可攜式氣體傳感器及其校準方法
2023-10-08 01:03:49 1
專利名稱：可攜式氣體傳感器及其校準方法
技術領域：
本發明涉及氣體傳感器，並且，更具體地，涉及一種可攜式氣體傳感器及其校準方法。
背景技術：
由於工業革新已經加速了工業的發展，越來越多地提出了與使用諸如一氧化碳(CO)、硫化氫(H2S)、二氧化硫(SO2)、以及氧化氮(NOX)之類有害氣體所造成的大氣汙染相關的問題。並且，對氣體爆炸和氣體中毒的危險已經產生了警覺。
在有關Johnson的催化燃燒型傳感器的首次報導之後，已經開發了各種類型的氣體傳感器。具體地，由Seiyama和Taguch首次發現的半導體型氣體傳感器通過使用熔結材料(例如二氧化錫SnO2、氧化鋅ZnO和三氧化二銦In2O3的金屬氧化物半導體材料)估計電阻值變化來檢測特定氣體的存在與否以及其濃度。半導體型氣體傳感器在1968年由日本的Figaro公司首次投入市場，並已經主要用於氣體洩漏報警系統和氣體濃度測量系統中。
在開發各種氣體傳感器的過程中，通過在使用材料和可應用的傳感器材上的改進，人們已經改進氣體傳感器以便滿足使用目的和某種期望氣體的檢測。作為這些努力的結果，各種類型的氣體傳感器已經投入市場，在工業、醫療領域以及日常生活中使用。特別是，液化天然氣(LNG)和液化石油氣(LPG)的普及以及公眾對社會提出的酒後駕車問題的關心都導致氣體傳感器被進一步商業化成不同的類型，諸如可攜式洩漏氣體傳感器或便攜酒精分析儀之類的不同類型。
根據傳導機制，半導體傳感器被分類成n型和p型。作為最典型敏化材料的二氧化錫SnO2是一種n型半導體，在數量上，Sn的正離子數少於O的負離子數，並且由此產生不成對的電子，這有利於導電程度。這種SnO2接著吸收大氣中的氧以便平衡正負離子數。因為所吸收的氧的陰離子特性，有助於半導體導電性的電子被局部地捕獲在所吸收氧的表面。這種捕獲狀態的結果使得電子喪失其導電性。
如果帶有所吸收氧的SnO2被暴露於還原氣體(例如一氧化碳CO和氨NH3)，所吸收的氧與這種還原氣體進行反應，並從SnO2被吸收，如下面的化學方程式所示方程式1如方程式1所示，被捕獲的電子變成自由的，並且有助於導電性。因此，要檢測的特定氣體類型確定了半導體傳感器的導電程度。對導電程度改變的檢測提供了有關特定期望的氣體存在與否以及其濃度的信息。諸如鉑(Pt)、金(Au)和銀(Ag)的材料也添加到敏化材料SnO2中作為催化劑來提高傳感能力。
對於傳統的可攜式氣體傳感器，存在由根據防止所述氣體報警器在一天24小時、一年365天內持續工作的不同工作機製造成的頻繁的誤差的問題。即，可攜式酒精分析儀或可攜式洩漏氣體傳感器僅在需要時才工作。但是，這種類型的氣體傳感器也根據外界環境因素(例如溫度、溼度、大氣壓力)而與不期望的氣體反應，並且由此改變氣體傳感器的基準值。結果，氣體傳感器的測量在很大程度上存在偏差。
圖1示出了在可攜式酒精分析儀中根據酒精濃度的電阻值的變化。典型地，在傳統的半導體氣體傳感器中，電阻值變化和酒精濃度之間的關係是用代數方法表示的。但是，該代數關係如圖1所示呈現為線性。
假設，傳統的半導體型氣體傳感器遵循圖1所示的曲線I的特性，當約80PPM的酒精氣體注進該氣體傳感器中時，電阻值被校準到大約20KΩ。基於該校準，通過已知的測量的電阻值進行內插可以容易地確定相應的氣體濃度。
圖2是一種大體積的半導體氣體傳感器的等效電路的電路圖。傳感材料的電阻值根據每一個傳感器而不同。如圖2的等效電路所示，儘管傳感材料的屬性對應於外部環境因素(諸如溫度和溼度)而改變，但是在上述氣體傳感器的初始裝配期間，通過可變電阻器VR的使用，氣體傳感器的輸出值被設定成相同的。一旦在預定的一致的氣體濃度下通過使用可變電阻器VR將電阻值校準成相同的，就能夠容易地確定相對的氣體濃度。附圖標記「Vh」、「Rh」、「Rs」、「Vcc」和「Vout」分別表示加熱器電壓、加熱器電阻、信號電阻、電源電壓和輸出電壓。
但是，如果由於外界環境因素使傳感材料的電阻值改變，使得氣體傳感器的特性從曲線I改變到曲線II或III，則氣體傳感器的準確度降低。例如，如果氣體傳感器的特性是從曲線I變化到曲線II，相對於約80PPM的酒精氣體，該氣體傳感器的電阻值大約是10KΩ，並且校準的酒精氣體濃度大約是320PPM。同時，如果氣體傳感器的特性是從曲線I變化到曲線III，相對於約80PPM的酒精氣體，該氣體傳感器的電阻值大約是30KΩ，並且根據基準校準值，酒精氣體濃度表示為大約20PPM。即，根據氣體傳感器的特性變化，在檢測結果中存在高風險的偏差。
在那種情況中，需要另一種校準。但是，獲得可便利應用的基準氣體是很難的，並且由於校準技術還沒有得到全面發展，使得製造者手動地進行校準。
發明內容
因此，本發明的一個目的是提供允許用戶方便地校準的可攜式氣體傳感器以及校準該可攜式氣體傳感器的方法。
根據本發明的一個方面，提供一種可攜式氣體傳感器，具有與目標氣體進行反應的傳感材料，所述可攜式氣體傳感器包括模式輸入單元，用於選擇操作模式；氣體注入單元，吸入外部氣體；傳感單元，輸出與傳感材料的改變的電阻值相對應的電壓值，該傳感材料的電阻值改變是由傳感材料和注入的外部氣體之間的反應造成的；第一存儲器，用於存儲關於基準氣體的、與傳感材料的電阻值對應的基準電壓值；校準控制單元，用於通過根據來自模式輸入單元的輸入而開始的校準模式的操作，在第一存儲器中存儲第一電壓值而取代在第一存儲器中存儲的基準電壓值，第一電壓值對應於與替代的基準氣體進行反應的傳感材料的改變的電阻值；目標氣體傳感控制單元，用於通過操作根據來自模式輸入單元的輸入而開始的目標氣體測量操作模式，在第二存儲器中存儲第二電壓值，第二電壓值對應於與通過氣體注入單元傳送的目標氣體進行反應的傳感材料的改變的電阻值；比較和計算單元，用於將第一電壓值與第二電壓值相比較，並估計比較值；和顯示單元，用於顯示從比較和計算單元估計的目標氣體的濃度。
根據本發明的另一方面，還提供一種校準可攜式氣體傳感器的方法，可攜式氣體傳感器包括與目標氣體進行反應的傳感材料，所述方法包括步驟在存儲器中存儲與相對於基準氣體的、傳感材料的電阻值對應的基準電壓值；通過操縱按鍵操作輸入校準操作模式；測量與相對於替代的基準氣體的、傳感材料的電阻值對應的第一電壓；以及將第一電壓值存儲在存儲器中，取代所存儲的基準電壓值。
根據本發明的另一方面，還提供一種計算機可讀記錄介質，其上存儲了用於實現校準可攜式氣體傳感器的方法的指令，可攜式氣體傳感器包括與目標氣體進行反應的傳感材料，所述計算機可讀記錄介質包括指令存儲與相對於基準氣體的、傳感材料的電阻值對應的基準電壓值；通過操縱按鍵操作輸入校準操作模式；測量與相對於替代的基準氣體的、傳感材料的電阻值對應的第一電壓；以及將第一電壓值存儲在存儲器中，取代所存儲的基準電壓值。
通過參考附圖對實施例進行的下列描述，本發明的其他目的和方面將會變得更加清楚，其中圖1是傳統的可攜式酒精分析儀中根據酒精氣體濃度的電阻值的變化圖；圖2是傳統的大體積半導體氣體傳感器的等效電路的電路圖；圖3是根據本發明優選實施例的可攜式氣體傳感器的方框圖；圖4是根據本發明優選實施例的血液酒精濃度(BAC)的查詢表的示例圖；以及圖5是根據本發明優選實施例的可攜式氣體傳感器的校準操作步驟和測量操作步驟的流程圖。
具體實施例方式
以下，參照附圖來詳細說明允許用戶方便校準的可攜式氣體傳感器以及校準該可攜式氣體傳感器的方法。
圖3是根據本發明優選實施例的可攜式氣體傳感器的方框圖。
參照圖3，可攜式氣體傳感器包括模式輸入單元30、校準控制單元32、目標氣體傳感控制單元34、氣體注入單元36、傳感單元38、第一存儲器40、第二存儲器42、比較和校準單元44、第三存儲器46以及顯示單元48。用戶通過模式輸入單元30選擇可攜式氣體傳感器的校準操作模式或目標氣體測量操作模式。來自外部源的氣體注入到氣體注入單元36，並且注入的氣體與傳感單元38的傳感材料進行反應。因為在注入的氣體和傳感材料之間的化學反應，傳感材料的電阻值變化，並且根據模式輸入單元30的輸入，與該改變的電阻值對應的電壓值被存儲到第一存儲器40或第二存儲器42。
根據本發明的優選實施例，在初始製造過程中，第一存儲器40存儲有與該傳感材料相對於基準氣體的電阻值對應的基準電壓值。之後，一旦進行了校準操作模式，則在校準控制單元32的控制下，從傳感單元38輸出的電壓值被作為替代的基準電壓值而存儲。而且，在目標氣體傳感單元34的控制下，第二存儲器42存儲從傳感單元38輸出的電壓值。即，僅僅當執行校準操作時，存儲在第一存儲器40中的電壓值才改變其值，並接著其作為該電阻值變化的反應值而被存儲。對於存儲到第二存儲器的電壓值，其作為測量目標氣體的不同值而存儲。
比較和計算單元44將存儲在第一存儲器40和第二存儲器42中的電壓值相互比較，並且接著通過使用存儲在第三存儲器46中的查詢表，將該比較值計算成目標氣體的濃度。通過顯示單元48在液晶顯示器(LCD)中可看見估計的濃度。
下文，將更詳細地說明根據本發明的校準操作和目標氣體測量操作。
首先，用戶通過模式輸入單元30選擇校準操作模式。接著，傳感單元38的傳感材料被加熱特定時間，加熱到預定溫度，用於初始化。在通過對傳感材料的加熱處理而達到初始狀態之後，傳感單元38感測在傳感材料中的電阻值變化，該變化是由於傳感材料和從氣體注入單元36傳送的替代的基準氣體之間的化學反應而造成的。接著，在校準控制單元32的控制下，與改變的電阻值相對應的第一電壓值被存儲在第一存儲器40，而取代先前存儲的電壓值。
除了校準模式操作之外，用戶還可以通過模式輸入單元30選擇目標氣體測量操作模式。接著，傳感單元38的傳感材料被加熱特定時間，加熱到預定溫度，用於初始化。在達到初始狀態之後，傳感單元38感測在傳感材料中的電阻值變化，該變化是由於傳感材料和從氣體注入單元36傳送的目標氣體之間的化學反應而造成的。接著，在目標氣體傳感控制單元34的控制下，與改變的電阻值相對應的第二電壓值被存儲在第二存儲器42，而取代先前存儲的電壓值。比較和計算單元44比較存儲在第一存儲器40的第一電壓值和存儲在第二存儲器42的第二電壓值，並且接著通過使用存儲在第三存儲器46中的查詢表，比較值被計算成目標氣體的濃度。通過顯示單元48在液晶顯示器(LCD)中可看見估計的濃度。
圖4是根據本發明優選實施例的關於血液酒精濃度(BAC)的查詢表的示例圖。在查詢表的下部的值表示第一電壓值和第二電壓值之間的電壓差，而查詢表上部的值表示與該電壓差對應的BAC。
參照圖4，在第一電壓值和第二電壓值之間的電壓差大約小於0.22V的情況下，通過顯示單元48在LCD上顯示大約0.00％的BAC。這個結果的原因在於即使不含酒精的呼吸也能具有大約0.22V的電壓差。例如，如果第一電壓值和第二電壓值之間的電壓差是大約0.42V，則在顯示單元48的LCD中顯示大約0.002％的BAC。圖4所示的查詢表的值是實驗數據，並且能根據每一種目標氣體類型而不同地應用。
圖5是根據本發明優選實施例的可攜式氣體傳感器的校準操作步驟和測量操作步驟的流程圖。
更具體地，當希望使用校準操作模式的用戶按下可攜式氣體傳感器的模式輸入單元30的外部設置的校準模式按鈕時，開始校準操作模式。如果用戶想使用目標氣體濃度測量操作模式，他/她就按下模式輸入單元30的測量操作模式按鈕來開始測量步驟。在本發明的優選實施例中，可攜式氣體傳感器沒有單獨用於每一種操作模式的按鈕，而是具有一個電源按鈕，通過按壓該電源按鈕的時間長度來區分校準操作模式和測量操作模式。即，按壓該電源按鈕超過預定時間就選擇校準操作模式，否則選擇目標氣體測量操作模式。
參照圖5，在步驟10，通過按壓電源按鈕來接通可攜式氣體傳感器。接著，在步驟11，確定按壓電源按鈕是否超過預定時間。如果按壓按鈕的時間長於預定時間，則在步驟12開始校準操作模式。接著，在步驟13將傳感材料暴露於通過氣體注入單元36提供的替代的基準氣體。此時，替代的基準氣體可以是人們的呼吸氣體或空氣/大氣。校準控制單元32在校準操作模式中將該注入氣體識別為基準氣體，例如人們的呼吸。
接著，在步驟14，校準控制單元32從注入了替代的基準氣體的傳感單元38讀取與傳感材料的改變的電阻值對應的第一電壓值。
此後，在步驟15，校準控制單元32用與傳感材料的改變的電阻值對應的第一電壓值代替先前存儲的電壓值，並將第一電壓值存儲在第一存儲器40中。然後該處理中止。
如果按壓電源按鈕的時間短於預定時間，則在步驟21開始目標氣體測量操作模式。接著，在步驟22將傳感單元38的傳感材料暴露於通過氣體注入單元36提供的目標氣體預定時間。
接著，在步驟23，在傳感材料暴露於目標氣體之後，目標氣體測量控制單元34讀取與傳感材料的電阻值對應的第二電壓值。
接著步驟23，在步驟24，在目標氣體傳感控制單元34的控制下，第二電壓值被存儲到第二存儲器42。接著，在步驟25，由比較和計算單元44將第一電壓值和第二電壓值相互比較。比較結果值被替換到存儲在第三存儲器46的查詢表中，用於估計與該比較值對應的目標氣體濃度。所估計的濃度顯示在顯示單元48的LCD中，並且該處理中止。
儘管為了說明目的公開了本發明的優選實施例。但本領域技術人員將理解，在不背離在所附權利要求書中公開的本發明的範圍和實質的情況下，能夠進行各種修改、添加和替換。
產業上的可利用性在本發明的優選實施例中，在諸如可攜式酒精分析儀和可攜式洩漏氣體傳感器的可攜式氣體傳感器中建立了用戶自主的重新開始的功能，並且用戶通過使用容易獲得的氣體(例如人們的呼吸或空氣)作為替代的基準氣體，可以方便地操縱校準操作模式。典型地，半導體氣體傳感器必須與諸如CH基的氣體、H2O和CO之類的各種氣體進行反應。但是根據催化劑和溫度的不同，每一個半導體氣體傳感器的反映彼此略微不同。這一事實使得半導體氣體傳感器能夠感測特定氣體。根據半導體氣體傳感器的這一有用而獨特的特性，開發了本發明的可攜式氣體傳感器。即，呼出到半導體氣體傳感器的呼吸氣體表明了與大約10PPM的酒精濃度的類似的反應模式，儘管會存在少許變化。例如由於典型的人們的呼吸可被考慮用作其值為大約10PPM的替代的基準氣體，所以在本發明中這種類型氣體被稱為替代的基準氣體。根據這一事實，這種類型氣體首先被呼出到可攜式氣體傳感器的氣體注入單元，通過讀取與注入氣體反應的、在可攜式氣體傳感器的傳感單元的傳感材料的電阻值來設置新的基準值。
同時，在將本發明的優選實施例用於LPG或LNG的洩漏氣體傳感器時，該氣體傳感器需要比酒精分析儀更靈敏。因此，最好使用未汙染的空氣作為基準氣體，而不使用人們的呼吸作為基準氣體。由於未汙染的空氣具有一致的組成比率，所以可用作相對準確的基準氣體。
然而，如果圖1所示的特性曲線的斜率在低濃度時喪失線性度，則曲線I可能具有象A、B和C的不同的電阻值。如果考慮這些偏移的電阻值來估計濃度，則即使氣體傳感器的特性從曲線I改變到曲線II或III，仍能夠靈敏地感測氣體。
儘管本發明的優選實施例提供了示範的可攜式酒精分析儀和可攜式的洩漏氣體傳感器，當時仍可能將本發明應用到多種其他類型的可攜式氣體傳感器。
而且，儘管在本發明的優選實施例中描述了使用人們的呼吸或空氣，但是容易獲得的、具有一致組成比率的氣體也可以用作校準操作模式的替代的基準氣體。而且，用戶方便地操縱校準操作模式使氣體傳感器的準確度增強。
權利要求
1.一種可攜式氣體傳感器，具有與目標氣體進行反應的傳感材料，所述可攜式氣體傳感器包括模式輸入單元，用於選擇操作模式；氣體注入單元，吸入外部氣體；傳感單元，輸出與傳感材料的改變的電阻值相對應的電壓值，該傳感材料的電阻值改變是由傳感材料和注入的外部氣體之間的反應造成的；第一存儲器，用於存儲關於基準氣體的、與傳感材料的電阻值對應的基準電壓值；校準控制單元，用於通過根據來自模式輸入單元的輸入而開始的校準模式的操作，在第一存儲器中存儲第一電壓值而取代在第一存儲器中存儲的基準電壓值，第一電壓值對應於與替代的基準氣體進行反應的傳感材料的改變的電阻值；目標氣體傳感控制單元，用於通過操作根據來自模式輸入單元的輸入而開始的目標氣體測量操作模式，在第二存儲器中存儲第二電壓值，第二電壓值對應於與通過氣體注入單元傳送的目標氣體進行反應的傳感材料的改變的電阻值；比較和計算單元，用於將第一電壓值與第二電壓值相比較，並估計比較值；和顯示單元，用於顯示從比較和計算單元估計的目標氣體的濃度。
2.如權利要求1所述的可攜式氣體傳感器，還包括第三存儲器，用於存儲根據第一電壓值和第二電壓值之間的電壓差確定目標氣體的濃度的查詢表。
3.如權利要求1所述的可攜式氣體傳感器，其中所述替代的基準氣體是人們的呼吸氣體或空氣/大氣。
4.如權利要求1所述的可攜式氣體傳感器，其中所述模式輸入單元通過使用按壓電源按鈕的時間的不同來選擇操作模式。
5.一種校準可攜式氣體傳感器的方法，可攜式氣體傳感器具有與目標氣體進行反應的傳感材料，所述方法包括步驟在存儲器中存儲與相對於基準氣體的、傳感材料的電阻值對應的基準電壓值；通過操縱按鍵操作輸入校準操作模式；測量與相對於替代的基準氣體的、傳感材料的電阻值對應的第一電壓；以及將第一電壓值存儲在存儲器中，取代所存儲的基準電壓值。
6.如權利要求5所述的方法，其中替代的基準氣體是人們的呼吸氣體或空氣/大氣。
7.一種計算機可讀記錄介質，其上存儲了用於實現校準可攜式氣體傳感器的方法的指令，可攜式氣體傳感器包括與目標氣體進行反應的傳感材料，所述計算機可讀記錄介質包括指令存儲與相對於基準氣體的、傳感材料的電阻值對應的基準電壓值；通過操縱按鍵操作輸入校準操作模式；測量與相對於替代的基準氣體的、傳感材料的電阻值對應的第一電壓；以及將第一電壓值存儲在存儲器中，取代所存儲的基準電壓值。
全文摘要
本發明提供一種可攜式氣體傳感器，具有與目標氣體進行反應的傳感材料，所述可攜式氣體傳感器包括模式輸入單元，用於選擇操作模式；氣體注入單元，接受外部氣體；傳感單元，輸出與傳感材料的改變的電阻值相對應的電壓值，該傳感材料和外部氣體進行反應；第一存儲器，用於存儲與基準氣體反應的傳感材料的電阻值對應的基準電壓值；校準控制單元，用於在第一存儲器中存儲第一電壓值而取代基準電壓值，第一電壓值對應於與替代的基準氣體進行反應的傳感材料的電阻值；目標氣體傳感控制單元，用於在第二存儲器中存儲第二電壓值，第二電壓值對應於與目標氣體進行反應的傳感材料的電阻值；比較和計算單元，用於將第一電壓值與第二電壓值相比較並計算；和顯示單元，用於顯示從比較和計算單元計算的目標氣體的濃度。
文檔編號G01N33/00GK1685223SQ03823254
公開日2005年10月19日 申請日期2003年7月29日 優先權日2002年7月29日
發明者李源培 申請人:世主工程株式會社