CN111220300A - 具有致动器的环境传感器 - Google Patents

具有致动器的环境传感器 Download PDF

Info

Publication number
CN111220300A
CN111220300A CN201911179158.9A CN201911179158A CN111220300A CN 111220300 A CN111220300 A CN 111220300A CN 201911179158 A CN201911179158 A CN 201911179158A CN 111220300 A CN111220300 A CN 111220300A
Authority
CN
China
Prior art keywords
sensor
actuator
sensor unit
variable
gas
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN201911179158.9A
Other languages
English (en)
Inventor
J·舒姆
P·格尔纳
D·吕费尔
D·尼德尔伯格
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Sensirion AG
Original Assignee
Sensirion AG
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Sensirion AG filed Critical Sensirion AG
Publication of CN111220300A publication Critical patent/CN111220300A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
    • G01K13/02—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/121—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid for determining moisture content, e.g. humidity, of the fluid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D21/00—Measuring or testing not otherwise provided for
    • G01D21/02—Measuring two or more variables by means not covered by a single other subclass
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K1/00—Details of thermometers not specially adapted for particular types of thermometer
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K13/00—Thermometers specially adapted for specific purposes
    • G01K13/02—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow
    • G01K13/024—Thermometers specially adapted for specific purposes for measuring temperature of moving fluids or granular materials capable of flow of moving gases
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01K—MEASURING TEMPERATURE; MEASURING QUANTITY OF HEAT; THERMALLY-SENSITIVE ELEMENTS NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01K15/00—Testing or calibrating of thermometers
    • G01K15/005—Calibration
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N15/06—Investigating concentration of particle suspensions
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0011—Sample conditioning
    • G01N33/0016—Sample conditioning by regulating a physical variable, e.g. pressure or temperature
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/0047—Organic compounds
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0073—Control unit therefor
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N2015/0023—Investigating dispersion of liquids
    • G01N2015/0026—Investigating dispersion of liquids in gas, e.g. fog
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N15/00—Investigating characteristics of particles; Investigating permeability, pore-volume or surface-area of porous materials
    • G01N2015/0042—Investigating dispersion of solids
    • G01N2015/0046—Investigating dispersion of solids in gas, e.g. smoke
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/02—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance
    • G01N27/04—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance
    • G01N27/12—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating impedance by investigating resistance of a solid body in dependence upon absorption of a fluid; of a solid body in dependence upon reaction with a fluid, for detecting components in the fluid
    • G01N27/128—Microapparatus
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0006—Calibrating gas analysers

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Dispersion Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)

Abstract

传感器单元，包括：传感器(3)，用于感测环境气体的变量；致动器(4)，用于将环境气体供应到传感器(3)；以及一个或更多个组件(7)，影响传感器(3)提供的测量结果。传感器单元的估计器(9)被配置为根据第一测量结果和第二测量结果确定没有所述一个或更多个组件(7)的影响的变量的环境值，第一测量结果是由传感器(3)响应于致动器(4)的第一激活状态而提供的，第二测量结果是由传感器(3)响应于致动器(4)的第二激活状态而提供的，第二激活状态不同于第一激活状态。

Description

具有致动器的环境传感器
技术领域
本发明涉及一种传感器单元，其具有用于感测环境气体的变量的传感器和致动器。本发明的另一方面涉及一种用于确定这种传感器单元的周围环境中的气体中的变量的环境值的方法。
背景技术
集成到电子装置中的传感器无处不在，例如，在移动电话、可穿戴装置，IoT(物联网)装置或常规感测装置中。它们感测周围环境，尤其是诸如空气、另一种气体、气雾(aerosol)或分散体(dispersion)等周围气体的各种物理量。物理量可以包括但不限于环境气体中的湿度、温度、气体浓度或颗粒物浓度中的一种或更多种。
这种传感器的测量的准确性和可靠性可能会受到源自电子装置的干扰的影响，该电子装置至少部分围绕该传感器。常见的干扰源可以包括以下一种或更多种：来自电子装置组件的热流、来自电子装置材料的放气或吸气以及其他。已经开发出复杂的补偿算法，以便仍然为周围环境中，即在电子装置外部的物理量返回准确且可靠的值。但是，这些算法的性能受到限制。
除了提高测量的准确性和可靠性的纯粹算法方法外，较早前已提出要增强流入和流出传感器的环境气体的流量。例如，US 2014/0134053 A1公开了一种便携式电子装置，该便携式电子装置具有：壳体；化学传感器，布置在壳体内并适于测量至少一种分析物的特性；终止于壳体中的开口处的导管，用于将化学传感器暴露于待分析的气体；以及致动器，用于在导管内产生流量。
本发明的目的是提供一种具有致动器的传感器单元，该致动器在确定所讨论的物理量的环境值时具有改进的质量。
发明内容
根据权利要求1的传感器单元和根据权利要求14的方法解决了提高确定物理量的环境值时的准确性和可靠性的问题。传感器单元可以例如是IoT装置、移动电话、可穿戴装置或任何其他传感器装置。
根据本发明的第一方面，传感器单元包括：传感器，用于感测环境气体的变量；以及致动器，用于将环境气体供应到传感器。供应环境气体应包括直接向传感器供应环境气体，但也应包括增强传感器附近的环境气体，例如，受诸如扩散等其他过程的支持。环境气体可以包括气体、气雾或分散体中的一种，并且可以具体地指围绕传感器单元的环境空气或另一种环境气体。由传感器感测的并表示待测量的物理量的变量的示例包括但不限于环境气体的湿度、温度、气体浓度或颗粒物浓度中的一种或更多种。因此，传感器还可以被配置为检测包括在诸如气雾等气体中的固体或液体。例如，变量可以指环境空气中的颗粒物(particulate)，然后变量的值可以指颗粒物的尺寸的浓度。致动器可以是直接或间接致动器，例如包括风扇、泵或扬声器中的一个或更多个。特别地，致动器可以是电可控的。本发明还可以应用于已经包括用于不同目的的致动器的装置，例如具有风扇的空气净化器。在US2014/0134053 A1中描述了另一致动器布置，其通过引用包含在本文中。
此外，传感器单元包括一个或更多个组件，一个或更多个组件影响由传感器提供的测量结果，使得由传感器提供的信号的一部分源自这些一个或更多个组件而不是环境。如背景技术部分中所讨论的，这样的一个或更多个组件可能会引起传感器的测量的干扰，例如，通过一个或更多个组件的材料的热流、放气或吸气。因此，假定传感器提供的测量结果受到这样的一个或更多个组件的干扰，即，传感器提供了待感测的变量的干扰值，而期望知道环境变量的未受干扰的值，该未受干扰的值在下文中称为环境值。此外，传感器单元包括估计器，该估计器用于确定没有一个或更多个组件的影响的变量的环境值。环境值取决于第一测量结果和第二测量结果，该第一测量结果是传感器响应于致动器的第一激活状态而提供的，该第二测量结果是传感器响应于致动器的第二激活状态而提供的，该第二激活状态不同于第一激活状态。本发明的一优点是，它允许改进变量的环境值的确定，即，确定更准确和更可靠的变量的环境值。
在一个实施例中，第一激活状态可以是致动器的关闭状态，第二激活状态可以是致动器的开启状态。在另一个实施例中，第一激活状态可以是致动器的低功率状态，第二激活状态可以是致动器的高功率状态，致动器在高功率状态下消耗的功率超过在低功率状态下消耗的功率。因此，优选地，第一激活状态和第二激活状态在引起或支撑到传感器和/或离开传感器的环境气体的流动方面不同。以这种方式，优选地，在致动器的第一激活状态和第二激活状态下在传感器处感测到的变量的值不同。假设对于第一测量结果和第二测量结果，环境气体中变量的环境值相等且一个或更多个组件的影响相等，则可以得出变量的环境值。
此外，优选地，传感器单元可以包括通道，该通道具有通向环境的入口和出口，其中，传感器布置在通道内或通道处，用于感测通过传感器的环境气体中的变量。致动器被有利地布置成将环境气体从入口通过通道供应到出口，从而通过传感器。对于致动器和通道的典型布置，再次参考US2014/0134053 A1中的说明，其通过引用包含在本文中。
提出了传感器单元的两个优选实施例，其不同之处在于，一方面，估计器被动地监测致动器的激活状态以接受第一测量结果和第二测量结果，另一方面，传感器单元的控制单元主动地控制致动器，用于进行第一测量和第二测量。在第一实施例中，估计器被适应为监测致动器的激活状态，并且如果相应的第二激活状态与相应的第一激活状态偏离最小限度(minimum margin)，优选地，功率的最小限度，则接受传感器提供的两个测量结果作为第一测量结果和第二测量结果。特别地，估计器被适应为仅另外在相应的第一测量和相应的第二测量之间的时间间隔小于阈值的情况下才接受两个测量结果作为第一测量结果和第二测量结果。在这种情况下，接受测量结果包括在确定环境值时应用相应的测量结果。在第二实施例中，控制单元被适应为将致动器切换到第一激活状态和第二激活状态，以分别进行第一测量和第二测量。特别地，控制单元被适应为在限定的时间间隔内或在限定的时间点将致动器切换到第一激活状态和第二激活状态。
假定时间间隔的条件是为了确保满足变量的恒定环境值和一个或更多个组件对测量结果恒定影响的假设。如果预计环境值的变化和一个或更多个组件的影响的变化在时间间隔内或限定的时间点之间分别保持在限定的范围内，则也可以认为满足这些假设。
优选地，估计器被配置为：基于对于致动器的第一激活状态和第二激活状态中的每一个，从一个或更多个组件到传感器的变量表示的物理量的通量等于从传感器到环境的变量表示的物理量的通量，确定没有一个或更多个组件的影响的变量的环境值。特别地，估计器被配置为通过求解从连续等式(等式1)导出的等式来确定没有一个或更多个组件的影响的变量的环境值。
Figure BDA0002290788350000041
其中，c是目标变量或数量，例如用于传质的物质浓度或用于传热的热量，j是总通量，R是c的净体积源(net volumetric source)。对于第一测量和第二测量，稳定状态可以假定为
Figure BDA0002290788350000042
以及所考虑的体积(即，传感器周围的小体积)中不存在源或汇点(sink)。因此，连续等式简化为(等式2)
Figure BDA0002290788350000043
简化的连续等式的一种解是流入和流出体积的总通量j为零(等式3)，总通量j是扩散通量jdiff与平流通量jadv之和，也称为对流通量：
Figure BDA0002290788350000051
其中，D是扩散率，也称为扩散常数，例如，传质的质量扩散率或传热的热扩散率，v是量c随其移动的速度场。取决于传感器感测到的变量，例如温度T或浓度c，诸如湿度cH20、气体浓度cgas或颗粒物浓度cPM，上述总通量的等式进一步简化为更简单的等式。如果已知传感器的第一和第二测量结果，并且已经校准了取决于速度v和扩散率D的传输和扩散特性，则可以使用该更简单的等式得出环境中变量的环境值。
在传感器单元的实施例中，变量是环境空气的温度，传感器是温度传感器，并且一个或更多个组件包括响应于通电而散发热量的电子组件。在这种情况下，对于从散发热量的组件到温度传感器的热通量和从温度传感器到环境的热通量，上述等式3可以写为(等式4)
Figure BDA0002290788350000052
从散发热量的组件到温度传感器的热通量主要是传导热通量，从温度传感器到环境的热通量取决于致动器的激活状态，可能主要是扩散(例如，致动器关闭)或对流(例如，致动器打开)。利用散发热量的至少一个组件的温度Theat、温度传感器的温度TSHT、环境的温度Tamb、从温度传感器到环境的热传递参数αfan、以及从散发热量的组件到温度传感器的热传递参数β，等式4可以重写为(等式5)
αfan[1，2](TSHT[1，2]-Tamb)＝β(Theat-TSHT[1，2])
参数β是有效参数，分别取决于散发热量的组件和温度传感器之间的材料的热导率或扩散率，但是与致动器影响的对流无关。参数αfan也是有效参数。如果例如风扇的致动器关闭，αfan主要取决于温度传感器和环境(例如传感器单元的通道和/或外壳中的空气)之间的材料的热扩散率。如果致动器打开，则αfan主要取决于致动器影响的进出温度传感器的环境气体的流动的参数，即主要取决于等式3中的速度v。因此，特别地，对于致动器打开或关闭，或者致动器处于低功率模式或高功率模式，αfan分别具有不同的值αfan1和αfan2。
如果在致动器的第一激活状态和第二激活状态下执行至少两次测量，并且如果有效参数αfan1、αfan2和β例如从校准测量获知，则等式5可以作为等式组求解以产生环境温度Tamb的环境值。通过在致动器的不同激活状态下执行多于两次的测量，可以解决等式组的优化问题，从而获得更加可靠的环境温度的环境值。
在传感器单元的不同的实施例中，变量是环境空气的湿度，传感器是湿度传感器，并且一个或更多个组件包括释放或吸收湿度的组件。特别地，一个或更多个组件包括传感器单元的壳体的组件。
在传感器单元的又一实施例中，变量是环境空气中的气体浓度，传感器是对待感测的气体敏感的气体传感器，并且一个或更多个组件包括释放或吸收传感器对其敏感的气体的组件。特别地，这些一个或更多个组件包括传感器单元的壳体的组件，并且特别地，气体浓度是挥发性有机化合物的浓度，气体传感器对挥发性有机化合物敏感。类似的传感器可以包括感测颗粒物的浓度的传感器，上述推导也适用于该传感器。
对于传感器通常感测湿度、气体浓度或任何物质的任何浓度c的实施例，如果致动器关闭，则进出传感器的传输过程可能主要是扩散性的，依赖于通道本身内环境气体中的扩散过程。如果致动器打开，则物质的传输主要受到对流的影响。同样，等式3在传感器周围的小体积内有效(等式6)
jdiff+jadv＝0
与热传递等式5类似，等式6可以根据有效参数αfan1、αfan2和β进行重写(等式7)：
αfan[1，2](cSHT[1，2]-camb)＝β(cmat-cSHT[1，2])
其中，cSHT是传感器处物质的浓度，camb是环境中物质的浓度，cmat是由传感器单元的组件产生的物质的浓度。浓度cmat在湿度测量的情况下可能是由于吸收过程造成的，或者在气体(例如，VOC)浓度测量的情况下由于放气引起的。
如以上针对等式5所述，等式7可用于构造用于致动器的不同激活状态下的至少两次测量的等式组。有效参数αfan1、αfan2和β可以假定为从校准测量已知，或者只要进行了足够的测量也可以从等式组导出。
在另一个实施例中，可以进一步利用本发明的基本原理来执行传感器(例如，温度传感器)的自校准。在传感器单元的启动阶段期间，假设TSHT＝Tamb，使得可以校准系统参数，即热传递的诸如α和β等相关参数。
在另一实施例中，传感器单元的估计器用于消除源自组件与不同传感器(例如气体传感器的温度依赖性)的干扰影响之间的交叉灵敏度。
传感器单元的又一实施例包括两个温度传感器，特别是在通道中的不同位置处的温度传感器。由于气流平流携带或多或少的热量，因此这两个温度传感器可能以不同方式受到组件干扰影响的影响。这进而可以用于使环境中的温度的环境值Tamb的测量更加准确且可靠。
在附图的详细描述中给出了关于传感器单元的不同实施例和应用的更多细节。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于在传感器单元的环境中确定气体中的变量的环境值的方法，传感器单元包括：传感器，感测变量；致动器，将环境气体供应到传感器；以及一个或更多个组件，影响传感器提供的测量结果。该方法包括以下步骤：响应于致动器的第一激活状态而接收第一测量结果；响应于致动器的第二激活状态而接收第二测量结果；以及根据第一测量结果和第二测量结果，确定没有一个或更多个组件的影响的变量的环境值。
根据本发明的另一方面，计算机程序元件包括计算机程序代码装置，用于当在估计器的处理单元上执行时，执行如上所述的方法。
注意，关于本发明的一个方面描述的实施例也应被认为是如结合一个或更多个其他方面所公开的。在从属权利要求以及下面的描述中列出了其他有利的实施例。
附图说明
以上限定的实施例以及本发明的其他方面、特征和优点也可以从以下将描述的实施例的示例中得出，并参考附图进行说明。在附图中示出：
图1是根据本发明实施例的传感器单元的示意图；
图2是根据本发明实施例的假定用于获得温度的环境值的热传递过程的示意图；
图3是根据本发明实施例的取决于致动器的不同加热状态和不同激活状态的感测的温度的示图；
图4是根据本发明的一个方面的被假定用于获得环境中湿度的环境值的水蒸气传输过程的示意图；以及
图5是根据本发明的一个方面的用于获得环境中VOC浓度的环境值的挥发性有机化合物(VOC)的传输过程的示意图。
具体实施方式
图1示出了根据本发明实施例的传感器单元的示意图。传感器单元可以例如是IoT(物联网)装置、移动电话、空气净化器、颗粒物模块或任何其他传感器装置。它包括壳体1和通道2，通道2连通到传感器单元的环境6，即，连通到传感器单元外部的环境气体。至少一个传感器3测量环境气体的变量。传感器3可以包括温度传感器3a、湿度传感器3b和气体传感器3c中的一个或更多个，气体传感器3c例如感测VOC的浓度。传感器单元还包括致动器4，例如，风扇或压电晶体，在其被激活时使得环境气体的气流5通过通道2。优选地，致动器4是可控的，例如是电可控的。它可以只有两个激活状态：打开和关闭，或者它可以是可控制到至少打开状态，例如低功率模式和高功率模式。致动器的不同激活状态使得它们在通道2中所引起的环境气体的气流5不同，特别是在流速v方面不同。不同的激活状态还可以通过致动器4消耗的功率量来表征，优选地，致动器4消耗的功率量可以被测量或控制。
此外，传感器单元包括干扰传感器3a-c(如果全部可用的话)的测量的一个或更多个组件。这可以包括散发热量的组件7a，所散发的热量传递到传感器3a，导致传感器3a测量的变量的测量值与环境6中该变量的环境值不同。这种组件7a通常可以包括微控制器、RF模块、电源转换器、显示器或电源中的一个或更多个。从组件7a到传感器3a的热传递可能会受热传导8a、气体的辐射或对流的影响，其中，热传导8a被认为是主要过程。对于湿度传感器3b，吸入过程8b是特别有害的。传感器单元的材料7b(该材料7b可以表示一组件)可能会吸入水或水蒸气，并且进而可能会释放出到达传感器3b的水或水蒸气，从而导致环境湿度的错误的测量结果。对于气体传感器3c，传感器单元的组件或材料7c的放气8c篡改了环境6中真实气体浓度的测量。放气被理解为从组件或材料中释放出气体物质。
传感器单元还包括估计器9，该估计器9确定环境6中的感测的变量的环境值。“环境值”是指不存在干扰传感器测量的组件7a、7b或7c的影响(贡献)。为了抵消这些影响，估计器9使用在致动器4的不同激活状态下由一个或更多个传感器3a-c提供的测量结果，特别是响应于致动器4的第一激活状态而由传感器3提供的第一测量结果以及响应于致动器4的第二激活状态而由传感器3提供的第二测量结果，该第二激活状态不同于第一激活状态。这允许消除一个或更多个组件7a-c的未知影响。优选地，估计器9包括存储器，该存储器具有用于测量的变量和用于不同的激活状态的相关传输参数(transport parameter)的值。特别地，传输参数是从校准测量中获知的。
为了获得在致动器4的不同激活状态下的传感器3a-c的测量结果，估计器9可以例如通过致动器4的功率摄取量被动地监测致动器4，该功率摄取量可以被测量或从致动器被调整的功率水平中获取，并且估计器9可以仅接受特定激活状态的测量值，即，如果功率摄取量满足特定标准。或者，估计器9可以主动地控制致动器4，并且将其切换到预定的激活状态以获得测量结果。
为了消除组件7a-c中的一个或更多个对一个或更多个传感器3a-c的测量的不想要的影响，需要致动器4的不同激活状态下的至少两次测量。
在下文中，给出了用于环境温度(示例1)、环境相对湿度(示例2)、环境总VOC浓度(示例3)的测量以及用于气体传感器的灵敏度的确定(示例4)的特定应用和控制等式。
示例1：环境温度的测量。图2示出了根据本发明的实施例的假设用于获取环境温度的环境值的热传递过程的示意图。期望在环境6中确定温度的环境值Tamb。但是，温度传感器3a测量值TSHT，该值TSHT取决于Tamb，并且还取决于散发热量的组件7a的温度Theat。假设Theat是未知的，但是在致动器4的变化的激活状态(也称为风扇状态)下，Theat以及因此组件7a的影响保持相同。另外，假设在不同风扇状态下，环境6中的温度Tamb在测量期间保持恒定。在图2中通过热通量8a示出了组件7a的影响，在大多数情况下，可以假定热通量8a主要是传导的。从作为热源的组件7a到温度传感器3a的热通量
Figure BDA0002290788350000101
使测得的温度TSHT高于Tamb。因此，热通量8a对包含在温度传感器3a周围的小体积中的热量有正影响，并且因此对温度TSHT有正影响。另一方面，热量从该体积中传递出去，从而降低了温度TSHT，这主要通过对流过程来实现，即通过环境气体的气流5来实现。该影响是负的，并且取决于气流5，尤其取决于其速度v，其进而又取决于致动器4的激活状态：对于致动器4的不同激活状态，
Figure BDA0002290788350000102
示例1(图2)的情况可以通过如下热等式描述(等式8)：
Figure BDA0002290788350000111
其中，a0是因维数(dimensionality)而为常数，αfan和β是表示
Figure BDA0002290788350000112
和
Figure BDA0002290788350000113
的热传递特性的常数参数。在风扇打开和关闭状态[1,2]下的稳态下，获得(等式9)
Figure BDA0002290788350000114
或作为具有两个风扇状态[1,2](即打开和关闭)以及预表征和恒定参数αfan1、αfan2和β的等式组(等式10)
Figure BDA0002290788350000115
Figure BDA0002290788350000116
由于在风扇打开和关闭时Tamb保持恒定，因此可以得到具有未知的
Figure BDA0002290788350000117
和Tamb的等式。可以求解该等式组的
Figure BDA0002290788350000118
以获得环境温度Tamb(等式11)
Figure BDA0002290788350000119
或(等式12)
Figure BDA00022907883500001110
在给定条件下，可以从温度传感器3a在不同风扇状态的两个测量结果确定环境6中的温度Tamb(等式13)：
Tamb＝F(TSHT1，TSHT2，αfan1，αfan2，β)
图3示出了根据本发明实施例的取决于致动器(即，风扇)的不同激活状态(打开、关闭)和不同加热状态的感测的温度TSHT的示图。对于正常的内部加热以及随后的更多的内部加热，示出了感测的温度TSHT的时间序列，，所有测量均在恒定环境温度Tamb下进行。首先，风扇处于关闭状态，并且感测的温度TSHT在恒定值TSHT1附近变化。然后，风扇被打开，这导致离开温度传感器3a的传热增强，因此在组件7a的影响相等的情况下达到较低的稳态TSHT2。在过渡期之后达到较低值TSHT2，并且比TSHT1低一个温度差ΔT：TSHT2＝TSHT1–ΔT_α。当风扇再次关闭时，感测的温度TSHT再次上升到TSHT1。在该图的第二部分中，存在更多的内部加热，即，组件7a的更大的温度Theat。更多的内部加热导致仍在恒定的Tamb时，感测的温度TSHT增加到值TSHT3。当风扇打开时，TSHT下降到TSHT4＝TSHT3–ΔT_β。当风扇再次关闭时，TSHT恢复到TSHT3。取决于内部加热的量，ΔT可以如在本示例中由ΔT_α和ΔT_β表示的那样变化，其可以随时间变化。
利用感测的温度TSHT的时间序列，图3示出了致动器4的不同激活状态，即不同风扇状态的影响。在正常的内部加热以及更多的内部加热下，在风扇被打开时，感测的温度TSHT下降ΔT。通常，当风扇打开时，TSHT朝着Tamb移动，这是因为通过对流传热，即通过环境气体的流动来增强热交换。在预先校准的风扇状态下，如上所述，温度差ΔT的值可用于估计环境温度Tamb的准确且可靠的值。
示例2：环境相对湿度的测量。图4示出了根据本发明的一方面的假设用于获得环境中的湿度的环境值的水蒸气传输过程的示意图。传感器单元的材料或组件7b正在吸收水和/或水蒸气和/或释放水和/或水蒸气。这导致在通道2中和在湿度传感器3b处对水蒸气的浓度cH2O，即相对湿度的影响(贡献)cH2O,mat。传感器3b测得的湿度值cH2O,SHT取决于环境6中的相对湿度cH2O,amb以及吸入/释放的湿度cH2O,mat。再次从考虑通量开始，在吸入/释放的水蒸气的通量jsoak和通量jamb的这种情况下，扩散等式产生下式(等式14)：
Figure BDA0002290788350000121
其中，b0是维度常数(dimensionality constant)，α和β是表示水蒸气传输即湿度传输的常数参数，其可以预先校准。在风扇状态打开和关闭[1,2]的情况下，等式14的稳态解产生(等式15)
Figure BDA0002290788350000131
两种风扇状态[1,2]，例如，打开和关闭，导致两个等式带有两个未知参数cH2O,mat和cH2O,amb(等式16)
Figure BDA0002290788350000132
Figure BDA0002290788350000133
这又意味着可以将环境值cH2O,amb确定为测量的湿度值cH2O,SHT和预先校准参数αfan1、αfan2和β的函数(等式17)：
Figure BDA0002290788350000134
不仅α而且参数β，其为针对朝向湿度传感器3b的湿度通量jsoak的特征，取决于风扇状态。特别地，这可能是因为当风扇被打开时，可以假设水蒸气或湿气的传输至少部分地受到对流的影响，即，被流动影响。在那种情况下，必须在上述等式16中分别插入两个不同的值β1和β2。但是，由于假定参数β1和β2都已预先校准，因此一般原理和解不会改变。利用所描述的方法，假设在测量过程中，吸气/放气组件7b的影响cH2O,mat和环境湿度cH2O,amb保持恒定，从不同风扇状态下的至少两个湿度测量结果cH2O,SHT可以确定环境6中的环境值cH2O,amb。
示例3：环境总挥发性有机化合物(tVOC)浓度的测量。图5示出了根据本发明的一方面的假定用于获得环境6中的tVOC浓度的环境值的挥发性有机化合物(VOC)的传输过程的示意图。感测的浓度ctVOC,SGP取决于环境6中tVOC浓度的环境值ctVOC,amb和传感器单元的释放VOC的材料或组件7c的影响ctVOC,outgas。来自和朝向VOC传感器3c的VOC物质的相关通量分别再次标记为jamb和joutgas。传输过程的基本原理与示例2相同，因此示例2的所有方面也适用。
因此，具有维度常数c0以及表示VOC物质传输的参数α和β的扩散等式为(等式18)
Figure BDA0002290788350000141
等式18的稳态解必须满足(等式19)
Figure BDA0002290788350000142
对于两个风扇状态[1,2]，例如，打开和关闭，等式18导致具有两个未知参数的两个等式(等式20)
Figure BDA0002290788350000143
Figure BDA0002290788350000144
通过求解等式组20，可以将环境6中tVOC浓度的环境值ctVOC,amb确定为以下测量结果和参数的函数(等式21)：
Figure BDA0002290788350000145
类似于示例1-3的应用，本发明的传感器单元和方法可以适用于其他信号和传感器，特别是其他浓度测量，例如，颗粒物传感器，诸如PM2.5传感器。
示例4：气体传感器，例如，金属氧化物(MOX)气体传感器的灵敏度n的确定。利用传感器3在致动器4的不同激活状态下执行测量的本发明原理也可以用于确定MOX传感器的灵敏度n。
电阻R与MOX传感器处的局部气体浓度clocal(根据示例3的术语，该局部气体浓度为clocal＝ctVOC,SGP)之间的关系如下(等式22)：
Figure BDA0002290788350000146
其中，n是灵敏度，a是常数参数，c是环境中气体的浓度，即，根据示例3的术语，c＝ctVOC,amb，cB是源于装置的一个或更多个组件的气体的浓度，即干扰浓度，即根据示例3的术语，cB＝ctVOC,outgas。由于灵敏度n可能随时间变化，因此期望在传感器操作期间估计灵敏度n，以提高传感器的准确性和可靠性。
在环境浓度c足够小的情况下，即，可以假定其为零(c＝0)，则背景浓度cB可以通过致动器4的激活状态，即风扇速度，来改变，以便改变有效浓度clocal(等式23)：
Figure BDA0002290788350000151
如果风扇将背景浓度降低预表征的且随时间保持恒定的系数f，则获得(等式24)
Figure BDA0002290788350000152
则气体传感器的灵敏度可通过(等式25)确定
Figure BDA0002290788350000153
其他示例：本发明的基本原理还可以用于执行温度传感器3a的自校准。在传感器单元的启动阶段期间，假设TSHT＝Tamb，使得可以校准系统参数，即诸如α和β等热传递的相关参数。
在另一实施例中，图1的传感器单元的估计器9用于消除源自组件7a-c的干扰影响8a-c与不同传感器3a-c，例如tVOC传感器3c的温度依赖性，之间的交叉灵敏度。
传感器单元的又一实施例包括两个温度传感器3a，特别地，在通道2中的不同位置的温度传感器。组件7a的影响可能以不同的方式影响这两个温度传感器3a，因为流动5或多或少地伴有热量。这进而可以用于使环境6中的温度的环境值Tamb的测量更加准确且可靠。

Claims (20)

1.一种传感器单元，包括
传感器(3)，用于感测环境气体的变量，
致动器(4)，用于将环境气体供应到传感器(3)，
一个或更多个组件(7)，影响传感器(3)提供的测量结果，以及
估计器(9)，用于根据第一测量结果和第二测量结果确定没有所述一个或更多个组件(7)的影响的变量的环境值，第一测量结果是由传感器(3)响应于致动器(4)的第一激活状态而提供的，第二测量结果是由传感器(3)响应于致动器(4)的第二激活状态而提供的，第二激活状态不同于第一激活状态。
2.根据权利要求1所述的传感器单元，其中，估计器(9)被适应为监测致动器(4)的激活状态，并且如果相应的第二激活状态与相应的第一激活状态偏离最小限度，优选地，功率的最小限度，则接受传感器(3)提供的两个测量结果作为第一测量结果和第二测量结果。
3.根据权利要求2所述的传感器单元，其中，估计器(9)被适应为另外仅在所述相应的第一测量和所述相应的第二测量之间的时间间隔小于阈值的情况下才接受所述两个测量结果作为第一测量结果和第二测量结果。
4.根据权利要求1所述的传感器单元，包括：
控制单元，被适应为将致动器(4)控制到第一激活状态和第二激活状态，用于分别进行第一测量和第二测量。
5.根据权利要求4所述的传感器单元，其中，控制单元被适应为在限定的时间间隔内或在限定的时间点将致动器(4)控制到第一激活状态和第二激活状态。
6.根据权利要求2或4所述的传感器单元，
其中，时间间隔的大小被确定为使得变量的环境值和所述一个或更多个组件(7)的影响被预期为在所述时间间隔内保持不变，或者被预期为在所述时间间隔内保持在限定的范围内。
7.根据权利要求1所述的传感器单元，
其中，第一激活状态是致动器(4)的关闭状态，并且其中，第二激活状态是致动器(4)的打开状态。
8.根据权利要求1所述的传感器单元，
其中，第一激活状态是致动器(4)的低功率状态，并且其中，第二激活状态是致动器(4)的高功率状态，致动器(4)在高功率状态下消耗的功率超过在低功率状态下消耗的功率。
9.根据权利要求1所述的传感器单元，
其中，致动器(4)是可电控进入至少第一激活状态和第二激活状态的致动器，
其中，致动器包括风扇、泵或扬声器中的一个或更多个。
10.根据权利要求1所述的传感器单元，
其中，环境气体包括气体、气雾或分散体中的一种。
11.根据权利要求10所述的传感器单元，其中，环境气体是围绕传感器单元的环境空气。
12.根据权利要求1所述的传感器单元，包括：通道(2)，具有通向环境(6)的入口和出口，
其中，传感器(3)布置在通道(2)中或通道(2)处，用于感测环境气体中的变量，以及
其中，致动器(4)布置为供应环境气体，使得环境气体从入口、通过通道(2)到达出口，从而通过传感器(3)。
13.根据权利要求11所述的传感器单元，
其中，变量是环境空气的温度(Tamb)，
其中，传感器(3)是温度传感器，
其中，所述一个或更多个组件(7)包括响应于通电而散发热量的电子组件。
14.根据权利要求11所述的传感器单元，
其中，变量是环境空气的湿度(cH2O,amb)，
其中，传感器(3)是湿度传感器，
其中，所述一个或更多个组件(7)包括释放或吸收湿气的组件。
15.根据权利要求11所述的传感器单元，
其中，变量是环境空气中的气体浓度(camb)，
其中，传感器(3)是对待检测的气体敏感的气体传感器，
其中，所述一个或更多个组件(7)包括释放或吸收传感器对其敏感的气体的组件。
16.根据权利要求14或15所述的传感器单元，其中，所述一个或更多个组件(7)包括传感器单元的壳体(1)的组件。
17.根据权利要求15所述的传感器单元，其中，气体浓度是挥发性有机化合物的浓度(ctVOC,amb)，并且其中，气体传感器对挥发性有机化合物敏感，
其中，气体传感器是金属氧化物气体传感器，并且其中，估计器被配置为根据第一测量结果和第二测量结果来确定金属氧化物气体传感器的灵敏度。
18.根据权利要求1所述的传感器单元，
其中，估计器(9)被配置为：基于对于致动器(4)的第一激活状态和第二激活状态中的每一个，从所述一个或更多个组件(7)到传感器(3)的变量的通量等于从传感器(3)到环境(6)的变量的通量，确定没有所述一个或更多个组件(7)的影响cmat的变量的环境值camb，以及
其中，估计器(9)被配置为通过求解以下等式来确定没有所述一个或更多个组件的影响cmat的变量的环境值camb：
α[1，2](cSHT[1，2]-camb)＝β(cmat-csHT[1，2])
其中，cSHT是传感器(3)提供的测量结果，α是表示从传感器(3)到环境(6)的变量的通量的参数，β是表示从所述一个或更多个组件(7)到传感器(3)的变量的通量的参数。
19.一种用于在传感器单元的环境(6)中确定气体中的变量的环境值(camb)的方法，传感器单元包括：传感器(3)，感测变量；致动器(4)将环境气体供应到传感器(3)；以及一个或更多个组件(7)，影响传感器(3)提供的测量结果(cSHT)，所述方法包括：
响应于致动器(4)的第一激活状态接收第一测量结果(cSHT1)，
响应于致动器(4)的第二激活状态接收第二测量结果(cSHT2)，以及
根据第一测量结果(cSHT1)和第二测量结果(cSHT2)，确定没有所述一个或更多个组件的影响(cmat)的变量的环境值(camb)。
20.一种计算机程序元件，包括计算机程序代码装置，用于当在估计器(9)的处理单元上执行时，执行根据权利要求19所述的方法。
CN201911179158.9A 2018-11-27 2019-11-27 具有致动器的环境传感器 Pending CN111220300A (zh)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
EP18208705.6A EP3660498A1 (en) 2018-11-27 2018-11-27 Ambient sensor with actuator
EP18208705 2018-11-27

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN111220300A true CN111220300A (zh) 2020-06-02

Family

ID=64556679

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN201911179158.9A Pending CN111220300A (zh) 2018-11-27 2019-11-27 具有致动器的环境传感器

Country Status (3)

Country Link
EP (1) EP3660498A1 (zh)
KR (1) KR20200063999A (zh)
CN (1) CN111220300A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113091796A (zh) * 2021-04-06 2021-07-09 上海应用技术大学 传感器热响应性能检测装置

Families Citing this family (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20240027383A1 (en) * 2022-07-22 2024-01-25 VOCNomics, LLC Method and apparatus for remote monitoring of various organic compounds

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120323440A1 (en) * 2010-02-05 2012-12-20 Volvo Group North America, Llc Method for determining ambient air temperature outside of a vehicle
EP2728327A1 (en) * 2012-11-02 2014-05-07 Sensirion AG Portable electronic device
CN103808900A (zh) * 2012-11-14 2014-05-21 森斯瑞股份公司 具有化学传感器的便携式电子设备
CN104215264A (zh) * 2013-05-31 2014-12-17 盛思锐股份公司 具有集成温度传感器的便携式电子设备
CN108088471A (zh) * 2016-11-21 2018-05-29 盛思锐股份公司 补偿传感器信号

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120323440A1 (en) * 2010-02-05 2012-12-20 Volvo Group North America, Llc Method for determining ambient air temperature outside of a vehicle
EP2728327A1 (en) * 2012-11-02 2014-05-07 Sensirion AG Portable electronic device
CN103808900A (zh) * 2012-11-14 2014-05-21 森斯瑞股份公司 具有化学传感器的便携式电子设备
CN104215264A (zh) * 2013-05-31 2014-12-17 盛思锐股份公司 具有集成温度传感器的便携式电子设备
CN108088471A (zh) * 2016-11-21 2018-05-29 盛思锐股份公司 补偿传感器信号

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113091796A (zh) * 2021-04-06 2021-07-09 上海应用技术大学 传感器热响应性能检测装置
CN113091796B (zh) * 2021-04-06 2022-07-15 上海应用技术大学 传感器热响应性能检测装置

Also Published As

Publication number Publication date
EP3660498A1 (en) 2020-06-03
KR20200063999A (ko) 2020-06-05

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US9995593B2 (en) Method for operating a sensor array
US8683845B2 (en) Carbon dioxide sensor and associated method for generating a gas measurement value
JP2011505554A (ja) 気体混合物の組成を検出するための方法及び装置
CN111220300A (zh) 具有致动器的环境传感器
US11474056B2 (en) Sensor for determining the thermal capacity of natural gas
US9746438B2 (en) Humidity sensor with temperature compensation
RU2488106C2 (ru) Газоизмерительное устройство и способ его изготовления
US20210088488A1 (en) Calibrating a gas sensor
US11714066B2 (en) Self-calibrating analyte sensor
US20030034443A1 (en) Absolute humidity sensor to control drying equipment
US9562871B2 (en) Integrated chemical sensor chip
JP5245676B2 (ja) 揮発性有機化合物測定方法
WO2021226029A1 (en) Temperature compensation for an electronic thermostat
JP5464694B2 (ja) 容量式湿度センサー
EP2995938A1 (en) Integrated metal oxide chemical sensor
JP2007093252A (ja) 電解質分析装置の温調システム
EP3623805B1 (en) A method of countering contamination in gas sensors, corresponding circuit, device and computer program product
US20220128502A1 (en) Sensor Device and Method for Operating A Sensor Device
US11927514B2 (en) Method and device for calibrating a fluid detector having a preconcentrator
US20040261526A1 (en) Aluminum oxide moisture sensor and related method
JP6515749B2 (ja) 検出器システム
CN110998314A (zh) 测量目标气体的浓度
US20170131250A1 (en) Device and method for detecting a gas component
Massera et al. Study of a low cost and wearable gas sensor for safety of workers and workplaces
WO2020095619A1 (ja) 熱式湿度測定装置

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination