係数が過去の補正係数の履歴に基づいて適切であるか否かを判定する判定部４５を有する。

判定部４５は、記憶部４６に記憶された補正係数の過去の履歴である第２の履歴データを基に設定された判定基準に基づいて、現在の補正係数を、算出部４２において算出された更新用補正係数に更新すべきか否かを判定するように構成される。
判定基準としては、過去の補正係数から次の補正係数の予測値と、その許容範囲を算出する。予測値としては、例えば、過去の補正係数の平均値が挙げられ、許容範囲としては、例えば、補正係数の履歴の標準偏差に一定の係数を乗算したものが挙げられる。

［ガス検出装置の動作］
以下、制御装置４の詳細について、ガス検出装置１００の典型的な動作とともに説明する。図６は、制御装置４の処理手順の一例を示すフローチャートである。

（ガス測定処理）
制御装置４は、ガス検出装置１００の運転が開始してから第１の周期でガス測定処理を定期的に実行する。本実施形態では、第１の周期すなわち１時間ごとにガス測定処理が実施される（ステップ１０１～１０４）。

ガス測定処理では、上述のように、第１ポンプ３１Ｐの駆動により第１吸気口２１から取り込んだ外気Ｇ（配電盤内部の空気）が第１流路３１を通してセンサ室６０へ導入される。制御装置４は、各ＱＣＭセンサ１０および湿度センサ７０各々の測定値を取得し、記憶部４６へ記憶する（ステップ１０２）。

続いて、制御装置４は、湿度センサ７０で取得された外気Ｇの相対湿度と記憶部４６に格納された補正係数とを用いて、各ＱＣＭセンサ１０の測定値を湿度補正する（ステップ１０３）。補正係数の更新前であれば、図３および図４を参照して説明したように予め測定された補正係数の初期値が用いられる。

制御装置４は、湿度補正した各ＱＣＭセンサ１０の測定値の組み合わせである検出パターンを、記憶部４６に予め記憶されている参照用検出パターンと照合し、機械学習によるパターン認識などでにおい成分の種類または強度を評価する（ステップ１０４）。
そして、ここでは、異常を示すにおい成分が無いか、その濃度が所定値未満の場合は無臭と判断し、正常であると判断する（ステップ１０５において「Ｙ」）。
一方、異常を示すにおい成分の濃度が所定値以上であると評価したとき、異常と判断し（ステップ１０５において「Ｎ」）、異常信号を生成して警報装置５へ出力する（ステップ１０６）。

制御装置４は、上述したガス測定処理の終了後、リフレッシュ処理を実行する。リフレッシュ処理では、第１ポンプ３１Ｐの駆動が停止され、第２ポンプ３２Ｐの駆動により第２吸気口２２から取り込んだ外気Ｇが第２流路３２およびフィルタ３２Ｆを通してセンサ室６０へ導入される。これにより、各ＱＣＭセンサ１０の吸着膜１２およびセンサ室６０内が清浄化されるとともに、各ＱＣＭセンサ１０の共振周波数をゼロ点に復帰させる（図５参照）。

制御装置４は、リフレッシュ処理の終了後、上述したガス測定処理およびリフレッシュ処理を第１の周期で繰り返す動作（以下、定常動作ともいう）を実行し、各回のガス測定処理について各ＱＣＭセンサ１０および湿度センサ７０の測定値、湿度補正後の各ＱＣＭセンサ１０の測定値、におい評価結果などを含む履歴データを第１履歴データとして記憶部４６に記憶する。

（補正係数算出処理）
制御装置４は、最初にガス測定処理を実行してから、第２の周期で更新用補正係数の算出処理を定期的に実行する。本実施形態では、第２の周期すなわち２４時間ごとに更新用補正係数の算出処理が実施される（ステップ１０７～１１１）。更新用補正係数の算出処理は、ＱＣＭセンサ１０ごとに実行される。

更新用補正係数の算出処理は、記憶部４６に格納された過去２４時間分のＱＣＭセンサ１０および湿度センサ７０の測定値を基に、上記（１）式で示したような補正式を用いて更新用補正係数を算出する（ステップ１０８）。制御装置４は、後述するように、算出された更新用補正係数が許容範囲内であるか否かを判定し（ステップ１０９）、許容範囲内であれば、算出された更新用補正係数で現在の補正係数を更新し、次回のガス測定処理から更新された補正係数を用いて各ＱＣＭセンサ１０の測定値の湿度補正処理が実行される。

一方、算出された更新用補正係数が許容範囲外である場合は、算出された更新用補正係数を破棄して、現在の補正係数を引き続き用いて各ＱＣＭセンサ１０の測定値の湿度補正処理が実行される。

上述した更新用補正係数の算出処理および更新処理は、第２の周期で繰り返し実行し、各回の更新用補正係数の算出結果および補正係数の更新値などを含む履歴データを第２の履歴データとして記憶部４６に記憶する。

（更新用補正係数の採否判定）
以下、ステップ１０９の処理において実行される更新用補正係数の採否判定について説明する。

図７は、補正係数の履歴の一例を示す図である。記憶部４６には、ガス検出装置１００の運転開始から現在までの補正係数の履歴データがＱＣＭセンサ１０ごとに記憶される。同図に示すように、各ＱＣＭセンサで補正係数の値や推移は異なり、特に、「ｃｈ４」の補正係数が更新のたびに大きく変動する様子がわかる。

図８は、更新用補正係数の採否判定の判定基準の説明図である。同図において、横軸は日数、縦軸は補正係数であり、１日単位で更新された補正係数の履歴が折れ線グラフで示され、丸で囲った点が、今回新たに算出された補正係数である（図９、１０についても同様）。

判定基準は、図示の例では、過去の補正係数の平均値を中心にその標準偏差の３倍である±３σの範囲とされ、この範囲を更新されるべき補正係数の許容範囲とする。したがって図示の例では、今回算出された更新用補正係数が許容範囲内にあるため、現在の補正係数が当該更新用補正係数に更新される（図６におけるステップ１０９，１１０）。このような判定は、各ＱＣＭセンサ１０について個別に実行される。

許容範囲は、前回の補正係数が反映されているため、補正係数の平均値は、次回更新されるべき補正係数の予測値とみなすことができる。つまり、補正係数の平均値は、日数に応じて異なり、したがって、許容範囲も常時変動するため、実情に即した適切な補正係数に更新することができる。
なお、更新用補正係数の算出時に参照される過去の補正係数は、過去所定の期間内（例えば過去２週間以内）のものであってもよい。この場合、比較的新しい過去の補正係数を用いて更新用補正係数が算出されるため、実情に即した補正係数が得られやすい。

これに対して、図９に示すように、新たに算出された更新用補正係数が許容範囲外になった場合、制御装置４は、当該更新用補正係数は不適であると判定し、これを破棄する（図６におけるステップ１０９，１１１）。

過去２４時間以内においてＱＣＭセンサ１０に何等かの異常、例えば、吸着膜１２の劣化、特定のにおい成分の低濃度の検出、未知のにおい成分の検出などが生じたとき、これらのデータを基に算出される更新用補正係数は、それ以前の補正係数と比べて大きく変動する可能性が高い。したがって、このような許容範囲外の補正係数を新たな補正係数として採用すると、におい測定の誤った評価を招くおそれがあるため、今回算出された更新用補正係数は採用しないこととした。
また、前回算出された更新用補正係数が許容範囲外の場合でも、図１０に示すように、次に算出される更新用補正係数が許容範囲内に収まることがある。
したがって、算出された更新用補正係数が許容範囲外と判定した場合は、典型的には、現在の補正係数が引き続き使用される。これに限られず、例えば、許容範囲内の過去の直近数日分の補正係数の平均値などが、更新用補正係数として更新されてもよい。

なお、許容範囲外の更新用補正係数が連続して複数回算出された場合は、上述したように過去の補正係数の平均値が採用されてもよい。

以上のように本実施形態においては、ガス検出装置１００の定常動作に伴って得られるＱＣＭセンサ１０および湿度センサ７０の測定値を数値的に処理し、定期的に補正係数を更新し、なおかつ得られた補正係数の履歴から、次の補正係数の予測値とその範囲を算出し、次の測定によって得られた値がその範囲内に収まっている場合のみ、その新たな補正係数を、最新の補正係数として採用する。これにより、センサの経時変化に柔軟に対応しつつ、測定値の補正精度を向上させることができる。

また、本実施形態によれば、補正係数を自動的に算出、更新するように構成されているため、長期にわたり高精度な異常検知動作を安定して行うことができる。特に、配電盤など、普段は人が出入りしない場所の異常の有無の検査が容易になるため、作業者の負担を軽減することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上述の実施形態にのみ限定されるものではなく種々変更を加え得ることは勿論である。

例えば以上の実施形態では、におい成分の検出素子としてＱＣＭセンサを例に挙げて説明したが、これに限られず、におい成分の吸着により抵抗値の変化が生じる半導体センサなどの他の検出素子が採用されてもよい。また、吸着膜のガス吸着による重量増加、膨張応力増加等の物理変化を検出し、電気信号に変換できるものであってもよい。

また本発明に係るガス検出装置は、火災等の異常検知の用途に限られない。例えば、室内における不快なにおい成分を検知して換気動作を行うためのセンサとして用いられてもよい。また、未知のガスに含まれるにおい成分の分析などにも本発明は適用可能である。

さらに以上の実施形態では、最も周波数変動の大きいＱＣＭセンサ１０の共振周波数の変化に基づいて湿度センサ７０の測定値を決定し、当該湿度センサ７０の測定値を共通に用いて各検出チャンネルのＱＣＭセンサ１０の測定値の湿度補正を行ったが、これに限られない。例えば、各ＱＣＭセンサ１０の共振周波数の最小値または最大値に基づき湿度センサ７０の測定値を検出チャンネルごとに個々に決定し、決定した各検出チャンネルの湿度センサの測定値を用いて各検出チャンネルのＱＣＭセンサ１０の測定値の湿度補正を個別に行ってもよい。

４…制御装置
１０…ＱＣＭセンサ（検出素子）
１２…吸着膜
４１…取得部
４２…測定部
４３…算出部
４４…更新部
４５…判定部
４６…記憶部
７０…湿度センサ
１００…ガス検出装置

Claims (9)

1. 検出対象ガスに含まれるにおい成分の吸着により出力変化を生じる検出素子と、
   前記検出対象ガスの湿度を検出する湿度センサと、
   制御装置と
   を具備し、
   前記制御装置は、
   前記検出素子の測定値と、前記湿度センサの測定値とを取得する取得部と、
   補正係数を記憶する記憶部と、
   前記補正係数を用いて湿度補正された前記検出素子の出力に基づいて前記におい成分を測定する測定部と、
   前記検出素子および前記湿度センサ各々の測定値の履歴である第１の履歴データに基づいて算出された更新用補正係数に更新する更新部と、を有する
   ガス検出装置。
2. 請求項１に記載のガス検出装置であって、
   前記検出素子の測定値は、測定期間内で取得された共振周波数の最小値もしくは最大値、又は、測定期間終了時点における共振周波数である
   ガス検出装置。
3. 請求項１又は２に記載のガス検出装置であって、
   前記検出素子および前記湿度センサ各々の測定値は、互いに時間的に紐づけされた測定値である
   ガス検出装置。
4. 請求項１～３のいずれか１つに記載のガス検出装置であって、
   前記制御装置は、前記補正係数の履歴である第２の履歴データを基に設定された判定基準に基づいて、前記補正係数を前記更新用補正係数に更新すべきか否かを判定する判定部をさらに有する
   ガス検出装置。
5. 請求項４に記載のガス検出装置であって、
   前記判定部は、前記第２の履歴データにおける前記補正係数の平均値を基に前記判定基準を設定し、前記更新用補正係数が前記判定基準を満たす場合に限り、前記補正係数を前記更新用補正係数に更新する
   ガス検出装置。
6. 請求項１～５のいずれか１つに記載のガス検出装置であって、
   前記検出素子は、複数の検出素子を有する
   ガス検出装置。
7. 請求項１～６のいずれか１つに記載のガス検出装置であって、
   前記検出素子は、前記におい成分を吸着する吸着膜を有し、前記におい成分の吸着により共振周波数変化を生じる振動デバイスである
   ガス検出装置。
8. ガス検出装置用の湿度補正方法であって、
   検出対象ガスに含まれるにおい成分の吸着により出力変化を生じる検出素子の測定値と、前記検出対象ガスの湿度を検出する湿度センサの測定値とを取得し、
   
   補正係数を用いて湿度補正された前記検出素子の出力に基づいて前記におい成分を測定し、
   前記検出素子および前記湿度センサ各々の測定値の履歴である履歴データに基づいて算出された更新用補正係数を算出する
   湿度補正方法。
9. ガス検出装置用の制御装置であって、
   検出対象ガスに含まれるにおい成分の吸着により出力変化を生じる検出素子の測定値と、前記検出対象ガスの湿度を検出する湿度センサの測定値とを取得する取得部と、
   補正係数を記憶する記憶部と、
   前記補正係数を用いて湿度補正された前記検出素子の出力に基づいて前記におい成分を測定する測定部と、
   前記検出素子および前記湿度センサ各々の測定値の履歴である第１の履歴データに基づいて算出された補正係数に更新する更新部と
   を具備する制御装置。

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