KR20210148249A - 유체 환경에서 표적 가스 농도를 판정하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents
유체 환경에서 표적 가스 농도를 판정하기 위한 방법 및 시스템 Download PDFInfo
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Abstract
다양한 온도에서 가스 센서의 전기적 특성을 측정하고, 제1 온도와 제2 온도 사이의 전환 동안 측정을 수행하고, 더 자주 측정하고, 가스 센서가 평형 상태에 도달한 시기를 감지하고, 복수의 센서를 사용하고, 오프셋 및 드리프트를 고려하고, 센서가 작동하지 않는 시간을 줄이고, 다양한 알고리즘을 사용함으로써 또는 이들의 조합에 의해 가스 센서의 측정의 효율 및 정확성을 향상시키는 가스 센서를 사용하여 유체 환경에서 표적 가스 농도를 판정하는 시스템 및 방법이 개시된다.
Description
본 발명은 유체 환경에서 가스 농도를 판정하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
다수의 가스 센서가 당업계에 공지되어 있다. 가스 농도는 센서의 전기적 특성(예컨대, 전류, 전압, 정전 용량, 저항 등)의 변화를 관찰하여 측정될 수 있다. 따라서, 저항성 센서, 용량성 센서, 및 트랜지스터와 같은 반도체 센서, 또는 다이오드 센서가 당업계에 공지되어 있다.
특정 예로서, 박막 PdNi 합금 저항기는 수소와 같은 가스를 감지하고 그것의 농도를 측정하는데 사용되고 있다. 수소는 PdNi에 용해되며 박막 PdNi 합금의 저항률은 수소에 노출되면 증가하며 증가량은 수소 분압의 제곱근에 비례한다. PdNi 격자와 같은 몇몇 가스 센서는 H2 농도가 증가함에 따라 저항이 증가하거나 정전 용량 또는 반도체 특성이 변경될 수 있다. 예를 들어, 저항은 PdNi 격자에서 수소의 제곱근에 비례하여 선형적으로 증가할 수 있으며, 이는 차례로 시버트의 법칙(Sievert's law)에 의해 설명된 바와 같이 기체상의 H2 압력과 관련된다.
주어진 애플리케이션에 대해, 가스 감지 시스템은 표적 가스, 예컨대, H2의 압력을 감지하도록 설계될 수 있다. 그러나 표적 가스 압력 외에도, 가스 센서의 측정에 영향을 줄 수 있는 요인이 있을 수 있다. 예를 들어, 가스 센서의 온도가 측정에 영향을 줄 수 있다. 이 문제를 해결하기 위해, 가스 센서를 희망 온도 범위 내로 유지하기 위해 히터가 사용될 수 있다. 온도 외에도, 가스 센서에 적용되는 바이어스 전압 또는 유체 환경의 전체 압력과 같은 다른 요인이 가스 센서 측정에 영향을 미칠 수 있다. 이러한 측정은 또한 노화와 관련된 기준선 드리프트 및 원치 않는 가스의 존재 및 센서 특성의 시프트로 인해 오류가 발생하기 쉽다. 예를 들어, 수소의 분압을 센서의 저항과 연관시키는 테이블이 생성된 경우(저항이 동일한 센서 온도와 연관되어 있는 경우), 시간이 지남에 따라 이러한 연관은 앞서 언급한 예 때문에 더 이상 사실이 아니다. 따라서, 이러한 테이블을 기반으로 한 측정은 오류가 발생한다. 이 문제에 대한 한 솔루션은 교정을 수행하고 2개의 상이한 온도에서 가스 측정을 수행하는 시스템을 사용하는 것이다.
O2와 같은 비 표적 가스도 가스 센서의 측정에 영향을 줄 수 있다. 비 표적 가스의 존재는 적어도 두 가지 방식으로 표적 가스 측정에 영향을 미치거나 방해할 수 있다. 첫째, 센서가 표적 가스와 비 표적 가스 모두에 반응하기 때문에 센서 판독값이 너무 높거나 낮을 수 있다. 이와 관련하여 비 표적 가스의 영향은 표적 가스 판독값에 대한 오프셋으로 간주될 수 있다. 둘째, 비 표적 가스의 존재는 센서가 표적 가스를 측정하는 방식을 변경할 수 있다. 예를 들어, 비 표적 가스는 격자 내부 또는 표면의 수용체 위치를 차지할 수 있다. 이것은 사용 가능한 수용체 위치를 줄여, 센서를 표적 가스에 덜 민감하게 만든다. 다른 예로서, PdNi 가스 센서에서, 격자 내에 산소가 존재하면 센서의 저항 또는 용량 특성에 영향을 미칠 수 있다. 따라서, 산소 투과성 격자는 격자에 산소가 투과되지 않은 경우와 상이한 방식으로 수소의 존재에 반응할 수 있다. 산소가 격자를 투과할 때, 수소가 흡착되어 H2O, OH 등과 같은 분자가 형성된다. 이러한 분자는 그 자체로 가스 센서의 저항 또는 용량 특성에 영향을 줄 수 있다.
비 표적 가스의 영향을 줄이기 위해 시도된 한 솔루션은 그러한 비 표적 가스를 필터링하기 위해 가스 센서에 차단 코팅을 사용하는 것일 수 있다. 그러나, 이러한 필터는 가스 센서의 감도 또는 응답 시간을 감소시킬 수 있다. 다른 시도된 솔루션은 비 표적 가스에 대한 농도 정보를 판정하고 고려하기 위해 비 표적 가스를 명확하게 감지하기 위해 복수의 가스 센서를 사용하는 것일 수 있다. 그러나, 이러한 솔루션은 비용이 많이 들거나 추가적인 시스템 복잡성을 유발할 수 있다. 또 다른 시도된 솔루션은 가스 감지 애플리케이션을 간섭 가스를 포함하지 않는 애플리케이션으로 제한하는 것이다. 드리프트 문제에 대한 솔루션은 드리프트 센서를 수동으로 반복적으로 재교정하는 것이다.
전술한 이유로, 연속적인 또는 최소한으로 중단되는 판독을 제공하며 동시에, 기준 가스를 필요로 하는 교정의 필요성을 줄이거나 제거할 뿐만 아니라 정확도, 응답 시간, 및 수소 측정 및 수소 모니터링 애플리케이션을 위한 정밀도를 유지하거나 초과하는 것과 같은(이에 국한되지 않음) 장점을 가지는, 가스 농도를 정확하고 효율적으로 측정하기 위한 방법 및 시스템이 필요하다.
본 발명은 유체 환경에서 가스 농도 또는 가스 함량을 효율적이고 정확하게 측정할 수 있는 방법 및 시스템에 관한 것이다. 이 방법 및 시스템은 상이한 온도에서 측정을 수행하고, 제1 온도와 제2 온도 간의 전환 동안 측정을 수행하고, 더 자주 측정하고, 가스 센서가 평형 상태에 도달한 시기를 감지하고, 복수의 센서를 사용하고, 오프셋 및 드리프트를 고려하고, 센서가 작동하지 않는 시간을 줄이고, 알고리즘을 사용하고, 또는 이들의 조합을 사용하는 장치 및 기술의 사용을 포함한다. 그 결과, 본 출원의 시스템 및 방법은 일부 수소 측정 및 수소 모니터링 애플리케이션에서 주기적인 교정의 필요성을 줄이거나 없애고, 현재 수소 측정 및 모니터링 제품의 정확도, 응답 시간 및 정밀도를 물리적으로 달성하고, 수소 보고의 갭을 줄이거나 제거한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예이다.
도 2는 데이터 내의 평형 검출기 안정화 플래깅 포인트를 보여준다.
도 3a는 2개의 가스 센서를 사용하는 작동 원리를 보여주며, 여기서 다중 온도(MT) 센서(2개의 온도에서 사용되는 센서)는 단일 온도(ST) 센서(하나의 온도에서 사용되는 센서)에 보정치를 피드 포워딩할 수 있고, ST 센서는 안정성 정보를 MT 센서에 피드백할 수 있다.
도 3b는 2-가스 센서 시스템을 사용하여 가스 농도를 측정하는 방법의 흐름도를 나타내며, 여기서 제1 가스 센서는 단일 온도에서 사용되고 제2 가스 센서는 두 가지 온도에서 사용된다.
도 3c는 듀얼 온도 센서 작동의 상태 머신을 보여주며, 여기서 LT는 "저온 상태", ELT는 "저온 상태 종료", HT는 고온 상태, EHT는 "고온 상태 종료"이다.
도 3d는 듀얼 센서 작동의 예를 보여준다.
도 4a는 복수의 수소 가스 농도에 노출된 가스 센서의 저항 측정을 보여주며, 저항 감지 요소의 온도는 테스트 전반에 걸쳐 사인파에 의해 변조된다.
도 4b는 도 4a의 저항 측정과 관련된 크기-주파수 응답을 보여준다.
도 4c는 도 4b의 크기-주파수 응답의 함수로 수소를 보여준다.
도 4d는 도 4c의 교정 테이블을 사용하여 도 4b의 데이터에서 계산된 수소 농도를 보여준다.
도 4e는 도 4a 및 4b에 도시된 열 정현파 작동 방법을 사용한 수소 농도에 대한 측정의 정확도를 보여준다.
도 5는 각 센서가 MT 모드에서 작동하고 하나의 센서가 항상 활성 상태일 수 있도록 온도 변화가 엇갈리는 2-센서 작동 원리를 보여준다.
도 6a는 2개의 온도에서 작동하는 가스 센서와 관련된 2개의 등온선을 보여주며, 여기서 각 등온선은 조각별 교정에 의해 정해진다.
도 6b는 도 6a에 도시된 두 등온선의 차이와 수소 판독값을 생성하기 위해 델타-R 측정을 조회할 수 있는 방법을 보여준다.
도 6c는 동일한 데이터 세트에 대한 수소 측정 성능의 비교를 보여준다.
도 2는 데이터 내의 평형 검출기 안정화 플래깅 포인트를 보여준다.
도 3a는 2개의 가스 센서를 사용하는 작동 원리를 보여주며, 여기서 다중 온도(MT) 센서(2개의 온도에서 사용되는 센서)는 단일 온도(ST) 센서(하나의 온도에서 사용되는 센서)에 보정치를 피드 포워딩할 수 있고, ST 센서는 안정성 정보를 MT 센서에 피드백할 수 있다.
도 3b는 2-가스 센서 시스템을 사용하여 가스 농도를 측정하는 방법의 흐름도를 나타내며, 여기서 제1 가스 센서는 단일 온도에서 사용되고 제2 가스 센서는 두 가지 온도에서 사용된다.
도 3c는 듀얼 온도 센서 작동의 상태 머신을 보여주며, 여기서 LT는 "저온 상태", ELT는 "저온 상태 종료", HT는 고온 상태, EHT는 "고온 상태 종료"이다.
도 3d는 듀얼 센서 작동의 예를 보여준다.
도 4a는 복수의 수소 가스 농도에 노출된 가스 센서의 저항 측정을 보여주며, 저항 감지 요소의 온도는 테스트 전반에 걸쳐 사인파에 의해 변조된다.
도 4b는 도 4a의 저항 측정과 관련된 크기-주파수 응답을 보여준다.
도 4c는 도 4b의 크기-주파수 응답의 함수로 수소를 보여준다.
도 4d는 도 4c의 교정 테이블을 사용하여 도 4b의 데이터에서 계산된 수소 농도를 보여준다.
도 4e는 도 4a 및 4b에 도시된 열 정현파 작동 방법을 사용한 수소 농도에 대한 측정의 정확도를 보여준다.
도 5는 각 센서가 MT 모드에서 작동하고 하나의 센서가 항상 활성 상태일 수 있도록 온도 변화가 엇갈리는 2-센서 작동 원리를 보여준다.
도 6a는 2개의 온도에서 작동하는 가스 센서와 관련된 2개의 등온선을 보여주며, 여기서 각 등온선은 조각별 교정에 의해 정해진다.
도 6b는 도 6a에 도시된 두 등온선의 차이와 수소 판독값을 생성하기 위해 델타-R 측정을 조회할 수 있는 방법을 보여준다.
도 6c는 동일한 데이터 세트에 대한 수소 측정 성능의 비교를 보여준다.
첨부된 도면과 관련하여 아래에 설명된 상세한 설명은 본 발명의 현재 바람직한 실시예의 설명으로 의도되며 본 발명이 구성되거나 사용될 수 있는 유일한 형태를 나타내도록 의도되지 않는다. 이 설명은 예시된 실시예와 관련하여 본 발명을 구성하고 작동하기 위한 기능 및 단계의 순서를 설명한다. 그러나, 동일하거나 동등한 기능 및 시퀀스가 본 발명의 사상 및 범위 내에 포함되도록 의도된 상이한 실시예에 의해 달성될 수 있음을 이해해야 한다.
본 발명은 참조로서 그 전체가 본 명세서에 통합된 2019년 4월 5일에 출원된 미국 가출원 번호 제62/830,182호에 개시된 바와 같이, 적어도 2개의 상이한 온도에서 가스 센서의 전기적 특성의 변화를 측정함으로써 유체 환경 내의 수소 농도와 같은, 유체 환경 내의 표적 가스 농도를 판정하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 두 가지 상이한 온도에서 가스 센서의 전기적 특성을 측정하는 것은 가스 농도를 계산하거나 단일 온도에서의 가스 센서의 전기적 특성 측정을 교정하거나 수정하는데 사용될 수 있다. 바람직하게는, 시스템 및 방법은 정확도를 손상시키지 않고 연속적으로 가스 농도를 판정할 수 있다. 단지 예로서, 시스템은 참조로서 그 전체가 본 명세서에 통합된 2015년 2월 17일에 출원된 미국 특허 출원 번호 제14/624,400호에 기술된 가스 센서를 포함할 수 있다. 도 1을 참조하면, 일부 실시예에서, 센서 튜브는 가스 센서를 포함하고, 이는 차례로 가스 저항기, 온도 저항기, 및 히터를 갖는 다이를 포함하고, 2개의 가스 센서는 각각의 전자 보드 세트에 연결된다. 가스 저항기는 수소 저항기일 수 있다. 가스 농도를 측정하는 방법은 유체 환경에서 가스 농도를 측정하는 정확도를 향상시키기 위해 단독으로 또는 이들의 임의의 조합으로 사용될 수 있는 아래에 설명된 다양한 기술을 포함한다.
2-온도 과도 가스 계산 특징
유체 환경에서 가스 농도 측정을 개선하는 한 가지 방법은 가스 센서가 두 개의 다른 온도 사이에서 변하는 동안 가스 센서의 전기적 특성(예컨대, 전류, 전압, 커패시턴스, 저항 등)의 동적 측정을 수행하여 시스템 응답(센서(출력)의 전기적 특성이 센서 온도 및 환경 조건(입력)의 함수서로 어떻게 변하는지)을 모니터링하는 것이다. 이 2-온도 작동은 가스 센서가 제1 기간 동안 제1 온도에 있고, 제2 기간(제1 전환 기간) 동안 제2 온도로 전환되고, 제3 기간 동안 제2 온도에 있고, 제4 기간(제2 전환 기간) 동안 제1 온도로 다시 전환되는 것을 포함한다.
대안으로서, 가스 센서는 제4 시간 기간(제2 전환 기간) 동안 제3 온도로 전환될 수 있다. 제3 온도는 제1 온도와 동일할 수도 있고, 또는 제3 온도는 제1 온도와 상이할 수도 있다. 바람직하게는, 제2 온도가 제1 온도로부터의 상승된 온도이면, 제3 온도는 하강된 온도이다. 반대로, 제2 온도가 제1 온도에서 하강된 온도이면, 제3 온도는 제2 온도에서 상승된 온도일 수 있다. 따라서, 온도 변화는 일 파형을 따를 수 있지만 크기 및 주기가 동일할 필요는 없다.
전환 기간 동안, 가스 센서의 전기적 특성은 과도 전기 응답 또는 단순히 과도 응답이라고 하는 과도 상태에 있다. 예를 들어, 가스 센서는 불안정한 과도 응답 중에도 실시간 수소 판독값을 계산하기 위해 분석될 수 있는 변화하는 온도에 대한 과도 저항 응답을 가질 수 있다. 이것은 응답의 크기 및/또는 위상을 분석하여 수행될 수 있다. 시스템 응답은 과도 응답을 포함할 수도 있고 또는 예를 들어, 임의의 저항기가 온도에 따라 저항이 변함에 따라, 온도 변화로 인한 Pd 센서의 저항이 즉시 변경되는 것과 같이, 과도 상태가 없는 응답일 수도 있다. 이것은 또한 수소를 포함하는 경우 Pd 센서에 불안정성을 생성할 수 있으며, 그러면 수소는 격자 안팎으로 천천히 이동하여 2차의 시간 의존적 효과를 가지는 새로운 평형 상태로 이동해야 한다.
과도 전기 응답은 다이의 코팅, 특히 수소 저항기에 크게 의존할 수 있다. 다중 코팅/패시베이션 층이 팔라듐-니켈 격자와 환경 사이와 같은, 다이의 다양한 요소 상에 사용된다. 따라서, 코팅은 과도 응답이 수소 농도를 계산하기 위해 더 쉽게 사용될 수 있도록 수소에 대한 투과성을 갖도록 선택된다. 이 코팅은 측정량(measurand)으로부터 센서로의 또는 센서로부터 측정량으로의 수소 이동을 방해하므로, 코팅은 지연을 추가하고(즉, 시간 상수 추가) 과도 응답에 영향을 준다. 코팅의 두께, 코팅의 밀도 및 느슨하게 또는 엄격하게 제어되는 다수의 다른 파라미터가 해당 시간 상수에 영향을 준다. 과도 시간의 지연 또는 변동은 수소의 존재 또는 부족을 식별하는데 도움을 주기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 수소가 존재하는 경우 다이 온도의 변화에 따라 수소 센서의 스텝 응답에 오버슈트 또는 언더슈트가 존재할 수 있다. 수소 평형 때문에, 센서 요소(예컨대, 팔라듐 니켈 센서)와 주변 수소 사이의 균형이 깨질 수 있으며 시스템이 평형(즉, 측정이 안정적인 경우)에 도달하는데 시간이 걸릴 수 있다. 다시 말해, 도달될 수 있는 격자 내의 평형 저항 또는 정상 상태 거동(예컨대, 수소 분압 및 가스 센서 온도가 일정하게 유지된다고 가정할 때 가스 센서가 충분한 시간이 주어진 때 도달하는 저항)이 존재하고, 그리고 이것은 주변 환경에서 수소의 분압의 함수이다. 환경에서 수소 분압의 변화는 격자로 즉시 변환되지 않으며, 이는 센서 온도 및 코팅의 유전율과 같은 것을 기반으로 새로운 평형에 도달하는데 시간이 걸린다. 이 시간은 수 분에서 수 시간이 될 수 있다. 시스템이 평형에 도달하는데 걸리는 시간은 제어될 수 있으며, 측정 및 환경 분류에 유리하게 사용될 수 있다. 예를 들어, 센서에 수소가 많을수록 평형에 도달하는 시간이 길어진다. 알려진 수소 농도에 대한 과도 응답을 교정함으로써, 측정된 과도 응답의 함수로서 수소를 측정하기 위한 모델(예컨대, 여기에 설명된 사인파 모델)이 개발될 수 있다.
반복 열파형 특징
단순히 센서의 온도를 제1 온도에서 제2 온도로 변경하는 것이 아니라, 가스 센서의 온도는 일정한 변화 상태로 유지된다. 바람직하게는, 가스 센서의 온도는 반복 열 파형이라 지칭되는 패턴으로 반복적으로 변할 수 있다. 이와 같이, 가스 센서의 전기적 특성은 정현파와 같은 반복 열 파형에 대한 일정한 시스템 응답 상태에 있을 수 있다. 과도 응답을 지속적으로 모니터링하고 측정함으로써, STFT(단시간 푸리에 변환) 또는 웨이블릿 분석을 사용하여 과도 응답의 크기 및/또는 위상이 측정될 수 있다. 수소 농도가 과도 응답에 영향을 미치므로, 주파수 응답이 수소를 측정하는데 사용될 수 있다. 이 주파수 응답은 크기-주파수 응답 및 위상-주파수 응답을 포함한다. 수소 농도에 대한 주파수 응답의 크기, 위상 또는 이 둘 모두와 관련된 여러 교정 포인트들은 보간 또는 회귀 함수를 갖는 테이블을 생성하기 위해 사용될 수 있다. 크기-주파수 응답은 여기(excitation)에 대한 응답의 전기적 특성과 관련된 주파수 스펙트럼의 진폭이다. 위상-주파수 응답은 여기에 대한 응답의 전기적 특성과 관련된 주파수 스펙트럼의 위상이다. 단지 예로서, 스펙트럼은 전체 샘플 수(윈도우 길이)에 의해 정해된 특정 기간 동안 특정 속도(샘플 주파수)로 상기 데이터를 샘플링함으로써 응답의 전기적 특성의 데이터를 기록하고, 이산 푸리에 변환(DFT)을 생성하기 위한 고속 푸리에 변환(FFT) 알고리즘을 사용함으로써 생성될 수 있다. 신호의 짧은 세그먼트에 대해 시간적으로 푸리에 변환을 수행하는 프로세스를 STFT(단시간 푸리에 변환)라고 한다. 샘플 주파수 및 윈도우 길이는 원하는 대역폭, 스펙트럼의 분해능, 처리 지연 등에 따라 선택할 수 있다.
전통적인 다중 온도 센서에서, 한 온도에서 다른 온도로의 전환은 전환 후 일정 기간 동안 수소 측정이 부정확해지는 파괴적인 과도 응답을 일으킨다. 파괴적인 과도 응답으로 수소 농도의 인자를 계산하는 것은 매우 어렵다. 반복 열 파형 접근 방식을 사용하는 시스템에서, 이 시스템은 지속적으로 기지의 제어된 열 과도 응답 상태에 있으므로 반복 열 파형의 특성으로 인해 시스템을 특징지을 수 있다. 이 시스템은 비선형일 수 있지만 시스템을 여기시키기 위해 반복되는 열 파형으로 변조될 때 과도 응답의 크기 및 위상 지연은 수소 농도와 연관될 수 있다.
바람직하게는, 사인파 여기(sine wave excitation)는 복수의 주파수를 포함하는 다른 반복 파형의 것보다 수학적으로 더 간단한, 주파수 도메인에서의 시스템 응답을 특징짓는 단일 주파수를 갖는다. 열 사인파에 대한 시스템 응답은 비선형적인 것으로 관찰되었으므로, 이 응답은 복수의 주파수를 포함한다. 여기에 복수의 사인파 주파수를 사용하는 방법은 나중에 논의되지만, 각 사인파와 관련된 주파수는 신중하게 선택되어야 한다. 단일 주파수 여기로부터의 복수의 주파수를 포함하는 시스템 응답을 갖는 것은 여기의 각 주파수 성분이 출력에서 복수의 주파수 응답을 생성할 것이므로 복수의 주파수를 갖는 여기에 응답하는 시스템이 바람직하며, 이는 응답 내의 복잡한 주파수 혼합을 야기한다. 예를 들어, 온도의 스텝 변화를 유도하는 반복 파형은 이론적으로 무한한 사인파를 포함하는 시스템 응답을 생성하여, 응답의 함수로서 계산된 수소에 대해 구현된 모델을 복잡하게 만든다. 복수의 수소 농도에서 열 사인파에 의해 여기되는 가스 센서의 저항성 응답의 예가 도 4a에 도시되어 있다. 이 예에서, 사인파의 주기는 8분이고, 열파형의 진폭은 50℃ 내지 150℃의 범위이다. 도 4a-4d에 도시된 수소 농도는 질소의 배경 가스가 있는 절대 1기압에서의 체적 농도이다.
시스템 응답을 기반으로 한 교정 테이블을 활용하는 모델은 온도 전환으로 인한 과도 상태 동안 수소가 정확하게 계산될 수 없는(또는 적어도 그렇게 하는 것은 매우 어려운) 부정적인 가동 중지 시간 없이 다중 온도 시스템의 베이스라인 드리프트 제거의 이점을 누릴 수 있다. 예를 들어, 반복 열 파형의 한 주기에 포함된 샘플 수와 동일한 윈도우 길이를 갖는 과도 응답의 STFT를 사용함으로써, 그리고 이 예에서 사인파(8분), 여기의 기본 주파수와 관련된 크기는 시간에 걸쳐 측정될 수 있다. 도 4b는 과도 응답을 기반으로 한 계산의 예를 보여주며, 여기서 과도 응답은 도 4a에 표시된 저항성 응답이다. 그 다음, 가스 농도를 주파수 응답(예컨대, 크기-주파수 응답 및/또는 위상-주파수 응답)과 연관시키는 전달 함수 또는 교정 테이블이 생성될 수 있다. 도 4c는 도 4b의 크기-주파수 응답 데이터를 기반으로 생성된 수소에 대한 교정 테이블을 보여준다. 이 모델(도 4c)을 사용하여, 도 4b의 데이터를 사용하여 수소 판독값을 생성할 수 있다. 이것은 도 4d에 도시되어 있다.
이 모델의 장기 정확도는 기본 시스템 응답이 변경되는 경우 영향을 받을 수 있다. 예를 들어, 센서에 부착된 이물질은 응답 시간을 느리게 하여 센서의 특성을 사실상 변경할 것이다. 이를 보상할 방법이 없다면, 수소 판독의 정확도가 저하될 것이다. (도 4e에 표시된 복수의 수소 농도에서 감소된 정확도를 참조할 수 있다.) 또한, 온도 전환으로 인한 수소 계산의 갭은 존재하지 않지만, 여기의 기본 주파수와 주파수 성분을 공유하는 수소 농도의 변화는 수소 계산에 영향을 미쳐 판독값에 원치 않는 스파이크를 유발한다. 이와 같이, 이러한 전환이 발생할 때 이러한 스파이크를 최소화하거나 제거하기 위해 환경이 안정화될 때까지 수소 판독값을 마스킹하는 것과 같은 추가 필터링 및/또는 다른 신호 처리 기술을 추가하는 것이 유리할 수 있다. 이 효과는 적용된 수소 농도가 한 값에서 다른 값으로 전환될 때 수소 판독값에서 큰 스파이크를 볼 수 있는 도 4d에서 관찰할 수 있다. 이러한 스파이크를 최소화하거나 제거하기 위해 추가 필터링 및 신호 처리(마스킹 포함)가 사용될 수 있다.
이 모델을 사용하여 단일 센서 애플리케이션에 대한 시스템 응답의 변화(즉, 시간 상수의 변화)를 수정하는 몇 가지 접근 방식이 존재한다. 한 방법은 최종 사용자가 가스(예컨대, 수소)의 기지의 분압을 센서에 적용하고, 그 장치가 몇몇 주파수 응답을 생성하도록 하고, 그리고 이 데이터를 사용하여 기존 주파수 응답 교정 테이블에 수학적으로 보정을 적용하는 것일 수 있다. 이것은 더 높은 정확도를 위해 수소의 기지의 분압을 추가하여 반복될 수 있다. 이러한 수동 교정은 수소 측정 성능을 유지하기 위해 단일 온도 센서보다 낮은 빈도로 수행된다고 가정한다. 다른 방법은 장치가 자동으로 또는 외부적으로 트리거되도록 하여, 2-온도 작동 방법으로 전환하는 것이다. 이 방법을 사용하면, 정확한 수소 판독값이 캡처될 수 있다. 그 다음, 장치는 열 반복 파형으로 다시 전환하고, 새 주파수 응답을 획득하고, 그리고 수학적으로 기존의 주파수 응답 교정 테이블에 보정을 적용한다. 한 가지 가정은 센서가 노출되는 수소의 분압이 이 프로세스에 걸쳐 일정하다는 것이다. 다른 가정은 이 프로세스가 드물게 수행되며 일부 애플리케이션에서는 2-온도 방법만 사용하는 센서보다 더 나은 성능을 제공한다는 것이다. 2-온도 작동 방법으로 전환하는 동안 수소 판독값에 여전히 갭이 존재할 수 있지만, 이러한 갭은 2-온도 작동 방법에 비해 드물거나, 또는 수소 판독값에 갭을 가지도록 허용 가능한 시간이 존재할 때 트리거될 수 있다.
센서 응답에 주파수 성분을 포함하는 수소 전환의 영향을 줄이거나 제거하는 몇 가지 방법이 존재한다. 앞서 논의한 바와 같이, 이러한 공유 주파수 성분은 크기-주파수 응답 교정 테이블(도 4c)을 사용할 때 수소 계산에 큰 에러를 일으킨다(도 4d에 도시됨). 이 효과를 완화하는 한 가지 접근 방식은 수소 계산에서 큰 변화가 감지되는 경우 최종 수소 계산을 단순히 마스킹하는 것일 수 있다. 단점은 특히 센서 주변의 수소 분압이 더 역동적인 경우 판독값에 갭이 존재한다는 것이다. 대안의 접근 방식은 특정 목표 주파수, 진폭 및 위상에서 복수의 사인파로 센서의 온도를 변조하는 것이다. 최종 반복 열 파형은 각 사인파의 중첩으로 구성되는데, 이는 상기 파형이 사인파의 합으로 정의된다는 것을 의미하고, 각 사인파는 그것의 진폭, 주파수 및 위상에 의해 설명될 수 있다. 이 파형에 대한 시스템 응답은 열 파형(입력)을 구성하는 각 사인파에 대한 시스템 응답(출력)의 중첩으로 구성된다. 열 파형 입력의 주파수가 충분히 분리되어 있으면(즉, 저주파 파형과 고주파 파형이 존재함을 의미), 대역 통과 또는 노치 필터링과 같은 일반적인 신호 필터링 기술을 사용하여 각 입력 주파수에 대응하는 출력이 구별될 수 있다. 수소를 계산하기 위해, 각 주파수는 대응하는 주파수 응답 교정 테이블을 갖는다. 실험에서 더 낮은 주파수 여기가 수소 측정에서 더 나은 분해능을 갖는 것으로 밝혀졌지만, 수소 전환과 더 많은 주파수 성분을 공유하여 전환 중에 더 큰 에러를 야기한다. 복수의 주파수가 사용되는 경우, 이 장치는 더 낮은 주파수 여기의 주파수 응답의 안정성을 분석함으로써, 전환이 감지될 때 더 높은 주파수 여기의 데이터를 사용하도록 전환할 수 있다. 시스템이 다시 안정된 것으로 판정되면, 장치는 더 낮은 주파수 여기의 데이터를 사용하도록 다시 전환한다.
열 반복 파형에서 복수의 여기 주파수를 사용하는 것의 단점은 시스템 응답의 총 에너지가 보존되어야 하고 모든 결과 주파수에 걸쳐 공유되어야 한다는 것이다. 각 주파수에 대응하는 결과 주파수 응답은 단일 주파수(단일 사인파) 여기의 주파수 응답의 신호 에너지의 일부만 포함한다. 이것은 최종 수소 계산의 신호 대 잡음비(SNR)를 줄인다. 신호 에너지는 열 여기의 온도 변화(진폭 또는 최대 및 최소 온도)를 증가시켜 증가될 수 있다. 그러나, 이것은 물리적인 요인(재료의 최대 온도, 환경 온도 등)에 의해 제한된다.
단지 예로서, 온도 변화는 약 섭씨 30도 내지 약 섭씨 180도의 범위일 수 있다. 바람직하게는, 온도 변화는 섭씨 35도 내지 약 섭씨 180도의 범위이다. 보다 바람직하게는, 온도 변화는 섭씨 40도 내지 약 섭씨 180도 범위이다. 실험을 통해, 온도 변화(정현파 진폭)가 클수록 크기-주파수 응답을 사용하는 수소에 대한 민감도가 높아짐을 알게 되었다. 이것은 수소의 분압을 더 쉽게 구별할 수 있게 하였고, 최종 계산에서 노이즈를 감소시켰다. 그러나, 수소에 대한 센서 응답이 온도의 함수이기 때문에(온도가 증가함에 따라 시스템의 시간 상수가 감소함), 시스템 응답은 왜곡된다. 즉, 열 정현파를 이용하여 센서가 여기될 때 일정하게 적용된 수소에 대한 저항의 위상은 일정하지 않다. 위상 지연은 정현파의 저점(온도가 가장 낮은 값에 있음) 동안 증가하고, 위상 지연은 정현파의 피크(온도가 가장 높은 값에 있음) 동안 감소한다. 또한, 센서의 감도는 센서 온도의 함수이다. 이러한 효과의 결과는 저항성 응답 내의 복수의 고조파로 구성된, 여기에 사용되는 열 정현파의 왜곡이다.
시스템은 온도 사이클을 제어하기 위한 제어 루프 및 피드백 루프를 포함할 수 있다. 정현파 방법을 통해, 제어 루프는 정현파 형태의 시간파를 지속적으로 추적한다. 온도 센서는 다이의 온도를 측정하고, 온도 측정값은 디지털 제어 루프에 공급된다. 가스 센서의 희망 온도에 도달하기 위해 정확한 열이 출력되도록 히터를 조정될 수 있다. 히터는 일정한 과도 상태를 사용하도록 컨트롤러를 통해 제어될 수 있으므로 톱니파, 구형파 또는 임의의 무작위 파형을 포함한 임의의 파형이 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 파형의 주기는 고정되지 않을 수 있다. 일부 다중 온도 실시예에서, 반복 파형은 고정된 주기를 갖지 않는다. 일부 듀얼-온도 실시예에서 반복 파형은 고정된 주기를 가질 수도 있고 또는 그렇지 않을 수도 있다. 일부 실시예에서, 진폭, 위상, 파형 및 주기는 시간이 지남에 따라 일정하지 않을 수 있다. 정현파가 몇 가지 용도를 갖지만, 시스템이 히터로부터 구동되고 수소 센서가 노출되는 기체 환경이 측정되는 경우, 응답을 분석하기 위한 다양한 도구들이 사용될 수 있다.
선형 시스템에서, 하나의 주파수로 여기된 경우 출력은 동일한 단일 주파수만을 포함한다. 본 출원의 시스템이 비선형이기 때문에, 하나의 주파수 입력은 복수의 주파수 출력(응답)을 초래한다. 따라서, 본 발명은 진폭, 위상이 다르고 낮은 진폭 또는 전력의 복수의 주파수를 포함할 수 있는 수소 센서의 응답을 유도하기 위해 순수한 사인파를 사용하지만, 이러한 변화는 수소 농도에 대한 진단이 될 것이다. 그러나, 수소 센서의 기본 주파수는 온도 변화(시스템 여기)의 주파수를 따르게 되고, 그것의 진폭은 오리지널 파형, 구동 파형과 관련되어야 한다. 시스템이 비선형이기 때문에, 더 높은 주파수의 고조파도 나타나지만 기본 주파수는 온도 변조의 기본 주파수(가장 낮은 주파수 성분)와 일치할 것이다. 이러한 시스템은 온도로 인한 과도 상태 동안 가스 농도가 계산될 수 없는 갭을 가지지 않는다. 따라서, 온도 간의 반응에 수 분이 걸리고 그 다음 다른 활성 수소 판독값이 발생하기 전에 1분 이상 기다려야 하는 종래의 가스 센서와 달리, 사인파 시스템에서는 가스 측정이 실시간이며 센서 온도가 열 파형에 의해 지속적으로 변조되기 때문에 연속적일 수 있다. 따라서, 연속적인 수소 측정이 이루어질 수 있다. 즉, 측정 사이에 1시간 이상의 갭을 갖는 주기적인 수소 측정과 달리, 수 초 정도로 측정이 이루어지고 있다.
중요한 양태는 다이 상에 열 파형을 강제하는 것과 수소 저항기의 응답을 관찰하는 것에 대한 구별이다. 수소가 존재하지 않는 경우, 수소 저항기의 응답은 구동 파형의 시간 및 주파수에서 스케일된 복제가 될 수 있다. 이동이 거의 없거나 왜곡이 거의 없다. 가스 센서가 수소 환경에 놓인 경우, 파형의 차이가 나타난다. 이러한 차이는 코팅층을 통과하는 수소의 시간 상수 또는 주변 환경과 평형에 도달하는 수소 센서와 관련이 있다. Pd 매트릭스의 온도가 변하면, 수소는 격자 안팎으로 그리고 코팅을 통과하도록 강제된다. 코팅을 통과하는 수소의 속도 및 수소 저항기가 환경과 평형에 도달하는 속도가 사용될 수 있다. 모든 이러한 물리적 프로세스는 시간이 걸린다. 이들 중 일부는 매우 빠르지만, 다른 것들은 측정에 사용되는 작동 주파수 내에 있다. 일부 수소가 적용되어 있는 센서의 크기-주파수 응답 및 위상-주파수 응답은 시스템 동작에 따라 달라지며, 이는 또한 시간 상수를 결정한다. 이 정보에 기초하여 교정 테이블이 생성될 수 있다.
수소 농도 측정을 수행할 수 있는 두 가지 다른 온도를 사용하면 드리프트 또는 오프셋이 최소화되거나 전혀 없는 계산 또는 측정이 가능해진다. 그러나, 정현파 온도 파형을 사용하면 이전에 논의된 환경 환경에서 드리프트가 최소화되거나 전혀 없는 상태에서 수소 농도를 실시간으로 연속적으로 읽을 수 있다. 따라서, 수소 농도의 측정값은 실시간으로 판정될 수 있고 측정값은 온도 전환에 대한 응답으로 인해 최소 갭 또는 갭 없이 판정될 수 있다. 기존 센서에서는, 시스템이 평형에 도달할 시간을 주기 위해 일정 기간이 끝날 때 신뢰할 수 있는 측정값이 판정된다. 이 경우, 센서가 평형에 도달했는지 여부를 판정하는 수단이 필요하다. 정현파 파형을 사용하면, 가스 센서는 더 이상 가스 농도 측정값이 결정되기 전에 평형에 도달할 필요가 없다.
그러므로, 몇몇 실시예에서, 유체 환경에서 표적 가스 농도를 판정하는 방법은 표적 가스 농도의 농도의 함수로서 변화하는 전기적 특성을 갖는 가스 센서를 유체 환경에 노출시키는 단계, 가스 센서의 온도를 변조하는 단계로서, 상기 변조는 전기적 특성에서 시스템 응답(예컨대, 과도 응답)을 유도하는 반복 열 파형의 형태인, 상기 변조하는 단계, 상기 가스 센서의 온도를 변조하는 단계 동안 전기적 특성을 모니터링하는 단계, 및 가스 센서의 전기적 특성의 주파수 응답의 함수로서 표적 가스 농도를 계산하는 단계를 포함한다. 주파수 응답은 전기적 특성의 크기-주파수 응답, 전기적 특성의 위상-주파수 응답, 또는 전기적 특성의 크기-주파수 응답과 위상-주파수 응답 모두일 수 있다.
바람직하게는, 반복 열 파형은 사인파이다. 일부 실시예에서, 반복 열 파형은 단일 주파수 사인파 여기에 의해 생성된다. 일부 실시예에서, 반복 열 파형은 복수의 중첩된 사인파 주파수에 의해 생성되며, 여기서 각각의 사인파 주파수는 대응하는 주파수 응답 교정 테이블(예컨대, 크기-주파수 응답 및/또는 위상-주파수 응답)을 갖는다. 복수의 사인파는 제1 주파수 세트를 갖는 제1 사인파 세트 및 제2 주파수 세트를 갖는 제2 사인파 세트를 포함하며(여기서, 각 사인파 세트는 크기-주파수 응답 교정 테이블 및/또는 위상-주파수 응답 교정 테이블과 같은 주파수 응답 교정 테이블을 가진다), 여기서 제1 주파수 세트는 제2 주파수 세트보다 낮고(즉, 제1 주파수 세트의 주파수 값 또는 주파수 값의 범위는 제2 주파수 세트의 주파수 값 또는 주파수 값의 범위보다 낮고), 그리고 표적 가스 농도의 계산은 제1 주파수 세트 또는 제2 주파수 세트 중 하나의 주파수 응답(예컨대, 크기-주파수 응답 및/또는 위상-주파수 응답)에 기초한다. 예를 들어, 표적 가스 농도는 제1 주파수 응답 세트 또는 제2 주파수 응답 세트를 기초로 할 수 있다. 즉, 하나의 주파수 세트에 대한 주파수 응답이 걸러질 수 있다. 저주파와 고주파 사이의 컷오프는 가스 측정 또는 계산의 정확도를 향상시키기 위해 결정될 수 있다.
시스템 응답을 기반으로 한 교정 테이블이 생성될 수 있다. 바람직하게는, 이 교정 테이블은 시스템 응답의 단시간 푸리에 변환을 사용하여 측정된 주파수 응답(예컨대, 크기-주파수 응답, 위상-주파수 응답, 또는 이 둘 모두)과 가스 농도를 연관시킴으로써 생성된다. 이 테이블을 사용하여, 특정 환경 조건에서 시간이 지남에 따라 정확도가 떨어지지 않도록 하여 수소 판독값이 생성될 수 있다.
일부 실시예에서, 가스의 기지의 부압을 센서에 적용함으로써 시스템 응답의 시프트를 수정하는 것, 센서가 제2 주파수 응답(예를 들어, 크기-주파수 응답, 위상-주파수 응답, 또는 이 둘 모두)을 생성하게 하는 것, 및 제2 주파수 응답에 기초하여 교정 테이블에 수정을 적용하는 것이 포함된다.
일부 실시예에서, 교정 테이블은 센서가 제2 주파수 응답을 생성하도록 하는 단계, 2개의 온도에서 작동하도록 가스 센서의 작동 모드를 변경하는 단계; 가스 센서가 유체 환경에 노출되는 동안 제1 온도와 제2 온도 사이에서 가스 센서의 온도를 교대로 제어하는 단계(여기서, 가스 센서의 온도는 제1 기간 동안 제1 온도로 유지되고, 제2 기간 동안 제1 온도에서 제2 온도로 온도를 전환되고, 제3 기간 동안 제2 온도로 유지된다); 제2 및 제4 기간 동안 가스 센서의 전기적 특성을 모니터링하는 단계; 전기적 특성의 함수로서 가스 농도를 계산하는 단계; 및 제2 주파수 응답 및 계산된 가스 농도에 기초하여 수정을 계산하는 단계에 의해 수정될 수 있다.
여기에 설명된 시스템 및 방법을 활용하여 가스 농도는 실시간으로 연속적으로 계산될 수 있다.
평형 검출기 특징
일부 실시예에서, 정확한 가스 농도 판독을 달성하기 위해, 환경은 안정되어야 하고 센서 시스템은 평형 상태에 있어야 한다. 그러나, 일정한 온도로 유지되는 시간(위에서 설명한 제1 및 제3 기간)은 센서의 평형 상태에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 하나의 온도로 유지되는 시간은 평형에 도달하는 환경 및 시스템에 따라 달라지며 이는 알 수 없다. 종래의 시스템은 시간 기반이며 자동 교정을 위해 다중 온도 작동을 사용하고, 정확한 교정치를 계산하기 위해 각 센서 온도에 해당하는 센서 측정이 평형 상태에 있어야 하지만, 시스템 및 환경이 평형 상태에 도달했는지 여부는 알 수 없다. 다중 온도 스타일 자동 교정이 수행되어 센서에 대한 잠재적 교정치를 생성한다. 환경이 평형 상태가 아니거나 센서 온도 변화에 대한 반응으로 센서가 평형 상태가 아닌 경우, 교정이 정확하지 않을 것이다. 따라서, 교정 결과가 의미가 있는지 여부를 판정해야 하며, 필요에 따라 교정이 승인되거나 거부된다. 즉, 센서 측정 데이터로부터 산출된 교정치가 정확한지 여부는 센서 측정 데이터를 획득한 후에 일부 또는 전부에 대한 판단이 이루어진다. 교정치가 정확하지 않다고 나타나면, 센서 측정 데이터는 사용되지 않고 교정은 다시 시도되어야 한다. 이 접근 방식을 사용하면, 시스템이 매우 오랜 시간 동안 안정적으로 유지되고 다중 온도 방정식에 대한 측정이 예정보다 일찍 수행될 수 있는 기간이 종종 존재한다. 다른 시간에는 시스템이 상당히 안정적이지 않았지만 평형에 도달하기 직전에 온도 전환이 예정되어 있어, 측정값을 획득하려는 시도를 사실상 낭비한다. 평형 검출기를 사용하면 한 온도에서 측정을 수행하고 다음 온도로 이동하기 전에 시스템 및 환경이 평형에 도달했는지 여부를 먼저 판단하여 포스트-센서 측정 데이터 수집 판단 요소가 제거되어, 교정이 정확하고 시간이 낭비되지 않을 것임이 보장된다.
현재, 시스템이 평형 상태에 도달했는지 여부는 시간 기반이다. 시스템이 센서 온도 변화에 반응하여 평형 상태에 도달하는데 할당된 시간은 고정되어 있으며, 대부분의 센서가 평형 상태에 도달하는데 충분한 시간을 갖도록 설정된다. 이 고정 시간은 실험 데이터를 기반으로 한다. 그러나, 환경의 변화로 인해 판독값이 불안정해질 수 있으며, 시스템이 안정화되는데 더 많은 시간이 필요하지만, 이 정보는 현재 구현에서 엄격하게 사용되지는 않는다.
가스 센서의 가열 요소가 온도를 조절할 수 있지만, 다이 온도에 대한 조절은 다이의 온도 센서에서 수행되며, 다이의 해당 부분은 오퍼레이션의 모든 부분 또는 단계와 동일한 온도가 아닐지라도 특정 온도로 유지되지만, 이것은 전형적으로 특정 시퀀스를 거친다. 따라서, 센서가 제1 기간 동안 한 온도에 있은 후, 제2 기간 동안 제2 온도로 이동하여 다중 온도 시스템의 전체 주기를 얻고 측정을 수행할 수 있지만, 기존 프로그램은 불안정성이 감지되면 온도 기간의 일정을 변경할 수 있다. 이러한 불안정성은 환경 온도의 큰 변화 또는 센서의 측정된 전기적 특성의 큰 변화를 포함할 수 있으며, 상기 파라미터의 임계값은 실험을 통해 결정된다. 예를 들어, 시스템은 제2 온도 조건과 관련된 센서 측정 데이터를 신속하게 획득하기 위해, 제1 온도에서의 제1 시간 기간이 정상적으로 스케줄링될 때 제2 온도에서의 제3 시간 기간을 반복할 수 있다. 이것은 자동 교정이 정상적으로 예정된 모든 기간을 진행하는 것보다 더 빨리 계산될 수 있도록 수행될 수 있다(제1 온도로 전환하는 제4 기간, 이어서 제1 온도에서의 제1 기간으로 전환하고, 그 다음 제2 온도로 전환하는 제2 기간, 그리고 마지막으로 제2 온도에서의 제3 기간을 반복할 수 있다). 따라서, 이러한 제어 포인트는 종래의 시스템에서 고정된 타이밍이다.
그러나, 적응형 평형 검출기는 몇 가지 고유한 특성을 제공하며 미지의 타이밍 요인을 제거하는데 도움이 된다. 예를 들어, 평형 검출기는 수소 저항기의 상태를 나타낼 수 있다. 본 발명에서, PID 타입 히터 제어 루프는 센서의 온도를 변화시키기 위해 사용된다. 평형 감지기는 온도 변화에 반응하여 가스 센서가 평형 상태에 도달했는지 여부 및 센서가 설정된 환경이 평형 상태에 도달했는지 여부를 판정한다. 평형 상태를 판정하는 방법은 온도, 저항 및 센서를 가열하기 위해 공급되는 전력과 같은 센서의 물리적 측정값 뿐만 아니라 센서가 사용하는 모델을 사용하여 계산된 수소 판독값 및 모델 내에서 상기 수소 판독값을 생성하는 파라미터와 같은 더 높은 수준의 정보를 기반으로 한다. 이러한 속성은 필터링 또는 평균화, 분산(또는 관련 메트릭) 계산 등과 같은 기술을 사용하여 통계적으로 분석 및 처리될 수 있다. 이러한 메트릭은 시간 경과에 따른 변화(1차 미분), 시간 경과에 따른 변화의 변화(2차 미분) 등과 같은 추가 메트릭을 생성하기 위해 새로운 데이터가 캡처될 때 업데이트될 수 있다. 이러한 메트릭의 임계값은 실험적으로 결정되며 원하는 애플리케이션의 정밀도 요구사항에 따라 달라진다.
예를 들어, 가스 센서의 다이 온도가 변할 수 있고, 또는 환경의 가스 농도가 변할 수도 있다. 센서가 평형 상태인지 여부를 알 수 있으려면, 펌웨어 내의 루틴이 앞서 설명된 메트릭을 볼 수 있고, 실험적으로 결정된 임계값을 기반으로 센서가 평형 상태에 있는지 여부를 판정할 수 있다. 도 2는 센서 온도의 변화 뿐만 아니라 수소의 변화 후에 센서가 평형에 도달하는 시점을 판정하는 평형 검출기의 예를 보여준다.
따라서, 몇몇 실시예에서, 유체 환경에서 표적 가스 농도를 판정하는 시스템 및 방법은 표적 가스 농도의 함수로서 변화하는 전기적 특성을 갖는 가스 센서를 유체 환경에 노출시키는 단계; 상기 가스 센서가 유체 환경에 노출된 동안 제1 온도와 제2 온도 사이에서 가스 센서의 온도를 교대로 제어하는 단계로서, 여기서 가스 센서의 온도는 제1 기간 동안 제1 온도로 유지되고, 제2 기간 동안 제1 온도에서 제2 온도로 전환되고, 제3 기간 동안 제2 온도로 유지되고, 제4 기간 동안 제2 온도에서 제3 온도로 전환되는 것인, 상기 가스 센서의 온도를 교대로 제어하는 단계; 제2 및 제4 기간 동안 가스 센서의 전기적 특성을 지속적으로 모니터링하는 단계; 및 온도가 제1 온도와 제2 온도 사이에서 전환될 때, 제2 및 제4 기간 동안 측정된 가스 센서의 전기적 특성의 시스템 응답(예를 들어, 과도 응답)의 함수로서 가스 농도를 계산하는 단계를 포함한다. 판독 정확도를 더욱 향상시키기 위해, 이 시스템은 평형 감지기를 통해 가스 센서가 평형 상태에 도달했는지 여부를 판정할 수 있다.
듀얼 센서 기능
일부 실시예에서, 온도를 변경하는 하나의 가스 센서를 갖는 것보다, 2개의 가스 센서가 병렬로 사용될 수 있다. 일부 실시예에서, 듀얼 온도 센서로부터의 수소 판독은 그것이 온도를 전환할 때마다 중단된다. 그것이 다중-온도 방정식을 사용하기 때문에, 그것의 정확도는 시간이 지남에 따라 저하되지 않지만, 그것은 온도 전환에 대한 응답으로 인해 판독값에 갭을 가질 수 있다. 그 대신, 단일 온도 센서(온도 전환을 갖지 않음)가 사용될 수 있는데, 이것은 실시간 판독값(예컨대, 본 발명에서 약 1 샘플/초 판독값)을 갖지만, 그것이 온도 사이클을 끝낼 때마다 임의의 베이스라인 센서 드리프트를 보정하기 위해 제2 센서로부터 실제 수소 판독값을 얻으며, 온도 사이클은 한 시간에 한번 내지 수 일마다 한번 중 임의의 위치에서 일어날 수 있다. 듀얼 온도/다중 온도 센서가 보정을 전송하기 전에 단일 온도 센서의 정확도가 애플리케이션 사양을 벗어날만큼 저하되지는 않을 것이라고 가정한다.
제1 센서는 단일 온도(단일 온도 센서)에서 작동하여 중단 없이 지속적으로 수소를 측정할 수 있다. 제2 센서는 2-온도 방법(2-온도 센서)을 사용하여 수소를 계산하여, 제1 기간 동안 제1 온도에 있고, 제2 기간 동안 제2 온도로 전한되고, 제3 기간 동안 제2 온도에 있고, 그리고 제4 기간 동안 제3 온도로 다시 전환된다. 제3 온도는 제1 온도와 동일한 온도일 수도 있고, 또는 상이한 온도일 수도 있다. 제2 센서가 (불안정, 산화, CO 또는 H2S와 같은 간섭 가스로 인한) 시간 경과에 따른 드리프트를 설명할 수 있으나, 간헐적이지만 신뢰할 수 있는 수소 측정값만 가지기 때문에, 이러한 측정값을 제1 센서에 대한 교정치로서 전달할 수 있다. 즉, 각각의 자동 교정이 완료되면, 제2 센서에서 제1 "라이브" 센서로 정보가 피드 포워딩된다.
도 3a는 수소 농도 판독값을 나타내는 제1 센서(하부 곡선) 및 제1 센서의 출력을 교정하는데 사용되는, 2-온도 방법을 사용하는 가스 센서의 결과를 나타내는 제2 센서(상부 구형파)를 갖는 듀얼 센서 실시예의 출력 예를 보여준다.
도 3b는 프로세스를 보여주는 흐름도를 보여준다. 프로세스가 시작되면, 시스템은 제1 및 제2 가스 센서가 평형 상태에 있는지 판정한다. 그렇지 않은 경우, 이 시스템은 대기하고 두 센서 모두가 평형 상태에 도달했는지 계속 확인한다. 가스 센서가 평형 상태에 도달한 때, 제1 가스 센서(단일 온도 센서)의 수소 농도 판독값이 기록되고, 제2 가스 센서(2-온도 센서)의 저항(또는 일부 다른 전기적 특성)이 기록된다. 그 다음, 가스 센서가 마지막으로 평형 상태에 있었던 시간이 판정된다. 가스 센서에 대한 마지막 평형 상태 이후 시간이 미리 결정된 시간보다 크다면, 임의의 이전 판독값이 무효화된다. 그 다음, 제2 가스 센서는 다른 작동 온도(즉, 이전에 제1 온도로 작동했다면 제2 온도)로 전환하고, 센서가 다시 평형 상태에 있는지 여부를 판정하는 단계와 함께 프로세스가 반복된다. 전체 사이클로부터 유효한 판독값이 존재하는 경우(제2 가스 센서는 두 온도 각각으로부터의 판독값을 기록하고 제1 센서는 제2 가스 센서의 두 온도 각각과 관련된 수소 판독값을 기록함), 보정치 계산이 시작될 수 있다. 먼저, 제1 가스 센서의 이전 판독값으로부터의 가스 농도의 변화(예컨대, 수소 농도의 백분율 변화)가 계산된다. 그 다음, 제1 센서의 가스 농도 변화에 대응하는 제2 가스 센서의 전기적 특성(예컨대, 저항)의 변화가 계산된다. 그 다음, 제2 가스 센서는 제1 가스 센서에 의해 기록된 수소 변화 및 제2 가스 센서의 온도 변화로 인한 저항 변화에 기초하여 가장 최근의 센서 온도와 관련된 수소 농도를 계산할 수 있다. 2-온도에 의해 계산된 이 수소 농도는 단일 온도 센서에 의해 계산된 수소 농도보다 더 정확한 것으로 간주된다. 단일 온도 센서와 이 판독값 간의 차이가 있는 경우, 그것은 단일 온도 센서 내의 에러로 간주된다. 단일 온도 센서 판독값에서 이 에러를 무효화하는 보정 계수가 계산되어 그것의 수소 판독값에 혼합된다. 제2 가스 센서는 그것의 다른 작동 온도로 전환되고 프로세스가 반복된다.
도 3c에 도시된 바와 같이, 제2 가스 센서는 평형 검출기의 판단에 의해 저온 상태의 끝(ELT)에 도달한 때, 고온 상태(HT)로 전환된다. 고온 상태의 끝(EHT)은 평형 검출기에 의해 다시 판정되고 저온 상태(LT)로 다시 전환되고 프로세스가 반복된다.
도 3d는 이 프로세스의 실험 데이터를 보여준다. 이 도면은 세 가지 데이터 세트를 포함하는데, 2-온도 센서의 라이브 수소 계산(MT 센서 판독값), 2-온도 센서에 대한 다중 온도 방정식을 사용한 수소 계산(계산됨), 단일 온도 센서의 실시간 수소 계산이다. 센서는 복수의 수소 농도(5% H2/N2, 2% H2/N2, 5% H2/N2, 1% H2/N2, 모두 1기압 절대 압력)에 노출되었다. 2-온도 센서의 실시간 수소 계산(MT 센서 판독값)을 보면, 판독값의 스파이크를 때때로 볼 수 있다. 이러한 스파이크는 온도 전환의 결과이며 센서의 응답 시간, 온도 변화의 크기 및 Pd 격자 내의 수소에 따라 수 분에서 수 시간까지 지속될 수 있다. 2-온도 센서에 대한 다중 온도 방정식으로부터의 수소 계산(계산됨)은 실시간 판독값보다 훨씬 덜 자주 업데이트되는 것을 볼 수 있다. 판독값의 업데이트는 2-온도 센서의 온도 상태의 끝에서만 발생할 수 있고, 이는 앞서 언급한 스파이크를 마커로서 사용하여 도면에서 볼 수 있다. 앞서 언급했듯이, 다중 온도 방정식으로부터 계산된 수소 판독값의 이러한 덜 빈번한 업데이트는 정확한 것으로 간주되며 시간이 지남에 따라 저하되지 않는다. 이것으로부터 이점을 얻기 위해, 이러한 계산이 업데이트될 때, 이들은 실시간 단일 온도 센서 판독값(ST 센서 판독값)으로 피드 포워딩된다. 온도 사이에 수소 농도가 변경되었을 때 다중 온도 방정식을 사용할 수 있도록 하려면, 단일 온도 센서는 다중 온도 방정식에 사용된 저항 측정값과 관련된 수소 변화를 기록해야 한다. 이는 아래의 '단일 온도 센서 피드백 특징'에 보다 상세하게 설명된다.
따라서, 일부 실시예에서, 유체 환경에서 표적 가스 농도를 판정하는 시스템 및 방법은 표적 가스 농도의 함수로서 변화하는 전기적 특성을 가지는 제1 가스 센서를 유체 환경에 노출시키는 단계; 표적 가스 농도의 함수로서 변화하는 전기적 특성을 갖는 제2 가스 센서를 유체 환경에 노출시키는 단계; 제2 가스 센서가 유체 환경에 노출되는 동안 제1 온도와 제2 온도 사이에서 제2 가스 센서의 온도를 교대로 제어하는 단계로서, 여기서 제2 가스 센서의 온도는 제1 기간에 걸쳐 제1 온도로 유지되고, 제2 기간 동안 제1 온도에서 제2 온도로 전환되고, 제3 기간 동안 제2 온도로 유지되고, 그리고 제4 기간 동안 제2 온도에서 제3 온도로 전환되는 것인, 상기 제2 가스 센서의 온도를 교대로 제어하는 단계; 제2 및 제4 기간 동안 제2 가스 센서의 전기적 특성을 모니터링하는 단계; 및 제1 가스 센서의 전기적 특성의 함수로서 표적 가스 농도를 계산하는 단계를 포함하고, 제2 가스 센서로부터의 데이터는 제1 가스 센서의 베이스라인 센서 드리프트를 보정하는 데 사용된다. 바람직하게는, 제1 가스 센서는 단일 온도에서 작동한다.
반복 열 파형을 사용하는 제2 센서
앞서 설명한 듀얼 센서 기능은 반복 열 파형 기능과 결합될 수 있으므로, 제 2 센서는 2-온도 방법을 활용하는 대신, 제2 센서가 앞서 설명한 정현파와 같은 반복 열 파형에 대한 일정한 과도 응답 상태에 있을 수 있다. 제2 가스 센서는 보정을 제1 가스 센서에 전달하여 제1 센서가 교정된 상태를 유지하게 한다.
단일 온도 센서 피드백 특징
일부 실시예에서, 단일 온도 센서, 듀얼 온도 센서, 또는 함께 작동하는 자동 교정 센서를 사용하여 환경의 변화를 설명할 수 있다. 예를 들어, 단일 온도 센서는 수소의 변화가 발생하는 경우 (예컨대, 저항 측정 및 교정 테이블을 사용하여 그것을 측정함으로써) 수소의 변화를 보여줄 수 있으며, 수소의 변화를 알고 수소의 변화를 정량화함으로써 다중 온도 보정치가 계산될 수 있다. 다중 온도 방정식이 유효하려면, 저항 측정값이 동일한 수소 분압에 대응하는 두 온도와 관련된다고 가정한다. 즉, 수소의 분압이 두 측정값 사이에서 변경된다면 방정식을 사용한 수소 계산이 올바르지 않을 것이다. 그러나, 단일 온도 센서가 존재한다면, 그것은 듀얼 온도 센서가 두 센서 각각에서 저항을 기록하는 기간 동안 수소 분압의 변화를 추적할 수 있다. 단일 온도 센서에 의해 임의의 변화가 감지되면, 듀얼 온도 센서는 자체 교정 정보를 사용하여 저항 측정값 중 하나를 조정할 수 있다. "보정된" 저항 값은 수소 농도가 변경되지 않았을 때의 저항값으로 조정된다. 이것은 단일 온도 센서가 변화를 추적할 수 있는 반면 듀얼 온도 센서는 온도 변화에 반응하고 그 변화를 추적할 수 없기 때문에 이것만 알 수 있다. 따라서, 센서들 중 하나로부터의 데이터는 다른 센서에서 사용될 수 있다. 예컨대, 제1 가스 센서가 제2 가스 센서에 제1 가스 센서에서 감지된 수수 분압의 변화를 보고한다.
즉, 2-센서 방식은 다시 2-온도 방식을 사용하는 제2 센서와 함께 사용될 수 있지만, 수소의 분압이 제2 센서의 제1 기간(온도 1)의 평형 상태와 제2 센서의 제3 기간(온도 2)의 평형 상태사이에서 변한다면, 제1 센서는 수소 분압 변화의 크기를 제2 센서로 전달할 수 있다. 이 변화는 제2 센서의 두 온도 중 하나에서 수소에 대한 감도를 사용하여 보상될 수 있고, 그러므로 제2 센서가 드리프트를 제거할 수 있는 방식으로 자동 교정을 여전히 수행할 수 있게 된다. (제1 "라이브" 센서에서 제2 센서로 정보가 피드백되어, 제2 센서가 환경 변화에도 불구하고 그것의 자동 보정을 완료할 수 있게 된다.) 이를 수학적으로 설명하면 다음과 같다.
여기서, X0 및 Y0은 각각 실제 적용된 수소 분압 값과 연관된 ST 센서의 수소 분압 판독값, X 및 Y에 오프셋, Coffset을 더한 것이다. 또한 X0은 MT 센서가 온도 T2에 있을 때의 판독값이고 Y0은 MT 센서가 온도 T1에 있을 때의 판독값이다.
여기서, mT2 및 bT2는 T2 등온선과 관련된 감도 및 오프셋이고 mT1 및 bT1은 T1 등온선과 관련된 감도 및 오프셋이다. 또한, RT2를 온도 T2에서 수소 X의 부분압과 관련된 측정된 저항이라고 하고, RT1을 온도 T1에서 수소 X의 부분압과 관련된 미지의 저항이라고 하자.
이것들을 결합하여 아래의 다중 온도 방정식으로 X를 풀 수 있다.
마지막으로
여기서, R'은 수소 농도 Y가 적용될 때 온도 T1에서 MT 센서가 취한 실제 측정된 저항 값이다.
ST 센서에서 측정된 수소 분압의 차이를 취하면 오프셋이 제거되고 다음 방정식이 생성된다.
미지의 X가 알려진 값으로만 풀어졌다. 다른 등온선도 유사한 방식으로 그것을 푸는데 사용될 수 있다. 따라서 오프셋은 서로 상쇄된다.
듀얼-2-온도 센서 특징
일부 실시예에서, 전술한 바와 같은 2개의 센서가 사용될 수 있지만, 2개의 센서 모두 2개의 온도 수소 측정 방법을 사용할 수도 있다. 도 5에 도시된 바와 같이, 각 센서의 주기는 엇갈리거나 오프셋되어 라이브 센서는 항상 제1 기간(온도 1) 또는 제3 기간(온도 2)에 있고, 다른 센서는 전환 기간(제2 또는 제4 기간)에 있다. 라이브 센서는 그들의 상태가 전환될 때마다 제1 가스 센서(상부 구형파) 및 제2 가스 센서(하부 구형파) 사이에서 교대한다. 따라서, 한 센서가 변화하는 수소를 계산하기 더 어려운 과도 응답을 겪을 때 다른 센서는 평형 상태에 있다. 두 가스 센서 판독값의 결과가 결합되면, 연속 가스 농도 판독값이 표시된다(하단 선).
따라서, 제1 가스 센서가 2개의 온도에서 작동하는 일부 실시예에서, 가스 농도를 측정하는 단계는 제1 가스 센서가 가스에 노출되는 동안 제1 가스 센서의 온도를 제1 온도와 제2 온도 사이에서 교대로 제어하는 단계를 더 포함하고, 제1 가스 센서의 온도는 제1 기간 동안 제1 온도로 유지되고, 제2 기간 동안 제1 온도에서 제2 온도로 전환되고, 제3 기간 동안 제2 온도에서 유지되고, 제4 기간 동안 제2 온도에서 제3 온도로 전환되고, 제1 가스 센서 및 제2 가스 센서의 온도는 제1 가스 센서가 제1 가스 센서의 제1 기간 또는 제3 기간에 있을 때, 제2 가스 센서가 제2 가스 센서의 제2 기간 또는 제4 기간에 있도록 엇갈리게 된다. 즉, 제1 가스 센서가 제1 기간에 있을 때 제2 가스 센서는 제2 기간(전환 기간)에 있고, 제1 가스 센서가 제2 기간에 있을 때(전환 기간), 제2 가스 센서는 제1 기간(또는 제3 기간)에 있다.
2차 등온선 특징
일부 실시예에서, 2-온도 방법이 사용될 수 있지만, 저항을 각각의 등온선에서 수소의 함수로 설명하기 위해 선을 사용하는 대신에, 2차 다항식이 사용된다. 두 온도로부터의 오프셋(cT1 및 cT2)은 아래에 수학적으로 설명된 바와 같이 제거될 수 있는데, 여기서 두 온도에서의 저항(RT1 및 RT2)은 일정한 센서 온도, T1 또는 T2에서 주어진 수소 분압의 함수, 
로서 각각의 온도에 대한 3개의 개별 계수 aT1 및 aT2, bT1 및 bT2, cT1및 cT2로 정해지는 2차 함수이다
그 다음, 이 식을 선형으로 뺄셈하면,
수소 부분압 
에 대해 풀면, 2개의 해가 존재한다.
등온선의 작동 영역에 가장 가까운 해는 아래에 제공된다(다른 해는 등온선 오목도에 관계없이 음수 또는 극도로 큰 수소 분압 계산을 초래함).
조각별 선형 등온선 특징
시스템의 감도는 가스 센서의 저항(또는 기타 전기적 특성)이 수소 함량에 따라 얼마나 효과적으로 변하는지를 나타낸다. 센서의 감도는 수소 함량의 전체 범위에서 반드시 일정하지는 않다. 다른 수소 함량에 노출되면 가스 센서의 감도가 다를 수 있다. 따라서, 테스트된 환경의 수소 함량을 기반으로 하는 변화하는 감도를 고려하는 것이 유익하다.
가스 센서의 감도에 영향을 미치는 요소에는 센서의 구성(예컨대, 팔라듐/니켈 비율) 및 가스 센서의 온도가 포함된다. 센서에 팔라듐이 많을수록 수소를 통해 저항이 더 많이 변한다 따라서, 가스 센서의 감도가 증가한다. 또한, 온도가 낮을수록 가스 센서가 더 민감해진다. 팔라듐 함량 및 작동 온도는 제품 애플리케이션의 성능 요구사항에 따라 결정될 수 있다.
2-온도 방법은 사용 가능한 최상의 정보가 주어지면 센서가 측정하는 수소의 분압에 기초하여 2개의 등온선(주어진 온도에서 수소 분압의 함수인 저항)의 감도와 절편(intercept)을 사용함으로써 사용될 수 있다. 즉, 수소의 전체 범위에 걸쳐, X0과 X1 사이의 농도에 대해, 감도 및 절편 A0을 사용하고, X1과 X2 사이의 농도에 대해 감도 및 절편 A1을 사용하는 방식이다.
도 6a-6c를 참조하면, ΔR(RT2-RT1)이 영역 3의 ΔR 범위에 속하는 경우:
위에 표시된 표준 다중 온도 방정식이 여전히 적용되지만, 값 G3_T1, G3_T2, Rbase_3T1 및 Rbase_3T2 는 모두 조각별 테이블의 특정 조각 또는 영역에 대응한다. ΔR(RT2 - RT1)이 상이한 영역에 속하는 경우, 해당 영역과 관련하여 전술한 변수들이 사용될 것이다. 이러한 변수는 교정에서 결정된다.
ΔR(RT2 - RT1)이 어느 영역에 속하는지 판정하기 위해, 등온선의 차이는 도 6b에 도시된 바와 같이 취해질 수 있다.
도 6c는 등온선을 보간하는 다양한 방법의 비교 및 조각별 선형 핏을 사용하는 단일 온도 센서의 교정 테이블과의 비교를 보여준다. 등온선에서 표준 선형 회귀를 사용하면 조각별 선형(도 6b 참조) 또는 2차 회귀(2차 다항식 회귀)를 사용하는 것과 비교하여 모델에서 훨씬 더 많은 에러가 발생할 수 있음을 알 수 있다.
조각별 2차 등온선 특징
본 발명의 또 다른 특징은 2차 다항식 등온선을 사용하지만 조각별 선형 등온선에 설명된 바와 같이 수소의 다른 영역에 대해 다양한 계수 세트를 사용하는 것이다.
일반 비선형 교정 특징
등온선은 n차 다항식, 멱함수 또는 유사한 비선형 함수로 설명될 수 있다. 이러한 등온선에 대한 계수는 일반적으로 베이스 저항 및 감도의 함수로서 웨이퍼에 대해 결정될 수 있다. 교정하는 동안, 비선형 등온선 함수는 두 포인트(기지의 수소 분압 및 저항)을 사용하여 교정될 수 있으며, 선형 변환을 사용하여 두 포인트를 피팅하도록 계수를 조정할 수 있다.
다중 온도 제한 전환 특징
2-온도 작동은 제1 온도와 제2 온도 사이에 상당한 온도 차이를 필요로 하므로 온도 상태 사이의 전환 기간이 수소 센서의 바람직하지 않은 과도 응답을 유도하여, 일반적으로 측정 능력을 저하시키거나, 또는 최악의 경우 측정 능력을 잃게 된다. 대안으로서, 온도 A와 온도 A+N 사이에 n개의 온도 상태가 추가되어, 한 번에 온도의 작은 증가 또는 감소만 발생하도록 하여 바람직하지 않은 과도 응답의 크기를 줄일 수 있다. 즉, 센서는 제1 기간 동안 온도 A에 있을 수 있으며, 그 다음 제2 기간 동안 온도 A+1로 전환되고, 제3 기간 동안 온도 A+1로 유지되고, 제4 기간 동안 온도 A+2로 전환되고, 제n-1 기간 동안 온도 A+N으로 전환되고, 그리고 제n 기간 동안 온도 A+N로 유지된다. 센서는 역순으로 온도 A로 돌아갈 수 있다. 수소가 가장 높은 정확도로 각 온도 상태에서 실시간으로 계산될 수 있고 전이 상태 동안에는 잠재적으로 감소된 정확도로 계산될 수 있다고 가정한다. 온도 A 및 A+N 상태로부터의 측정값은 오프셋이 제거된 수소를 계산하기 위해 2-온도 공식에 사용된다.
바람직하지 않은 과도 응답을 줄이기 위해, 한 온도에서 다음 온도까지의 스텝을 충분히 작게 만듦으로써, 바람직하지 않은 과도 응답이 매우 작고 사실상 중단되는 수소 판독값이 없는 포인트까지 짧게 존재한다.
단지 예로서, 제1 온도에서 제2 온도로의 메이저 스텝은 약 20℃일 수 있다. 가스 센서가 신뢰할 수 있는 측정을 수행하려면 평형 상태에 도달해야 하며 이는 30분이 소요될 수 있다. 따라서, 가스 센서가 다시 작동하려면 30분이 지나야 한다. 반면에, 20도의 전체 메이저 스텝을 취하는 대신, 1도 마이너 스텝을 사용하는면 평형 상태에 도달하는데 더 적은 시간이 필요하고, 가스 센서는 30분이 아닌 30초 후에 다시 활성화될 수 있다. 그 다음, 가스 센서는 20도의 전체 메이저 스텝에 접근하기 위해 복수의 간격의 마이너 스텝에서 측정을 수행할 수 있고 다중 온도 방정식을 활용하여 각 마이너 스텝에서 수소 농도를 계산할 수 있다. 이 기술은 전환 기간 동안 과도 응답에 의존할 필요 없이 평형 상태에서 시스템으로 측정할 수 없는 시간을 효과적으로 줄인다.
히터 전력 보정 특징
간섭 가스가 없는 환경에서 일정한 수소 분압과 센서 작동 온도가 주어지면, 저항은 일정하게 유지되어야 한다(불안정으로 인한 작은 드리프트 제외). 그러나, (환경 온도, 유량 등으로 인해) 다이의 환경 열 부하가 변하면 센서 저항이 변한다. 이러한 저항 변화는 센서 다이 온도를 유지하는데 사용된 측정된 전력을 사용하여 보상될 수 있다. 이 보정은 저항 조정이 히터 전력 측정값에 비례한다고 가정한다. 보상된 저항은 아래 설명한 바와 같이 측정 저항에 조정값을 더한 것과 같다.
여기서,
히터 전력 계수 α는, 측정된 저항을 보상하는데 사용될 때, 전력이 없는 상태로 저항을 효과적으로 정규화한다.
온도 의존 히터 전력 보정 특징
히터 전력 계수가 작동 온도의 함수이기도 한 히터 전력 보정.
수소 의존 히터 전력 보정 특징
히터 전력 보정 방법에서, 히터 전력 계수는 수소 분압의 함수일 수도 있다.
환경 온도를 계산하는 히터 전력 특징
2-온도법에서, 제1 기간(온도 1)과 제3 기간(온도 2)의 평형 상태에서 다이를 가열하는데 필요한 전력이 측정되고 기록될 수 있다. 다이의 환경 온도 및 열 부하가 일정하다고 가정하면, 환경 온도는 아래 설명된 선형 함수를 사용하여 계산될 수 있다.
a. Pt1은 온도 T1에서의 다이 히터 전력이라 하고,
a. Pt2은 온도 T2에서의 다이 히터 전력이라 하고,
c. Tenv는 T1과 T2 사이의 미지의 환경 온도라 하면,
풀이를 위해 T1 정보를 사용하면,
또는, 완전한 형태로,
본 발명의 바람직한 실시예 및 특징에 대한 전술한 설명은 예시 및 설명의 목적으로 제시되었다. 이것은 개시된 정확한 형태로 본 발명을 완전하게 제한하거나 제한하려는 의도가 아니다. 상기 교시에 비추어 많은 수정, 변형 및 조합이 가능하다. 본 발명의 범위는 이 상세한 설명에 의해 제한되는 것이 아니라 청구범위 및 여기에 첨부된 청구범위에 대한 균등물에 의해 제한되는 것으로 의도된다.
Claims (25)
- 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법으로서,
(a) 상기 표적 가스 농도의 함수로서 변화하는 전기적 특성을 갖는 가스 센서를 상기 유체 환경에 노출시키는 단계;
(b) (a) 단계 동안, 상기 가스 센서의 온도를 변조하는 단계로서, 상기 변조는 상기 전기적 특성에서 크기-주파수 응답을 유도하는 반복 열 파형의 형태인 것인 상기 변조하는 단계;
(c) (b) 단계 동안 상기 전기적 특성을 모니터링하는 단계; 및
(d) 상기 가스 센서의 상기 전기적 특성의 상기 크기-주파수 응답의 함수로서 상기 표적 가스 농도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 크기-주파수 응답에 기초하여 교정 테이블을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법.
- 제 2 항에 있어서, 상기 교정 테이블은 상기 표적 가스 농도를 단시간 푸리에 변환을 사용하여 측정된 상기 크기-주파수 응답과 연관지음으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법.
- 제 3 항에 있어서, 상기 표적 가스의 기지의 분압을 상기 센서에 가함으로써 상기 크기-주파수 응답의 시프트를 보정하는 단계, 상기 센서가 제2 크기-주파수 응답을 생성하도록 하는 단계, 및 상기 제2 크기-주파수 응답에 기초하여 상기 교정 테이블에 보정을 적용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법.
- 제 3 항에 있어서,
(a) 상기 센서가 제2 크기-주파수 응답을 생성하도록 하는 단계;
(b) 두 가지 온도에서 작동하도록 상기 가스 센서의 작동 모드를 변경하는 단계;
(c) 상기 가스 센서가 가스에 노출되는 동안 제1 온도와 제2 온도 사이에서 상기 가스 센서의 온도를 교대로 제어하는 단계로서, 상기 가스 센서의 온도는 제1 기간 동안 상기 제1 온도로 유지되고, 제2 기간 동안 상기 제1 온도로부터 상기 제2 온도로 전환되고, 제3 기간 동안 상기 제2 온도로 유지되는 것인, 상기 가스 센서의 온도를 교대로 제어하는 단계;
(d) 상기 제2 및 제4 기간 동안 상기 가스 센서의 상기 전기적 특성을 모니터링하는 단계;
(e) 상기 전기적 특성의 함수로서 상기 표적 가스 농도를 계산하는 단계; 및
(f) 상기 제2 크기-주파수 응답 및 계산된 표적 가스 농도에 기초하여 보정치를 계산하는 단계에 의해,
상기 교정 테이블에 보정치를 적용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법. - 제 1 항에 있어서, 상기 반복 열 파형은 복수의 사인파의 중첩에 의해 생성되며, 각 사인파는 대응하는 크기-주파수 응답 교정 테이블을 가지는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법.
- 제 6 항에 있어서, 상기 복수의 사인파는 제1 주파수 세트를 갖는 제1 사인파 세트 및 제2 주파수 세트를 갖는 제2 사인파 세트를 포함하고, 상기 제1 주파수 세트는 상기 제2 주파수 세트보다 낮고, 상기 표적 가스 농도의 계산은 상기 제1 주파수 세트 또는 상기 제2 주파수 세트 중 하나의 상기 크기-주파수 응답에 기초하는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법.
- 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법으로서,
(a) 상기 표적 가스 농도의 함수로서 변화하는 전기적 특성을 갖는 가스 센서를 상기 유체 환경에 노출시키는 단계;
(b) (a) 단계 동안, 상기 가스 센서의 온도를 변조하는 단계로서, 상기 변조는 상기 전기적 특성에서 위상-주파수 응답을 유도하는 반복 열 파형의 형태인 것인 상기 가스 센서의 온도를 변조하는 단계;
(c) (b) 단계 동안, 상기 전기적 특성을 모니터링하는 단계; 및
(d) 상기 가스 센서의 상기 전기적 특성의 상기 위상-주파수 응답의 함수로서 상기 표적 가스 농도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법. - 제 8 항에 있어서, 상기 위상-주파수 응답에 기초하여 교정 테이블을 생성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법.
- 제 9 항에 있어서, 상기 교정 테이블은 상기 표적 가스 농도와 단시간 푸리에 변환을 사용하여 측정된 상기 위상-주파수 응답을 연관시킴으로써 생성된 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법.
- 제 10 항에 있어서, 상기 표적 가스의 기지의 분압을 상기 센서에 가하여 상기 위상-주파수 응답의 시프트를 보정하는 단계, 상기 센서가 제2 위상-주파수 응답을 생성하도록 하는 단계, 및 상기 제2 위상-주파수 응답에 기초하여 상기 교정 테이블에 보정을 적용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법.
- 제 10 항에 있어서,
(a) 상기 센서가 제2 위상-주파수 응답을 생성하도록 하는 단계;
(b) 두 가지 온도에서 작동하도록 상기 가스 센서의 작동 모드를 변경하는 단계;
(c) 상기 가스 센서가 가스에 노출되는 동안 제1 온도와 제2 온도 사이에서 상기 가스 센서의 온도를 교대로 제어하는 단계로서, 상기 가스 센서의 온도는 제1 기간 동안 상기 제1 온도로 유지되고, 제2 기간 동안 상기 제1 온도로부터 상기 제2 온도로 전환되고, 제3 기간 동안 상기 제2 온도로 유지되는 것인, 상기 가스 센서의 온도를 교대로 제어하는 단계;
(d) 상기 제2 및 제4 기간 동안 상기 가스 센서의 상기 전기적 특성을 모니터링하는 단계;
(e) 상기 전기적 특성의 함수로서 상기 표적 가스 농도를 계산하는 단계; 및
(f) 상기 제2 위상-주파수 응답 및 계산된 표적 가스 농도에 기초하여 보정치를 계산하는 단계에 의해,
상기 교정 테이블에 보정치를 적용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법. - 제 8 항에 있어서, 상기 반복 열 파형은 복수의 사인파의 중첩에 의해 생성되며, 각 사인파는 대응하는 위상-주파수 응답 교정 테이블을 가지는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법.
- 제 13 항에 있어서, 상기 복수의 사인파는 제1 주파수 세트를 갖는 제1 사인파 세트 및 제2 주파수 세트를 갖는 제2 사인파 세트를 포함하고, 상기 제1 주파수 세트는 상기 제2 주파수 세트보다 낮고, 상기 표적 가스 농도의 계산은 상기 제1 주파수 세트 또는 상기 제2 주파수 세트 중 하나의 상기 위상-주파수 응답에 기초하는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법.
- 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법으로서,
(a) 상기 표적 가스 농도의 함수로서 변화하는 전기적 특성을 갖는 가스 센서를 상기 유체 환경에 노출시키는 단계;
(b) (a) 단계 동안, 상기 가스 센서의 온도를 변조하는 단계로서, 상기 변조는 상기 전기적 특성에서 주파수 응답을 유도하는 반복 열 파형의 형태인 것인 상기 가스 센서의 온도를 변조하는 단계;
(c) (b) 단계 동안, 상기 전기적 특성을 모니터링하는 단계; 및
(d) 상기 가스 센서의 상기 전기적 특성의 상기 주파수 응답의 함수로서 상기 표적 가스 농도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법. - 제 15 항에 있어서, 상기 주파수 응답에 기초하여 교정 테이블을 생성하는 단계를 더 포함하고, 상기 교정 테이블은 상기 표적 가스 농도를 단시간 푸리에 변환을 사용하여 측정된 상기 주파수 응답과 연관지음으로써 생성되는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법.
- 제 16 항에 있어서, 상기 표적 가스의 기지의 분압을 상기 센서에 가함으로써 상기 주파수 응답의 시프트를 보정하는 단계, 상기 센서가 제2 주파수 응답을 생성하도록 하는 단계, 및 상기 제2 주파수 응답에 기초하여 상기 교정 테이블에 보정을 적용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법.
- 제 16 항에 있어서,
(a) 상기 센서가 제2 주파수 응답을 생성하도록 하는 단계;
(b) 두 가지 온도에서 작동하도록 상기 가스 센서의 작동 모드를 변경하는 단계;
(c) 상기 가스 센서가 가스에 노출되는 동안 제1 온도와 제2 온도 사이에서 상기 가스 센서의 온도를 교대로 제어하는 단계로서, 상기 가스 센서의 온도는 제1 기간 동안 상기 제1 온도로 유지되고, 제2 기간 동안 상기 제1 온도로부터 상기 제2 온도로 전환되고, 제3 기간 동안 상기 제2 온도로 유지되는 것인, 상기 가스 센서의 온도를 교대로 제어하는 단계;
(d) 상기 제2 및 제4 기간 동안 상기 가스 센서의 상기 전기적 특성을 모니터링하는 단계;
(e) 상기 전기적 특성의 함수로서 상기 표적 가스 농도를 계산하는 단계; 및
(f) 상기 제2 주파수 응답 및 계산된 표적 가스 농도에 기초하여 보정치를 계산하는 단계에 의해,
상기 교정 테이블에 보정치를 적용하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법. - 제 15 항에 있어서, 상기 반복 열 파형은 복수의 사인파의 중첩에 의해 생성되며, 각 사인파는 대응하는 주파수 응답 교정 테이블을 가지는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법.
- 제 19 항에 있어서, 상기 복수의 사인파는 제1 주파수 세트를 갖는 제1 사인파 세트 및 제2 주파수 세트를 갖는 제2 사인파 세트를 포함하고, 상기 제1 주파수 세트는 상기 제2 주파수 세트보다 낮고, 상기 표적 가스 농도의 계산은 상기 제1 주파수 세트 또는 상기 제2 주파수 세트 중 하나의 상기 주파수 응답에 기초하는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법.
- 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법으로서,
(a) 상기 표적 가스 농도의 함수로서 변화하는 전기적 특성을 갖는 제1 가스 센서를 상기 유체 환경에 노출시키는 단계;
(b) 상기 표적 가스 농도의 함수로서 변화하는 전기적 특성을 갖는 제2 가스 센서를 상기 유체 환경에 노출시키는 단계;
(c) 상기 제2 가스 센서가 상기 유체 환경에 노출된 동안 제1 온도와 제2 온도 사이에서 상기 제2 가스 센서의 온도를 교대로 제어하는 단계로서, 상기 제2 가스 센서의 온도는 제1 기간 동안 상기 제1 온도로 유지되고, 제2 기간 동안 상기 제1 온도에서 상기 제2 온도로 전환되고, 제3 기간 동안 상기 제2 온도에서 유지되고, 상기 제4 기간 동안 상기 제2 온도에서 제3 온도로 전환되는 것인, 상기 제2 가스 센서의 온도를 교대로 제어하는 단계;
(d) 상기 제2 및 제4 기간 동안 상기 제2 가스 센서의 상기 전기적 특성을 모니터링하는 단계; 및
(e) 상기 제1 가스 센서의 상기 전기적 특성의 함수로서 상기 표적 가스 농도를 계산하는 단계를 포함하고, 상기 제2 가스 센서로부터의 데이터는 상기 제1 가스 센서의 베이스라인 센서 드리프트를 보정하는데 사용되는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법. - 제 21 항에 있어서, 상기 제1 가스 센서는 단일 온도에서 작동하는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법.
- 제 22 항에 있어서, 상기 제2 가스 센서는 반복 열 파형에 대해 일정한 시스템 응답 상태에 있는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법.
- 제 23 항에 있어서, 상기 제1 가스 센서가 상기 제2 가스 센서에 상기 제1 가스 센서에서 감지된 상기 표적 가스의 분압 변화를 보고하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법.
- 제 21 항에 있어서, 상기 제1 가스 센서는 두 가지 온도에서 작동하고, 상기 방법은 상기 제1 가스 센서가 상기 유체 환경에 노출되는 동안 상기 제1 가스 센서의 온도를 제1 온도와 제2 온도 사이에서 교대로 제어하는 단계를 더 포함하고, 상기 제1 가스 센서의 온도는 제1 기간 동안 상기 제1 온도로 유지되고, 제2 기간 동안 상기 제1 온도에서 상기 제2 온도로 전환되고, 제3 기간 동안 상기 제2 온도로 유지되고, 그리고 제4 기간 동안 상기 제2 온도에서 제3 온도로 전환되며, 상기 제1 가스 센서 및 상기 제2 가스 센서의 온도는 상기 제1 가스 센서가 상기 제1 가스 센서의 상기 제1 기간 또는 상기 제3 기간에 있을 때, 상기 제2 가스 센서가 상기 제2 가스 센서의 상기 제2 기간 또는 상기 제4 기간에 있도록 엇갈리는 것을 특징으로 하는 유체 환경에서 표적 가스의 표적 가스 농도를 판정하는 방법.
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