BR112014013550B1

BR112014013550B1 - sensor de gás, unidade detectora de gás operada por bateria sem fio, e, método para medir a concentração de um gás predeterminado

Info

Publication number: BR112014013550B1
Application number: BR112014013550-9A
Authority: BR
Inventors: Hákon Sagberg; Britta Grennberg Fismen; Kari Anne Hestnes Bakke; Jon Tschudi; Ib- Rune Johansen; Knut Baroe Sandven
Original assignee: Gassecure As
Priority date: 2011-12-05
Filing date: 2012-12-05
Publication date: 2021-05-04
Also published as: EP2788739A1; JP6096210B2; US20210164895A1; GB2497296A; GB201120871D0; MX343927B; BR112014013550A2; JP2015500477A; RU2626040C2; MX2014006467A; RU2014126636A; US20150123000A1; CN103975231B; GB2497296B; CN103975231A; WO2013083974A1; AU2012349828B2; EP2788739B1; CA2858007C; CA2858007A1

Abstract

SENSOR DE GÁS, UNIDADE DETECTORA DE GÁS OPERADA POR BATERIA SEM FIO, E, MÉTODO PARA MEDIR A CONCENTRAÇÃO DE UM GÁS PREDETERMINADO. Um sensor de gás, para medir concentração de um gás predeterminado, compreende uma fonte de luz (2) disposta para emitir pulsos de luz, um volume de medição (10), um detector (4) arranjado para receber luz que passou através do volume de medição (10) e um filtro adaptável (6), disposto entre a fonte de luz (2) e o detector (4). O sensor de gás tem um estado de medição em que ele passa pelo menos uma banda de comprimento de onda que é absorvida pelo gás e um estado de referência em que dita banda de comprimento de onda é atenuada em relação ao estado de medição. O filtro adaptável (6) é disposto para mudar entre um de dito estado de medição e dito estado de referência para o outro pelo menos uma vez durante cada pulso.

Description

[0001] Esta invenção refere-se a sensores de gás, particularmente sensores para medir a concentração de um gás, medindo-se a absorção da luz infravermelha desse modo.

[0002] A fim de operar os sensores de gás em potência de bateria por longos períodos de tempo, tipicamente mais do que um ano, o consumo de energia deve ser baixo. Uma maneira de reduzir o consumo de energia é manter o sensor em modo de sono ou paralisação a maioria do tempo, e ligá- lo em intervalos regulares ou irregulares. Uma exigência de potência típica para um sensor infravermelho continuamente energizado é da ordem de 0,1 - 1 W. Se uma medição levar um segundo para completar um sensor não continuamente operado, como um exemplo, e o tempo de resposta requerido for de 10 s, o ciclo ativo torna-se 10%, com uma correspondente redução de consumo de energia para 10 - 100 mW. Na extremidade baixa desta faixa, a operação da bateria torna-se uma possibilidade. As exigências do tempo de resposta serão diferentes para diferentes aplicações. Há dois modos de operação que podem ser requeridos de um sensor de gás que possa ser operado em baixo ciclo de serviço. O primeiro é uso intermitente ou esporádico. Aqui o sensor de gás começaria com intervalos irregulares, sob demanda. As medições poderiam ser disparadas manualmente ou por um segundo sensor que monitora mudanças no ambiente e estima a probabilidade de que o gás possa estar presente. Neste modo, o tempo de resposta para o sensor intermitente poderia ser quase tão curto quanto para um sensor contínuo, contanto que o tempo de ativação seja bastante curto.

[0003] O segundo modo é uso cíclico (ou independente). Para medição cíclica, o tempo máximo de resposta será limitado pelo período cíclico. Contanto que o período/tempo de resposta requerido seja mais longo do que o tempo necessário para uma única medição, o modo cíclico requererá menos potência. Repetindo, um tempo de ativação suficientemente curto é necessário.

[0004] Para ambos estes modos serem suficientes, é necessário que o sensor possa ser ‘iniciado a frio’ em um intervalo de tempo muito menor do que o tempo típico entre medições e que medições confiáveis, precisas sejam disponíveis após um tal curto tempo de partida. A presente invenção objetiva prover um sensor e método que tornem isto possível.

[0005] Os sensores de gás NDIR (infravermelho não disperso) simples medem a concentração empregando uma única fonte de luz e um único detector. Estes são geralmente não adequados para aplicações de segurança ou aplicações que requeiram boa estabilidade de longo termo sem recalibração.

[0006] Os sensores de gás confiáveis existentes utilizam diferentes métodos e configurações para compensar os erros, por exemplo, duas fontes de luz e um detector, ou dois detectores e uma fonte de luz, ou dois de cada (duplamente compensados). Em um sensor do estado da técnica duplamente compensado, uma fonte é provida com um filtro para a banda de comprimento de onda ‘ativa’, onde o gás absorve e a outra fonte é filtrada, de modo que ela emite uma banda de comprimento de onda de ‘referência’. As fontes são usualmente moduladas com frequências na faixa de 1 - 100 Hz. Um detector de referência monitora as intensidades de fonte, enquanto o detector principal mede a luz transmitida pelas duas fontes através do volume de medição e detecta se a luz foi absorvida pelo gás. Esta postura compensa diversos erros, tais como perda de luz no volume de medição e mudanças na intensidade de fonte. Uma boa compensação, entretanto, depende de um sistema suficientemente (termicamente) estável. Isto é de especial importância quando a frequência de modulação de fonte é baixa ou se os dois detectores forem montados de modo que eles vejam diferentes áreas da superfície da fonte (a temperatura em uma superfície de fonte infravermelha térmica é altamente não uniforme). Em alguns casos, um tempo de aquecimento de diversos minutos é necessário antes de o erro de medição estar suficientemente baixo.

[0007] Quando visto por um primeiro aspecto, a invenção provê um sensor de gás para medir a concentração de um gás predeterminado, compreendendo uma fonte de luz disposta para emitir pulsos de luz, um volume de medição, um detector disposto para receber luz que passou através do volume de medição e um filtro adaptável, disposto entre a fonte de luz e o detector e tendo um estado de medição em que ele passa pelo menos um banda de comprimento de onda que é absorvida pelo gás e um estado de referência em que dita banda de comprimento de onda é atenuada em relação ao estado de medição, em que o filtro adaptável é disposto para mudar entre um de dito estado de medição e dito estado de referência para o outro, pelo menos uma vez durante cada pulso.

[0008] A invenção estende-se a uma unidade detectora de gás operada por bateria sem fio, compreendendo um sensor de gás como exposto acima.

[0009] Quando visto por um segundo aspecto, a invenção provê um método de medir uma concentração de um gás predeterminado, compreendendo passar um pulso de luz através de um volume de medição para um detector, via um filtro adaptável disposto entre a fonte de luz e o detector, comutando-se dito filtro pelo menos uma vez em cada pulso para/de um estado de medição, em que ele passa pelo menos uma banda de comprimento de onda que é absorvida pelo gás e um estado de referência em que a banda de comprimento de onda é atenuada em comparação com o estado de medição; o método compreendendo determinar dita concentração de gás pela diferença da luz recebida pelo detector em ditos estados de medição e referência, respectivamente.

[00010] Assim, observamos que, de acordo com a invenção, uma medição de concentração de gás totalmente referenciada pode ser feita usando-se um único pulso de luz de uma única fonte de luz e usando-se um único detector. Isto possibilita um início rápido de baixo consumo de potência de medição de estado frio, confiável, precisa, em um curto período de medição. Assim, isto abre a possibilidade de uma unidade sensora sem fio, energizada por bateria, remota, com uma longa vida de bateria, porém que nas formas de realização preferidas pode ter a confiabilidade e estabilidade de um sistema duplamente compensado.

[00011] De acordo com a invenção, o filtro adaptável dirige a luz da fonte sobre o detector. Mudando-se seu estado, os comprimentos de onda de luz que ele passa são mudados. Preferivelmente, ele compreende um sistema microeletromecânico (MEMS). Este pode ser fabricado para ser capaz de mudar os comprimentos de onda da luz passada. A mudança pode ser realizada em uma escala de tempo menor do que um milissegundos, o que significa que um pulso de luz curto pode ser usado, enquanto ainda fornecendo tanto uma medição como período de referência, desse modo limitando o consumo de potência associado com a medição. O MEMS poderia compreender um elemento óptico difrativo, tendo uma pluralidade de bandas de grade disposta para serem movidas por um potencial eletrostático.

[00012] A solução MEMS é particularmente conveniente para ‘partir a frio’ o sistema sensor e realizar uma medição completa usando-se um único pulso de luz. Isto pode ser feito porque a modulação do comprimento de onda pode ser tão rápida que ruído de movimento ou baixa-frequência pode e porque as bandas de comprimento de onda ‘ativas’ e de ‘referência’ são medidas usando-se exatamente o mesmo trajeto de luz. O movimento, não uniformidade e outras fontes de erro afetarão as duas medições igualmente.

[00013] A invenção não é limitada ao filtro adaptável tendo somente dois estados; ela pode ter três ou mais estados. Isto poderia prover uma pluralidade de estados de medição/referência - p ex., para permitir que concentração de diferentes gases predeterminados seja medida ou compensar pela presença de um gás interferente particular, ou outro tipo conhecido de perturbação do espectro.

[00014] Assim, em um conjunto de formas de realização, o filtro adaptável compreende uma pluralidade de estados de medição, em cada um dos quais ele passa pelo menos uma banda de comprimento de onda que é absorvida pelo gás e para cada medição pelo menos um estado de referência, em que a banda de comprimento de onda, correspondendo ao estado de medição, é atenuada em relação a dito estado de medição. O sensor poderia ser disposto de modo que cada estado de medição fosse usado em cada pulso ou diferentes estados de medição pudessem ser usados em diferentes pulsos- p. ex., diferentes gases poderiam ser medidos em pulsos de luz alternando-se.

[00015] O filtro adaptável poderia, por exemplo, compreender uma estrutura unitária tendo uma pluralidade de posições, ou poderia compreender uma pluralidade de elementos de filtro, cada um tendo dois ou mais estados e dispostos para fornecer os desejados estados globais. Em qualquer caso, um MEMS é preferido.

[00016] Como aqui usado, o termo ‘pulso” quando aplicado à luz, é destinado a significar uma emissão ou aumento temporário na saída de luz. Nenhum formato de pulso particular é para ser inferido e não é necessariamente o caso de que fora dos pulsos não há emissão de luz. O comprimento de um pulso pode ser definido como a extensão de tempo para a qual a luz está acima de um limite predeterminado. A largura de pulso pode, em algumas formas de realização, ser entre 5 milissegundos e 5 segundos - p. ex., entre 10 e 1000 milissegundos.

[00017] Como discutido anteriormente, a frequência de pulso pode ser irregular onde a medição é esporádica ou sob demanda. alternativamente, pode ser regular - p. ex., menos do que uma vez cada 10 segundos, ou menos do que uma vez cada 30 segundos, ou menos do que uma vez um minuto, ou menos do que uma vez uma hora, ou menos do que uma vez um dia.

[00018] A fonte de luz poderia ser uma fonte térmica, tal como uma lâmpada de filamento ou membrana aquecida, ou uma fonte de estado sólido, tal como um diodo. O que é importante é que a fonte emita luz em ambas as bandas de comprimento de onda de medição e de referência.

[00019] O filtro adaptável poderia ser comutado entre seu estado de referência e medição ou vice-versa, apenas uma vez por pulso. Preferivelmente, ele é comutado regularmente entre ditos estados de medição e referência uma pluralidade de vezes durante cada pulso. Em algumas formas de realização, ele pode ser comutado mais do que 10 vezes por pulso, p. ex., mais do que 25 vezes ou mais do que 50 vezes por pulso. O número de vezes que ele comuta pode ser controlado para fornecer um nível de precisão requerido.

[00020] Em um conjunto de formas de realização, o sensor mede a taxa em que a saída do detector para não entrada, conhecida como “nível escuro” do detector, muda com o tempo. Isto permite que uma medição de concentração de gás mais precisa seja feita, uma vez que tais mudanças podem então ser compensadas.

[00021] Uma forma de realização preferida da invenção será agora descrita, como exemplo somente, com referência aos desenhos acompanhantes, em que:

[00022] As Figs. 1a e 1b são diagramas esquemáticos mostrando um sensor duplamente compensado da técnica anterior, durante medições de ar limpo e de uma quantidade significativa do gás predeterminado, respectivamente;

[00023] As Figs. 2a e 2b são diagramas esquemáticos mostrando um sensor de acordo com a invenção, durante medições de ar limpo e de uma quantidade significativa do gás predeterminado, respectivamente;

[00024] A Fig. 3 é um gráfico mostrando os dois estados do elemento de filtro e sua relação com o espectro de absorção do gás sendo medido;

[00025] A Fig. 4 é um diagrama mostrando as saídas registradas pelo detector em diferentes circunstâncias;

[00026] A Fig. 5 é um diagrama de blocos mostrando os componentes de um sistema sensor de acordo com a invenção;

[00027] A Fig. 6 é um desenho de uma parte do filtro adaptativo MEMS;

[00028] A Fig. 7 é uma vista seccional mais detalhada do filtro; e

[00029] A Fig. 8 é uma série de gráficos mostrando a variação de certos parâmetros durante operação.

[00030] Voltando primeiro às Figs. 1 e 2, pode ser vista uma comparação entre um sensor duplamente compensado da técnica anterior nas Figs. 1a e 1b e uma forma de realização da invenção nas Figs. 2a e 2b. O sistema duplamente compensado da Fig. 1a é tipicamente implementado em detectores comercialmente disponíveis para aplicações de segurança. Neste sistema duplamente compensado, duas fontes de luz A1, A2 e dois detectores B1, B2 asseguram que as medições sejam minimamente influenciadas por, p. ex., óptica suja, deslocamento de fonte de luz, temperatura. Dois filtros diferentes C1 e C2 são usados. Um filtro C1 transmite uma faixa de comprimento de onda que o gás sendo medido absorve. O outro filtro C2 é um filtro de referência, que transmite uma faixa de comprimento de onda vizinha.

[00031] Como pode ser visto na Fig. 1b, a luz de uma fonte infravermelha A2 passa através do volume de medição D e então para um divisor de feixe E, de modo que ela impinge em ambos os filtros C1 e C2. Se o gás de interesse estiver presente, ele absorverá luz de certos comprimentos de onda. A luz da outra fonte infravermelha A1 não passa através do volume de medição D, porém é diretamente incidente sobre o divisor de feixe E e assim em ambos os filtros C1 e C2.

[00032] A absorção pelo gás resultará em uma redução do sinal detectado pelo primeiro detector B1, porém não afetará o sinal no detector de referência B2. A diferença entre os sinais nos respectivos detectores pode ser usada para calcular a concentração do gás. Tais detectores são em geral eficazes e confiáveis em aplicações críticas de segurança. Entretanto, a provisão de duas fontes e dois detectores torna-os de manufatura relativamente cara e eles necessitam de um grau relativamente grande de potência em operação. Eles também necessitam de um certo tempo de aquecimento, a fim de alcançar estado constante com modulação de temperatura de fonte uniforme, o que é necessário para medições confiáveis.

[00033] Uma forma de realização da presente invenção é mostrada nas Figs. 2a e 2b. Aqui há somente uma única fonte infravermelha 2 e um único detector 4. A luz passa da fonte 2, via um espelho 8 e um filtro MEMS adaptativo 6 para o detector 4. Como a Fig. 2b mostra, ela passa duas vezes através do volume de medição 10, embora isto não seja essencial. Em uso, o elemento de filtro 6 é comutado repetidamente entre dois diferentes estados, de modo que a luz emergente tem um de dois possíveis comprimentos de onda associados com os respectivos estados. Um destes comprimentos de onda é na faixa de absorção do gás de interesse e o outro não. Assim, como antes, a concentração de gás pode ser calculada da saída do detector 4, correspondendo aos dois respectivos estados. Diferente do arranjo da técnica anterior, entretanto, o trajeto da luz é o mesmo para os comprimentos de onda, tanto de referência como ativo, e não há divisores de feixe. Se a fonte tiver uma intensidade não uniforme, há sujeira nas superfícies ópticas ou a resposta do detector muda, ambas as medições sendo afetadas da mesma maneira. O elemento de filtro 6 é holográfico, de modo que todos os trajetos de luz contribuem para a medição tanto ativa como de referência. A comutação entre dois estados é tão rápida que uma fonte variável/de desvio pode ser tolerada.

[00034] A Fig. 3 mostra os espectros de reflexão do elemento de filtro 6 em seus dois estados. A linha sólida 12 mostra o espectro de reflexão do filtro durante o estado de medição. Aqui será visto que neste estado há um único pico central de comprimentos de onda passado que coincide com o pico do espectro de absorção 14 de um gás hidrocarbonado (mostrado superposto no topo da Fig. 3). No estado de medição, o filtro, portanto, passa uma banda dos comprimentos de onda que são absorvidos pelo gás. A luz neste comprimento de onda será portanto afetada pela concentração do gás, uma vez que esta afetará quanto dela for absorvida.

[00035] Quando o elemento de filtro é comutado para seu estado de referência, entretanto, as características do filtro são mudadas, como mostrado pela linha tracejada 16, de modo que a luz é passada em duas faixas em cada lado do pico no espectro de absorção 14 e a faixa de comprimento de onda anteriormente passada no estado de medição (com o pico central) é significativamente atenuada, em comparação com aquele estado. Em razão de a faixa de passagem do estado de medição ser atenuada no estado de referência, aqui a luz passada não será significativamente afetada pela concentração de gás, uma vez que a luz que é passada não será significativamente absorvida pelo gás.

[00036] O espectro de absorção 14 mostrado aqui é meramente ilustrativa e pode diferir para diferentes gases - p. ex., pode ter mais do que um pico de absorção.

[00037] A Fig. 4 mostra uma ilustração simplificada das intensidades de comprimento de onda (na esquerda) e a saída de sinal pelo fotodetector 4 (à direita) para diferentes situações. As faixas R são faixas de referência, enquanto a faixa A é a faixa ativa. Assim, quando não há gás hidrocarboneto presente no ar, as faixas ativa e de referência são as mesmas e o sinal fotodetector é desmodulado pela comutação do elemento de filtro 6.

[00038] Quando um gás hidrocarboneto está presente, a luz na faixa ativa é reduzida, em comparação com a faixa de referência, devido à absorção pelo gás. Isto mostra uma modulação no sinal fotodetector correspondendo à comutação entre os dois estados. A amplitude da modulação pode ser usada, junto com a diferença na saída do detector, quando a fonte é comutada, para calcular a concentração de gás.

[00039] Se a fonte ou óptica forem sujas, a transmissão da luz através de ambas as faixas será reduzida igualmente e haverá constante redução no sinal fotodetector sem modulação.

[00040] Se a temperatura da fonte mudar entre duas medições, isto fornecerá diferentes níveis detectados absolutos, porém não haverá modulação e, assim, uma falsa leitura é evitada.

[00041] Finalmente, se não houver sinal devido a uma fonte falhada ou feixe bloqueado, novamente as faixas de referência e ativa serão afetadas igualmente.

[00042] O sistema é mostrado na Figura 5 na forma de uma representação de diagrama de bloco. O bloco sensor óptico representa o hardware de sensor óptico que é controlado por um microcontrolador. A luz emitida pela fonte 2 sai através da janela para a célula de medição 10. Após retornar da célula de medição 10, ela é filtrada pelo filtro MEMS 6 (módulo de Filtro) e é focalizada sobre o fotodetector 4. Os orifícios no lado esquerdo são conectados ao microcontrolador.

[00043] A luz atravessa os seguintes estágios. O primeiro estágio é geração. A fonte 2 emite radiação de larga faixa com uma intensidade e distribuição espectral dadas pela temperatura do filamento. Uma lente (não mostrada) coleta a luz para emitir para a célula de medição 10.

[00044] O segundo estágio é absorção. A radiação passa duas vezes através do volume de medição 10, retornando para a janela e abertura de entrada após reflexão no espelho externo 8. Quaisquer hidrocarbonetos presentes atenuará a radiação em uma faixa de comprimento de onda em torno de 3,3 μm, enquanto outros gases, contaminantes e óptica suja atenuarão através de uma mais larga faixa de comprimento de onda.

[00045] O terceiro estágio é filtragem. O filtro óptico MEMS, controlado por voltagem, alternativamente seleciona a faixa de medição de comprimento de onda de 3,3 μm, e uma dupla faixa de referência com picos em cada lado da faixa de medição de 3,3 μm.

[00046] O quarto estágio é detecção. Um fotodetector 4 mede a luz filtrada em sincronismo com a modulação de filtro. O sinal é amplificado e amostrado pelo microcontrolador.

[00047] As Figs. 6 e 7 mostram mais detalhes do filtro adaptativo MEMS. A superfície óptica do elemento de filtro 4 é um elemento óptico difrativo (DOE), que inicialmente focaliza luz dentro de uma única faixa de comprimento de onda. A fim de mudar de um estado de filtro para outro, a superfície óptica é segmentada em faixas de superfícies móveis 301 e estáticas 301 (isto é descrito em mais detalhes com referência à Figura 7). A diferença de altura entre estas superfícies determina o grau de interferência construtiva ou destrutiva da luz difratada. Uma diferença de 830 nm ou A/4 é necessária para interferência destrutiva no comprimento de onda central de 3,3 μm. O deslocamento ou diferença de altura é conseguido por atuação eletrostática das superfícies móveis 303, que são conectadas a molas 305 e suspensas acima de um substrato 304. A potência de restauração das molas defletidas 305 equilibra a potência eletrostática até um deslocamento crítico ser alcançado e a inteira estrutura 305 puxa para dentro em direção ao substrato 304. Em seguida, a diferença de altura resultante é determinada pela profundidade do rebaixo gravado no substrato.

[00048] A Fig. 7 mostra uma vista seccional do filtro. Os feixes estáticos 102 e feixes móveis 103 alternantes provêm as superfícies estática e móvel descritas acima. No topo de cada feixe, há um relevo de grade de difração 101. Os feixes estáticos 102 são presos ao substrato 105 por meio de, p. ex., ligação por fusão à camada de óxido de silício 106, enquanto os feixes móveis 103 são capazes de moverem-se nos rebaixos entalhados 107 contra os batentes 108.

[00049] O elemento de filtro é eletricamente equivalente a um capacitor dependente de voltagem, tendo uma capacitância tipicamente na faixa de 100 pF a 300 pF inicialmente e aumentando com a voltagem aplicada. O microcontrolador gera uma onda quadrada digital que controla um único polo, comutador de duas vias, cuja saída alterna-se entre 0V e 24V.

[00050] Os 24 V são gerados por um regulador elevador. Um resistor de sentido é usado para medir o fluxo de corrente para dentro e para fora do capacitor, para fins de autoteste. Isto é benéfico visto que permite que uma determinação seja feita quando o elemento de filtro não está funcionando. Isto é importante de um ponto de vista de segurança, uma vez que, se o filtro não funcionar nas formas de realização descritas aqui, um sinal negativo falso será dado, mesmo na presença de gás.

[00051] A Fig. 8 mostra a operação do sensor óptico. Olhando-se ao longo do eixo geométrico de tempo horizontal, no ponto I, o sensor óptico é ligado. Durante o período entre o ponto I e o ponto II, a fonte de luz é preaquecida. Durante a próxima fase até o ponto III, o nível ‘escuro’ e a inclinação são medidos. Em seguida, até o ponto IV, a fonte é aquecida. Na fase final do ponto IV ao ponto V, a modulação é medida.

[00052] A plotagem A mostra o sinal fotodetector. A plotagem rotulada alfa é o sinal quando nenhum gás está presente. A plotagem rotulada beta é o sinal recebido quando há uma alta concentração do gás sendo medida. A plotagem rotulada gama é o sinal escuro extrapolado, que é usado para calcular os valores corretos de S_SCR (o aumento do sinal recebido, resultante da transmissão da luz através do volume de medição) e S_MOD (a amplitude da modulação no sinal recebido, correspondendo à absorção da luz pelo gás no modo de medição) que são explicados mais abaixo.

[00053] A plotagem B mostra o sinal gerado pelo microcontrolador para controlar a operação do elemento de filtro. Quando o sinal de controle de filtro está elevado, o filtro está no estado de referência, quando o sinal de controle diminui, o filtro comuta para o estado de medição.

[00054] A plotagem C mostra a amostragem do sinal. Primeiro, o sinal escuro é amostrado a fim de calcular o nível e inclinação da curva gama mostrada na plotagem A. Em seguida, o sinal é amostrado em sincronismo com a comutação de filtro. Pode haver mais do que duas amostras em cada ciclo, porém, para simplicidade somente um par de amostras é mostrado por ciclo. Os valores de S_SRC e S_MOD são calculados das voltagens amostradas e o sinal escuro extrapolado. S_SRC e S_MOD são constantes durante a medição mostrada na figura, porém podem variar se a potência de fonte não for constante. Esta variação terá pouca influência na medição se os valores médios de S_SRC e S_MOD forem usados.

[00055] Finalmente, a plotagem D mostra o sinal do microcontrolador, que controla a fonte de luz. Primeiro, como mencionado acima, a fonte é preaquecida a uma temperatura que é bastante baixa para não ser medida pelo detector. O estágio de preaquecimento reduz o tempo entre o ponto III e IV, o tempo de elevação, que é benéfico para precisão de medição e consumo de energia. Após a medição do sinal escuro, a voltagem fonte é mudada gradualmente ou continuamente até a correta temperatura de fonte ser alcançada. No exemplo mostrado aqui, uma voltagem constante é aplicada durante a medição da modulação. Em princípio, a voltagem de potência de fonte pode, entretanto, ser controlada durante a medição da modulação.

[00056] A fim de calcular a concentração de gás, são necessárias as seguintes variáveis: a intensidade do pulso de luz (S_SRC); e a amplitude da modulação de luz (S_MOD). Além disso, naturalmente necessita-se informação do sistema, tal como o comprimento do trajeto óptico no volume de medição, as características do filtro modulado, o espectro de fonte aproximado e a resposta espectral do fotodetector. A informação do sistema é parcialmente dada por projeto e parcialmente constatada por medições de calibração.

[00057] Um método preferido de determinar a concentração do gás pelos sinais medidos é através da relação S_NORM = S_MOD/S_SRC. O sinal de S_MOD depende de seu ele está em fase com o sinal de controle de filtro na plotagem B. Quando nenhum gás está presente, S_MOD (e assim S_NORM) está próximo de zero. O sinal calibrado S_CAL é então calculado como S_CAL = GAIN_S(T) * (S_NORM - S_0(T), onde S_0(T) e GAIN_S(T) são usados para compensar o deslocamento da temperatura e variações individuais entre filtros. Os coeficientes são determinados pelas medições de calibração, usando-se uma mistura de gás conhecida, através de uma faixa de temperaturas. A concentração do gás é uma função não linear de S_CAL.

[00058] O nível escuro do fotodetector S_DET pode oscilar em um grau significativo durante a medição, o que resultará em erro de medição tanto em S_SRC como S_MOD. Para compensar por isto, nesta forma de realização a taxa de mudança de S_DET é medida e um valor extrapolado é usado quando calculando-se S_SRC.

[00059] Embora na forma de realização descrita o filtro tenha somente um estado de medição, ele poderia ter múltiplos de tais estados, permitindo que as concentrações de múltiplos gases sejam medidas.

Claims

1. Sensor de gás para medir a concentração de um gás predeterminado, compreendendo uma fonte de luz (2) , um volume de medição (10), um detector (4) disposto para receber luz que passou através do volume de medição (10), e um filtro (6), disposto entre a fonte de luz (2) e o detector (4) e tendo um estado de medição em que ele passa pelo menos uma faixa de comprimento de onda que é absorvida pelo gás e um estado de referência em que a faixa de comprimento de onda é atenuada em relação ao estado de medição, caracterizado pelo fato de que a fonte de luz (2) é disposta para emitir pulsos de luz; o filtro (6) é um filtro adaptável que é disposto para mudar entre um de o estado de medição e o estado de referência para o outro, pelo menos uma vez durante cada pulso.

2. Sensor de gás, de acordo com reivindicação 1, caracterizado pelo fato de que o filtro adaptável (6) compreende um sistema microeletromecânico (MEMS).

3. Sensor de gás, de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelo fato de que o filtro adaptável (6) compreende um elemento óptico difrativo, tendo uma pluralidade de faixas de rede (303,103) disposta para serem movidas por um potencial eletrostático.

4. Sensor de gás, de acordo com qualquer uma das reivindicações 2 ou 3, caracterizado pelo fato de que o filtro MEMS (6) compreende meios para medir a mudança de capacitância nele para fins diagnósticos.

5. Sensor de gás, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 4, caracterizado pelo fato de que compreende uma única fonte de luz (2) e um único detector (4).

6. Sensor de gás, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 5, caracterizado pelo fato de que é disposto para medir a taxa em que a saída do detector (4) para não entrada muda com o tempo.

7. Sensor de gás, de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 6, caracterizado pelo fato de que o filtro adaptável (6) compreende uma pluralidade de estados de medição, em cada um dos quais ele passa pelo menos uma faixa de comprimento de onda que é absorvida pelo gás e para cada medição pelo menos um estado de referência, em que a faixa de comprimento de onda, correspondendo ao estado de medição, é atenuada em relação ao estado de medição.

8. Unidade detectora de gás operada por bateria sem fio, caracterizada pelo fato de que compreende um sensor de gás como definido em qualquer uma das reivindicações 1 a 7.

9. Método para medir a concentração de um gás predeterminado, compreendendo passar uma luz através de um volume de medição (10) para um detector (4), via um filtro (6) disposto entre a fonte de luz (2) e o detector (4), em que o filtro (6) tem um estado de medição em que ele passa pelo menos uma faixa de comprimento de onda que é absorvida pelo gás e um estado de referência em que a faixa de comprimento de onda é atenuada em comparação com o estado de medição; o método compreendendo determinar a concentração de gás pela diferença da luz recebida pelo detector (4) nos estados de medição e referência, respectivamente; caracterizado pelo fato de que a luz é um pulso de luz; o filtro (6) é um filtro adaptável; e o método compreende ainda comutar o filtro pelo menos uma vez em cada pulso para/de o estado de medição e o estado de referência pelo menos uma vez em cada pulso.

10. Método, de acordo com reivindicação 9, caracterizado pelo fato de que compreende a concentração de um único pulso.

11. Método, de acordo com reivindicação 9 ou 10, caracterizado pelo fato de que compreende medir a concentração empregando uma única fonte de luz (2) e detector.

12. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 11, caracterizado pelo fato de que compreende repetidamente comutar o filtro (6) entre os estados de medição e referência uma pluralidade de vezes durante cada pulso.

13. Método, de acordo com reivindicação 12, caracterizado pelo fato de que compreende medir a concentração empregando-se uma amplitude de modulação do sinal detectado pelo detector (4).

14. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 13, caracterizado pelo fato de que compreende medir a taxa em que a saída do detector (4) para não entrada muda com o tempo.

15. Método, de acordo com qualquer uma das reivindicações 9 a 14, caracterizado pelo fato de que o filtro adaptável (6) compreende uma pluralidade de estados de medição, em cada um dos quais ele passa pelo menos uma faixa de comprimento de onda que é absorvida pelo gás e para cada medição pelo menos um estado de referência, em que a faixa de comprimento de onda correspondendo ao estado de medição é atenuada em relação ao estado de medição, o método compreendendo comutar para cada um dos estados de medição pelo menos uma vez durante cada pulso.