JP6253844B2 - センサシステム及びセンサ方法 - Google Patents

Description

本発明は、流体における物質の検出、例えば、空気中の汚染物質濃度の測定、及び、流体における物質を検出する方法に関する。

浮遊粒子汚染、特に粒子径が２．５μｍ未満の粒子サイズ（いわゆる「ＰＭ２．５」）は、特に中国などの急速に工業化が進む国では、消費者にとって大きな懸念事項である。

消費者の地位の向上の結果として、生活空間の空気質に関する情報への要求が高まっている。中国などの国では、過去１０年間にＰＭ２．５の過剰な汚染が一般的な問題となっている。この問題は、中国の様々な都市で継続的に測定することによっても確認されている。データは公開されており、携帯電話アプリケーション又はウェブを通じて、同時に監視され得る。

このデータの入手は勿論、国内及び国際的なメディアへの継続的な関心が高まっているため、この問題に関する消費者の意識が高まっている。

公式の屋外空気品質基準は、単位体積当たりの質量濃度（例えば、μｇ／ｍ^３）として粒子物質濃度を定義する。中国本土の平均ＰＭ２．５汚染濃度は、衛星データに基づいて計算されており、幾つかの地域では、１００μｇ／ｍ^３のＰＭ２．５濃度以上となっているほか、国の大半が世界保健機関（ＷＨＯ）の制限値１０μｇ／ｍ^３を超えていることが分かっている。

標準的な基準測定方法は、例えば、水晶マイクロバランス、テーパ共振器、インパクタ、又は、計量フィルタ及び篩を使用して、空気サンプリング容積当たりの堆積粒子又は捕捉粒子の質量を測定することに基づいている。また、粒子濃度の測定に加えて（又は、その代わりに）、空気中の特定の化学物質を検出したいという要望もある。

しかしながら、既知のシステムでは、測定の手作業部分（例えば、フィルタ及び篩の計量）、及び／又は、累積質量の清掃、様々なシステム構成要素及び校正の維持のための定期的なメンテナンスのための専門的操作ガイドラインが必要となることが多い。

複雑で高価な科学機器を必要としないように、センシング技術を使用するのに低コストで簡単な必要性があることが認識されている。

一般的に、消費者用の空気清浄器に適用することができる低コストセンサは、はるかに高価なプロフェッショナルレンジセンサと比較して、感度及び信頼性の性能が低下する。多くの低コストセンサは、所望されるよりも高い汚染物質濃度にしか反応しない。低濃度領域では、その応答が直線的でないこともある。

多くのセンサでは、操作原理はターゲット化合物以外の化合物に応答し、ターゲット化合物と干渉化合物とが同時に存在する場合に誤った読み取りにつながる。

電気化学的なホルムアルデヒドセンサを例にとると、アルコールや洗剤のような化合物は出力に大きく影響する可能性があり、これらの他の化合物は実際の家庭環境で一般に見られる。センサの汚染は、ほとんどの現実のアプリケーションでは別の課題である。汚れた環境に長時間さらされた後、センサは、油性粒子や中毒ガスのような物質によって汚染される傾向があり、その結果、出力が減衰する。また、環境の温度変化は、しばしば、センサ応答のシフトを引き起こす。誤った測定値は、ほとんど不可避であり、（再）校正が行なわれない場合、センサは、信頼性がない。

センサを汚染及び妨害ガスから保護するため、センサの上流にプレフィルタを使用することが知られている。

国際公開第２０１３／１３３８７２号は、室内ホルムアルデヒドガス又は他のターゲットガスの誤った測定値をもたらす妨害化合物をスクリーニングするためのハニカムフィルタの使用を開示している。これは、妨害物質が非常に低濃度である場合に有効である。しかしながら、空気清浄器又は他の電気器具に使用されるセンサでは、（例えば、パーティ中又は調理中などの）日常生活の中でしばしば放出される洗剤、アルコール、及び、油性エアロゾルのような高濃度妨害物質及び／又は中毒物質は、フィルタをすばやく飽和させ、センサを信頼性を低下させる。

従って、例えば、空気清浄機で使用される従来の検出システムは、１つのセンサを使用し、センサが一定時間動作した後は信頼性がなくなる。この問題は、プレフィルタリングを使用することによって部分的に緩和することができるが、そのような対策の有効性は依然として制限されている。プレフィルタは、単一センサシステムでセンサと一緒に動作し続ける必要があるため、特に汚染物質濃度が高い場合には、プレフィルタは、その有用な動作寿命にすぐに到達する。また、この状態は、簡単に検出できない。

協働するセンサシステムでは、異なるタイプのセンサを使用して校正を行なうことが知られている。例えば、米国特許第5,394,934号は、揮発性有機化合物（ＶＯＣ：volatile organic compound）センサとＣＯ_２センサとの使用を開示し、一のセンサが、他のセンサからの読取値を修正するために使用される。

干渉物質に対する異なるセンサの応答は同じではないので、校正を行なう際に誤ったベースライン校正が行なわれる可能性がある。これは、システムの安定性が低下する可能性があることを意味する。

欧州特許出願公開第0764331号は、測定センサと校正センサとを有することによって、湿度センサを再調整する方法を開示している。当該システムでは、センサは流入空気に直接さらされ、水分センサは、例えば、感知前のフィルタリングを要しない。

欧州特許出願公開第2762877号は、互いに近接していることが検出されたときに２つのセンサからの測定値を比較することによって、化学センサを校正するシステムを開示している。しかしながら、この開示は、化学センサを空気にさらす前に空気を処理することに関するものではなく、これによりセンサの寿命がより短くなる可能性があり、及び／又は、干渉する可能性がある。

既知のシステムの少なくとも幾つかの欠点を緩和する本発明は、請求項によって定義される。

本発明の第１の態様によれば、流体における物質を感知するためのセンサシステムは、
前記流体における前記物質を感知するための第１のセンサと、
前記流体における前記物質を感知するための第２のセンサであって、前記第１のセンサと同じタイプであるとともに同じ物質を感知する前記第２のセンサと、
校正イベントまで、前記流体における前記物質を感知するように前記第１のセンサを制御し、前記校正イベントの間は、前記流体における前記物質を感知するように前記第２のセンサを制御し、前記第２のセンサは、前記校正イベントの間にのみ動作され、前記第２のセンサからのセンサ情報を用いて前記第１のセンサを校正する、ように構成されたコントローラと、を有する。

流体は、同伴粒子又は汚染ガスを伴う空気又は任意の他のガスなどのエアロゾルであり得る。他の実施形態では、流体は、水、化学薬品の水溶液などの液体であってもよい。

好ましくは、第２のセンサの動作のデューティサイクルは、第１のセンサの動作のデューティサイクルよりも低い。このようにして、第２のセンサは、より遅い速度で老化するので、より早く老化する第１のセンサを校正するために使用することができる。

このセンサシステムは、（たとえ高価な科学機器であっても定期的な校正を必要とするかもしれないが）高価な科学機器よりむしろ低コストなセンサであり得る第１のセンサを用いた長期間の（例えば、連続的な）モニタリングを可能にする。第１のセンサからの出力信号のドリフト及び／又は非線形性は、第１のセンサと同じタイプであるがより低いデューティサイクルで動作する第２のセンサによって補償され得る。第２のセンサは、第１のセンサからの出力信号がどのように解釈されるかを調整するために使用され得る個別の校正測定を実行する。第１のセンサからの出力信号のドリフト及び／又は非線形性が十分に厳しく、第１のセンサを校正することが不可能な場合には、第１のセンサ及び第２のセンサの両方からの出力信号を処理することによって、第１のセンサの寿命の満了を示すことも可能である。

デューティサイクルの低い第２のセンサを使用することにより、第２のセンサは、第１のセンサよりも出力ドリフト又は他の経年変化の影響をより緩やかに受けるので、校正手法を用いてそのようなドリフトを補償するために使用することができる。第１のセンサは、校正イベント中に動作を停止してもよいし、又は、監視し続けてもよい。２つのセンサは、同じ検出方法（例えば、質量検出、光散乱検出、光透過検出、粒子の帯電後に測定された電荷、又は、化学的検出など）を使用する。このリストは完全ではなく、使用されるセンサ原理を制限するものではないことに留意する。また、センサは、同じ物質（例えば、同じ化学種又は同じ粒度範囲）の検出のために構成されている。従って、「物質」なる用語は、特定の化学物質又は化学物質のクラス、あるいは、微生物、ウイルス、胞子などを含む特定の粒子サイズ又は粒子サイズの範囲に関連すると理解されるべきである。繰り返しになるが、このリストは完全ではなく、本発明を限定することを意味するものではない。

第１及び第２のセンサは、同一であってもよいし、同等のものであってもよい。同じタイプの２つのセンサを有することにより、校正動作は、できるだけ効果的である。センサは、背景の相関又は減算が効果的に実行されるように、一般的な条件と同じ応答を有する。

校正イベントは、単に周期的に実行されてもよく、そうでなければ、いつ校正が必要とされるかを示す情報に基づいて制御されてもよい。第１のセンサの感知履歴は、例えば、ターゲット物質の濃度がどれくらい高いかに基づいて、校正がいつ実施されるべきかを決定するために使用されてもよい。

校正は、ゼロ点及び／又は感度の調整を有していてもよい。感度は、例えば、線形センサ応答関数の勾配のようなセンサ応答の線形性を含むことができる。感度補正は、例えば、光学センサに使用されるＬＥＤ又はレーザダイオードの光強度を調整することを含んでいてもよい。

第１のセンサの寿命の終わりに、第２のセンサを代わりに使用することができ、新しい校正センサを設置してもよい。

センサシステムは、空気中の汚染物質の量又は濃度を測定するため、あるいは、空気などの流体中のターゲット物質を感知するためのものであってもよい。

或る例では、第１及び第２のセンサは、それぞれ機械的センサを有する。機械的センサは、それぞれ、センサ素子と、センサ素子素子を共振させるとともにセンサ素子の共振周波数を検出するように適合されたトランスデューサと、を有し、ここで、共振周波数は、センサ素子上に堆積された粒子の質量に依存する。

この場合の機械的センサは、共振周波数の変化を検出する共振質量センサである。これは、例えば、ＭＥＭＳ（マイクロ電気機械システム）センサを有していてもよい。

他の例では、第１及び第２のセンサは、それぞれ光散乱光学センサを含む。

これは、例えば、比濁計を有していてもよい。また、これは、容易に入手可能なコンポーネントである。あるいは、特別に設計された光学ユニットが使用されてもよい。

他の例では、第１及び第２のセンサは、それぞれガスセンサを有する。各ガスセンサは、電気化学センサ又はＭＯＸベースの（金属酸化物半導体）センサを有していてもよい。

センサシステムは、使用されているセンサに向かってモニタされる流体を駆動するためのサンプル吸気装置を更に有していてもよい。

エアロゾルの場合、サンプル吸気装置は、ファン又は静電引力装置を有していてもよく、そうでなければ、熱泳動又は重力に基づくシステムが使用されてもよい。このようにして、第２のセンサは、使用されていない間にターゲットに曝されない。センサの動作は、代わりに、センサが使用されていないときにターゲットに曝されないように、例えば、静電引力によってサンプル吸気機能を提供することができる。

センサシステムは、第１のセンサに結合された第１のフィルタと、第２のセンサに結合された第２のフィルタと、を更に有していてもよい。

これらのフィルタは、センサの寿命を延ばすために、プレフィルタリングを実行することができる。

第１のフィルタは、空気から第１のセンサへの供給のための粒径の範囲を選択するためのものであってもよく、第２のフィルタは、第２のセンサへの供給のために空気から粒径の範囲を選択するものであってもよい。これは、粒子分析のために、関心のある粒径の範囲についてのみ検出が行なわれることを意味する。例えば、フィルタ装置は、大きな粒子がセンサに到達することを確実に防止することができる。例えば、フィルタ装置は、ＰＭ２．５測定のために、２．５μｍなどのサイズ閾値よりも大きい粒子を捕捉することができる。

システムは、第１及び第２のフィルタによってフィルタリングされた流体を、第１及び第２のセンサのうちの選択された１つに選択的に送るバルブ構成を更に有していてもよい。

これは、２つのフィルタから順番にフィルタされた流体を受けた場合、センサの１つ（好ましくは、第２のセンサ）によって受信される信号を比較することに基づいて、（第２のフィルタよりも長い期間使用される）第１のフィルタがいつ変更される必要があるのかを診断する方法として使用され得る。

空気処理装置は、本発明の第１の態様のセンサシステムを使用することができる。

本発明の第２の態様によれば、センサ方法は、
校正イベントまで第１のセンサを用いて流体における物質を感知するステップと、
前記校正イベントの間は、第２のセンサを用いて前記物質を感知するステップであって、前記第２のセンサは、前記第１のセンサと同じタイプであるとともに同じ物質を感知し、前記校正イベントの間にのみ動作される、前記ステップと、
前記第２のセンサからのセンサ情報を用いて前記第１のセンサを校正するステップと、を有する。

第１のセンサ及び第２のセンサは、
（機械的センサ、光学センサ、熱センサ、音響センサ、静電センサ、又は、電磁センサなどの）物理的センサ、あるいは、
電気化学的センサ又はＭＯＸセンサなどの化学センサ、あるいは、
（フレームイオン化検出器などの）ハイブリッドセンサ、をそれぞれ有していてもよい。

このリストは網羅的ではなく、他のセンサタイプが使用されてもよい。

従って、本発明は、様々なセンサタイプの範囲の校正を提供するために使用することができる。これは、低コストのセンサの性能を改善するために使用することができるが、同様に、この方法を高コストのセンサに適用することができる。

上記方法は、第１のフィルタを用いて前記第１のセンサに供給される前に前記流体をフィルタリングするとともに、第２のフィルタを用いて前記第２のセンサに供給される前に前記流体をフィルタリングするステップと、前記第１及び第２のフィルタによってフィルタリングされた流体を前記第１のセンサと前記第２のセンサとの一方に順番に送るとともに、前記第１のフィルタの状態を然るべく決定することによって、前記第１のフィルタの試験を実行するステップと、を更に有していてもよい。

これにより、フィルタの状態を自動的に判別することができる。

以下、本発明の例が、添付の図面を参照して詳細に説明される。
図１は、センサシステムの第１の例、及び、関連するタイミング図を示している。 図２は、図１のセンサシステムの動作方法を示している。 図３は、センサシステムの第２の例を示している。 図４は、図３のセンサシステムの動作方法を示している。 図５は、センサ応答特性がどのように経時的に変化し得るかを示している。 図６は、ベースライン校正が考慮され得る測定を示している。 図７は、感度校正のための第１の手法を説明するために用いられる。 図８は、感度校正のための第２の手法を説明するために用いられる。 図９は、可能なセンサ構造の一例を示している。

本発明は、同じタイプの第１及び第２のセンサを有する、流体における物質を感知するためのセンサシステムを提供する。第１のセンサは、第２のセンサが使用される校正イベントまで使用される。第２のセンサは、第２のセンサの動作のデューティサイクルが第１のセンサの動作のデューティサイクルよりも低くなるように、校正イベント中にのみ使用される。第１のセンサは、第２のセンサからのセンサ情報を用いて再校正される。

このように、同じ種類の２つのセンサが、センサシステムにおいて使用される。一の作動センサは、連続的な感知のための従来的な態様で動作する。他の校正センサは、リアルタイムで内部校正を実行するために間欠的に動作する。周期的な校正は、長期動作における作動センサの信頼性の課題を克服する。校正センサ（及び、関連する任意のプレフィルタ）は、短期間のみ使用され、長期的なサービスの可用性を保証する。同じ種類のセンサを使用することによって、干渉物質からの応答を相殺させ得る。

従って、感知は、少なくとも２つのモード、即ち、感知モード及び校正モードを有する。２つのセンサ間の信号減算を使用して、校正の間、他の物質からの干渉を排除することができる。校正の時間は、全体の感知時間よりも短く、好ましくは非常に短い。感知時間と校正時間との間の比は、例えば、調整可能であってもよい。

以下に説明されるように、診断モードが実行されてもよい。

図１は、流体１における物質を感知するためのセンサシステムの第１の例を示している。流体は、感知される粒子状物質を含む空気ストリームであってもよい。又は、感知は、ターゲット汚染物質の品質を検出及び／又は測定するためのものであってもよい。従って、感知される「物質」は、既知の化学物質、あるいは、化学物質又は任意の粒子状物質（既知又は未知の化学組成であってもよい）のカテゴリを有していてもよい。

システムは、流体１における物質を感知するための第１のセンサ１０と、流体１における物質を感知するための第２のセンサ１２と、を有し、第２のセンサ１２は、第１のセンサ１０と同じタイプのものであり、同じ物質を感知するためのものである。

コントローラ１４は、
校正イベントまで、第１のセンサ１０を用いて流体における物質を感知し、
校正イベントの間は、第２のセンサ１２を用いて流体における物質を感知し、第２のセンサは、第２のセンサの動作のデューティサイクルが第１のセンサの動作のデューティサイクルよりも低くなるように、校正イベントの間にのみ動作され、
第２のセンサからのセンサ情報を用いて第１のセンサを再校正する、ように適合されている。

第１のセンサ１０は、連続的なモニタリング及び／又は測定を提供し得る。第１のセンサ１０からの出力信号のドリフト及び／又は感度の変化は、離散的な校正測定中に第２のセンサによって補償することができる。第１のセンサ１０は、校正イベントの間に動作を停止してもよいし、モニタリングを継続してもよい。

図２の最も単純な実施形態では、図１に示すように、２つの安価なセンサをプレフィルタなしで使用することができる。第１のセンサ１０は、作動センサとして機能し、第２のセンサ１２は、校正センサとして機能する。

空気ストリーム１は、両方のセンサを通過することができ、対象となる環境からの元の空気であってもよいし、そうでなければ、上流側でプレフィルタが使用されてもよい。コントローラ１４は、両方のセンサから信号を取り出し、第１のセンサ１０の較正を実行する。

図１のタイミング図は、センサ１０及び１２の動作に関するタイミングをそれぞれプロット１００及び１２０として表している。殆どの時間では、第２のセンサ１２は、空気ストリームから分離されており、センサ１０が、感知のため、空気ストリームにさらされている。周期的に、第２のセンサ１２がオンにされ、校正のために、空気ストリーム１にさらされる。しばらくすると、センサ１２はオフにされ、次のサイクルまで再び空気ストリームから分離される。第１のセンサ１０は、校正中に非活性化されているように示されているが、動作を継続してもよい。校正は、第１のセンサ１２の物理的構成の修正ではなく信号処理修正であるためである。

２つのセンサ１０，１２から受信した信号間の差は、第１のセンサのベースライン調整のために使用され得る。ベースライン調整は、ゼロポイントを調整することを有する。しかしながら、感度は、再校正されてもよく、センサを動作させる際に用いられるソフトウェアの校正係数を変更することによって実施することができる。

図２は、図１のセンサシステムをもしいる方法を示している。ステップ１６において、センサ１０は、校正イベントまで、流体１（例えば、空気ストリーム）における物質を感知するために使用される。校正イベントの間、ステップ１８において、感知は、第２のセンサ１２により行なわれる。第２のセンサは、第２のセンサの動作のデューティサイクルが第１のセンサの動作のデューティサイクルよりも低くなるように、校正イベント中、即ちステップ１８においてのみ動作される。ステップ１９は、第１のセンサの校正である。

２つのセンサは、同じセンシング方法を使用する。様々な可能なタイプのセンサがあるが、非限定的なリストでは、
機械的センサ、
光学センサ、
電気化学的センサ又はＭＯＸセンサなどの化学センサ、
静電センサ、
熱挙動における差異を検出することに基づくセンサ、
フレームイオン化検出器、などがある。

２つのセンサは、同じ物質（例えば、同じ化学種又は同じ粒度範囲）を検出するようにも構成されている。第１及び第２のセンサは同一であってもよいが、出力信号がターゲット及び汚染物質に同じように応答するように、これらのセンサは、スケーリングされた同等物であってもよい。

校正イベントは、単純に、周期的に実行されてもよい。校正イベント間の長い遅延は、校正センサの寿命を長くするが、校正イベント間の信号ドリフトがより大きくなる。校正の頻度は、例えば、ユーザによって設定されてもよい。

代わりに、校正イベントのタイミングは、いつ校正が必要とされるかを示す情報に基づいて制御されてもよい。第１のセンサの感知履歴は、例えば、校正がいつ実行されるべきかを決定するために使用されてもよい。

図３は、第１のセンサ１０がプレフィルタ２０を持ち、第２のセンサ１２がプレフィルタ２２を持つ、第２の実施形態を示している。プレフィルタは、既知の予期される汚染物質を除去するために、又は、定義された範囲内のセンサに達する粒度範囲を制限するために使用される。

第１のプレフィルタ２０からの出力は、プレフィルタリングされた空気をセンサ１０，１２のいずれか１つに供給することができる第１のバルブ２４に供給される。第２のプレフィルタ２２からの出力は、第２のセンサ１２に通過するプレフィルタリングされた空気を通過させるか又は遮断することができる第２のバルブ２６に供給される。

バルブ校正は、プレフィルタ及び作動センサ１０の性能の劣化のオンライン診断を可能にする。診断機能に関し、３つの連続するデータが使用される：
（ｉ）作動空気に対する作動センサ１０の応答信号
（ｉｉ）作動空気に対する校正センサ１２の応答信号
（ｉｉｉ）校正空気（即ち、フィルタ２２からの空気）に対する校正センサ１２の応答信号

プレフィルタ２０が故障した場合、プレフィルタ２０からの作動空気は、望ましくない汚染物質を含むことがある。プレフィルタ２２からの校正空気は、プレフィルタ２２が使用される低いデューティサイクルの結果として汚染物質がないものと仮定される。

図４は、上記方法を示している。

ステップ３０において、作動センサ１０は、第１のプレフィルタ２０からの空気を感知するために使用される。

ステップ３２において、校正センサ１２は、第１のプレフィルタ２０からの空気を感知するために使用される。ステップ３４において、校正センサ１２は、第２のプレフィルタ２２からの空気を感知するために使用される。ステップ３２及び３４は、一緒に考えて、校正イベントの一部を構成することができ、ステップ３０の持続時間は、ステップ３２及び３４の持続時間よりも長くなる。

ステップ３２の信号が最初にステップ３４の信号と大きく異なる場合には、２つのプレフィルタによってフィルタリングされた空気流に対するセンサ応答が非常に異なるため、プレフィルタ２０が使い果たされていることを意味する。

ステップ３０及び３２からの信号の差は、２つのセンサが同じ空気供給に対して異なる応答を有するので、センサ１０の劣化又はベースラインシフトを示す。

プレフィルタ２０が変更される前に、フィルタ状態に関して収集された情報を使用して、第１のセンサ１０からのデータの解釈を変更することができる。従って、最終処理ステップ３６において、システムは、フィルタ２０をいつ変更する必要があるかを判定し、同じ刺激に対する異なるセンサ応答に基づいてベースライン補正を実行することができ、フィルタ性能に基づいて信号処理に対する直線性及び安定性調整を行なうことができる。作動センサの直線性は、例えば、２つのセンサのトレンドラインを相関させることによって再校正することができる。

各センサによって生成された信号は、汚染物質濃度に依存する値が加えられる汚染物質（ベースライン）が存在しない場合に生成される値を有する。最も単純な補正は、２つのセンサのベースラインが変更されていないという前提に基づいている。その後、（センサ信号が乗算される）校正係数を変更することによって、信号のあらゆる変化を補正することができる。これは、一般に、完全な校正動作としては不十分であり、この場合、以下で説明される、より完全な校正動作を使用することができる。

流体（即ち、空気）が流れない状態で操作されたときに、汚染物質情報を含まない信号を生成する多くのタイプのセンサがある。これは、ベースライン信号を与える。これは、上記の全てのセンサ原理に適用される。このようなセンサの場合、ベースラインの差異は、例えば、センサを動作させるために使用されるソフトウェアにおいて、容易に検出及び補正される。

汚染された空気においてセンサを動作させる場合、センサによって生成された信号を用いて、ベースラインではなく感度の差を同様の方法で検出し補正することができる。光散乱に基づく光センサの場合、光源の強度は、光源の動作原理に固有の範囲内で調整することもできる。あるいは、動作原理に固有の範囲内で、光検出器に印加される電圧を調整することもできる。光吸収に基づくセンサの場合にも、同様の手段を講ずることができる。

１つのベースライン校正方法が、上記で説明されている。さらに幾つかの可能な校正ステップが、以下説明される。

図５は、新しいセンサ（プロット０Ｍ）、１か月使用したセンサ（プロット１Ｍ）、及び、３か月使用したセンサ（プロット３Ｍ）について、（濃度対記録信号としての）リニアセンサ応答がどのように変化し得るかを示す。勾配の変化は、感度の例示であり、信号がないゼロ点も変化する。

センサ応答のこれらの特性の両方は、経時的に再校正されるべきである。センサが劣化するにつれて、非常に高い濃度でのみ良好な信号を得ることが可能である。そのような場合、幾つかの光センサについては、感度の損失を補償するために、センサの動作条件を制御すること（例えば、光源のパワーを増加させること）も可能である。

図６は、他のベースライン校正手法を図示するために用いられる。３つの信号測定がなされる。信号Ａは、関心のあるターゲット物質を除去するために機能するフィルタ２２によってフィルタリングされた入力に対する校正センサ１２の応答である。信号Ｂは、プレフィルタリングされていない入力に対する校正センサ１２の応答である。信号Ｃは、プレフィルタリングされておらず、関心のあるターゲット物質を含む入力に対する作動センサ１０の応答である。

クリーンな校正センサ信号Ａは、ゼロ点ベースライン信号として使用することができ、従って、作動センサ信号Ｃを解釈するために使用することができる。この手法では、ベースラインが校正センサを使用して取得され、それが作動センサにも適用されると仮定されるので、２つのセンサが同様のベースライン値を有すると仮定する。信号Ｂ及び信号Ｃは、上述した校正プロセスに使用される通常の作動センサ信号及び校正センサ信号である。

ゼロ点および感度校正について、第１のアプローチが、図７を参照して説明される。

複数（例えば、３又は５）の校正ポイントが、異なる汚染レベルで取られる。プロット１００は、作動センサ信号であり、プロット１２０は、校正センサ信号である。異なる汚染物質レベルの要件は、一般に、日常生活において満たされる。これにより、プロット３７に示されるように、センサ応答曲線を最良適合線として形成することができる。これは、再びになるが、記録信号に対する濃度を示している。上記線の正しいゼロ点及び傾きが計算されることができ、これらは、後に、他の測定結果を計算するために使用される。校正において非常に貧弱な直線性が見出された場合、それは、作動センサが寿命の終わりにあることを意味する。

これは、リニアセンサ応答を前提としている。

原則的に使用されるセンサの種類が、異なる汚染物質濃度に対する非線形応答を有する場合、代替的な手法が、図８を参照して説明される。

プロット３８に示されるように、２つのセンサ間の相関関係が最初に検出される。これは、作動センサ信号Ｗを校正センサ信号Ｃに対してプロットしている。プロット３９として示されている作動センサ機能は、補間によって得られ、作動センサ応答は、静的であると仮定される校正センサ応答の変換されたバージョンとして計算される。プロット３９は、再びになるが、記録信号に対する濃度である。

２つのセンサ間に貧弱な直線性が見出された場合は、作動センサの寿命が終わったことを意味する。

例えば、上述のように検出された第１のセンサ１０の寿命の終わりに、第２のセンサ１２を代わりに使用することができ、新しい校正センサが取り付けられることができる。このようにして、校正センサは、常にその寿命の始まりの近くにある。

図１の最も単純な実装は、空気経路を交換するために弁を使用しないことであることに留意する。その場合、診断は、同じ吸入空気供給の各センサによるものである２つの測定にのみ基づいている。

上述のように、本発明は、異なるタイプのセンサに適用され得る。

一例は、例えば、汚染物質の粒子濃度を測定するための質量センサである。共振装置を用いた直接的な質量測定は、既知の技術である。図９に示されるように、それは、共振周波数（ｆ_０）と共振器の質量との間の関係に基づいている。

図９では、質量ｍ及びばね定数ｋを有する共振器質量４０が概略的に表されている。グラフは、周波数（ｘ軸）の関数として、（ｙ軸上の）共振振動の振幅を示している。プロット４２は、基本共振器質量に対するものである。追加の質量４４（Δｍ）が加えられると、振動曲線は、周波数シフトΔｆで周波数がプロット４６にシフトする。

共振振動を支配する方程式は、以下のとおりである。

等式（１）は、基本共振周波数と共振器特性との間の関係を示している。等式（２）は、質量変化によって引き起こされる周波数変化を示している。等式（３）は、検出され得る最小質量（Δｍ_ｍｉｎ）を示している。最小値は、共振器の機械的品質係数Ｑに依存する。

文献には、エアロゾル汚染モニタリングのための共振ベースの質量感知の幾つかの例がある。例えば、個人露出モニタリングのためのピコグラムレベルの質量分解能を有するマイクロマシニングされたシリコンカンチレバーデバイスの使用が提案されている。フィルタは、大きな粒子を除去するために使用することができ、静電サンプラは、カンチレバー上にナノ粒子を堆積させるために供給され得る。

経験則として、共振周波数の変化を監視することによって動作する機械的センサは、追加される質量が最初の共振器質量に比べて小さい範囲で動作する。しかしながら、センサの寿命中の連続的な質量蓄積を避けることはできない。この問題は、累積質量の機械的及び／又は化学的洗浄が不可能であるＭＥＭＳスケール装置では、少なくとも消費者用途にとってはより顕著である。従って、ＭＥＭＳセンサの寿命は、初期質量及び測定サイクルあたりのおおよその質量堆積を考慮することによって概算することができる。

空気清浄機の消費者レベルの用途向けに、（ＰＭ２．５用の）光感知技術も提案されている。消費者レベル用途のための主な技術は、浮遊粒子による空気中の光散乱（例えば、比濁法）に基づいている。センサ精度は、光路の品質に依存し、例えば、汚染物質粒子の存在及び位置に依存する。比濁計は、光源と光検出器とを用いる。この方法は、本質的に、空気中の浮遊粒子（又は、他のキャリアガス）による散乱光強度の測定に基づいている。

光センサ測定は、他の要因に加えて、散乱光に基づいている。従って、この種類のセンサの性能は、散乱光の強度に依存する。時間の経過と共に、光センサ（例えば、ＬＥＤ）によって使用される光源の輝度が低下し、これがセンサのドリフトを引き起こす。屋内エアロゾル、特に、システムの様々な光学部品（レンズ、ＬＥＤ表面など）の上に層を形成することがある油性エアロゾルに対してより顕著である汚染に関する問題もある。この結果、光強度が減少し、誤った測定が行なわれる。

システムによって可能にされた校正は、長期的なセンサ信号のドリフト又は非線形性に関する問題に対処する。本発明は、上述した光学的又は機械的センサに適用することができるが、化学センサ（例えば、電気化学センサ）、静電センサ、熱挙動の差異を検出するセンサ、又は、フレームイオン化検出器にも適用することができる。

作動センサと同じ速度で校正センサの老化を避けるため、校正センサは、使用していないときは汚染物質にさらされるべきではない。分析される流体の供給は、荷電粒子の場合には、接地された又は反対にバイアスされた共振器上で、静電又は電気泳動沈殿によって制御され得る。あるいは、センサと対向面との間に温度差を生じさせることを含む熱泳動沈殿が使用されてもよい。また、サンプリングされる流体量を送達するためのファン又はポンプが使用されてもよい。

センサシステムは、空気中の汚染物質の量又は濃度を測定するため、あるいは、空気などの流体中のターゲット物質を検出するためのものであってもよい。

デューティサイクルは、０．１以下であってもよく、即ち、校正センサは、作動センサセンサが使用される時間の１０％以下で使用される。また、これは、満了した作動センサを交換し、新しい校正センサと交換する場合、校正センサがその寿命の始めの１０％に常にあることを意味する。

校正は、毎日、毎週、あるいは、数週間又は数ヶ月などのより長い期間の後にのみ実施されてもよい。従って、デューティサイクルは、極端に低くなり得るので、校正センサは非常に短時間しか動作しない。

関心のあるアプリケーションは、空気清浄機、スタンドアロン型粒子センサユニット、個人被爆モニタリングデバイス、車室粒子測定センサ、屋外用粒子センサ（スタンドアロンセンサユニットとして、又は、都市管理用ランプポスト用センサなど）、換気ユニット、建物の環境管理システムの様々な部分、並びに、一般に、共振周波数の変化を検出することによって動作する様々なタイプの機械的センサを含む。また、呼吸サポート及び薬物送達用途における医療用途がある。

上記システムは、コントローラを利用する。コントローラのために採用され得るコンポーネントは、従来のマイクロフォン、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣｓ）、及び、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ：Field-Programmable Gate Array）を含むが、これらに限定されない。

様々な実施形態において、プロセッサ又はコントローラは、ＲＡＭ、ＰＲＯＭ、ＥＰＲＯＭ、及び、ＥＥＰＲＯＭなどの揮発性及び不揮発性のコンピュータメモリなどの、１又は複数のストレージ媒体と関連付けられていてもよい。ストレージ媒体は、１又は複数のプロセッサ及び／又はコントローラ上で実行された場合に、必要な機能を実行する１又は複数のプログラムで符号化されていてもよい。様々なストレージ媒体は、プロセッサ又はコントローラの内部に固定されていてもよく、又は、記録された１又は複数のプログラムが、ここで議論される本発明の様々な態様を実施できるように、プロセッサ又はコントローラの中に読み込まれることができるように、移送可能であってもよい。

本発明を実施する際、図面、開示、及び、添付の請求項の研究から、開示の実施形態に対する他の変形が、当該技術分野における当業者によって、理解及び実施され得る。請求項中、「有する」なる用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形は、複数であることを除外しない。特定の手段が相互に異なる従属項において言及されているという単なる事実は、これらの手段の組み合わせが好適に用いられないということを示すものではない。請求項中の任意の参照符号は、本発明の範囲を限定するものとして解釈されるべきではない。

Claims (13)

1. フィルタの状態を決定するためのセンサシステムであって、
   流体における物質を感知するための第１のセンサと、
   前記流体における前記物質を感知するための第２のセンサであって、前記第１のセンサと同じタイプであるとともに同じ物質を感知する前記第２のセンサと、
   校正イベントまで、前記流体における前記物質を感知するように前記第１のセンサを制御し、前記校正イベントの間は、前記流体における前記物質を感知するように前記第２のセンサを制御し、前記第２のセンサは、前記校正イベントの間にのみ動作され、前記第２のセンサからのセンサ情報を用いて前記第１のセンサを校正する、ように構成されたコントローラと、
   前記第１のセンサに結合される第１のフィルタ、及び、前記第２のセンサに結合される第２のフィルタと、
   を有し、
   前記センサシステムは、前記第１及び第２のフィルタによってフィルタリングされた流体を前記第１のセンサと前記第２のセンサとの一方に順番に送るとともに、前記第１のフィルタの状態を前記第１のセンサからの信号と第２のセンサからの信号との差に基づいて決定するように構成される、センサシステム。
2. 前記センサシステムが、流体におけるターゲット物質の存在及び／又は量を感知するように構成される、請求項１記載のセンサシステム。
3. 前記センサシステムが、空気中の汚染量又は汚染濃度を感知するように構成される、請求項２記載のセンサシステム。
4. 前記第１のセンサと前記第２のセンサとの各々が、機械的センサを有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサシステム。
5. 前記機械的センサが、センサ素子と、前記センサ素子を共振させるとともに前記センサ素子の共振周波数を検出するように構成されるトランスデューサと、をそれぞれ有し、前記共振周波数が、前記センサ素子上に堆積する粒子の質量に依存する、請求項４記載のセンサシステム。
6. 前記第１のセンサと前記第２のセンサとが、光散乱光学センサをそれぞれ有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサシステム。
7. 前記第１のセンサと前記第２のセンサとが、ガスセンサ、又は、電気化学的センサ、又は、ＭＯＸベースガスセンサをそれぞれ有する、請求項１乃至３のいずれか１項に記載のセンサシステム。
8. 監視される流体を使用される前記センサの方に向かわせるためのサンプル吸入口を更に有する、請求項１乃至７のいずれか１項に記載のセンサシステム。
9. 前記第１のセンサと前記第２のセンサとが、粒子センサであり、前記第１のフィルタが、前記第１のセンサに供給するための空気から粒子サイズの範囲を選択するためのものであり、前記第２のフィルタが、前記第２のセンサに供給するための空気から粒子サイズの範囲を選択するためのものである、請求項１記載のセンサシステム。
10. 前記第１及び第２のフィルタによってフィルタリングされた流体を前記第１及び第２のセンサの選択された１つに対して選択的に送るためのバルブ構成を更に有する、請求項１又は９に記載のセンサシステム。
11. 請求項１乃至１０のいずれか１項に記載のセンサシステムを有する、空気処理装置。
12. フィルタの状態を決定するためのセンサ方法であって、
    校正イベントまで第１のセンサを用いて流体における物質を感知するステップと、
    前記校正イベントの間は、第２のセンサを用いて前記物質を感知するステップであって、前記第２のセンサは、前記第１のセンサと同じタイプであるとともに同じ物質を感知し、前記校正イベントの間にのみ動作される、前記ステップと、
    前記第２のセンサからのセンサ情報を用いて前記第１のセンサを校正するステップと、
    第１のフィルタを用いて前記第１のセンサに供給される前に前記流体をフィルタリングするとともに、第２のフィルタを用いて前記第２のセンサに供給される前に前記流体をフィルタリングするステップと、
    前記第１及び第２のフィルタによってフィルタリングされた流体を前記第１のセンサと前記第２のセンサとの一方に順番に送るとともに、前記第１のフィルタの状態を前記第１のセンサからの信号と前記第２のセンサからの信号との間の差に基づいて決定することによって、前記第１のフィルタの試験を実行するステップと、
    を有する、センサ方法。
13. 前記第１のセンサ及び前記第２のセンサが、
    機械的センサ、光学センサ、熱センサ、音響センサ、静電センサ、又は、電磁センサなどの物理的センサ、あるいは、
    電気化学的センサ又はＭＯＸセンサなどの化学センサ、あるいは、
    フレームイオン化検出器などのハイブリッドセンサ、
    をそれぞれ有する、請求項１２記載の方法。

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