JP4241904B2 - ガス検出方法及びガス検出装置 - Google Patents
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Description
エタノールガスの濃度に関する物理量=(Δa/Δb)・BG ・・・(2)
エタノールガスの濃度に関する物理量=(Δa/Δb)・(BG−AG)
+[EtOH]base・・・(3)
エタノールガスの濃度に関する物理量=Δa・Di+[EtOH]base・・・(4)
ただし、Δaは前記エタノール検出手段で検出されたエタノールガスの濃度に関する物理量の変化量、変化率、または所定時間内の積分値、Δbは前記補正ガス検出手段で検出された補正ガスの濃度に関する物理量の変化量、変化率、または所定時間内の積分値、BGは予め求められた呼気中補正ガスの濃度に関する物理量、AGは前記補正ガス検出手段で検出された大気中補正ガスの濃度に関する物理量、[EtOH]baseは前記エタノール検出手段で検出された大気中エタノールガスの濃度に関する物理量、Diは以下の式で表わされる呼気希釈倍率である。
上記(1)式及び(2)式を用いることにより、大気に対して呼気の量が充分小さいときのエタノールガスの濃度に関する物理量を精度良く検出することができる。
ただし、Teは前記エタノール用変換手段で変換された電気信号より得られる赤外線の透過光量、Toは人間の顔から放射された赤外線の光量、keはエタノールガスの吸収係数、Lはエタノールガスと人間の顔から放射された赤外線との相互作用長であり、lnは自然対数を表わす。
ただし、Teは前記エタノール用変換手段で変換された電気信号より得られる赤外線の透過光量、Toは前記参照用変換手段で変換された電気信号より得られる人間の顔から放射された赤外線の透過光量、keはエタノールガスの吸収係数、Lはエタノールガスと人間の顔から放射された赤外線との相互作用長であり、lnは自然対数を表わす。
・・・(8)
ここで、ne(t2)、ne(t1)は各々時刻t2、t1における以下の式のneで表わされるエタノールガスの濃度に関する物理量、nc(t2)、nc(t1)は各々時刻t2、t1における以下の式のncで表わされる二酸化炭素の濃度に関する物理量である。
nc=−ln(Tc/To)/kc・L
ただし、Teは前記エタノール用変換手段で変換された電気信号より得られる赤外線の透過光量、Tcは前記二酸化炭素用変換手段で変換された電気信号より得られる赤外線の透過光量、Toは人間の顔から放射された赤外線の光量、keはエタノールガスの吸収係数、kcは二酸化炭素の吸収係数、Lはエタノールガス及び二酸化炭素と人間の顔から放射された赤外線との相互作用長である。
・・・(9)
ここで、ne(t2)、ne(t1)は各々時刻t2、t1における以下の式のneで表わされるエタノールガスの濃度に関する物理量、nw(t2)、nw(t1)は各々時刻t2、t1における以下の式のnwで表わされる水蒸気の濃度に関する物理量である。
nw=−ln(Tw/To)/kw・L
ただし、Teは前記エタノール用変換手段で変換された電気信号より得られる赤外線の透過光量、Twは前記水蒸気用変換手段で変換された電気信号より得られる赤外線の透過光量、Toは人間の顔から放射された赤外線の光量、keはエタノールガスの吸収係数、kwは水蒸気の吸収係数、Lはエタノールガス及び水蒸気と人間の顔から放射された赤外線との相互作用長である。
12 ステアリングコラム
20 エタノール用光学フィルタ
22 エタノール用光電変換素子
24 エタノール濃度判定器
30 参照用光学フィルタ
32 参照用光電変換素子
34 36 38 呼気信号フィルタ
40 二酸化炭素用光学フィルタ
42 二酸化炭素用光電変換素子
50 水蒸気用光学フィルタ
52 水蒸気用光電変換素子
された赤外線と呼気中のエタノールとの相互作用によって、エタノールのC−O伸縮振動による吸収スペクトル生じ、吸収スペクトルを含む所定波長帯域の赤外線の強度が低下する。
ただし、Toは光源であるドライバの顔の光量、neはエタノールガスの濃度、keはエタノールガスの吸収係数、Lはガスと光の相互作用長(光学フィルタ20からドライバの顔までの距離で表わされる光路長)であり、EXPは指数関数を表わす。
ただし、lnは、自然対数を表わす。
ただし、neは上記(11)式で求められるエタノールガス濃度、ncは下記(13)式で求められる二酸化炭素ガス濃度である。
ただし、Tcは二酸化炭素用光電変換素子から出力され、かつ呼気信号フィルタを通過した電気信号より得られる透過光量、kcは二酸化炭素の吸収係数である。光源の光量Toは、第1の実施の形態で説明した値が用いられる。
・・・(14)
一方、第5の実施の形態のようにドライバから離れた位置で時々刻々ガスを採取する場合について図9を参照して説明すると、呼吸のリズムに応じて、すなわち時間tに応じて倍率α(t)が変動する。また、採集されたガスには時間tに応じて濃度が変動する大気中のエタノール(濃度nen(t))及び二酸化炭素(濃度ncn(t))が含まれている場合には、大気中のエタノール及び二酸化炭素がノイズとして検出されることになる。エタノール及び二酸化炭素各々の測定値nem(t)、ncm(t)は以下の(15)式で表わされるため、上記(14)式の原理を用いてエタノール濃度を検出することはできない。
nem(t)=α(t)neb+nen(t) ・・・(15)
以下、二酸化炭素濃度を用いる本実施の形態の検出原理を説明する。一般的に大気中の二酸化炭素濃度の変化は呼気リズムに比較して充分遅いと仮定することができる。したがって、大気中の二酸化炭素の濃度ncn(t)の変動周波数と、エタノール濃度の変動周波数との相違を利用して、ncm(t)をハイパスフィルタで構成された上記で説明した呼気信号フィルタを通過させることにより、変動周波数が低い大気中の二酸化炭素の濃度ncn(t)を示す信号が除去された呼気信号フィルタ通過信号ncm’(t)=α(t)ncbを得ることができる。
ncm’(t)=α(t)ncb ・・・(18)
この場合には、より簡易な下記(19)式より呼気中エタノール濃度nebが得られる。
ただし、Δaは上記で説明したエタノール濃度の変化量(nep=ne(t2)−ne(t1))、変化率、または所定時間内の積分値であり、Δcは上記(13)式で演算される二酸化炭素濃度の変化量、変化率、または所定時間内の積分値であり、呼気中の二酸化炭素濃度は約3.8%で一定である。
・・・(21)
ここで、図12に示すように、ne(t2)、ne(t1)は各々時刻t2、t1における以下の式のneで表わされるエタノールガスの濃度、nc(t2)、nc(t1)は各々時刻t2、t1における以下の式のncで表わされる二酸化炭素の濃度である。
nc=−ln(Tc/To)/kc・L ・・・(22)
本実施の形態によれば、呼気周波数成分を抽出して呼気中の二酸化炭素濃度に対するエタノール濃度の割合をエタノール濃度として検出しているため、大気中のエタノール及び二酸化炭素が呼気変動に比べて時間的にゆっくり変動すると仮定できる場合のエタノール濃度を精度良く検出することができる。
ことができる。
・・・(23)
本実施の形態によれば、光源の光量の変動による誤差を防止することができると共に、呼気周波数成分を抽出して呼気中の二酸化炭素濃度に対するエタノール濃度の割合をエタノール濃度として検出しているため、より正確にエタノール濃度を測定することができる。
・・・(24)
なお、二酸化炭素の濃度検出に代えて水蒸気濃度を検出する場合においても、二酸化炭素の濃度検出で説明したように、第5の実施の形態と同様に二酸化炭素用光電変換素子42とエタノール濃度判定器44との間に、二酸化炭素用光電変換素子42呼気信号フィルタ38を設け、呼気信号フィルタ38を通過した信号及び光電変換素子22から出力された電気信号を用いてエタノール濃度を検出するようにしてもよい。
・・・(25)
Di=([O2]breath−[O2]base)/(O2]peak−[O2]base)
・・・(26)
ただし、Diは呼気がセンサに到達するまでに空気によって希釈される割合を示す呼気希釈倍率であり、
[O2]breath:呼気中の酸素濃度
[O2]base:呼気が導入される前の酸素センサの出力濃度
[O2]peak:呼気が導入されたときの酸素センサの出力濃度の最大値
[EtOH]breath:呼気中のエタノール濃度
[EtOH]base:呼気が導入される前のアルコールセンサの出力濃度
[EtOH]peak:呼気が導入されたときのアルコールセンサの出力濃度の最大値
上記(25)式の計算は、呼気が任意に希釈されてもエタノールの希釈倍率と酸素の希釈倍率とは常に等しいことに着目して導出されたものである。呼気中の酸素濃度[O2]breathは常に一定濃度(例えば、15.2%で一定)であることから、酸素センサの出力濃度値からまず呼気希釈倍率Diが算出される。次に、エタノールがこの呼気希釈倍率Diで希釈されるため、呼気希釈倍率Diとアルコールセンサの出力濃度値とから呼気中のエタノール濃度[EtOH]breathが算出される。
・・・(27)
ただし、Δaは上記で説明したエタノール濃度の変化量または変化率であり、Δoは酸素濃度の変化量、変化率、または所定時間内の積分値である。Δoに代えて、二酸化炭素濃度の変化量、変化率、または所定時間内の積分値、若しくは水蒸気濃度の変化量、変化率、または所定時間内の積分値を用いることもできる。
(呼気希釈倍率)-=( [O2]breath−[O2]base) / ([O2]peak−[O2]base)
ただし、式中の記号は、以下の通りである。
[EtOH]breath:呼気中のエタノール濃度(気圧補正後)
[EtOH]base:呼気が導入される前のアルコールセンサの出力濃度
[EtOH]peak:呼気が導入されたときのアルコールセンサ出力濃度の最大値
(呼気希釈倍率):呼気がセンサ到達までに希釈される倍率
Pair:大気圧
大気圧と大気中酸素濃度([O2]base)との相関から算出(図27参照)
[O2]breath:呼気中酸素濃度
呼気中酸素濃度([O2]breath)と大気中酸素濃度([O2]base)との相関から算出(図29参照)
[O2]base:呼気が導入される前の酸素センサの出力濃度(大気中酸素濃度)
[O2]peak:呼気が導入されたときの酸素センサ出力濃度の最大値
なお、上記では、センサの出力値(出力濃度)として最大値を用いているが、必ずしも最大値である必要はなく、上記で説明したように呼気導入管内に導入され呼気がアルコールセンサ及び酸素センサに接触した時点以降の出力値であればこの出力値の変化量または変化率を用いて上記と同様に呼気中のエタノールガス濃度を算出することが可能である。
Claims (9)
- エタノールガスの濃度に関する物理量を検出すると共に、酸素からなる補正ガスの濃度に関する物理量を検出し、
検出した補正ガスの濃度に関する物理量とエタノールガスの濃度に関する物理量とに基づいて、呼気中のエタノールガスの濃度に関する物理量を検出するガス検出方法。 - エタノールガスの濃度に関する物理量を検出するエタノール検出手段と、
酸素からなる補正ガスの濃度に関する物理量を検出する補正ガス検出手段と、
検出した補正ガスの濃度に関する物理量とエタノールガスの濃度に関する物理量とに基づいて、呼気中のエタノールガスの濃度に関する物理量を検出する濃度検出手段と、
を含むガス検出装置。 - エタノールガスの濃度に関する物理量を検出するエタノール検出手段と、
水蒸気、二酸化炭素、及び酸素の少なくとも1種のガスからなる補正ガスの濃度に関する物理量を検出する補正ガス検出手段と、
検出された補正ガスの濃度に関する物理量、または検出した補正ガスの濃度に関する物理量及びエタノールガスの濃度に関する物理量から呼気周波数成分を通過させる呼気フィルタと、
前記呼気フィルタを通過した補正ガスの濃度に関する物理量と前記エタノール検出手段で検出されたエタノールガスの濃度に関する物理量、または前記呼気フィルタを通過した補正ガスの濃度に関する物理量と前記呼気フィルタを通過したエタノールガスの濃度に関する物理量とに基づいて、呼気中のエタノールガスの濃度に関する物理量を検出する濃度検出手段と、
を含むガス検出装置。 - 前記補正ガス検出手段を、酸素からなる補正ガスの濃度に関する物理量を検出するガスセンサで構成した請求項2に記載のガス検出装置。
- 前記補正ガス検出手段を、
人間の顔から放射された赤外線との相互作用によって生じる吸収スペクトルであって二酸化炭素のC−O伸縮振動による吸収スペクトルを含む所定波長帯域の赤外線を透過する二酸化炭素用光学フィルタと、前記二酸化炭素用光学フィルタを透過した赤外線を電気信号に変換する二酸化炭素用変換手段とを含む二酸化炭素検出手段、
人間の顔から放射された赤外線との相互作用によって生じる吸収スペクトルであって水蒸気による吸収スペクトルを含む所定波長帯域の赤外線を透過する水蒸気用光学フィルタと、前記水蒸気用光学フィルタを透過した赤外線を電気信号に変換する水蒸気用変換手段とを含む水蒸気検出手段、
水蒸気、二酸化炭素、及び酸素の少なくとも1種のガスからなる補正ガスの濃度に関する物理量を検出するガスセンサ、
赤外線を放射する光源と赤外線検出器とで構成された水蒸気センサ、または
赤外線を放射する光源と赤外線検出器とで構成された二酸化炭素センサで構成した請求項3に記載のガス検出装置。 - 前記エタノール検出手段を、
酸化物半導体を用いてエタノールガスの濃度に関する物理量を検出するガスセンサ、または
赤外線を放射する光源と赤外線検出器とで構成されたアルコールセンサで構成した請求項2〜請求項5のいずれか1項記載のガス検出装置。 - 前記濃度検出手段が、以下の(1)式〜(4)式のいずれか1つの式に従って呼気中のエタノールガスの濃度に関する物理量を検出するようにした請求項2〜請求項6のいずれか1項記載のガス検出装置。
エタノールガスの濃度に関する物理量=(Δa/Δb) ・・・(1)
エタノールガスの濃度に関する物理量=(Δa/Δb)・BG ・・・(2)
エタノールガスの濃度に関する物理量=(Δa/Δb)・(BG−AG)
+[EtOH]base・・・(3)
エタノールガスの濃度に関する物理量=Δa・Di+[EtOH]base ・・・(4)
ただし、Δaは前記エタノール検出手段で検出されたエタノールガスの濃度に関する物理量の変化量、変化率、または所定時間内の積分値、Δbは前記補正ガス検出手段で検出された補正ガスの濃度に関する物理量の変化量、変化率、または所定時間内の積分値、BGは予め求められた呼気中補正ガスの濃度に関する物理量、AGは前記補正ガス検出手段で検出された大気中補正ガスの濃度に関する物理量、[EtOH]baseは前記エタノール検出手段で検出された大気中エタノールガスの濃度に関する物理量、Diは以下の式で表わされる呼気希釈倍率である。
Di=(BG−AG)/Δb ・・・(5) - エタノールガスの濃度に関する物理量を検出するエタノール検出手段と、
酸素からなる補正ガスの濃度に関する物理量を検出する補正ガス検出手段と、
検出した補正ガスの濃度に関する物理量とエタノールガスの濃度に関する物理量とに基づいて、前記検出した補正ガスの濃度に基づいて大気圧補正された呼気中のエタノールガスの濃度に関する物理量を検出する濃度検出手段と、
を含むガス検出装置。 - 前記濃度検出手段が、以下の式に従って呼気中のエタノールガスの濃度に関する物理量を検出するようにした請求項8記載のガス検出装置。
エタノールガスの濃度に関する物理量=(Δa・di+[EtOH]base)/Pair
ただし、Δaは前記エタノール検出手段で検出されたエタノールガスの濃度に関する物理量の変化量、変化率、または所定時間内の積分値、 [EtOH]baseは前記エタノール検出手段で検出された大気中エタノールガスの濃度に関する物理量、diは以下の式で表わされる呼気希釈倍率、Pairは大気圧と大気中補正ガス濃度に関する物理量との相関に基づいて、前記補正ガス検出手段で検出された大気中補正ガス濃度に関する物理量から定まる大気圧である。
di=( [O2]breath−[O2]base) / ([O2]peak−[O2]base)
ただし、[O2]baseは、前記補正ガス検出手段で検出された大気中補正ガス濃度に関する物理量、[O2]breathは、呼気中補正ガス濃度に関する物理量と大気中補正ガス濃度に関する物理量との相関に基づいて、前記補正ガス検出手段で検出された大気中補正ガス濃度に関する物理量から定まる呼気中補正ガス濃度に関する物理量、[O2]peakは、呼気が導入されたときの前記補正ガス検出手段で検出された補正ガス濃度に関する物理量である。
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