KR100530193B1 - 가스검출장치와 그 조정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 금속 산화물 반도체 가스센서(S)를 저항 러더(R)에 접속시키고 출력전압을

LnR = 2 - 4VR1/Vc + LnR1, 여기서 R은 금속 산화물 반도체의 저항값을 나타내고 VR1은 저항 러더에의 출력전압을 나타내고 Vc는 검출전압을 나타내고 R1은 저항 러더의 저항값을 나타내고 Ln은 자연대수를 나타냄으로써,

온도변화의 파형상에서의 복수의 점으로 대수변환한다. 파형상의 복수의 점에서 금속 산화물 반도체의 저항값 대수로 구성되는 기준신호를 EEPROM에 기억시켜 이들 기준신호와 얻어진 대수를 비교하여 가스를 검출한다.

Description

가스검출장치와 그 조정방법

본 발명은 금속 산화물 반도체 가스센서를 사용한 가스검출에 관한 것으로서, 특히 가스센서의 온도를 변화시켜 가스를 검출하는 기술에 관한 것이다.

온도변화를 이용한 금속 산화물 반도체 가스센서로서 S_nO₂계의 CO센서 TGS203(TGS203은 휘가로 기연(Figaro 技硏 ; figaro Engineering Inc.)의 상품명)이 있다. 이 가스센서는 150초를 주기로 동작하여, 최초 60초간을 고온영역에 할당하고 다음 90초간을 저온영역에 할당하는데, 고온영역에서의 최종온도는 300℃이며 저온영역에서의 최종온도는 80℃로서 저온영역 종료시의 금속 산화물 반도체의 저항값으로부터 CO를 검출한다. 센서의 저항값은 CO농도에 거의 반비례하여 수소와 CO와의 상대감도(相對感度)는 1 : 10으로서, 예를 들어 수소 1000ppm과 CO 100ppm은 같은 값이 된다. 또한 저항값의 초기분포는 CO 100ppm 중에서 1∼10KΩ이다.

발명자는 TGS203을 사용한 CO검출장치를 고정밀도화하고, 같은 센서를 사용하여 검출 정밀도를 2배 이상 향상시키는 것을 검토하였다. 검토한 문제는 센서특성의 드리프트(drift)로서, TGS203을 사용한 날로부터 2개월 정도 되었을 때에는 저항값이 최대 2배로 증가하고 그 후로부터 수년 지났을 때에는 저항값이 초기값의 최대 약 1/2로 떨어진다. TGS203의 저항값은 CO농도에 거의 반비례하므로, 이 드리프트는 CO의 검출값이 실제의 2배 ∼ 1/2 범위로 변동하는 것을 의미한다. 발명자는 검출오차를 실제값의 ±20%정도로 감소시키는 것을 검토하였다.

후술하는 바와 같이, 드리프트의 보정에는 고온영역의 초기신호로 저온영역의 신호를 보정하는 것이 효율적인 것임을 발명자는 발견하였다. 또한 TGS203 저항값의 농도 의존성에는 분산(分散)이 있어, 이에 따른 오차를 없애기 위하여 복수의 농도에 대하여 기준신호를 기억시키는 것이 필요하다는 것을 발명자는 발견하였다.

따라서 가스검출장치에는 복수의 점에서의 기준신호를 복수의 농도에 대하여 기억시키는 것이 필요한데, 이는 가변저항을 부하저항으로, 기준신호를 가변저항의 값으로 기억시키는 현행 CO검출장치의 방법과는 일치하지 않는다.

여기서 관련되는 선행기술을 설명한다. 가스센서의 온도를 변화시켜 그 저항값의 움직임을 온도파형으로 나타내고 이것을 푸리에 변환시켜 가스를 검출하는 것이 요시가와(吉川) 등에 의하여 제안되었다((analytical chemistry) vol68, No. 13, 2067-2072, 1996). 또한 EEPROM을 가스검출장치에서의 불휘발성 메모리로서 사용하는 것은 널리 알려진 것이다. 또한 금속 산화물 반도체 가스센서에 부하저항을 직렬로 접속하면 부하저항에의 출력전압이 금속 산화물 반도체의 저항값의 대수(對數)와 선형 관계가 된다는 것은 오키노(沖野)에 의하여 발표되었다(일본특허 2578, 624). 또한 오키노는 부하저항의 값을 절환하여 부하저항과 금속산화물 반도체 저항값의 비를 적절한 범위로 유지시키는 것을 제안하였다. 가스센서의 고온영역 신호와 저온영역 신호를 조합시키는 것에는 다수의 연구가 있다(예를 들어 미국특허 4896143, 4399684).

본 발명의 과제는 가스센서의 온도변화를 이용한 가스검출장치에 대하여 그 고정밀도화에 적합한 구조나 조정방법을 제공하는 것이다. 다른 과제는 발명의 작용·효과의 기재로부터 명백해질 것이다.

본 발명에서는 가스에 의하여 저항값이 변하는 금속 산화물 반도체 가스센서의 온도를 변화시키면서 온도파형상의 복수점의 신호를 사용하여, CO, 에탄올(ethanol), 암모니아 등의 가스를 검출한다. 여기에 1사이클의 온도변화에 대한 센서신호의 파형을 온도파형이라 부른다. 또한 복수점이라 부르는 경우는 온도변화가 시작됐을 때부터의 시각이 다른 복수의 점을 가리킨다. 가스센서의 종류는 S_nO₂계에 한정되지 않고 I_n2O₃계나 WO₃계 등도 무방하며, 검출대상은 CO에 한정되지 않고 암모니아나 에탄올, 포름알데히드(formaldehde) 등의 여러 가지 가스가 있다. 또한 가스센서의 히터로 인가전력을 바꿈으로써 온도를 변화시킨 이 전력의 패턴을 히터파형이라 부르는데, 방형파상(方形波狀)이나 사인파상 혹은 램프파상 등의 여러 가지 히터파형을 사용할 수 있다.

본 발명에서는,

1) 금속 산화물 반도체 저항값의 대수에 선형인 기준신호를 온도파형상의 복수점의 조합으로서 기억시키는 불휘발성 메모리와,

2) 가스센서의 부하저항으로서 접속된 저항 러더로서, 그 저항값과 금속 산화물 반도체 저항값의 비를 복수점에서 소정의 범위로 유지하도록 한 것과,

3) 저항 러더와 금속 산화물 반도체의 직렬회로에 검출전압을 가하기 위한 전원과,

4) 저항 러더에의 출력전압에 선형인 출력으로부터 복수점 각각에서 금속 산화물 반도체 저항값의 대수에 선형인 측정 데이터를 얻기 위한 샘플링 수단과,

5) 복수점에서의 측정 데이터 조합을 기준신호와 비교하여 가스를 검출하기 위한 가스검출수단을 형성한다. 여기서 복수점에서의 신호 조합에는 복수점에서의 신호의 선형결합을 포함하여, 예를 들어 복수점을 i=1∼n으로 나타내고 각 점에서의 저항값의 대수에 선형인 신호를 S1∼Sn으로 하고 계수를 a1∼an으로 하여 선형결합은 ∑ai·2Si로 나타낼 수 있다. 또 기준신호는 복수의 가스 농도 각각에 대하여 기억시키는 것이 바람직스럽다.

불휘발성 메모리는 EEPROM이나 마이크로컴퓨터 내장이나 외장의 RAM에 백업용 전지를 접속시킨 것 등을 사용한다. 또한 선형이란 신호A와 신호B가 서로 1차함수로 표현되는 관계를 말하는 것으로, 예를들어 센서저항(금속 산화물 반도체의 저항값)과 그 대수는 선형은 아니지만 센서저항의 대수와 저항 러더에의 출력전압과는 좁은 범위에서는 선형이다. 후술하는 바와 같이 데이터 처리의 대부분은 기준신호와 측정 데이터의 차로 나타내는데, 측정 데이터나 기준신호에 정수값이 가해져도 영향을 받지 않아 저항값의 대수를 구할 필요는 없으며 저항값 대수에 선형인 양을 구할 필요는 있다. 직렬회로의 출력으로서는, 예를 들어 저항 러더와 금속 산화물 반도체의 접속점의 출력전압을 사용하는데, 여기에 한정되지 않고 상기의 출력전압을 분할 혹은 증폭하여 사용하여도 좋다.

금속 산화물 반도체의 저항값 대수와 저항 러더에의 출력전압은 양자 저항값의 비가 1/2∼2 정도의 범위에서 선형이다. 저항값 대수의 변환은 이 범위에서는 식(1)로 나타낸다.

LnR = 2 - 4VR1/Vc + LnR1 (1)

단, 여기에서 R은 금속 산화물 반도체의 저항값을 나티내고 VR1은 저항 러더에의 출력전압을 나타내고 Vc는 검출전압을 나타내고 R1은 저항 러더의 저항값을 나타내고 Ln은 자연대수를 나타낸다.

식(1)에 의한 변환에서는 러더에 필요한 저항의 수가 증가하므로, 변환범위를 R/R1으로, 예를 들어 4 ∼ 1/4로 넓게 할 경우 식(2),(3)에 의한 비선형 변환을 한다.

LnR = 2x + 2/3 × x³ + LnR1 (2)

x = 1 - 2VR1/Vc (3)

후술하는 바와 같이 온도변화에 따라 금속 산화물 반도체의 저항값은 변하여 대수변환을 성공시키기 위해서는 저항 러더의 값과 금속 산화물 반도체 저항값의 비를 정확하게 유지시킬 필요가 있다. 이를 위하여 예를 들어 통상은 가스농도가 1온도 사이클로 변동하지 않아, 전회(前回) 온도사이클의 각 시점에서의 금속 산화물 반도체의 저항값을 이용하여 다음회 사이클에서의 저항 러더의 저항값을 정해도 좋다. 그러나 이 방법에서는 가스검출장치의 조정이나 검사시에 급격하게 가스농도를 변화시킬 수 없다. 여기서 바람직하게는 복수의 점 내에 적어도 하나의 점에 대하여 그 전 시점에서의 저항 러더에의 출력전압에 선형인 출력에 따라 저항 러더의 저항값을 절환시킨다. 여기서 적어도 하나의 점으로 하는 것은, 예를 들어 두 점에서의 신호를 사용한다면, 두 점간의 시차가 작은 경우는 전의 하나의 점의 저항값으로 다음 하나의 점의 저항값을 예측할 수 있기 때문이다. 그러나 이 방법에서는 저항 러더의 제어에 한계가 생겨, 보다 바람직하게는 복수의 각 점에 대하여 그 전의 시점에서의 출력에 따라 저항 러더의 저항값을 절환시킨다.

불휘발성 메모리로서는 백업 전지가 불필요한 EEPROM이 바람직하지만, EEPROM에서는 액세스(access)의 회수에 신뢰성상 제한이 있다. 또한 가스검출 수단에 사용되는 RAM에는 용량의 제한이 있는 경우가 많다. 검출 레인지(檢出 range)를 가스농도의 변화폭으로서 10배 정도로 하면 가스농도 의존성 분산의 영향을 억제하기에는, 예를 들어 세 개의 농도에서의 기준신호가 필요하며 이것을 EEPROM에 기억시킨다. 그리고 RAM 등의 휘발성 메모리에는 항시 EEPROM에 기억시킨 기준신호 중 저농도측 두 개의 농도의 기준신호를 기억시킨다. 가스농도가 두 개의 농도를 넘으면 보다 더 고농도에서의 기준신호를 EEPROM으로부터 읽어내고, 가스농도가 떨어지면 저농도측 두 개의 농도를 휘발성 메모리에 기억시킨다. 이와 같이 하면 EEPROM에서의 액세스 회수가 줄어 트러블을 방지할 수 있다.

또한 본 발명은,

1) 금속 산화물 반도체 저항값 대수의 푸리에 성분으로 이루어지는 기준신호를 복수의 가스농도로 기억시키는 불휘발성 메모리와,

2) 가스센서의 부하저항으로서 접속된 저항 러더로서, 그 저항값과 금속 산화물 반도체 저항값의 비를 소정의 범위로, 바람직하게는 항시 소정의 범위로 유지시키도록 한 것과,

3) 상기 저항 러더와 금속 산화물 반도체의 직렬회로에 검출전압을 가하기 위한 전원과,

4) 저항 러더에의 출력전압에 선형인 출력을 변환시켜 파형상 다수의 점에서 금속 산화물 반도체 저항값의 대수에 선형인 측정 데이터를 얻기 위한 샘플링 수단과,

5) 상기 다수의 점에서의 측정 데이터를 푸리에 변환시킨 후에 기준신호와 비교하여 가스를 검출하기 위한 검출수단을 형성하는 것을 특징으로 한다.

즉 푸리에 변환 신호는 가스센서의 온도파형의 특징을 나타내고, 센서저항의 대수를 그대로 사용하여 처리하거나, 센서저항의 대수를 푸리에 변환시켜 처리하는 것은 실질적으로 동일하다. 여기서 센서저항의 대수를 그대로 사용하여 처리하는 경우에 관한 이 명세서의 기재는 푸리에 변환을 사용하는 경우에도 통용된다.

본 발명은 가스에 의하여 저항값이 변화하는 금속 산화물 반도체 가스센서의 온도를 변화시키면서 가스를 검출하도록 한 장치의 조정방법에 있어서,

a : 금속 산화물 반도체의 저항값 대수에 선형인 기준신호를, 복수의 가스농도이고 온도변화에 따른 가스센서 저항값의 파형상 복수점의 조합으로서 기억시키는 불휘발성 메모리를 형성하고,

b : 가스센서를 소정농도의 가스속에 노출시키고 온도를 변화시켜 복수점에서 금속 산화물 반도체의 저항값 대수에 선형인 신호를 구하고 상기의 기준신호를 발생시켜 상기 불휘발성 메모리에 기준신호로서 기억시키는 것을 특징으로 한다. 바람직하게는,

c : 공정b를 복수의 가스농도에 대하여 반복한다.

청구항1의 발명에 대하여 설명한다. 가스검출장치를 고정밀화하기 위해서는 복수의 점에서의 기준신호를 사용할 필요가 있다. 여기서 이들 신호를 불휘발성 메모리에 기억시킨다. 실시예에서 나타내는 바와 같이 기준신호는 금속 산화물 반도체의 저항값 보다도 그 대수를 취급하는 것이 더 쉽다. 즉 금속 산화물 반도체의 저항값을 그대로 사용하면 신호의 조합에 의하여 보정할 때의 계산이 복잡하게 되어 소규모의 마이크로컴퓨터로는 처리할 수 없게 된다. 여기서 본 발명은 센서의 저항값이 아닌 그 대수에 선형인 신호를 사용한다.

온도변화에 따라 센서저항은 크게 변하므로, 넓은 범위로 또한 간단하게 저항값을 대수로 변환시킬 수 없으면 안된다. 센서저항의 변환 범위가 넓은 것에 대응하여 저항 러더를 사용하여 그 저항값과 금속 산화물 반도체 저항값의 비를 필요한 점에서 소정의 범위로 유지시킨다. 여기서 필요한 점으로서는, 예를 들어 기준신호에 사용되는 온도파형상의 점이 있다. 그런데 저항 러더의 저항값과 금속 산화물 반도체 저항값이 소정의 범위에서는, 저항 러더에의 출력전압 혹은 이것과 선형인 신호는 센서저항의 대수와 선형관계에 있다. 여기서 금속 산화물 반도체에 저항 러더를 접속시켜 부하저항의 값을 소정의 범위로 유지시키고 부하저항에의 출력전압 등을 사용한다면 소규모의 마이크로컴퓨터로 처리할 수 있는 범위에서 센서저항의 대수에 선형인 측정 데이터를 얻을 수 있다. 이와 같이 하여 측정 데이터가 얻어지면 이것을 기준신호와 비교하여 가스를 검출한다.

센서저항의 대수를 부하저항에의 출력전압에 대하여 급수전개(級數展開)하면 1차항까지 고려하여 식(1)과 같이,

LnR = 2 - 4VR1/Vc + LnR1 (1)

이 된다. 여기서 명백해진 바와 같이 센서저항의 대수는 출력전압(VR1)과 선형으로 선형변환의 범위에서 센서저항의 대수를 얻을 수 있다.

식(1)에 의한 대수변환에서는 변환의 범위가 좁으며 센서저항(R)과 저항값(R1)의 비는 2 ∼ 1/2 정도의 범위로 한정된다. 그리고 이 범위에서는 변환오차는 ±2% 이하이다. 변환의 범위를 보다 넓게 하기 위해서는 센서저항의 대수를 3차항까지 전개하여 식(2),(3)에 의한 대수를 변환시킨다. 이와 같이 하면 R/R1의 값이 4 ∼ 1/4의 범위에서 변환오차는 4%이하가 된다.

센서저항의 대수를 얻기 위해서는 저항 러더의 저항값을 정확하게 유지시킬 필요가 있다. 여기서 예를 들어 측정 데이터를 얻기 위한 복수의 점 중 적어도 한 점에 대하여 그 전 시점에서의 출력에 따라 저항 러더의 저항값을 절환시킨다. 이렇게 하면 가스검출장치의 조정이나 검사시 등에 있어서 급격하게 가스의 농도를 변화시킨 경우에도 부하저항의 값(저항 러더의 저항값)을 정확하게 유지시킬 수 있다.

불휘발성 메모리에는 백업용의 전지가 필요치 않는 EEPROM이 바람직하며 기준신호로서는 적어도 세 개의 농도에서의 신호를 기억시키는 것이 바람직하다. 가스검출장치에 사용되는 마이크로컴퓨터는 통상 RAM의 용량이 부족하므로 EEPROM으로부터는 통상 저농도측 두 개의 농도에서의 기준신호를 RAM에 기억시켜 가스농도가 기준신호의 농도를 넘으면 보다 더 고농도측의 기준신호를 EEPROM으로부터 RAM으로 기억시킨다. 그리고 가스농도가 떨어지면 재차 저농도측의 기준신호를 RAM에 기억시킨다. EEPROM의 액세스 회수에는 제한이 있으므로, 예를 들어 10만회 정도의 액세스가 신뢰성을 유지함에 있어서의 한계이다. 온도변화의 1사이클을, 예를 들어 1분으로 하여 매회 EEPROM으로 액세스하면 약 70일이 지나면 EEPROM의 신뢰성을 잃는다. 그러나 가스농도가 저농도측의 두 개의 농도를 넘는 것은 일반적으로 거의 없는 일로서, EEPROM의 액세스는 이 경우와 가스검출장치를 리셋한 경우등에 한정된다. 그리고 이와 같은 회수는 일반적으로 적으므로 액세스의 제한을 10만회로 하더라도 EEPROM의 신뢰성을 유지할 수 있다.

온도파형에서의 복수의 점을 사용하여 가스를 검출하는 것은, 예를 들어 푸리에 변환에 의하여 온도파형의 특성함수를 구하여 가스를 검출하는 것과 같다. 여기서 센서저항의 대수를 그대로 사용한 가스검출은 센서저항의 대수를 푸리에 변환시켜 가스를 검출하는 것으로 바꿀수 있다. 이 경우에 푸리에 변환으로서는, 예를 들어 센서의 온도변화와 주파수가 같은 기본파 성분의 사인 성분과 코사인 성분 혹은 그 고주파 성분 등을 사용하여 0차로부터 무한대차(無限大次)까지 푸리에 변환성분 전부를 사용할 필요가 없으므로, 극단적인 경우 1성분만을 사용하여도 좋으며 사인성분과 코사인 성분은 별도의 성분으로서 바람직하게는 2성분∼6성분을 사용한다.

다음에 이와 같은 가스검출장치를 조정하기 위해서 기준신호를 불휘발성 메모리에 기억시킬 필요가 있다. 여기서 조정시에 불휘발성 메모리를 써넣을 수 있는 상태로 놓고 가스센서를 온도변화시키면서 소정농도의 가스 중 소정의 타이밍에서의 신호 혹은 그 신호의 선형합 등을 불휘발성 메모리에 써넣는다. 바람직하게는 이 처리를 가스농도를 바꾸어 반복하고, 필요한 수의 가스농도에서의 기준신호를 불휘발성 메모리에 기록시킨다. 또한 이 처리는 완성된 가스검출장치를 조정조에 수용시켜 하여도 좋으며 혹은 센서만을 조정조에 두고 그 신호를 퍼스널 컴퓨터 등으로 처리하여 불휘발성 메모리에 써넣어도 좋다. 그리고 퍼스널 컴퓨터 등을 사용하는 경우 처리능력상의 제한은 없으므로, 센서저항을 그대로 AD변환 시키고 이것을 대수변환하여 기준신호로 하여도 무방하다.

(실시예)

도1∼도14에 실시예와 그 변형예를 나타낸다. 도1에 실시예의 구성을 나타내면, S는 금속 산화물 반도체 가스센서로서 여기서는 TGS203을 사용하여 S_nO₂계의 금속 산화물 반도체(2) 양단에 한쌍의 히터(h1,h2)를 배치시킨 것이다. 가스센서(S)의 종류와 구조는 임의적이다. 4는 직류 5V 등의 직류전원으로서 그 출력 VDD를 사용하여 가스검출장치를 구동시킨다. 가스센서(S)의 한쌍의 히터(h1, h2)를 함께 구동시키기 위하여, 트랜지스터(T1, T2)를 사용하여 동시에 온 / 오프시킨다. 그리고 트랜지스터(T1, T2)가 함께 온되면 히터(h1, h2)에 전류가 흘러 트랜지스터(T1, T2) 온의 듀티비(duty比)가 변함으로써 금속 산화물 반도체(2)의 온도를 주기적으로 변화시킨다. 여기서는 TGS203의 동작조건에 따라 고온영역은 60초간, 저온영역은 90초간으로 하고, 히터전력의 파형은 고온영역과 저온영역의 2단계로 변화하는 방형파형(方形波形)으로서 고온영역의 최종온도는 300℃, 저온영역의 최종온도는 80℃이다. 또한 실시예에서는 시각의 표시로서 저온영역의 종료직전을 0초로 하여, 0∼60초를 고온영역으로 하고 60∼150초(150초는 0초와 같음)를 저온영역으로 한다.

금속 산화물 반도체(2)에는 저항 러더(5)를 접속시키며, 여기서 R1∼Rn은 각각 개별의 저항을 나타낸다. 여기서 각 저항(R1∼Rn)은 4배씩 변화하는 것으로서, 예를 들어 0.5KΩ, 2KΩ, 8KΩ, 32KΩ, 128KΩ, 512KΩ인 6개의 저항을 사용한다. 고정저항의 정밀도는 ±2% 정도의 것을 용이하게 얻을 수 있어 저항값의 절환에 의거하는 AD변환오차는 ±2% 정도이다. 그리고 트랜지스터(T1, T2)를 오프하면 전원출력(VDD)(이하 검출전압(Vc)이라 부름)은 금속 산화물 반도체(2)를 통하여 저항 러더(5)로 흘러 저항 러더(5)에의 출력전압을 AD변환시켜 처리한다.

8은 마이크로컴퓨터로서, 여기서는 4비트(bit)의 1칩 마이크로컴퓨터를 상정한다. 10은 버스(bus)이며, 12는 예를 들어 8비트의 AD컨버터(AD convertor), 14는 저항 러더 제어부로서 저항(R1∼Rn) 하나만을 접지시켜 접지된 저항을 부하저항으로서 사용한다. 그리고 상기와 같이 저항 러더측으로의 출력전압은 AD컨버터(12)에서 AD변환된다. 또한 저항 러더(5)측으로의 출력전압을 더욱 분압(分壓)하여 AD변환시켜도 무방한 것은 당연하며 또한 저항 러더(5)측의 전압이 아니라 가스센서(S)측의 전압을 AD변환시켜도 똑같다. 16은 히터 제어부로서 트랜지스터(T1, T2)의 온 / 오프를 제어하여 60초의 고온영역과 90초의 저온영역으로 이루어지는 온도 사이클(溫度 cycle)을 발생시킨다. 18은 EEPROM 제어부이고 20은EEPROM이다.

EEPROM(20)의 구성을 도3에 나타내면, 예를 들어 여기서는 CO를 검출대상으로 하고 검출범위를 CO 50∼600ppm의 약 10배의 범위로 한다. 기준신호로서는 CO 65ppm, 200ppm, 400ppm의 3점을 사용하고, 기준신호로서 0초의 센서저항의 대수 LnR0, 6초의 센서저항의 대수 LnR6, 69초(저온영역의 초기) 센서저항의 대수 LnR69를 사용한다. 또한 Ln은 자연대수를 나타내고 R0의 0 등의 첨자는 0초 기준의 타이밍을 나타낸다. CO 200ppm이나 400ppm도 마찬가지로 0초, 6초, 69초의 3개의 기준신호를 센서저항의 대수의 형태로 기억시킨다. 41∼43은 각 농도에 관한 기준신호를 1장의 카드로 생각하였을 때의 카드를 나타낸다. 이 이외의 카드(44)에는 CO검출장치의 사용이력을 기록시킨다. 즉 경과시간으로서, 총사용시간과 과거 CO의 경보에 관한 기록을 기억시킨다. 총사용시간은 CO검출장치의 전원이 온되어 있는 시간의 누적값으로서, 예를 들어 시간의 단위는 1일로 하여 누적사용 시간을 카드(44)에 기억시킨다. 경보기록으로서는 후술하는 버저가 울릴 때 마다 그 날짜를 기억시킨다. 날짜로서는 총사용시간과 같은 기준으로 날짜를 기억시킨다. 이와 같이 하면 버저가 울린 날짜가 판명된다.

22는 입출력으로서 조정 스위치(23)와 리셋 스위치(24)가 접속되어 있어, 조정 스위치(23)를 온하면 EEPROM 제어부(18)는 EEPROM(20)에 쓰기가 가능하게 되며 CO검출장치 조정시에만 사용하는 스위치이다. 리셋 스위치(24)는 버저(38)가 울리는 것을 정지시키기 위한 스위치이다.

마이크로컴퓨터(8)에는 4비트의 산술논리 계산 유닛(26)이 있고, 150초를 주기로 CO검출장치를 작동시키기 위한 시퀀스 제어부(sequence 制御部)(28)가 존재하며 시퀀스 제어부(28)는 타이머를 내장하고 있다. 30은 RAM으로서 휘발성 메모리로서 사용하고 그 구성을 도2에 나타낸다. RAM(30)에는 LnR0, LnR6, LnR69 등 3개의 측정 데이터와 이들에 대한 두 개의 농도에서의 기준신호가 기억되어 있다. 기준신호는 평상시는 저농도측의 65ppm과 200ppm을 사용하고 가스농도가 200ppm을 넘으면 65ppm의 기준신호를 400ppm의 기준신호로 바꿔 놓는다. 그리고 가스농도가 200ppm 이하로 떨어지면 400ppm의 기준신호를 65ppm의 기준신호로 절환시킨다. 가스의 검출범위는 50∼600ppm이며, 50∼65ppm의 범위는 기준신호 65ppm에 가깝다. 또한 400∼600ppm의 범위는 기준신호 400ppm에 대하여 1.5배의 범위로서 400ppm의 기준신호를 사용하여 가스농도를 정확하게 구할 수 있다. 이들 범위를 제외하면 CO가 발생할 경우, 실제의 CO농도 양측의 기준신호를 사용하여 2개의 기준신호간의 보간(補間)에 의하여 가스농도가 결정된다.

RAM(30)에는 이 이외에 구해진 CO농도나 CO농도로부터 환산된 COHb(혈중 CO 헤모글로빈 농도)나 그 외의 보조신호(예를 들어 1일단위의 타이머를 구성하기 위한 시각데이터) 등을 기록한다.

도1로 돌아가 보면, 32는 경보 제어부로서 구동회로(36)를 통하여LED(39,40)을 작동시켜 혈중 CO 헤모글로빈 농도가, 예를 들어 5%이상일 때 버저(38)를 울린다. 버저(38)가 울리면 EEPROM 제어부(18)는 카드(44)에 경보날짜를 써넣는다. 34는 프로그램 메모리로서 기타 온도보정에 사용되는 여러 가지 상수(常數) 등의 데이터도 기록시킨다. 또한 이들 데이터는 가스센서(S)가 바뀌어도 공동인 고정 데이터이나, 그리고 센서 고유의 데이터는 모두 EEPROM(20)에 기록시킨다.

도4에 10개 센서의 평균 온도파형을 나타낸다. CO 100ppm의 파형에서 실시예에서 사용한 샘플링 포인트를 ○로 나타내면 150초, 6초 및 69초에서 샘플링을 한다. 센서의 저항값은 CO 30ppm∼300ppm의 범위에서 약 10배 변하고, 0초와 69초에서는 저항값이 약 10배 달라진다. 이 이외에 센서저항이 불균일하거나 주위 온습도의 변동 등을 가하면 AD변환의 범위는 저항값으로서 약 0.5∼500KΩ이 된다. 여기서 이 범위에서는 AD변환을 할 수 있도록 저항(R1∼Rn)을 0.5KΩ∼512KΩ까지 4배씩 6단계로 변화시키고 각 샘플링 타이밍 직전에 저항 러더에의 출력(VR1)을 감시하여 그 값에 따라 부하저항을 절환시킨다. VR1의 AD변환 자체는 1초 이내에 할 수 있어, 그 때의 값에 따라 각 샘플링 포인트에서 어떠한 저항을 사용하는가를 결정하면 된다.

도5는 별도의 10개의 센서에 대하여 고온영역의 초기의 온도파형을 확대하여 나타낸 것이다. 공기가 0℃이며 상대습도는 96%, 공기가 20℃이며 상대습도는 65%, 공기가 50℃이며 상대습도는 40%인 3종류로서 ±2δ(δ는 표준편차)의 범위와 평균값을 나타낸다. 가스농도는 CO 1OOppm인데, 주위의 온도나 습도의 변동에 의하여 저항값은 각 타이밍에서 10배 변화하고 있다. 또한 0초와 6초의 저항값은 거의 같으며, 예를 들어 6초에는 0초와 같은 부하저항을 사용하여도 좋다. 그러나 바람직하게는 예를 들어 148초의 신호에서 0초의(혹은 고온영역으로 이행하기 전의 샘플링을 확실하게 하기 위하여 149초) 저항값을 결정하고 5초의 저항값으로부터 6초의 부하저항을 결정한다. 마찬가지로 68초의 저항값으로부터 69초의 부하저항을 결정한다.

도6에 샘플링 알고리즘을 나타낸다. 시각이 148초에 달하면 출력전압을 AD변환시켜 이 값이 검출전압(Vc)(VDD와 같음)의 1/3∼2/3의 범위내에 있는 것을 확인한다. 이 범위에서는 센서저항과 부하저항과의 저항값의 비가 2 : 1 ∼ 1 : 2의 범위내에 있다. 출력전압이 정확하다면 그대로 하고 정확하지 않을 경우에는 부하저항을 절환하여 이 범위에 속하도록 한다. 다음에 0초에 달하면 출력전압을 AD변환시켜, AD변환된 출력전압(VR1)을 사용하여 식(1)에 의하여 0초에서의 센서저항의 대수를 구한다. 마찬가지로 5초에 부하저항의 값이 정확한지 어떤지를 체크하여 6초의 센서저항의 대수를 구한다. 또한 68초에서도 부하저항의 값이 정확한지 어떤지를 체크하여 69초에서 센서저항의 대수를 구한다.

LnR = 2 - 4VR1/Vc + LnR1 (1)

식(1)과 같이 센서저항의 대수를 1차항까지 근사값으로 구하는 경우 R/R1이 1로서 오차가 0이며, R/R1이 1/2 또는 2로서 오차가 2%, R/R1이 1/3 또는 3으로서 오차는 11%가 된다. 실시예에서는 CO농도를 ±20% 이하의 오차로 검출하는 것을 목적으로 하므로 대수변환의 오차를 ±10%로 하는 것은 너무 크다. 여기서 센서저항과 부하저항과의 비를 0초, 6초, 69초의 3점에서 2 ∼ 1/2의 범위로 유지되도록 저항 러더(5)를 제어한다.

식(1)에 의한 VR1로부터 센서저항 대수로의 변환은 선형변환으로서 극히 간단한 변환이다. 그러나 이에 따라 6개의 부하저항이 필요하다. 부하저항의 수를 예를 들어 4개로 감소시키기에는 R/R1의 범위를 4 ∼1/4, 더욱 바람직하게는 8의 제곱근 ∼ 1/(8의 제곱근)의 범위로 유지되도록 한다. 이를 위해서는 3차항까지의 변환이 필요하다. 센서저항의 대수를 VR1으로 급수전개하면 2차항은 존재하지 않으며 3차항까지를 가미시킨 것을 식(2),(3)에 나타낸다. 식(2),(3)을 사용한 경우 R/R1이 1로서 변환오차는 0%, R/R1이 1/4 또는 4로서 변환오차는 4%, R1이 1/3 또는 3으로서 변환오차는 2%이다. 여기서 예를 들어 저항(R1∼Rn)의 값을 16배씩, 더욱 바람직하게는 8배 혹은 9배씩 변화시킨다. 그리고 예를 들어 저항(R1∼Rn)의 값을 1KΩ, 8KΩ, 64KΩ, 512KΩ의 4종류로 한다. 이렇게 하면 0.5∼1MΩ의 범위를 2% 이하의 오차로 대수로 변환시킬 수 있다.

LnR = 2x + 2/3 × x³ + LnR1 (2)

x = 1 - 2VR1/Vc (3)

도 1의 가스검출장치의 조정순서를 도7에 나타낸다. 또한 이 때 조정 스위치(23)를 온하여 EEPROM(20)에 기준신호를 써넣을 수 있도록 한다. CO검출장치를 조정조(調整槽)에 세트하는 것으로서 설명하면, 검출장치를 세트한 후 전원을 넣어 작동시킨다. 그리고 예를 들어 65ppm의 CO를 주입한다. 그러면 마이크로컴퓨터(8)는 RAM(30)에 쓰기 위하여 LnR0, LnR6, LnR69를 발생시킨다. 이것을 EEPROM(20)의 카드(41)에 기입한다. 계속해서 CO의 농도를 200ppm으로 증가시켜 같은 순서를 밟는다. 또한 CO농도를 400ppm까지 증가시킨다. 이와 같이 소정의 순서로 CO의 농도를 증가시킨다면 EEPROM(20)에 기준신호를 써넣을 수 있다. 그리고 이 결과 가변저항을 조정하여 기준신호를 기억시킬 필요없이 조정작업이 간단해진다.

여기서는 CO검출장치를 조정조에 세트하는 것으로 하였으나, 가스센서(S)만을 세트하여도 무방하다. 그리고 가스센서(S)의 저항값을 예를들어 12비트 정도의 AD컨버터로 AD변환하여 퍼스널 컴퓨터 등에 기록하고 이것을 EEPROM(20)에 써넣어도 무방하다. 이 경우, 가스센서(S)가 CO검출장치에는 조립되어 있지 않아 가스센서(S)를 EEPROM(20)과 세트로 하여 취급하고 이것을 별도로 조립한 CO검출장치에 부착시킨다. 가스센서(S)와 EEPROM(20) 이외의 부분은 통상의 전자회로와 완전히 똑같이 취급되어 가스센서에 대하여 경험이 없는 메이커라도 CO검출장치를 조립할 수 있다.

도8에 센서저항의 드리프트 보정을 나타낸다. 이것은 TGS203의 45개의 데이터로서 불량품(7개)이나 양품(良品)(20개) 혹은 2년 이상 방치한 샘플(8개) 그리고 일단 CO검출장치에 세트한 후에 회수한 샘플(10개)을 포함하고 있다. 도면에서 횡축(橫軸)은 0초의 센서저항을 대수 눈금으로 나타내고, 종축(縱軸)은 6초의 센서저항을 마찬가지로 대수 눈금으로 나타낸다. 그리고 횡축 1은 0초의 CO 100ppm중에서의 기준신호(통전개시 3일째)이며, 종축 1은 6초의 CO 100ppm에서의 기준신호(통전개시 3일째)이다. 도8은 CO 100ppm중에서의 통전개시 3일째의 기준신호로 정규화하고 있다. 도면에서의 각 점은 5주간의 통전에 따른 측정점을 나타내며 45개의 TGS203을 5주간 사용하면 고저로 저항화(抵抗化)하는 것이나 우발적으로 낮게 저항화하는 것 등이 나타나는데, 이것은 6초와 0초와의 2차원 평면에서 기울기가 1인 좁은 직선상에 집중되어 있다. 이 축을 드리프트축이라 한다. 또한 CO 30ppm중이나 300ppm중에서 드리프트축이 불명료한 것은 TGS203의 농도 의존성의 분산 때문이다. 즉 농도 의존성이 균일하지 않으며 CO 30ppm중이나 300ppm중에서의 초기점이 한 점에 모여있지 않으므로 초기점의 분산으로 인하여 드리프트축이 불명료하다. 또한 CO 30ppm, 100ppm, 300ppm의 3점을 연결한 직선을 CO농도축이라 부른다. 그리고 TGS203의 초기의 특성은 이 농도축상에 있으며 사용과 함께 농도축은 드리프트축의 방향을 따라 평행이동하여 간다.

도8에는 이 이외에 CO 100ppm과 수소300ppm의 혼합가스의 움직임을 나타낸다. 또한 수소 1000ppm중에서의 움직임을 나타낸다. 이들 각 움직임은 5주간의 통전기간의 각 점을 센서마다 표시한다. 도8에서 명백해진 바와 같이 수소에 대해서 감도는 약간의 마이너스로 되어 있다. 예를 들어 도8의 CO 100ppm + 수소 300ppm의 각 점을 드리프트축을 따라 평행이동시켜 CO농도축과의 교점을 구하면 얻어지는 농도범위는 CO 80ppm∼60ppm이다. 한편 CO 100ppm중에서의 5주간의 각 점 분포는 좁아 드리프트축을 따라 평행이동시켜 CO농도축과의 교점을 구하면 분포범위는 CO 80ppm∼120ppm 정도가 된다. 수소에 대한 감도가 마이너스가 되는 것은 6초의 신호가 0초의 신호보다도 수소감도가 높기 때문이다. 여기서 이것을 보정하기 위하여 0초와 69초의 신호를 조합한 것을 사용한다. 이 경우 마찬가지로 5주간의 통전 데이터를 도9에 나타낸다. 도9에서 명백해진 바와 같이 수소가 발생하면 69초의 저항값은 현저하게 감소하여 CO농도축으로부터 극단적으로 떨어진 장소에 있다. 여기서 CO농도축으로부터 도9의 하방으로 하강하는 거리로 수소농도를 나타내는 신호로 한다.

이와 같은 수소검출신호는 정확하지는 않으나, 원래 수소감도는 작아 그 보정용이므로 정량성(定量性)이 없는 수소검출신호라도 사용할수 있다. 그리고 수소감도의 보정에서는 도8에서 약간 마이너스로 되어있는 수소감도를 0으로 되돌린다. 즉 CO만으로 극히 선택적인 CO검출장치를 설계하거나 TGS203 본래의 특성과 같이 CO : 수소의 상대감도를 10 : 1이 되도록 보정하는 2가지의 방법이 고려된다. 이것 중 어느 것을 선택하는가는 CO검출장치 설계방침의 문제이다.

도10에 드리프트 보정의 원리를 나타낸다. 도면에서 실선은 CO농도축, 파선은 드리프트축이다. 그리고 65ppm, 200ppm, 400ppm인 3점에서의 기준신호가 EEPROM(20)에 기록되어 있다. 측정에 의하여 LnR0과 LnR6의 2차원에서의 위상 공간상의 점(a, b)이 정해진다. 또한 이 위상 공간에서의 각 기준신호의 좌표는 도10과 같이 정해진다. 그리고 점(a, b)으로부터 드리프트축을 따라 평행이동시켜 CO농도축과의 교점 좌표를(e,f)라 한다.

도10을 사용하여 CO농도의 산출을 도12의 메인 루프로 나타낸다. 측정 데이터로부터 a, b, c의 3개의 변수를 정의한다. 다음에 도10에 있어서 n - p가 a - b 이상인지 아닌지 체크한다. 이 조건이 불성립될 경우, 200ppm으로부터 드리프트축을 연장시켰을 때의 측정점은 드리프트축 하측에 있으므로 검출농도는 200ppm 이하이다. 드리프트축의 기울기는 1로서 e - a와 f - b는 동등하다. 이로 인하여 f = e + (b - a)가 성립된다. 다음에 점(e,f)는 65ppm과 200ppm의 두 개의 기준신호로 정해지는 선분을 내분(內分)하고 있다. 이렇게 함으로써 e, f는 65ppm이나 200ppm에서의 기준신호의 좌표(n, p, q, r)와 하나의 관계식에 구속되어, 이것을 사용하여 좌표(e)를 구할 수 있다. 또한 여기서 실제로 취급하고 있는 것은 n - e이나 p - f 혹은 e - f 등의 변수이다. 이것은 대수의 차에 대응하고 실제로는 VR1의 차에 직접 대응한다. 따라서 상기의 대수를 변환시키지 않고 또한 센서저항의 대수를 구하지 않고 VR1을 구히는 것 만으로 좋은 것은 명백하다.

값(e)이 판명되면 65ppm과 200ppm간 선분의 내분비(y)를 구한다. y가 0으로서 CO농도는 200ppm, y가 1로서 CO농도는 65ppm이다. 이 사이에는 약 3배의 CO농도의 변화가 있으며, 이것을 그대로 풀면 exp(y)의 급수전개에서 2차 이상의 항이 필요하게 되므로 65ppm과 200ppm의 중점(中點)을 고려하여, 200ppm 근처에서는 200ppm의 농도를 본래의 급수로 전개하고 65ppm 근처에서는 65ppm의 농도를 본래의 급수로 전개한다. 이렇게 하면, exp(y) = 1 + y라고 근사치를 취하여도 근사오차는 거의 생기지 않는다. 이렇게 하여 수소농도 보정전의 CO농도가 정해진다.

그런데 구해진 위상점이 CO 200ppm을 통과하는 드리프트축보다도 우측에 있다면, CO농도는 200ppm을 넘는다. 여기서 이 경우 EEPROM(20)을 액세스하여 CO 400ppm의 기준신호를 읽어낸다. 이하 마찬가지로 하여 CO농도를 구한다. 이 경우의 처리에서는 CO 65ppm과 200ppm의 2개의 기준신호를 사용한 경우의 처리와 마찬가지로서 CO 65ppm의 기준신호 대신에 CO 400ppm의 기준신호를 사용하면 된다.

CO의 농도가 구해지면 수소보정을 한다. 그 처리를 도13에 나타내고 그 원리를 도11에 나타낸다. 0초 저항값의 대수와 69초 저항값의 대수로 정해지는 2차원 위상공간에 있어서 측정점의 좌표를 (a, c)라 한다. 이것을 65ppm, 200ppm, 400ppm의 CO농도축으로 도11의 수직상방으로 이동시켰을 때의 교점을 (a, g)라 한다. 그리고 g와 c와의 차를 h라 하여 h에 의하여 수소농도가 정해지는 것으로 한다. 이 경우 a의 값이 n을 넘는지 안 넘는지에 의하여 기준신호로서 400ppm의 신호를 사용할 필요가 있는지 없는지를 판별하여, a가 n 이하일 경우 EEPROM(20)을 액세스하여 400ppm의 기준신호를 읽어낸다. 그리고 점(a, g)이 200ppm의 기준신호와 400ppm의 기준신호를 연결하는 선분상에 있으므로 좌표(g)에 대하여 하나의 식이 발생하여 이로부터 g를 구할 수있다. g를 구하면 h가 구해져, 예를 들어 k1은 적당한 플러스 정수로서 도12의 메인 루프에서 구해진 CO농도에 k1 × h를 가산한다. 여기서 가산의 기준으로서는, 예를 들어 CO검출장치의 수소농도 의존성이 0이 되도록 하거나 혹은 CO : 수소의 상대감도가 10 : 1 등의 적당한 값이 되도록 한다. a가 n보다도 클 경우, 즉 도11에서 구해진 좌표점(a, c)이 200ppm의 기준신호보다도 우측에 있을 경우 65ppm과 200ppm의 기준신호를 사용한다. 그리고 상기와 마찬가지로 하여 h를 구하여 수소농도를 보정한다.

수소농도를 보정하면 도13의 메인 루프로 되돌아가 CO농도로부터 혈중 CO 헤모글로빈의 농도 COHb를 구한다. 또한 COHb의 초기값을 리셋시에는 0으로 한다. 이 변환자체는 이미 널리 알려진 것이며, k2, k3, k4는 정수이며, k4는 여기서 검출하한(檢出下限) 이하의 CO 30ppm 정도에 상당하는 값으로서 CO농도가 30ppm 이하에서는 검출을 하지 않도록 한다.

도14에 푸리에 변환을 사용한 변형예를 나타낸다. 이 변형예는 새로운 마이크로컴퓨터(48)를 사용하여 푸리에 변환부(50)를 형성하는 것 이외에는 실시예와 같다. 단 푸리에 변환을 함으로써 마이크로컴퓨터(48)는, 예를 들어 8비트계로 한다. CO를 검출할 경우 푸리에 변환에서는 방형파적인 온도변화는 바람직하지 않다. 여기서 예를 들어 센서온도의 변화파형을 고온영역 60초, 저온영역 60초인 합계 120초의 주기에서의 사인파형으로 한다. 그리고 120초 주기에서의 온도변화와 동기하는 푸리에 변환 성분(사인 기본파)과, 120초 주기에서의 90도 위상이 진행된 성분(코사인 기본파) 및 고주파 성분으로서 60초 주기의 사인성분과 코사인성분의 네가지 성분을 사용한다. 이 네가지 성분이 있다면 도1∼도13의 실시예와 같은 검출을 푸리에 변환을 한 후에 할 수 있다. 이 이외의 점에서 도14의 변형예는 도1∼도13의 실시예와 같다. 즉 EEPROM(20)에는 65, 200, 400의 세 개의 농도에서의 120초 주기 및 60초 주기의 사인 및 코사인의 합계인 네가지 성분이 기록되어 기준신호는 4 × 3의 합계 12개이다. 또한 푸리에 변환에서는 항시 센서 저항을 AD변환하거나 혹은 저온영역의 말기로부터 고온영역 초기의 CO와 상관(相關)이 높은 파형성분과 저온영역 초기의 수소와 상관이 높은 파형성분을 AD변환하고, 저항 러더 제어부(14)는 예를 들어 1초마다 출력전압(VR1)의 값을 감시하여 다음 1초후에 VR1이 정확한 범위에 있도록 저항 러더(5)를 제어한다. 그리고 푸리에 변환은 120초 주기에 대하여 60점에서의 센서저항의 대수를 사용하고, 센서저항의 대수를 푸리에 변환하여 4개의 기준신호와 비교한다.

본 발명에서는 가스센서의 신호를 보정하는데 필요한 신호를 용이하게 불휘발성 메모리에 기억시킬 수 있다. 또한 기준신호는 가변저항의 조정으로 하는 것이 아니고 불휘발성 메모리의 기억으로 얻을 수 있으므로, 조정하는데 있어서 재차 가변저항을 조작할 필요는 없다. 또한 복수의 가스농도에 대하여 기준신호를 기억시키면, 가스농도 의존성의 분산에 의한 오차는 작게 된다. 또한 저항 러더의 출력을 사용하여 대수변환시키므로 소규모의 마이크로컴퓨터라도 용이하게 센서저항의 대수로선형의 규정 데이터를 얻을 수 있다.

도1은 실시예에 있어서 가스검출장치의 블록도,

도2는 실시예에 있어서 가스검출장치에서의 RAM의 구성을 나타내는 도면,

도3은 실시예에 있어서 가스검출장치에서의 EEPROM의 구성을 나타내는 도면,

도4는 실시예에서 사용되는 가스센서 저항값의 파형(波形)을 나타내는 특성도,

도5는 실시예에서 사용되는 가스센서의 고온영역 초기의 저항값 파형을 나타내는 특성도,

도6은 실시예에 있어서 가스검출장치에서의 샘플링 알고리즘(sampling algorithm)을 나타내는 플로우차트,

도7은 실시예에 있어서 가스검출장치에서의 조정 알고리즘을 나타내는 플로우차트,

도8은 실시예에서 사용하는 가스센서 드리프트(drift)에 의한 특성의 추이를 나타내는 특성도,

도9는 실시예에서 사용하는 가스센서로 수소를 검출하는 것을 나타내는 특성도,

도10은 실시예에서의 CO농도의 산출기구를 나타내는 특성도,

도11은 실시예에서의 공존수소의 검출기구를 나타내는 특성도,

도12는 실시예에 있어서 가스검출장치에서의 메인 프로그램을 나타내는 플로우차트,

도13은 실시예에 있어서 가스검출장치에서의 공존수소의 보정을 나타내는 플로우차트,

도14는 변형예에 있어서 가스검출장치의 블록도이다.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *

2 : 금속 산화물 반도체 4 : 직류전원

5 : 저항 러더(抵抗 rudder) 8,48 : 마이크로컴퓨터

10 : 버스(bus)

12 : AD컨버터(Analog-Digital convertor)

14 : 저항 러더 제어부 16 : 히터 제어부

18 : EEPROM 제어부

20 : EEPROM(Electrically Erasable Programmable Read Only Memory)

22 : 입출력 23 : 조정 스위치

24 : 리셋 스위치 26 : 산술논리 계산 유닛

28 : 시퀀스 제어부(sequence 制御部)

30 : RAM(Random Access Memory) 32 : 경보 제어부

34 : 프로그램 메모리 36 : 구동회로

38 : 버저(buzzer) 39,40 : LED

41∼42 : 카드 50 : 푸리에 변환부(fourier 變換部)

S : 금속 산화물 반도체 가스센서

h1, h2 : 히터 T1, T2 : 트랜지스터(transistor)

R1∼Rn: 저항

Claims (10)

1. 가스에 의하여 저항값이 변하는 금속 산화물 반도체 가스센서의 온도를 변화시켜 가스를 검출하도록 한 장치에 있어서,

   상기 금속 산화물 반도체 저항값의 대수(對數)에 선형인 기준신호를, 온도변화에 따른 가스센서 저항값의 파형상의 복수점의 조합으로서 기억시키는 불휘발성 메모리와,

   상기 가스센서의 부하저항으로서 접속된 저항 리더(抵抗 rudder)로서, 그 저항값과 상기 금속 산화물 반도체 저항값의 비를 상기 복수점에서 소정의 범위로 유지하도록 하는 것과

   상기 저항 러더와 상기 금속 산화물 반도체의 직렬회로에 검출전압을 가하기 위한 전원과

   상기 저항 러더에의 출력전압에 선형인 출력을 샘플링(sampling)하여 상기 복수점 각각에서 금속 산화물 반도체 저항값의 대수에 선형인 측정 데이터를 얻기 위한 샘플링 수단과,

   상기 복수점에서의 측정 데이터 조합을 상기 기준신호와 비교하여 가스를 검출하기 위한 가스검출수단을 형성하는 것을 특징으로 하는 가스검출장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 샘플링 수단에서는,

   LnR = 2 - 4VR1/Vc + LnR1, 단, 여기에서 R은 금속 산화물 반도체의 저항값을 나타내고 VR1은 저항 러더에의 출력전압을 나타내고 Vc는 검출전압을 나타내고 R1은 저항 러더의 저항값을 나타내고 Ln은 자연대수를 나타냄으로써,

   상기 출력을 상기 측정 데이터로 변환시키는 것을 특징으로 하는 가스검출장치.
3. 제1항에 있어서,

   상기 샘플링 수단에서는,

   LnR = 2x + 2 x³/ 3 + LnR1이고

   x = 1 - 2VR1/Vc,

   단, 여기에서 R은 금속 산화물 반도체의 저항값을 나타내고 VR1은 저항 러더에의 출력전압을 나타내고 Vc는 검출전압을 나타내고 R1은 저항 러더의 저항값을 나타내고 Ln은 자연대수를 나타냄으로써,

   상기 출력을 상기 측정 데이터로 변환시키는 것을 특징으로 하는 가스검출장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 금속 산화물 반도체와 저항 러더와의 저항값의 비를 상기 복수의 점에서 4 ∼ 1/4의 범위로 유지되도록 상기 저항 러더를 구성하는 것을 특징으로 하는 가스검출장기.
5. 제2항에 있어서,

   상기 금속 산화물 반도체와 저항 러더의 저항값의 비를 상기 복수의 점에서 2 ∼ 1/2의 범위로 유지되도록 상기 저항 러더를 구성하는 것을 특징으로 하는 가스검출장치.
6. 제1항에 있어서,

   상기 복수의 점 중 적어도 하나의 점에 대하여 그 전 시점에서의 출력에 따라 저항 러더의 저항값을 절환시키는 것을 특징으로 하는 가스검출장치.
7. 제1항에 있어서,

   상기 불휘발성 메모리는 EEPROM이며, 적어도 3개의 가스농도에서의 기준신호를 EEPROM에 기억시키고,

   휘발성 메모리를 형성하여 상기 EEPROM에 기억시킨 기준신호중 저농도측 두 개의 농도의 기준신호를 EEPROM으로부터 상기 휘발성 메모리에 의하여 읽어냄과 아울러

   상기 가스검출수단에서는 측정 데이터를 휘발성 메모리에 기억된 기준신호와 비교하여 휘발성 메모리에 기억되는 기준신호를 변경하는 것을 특징으로 하는 가스검출장치.
8. 가스에 의하여 저항값이 변하는 금속 산화물 반도체 가스센서의 온도를 변화시키면서 가스를 검출하도록 한 장치에 있어서,

   상기 금속 산화물 반도체 저항값 대수의 푸리에 변환 성분(fourier 變換 成分)으로 이루어지는 기준신호를 복수의 가스농도로 기억시키는 불휘발성 메모리와,

   상기 가스센서의 부하저항으로서 접속된 저항 러더로서, 그 저항값과 금속 산화물 반도체 저항값의 비를 소정의 범위로 유지시키도록 한 것과,

   상기 저항 러더와 금속 산화물 반도체의 직렬회로에 검출전압을 가하기 위한 전원과,

   상기 저항 러더에의 출력전압에 선형인 출력을 다수의 점으로 변환시켜 상기 금속 산화물 반도체 저항값의 대수에 선형인 측정 데이터를 얻기 위한 샘플링 수단과,

   상기 다수의 점에서의 측정 데이터를 푸리에 변환시킨 후에 상기 기준신호와 비교하여 가스를 검출하기 위한 가스검출수단을 형성하는 것을 특징으로 하는 가스검출장치.
9. 가스에 의하여 저항값이 변하는 금속 산화물 반도체로 이루어지는 가스센서의 온도를 변화시키면서 측정한 측정 데이터를 이미 기억시켜 둔 기준신호와 비교하여 가스를 검출하도록 한 장치의 조정방법에 있어서,

   상기 가스센서를 소정농도의 가스 속에 노출시켜 온도를 변화시키고,

   온도변화에 따른 금속 산화물 반도체의 저항값의 파형상의 복수의 점에서 상기 저항치의 대수에 선형인 신호를 구하고,

   구해진 각 신호를 기준신호로 하여 조합으로서 불휘발성 메모리에 기억시키는

   것을 특징으로 하는 가스검출장치의 조정방법.
10. 제9항에 있어서,

    상기 불휘발성 메모리를 EEPROM으로 한 것을 특징으로 하는 가스검출장치의 조정방법.