JPH01292242A - ガス検出方法及びその装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［発明の利用分野］ この発明は、可燃性ガスや毒性ガス、酸素、水蒸気等の
ガスの検出に関する。

［用語法］ この明細書では、センサ出力が検出対象ガスにより増加
するものとして示す、しかしセンサの種類によっては、
これと逆の結果となる場合も有る。

［従来技術］ 過去のガスセンサ出力を基に、ガスの検出閾値を定め、
この閾値を用いてガスを検出するようにした技術は周知
である０例えば米国特許４４３７．３９１号公報は、セ
ンサ出力の最小値を基準に検出閾値を定めることを開示
している。また米国特許４３５２　。

３２１号公報は、１分間隔でランダムにセンサ出力をサ
ンプリングし、この値を基に検出閾値を定めている。

過去のガスセンサ出力を基に検出閾値を定めると、検出
閾値は自動的に決定される。従って、センサ毎に検出閾
値を決定する作業が不要となる。

またセンサの出力が経時変動等により変化すれば、検出
閾値もそれに追随して自動的に変化する。このため、経
時変動等の影響を自動的に除去できる。

問題は検出閾値の意味に有る０例えばセンサの出力が雰
囲気の汚染により増加し、浄化により減少するとする。

ここで出力の最小値に着目するのは、最も清浄な雰囲気
に対する出力を用いて検出閾値を定めるためである。し
かしセンサの出力は、風によるセンサの一時的冷却、電
源電圧の変動、周囲の温湿度の変動等の、影響も受ける
。そこで単純に最小値に着目すると、非現実的な検出閾
値が得られる可能性が有る。また最小値のサンプリング
後長時間経過すると、周囲の温湿度等の変化に伴い、検
出閾値も変更しなければならないはずである。しかし単
純に最小値に着目するのみでは、検出閾値を修正する余
地がない０例えば最小値のサンプリング後、徐々にセン
サ出力が増加した場合、雰囲気の汚染が徐々に進行した
のか、周囲の温湿度が増しただけなのかを区別できない
。

次に、１分毎にセンサ出力をサンプリングして検出閾値
を定めると、定めた検出閾値の意味は全く曖昧である０
例えば汚染雰囲気でのセンサ出力を基に検出閾値を定め
ても、これを検出できない。

また１分以上前のセンサ出力を、検出閾値に反映させる
ことができない。

これらの問題が生じるのは、過去のセンサ出力の挙動全
体ではなく、−点でのセンサ出力から検出閾値を定める
ためである。

［発明の課題］ この発明の課題は、過去のセンサ出力の挙動全体を基に
検出閾値を定めることと、センサ出力の偶発的変化が検
出閾値に影響することを防止することとに有る。

［発明の構成］ この発明は、過去のガスセンサ出力を基にガスの検出閾
値を定め、ガスセンサ出力とこの検出閾値との比較から
ガスを検出するようにした方法において、過去のガスセ
ンサ出力のヒストグラムから、前記の検出閾値を定める
ようにしたことを特徴とする。

ヒストグラムから検出閾値への変換には、例えばヒスト
グラムの最大頻度に対応するセンサ出力。

ヒストグラムのメジアンに対応するセンサ出力、あるい
はヒストグラムから求めたセンサ出力の平均値等を用い
る。そして例えば、これらのものを適当な割合で増加さ
せたものを検出閾値とする。

検出閾値を求めるには、ヒストグラムの最大頻度に着目
するのが好ましい、センサの出力が偶発的な理由により
変動しても、この点に対するセンサ出力は変動しない、
また最大頻度に着目するのは、ヒストグラムのメジアン
や平均値に着目するのよりも優れている。センサが汚染
された環境に置かれている場合、メジアンやヒストグラ
ムから求めたセンサ出力の平均値は、雰囲気の汚染の影
響を受ける。しかしヒストグラムの最大頻度に対応する
センサ出力は、汚染の影響を余り受けない。

何故なら雰囲気が常時一定濃度に汚染されていることは
希で、ヒストグラムには清浄雰囲気に対するピークと汚
染雰囲気に対するピークの２つが生じるからである。そ
して汚染雰囲気に対するピークはブロードで清浄雰囲気
に対するピークの裾に隠れてしまう、このため最大頻度
に着目して検出閾値を定めると、バックグラウンドの汚
染の影響を小さくすることができる。

次にヒストグラムの幅は、雰囲気の変動の程度に対応す
る１例えばバックグラウンド自体が汚染されている環境
では、バックグラウンドでのガス濃度の変動により、ヒ
ストグラムの分布幅が拡大する。そこでこれを用いて検
出閾値を修正することが好ましい１例えばヒストグラム
の最大頻度から検出閾値を定めると共に、ヒストグラム
の分布幅に応じて検出閾値を減少させれば良い。

ヒストグラムは過去のセンサ出力の挙動全体に対応した
ものである。これに対して、過去のセンサ出力の平均値
等を用いると、平均値以外の情報は失われてしまう、ま
たヒストグラムの場合、作成に必要なメモリーは小さく
、制御回路への負担が小さい。

この発明に用いる装置としては、例えばセンサ出力をＡ
／Ｄ変換するためのＡ／Ｄコンバータ、Ａ／Ｄ変換した
出力を用いてヒストグラムを作成する手段、ヒストグラ
ムから検出閾値を設定する手段、設定した検出閾値とセ
ンサ出力とを比較し、ガスを検出する手段を設ければ良
い。

［実施例］ 第１図〜第３図に最初の実施例を示す、第１図において
、２は適宜の電源でその出力Ｖｃｃを装置全体の電源と
する。４はガスセンサで、ここではＳｎＯ，系金属酸化
物半導体６を、ヒータ８で加熱するようにしたものを用
いる。金属酸化物半導体６の抵抗値は、雰囲気中の可燃
性ガス濃度や７酸化炭素等の毒性ガス濃度、あるいは水
蒸気濃度等により減少する。また金属酸化物半導体６の
抵抗値は、雰囲気中の酸素濃度やＮＯｘ濃度、オゾン濃
度により増加する。そこでガスセンサ６を用い、これら
のガスを検出する。１０はガスセンサ４の負荷抵抗で、
これに加わる電圧Ｖをセンサ出力とする。

ガスセンサ４の種類や材料、構造等は任意である１例え
ば、アンチモン酸等のプロトン導電体ガスセンサを用い
、水素や一酸化炭素、水蒸気等を検出しても良い、また
接触酸化触媒により可燃性ガスを燃焼させ、その燃焼熱
をｐｔコイル等の測温抵抗体で検出するようにした接触
燃焼式ガスセンサを用いても良い、この場合、メタンや
水素、プロパン等の可燃性ガスや、−酸化炭素等の毒性
ガスが検出対象となる。勿論ガスセンサには、ＺｒＯ２
等の酸素センサ、あるいは定電位電解法センサ等を用い
ても良い。

１２は、信号処理用のマイクロコンピュータである。１
４はセンサ出力ＶをＡ／Ｄ変換するためのＡ／Ｄコンバ
ータ、１６は演算ユニット、１８はクロック信号発生回
路、２０は動作プログラムを収容したＲＯＭである。２
２はＲＡＭで、例えばヒストグラムをサンプリングする
ための間隔を定めるタイマと、ヒストグラムの多値Ｄ（
ｖ）を収容したメモリー等を設ける。ヒストグラムは、
例えばセンサ出力ＶをΔＶの間隔で分類し、各センサ出
力毎の頻度をＤ　（ｖ）としたものを用いる。

ヒストグラムの作成に要するメモリーは比較的小さい８
例えば過去１００点の信号を記憶する場合を考える。信
号を１０種に分類し、頻度の最大値を３１とする。必要
なメモリーは、１０×５の５０ビツトである。これに対
して１００点の信号をそのまま記憶すると、各信号の記
憶精度を１０％として、１００ｘ３　（１０％の精度に
対応して３ビツトの信号を使用）の３００ビツトのメモ
リーが必要となる。

ＲＡＭ２２にはまた、ヒストグラムの最大頻度を示すセ
ンサ出力Ｍ、Ｍを定数に倍した検出閾値Ｊ、更にガスの
検出信号、等を記憶させる。なお定数には可変とし、外
部からスイッチ２４により入力し得るようにする。また
最大頻度に対応した出力Ｍから、閾値Ｊへの変換方法は
任意で、例えばＭに定数を加算して閾値Ｊとしても良い
、ＲＡＭ２２にはガスの検出信号等のフラグ信号をも記
憶させる。ガス検出信号により、空調装置やガス漏れ警
報器のブザー等の外部負荷２６を制御する。

第２図に移り、装置の動作を説明する。電源２を投入す
ると、例えば２分間待機し、ガスセンサ４を安定化させ
る。最初の時点ではヒストグラムは空白で、Ｄ　（ｖ）
は全て０である。そこで暫定的に、最初のセンサ出力Ｖ
に対応した点での頻度Ｄ　（ｖ）をｎとし、他の点での
頻度をＯとして、ヒストグラムの初期分布を形成させる
。ヒストグラムの初期分布は、例えばＶに対応した頻度
をｎ、その両側の頻度をｎ　／　２、更にその両側の頻
度を３／ｎ等としたもの等でも良い、あるいはまた、電
源投入後の適当な時間の間、ガスの検出を行わず、ヒス
トダラムの作成のみを行い、ヒストグラムの初期分布を
形成させるようにしても良い、ヒストグラムの初期分布
は任意である。

次に、センサ出力Ｖを読み取り、■に対応した頻度Ｄ　
（ｖ）に１を加算する。そして最大頻度に対応したセン
サ出力Ｖを、基準値Ｍとして取り出す。

即ち、頻度Ｄ（ｖ）の最大値をＬとし、最大値りでのセ
ンサ出力ＶをＭとする。この基準値Ｍを定数に倍したも
のを、検出閾値Ｊとする。ここでは最大頻度に着目した
が、これは分布のメジアンや、分布から求めたセンサ出
力の平均値等に変えても良い、また次のような変形も可
能である。ヒストグラムでの、センサ出力の高い側の裾
に着目する。

この裾を適当な位置で切り、これ以上の出力でガスが発
生しているものとする。このためには、ヒストグラムか
ら発現頻度が所定の値以下となるセンサ出力を求め、こ
の出力を検出閾値とする。なお基準値Ｍから検出閾値Ｊ
への換算には、例えばＭに所定の値を加算したものを検
出閾値Ｊとするようにしても良い。

メモリーの飽和を防止するため、次の処理を行う０．頻
度Ｄ　（ｖ）を収容するためのメモリーの最大値をＳと
する。頻度の最大値りがＳ−１に達すると、メモリーの
飽和防止処置を行う、即ち各頻度Ｄ　（ｖ）の値を一律
にｍ倍（ｍ＜１）Ｌ、メモリーの飽和を防止する。なお
この処理は一律にｍ倍する必要が有るのではなく、頻度
Ｄ　（ｖ）の値から定数だけ引き算する等の処理でも良
い。

これらの作業により、ヒストグラムの形成と、メモリー
の飽和の防止とを行う。

ヒストグラムの作成のためのサンプリングは、例えば所
定の時間間隔で行うものとし、そのためにタイマを利用
する。即ちタイマで定める時間の経過毎に、センサ出力
Ｖをサンプリングし、ヒストグラムに加える。なお用い
るサンプリング点の数とサンプリング間隔との積は、ヒ
ストグラムで考慮する過去のセンサ出力の時間的範囲を
意味する。この時間は例えば次のように定める。ガス漏
れの検出の場合、この時間を１日〜３カ月程度とし、自
動車の外気導入制御の場合１０分〜４時間程度とする。

また居室の空調制御の場合３０分〜１２時間程度とする
。更に室内湿度の制御の場合、例えば１時間〜４８時間
程度とする。ガス漏れの検出の場合、季節の変化毎にヒ
ストグラムの内容も修正されるようにし、かつ長時間か
けてヒストグラムを作成し、信頼し得る検出閾値を得ら
れるようにする。自動車の外気導入制御の場合、バック
グラウンドの雰囲気の変化毎に、ヒストグラムの内容を
更新し得るようにする０例えば市街地走行と郊外走行と
では、バックグラウンドに含まれる汚染ガスの濃度が異
なる。そこで市街地走行と郊外走行とで検出閾値が変化
するように、ヒストグラムの作成時間を定める。室内の
空調の場合、１日の労働時間以下の範囲で、ヒストグラ
ムの作成時間を定める。

そして各時点でのセンサ出力Ｖと検出閾値Ｊとを比較し
、例えばＶが５以上でガスが生じたものとする。

第３図により、装置の動作を具体的に示す、今仮に、空
調制御のためにこの装置を用いているものとする。そし
てセンサ出力Ｖがら雰囲気の汚染を検出し、換気等の処
理を施すものとする。基準値Ｍの意味は、清浄空気に対
するセンサ出力である。そして最大頻度に対応したセン
サ出力Ｍを用いることにより、清浄空気に対応したセン
サ出力が得られる。ここでセンサ出力の最小値は、−見
清浄空気に対応しているように見える。しかし最小値は
、−時的なセンサ出力の低下を反映し、雰囲気の浄化と
は無関係な場合が多い１例えば、風によりセンサ４が一
時的に冷却されると、あるいは電源電圧の変動により一
時的にセンサ出力が低下すると、これを最小値としてサ
ンプリングしてしまう場合が多い。

更に次のことを考慮する必要が有る。雰囲気が汚染して
いる場合、汚染ガスの濃度が一定であることは希で有る
。そこで長時間センサ出力のヒストグラムを取ると、清
浄空気に対するヒストグラムと汚染雰囲気に対するヒス
トグラムの重ね合わせが得られる。汚染雰囲気に対する
ヒストグラムは幅が広く、ヒストグラムの最大頻度には
余り影饗しないにれに対してセンサ出力の平均値やメジ
アンは、周囲の汚染によって変動してしまう。

そこで最大頻度に着目することにより、清浄雰囲気に最
も近い雰囲気に対するセンサ出力をサンプリングできる
。このようにして清浄空気に対するセンサ出力を基準値
Ｍとしてサンプリングし、これから検出閾値Ｊを定める
のである。そして検出閾値Ｊとセンサ出力との比較から
、雰囲気の汚染を検出し、換気扇等の負荷２６を駆動す
るのである。

次にガス漏れの検出の例を考える。ガス漏れ警報器の場
合、ガス漏れに対応したセンサ出力を出荷前に測定し、
センナ出力がこの値を越えるとガス漏れと判断するよう
に警報器を調整しておくのが普通である。しかしこの調
整作業はかなりの熟練を要する。またセンサ４の使用条
件が不適切であると、あるいはセンサ４が経時変化する
と、ガス漏れ検出の信頼性が失われてしまう、勿論、前
記の警報器の調整が不適切でも同様である。しかしこの
ような場合でも、清浄空気中とガス漏れ時とでは、セン
サ出力は大きく異なる。そこでヒストグラムから清浄空
気中に対するセンサ出力をサンプリングして、経時変化
等の影響を補うフェイルセイフ出力を用意するのである
。

有機溶剤の使用等のガス漏れとは無関係な原因でも、セ
ンサ出力は増加する。そこで例えば１日〜３カ月程度の
期間を用いてヒストグラムを作成すれば、このような偶
発的なセンサ出力の増加の影響を打ち消し、清浄空気に
対応した出力をサンプリングできる。ここでヒストグラ
ムの最大頻度に着目すると、より正確に清浄空気に対応
した出力をサンプリングできる。センサ４の出力は、周
囲の温湿度の低下等により、−時的に著しく低下するこ
とが有る。しかし長時間かけてヒストグラムを作成すれ
ば、偶発的なセンサ出力の低下の影響を打ち消すことが
できる。

また湿度制御の場合、最大頻度等を用いてヒストグラム
から求めた検出閾値を中心に、湿度のフィードバック制
御を施せば良い。

第４図、第５図により、ヒストグラムの分布幅を用いて
、検出閾値を修正するようにした実施例を示す、第４図
の実線の分布に清浄雰囲気でのセンサ出力のヒストグラ
ムを、第５図の破線の分布に汚染雰囲気でのヒストグラ
ムを示す。これらのヒストグラムは模式的なものである
。汚染雰囲気での特徴は、ヒストグラムの分布幅が広が
ることである。これは常時一定の濃度で雰囲気が汚染さ
れることは少なく、汚染濃度の変動によりヒストグラム
が広がるためである。

そこでヒストグラムの分布幅により、最大頻度等から求
めた検出閾値を修正すれば、より正確な検出閾値が得ら
れることになる。このような動作アルゴリズムを、第５
図に示す、即ちヒストグラムでの総点数Ｔを計算し、頻
度Ｄ　（ｖ）がＴ／Ｕ（Ｕは定数）以上でＰ（ｖ）を１
、Ｔ／Ｕ未満でＰ（ｖ）を０とする。Ｐ（ｖ）の和Ｗは
、はぼヒストグラムの分布幅に対応する。そこでＰ（ｖ
）の和Ｗを定数χ倍して、最大頻度Ｍから求めた値に−
Ｍから引き算し、検出閾値Ｊを定めるのである。このよ
うにすれば、バックグラウンドの汚染による検出閾値の
増加を補償することができる。

［発明の効果コ この発明では、センサ出力のヒストグラムを用い、過去
のセンサ出力全体を反映した検出閾値を定める。このた
めセンサ出力が偶発的に変動しても、検出閾値への影響
が小さい。

またヒストグラムの最大頻度を利用すると、清浄雰囲気
に対応したセンサ出力のサンプリングが容易である。

更にヒストグラムの分布幅は、雰囲気の変動の程度、あ
るいはバックグラウンドの汚染の程度を反映する。そこ
でヒストグラムの分布幅で検出閾値を修正すれば、より
正確に検出閾値を設定できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は最初の実施例の回路図、第２図はその動作アル
ゴリズムを示すフローチャート、第３図はその特性図で
ある。 第４図は第２の実施例の特性図、第５図はその動作アル
ゴリズムを示すフローチャートである。 第１図

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. （１）過去のガスセンサ出力を利用してガスの検出閾値
   を定め、ガスセンサ出力とこの検出閾値との比較からガ
   スを検出するようにした方法において、過去のガスセン
   サ出力のヒストグラムから、前記の検出閾値を定めるよ
   うにしたことを特徴とする、ガス検出方法。
2. （２）前記のヒストグラムでの最大頻度を示すガスセン
   サ出力を基に、検出閾値を定めるようにしたことを特徴
   とする、請求項１に記載のガス検出方法。
3. （３）前記のヒストグラムでの少なくとも一点のガスセ
   ンサ出力と、ヒストグラムの分布の幅とにより、検出閾
   値を定めるようにしたことを特徴とする、請求項１に記
   載のガス検出方法。
4. （４）ガスセンサと、 ガスセンサの出力をＡ／Ｄ変換するための手段Ａ／Ｄ変
   換したガスセンサ出力を基に、ガスの検出閾値を定める
   ための手段と、 この検出閾値とガスセンサ出力とを比較し、ガスを検出
   するための手段とを設けた、ガス検出装置において、 Ａ／Ｄ変換したガスセンサ出力を基に、ガスセンサ出力
   のヒストグラムを作成する手段を設けると共に、 作成したヒストグラムに基づいて、前記の検出閾値を定
   める手段とを設けたことを特徴とする、ガス検出装置。