JP3292866B2 - におい・ガス流可視化装置およびにおい・ガス流計測装置 - Google Patents
におい・ガス流可視化装置およびにおい・ガス流計測装置Info
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】におい・ガスセンサを並べた
小型のセンサアレイを用い、空気中を漂うにおいガスの
流れを動画像として可視化するにおい・ガス流可視化装
置およびそれを用いたにおい・ガス流計測装置に関す
る。
小型のセンサアレイを用い、空気中を漂うにおいガスの
流れを動画像として可視化するにおい・ガス流可視化装
置およびそれを用いたにおい・ガス流計測装置に関す
る。
【0002】
【従来の技術】従来、におい・ガスの発生源を探索する
装置としては、以下の研究がある。
装置としては、以下の研究がある。
【0003】(1)平中幸雄、山崎弘郎:半導体ガスセ
ンサアレイによるガス濃度分布の可視化 Transa
ction of Sensor Technolog
y Research,ST−88−4,IEE of
Japan,1988,pp.33−42.ガスセン
サを2次元平面上に並べて巨大なセンサアレイを製作
し、発生源から広がるガス濃度分布の全体像を計測す
る。得られた像はコンピュータ画面上に可視化され、最
も濃度の高い場所を探すことにより発生源位置が分か
る。しかし、においやガスが発生すると予想される場所
に予めセンサを配置しておく必要があり、汎用性に欠け
る。
ンサアレイによるガス濃度分布の可視化 Transa
ction of Sensor Technolog
y Research,ST−88−4,IEE of
Japan,1988,pp.33−42.ガスセン
サを2次元平面上に並べて巨大なセンサアレイを製作
し、発生源から広がるガス濃度分布の全体像を計測す
る。得られた像はコンピュータ画面上に可視化され、最
も濃度の高い場所を探すことにより発生源位置が分か
る。しかし、においやガスが発生すると予想される場所
に予めセンサを配置しておく必要があり、汎用性に欠け
る。
【0004】(2)特開平7−12671、特開平7−
260618 上記(1)の問題点を解決するため、本願発明者は発生
源方向を判定する小型装置を用い、得られた方向に移動
して発生源を探索する方法を提案した。風向を求めるセ
ンサとガスセンサを使用し、空間の中の1点で計測した
ガス濃度勾配と風向を組み合わせて発生源の方向を判定
する。しかし、風が不安定な環境では局所的な風の乱れ
の影響を受け、方向判定の信頼性が低い。また、一般室
内のような風速5cm/s以下の微風速に適用可能な風
向センサは少ないため、このような環境での使用は困難
であった。
260618 上記(1)の問題点を解決するため、本願発明者は発生
源方向を判定する小型装置を用い、得られた方向に移動
して発生源を探索する方法を提案した。風向を求めるセ
ンサとガスセンサを使用し、空間の中の1点で計測した
ガス濃度勾配と風向を組み合わせて発生源の方向を判定
する。しかし、風が不安定な環境では局所的な風の乱れ
の影響を受け、方向判定の信頼性が低い。また、一般室
内のような風速5cm/s以下の微風速に適用可能な風
向センサは少ないため、このような環境での使用は困難
であった。
【0005】(3)特開平8−261893、特願平8
−121996 上記(2)における風向センサの問題点を解決するた
め、これを使用しない方式の発生源方向判定装置を本願
発明者が提案した。小型ファンを用いて前方からガスを
吸引し、ファンの前に並べたガスセンサの応答差を測定
してにおい・ガス源の方向を判定する。しかし、上記
(2)と同様に空間の1点で得た情報に基づいて判定を
行うため、局所的な風の乱れの影響を受けやすいという
問題点がある。
−121996 上記(2)における風向センサの問題点を解決するた
め、これを使用しない方式の発生源方向判定装置を本願
発明者が提案した。小型ファンを用いて前方からガスを
吸引し、ファンの前に並べたガスセンサの応答差を測定
してにおい・ガス源の方向を判定する。しかし、上記
(2)と同様に空間の1点で得た情報に基づいて判定を
行うため、局所的な風の乱れの影響を受けやすいという
問題点がある。
【0006】
【発明が解決しようとする課題】以上説明したように、
従来は、におい・ガス源の方向判定を行う際に、におい
ガスセンサの配置位置の選定が困難であったり、局所的
な風の乱れの影響を受けやすいという問題点があった。
従来は、におい・ガス源の方向判定を行う際に、におい
ガスセンサの配置位置の選定が困難であったり、局所的
な風の乱れの影響を受けやすいという問題点があった。
【0007】そこで、本発明は、多数のにおい・ガスセ
ンサを用いてにおい・ガス濃度変化の多点計測を行うこ
とにより、風の局所的な乱れの影響を受けにくく、短時
間で信頼性の高い方向判定が可能となり、しかも、可搬
な小型のセンサアレイを用いて、におい・ガス源の方向
判定を行うことにより、におい・ガス流の発生源の周囲
に予めセンサが配置されている必要がなく、汎用性の高
いにおい・ガス流可視化装置およびそれを用いたにおい
・ガス流計測装置を提供することを目的とする。
ンサを用いてにおい・ガス濃度変化の多点計測を行うこ
とにより、風の局所的な乱れの影響を受けにくく、短時
間で信頼性の高い方向判定が可能となり、しかも、可搬
な小型のセンサアレイを用いて、におい・ガス源の方向
判定を行うことにより、におい・ガス流の発生源の周囲
に予めセンサが配置されている必要がなく、汎用性の高
いにおい・ガス流可視化装置およびそれを用いたにおい
・ガス流計測装置を提供することを目的とする。
【0008】すなわち、本発明のにおい・ガス流可視化
装置によれば、におい・ガスセンサを並べた小型のセン
サアレイを用い、この小型センサアレイ上を流れ去る空
気中を漂うにおい・ガスの流れを動画像として可視化
し、これにより指し示す方向に従って移動すれば、にお
いやガスの発生源を容易にしかも正確に発見することが
できる。また、におい・ガスの流れる方向と速度から、
風向と風速を計測することができる。
装置によれば、におい・ガスセンサを並べた小型のセン
サアレイを用い、この小型センサアレイ上を流れ去る空
気中を漂うにおい・ガスの流れを動画像として可視化
し、これにより指し示す方向に従って移動すれば、にお
いやガスの発生源を容易にしかも正確に発見することが
できる。また、におい・ガスの流れる方向と速度から、
風向と風速を計測することができる。
【0009】
【課題を解決するための手段】(1)本発明のにおい・
ガス流可視化装置は、1または複数のにおい・ガスセン
サを二次元平面上に配列した複数のセンサアレイを組み
合わせて、におい・ガス流の濃度変化を多点計測するに
おい・ガス流計測手段と、このにおい・ガス流計測手段
で計測された濃度変化を可視化する可視化手段とを具備
したことを特徴とする。本発明によれば、におい・ガス
センサの配置位置の選定を行う必要がなく、風の局所的
な乱れの影響を受けにくく、短時間で信頼性の高いにお
い・ガス流の方向判定が可能となる。特に、におい・ガ
ス流を位置平面的に捉えるセンサアレイを複数組み合わ
せて用いることにより、あらゆる方向からのにおい・ガ
ス流を同時多点計測できる。また、におい・ガスセンサ
に水晶振動子におい・ガスセンサを用いた場合、におい
・ガスの瞬間的な濃度変化にもすばやく追従できるとい
う利点がある。
ガス流可視化装置は、1または複数のにおい・ガスセン
サを二次元平面上に配列した複数のセンサアレイを組み
合わせて、におい・ガス流の濃度変化を多点計測するに
おい・ガス流計測手段と、このにおい・ガス流計測手段
で計測された濃度変化を可視化する可視化手段とを具備
したことを特徴とする。本発明によれば、におい・ガス
センサの配置位置の選定を行う必要がなく、風の局所的
な乱れの影響を受けにくく、短時間で信頼性の高いにお
い・ガス流の方向判定が可能となる。特に、におい・ガ
ス流を位置平面的に捉えるセンサアレイを複数組み合わ
せて用いることにより、あらゆる方向からのにおい・ガ
ス流を同時多点計測できる。また、におい・ガスセンサ
に水晶振動子におい・ガスセンサを用いた場合、におい
・ガスの瞬間的な濃度変化にもすばやく追従できるとい
う利点がある。
【0010】(2)本発明のにおい・ガス流計測装置
は、1または複数のにおい・ガスセンサを二次元平面上
に配列した複数のセンサアレイを組み合わせて、におい
・ガス流の濃度変化を多点計測するにおい・ガス流計測
手段と、このにおい・ガス流計測手段で計測された濃度
変化を可視化する可視化手段と、前記可視化された濃度
変化に基づきにおい・ガス流の方向および流速を測定す
る測定手段とを具備したことを特徴とする。本発明によ
れば、におい・ガスセンサの配置位置の選定を行う必要
がなく、風の局所的な乱れの影響を受けにくく、短時間
で信頼性の高いにおい・ガス流の方向判定が可能とな
る。特に、におい・ガス流を位置平面的に捉えるセンサ
アレイを複数組み合わせて用いることであらゆる方向か
らのにおい・ガス流を同時多点計測することができ、そ
の結果を合成することで、より正確ににおい・ガス流の
方向、速度の測定が行える。また、におい・ガスセンサ
に水晶振動子におい・ガスセンサを用いた場合、におい
・ガスの瞬間的な濃度変化にもすばやく追従できるとい
う利点がある。
は、1または複数のにおい・ガスセンサを二次元平面上
に配列した複数のセンサアレイを組み合わせて、におい
・ガス流の濃度変化を多点計測するにおい・ガス流計測
手段と、このにおい・ガス流計測手段で計測された濃度
変化を可視化する可視化手段と、前記可視化された濃度
変化に基づきにおい・ガス流の方向および流速を測定す
る測定手段とを具備したことを特徴とする。本発明によ
れば、におい・ガスセンサの配置位置の選定を行う必要
がなく、風の局所的な乱れの影響を受けにくく、短時間
で信頼性の高いにおい・ガス流の方向判定が可能とな
る。特に、におい・ガス流を位置平面的に捉えるセンサ
アレイを複数組み合わせて用いることであらゆる方向か
らのにおい・ガス流を同時多点計測することができ、そ
の結果を合成することで、より正確ににおい・ガス流の
方向、速度の測定が行える。また、におい・ガスセンサ
に水晶振動子におい・ガスセンサを用いた場合、におい
・ガスの瞬間的な濃度変化にもすばやく追従できるとい
う利点がある。
【0011】(3)また、上記1または複数のセンサア
レイには、その検知面に平行な板状体を該検知面に所定
の間隔を存して配したことにより、におい・ガス流の流
れ方向のうち、センサ検知面に乱気流を発生させるよう
な成分は遮蔽されて、検知面と平行な成分だけを取り出
して測定することができる。よって、より正確ににおい
・ガス流の方向、速度の測定が行える。
レイには、その検知面に平行な板状体を該検知面に所定
の間隔を存して配したことにより、におい・ガス流の流
れ方向のうち、センサ検知面に乱気流を発生させるよう
な成分は遮蔽されて、検知面と平行な成分だけを取り出
して測定することができる。よって、より正確ににおい
・ガス流の方向、速度の測定が行える。
【0012】(4)本発明のにおい・ガス流可視化装置
は、1または複数のにおい・ガスセンサを二次元平面上
に配列したセンサアレイと、このセンサアレイでにおい
・ガス流の濃度変化を多点計測して該計測された濃度変
化を可視化する可視化手段とを具備し、前記センサアレ
イには、その検知面に平行な板状体を該検知面に所定の
間隔を存して配したことを特徴とする。本発明によれ
ば、におい・ガスセンサの配置位置の選定を行う必要が
なく、風の局所的な乱れの影響を受けにくく、短時間で
信頼性の高いにおい・ガス流の方向判定が可能となる。
特に、センサアレイには、その検知面に平行な板状体を
該検知面に所定の間隔を存して配したことにより、にお
い・ガス流の流れ方向のうち、センサ検知面に乱気流を
発生させるような成分は遮蔽されて、検知面と平行な成
分だけを取り出して測定することができる。よって、よ
り正確ににおい・ガス流の方向、速度の測定が行える。
また、におい・ガスセンサに水晶振動子におい・ガスセ
ンサを用いた場合、におい・ガスの瞬間的な濃度変化に
もすばやく追従できるという利点がある。
は、1または複数のにおい・ガスセンサを二次元平面上
に配列したセンサアレイと、このセンサアレイでにおい
・ガス流の濃度変化を多点計測して該計測された濃度変
化を可視化する可視化手段とを具備し、前記センサアレ
イには、その検知面に平行な板状体を該検知面に所定の
間隔を存して配したことを特徴とする。本発明によれ
ば、におい・ガスセンサの配置位置の選定を行う必要が
なく、風の局所的な乱れの影響を受けにくく、短時間で
信頼性の高いにおい・ガス流の方向判定が可能となる。
特に、センサアレイには、その検知面に平行な板状体を
該検知面に所定の間隔を存して配したことにより、にお
い・ガス流の流れ方向のうち、センサ検知面に乱気流を
発生させるような成分は遮蔽されて、検知面と平行な成
分だけを取り出して測定することができる。よって、よ
り正確ににおい・ガス流の方向、速度の測定が行える。
また、におい・ガスセンサに水晶振動子におい・ガスセ
ンサを用いた場合、におい・ガスの瞬間的な濃度変化に
もすばやく追従できるという利点がある。
【0013】(5)本発明のにおい・ガス流可視化装置
は、1または複数のにおい・ガスセンサを二次元平面上
に配列したセンサアレイと、このセンサアレイでにおい
・ガス流の濃度変化を多点計測して該計測された濃度変
化を可視化する可視化手段と、前記可視化された濃度変
化に基づきにおい・ガス流の方向および流速を測定する
測定手段とを具備し、前記センサアレイには、その検知
面に平行な板状体を該検知面に所定の間隔を存して配し
たことを特徴とする。本発明によれば、におい・ガスセ
ンサの配置位置の選定を行う必要がなく、風の局所的な
乱れの影響を受けにくく、短時間で信頼性の高いにおい
・ガス流の方向判定が可能となる。特に、センサアレイ
には、その検知面に平行な板状体を該検知面に所定の間
隔を存して配したことにより、におい・ガス流の流れ方
向のうち、センサ検知面に乱気流を発生させるような成
分は遮蔽されて、検知面と平行な成分だけを取り出して
測定することができる。よって、より正確ににおい・ガ
ス流の方向、速度の測定が行える。また、におい・ガス
センサに水晶振動子におい・ガスセンサを用いた場合、
においガスの瞬間的な濃度変化にもすばやく追従できる
という利点がある。
は、1または複数のにおい・ガスセンサを二次元平面上
に配列したセンサアレイと、このセンサアレイでにおい
・ガス流の濃度変化を多点計測して該計測された濃度変
化を可視化する可視化手段と、前記可視化された濃度変
化に基づきにおい・ガス流の方向および流速を測定する
測定手段とを具備し、前記センサアレイには、その検知
面に平行な板状体を該検知面に所定の間隔を存して配し
たことを特徴とする。本発明によれば、におい・ガスセ
ンサの配置位置の選定を行う必要がなく、風の局所的な
乱れの影響を受けにくく、短時間で信頼性の高いにおい
・ガス流の方向判定が可能となる。特に、センサアレイ
には、その検知面に平行な板状体を該検知面に所定の間
隔を存して配したことにより、におい・ガス流の流れ方
向のうち、センサ検知面に乱気流を発生させるような成
分は遮蔽されて、検知面と平行な成分だけを取り出して
測定することができる。よって、より正確ににおい・ガ
ス流の方向、速度の測定が行える。また、におい・ガス
センサに水晶振動子におい・ガスセンサを用いた場合、
においガスの瞬間的な濃度変化にもすばやく追従できる
という利点がある。
【0014】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
図面を参照して説明する。
図面を参照して説明する。
【0015】(第1の実施形態) (構成と動作)図1は、本実施形態にかかるにおい・ガ
ス流可視化装置の構成例を示したものである。この装置
で用いるセンサアレイ3は、パルス駆動型半導体におい
・ガスセンサ素子(例えば、TGS2440、Figa
ro技研)C11〜C15、C21〜C25、C31〜
C35、C41〜C45、C51〜C55を25個用
い、これを5行5列の2次元アレイ状に並べたものであ
る。アレイ3の一辺の長さは、例えば55mmである。
ス流可視化装置の構成例を示したものである。この装置
で用いるセンサアレイ3は、パルス駆動型半導体におい
・ガスセンサ素子(例えば、TGS2440、Figa
ro技研)C11〜C15、C21〜C25、C31〜
C35、C41〜C45、C51〜C55を25個用
い、これを5行5列の2次元アレイ状に並べたものであ
る。アレイ3の一辺の長さは、例えば55mmである。
【0016】空気中を漂う希薄なにおい・ガスを検出す
るためには、高感度なセンサが必要となる。また、発熱
の大きいセンサを微風速環境下で数多く並べて用いる
と、アレイ自身が対流を起こし、流れを変えてしまう。
このため、消費電流が少ないセンサが望ましい。
るためには、高感度なセンサが必要となる。また、発熱
の大きいセンサを微風速環境下で数多く並べて用いる
と、アレイ自身が対流を起こし、流れを変えてしまう。
このため、消費電流が少ないセンサが望ましい。
【0017】通常の半導体におい・ガスセンサは、素子
加熱用ヒータの消費電力が大きいという欠点がある。本
実施形態で用いるパルス駆動型センサは応答を測定する
ときのみ素子を瞬間的に加熱して用いるため、ヒータ消
費電力が小さく、多数のセンサを並べても発熱が小さ
い。
加熱用ヒータの消費電力が大きいという欠点がある。本
実施形態で用いるパルス駆動型センサは応答を測定する
ときのみ素子を瞬間的に加熱して用いるため、ヒータ消
費電力が小さく、多数のセンサを並べても発熱が小さ
い。
【0018】パーソナルコンピュータ1は、装置全体の
制御を行う。このコンピュータ1からの指令を受け、制
御回路2ではセンサアレイ3から1行分のセンサ(5
個)を選択し、電源電圧を印加して、選択された1行分
のセンサのヒータを瞬間加熱する。半導体におい・ガス
センサはにおい・ガスを検出すると電気抵抗が減少し、
素子を流れる電流が増加する。
制御を行う。このコンピュータ1からの指令を受け、制
御回路2ではセンサアレイ3から1行分のセンサ(5
個)を選択し、電源電圧を印加して、選択された1行分
のセンサのヒータを瞬間加熱する。半導体におい・ガス
センサはにおい・ガスを検出すると電気抵抗が減少し、
素子を流れる電流が増加する。
【0019】対数変換回路4は、この電流変化を対数変
換し、それをA/D変換器5でアナログ信号からディジ
タル信号へ変換した後、測定値をコンピュータ1にとり
こむ。
換し、それをA/D変換器5でアナログ信号からディジ
タル信号へ変換した後、測定値をコンピュータ1にとり
こむ。
【0020】対数変換回路4は、5組の演算増幅器(対
数アンプ)4a〜4eで構成され、1つの回路にはセン
サアレイ3の縦1列のセンサが並列に接続されている。
すなわち、センサ素子C11〜C15からのセンサ応答
信号は演算増幅器4aに入力し、センサ素子C21〜C
25からのセンサ応答信号は演算増幅器4bに入力し、
センサ素子C31〜C35からのセンサ応答信号は演算
増幅器4cに入力し、センサ素子C41〜C45からの
センサ応答信号は演算増幅器4dに入力し、センサ素子
C51〜C55からのセンサ応答信号は演算増幅器4e
に入力している。
数アンプ)4a〜4eで構成され、1つの回路にはセン
サアレイ3の縦1列のセンサが並列に接続されている。
すなわち、センサ素子C11〜C15からのセンサ応答
信号は演算増幅器4aに入力し、センサ素子C21〜C
25からのセンサ応答信号は演算増幅器4bに入力し、
センサ素子C31〜C35からのセンサ応答信号は演算
増幅器4cに入力し、センサ素子C41〜C45からの
センサ応答信号は演算増幅器4dに入力し、センサ素子
C51〜C55からのセンサ応答信号は演算増幅器4e
に入力している。
【0021】このうち、制御回路2で選択された横1行
のセンサのみに電流が流れ、同時に横1行の5個のセン
サ応答を測定する構成となっている。選択する行を順次
切り替えることによって25個全てのセンサ応答を測定
し、この操作を所時間おきに繰り返す。
のセンサのみに電流が流れ、同時に横1行の5個のセン
サ応答を測定する構成となっている。選択する行を順次
切り替えることによって25個全てのセンサ応答を測定
し、この操作を所時間おきに繰り返す。
【0022】次に、図2に示すタイミングチャートを参
照して、図1のセンサアレイ3の動作について説明す
る。
照して、図1のセンサアレイ3の動作について説明す
る。
【0023】図1のH1〜H5はセンサアレイ3のセン
サ素子のヒータを駆動する電源線である。図2に示すよ
うに、初めに幅T1のヒータ電圧パルスを電源線H1に
印加し、第1行目(最も上の行)に並ぶ5つのセンサ素
子C11、C21、C31、C41、C51を加熱す
る。全素子を同時加熱すると、パルス駆動素子を利用し
ても瞬間的に大電流が流れるために、行毎に加熱する方
式をとる。このときの電源電圧は例えば5Vで、ヒータ
電圧パルスは、例えば、周期T2=0.25秒ごとに繰
り返し与える。
サ素子のヒータを駆動する電源線である。図2に示すよ
うに、初めに幅T1のヒータ電圧パルスを電源線H1に
印加し、第1行目(最も上の行)に並ぶ5つのセンサ素
子C11、C21、C31、C41、C51を加熱す
る。全素子を同時加熱すると、パルス駆動素子を利用し
ても瞬間的に大電流が流れるために、行毎に加熱する方
式をとる。このときの電源電圧は例えば5Vで、ヒータ
電圧パルスは、例えば、周期T2=0.25秒ごとに繰
り返し与える。
【0024】センサ応答の測定は、ヒータ電圧パルスの
印加からT3秒毎に行う。
印加からT3秒毎に行う。
【0025】図1のS1〜S5はセンサ素子抵抗測定用
の電源線である。図2に示すように、電源線S1に幅1
5msの電圧パルスを与えると、第1行目の5個のセン
サ素子C11、C21、C31、C41、C51に電流
が流れる。これを演算増幅器4a〜4eで増幅し、A/
D変換器5でアナログ信号からディジタル信号に変換し
た後、パーソナルコンピュータ1にて値を測定する。
の電源線である。図2に示すように、電源線S1に幅1
5msの電圧パルスを与えると、第1行目の5個のセン
サ素子C11、C21、C31、C41、C51に電流
が流れる。これを演算増幅器4a〜4eで増幅し、A/
D変換器5でアナログ信号からディジタル信号に変換し
た後、パーソナルコンピュータ1にて値を測定する。
【0026】演算増幅器4a〜4eのそれぞれには、セ
ンサアレイ3の縦一列のセンサ素子が並列に接続されて
いるが、電圧パルスが加えられた横一列のセンサ素子の
みに電圧がかかり、その素子を通って電流が流れる。
ンサアレイ3の縦一列のセンサ素子が並列に接続されて
いるが、電圧パルスが加えられた横一列のセンサ素子の
みに電圧がかかり、その素子を通って電流が流れる。
【0027】図2に示すように、以上の操作を例えば1
5msずつづらして全ての行に対して行う。
5msずつづらして全ての行に対して行う。
【0028】パーソナルコンピュータ1では、測定した
電流値からセンサの素子抵抗を計算し、次式に従ってセ
ンサ応答rを計算する。
電流値からセンサの素子抵抗を計算し、次式に従ってセ
ンサ応答rを計算する。
【0029】 r=Rgas/Rair …(1) 但し、Rgasはにおい・ガス中のセンサの素子抵抗、
Rairは空気中のセンサの素子抵抗を表し、rはにお
い・ガス濃度の単調減少関数である。
Rairは空気中のセンサの素子抵抗を表し、rはにお
い・ガス濃度の単調減少関数である。
【0030】本実施形態で用いたパルス駆動型半導体に
おい・ガスセンサのエタノ一ルガスに対する応答校正曲
線を図3に示す。同図ではガス中におけるセンサ抵抗R
gasと空気中における抵抗Rairの比、Rgas/
Rairをセンサ応答rとして用いた。希薄なppmレ
ベルのガスに応答してセンサ応答r=Rgas/Rai
rが減少していることが分かる。
おい・ガスセンサのエタノ一ルガスに対する応答校正曲
線を図3に示す。同図ではガス中におけるセンサ抵抗R
gasと空気中における抵抗Rairの比、Rgas/
Rairをセンサ応答rとして用いた。希薄なppmレ
ベルのガスに応答してセンサ応答r=Rgas/Rai
rが減少していることが分かる。
【0031】さて、得られたセンサ応答を映像化するた
めに、ガス濃度の高低を白黒の濃さ(画像輝度)で表
す。画素の輝度bを b=255×(1−r) …(2) として表示することにより、ガス濃度が高く、rが小さ
い場所ほど明るい画像が得られる。ここで、係数255
は、パーソナルコンピュータ1で表示可能な濃淡の階調
数である。
めに、ガス濃度の高低を白黒の濃さ(画像輝度)で表
す。画素の輝度bを b=255×(1−r) …(2) として表示することにより、ガス濃度が高く、rが小さ
い場所ほど明るい画像が得られる。ここで、係数255
は、パーソナルコンピュータ1で表示可能な濃淡の階調
数である。
【0032】(におい・ガス流可視化実験)以上説明し
たようなにおい・ガス流可視化装置を用いたにおい・ガ
ス流可視化実験は、図4に示すような風洞で行った。風
洞のほぼ中央ににおい・ガスセンサアレイ3を設置し、
ACファン11を用いて風を起こした。また、におい・
ガス発生源として、エタノ一ル飽和蒸気を噴出するノズ
ルを用い、その噴出口12からの噴出量は50ml/m
inとした。噴出口12とセンサアレイ3との距離は4
5cmである。
たようなにおい・ガス流可視化装置を用いたにおい・ガ
ス流可視化実験は、図4に示すような風洞で行った。風
洞のほぼ中央ににおい・ガスセンサアレイ3を設置し、
ACファン11を用いて風を起こした。また、におい・
ガス発生源として、エタノ一ル飽和蒸気を噴出するノズ
ルを用い、その噴出口12からの噴出量は50ml/m
inとした。噴出口12とセンサアレイ3との距離は4
5cmである。
【0033】においやガス分子の拡散速度は非常に遅
く、噴出口12から放出されたにおいガス分子は風に運
ばれて広がる。もし、風洞内の風が完全に層流であれ
ば、におい・ガスは噴出口12から一筋の連続した帯の
ように風下に広がる。しかし、図3に示す風洞の風には
現実の環境と同様に乱れがあり、におい・ガスの分布が
揺らぐ。このため、煙突からたなびく煙のように、にお
い・ガス濃度の高い部分と低い部分の模様を持ったにお
い・ガス雲がセンサアレイ3上を風下に流れて行く。
く、噴出口12から放出されたにおいガス分子は風に運
ばれて広がる。もし、風洞内の風が完全に層流であれ
ば、におい・ガスは噴出口12から一筋の連続した帯の
ように風下に広がる。しかし、図3に示す風洞の風には
現実の環境と同様に乱れがあり、におい・ガスの分布が
揺らぐ。このため、煙突からたなびく煙のように、にお
い・ガス濃度の高い部分と低い部分の模様を持ったにお
い・ガス雲がセンサアレイ3上を風下に流れて行く。
【0034】センサアレイ3の25個のセンサ素子の中
から風と並行に並ぶ5個のセンサ素子を選び、そのセン
サ応答rを図5に示す。図5に示したセンサ素子は、風
上からNo.20、No.19、No.18、No.1
7、No.16の順に並んでいる。図5からにおい・ガ
スに応答することきには、風上のセンサ素子No.20
の応答値が最初に減少を始め、以下、センサ素子の並ん
でいる順に応答していることがわかる。逆に図5には示
していないが、センサが回復を始める際にも応答値が同
じ順で増加を始める。この応答・回復の順序は、におい
・ガス流の向きと対応している。
から風と並行に並ぶ5個のセンサ素子を選び、そのセン
サ応答rを図5に示す。図5に示したセンサ素子は、風
上からNo.20、No.19、No.18、No.1
7、No.16の順に並んでいる。図5からにおい・ガ
スに応答することきには、風上のセンサ素子No.20
の応答値が最初に減少を始め、以下、センサ素子の並ん
でいる順に応答していることがわかる。逆に図5には示
していないが、センサが回復を始める際にも応答値が同
じ順で増加を始める。この応答・回復の順序は、におい
・ガス流の向きと対応している。
【0035】そこで、センサアレイ3の25個のセンサ
素子のセンサ応答rをコンピュータ画面上に映像化し、
観察する。
素子のセンサ応答rをコンピュータ画面上に映像化し、
観察する。
【0036】図6に、このような状況でセンサアレイ3
の25個のセンサ応答を動画像として可視化した結果を
示す。同図(a)〜(d)はセンサ素子がにおい・ガス
に応答を始めた際の映像を表し、(e)〜(h)はにお
い・ガスが通り過ぎてセンサが回復を始めた際の映像で
ある。色の白い部分が高濃度のにおい・ガスを表すが、
図6では可視化像の移動が見やすいようにセンサ応答を
2値化し、応答しているセンサの場所には無地の(色の
白い)矩形を、応答していないセンサの場所には斜め斜
線のはいった(色の濃い)矩形を描いた。
の25個のセンサ応答を動画像として可視化した結果を
示す。同図(a)〜(d)はセンサ素子がにおい・ガス
に応答を始めた際の映像を表し、(e)〜(h)はにお
い・ガスが通り過ぎてセンサが回復を始めた際の映像で
ある。色の白い部分が高濃度のにおい・ガスを表すが、
図6では可視化像の移動が見やすいようにセンサ応答を
2値化し、応答しているセンサの場所には無地の(色の
白い)矩形を、応答していないセンサの場所には斜め斜
線のはいった(色の濃い)矩形を描いた。
【0037】図6から明らかなように、におい・ガスが
左から右に流れている様子が確認された。
左から右に流れている様子が確認された。
【0038】(方向推定アルゴリズム)以上説明したよ
うなにおい・ガス流可視化装置によって、図6に示した
ようなにおい・ガス流の可視化画像が得られれば、にお
い・ガス流の方向を人間が見て判断できる。また、各種
画像処理アルゴリズムを用いて方向および流速を自動判
定することも可能である。このにおい・ガス流の可視化
画像から方向と流速を判定する処理は、図1のパーソナ
ルコンピュータ1で行うことができる。
うなにおい・ガス流可視化装置によって、図6に示した
ようなにおい・ガス流の可視化画像が得られれば、にお
い・ガス流の方向を人間が見て判断できる。また、各種
画像処理アルゴリズムを用いて方向および流速を自動判
定することも可能である。このにおい・ガス流の可視化
画像から方向と流速を判定する処理は、図1のパーソナ
ルコンピュータ1で行うことができる。
【0039】ここでは、将来の計算を回路化してリアル
タイム処理を行うことを考え、計算の容易なオプティカ
ルフローの拘束方程式による方向推定法(B.K.P.
Horn、”ロボットビジョン”朝倉書店、305〜3
28、1993)を用い、方向の自動判定を行う場合に
ついて説明する。
タイム処理を行うことを考え、計算の容易なオプティカ
ルフローの拘束方程式による方向推定法(B.K.P.
Horn、”ロボットビジョン”朝倉書店、305〜3
28、1993)を用い、方向の自動判定を行う場合に
ついて説明する。
【0040】におい・ガスの分子拡散を無視し、可視化
されたにおい・ガス濃度分布が一定の形状を保ったまま
2次元的にセンサアレイ3上を流れると仮定する。にお
い・ガス流のx軸方向成分をu、y軸方向成分をvとす
れば、オプティカルフローの拘束方程式は、
されたにおい・ガス濃度分布が一定の形状を保ったまま
2次元的にセンサアレイ3上を流れると仮定する。にお
い・ガス流のx軸方向成分をu、y軸方向成分をvとす
れば、オプティカルフローの拘束方程式は、
【0041】
【数1】
【0042】となる。
【0043】第i行j列目の画像輝度をbijとおき、
上式(3)に含まれる微分を中心差分近似すると、
上式(3)に含まれる微分を中心差分近似すると、
【0044】
【数2】
【0045】但し、センサアレイ3のセンサ素子の配置
間隔Δl=11mm、サンプリング時間Δt=250m
sであるとする。におい・ガス流の流速ベクトル(u、
v)は、上式(4)をi=2,3,4、j=2,3,4
に対して連立し、最小2乗法により求めることができ
る。
間隔Δl=11mm、サンプリング時間Δt=250m
sであるとする。におい・ガス流の流速ベクトル(u、
v)は、上式(4)をi=2,3,4、j=2,3,4
に対して連立し、最小2乗法により求めることができ
る。
【0046】ここで、図6に示した可視化画像に対し、
上述した手法に従い、におい・ガス流の方向および流速
の推定を行った結果を図7に示す。
上述した手法に従い、におい・ガス流の方向および流速
の推定を行った結果を図7に示す。
【0047】方向推定は、サンプリング周期Δt=25
0ms毎に行ったが、図6に示した結果においては、図
5において隣接している画像の中間の時刻の推定値を示
した。方向は右向きを0°とし、半時計回りを正とし
た。図6に示す画像の移動方向とおおよそ対応した方向
が得られた。風洞内の風向きは0°を中心に変動してお
り、得られた方向はこれと一致している。
0ms毎に行ったが、図6に示した結果においては、図
5において隣接している画像の中間の時刻の推定値を示
した。方向は右向きを0°とし、半時計回りを正とし
た。図6に示す画像の移動方向とおおよそ対応した方向
が得られた。風洞内の風向きは0°を中心に変動してお
り、得られた方向はこれと一致している。
【0048】得られたにおい・ガス流の速さはセンサの
応答時より回復時の方が小さかったが、これはセンサの
回復速度が応答速度に比べて遅いためであり、においや
ガスの流れをリアルタイムに可視化するためには、セン
サ応答の回復が充分に高速なセンサを用いることが好ま
しい。あるいは、センサの動作条件を最適化してセンサ
応答の回復速度の高速化を図ることもできる。
応答時より回復時の方が小さかったが、これはセンサの
回復速度が応答速度に比べて遅いためであり、においや
ガスの流れをリアルタイムに可視化するためには、セン
サ応答の回復が充分に高速なセンサを用いることが好ま
しい。あるいは、センサの動作条件を最適化してセンサ
応答の回復速度の高速化を図ることもできる。
【0049】例えば、前述のT1やT3の設定値によ
り、センサの応答特性は変化するため、始めに、これら
におい・ガスセンサの動作条件を最適化すればよい。
り、センサの応答特性は変化するため、始めに、これら
におい・ガスセンサの動作条件を最適化すればよい。
【0050】すなわち、上述のヒータ電圧パルス幅T1
の値が小さいほどエタノールガスに対するセンサ応答の
回復時間が短くなり、センサの応答感度もデータ測定タ
イミングT3によって異なり、T1の値を小さくするほ
ど低下する。そこで、感度と回復速度とのバランスを考
え、感度をほぼ同等に保ったまま回復が高速になるよう
に、T1やT3の値を設定すればよい。
の値が小さいほどエタノールガスに対するセンサ応答の
回復時間が短くなり、センサの応答感度もデータ測定タ
イミングT3によって異なり、T1の値を小さくするほ
ど低下する。そこで、感度と回復速度とのバランスを考
え、感度をほぼ同等に保ったまま回復が高速になるよう
に、T1やT3の値を設定すればよい。
【0051】におい・ガスセンサの動作条件を最適化し
て、センサのエタノールガスに対応する回復速度を改善
することにより、おおよそ流速がl〜2cm/sまでの
におい・ガス流を可視化することができる。
て、センサのエタノールガスに対応する回復速度を改善
することにより、おおよそ流速がl〜2cm/sまでの
におい・ガス流を可視化することができる。
【0052】(まとめ)このように、上記した空気中に
漂うにおい・ガスの発生源を探索するにおい・ガス流可
視化装置によれば、パルス駆動型半導体におい・ガスセ
ンサを5×5個並べた小型のセンサアレイ3を用い、そ
のセンサ応答を動画像として捉えることにより、アレイ
上を通り過ぎるにおい・ガス流を可視化する。得られた
画像からにおい・ガス流の方向を判定し、これをたどっ
てにおい・ガス源を探索する。多点計測(本実施形態で
説明したような行単位の微少な時間差(におい・ガス流
の濃度変化を無視できる程度の微少な計測時間差)は許
容されるが、実質的にセンサアレイ3の全てのにおい・
ガスセンサによる同時多点計測)を行ってにおい・ガス
の濃度変化を測定することにより、短時間で信頼性の高
い方向判定が可能となる。また、画像の移動方向と速度
から、におい・ガスを運ぶ風の風向・風速を求めること
ができる。
漂うにおい・ガスの発生源を探索するにおい・ガス流可
視化装置によれば、パルス駆動型半導体におい・ガスセ
ンサを5×5個並べた小型のセンサアレイ3を用い、そ
のセンサ応答を動画像として捉えることにより、アレイ
上を通り過ぎるにおい・ガス流を可視化する。得られた
画像からにおい・ガス流の方向を判定し、これをたどっ
てにおい・ガス源を探索する。多点計測(本実施形態で
説明したような行単位の微少な時間差(におい・ガス流
の濃度変化を無視できる程度の微少な計測時間差)は許
容されるが、実質的にセンサアレイ3の全てのにおい・
ガスセンサによる同時多点計測)を行ってにおい・ガス
の濃度変化を測定することにより、短時間で信頼性の高
い方向判定が可能となる。また、画像の移動方向と速度
から、におい・ガスを運ぶ風の風向・風速を求めること
ができる。
【0053】風洞内でにおい・ガス流の可視化実験を行
った結果、2cm/s程度の微少なにおい・ガス流を可
視化して、それを用いてにおい・ガス流の方向を正しく
推定できることが確認され、従来は、探索が困難であっ
た微風速環境や風の乱れの大きな環境への応用が期待で
きる。
った結果、2cm/s程度の微少なにおい・ガス流を可
視化して、それを用いてにおい・ガス流の方向を正しく
推定できることが確認され、従来は、探索が困難であっ
た微風速環境や風の乱れの大きな環境への応用が期待で
きる。
【0054】以上説明したように、上記実施形態によれ
ば、におい・ガス流方向を短時間で信頼性高く判定する
ことが可能になり、におい・ガス発生源を容易に探索す
ることができる。探索するターゲットとしては、ガス漏
れ箇所や火災発生箇所などが考えられる。得られた画像
を表示して人間がにおい・ガス流方向を判定するだけで
なく、各種画像処理手法を用いれば方向を自動判定する
ことも可能である。これを移動ロボットに取り付けれ
ば、危険ガスの発生源探知などにも応用できる。また、
現在、微風速に対する有効な計測手段が少ない。しか
し、空気中ににおいガスを意図的に放出し、その流れを
可視化すれば、本装置を微風速・風向計として使用する
ことができる。従来、各種煙が可視化に用いられている
が、風速がcm/sオーダになると沈降してしまう。に
おい・ガスの方が風に対する追従性が高いため、微風速
場では本装置が有効である。
ば、におい・ガス流方向を短時間で信頼性高く判定する
ことが可能になり、におい・ガス発生源を容易に探索す
ることができる。探索するターゲットとしては、ガス漏
れ箇所や火災発生箇所などが考えられる。得られた画像
を表示して人間がにおい・ガス流方向を判定するだけで
なく、各種画像処理手法を用いれば方向を自動判定する
ことも可能である。これを移動ロボットに取り付けれ
ば、危険ガスの発生源探知などにも応用できる。また、
現在、微風速に対する有効な計測手段が少ない。しか
し、空気中ににおいガスを意図的に放出し、その流れを
可視化すれば、本装置を微風速・風向計として使用する
ことができる。従来、各種煙が可視化に用いられている
が、風速がcm/sオーダになると沈降してしまう。に
おい・ガスの方が風に対する追従性が高いため、微風速
場では本装置が有効である。
【0055】(第2の実施形態)パルス駆動型半導体に
おい・ガスセンサを用いたにおい・ガス流可視化装置
は、半導体におい・ガスセンサの応答速度は速いがその
回復運度が不十分であり、それが可視化に影響を与え
る。そこで、上記第1の実施形態では、パルス駆動型半
導体におい・ガスセンサを用い、ヒータ駆動電圧のパル
ス波形を最適にし、従来の半導体におい・ガスセンサと
同等の感度を持たせつつ回復速度を速め、風洞内でエタ
ノ一ルガスの流れを可視化するものであった。しかし、
それでもセンサの回復速度が数十秒程度かかり、におい
・ガスの噴出開始時と終了時以外は流れを判定すること
ばできない。
おい・ガスセンサを用いたにおい・ガス流可視化装置
は、半導体におい・ガスセンサの応答速度は速いがその
回復運度が不十分であり、それが可視化に影響を与え
る。そこで、上記第1の実施形態では、パルス駆動型半
導体におい・ガスセンサを用い、ヒータ駆動電圧のパル
ス波形を最適にし、従来の半導体におい・ガスセンサと
同等の感度を持たせつつ回復速度を速め、風洞内でエタ
ノ一ルガスの流れを可視化するものであった。しかし、
それでもセンサの回復速度が数十秒程度かかり、におい
・ガスの噴出開始時と終了時以外は流れを判定すること
ばできない。
【0056】そこで、第2の実施形態では、常時におい
・ガスの流れを判定できるにおい・ガス流可視化装置の
実現を目的とし、センサには応答回復速度の速い水晶振
動子におい・ガスセンサを採用した場合について説明す
る。
・ガスの流れを判定できるにおい・ガス流可視化装置の
実現を目的とし、センサには応答回復速度の速い水晶振
動子におい・ガスセンサを採用した場合について説明す
る。
【0057】ここでは、まず、におい・ガス流可視化装
置の原理と第2の実施形態に係るにおい・ガス流可視化
装置の構成について説明する。その後、風洞内でにおい
・ガス流の可視化実験を行った結果を示す。
置の原理と第2の実施形態に係るにおい・ガス流可視化
装置の構成について説明する。その後、風洞内でにおい
・ガス流の可視化実験を行った結果を示す。
【0058】(原理)におい・ガス流可視化装置は、同
種のにおい・ガスセンサを並べて数センチ四方のセンサ
アレイを構成し、その上を通過するにおい・ガスの瞬間
分布を動面像として得る。
種のにおい・ガスセンサを並べて数センチ四方のセンサ
アレイを構成し、その上を通過するにおい・ガスの瞬間
分布を動面像として得る。
【0059】風に全く乱れが無ければ、プルーム(一般
ににおい・ガス分子の拡散速度は非常に遅く、におい・
ガス分子は主に風の動きに乗って雲状に広がる。この雲
をプルームと呼ぶ)はにおい・ガス源から一筋の帯のよ
うに、切れ目無く伸びる。しかし、現実には風に必ず乱
れがあり、プルームは不規則、不連続な形状となる。こ
のように複雑な分布を持ったにおい・ガスがアレイ上を
流れていくため、におい・ガスセンサが濃度の瞬時的な
変化に追従すれば、におい・ガスの分布が流れる様子を
可視化することができる。
ににおい・ガス分子の拡散速度は非常に遅く、におい・
ガス分子は主に風の動きに乗って雲状に広がる。この雲
をプルームと呼ぶ)はにおい・ガス源から一筋の帯のよ
うに、切れ目無く伸びる。しかし、現実には風に必ず乱
れがあり、プルームは不規則、不連続な形状となる。こ
のように複雑な分布を持ったにおい・ガスがアレイ上を
流れていくため、におい・ガスセンサが濃度の瞬時的な
変化に追従すれば、におい・ガスの分布が流れる様子を
可視化することができる。
【0060】第2の実施形態に係る装置によりにおい・
ガス源を探知する際には、装置自身を人間が手に持つ
か、またはロボットに搭載し、得られたにおい・ガス流
の方向をたどってロボットを移動させる。
ガス源を探知する際には、装置自身を人間が手に持つ
か、またはロボットに搭載し、得られたにおい・ガス流
の方向をたどってロボットを移動させる。
【0061】(小型水晶振動子におい・ガスセンサ)こ
のような原理により、におい・ガスの流れを可視化する
には、個々のにおいガスセンサがにおい・ガスの瞬間的
な濃度変化にすばやく追従できなければならない。パル
ス駆動型半導体におい・ガスセンサを用いた場合、セン
サの応答回復速度が遅<、充分な性能が得られなかっ
た。すなわち、におい・ガス噴出開始直後、におい・ガ
スがアレイに到着する様子と、におい・ガス噴出停止後
ににおい・ガスの流れ去る様子が確認できた以外は流れ
を獲認することはできなかった。
のような原理により、におい・ガスの流れを可視化する
には、個々のにおいガスセンサがにおい・ガスの瞬間的
な濃度変化にすばやく追従できなければならない。パル
ス駆動型半導体におい・ガスセンサを用いた場合、セン
サの応答回復速度が遅<、充分な性能が得られなかっ
た。すなわち、におい・ガス噴出開始直後、におい・ガ
スがアレイに到着する様子と、におい・ガス噴出停止後
ににおい・ガスの流れ去る様子が確認できた以外は流れ
を獲認することはできなかった。
【0062】そこで、第2の実施形態では、水晶振動子
におい・ガスセンサの採用を検討した。水晶振動子にお
い・ガスセンサの時定数は通常1秒以下であるため(青
柳、中本、森泉.電子情報通信学会総合大会、194.
C−13−8(1999))、装置の性能向上が期待さ
れる。センサアレイには高密度にセンサを実装するた
め、センサは小型である必要がある。また、高周波回路
で起こりやすい引き込み、干渉などの影響を考えると発
振回路を内蔵しているもの(発振回路内蔵型小型水晶振
動子)が望ましい。
におい・ガスセンサの採用を検討した。水晶振動子にお
い・ガスセンサの時定数は通常1秒以下であるため(青
柳、中本、森泉.電子情報通信学会総合大会、194.
C−13−8(1999))、装置の性能向上が期待さ
れる。センサアレイには高密度にセンサを実装するた
め、センサは小型である必要がある。また、高周波回路
で起こりやすい引き込み、干渉などの影響を考えると発
振回路を内蔵しているもの(発振回路内蔵型小型水晶振
動子)が望ましい。
【0063】例えば、ここで用いた発振回路内蔵型小型
水晶振動子(FCXO−02、リバーエレテック)は、
AT−cut、銀電極、共振周波数は28MHz、大き
さ4×8mmである。振動子表面に塗布する感応膜には
フォスファチジルコリンを用い、周波数シフトが10K
Hzとなるようにスプレー法により塗布した。
水晶振動子(FCXO−02、リバーエレテック)は、
AT−cut、銀電極、共振周波数は28MHz、大き
さ4×8mmである。振動子表面に塗布する感応膜には
フォスファチジルコリンを用い、周波数シフトが10K
Hzとなるようにスプレー法により塗布した。
【0064】第1の実施形態では、エタノールガスを対
象としたが、ここでは、トリエチルアミンを用いた。ト
リエチルアミン臭は悪臭の一つであり、その発生源を探
知することは環境計測有用である。このアミンに対して
比数的感度が大きく、応答回復時間の速いという理由か
らフォスファチジルコリン膜を感応膜として選択した。
象としたが、ここでは、トリエチルアミンを用いた。ト
リエチルアミン臭は悪臭の一つであり、その発生源を探
知することは環境計測有用である。このアミンに対して
比数的感度が大きく、応答回復時間の速いという理由か
らフォスファチジルコリン膜を感応膜として選択した。
【0065】図8(a)は、第1の実施形態で使用した
パルス駆動型半導体におい・ガスセンサ(例えば、TG
S2440)のエタノールガスに対する応答波形の例
を、図8(b)に第2の実施形態に係る小型水晶振動子
におい・ガスセンサのトリエチルアミンガスに対する応
答波形の例を示す。測定は、例えば、図4に示した風洞
(幅70cm、高さ35cm、長さ80cm)の中で、
におい・ガスを噴出するノズル(におい・ガス源)から
風下に30cmの地点にセンサ3、103を設置して応
答を測定した(図4参照)。風洞内の平均風速は約18
cm/秒である。ただし、におい・ガスの噴出速度は図
8(a)では50ml/分、図8(b)では75ml/
分である。
パルス駆動型半導体におい・ガスセンサ(例えば、TG
S2440)のエタノールガスに対する応答波形の例
を、図8(b)に第2の実施形態に係る小型水晶振動子
におい・ガスセンサのトリエチルアミンガスに対する応
答波形の例を示す。測定は、例えば、図4に示した風洞
(幅70cm、高さ35cm、長さ80cm)の中で、
におい・ガスを噴出するノズル(におい・ガス源)から
風下に30cmの地点にセンサ3、103を設置して応
答を測定した(図4参照)。風洞内の平均風速は約18
cm/秒である。ただし、におい・ガスの噴出速度は図
8(a)では50ml/分、図8(b)では75ml/
分である。
【0066】風洞内の風でさえ乱れがあるのでにおい・
ガスのプルームは不規則に蛇行し、また不連続になって
いる(T.Yamanaka、H.Ishida、T.
Nakamoto、T.Moriizumi、.Sen
sors and Actuators A,69,7
7〜81(1998))。このためセンサを設置した位
置においても瞬間的な濃度変化が起こっているはずであ
る。しかし、図8(a)のパルス駆動型半導体におい・
ガスセンサでは回復が遅く、濃度変化が捉えられていな
い。また、におい・ガス噴出を止めた後の回復も遅い。
図8(b)の小型水晶振動子におい・ガスセンサの応答
波形では、空気中における発振周波数を基準(0Hz)
ににおい・ガス中における発振周波数の変化を時間軸で
示している。におい・ガス噴出中において発振周波数に
変化があることがわかる。におい・ガスを噴出している
間、常にスパイク状の濃度変化を捉えることができてお
り、におい・ガス噴出を止めた後の回復も早い。
ガスのプルームは不規則に蛇行し、また不連続になって
いる(T.Yamanaka、H.Ishida、T.
Nakamoto、T.Moriizumi、.Sen
sors and Actuators A,69,7
7〜81(1998))。このためセンサを設置した位
置においても瞬間的な濃度変化が起こっているはずであ
る。しかし、図8(a)のパルス駆動型半導体におい・
ガスセンサでは回復が遅く、濃度変化が捉えられていな
い。また、におい・ガス噴出を止めた後の回復も遅い。
図8(b)の小型水晶振動子におい・ガスセンサの応答
波形では、空気中における発振周波数を基準(0Hz)
ににおい・ガス中における発振周波数の変化を時間軸で
示している。におい・ガス噴出中において発振周波数に
変化があることがわかる。におい・ガスを噴出している
間、常にスパイク状の濃度変化を捉えることができてお
り、におい・ガス噴出を止めた後の回復も早い。
【0067】以上2つの測定はにおい・ガスの種類も異
なり、また風速などの環境も若干違うため、単純には比
較できない。しかし、におい・ガス流可視化装置ヘの適
用を考えるならば、水晶振動子におい・ガスセンサを用
いることでにおい・ガスの瞬間的な濃度変化にすばやく
追従でき、パルス駆動型半導体におい・ガスセンサを用
いた場合における問題点を改善できる。
なり、また風速などの環境も若干違うため、単純には比
較できない。しかし、におい・ガス流可視化装置ヘの適
用を考えるならば、水晶振動子におい・ガスセンサを用
いることでにおい・ガスの瞬間的な濃度変化にすばやく
追従でき、パルス駆動型半導体におい・ガスセンサを用
いた場合における問題点を改善できる。
【0068】(装置構成)小型水晶振動子におい・ガス
センサアレイを用いたにおい・ガス流可視化装置の構成
を図9に示す。この装置は、センサアレイ部103、多
チャンネル(例えば、25チャンネル(25ch))周
波数カウンタおよびシリアルインターフェイス部10
2、そしてコンピュータ1と3つに大別できる。
センサアレイを用いたにおい・ガス流可視化装置の構成
を図9に示す。この装置は、センサアレイ部103、多
チャンネル(例えば、25チャンネル(25ch))周
波数カウンタおよびシリアルインターフェイス部10
2、そしてコンピュータ1と3つに大別できる。
【0069】センサアレイ部103は、例えば、上記し
たような発信回路内蔵型小型水晶振動子におい・ガスセ
ンサ(例えば、FCXO−02、リバーエレテック)1
03aを行方向、列方向にそれぞれ5個づつ、計5×5
=25個を、プリント基板上に均等に配置し、2次元状
にセンサアレイを構成したものである。この5×5個と
いうアレイサイズについては、方向推定に必要な最低限
のデータを得るため、かつ比較的容易に実現できるとい
う理由から決定した。例えば、センサの間隔(中心間の
距離)は12.7mmであり、センサアレイの大ききは
50.8mm×50.8mmである。センサアレイ部1
03の25個のセンサ出力(周波数変化)は、同時並列
に25ch周波数カウンタおよびシリアルインターフェ
イス部102(サンプリング間隔:1秒)に取り込まれ
る。
たような発信回路内蔵型小型水晶振動子におい・ガスセ
ンサ(例えば、FCXO−02、リバーエレテック)1
03aを行方向、列方向にそれぞれ5個づつ、計5×5
=25個を、プリント基板上に均等に配置し、2次元状
にセンサアレイを構成したものである。この5×5個と
いうアレイサイズについては、方向推定に必要な最低限
のデータを得るため、かつ比較的容易に実現できるとい
う理由から決定した。例えば、センサの間隔(中心間の
距離)は12.7mmであり、センサアレイの大ききは
50.8mm×50.8mmである。センサアレイ部1
03の25個のセンサ出力(周波数変化)は、同時並列
に25ch周波数カウンタおよびシリアルインターフェ
イス部102(サンプリング間隔:1秒)に取り込まれ
る。
【0070】この25ch周波数カウンタおよびシリア
ルインターフェイス部102は、例えば、FPGA(F
ield Programmable Gatearr
ay)で構成されている。発振回路内蔵型センサを用い
たため大部分の回路をFPGA内に納めることができ、
装置全体の小型化が実現できる。また、発振回路とFP
GAとの配線を最短にし、かつ電源からの回り込みを防
ぐために、各センサに1つずつ3端子チップコンデンサ
を用い、電源とGNDをバイパスした。これらの対策に
より、発振回路間の干渉を防ぐことができる。
ルインターフェイス部102は、例えば、FPGA(F
ield Programmable Gatearr
ay)で構成されている。発振回路内蔵型センサを用い
たため大部分の回路をFPGA内に納めることができ、
装置全体の小型化が実現できる。また、発振回路とFP
GAとの配線を最短にし、かつ電源からの回り込みを防
ぐために、各センサに1つずつ3端子チップコンデンサ
を用い、電源とGNDをバイパスした。これらの対策に
より、発振回路間の干渉を防ぐことができる。
【0071】図9のセンサアレイ部103と多チャンネ
ル周波数カウンタおよびシリアルインターフェイス部1
02は、例えば、2層構造で構成することができる。す
なわち、上層の基板にはセンサアレイ部103が実装さ
れていて、多チャンネル周波数カウンタおよびシリアル
インターフェイス部102等の電気回路は下層の基板に
実装する構成であってもよい。
ル周波数カウンタおよびシリアルインターフェイス部1
02は、例えば、2層構造で構成することができる。す
なわち、上層の基板にはセンサアレイ部103が実装さ
れていて、多チャンネル周波数カウンタおよびシリアル
インターフェイス部102等の電気回路は下層の基板に
実装する構成であってもよい。
【0072】コンピュータ1は、例えば、モニタを含む
パーソナルコンピュータで、装置全体の制御を行うとと
もに、毎秒送られてくるセンサ応答から、4段階の階調
でセンサアレイ上のにおい・ガス濃度分布を画像(にお
い・ガス流の可視化画像)としてモニタに表示する。2
5個の各センサ103aの出力は、水晶振動子の発信周
波数の変化として現れ、それを測定することでにおい・
ガス濃度分布を測定するものである。具体的には、測定
開始以降に得られた最大応答により各センサ応答は、適
当に定めた閾値により4段階に分類され、各段階に異な
った階調を割り当てる。におい・ガス濃度が高いほど明
るい階調として、濃度の分布を色調の分布として表示す
る。
パーソナルコンピュータで、装置全体の制御を行うとと
もに、毎秒送られてくるセンサ応答から、4段階の階調
でセンサアレイ上のにおい・ガス濃度分布を画像(にお
い・ガス流の可視化画像)としてモニタに表示する。2
5個の各センサ103aの出力は、水晶振動子の発信周
波数の変化として現れ、それを測定することでにおい・
ガス濃度分布を測定するものである。具体的には、測定
開始以降に得られた最大応答により各センサ応答は、適
当に定めた閾値により4段階に分類され、各段階に異な
った階調を割り当てる。におい・ガス濃度が高いほど明
るい階調として、濃度の分布を色調の分布として表示す
る。
【0073】なお、センサアレイ部103中の各センサ
103aには感度のばらつきがある。そこで、予めセン
サアレイ部103全体に容器をかぶせ密閉し、すべての
センサ103aを同じ濃度のトリエチルアミンガスにさ
らして応答を比較し、この結果から各センサに応じた定
数を乗じ、全センサの感度ができるだけ揃うように較正
することが望ましい。
103aには感度のばらつきがある。そこで、予めセン
サアレイ部103全体に容器をかぶせ密閉し、すべての
センサ103aを同じ濃度のトリエチルアミンガスにさ
らして応答を比較し、この結果から各センサに応じた定
数を乗じ、全センサの感度ができるだけ揃うように較正
することが望ましい。
【0074】(方向推定アルゴリズム)図9に示した装
置により、におい・ガス流の可視化画像が得られれば、
においガス流の方向を人間が見て判断できる。また、各
種画像処理アルゴリズムを用い、方向を自動判定するこ
とも可能である。このにおい・ガス流の可視化画像から
方向と流速を判定する処理は、図9のパーソナルコンピ
ュータ1で行うことができる。
置により、におい・ガス流の可視化画像が得られれば、
においガス流の方向を人間が見て判断できる。また、各
種画像処理アルゴリズムを用い、方向を自動判定するこ
とも可能である。このにおい・ガス流の可視化画像から
方向と流速を判定する処理は、図9のパーソナルコンピ
ュータ1で行うことができる。
【0075】ここでは、将来的に計算を回路化して実時
間処理を行うことを考え、計算の容易なオプティカルフ
ローの拘束方程式による方向推定法(T.Yamana
ka,H.Ishida,T.Nakamoto,T.
Moriizumi,.Sensors and Ac
tuators A,69,77〜81(1998)、
B.K.P.Horn,”ロボットビジョン”朝倉出
版、305〜328(1993))を用い、方向の自動
判定を試みる。この方程式は、画像処理の分野でも、画
像から物体とカメラの相対運動を復元するためによく用
いられる。
間処理を行うことを考え、計算の容易なオプティカルフ
ローの拘束方程式による方向推定法(T.Yamana
ka,H.Ishida,T.Nakamoto,T.
Moriizumi,.Sensors and Ac
tuators A,69,77〜81(1998)、
B.K.P.Horn,”ロボットビジョン”朝倉出
版、305〜328(1993))を用い、方向の自動
判定を試みる。この方程式は、画像処理の分野でも、画
像から物体とカメラの相対運動を復元するためによく用
いられる。
【0076】におい・ガスの分子拡散を無視し、可視化
されたにおい・ガス濃度分布が一定の形状を保ったまま
2次元的にセンサアレイ上を流れると仮定する。におい
・ガス流のx軸方向(例えば、センサアレイの行方向)
成分をu、y軸方向(例えば、センサアレイの列方向)
成分をv、におい・ガスセンサの応答をlとすれば、オ
プティカルフローの拘束方程式は、
されたにおい・ガス濃度分布が一定の形状を保ったまま
2次元的にセンサアレイ上を流れると仮定する。におい
・ガス流のx軸方向(例えば、センサアレイの行方向)
成分をu、y軸方向(例えば、センサアレイの列方向)
成分をv、におい・ガスセンサの応答をlとすれば、オ
プティカルフローの拘束方程式は、
【0077】
【数3】
【0078】となる。
【0079】第i行j列目のセンンサ応答をlijとお
き、上式(5)に含まれる微分を中心差分近似にする
と、時刻kでは以下の拡散方程式が成り立つ。
き、上式(5)に含まれる微分を中心差分近似にする
と、時刻kでは以下の拡散方程式が成り立つ。
【0080】
【数4】
【0081】ただし、Δdはセンサ間隔(12.7m
m)、Δtはサンプリング時間(1秒)である。におい
・ガス流の流速ベクトル(u、v)はi、jによらず一
定と考え、上式(6)をi=2、3、4、 j=2、
3、4に対して連立し、最小2乗法により、u、vを求
める。
m)、Δtはサンプリング時間(1秒)である。におい
・ガス流の流速ベクトル(u、v)はi、jによらず一
定と考え、上式(6)をi=2、3、4、 j=2、
3、4に対して連立し、最小2乗法により、u、vを求
める。
【0082】(結果) (におい・ガス流可視化実験)図8の測定と同じ風洞
(図4と同様な風洞)の中で、図8と同様な環境条件で
小型水晶振動子におい・ガスセンサのトリエチルアミン
ガスに対するにおい・ガス流の可視化実験を行った。た
だし、微風速環境下で実験を行うため、風速は平均で約
3cm/秒とした。1回の測定は300秒間行い、最初
の15秒はセンサのベースラインを測定し、その後、試
験管上部の気体部分(ヘッドスペース)に溜まったトリ
エチルアミンガスをエアポンプで押し、流量75m/分
で3分間噴出した。
(図4と同様な風洞)の中で、図8と同様な環境条件で
小型水晶振動子におい・ガスセンサのトリエチルアミン
ガスに対するにおい・ガス流の可視化実験を行った。た
だし、微風速環境下で実験を行うため、風速は平均で約
3cm/秒とした。1回の測定は300秒間行い、最初
の15秒はセンサのベースラインを測定し、その後、試
験管上部の気体部分(ヘッドスペース)に溜まったトリ
エチルアミンガスをエアポンプで押し、流量75m/分
で3分間噴出した。
【0083】におい・ガスを噴出している間に得られた
動画像の例を図10(a)〜(f)に示す。図10は2
値化した画像であり、におい・ガス濃度が高い部分が黒
く、低い部分が白く表示されている。図10(a)〜
(c)、及び(d)〜(f)はそれぞれ連続した3秒間
で、どちらもにおい・ガス噴出から60秒以上経過した
後の画像である。におい・ガスの塊が左から流れてきて
右に流れ去る様子が可視化されている。
動画像の例を図10(a)〜(f)に示す。図10は2
値化した画像であり、におい・ガス濃度が高い部分が黒
く、低い部分が白く表示されている。図10(a)〜
(c)、及び(d)〜(f)はそれぞれ連続した3秒間
で、どちらもにおい・ガス噴出から60秒以上経過した
後の画像である。におい・ガスの塊が左から流れてきて
右に流れ去る様子が可視化されている。
【0084】第1の実施形態で説明した半導体におい・
ガスセンサの場合、時定数が数十秒と長いため、短時間
の計測は相互干渉等のため困難であったが、本実施形態
の水晶振動子におい・ガスセンサアレイを用いた計測
は、時定数が通常1秒前後と速く、明瞭な画像が得られ
る。
ガスセンサの場合、時定数が数十秒と長いため、短時間
の計測は相互干渉等のため困難であったが、本実施形態
の水晶振動子におい・ガスセンサアレイを用いた計測
は、時定数が通常1秒前後と速く、明瞭な画像が得られ
る。
【0085】すなわち、第1の実施形態では前述した通
り、におい・ガス噴出の最初と最後しか可視化すること
ができなかったが、図10から明らかなように、本装置
において、ほほ常時におい・ガスの流れる方向を確認す
ることができた。風の乱れにより断片化されたプルーム
が、不景則な形でアレイ上を通過するので、センサの応
答・回復が速ければ常時におい・ガスが流れる方向を確
認することができる。
り、におい・ガス噴出の最初と最後しか可視化すること
ができなかったが、図10から明らかなように、本装置
において、ほほ常時におい・ガスの流れる方向を確認す
ることができた。風の乱れにより断片化されたプルーム
が、不景則な形でアレイ上を通過するので、センサの応
答・回復が速ければ常時におい・ガスが流れる方向を確
認することができる。
【0086】(アルゴリズムによる自動方向推定)(方
向推定アルゴリズム)で述べた方法に従い、第2の実施
形態に係るにおいガス可視化装置で得られた動画像から
におい・ガス流の方向推定を行った。図11にその結果
を示す。図11に示すように、におい・ガス源からセン
サアレイまでの距離と、センサアレイに対してにおい・
ガスが入射する方向をパラメータとし、 条件1:センサアレイの入りがにおい・ガス源から20
cmで入射角度が0度 条件2:センサアレイの入りがにおい・ガス源から20
cmで入射角度が−45度 条件3:センサアレイの入りがにおい・ガス源から30
cmで入射角度が0度 条件4:センサアレイの入りがにおい・ガス源から30
cmで入射角度が−45度 この4つの条件のそれぞれに場合における計4回分の動
画像データに対して推定実験を行なった。使用したデー
タは、300秒分のうちガスがセンサアレイに到着した
直後からガス噴出を止めたときまでのデータとした。た
だし、風洞内の風には乱れがあるので風向+−45度以
内に推定された場合を正解とした。
向推定アルゴリズム)で述べた方法に従い、第2の実施
形態に係るにおいガス可視化装置で得られた動画像から
におい・ガス流の方向推定を行った。図11にその結果
を示す。図11に示すように、におい・ガス源からセン
サアレイまでの距離と、センサアレイに対してにおい・
ガスが入射する方向をパラメータとし、 条件1:センサアレイの入りがにおい・ガス源から20
cmで入射角度が0度 条件2:センサアレイの入りがにおい・ガス源から20
cmで入射角度が−45度 条件3:センサアレイの入りがにおい・ガス源から30
cmで入射角度が0度 条件4:センサアレイの入りがにおい・ガス源から30
cmで入射角度が−45度 この4つの条件のそれぞれに場合における計4回分の動
画像データに対して推定実験を行なった。使用したデー
タは、300秒分のうちガスがセンサアレイに到着した
直後からガス噴出を止めたときまでのデータとした。た
だし、風洞内の風には乱れがあるので風向+−45度以
内に推定された場合を正解とした。
【0087】条件1から条件4の全ての場合において、
最低でも49%が正解方向に推定された。これは風洞内
の風の乱れを考えると、高い正解率といえる。また、条
件4の推定結果をヒストグラムで表したものを図12に
示す。正解方向は−45度であり、点線で仕切った内側
が正解域である。正解方向付近にほ多く推定されている
のに対し、反対方向付近にはほとんど推定されていない
ことが分かる。実際のにおい・ガス源探知では、多数の
場所で何度も方向推定を行うのでこの程度の正解率が得
られればにおい源探知は可能であると思われる。
最低でも49%が正解方向に推定された。これは風洞内
の風の乱れを考えると、高い正解率といえる。また、条
件4の推定結果をヒストグラムで表したものを図12に
示す。正解方向は−45度であり、点線で仕切った内側
が正解域である。正解方向付近にほ多く推定されている
のに対し、反対方向付近にはほとんど推定されていない
ことが分かる。実際のにおい・ガス源探知では、多数の
場所で何度も方向推定を行うのでこの程度の正解率が得
られればにおい源探知は可能であると思われる。
【0088】(まとめ)上記したような発振回路内蔵の
小型水晶振動子におい・ガスセンサを用いたにおい・ガ
ス流可視化装置によれば、平均風速3cm/秒程度のに
おい・ガス流に対し、ほぼ常時におい・ガスの流れる様
子を確認できた。また、得られた動画像に対しオプティ
カルフローの拘束方程式に基づいた画像処理アルゴリズ
ムを用い、におい・ガス流の自動方向推定が可能である
ことが確認された。
小型水晶振動子におい・ガスセンサを用いたにおい・ガ
ス流可視化装置によれば、平均風速3cm/秒程度のに
おい・ガス流に対し、ほぼ常時におい・ガスの流れる様
子を確認できた。また、得られた動画像に対しオプティ
カルフローの拘束方程式に基づいた画像処理アルゴリズ
ムを用い、におい・ガス流の自動方向推定が可能である
ことが確認された。
【0089】(第3の実施形態)第1の実施形態で説明
したパルス駆動型半導体におい・ガスセンサアレイ3、
第2の実施形態で説明した小型水晶振動子におい・ガス
センサアレイ103を用いて、におい・ガス流の可視化
を試みる場合、におい・ガス流の流れの方向がセンサ面
(センサアレイ3、103のにおい・ガスセンサ素子の
配置されている面)と平行でないと、図13(a)に示
したように、におい・ガス流がセンサアレイ3、103
に当たり、センサ面上で乱気流が発生し、測定対象のに
おい・ガス流の流れ自体を乱してしまい、におい・ガス
流の流れの正確な測定ができないとい問題点があった。
すなわち、センサアレイ3、103のセンサ面と、にお
い・ガス流の流れる方向とが常に平行であることが望ま
しい。しかし、実際には、流れの方向が未知のにおい・
ガス流を測定するのであるから、必ずしもセンサ面とに
おい・ガス流の流れの方向とが平行であるとは限らな
い。
したパルス駆動型半導体におい・ガスセンサアレイ3、
第2の実施形態で説明した小型水晶振動子におい・ガス
センサアレイ103を用いて、におい・ガス流の可視化
を試みる場合、におい・ガス流の流れの方向がセンサ面
(センサアレイ3、103のにおい・ガスセンサ素子の
配置されている面)と平行でないと、図13(a)に示
したように、におい・ガス流がセンサアレイ3、103
に当たり、センサ面上で乱気流が発生し、測定対象のに
おい・ガス流の流れ自体を乱してしまい、におい・ガス
流の流れの正確な測定ができないとい問題点があった。
すなわち、センサアレイ3、103のセンサ面と、にお
い・ガス流の流れる方向とが常に平行であることが望ま
しい。しかし、実際には、流れの方向が未知のにおい・
ガス流を測定するのであるから、必ずしもセンサ面とに
おい・ガス流の流れの方向とが平行であるとは限らな
い。
【0090】そこで、図13(b)に示したように、セ
ンサアレイ3、103上のセンサ素子全体を覆うように
センサ面と平行の板(ガイド板)を所定の間隔を存して
配置する。すると、図13(a)に示したようなセンサ
面中央部に乱気流を発生させるようなにおい・ガス流は
ガイド板で遮蔽され、周囲の開口部を通ってくる(セン
サ面とガイド板との間を通ってくる)におい・ガス流の
みを取り込み、排出し、よって、センサアレイ3、10
3は、におい・ガス流の流れ方向のうちセンサ面と平行
な成分だけを取り出して測定することができる。
ンサアレイ3、103上のセンサ素子全体を覆うように
センサ面と平行の板(ガイド板)を所定の間隔を存して
配置する。すると、図13(a)に示したようなセンサ
面中央部に乱気流を発生させるようなにおい・ガス流は
ガイド板で遮蔽され、周囲の開口部を通ってくる(セン
サ面とガイド板との間を通ってくる)におい・ガス流の
みを取り込み、排出し、よって、センサアレイ3、10
3は、におい・ガス流の流れ方向のうちセンサ面と平行
な成分だけを取り出して測定することができる。
【0091】図14は、におい・ガス流可視化装置のセ
ンサアレイ3、103のセンサ面の上部にセンサ面を覆
うように平行に上記したガイド板201を設けて、風洞
実験を行う場合の様子を示したものである。センサアレ
イ3、103の大きさ、におい・ガス流の速度、方向等
の条件にもよるが、ここでは、例えば、センサアレイ
3、103の一辺がたかだか5cm程度であるので、セ
ンサアレイ3、103とほぼ同じ大きさのガイド板20
1をセンサ面からおおよそ1cm前後の高さの位置にセ
ンサアレイ3、103の4角に立てた支柱で支持する。
ンサアレイ3、103のセンサ面の上部にセンサ面を覆
うように平行に上記したガイド板201を設けて、風洞
実験を行う場合の様子を示したものである。センサアレ
イ3、103の大きさ、におい・ガス流の速度、方向等
の条件にもよるが、ここでは、例えば、センサアレイ
3、103の一辺がたかだか5cm程度であるので、セ
ンサアレイ3、103とほぼ同じ大きさのガイド板20
1をセンサ面からおおよそ1cm前後の高さの位置にセ
ンサアレイ3、103の4角に立てた支柱で支持する。
【0092】これにより、センサアレイ3、103は、
におい・ガス流の流れ方向のうちセンサ面と平行な成分
だけを取り出して測定することができるので、より正確
ににおい・ガス流の方向および速度を測定できる。
におい・ガス流の流れ方向のうちセンサ面と平行な成分
だけを取り出して測定することができるので、より正確
ににおい・ガス流の方向および速度を測定できる。
【0093】(第4の実施形態)図15は、第1の実施
形態で説明したパルス駆動型半導体におい・ガスセンサ
アレイ3、第2の実施形態で説明した小型水晶振動子に
おい・ガスセンサアレイ103のセンサ面(検知面)か
らみたにおい・ガス流の方向および流速を検知できる有
効成分を示したものである。
形態で説明したパルス駆動型半導体におい・ガスセンサ
アレイ3、第2の実施形態で説明した小型水晶振動子に
おい・ガスセンサアレイ103のセンサ面(検知面)か
らみたにおい・ガス流の方向および流速を検知できる有
効成分を示したものである。
【0094】図15に示すように、センサアレイ3、1
03のセンサ面上の任意の点に着目したとき、センサア
レイ3、103は、そのセンサ面と平行方向を最大感知
方向とする断面が円のドーナツ状で表される曲線m1、
m2を横切るにおい・ガス流の方向のみを検知するよう
になっている。すなわち、センサ面に対するにおい・ガ
ス流の入射角θが90度のときは、当該におい・ガス流
はセンサ面上のその入射点を交点とする曲線m1、m2
を横切ることがないので、その流れは検知できない。例
えば、入射角θ=45度で、速度10m/秒のにおい・
ガス流は、センサ面に平行な成分のみ、すなわち、表面
での流速を考えると、入射角θのcosθ分の逆数とな
り、 10/cos45°=10/21/2 と測定されることになる。
03のセンサ面上の任意の点に着目したとき、センサア
レイ3、103は、そのセンサ面と平行方向を最大感知
方向とする断面が円のドーナツ状で表される曲線m1、
m2を横切るにおい・ガス流の方向のみを検知するよう
になっている。すなわち、センサ面に対するにおい・ガ
ス流の入射角θが90度のときは、当該におい・ガス流
はセンサ面上のその入射点を交点とする曲線m1、m2
を横切ることがないので、その流れは検知できない。例
えば、入射角θ=45度で、速度10m/秒のにおい・
ガス流は、センサ面に平行な成分のみ、すなわち、表面
での流速を考えると、入射角θのcosθ分の逆数とな
り、 10/cos45°=10/21/2 と測定されることになる。
【0095】なお、センサ面が上下の両面にある場合
は、図15に示すようなセンサ面を挟む円状の曲線が感
度成分となり、センサ面が上面のみの場合は曲線m1、
m2の上側の半円状の曲線が感度成分となる。
は、図15に示すようなセンサ面を挟む円状の曲線が感
度成分となり、センサ面が上面のみの場合は曲線m1、
m2の上側の半円状の曲線が感度成分となる。
【0096】従って、センサ面が上面のみのセンサアレ
イ3、103を1枚のみ用いてにおい・ガス流の可視
化、および方向、速度を測定するのでは、におい・ガス
流を一平面的にしか捉えることができない。しかし、に
おい・ガス流を多面的に捉えることができれば、より正
確ににおい・ガス流の方向、速度の測定が行えるので、
本実施形態ではこの点に着目する。
イ3、103を1枚のみ用いてにおい・ガス流の可視
化、および方向、速度を測定するのでは、におい・ガス
流を一平面的にしか捉えることができない。しかし、に
おい・ガス流を多面的に捉えることができれば、より正
確ににおい・ガス流の方向、速度の測定が行えるので、
本実施形態ではこの点に着目する。
【0097】そこで、本実施形態に係るにおい・ガス流
可視化装置は、複数の2次元平面上センサアレイを組み
合わせて用いることを考える。例えば、図16に示すよ
うに、2枚のセンサアレイA1、A2(例えば、第1の
実施形態で説明したパルス駆動型半導体におい・ガスセ
ンサアレイ3、第2の実施形態で説明した小型水晶振動
子におい・ガスセンサアレイ103のいずれか一方を2
枚、あるいは各々1枚づつでもよい)の一方をxz平面
に、他方をyz平面にと、お互い垂直に交わるように配
置して、におい・ガス流計測部を構成する。このにおい
・ガス流計測部を構成するセンサアレイA1、A2のそ
れぞれをパーソナルコンピュータ1等の他の機器に接続
して、におい・ガス流可視化装置を構成する。
可視化装置は、複数の2次元平面上センサアレイを組み
合わせて用いることを考える。例えば、図16に示すよ
うに、2枚のセンサアレイA1、A2(例えば、第1の
実施形態で説明したパルス駆動型半導体におい・ガスセ
ンサアレイ3、第2の実施形態で説明した小型水晶振動
子におい・ガスセンサアレイ103のいずれか一方を2
枚、あるいは各々1枚づつでもよい)の一方をxz平面
に、他方をyz平面にと、お互い垂直に交わるように配
置して、におい・ガス流計測部を構成する。このにおい
・ガス流計測部を構成するセンサアレイA1、A2のそ
れぞれをパーソナルコンピュータ1等の他の機器に接続
して、におい・ガス流可視化装置を構成する。
【0098】すると、図17に示すように、におい・ガ
ス流のセンサアレイA1のセンサ面に垂直な成分(にお
い・ガス流のセンサアレイA1のセンサ面に対する入射
角θが90度となる成分)の方向・速度は、センサアレ
イA1からは不明であっても、センサアレイA2のセン
サ面で測定することができ、両方のセンサアレイA1、
A2のそれぞれで測定された当該におい・ガス流の速
度、方向を合成することで、3次元的ににおい・ガス流
を捉えることができる。
ス流のセンサアレイA1のセンサ面に垂直な成分(にお
い・ガス流のセンサアレイA1のセンサ面に対する入射
角θが90度となる成分)の方向・速度は、センサアレ
イA1からは不明であっても、センサアレイA2のセン
サ面で測定することができ、両方のセンサアレイA1、
A2のそれぞれで測定された当該におい・ガス流の速
度、方向を合成することで、3次元的ににおい・ガス流
を捉えることができる。
【0099】複数のセンサアレイを組み合わせて用いる
場合の例としては、図16に示したように、2枚のセン
サアレイを互いに垂直関係となるように組み合わせる以
外にも、図18に示すような組み合わせ方もある。な
お、以下でセンサアレイという場合、第1の実施形態で
説明したパルス駆動型半導体におい・ガスセンサアレイ
3、第2の実施形態で説明した小型水晶振動子におい・
ガスセンサアレイ103のいずれも含まれる。
場合の例としては、図16に示したように、2枚のセン
サアレイを互いに垂直関係となるように組み合わせる以
外にも、図18に示すような組み合わせ方もある。な
お、以下でセンサアレイという場合、第1の実施形態で
説明したパルス駆動型半導体におい・ガスセンサアレイ
3、第2の実施形態で説明した小型水晶振動子におい・
ガスセンサアレイ103のいずれも含まれる。
【0100】図18(a)は、2枚のセンサアレイ30
1a、301bをそれぞれの裏面(センサの配置されて
いない面)を向かい合わせにして組み合わせて構成され
たにおい・ガス流計測部300である。このにおい・ガ
ス流計測部300では、センサアレイ301aと301
bとで、上面側と下面側を流れるにおい・ガス流を検知
できる。
1a、301bをそれぞれの裏面(センサの配置されて
いない面)を向かい合わせにして組み合わせて構成され
たにおい・ガス流計測部300である。このにおい・ガ
ス流計測部300では、センサアレイ301aと301
bとで、上面側と下面側を流れるにおい・ガス流を検知
できる。
【0101】図18(b)は、立方体(あるいは直方
体)の各面の中央部に6枚のセンサアレイ302a〜3
02fのそれぞれをそのセンサ面を立方体(あるいは直
方体)の内部に向けてに貼り付けて、その内部を流れる
におい・ガス流を計測する場合を示している。この立方
体(あるいは直方体)形状のにおい・ガス流計測部31
0の各面(あるいは6枚のうちの一部の面)はにおい・
ガス流が何ら遮蔽されることなく通過するような構造と
なっている。そして、この立方体(あるいは直方体)の
内部を流れるにおい・ガス流を各面のセンサアレイ30
2a〜302fで計測して得られたデータを合成するこ
とにより、どの方向からきた流れに対しても少なくとも
3面から計測可能なら、その得られたデータを合成する
ことで当該におい・ガス流の3次元的な方向、速度を求
めることができる。ここで示す立方体(あるいは直方
体)は、センサアレイ302a〜302fの大きさがた
かだか5cm四方であることを考慮すれば、例えば、
縦、横、高さが50cm程度の大きさのものであるが、
その大きさは、とくに限定するものではない。
体)の各面の中央部に6枚のセンサアレイ302a〜3
02fのそれぞれをそのセンサ面を立方体(あるいは直
方体)の内部に向けてに貼り付けて、その内部を流れる
におい・ガス流を計測する場合を示している。この立方
体(あるいは直方体)形状のにおい・ガス流計測部31
0の各面(あるいは6枚のうちの一部の面)はにおい・
ガス流が何ら遮蔽されることなく通過するような構造と
なっている。そして、この立方体(あるいは直方体)の
内部を流れるにおい・ガス流を各面のセンサアレイ30
2a〜302fで計測して得られたデータを合成するこ
とにより、どの方向からきた流れに対しても少なくとも
3面から計測可能なら、その得られたデータを合成する
ことで当該におい・ガス流の3次元的な方向、速度を求
めることができる。ここで示す立方体(あるいは直方
体)は、センサアレイ302a〜302fの大きさがた
かだか5cm四方であることを考慮すれば、例えば、
縦、横、高さが50cm程度の大きさのものであるが、
その大きさは、とくに限定するものではない。
【0102】なお、センサ面を立方体(あるいうは直方
体)の外部に向けて貼り付けても同様な効果が得られ
る。この場合を図18(c)に示す。
体)の外部に向けて貼り付けても同様な効果が得られ
る。この場合を図18(c)に示す。
【0103】図18(c)に示す立方体(あるいは直方
体)形状のにおい・ガス流計測部320は、立方体(あ
るいは直方体)の各面の中央部に6枚のセンサアレイ3
03a〜303fのセンサ面を立方体(あるいは直方
体)の外部に向けてに貼り付けて、その外部を流れるに
おい・ガス流を計測するものである。
体)形状のにおい・ガス流計測部320は、立方体(あ
るいは直方体)の各面の中央部に6枚のセンサアレイ3
03a〜303fのセンサ面を立方体(あるいは直方
体)の外部に向けてに貼り付けて、その外部を流れるに
おい・ガス流を計測するものである。
【0104】図18(d)に示す球状のにおい・ガス流
計測部330は、所定の大きさの球面上にセンサアレイ
あるいはセンサ素子そのものを配置したものである。こ
のように、できるだけ多くの方向にセンサアレイを設け
ることにより、あらゆる方向からのにおい・ガス流を1
カ所にいながら3次元的に容易に計測することができ
る。
計測部330は、所定の大きさの球面上にセンサアレイ
あるいはセンサ素子そのものを配置したものである。こ
のように、できるだけ多くの方向にセンサアレイを設け
ることにより、あらゆる方向からのにおい・ガス流を1
カ所にいながら3次元的に容易に計測することができ
る。
【0105】図19は、例えば、図18(c)に示すよ
うなにおい・ガス流計測部320(あるいは、図18
(a)〜(d)に示す各におい・ガス流計測部のいずれ
であってもよい)を用いてにおい・ガス流を計測する場
合のにおい・ガス流計測部320のにおい・ガス流の流
れる計測場所(例えば、風洞)への配置例について示し
たものである。
うなにおい・ガス流計測部320(あるいは、図18
(a)〜(d)に示す各におい・ガス流計測部のいずれ
であってもよい)を用いてにおい・ガス流を計測する場
合のにおい・ガス流計測部320のにおい・ガス流の流
れる計測場所(例えば、風洞)への配置例について示し
たものである。
【0106】におい・ガス流計測部320は、計測場所
(ここでは、例えば立方体形状)の上部の4角から線材
402a〜402dを用いて計測場所のほぼ中央部に宙
吊りにされ、におい・ガス流計測部320の各センサア
レイ303a〜303fをパーソナルコンピュータ1等
の他の機器403に接続して、におい・ガス流可視化装
置を構成する。
(ここでは、例えば立方体形状)の上部の4角から線材
402a〜402dを用いて計測場所のほぼ中央部に宙
吊りにされ、におい・ガス流計測部320の各センサア
レイ303a〜303fをパーソナルコンピュータ1等
の他の機器403に接続して、におい・ガス流可視化装
置を構成する。
【0107】図19に示したように、複数のセンサアレ
イを組み合わせて構成されたにおいガス流計測部をにお
い・ガス流の計測場所に宙吊りにして用いることによ
り、あらゆる方向からのにおいガス流を同時多点計測す
ることができ、より正確ににおい・ガス流の方向および
速度を測定できる。
イを組み合わせて構成されたにおいガス流計測部をにお
い・ガス流の計測場所に宙吊りにして用いることによ
り、あらゆる方向からのにおいガス流を同時多点計測す
ることができ、より正確ににおい・ガス流の方向および
速度を測定できる。
【0108】図19に示したようににおい・ガス流計測
部を配置することにより、におい・ガス流計測部320
自体は、より小型化が可能となる。
部を配置することにより、におい・ガス流計測部320
自体は、より小型化が可能となる。
【0109】複数のセンサアレイを組み合わせてにおい
・ガス流計測部を構成する場合、複数のセンサアレイの
全てあるいは、そのうちの1つあるいはいくつかについ
て、第3の実施形態で説明したようなガイド板を設けて
もよい。
・ガス流計測部を構成する場合、複数のセンサアレイの
全てあるいは、そのうちの1つあるいはいくつかについ
て、第3の実施形態で説明したようなガイド板を設けて
もよい。
【0110】以上、種々の例を説明したが、本発明はこ
れらの例に限定されるものではなく、種々変形して応用
可能である。
れらの例に限定されるものではなく、種々変形して応用
可能である。
【0111】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
ガスセンサの配置位置の選定を行う必要がなく、風の局
所的な乱れの影響を受けにくく、短時間で信頼性の高い
においガス流の方向判定が可能となる。
ガスセンサの配置位置の選定を行う必要がなく、風の局
所的な乱れの影響を受けにくく、短時間で信頼性の高い
においガス流の方向判定が可能となる。
【図1】本発明の実施形態にかかるにおい・ガス流可視
化装置の構成例を示した図。
化装置の構成例を示した図。
【図2】図1のセンサアレイ3の動作について説明する
ためのタイミングチャート。
ためのタイミングチャート。
【図3】パルス駆動型半導体ガスセンサのエタノ一ルガ
スに対する応答校正曲線を示した図。
スに対する応答校正曲線を示した図。
【図4】におい・ガス流可視化装置を用いたにおい・ガ
ス流可視化実験を行った風洞の構成例を示した図。
ス流可視化実験を行った風洞の構成例を示した図。
【図5】風向きと並行に並ぶ5個のセンサ素子のセンサ
応答の時間の経過に伴う変化の一例を示した図。
応答の時間の経過に伴う変化の一例を示した図。
【図6】センサアレイ3のセンサ応答を可視化した動画
像の一例を示した図。
像の一例を示した図。
【図7】図6に示した可視化画像に対し、ガス流の方向
および流速の推定を行った結果をまとめたテーブルを示
した図。
および流速の推定を行った結果をまとめたテーブルを示
した図。
【図8】第1の実施形態で使用したパルス駆動型半導体
におい・ガスセンサ(例えば、TGS2440)のエタ
ノールガスに対する応答波形の例と第2の実施形態に係
る小型水晶振動子におい・ガスセンサのトリエチルアミ
ンガスに対する応答波形の例を示した図。
におい・ガスセンサ(例えば、TGS2440)のエタ
ノールガスに対する応答波形の例と第2の実施形態に係
る小型水晶振動子におい・ガスセンサのトリエチルアミ
ンガスに対する応答波形の例を示した図。
【図9】小型水晶振動子におい・ガスセンサアレイを用
いたにおい・ガス流可視化装置の構成例を示した図。
いたにおい・ガス流可視化装置の構成例を示した図。
【図10】におい・ガスを噴出している間に得られた動
画像の例を示した図。
画像の例を示した図。
【図11】第2の実施形態に係るにおい・ガス可視化装
置で得られた動画像からにおい・ガス流の方向推定結果
を示した図。
置で得られた動画像からにおい・ガス流の方向推定結果
を示した図。
【図12】方向推定結果(図11の条件4の場合)をヒ
ストグラムで表した図。
ストグラムで表した図。
【図13】センサアレイのセンサ面上で発生する乱気流
に対する対策について説明するための図。
に対する対策について説明するための図。
【図14】ガイド板の設けられたセンサアレイにおい・
ガス流可視化装置で、風洞実験を行う場合の様子を示し
た図。
ガス流可視化装置で、風洞実験を行う場合の様子を示し
た図。
【図15】センサアレイのセンサ面(検知面)からみた
におい・ガス流の方向を検知できる有効領域を示した
図。
におい・ガス流の方向を検知できる有効領域を示した
図。
【図16】2枚のセンサアレイを組み合わせて構成され
たにおい・ガス流計測部の一例を示した図。
たにおい・ガス流計測部の一例を示した図。
【図17】図16のにおい・ガス流計測部のにおい・ガ
ス流の方向を検知できる有効領域を示した図。
ス流の方向を検知できる有効領域を示した図。
【図18】複数のセンサアレイを組み合わせて構成され
たにおい・ガス流計測部の他の例を示した図。
たにおい・ガス流計測部の他の例を示した図。
【図19】複数のセンサアレイを組み合わせて構成され
たにおい・ガス流計測部のにおいガス流の流れる計測場
所(例えば、風洞)への配置例について示した図。
たにおい・ガス流計測部のにおいガス流の流れる計測場
所(例えば、風洞)への配置例について示した図。
1…パーソナルコンピュータ 2…制御回路 3…センサアレイ(パルス駆動型半導体におい・ガスセ
ンサアレイ) 4…対数変換回路 5…A/D変換器 102…多チャンネル周波数カウンタおよびシリアルイ
ンターフェイス部 103…センサアレイ(水晶振動子におい・ガスセンサ
アレイ)
ンサアレイ) 4…対数変換回路 5…A/D変換器 102…多チャンネル周波数カウンタおよびシリアルイ
ンターフェイス部 103…センサアレイ(水晶振動子におい・ガスセンサ
アレイ)
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平9−304319(JP,A) 特開 平8−261893(JP,A) 特開 平7−12671(JP,A) 石田、櫛田、山中、中本、森泉,パル ス駆動型半導体ガスセンサアレイを用い た匂い・ガス硫可視化システムの研究, 電気学会論文誌,日本,社団法人電気学 会,1999年 4月 1日,第119−E巻、 第4号,p.194−200 (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 5/02 G01N 1/00 101 G01N 27/12 JICSTファイル(JOIS)
Claims (4)
- 【請求項1】 複数のにおい・ガスセンサを二次元平面
上に配列した複数のセンサアレイを3次元空間内の異な
る複数の平面上に配置して、該3次元空間内のにおい・
ガス流の3次元的な濃度変化を多点計測するにおいガス
流計測手段と、 このにおい・ガス流計測手段で計測された濃度変化を可
視化する可視化手段と、 を具備したことを特徴とするにおい・ガス流可視化装
置。 - 【請求項2】 複数のにおい・ガスセンサを二次元平面
上に配列した複数のセンサアレイを3次元空間内の異な
る複数の平面上に配置して、該3次元空間内のにおい・
ガス流の3次元的な濃度変化を多点計測するにおいガス
流計測手段と、 このにおい・ガス流計測手段で計測された濃度変化を可
視化する可視化手段と、 前記可視化された濃度変化に基づきにおい・ガス流の方
向および流速を測定する測定手段と、 を具備したことを特徴とするにおい・ガス流計測装置。 - 【請求項3】 前記複数のセンサアレイのうちの少なく
とも1つには、におい・ガス流の流れのうち、そのセン
サアレイの検知面と平行な成分だけを取り出して濃度変
化を計測するために、該検知面に平行な板状体を該検知
面に所定の間隔を存して配したことを特徴とする請求項
1記載のにおい・ガス流可視化装置。 - 【請求項4】 前記複数のセンサアレイのうちの少なく
とも1つには、におい・ガス流の流れのうち、そのセン
サアレイの検知面と平行な成分だけを取り出して濃度変
化を計測するために、該検知面に平行な板状体を該検知
面に所定の間隔を存して配したことを特徴とする請求項
2記載のにおい・ガス流計測装置。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP27337399A JP3292866B2 (ja) | 1999-09-27 | 1999-09-27 | におい・ガス流可視化装置およびにおい・ガス流計測装置 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP27337399A JP3292866B2 (ja) | 1999-09-27 | 1999-09-27 | におい・ガス流可視化装置およびにおい・ガス流計測装置 |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2001091416A JP2001091416A (ja) | 2001-04-06 |
JP3292866B2 true JP3292866B2 (ja) | 2002-06-17 |
Family
ID=17527007
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP27337399A Expired - Lifetime JP3292866B2 (ja) | 1999-09-27 | 1999-09-27 | におい・ガス流可視化装置およびにおい・ガス流計測装置 |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3292866B2 (ja) |
Cited By (2)
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---|---|---|---|---|
JP2006153847A (ja) * | 2004-10-29 | 2006-06-15 | Canon Inc | 土壌中の汚染物質の高濃度域方向検知方法 |
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JP2004309416A (ja) | 2003-04-10 | 2004-11-04 | Sony Corp | センサ装置、センシング方法、生体物質のセンサ装置、生体物質のセンシング方法、分泌物のセンサ装置、分泌物のセンシング方法、感情センサ装置および感情センシング方法 |
JP3834648B2 (ja) * | 2003-07-03 | 2006-10-18 | 国立大学法人 筑波大学 | 化学物質発生源探索装置 |
JP2005061836A (ja) * | 2003-08-11 | 2005-03-10 | Toyoe Moriizumi | 悪臭源検出排除方法及び悪臭源検出排除装置 |
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JP2012112651A (ja) * | 2009-03-24 | 2012-06-14 | Sharp Corp | 化学物質検出装置 |
US9073223B2 (en) | 2009-12-22 | 2015-07-07 | Atonarp Inc. | Robot |
US9523703B2 (en) * | 2012-03-27 | 2016-12-20 | The Boeing Company | Velocity profile mapping system |
NL2013587B1 (nl) * | 2014-10-07 | 2016-10-03 | Berkin Bv | Werkwijze voor het bepalen van de fracties van een stromend gasvormig medium, alsmede systeem daarvoor. |
WO2017085796A1 (ja) * | 2015-11-17 | 2017-05-26 | 株式会社アロマビット | 匂いセンサおよび匂い測定システム |
US20210088489A1 (en) * | 2016-04-27 | 2021-03-25 | Sharp Kabushiki Kaisha | Gas sensor and gas detection device |
KR101941158B1 (ko) * | 2016-10-31 | 2019-04-12 | 한국전자통신연구원 | 냄새 방향 및 위치 탐지가 가능한 후각 정보 생성 장치 및 생성 방법 |
EP3627139A4 (en) * | 2017-05-17 | 2021-03-31 | Aroma Bit, Inc. | METHOD FOR GENERATING BASIC DATA FOR SCENT IMAGE |
JP7361311B2 (ja) * | 2020-02-27 | 2023-10-16 | パナソニックIpマネジメント株式会社 | ガス検知方法、プログラム、及びガス検知システム |
-
1999
- 1999-09-27 JP JP27337399A patent/JP3292866B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
石田、櫛田、山中、中本、森泉,パルス駆動型半導体ガスセンサアレイを用いた匂い・ガス硫可視化システムの研究,電気学会論文誌,日本,社団法人電気学会,1999年 4月 1日,第119−E巻、第4号,p.194−200 |
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US7591200B2 (en) | 2004-10-29 | 2009-09-22 | Canon Kabushiki Kaisha | Method of detecting high-concentration region direction of pollutant in soil |
CN105444800A (zh) * | 2015-12-31 | 2016-03-30 | 哈尔滨理工大学 | 一种用于检测气体泄漏源方向的装置及方法 |
CN105444800B (zh) * | 2015-12-31 | 2017-06-30 | 哈尔滨理工大学 | 一种用于检测气体泄漏源方向的装置及方法 |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
JP2001091416A (ja) | 2001-04-06 |
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