CN108627560A - 利用加热器电流变化的气体传感器模块的温度补偿方法 - Google Patents

利用加热器电流变化的气体传感器模块的温度补偿方法 Download PDF

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Abstract

一种利用加热器电流变化的气体传感器模块的温度补偿方法可以包括：从电解质的电解反应等式推导气体传感器模块的输出电压等式，并将输出电压等式推导为针对基于传感器温度而变化的波动温度和未知类型补偿系数的等式；由加热器电流来推导波动温度，并由所述加热器电流和所述补偿系数来推导输出电压等式，所述加热器电流指的是形成于气体传感器模块中的加热器电流值；在两点或多点处测量取决于加热器电流的输出电压，以确定所述输出电压等式的补偿系数，而所述输出电压配置成利用由气体传感器模块测量的加热器电流的变化来补偿，而不考虑外部温度。

Description

利用加热器电流变化的气体传感器模块的温度补偿方法
与相关申请的交叉引用
本申请要求2017年3月16日提交的韩国专利申请第10-2017-0032978号的优先权，该申请的全部内容结合于此，以用于通过该引用的所有目的。
技术领域
本发明涉及一种利用加热器电流变化的气体传感器模块的温度补偿方法，具体地，本发明涉及一种通过测量布置于气体传感器模块中的加热器的电阻或电流来补偿输出电压的补偿方法。
背景技术
二氧化碳作为气体，在大气中的化学性质非常稳定，是全球变暖的主要原因。除了环境问题外，对于建筑物的室内空气调节和园艺设施来说，对二氧化碳浓度进行控制的需求也有所增加，因此，对测量存在于大气中的二氧化碳气体浓度的方法进行了积极的研究。
作为目前测量存在于大气中的二氧化碳气体浓度的方法，提出了光学方法(NDIR方案)，该方案是利用二氧化碳只吸收具有特定波长的红外线的原理，通过测量红外线吸收度来测量二氧化碳气体浓度的方案。此外，同样存在固体电解质或半导体类型的气体传感器，半导体类型气体传感器的检测原理利用了目标气体在陶瓷(氧化物)半导体表面上吸附或解除吸附时，所引发的现象(电导率(即，电阻)发生变化，或者热导率发生变化)。
在这方面，现有技术中的韩国专利未经审查的公开第10-2009-0083125号(纳米器件气体传感器的温度补偿气体测量装置，TEMPERATURE-COMPENSATED GAS MEASUREMENTAPPARATUS FOR NANO DEVICE GAS SENSOR)，公开了一种利用纳米器件气体传感器的气体测量装置，所述气体测量装置可以精确补偿气体测量装置中基于温度变化的电阻值，并验证温度补偿程度及电路是否发生故障。
然而，在相关技术中有这样的问题，由于在气体传感器中需要包括惠斯通电桥等的模拟电路，而温度是通过测量气体传感器中的温度变化来直接补偿，所以尤其需要高价的温度传感器。
公开于本发明背景技术部分的信息仅仅旨在增强对本发明的总体背景的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
发明内容
本发明的各个方面都致力于提供一种在没有内部温度传感器的情况下对温度进行补偿的气体传感器模块的补偿方法。
本发明的各个方面致力于提供一种利用加热器电流变化的气体传感器模块的温度补偿方法，所述方法包括：第一步骤，从电解质的电解反应等式推导气体传感器模块的输出电压等式，并将输出电压等式推导为针对基于传感器温度而变化的波动温度和未知类型补偿系数的等式；第二步骤，由加热器电流来推导波动温度，并由所述加热器电流和所述补偿系数来推导输出电压等式，所述加热器电流指的是形成于气体传感器模块的加热器电流值；第三步骤，在两点或多点处测量取决于的加热器电流的输出电压，以确定所述输出电压等式的补偿系数，而所述输出电压利用由气体传感器模块测量的加热器电流的变化来补偿，而不考虑外部温度。
在第一步骤中，电解质的电解反应等式可以由电极反应能量等式来表示，所述电极反应能量等式推导为与电极反应焓或电极反应熵相关联的等式。
所述第二步骤可以包括基于所述波动温度来推导所述加热器的波动电阻，以及利用所述波动电阻来推导所述加热器电流与所述输出电压的关系等式。
所述第三步骤可以包括通过在所述输出电压等式中带入所述补偿系数来确定最终补偿等式，波动的输出电压可以经由最终补偿等式，通过测量基于波动温度而变化的所述加热器电流来补偿。
所述输出电压可以通过取决于所述波动温度的一次线性方程来推导。
根据本发明示例性实施方案，由于温度由加热器电阻来补偿，所以不需要附接单独的温度计，从而降低了成本。
由于不需要单独的温度测量电路，而加热器本身接触传感器，因此具有可以迅速观察到传感器的温度变化的优点。
本发明的方法和装置具有其它的特性和优点，这些特性和优点从并且入本文中的附图和随后的具体实施方案中将是显而易见的，或者将在并且入本文中的附图和随后的具体实施方案中进行详细陈述，这些附图和具体实施方案共同用于解释本发明的特定原理。
附图说明
图1显示了根据本发明示例性实施方案的采用温度补偿的气体传感器模块。
图2是显示了根据本发明示例性实施方案的利用加热器电流变化的用于气体传感器模块的温度补偿方法的流程图。
图3A显示了根据本发明示例性实施方案的通过在腔室里设置环境条件来利用气体传感器模块测量气体的情况。
图3B显示了根据本发明示例性实施方案的取决于外部温度的输出电压。
图3C显示了根据本发明示例性实施方案的外部温度随着时间而升高的情况。
图3D显示了根据本发明示例性实施方案的取决于外部温度的加热器的电流消耗量。
图4显示了根据本发明示例性实施方案的气体传感器模块的输出电压与加热器的消耗电流之间的对比。
图5显示了根据本发明示例性实施方案的取决于外部温度的气体传感器模块的输出电压。
图6显示了根据本发明示例性实施方案的利用输出电压和加热器电流来补偿的二氧化碳浓度。
应当理解的是，附图并非按比例地绘制，而是为了说明本发明的基本原理的各种特征的适当简化的画法。本文所公开的本发明的具体设计特征(包括例如，具体尺寸、方向、位置和外形)将部分地由具体所要应用和使用的环境来确定。
在这些图形中，贯穿附图的多幅图形，本发明的同样的或等同的部件以相同的附图标记标引。
具体实施方式
现在将对本发明的各个实施方案详细地作出展示，这些实施方案的示例被显示在附图中并且描述如下。尽管将结合示例性实施方案来对本发明进行描述，但是应当意识到，本说明书并非意图将本发明限制为那些示例性实施方案。相反，本发明旨在不但覆盖这些示例性实施方案，而且覆盖可以包括在由权利要求所限定的本发明的精神和范围之内的各种替选方式、修改方式、等同方式以及其它的实施方案。
此外，在以下描述中可能会省略对与本发明相关的已知技术的详细解释，以避免不必要地模糊本发明的主题。
图1显示了根据本发明示例性实施方案的采用温度补偿的气体传感器模块1。参照图1，气体传感器模块1可以包括检测电极10、参考电极50、电解质30和加热器70。
在固体电解质气体传感器中，固体中的离子为了化学平衡而通过接触固体表面的气体来沿固体电解质运动，而接触气体的浓度可以利用在当时发生的固体两个端部之间的电位差来测量。
固体电解质代表电流可以通过离子的运动在其中流动的固体状态下的材料，在本发明的示例性实施方案中，固体电解质可以是氧化锆、钠-β氧化铝、NASICON和LISICON中的任意一种。
电解质30存在于检测电极10和参考电极50之间，可以用指示测量仪器、接收器等的敏感程度的灵敏度来表示，该灵敏度对外部刺激和动作起反应。在本发明的示例性实施方案中，取决于测量气体浓度变化的电动势差定义为输出电压。
在本发明的示例性实施方案中，需要感测由于要测量的气体与所检测的材料之间的化学反应所引起的输出电压变化，并且要求所检测的材料分解反应所需的高温来作为工作温度。在此过程中，运行传感器所需的高温可以定义为工作温度，为此，气体传感器模块可以包括加热器70。
输出电压可以定义为检测电极10与参考电极50之间的电化学电位差，并表示参考电极50与检测电极10之间的电位差。
根据另一示例性实施方案，气体传感器模块1可以包括加热器装置、补偿装置或控制装置；所述加热器装置可以包括其电阻或消耗电流基于外部温度而变化的装置；所述补偿装置可以通过确定输出电压的变化量来确定补偿系数，所述输出电压的变化量取决于加热器装置的电阻或消耗电流的变化量；所述控制装置可以控制输出电压，从而通过利用补偿装置的补偿系数，显示了取决于外部温度的输出电压。
气体传感器模块1可以通过以下描述的补偿方法来补偿输出电压，并不论外部温度如何，通过在气体传感器模块1中测量的加热器70的电流的变化来补偿输出电压。
在下文中，将描述通过测量形成于气体传感器模块1中的加热器70的电阻或电流的变化来对气体传感器模块1进行温度补偿的方法。
图2是显示了根据本发明示例性实施方案的利用加热器70的电流变化的气体传感器模块1的温度补偿方法的流程图。参照图2，气体传感器模块1的温度补偿方法可以包括第一步骤、第二步骤和第三步骤。
在第一步骤(S10)中，可以从电解质30的电解反应等式推导出气体传感器模块1的输出电压等式，而输出电压等式可以推导出针对基于传感器温度来变化的变化温度和未知类型的补偿系数的等式。
以使用NASICON来作为电解质30时，图1的输出电压V可以通过以下给出的化学反应等式来表示：
检测电极：2Na，检测+CO2+(1/2)O2＝Na2CO3
参考电极：2Na，参考+(1/2)O2＝Na2O，NASICON
整个电极反应：Na2O+CO2＝Na2CO3
在第一步骤(S10)中，电解质30的电解反应等式由电极反应能量(Gibbs energy，吉布斯能)等式来表示，所述电极反应能量等式推导为与电极反应焓或反应熵相关联的等式。在这里，输出电压可以推导为如[等式1]所示。
[等式1]
(ΔGf：形成自由能，ΔGrxn.：整个电极反应的反应能量，二氧化碳活性/浓度，ΔHrxn.：总电极反应焓(几乎与温度无关)，ΔSrxn.：总电极反应熵(不考虑温度)，T：温度，R：气体常数，F：法拉第常数，V：传感器输出电压)
在以上给出的等式1中，电解质30的电解反应等式表示为电极反应能量等式，而相应的能量等式表示为吉布斯自由能的等式。在以上给出的等式1中，每个反应焓和反应熵可以表示为影响气体传感器的温度的函数。
等式1中所示的温度可以通过测量加热器70的温度来获得，加热器70的温度基于外部温度而波动，但在本发明的示例性实施方案中，由于不需要温度计，所以等式1中的温度可以通过加热器70电流或电阻的变化来获得。
当输出电压再次用等式1中的参考温度和波动温度来表示时，输出电压可以表示如下。
总输出电压可以从上述等式中确定，如等式2所示。
[等式2]
(ΔGf：形成自由能，ΔGrxn.：整个电极反应的反应能量，二氧化碳活性/浓度，ΔHrxn.：总电极反应焓(几乎不考虑温度)，ΔSrxn.：总电极反应熵(几乎与温度无关)，T：传感器温度，R：气体常数，F：法拉第常数，V：传感器输出电压，A：参考温度下的灵敏度，B、B’、C’、D：常数，T0：参考温度(特定室外温度下(例如，23℃)的传感器温度)，V0：参考温度下的输出电压，ΔV：取决于室外温度的输出电压变化量)
图3A显示了根据本发明示例性实施方案的通过在腔室里设置环境条件来利用气体传感器模块1测量气体的情况。参照图3A，腔室容积为150mL，气流量为100sccm，湿润空气和干燥空气的混合物的湿度控制、空气/CO2-空气平衡混合物的CO2浓度控制、Kanthal炉(Kanthal furnace)的外部温度控制，以及K型TC温度计，可以根据本发明的示例性实施方案来确定。
在第二步骤(S30)中，波动温度可以由加热器70的电流推导出来，加热器70的电流指的是形成于气体传感器模块1中的加热器70的电流值，而输出电压等式可以由加热器70的电流和补偿系数推导出来。因此，在以上给出的等式2中，前一项可以成为参考电压V0，而后一项可以变成ΔV，并且后一项可以推导出到波动温度。
图3B、图3C和图3D显示了根据本发明示例性实施方案的取决于外部温度和加热器70的消耗电流的输出电压。如图3C所示，根据示例性实施方案，外部温度可以在25℃到75℃的范围内进行改变，因此，输出电压显示于图3B中，并且加热器70的消耗电流可以如图3D所示进行波动。
本发明用于在没有温度计的情况下补偿输出电压，而在等式2中，可以推导出加热器70的电阻或电流的等式，以测量波动温度。
第二步骤(S30)可以包括推导取决于波动温度的加热器70的波动电阻，以及利用波动电阻来推导出加热器70的电流与输出电压的关系等式。
可以从等式3推导出取决于波动温度的加热器70的波动电阻。作为一般温度和电阻的等式，可以看出，在气体传感器模块1中，电阻率基于气体传感器模块1外部所产生的波动温度而变化，因此，只有通过测量气体传感器模块1中的加热器70的电流，才可以推导输出电压，从而对输出电压进行预测。
[等式3]
(ρ：电阻率，T：温度，α：温度系数)
基于等式3，等式4可以推导如下
(α，在室外温度变化的条件下几乎恒定，I加热器的变化量约为百分之几，S：形状系数)
[等式4]
(α，在室外温度变化的条件下几乎恒定，I加热器的变化量约为百分之几，D：常数)
[等式5]
ΔT≈DΔI加热器
因此，确定加热器70中的形状系数和加热器70的消耗电流，并且可以从欧姆定律推导出等式5。由于加热器70的波动温度和电流变化几乎是线性的，因此输出电压也可以通过取决于波动温度的一次线性方程(primary linear equation)推导出来。
利用波动电阻，可以通过将等式5代入等式2来推导加热器70的电流与输出电压的关系等式。通过波动温度与波动电阻之间的关系和波动电阻与加热器70的电流之间的关系，在等式2中，输出电压值可以表示为加热器70的电流。因此，输出电压的波动可以进行推导，如等式6所示。
[等式6]
图4和图5显示了根据本发明示例性实施方案，气体传感器模块1的输出电压与加热器70的消耗电流之间的关系，以及输出电压与外部温度之间的关系。参照图4和图5，可以清楚地理解以上给出的等式6的输出。
在第三步骤(S50)中，在两点或多点处测量取决于加热器70的电流的输出电压，以确定输出电压等式的补偿系数。第三步骤可以包括通过在输出电压等式中代入补偿系数来确定最终补偿等式，并且可以通过测量加热器70的电流来补偿波动的输出电压，加热器70的电流经由最终补偿等式、基于波动温度而变化。
由于外部温度的变化，加热器70的消耗电流和输出电压呈线性关系。参考等式6，B’和D可以是在两个二氧化碳浓度下传感器输出电压相对于加热器70的电流的变化率。
[等式7]
(ΔI加热器＝I加热器-I加热器，0，V：传感器输出电压，I加热器：加热器电流消耗量，I加热器，0：参考电流，参考温度下的电流消耗量，T0：参考温度，参考电流下的传感器温度，A：参考温度(或者，参考电流)下的灵敏度(大约-60毫伏/倍频程(mv/decade))
图6显示了根据本发明示例性实施方案的利用输出电压和加热器电流来补偿的二氧化碳浓度。
参考图6，在第一步骤到第三步骤中，可以通过改变加热器70的电流来补偿输出电压，加热器70的电流由气体传感器模块1测量，与外部温度无关。
根据本发明示例性实施方案，在这样的过程中描述的补偿方法可以发生在气体传感器模块1内部或外部，并可以包括能够进行所述确定的所有装置。也即，该补偿方法可以通过控制装置或存储装置来实现，还可以包含包括了控制命令的算法或程序。
为了便于在所附权利要求中解释和精确定义，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“向上”、“向下”、“向上地”、“向下地”、“前”、“后”、“背面”、“内侧”、“外侧”、“向内地”、“向外地”、“内部的”、“外部的”、“向前”以及“向后”用来参考在图中所示的示例性实施方案的特征的位置来对这些特征进行描述。
前面对本发明具体示例性实施方案所呈现的描述出于说明和描述的目的。前面的描述并非旨在穷举，或者将本发明限制为公开的精确形式，并且显然的是，根据以上教导可以进行很多修改和变化。选择示例性实施方案并且进行描述是为了解释本发明的特定原理及其实际应用，从而使得本领域的其他技术人员能够实现并且利用本发明的各种示例性实施方案及其不同选择形式和修改形式。本发明的范围意在由所附权利要求书及其等同形式所限定。

Claims (5)

1.一种利用加热器电流变化的气体传感器模块的温度补偿方法，所述方法包括：
第一步骤，从电解质的电解反应等式推导气体传感器模块的输出电压等式，并将输出电压等式推导为针对基于传感器温度而变化的波动温度和未知类型的补偿系数的等式；
第二步骤，由加热器电流来推导波动温度，并由所述加热器电流和所述补偿系数来推导输出电压等式，所述加热器电流指的是形成于气体传感器模块中的加热器电流值；
第三步骤，在两点或多点处测量取决于加热器电流的输出电压，以确定所述输出电压等式的补偿系数，
其中，所述输出电压利用由气体传感器模块测量的加热器电流的变化来补偿，而不考虑外部温度。
2.根据权利要求1所述的利用加热器电流变化的气体传感器模块的温度补偿方法，其中，在第一步骤中，电解质的电解反应等式由电极反应能量等式来表示，所述电极反应能量等式推导为与电极反应焓或熵相关联的等式。
3.根据权利要求1所述的利用加热器电流变化的气体传感器模块的温度补偿方法，其中，所述第二步骤包括：
基于所述波动温度来推导所述加热器的波动电阻，
利用所述波动电阻来推导所述加热器电流与所述输出电压的关系等式。
4.根据权利要求1所述的利用加热器电流变化的气体传感器模块的温度补偿方法，其中，所述第三步骤包括：通过在所述输出电压等式中带入所述补偿系数来确定最终补偿等式，
将波动的输出电压配置为经由最终补偿等式，通过测量基于波动温度而变化的所述加热器电流来补偿。
5.根据权利要求1所述的利用加热器电流变化的气体传感器模块的温度补偿方法，其中，所述输出电压通过取决于所述波动温度的一次线性方程来推导。
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