KR20000065148A - 공기중의산화성및/또는환원성가스를검출하기위한방법및장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 건물 또는 차량내의 환기 장치를 제어하기 위해 그리고 연소 공정 및/또는 배기가스 촉매변환기를 모니터링하기 위해 공기 중의 산화성 및/또는 환원성 가스를 검출하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히 다결정 산화 금속으로 이루어진 금속 센서 재료를 가지며 콘택 전극(5.9;5.10)을 포함하고 전류가 흐르며 가열되는 적어도 하나의 센서(5.1;7.2) 및 전기 평가회로가 사용된다. 상이한 주파수를 가진 적어도 2개의 교류로 이루어진 교류가 센서(5.1;7.2)를 통해 흐르거나, 또는 센서가 적어도 2개의 주파수에 스위칭된다. 센서 재료와 콘택 전극(5.9;5.10) 사이의 커패시턴스가 변동되면, 환원성 가스가 존재하는 것으로 평가되고, 센서 재료(감응 재료) 내부의 커패시턴스가 변동되면, 산화성 가스가 존재하는 것으로 평가된다. 이것과 관련해서 센서 재료의 옴 저항 성분의 가스-의존 변동이 고려된다.
Description
많은 경우, 기술적 제어 프로세스를 수행하기 위해, 또는 유해한 또는 불쾌한, 냄새나는 가스로부터 사람을 보호하기 위한 조치를 취하기 위해 공기 중에 존재하는 가스의 종류 및 농도를 알아야 할 필요가 있다. 특히, 필요에 따른 그리고 상황에 따른 환기를 위해 사람의 체류 공간 내부 또는 외부에서 유해 물질의 함량을 아는 것이 중요하며, 그 결과 환기를 시키거나, 또는 유해 가스의 농도가 환기시켜야 할 범위 밖에 놓이는 경우 외부 공기의 공급을 중단한다.
연소 공정의 모니터링 또는 제어시, 연소되지 않은 탄화수소 또는 일산화탄소의 농도 또는 배기 가스 중의 산화질소의 농도를 아는 것이 중요하다. 예컨대 자동차 촉매 변환기의 기능을 모니터링할 때, 촉매 변환기의 효율을 측정하기 위해 촉매 변환기 전후의 가스 농도를 알아야 할 필요가 있다.
모든 예는 각각의 상태를 판단하기 위해 그리고 프로세스를 제어하기 위해 또는 조치를 취하기 위해 산화성 가스, 즉 탄화수소, 일산화탄소 등 및 환원성 가스, 특히 산화질소를 검출하는 것이다.
상기와 같은 검출을 위한 센서가 대량으로 필요하기 때문에, 많은 비용을 야기시키지 않는 기술이 필요하다. 다결정 산화금속을 기본으로 하는 센서가 실제로 저렴하고 강한 것으로 나타났다. 그러나, 산화성 물질의 검출에 대한 경험은 있지만, 원가 및 장치 비용을 증가시키지 않으면서, 동시에 발생하고 동시에 검출되어야 하는 산화성 및 환원성 가스의 검출에 대한 경험 및 실제적인 방법은 없다.
산화 금속 센서는 가스의 제공시 그것의 전기 저항을 변동시킨다. 일반적으로 공지된 센서는 예컨대 이산화주석 또는 다른 산화 금속, 예컨대 산화아연, 산화갈륨, 삼산화텅스텐, 바나듐산알루미늄 및 다른 감응 물질로 이루어지고 가열되며 접촉되는 층으로 이루어진다. 센서 재료는 세라믹 또는 실리콘으로 이루어진 기판상에 박막 또는 후막 기술로 도포되며 콘택 전극을 포함한다. 산화성 기체 물질이 센서에 부딪치면, 산화 금속이 산소를 방출하여 환원되기 때문에, 전도율이 높아진다. 가열된 산화금속이 나중에 다시 공기 산소와 결합되기 때문에, 상기 과정은 가역적이다. 제공된 가스, 즉 산화금속과 공기 산소 사이의 끊임없는 치환 과정이 일어나고 공기 산소의 농도가 거의 일정하기 때문에, 센서 재료의 전도율이 산화성 가스 농도의 함수이다.
오존, 산화질소 등과 같은 환원성 가스에서는 전기 작용이 반대인데, 그 이유는 센서의 감응 재료가 순수한 산화 금속이 아니라, 항상 약간 환원되기 때문이다[SnO(2-x)]. 따라서, 센서에 가스를 제공하면 전도율이 낮아진다. 산화성 및 환원성 가스가 동시에 존재하는 경우, 가스와 센서 재료의 복잡한 화학 반응이 일어나고 촉매 물질, 예컨대 백금 또는 팔라듐을 가진 뜨거운 센서 표면 근처에 가스가 야기된다. 이 경우, 지금까지는 존재하는 가스의 농도에 대한 명확한 정보가 형성될 수 없었다.
산화성 또는 환원성 가스에 대한 산화금속 센서의 반응성은 온도에 의존한다. 약 150℃의 낮은 온도에서 이산화주석 센서는 산화성 가스에 대한 낮은 감도를 가지며 가스 제공시 전도율이 거의 상승되지 않는다. 그러나, 환원성 가스가 나타나면, 센서는 가스 제공 즉시 현저한 전도율 감소를 나타낸다. 이러한 이유 때문에, 높은 온도(> 300℃) 및 낮은 온도(< 150℃)에서 센서의 상이한 반응으로부터 하나의 가스 그룹에 대해 보다 민감한 센서 그룹이 일정 온도에 접속된다.
독일 특허 공개 제 38 27 426호에는 센서의 온도를 가변시켜 단 하나의 센서로 소정 정보를 얻는 것이 공지되어 있다. 실제로, 이 방법은 주효하지 못했는데, 그 이유는 낮은 온도에서 가스 공급 후 센서가 정상 값으로 재조합되는데 매우 긴 시간을 필요로 하기 때문이다. 또한, 산화금속 센서는 종종 간략히 설명되는 바와 같이, 가스에 의존해서 변하는 옴 저항으로 이루어지지 않는다.
독일 특허 공개 제 3917853호에는 센서 소자의 임피던스를 교류의 주파수에 의해 검출하여, 가스의 식별을 위해 사용하는 방법이 공지되어 있다. 간행물 "Sensors & actuators 제 4권, 1991, 페이지 359-363"에서 J. Gutierrez는 저항과 커패시터의 조합체로서 이산화주석 센서의 회로(도 1)를 설명하였으며, 가스 제공시 전체 파라메터가 변동되는 것을 밝혔다.
본 발명은 청구범위 제 1항의 전문에 따라, 필요시 백금, 로듐 또는 팔라듐과 같은 촉매 활성 전이 금속과 혼합해서 바람직하게는 다결정 산화 금속, 예컨대 이산화주석, 산화아연, 산화 갈륨, 삼산화텅스텐, 바나듐산알루미늄으로 이루어진 금속 센서 재료를 가지며 콘택 전극을 포함하고 전류가 흐르며 가열되는 적어도 하나의 센서를 사용해서, 그리고 전기 평가회로를 사용해서, 건물 또는 차량내의 환기 장치를 제어하기 위해 그리고 연소 공정 및/또는 배기가스 촉매변환기를 모니터링하기 위해 공기 중의 산화성 및/또는 환원성 가스를 검출하기 위한 방법에 관한 것이다. 본 발명은 또한 청구범위 제 5항의 서문에 따른 방법을 실시하기 위한 장치에 관한 것이다.
도 1은 저항 및 커패시터의 조합체로서 센서 재료로서 이산화주석을 가진 센서의 회로도이고,
도 2는 콘택 커패시터 및 콘택 전극의 저항이 추가된, 도 1의 회로도 보다 정확한 회로도이며,
도 3은 곡선(3.2)은 콘택 접합의 임피턴스를 나타내고 곡선(3.1)은 보다 큰 커패시턴스를 가진 벌크 저항의 다결정 구조 내부의 임피던스를 나타내는 그래프도이고,
도 4는 커패시터 및 저항으로만 이루어진 센서의 회로도이며,
도 5는 높지 않은 정확도를 가진 장치의 실시예이고,
도 6은 도 5에 따른 회로의 측정 결과를 나타낸 곡선이고,
도 7은 높은 정확도를 가진 장치의 실시예이며,
도 8은 합성 공기에 5ppm NO2의 제공시 도 7에 따른 장치의 센서 저항의 실제 성분 및 이동 성분을 시간축에 대해 나타낸 2개의 곡선이다.
본 발명의 목적은 금속 센서, 특히 공지된 산화금속 센서로 구성되며 2개의 가스 그룹, 즉 산화성 및 환원성 가스를 하나의 동일한 센서로 동시에 검출할 수 있도록 구성된, 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
본 발명에 따라, 전기 벌크 저항의 변동에 대한 정보 및 전기 콘택 저항의 변동에 대한 정보로부터 산화성 및/또는 환원성 가스의 존재 및 농도에 대한 정보가 단 하나의 센서를 이용해서 얻어질 수 있다.
방법에 관련한 상기 목적은 상이한 주파수를 가진 적어도 2개의 교류로 이루어진 교류가 센서를 통해 흐르거나, 또는 센서가 적어도 2개의 주파수에 스위칭되며, 한편으로는 센서 재료와 콘택 전극 사이의 커패시턴스가 변동되면, 환원성 가스가 존재하는 것으로 평가되고, 다른 한편으로는 센서 재료(감응 재료) 내부의 커패시턴스가 변동되면, 산화성 가스가 존재하는 것으로 평가되며, 이것과 관련해서 센서 재료 옴 저항 성분의, 가스로 인한 변동이 고려됨으로써 달성된다.
2개의 상이한 주파수를 발생시키기 위해, 센서가 발진 회로의 구성 부분일 수 있고, 발진 회로의 발진은 주파수 결정 부품의 스위칭에 의해 적어도 2개의 주파수로 주기적으로 변동되고, 높은 주파수는 항상 환원성 가스에 할당되며 낮은 주파수는 항상 산화성 가스에 할당되는 방식으로, 각각의 주파수가 개별적으로 평가되며 정상 공기에서 센서의 작동시 검출된 주파수와 비교되고, 주파수 편차는 존재하는 가스 그룹의 농도에 대한 척도로 사용된다. 다른 실시예에서는 개별 주파수에서 센서 내부의 커패시턴스에 의해 야기되는 위상 편이가 검출되고 출력 신호가 이동 성분 및 실제 성분으로 분해되며, 상기 성분들은 정상 공기에서 검출된 값과 관련해서 가스의 존재 및 종류에 대한 척도이다. 또한, 주파수의 스위칭과 동시에 센서의 온도가 스위칭될 수 있고, 이 경우 낮은 주파수는 높은 온도에 그리고 높은 주파수는 낮은 온도에 할당된다.
본 발명에 따른 장치는 상이한 주파수를 가진 적어도 2개의 교류로 이루어진 교류가 센서를 통해 흐르거나, 또는 센서가 적어도 2개의 주파수로 스위칭될 수 있으며, 한편으로는 센서 재료와 콘택 전극 사이의 커패시턴스가 변동되면 환원성 가스가 존재하는 것으로 평가되고, 다른 한편으로는 센서 재료(감응 재료) 내부의 커패시턴스가 변동되면 산화성 가스가 존재하는 것으로 평가되며, 이것과 관련해서 센서 재료 옴 저항 성분의, 가스로 인한 변동이 고려되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 방법 및 장치의 장점은 금속 센서, 특히 공지된 산화금속 센서와 같은 하나의 동일한 센서에 의해 2개의 가스 그룹, 즉 산화성 가스 및 환원성 가스가 동시에 검출될 수 있다는 것이며, 장치가 저렴하게 제조될 수 있다.
본 발명은 전기적으로 평가될 수 있는 산화성 가스 및 환원성 가스의 반응 메커니즘이 현저히 다르다는 사실을 기초로 한다. 산화성 가스, 예컨대 CO의 제공시 재료의 환원에 의해 센서 재료의 옴 전도율이 변동된다. 마찬가지로 재료 내부의 벌크 저항에서 접합 커패시턴스가 현저히 변동된다. 이에 반해, 콘택에서 접합 커패시턴스는 거의 변하지 않는다.
환원성 가스, 예컨대 NO 또는 NO2가 센서 재료의 표면상에 흡수되면, 센서가 달리 반응한다. 낮은 반응성으로 인해, 센서 재료의 전기 파라메터가 산화성 가스에서 보다 적게 변동된다. 가스 유도된 경계면 상태에 의해 야기되는 쇼트키-접합의 현저한 영향이 일어난다.
따라서, 센서가 가스-의존 저항으로서 직류에 의해서만 작동되므로, 스위칭 커패시턴스가 쇼트키-접합으로 후퇴한다. 실제로 다결정 산화금속의 저항만이 평가된다.
이와는 달리, 센서의 임피던스가 평가 전략의 범주에 고려되면, 다른 중요한 결과가 얻어진다. 이로 인해, 본 발명은 단하나의 센서로 산화성 및 환원성 물질의 동시 검출을 가능하게 하는 장치를 제공한다. 이 경우, 가스의 특성에 의존하는 전술한 커패시터의 변동이 이용된다.
산화 금속 센서의 전기 저항은 감응성 산화 금속의 질량 및 그것의 옴 저항 또는 비저항으로부터 얻어진다. 재료의 입자 크기 및 두께에 따라 실제 다결정 산화 금속의 개별 결정 사이에 다중으로 직렬 및 병렬 접속된 콘택 커패시터를 가진 쇼트키-접합이 배치된다. 콘택 전극의 접합시 마찬가지로 상응하는 스위칭 커패시턴스를 가진 쇼트키-접합으로 나타나는 접합이 이루어지며, 이것은 도 1에 도시된다.
도 2에는 도 1에 따른 회로도의 보다 정확한 회로도가 도시된다. 여기서, R1은 저항의 체적 성분이고, R2는 콘택에 대한 산화 금속의 접촉 저항이며, C2는 쇼트키-접합에서의 커패시턴스이다; 저항(R3) 및 커패시터(C3)는 센서의 다결정 재료 내부에 있는 전기 접합에서의 감응성 재료의 가스-의존 확산 및 이동(migration) 효과를 나타낸다.
콘택 접합에서의 커패시턴스는 10-100pF로 결정되는 한편, 재료의 내부에서 결정 입계의 쇼트키 접합에서의 커패시턴스는 입자 크기 및 층 두께에 따라 0.12μF의 값을 갖는다.
도 4에 따라 센서가 콘택 접합 또는 다결정 물질에 대해 단 하나의 커패시터(4.2) 및 단 하나의 저항(4.1)으로 이루어지면, 도 3에 도시된 바와같은 임피던스 곡선(주파수에 대한 커패시턴스가 도시됨)이 나타난다. 곡선(3.2)은 비교적 높은 주파수까지 주파수에 의해 감소하는 임피던스를 위해 제공되는 현저히 작은 커패시턴스를 가진 콘택 접합의 임피턴스를 나타낸다. 매우 높은 주파수에서 직렬로 접속된 벌크 저항의 옴 성분이 커지므로, 곡선이 점근적으로 형성된다.
센서 재료의 벌크 저항의 다결정 구조 내부에서 현저히 더 높은 커패시턴스로 인해, 곡선(3.1)이 비교적 낮은 주파수에서 이미 점근적으로 형성된다.
2개의 곡선(3.1) 및 (3.2)은 이상적이지 않으며 도 3에 도시된 바와 같이 분리되어 도시되는데, 그 이유는 센서의 내부에서 2개의 효과가 동시에 일어나기 때문이다. 항상, 효과의 가산이 나타난다.
전술한 효과가 측정 기술상의 목적을 위해 사용되기 위해서는, 본 발명에 따라 여러 가지 방법이 있다. 도 5는 다수의 목적을 위해 충분한, 높지 않은 측정 정확도를 가진 장치의 실시예를 나타낸다. 예컨대 350℃의 온도로 가열된 센서(5.1)는 발진 회로(5.8)의 구성 부분이다. 바람직하게는 콘택 전극(5.9) 및 (5.10)을 가진 센서(5.1)가 발진 회로(5.8)에 대해 병렬 접속된다. 출력(5.10)에서의 출력 신호는 마이크로 프로세서(5.5)(μP)로 전달된다, 커패시터(5.2)와 커패시터(5.3)는 직렬 접속되고 발진 회로(5.8)의 한 입력(5.9) 또는 센서(5.1)의 콘택 전극(5.9)에 접속된다. 커패시터(5.3)는 교대로 또는 주기적으로 단락될 수 있다.
커패시터(5.3)의 교대 단락은 예컨대 FET(5.4)에 의해 이루어질 수 있다. 예컨대 p-채널 차단층 FET의 경우, 드레인 또는 소오스 단자(5.6)는 커패시터(5.2)와, 접지에 접속된 커패시터(5.3) 사이의 중앙에 접속된다; 게이트 단자(5.7)는 마이크로 프로세서(5.5)(μP)에 접속된다. FET(5.4)는 마이크로 프로세서(5.5)에 의해 제어된다. 결선은 정상 공기에 대해 조절된 센서(5.1)에서 커패시터(5.3)의 단락시 발진 회로(5.8)의 약 3-5khz의 주파수가 나타나는 한편, 커패시터(5.3) 및 (5.2)의 직렬 접속시 발진 회로(5.8)의 약 150khz의 주파수가 세팅되도록 설계된다. 마이크로 프로세서(5.5)의 내부 카운터는 발진 회로(5.8)로부터 송출되는 주파수를 검출한다. FET(5.4)를 커패시터(5.3)의 단락 및 커패시터(5.3) 및 (5.2)의 직렬 접속으로 연속적으로 스위칭함으로써, 발진 회로(5.8)의 입력 커패시턴스가 상응하게 변동되므로, 출력 주파수가 동일하게 변동된다. 바람직하게는 작동 시간의 비율이 마이크로 프로세서(5.5)의 카운터내로 독입되는 수가 발진에 대략 상응하도록 선택된다. 주파수가 약 1: 30의 비율을 갖기 때문에, FET의 트리거 비율이 약 30:1로 선택된다.
마이크로 프로세서는 카운터를 독출하고 결과를 하나의 "채널"에 할당하므로, 도 6에 도시된 바와 같은 그래프가 나타난다. 곡선(6.1)은 고주파 신호(0...)의 결과를 나타내고, 곡선(6.2)은 저주파 신호(x...)의 결과를 나타낸다. 고주파 신호(6.1)는 산화성 가스에 의해서만 영향을 받는 저주파 신호(6.2) 보다 산화 질소 또는 다른 환원성 가스에 의해 현저히 더 많은 영향을 받는다. 반응이 반대로 이루어지기 때문에, 신호의 간격(6.3)이 현존하는 가스의 합에 대한 척도이고, 이것은 예컨대 건물 또는 자동차 실내의 환기 제어가 문제될 때 충분하다. 예컨대, 간격(6.3)이 일정 값을 초과하면, 자동차의 환기 플랩이 폐쇄될 수 있다. 바람직하게는 예컨대 터널 상태에서 시간적으로 제한 없이 공기의 통상적이지 않은 높은 부하를 확실하게 검출하는 정적 신호가 다루어진다.
따라서, 본 발명에 따른 방법이 디젤 및 벤진 배기 가스의 동시 검출을 위한 공지된 방법 보다 탁월한데, 그 이유는 공지된 방법은 동적으로 작동되고 지속적인 가스 레벨에서는 신호가 더 이상 발생되지 않으므로, 예컨대 배기가스가 극도로 많은 터널에서 환기 플랩이 더 이상 열리지 않을 것이며 이것은 바람직하지 않기 때문이다. 물론, 프로그램 기술적으로 정상 공기에서 독입된 데이터가 "제로-라인"의 보정을 위해 사용될 수 있다. 또한, 보정값이 각각의 설정 가스에 대한 반응 감도에 상응하게 웨이팅된다. 이것에 적합한 기술은 공지되어 있기 때문에, 본 발명의 범주에서 그것에 대해 상세히 설명하지 않는다. 이와는 달리, 연소 공정의 판단시에는 산화성 가스 및 산화 질소의 양을 아는 것이 가장 중요하다. 이 경우, "제로 라인"과의 편차는 각각의 가스의 농도를 나타내며, 이것은 마이크로 프로세서에 의해 이것을 위해 제공된 프로그램으로 평가될 수 있다.
차량 촉매 변환기의 온-보오드-진단(On-board-Diagnose: OBD)에도 본 발명에 따른 방법이 바람직하게 사용되는데, 그 이유는 센서가 강하고 저렴하며 전자 평가 장치도 특별한 요구를 하지 않기 때문이다.
도시된 회로도는 다수의 가능성 중 하나이다. 본 발명에 따른 기본 사상은 평가를 위해 사용되는 교류 전압이 2개의 주파수로 스위칭되고, 각각의 주파수에서 정상 공기에 비한 변동이 적합한 전기 평가 회로에 의해 검출되는 방식으로, 얻어진 데이터가 평가됨으로써, 존재하는 가스의 합 또는 존재하는 산화성 및 환원성 가스 성분의 농도에 대한 정보가 결정되는 것이다.
측정 정확도에 대한 요구가 보다 높은 경우에는 센서의 동작 전압의 주파수가 전술한 2개의 주파수로 스위칭되는, 전술한 본 발명의 사상이 유지된다. 도 7은 보다 높은 측정 정확도를 가진 장치의 실시예를 나타낸다. 본 발명에 따른 방법의 다른 실시예에서는 각각의 주파수에 대해 선행 기술에 따른 적합한 비교기 회로를 이용한 위상 고려에 의해 신호가 실제 및 겉보기 성분으로 분해된다. 이렇게 해서 얻어진 정보는 약간 더 높은 비용을 필요로 하지만 도 5에 따른 전술한 방법 보다 정확하다.
상기 목적을 위해, 상이한 주파수의 교류 전압을 발생시킬 수 있는 제너레이터(7.1)로부터 나온 교류 전압이 센서(7.2)에 그리고 이상기(7.3)를 통해 직사각형 형성기(7.4)에 공급된다. 직사각형 형성기(7.4)의 출력 신호 및 센서(7.2)를 통해 인출된 전압은 믹서(7.5), 예컨대 곱셈기에 공급된다. 믹서(7.5)의 출력 신호는 저역 필터(7.6)를 통해 평균화된다. 저역 필터(7.6) 다음에서 얻어진 출력 전압(7.7)은 이상기(7.3)의 세팅에 따라 이동 성분 또는 실제 성분에 대한 또는 복합 센서 저항의 두 성분의 혼합에 대한 척도이다.
복합 센서 저항의 실제 성분과 이동 성분의 분리는 센서(7.2)에서 용량성 및 저항성 효과의 구별을 가능하게 한다. 이것은 센서의 상이한 장소에서, 즉 결정 입계 또는 금속-반도체-콘택에서 상이한 반응 메커니즘에 의해 구별되는 가스의 구별 또는 동시 측정을 가능하게 한다. 가스가 HL-센서상에 흡착되는 경우, 센서 저항의 실제 성분에 대해 부분적으로 반대 작용을 가진 다수의 흡착 효과가 나타날 수 있고, 이것은 가스의 신속하며 확실한 검출을 어렵게 한다.
도 8은 합성 공기에 5ppm NO2의 제공시 도 7에 따른 센서 저항의 실제 성분 및 이동 성분을 시간 축에 대해 도시한 2개의 곡선을 나타낸다. 센서 저항의 이동 성분의 사용은 보다 높은 검출 안전도 및 보다 신속한 검출을 야기시킨다. 도 8에는 합성 공기에 5ppm NO2의 제공시 산화 금속-센서의 센서 저항의 이동 성분 및 실제 성분이 시간(분)에 대해 도시된다. 곡선은 50khz의 주파수 및 0.1Vss의 사인 전압 인가시 도 7에 도시된 바와 같은 장치에 의해 기록되었다. 센서 저항의 실제 성분은 2개의 반대 효과를 나타내고 가스 제공 개시 후 10분 후에야 비로소 확실한 평가에 사용될 수 있는 반면, 센서 저항의 이동 성분은 처음부터 명확하고 평가 가능한 방향 변동을 나타내며 약 6.5 분 후에 그것의 최종 변동의 90%에 이른다.
전술한 방법과 더불어, 예컨대 1khz의 저주파수를 예컨대 250khz의 반송 주파수로 변조하고 신호를 전술한 방법에 따라 분석하는 것이 가능하다. 위상 위치의 변동에 대한 상이한 주파수의 혼합을 전술한 방법의 의미로 사용하는 것도 가능하다. 끝으로, 주파수를 동조시키고 신호를 이동 성분 및/또는 실제 성분으로 분석하고 인가하거나, 또는 후속 처리에 공급하는 것도 가능하다.
전술한 방법에서 다수의 센서 소자가 동시에 사용되면, 센서 장치의 정보력이 현저히 개선될 수 있다. 사용되는 센서 소자가 상이한 온도로 작동되거나 또는 상이한 감응성 물질로 이루어지면, 정보가 패턴 인식의 원리에 따라 또는 신경 회로망에 의해 결정된 설정 가스에 할당되는 센서로부터 송출된다.
특히 연소 장치 뒤의 배기 가스 평가를 위한 용도에 그리고 자동차 촉매 변환기의 효율 판단시, 일반적으로 매우 신속한 반응 속도가 문제되지 않는다. 따라서, 상이한 주파수에 의한 임피턴스 분석과 더불어 센서 소자의 온도가 변동되면, 산화성 또는 환원성 개별 가스 그룹에 대한 선택성이 높아진다. 예컨대 약 > 350℃의 높은 온도에서 이산화주석 센서의 경우 일산화탄소 또는 탄화수소와 같은 산화성 가스 및 그 분획에 대한 감도가 상승하고, 예컨대 산화질소에 대한 감도가 감소된다. 역으로, 예컨대 150℃의 낮은 온도에서 예컨대 산화 질소에 대한 감도는 매우 높은 반면, 일산화탄소 등에 대한 감도는 낮아진다. 이러한 효과는 전술한 방법에 의해 현저히 지지된다. 선택성과 더불어 장치의 안정성이 커지는데, 그 이유는 낮은 온도에 할당된 높은 주파수에서는 이동 효과가 나타나지 않으며 이온 운반이 나타나지 않고 실제로 저장된 물 분자가 더 이상 전기적으로 해리되지 않으며, 이것은 센서 소자의 수명 및 안정성에 바람직하기 때문이다.
연소 장치의 연소 공정을 판단하기 위해 사용되거나 또는 자동차 촉매 변환기의 효율을 판단하기 위해 온-보오드-진단에 사용되는 경우, 보다 높은 작동 온도를 견딜 수 있는 센서 재료가 사용되는 것이 바람직하다. 삼산화텅스텐, 산화갈륨의 함량이 높은 혼합 산화물이 바람직한 것으로 나타났다. 혼합물로 바나듐산염 및 몰리브덴산염도 사용된다. 높은 작동 온도에서 전술한 감응 물질이 사용되면, 특히 물에 대한 낮은 가로 감도가 나타난다.
전술한 모든 방법에서 공통적으로, 센서 내부의 커패시턴스, 및 상이한 주파수의 교류 전류에서 복합 부품으로서 센서의 임피던스에 대한 상기 커패시턴스의 영향이 정보를 얻기 위해 사용된다.
본 발명에 따른 방법 및 장치는 특히 건물내의 환기 장치를 제어하기 위해 또는 연소 공정 및 배기 가스 촉매 변환기의 모니터링을 위해, 산화성 또는 환원성 가스의 양적 및 질적 검출에 사용된다. 본 발명의 유용성은 센서의 전기 벌크 저항의 변동에 의해 산화성 가스의 존재 및 농도에 대한 정보가 그리고 전기 콘택 저항의 변동에 의해 환원성 가스의 존재 및 농도에 대한 정보가 전기 평가장치를 이용해 얻어질 수 있다는 것이다.
Claims (10)
- 필요시 백금, 로듐 또는 팔라듐과 같은 촉매 활성 전이 금속과 혼합해서 바람직하게는 다결정 산화 금속, 예컨대 이산화주석, 산화아연, 산화갈륨, 삼산화텅스텐, 바나듐산알루미늄으로 이루어진 금속 센서 재료를 가지며 콘택 전극(5.9;5.10)을 포함하고 전류가 흐르며 가열되는 적어도 하나의 센서(5.1;7.2)를 사용해서, 그리고 전기 평가회로를 사용해서, 건물 또는 차량내의 환기 장치를 제어하기 위해 그리고 연소 공정 및/또는 배기가스 촉매변환기를 모니터링하기 위해 공기 중의 산화성 및/또는 환원성 가스를 검출하기 위한 방법에 있어서, 상이한 주파수를 가진 적어도 2개의 교류로 이루어진 교류가 센서(5.1;7.2)를 통해 흐르거나, 또는 센서가 적어도 2개의 주파수로 스위칭될 수 있으며, 한편으로는 센서 재료와 콘택 전극(5.9;5.10) 사이의 커패시턴스가 변동되면 환원성 가스가 존재하는 것으로 평가되고, 다른 한편으로는 센서 재료(감응 재료) 내부의 커패시턴스가 변동되면 산화성 가스가 존재하는 것으로 평가되며, 이것과 관련해서 센서 재료 옴 저항 성분의, 가스로 인한 변동이 고려되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 2개의 상이한 주파수를 발생시키기 위해, 센서(5.1)는 발진 회로(5.8;7.1)의 구성 부분이며, 발진 회로의 발진은 주파수 결정 부품의 스위칭에 의해 적어도 2개의 주파수로 주기적으로 변동되고, 높은 주파수는 항상 환원성 가스에 할당되며 낮은 주파수는 항상 산화성 가스에 할당되는 방식으로, 각각의 주파수가 개별적으로 평가되며 센서의 작동시 정상 공기에서 검출된 주파수와 비교되고, 주파수 편차는 존재하는 가스 그룹의 농도에 대한 척도로 사용되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항 또는 2항에 있어서, 개별 주파수에서 센서 내부의 커패시턴스에 의해 야기되는 위상 편이가 검출되고 출력 신호가 이동 성분 및 실제 성분으로 분해되며, 상기 성분들은 정상 공기에서 검출된 값과 관련해서 가스의 존재 및 종류에 대한 척도인 것을 특징으로 하는 방법.
- 제 1항에 있어서, 주파수의 스위칭과 동시에 센서(5.1;7.2)의 온도가 스위칭될 수 있고, 이 경우 낮은 주파수는 높은 온도에 그리고 높은 주파수는 낮은 온도에 할당되는 것을 특징으로 하는 방법.
- 필요시 백금, 로듐 또는 팔라듐과 같은 촉매 활성 전이 금속과 혼합해서 바람직하게는 다결정 산화 금속, 예컨대 이산화주석, 산화아연, 산화갈륨, 삼산화텅스텐, 바나듐산알루미늄으로 이루어진 금속 센서 재료를 가지며 콘택 전극(5.9;5.10)을 포함하고 전류가 흐르며 가열된 적어도 하나의 센서(5.1;7.2), 및 전기 평가 회로를 포함하는, 건물 또는 차량내의 환기 장치를 제어하기 위해 그리고 연소 공정 및/또는 배기가스 촉매변환기를 모니터링하기 위해 공기 중의 산화성 및/또는 환원성 가스를 검출하기 위한 장치에 있어서, 상이한 주파수를 가진 적어도 2개의 교류로 이루어진 교류가 센서(5.1;7.2)를 통해 흐르거나, 또는 센서가 적어도 2개의 주파수로 스위칭될 수 있으며, 한편으로는 센서 재료와 콘택 전극(5.9;5.10) 사이의 커패시턴스가 변동되면 환원성 가스가 존재하는 것으로 평가되고, 다른 한편으로는 센서 재료(감응 재료) 내부의 커패시턴스가 변동되면 산화성 가스가 존재하는 것으로 평가되며, 이것과 관련해서 센서 재료 옴 저항 성분의, 가스로 인한 변동이 고려되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 5항에 있어서, 2개의 상이한 주파수를 발생시키기 위해, 센서(5.1)는 발진 회로(5.8;7.1)의 구성 부분이며, 발진 회로의 발진은 주파수 결정 부품의 스위칭에 의해 적어도 2개의 주파수로 주기적으로 변동되고, 높은 주파수는 항상 환원성 가스에 할당되며 낮은 주파수는 항상 산화성 가스에 할당되는 방식으로, 각각의 주파수가 개별적으로 평가되며 센서의 작동시 정상 공기에서 검출된 주파수와 비교되고, 주파수 편차는 존재하는 가스 그룹의 농도에 대한 척도로 사용되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 5항 또는 6항에 있어서, 개별 주파수에서 센서 내부의 커패시턴스에 의해 야기되는 위상 편이가 검출되고, 출력 신호가 이동 성분 및 실제 성분으로 분해되며, 상기 성분들은 정상 공기에서 검출된 값과 관련해서 가스의 존재 및 종류에 대한 척도인 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 5항에 있어서, 주파수의 스위칭과 동시에 센서(5.1;7.2)의 온도가 스위칭될 수 있고, 이 경우 낮은 주파수는 높은 온도에 그리고 높은 주파수는 낮은 온도에 할당되는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 6항에 있어서, 콘택 전극(5.9;5.10)을 가진 가열된 센서(5.1)가 발진 회로(5.8)와 병렬 접속되고, 발진 회로(5.8)의 출력 신호는 마이크로 프로세서(μP)(5.5)로 전달되며, 발진 회로(5.8)의 입력에는 2개의 커패시터(5.2;5.3)의 직렬회로가 배치되고, 하나의 커패시터(5.3)가 입력 커패시턴스를 변동시키기 위해 발진 회로(5.8)를 교대로 단락시킬 수 있는 것을 특징으로 하는 장치.
- 제 7항에 있어서, 상이한 주파수의 교류 전압을 발생시킬 수 있는 제너레이터(7.1)로부터 나온 교류 전압이 센서(7.2)에 그리고 이상기(7.3)를 통해 직사각형 형성기(7.4)에 공급되고, 직사각형 형성기(7.4)의 출력 신호 및 센서(7.2)를 통해 인출된 전압은 믹서(7.5)에 공급되며, 믹서(7.5)의 출력 신호는 저역 필터(7.6)를 통해 평균화되고, 저역 필터(7.6) 다음에서 얻어진 출력 전압(7.7)은 이상기(7.3)의 세팅에 따라 이동 성분 또는 실제 성분에 대한 또는 복합 센서 저항의 두 성분의 혼합에 대한 척도인 것을 특징으로 하는 장치.
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