KR20020001780A - 공기내에 포함되어 있는 가스 또는 연기를 검출하기 위한센서 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 공기 내 가스 및 연기를 검출하기 위한 하나의 센서 소자를 포함하는 센서 장치에 관한 것이며, 그리고 상기의 센서 시스템을 작동시키기 위한 방법에 관한 것이다. 상기 센서 소자는 선호되게는 가열 구조 및 가스 감지층을 가지는 가열 산화금속 센서이며, 상기 층의 온도는 가열층과 제어장치를 이용하여 일정하게 유지될 수 있다. 센서 소자는 공기 흐름으로부터 보호하기 위해 바람직하게는 열절연 케이싱내에 배치되어 있으며, 상기 케이싱내로는 가스가 가스 투과성 확산층을 통과하여 침투할 수 있게 된다. 본 발명에 따른 방법에 있어서 가열 구조의 저항은 가스 감지층의 온도에 대한 측도(measure)로서 역할을 하며, 온도 제어용의 기준으로서 이용된다. 센서 소자의 온도는, 제어변수인 "센서 온도"에 추가 교란변수가 첨가되면서 의도하는 바대로 영향을 받게 되다. 평가는 센서값의 가중 평균 신호로 형성되며 그리고 우세한 상황에 적응되는 기준값과 각각의 실제 센서 신호를 비교함으로써 이루어진다.

Description

공기내에 포함되어 있는 가스 또는 연기를 검출하기 위한 센서 장치 및 방법 {SENSOR DEVICE AND METHOD OF DETECTING GASES OR FUMES IN AIR}

가스 센서 시스템의 구성에 대해 그리고 특히 호흡 보호 마스크의 센서 기술에 따른 모니터링에 대해 무엇보다 다음의 공고들이 공지되어 있다 : DE 3 613 512; EP 0 447 619; EP 0 535 385; GB 2 266 467; DE 4 132 680; EP 0 410 071; EP 0 343 521; WO 9612523. 배경기술로부터 인용 가능한 체계는 상이한 센서 테크놀러지들을 이용하고 있다 :

1. 전기화학 셀 : 전기 화학적 가스 검출 셀들을 이용할 시에 단점이 되는 점은 상기 셀들이 다소 선택적으로 몇몇 가스에 반응한다는 것이다. 그러므로 이러한 셀들의 적용은 대체로 단지 하나의 가스만이 검출되어야만 하며, 더욱이 상기 가스는 인지된 상태여야 하는 점을 전제로 한다. 실제로 단점으로 평가되는 점에 있어서는, 위험의 가능성이 있는 가스들이 상이한 경우(예 : 화학 공업에서) 상기 방법은 상기와 같은 제한성에 근거하여 불확실하다. 통상 전기화학 셀들의 수명은제한된다. 상기 셀들은 매우 값이 비싸다.

2. 시장에 출시된 검파관으로부터 공지된 바와 같은 변색 반응. 상기의 센서 공학의 단점은 강한 선택성이다. 이러한 점은, 대개 검사되어질 가스를 알고 있어야 하는 점을 전제로 한다. 추가적인 단점으로는 변색 검출을 위해 이용되는 화학적 반응이 자주 비가역성이라는 점이며, 또한 문제가 되는 것은 사용 전에 특별하게 선택되어야 하며 그리고 이어 다시는 재 사용될 수 없는 일회용 센서에 있다.

3. 다구치(Taguchi) 원리에 따른 산화금속 센서 : 이러한 센서들의 이점은 산화 혹은 환원 가능한, 공기내에 있는 모든 가스 및 연기 형태의 물질에 반응한다는 점이다. 가스 감지층의 각 조성에 따라 산화 가능한 물질에 의해 예를 들어 전기 저항성은 감소된다. 환원 가능한 물질은 이러한 경우 전기 저항성을 상승시킨다. 단점으로는 상기 센서들이 가열되어야 한다는 점이며, 이러한 점은 에너지를 소모시키며, 그리고 바테리를 이용한 센서 시스템의 작동을 조밀하게 제한하게 된다. 추가의 단점으로는 표준 공기(normal air)내에서, 예를 들어 공기 온도 및/또는 공기 습도가 변화할 때, 센서값의 현저한 드리프트가 생성된다는 것이다.

각각의 다구치 센서는 가스 감지층으로서 하나의 전기 반도체를 포함하고 있다. 모든 반도체는 예를 들어 무엇보다 온도와 더불어 자신의 저항성을 변화시킨다. 추가로 온도와 더불어 목표 가스와 관련하여 반응 속도 및 센서 소자의 민감도도 변하게 되며, 그럼으로써 상이한 가스들에 대한 특성 곡선은 온도가 상이한 경우 상호간에 현저한 차이를 나타낼 수 있다. 이러한 이유에서, 가스감지 반도체층의 온도를 조밀한 한계 내에서 안정되게 유지할 필요가 있게 된다.

그러므로 비록 가열 구조의 온도가 완전히 일정하게 유지될 수 있다고 하더라도, 그럼에도 불구하고 모든 상황하에서 가스 감지층의 일정한 온도는 결코 달성될 수 없는데, 왜냐하면 상기 층과 주변 공기 사이의 온도 기울기가 매우 크며 그리고 센서 소자로부터 방사에 의해 그리고 대류방식으로 방출되는 열에 의해 영향을 받기 때문이다. 센서 소자로부터 주변에 방출되는 열 에너지는 한편에서는 온도기울기의 함수이며, 다른 한편에서는 센서 소자에 대해 상대적인 공기의 흐름 속도의 함수이다.

그러므로 대개 비용이 드는 전자 제어에도 불구하고 실제로 표준 공기내에서 센서저항의 항상 현저한 변동을 확인하게 되는데, 이러한 점이 과거에 반도체 센서들의 사용을 현저하게 제한하였던 것으로, 이유는 가스 감지층의 기본 저항이 온도와 더불어 심하게 변동되기 때문이다.

공지되는 점에 있어서, 센서 신호의 평가는 센서의 실제 신호들은 지정된 시간에 걸쳐 형성되는 선행한 센서 신호들의 평균값을 비교함으로써 이루어진다. 다시 말해 실제 신호와 평균값 가시의 차이가 평가된다. 예를 들어 상기 차이의 값이 지정된 값을 초과하게 되면 스위칭 신호가 야기될 수 있다.

만약 센서가 반응하게 되는 사건들이 갑자기 발생하게 되면 상기의 사건들은 상기 방법으로 매우 양호하게 검출된다. 그에 반해 센서 저항의 느리면서도 및/또는 작은 변화는 어떠한 평가 내지 스위칭 신호도 야기하지 않는다.

센서 자체의 드리프트 특성변화에 의해 혹은 주변 공기내의 연기 혹은 가스혼합물의 농도 변화에 의해 야기될 수 있는 실제 센서 신호의 느린 변화는 무시된다.

그에 반해 주변 공기내의 산화성 가스의 갑작스런 농도 상승이 발생하게 되면 신뢰되게 스위칭 신호가 생성된다.

그러나 많은 사례들에 있어서 더욱 중요한 점은, 가스 농도의 느린 상승 역시 확실하게 검출된다는 것이다. 이러한 점은 예를 들어 호흡 보호 마스크들의 모니터링 시에 중요한데, 왜냐하면 예컨대 필터의 포화 시에 상기 필터는 통상적으로 갑작스럽게 자신의 기능을 상실하는 것이 아니라, 필터의 분리 성능이 대개 느리게 악화되기 때문이다. 또한 유독성 가스의 농도는 매우 느리게 상승할 수도 있으며, 이러한 점은 항상 검출되어야만 한다. 앞서 설명한 신호 평가 방법은 위의 언급한 이유에 근거하여 본원에서 즉시 적용될 수 없다.

상기의 선행기술은 다구치 센서들의 공지된 안정성 단점에도 불구하고, 상기 다구치 센서들이, 오경보에 대한 안전성과 작은 농도 및/또는 작은 농도 변화를 검출하기 위한 동시적 능력이 요구되는 적용에 있어서, 어떻게 사용될 수 있는 지에 대한 유용한 방법은 결코 제시해 주지 않고 있다.

본 발명은 예컨대 가스 마스크의 호흡용 공기 통로 내에 가스 및 연기를 검출하기 위한 하나의 전기적으로 가열될 수 있는 센서 소자를 이용하여 공기내에 포함되어 있는 가스 혹은 연기를 검출하기 위한 센서 장치 및 방법에 관한 것이다.

도 1은 본 발명의 선호되는 실시예로 사용되는 통상 공지된 회로를 포함하는 센서 소자의 개략도이며;

도 2는 온도 제어를 위해 다수 개의 가열 펄스 및 무전류 방식의 시간 간격의 시간에 따른 시퀀스의 개략도이며;

도 3은 센서 소자의 상세도(좌측)와 센서 소자의 단면에 대해 수직 방향으로 진행하는 온도의 통상적인 진행에 대한 도이며(우측);

도 4는 하나의 케이싱내 센서 소자의 본 발명에 따른 배치도이며;

도 5는 센서 소자를 작동시키기 위한 선행기술에 상응하는 방법에 있어서 센서 신호 및 가열용량의 시간에 따른 진행에 대한 실례에 관한 도이며;

도 6은 센서 소자를 작동시키기 위한 본 발명에 따른 방법의 한 실시의 변형예에 있어서 센서 신호 및 가열용량의 시간에 따른 진행에 대한 실례에 관한 도이며;

도 7은 센서 소자를 작동시키기 위한 본 발명에 따른 방법의 또 다른 실시의 변형예에 있어서 센서 신호 및 가열용량의 시간에 따른 진행에 대한 실례에 관한 도이다.

그러므로 본 발명은, 오경보에 대해 매우 확실하게, 동시에 작은 농도 및/또는 작은 농도 변화가 검출될 수 있는, 공기내, 특히 호흡용 공기내에 포함되어 있는 가스 혹은 연기들을 검출하기 위한 방법 및 센서 장치를 제공하는 것에 기초한다.

상기 목적은 본 발명에 따라 하나의 가스 감지층을 포함하며, 그리고 가열 구조를 이용하여 전기적으로 가열될 수 있는 하나의 센서 소자를 이용하여 공기 내 포함되어 있는 가스 혹은 연기를 검출하기 위한 센서 장치에 있어서, 상기 방법을 실행하기 위한 센서 장치는, 상기 센서 소자가 하나의 케이싱내에 배치되어 있으며, 상기 케이싱은 센서 소자를 케이싱의 외부에서 개시되는 공기 이동으로부터 차폐시키며, 동시에 상기 케이싱은 하나의 확산층을 포함하며, 상기 확산층에 의해서는 확산될 때마다 가스 및 연기가 케이싱의 외부에서 내부로 그리고 그 반대로 통과할 수 있게 되는 것을 특징으로 하는 센서 장치에 의해 해결된다.

공기 내 포함되어 있는 가스 혹은 연기를 검출하기 위한 센서 소자로서, 하나의 가스 감지층을 포함하며 그리고 가열 구조를 이용하여 전기적으로 가열될 수 있는 센서 소자를 작동시키기 위한 방법에 있어서, 상기 센서 소자의 온도가 제어되며 그리고 온도 목표값은 센서 신호의 변수 혹은 시간에 따른 특성변화에 종속되면서 교란변수 보상(disturbance variable compensation)을 이용하면서 적어도 시간에 따라 변경되는 것을 특징으로 한다.

적용예로는 무엇보다 호흡 보호 장비(예컨대 호흡 보호 마스크)를 이용하는 인간의 보호이다. 추가적인 적용예는 가스와 연기들의 (바람직하지 못한) 존재성과 관련하여 공기조절장치 및 환기 장치를 모니터링하는 것에 있다. 또한 본 발명에 다른 가스 검출기를 이용하여서는 차량의 환기가, 만약 차량 외부에서 가스 농도가 검출되면 환기가 중단되는 방식으로 제어될 수 있다. 또한 본 발명에 따른 가스 검출기를 이용하여 공간 혹은 건물의 환기가 소요에 적합하게, 환기비율이 농도, 예컨대 유기질 공기 함유 성분(가스, 연기)에 결부되는 방식으로 이루어질 수 있다. 또한 본 발명에 따른 가스 검출기를 이용하여 발화성 내지 폭발 위험이 있는 가스/공기 혼합기의 관점에서 공기의 모니터링이 이루어질 수 있다.

본 발명에서 제안되는 센서 장치의 센서는 다구치 센서이며, 상기 다구치 센서는 모든 다구치 센서들이 그러하듯이 가스 감지층으로서 하나의 전기적 반도체를 포함하고 있다.

이러한 이유에서 가스 감지층 반도체층의 온도를 조밀한 한계 내에서 안정되게 유지할 필요가 있다. 상기의 목적에 적합하게 이미 센서의 온도 제어장치가 공지되어 있으며, 동시에 센서들이 백금으로 이루어지거나 혹은 정의된 온도 계수를 가지는 기타 물질로 이루어진 가열 구조들을 포함한다는 사실을 활용하는 몇몇 센서들이 도움이 되고 있다. 전문가에게는 상기의 가열기가, 가열기의 저항이 실제 기준으로서 이용될 수 있도록, 제어될 수 있는 방법들이 공지되어 있다.

센서 소자는 하나의 센서 기판, 하나의 가스 감지층, 그리고 상기 두 부재 사이에 배치되는 하나의 가열 구조를 포함하고 있다. 상기 가열 구조는, 전류 흐름이 센서 소자를 결코 목표 온도까지 가열시키지 않도록 치수화되어 있는 외부 저항기에 의해 전기적 방식으로 제어된다. 오히려 바람직하게는 마이크로 컨트롤러로서 설계되는 중앙 제어 및 조절 장치에 의해 주기적으로 제어라인을 통해 펄스가 스위칭 모듈에 제공되며, 상기 스위칭 모듈은 높은 에너지의 스위칭 펄스를 가열 구조에 방출한다. 외부 저항기 및 가열 구조는 하나의 분압기를 형성한다.

상기 펄스의 차단 후에, 가열 구조 및 외부 저항기 사이의 분압기에서 얻어지는 전압은 제 1 A/D 컨버터에 의해 측정된다.

만약 전압이 너무 높다면, 다음의 주기에서 가열 펄스 혹은 가열 펄스의 총수가 짧아진다. 그에 반해 만약 전압이 너무 낮다고 한다면, 다음 주기에서 가열 펄스 혹은 가열펄스의 총수는 길어진다.

센서 소자의 가스 감지층의 임피던스는 중앙 제어 및 조절 장치, 적합한 소프트웨어 및, 가스 감지층에 연결되어 있는 제 2 A/D 컨버터를 이용하여 측정되며, 그로 인해 평가를 위한 신호로서 이용된다. 이러한 점에서 가장 단순한 경우에 단지 옴 저항이 측정된다.

비록 가열 구조의 온도가 완전하게 일정하다고 하더라도, 그로 인해 그럼에도 불구하고 모든 상황에 있어서 가스 감지층의 일정한 온도는 달성될 수 없는데, 왜냐하면 상기 층과 주변 공기 사이의 온도 기울기가 매우 크며 그리고 센서 소자로부터 방사에 의해 그리고 대류방식으로 방출되는 열에 의해 영향을 받기 때문이다. 센서 소자로부터 주변에 방출되는 열에너지는 한편에서는 온도 기울기의 함수이며, 다른 한편에서는 센서 소자에 대해 상대적인 공기의 흐름 속도의 함수이다.

그러므로 대개 비용이 많이 드는 전자 제어장치에도 불구하고 실제로 표준 공기 내 센서 저항의 현저한 변동이 확인되며, 이러한 점은 과거에 반도체 세서의 이용을 현저하게 제한하였는데, 왜냐하면 가스 감지층의 기본 저항이 온도와 더불어 심하게 변동되기 때문이다.

그러므로 본 발명에 따른 센서 장치는, 공기 역학상 폐쇄되어 있으면서 케이싱 외부의 공기 이동이 결코 가열된 센서 소자로 접근하는 것을 허용하지 않는 하나의 케이싱내에 배치되어 있는 하나의 센서 소자를 포함하고 있다. 상기 케이싱은 선호되게는 자신의 내부공간이 열적으로 주변에 대해 고립되어 있도록 설계되어 있다.

케이싱내에서는 얼마 후에 가열 구조, 축열기로서 센서 기판 및 가스 감지층 사이의 열적 평형이 형성되는데, 왜냐하면 상기 부재 주변 내 공기 역시 더욱 높은 수준까지 가열되며, 그리고 그로 인해 공기 및 센서 소자 사이의 온도기울기가 축소되기 때문이다. 공기와 센서 소자 사이의 온도기울기에 의해 야기되는 바람직하지 못한 센서 저항의 변동은 상기의 방식으로 본 발명에 따라 실질적으로 감소된다.

상기 케이싱은 본 발명에 따라 하나의 반투과성 확산층을 포함하고 있다. 상기 확산층은 공기 흐름에 대해 실제로 비투과성이며 그럼에도 불구하고 확산하는 공기 및 가스 입자에 의해서는 통과될 수 있다. 그러므로 본 발명에 따라 케이싱내/외부의 상이한 부분 압력에 근거하여 가스는 확산층을 통과하여 케이싱 내부로 혹은 케이싱 외부로 확산되며, 동시에 그럼에도 공기 순환은 확산층에 의해 실제로 저지된다. 그러므로 공기 이동에 근거하여 반투과성 확산층을 통과하여 유도되는 열 흐름은 배제되거나 혹은 적어도 매우 강하게 제한된다.

선호되는 본 발명에 따른 센서 장치의 한 실시예에 있어서, 확산층을 포함하는 상기 케이싱은 열절연 방식으로 및/또는 열적으로 고립되어 설계되어 있다.

그럼으로써 매우 정확한 가열 제어와 조합되어, 매우 넓은 온도 영역에서 표준 공기내에서 더 이상 센서 저항에 대한 주변 온도의 작용이 결코 나타나지 않는점이 달성된다.

또 다른 이점으로는 센서 소자의 에너지 소모량이 본 발명에 따른 열절연 방식의 및/또는 열적으로 고립되는 케이싱 및 확산층의 설계에 의해 현저하게 감소되며, 이러한 점은 바테리를 이용한 작동 시에 매우 중요하며 그리고 바람직하다.

앞서 선행기술의 설명에서 이미 언급한 바와 같이, 실제 신호와 평균값 간의 차이를 평가하는 점이 공지되어 있다. 만약 갑자기 센서가 반응하게 되는 사건들이 발생하게 되면, 상기 사건들은 상기의 방법을 이용하여 매우 양호하게 검출된다. 그에 반해 센서 저항의 느리면서도 및/또는 단지 작은 변화는 평가 내지 스위칭 신호들을 초래하지 않는다. 실제 센서 신호는 지정된 시간에 걸쳐 평균화되고 그리고 하나의 상수값으로 가산되며, 그럼으로써 평균값에 있어서 미미하게 센서 신호의 상부에 위치하는 하나의 평균화된 신호가 생성되며, 상기 평균화된 신호는 기준 신호로서 고려된다. 만약 실제 신호의 값을 기준 신호의 상부에 있는 값까지 변경하는 사건들이 발생한다면, 스위칭 신호가 야기된다. 실제 센서 신호의 느린 변화는 무시된다. 그에 반해 갑작스럽게 주변 공기 내 산화 가능한 가스의 농도 상승이 발생할 시에는 신뢰되게 스위칭 신호가 생성된다.

많은 사례에 있어서 더욱 중요한 점은, 예컨대 만약 항상 검출되어야 하는 점으로써 유독성 가스의 농도가 매우 느리게 상승한다면, 가스 농도의 느린 상승 역시 확실하게 검출된다는 것이다. 그러므로 언급한 방법은 즉각적으로 적용될 수 없다.

센서 장치를 작동시키기 위한 본 발명에 따른 방법에 있어서 가열용량은 추가 변수(온도에 대한)에 의해 영향을 받는다. 그럼으로써 제어 기술에서 볼 때 교란변수 보상이 실행된다.

상기의 본 발명에 따른 사고는 센서 소자의 가스 감지층의 전기적 매개변수(저항, 정전용량, 유도성)의 변화는 산화 가능하거나 혹은 환원 가능한 가스를 공급하는 것으로부터 유래할 뿐 아니라, 또한 공기의 습도의 변동 혹은 온도의 변동의 결과일 수 있다는 관찰에 기초한다.

다음에서는 간소화의 이유에서 단지 산화 가능한 가스의 검출만이 기술된다. 환원 가능한 가스는 원칙적으로 반대의 특성변화를 나타내며, 또한 예컨대 센서 저항을 상승시키며, 그에 반해 산화 가능한 가스는 상기 저항을 감소시킨다. 본 발명은 유사하게, 그 반대의 경우라면, 환원 가능한 가스에 대해서도 또한 적용 가능하다.

다음에서 본 발명에 따른 방법이 설명된다. 우선적으로 표준 공기 내 센서는 가열용량이 지정되는 경우 실제 센서 신호를 방출한다. 이어서 센서는 지정된 기간의 가스 펄스를 공급받게 된다.

가열용량이 영향을 받지 않는 경우에는 가스 펄스의 종료 후 실제 센서 신호는 더욱 오랜 시간 후에야 비로소 시작값으로 되돌아간다. 그에 반해 교란변수 보상값을 포함하는 가열용량은 한편에서는 가열용량에 의해 영향을 받는 실제 센서 신호를 초래하며 상기 실제 센서 신호는 더욱 빠르게 시작값으로 되돌아간다. 만약 항상 실제 센서 신호가 변화를 실행하는 경우 예를 들어 온도 상승의 의미에서 비례하여 가열용량이 추적된다면, 실제 센서 신호는 유의적으로 더욱 빠르게 시작값으로 되돌아간다.

실제적인 점에 있어서 실제로 센서에서 발생하는 가스 농도의 경우에 항상 가스와의 가스 감지층의 반응이 개시된다. 센서 신호의 온도 민감도는 가스의 작용에 의해 감소된다. 그러므로 온도 추적에 의해 야기되는 센서 신호의 변화는 가스 펄스동안은 가스 펄스 이전 혹은 이후보다 더욱 적다. 다른 말로 해서 센서 신호는 가스 펄스 동안 가열용량의 변화에 그리고 그로 인해 교란변수 보상에 대해 단지 상대적으로 약하게 반응한다. 그러므로 가스가 유도되는 실제 센서 신호의 감소는 가열용량의 추적시에 대략, 그렇지 않은 경우 동일한, 온도 추적이 없는 검사 배열에서와 동일한 과정을 실행한다.

그럼에도 불구하고 만약 실제 센서 신호의 반응이 예컨대 공기습도의 변화 혹은 공기 온도의 변화에 의해 야기된다면, 센서 신호의 온도 민감성은 전혀 변화하지 않거나 혹은 단지 약간만이 변화하게 된다. 그러므로 공기습도의 변화 혹은 공기온도의 변화는 가열용량이 영향을 받지 않는 경우 실제 센서 신호에 대해 현저하면서도 지속적으로 영향을 주게 된다.

그럼에도 불구하고 만약 상기의 작용의 개시시에 가열용량이 추적되었다면, 온도 추적에 의해 야기된 센서 신호의 영향력은 분명하게 가스 펄스의 경우에서보다 더욱 크다. 적합하게는 또한 가스 누출 후 사고로부터 보호하기 위한 폭발 하한값을 모니터링하는 것이다. 다른 말로 해서 센서 신호는 가열용량의 변화에 그리고 그로 인해 교란변수 보상에 대해 강하게 반응하게 된다. 그러므로 공기 습도의 변화 혹은 공기온도의 변화에 근거하여 야기되는 센서값의 변화는 더욱 적어질뿐 아니라, 시간에 있어서는 분명하게 가열용량이 영향을 받는 경우에서보다 더욱 짧아지게 된다.

그러므로 본 발명에 따라 센서의 가열제어는, 가열 제어장치의 기준변수가 온도가 될 수 있도록, 그리고 표준 공기 내 표준값에 대한 실제 센서 신호의 편차로부터 유도되는 교란변수는 제어에 방해되도록 설정되어 있다.

신호 처리 뿐 아니라 가열 제어는 바람직하게는 단 하나의 단일회로 컨트롤러(μC)에 의해 제어될 수 있다.

조합의 바람직한 결과, 즉

a. 공기 이동 없이도 센서 소자에 대한 가스 접근이 확산에 의해 이루어질 수 있도록 하는 열적으로 고립하거나 열절연하는 확산층을 포함하는 바람직하게는 열적으로 고립되거나 열절연하는 케이싱내에 센서 소자의 배치,

b. 공기 이동 없이 센서에 대한 확산 조건에 따른 가스 접근,

c. 동시에 교란변수로서 표준 조건하에서 센서 소자의 저항에 대한 실제 센서 저항의 상대 편차가 제어회로에 방해되면서, 온도를 제어함으로써 센서 소자의 가열,

상기 사항의 조합의 바람직한 결과는 센서 신호가 빠르게 그리고 거의 유일하게 산화 가능한 공기 내용 성분의 실제적인 함유량만을 추적하며 그리고 단연코 지금까지 공지되는 것보다 더욱 적은 드리프트 현상을 포함한다는 것에 있다.

만약 실제 센서값을 시간에 걸쳐 측정된 평균값과 비교하는 평가가 실행된다면, 특히 얼마 후에는 시스템이 안정화되어 있다면, 표준 조건하에서는 센서 신호의 분명하게 더욱 적은 변동으로부터 개시될 수 있다.

그러므로 본 발명의 한 실시예에 있어서, 실제 센서 신호들의 평균값이 형성되는 시간 간격은 실제 센서값에 대한 비교값으로서 역할을 할 수 있도록 일정한 것이 아니라, 시스템의 작동 시간에 따라 항상 계속해서 증가한다.

제 1 비교값은 상대적으로 짧은 기간에 걸쳐 평균값으로부터 획득되는데, 왜냐하면 시스템은 회로 활성화 후 곧바로 필연적으로 높은 고유의 동적 변동의 지배를 받기 때문이다. 회로 활성화 단계 후에 상기 시간 간격은 증가하며 그리고 최종적으로 정상의 상태(stationary state)에서 실제로 더욱 긴 적분 기간(integration period)을 달성한다. 평균값은 원칙적으로 정확하게 실제 센서 신호와 일치할 수 있기 때문에, 이른바 기준값을 형성할 수 있도록, 계산된 평균값으로부터는 일정한 값이 제거된다.

선호되는 실시의 변형예에 있어서 제거되어질 값은 초기 단계에서 매우 크며, 그럼으로써 기준값은 센서값으로부터 더욱 크게 이격된다. 이러한 점은, 비정상의 상태에서 신호들이, 비록 유의적 가스 농도 변화가 발생하지 않더라도, 야기되는 점을 방지하기 위해서는, 중요하다. 추가적인 시간상의 진행에서 상기 값은 연속적으로 감소되며, 그럼으로써 정상의 상태에서 기준값은 더욱더 센서값에 근접하게 된다.

추가적 정밀화가 도입될 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 추가 실시의 변형예 있어서 기준값은 가스가 유도되는 강력한 센서 반응 후에 다시금 센서값에 대해 더욱더 이격 되어지는데, 왜냐하면 본 발명에 따라 센서의 강력한 반응은 잠시동안불안정화 센서 관계를 초래하기 때문이다.

본 발명에 따른 방법의 추가 실시의 변형예에 있어서, 만약 가스가 유도되는 강력한 센서 신호 변화가 발생하였다면, 평균값의 계산은 다시금 더욱 짧은 기간에 걸쳐 실행된다. 추가 실시의 변형예에 있어서 평균값의 계산은 가스가 유도되는 센서 신호 변화가 발생하는 기간동안 중지된다.

전술한 조치에도 불구하고 실제적인 가스 레벨은, 평균값이 실제로 상승하는 것에 따르는 방식으로 느리게 상승할 수도 있다. 이러한 경우에 앞서 기술한 트리거 조건이 충족되지 않았더라도 느리게 상당한 가스 농도가 형성될 수 있으며, 상기 트리거 조건에 따라서는 실제 센서 신호가 계산상으로 측정된 기준값보다 더욱 작은 값을 취하게 된다.

그러므로 또 다른 실시의 변형예에 있어서 기준값에 대해 추가적으로 최소값이 결정되며, 동시에 실제적인 기준값은 결코 상기 결정된 최소값보다 작아질 수 없다. 상기 최소값은, 센서조건에 따른 변동에 의해 상기 한계가 달성되지 않도록, 다른 한편에서는 센서 신호에 할당될 수 있는 가스 농도가 더 이상 지속적으로 사람에게 손상을 입히지 않거나 혹은 예컨대 폭발 한계(예, 메탄 공기 혼합기)의 모니터링이 이루어지는 경우에는 폭발 한계에 대한 더욱 넓은 안전성 영역 내에 위치할 수 있도록 선택된다.

만약 (예컨대 필터 혹은 밀폐성 모니터링의 용도로 호흡 보호 마스크 내 혹은 인접하는 적합한 위치에 센서를 장치할 시에) 습도 혹은 온도가 급격하게 변화한다면, 본 발명에 따른 방법의 이용 시에 센서 저항에 대한 상기의 영향의 작용은절대적으로 더욱 작아질 수 있으며, 그리고 단지 일시적인 것이 될 수 있다.

그럼에도 불구하고 잘못된 신호 트리거가 발생할 수 있으며, 그런 다음에는 바람직하지 못한 오경보가 발생할 수도 있다. 그러므로 추가 실시예의 변형예에 있어서, 시간에 따라 변위되는 평가가 실행되며, 상기 평가는 하기에서 설명된다.

센서 표준 레벨 하에 기준값이 위치한다. 만약 가스 펄스가 실제 센서 신호를 지정된 값 정도로 감소시킨다면, 기준값에 미치지 않게 되며, 그로 인해 스위칭기준이 충족된다. 그러므로 일종의 "정상정 사전 경보(stationary pre-alarm)"가 야기되지만 그럼에도 본 발명에 따라 아직 스위칭 신호는 야기되지 않는다. 만약 스위칭기준이 확실한 시간간격동안 충족된 상태로 유지되면 비로소, 실제 센서 신호가 기준값보다 낮게 유지되는 잔여 시간간격동안 유지되는 스위칭 신호가 야기된다.

그에 반해 매우 짧은 시간의 그리고 그로 인해 실제적으로 무시되어질 가스 펄스가 발생하거나, 혹은 대략 실제 센서 신호의 반응을 야기하는 본 발명에 따른 방법에 따라 보상되어질 습도 펄스가 발생한다면, 본 발명에 따라 스위칭 신호는 야기되지 않는다.

본 발명에 따른 방법의 추가 실시의 변형예에 있어서, 사전 경보의 기간은 고정되어 정의되는 것이 아니라, 센서 신호 변화의 속도의 함수이거나 혹은 시간에 걸친 절대 변화값의 함수로서 정의된다. 만약 결정된 시간 간격 내에서 또한 매우 큰 센서 신호 변화가 발생하였다면, 사전 경보의 시간간격은 짧아질 수 있다. 이러한 점은 바람직하게는 실제로 갑작스럽게 발생하는 큰 가스 농도에 있어서 경보트리거까지의 시간을 가능한 한 짧게 유지할 수 있도록 하기 위한 것이다.

유사한 결과는, 센서 신호가 상이한 2가지 기간에 걸쳐, 예컨대 20s의 기간 및 300s의 기간에 걸쳐 측정될 때, 달성될 수 있다. 더욱 긴 기간에 걸쳐 형성되는 평균값으로부터 앞서 언급한 바와 같이 표준값의 예컨대 2%의 지정된 값이 제거된다. 이와 같이 측정된 값들은 상호간에 비교된다.

만약 더욱 짧은 기간에 걸쳐 형성되는 평균값이 더욱 긴 기간에 걸친 평균화 및 지정된 값(예 2%)의 감산에 의해 생성된 값보다 작다면, 스위칭 신호가 야기된다.

그러나 빈번하게는 기준값의 형성을 위해 평균값으로부터 단지 상수의 값을 제거하는 것이 적합하지 못한 경우가 있는데, 왜냐하면 센서 특성곡선(가스 농도에 종속되는 센서 신호)이 대개 비선형이기 때문이다.

가스 감지층의 옴 저항이 실제 센서 신호의 형성을 위해 이용되는 경우에는 예컨대 지정된 가스의 예컨대 10ppm(백만분률)이 가스 감지층의 기본 저항에 종속되면서 상이한 저항 변화를 야기함을 의미한다. 그러므로 예컨대 기본 저항이 낮은 경우 가스의 10ppm에 의해 제한되는 상대 저항 변화는 실제로 기본 저항이 높은 경우보다 작다. 이러한 사실은, 본 발명에 따라 상이한 목표 가스의 센서 특성곡선이 측정된 평균값에 기초한 기준값의 계산시에 고려되면서, 고려될 수 있다.

특히 비판이 되는 점은, 이미 현저한 가스 하중이 존재하고 있는 동안 시스템이 작동에 들어간 때에 상기 기술한 센서시스템을 사용하는 것이다. 다시 말해 시스템은 절대 농도를 측정할 수 있는 것이 아니라, 단지 관찰 기간 내에 변화(기준값과 관련한)만을 파악할 수 있기 때문에 시스템은 실제로 존재하는 가스 하중에 대한 정보(스위칭 신호, 경보)를 공급하지 못할 수도 있다.

본 발명에 따라 상기의 문제 상태는, 본 발명에 따른 방법의 추가 실시의 변형예에 따라서 가스 감지층의 온도가 짧은 시간에 상승됨으로써 해결된다. 온도 상승은 한편에서는 센서 신호의 변화로 보여지는 가스 감지층 내부의 반응 평형의 변위를 야기하며, 다른 한편에서는 센서가 짧은 시간에 또 다른 (온도에 종속되는) 특성곡선으로 작동된다. 짧은 시간의 온도 상승 전, 상승동안 및 상승 후에 센서 신호의 포착 및 평가는 상황에 따라 존재하는 가스 하중으로의 복구를 가능하게 한다.

도 1은 본 발명의 선호되는 실시예로 이용되는 통상 공지된 회로를 가지는 센서 소자(11)의 개략도이다. 상기 센서 소자(11)는 하나의 센서기판(31), 하나의 가스 감지층(33) 및 상기 두 부재 사이에 배치되는 하나의 가열 구조(32)를 포함하고 있다(도 3).

상기 가열 구조(32)는 전기적으로 외부 저항기(12)(도 1)를 통해 제어되며, 상기 저항기는 전류흐름이 센서 소자(11)를 결코 목표 온도까지 가열하지 않는 방식으로 치수화되어 있다. 오히려 주기적으로, 바람직하게는 마이크로 컨트롤러(μC)로서 설계되어 있는 중앙의 제어 및 조절장치(13)로부터 제어라인(14)을 통해 펄스가 스위칭 모듈 상에 제공된다. 상기 스위칭 모듈은 높은 에너지의 스위칭 펄스를 가열 구조(32)로 방출한다. 외부 저항기(12)와 가열 구조(32)는 하나의 분압기를 형성한다.

상기 펄스의 차단 후에 가열 구조(32) 및 외부 저항기(12) 사이에 있는 분압기에서 얻어지는 전압은 제 1 A/D 컨버터(16)를 통해 측정된다.

만약 전압이 너무 높다면(가열 구조(32)의 옴이 너무 높으며, 센서 온도도너무 높다), 다음의 주기에서 가열 펄스 혹은 가열펄스의 총수는 짧아진다. 그에 반해 만약 전압이 너무 낮다면(가열 구조(32)의 옴은 너무 낮으며, 또한 센서온도도 너무 낮다), 다음의 주기에서 가열 펄스 혹은 가열펄스의 총수는 길어진다.

센서 소자(11)의 가스 감지층(33)의 임피던스는 중앙 제어 및 조절장치(13), 적합한 소프트웨어, 그리고 가스 감지층(33)에 연결되어 있는 제 2 A/D 컨버터(18)를 이용하여 측정되며, 그로 인해 평가를 위한 신호로서 이용된다. 이러한 점에 있어서 가장 단순한 경우 단지 옴 저항만이 측정된다.

도 2는 온도 제어의 체계를 설명하기 위해 다수 개의 가열 펄스(21) 및 무전류 방식의 시간 간격(22)의 시간에 따른 시퀀스를 도시하고 있다. 만약 온도가 목표에 상응한다면, 가열 펄스(21)의 총수와 무전류 방식의 시간 간격(22)(도 2 상단) 사이에는 지정된 비율이 존재하게 된다. 센서 소자(11)가 예컨대 너무 차갑다면, 가열 펄스(21)의 총수는 확대되며, 그리고 무전류 방식의 시간 간격(22)은 상대적으로 짧아진다(도 2 하단).

도 3은 센서 소자(11)의 상세도(좌측), 그리고 센서 소자(11)의 평면에 대해 수직인 방향(도 3에서는 x-방향으로 표시됨)에 있는 온도의 통상적인 진행에 대한 상세도(우측)를 도시하고 있으며, 그리고 온도 제어의 기본적인 난점을 명확하게 도시하고 있다. 가열 구조(32)는 가스 감지층(33)과 센서 기판(31) 사이에 위치한다. 비록 가열 구조(32)의 온도가 완전하게 일정하다고 하더라도 그로 인해 그럼에도 불구하고 모든 상황에서 가스 감지층(33)의 일정한 온도는 달성될 수 없다. 왜냐하면 상기 가스 감지층과 주변 공기 사이의 온도 기울기가 매우 크며 그리고센서 소자(11)로부터 방사에 의해 그리고 대류방식으로 방출되는 열에 의해 영향을 받기 때문이다.

만약 가열 구조(32)의 온도가 예컨대 350℃로 조정되어 있다면, 주변 공기의 온도는 실제로 -40℃와 +80℃ 사이에서 변동할 수 있다. 주변과 센서 소자(11) 사이의 온도 기울기에 근거하여 가스 감지층(33)의 표면에는 가열기로부터 벗어나는 온도가 결정될 수 있다. 상기 온도는 통상 목표값보다는 낮다.

센서 소자(11)로부터 주변에 방출되는 열에너지는 한편에서는 온도 기울기의 함수이며, 다른 한편에서는 센서 소자(11)에 상대적인 공기의 흐름 속도의 함수이다.

센서 소자(11)에 근접하는 공기 이동이 단지 초극미한 경우에만,

- 일정한 온도로 유지되는 가열 구조(32),

- 가스 감지층(33) 및

- 주변 공기의 온도,

상기 사항들 간의 온도 기울기가 변화한다.

그러므로 대개 비용이 많이 드는 전자 제어에도 불구하고 실제로 항상 표준 공기 내 센서 저항의 현저한 변동을 확인하게 되며, 이러한 점은 과거에 반도체 센서의 사용을 현저하게 제한하였던 것인데, 왜냐하면 가스 감지층(33)의 기본 저항이 온도와 더불어 심하게 변동하기 때문이다.

도 4는 본 발명에 따른 센서 장치를 도시하고 있다. 센서 소자(11)는 케이싱(40) 내에 배치되어 있으며, 상기 케이싱은 공기 역학상 밀폐되어 있으며케이싱(40) 외부의 공기 이동이 가열되는 센서 소자(11)로의 접근하는 것을 허용하지 않는다. 상기 케이싱(40)은 선호되게는 자신의 내부 공간이 주변에 대해 열적으로 고립되어 있도록 설계되어 있다.

케이싱(40) 내에는 얼마 후에 가열 구조(32), 축열기로서 센서기판(31) 및 가스 감지층(33) 간의 열적 평형이 형성되는데, 왜냐하면 상기 부재 주변에 있는 공기 역시 더욱 높은 수준까지 가열되고 그리고 그로 인해 공기와 센서 소자(11) 사이의 온도 기울기는 감소되기 때문이다. 공기와 센서 소자(11) 사이의 온도기울기에 의해 야기되는 바람직하지 못한 센서 저항의 변동은 상기의 방식으로 본 발명에 따라 실제로 감소된다.

케이싱(40)은 본 발명에 따라 반투과성 확산층(47)을 포함하고 있으며, 상기 확산층은 공기 흐름에 대해 실제로 비투과성이지만, 그럼에도 확산하는 공기 및 가스 입자에 의해서는 통과될 수 있다. 확산층(47)은 예컨대 극세 모세관식 플라스틱(테프론, 신장된 포일 등)으로 구성되어 있거나 혹은 예컨대 금속, 플라스틱, 유리 혹은 세라믹으로 이루어진 소결체로 구성되어 있다. 본 발명의 선호되는 실시예에 있어서 확산층은 케이싱(40)의 상부 표면을 형성한다.

본 발명에 따라 케이싱(40)의 내/외부의 상이한 부분 압력에 근거하여 가스는 확산층(47)을 통과하여 케이싱 내부로 확산하거나 혹은 케이싱 외부로 확산하며, 동시에 그럼에도 공기순환은 확산층(47)에 의해 실제로 저지된다.

공기 이동에 근거하여 반투과성 확산층(47)을 통과하여 유도되는 열 흐름은 배제되거나 혹은 적어도 매우 강하게 제한된다.

센서 소자(11)의 연결 와이어(44)는 바람직하게는 기밀방식으로 예컨대 케이싱 바닥을 통과하여 리드되어 있다. 선호되게는 상기의 사항이 연결 와이어(44)가 케이싱 바닥(45)을 커버하는 유리층(49) 내에 밀폐되어 있다.

본 발명에 따른 센서 장치의 선호되는 실시예에 있어서, 케이싱 커버(48), 케이싱 바닥(45) 및 확산층(47) 그리고 그로 인한 케이싱(40)은 열절연식으로 및/또는 열적으로 고립되는 방식으로 설계되어 있다.

그럼으로써 매우 정확한 가열 제어와 조합되어, 매우 넓은 온도 영역 내에 표준 공기 내 센서 저항에 대한 주변 공기의 작용은 더 이상 표시되지 않는 점이 달성된다.

추가적인 이점으로는 센서 소자(11)의 에너지 소요가 본 발명에 따른 열절연식 및/또는 열적으로 고립되는 케이싱(40) 및 확산층(47)의 설계에 의해 현저하게 감소되며, 이러한 점은 바테리를 이용한 작동 시에 매우 중요하며 바람직한 것이다.

앞서 선행기술의 언급 시에 이미 진술한 바와 같이 실제 신호 및 평균값 사이의 차이가 평가되는 점이 공지되어 있다. 갑작스럽게 센서가 반응하게 되는 사건들이 발생한다면, 상기 사건들은 상기의 방법을 이용하면서 매우 양호하게 검출된다. 그에 반해 센서 저항의 느리면서도 및/또는 단지 작은 변화는 어떠한 평가 내지 스위칭 신호도 야기하지 않는다.

도 5는 상기 공지된 방법을 도시하고 있다. 실제 센서 신호(51)는 일정한 시간에 걸쳐 측정되며, 일정한 상수의 값으로 가산되며, 그럼으로써 평균에 있어서센서 신호의 극미한 상부에 위치하는 측정된 신호가 생성되며, 상기 신호는 기준 신호(52)로서 고려된다. 실제 센서의 값이 기준 신호(52)의 상부의 값까지 변화시키는 사건들(53, 54)이 발생한다면, 스위칭 신호가 야기된다.

실제 센서 신호의 느린 변화는 무시된다. 그에 반해 주변 공기 내 산화 가능한 가스의 갑작스런 농도 상승이 발생할 시에는 신뢰되게 스위칭 신호가 생성된다.

많은 사례에 있어서 더욱 중요한 점으로는, 예컨대 모든 경우에 있어서 검출되어야하는 사항으로써, 만약 유독성 가스의 농도가 매우 느리게 상승한다면, 가스 농도의 느린 상승 역시 확실하게 검출되는 것이다. 그러므로 도 5와 관련하여 설명되는 방법은 즉각적으로 적용될 수 없다.

본 발명에 따른 센서 장치를 작동시키기 위한 본 발명에 따른 방법에 있어서 가열용량은 추가 변수(온도에 대한)에 의해 영향을 받는다. 그럼으로써 제어 공학상 볼 수 있듯이 교란변수 보상이 실행된다.

상기의 본 발명에 따른 사고는, 센서 소자(11)의 가스 감지층(33)의 전기적 매개변수(저항, 정전용량, 유도성)의 변화는 산화 가능한 혹은 환원 가능한 가스의 공급에 기인할 뿐 아니라, 공기 습도의 변동 혹은 온도의 변동의 결과일 수도 있다는 관찰에 기초한다.

다음에서 간소화의 이유로 단지 산화 가능한 가스의 검출에 대해서만 기술된다. 환원 가능한 가스는 원칙적으로 그 반대의 특성변화를 나타내는데, 다시 말해 예컨대 산소 저항을 상승시키며, 그에 반해 산화 가능한 가스는 상기 센서 저항을감소시킨다. 본 발명은 그에 반대된다면, 그에 유사하게 환원 가능한 가스에도 또한 적용 가능하다.

도 6은 작용의 연관성을 설명하기 위한 것이다. 최초에 표준 공기 내 센서는 가열용량이 6b인 경우 실제 센서 신호를 방출하는데, 상기 센서 신호는 도 6에서는 6a를 특징으로 한다. 이어서 센서는 그 기간이 도 6 내 하부에 표시되어 있는 가스 펄스를 공급받게 된다.

도 6 내 곡선 단면(68)은 가열용량이 영향을 받지 않을 경우 실제 센서 신호의 진행을 도시하고 있다. 가열용량이 영향을 받지 않는 경우 실제 센서 신호는 가스 펄스의 종료 후에 더욱 오랜 시간 후에 비로소 시작값으로 되돌아간다. 가스 펄스의 종료 시에 이어지는 곡선(68)의 단면은, 도 6에서 라인(62)에 의해 도시되는 가열용량이 일정한 경우 가스 펄스에 대한 실제 센서 신호의 반응을 도시하는 것이다.

그에 반해 도 6 내에 곡선(63)으로 도시되는 교란변수 보상값을 포함하는 가열 용량은 가열용량에 의해 영향을 받는, 도 6에서는 곡선 단면(64)에 따르는 실제 센서 신호를 야기한다.

만약 가열용량이, 실제 센서 신호가 변화를 실행한다면, 온도 상승의 의미에서 예컨대 비례하는 방식으로 추적된다면(곡선 63), 실제 센서 신호는 유의적으로 더욱 빠르게 시작값으로 되돌아간다. 가스 펄스의 종료 시에 이어지는 곡선(64)의 단면은 곡선(63)으로 도시되는 가열용량이 추적될 시에 가스 펄스에 대한 실제 센서 신호의 반응을 표시한다.

실질적으로, 사실상 센서에서 발생하는 가스 농도의 경우에 항상 가스와 더불어 가스 감지층(33)의 반응이 개시된다. 센서 신호의 온도 민감성은 가스의 작용에 의해 감소된다. 그러므로 온도 추적에 의해 야기되는 센서 신호의 변화는 가스 펄스 동안 가스 펄스 이전 혹은 이후보다 더욱 작다. 다시 말해서 : 센서 신호는 가스 펄스 동안 가열용량의 변화에 대해 그리고 그로 인해 교란변수 보상에 대해 단지 상대적으로 약하게 반응하게 된다. 그러므로 가스가 유도되는 실제 센서 신호의 감소는 가열용량의 추적시에, 그렇지 않은 경우 온도 추적이 없는 동일한 검사 배열에서와 대략 동일한 진행을 실행하게 된다. 즉, 가스 펄스의 개시 후에 항상 도 6 내 곡선(64 및 68)의 하강하는 다리는 대략 거의 동일하게 연장된다.

그럼에도 만약 실제 센서 신호의 반응이 예를 들어 공기 습도의 변화 혹은 공기 온도의 변화에 의해 야기된다면, 센서 신호의 온도 민감성은 결코 변화하지 않거나 혹은 단지 약간만 변화하게 된다. 그러므로 공기 습도의 변화 혹은 공기 온도의 변화는 가열용량이 영향을 받지 않는 경우 현저하면서도 지속적으로 실제 센서 신호에 영향을 미치게 된다(도 6 내 곡선 단면 65).

그러나 만약 상기의 작용의 개시시에 이미 가열용량이 추적되었다면, 온도 추적에 의해 야기된 센서 신호의 영향력은 분명하게 가스 펄스의 사례에서보다 더욱 크다. 센서 신호는 강하게 가열용량의 변화에 그리고 그로 인해 교란변수 보상에 반응한다. 그러므로 공기 습도의 변화 혹은 공기 온도의 변화에 근거하여 야기되는 센서값의 변화는 가열용량이 영향을 받지 않는 경우에서보다(도 6 내 곡선단면 65) 단지 매우 많이 적어지는 것이 아니라, 시간상 분명하게 더욱 짧아지게 된다(도 6 내 곡선 단면 66). 그리고 거의 곡선들(도 6 내 65와 66)의 하강하는 다리는 동일하게 연장되지 않게 된다.

그로 인해 본 발명에 따른 방법에 의해, 센서 신호의 시간상 특성변화에 따라서 가스 펄스 및 습도 펄스 사이에는 구분될 수 있다. 습도 펄스에 대한 센서 신호의 반응은 본 발명에 따라 가열추적에 의해 상단 부분까지 보상된다.

그러므로 본 발명에 따라 센서의 가열용량은, 가열제어장치의 기준변수는 온도가 될 수 있도록, 그리고 표준 공기 상태에서 표준값에 대한 실제 센서 신호의 편차로부터 유도되는 교란변수는 제어에 방해가 되도록, 설정된다.

도 1과 도 2에 관련하여 설명하였던 바와 같이, 신호처리뿐 아니라 가열제어는 바람직하게는 단 하나의 단일회로 컨트롤러(μC)에 의해 제어될 수 있다.

조합의 바람직한 결과, 즉

a. 공기 이동 없이도 센서 소자(11)에 대한 가스 접근이 확산에 의해 이루어질 수 있도록 하는 열적으로 고립하거나 열절연하는 확산층(47)을 포함하는 바람직하게는 열적으로 고립되거나 열절연하는 케이싱(40) 내에 센서 소자(11)의 배치,

b. 공기 이동 없이 센서에 대한 확산 조건에 따른 가스 접근,

c. 동시에 교란변수로서 표준 조건하에서 센서 소자(11)의 저항에 대한 실제 센서 저항의 상대 편차가 제어회로에 방해되면서, 온도를 제어함으로써 센서 소자(11)의 가열,

상기 사항의 조합의 바람직한 결과는 센서 신호가 빠르게 그리고 거의 유일하게 산화 가능한 공기 내용 성분의 실제적인 함유량만을 추적하며 그리고 단연코지금까지 공지되는 것보다 더욱 적은 드리프트 현상을 포함한다는 것에 있다.

만약 실제 센서값을 시간에 걸쳐 측정된 평균값과 비교하는 평가가 실행된다면, 특히 얼마 후에는 시스템이 안정화되어 있다면, 표준 조건하에서는 센서 신호의 분명하게 더욱 적은 변동으로부터 개시될 수 있다.

그러므로 본 발명의 한 실시예에 있어서, 실제 센서 신호들의 평균값이 형성되는 시간 간격은 실제 센서값에 대한 비교값으로서 역할을 할 수 있도록 일정한 것이 아니라, 시스템의 작동 시간에 따라 항상 계속해서 증가한다.

제 1 비교값은 상대적으로 짧은 기간에 걸쳐 평균값으로부터 획득되는데, 왜냐하면 시스템은 회로 활성화 후 곧바로 필연적으로 높은 고유의 동적 변동의 지배를 받기 때문이다. 회로 활성화 단계 후에 상기 시간 간격은 증가하며 그리고 최종적으로 정상의 상태에서 실제로 더욱 긴 적분 기간을 달성한다. 평균값은 원칙적으로 정확하게 실제 센서 신호와 일치할 수 있기 때문에, 이른바 기준값을 형성할 수 있도록, 계산된 평균값으로부터는 일정한 값이 제거된다.

선호되는 실시의 변형예에 있어서 제거되어질 값은 초기 단계에서 매우 크며, 그럼으로써 기준값은 센서값으로부터 더욱 크게 이격된다. 이러한 점은, 비정상의 상태에서 신호들이, 비록 유의적 가스 농도 변화가 발생하지 않더라도, 야기되는 점을 방지하기 위해서는, 중요하다. 추가적인 시간상의 진행에서 상기 값은 연속적으로 감소되며, 그럼으로써 정상의 상태에서 기준값은 더욱더 센서값에 근접하게 된다.

추가적 정밀화가 도입될 수 있다. 본 발명에 따른 방법의 추가 실시의 변형예 있어서 기준값은 가스가 유도되는 강력한 센서 반응 후에 다시금 센서값에 대해 더욱더 이격 되어지는데, 왜냐하면 본 발명에 따라 센서의 강력한 반응은 잠시동안 불안정화 센서 관계를 초래하기 때문이다.

추가 실시의 변형예에 있어서, 만약 가스가 유도되는 강력한 센서 신호 변화가 발생하였다면, 평균값의 계산은 다시금 더욱 짧은 기간에 걸쳐 실행된다. 추가 실시의 변형예에 있어서 평균값의 계산은 가스가 유도되는 센서 신호 변화가 발생하는 기간동안 중지된다.

전술한 조치에도 불구하고 실제적인 가스 레벨은, 평균값이 실제로 상승하는 것에 따르는 방식으로, 느리게 상승할 수도 있다. 이러한 경우에 앞서 기술한 트리거 조건이 충족되지 않더라도 느리게 상당한 가스 농도가 형성될 수 있으며, 상기 트리거 조건에 따라서는 실제 센서 신호가 계산상으로 측정된 기준값보다 더욱 작은 값을 취하게 된다.

그러므로 또 다른 실시의 변형예에 있어서 기준값에 대해 추가적으로 최소값이 결정되며, 동시에 실제적인 기준값은 결코 상기 결정된 최소값보다 작아질 수 없다. 상기 최소값은, 센서조건에 따른 변동에 의해 상기 한계가 달성되지 않도록, 다른 한편에서는 센서 신호에 할당될 수 있는 가스 농도가 더 이상 지속적으로 사람에게 손상을 입히지 않거나 혹은 예컨대 폭발 한계(예, 메탄 공기 혼합기)의 모니터링이 이루어지는 경우에는 폭발 한계에 대한 더욱 넓은 안전성 영역 내에 위치할 수 있도록 선택된다.

만약 (예컨대 필터 혹은 밀폐성 모니터링의 용도로 호흡 보호 마스크 내 혹은 인접하는 적합한 위치에 센서를 장치할 시에) 습도 혹은 온도가 급격하게 변화한다면, 본 발명에 따른 방법의 이용 시에 센서 저항에 대한 상기의 영향의 작용은 절대적으로 더욱 작아질 수 있으며, 그리고 단지 일시적인 것이 될 수 있다.

그럼에도 불구하고 잘못된 신호 트리거가 발생할 수 있으며, 그런 다음에는 바람직하지 못한 오경보가 발생할 수도 있다.

그러므로 추가 실시예의 변형예에 있어서, 시간에 따라 변위되는 평가가 실행되며, 상기 평가는 도 7과 관련하여 설명된다.

센서 표준 레벨(71) 하에 기준값(77)이 위치한다. 만약 가스 펄스가 실제 센서 신호를 지정된 값 정도로 감소시킨다면(72로 표시된 곡선 단면), 기준값에 미치지 않게 되며, 그로 인해 스위칭기준이 충족된다. 그러므로 일종의 "정상적 사전 경보"가 야기되지만 그럼에도 본 발명에 따라 아직 스위칭 신호는 야기되지 않는다. 만약 스위칭기준이 도 7에서 기간(73)으로 도시되는 확실한 시간간격동안 충족된 상태로 유지되면 비로소, 실제 센서 신호가 기준값보다 낮게 유지되는 잔여 시간간격(도 7에서 기간(74)으로 도시됨)동안 유지되는 스위칭 신호가 야기된다.

그에 반해 매우 짧은 시간의 그리고 그로 인해 실제적으로 무시되어질 가스 펄스가 발생하거나, 혹은 대략, 도 7에서 (75)로 표시되어 있는 것과 같은 실제 센서 신호의 반응을 야기하는 본 발명에 따른 방법에 따라 보상되어질 습도 펄스가 발생한다면, 본 발명에 따라 스위칭 신호는 야기되지 않는다.

본 발명에 따른 방법의 추가 실시의 변형예에 있어서, 사전 경보의 기간(도 7의 73)은 고정되어 정의되는 것이 아니라, 센서 신호 변화의 속도의 함수이거나혹은 시간에 걸친 절대 변화값의 함수로서 정의된다.

만약 결정된 시간 간격 내에서 또한 매우 큰 센서 신호 변화가 발생하였다면, 사전 경보의 시간간격은 짧아질 수 있다. 이러한 점은 바람직하게는 실제로 갑작스럽게 발생하는 큰 가스 농도에 있어서 경보 트리거까지의 시간을 가능한 한 짧게 유지할 수 있도록 하기 위한 것이다.

유사한 결과는, 센서 신호가 상이한 2가지 기간에 걸쳐, 예컨대 20s의 기간 및 300s의 기간에 걸쳐 측정될 때, 달성될 수 있다. 더욱 긴 기간에 걸쳐 형성되는 평균값으로부터 앞서 언급한 바와 같이 표준값의 예컨대 2%의 지정된 값이 제거된다. 이와 같이 측정된 값들은 상호간에 비교된다.

만약 더욱 짧은 기간에 걸쳐 형성되는 평균값이 더욱 긴 기간에 걸친 평균화 및 지정된 값(예 2%)의 감산에 의해 생성된 값보다 작다면, 스위칭 신호가 야기된다.

수학적으로 예컨대 더욱 긴 기간이 더욱 짧은 기간보다 10배가 긴 경우에 대해서는 하기의 차이에 대한 방정식으로 표현된다.

만약 값 (Y)가 음수라면 스위칭 기준은 달성된다.

그러나 빈번하게는 기준값의 형성을 위해 평균값으로부터 단지 상수의 값을 제거하는 것이 적합하지 못한 경우가 있는데, 왜냐하면 센서 특성곡선(가스 농도에종속되는 센서 신호)이 대개 비선형이기 때문이다.

가스 감지층(33)의 옴 저항이 실제 센서 신호의 형성을 위해 이용되는 경우에는 예컨대 지정된 가스의 예컨대 10ppm(백만분률)이 가스 감지층의 기본 저항에 종속되면서 상이한 저항 변화를 야기함을 의미한다. 그러므로 예컨대 기본 저항이 낮은 경우 가스의 10ppm에 의해 제한되는 상대 저항 변화는 실제로 기본 저항이 높은 경우보다 작다. 이러한 사실은, 본 발명에 따라 상이한 목표 가스의 센서 특성곡선이 측정된 평균값에 기초한 기준값의 계산시에 고려되면서, 고려될 수 있다.

특히 비판이 되는 점은, 이미 현저한 가스 하중이 존재하고 있는 동안 시스템이 작동에 들어간 때에 상기 기술한 센서시스템을 사용하는 것이다. 다시 말해 시스템은 절대 농도를 측정할 수 있는 것이 아니라, 단지 관찰 기간 내에 변화(기준값과 관련한)만을 파악할 수 있기 때문에 시스템은 실제로 존재하는 가스 하중에 대한 정보(스위칭 신호, 경보)를 공급하지 못할 수도 있다.

본 발명에 따라 상기의 문제 상태는, 가스 감지층의 온도가 짧은 시간에 상승됨으로써 해결된다. 온도 상승은 한편에서는 센서 신호의 변화로 보여지는 가스 감지층 내부의 반응 평형의 변위를 야기하며, 다른 한편에서는 센서가 짧은 시간에 또 다른 (온도에 종속되는) 특성곡선으로 작동된다. 짧은 시간의 온도 상승 전, 상승동안 및 상승 후에 센서 신호의 포착 및 평가는 상황에 따라 존재하는 가스 하중으로의 복구를 가능하게 한다.

본 발명은 예컨대 호흡 보호 장비(예컨대 호흡 보호 마스크)의 모니터링을위해, 폭발 위험이 있는 가스 공기 혼합기의 모니터링을 위해, 모든 유형의 환기를 상황에 적응되도록 영향을 주기 위한 용도로 공기의 품질을 측정하기 위해, 그리고 폐쇄된 공간 및 개방 영역 내 호흡용 공기의 모니터링을 위해 이용될 수 있다.

Claims (28)

1. 하나의 가스 감지층을 포함하며, 그리고 가열 구조를 이용하여 전기적으로 가열될 수 있는 하나의 센서 소자를 이용하면서, 공기내에 포함되어 있는 가스 혹은 연기를 검출하기 위한 센서 장치에 있어서,

   상기 센서 소자(11)는 하나의 케이싱(40) 내에 배치되어 있으며, 상기 케이싱은 케이싱(40)의 외부에서 개시되는 공기이동으로부터 상기 센서 소자(11)를 차폐시키며, 동시에 상기 케이싱(40)은 하나의 확산층(47)을 포함하고 있으며, 상기 확산층에 의해서는 확산시마다 가스 및 연기가 케이싱(40)의 외부에서 내부로, 그리고 그 반대로 통과할 수 있는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
2. 제 1 항에 있어서, 케이싱(40) 및 확산층(7)은 열절연식으로 혹은 열적으로 고립되는 방식으로 설계되어 있는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
3. 제 1 항에 있어서, 확산층(47)은 유리 혹은 금속성 구조를 가지는 소결 재료로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
4. 제 1 항에 있어서, 확산층은 가스 투과성 플라스틱 포일로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
5. 제 1 항에 있어서, 센서 소자(11)는 산화금속 센서인 것을 특징으로 하는 센서 장치.
6. 제 5 항에 있어서, 플라스틱 포일은 테프론(PTFE)으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
7. 제 1 항에 있어서, 센서 소자(11)는 자신의 전기적 가열을 위해 하나의 가열 구조(32)를 포함하고 있는 것을 특징으로 하는 센서 장치.
8. 제 7 항에 있어서, 가열 구조(32)는 구조화된 백금층인 것을 특징으로 하는 센서 장치.
9. 공기내에 포함되어 있는 가스 혹은 연기를 검출하기 위한 센서 소자, 하나의 가스 감지층을 포함하며 그리고 가열 구조를 이용하여 전기적으로 가열될 수 있는 센서 소자를 작동시키기 위한 방법에 있어서,

   센서 소자(11)의 온도가 제어되며 그리고 온도 목표값은 센서 신호의 변수 혹은 시간상 특성변화에 종속되면서, 교란변수 보상을 이용하면서 최소한 시간에 따라 변화되는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제 9 항에 있어서, 센서 신호가 시간상 진행하는 센서 신호들로부터 유도되거나 혹은 적응되는 방식으로 형성된 기준값과 비교되며 동시에 센서 신호와 기준값 사이의 차이 및/또는 상기 차이의 시간상 특성변화가 스위칭 신호의 트리거를 위해 고려되는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제 9 항에 있어서, 온도 계수와 결부되는, 가열 구조(32)의 전기적 저항이 센서 소자의 온도에 대한 제어변수로서 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제 9 항에 있어서, 가스 감지층(33)의 온도가 일정하게 유지되는 것이 아니라, 센서 신호의 시간상 특성변화에 종속되면서, 가스 감지층(33)의 온도를 상승시키는 교란변수 보상이, 센서 신호의 시간상 특성변화에 따라 물리적 주변 조건의 변화에 의해 야기되는 상기의 교란작용이, 가스 조성 혹은 가스 농도의 변화에 의해 야기되는 영향과 구분될 수 있도록 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제 9 항에 있어서, 교란변수 보상을 이용하면서 가열용량이 센서 신호에 의해, 공기 습도의 변화 혹은 공기온도의 변화에 의해 야기되는 센서 신호의 변화가, 가스 농도의 변화에 의해 야기되는 센서 신호의 변화보다 더욱 빠르게 및/또는 더욱 강력한 정도로 보상되도록, 짧은 시간에 영향을 받는 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제 13 항에 있어서, 공기 습도의 변화 혹은 공기 온도의 변화에 의해 야기되는 센서 신호의 변화가, 가스 농도의 변화에 의해 야기되는 센서 신호의 변화로부터, 센서 신호의 각각 상이한 시간상 특성변화에 따라 구분될 수 있는 것을 특징으로 하는 방법.
15. 제 13 항 또는 제 14 항에 있어서, 공기습도의 변화 혹은 공기온도의 변화에 의해 야기되는 센서 신호의 변화와 그리고 가스 농도의 변화에 의해 야기되는 센서 신호의 변화 사이의 구분이 적합한 소프트웨어를 이용하여 자동으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 방법.
16. 제 9 항에 있어서, 시간상 진행하는 센서 신호들로부터 하나의 평균값이 형성되며, 상기 평균값으로부터는 스위칭 신호를 트리거하기 위해 이용할 수 있는 각각의 실제 센서 신호에 대한 기준값이 형성되며, 동시에 교란변수 보상의 기간동안 평균값 형성이 중단되는 것을 특징으로 하는 방법.
17. 제 16 항에 있어서 기준값 형성을 위해 센서 소자의 특성곡선이 고려되는 것을 특징으로 하는 방법.
18. 제 16 항에 있어서, 실제 센서값이 평균값으로부터 형성된 기준값보다 작은 기간동안 산화 가능한 공기 함유 성분을 검출하기 위해, 평균값 형성이 중단되며 그리고 기존의 기준값이 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
19. 제 16 항에 있어서, 실제 센서값이 평균값으로부터 형성된 기준값보다 큰 기간동안 환원 가능한 공기함유 성분을 검출하기 위해, 평균값 형성이 중단되며, 그리고 기존의 기준값이 유지되는 것을 특징으로 하는 방법.
20. 제 16 항에 있어서, 평균값 형성을 위해 고려되는 평균화 기간이 가변적인 것을 특징으로 하는 방법.
21. 제 10 항에 있어서, 기준값의 형성이 시간상 선행한 센서 신호들을 고려함으로서 이루어지며, 동시에 이때 고려되는 기간의 길이는 가변적인 것을 특징으로 하는 방법.
22. 제 10 항에 있어서, 기준값의 형성이 시간상 선행한 기준값을 고려함으로써 이루어지며, 동시에 이때 고려되는 기간의 길이는 가변적인 것을 특징으로 하는 방법.
23. 제 20 항 내지 제 22 항 중 어느 한 항에 있어서, 고려되는 기간의 길이는 센서 신호의 시간상 특성변화에 종속되는 것을 특징으로 하는 방법.
24. 제 9 항에 있어서, 센서 신호가 동시에 2가지 상이한 기간에 걸쳐 측정되며, 동시에 더욱 긴 기간에 걸쳐 형성된 평균값으로부터는 지정된 값이 제거되며 그리고 만약 더욱 짧은 기간에 걸쳐 형성된 평균값이 더욱 긴 기간에 걸친 평균화 및 지정된 값의 제거에 의해 생성된 값보다 작다면 스위칭 신호가 야기되는 것을 특징으로 하는 방법.
25. 제 9 항에 있어서 가열 구조의 온도가 주기적으로 현저하게 상승되며, 그리고 온도 상승 전, 상승동안 그리고 상승 후 센서 신호들이 추가의 산화 가능한 혹은 환원 가능한 공기 함유 성분의 존재여부를 정량성 측정하기 위해 비교되는 것을 특징으로 하는 방법.
26. 제 9 항에 있어서, 가스 감지층(33)의 임피던스의 변화가 센서 신호의 형성을 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
27. 제 9 항에 있어서, 가스 감지층(33)의 전기적 저항의 변화가 센서 신호의 형성을 위해 이용되는 것을 특징으로 하는 방법.
28. 제 10 항에 있어서, 기준값에 대해 추가적으로 기준값이 결코 이하로 내려갈 수 없으며, 그리고 센서에 따른 변동에 의해 달성될 수 없는 하한값이 결정되며, 동시에 상기 센서 신호에 할당될 수 있는 가스 농도는 사람에게 연속적으로 손상을 입히지 못하게 되거나 혹은 예컨대 폭발 한계를 모니터링하는 경우에 폭발 한계에 대한 넓은 안전의 간격 내에 위치하는 것을 특징으로 하는 방법.