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Die
vorliegende Erfindung betrifft die Detektion eines Gases mit einem
Metalloxidhalbleiter-Gassensor und insbesondere eine Technologie
zum Detektieren eines Gases, indem ein Gassensor einer Temperaturänderung
ausgesetzt wird.
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Ein
SnO2-Typ-CO-Sensor TGS203 (TGS203 ist ein
Handelsname von Figaro Engineering Inc.) ist ein Metalloxidhalbleiter-Gassensor, der eine
Temperaturänderung
verwendet. Dieser Gassensor arbeitet in Zyklen, und jeder Zyklus
hat eine Periode von 150 Sekunden. Die ersten 60 Sekunden des Zyklus
sind einer Periode höherer
Temperatur zugeordnet, und die anschließenden 90 Sekunden sind einer
Periode niedrigerer Temperatur zugeordnet. Die Endtemperatur der
Periode höherer
Temperatur beträgt
300°C, und
die Endtemperatur der Periode niedrigerer Temperatur beträgt 80°C. Die CO-Konzentration wird
anhand des Widerstands des Metalloxidhalbleiters am Ende der Periode
niedrigerer Temperatur detektiert. Der Widerstand des Sensors ist
im Wesentlichen umgekehrt proportional zur CO-Konzentration. Das
Verhältnis
der Wasserstoffempfindlichkeit zur CO-Empfindlichkeit des Sensors
beträgt
1 : 10, und eine Wasserstoffkonzentration von 1000 ppm entspricht
beispielsweise einer CO-Konzentration von 100 ppm. Die Anfangsverteilung
des Widerstands reicht von 1 bis 10 kΩ bei 100 ppm CO.
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Der
Erfinder der vorliegenden Erfindung hat daran gearbeitet, die Gesamtgenauigkeit
eines CO-Detektors unter Verwendung von TGS203 zu verbessern und
die Detektionsgenauigkeit unter Verwendung desselben Sensors um
das Zweifache oder mehr zu verbessern. Ein Problem, an dem der Erfinder
der vorliegenden Erfindung gearbeitet hat, war die Drift der Sensorkennlinie
bzw. der Sensorkennlinien. Der Widerstand von TGS203 verdoppelt
sich im höchsten
Fall in etwa zwei Monaten nach Beginn seines Betriebseinsatzes.
Danach nimmt der Widerstand in mehreren Jahren auf höchstens
etwa die Hälfte
des Anfangswerts ab. Weil der Widerstandswert von TGS203 im Wesentlichen
umgekehrt proportional zur CO-Konzentration ist, bedeutet diese Drift,
dass der detektierte Wert der CO-Konzentration innerhalb eines Bereichs
vom Zweifachen bis zur Hälfte
des tatsächlichen
Werts schwankt. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung hat daran
gearbeitet, den Detektionsfehler auf etwa ±20% des wahren Werts zu verringern.
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Wie
später
beschrieben wird, hat der Erfinder der vorliegenden Erfindung herausgefunden,
dass es zum Korrigieren der Drift wirksam war, ein Signal des Bereichs
niedrigerer Temperatur mit einem Signal in der Anfangsperiode des
Bereichs höherer
Temperatur zu korrigieren. Der Erfinder der vorliegenden Erfindung
hat auch herausgefunden, dass die Konzentrationsabhängigkeit
des Widerstands von TGS203 eine Varianz aufwies und dass es zum
Beseitigen von Fehlern infolge dieser Varianz erforderlich war, Standardsignale
in Bezug auf mehrere Konzentrationen zu speichern.
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Daher
muss der Gasdetektor Standardsignale von mehreren Punkten für mehrere
Konzentrationen speichern. Diese Anforderung ist nicht mit der Spezifikation
des herkömmlichen
CO-Detektors verträglich,
der einen veränderlichen
Widerstand als Lastwiderstand verwendet und ein Standardsignal als
Wert des veränderlichen
Widerstands speichert.
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Nun
wird der relevante Stand der Technik beschrieben. Es wurde von Yoshikawa
u.a. vorgeschlagen, die Temperatur eines Gassensors zu ändern, das
Verhalten seines Widerstands als eine Temperaturwellenform zu betrachten
und die Wellenform einer Fourier-Transformation zu unterziehen,
um ein Gas zu detektieren (Analytical Chemistry, Band 68, Nr. 13,
2067–2072,
1996). A. Heilig u.a. offenbaren einen ähnlichen Gasdetektor, und bestimmen
die Gaskonzentration mit künstlichen
neuronalen Netzwerken (Sensors and Actuators, Band 43 (1997), S. 45–51). Es
ist wohlbekannt, dass ein EEPROM als ein nichtflüchtiger Speicher in einem Gasdetektor verwendet
wird (US-A-5 305 231). Weiterhin wurde von Okino offenbart, dass,
wenn ein Lastwiderstand in Serie mit einem Metalloxidhalbleiter-Gassensor geschaltet
ist, die Ausgangsspannung des Lastwiderstands eine lineare Beziehung
mit dem Logarithmus des Widerstands des Metalloxidhalbleiter-Gassensors
hat (japanisches Patent 2 578 624). Okino schlägt vor, das Verhältnis zwischen
dem Lastwiderstand und dem Widerstand des Metalloxidhalbleiters durch
Schalten des Werts des Lastwiderstands innerhalb eines geeigneten
Bereichs zu halten. Es wurden viele Forschungsarbeiten in Bezug
auf die Kombination eines Signals eines Bereichs höherer Temperatur
eines Gassensors mit demjenigen eines Bereichs niedrigerer Temperatur
veröffentlicht
(beispielsweise US-A-4 896 143 und US-A-4 399 684).
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Gasdetektor
bereitzustellen, bei dem eine Temperaturänderung eines Gassensors mit einer
Konfiguration und ein Einstellungsverfahren, die geeignet sind,
die Gesamtgenauigkeit des Gasdetektors zu verbessern, verwendet
werden.
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Gemäß einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Metalloxidhalbleiter-Gassensor,
dessen Widerstand durch ein Gas geändert wird, einer Temperaturänderung
ausgesetzt, und Signale mehrerer Punkte einer Temperaturwellenform
werden zum Detektieren eines Gases, wie CO, Ethanol und Ammoniak,
verwendet. Eine Temperaturwellenform ist die Wellenform des Sensorsignals,
die einem Zyklus der Temperaturänderung
entspricht. In dieser Beschreibung bedeuten mehrere Punkte mehrere Punkte,
deren vom Beginn der Temperaturänderung gemessene
Zeiten voneinander abweichen. Die Art des Gassensors ist nicht auf
den SnO2-Typ
beschränkt.
Es können
ein In2O3-Typ, ein
WO3-Typ usw. verwendet werden. Das Detektionsziel
ist nicht auf CO beschränkt.
Die Ziele umfassen verschiedene Gase, wie Ammoniak, Ethanol und
Formaldehyd. Die Temperaturänderung
wird durch Ändern
der den Heizgeräten
des Gassensors zugeführten
elektrischen Leistung bewirkt. Das Muster dieser elektrischen Leistung
wird als Heizgeräte-Wellenform
bezeichnet. Es können
verschiedene Heizgeräte-Wellenformen,
wie quadratische, sinusförmige
und lampenförmige
Wellenformen, verwendet werden.
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Gemäß einem
ersten Aspekt betrifft die vorliegende Erfindung einen Gasdetektor,
welcher umfasst: einen Gassensor mit einem Metalloxidhalbleiter
und mindestens ein Heizgerät,
Mittel
zur Steuerung des mindestens einen Heizgeräts, um den Gassensor einer
Temperaturänderung auszusetzen,
einen
Stufenwiderstand, der als ein Lastenwiderstand bzw. Lastwiderstand
in Serie mit dem Metalloxidhalbleiter des Gassensors geschaltet
ist,
eine Spannungsquelle, um eine Detektorspannung an den
Stufenwiderstand und den Metalloxidhalbleiter anzulegen, und
Abtastmittel
zum Abtasten der Ausgangsspannung des Gassensors, um so aufgrund
Widerstandsänderung
in dem Metalloxidhalbleiter während
der Temperaturänderung
ein Gas zu detektieren, dadurch gekennzeichnet, dass der Detektor
ferner umfasst:
Schaltmittel zum Ändern des Widerstandswerts
des Stufenwiderstands, um die Ausgangsspannung des Gassensors während der
Temperaturänderung
innerhalb eines vorgegebenen Bereichs zu halten,
Übertragungsmittel
bzw. Transformationsmittel zum Übertragen
bzw. Transformieren der Ausgangsspannung des Gassensors während der
Temperaturänderung
in einen Ausgang von Logarithmen der Widerstände des Metalloxidhalbleiters
oder einer Fourier-Transformation der Logarithmen gemäß einer
linearen Funktion oder einer kubischen Funktion der Ausgangsspannung,
wobei der Ausgang der Übertragungsmittel mehrere
Elemente umfasst,
Projektionsmittel, um einen Wert zu erhalten,
der einer Konzentration des Gases gemäß einer zweiten linearen Funktion
der Elemente des Ausgangs der Übertragungsmittel
entspricht,
einen nichtflüchtigen
Speicher, um Standarddaten für die
Gasdetektion zu speichern, und
Gasdetektormittel zum Detektieren
des Gases gemäß den Standarddaten
und dem erhaltenen Wert.
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Vorzugsweise
wird eine Mehrzahl von Standarddaten, die jeweils einer Konzentration
des Gases entsprechen, in dem nichtflüchtigen Speicher gespeichert
und bestimmt das Gasdetektormittel eine Konzentration des Gases
anhand des erhaltenen Werts durch Interpolieren des erhaltenen Werts
zwischen den gespeicherten mehreren Standarddaten.
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Vorzugsweise
umfasst der Gasdetektor weiter Mittel zum Detektieren eines Störgases aufgrund einer
Position der mehreren Elemente in einem Phasenraum für die mehreren
Elemente und Mittel zum Ändern
der bestimmten Gaskonzentration aufgrund der Detektion des Störgases.
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Vorzugsweise
speichert der nichtflüchtige Speicher
auch eine Historie der Gasdetektion.
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Gemäß einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung ist ein Gasdetektor vorgesehen,
welcher aufweist:
- 1) einen nichtflüchtigen
Speicher, der ein Standardsignal, das im Wesentlichen linear zu
Logarithmen von Widerstandswerten eines Metalloxidhalbleiters ist,
in Kombination mit mehreren Punkten auf einer Temperaturwellenform
speichert,
- 2) einen Stufenwiderstand, der als ein Lastwiderstand eines
Gassensors geschaltet ist, wobei das Verhältnis seines Widerstands zum
Widerstand des Metalloxidhalbleiters so eingerichtet ist, dass es
innerhalb eines spezifizierten Bereichs mehrerer Punkte liegt,
- 3) eine Spannungsquelle zum Anlegen einer Detektionsspannung
an ein in Serie geschaltetes Stück
des Stufenwiderstands und den Metalloxidhalbleiter,
- 4) ein Abtastmittel zum Abtasten von Messdaten, die linear zum
Logarithmus des Widerstandswerts des Metalloxidhalbleiters sind,
anhand des Ausgangs, der linear zur Ausgangsspannung des Stufenwiderstands
ist, an jedem der mehreren Punkte, und
- 5) ein Gasdetektormittel, das die Kombinationen von Messdaten
an mehreren Punkten mit dem Standardsignal vergleicht, um ein Gas
zu detektieren.
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Die
Kombinationen von Signalen an mehreren Punkten umfassen Linearkombinationen
von Signalen an mehreren Punkten. Beispielsweise sind mehrere Punkte
durch i = 1~n angegeben. Signale, die linear zu Logarithmen von
Widerstandswerten an den jeweiligen Punkten sind, sind durch S1~Sn
angegeben, und Koeffizienten sind durch a1~an angegeben. Dann ist
die Linearkombination durch Σai·Si gegeben.
Es ist wünschenswert,
dass Standardsignale für
jede von mehreren Gaskonzentrationen gespeichert werden.
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Der
nichtflüchtige
Speicher kann ein EEPROM oder ein RAM, der in einen Mikrocomputer eingebaut
ist oder daran angebracht ist und mit einer Reservebatterie verbunden
ist, sein. Der Ausdruck "linear
zu" bezeichnet eine
Beziehung zwischen einem Signal A und einem Signal B, die angibt,
dass sie durch eine lineare Funktion zueinander ausgedrückt werden
können.
Beispielsweise sind der Sensorwiderstand (der Widerstand des Metalloxidhalbleiters)
und sein Logarithmus nicht linear zueinander, aber der Logarithmus
des Sensorwiderstands und die Ausgangsspannung zum Stufenwiderstand
sind in einem schmalen Bereich linear zueinander. Wie später beschrieben
wird, wird der größere Teil
der Datenverarbeitung durch Differenzen zwischen Standardsignalen
und Messdaten ausgedrückt.
Die Addition von Konstanten zu Messdaten oder Standardsignalen hat
keine Auswirkungen. Was erforderlich ist, ist nicht das Bestimmen
eines Logarithmus eines Widerstands, sondern das Bestimmen einer
Größe, die zum
Logarithmus des Widerstands linear ist. Was den Ausgang des in Serie
geschalteten Teils angeht, wird beispielsweise die Ausgangsspannung
an der Verbindung zwischen dem Stufenwiderstand und dem Metalloxidhalbleiter
verwendet. Der Ausgang ist jedoch nicht darauf beschränkt. Die
vorstehend erwähnte
Ausgangsspannung kann zur Verwendung als Ausgang geteilt oder verstärkt werden.
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Vorzugsweise
sind der Logarithmus des Widerstands des Metalloxidhalbleiters und
die Ausgangsspannung des Stufenwiderstands innerhalb eines Bereichs,
in dem das Verhältnis der
Widerstände des
Halbleiters und des Stufenwiderstands von 1/2 bis 2 reicht, linear
zueinander. Innerhalb dieses Bereichs erfolgt die Transformation
des Widerstands zu einem Logarithmus durch Gleichung (1). LnR = 2 – 4VRl/Vc + LnR1 (1)wobei R den
Widerstand des Metalloxidhalbleiters, VRl die Ausgangsspannung des
Stufenwiderstands, Vc die Detektionsspannung, R1 den Wert des Stufenwiderstands
und Ln den natürlichen
Logarithmus angibt.
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Weil
die Transformation durch Gleichung (1) die Anzahl der für den Stufenwiderstand
erforderlichen Widerstände
erhöht,
wenn der Transformationsbereich, beispielsweise in Bezug auf R/R1
auf einen Bereich von 4 bis 1/4 zu erweitern ist, kann eine nichtlineare
Transformation durch die Gleichungen (2) und (3) vorgenommen werden. LnR = 2x + 2/3 × x3 + LnR1 (2) x = 1 – 2VRl/Vc (3)
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Wie
später
beschrieben wird, ändert
sich der Widerstand des Metalloxidhalbleiters, wenn sich die Temperatur ändert, und
zum Erreichen einer logarithmischen Transformation muss das Verhältnis zwischen
dem Wert des Stufenwiderstands und dem Widerstandswert des Metalloxidhalbleiters
innerhalb eines geeigneten Bereichs gehalten werden. Hierzu können beispielsweise,
weil die Gaskonzentration unter Normalbedingungen nicht in einem
einzigen thermischen Zyklus schwankt, die Widerstandswerte des Metalloxidhalbleiters
an den jeweiligen Zeitpunkten des vorhergehenden Wärmezyklus verwendet werden,
um den Widerstandswert des Stufenwiderstands im folgenden Zyklus
festzulegen. Falls diese Technik verwendet wird, kann die Gaskonzentration beim
Einstellen oder Testen des Gasdetektors jedoch nicht schnell geändert werden.
Daher wird vorzugsweise der Widerstandswert des Stufenwiderstands für mindestens
einen der mehreren Punkte entsprechend dem Ausgang, der zur Ausgangsspannung
linear ist, zum Stufenwiderstand am vorhergehenden Punkt umgeschaltet.
Die Qualifikation für "mindestens einen
Punkt" ist gegeben,
weil beispielsweise, wenn Signale von zwei Punkten verwendet werden, falls
die Zeitdifferenz zwischen den beiden Punkten gering ist, der Widerstandswert
am folgenden Punkt anhand des Widerstandswerts am vorhergehenden Punkt
vorhergesagt werden kann. Diese Technik setzt jedoch Grenzen für die Steuerung
des Stufenwiderstands. Daher wird der Widerstandswert des Stufenwiderstands
bevorzugter für
jeden der mehreren Punkte entsprechend dem Ausgang zum vorhergehenden
Zeitpunkt geschaltet.
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Für den nichtflüchtigen
Speicher ist ein EEPROM, der keine Reservebatterie benötigt, wünschenswert.
Der EEPROM hat jedoch in der Anzahl von Zugriffszeiten eine begrenzte
Zuverlässigkeit. RAMs
für Gasdetektormittel
haben in vielen Fällen Kapazitätsgrenzen.
Falls der Detektionsbereich etwa zehn Mal so groß ist wie die minimale Gaskonzentration,
sind zum Unterdrücken
der Auswirkungen der Abhängigkeit
von Schwankungen der Gaskonzentration Standardsignale bei beispielsweise
drei Konzentrationen bevorzugt, und das EEPROM ist gemacht, um diese
Signale zu speichern. Gewöhnlich
werden im flüchtigen
Speicher in der Art eines RAMs Standardsignale von zwei niedrigeren
Konzentrationen aus den im EEPROM gespeicherten Standardsignalen
gespeichert. Falls die Gaskonzentration diese beiden Konzentrationen übersteigt,
werden die Standardsignale einer höheren Konzentration aus dem EEPROM
ausgelesen und in den flüchtigen
Speicher geschrieben, und falls die Gaskonzentration abfällt, werden
die Standardsignale der zwei niedrigeren Konzentrationen im flüchtigen
Speicher gespeichert. Mit dieser Anordnung kann die Häufigkeit
des Zugriffs auf den EEPROM verringert werden, um Schwierigkeiten
zu vermeiden.
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Gemäß einem
dritten Aspekt der vorliegenden Erfindung sind:
- 1)
ein nichtflüchtiger
Speicher, der ein Standardsignal speichert, das aus Fourier-Transformationskomponenten
von Logarithmen von Widerstandswerten eines Metalloxidhalbleiters
bei mehreren Gaskonzentrationen besteht,
- 2) ein Stufenwiderstand, der als ein Lastwiderstand eines Gassensors
geschaltet ist, wobei das Verhältnis
seines Widerstands zum Widerstand des Metalloxidhalbleiters so eingerichtet
ist, dass es gewöhnlich
innerhalb eines spezifizierten Bereichs liegt,
- 3) eine Spannungsquelle zum Anlegen einer Detektionsspannung
an ein in Serie geschaltetes Stück
des Stufenwiderstands und den Metalloxidhalbleiter,
- 4) ein Abtastmittel zum Transformieren des Ausgangs, der zur
Ausgangsspannung des Stufenwiderstands linear ist, und zum Abtasten
von Messdaten, die linear zum Logarithmus des Widerstandswerts des
Metalloxidhalbleiters sind, an mehreren Punkten der Wellenform,
und
- 5) ein Gasdetektormittel, das eine Fourier-Transformation an
den mehreren Messdateneinheiten ausführt und sie mit dem Standardsignal
vergleicht, um ein Gas zu detektieren bereitgestellt. Zur besseren
Quantifizierung von Gaskonzentrationen werden vorzugsweise Standardsignale
an mehreren Gaskonzentrationen gespeichert und zusammengestellt.
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Die
Fourier-Transformationssignale geben Eigenschaften der Temperaturwellenform
des Gassensors an, und das direkte Verarbeiten des Logarithmus des
Sensorwiderstands ist praktisch identisch mit dem Verarbeiten des
Logarithmus des Sensorwiderstands nach der Fourier-Transformation.
Daher gilt die Beschreibung in Bezug auf das direkte Verarbeiten
des Logarithmus des Sensorwiderstands in dieser Beschreibung auch
für den
Fall, in dem eine Fourier-Transformation
verwendet wird.
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Gemäß einem
vierten Aspekt stellt die vorliegende Erfindung ein Verfahren zum
Einstellen einer Vorrichtung zum Ändern der Temperatur eines
Metalloxidhalbleiter-Gassensors, dessen Widerstand durch ein Gas
geändert
wird, und zum Detektieren des Gases bereit,
dadurch gekennzeichnet,
dass
- a: ein nichtflüchtiger Speicher bereitgestellt
wird, der ein Standardsignal speichert, das im Wesentlichen linear
zu Logarithmen von Widerstandswerten des Metalloxidhalbleiters an
einer Kombination mehrerer Punkte der Wellenformen der Widerstandswerte
des einer Temperaturänderung
ausgesetzten Gassensors ist, und
- b: der Gassensor einem Gas mit einer spezifizierten Konzentration
und der Temperaturänderung ausgesetzt
wird, zu den Logarithmen der Widerstandswerte des Metalloxidhalbleiters
lineare Signale an mehreren Punkten erhalten werden, um die Standardsignale
zu erzeugen, und sie in dem nichtflüchtigen Speicher als Standardsignal
gespeichert werden.
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Vorzugsweise
wird Schritt b für
mehrere Gaskonzentrationen wiederholt.
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Zum
Verbessern der Gesamtgenauigkeit eines Gasdetektors ist es erforderlich,
ein Standardsignal an mehreren Punkten zu verwenden. Daher wird das
Signal in einem nichtflüchtigen
Speicher gespeichert. Wie in einer bevorzugten Ausführungsform
angegeben wird, sind die Logarithmen von Widerstandswerten des Metalloxidhalbleiters
einfacher als seine Widerstandswerte als das Standardsignal zu behandeln.
Falls mit anderen Worten Widerstandswerte des Metalloxidhalbleiters
direkt verwendet werden, werden Berechnungen zur Kompensation durch Kombination
von Signalen komplexer, und ein kleiner Mikrocomputer ist nicht
in der Lage, sie zu verarbeiten. Daher werden gemäß der vorliegenden
Erfindung Signale, die zu den Logarithmen der Widerstandswerte des
Sensors linear sind, eher als die Widerstandswerte des Sensors verwendet.
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Wenn
sich die Temperatur ändert, ändert sich
der Sensorwiderstand erheblich. Es ist erforderlich, einen breiten Bereich
von Widerstandswerten einfach in Logarithmen zu transformieren.
Weil der Transformationsbereich des Sensorwiderstands weit ist,
wird ein Stufenwiderstand verwendet, um das Verhältnis zwischen seinem Widerstand
und dem Widerstand des Metalloxidhalbleiters an erforderlichen Punkten
innerhalb eines spezifizierten Bereichs zu halten. Hier sind die
erforderlichen Punkte beispielsweise Punkte auf den für das Standardsignal
verwendeten Temperaturwellenformen. Wenn nun der Widerstandswert
des Stufenwiderstands und der Widerstandswert des Metalloxidhalbleiters
innerhalb spezifizierter Bereiche liegen, steht die Ausgangsspannung
des Stufenwiderstands oder ein dazu lineares Signal in einer linearen
Beziehung zum Logarithmus des Sensorwiderstands. Falls daher der
Stufenwiderstand mit dem Metalloxidhalbleiter verbunden wird, wird
der Wert des Lastwiderstands in einem spezifizierten Bereich gehalten,
und die Ausgangsspannung des Lastwiderstands oder dergleichen wird
als Messdatum verwendet, das innerhalb eines Bereichs, der durch
einen Mikrocomputer geringer Größe verarbeitet
werden kann, linear zum Logarithmus des Sensorwiderstands ist. Wenn
Messdaten in der vorstehend erwähnten
Art erhalten werden, werden sie mit den Standardsignalen verglichen,
um das Gas zu detektieren.
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Der
Logarithmus des Sensorwiderstands wird mit der Ausgangsspannung
des Lastwiderstands in eine Reihe entwickelt, und Terme bis zum ersten
Grad werden berücksichtigt.
Dann wird Gleichung (1) erhalten: LnR = 2 – 4VRl/Vc
+ LnR1 (1)Anhand
dieser ist klar, dass der Logarithmus des Sensor widerstands zur
Ausgangsspannung VRl linear ist und dass der Logarithmus des Sensorwiderstands
innerhalb des Bereichs der linearen Transformation erhalten werden
kann.
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Der
Transformationsbereich ist für
die logarithmische Transformation nach Gleichung (1) schmal, und
der Bereich des Verhältnisses
des Werts des Sensorwiderstands R zum Wert des Lastwiderstands R1
ist auf etwa 2 bis 1/2 beschränkt.
Innerhalb dieses Bereichs beträgt
der Transformationsfehler ±2%
oder weniger. Zum Erweitern des Transformationsbereichs wird der
Logarithmus des Sensorwiderstands bis zum dritten Grad in eine Reihe
entwickelt, und es wird die logarithmische Transformation nach den
Gleichungen (2), (3) vorgenommen. Wenn der Wert von R/R1 hierbei
von 4 bis 1/4 reicht, beträgt
der Transformationsfehler 4% oder weniger.
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Zum
Erhalten des Logarithmus des Sensorwiderstands ist es erforderlich,
den Wert des Stufenwiderstands geeignet festzuhalten. Daher wird
für mindestens
einen von mehreren Punkten zum Abtasten von Messdaten der Wert des
Stufenwiderstands entsprechend dem Ausgang am vorhergehenden Punkt
davon umgeschaltet. Auf diese Weise kann der Wert des Lastwiderstands
(der Widerstandswert des Stufenwiderstands) geeignet festgehalten
werden, selbst wenn die Gaskonzentration während einer Einstellung oder
eines Tests eines Gasdetektors schnell geändert wird.
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Für den nichtflüchtigen
Speicher ist ein EEPROM wünschenswert,
der keine Reservebatterie benötigt.
Für Standardsignale
ist es erwünscht,
Signale bei mindestens drei Konzentrationen zu speichern. Gewöhnlich ist
die Kapazität eines
RAMs eines für
einen Gasdetektor verwendeten Mikrocomputers gering, und Standardsignale
bei zwei Konzentrationen werden normalerweise vom EEPROM in den RAM
gesendet. Falls die Gaskonzentration die Konzentration der Standardsignale übersteigt,
werden Standardsignale einer höheren
Konzentration vom EEPROM zum RAM gesendet. Falls die Gaskonzentration
abfällt,
werden Standardsignale der niedrigeren Konzentration wieder im RAM
gespeichert. Die Anzahl der Zugriffe auf den EEPROM ist begrenzt. Beispielsweise
werden etwa 100000 Zugriffe als die Obergrenze für das Gewährleisten der Zuverlässigkeit
angesehen. Falls ein Zyklus der Temperaturänderung beispielsweise eine
Minute lang ist und jedes Mal auf den EEPROM zugegriffen wird, geht
die Zuverlässigkeit
des EEPROMs in etwa 70 Tagen verloren. Unter Normalbedingungen ist
es jedoch selten, dass die Gaskonzentration die zwei Konzentrationen der
Seite niedrigerer Konzentration übersteigt,
und der Zugriff auf den EEPROM wird auf diesen Fall und auf den
Fall, in dem der Gasdetektor zurückgesetzt wird,
beschränkt.
Normalerweise treten diese Gelegenheiten nicht häufig auf, und bei einem auf
100000 Mal begrenzten Zugriff kann die Zuverlässigkeit des EEPROMs aufrechterhalten
werden.
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Die
Detektion eines Gases unter Verwendung mehrerer Punkte einer Temperaturwellenform entspricht
beispielsweise dem Detektieren eines Gases durch Bestimmen der charakteristischen
Funktion der Temperaturwellenform durch Fourier-Transformatian. Daher kann die Gasdetektion
durch die direkte Verwendung des Logarithmus des Sensorwiderstands
durch die Gasdetektion durch Fourier-Transformation des Logarithmus
des Sensorwiderstands ersetzt werden. In diesem Fall können bei der
Fourier-Transformation die Sinus komponente und die Cosinuskomponente
der Grundwellenkomponenten, deren Frequenz gleich derjenigen der Temperaturänderung
des Sensors ist, oder die Harmonischen davon verwendet werden. Es
ist nicht erforderlich, alle Fourier-Transformationskomponenten vom
nullten Grad bis zum unendlichen Grad zu verwenden. In einem Extremfall
kann eine einzige Komponente verwendet werden. Die Sinuskomponente und
die Cosinuskomponente werden als voneinander verschiedene Komponenten
angesehen. Vorzugsweise werden zwei bis sechs Komponenten verwendet.
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Als
nächstes
ist es zum Einstellen eines solchen Gasdetektors erforderlich, Standardsignale
im nichtflüchtigen
Speicher zu speichern. Daher wird der nichtflüchtige Speicher während der
Einstellung aktiviert. Der Gassensor wird einer Temperaturänderung
ausgesetzt, und Signale zu spezifizierten Zeitpunkten oder eine
lineare Summe dieser Signale werden bei der spezifizierten Konzentration
des Gases in den nichtflüchtigen
Speicher geschrieben. Vorzugsweise wird diese Verarbeitung durch Ändern der Gaskonzentration
wiederholt, um die Standardsignale an der erforderlichen Anzahl
von Gaskonzentrationen im nichtflüchtigen Speicher zu speichern.
Diese Verarbeitung kann vorgenommen werden, indem der Gasdetektor
in eine Einstellkammer eingesetzt wird oder indem nur der Sensor
in die Einstellkammer eingesetzt wird, seine Signale in einem Personalcomputer
usw. verarbeitet werden und sie in den nichtflüchtigen Speicher geschrieben
werden. Wenn ein Personalcomputer usw. verwendet wird, gibt es keine Grenze
für die
Verarbeitungskapazität.
Daher kann der Sensorwiderstand direkt AD-gewandelt und einer logarithmischen
Transformation unterzogen werden, und das Ergebnis kann als ein
Standardsignal verwendet werden.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung können Signale,
die zum Kompensieren von Signalen des Gassensors erforderlich sind,
leicht in einem nichtflüchtigen
Speicher gespeichert werden. Standardsignale werden nicht durch
Einstellen eines veränderlichen
Widerstands erhalten. Sie werden durch Speichern in einem nichtflüchtigen
Speicher erhalten. Daher ist es nicht erforderlich, den veränderlichen
Widerstand immer dann einzustellen, wenn eine Einstellung vorgenommen
wird. Falls Standardsignale für
mehrere Gaskonzentrationen gespeichert werden, werden Fehler infolge
der Varianz der Gaskonzentrationsabhängigkeit verringert. Wenn der
Ausgang des Stufenwiderstands zum Ausführen der logarithmischen Transformation
verwendet wird, kann selbst ein kleiner Mikrocomputer leicht Messdaten
erhalten, die zum Logarithmus des Sensorwiderstands linear sind.
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Einige
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung werden nun nur als Beispiel anhand der anliegenden
Zeichnungen beschrieben, wobei:
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1 ein
Blockdiagramm eines Gasdetektors gemäß einer Ausführungsform
ist,
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2 ein
Diagramm ist, in dem die Konfiguration eines RAMs des Gasdetektors
gemäß der Ausführungsform
dargestellt ist,
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3 ein
Diagramm ist, in dem die Konfiguration eines EEPROMs des Gasdetektors
gemäß der Ausführungsform
dargestellt ist,
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4 ein
Kennliniendiagramm ist, in dem die Wellenform des Widerstands eines
gemäß der Ausführungsform
verwendeten Gassensors dargestellt ist,
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5 ein
Kennliniendiagramm ist, in dem die Widerstandswellenform im frühen Teil
des Bereichs höherer
Temperatur des gemäß der Ausführungsform
verwendeten Gassensors dargestellt ist,
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6 ein
Flussdiagramm ist, in dem der Abtastalgorithmus des Gasdetektors
gemäß der Ausführungsform
dargestellt ist,
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7 ein
Flussdiagramm ist, in dem der Einstellalgorithmus des Gasdetektors
gemäß der Ausführungsform
dargestellt ist,
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8 ein
Kennliniendiagramm ist, in dem die Änderung der Kennlinien infolge
der Drift des gemäß der Ausführungsform
verwendeten Gassensors dargestellt ist,
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9 ein
Kennliniendiagramm ist, in dem die Detektion von Wasserstoff mit
dem gemäß der Ausführungsform
verwendeten Gassensor dargestellt ist,
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10 ein
Kennliniendiagramm ist, in dem ein Mechanismus zum Berechnen der
CO-Konzentration gemäß der Ausführungsform
dargestellt ist,
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11 ein
Kennliniendiagramm ist, in dem ein Mechanismus zum Detektieren koexistierenden Wasserstoffs
gemäß der Ausführungsform
dargestellt ist,
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12 ein
Flussdiagramm ist, in dem die Hauptschleife des Gasdetektors gemäß der Ausführungsform
dargestellt ist,
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13 ein
Flussdiagramm ist, in dem die Kompensation koexistierenden Wasserstoffs
in dem Gasdetektor gemäß der Ausführungsform
dargestellt ist, und
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14 ein
Blockdiagramm eines Gasdetektors gemäß einer Modifikation ist.
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Eine
Ausführungsform
und eine Modifikation davon sind in den 1 bis 14 dargestellt.
Die Konfiguration der Ausführungsform
ist in 1 dargestellt. S bezeichnet einen Metalloxidhalbleiter-Gassensor.
Hier wird TGS203 verwendet. Es handelt sich dabei um einen SnO2-Metalloxidhalbleiter 2 mit einem
Paar von Heizgeräten
h1, h2, die an seinen beiden Enden angeordnet sind. Die Art und die
Konfiguration des Sensors S sind beliebig. 4 bezeichnet
eine Gleichspannungsquelle, beispielsweise mit 5 V DC. Ihre Ausgabe
V DD wird verwendet, um den Gasdetektor zu speisen. Zum gemeinsamen Speisen
des Paars von Heizgeräten
h1, h2 des Gassensors S werden Transistoren T1, T2 verwendet. Diese
Transistoren werden gleichzeitig durchgeschaltet bzw. gesperrt.
Wenn beide Transistoren T1, T2 durchgeschaltet sind, fließen Ströme durch
die Heizgeräte
h1, h2. Die Temperatur des Metalloxidhalbleiters 2 wird
durch Ändern
des Einschaltverhältnisses
von einem der Transistoren T1, T2 periodisch geändert. Hier wird entsprechend
den Betriebsbedingungen von TGS203 ein Bereich höherer Temperatur für 60 Sekunden
und ein Bereich niedrigerer Temperatur für 90 Sekunden festgelegt. Die
Wellenform der elektrischen Leistung des Heizgeräts ist eine Rechteckwellenform,
die zwischen dem Bereich höherer Temperatur
und dem Bereich niedrigerer Temperatur wechselt. Die Endtemperatur
des Bereichs höherer Temperatur
ist 300°C,
und die Endtemperatur des Bereichs niedrigerer Temperatur ist 80°C. Gemäß der Ausführungsform
wird die Zeit folgendermaßen ausgedrückt: Die
0. Sekunde wird auf einen Punkt unmittelbar vor Abschluss der Periode
niedrigerer Temperatur gelegt. Die Periode von der 0. Sekunde bis
zur 60. Sekunde ist die Periode höherer Temperatur, und die Periode
von der 60. Sekunde bis zur 150. Sekunde (die 150. Sekunde ist auch
die 0. Sekunde) ist die Periode niedrigerer Temperatur.
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Ein
Stufenwiderstand 5 ist mit dem Metalloxidhalbleiter 2 verbunden,
und R1 bis Rn bezeichnen individuelle Widerstände davon. Hier weist jeder
Widerstand von R1 bis Rn einen Widerstandswert auf, der vier Mal
so groß ist
wie derjenige des unmittelbar vorhergehenden Widerstands. Beispielsweise
werden sechs Widerstände
0,5 kΩ,
2 kΩ, 8
kΩ, 32
kΩ, 128
kΩ und
512 kΩ verwendet.
Es ist leicht, Festwiderstände
mit einer Genauigkeit von etwa ±2% zu erhalten. Demgemäß beträgt der AD-Wandlungsfehler infolge
des Umschaltens von Widerständen
etwa ±2%.
Wenn die Transistoren T1, T2 gesperrt sind, fließt der Strom infolge der Ausgangsspannung
V DD (nachstehend als Detektionsspannung Vc bezeichnet) über den
Metalloxidhalbleiter 2 zum Stufenwiderstand 5.
Die Ausgangsspannung des Stufenwiderstands 5 wird AD-gewandelt.
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8 bezeichnet
einen Mikrocomputer. Hier wird ein 4-Bit-Einchip-Mikrocomputer angenommen. 10 ist
sein Bus. 12 ist beispielsweise ein 8-Bit-AD-Wandler. 14 ist
eine Stufen widerstands-Steuereinrichtung. Nur einer der Widerstände R1 bis
Rn ist geerdet, und dieser geerdete Widerstand wird als Lastwiderstand verwendet.
Wie vorstehend beschrieben wurde, wird die Ausgangsspannung für den Stufenwiderstand durch
den AD-Wandler 12 AD-gewandelt. Natürlich kann die Ausgangsspannung
für den
Stufenwiderstand 5 vor der AD-Wandlung geteilt werden. Weiterhin kann
die Spannung auf der Seite des Sensors S an Stelle der Spannung
auf der Seite der Widerstandsleiter 5 AD-gewandelt werden. 16 bezeichnet eine
Heizgeräte-Steuereinrichtung,
die das Durchschalten bzw. Sperren der Transistoren T1, T2 zum Erzeugen
des Bereichs höherer
Temperatur von 60 Sekunden und des Bereichs niedrigerer Temperatur von
90 Sekunden steuert. 18 bezeichnet eine EEPR0M-Steuereinrichtung,
und 20 bezeichnet einen EEPROM.
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Die
Konfiguration des EEPROMs 20 ist in 3 dargestellt.
Hier wird beispielsweise angenommen, dass das Detektionsziel CO
ist und dass der Detektionsbereich von 50 ppm bis 600 ppm CO reicht.
Das Maximum ist etwa zehn Mal so groß wie das Minimum. Referenzsignalsätze weisen
drei Punkte auf, nämlich
65 ppm CO, 200 ppm CO und 400 ppm CO. Jeder Satz von Standardsignalen
beinhaltet den Logarithmus LnR0 des Sensorwiderstands bei der 0.
Sekunde, den Logarithmus LnR6 des Sensorwiderstands bei der 6. Sekunde
und den Logarithmus LnR69 des Sensorwiderstands bei der 69. Sekunde
(dem frühen
Teil der Periode niedrigerer Temperatur). Ln bezeichnet den natürlichen
Logarithmus, und der Index, wie 0 von R0, gibt den von der 0. Sekunde
gemessenen Zeitpunkt an. Ähnlich
sind drei Standardsignale, nämlich
die Logarithmen der Sensorwiderstandswerte bei der 0. Sekunde, der
6. Sekunde und der 69. Sekunde für
200 ppm CO bzw. 400 ppm CO gespeichert. 41 bis 43 bezeichnen
Karten. Ein Satz von Standardsignalen für ein Konzentrationsniveau
wird als eine Karte angesehen. Zusätzlich gibt es eine Karte 44,
auf der Aufzeichnungen über die
Verwendung des CO-Detektors festgehalten werden. Mit anderen Worten
werden die Gesamtverwendungszeit und die früheren CO-Alarm Aufzeichnungen
auf der Karte 44 gespeichert. Die Gesamtverwendungszeit
ist die kumulative Zeit, zu der die Leistungsquelle des CO-Detektors
eingeschaltet war. Die Zeiteinheit kann beispielsweise ein Tag sein,
und die kumulative Verwendungszeit wird auf der Karte 44 gespeichert.
In Bezug auf Alarmaufzeichnungen sei bemerkt, dass immer dann, wenn
ein Summer, der später
beschrieben wird, zum Summen gebracht wird, das Datum aufgezeichnet
wird. In Bezug auf dieses Datum sei bemerkt, dass zu seiner Aufzeichnung
der gleiche Standard wie für
die Gesamtverwendungszeit verwendet wird. Mit dieser Anordnung kann
das Datum, zu dem der Summer aktiviert wird, identifiziert werden.
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22 bezeichnet
eine Ein-/Ausgabeeinheit, an die ein Einstellschalter 23 und
ein Rücksetzschalter 34 angeschlossen
sind. Wenn der Einstellschalter 23 eingeschaltet wird,
kann die EEPROM-Steuereinrichtung 18 in den EEPROM 20 schreiben.
Dieser Schalter wird nur dann verwendet, wenn der CO-Detektor eingestellt
wird. Der Rücksetzschalter 24 dient
dem Ausstellen des Summers 38.
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Der
Mikrocomputer 8 weist eine 4-Bit-Rechen- und Logikeinheit 26 auf.
Er weist auch eine Sequenzsteuereinrichtung 28 zum Betreiben des CO-Detektors
mit einem Zyklus von 150 Sekunden auf. Die Sequenzsteuereinrichtung 28 weist
einen eingebauten Zeitgeber auf. 30 bezeichnet einen RAM,
der als ein flüchtiger
Speicher verwendet wird, und seine Konfiguration ist in 2 dargestellt.
In dem RAM 30 sind Standardsignale von zwei Sätzen von
drei Bestandteilen von Messdaten, LnR0, LnR6 und LnR69 für zwei Konzentrationen
gespeichert. Normalerweise werden Standardsignale für niedrigere
Konzentrationen von 65 ppm und 200 ppm verwendet. Wenn die Gaskonzentration
200 ppm übersteigt,
werden die Standardsignale für
65 ppm durch jene für
400 ppm ersetzt. Wenn die Gaskonzentration auf 200 ppm oder weniger
abnimmt, werden die Standardsignale für 400 ppm durch jene für 65 ppm ersetzt.
Der Gasdetektionsbereich reicht von 50 bis 600 ppm, und der Bereich
von 50 bis 65 ppm liegt nahe an dem Standardsignal von 65 ppm. Der
Bereich von 400 bis 600 ppm ist 1,5 Mal so groß wie derjenige von 400 ppm
der Standardsignale, und die Gaskonzentration kann unter Verwendung
der Standardsignale für
400 ppm genau bestimmt werden. Für
den restlichen Bereich kann die Gaskonzentration, wenn CO erzeugt
wird, unter Verwendung der Standardsignale für Konzentrationen, die auf
beiden Seiten der tatsächlichen
CO-Konzentration liegen, bestimmt werden, um eine Interpolation
zwischen den beiden Standardsignalen vorzunehmen.
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Im
RAM 30 werden zusätzlich
zu den vorstehend erwähnten
Daten und Signalen eine bestimmte CO-Konzentration, der von der
CO-Konzentration abgeleitete COHb-Wert (Kohlenmonoxid-Hämoglobinkonzentration in Blut)
und andere Hilfssignale (beispielsweise Zeitdaten zur Bildung eines
Zeitgebers, dessen Einheit ein Tag ist) gespeichert.
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Wiederum
mit Bezug auf 1 sei bemerkt, dass 32 eine Alarmsteuereinrichtung
bezeichnet, die über
eine Treiberschaltung 36 eine LED 39 und eine LED 40 betätigt. Wenn
die CO-Hämoglobinkonzentration
im Blut beispielsweise 5% übersteigt,
betätigt die
Alarmsteuereinrichtung 32 den Summer 38. Wenn
der Summer 38 eingeschaltet ist, schreibt die EEPROM-Steuereinrichtung 18 das
Datum des Alarms in die Karte 44. 34 bezeichnet
einen Programmspeicher, in dem Daten, wie verschiedene Konstanten
zur Temperaturkompensation, gespeichert sind. Diese Daten sind feste
Daten, die dem Sensor S und anderen Sensoren gemeinsam sind. Alle
Daten für
die einzelnen Sensoren sind im EEPROM 20 gespeichert.
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Mittlere
Temperaturwellenformen von zehn Sensoren sind in 4 dargestellt.
Abtastpunkte, die gemäß der Ausführungsform
verwendet werden, sind durch O in der Wellenform von 100 ppm CO
markiert, und die Abtastung wird bei der 150. Sekunde, der 6. Sekunde
und der 69. Sekunde vorgenommen. Der Sensorwiderstand ändert sich
im Bereich von 30 ppm bis 300 ppm CO etwa um das Zehnfache. Der
Widerstand bei der 0. Sekunde und derjenige. bei der 69. Sekunde
unterscheiden sich voneinander um einen Faktor von etwa 10. Wenn
die Dispersion im Sensorwiderstand, Schwankungen der Umgebungstemperatur
usw. zu ihnen addiert werden, reicht der Bereich der AD-Wandlung
im Widerstand von etwa 0,5 bis 500 kΩ. Zum Erreichen einer AD-Wandlung
in diesem Bereich werden die Widerstände R1 bis Rn in sechs Stufen
von 0,5 kΩ bis
512 kΩ geändert, wobei jeder
Widerstand vier Mal so groß ist
wie der unmittelbar vorhergehende. Unmittelbar vor jeder Abtastzeit
wird die Ausgabe VRl für
den Stufenwiderstand überwacht,
und der Lastwiderstand wird entsprechend der Ausgabe VRl geändert. Die AD-Wandlung von
VRl kann innerhalb von 1 Sekunde vorgenommen werden. Auf der Grundlage
des Werts zu dieser Zeit kann die Verwendung des jeweiligen Widerstands
an jedem Abtastpunkt bestimmt werden.
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5 zeigt
vergrößerte Temperaturwellenformen
von zehn anderen Sensoren im frühen
Teil des Bereichs höherer
Temperatur. Es gibt drei Atmosphärenarten,
nämlich
0°C bei
einer relativen Luftfeuchtigkeit von 96%, 20°C bei einer relativen Luftfeuchtigkeit
von 65% und 50°C
bei einer relativen Luftfeuchtigkeit von 40%. Der Bereich von ±2δ (δ ist die
Standardabweichung) und der Mittelwert sind für jede Wellenform dargestellt.
Die Gaskonzentration beträgt
100 ppm CO. Der Widerstand zu jedem Zeitpunkt ändert sich infolge von Änderungen
der Umgebungstemperatur und der Luftfeuchtigkeit um einen Faktor
von etwas weniger als 10. Der Widerstand bei der 0. Sekunde und
der Widerstand bei der 6. Sekunde sind im Wesentlichen identisch
zueinander. Daher kann für
die 6. Sekunde beispielsweise der gleiche Lastwiderstand wie bei
der 0. Sekunde verwendet werden. Der Widerstand bei der 0. Sekunde
wird jedoch vorzugsweise beispielsweise anhand des Signals bei der
148. Sekunde bestimmt (oder bei der 149. Sekunde, um vor dem Übergang
zum Bereich höherer
Temperatur eine zuverlässigere
Abtastung vorzunehmen), und der Lastwiderstand bei der 6. Sekunde
wird anhand des Widerstands bei der 5. Sekunde bestimmt. Ähnlich wird
der Lastwiderstand bei der 69. Sekunde anhand des Widerstands bei
der 68. Sekunde bestimmt.
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6 zeigt
den Algorithmus der Abtastung. Wenn die Zeit die 148. Sekunde erreicht,
wird die Ausgangsspannung AD- gewandelt,
und es wird geprüft,
ob dieser Wert innerhalb eines Bereichs von 1/3 bis 2/3 der Detektionsspannung
Vc liegt (identisch mit V DD). Wenn der Wert innerhalb dieses Bereichs
liegt, liegt das Verhältnis
zwischen dem Sensorwiderstand und dem Lastwiderstand innerhalb eines
Bereichs von 2 : 1 bis 1 : 2. Falls die Ausgangsspannung angemessen
ist, wird der gleiche Lastwiderstand verwendet. Falls die Ausgangsspannung nicht
angemessen ist, wird der Lastwiderstand geändert, um die Ausgangsspannung
in den vorstehend erwähnten
Bereich zu bringen. Wenn die Zeit die 0. Sekunde erreicht, wird
die Ausgangsspannung als nächstes
AD-gewandelt, und die AD-gewandelte Ausgangsspannung VRl wird verwendet,
um den Logarithmus des Sensorwiderstands nach Gleichung (1) bei
der 0. Sekunde zu bestimmen. Ähnlich
wird bei der 5. Sekunde geprüft,
ob der Wert des Lastwiderstands korrekt ist oder nicht. Dann wird
der Logarithmus des Sensorwiderstands bei der 6. Sekunde bestimmt.
Weiterhin wird bei der 68. Sekunde geprüft, ob der Wert des Lastwiderstands
korrekt ist oder nicht, und es wird bei der 69. Sekunde der Logarithmus
des Sensorwiderstands bestimmt. LnR = 2 – 4VRl/Vc
+ LnRl (1)
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Falls
der Logarithmus des Sensorwiderstands bis zum Term ersten Grads
angenähert
wird, wie in Gleichung (1) dargestellt ist, ist der Fehler 0, wenn
R/R1 1 ist, der Fehler 2%, wenn R/R1 1/2 oder 2 ist und der Fehler
11%, wenn R/R1 1/3 oder 3 ist. Gemäß der Ausführungsform ist der Fehler von ±10% zu
groß,
weil angestrebt wird, die CO-Konzentration
mit einem Fehler von ±20%
oder darunter zu detektieren. Daher wird der Stufenwiderstand 5 so gesteuert,
dass das Verhältnis
zwischen dem Sensorwiderstand und dem Lastwiderstand an drei Punkten
bei der 0. Sekunde, der 6. Sekunde und der 69. Sekunde innerhalb
eines Bereichs von 2 bis 1/2 liegt.
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Die
Transformation von VRl in den Logarithmus des Sensorwiderstands
nach Gleichung (1) ist eine lineare Transformation und eine sehr
einfache Transformation. Hierfür
sind jedoch sechs Lastwiderstände
erforderlich. Zum Verringern der Anzahl der erforderlichen Lastwiderstände auf
beispielsweise vier ist es erforderlich, R/R1 innerhalb eines Bereichs von
4 bis 1/4 oder bevorzugter innerhalb eines Bereichs von √8 bis 1/√8 zu
halten. Hierfür
ist es erforderlich, eine Transformation bis zum Term dritten Grads
vorzunehmen. Wenn der Logarithmus des Sensorwiderstands in eine
Reihe mit VRl entwickelt wird, gibt es keinen Term zweiten Grads.
Es ergeben sich die Gleichungen (2), (3), bei denen Terme bis zum
dritten Grad berücksichtigt
werden. Falls die Gleichungen (2), (3) verwendet werden, ist der Transformationsfehler
0%, wenn R/R1 1 ist, 4%, wenn R/R1 1/4 oder 4 ist und 2%, wenn R/R1
1/3 oder 3 ist. Daher wird der Widerstandswert des nachfolgenden
Widerstands in den Widerständen
R1 bis Rn um das 16Fache oder bevorzugt um das 8Fache oder 9Fache
erhöht.
Beispielsweise sind 4 Widerstände
R1~Rn von 1 kΩ,
8 kΩ, 64
kΩ und
512 kΩ vorhanden.
Mit dieser Anordnung kann ein Bereich von 0,5 bis 1 MΩ in einen
Logarithmus mit einem Fehler von 2% oder weniger transformiert werden. LnR = 2x + 2/3 × x3 + LnR1 (2) x = 1 – 2VRl/Vc (3)
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Die
Prozedur zum Einstellen des Gasdetektors aus 1 ist in 7 dargestellt.
Zu dieser Zeit wird der Einstellschalter 23 eingeschaltet,
so dass Standardsignale in den EEPROM 20 geschrieben werden
können.
Die Prozedur wird unter der Annahme beschrieben, dass der CO-Detektor
in eine Einstellkammer eingesetzt wird. Nachdem der CO-Detektor eingesetzt
wurde, wird die Spannungsquelle eingeschaltet, um den Detektor zu
betreiben. Als nächstes
wird CO beispielsweise bis zu 65 ppm injiziert. Anschließend erzeugt
der Mikrocomputer 8 LnR0, LnR6 und LnR69, um sie in den
RAM 30 zu schreiben. Sie werden in die Karte 41 des
EEPROMs 20 geschrieben. Als nächstes wird die CO-Konzentration
auf 200 ppm erhöht,
und es werden ähnliche Schritte
wiederholt. Dann wird die CO-Konzentration auf 400 ppm erhöht. Auf
diese Weise können
durch Erhöhen
der CO-Konzentration mit den spezifizierten Schritten Standardsignale
in den EEPROM 20 geschrieben werden. Demgemäß ist es
nicht erforderlich, einen veränderlichen
Widerstand einzustellen, um ein Standardsignal zu speichern. Die
Einstellarbeit kann leicht ausgeführt werden.
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Hier
wird angenommen, dass der CO-Detektor in eine Einstellkammer eingesetzt
wird. Es kann jedoch nur ein Sensor S in eine Einstellkammer eingesetzt
werden. Dann wird der Widerstand des Sensors S durch einen AD-Wandler
mit beispielsweise 12 Bits AD-gewandelt und in einem Personalcomputer
oder dergleichen gespeichert und wiederum in den EEPROM 20 geschrieben.
In diesem Fall wird der Sensor S nicht am CO-Detektor montiert,
und der Sensor S und der EEPROM werden als ein Satz behandelt. Sie
werden mit einem CO-Detektor verbunden, der getrennt montiert wird.
Der vom Sensor S und vom EEPROM 20 verschiedene Teil des
CO-Detektors kann in der gleichen Weise wie herkömmliche elektronische Schaltungen
behandelt werden, und selbst ein Hersteller ohne Erfahrung mit Gassensoren
kann einen CO-Detektor montieren.
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Die
Driftkompensation der Gassensoren ist in 8 dargestellt.
Die Daten wurden anhand 45 Mustern von TGS203 aufgenommen. Diese
Muster umfassten fehlerhafte Muster (7 Muster), nicht fehlerhafte
Muster (20 Muster), Muster, die zwei Jahre lang stehengelassen wurden
(8 Muster), und Muster, die in CO-Detektoren eingesetzt waren und
schließlich wiedergewonnen
wurden (10 Muster). Die Abszissenachse des Diagramms zeigt den Sensorwiderstand
bei der 0. Sekunde auf einer logarithmischen Skala, und die Ordinatenachse
zeigt den Sensorwiderstand bei der 6. Sekunde auf der logarithmischen Skala.
1 auf der Abszissenachse bezeichnet das Standardsignal bei der 0.
Sekunde bei 100 ppm CO (am dritten Tag nach Beginn der Energiezufuhr),
und 1 auf der Ordinatenachse bezeichnet das Standardsignal bei der
6. Sekunde bei 100 ppm CO (am dritten Tag nach Beginn der Energiezufuhr).
Die Daten in 8 sind durch Standardsignale
normiert, die am dritten Tag der Energiezufuhr bei 100 ppm CO erzeugt
wurden. Die jeweiligen Punkte des Diagramms zeigen die Messpunkte
im Laufe einer Energiezufuhr über
fünf Wochen.
Wenn 45 Muster von TGS203 über
fünf Wochen
verwendet wurden, erhöhte
sich bei manchen Mustern der Widerstand unbeabsichtigt, und er verringerte
sich bei manchen anderen unbeabsichtigt. Diese Punkte konzentrieren
sich jedoch auf einer schmalen geraden Linie mit einem Gradienten
von 1 in einer zweidimensionalen Ebene des Widerstands bei der 6.
Sekunde und des Widerstands bei der 0. Sekunde. Diese Achse wird
als Driftachse bezeichnet.
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Driftachsen
sind bei den Daten, die bei 30 ppm CO und bei 300 ppm CO aufgenommen
werden, nicht ausgeprägt.
Dies liegt an der Varianz der Konzentrationsabhängigkeit von TGS203. Weil ihre
Konzentrationsabhängigkeit
nicht homogen ist, stimmen die anfänglichen Punkte bei 30 ppm
CO und bei 300 ppm CO an einem Punkt nicht überein. Wegen der Varianz der
anfänglichen
Punkte sind ihre Driftachsen nicht ausgeprägt. Eine gerade Linie, die
drei Punkte mit 30 ppm CO, 100 ppm CO und 300 ppm CO verbindet,
wird als CO-Konzentrationsachse
bezeichnet. Datenpunkte, die den anfänglichen Charakteristika der
Abtastwerte von TGS203 entsprechen, liegen auf dieser Konzentrationsachse.
Bei der Verwendung verschiebt sich die Konzentrationsachse parallel
in Richtung der Driftachse.
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Zusätzlich zu
den vorstehend erwähnten
Daten ist das Verhalten eines Mischgases von 100 ppm CO und 300
ppm Wasserstoff in 8 angegeben. Das Verhalten bei
1000 ppm Wasserstoff ist auch angegeben. Was dieses Verhalten betrifft,
sind die Punkte für
die Energiezufuhrperiode von fünf
Wochen durch einen Sensor angegeben. Wie in 8 klar ersichtlich
ist, ist die Empfindlichkeit für
Wasserstoff leicht negativ. Es seien beispielsweise die jeweiligen
Punkte für
100 ppm CO + 300 ppm Wasserstoff parallel zur Driftachse verschoben.
Wir erhalten dann Schnittpunkte dieser Punkte mit der CO-Konzentrationsachse.
Der sich ergebende Konzentrationsbereich reicht von 80 ppm CO bis
60 ppm CO. Andererseits ist die Verteilung der Punkte bei 100 ppm
CO über
fünf Wochen
schmal. Wenn diese Punkte parallel zur Driftachse verschoben werden,
ergeben die resultierenden Schnittpunkte mit der CO-Konzentrationsachse
einen von 80 ppm bis 120 ppm reichenden Verteilungsbereich von CO.
Die Empfindlichkeit für
Wasserstoff wird negativ, weil die Wasserstoffempfindlichkeit des
Signals der 6. Sekunde höher
ist als diejenige des Signals der 0. Sekunde. Zum Korrigieren von
diesem wird eine Kombination des Signals der 0. Sekunde und des
Signals der 69. Sekunde verwendet. Energiezufuhrdaten für fünf Wochen
dieses Falls sind in 9 dargestellt. In 9 ist
klar ersichtlich, dass, wenn Wasserstoff vorhanden ist, der Widerstand
bei der 69. Sekunde erheblich abnimmt. Auf diese Weise liegen Datenpunkte
sehr weit entfernt von der CO-Konzentrationsachse.
Daher wird der Abstand von der CO-Konzentrationsachse nach unten in 9 als
ein Wasserstoffkonzentrationssignal verwendet.
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Das
Wasserstoffkonzentrationssignal ist nicht genau. Die Wasserstoffempfindlichkeit
ist jedoch gering, und das Signal dient zu ihrer Kompensation. Demgemäß können wir
ein Wasserstoffdetektionssignal verwenden, das nicht sehr quantitativ
ist. Zum Korrigieren der Wasserstoffempfindlichkeit können zwei
Vorgehensweisen verwendet werden. Eine besteht darin, die Wasserstoffempfindlichkeit
auf Null, d.h. in 8 leicht negativ, wiederherzustellen und
mit anderen Worten einen CO-Detektor zu entwickeln, der sehr selektiv
und nur für
CO empfindlich ist. Eine andere Vorgehensweise besteht darin, eine Kompensation
vorzunehmen, so dass das Verhältnis zwischen
der CO-Empfindlichkeit und der Wasserstoffempfindlichkeit des CO-Detektors,
wie bei den natürlichen
Eigenschaften von TGS203, 10 : 1 beträgt. Die Auswahl zwischen diesen
beiden Vorgehensweisen ist eine Frage des Entwurfs des CO-Detektors.
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Das
Prinzip der Driftkompensation ist in 10 dar gestellt.
Die durchgezogene Linie in dem Diagramm ist die CO-Konzentrationsachse,
und die unterbrochene Linie ist die Driftachse. Die Standardsignale
an drei Punkten bei 65 ppm, 200 ppm und 400 ppm sind im EEPROM 20 gespeichert.
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Ein
Punkt (a, b) in einem topologischen Raum mit zwei Dimensionen LnR0
und LnR6 wird durch Messung bestimmt. Die Koordinaten der jeweiligen
Standardsignale in diesem topologischen Raum sind wie in 10 dargestellt
definiert. Der Punkt (a, b) wird parallel zur Driftachse verschoben,
und der Schnittpunkt mit der CO-Konzentrationsachse ist so definiert,
dass er die Koordinaten (e, f) aufweist.
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Die
Berechnung der CO-Konzentration unter Verwendung von 10 ist
durch die Hauptschleife aus 12 dargestellt.
Drei Variablen a, b und c werden durch Messdaten definiert. Als
nächstes
wird in 10 geprüft, ob (n – p) größer oder gleich (a – b) ist.
Falls diese Bedingung nicht erfüllt
ist, wenn die Driftachse von dem Punkt bei 200 ppm erweitert wird, liegt
der Messpunkt unterhalb der Driftachse, und die detektierte Konzentration
beträgt
200 ppm oder weniger. Der Gradient der Driftachse ist 1, und (e – a) gleicht
(f – b).
Wir erhalten dann f = e + (b – a).
Als nächstes
unterteilt der Punkt (e, f) intern das Segment, das durch zwei Standardsignale
von 65 ppm und 200 ppm definiert ist. Daher sind e und f sowie die
Koordinaten n, p, q, r der Standardsignale von 65 ppm und 200 ppm
durch eine einzige Relation beschränkt. Demgemäß kann die Koordinate e unter Verwendung
dieser Relation bestimmt werden. Es sei bemerkt, dass hier tatsächlich Variablen,
wie (n – e),
(p – f)
und (e – f),
behandelt werden. Sie entsprechen Differenzen von Logarith men, und
sie entsprechen tatsächlich
direkt Differenzen von VRl. Es ist daher offensichtlich, dass es
ausreicht, VRl zu bestimmen, ohne die vorstehend erwähnte logarithmische Transformation
vorzunehmen oder die Logarithmen von Sensorwiderständen zu
suchen.
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Wenn
der Wert e bestimmt wurde, besteht der nächste Schritt darin, das innere
Verhältnis
y des Segments zwischen 65 ppm und 200 ppm zu bestimmen. Wenn y
0 ist, beträgt
die CO-Konzentration
200 ppm. Wenn y 1 ist, beträgt
die CO-Konzentration
65 ppm. Die Konzentration ändert
sich entlang dem Segment in einem Bereich, der etwa drei Mal so
groß ist
wie das Minimum. Falls dies direkt gelöst wird, erfordert die Reihenentwicklung
von exp(y) Terme des zweiten Grads oder darüber. Wir nehmen daher einen
Mittelpunkt zwischen 65 ppm und 200 ppm an. Für jeden Punkt gegen 200 ppm
des Mittelpunkts beruht die Reihenentwicklung auf der Konzentration von
200 ppm. Für
jeden Punkt gegen 65 ppm des Mittelpunkts beruht die Reihenentwicklung
auf der Konzentration von 65 ppm. Bei dieser Anordnung erzeugt eine
Näherung
durch exp(y) = 1 + y kaum Näherungsfehler.
Auf diese Weise wird die CO-Konzentration vor der Wasserstoffkonzentrationskompensation bestimmt.
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Wenn
der erhaltene topologische Punkt oberhalb der Driftachse liegt,
die 200 ppm CO passiert, übersteigt
die CO-Konzentration
200 ppm. In diesem Fall wird auf den EEPROM zugegriffen, und das
Standardsignal von 400 ppm CO wird ausgelesen. Die CO-Konzentration
wird dann in ähnlicher Weise
bestimmt. Die Verarbeitung in diesem Fall ähnelt der Verarbeitung unter
Verwendung zweier Standardsignale von 65 ppm CO und 200 ppm CO.
Das Standardsignal von 400 ppm CO wird an Stelle des Standardsignals
von 65 ppm CO verwendet.
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Wenn
die CO-Konzentration bestimmt wurde, ist der nächste Schritt die Wasserstoffkompensation.
Die Prozedur ist in 13 dargestellt, und das Prinzip
ist in 11 dargestellt. Es wird angenommen,
dass die Koordinaten eines Messpunkts in einem zweidimensionalen
topologischen Raum, der durch den Logarithmus des Widerstands bei
der 0. Sekunde und den Logarithmus des Widerstands bei der 69. Sekunde
bestimmt ist, (a, c) sind.
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Der
Punkt wird in 11 vertikal verschoben, so dass
er die CO-Konzentrationsachse von 65 ppm, 200 ppm und 400 ppm schneidet.
Die Koordinaten des Schnittpunkts werden durch (a, g) ausgedrückt. Die
Differenz zwischen g und c ist h. Es wird angenommen, dass die Wasserstoffkonzentration durch
h bestimmt ist. In diesem Fall wird durch Prüfen, ob der Wert von a n übersteigt
oder nicht, geurteilt, ob das Signal von 400 ppm als ein Standardsignal
benötigt
wird. Wenn a n beträgt
oder kleiner als n ist, wird auf den EEPROM 20 zugegriffen,
um das Standardsignal von 400 ppm auszulesen. Weil der Punkt (a,
g) auf einem Segment liegt, das das Standardsignal von 200 ppm und
das Standardsignal von 400 ppm verbindet, wird ein Ausdruck erzeugt,
der die Koordinate g betrifft. g kann anhand dieses Ausdrucks bestimmt
werden. Wenn g bestimmt wurde, kann h bestimmt werden. Dann wird
k1 × h
zu der durch die Hauptschleife aus 12 bestimmten CO-Konzentration
addiert. k1 ist eine geeignete positive Konstante. Der Zweck dieser
Addition besteht darin, die Wasserstoffkonzentrationsabhängigkeit des
CO-Detektors aufzuheben oder das Verhältnis der CO-Empfindlichkeit und
der Wasserstoffempfindlichkeit auf einen geeigneten Wert von beispielsweise 10
: 1 zu legen. Wenn a größer als
n ist oder der Punkt (a, c), der in 11 bestimmt
wurde, rechts des Standardsignals von 200 ppm liegt, werden die Standardsignale
von 65 ppm und 200 ppm verwendet. Dann wird h in ähnlicher
Weise wie vorstehend erwähnt
bestimmt, um die Wasserstoffkonzentrationskompensation vorzunehmen.
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Nach
der Wasserstoffkonzentrationskompensation kehrt die Operation zur
Hauptschleife aus 13 zurück, um anhand der CO-Konzentration
die CO-Hämoglobinkonzentration
im Blut COHb zu bestimmen. Der Anfangswert von COHb wird zur Rücksetzzeit
auf Null gesetzt. Diese Transformation selbst ist wohlbekannt, k2,
k3, k4 sind Konstanten, und k4 ist hier ein Wert, der etwa 30 ppm
CO entspricht, was unterhalb der minimalen Detektionsgrenze liegt,
so dass keine Detektion erfolgt, wenn die CO-Konzentration unterhalb
von 30 ppm liegt.
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Eine
Modifikation unter Verwendung einer Fourier-Transformation wird
in 14 verwendet. Diese Modifikation ist, abgesehen
davon, dass ein neuer Mikrocomputer 48 verwendet wird und
ein Fourier-Transformations-Modell 50 bereitgestellt ist,
mit der Ausführungsform
identisch. Wenn jedoch eine Fourier-Transformation verwendet wird,
ist der Mikrocomputer 48 beispielsweise von einem 8-Bit-Typ. Zum
Detektieren von CO ist im Fall einer Fourier-Transformation eine
Temperaturänderung
einer Rechteckwellenform nicht erwünscht. Daher wird die Wellenform
der Sensortemperatur beispielsweise auf eine Sinuswellenform mit
einer Gesamtperiode von 120 Sekunden, eine Periode höherer Temperatur
von 60 Sekunden und eine Periode niedrigerer Temperatur von 60 Sekunden
gelegt. Dann werden vier Komponenten verwendet: eine Fourier-Transformationskomponente
oder Fourier-Reihe, die mit der Temperaturänderung in einer Periode von
120 Sekunden synchronisiert ist (Grundsinuswelle), eine Komponente,
die eine Periode von 120 Sekunden hat und in der Phase um 90 Grad
voreilt (Grundcosinuswelle) und harmonische Komponenten, nämlich eine
Sinuskomponente und eine Cosinuskomponente, die jeweils eine Periode
von 60 Sekunden haben. Mit diesen vier Komponenten kann nach dem
Vornehmen einer Fourier-Transformation
eine Detektion ähnlich derjenigen
gemäß der Ausführungsform
aus den 1 bis 13 vorgenommen
werden. Gemäß anderen
Aspekten ähnelt
die Modifikation aus 14 der Ausführungsform aus den 1 bis 13.
Mit anderen Worten sind im EEPROM 20 insgesamt vier Komponenten,
nämlich
die Sinus- und Cosinuskomponenten der 120-s-Periode und der 60-s-Periode bei
drei Konzentrationen von 65, 200 und 400 ppm, gespeichert. Es sind
insgesamt 12 = 4 × 3
Standardsignale vorhanden. Bei der Fourier-Transformation wird der Sensorwiderstand
ständig
AD-gewandelt, oder
es werden eine Wellenformkomponente, die eine hohe Korrelation mit
CO vom letzten Teil der Periode niedrigerer Temperatur hat, bis
zum frühen
Teil der Periode höherer
Temperatur und eine Wellenformkomponente, die eine hohe Korrelation
mit Wasserstoff im frühen
Teil der Periode niedrigerer Temperatur hat, AD-gewandelt. Die Stufenwiderstands-Steuereinrichtung 14 überwacht
beispielsweise in jeder Sekunde den Wert der Ausgangsspannung VRl,
und sie steuert den Stufenwiderstand 5 so, dass VRl nach
der nächsten
Sekunde innerhalb des richtigen Bereichs liegt. Für die Fourier-Transformation
werden Logarithmen von Sensorwiderstandswerten bei 60 Punkten der
120-s-Periode verwendet, und die Logarithmen der Sensorwiderstandswerte
werden einer Fourier-Transformation unterzogen und mit den vier
Standardsignalen verglichen.