JP3199293B2 - Gas detector - Google Patents
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Description
【0001】[0001]
【従来の技術】ガス検知器においては、火災などによっ
て発生する微量の燃焼ガスや有機化合物ガスを感度良く
検知し、判別する必要がある。また、常に正常に動作し
ているものでなくてはならない。従来よりこのような用
途におけるガス検知器として、光によって煙を感知する
煙感知器、一酸化炭素を検知する半導体ガスセンサのほ
か、広い選択性を持った吸着膜を水晶発振子に塗布し、
その共振周波数変化からガスを検知するものがある。光
によって煙を感知する煙感知器は、煙中での光の減衰を
測定することによって煙を感知する。半導体ガスセンサ
はガスとの酸化還元反応を利用し、一酸化炭素などの酸
化性ガスを検知する。水晶発振子を用いたものは、その
応答から飽和吸着量や時定数を抽出し、パターン認識技
術によってガスを検知する。2. Description of the Related Art In a gas detector, it is necessary to detect and discriminate a very small amount of a combustion gas or an organic compound gas generated by a fire or the like with high sensitivity. Also, it must always be working properly. Conventionally, as a gas detector for such applications, in addition to a smoke detector that detects smoke by light, a semiconductor gas sensor that detects carbon monoxide, and an adsorption film with a wide selectivity is applied to the crystal oscillator,
Some devices detect gas from the change in resonance frequency. Smoke detectors that sense smoke by light sense smoke by measuring the attenuation of light in the smoke. A semiconductor gas sensor uses an oxidation-reduction reaction with a gas to detect an oxidizing gas such as carbon monoxide. In a device using a crystal oscillator, a saturated adsorption amount and a time constant are extracted from the response, and gas is detected by a pattern recognition technique.
【0002】[0002]
【発明が解決しようとする課題】上述した従来のガス検
知器には以下のような欠点があった。すなわち、煙感知
器においては感知対象が煙であるため、火災が十分進行
しないと検知できない。また、火災時にはいつも煙が発
生するとは限らない。つまり、火災に対する感度が低い
といえる。半導体ガスセンサを用いたガス検知器におい
ては、感知対象が酸化性ガスに限定されているため、火
災に対する感度は低く、不発報も多くなる。水晶発振子
を用いたセンサはガスに対する感度は高いが、ガス濃度
が測定中変化するような環境においてはガスの判別に必
要な時定数を抽出することは困難である。さらに、これ
ら煙式、半導体式および水晶発振子式のセンサはセンサ
自体がその感度低下を知らせる機能を持たないので、正
常に動作しているかどうか調べるために煙や対象ガスを
用いた定期的な検査を必要とするが、センサの数が多く
なるとそれに要するコストも高くなるという欠点があ
る。The above-mentioned conventional gas detector has the following disadvantages. That is, in the smoke detector, since the object to be detected is smoke, it cannot be detected unless the fire sufficiently proceeds. Also, smoke is not always generated during a fire. That is, the sensitivity to fire is low. In a gas detector using a semiconductor gas sensor, the object to be sensed is limited to an oxidizing gas, so that the sensitivity to fire is low and the number of false alarms increases. Although a sensor using a crystal oscillator has high sensitivity to gas, it is difficult to extract a time constant necessary for gas discrimination in an environment where the gas concentration changes during measurement. In addition, since these smoke-type, semiconductor-type, and quartz-crystal-type sensors do not have a function to notify the decrease in the sensitivity of the sensor itself, it is necessary to periodically use smoke or target gas to check whether the sensor is operating properly. Although an inspection is required, there is a disadvantage that the cost increases as the number of sensors increases.
【0003】本発明の目的は、火災などの異常から発生
するガスや有機化合物ガスを感度良く、確実に検知して
ガス種類を判別し、かつガス吸着膜の感度検査に多くの
人手を必要としない小型、安価なガス検知器を提供する
ことである。The object of the present invention, high sensitivity gas or organic compound gas generated from abnormality such as a fire, reliably detect and determine the <br/> gas type, and number of the sensitivity test of the gas adsorption film An object of the present invention is to provide a small and inexpensive gas detector that does not require human labor.
【0004】[0004]
【課題を解決するための手段】本発明のガス検知器は、
吸着速度の異なるガス吸着膜を設けた2つの水晶発振子
を有し、前記2つの水晶発振子の応答から時定数を抽出
することによって検知対象ガスを検知し、および前記対
象ガスの種類を判別する。The gas detector of the present invention comprises:
It has two crystal oscillators provided with gas adsorption films having different adsorption speeds, detects a detection target gas by extracting a time constant from the response of the two crystal oscillators, and determines the type of the target gas. I do.
【0005】前記ガス検知器は線形フィルタのアルゴリ
ズムを用いて2つの水晶発振子応答から時定数を抽出
し、対象ガスの種類の判別を行なうものを含む。[0005] The gas detector includes one that extracts a time constant from the response of two crystal oscillators using a linear filter algorithm and determines the type of a target gas.
【0006】[0006]
【0007】[0007]
【作用】2つの水晶発振子の応答から時定数を抽出する
ので、濃度が変化しても高感度にガスの検知と種類の判
別ができる。Since the time constant is extracted from the responses of the two crystal oscillators, gas detection and type determination can be performed with high sensitivity even if the concentration changes.
【0008】水晶発振子の外乱による応答の分散を用い
るので、ガス吸着膜の感度検査を多くの人手を介さずに
実施できる。Since the dispersion of the response due to the disturbance of the crystal oscillator is used, the sensitivity inspection of the gas adsorbing film can be carried out without much manual operation.
【0009】[0009]
【実施例】次に、本発明の実施例について図面を参照し
て説明する。Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
【0010】図1は本発明のガス検知器の一実施例の構
成ブロック図、図2は図1のコンピュータ13による吸
着膜の感度検査方法の手順を示すフローチャート、図3
は図1のコンピュータ13によるガス判別方法の手順を
示すフローチャート、図4は通常の環境におけるポリク
ロロトリフロロエチレンを用いた真新しい吸着膜を被覆
した水晶発振子の応答を示す図、図5は通常の環境にお
ける感度を低下させた水晶発振子の応答を示す図、図6
はビニルケーブル被膜から発生したガスに対するポリク
ロロトリフロロエチレンを用いた真新しい吸着膜を被覆
した水晶発振子の応答aと感度を落した吸着膜を被覆し
た水晶発振子の応答bを示す図、図7は580ppmの
アセトンに対するポリエチレンとポリテトラフロロエチ
レンの混合物を吸着膜として用いた水晶発振子の応答を
示す図、図8は1220ppmのアセトンと空気に交互
に曝したポリエチレンとポリテトラフロロエチレンの混
合物を吸着膜として用いた水晶発振子3の応答cとポリ
エチレンを吸着膜として用いた水晶発振子5の応答dを
示す図である。FIG. 1 is a block diagram showing a configuration of an embodiment of a gas detector according to the present invention. FIG. 2 is a flowchart showing a procedure of a method for inspecting the sensitivity of an adsorption film by a computer 13 in FIG.
FIG. 4 is a flowchart showing a procedure of a gas discriminating method by the computer 13 in FIG. 1, FIG. 4 is a diagram showing a response of a quartz oscillator coated with a brand-new adsorption film using polychlorotrifluoroethylene in a normal environment, and FIG. FIG. 6 is a diagram showing the response of the crystal oscillator with reduced sensitivity in the environment of FIG.
Fig. 3 shows the response a of a quartz oscillator coated with a brand-new adsorption film using polychlorotrifluoroethylene to the gas generated from the vinyl cable coating, and the response b of the quartz oscillator coated with an adsorption film with reduced sensitivity. 7 shows the response of a quartz oscillator using a mixture of polyethylene and polytetrafluoroethylene as an adsorption film to 580 ppm of acetone, and FIG. 8 shows a mixture of polyethylene and polytetrafluoroethylene alternately exposed to 1220 ppm of acetone and air. FIG. 6 is a diagram showing a response c of a quartz oscillator 3 using as an adsorption film and a response d of a quartz oscillator 5 using polyethylene as an adsorption film.
【0011】本発明は吸着膜への被検知ガス分子の吸着
を詳細に検討した結果なされたものであり、ここで、本
発明者らが得た知見について説明する。The present invention has been made as a result of a detailed study of the adsorption of gas molecules to be detected on an adsorption film. Here, the findings obtained by the present inventors will be described.
【0012】ポリエチレンや、ポリクロロトリフロロエ
チレンや、ポリエチレンとポリテトラフロロエチレンの
混合物等の含弗素系高分子や炭化水素系高分子の高周波
スパッタリングによって水晶発振子上にプラズマ由来の
高分子吸着膜を形成し、これら吸着膜への被検知ガス分
子の吸着による水晶発振子の共振周波数の変化を調べ
た。水晶発振子の共振周波数は、吸着膜の質量変化すな
わち吸着した被検知ガスの質量に比例することが知られ
ている。Plasma-derived polymer adsorption film on a quartz oscillator by high-frequency sputtering of fluorine-containing polymer or hydrocarbon-based polymer such as polyethylene, polychlorotrifluoroethylene, or a mixture of polyethylene and polytetrafluoroethylene. Were formed, and the change in the resonance frequency of the quartz oscillator due to the adsorption of the gas molecules to be detected on these adsorption films was examined. It is known that the resonance frequency of a crystal oscillator is proportional to a change in the mass of the adsorption film, that is, the mass of the gas to be detected.
【0013】この吸着膜は空気中の分子の動きにも敏感
であり、空気中の分子は絶えず運動しているので通常の
環境下でもこれら分子の外乱(ノイズ)による水晶発振
子応答があることが分かっている。この外乱による水晶
発振子応答は吸着膜の感度が低下すると小さくなること
から、次のように外乱による水晶発振子応答の分散を監
視することによって吸着膜の感度低下を検出することが
できる。This adsorption film is also sensitive to the movement of molecules in the air, and the molecules in the air are constantly moving, so that there is a quartz oscillator response due to disturbance (noise) of these molecules even under a normal environment. I know. Since the response of the crystal oscillator due to the disturbance becomes smaller as the sensitivity of the attraction film decreases, the decrease in the sensitivity of the attraction film can be detected by monitoring the dispersion of the response of the crystal oscillator due to the disturbance as follows.
【0014】[0014]
【数1】 ここで、kは整数、m[k]はΔtをサンプリング時間
……としたときの時刻k・Δtにおける水晶発振子の応
答、Tsはある決められたデータの数、(Equation 1) Here, k is an integer, m [k] is the response of the crystal oscillator at time k · Δt when Δt is a sampling time,..., Ts is the number of predetermined data,
【0015】[0015]
【外1】 はTs個のデータの平均である。この水晶発振子応答
の分散は吸着膜の感度を表していると考えられる。すな
わち、吸着膜の感度が低下すると被検知ガスだけでなく
外乱に対する水晶発振子の応答も小さくなるため、水晶
発振子応答の分散の低下によって吸着膜の感度低下を検
出することができる。また、外乱に対する水晶発振子応
答は、被検知ガスに対する水晶発振子応答よりもはるか
に小さいので、その区別は容易である。Is the average of Ts data. This dispersion of the crystal oscillator response is considered to represent the sensitivity of the adsorption film. That is, when the sensitivity of the adsorption film is reduced, the response of the crystal oscillator to not only the gas to be detected but also the disturbance is reduced. Therefore, it is possible to detect a decrease in the sensitivity of the adsorption film due to a decrease in the dispersion of the crystal oscillator response. Further, the response of the crystal oscillator to the disturbance is much smaller than the response of the crystal oscillator to the gas to be detected, so that the distinction is easy.
【0016】さらに、これら吸着膜は燃焼ガスや有機化
合物ガスを高感度に吸着するが、ある限られた種類のガ
スのみを吸着するのではなく、その選択性は広いもので
ある。よって、吸着ガスを判別するために水晶発振子応
答から飽和吸着量や時定数を抽出しなければならない。
特に、時定数はガス判別のための有効な量であることが
知られている。Furthermore, these adsorption films adsorb combustion gas and organic compound gas with high sensitivity, but do not adsorb only a limited type of gas, but have a wide selectivity. Therefore, in order to determine the adsorption gas, the saturated adsorption amount and the time constant must be extracted from the response of the crystal oscillator.
In particular, it is known that the time constant is an effective amount for gas discrimination.
【0017】ガス濃度が一定の場合は、水晶発振子応答
は次のような指数関数を用いて表されるので、時定数を
抽出することは容易である。When the gas concentration is constant, the response of the crystal oscillator is expressed using the following exponential function, so that it is easy to extract the time constant.
【0018】[0018]
【数2】 m[k]=a{1−exp(−k・Δt/τ)} ここで、aは吸着膜に対するガスの飽和吸着量、τは時
定数である。ところが、ガス濃度が変化する場合には水
晶発振子応答は複雑な振るまいをするので一つの水晶発
振子の応答から時定数を抽出することは困難である。こ
こで、ガス吸着速度の異なる吸着膜を被覆した水晶発振
子を別に用意し、その水晶発振子応答をu[k]とする
と、m[k]とu[k]は両方ともガス濃度の関数であ
り、次の式を満たすようにbi とcj を決めればガス濃
度の項を消去でき、ガス濃度が変化してもm[k]に関
する時定数を抽出できる。M [k] = a {1−exp (−k · Δt / τ)} where a is a saturated adsorption amount of gas to the adsorption film, and τ is a time constant. However, when the gas concentration changes, the response of the crystal oscillator behaves in a complicated manner, and it is difficult to extract the time constant from the response of one crystal oscillator. Here, if a crystal oscillator coated with adsorption films having different gas adsorption speeds is separately prepared, and the response of the crystal oscillator is u [k], both m [k] and u [k] are functions of the gas concentration. If b i and c j are determined so as to satisfy the following equation, the term of the gas concentration can be eliminated, and even if the gas concentration changes, the time constant relating to m [k] can be extracted.
【0019】[0019]
【数3】 ここでi、j、L、Hは整数、bi 、cj は実数であ
る。よって、2つの水晶発振子応答から線形フィルタの
アルゴリズムを用いることによってbi を求めることが
できる。bi はm[k]に関する時定数そのものではな
いが、bi からm[k]に関する時定数を得ることがで
きる。よって濃度が変化するような環境においても時定
数の抽出が可能となる。(Equation 3) Here, i, j, L and H are integers, and b i and c j are real numbers. Therefore, it is possible to determine the b i by using the algorithm of linear filter from the response two crystal oscillator. b i is not the time constant for m [k] itself, but the time constant for m [k] can be obtained from b i . Therefore, it is possible to extract the time constant even in an environment where the concentration changes.
【0020】この知見から、外乱による水晶発振子応答
を監視することによって対象ガスを用いた検査をするこ
となしに吸着膜の感度検査ができる。また、濃度が変化
するような環境においても、2つの水晶発振子応答から
時定数を抽出することによってガスを高感度に検知、判
別することができる。From this knowledge, it is possible to inspect the sensitivity of the adsorption film without monitoring the target gas by monitoring the response of the crystal oscillator due to disturbance. Further, even in an environment where the concentration changes, gas can be detected and determined with high sensitivity by extracting a time constant from the responses of the two crystal oscillators.
【0021】さて、図1のガス感知器はセンサセル1と
水晶発振子3,5,6と発振回路7,8,9とマルチプ
レクサ10と乗算&サンプリング回路11とカウンタ1
2とコンピュータ13と表示装置14とより構成されて
いる。The gas detector shown in FIG. 1 has a sensor cell 1, crystal oscillators 3, 5, 6, oscillating circuits 7, 8, 9, a multiplexer 10, a multiplication & sampling circuit 11, and a counter 1.
2, a computer 13 and a display device 14.
【0022】雰囲気に曝されるセンサセル1には、表面
にガス吸着膜2を設けた水晶発振子3と、材質を変えて
ガス吸着膜2とはガス吸着速度の異なるガス吸着膜4を
設けた水晶発振子5および吸着膜を被覆していない水晶
発振子6が設けられている。水晶発振子6は水晶発振子
3および5の周波数を計数するための基準となる周波数
を発生する。各水晶発振子3,5,6にはそれぞれ発振
回路7,8,9が設けられ、この発振回路7,8,9は
対応する水晶発振子3,5,6の共振周波数で発振する
ようになっている。マルチプレクサ10は発振回路7,
8のどちらか一つを選択し、乗算&サンプリング回路1
1は発振回路7,8のうちの選択されたものと発振回路
9の出力の周期の差を周期とする信号を出力する。カウ
ンタ12はこの信号の周期を計測し、コンピュータ13
に送る。コンピュータ13は周期の逆数をとって周波数
を計算し、吸着膜の感度低下や被検知ガスの判別結果を
LED、CRTなどの表示装置14に表示する。The sensor cell 1 exposed to the atmosphere is provided with a crystal oscillator 3 having a gas adsorption film 2 on the surface and a gas adsorption film 4 having a different gas adsorption speed from the gas adsorption film 2 by changing the material. A crystal oscillator 5 and a crystal oscillator 6 not covered with an adsorption film are provided. The crystal oscillator 6 generates a reference frequency for counting the frequencies of the crystal oscillators 3 and 5. Each of the crystal oscillators 3, 5, and 6 is provided with an oscillation circuit 7, 8, and 9, respectively. The oscillation circuits 7, 8, and 9 oscillate at the resonance frequencies of the corresponding crystal oscillators 3, 5, and 6. Has become. The multiplexer 10 includes the oscillation circuit 7,
Either one of 8 and multiplication & sampling circuit 1
1 outputs a signal whose cycle is the difference between the cycle of the output of the oscillation circuit 9 and the selected one of the oscillation circuits 7 and 8. The counter 12 measures the period of this signal,
Send to The computer 13 calculates the frequency by taking the reciprocal of the period, and displays the reduction in the sensitivity of the adsorption film and the determination result of the gas to be detected on a display device 14 such as an LED or CRT.
【0023】次に、このガス検知器の動作について説明
する。各発振回路7,8,9を動作状態にすると各水晶
発振子3,5,6は発振を始める。水晶発振子6は検知
ガスの有無にかかわらず常に同じ共振周波数で発振す
る。検知ガスが発生すると、水晶発振子3,5上のガス
吸着膜2,4への被検知ガス分子の吸着が開始し、吸着
量に応じて水晶発振子3,5の共振周波数がシフトし発
振回路7,8の発振周波数がシフトする。この発振周波
数のシフトは、ガス吸着膜2,4に吸着した被検知ガス
の質量に比例する。カウンタ12は発振回路7,8と発
振回路9の出力の差、すなわちガス吸着膜2,4に吸着
した被検知ガスの質量を出力する。また、水晶発振子
3,5,6の温度は同一なので、温度変化による共振周
波数の変化分が打消され、温度変化に対する補償も同時
に行われている。マルチプレクサ10は一定の時間おき
に発振回路7,8を選択するが、その周期は1秒以下で
あって、とガス測定時間と比較して十分短いため、ほぼ
同時に両方の水晶発振子7,8の出力を獲得していると
考えてよい。Next, the operation of the gas detector will be described. When each of the oscillation circuits 7, 8, and 9 is put into an operating state, each of the crystal oscillators 3, 5, and 6 starts oscillating. The crystal oscillator 6 always oscillates at the same resonance frequency regardless of the presence or absence of the detection gas. When the detection gas is generated, adsorption of the gas molecules to be detected on the gas adsorption films 2 and 4 on the crystal oscillators 3 and 5 starts, and the resonance frequency of the crystal oscillators 3 and 5 shifts according to the amount of adsorption to oscillate. The oscillation frequency of the circuits 7 and 8 shifts. The shift of the oscillation frequency is proportional to the mass of the gas to be detected adsorbed on the gas adsorption films 2 and 4. The counter 12 outputs the difference between the outputs of the oscillation circuits 7 and 8 and the oscillation circuit 9, that is, the mass of the gas to be detected adsorbed on the gas adsorption films 2 and 4. Further, since the temperatures of the crystal oscillators 3, 5, and 6 are the same, the change in the resonance frequency due to the temperature change is canceled out, and the compensation for the temperature change is performed at the same time. The multiplexer 10 selects the oscillating circuits 7 and 8 at regular time intervals. The period of the oscillating circuits 7 and 8 is 1 second or less, which is sufficiently shorter than the gas measurement time. It can be considered that the output has been obtained.
【0024】コンピュータ13は次に示す手順によって
吸着膜の感度検査を行なう。The computer 13 performs a sensitivity test on the adsorption film according to the following procedure.
【0025】すなわち、図2に示すように、吸着膜の感
度は水晶発振子応答を獲得した後(ステップ21)次の
ように水晶発振子応答の分散をとることによって検査す
ることができる(ステップ22)。That is, as shown in FIG. 2, the sensitivity of the adsorption film can be inspected by obtaining the response of the crystal oscillator (step 21) after obtaining the response of the crystal oscillator (step 21) (step 21). 22).
【0026】[0026]
【数4】 そして、ある決められたしきい値と比較する(ステップ
23)。しきい値よりも小さくなったとき、吸着膜の感
度が低下したとみなし、センサ感度低下の警告表示を行
う(ステップ24)。しきい値よりも大きければステッ
プ21にもどる。(Equation 4) Then, it is compared with a predetermined threshold value (step 23). When it becomes smaller than the threshold value, it is considered that the sensitivity of the adsorption film is lowered, and a warning display of the sensor sensitivity lowering is performed (step 24). If it is larger than the threshold value, the process returns to step 21.
【0027】コンピュータ13は次に示す手順によって
ガス種別の判別を行なう。The computer 13 determines the gas type according to the following procedure.
【0028】すなわち、図3に示すように、まず、ガス
を検知し(ステップ31)、そのガスの種類の判別を行
うために水晶発振子応答から時定数を抽出しなければな
らないが、次のようなアルゴリズムを用いて時定数を抽
出する。すなわち、pを整数とし、時刻k・Δtから遡
って時刻(k−p)・Δtまでの水晶発振子3の応答ベ
クトルMThat is, as shown in FIG. 3, first, a gas must be detected (step 31), and a time constant must be extracted from the crystal oscillator response in order to determine the type of the gas. The time constant is extracted using such an algorithm. That is, p is an integer, and the response vector M of the crystal oscillator 3 from time k · Δt to time (k−p) · Δt
【0029】[0029]
【数5】 M=(m[k],m[k−1],…,m[k−p])T
(Tは転置をあらわす) および時刻(k−1)・Δtから遡って時刻(k−L−
p)・Δtまでの水晶発振子3の応答mと時刻k・Δt
から遡って時刻(k−H−p)・Δtまでの水晶発振子
5の応答uからなる(p+1)×(L+H+1)の行列
ΦM = (m [k], m [k−1],..., M [k−p]) T
(T represents transposition) and time (k−L−) retroactive from time (k−1) · Δt
p) Response m of crystal oscillator 3 up to Δt and time k · Δt
(P + 1) × (L + H + 1) matrix Φ composed of the response u of the crystal oscillator 5 from time till (k−H−p) · Δt
【0030】[0030]
【数6】 を用いてB={ΦT Φ}-1 ΦT Mを計算し、B={b
1 ,b2 ,…,bL ,c0 ,c1 ,…,cH }を得る
(ステップ32)。得られたBのうち{b1 ,b2 ,
…,bL }を用いてxについての方程式(Equation 6) Calculate B = {Φ T Φ −1 Φ T M using
1, b 2, ..., b L, c 0, c 1, ..., obtaining c H} (step 32). Of the obtained B, {b 1 , b 2 ,
…, B L方程式, the equation for x
【0031】[0031]
【数7】 を解く(ステップ33)。この方程式はL個の解を持つ
が、このうち正の実数解をrとすると時定数τは(Equation 7) Is solved (step 33). This equation has L solutions, where r is a positive real solution, and the time constant τ is
【0032】[0032]
【数8】τ=Δt/log(r) と求めることができる(ステップ34)。ここで、L、
Hの値をどのように選ぶかは水晶発振子応答に含まれる
時定数の数に依存するが、例えば、3から10までL、
Hの値を変化させても得られる時定数の値はほぼ同じで
ある。以上のアルゴリズムより得られた時定数を用いて
対象ガスの判別を行うことができる(ステップ35)。Τ = Δt / log (r) (step 34). Where L,
How to select the value of H depends on the number of time constants included in the crystal oscillator response.
Even when the value of H is changed, the value of the time constant obtained is almost the same. The target gas can be determined using the time constant obtained by the above algorithm (step 35).
【0033】次に、本実施例の有効性を調べた結果につ
いて説明する。Next, the result of examining the effectiveness of this embodiment will be described.
【0034】まず、吸着膜の感度低下の検出に水晶発振
子応答の分散を用いた結果について述べる。図4は通常
の環境における真新しい吸着膜を被覆した水晶発振子の
応答を表している。サンプリング時間Δtは4(秒)、
Tsは150、すなわち測定時間600秒とし、吸着膜
はポリクロロトリフロロエチレンのスパッタリングによ
って水晶発振子(9MHz、AT一カット、厚さ0.1
mm、直径85mm)表面上に形成したものである。ス
パッタリングパワーは1W/cm2 、スパッタリング時
間は2時間で形成した。この水晶発振子応答の分散は
0.168と大きい。つまり、被検知ガス以外の外乱に
対してもある程度水晶発振子は感応し、この吸着膜の感
度はまだ高いと考えられる。図5は高温加速試験を施し
て感度を低下させた吸着膜を被覆した水晶発振子の通常
の環境における応答を表している。水晶発振子応答の分
散は0.051と小さい。このように、このガス検知器
はある1つの被検知ガスだけに感応するのではなく、通
常の環境におけるごくわずかな変化、すなわち外乱にも
敏感であるため、外乱に対する水晶発振子応答を監視す
ることによってその感度を検査することができる。First, the result of using the dispersion of the crystal oscillator response for detecting the decrease in the sensitivity of the adsorption film will be described. FIG. 4 shows the response of a crystal resonator coated with a brand new adsorption film in a normal environment. The sampling time Δt is 4 (seconds),
Ts is 150, that is, the measurement time is 600 seconds, and the adsorption film is made of a quartz oscillator (9 MHz, AT one cut, thickness 0.1) by sputtering of polychlorotrifluoroethylene.
mm, diameter 85 mm) formed on the surface. The sputtering power was 1 W / cm 2 and the sputtering time was 2 hours. The dispersion of the crystal oscillator response is as large as 0.168. In other words, it is considered that the crystal oscillator responds to disturbances other than the detected gas to some extent, and the sensitivity of the adsorption film is still high. FIG. 5 shows the response of a quartz oscillator coated with an adsorption film whose sensitivity has been reduced by performing a high-temperature acceleration test in a normal environment. The dispersion of the crystal oscillator response is as small as 0.051. Thus, the gas detector is not sensitive to only one gas to be detected, but is also sensitive to negligible changes in the normal environment, i.e., disturbances, thus monitoring the crystal oscillator response to disturbances. By doing so, the sensitivity can be checked.
【0035】次に、被検知ガスに対する水晶発振子応答
を示す。被検知ガスは通信用ケーブル被膜として使用さ
れているビニルケーブル被膜を30リットルの容器の中
で約150℃のヒーターで1分間加熱し、その結果発生
した0.012gのガスである。そのガスに対するポリ
クロロトリフロロエチレンを用いた水晶発振子の応答を
図6に示す。aは真新しい吸着膜を用いた水晶発振子の
応答、bは感度を低下させた吸着膜を用いた水晶発振子
の応答である。通常環境下で外乱による応答の分散が小
さい水晶発振子は被検知ガスに対する感度も低下してい
ることがわかる。なお、図4、5の応答と比べて明かで
あるように、被検知ガスに対する水晶発振子応答は外乱
による応答に比べて十分大きいのでその区別は容易であ
る。Next, the response of the crystal oscillator to the gas to be detected will be described. The gas to be detected is 0.012 g of gas generated by heating a vinyl cable coating used as a communication cable coating in a 30 liter container with a heater at about 150 ° C. for 1 minute. FIG. 6 shows the response of the crystal oscillator using polychlorotrifluoroethylene to the gas. a is the response of the crystal oscillator using the brand new adsorption film, and b is the response of the crystal oscillator using the adsorption film with reduced sensitivity. It can be seen that the sensitivity of the quartz oscillator having a small variance of the response due to disturbance under a normal environment to the detected gas is also lowered. As is clear from the responses shown in FIGS. 4 and 5, the response of the crystal oscillator to the gas to be detected is sufficiently large as compared with the response due to the disturbance, so that the distinction is easy.
【0036】次に、ガスを判別するために、ガス吸着膜
2,4として(1)ポリエチレンとポリテトラフロロエ
チレンの混合物、(2)ポリエチレンを各ターゲットと
し、スバッタリングパワー1W/cm2 、スパッタリン
グ時間は2時間で高周波スパッタリングによりそれぞれ
水晶発振子3,5の表面に形成したものを用いた。Next, in order to determine the gas, (1) a mixture of polyethylene and polytetrafluoroethylene, (2) polyethylene as targets, and a sputtering power of 1 W / cm 2 , The sputtering time was 2 hours, and those formed on the surfaces of the crystal oscillators 3 and 5 by high frequency sputtering were used.
【0037】まず、580ppmのアセトンに対するポ
リエチレンとポリテトラフロロエチレンの混合物を吸着
膜として用いた水晶発振子3の応答を図7に示す。この
応答から得られる時定数は約140秒である。他のガ
ス、例えばメタノールに対しては時定数は約30秒、ベ
ンゼンに対しては約630秒であり、時定数はガス判別
に有効である。First, FIG. 7 shows the response of a quartz oscillator 3 using a mixture of polyethylene and polytetrafluoroethylene to 580 ppm of acetone as an adsorption film. The time constant resulting from this response is about 140 seconds. The time constant is about 30 seconds for other gases, for example, methanol, and about 630 seconds for benzene, and the time constant is effective for gas discrimination.
【0038】次に、ガスの濃度が常に一定ではない時の
応答例として、1220ppmのアセトンと空気に交互
に曝した2つの水晶発振子の応答を図8に示す。cはポ
リエチレンとポリテトラフロロエチレンの混合物を用い
た吸着膜を被覆した水晶発振子3、dはポリエチレンの
みを用いた吸着膜を被覆した水晶発振子5の応答であ
る。cの応答のみからcの時定数を抽出するのは前に述
べたように困難であるが、cだけでなくdの応答を用い
てp=150とし、2≦L≦7、2≦H≦4、H≦Lの
ようにH、Lを変化させた各々の場合においてcの時定
数を推定した結果、どの場合においても約150秒とい
う時定数を推定し、対象ガスがアセトンであることを判
別できた。Next, as an example of the response when the gas concentration is not always constant, FIG. 8 shows the response of two crystal oscillators alternately exposed to acetone and air at 1220 ppm. c is the response of the quartz oscillator 3 coated with an adsorption film using a mixture of polyethylene and polytetrafluoroethylene, and d is the response of the quartz oscillator 5 coated with an adsorption film using only polyethylene. Although it is difficult to extract the time constant of c from only the response of c as described above, p = 150 using not only the response of c but also the response of d, 2 ≦ L ≦ 7, 2 ≦ H ≦ 4. As a result of estimating the time constant of c in each case where H and L were changed such that H ≦ L, a time constant of about 150 seconds was estimated in each case, and it was confirmed that the target gas was acetone. I was able to determine.
【0039】本実施例のガス検知器はガス吸着速度の異
なる吸着膜を持った2つの水晶発振子の応答により対象
ガスを検知するので、ガス濃度が変化する環境でも正確
に高感度にガスの検知とガス種類の判別ができ、また、
外乱による水晶発振子応答の分散によって吸着膜の感度
低下を検出するので、感度検査に多くの人手を必要とし
ない。Since the gas detector of this embodiment detects the target gas by the response of two quartz oscillators having adsorption films having different gas adsorption speeds, the gas detector can detect the gas with high sensitivity even in an environment where the gas concentration changes. Detection and gas type discrimination,
Since a decrease in the sensitivity of the adsorption film is detected based on the dispersion of the crystal oscillator response due to the disturbance, a large number of labors are not required for the sensitivity test.
【0040】[0040]
【発明の効果】以上説明したように本発明は、外乱によ
る水晶発振子応答の分散を用いることにより、人手を介
することなく吸着膜の感度を検査することができるので
コストの低減になり、また、ガス吸着速度の異なる吸着
膜を表面に設けた2つの水晶発振子の応答から、線形フ
ィルタのアルゴリズムによって時定数を抽出することに
より、従来困難であった測定中に濃度が変化するような
環境におけるガスの早期検知、種類判別を正確に行える
ようになるという効果がある。As described above, according to the present invention, the sensitivity of the adsorption film can be inspected without manual operation by using the dispersion of the crystal oscillator response due to the disturbance, so that the cost can be reduced. By extracting the time constant by the algorithm of a linear filter from the response of two crystal oscillators provided with adsorption films with different gas adsorption speeds on the surface, it is difficult to change the concentration during measurement, which was difficult in the past. This has the effect that the early detection of gas and the type determination can be performed accurately.
【図1】本発明のガス検知器の一実施例の構成ブロック
図である。FIG. 1 is a configuration block diagram of an embodiment of a gas detector according to the present invention.
【図2】図1のコンピュータ13による吸着膜の感度検
査方法の手順を示すフローチャートである。FIG. 2 is a flowchart showing a procedure of a method for inspecting the sensitivity of an adsorption film by a computer 13 in FIG. 1;
【図3】図1のコンピュータ13によるガス判別方法の
手順を示すフローチャートである。FIG. 3 is a flowchart showing a procedure of a gas discriminating method by a computer 13 of FIG. 1;
【図4】通常の環境におけるポリクロロトリフロロエチ
レンを用いた真新しい吸着膜を被覆した水晶発振子の応
答を示す図である。FIG. 4 is a diagram showing the response of a quartz oscillator coated with a brand-new adsorption film using polychlorotrifluoroethylene in a normal environment.
【図5】通常の環境における感度を低下させた水晶発振
子の応答を示す図である。FIG. 5 is a diagram showing a response of a crystal oscillator having reduced sensitivity in a normal environment.
【図6】ビニルケーブル被膜から発生したガスに対する
ポリクロロトリフロロエチレンを用いた真新しい吸着膜
を被覆した水晶発振子の応答aと感度を落した吸着膜を
被覆した水晶発振子の応答bを示す図である。FIG. 6 shows the response a of a quartz oscillator coated with a brand-new adsorption film using polychlorotrifluoroethylene and the response b of a quartz oscillator coated with an adsorption film with reduced sensitivity to gas generated from a vinyl cable coating. FIG.
【図7】580ppmのアセトンに対するポリエチレン
とポリテトラフロロエチレンの混合物を吸着膜として用
いた水晶発振子の応答を示す図である。FIG. 7 is a diagram showing the response of a quartz oscillator using a mixture of polyethylene and polytetrafluoroethylene as an adsorption film to 580 ppm of acetone.
【図8】1220ppmのアセトンと空気に交互に曝し
たポリエチレンとポリテトラフロロエチレンの混合物を
吸着膜として用いた水晶発振子3の応答cとポリエチレ
ンを吸着膜として用いた水晶発振子5の応答dを示す図
である。FIG. 8 shows a response c of the crystal oscillator 3 using a mixture of polyethylene and polytetrafluoroethylene alternately exposed to 1220 ppm of acetone and air as an adsorption film, and a response d of a crystal oscillator 5 using polyethylene as an adsorption film. FIG.
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−231548(JP,A) 特開 昭60−201233(JP,A) 特開 昭63−168537(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) G01N 5/02 JICSTファイル(JOIS)──────────────────────────────────────────────────続 き Continuation of the front page (56) References JP-A-2-231548 (JP, A) JP-A-60-201233 (JP, A) JP-A-63-168537 (JP, A) (58) Field (Int.Cl. 7 , DB name) G01N 5/02 JICST file (JOIS)
Claims (2)
用い、検知対象ガスの前記ガス吸着膜への吸着による前
記水晶発振子の共振周波数の変化を求めることにより、
前記対象ガスを検知し、および前記対象ガスの種類を判
別するガス検知器において、 吸着速度の異なるガス吸着膜を設けた2つの水晶発振子
を有し、 前記2つの水晶発振子の応答から時定数を抽出すること
によって検知対象ガスを検知し、および前記対象ガスの
種類を判別することを特徴とするガス検知器。1. Using a crystal oscillator having a gas adsorption film provided on its surface, determining a change in the resonance frequency of the crystal oscillator due to adsorption of a gas to be detected onto the gas adsorption film,
A gas detector for detecting the target gas and determining the type of the target gas, comprising: two crystal oscillators provided with gas adsorption films having different adsorption speeds; A gas detector, wherein a gas to be detected is detected by extracting a constant, and a type of the target gas is determined.
つの水晶発振子応答から時定数を抽出し、対象ガスの種
類の判別を行なうことを特徴とする請求項1に記載のガ
ス検知器。2. Using a linear filter algorithm, 2
2. The gas detector according to claim 1, wherein a time constant is extracted from the responses of the two crystal oscillators, and the type of the target gas is determined.
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|---|---|---|---|
| JP25065793A JP3199293B2 (en) | 1993-10-06 | 1993-10-06 | Gas detector |
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|---|---|---|---|
| JP25065793A JP3199293B2 (en) | 1993-10-06 | 1993-10-06 | Gas detector |
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