CN111344561B - 用于运行气体传感器设备的方法和气体传感器设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行气体传感器设备(1a；1b)的方法，所述气体传感器设备配备有至少一个气体敏感的传感器电阻(2)、用于受控地加热所述传感器电阻(2)的加热器件(3)、用于感测所述传感器电阻(2)的电阻值的感测器件(5)和用于处理测量信号的信号处理器件(10)，在所述方法中，以时间间隔执行测量，其方式是：感测所述传感器电阻的电阻值作为测量信号，并且，在所述方法中，针对每次测量加热所述传感器电阻，其中，所述加热器件不连续地在加热区间中运行，并且每个测量配属有一个加热区间；其中，以能预给定的时间间隔执行自动测量，能够在任意时间发起附加测量，并且，配属于各个测量的加热区间的时长根据相对于前一个加热区间的时间间隔来选择。

Description

用于运行气体传感器设备的方法和气体传感器设备

技术领域

本发明涉及一种用于运行气体传感器设备的方法。本发明还涉及一种气体传感器设备。

背景技术

为了监控建筑物中的空气质量可以安装气体传感器，所述气体传感器以有规律的时间间隔执行测量。气体传感器根据周围介质测量物理参量或化学参量的改变。因此，例如由DE 10 2008 054752 A1已知一种具有场效应晶体管的气体传感器，其中，待探测的气体扩散到气体敏感层中，这在场效应晶体管上引起势能变化。通过测量在场效应晶体管输出端上的电流或电压可以推断出周围气体的类型和特性。

与周围气体的成分有关地，敏感层的电阻由于吸附而能够变化。因此，通过测量电阻值可以推断出还原性气体或氧化性气体的浓度、空气湿度和周围环境温度。由此能够测量出空气质量的改变。

因为尤其是挥发性有机化合物仅在约300至400度的较高温度时才会引起能够测量到的浓度改变，所以在测量期间或测量之前加热敏感层。

为了获得可比较的测量结果，不同测量之间的时间间隔通常是恒定的。为了节省能量，例如仅每5分钟执行一次测量。在此之间的静止期内不加热敏感层。然而，经常值得期待的是，能够插入附加的测量。例如，用户可能打开窗户并且想要测量对空气质量的影响。对于用户而言，必须等待直至5分钟一般是无法接受的。然而，气体传感器的敏感层的化学状态在附加测量的时间点时与在常规静止期结束时的化学状态不同，这使测量结果的可比较性变得困难。

发明内容

本发明提出一种用于运行具有权利要求1特征的气体传感器设备的方法以及一种具有权利要求11特征的气体传感器设备。

因此，根据第一方面，本发明涉及一种用于运行气体传感器设备的方法，其中，该气体传感器设备具有气体敏感的至少一个传感器电阻、用于受控地加热传感器电阻的加热器件、用于感测传感器电阻的电阻值的感测器件和用于处理测量信号的信号处理器件。以时间间隔执行测量，其方式是：感测传感器电阻的电阻值作为测量信号。针对每次测量加热传感器电阻，其中，加热器件不连续地在加热区间中运行，并且每个测量配属有一个加热区间。以可预给定的时间间隔执行自动测量，其中，能够在任意时间发起附加测量。配属于各个测量的加热区间的时长根据相对于前一个加热区间的时间间隔来选择。

根据第二方面，本发明涉及一种气体传感器设备，所述气体传感器设备具有至少一个气体敏感的传感器电阻、用于受控地加热传感器电阻的加热器件、用于感测传感器电阻的电阻值的感测器件、用于处理信号的信号处理器件和用于操控所述加热器件、所述感测器件和所述信号处理器件的控制装置，用于执行自动的并且由外部发起的测量，其中，控制装置配备有至少一个接口，用于接收外部控制信号。

优选实施方式是各从属权利要求的内容。

本发明能够在两个自动测量之间执行附加测量。例如，如果用户想要知晓特定活动对空气质量的影响，则可以通过执行附加测量立刻为他提供相应的信息。因此，用户不必等到下一次自动测量，而是可以立刻获得希望的信息。

为了仍然实现可比较的测量结果，配属于各个测量的加热区间的时长被适配或者说缩短。例如，如果要在前一次自动测量之后不久执行附加测量，则气体敏感的传感器电阻的化学状态尚未达到两次自动测量之间的常规静止期结束时的平衡状态。然而，通过对配属于附加测量的加热区间的时长进行动态适配，优选仅一直加热传感器电阻，直至达到这样的化学状态，该化学状态基本上相应于如果不执行附加测量的话，传感器电阻在常规加热区间结束时，即在配属于自动测量的加热区间结束时的化学状态。

反之，如果在下一次自动测量之前不久执行附加测量，则可以通过对配有后续自动测量的加热区间的时长进行动态适配，将传感器电阻在后续自动加热区间内一直加热，直至传感器电阻的化学状态又相应于在不进行附加测量的情况下在自动加热区间结束之后的化学状态。

通过动态适配或减少加热时间能够保证测量的可比较性。

根据所述方法的一个优选扩展方案，自动测量以有规律地预给定的、尤其是相等的时间间隔被执行，而与是否发起附加测量无关。因此，自动测量在固定的预给定时间点进行，这些时间点与附加测量的存在无关。优选地，两次自动测量之间的时间间隔可以是恒定的，约为5分钟。

根据所述方法的一个优选扩展方案，自动测量一直以有规律地预给定的、尤其是相等的时间间隔被执行，直至发起附加测量。在发起附加测量之后以这样的时间间隔被执行下一次自动测量：当之前未发起至少一个另外的附加测量时，该时间间隔相应于两次自动测量之间的有规律地预给定的时间间隔。因此，附加测量和接下来的自动测量之间的间隔与假如在该接下来的自动测量和之前的测量之间没有附加测量的情况下设定的间隔相同。因此，附加测量导致自动测量的时间推移。因为附加测量和接下来的自动测量之间的间隔相应于有规律的时间间隔，所以仅需要对配属于附加测量的加热区间的时长进行适配。而不必对配属于接下来的自动测量的加热区间的时长进行适配。

根据所述方法的一个优选扩展方案，至少在配属于测量的加热区间内将传感器电阻加热到可预给定的运行温度。该运行温度优选是恒定的，即对于所有测量是相同的。由此可以达到可比较的测量条件。

根据所述方法的一个优选扩展方案，在配属于测量的加热区间期间感测传感器电阻的电阻值作为测量信号。可以在加热区间本身期间或在加热区间之后不久感测电阻值，但优选在加热区间结束时求取该电阻值，由此节省能量，因为避免了不必要的加热。

根据所述方法的一个优选扩展方案，根据相对于对应的前一个加热区间的时间间隔这样地选择配属于各个测量的加热区间的时长，使得当在基本上恒定的周围环境条件下进行测量时基本上感测到相同的测量信号。通过由此始终相同的测量条件，所测量的电阻值能够相互比较，而与是否进行附加测量无关。

根据所述方法的一个优选扩展方案，基于校准测量确定加热区间时长与相对于对应的前一个加热区间的时间间隔的相关性，这些校准测量在校准步骤中在基本上恒定的周围环境条件下被执行。因此，在周围环境条件改变的情况下，可以通过适配加热区间的时长再次确保所测量的电阻值的可比较性。

校准步骤优选包括作为参考测量的至少一个测量和以可预给定的时间间隔进行的至少一个校准测量。传感器电阻针对每个校准测量至少一直被加热至传感器电阻的电阻值相应于参考测量的电阻值。针对每个校准测量感测直至达到参考测量的电阻值的时长和相对于前一个加热区间的时间间隔作为校准数据。

校准步骤能够选择式地被激活。因此，例如可以在工厂方面在生产气体传感器设备之后在预给定的周围环境条件下、例如在无尘室中执行初始校准，以便求取配属于各个测量的加热区间的时长和相对于前一个加热区间的时间间隔之间的关系。随后，可以将该相关系保存在查找表格中。在运行期间，可以借助查找表格确定加热区间的时长。也可以是，例如如果气体传感器设备暴露于改变的周围环境条件下，则用户激活校准步骤。

根据所述方法的一个优选扩展方案，如果在预给定数量的相继进行的自动测量中感测到了基本上相同的测量信号，则自动激活校准步骤。恒定的测量信号表明可以忽略周围环境条件改变的影响。因此，基本上恒定的测量信号可以被用作参考测量。

配属于各个测量的加热区间的时长的一般相关性可以通过在校准步骤中求出的值的内插来确定。例如，两个自动测量之间的时间差、例如300秒可以被分为多个更小的时间差、例如1秒、2秒或5秒的时长。在第一和第二自动测量之间，现在在更小的时间差之后，即例如在1秒之后执行附加测量并且求取相应加热区间的时长。在第二自动测量时间点和接下来的第三自动测量时间点之间，在两倍的更小时间差之后，即例如在2秒之后执行另一附加测量并且又求取相应加热区间的时长。因此，依次针对自动测量和附加测量之间的不同时间差求取相应加热区间的时长。通过内插可以确定一般相关性。

根据所述方法的一个扩展方案，可以执行对求出的相关性的可信度检查。因此，例如如果加热区间的时长不随着时间间隔持续增大，则可以摒弃所获得的加热区间时长与时间间隔的相关性。换言之，如果加热区间的时长是增加的时间间隔的持续增大的函数，则所获得的加热区间时长的相关性然后仅被考虑用于确定加热区间的相应时长。否则，保留之前的相关性。原因是，随着与前一次自动测量的越来越大的时间差，为了实现所希望的化学状态而需要的加热时间增加。如果该特性不可复制，则可能是测量不正确，例如因为在此期间周围环境条件已经改变。

根据一个优选的扩展方案，如果与前一个加热区间的时间间隔低于预给定的第一阈值，则配属于测量的加热区间的时长准确地被适配。

附图说明

附图示出了：

图1根据本发明的一个实施方式的气体传感器设备的方框图；

图2加热区间和相应电阻值的示例性的时间上的走势；

图3在没有对加热区间时长进行动态适配的情况下的加热区间和相应电阻值的在时间上的走势；

图4具有根据本发明对加热区间时长进行动态适配的加热区间和相应电阻值的时间上的走势；

图5加热区间时长与相对于前一个加热区间的时间差的示意性的相关性；

图6根据本发明一个实施方式的气体传感器设备的方框图；和

图7用于阐述用于运行根据本发明的一个实施方式的传感器设备的方法的流程图。

在所有附图中，相同或功能相同的元件和设备设有同一附图标记。

具体实施方式

图1示出根据本发明的一个实施方式的气体传感器设备1a的方框图。气体传感器设备1a具有气体敏感的传感器电阻2，该传感器电阻例如可以构造为具有金属氧化物半导体材料、例如氧化锡SnO₂或氧化锌ZnO的层。然而，传感器电阻2不必强制地构造为层状。

气体传感器装置1a具有另外的加热器件3，该加热器件构造为用于加热传感器电阻2。为此，传感器电阻2可以被加热到200至500度、优选300至400度的温度。此外，气体传感器设备1a包括感测器件5，该感测器件测量传感器电阻2的电阻值R。

为了节省能量，传感器电阻2不被连续地加热，而是借助气体传感器设备1a的控制装置4这样地操控加热器件3和感测器件5，使得在有规律的加热时间点时在一加热区间内加热传感器电阻2，并且随后通过感测器件5测量电阻值R。优选在每个加热区间结束时的测量时间点测量电阻值。电阻值R与相应的测量时间点一起作为测量信号被信号处理器件10检测。

如在图2中图示的那样，在各加热时间点t1至t6时借助加热器件3在各加热区间P1至P6期间加热传感器电阻2。两个相继的加热时间点t1至t6之间的时间差W优选是恒定的。分别在加热区间P1至P6结束时测量电阻值，使得两次相继的测量之间的时间间隔相应于两个相继的加热时间点t1至t6之间的时间差W。如果气体传感器设备1a被用于监控室内空气质量，则时间差W例如可以在1至10分钟之间。时间差W优选为300秒。加热区间P1至P6的时长T1也是恒定的并且例如在1至5秒之间。加热区间的时长T1例如可以为1.92秒。

在图2中也图示出在每个加热区间P结束时测量出的电阻值R。如果气体传感器的周围环境条件不改变，则相应的电阻值R1至R6基本上相等。

在周围环境条件改变的情况下，电阻值R变化。信号处理器件10根据测量出的电阻值或根据电阻值的变化来确定存在特定的化学成分，或通常确定湿气或空气质量。

控制装置4构造为用于接收用于执行附加测量的信号。为此，控制装置4可以具有用户界面，使得用户可以直接在气体传感器设备1a上要求附加测量。然而，控制装置4也可以经由无线接口与其它外部器具通信，并且可以从外部器具接收用于执行附加测量的信号。

根据该信号，控制装置4操控加热器件3和感测器件5，使得在额外加热时间点t7、t8时，传感器电阻2附加地在附加加热区间的时长内被加热，其中，额外加热时间点t7、t8位于两个常规加热时间点t1至t6之间。额外加热时间点t7、t8可以立即或在用户输入之后或在接收信号之后经过预给定的时间发生。在对应的附加加热区间结束时，通过感测器件5进行附加测量，其中，信号处理器件10与附加测量的时间点一起检测传感器电阻2的电阻值作为测量信号。

在图3中图示出，如果在各额外加热时间点t7、t8时，加热区间Z1、Z2的时长T2未被适配，即选择得与自动加热区间P1至P6的时长T1相等，则电阻值R将如何改变。在这种情况下，传感器电阻2被加热过长时间，使得电阻值R7、R8在周围环境条件恒定的情况下高于在没有附加测量的常规测量时的电阻值R1、R2。此外，由于附加测量而对化学平衡的干扰也对接下来的自动加热区间P3、P5、P6产生影响，使得在那里测量到的电阻值R3、R5、R6也过高。

因此，根据本发明，由控制装置4适配在预给定的额外加热时间点t7时的加热区间的时长T2。如在图4中所示那样，这样地减小时长T2，使得在恒定的周围环境条件下，在附加的加热区间Z1结束时测量到的电阻值R7与在自动加热区间P1至P6结束时的电阻值R1至R6相同。

优选地，当由控制装置4测量到的、额外加热时间点t7、t8和之前加热区间P2、P4之间的时间差d1、d2小于预给定的阈值时，进行适配。否则，将时长T2选择得与常规加热区间P1至P6的时长T1相等。

此外，如果额外加热时间点t7、t8和后续的常规额外加热时间点t3、t5之间的时间差小于预给定的阈值，则对在额外加热时间点t7、t8之后的常规加热区间P3、P5的时长T3进行适配。否则，将时长T3选择得与常规加热区间P1至P6的时长T1相等。时长T3被控制装置4这样地调整，使得在加热区间P5结束时测量到的电阻值R5与在其它常规加热区间P1、P2结束时的恒定电阻值R1、R2相等。

在图4中图示出的情景中，在额外加热时间点t7时发生对附加加热区间Z1的时长T2的适配，但不对后续加热区间P3的时长进行适配。此外，在额外加热时间点t8时发生对后续加热区间P5的适配，但不对附加加热区间Z2本身进行适配。然而，根据时间差d1至d4，也可以对两个加热区间Z1、Z2或P3、P5的时长进行适配，或者对两个加热区间Z1、Z2或P3、P5的时长都不进行适配。

此外，可以对附加测量之后的加热时间点进行适配。根据另外的实施方式，也可以出现不与测量结合的加热区间。

控制装置4可以在使用查找表格的情况下根据之前加热区间P2、P4的时间差d对加热区间Z1、Z2的时长T2进行适配。

在图5中图示出加热区间Z1、Z2的时长T2与时间差d之间的示例性关系。为了产生该关系，借助感测器件5连续地测量传感器电阻2的电阻值R，其中，保持周围环境条件恒定。在没有额外测量的情况下，电阻值R在常规加热区间P1至P6结束时具有恒定值R0。如果电阻值R等于恒定值R0，则在预给定的时间差d内加热器件3恰好关闭，即传感器电阻2的加热结束。记录加热区间Z1、Z2的相应时长T2并将其配属给时间差d。通过针对不同时间差d的重复执行可以求取在图5中图示出的关系。求出的测量结果优选可以被内插，以便获得连续的关系。

根据一个扩展方案，现在所说明的校准可以在气体传感器设备1a运行期间进行。气体传感器设备1a由此可以执行自校准。优选地，仅当在预给定的时间段内、例如几分钟、几小时或甚至几天内测量出基本上恒定的电阻值R0时，才执行自校准。现在，控制装置4生成额外测量时间点t7、t8，其中，优选最多一个额外测量时间点t7、t8位于两个常规的测量时间点t1至t6之间。加热器件3一直加热传感器电阻2，直至连续测量的电阻值R等于恒定值R0。所测量的时长T2配属于相应的时间差d。通过重复执行可以求取时长T2和时间差d之间的准确关系。查询表格可以相应地被更新。

在图6中图示出根据另一实施方式的气体传感器设备1b的方框图。除上面已经说明的元件外(在这里不应重复这些元件的工作方式)，气体传感器设备1b还包括预处理器6，该预处理器构造为用于预处理由感测器件5测量出的电阻值R。基准值跟踪器7在较长时间段内分析预处理数据并且因此求取基准值。该基准值例如可以等于最大的测量电阻值R，该最大的测量电阻值相应于高空气质量的室内空气，因为存在少量附加的化学成分。该基准值被用于在任意时间点计算空气质量。为此，空气质量计算装置8将测量出的电阻值R与基准值进行比较，因此将当前空气质量与最佳空气质量进行比较并且输出空气质量值9。该空气质量值可以通过界面显示给用户。

图7示出用于运行气体传感器设备1a、1b的方法的流程图，该气体传感器设备可以是上面所说明的气体传感器设备1a、1b之一。在方法步骤S1中发起测量。在方法步骤S2中检查，是否已经达到两个有规律的测量时间点t1至t6之间的预给定的时间差W，例如300秒。如果不是这种情况，则在方法步骤S3中检查，是否接收到用于执行附加测量的信号。如果不是这种情况，则在方法步骤S4中等待预给定的时间、约3秒并且随后重新执行方法步骤S2。如果接收到用于执行附加测量的信号，则在方法步骤S6中以配属的加热区间Z1、Z2的经适配的时长T2执行测量。

如果在方法步骤S2中达到预给定的时间差W，则在方法步骤S5中检查，是否进行了额外测量。如果是这种情况，则在方法步骤S6中也以加热区间P5的经适配的时长T3执行测量。否则，在方法步骤S7中以未适配的时长T1执行常规测量。

为了执行测量，在方法步骤S8中，针对加热区间的对应确定的时长激活加热器件3，并且在方法步骤S9中输出测量出的电阻值R。

根据另外的实施方式，可以在附加测量之后以与两次自动测量之间的有规律的预给定时间间隔相应的时间间隔执行下一次自动测量。

Claims (9)

1.一种用于运行气体传感器设备(1a；1b)的方法，所述气体传感器设备配备有：

a.至少一个气体敏感的传感器电阻(2)，

b.用于受控地加热所述传感器电阻(2)的加热器件(3)，

c.用于感测所述传感器电阻(2)的电阻值的感测器件(5)，和

d.用于处理测量信号的信号处理器件(10)，

在所述方法中，以时间间隔执行测量，其方式是：感测所述传感器电阻的电阻值作为测量信号，和，

在所述方法中，针对每次测量加热所述传感器电阻，其中，所述加热器件不连续地在加热区间中运行，并且每个测量配属有一个加热区间；

其特征在于，以能预给定的时间间隔执行自动测量，能够在任意时间发起附加测量，并且，配属于各个测量的加热区间的时长根据相对于前一个加热区间的时间间隔来选择；

至少在配属于测量的加热区间中将所述传感器电阻加热到能预给定的运行温度；在配属于所述测量的加热区间期间在该加热区间结束时感测所述传感器电阻的电阻值作为测量信号；根据相对于对应的前一个加热区间的时间间隔选择配属于各个测量的加热区间的时长，使得当在基本上恒定的周围环境条件下进行测量时感测到相同的测量信号；和

基于校准测量确定所述加热区间的时长与相对于对应的前一个加热区间的时间间隔的相关性，所述校准测量在校准步骤中在基本上恒定的周围环境条件下被执行。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述自动测量以有规律地预给定的时间间隔被执行，而与是否发起附加测量无关。

3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述有规律地预给定的时间间隔是相等的时间间隔。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述自动测量一直以有规律地预给定的时间间隔被执行，直至发起附加测量，并且在发起附加测量之后以这样的时间间隔执行下一个自动测量，当之前未发起至少一个另外的附加测量时，该时间间隔相应于两个自动测量之间的有规律地预给定的时间间隔。

5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述有规律地预给定的时间间隔是相等的时间间隔。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述校准步骤包括作为参考测量的至少一个测量和以能预给定的时间间隔进行的至少一个校准测量，所述传感器电阻针对每个校准测量至少一直被加热至所述传感器电阻的电阻值相应于参考测量的电阻值，并且然后针对每个校准测量感测直至达到所述参考测量的电阻值的时长和相对于前一个加热区间的时间间隔作为校准数据。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，所述校准步骤能够选择式地被激活。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其特征在于，如果在预给定数量的相继进行的自动测量中感测到了基本上相同的测量信号，则自动激活所述校准步骤。

9.一种气体传感器设备(1a；1b)，所述气体传感器设备具有：

a.至少一个气体敏感的传感器电阻(2)；

b.用于受控地加热所述传感器电阻(2)的加热器件(3)；

c.用于感测所述传感器电阻(2)的电阻值的感测器件(5)；

d.用于处理测量信号的信号处理器件(10)；和

e.控制装置(4)，用于操控所述加热器件、所述感测器件(5)和所述信号处理器件(10)，以便根据权利要求1至8中任一项所述执行自动的并且由外部发起的测量，其中，所述控制装置配备有至少一个接口，用于接收外部控制信号，其中，能够通过所述加热器件(3)至少在配属于测量的加热区间中将所述传感器电阻加热到能预给定的运行温度；所述感测器件(5)设置为用于在配属于所述测量的加热区间期间在该加热区间结束时感测所述传感器电阻的电阻值作为测量信号；所述控制装置(4)设置为用于根据相对于对应的前一个加热区间的时间间隔选择配属于各个测量的加热区间的时长，使得当在基本上恒定的周围环境条件下进行测量时能够感测到相同的测量信号；和所述控制装置(4)设置为用于基于校准测量确定所述加热区间的时长与相对于对应的前一个加热区间的时间间隔的相关性，所述校准测量能够在校准步骤中在基本上恒定的周围环境条件下被执行。