JP2741381B2

JP2741381B2 - ガス検出装置

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Publication number: JP2741381B2
Application number: JP63025302A
Authority: JP
Inventors: 進安永; 一雄沖野
Original assignee: Figaro Engineering Inc
Current assignee: Figaro Engineering Inc
Priority date: 1988-02-04
Filing date: 1988-02-04
Publication date: 1998-04-15
Anticipated expiration: 2013-04-15
Also published as: DE68915556D1; EP0327089A3; EP0327089A2; JPH01199143A; DE68915556T2; EP0327089B1; US4958513A

Description

【発明の詳細な説明】［発明の利用分野］この発明は、ガスセンサ出力の相対的変化からガスを
検出するようにしたガス検出装置に関する。この発明の
ガス検出装置は、空気汚染の検出やガス漏れの検出、あ
るいは調理器の制御等に用いる。

［用語法］この明細書では、ガスセンサの出力は雰囲気の浄化に
より減少し、汚染により増加するものとして示す。セン
サの種類や信号処理の手法によっては逆の結果が得られ
る場合もあるので、この明細書でいうセンサ出力の大小
は実際のセンサ出力の大小に対応しない場合もある。

［従来技術］特公昭59−39,330号公報は、ガスセンサによる空調装
置の自動制御装置に付いて記載している。この装置の特
徴は、以下の点に有る。

（１）１分程度の間隔で基準出力を更新する。なお基
準出力には更新時点でのセンサ出力を用いる。

（２）センサ出力の基準出力からの変化により空気の
汚染を検出し、換気装置や空気清浄機等の空調負荷を動
作させる。

（３）空調負荷の動作中は、基準出力の更新を禁止す
る。これは、汚染した雰囲気に対応したセンサ出力を基
準出力とすることを避けるためである。

（４）空調負荷の動作によりセンサ出力が低下する
と、空調負荷を停止させる。

この装置の利点は、第一にセンサの経時変化や温湿度
変動の影響を自動的に補償でき、また個別のセンサ毎の
調整が不要な点に有る。第二に、周囲に常時存在するガ
スの影響を捨て、ガス濃度の急激な増加から空気の汚染
を検出するようにした点に有る。

しかし所定の間隔で読み込んだ基準出力の意味は、あ
いまいである。特に雰囲気の汚染が緩やかに進行する場
合の検出が、困難になる。また空調負荷を作動させても
ガス濃度が低下しない場合、制御が不可能になる。例え
ば煙の除去を主眼としガスの除去を重視しない空気清浄
機の場合、空気清浄機を動作させ煙を除去しても、ガス
濃度は余り低下しない。

［発明の課題］この発明の課題は、センサ出力の基準出力のサンプリ
ング手法を改良し、ガス濃度の増加率がわずかな場合に
もガスの検出を可能にすること、及び検出後ガス濃度が
低下しない場合にも対応し得るようにすることに有る。

［発明の構成と作用］この発明では、ガスセンサ出力が時間的にほぼ一定で
あることを検出して、基準出力をサンプリングする。セ
ンサ出力が一定であることは、ガスの発生が無いことを
意味する。そしてこの時点でのセンサ出力を基準出力と
すれば、ガス濃度の増加率がわずかな場合にも対応でき
る。また空調負荷を作動させてもガス濃度が低下しない
場合にも対応できる。

なお基準出力のサンプリング条件には、センサ出力が
ほぼ一定であることの他に、種々の条件を加えても良
い。例えばセンサ出力が低下しつつある場合に、基準出
力を変更しても良い。

この発明のガス検出装置は、任意のガス検出の用途に
用い得る。

［実施例］第１図〜第４図に最初の実施例を示す。なお実施例
は、空気清浄機の制御に用いるものとする。

第１図に実施例の動作波形を示し、（１）は煙濃度
を、（２）はセンサ出力（電気伝導度σ）を、（３）は
空気清浄機の動作を示す。なおセンサは、例えばSnO₂等
のｎ形金属酸化物半導体を用いたものとする。また空気
清浄機には、電気集塵機と活性炭等のフィルターを組み
合わせ、煙の除去を主目的としガスの除去を副次的目的
とした空気清浄機を考える。この場合、煙に伴うガスの
発生から空気清浄機を動作させる。

この空気清浄機では、空気清浄機を動作させてもガス
濃度は余り低下しない。これに対して、センサ出力がフ
ラット、即ち時間的にほぼ一定であることに着目して空
気清浄機を制御すれば、満足な制御性能が得られる。即
ちセンサ出力が（２）の実線のように変化する場合に、
（２）の破線の様に基準出力σ_１をサンプリングする。
そして基準出力σ_１のサンプリングには、適宜のタイマ
等を用い５〜30分程度の間センサ出力がほぼ一定である
ことを検出すれば良い。

第２図により、基準出力のサンプリング条件を説明す
る。（Ａ）の例では、30秒〜５分程度の適当な間隔でセ
ンサ出力をサンプリングし、サンプリング値Ａ〜Ｆを取
り出す。そしてこれらの値の最大値と最小値とを比較
し、その差が所定の値以下であればセンサ出力がほぼ一
定とする。（Ｂ）の例では、センサ出力は緩やかに増加
しており、センサ出力が一定であるとはみなさない。

センサ出力が一定であることの検出には、センサ出力
が低下しつつあることを加えても良い。このような例を
（Ｃ）に示す。この例ではサンプリング値Ａ〜Ｆを直線
近似し、勾配が負であることからセンサ出力の低下を検
出する。次に直線近似からの検出値の分散を検出し、セ
ンサ出力が滑らかに減少しつつあることを検出する。

センサ出力がほぼ一定であることの検出には、任意の
手法を用い得る。例えば（Ｄ）の例では、センサ出力を
タイマにより適当な区間に分割する。そして各区間（図
では区間Ｎ）の最大値ｘと最小値ｙとをサンプリング
し、その差ｘ−ｙが所定の条件Ｋより小さいことから、
センサ出力がほぼ一定とする。これ以外に例えば、セン
サ出力をアナログ微分し、微分値が一定の範囲に有るこ
とから、センサ出力がほぼ一定であると判断しても良
い。また例えば、次の条件からセンサ出力がほぼ一定で
あるとしても良い。

|A−D|＋|B−E|＋|C−F|≦ＫここにＡ〜Ｆは、第２図（Ａ）の各時点でのセンサ出
力である。

第３図により、第２図（Ａ）の条件に沿った回路構成
を説明する。図において、２は金属酸化物半導体ガスセ
ンサで、ここではSnO₂等のｎ形金属酸化物半導体４をヒ
ータ６で加熱するようにしたものを用いる。勿論ガスセ
ンサ２には、プロトン導電体やZrO₂等の固体電解質を用
いたもの等の任意のガスセンサを用い得る。８は回路電
源、10はセンサ２の負荷抵抗、12はセンサ２の温湿度依
存性を部分的に補償するためのサーミスタである。サー
ミスタ12は用いなくても良い。

20はマイクロコンピュータで、22はA/Dコンバータ、2
4は演算装置、26は５〜30分程度のタイマ、28は基準出
力σ_１を格納するRAM、30は汚染の検出信号（FLAG）を
格納するRAMである。また32はRAMで、タイマ26で定まる
時間を６等分した各時点（Ａ〜Ｆ）でのセンサ出力を記
憶するために用いる。またマイクロコンピュータ20に
は、この他に、動作プログラムを記憶させたROM等に設
ける。I₁はマイクロコンピュータ20への入力ポート、P₁
はマイクロコンピュータ20の出力ポートで、空気清浄機
40の制御に用いる。

第４図に移り、装置の動作フローチャートを説明す
る。電源８を投入すると、例えば２分間待機した後、セ
ンサ２の出力を読み込む。これを基準出力σ_１の初期値
として記憶すると共に、RAM32の初期値を０とする。ま
た表１に、第４図の各記号の意味を示す。

表１記号意味 σ₁ 基準出力 σ センサ出力（電気伝導度）の瞬間値Ａ〜Ｆ RAM32の記憶値 n タイマの動作期間を６等分した各区間の番号 T₁ タイマの動作期間の1/6の期間 FLAG 汚染の検出信号初期化の次にタイマ26を動作させ、この期間を６等分
する。６等分した期間の経過毎に、センサ出力をRAM32
に順次記憶させてゆく。そしてRAM32の記憶内容Ａ〜Ｆ
の最大値をｘ、最小値をｙとし、ｘ−ｙがＫ以下でセン
サ出力が時間的にほぼ一定とし、その時点でのセンサ出
力を基準出力σ_１とする。Ｋの値は例えば1.02〜1.08程
度とする。また基準出力の実際の値は、センサ出力がほ
ぼ一定と判断した時点での、センサ出力となる。なお図
中ｎは、タイマ26を６等分した区間のｎ番目を意味し、 Load（ｎ）＝σ はセンサ出力σをRAM32のｎ番目の番地に記憶させると
の指令を現す。このようにしてセンサ出力がほぼ一定で
あることを検出し、基準出力のサンプリングを行う。

次に汚染の検出について説明する。基準出力σ_１をＪ
倍したもの、（Ｊは例えば1.3程度）を空気清浄機40の
動作閾値とし、センサ出力がＪ・σ_１より大きい場合に
汚染とし、Ｊ・σ_１以下で清浄と判断する。そして汚染
時にはRAM30の信号（FLAG）を１とし、清浄時には信号
を０として、空気清浄機40を制御する。なお基準出力σ
_１から動作閾値を得る手法に付いては、前記の特公昭59
−39,330号公報や、特開昭60−27,849号公報等により、
種々のものが知られている。

第５図以下に、より複雑な実施例を示す。この実施例
では、清浄雰囲気に対応したセンサ出力を基準出力σ_０
として記憶し、２つの基準出力σ_０、σ_１を用いて制御
を行う。基準出力σ_０には、例えばセンサ出力の最小値
を用いる。しかし基準出力σ_０のサンプリング後長時間
経過すると、温湿度等の変動のため信頼性が低下する。
そこで２〜６時間毎に５〜10％程度等の割合で徐々に基
準出力σ_０を増加させる。この増加率は、清浄雰囲気中
での温湿度変動によるセンサ出力の増加率に見合ったも
のとする。そしてセンサ出力が低下しない場合には基準
出力σ_０をこの増加率で徐々に増加させ、センサ出力が
基準出力σ_０以下に低下した場合には実際のセンサ出力
を基準出力σ_０に代入する。基準出力σ_０は、温湿度が
上昇した場合にはそれに見合った割合で増加し、温湿度
が低下した場合には雰囲気の清浄化を待ってそれに応じ
た値に減少する。このようにして清浄空気に対応した基
準出力σ_０を得る。

またこの実施例では、センサ出力が低下した場合に
は、基準出力σ_１も低下させる。更に基準出力σ_１の更
新に付いては、更新に伴う基準出力の変化幅が大きい
程、より長時間センサ出力が安定であることを必要とす
るようにする。

第６図に、２つの基準出力σ_１、σ_０の組み合わせに
よる、動作閾値σｔの設定条件を示す。閾値σｔは例え
ば、ａσ_１＋ｂσ_０とする。金属酸化物半導体ガスセンサ２の出力は、一般
にガス濃度に比例せず、ガス濃度の0.6乗〜0.8乗等に比
例する。そこで基準出力σ_１のみで閾値を算出すると、
問題が生じる。例えば基準出力に対応したガス濃度をＣ
とし、空気清浄機40の動作条件をガス濃度がＣ＋ΔＣに
増加することとする。σ_１のみで動作閾値を算出する
と、σ_１が大きい程ΔＣも増加する。次に健康への影響
等も考慮すると、Ｃが大きい程ΔＣを小さくするのが好
ましい。

そこでこれらの要請に対応して基準出力σ_０を用い、
閾値をσ_１とσ_０との組み合わせで設定する。a/bの比
が大きい程動作閾値はσ_１に依存し、a/bの比が小さい
程動作閾値はσ_０に依存する。実施例ではａを0.8、ｂ
を0.6とした。この値は 1.4σ_１−0.6（σ_１−σ_０）に等しい。なお第６図での動作閾値を変更し、σ_１がσ
_０より充分大きい場合に、動作閾値が図の横軸に漸近す
るようにしても良い。基準出力σ_１、σ_０の組み合わせ
条件には、これ以外にも任意のものを用い得る。

第７図に、基準出力σ_１のサンプリング条件を示す。
例えば１〜５分程度の間隔でセンサ出力をサンプリング
し、Ａ〜Ｆとして記憶する。次にＡとＦの値を比較し、
Ａ〜Ｆを直線近似した際の勾配ｍを求める。Ｆ−Ａが負
または０でセンサ出力が一定もしくは減少しつつあるも
のとし、Ｆ−Ａが正の場合はセンサ出力が増加しつつあ
るものとして基準出力σ_１の更新は行わない。次にＦ−
Ａが負または０の場合、（ｍ≦０）、直線近似からの分
散を検出する。分散を直接演算するのは複雑なので、例
えば次の値を用いる。

|A−Ｂ＋m/5|＋|A−Ｃ＋2m/5|＋ |A−Ｄ＋3m/5|＋|A−Ｅ＋4m/5| （ｍ＝Ｆ−Ａ）この値が所定の値以下で基準出力σ_１を更新し、所定
の値より大きい場合には更新しない。

なお第７図のサンプリング条件に代え、第８図のもの
等も用い得る。サンプリングしたＡ〜Ｆの各値を前２回
の値と比較する。比較は前２回の値の内小さい方と行
い、小さいほうの値に許容幅δを加えたものを許容値と
する。例えばＣ≦Min（A,B）＋δ でこの演算を行う。そしてこの条件が６回連続して充た
される場合に、基準出力σ_１を更新する。

第９図にこの実施例の回路構成を、第10図に動作プロ
グラムを示す。なお以下同一番号のものは先の実施例と
同じものを現し、同一のステップは同じ処理を現す。ま
た特に断らない限り、先の実施例に関する注意はそのま
まこの実施例にも当てはまる。

第９図において、50は新たなマイクロコンピュータ、
32は基準出力σ_０の増加に用いるタイマ、34は基準出力
σ_０を格納するためのRAMである。なおマイクロコンピ
ュータ50には、演算の中間値を格納するためのレジスタ
やRAM等を設けておくものとする。

第10図に移り、動作フローチャートを説明する。10秒
間待機した後、基準出力σ₀,σ_１の初期値としてセンサ
出力σを読み込む。またRAM32の内容Ａ〜Ｆの初期値を
０とする。

次ぎにセンサ出力の最小値から基準出力σ_０をサンプ
リングし、タイマT2（タイマ32）と定数ｐを用い基準出
力σ_０の変更を行う。即ちセンサ出力σがσ_０より小さ
い場合にσ_０にσを代入し、タイマT2の経過毎に割合ｐ
で増加させる。実施例では、タイマ32の動作時間を１時
間、ｐの値を３％とした。

基準出力σ_１のサンプリングは、第７図に従って行
う。即ちRAM32に格納したＡ〜Ｆの値を直線近似し、セ
ンサ出力が一定または減少しつつあることを、サンプリ
ングの第１条件とする。次に、直線近似からのずれｄを
前記の手法で演算し、この値がＤ・（σ−σ_１）で基準
出力σ_１を更新する。なおＤは定数で、基準出力σ_１の
変化幅が大きい程基準出力の更新に厳しい条件を加え
る。これは第５図の第２の煙ピークの場合のように、基
準出力σ_１の変化幅が大きい場合に、空気清浄機40の動
作時間を長くする効果が有る。

汚染の検出は、センサ出力σが第６図の閾値以上か否
かで判別し、汚染を検出するとRAM30のFLAG信号を１と
して、空気清浄機40を制御する。

装置の動作を再度説明する。清浄雰囲気に対応したセ
ンサ出力を基準出力σ_０としてサンプリングする。また
センサ出力がほぼ一定あるいは減少しつつある場合に、
その時点でのセンサ出力を基準出力σ_１としてサンプリ
ングする。そして２つの基準出力σ_０、σ_１を組み合わ
せ、ガスの検出条件を設定する。センサ出力が動作閾値
以上に達すると、空気清浄機40を動作させ煙を除去す
る。煙の除去後もガスは残存するが、新たなガスの発生
がない場合、センサ出力はほぼ安定する。なお新たなガ
スが発生しないとは、煙も新たに発生していないことを
意味する。センサ出力が安定すると、センサ出力がほぼ
一定あるいは徐々に減少することから、基準出力σ_１を
更新する。基準出力σ_１の更新により、センサ出力は動
作閾値以下となり、空気清浄機40も停止する。ここで基
準出力σ_１の変化幅が大きい程、更新の条件を厳しくす
る。従って雰囲気の汚染が著しい時程、基準出力の更新
が遅れ、空気清浄機40の動作時間も長くなる。

実施例では、空気清浄機の制御を例に説明したが、換
気装置等の制御、脱臭装置等の制御、ガス漏れの検出等
に適用しても良い。またセンサ出力が時間的にほぼ一定
であることの検出は、実施例で示したものには限定され
ず、センサ出力がほぼ一定であることを検出し得るもの
であれば任意のものを用い得る。

［発明の効果］この発明では、ガス濃度の緩やかな増加も検出するこ
とができる。またガスの浄化能力の不充分な空調負荷等
を制御する場合にも、対応できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は実施例の特性図で、第１図（１）は煙濃度を現
す特性図、第１図（２）はガスセンサ出力を現す特性
図、第１図（３）は空気清浄機の動作を現す特性図であ
る。第２図（Ａ）〜（Ｄ）は、それぞれ実施例での基準
出力のサンプリングを現す特性図である。第３図は実施
例の回路図、第４図は実施例の動作フローチャートであ
る。第５図は第２の実施例の特性図で、第５図（１）は煙濃
度を現す特性図、第５図（２）はガスセンサ出力を現す
特性図、第５図（３）は空気清浄機の動作を現す特性図
である。第６図、第７図はそれぞれ第２の実施例の特性
図、第８図は変形例の特性図である。第９図は第２の実
施例の回路図、第10図は第２の実施例の動作フローチャ
ートである。図において、２……ガスセンサ、 20,50……マイクロコンピュータ、 40……空気清浄機。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭60−27849（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−24137（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−69040（ＪＰ，Ａ) 実開昭57−153242（ＪＰ，Ｕ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】ガスセンサ出力の相対的変化から、ガスを
検出するようにしたガス検出装置において、ガスセンサ出力が時間的にほぼ一定であることを検出す
るための手段と、この手段からの信号発生時付近のセンサ出力を、基準出
力として記憶するための手段と、基準出力に対するセンサ出力の相対的変化からガスを検
出するための手段とを設けたことを特徴とする、ガス検
出装置。