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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG Gebiet der Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein gepulstes Gaskonzentrations-Messsystem sowie
ein Verfahren zur gepulsten Konzentrationsmessung einer flüchtigen
chemischen Substanz in einer speziellen Umgebung.
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Beschreibung
der einschlägigen
Technik
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Herkömmlicherweise
wird ein Gaskonzentrationssensor dazu verwendet, die Konzentration
eines speziellen Gases zu er mitteln. Ein Beispiel für einen herkömmlichen
Gaskonzentrationssensor 500 wird nun unter Bezugnahme auf
die 1A und 1B detailliert beschrieben.
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Der
herkömmliche
Gaskonzentrationssensor 500, wie er in der 1A dargestellt ist, verfügt über einen
Körper 510,
Spannungseingabeelemente 520 sowie Ausgabeelemente 530.
Der Körper 510 verfügt, wie
es in der 1B dargestellt
ist, über
ein Substrat 512, Elektroden 514, ein Sensorelement 516 und
einen Heizer 518. Im Allgemeinen ist das Sensorelement 516 eine
Metalloxidmembran wie eine Zinndioxid(SnO2)membran, die auf ein
spezielles Gas in der Nachbarschaft des Gaskonzentrationssensors 500 reagiert.
Wenn der herkömmliche Gaskonzentrationssensor 500 in
einer speziellen Umgebung dazu verwendet wird, eine Gaskonzentration
zu messen, wird über
die Spannungseingabeelemente 520 eine feste Spannung an
Sensor 500 gelegt, um den Heizer 518 zu aktivieren,
um die Membran des Sensorelements auf eine vorbestimmte Temperatur,
wie 400°C,
zu erwärmen.
So reagiert die Membran des Sensorelements 516 mit dem
speziellen Gas, das in der speziellen Umgebung zu messen ist, und
der Widerstand des Sensorelements 560 ändert sich auf Grund der Reaktion.
Eine durch den Widerstand des Sensorelements 516 bestimmte Ausgangsspannung
wird dann durch das Ausgabeelement 530 als Ausgangssignal
erhalten.
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Es
ist ersichtlich, dass die Konzentration des speziellen Gases in
der speziellen Umgebung die Reaktion beeinflusst, und die Beziehung
zwischen der Konzentration des speziellen Gases und dem Widerstand
des Sensorelements 516 kann durch Versuch als Bezugsbeziehung
für den
Gaskonzentrationssensor 500 erstellt werden.
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Die 2A ist ein Kurvenbild, das
ein Beispiel für
eine Gaskonzentrationsmessung unter Verwendung des herkömmlichen Gaskonzentrationssensors 500 zeigt,
wobei die Kurven L1 und L2 jeweils verschiedene Konzentrationen
des speziellen Gases betreffen. Wenn über das Spannungseingabeelement 520 eine
Spannung in den Sensor 500 eingegeben wird, um den Heizer 518 zu
aktivieren, wird die Membran des Sensorelements 516 auf
eine vorbestimmte Temperatur, wie 400°C, erwärmt. In beiden Fällen ändert sich
der Widerstand des Sensorelements 516 auf Grund der Reaktion,
wodurch eine Ausgangsspannung (als Punkt A dargestellt) mit der Konzentration
L1 und ein Punkt P mit der Konzentration L2 verursacht werden. Es
sei darauf hingewiesen, dass die vorbestimmte Temperatur des herkömmlichen
Gaskonzentrationssensors 500 im Allgemeinen auf eine vorbestimmte
Temperatur eingestellt wird, bei der die Ausgangsspannung erheblich ist,
so dass die Reaktionen des Gaskonzentrationssensors 500 deutlich
erkennbar sind. Zum Beispiel beträgt die in der 2A dargestellte bevorzugte Temperatur
400°C.
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Der
herkömmliche
Gaskonzentrationssensor 500 verfügt über eine Konstruktion vom Membrantyp, die
relativ billig ist. Ferner reagiert der herkömmliche Gaskonzentrationssensor 500 schnell
mit dem zu messenden Gas, und er kann wirkungsvoll für eine lange
Zeitperiode verwendet werden. Im Ergebnis wird ein solcher Gaskonzentrationssensor
weit verbreitet verwendet. Zum Beispiel offenbart das US-Patent
Nr. 6,336,354 eine Gaskonzentrations-Messvorrichtung, bei der ein
Gaskonzentrationssensor angewandt ist, der eine Heizsteuerschaltung
dazu verwendet, dem Heizer des Sensors unter Verwendung eines pulsmodulierten
(PM) Signals zyklisch Energie zuzuführen. In diesem Fall korrigiert
die Vorrichtung im Gaskonzentrationssignal enthaltene Fehler, unter Regulierung
des Signals, und das Ausgangssignal des Gaskonzentrationssensors
ist erheblich.
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Der
herkömmliche
Gaskonzentrationssensor 500 wird jedoch hauptsächlich dazu
verwendet, die Konzentration eines speziellen Gases zu verwenden. Es
ist ersichtlich, dass der herkömmliche
Gaskonzentrationssensor 500 in einer speziellen Umgebung verwendet
werden kann, wenn in dieser das spezielle Gas existiert. Jedoch
kann die Membran des Gaskonzentrationssensors 500 mit mehreren
Gasen reagieren. So kann der herkömmliche Gaskonzentrationssensor 500 dann,
wenn in der speziellen Umgebung mehr als eines der Gase existiert,
nicht zwischen jedem Gas unterscheiden, so dass sein Ausgangssignal
nicht genau einem speziellen Gas entspricht, und Konzentrationen
werden nicht genau erhalten. Außerdem
kann der herkömmliche
Gaskonzentrationssensor 500 dann, wenn die Zusammensetzung
des Gases in der speziellen Umgebung unbekannt ist, die Zusammensetzung
des Gases nicht bestimmen.
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Bei
einer Gaskonzentrationsmessung wird in einen Sensor eine feste Spannung
eingegeben, um einen Heizer zu aktivieren, um so die Membran des Sensorelements
zu erwärmen,
damit eine Reaktion mit dem in der speziellen Umgebung zu messenden speziellen
Gas erfolgt und sich der Widerstand des Sensorelements auf Grund
der Reaktion ändert.
So wird ein Ausgangssignal erhalten. Die feste Spannung wird im
Allgemeinen so eingestellt, dass die Membran des Sensorelements
auf eine bevorzugte Temperatur erwärmt wird. Wenn sich jedoch
die in den Sensor eingegebene Spannung ändert, ändert sich auch das Ausgangssignal.
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Die 2B ist ein Kurvenbild, das
Ausgangssignale zeigt, die mehreren von durch einen Sensor gemessenen
Gasen entsprechen. Die Gase sind Wasserstoff (H2), Kohlenmonoxid
(CO), Ethanol (C2H5OH), Methan (CH4) und Butan (C4H10), und die
Konzentration jedes Gases wird auf 0,1% gehalten, um die Ausgangssignale
zu erhalten. Der verwendete Sensor ist ein weit verbreitet verwendeter herkömmlicher
Gaskonzentrationssensor, wie oben beschrieben. Es sei darauf hingewiesen, dass
die Kurven in der 2B zeigen,
dass sich die Ausgangssignale für
die Gase entsprechend der Membrantemperatur (d.h. der in den Sensor
eingegebenen Spannung) ändern
und dass jedes Ausgangssignal als charakteristisches Muster erkannt
werden kann. Demgemäß kann das
Ausgangssignal des Gases als Charakteristiksignal für die chemische
Substanz des Gases zur Verwendung bei der Gaserkennung verwendet
werden.
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Das
Gaserkennungsverfahren gemäß der 2D kann ferner im Vergleich
zur in der 2A dargestellten
Gaskonzentrationsmessung beschrieben werden. In der 2A ist das Ausgangssignal des Gaskonzentrationssensors 500 ein
Punkt in Beziehung auf eine feste Membrantemperatur (auf Grund der
festen in den Sensor 500 eingegebenen Spannung), wie der
bevorzugten Temperatur. Jedoch ist in der 2B das Ausgangssignal des Sensors eine
Kurve in Zusammenhang mit einem speziellen Bereich der Membrantemperatur,
und als zugeordnete Anwendung, wie durch das Charakteristiksignal
für die
chemische Substanz des Gases bestimmt, hat der Erfinder ein intelligentes
Gaserkennungssystem und ein zugehöriges Verfahren vorgeschlagen,
wie es im taiwanesischen Patent Nr. 531139 offenbart ist. Bei diesem
intelligenten Gaserkennungssystem und beim zugehörigen Verfahren wird ein pulsmoduliertes (PM)
Signal als Eingangsspannung in den herkömmlichen Gaskonzentrationssensor
verwendet, so dass die verschiedenen Gasen entsprechenden Ausgangssignale
differieren. So kann durch Versuch eine Datenbank für die Charakteristiken
chemischer Substanzen erstellt werden, und die Charakteristik einer chemischen
Substanz kann als Bezugsgröße verwendet
werden, um die Zusammensetzung und/oder Konzentration der Gase zu
bestimmen.
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Genauer
gesagt, nutzt das taiwanesische Patent Nr. 531139 das in der 2B veranschaulichte Gaserkennungsverfahren,
das unter Bezugnahme auf die 3A und 3B, ebenfalls ent sprechend
dieser Offenbarung, näher
beschrieben werden kann.
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Die 3A zeigt das intelligente
Gaserkennungssystem, wie es im taiwanesischen Patent Nr. 531139
offenbart ist. Dieses intelligente Gaserkennungssystem wird dazu
angewandt, eine Gaserkennung (oder eine Erkennung einer flüchtigen
chemischen Substanz) in einer speziellen Umgebung auszuführen, und
es verfügt über einen
Sensor 10, ein Pulsspannungs-Versorgungsmodul 20 und
eine Verarbeitungsvorrichtung 30.
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Der
Sensor 10, der ein herkömmlicher
Gaskonzentrationssensor sein kann, wie er in der 1A dargestellt ist, verfügt über mindestens
ein Spannungseingabeelement, mindestens ein Ausgabeelement und ein
Sensorelement (d.h. den Körper 510). Das
Sensorelement kann eine Metalloxidmembran sein, wie eine Zinndioxidmembran
(SnO2), die mit dem speziellen Gas in der Nachbarschaft des Sensors 10 reagiert.
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Das
Pulsspannungs-Versorgungsmodul 20 ist mit dem Spannungseingabeelement
des Sensors 10 verbunden, um eine Variable, pulsmodulierte Spannung
an diesen zu liefern, so dass er über das Ausgabeelement ein
Ausgangssignal liefert.
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Die
Verarbeitungsvorrichtung 30 kann ein Computer mit einem
Musterkennungsmodul und einer Datenbank zum Speichern mehrerer Charakteristiksignale
für chemische
Substanzen sein. Das Mustererkennungsmodul kann z. B. Grafikerkennungssoftware
sein. Ferner empfängt
die Verarbeitungsvorrichtung 30 vom Ausgabeelement des
Sensors 10 ein Ausgangssignal.
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Wenn
das intelligente Gaserkennungssystem dazu verwendet wird, eine Gaserkennung
auszuführen,
wird der Sensor 10 in der speziellen Umgebung platziert.
Das Pulsspannungs-Versorgungsmodul 20 liefert über das
Spannungseingabeelement eine Variable, pulsmodulierte Spannung an
den Sensor 10, damit die Membran des Sensorelements iterativ
erwärmt
wird, und bei jedem Heizprozess variiert die Membrantemperatur auf
Grund der Variablen, pulsmodulierten Spannung. So reagiert die Membran bei
verschiedenen Temperaturen mit dem Gas in der speziellen Umgebung,
und der Sensor 10 liefert ein Ausgangssignal, wie ein variables,
pulsmoduliertes Signal, an die Verarbeitungsvorrichtung 30.
Dann vergleicht die Verarbeitungsvorrichtung 30 das Ausgangssignal
mit den Charakteristiksignalen für
chemische Substanzen, um ein Erkennungsergebnis für das Gas,
wie die Zusammensetzung des Gases und/oder die Konzentration jeweiliger
Bestandteile desselben zu bestimmen.
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Das
im taiwanesischen Patent Nr. 531139 offenbarte Verfahren zur Gaserkennung
kann unter Bezugnahme auf das Flussdiagramm der 3B beschrieben werden. Gemäß der 3B wird angenommen, dass
in einer speziellen Umgebung ein zu identifizierendes Gas G existiert
und dass zum Vergleich mit dem Gas G zwei vorgegebene Chemikalien
X und Y vorliegen. Das heißt,
dass die Gaserkennung ausgeführt
wird, um zu ermitteln, ob das Gas G genau mit X oder Y übereinstimmt.
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Wenn
eine Gaserkennung ausgeführt
wird, wird ein Sensor 10 der angegebenen Art bereitgestellt
(Schritt S10) und in den vorgegebenen Chemikalien X und Y platziert
(Schritt S20). Dann wird jeweils eine variable, impulsmodulierte
Spannung an den Sensor 10 geliefert, damit dieser die Charakteristiksignale
SX, SY für
chemische Substanzen für
die vorgegebenen Chemikalien X und Y ausgibt (Schritt S30). Dann
werden die Charakteristiksignale SX und SY für chemische Substanzen für weitere
Erkennung des Gases G in einer Datenbank abgespeichert (Schritt
S40).
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Dann
wird der Sensor in der speziellen Umgebung mit dem Gas G platziert
(Schritt S50). Der Sensor wird mit einer variab len, impulsmodulierten Spannung
versorgt, damit er ein dem Gas G in der speziellen Umgebung entsprechendes
Ausgangssignal SG ausgibt (Schritt S60). So empfängt die Verarbeitungsvorrichtung 30 das
Ausgangssignal SG, und sie vergleicht es mit den Charakteristiksignalen
SX und SY für
chemische Substanzen, um ein Erkennungsergebnis für das Gas
G zu ermitteln (Schritt S70).
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Vorzugsweise
werden das intelligente Gaserkennungssystem und das zugehörige Verfahren in
einer speziellen Umgebung verwendet, in der das zu erkennende Gas
G unbekannt ist. Zum Beispiel ist das intelligente Gaserkennungssystem
für eine
halb offene Umgebung geeignet, in der die Zusammensetzung des Gases
G variabel ist.
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Jedoch
ist in einigen Fällen
die spezielle Umgebung eine luftdichte Umgebung mit einer festen Zusammensetzung
des Gases G, oder eine Umgebung, in der die Zusammensetzung des
Gases G bereits bekannt ist. Zum Beispiel ist es für ein Labor oder
eine Halbleiterfabrik gut bekannt, dass durch eine chemische Reaktion
oder einen Herstellprozess bestimmte Gastypen erzeugt werden können. Demgemäß ist die
Zusammensetzung des Gases im Labor oder der Halbleiterfabrik auf
eine Gruppe dieser Gastypen fixiert. Es sei darauf hingewiesen,
dass der oben genannte Prozess des Erhaltens des Ausgangssignals
SG und des Vergleichens desselben mit dem Charakteristiksignalen
SX und SY für
chemische Substanzen nur einmal ausgeführt werden kann, um die Zusammensetzung
des Gases G zu bestimmen oder zu klären. Demgemäß sind das intelligente Gaserkennungssystem
und das Verfahren kompliziert, und sie können weiter vereinfacht werden.
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Ferner
kann die Empfindlichkeit des Sensors 10 durch Umgebungsfaktoren
stark beeinflusst werden, wie die Temperatur oder die Luftflussrate,
wobei die Temperatur der kritischste Faktor ist. Demgemäß hat eine
Umgebung mit niedriger Temperatur einen destabilisierenden Effekt
auf die Beziehung zwischen der Ausgangs- und der Eingangsspannung,
was zu ungenauer Gaserkennung führt.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Demgemäß ist es
eine Aufgabe der Erfindung, ein gepulstes Gaskonzentrations-Messsystem und
ein zugehöriges
Verfahren zu schaffen, das entsprechend dem oben genannten intelligenten
Gaserkennungssystem und dem zugehörigen Verfahren modifiziert
ist. Wenn das gepulste Gaskonzentrations-Messsystem und das zugehörige Verfahren dazu
verwendet werden, eine spezielle Umgebung zu identifizieren, in
der die Gaszusammensetzung festliegt oder bekannt ist, ist der Erkennungsprozess vereinfacht
und der Energieverbrauch des Sensors verringert.
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Es
ist eine andere Aufgabe, ein gepulstes Gaskonzentrations-Messsystem und ein
zugehöriges
Verfahren zu schaffen, bei denen der Effekt von Umgebungsfaktoren,
wie der Temperatur, unter Verwendung einer Spannungseingangs- und
Ausgangssteuerung des Sensors verringert werden kann.
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Um
die vorstehenden und andere Aufgaben zu lösen, offenbart die Erfindung
ein gepulstes Gaskonzentrations-Messsystem. Das gepulste Gaskonzentrations-Messsystem
verfügt über einen
Sensor, ein Pulsspannungs-Versorgungsmodul und eine Verarbeitungsvorrichtung.
Der Sensor verfügt über ein Spannungseingabeelement,
ein Ausgabeelement und ein Sensorelement, und er wird in einer speziellen
Umgebung angeordnet, um eine Messung der Gaskonzentration auszuführen. Gas
in der speziellen Umgebung kann mindestens zwei Zusammensetzungen
aufweisen. Das Pulsspannungs-Versorgungsmodul ist mit dem Spannungseingabeelement verbunden.
Die Verarbeitungsvorrichtung speichert mehrere Charakteristiksignale
für chemische
Substanzen, und sie empfängt
das Ausgangssignal des Ausgabeelements des Sensors. Wenn das Pulsspannungs-Versorgungsmodul
eine variable, pulsmodulierte Spannung über das Spannungseingabeelement
an den Sensor liefert, gibt dieser über das Ausgabeelement ein
erstes Signal an die Verarbeitungsvorrichtung aus, und diese ermittelt
entsprechend dem ersten Signal eine Erfassungsspannung und vergleicht
das erste Signal mit den Charakteristiksignalen für chemische
Substanzen, um die Zusammensetzung des Gases und die Konzentration
jeweiliger Bestandteile des Gases zu bestimmen. Andererseits gibt
der Sensor, wenn das Pulsspannungs-Versorgungsmodul einen Rechteckimpuls
mit der Erfassungsspannung über
das Spannungseingabeelement an den Sensor liefert, über das
Ausgabeelement ein zweites Signal an die Verarbeitungsvorrichtung
aus, und diese vergleicht das zweite Signal mit dem Charakteristiksignal
für chemische
Substanzen, um die Konzentration jeweiliger Bestandteile des Gases
zu bestimmen.
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Ferner
offenbart die Erfindung ein Verfahren zur Gaskonzentrationsmessung.
Als Erstes wird ein Sensor in einer speziellen Umgebung angebracht. Der
Sensor wird mit einem variablen Impuls versorgt, der eine pulsmodulierte
(PM) Spannung sein kann, so dass er ein erstes Signal ausgibt, das
einem Gas in der speziellen Umgebung entspricht. Das erste Signal
wird mit mehreren Charakteristiksignalen für chemische Substanzen verglichen,
um ein erstes Erkennungsergebnis für das Gas zu bestimmen, das die
Zusammensetzung des Gases sein kann. Entsprechend dem ersten Signal
wird eine Erfassungsspannung bestimmt. Dann wird ein Rechteckimpuls mit
der Erfassungsspannung an den Sensor geliefert, damit dieser ein
dem Gas entsprechendes zweites Signal ausgibt. Das zweite Signal
wird mit mehreren Charakteristiksignalen für chemische Substanzen verglichen,
um für
das Gas ein zweites Erkennungsergebnis als Konzentrationsergebnis
zu bestimmen.
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Beim
Verfahren zur Gaskonzentrationsmessung können die Charakteristiksignale
für chemische Substanzen
dadurch erhalten werden, dass der Sensor mehreren vorbestimmten
chemischen Substanzen ausgesetzt wird und jeweils eine variable,
pulsmodulierte Spannung an ihn geliefert wird, damit er jedes der
Charakteristiksignale für
chemische Substanzen für
jedes der vorbestimmten Chemikalien ausgibt. Dann können Charakteristiksignale
für chemische
Substanzen in einer Datenbank abgespeichert werden.
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Ferner
kann die dem ersten Signal entsprechende Erfassungsspannung dadurch
bestimmt werden, dass eine ideale Spannung in Bezug auf eine Maximalspannung
des ersten Signals aus dem variablen Impuls bestimmt wird. So wird
die Erfassungsspannung als Spannung bestimmt, die größer als
die ideale Spannung ist.
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Bei
der Erfindung kann das Sensorelement eine Metalloxidmembran sein,
wie eine Zinndioxid(SnO2)membran. Ferner kann das zweite Erkennungsergebnis
die Konzentration der jeweiligen Bestandteile des Gases sein. Bei
der Erfindung kann ein einzelner Sensor dazu verwendet werden, die
Konzentrationen mindestens zweier Zusammensetzungen von Gasen gleichzeitig
zu erkennen.
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Für die folgenden
Ausführungsformen
erfolgt unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnungen eine detaillierte
Beschreibung.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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Die
Erfindung kann durch Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung
und der Beispiele unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen vollständiger verstanden
werden.
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1A ist eine schematische
Ansicht eines herkömmlichen
Gaskonzentrationssensors;
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1B ist eine schematische
Ansicht des Körpers
des herkömmlichen
Gaskonzentrationssensors;
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2A ist ein Kurvenbild, das
die einem speziellen Gas mit verschiedenen Konzentrationen entsprechenden
Ausgangssignale zeigt, wie sie durch den herkömmlichen Gaskonzentrationssensor ausgegeben
werden;
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2B ist ein Kurvenbild, das
die verschiedenen Gasen entsprechenden Ausgangssignale zeigt, wie
sie vom herkömmlichen
Gaskonzentrationssensor ausgegeben werden;
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3A ist eine schematische
Ansicht, die eine Ausführungsform
des herkömmlichen
intelligenten Gaserkennungssystems zeigt;
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3B ist ein Flussdiagramm,
das das herkömmliche
Verfahren zur Gaserkennung zeigt;
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4A ist ein schematisches
Kurvenbild, das die variable, pulsmodulierte Spannung bei der Ausführungsform
der Erfindung zeigt;
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4B ist ein Kurvenbild, das
das Charakteristiksignal für
chemische Substanzen entsprechend Methan mit einer Konzentration
von 2000 ppm zeigt;
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4C ist ein Kurvenbild, das
das Charakteristiksignal für
chemische Substanzen entsprechend Wasserstoff mit einer Konzentration
von 2000 ppm zeigt;
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5 ist eine schematische
Ansicht, die eine Ausführungsform
des erfindungsgemäßen gepulsten Gaskonzentrations-Messsystems
zeigt;
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6A ist ein Kurvenbild, das
eine Ausführungsform
eines Rechteckimpulses 220 zeigt;
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6B ist ein Kurvenbild, das
eine der 6A entsprechende
Impulsspannung (das zweite Signal) zeigt; und
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7 ist ein Flussdiagramm,
das das erfindungsgemäße Verfahren
zur gepulsten Gaskonzentrationsmessung zeigt.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Bei
einer Gaskonzentrationsmessung wird eine feste Spannung in einen
Sensor eingegeben, um ein Ausgangssignal zu erhalten, das mit der
Konzentration des Gases in Zusammenhang steht. Die feste Spannung
wird im Allgemeinen so eingestellt, dass die Membran des Sensors
auf eine vorbestimmte Temperatur erwärmt wird. Ferner wird beim
oben genannten intelligenten Gaserkennungssystem und beim zugehörigen Verfahren
ein pulsmoduliertes (PM) Signal als Eingangsspannung in den herkömmlichen
Gaskonzentrationssensor verwendet, damit die verschiedenen Gasen
entsprechenden Ausgangssignale variieren. So kann durch Versuch
eine Charakteristikdatenbank für
für chemische
Substanzen erstellt werden, und die Charakteristiken chemischer
Substanzen können
als Bezugsgröße zum Bestimmen
der Zusammensetzung und/oder der Konzentration der Gase verwendet
werden. Das bei der Erfindung eingeführte Verfahren ist eine weitere
Realisierung des Verfahrens, wie es beim oben genannten intelligenten
Gaserkennungssystem und beim zugehörigen Verfahren offenbart ist.
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Nachfolgend
wird unter Bezugnahme auf die 5 eine
Aus führungsform
des erfindungsgemäßen gepulsten
Gaskonzentrations-Messsystems beschrieben. Das erfindungsgemäße gepulste
Gaskonzentrations-Messsystem wird dazu angewandt, eine Gaskonzentrationsmessung
(oder eine Konzentrationsmessung für eine flüchtige chemische Substanz) in
einer speziellen Umgebung auszuführen.
Das gepulste Gaskonzentrations-Messsystem verfügt über einen Sensor 10,
ein Pulsspannungs-Versorgungsmodul 20 und eine Spannungseingabeelement 30.
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Der
Sensor 10, der ein herkömmlicher
Gaskonzentrationssensor 500 sein kann, wie er in der 1A dargestellt ist, verfügt über mindestens
ein Spannungseingabeelement, mindestens ein Ausgabeelement und ein
Sensorelement (d.h. den Körper 510).
Das Sensorelement kann eine Metalloxidmembran, wie eine Zinndioxidmembran
(SnO2) sein, die mit dem speziellen Gas in der Nachbarschaft des Sensors 10 reagiert.
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Das
Pulsspannungs-Versorgungsmodul 20 ist mit dem Spannungseingabeelement
des Sensors 10 verbunden, um eine Eingangsspannung, die
eine variable, pulsmodulierte Spannung oder ein Rechteckimpuls sein
kann, an den Sensor 10 zu liefern, damit dieser über das
Ausgabeelement ein Ausgangssignal liefert.
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Die
Verarbeitungsvorrichtung 30 kann ein Computer mit einem
Mustererkennungsmodul und einer Datenbank zum Speichern mehrerer
Charakteristiksignale für
chemische Substanzen sein. Das Mustererkennungsmodul kann z. B.
Grafikerkennungssoftware sein. Ferner empfängt die Verarbeitungsvorrichtung 30 ein
Ausgangssignal vom Ausgabeelement 10.
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Ein
Vergleich des erfindungsgemäßen gepulsten
Gaskonzentrations-Messsystems und des bei der einschlägigen Technik
genannten intelligenten Gaserkennungssystems kann unter Bezugnahme
auf die 4A bis 4C und die 5 beschrieben wer den.
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Wenn
das gepulste Gaskonzentrationssensor der Ausführungsform dazu verwendet wird,
eine Gaskonzentrationsmessung auszuführen, wird der Sensor 10 in
der speziellen Umgebung platziert. Das Pulsspannungs-Versorgungsmodul 20 sendet
einen variablen Impuls, der eine variable, pulsmodulierte Spannung 210 innerhalb
eines Bereichs von 0 V bis 6 V sein kann, wie es in der 4A dargestellt ist, über das
Spannungseingabeelement an den Sensor 10, damit die Membran
desselben iterierend erwärmt wird,
und bei jedem Heizprozess variiert die Membrantemperatur auf Grund
der variablen, pulsmodulierten Spannung. So reagiert die Membran
bei verschiedenen Temperaturen mit dem Gas in der speziellen Umgebung,
und der Sensor 10 gibt ein erstes Signal, wie ein variables,
pulsmoduliertes Signal 230, als Ausgangssignal an die Verarbeitungsvorrichtung 30 aus.
Dann vergleicht die Verarbeitungsvorrichtung 30 das erste
Signal 230 mit den Charakteristiksignalen für chemische
Substanzen. Die Charakteristiksignale für chemische Substanzen werden
mit mehreren Signalen in Beziehung gesetzt, wie es in der 2B dargestellt ist, wobei
ein Charakteristiksignal für
chemische Substanzen z. B. Methan mit einer Konzentration von 2000
ppm entspricht, wie es in der 4B dargestellt
ist, oder das Charakteristiksignal für chemische Substanzen Wasserstoff
mit einer Konzentration von 2000 ppm entspricht, wie es in der 4C dargestellt ist, um ein
erstes Erkennungsergebnis für
das Gas, wie die Zusammensetzung desselben und/oder die Konzentration
der jeweiligen Bestandteile des Gases, zu bestimmen. Da Gas in der speziellen
Umgebung mindestens zwei Zusammensetzungen aufweisen kann, können diese
aus dem ersten Erkennungsergebnis durch Vergleich mit dem Charakteristiksignalen
für chemische
Substanzen erkannt werden.
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Indessen
bestimmt die Verarbeitungsvorrichtung 30 eine dem ersten
Signal entsprechende Erfassungsspannung, die den entscheidenden
Unterschied zwischen dem erfindungsgemäßen gepulsten Gaskonzentrationssensor
und dem intelligenten Gaserkennungssystem bildet. Genauer gesagt,
ermittelt die Verarbeitungsvorrichtung 30 die Maximalspannung
des ersten Signals, und sie bestimmt aus der variablen, pulsmodulierten
Spannung eine ideale Spannung, die mit der Maximalspannung des ersten Signals
in Beziehung steht. So kann die Erfassungsspannung als Spannung
erhalten werden, die größer als
die ideale Spannung ist.
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Wenn
z. B. das Gas in der speziellen Umgebung reines Methan ist, kann
die ideale Spannung gemäß der 4B zu 5,8 V erhalten werden.
So kann die erste Erfassungsspannung zu 6 V bestimmt werden, was
größer als
die ideale Spannung von 5,8 V ist. Umgekehrt kann, wenn das Gas
in der speziellen Umgebung reiner Wasserstoff ist, die ideale Spannung
gemäß der 4C als 4,8 V erhalten werden.
So kann die zweite Erfassungsspannung zu 5 V bestimmt werden, was
größer als
die ideale Spannung von 4,8 V ist. Es sei darauf hingewiesen, dass im
ersten Signal zwei Maximalspannungen erhalten werden können, wenn
das Gas in der speziellen Umgebung ein Gemisch von Methan und Wasserstoff
ist. In diesem Fall können
zwei ideale Spannungen von 5,8 V und 4,8 V erhalten werden, und
es können
zwei Erfassungsspannungen von 6 V und 5 V bestimmt werden.
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Dann
liefert das Pulsspannungs-Versorgungsmodul 20 einen Rechteckimpuls 220 mit
den zwei Erfassungsspannungen, ..., über das Spannungseingabeelement
an den Sensor 10. So gibt der Sensor 10 ein zweites
Signal, wie einen Impuls gemäß der 6B, über das Ausgabeelement an die Verarbeitungsvorrichtung 30 aus,
und diese vergleicht das zweite Signal mit dem Charakteristiksignal
für chemische
Substanzen, um das zweite Erkennungsergebnis für das Gas als Gaskonzentrations ergebnis,
wie die Konzentration jeweiliger Bestandteile des Gases, zu bestimmen.
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Es
sei darauf hingewiesen, dass die Erfassungsspannung als Spannung
bestimmt werden kann, die größer als
die ideale Spannung ist. Der Grund für diese Bestimmung wird nachfolgend
unter Bezugnahme auf die 2 beschrieben.
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Die
ideale Spannung steht mit der Maximalspannung des ersten Signals
in Zusammenhang. Idealerweise erreicht, wenn die ideale Spannung
als Eingangsspannung des Sensors 10 verwendet wird, das
Ausgangssignal desselben einen Maximalwert, wie den Punkt A oder
den Punkt B in der 2.
Im praktischen Gebrauch kann jedoch die Membrantemperatur des Sensors 10 niedriger
als die ideale Temperatur, in Zusammenhang mit der idealen Spannung,
sein, da der Sensor 10 durch Umgebungsfaktoren, wie die
Temperatur, beeinflusst wird. Im Ergebnis kann, wenn die Erfassungsspannung
als Spannung über
der idealen Spannung bestimmt wird, die Membrantemperatur des Sensors 10 die
ideale Temperatur bei der idealen Spannung überschreiten. Selbst wenn die
spezielle Umgebung eine solche auf niedriger Temperatur ist, kann
die Membrantemperatur dadurch auf der idealen Temperatur gehalten
werden, dass die Erfassungsspannung kontrolliert wird. So kann der
Effekt von Umgebungsfaktoren verringert werden, und die Empfindlichkeit
und die Erkennungsfähigkeit
des Sensors 10 sind genau und stabil.
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Eine
weitere Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Verfahrens
zur gepulsten Gaskonzentrationsmessung kann unter Bezugnahme auf das
Flussdiagramm der 7 beschrieben
werden. Bei der Ausführungsform
ist angenommen, dass ein zu identifizierendes Gas in einer speziellen
Umgebung existiert. Wenn das Gas zu erkennen ist, werden mehrere
Charakteristiksignale für
chemische Substanzen entsprechend den Schritten S10 bis S40 in der 3B ermittelt.
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Dann
wird der Sensor 10 in der speziellen Umgebung mit dem Gas
G platziert (Schritt S50). Der Sensor 10 wird mit einem
variablen Impuls versorgt, wie einer variablen, pulsmodulierten
Spannung, damit er ein erstes Signal SG1 ausgibt, das dem Gas G in
der speziellen Umgebung entspricht (Schritt S160). So empfängt die
Verarbeitungsvorrichtung 30 das erste Signal SG1, und sie
vergleicht es mit dem Charakteristiksignalen für chemische Substanzen, um
ein erstes Erkennungsergebnis für
das Gas G zu bestimmen (Schritt S170). Wenn das Gas G eine reine
Substanz ist, kann das erste Erkennungsergebnis die Konzentration
des Gases sein; wenn das Gas G ein Gemisch ist, beinhaltet das erste
Erkennungsergebnis die Zusammensetzung des Gases und die Konzentration
der jeweiligen Bestandteile desselben.
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Dann
bestimmt die Verarbeitungsvorrichtung 30 eine dem ersten
Signal SG1 entsprechende Erfassungsspannung. Genauer gesagt, bestimmt
die Verarbeitungsvorrichtung 30 eine ideale Spannung in Zusammenhang
mit der Maximalspannung des ersten Signals SG1, aus der variablen,
pulsmodulierten Spannung, (Schritt S180), und sie bestimmt die Erfassungsspannung
als Spannung über
der idealen Spannung (Schritt S185).
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Dann
liefert das Pulsspannungs-Versorgungsmodul 20 einen Rechteckimpuls
mit der Erfassungsspannung (z. B. einen Rechteckimpuls von 5 V gemäß der 6A) über das Spannungseingabeelement
an den Sensor 10, damit dieser ein zweites Signal SG2 (z.
B. den Impuls in der 6B)
für das Gas
G über
das Ausgabeelement an die Verarbeitungsvorrichtung 30 ausgibt
(Schritt S190). So vergleicht die Verarbeitungsvorrichtung 30 das
zweite Signal SG2 mit dem Charakteristiksignal für chemische Substanzen, um
ein zweites Erkennungsergebnis für
das Gas G zu bestimmen (Schritt S200), wie die Konzentration jeweiliger
Bestandteile des Gases.
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...,
um den Prozess des Lieferns einer variablen, pulsmodulierten Spannung
an den Sensor 10 auszuführen,
um das erste Signal zu erhalten, wobei jeder Impuls der pulsmodulierten
Spannung für
eine spezielle Periode, wie 3–5
Sekunden, aufrechterhalten werden kann, um zu gewährleisten,
dass die Membrantemperatur des Gaskonzentrations-Messsystems eine
stationäre
Temperatur erreicht. Jedoch ist auch eine kurze Periode, die 1 Sekunde
oder einige hundert Millisekunden, akzeptierbar.
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Ferner
kann jeder Impuls des Rechteckimpulses abhängig von Umgebungsfaktoren
für eine längere Periode
als 3–5
Sekunden oder eine kürzere Periode
als 1 Sekunde oder einige hundert Millisekunden aufrechterhalten
werden. Jedoch ist zwischen jedem Impuls des Rechteckimpulses ein
Intervall Td erforderlich, um eine Ungenauigkeit auf Grund einer
Temperaturschwankung des Gaskonzentrations-Messsystems des Sensors 10 zu
verringern. So behalten das System und das Verfahren gemäß der Erfindung
während
des Betriebs ihre Genauigkeit und ihre Stabilität.
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Mittels
der Erfindung kann ein einzelner Sensor dazu verwendet werden, die
Konzentrationen mindestens zweier Zusammensetzungen von Gasen gleichzeitig
zu erkennen.
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Während die
Erfindung beispielhaft und im Bezug auf die bevorzugten Ausführungsformen
beschrieben wurde, ist es zu beachten, dass sie nicht auf die offenbarten
Ausführungsformen
beschränkt ist.
Vielmehr soll sie verschiedene Modifizierungen und ähnliche
Anordnungen abdecken (wie sie für
den Fachmann ersichtlich sind). Daher soll dem Schutzumfang der
beigefügten
Ansprüche
die weitestgehende Interpretation gewährt werden, damit sie alle derartige
Modifizierungen und ähnliche
Anordnungen umfassen.