Газоизмерительное устройство и способ его работы
Изобретение относится к газоизмерительному устройство для измерения присутствия заданного газа в текучей среде. Устройство содержит датчик, имеющий чувствительный элемент и нагревательный элемент, сконфигурированный для нагрева чувствительного элемента до предварительно заданной рабочей температуры, причем чувствительный элемент является восприимчивым к заданному газу таким образом, что, по меньшей мере, одно электрическое свойство чувствительного элемента изменяется в зависимости от присутствия заданного газа, причем электрическое свойство чувствительного элемента измеряется газоизмерительным устройством; и цепь управления, имеющую контроллер нагревательного элемента, связанный с нагревательным элементом и измеряющий его электрическое свойство, причем цепь управления имеет источник энергии подогрева, подающий энергию к нагревательному элементу, причем контроллер нагревательного элемента связан с источником энергии подогрева и регулирует его работу в зависимости от измерения электрического свойства нагревательного элемента; средство импульсной модуляции, соединенное с контроллером нагревательного элемента, источником энергии подогрева для управления величиной энергии, подаваемому к нагревательному элементу. При этом средство импульсной модуляции выполнено с возможностью формирования первого набора импульсов энергии, имеющего определенную продолжительность, и второго набора импульсов энергии, имеющего другую, более короткую продолжительность для поддержания температуры нагревательного элемента, по существу, на постоянном уровне. Также изобретение относится к способу изготовления и способу работы газоизмерительного устройства. Предлагаемое устройство изготавливается и эксплуатируется рентабельным и надежным образом. 3 н. и 5 з.п. ф-лы, 5 ил.
По данной заявке испрашивается приоритет предварительной заявки US 60/997084, поданной 1 октября 2007 года.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Настоящее изобретение относится к газоизмерительным устройствам и способам работы газоизмерительных устройств.
ПРЕДШЕСТВУЮЩИЙ УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Газоизмерительные устройства, имеющие датчики, которые обнаруживают определенные химические вещества или газы в воздухе, используются во многих областях техники. Например, обнаружение ядовитых газов, как, например, оксид углерода, сероводород, оксиды азота и т.п., необходимо для того, чтобы можно было подать сигнал, указывающий на присутствие подобных газов. Могут быть предприняты соответствующие шаги, чтобы уменьшить их действие или вывести людей из зоны присутствия газов.
Один тип газоизмерительного устройства, используемого для обнаружения присутствия газа, представляет собой металлоксидный полупроводник для обеспечения раннего предупреждения о нарастании опасности взрыва (например, выходящего легковоспламеняющегося газа) или присутствии в окружающем воздухе токсичных газов или паров. Устройство, как правило, включает в себя датчик, предусмотренный на нагреваемой подложке, который включает в себя два металлических электрода, присоединенных к датчику. Присутствие газа, представляющего опасность, обнаруживается за счет ощутимого изменения сопротивления датчика посредством электродов, встроенных в подходящую электрическую цепь.
Реакции, которые обеспечивают возможность обнаружения заданных газов, обычно включают в себя окисление заданного газа на поверхности полупроводников (оксид) и изменение электрических свойств материала. Однако, на общеизвестные датчики может оказывать влияние изменение температуры или влажности. Поддержание постоянной температуры чувствительного элемента на практике является проблематичным. По меньшей мере, некоторые известные устройства преодолевают подобные проблемы за счет перегрева датчика и удерживания датчика при температуре перегрева таким образом, что датчик становится менее зависимым от изменения температуры. Однако, поддерживание датчика при температурах перегрева требует большей энергии для функционирования устройства.
Остается потребность в газоизмерительном устройстве и датчике, которые можно изготовлять и эксплуатировать рентабельным и надежным образом.
КРАТКОЕ ИЗЛОЖЕНИЕ СУЩЕСТВА ИЗОБРЕТЕНИЯ
В одном варианте осуществления, предложено газоизмерительное устройство для измерения присутствия заданного газа в текучей среде, при этом газоизмерительное устройство включает в себя датчик, имеющий чувствительный элемент и нагревательный элемент, сконфигурированный для нагревания чувствительного элемента до предварительно заданной рабочей температуры. Чувствительный элемент является восприимчивым к заданному газу таким образом, что, по меньшей мере, одно электрическое свойство чувствительного элемента изменяется в зависимости от присутствия заданного газа, и электрическое свойство чувствительного элемента измеряется газоизмерительным устройством. Газоизмерительное устройство также включает в себя цепь управления, имеющую контроллер нагревательного элемента, связанный с нагревательным элементом и измеряющий его электрическое свойство. Цепь управления также включает в себя источник энергии подогрева, подающий энергию к нагревательному элементу, причем контроллер нагревательного элемента связан с источником энергии подогрева и регулирует его работу в зависимости от измерения электрического свойства нагревательного элемента.
По требованию, нагревательный элемент можно регулировать, чтобы поддерживать постоянную, по существу, температуру чувствительного элемента. Контроллер нагревательного элемента может измерять сопротивление нагревательного элемента, и контроллер нагревательного элемента может регулировать работу источника энергии подогрева в зависимости от измеренного сопротивления нагревательного элемента. В некоторых случаях, датчик может включать в себя подложку, имеющую чувствительный элемент, нанесенный на одну сторону подложки, и нагревательный элемент, нанесенный на противоположную сторону подложки, причем подложка термически проводит тепло от нагревательного элемента к чувствительному элементу. Цепь управления также может включать в себя контроллер чувствительного элемента, связанный с чувствительным элементом и измеряющий по меньшей мере одно электрическое свойство чувствительного элемента, причем контроллер чувствительного элемента является одним из сформированного в виде единого целого с контроллером нагревательного элемента и предоставленного отдельно от чувствительного элемента.
В другом варианте осуществления, предложено газоизмерительное устройство для измерения присутствия заданного газа в текучей среде, в котором газоизмерительное устройство включает в себя датчик, имеющий чувствительный элемент и нагревательный элемент, сконфигурированный для нагревания чувствительного элемента до предварительно заданной рабочей температуры. Чувствительный элемент является восприимчивым к заданному газу таким образом, что, по меньшей мере, одно электрическое свойство чувствительного элемента изменяется в зависимости от присутствия заданного газа. Газоизмерительное устройство также включает в себя цепь считывания, имеющую источник энергии считывания, для подачи энергии к чувствительному элементу, и контроллер чувствительного элемента, измеряющий, по меньшей мере, одно электрическое свойство чувствительного элемента. Газоизмерительное устройство дополнительно включает в себя цепь нагрева, имеющую источник энергии подогрева, подающий энергию к нагревательному элементу, и контроллер нагревательного элемента, связанный с нагревательным элементом и измеряющий по меньшей мере одно электрическое свойство чувствительного элемента. Контроллер нагревательного элемента регулирует работу источника энергии подогрева с использованием импульсной модуляции в зависимости от измерения электрического свойства нагревательного элемента.
В дополнительном варианте осуществления, предложен способ изготовления газоизмерительного устройства, в котором обеспечивают датчик, имеющий чувствительный элемент и нагревательный элемент, сконфигурированный для нагревания чувствительного элемента до предварительно заданной рабочей температуры, в котором чувствительный элемент является восприимчивым к заданному газу таким образом, что, по меньшей мере, одно электрическое свойство чувствительного элемента изменяется в зависимости от присутствия заданного газа. Способ также включает в себя подсоединение цепи управления считыванием к чувствительному элементу, причем цепь управления считыванием подает энергию к чувствительному элементу и измеряет изменения, по меньшей мере, одного электрического свойства чувствительного элемента, имеющего отношение к присутствию заданного газа. Способ дополнительно включает в себя подсоединение цепи управления нагревом к нагревательному элементу, причем цепь управления нагревом подает энергию к нагревательному элементу согласно импульсно-модулированной схеме управления и измеряет, по меньшей мере, одно электрическое свойство нагревательного элемента. Импульсно-модулированная схема управления изменяет параметры в зависимости от измеренного электрического свойства.
В еще одном варианте осуществления, предложен способ работы газоизмерительного устройства, в котором обеспечивают датчик, имеющий чувствительный элемент и нагревательный элемент, сконфигурированный для нагревания чувствительного элемента до предварительно заданной рабочей температуры. Способ также включает в себя подачу энергии к нагревательному элементу, использование импульсной модуляции, чтобы регулировать энергию для нагревательного элемента, определение сопротивления нагревательного элемента, использование изменений сопротивления нагревательного элемента для изменения импульсной модуляции, чтобы поддерживать нагревательный элемент при постоянной температуре, и измерение сопротивления чувствительного элемента. Чувствительный элемент является восприимчивым к заданному газу таким образом, что сопротивление чувствительного элемента изменяется в зависимости от присутствия заданного газа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Фиг.1 иллюстрирует газоизмерительное устройство, имеющее датчик, сформированный в соответствии с вариантом осуществления;
Фиг.2 иллюстрирует цепь управления для газоизмерительного устройства и датчик, показанный на Фиг.1;
Фиг.3 изображает диаграмму колебательных сигналов, иллюстрирующих пример функционирования цепи управления, показанной на Фиг.2;
Фиг.4 представляет собой блок-схему для иллюстративного способа изготовления газоизмерительного устройства, например, газоизмерительного устройства, показанного на Фиг.1.
Фиг.5 представляет собой блок-схему для другого способа изготовления газоизмерительного устройства, например газоизмерительного устройства, показанного на Фиг.1.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫХ ВАРИАНТОВ ВОПЛОЩЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
На Фиг.1 показано газоизмерительное устройство 10, имеющее датчик 12. Газоизмерительное устройство 10 используется для измерения присутствия определенного газа или газов в текучей среде, как, например, воздуха. Газоизмерительное устройство 10 можно использовать для измерения присутствия ядовитого, токсичного, воспламеняющегося или другого вредного типа газа, который может присутствовать в текучей среде. Например, газоизмерительное устройство 10 можно использовать для обнаружения газов, например, сероводорода, оксида углерода, оксидов азота и т.п. В одном варианте осуществления, газоизмерительное устройство 10 только обнаруживает, присутствует газ или нет. В других вариантах осуществления, газоизмерительное устройство 10 может обнаруживать количество или концентрацию газа, когда он присутствует.
Газоизмерительное устройство 10 сообщает результаты, например, концентрацию газа, посредством любого известного способа, например, на дисплее 14. В некоторых случаях, для взаимодействия пользователя с устройством 10 может быть предоставлен пользовательский интерфейс 16, например, клавиатура. По требованию, газоизмерительное устройство 10 может предупреждать пользователя о присутствии газа или присутствии газа выше порогового уровня сигналом тревоги, например, слышимым или визуальным. В некоторых вариантах осуществления, газоизмерительное устройство 10 может обмениваться информацией с другими устройствами или системами, чтобы предупреждать устройство или систему о присутствии газа. Подобный обмен информацией может осуществляться проводным или беспроводным способом. Газоизмерительное устройство 10 может быть портативным и переносимым пользователем, или альтернативно, может быть встроено в конструкцию в необходимом месте.
Датчик 12 смонтирован на газоизмерительном устройстве 10 таким образом, что датчик 12 подвергается действию воздуха, окружающего газоизмерительное устройство 10. Несмотря на то, что датчик 12 проиллюстрирован смонтированным на внешней поверхности газоизмерительного устройства 10, датчик 12 можно поместить внутри в пределах газоизмерительного устройства 10, а поток воздуха можно направлять к датчику 12, как, например, через отверстие, открытое для внешней окружающей среды, или посредством воздуха, закачиваемого к датчику 12. Датчик 12 может быть аналогичным датчику, проиллюстрированному и описанному в находящейся на одновременном рассмотрении патентной заявке США, "ГАЗОИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ", поданной одновременно и включенной в данную заявку посредством ссылки.
На Фиг.2 схематично показана цепь 20 управления для газоизмерительного устройства 10 и датчик 12. Цепь 20 управления включает контроллер 22, который функционально присоединен к датчику 12. Цепь 20 управления также включает низковольтный источник 24 энергии, который функционально присоединен к датчику 12.
В иллюстративном варианте осуществления, датчик 12 представляет собой металлооксидный датчик, однако, с газоизмерительным устройством 10 можно использовать датчики других типов, и металлооксидный датчик, проиллюстрированный на чертежах, является иллюстративным и не предназначен для ограничения. Датчик 12 включает подложку 30, например, керамический изолятор. Один пример подложки 30 для датчика 12 представляет собой алюминиевую подложку. Датчик 12 также включает чувствительный элемент 32 на подложке 30 и нагревательный элемент 34 на подложке 30. В иллюстративном варианте осуществления, чувствительный элемент 32 включает газочувствительный материал и нанесен на одну сторону подложки 30. Нагревательный элемент 34 нанесен на противоположную сторону подложки 30. В альтернативном варианте осуществления, чувствительный элемент 32 и нагревательный элемент 34 можно наносить на одну и ту же сторону подложки 30. Необязательно, датчик 12 может представлять собой слоистую структуру, в которой чувствительный элемент 32 и/или нагревательный элемент 34 представляют собой слои, нанесенные на подложку 30. Например, чувствительный элемент 32 может представлять собой пленочный материал, нанесенный методом трафаретной печати на подложке 30. Чувствительный элемент 32 может представлять собой пористую наноструктуру. Аналогичным образом, нагревательный элемент 34 может представлять собой пленочный материал, нанесенный методом трафаретной печати на подложке 30. Нагревательный элемент 34 может представлять собой керамический микромашинный нагреватель.
Низковольтный источник 24 энергии функционально связан с чувствительным элементом 32 и подает к чувствительному элементу 32 предварительно заданное напряжение. Подаваемое, по требованию, напряжение может представлять собой постоянное напряжение. Контроллер 22 также связан с чувствительным элементом 32 и измеряет, по меньшей мере, одно электрическое свойство чувствительного элемента 32, например, сопротивление, электропроводность, емкостное сопротивление и/или полное сопротивление. Чувствительный элемент 32 изготавливают с использованием материала, имеющего электрические свойства, которые зависят от присутствия предварительно заданного газа. Например, чувствительный элемент 32 может быть восприимчивым к газу таким образом, что электрические свойства чувствительного элемента 32 изменяются в зависимости от наличия и/или концентрации газа. В иллюстративном варианте осуществления, адсорбция газа на поверхности чувствительного элемента 32 вызывает изменение в электрических свойствах чувствительного элемента 32, например, изменение сопротивления. Изменения в электрических свойствах обнаруживаются и/или измеряются контроллером 22.
В иллюстративном варианте осуществления, реакции газа с чувствительным элементом 32 происходят, когда чувствительный элемент 32 имеет повышенную температуру. Нагревательный элемент 34 используется, чтобы повысить температуру чувствительного элемента 32 до предварительно заданной температуры. Для подачи энергии к нагревательному элементу 34 предоставлен источник энергии подогрева 36. На температуру нагревательного элемента 34, и, таким образом, на чувствительный элемент 32 воздействуют величина подаваемой энергии, продолжительность импульсов и частота импульсов. Например, в процессе работы, когда к нагревательному элементу 34 подается энергия, температура подложки 30 повышается, что, таким образом, поднимает температуру чувствительного элемента 32 до предварительно заданного уровня. Когда температура чувствительного элемента 32 находится на предварительно заданном уровне, чувствительный элемент 32 может реагировать с газом на поверхности чувствительного элемента 32. Дополнительно, вследствие того, что на электрические свойства может воздействовать температура чувствительного элемента 32, поддерживание постоянной температуры чувствительного элемента 32 может обеспечить более точные результаты.
Источник 36 энергии функционально регулируется контроллером 22. Например, контроллер 22 может регулировать величину подаваемой энергии, продолжительность подачи энергии и частоту подачи энергии. В одном варианте осуществления, в цепи 20 управления предоставлен формирователь 38 импульсов модулирующих сигналов. Контроллер 22 соединен с формирователем 38 и действует, чтобы регулировать величину подаваемой энергии, продолжительность подачи энергии и/или частоту подачи энергии согласно схеме управления импульсной модуляцией. Пульсация подачи энергии к нагревательному элементу 34 может уменьшить общее потребление энергии газоизмерительного устройства 10 по сравнению с рабочими схемами с непрерывной подачей энергии. В альтернативных вариантах осуществления, чтобы регулировать подачу энергии к нагревательному элементу 34 можно воплотить другие схемы управления, отличающиеся от импульсной модуляции, например, если сопротивление нагревателя вычисляют из соотношения напряжения нагревателя и измерения силы тока нагревателя, чтобы поддерживать необходимое сопротивление нагревателя, напряжение источника энергии подогрева можно пропорционально регулировать.
В иллюстративном варианте осуществления, чтобы измерять электрическое свойство нагревательного элемента 34, как, например, сопротивление, электропроводность, емкостное сопротивление и/или полное сопротивление, контроллер 22 также связан с нагревательным элементом 34. Вследствие того, что электрические свойства нагревательного элемента 34 могут быть связаны с температурой нагревательного элемента 34, температуру нагревательного элемента 34 можно регулировать посредством измерения, по меньшей мере, одного электрического свойства и удерживания электрического свойства, по существу, на постоянном уровне. Например, сопротивление нагревательного элемента 34 может быть прямо пропорционально температуре нагревательного элемента. Поддерживая нагревательный элемент 34, по существу, при постоянном сопротивлении, можно, таким образом, поддерживать нагревательный элемент 34 при постоянной температуре. Нагревательный элемент 34 можно поддерживать с постоянным сопротивлением посредством регулирования схемы управления импульсной модуляцией. Раз так, температуру нагревательного элемента 34 можно вычислять и/или изменять в зависимости от измеренного электрического свойства нагревательного элемента 34, например, сопротивления.
В процессе эксплуатации, когда контроллер 22 обнаруживает присутствие газа, контроллер 22 может выводить сигнал, имеющий отношение к такому присутствию и/или концентрации газа. Выходной сигнал из контроллера 22 может быть использован газоизмерительным устройством 10, чтобы предупреждать пользователя и/или выводить на дисплей информацию, имеющую отношение к присутствию/концентрации газа. В иллюстративном варианте осуществления, контроллер 22 может включать компоновку схемы или составные элементы схемы, например, усилитель, который обрабатывает сигнал от чувствительного элемента 32 и/или аналогово-цифровой преобразователь, который обрабатывает сигнал от чувствительного элемента 32. Обработанный сигнал может выходить из контроллера 22, или иным образом использоваться газоизмерительным устройством 10 для выполнения других функций газоизмерительного устройства 10, например, предупреждение или вывод на дисплей. Несмотря на то, что контроллер 22 проиллюстрирован в виде общего контроллера 22, который функционально связан как с нагревательным элементом 34, так и чувствительным элементом 32, цепь 20 управления может включать более одного контроллера.
На Фиг.3 представлена диаграмма колебательных сигналов, отображающих работу цепи управления 20 (Фиг.2). Колебательный сигнал 100 представляет напряжение, возникающее на входном электроде, связанном с нагревательным элементом 34 (Фиг.2). Контроллер 22 и/или формирователь импульсов модулирующих сигналов 38 регулируют величину подаваемого напряжения, продолжительность подаваемого напряжения и/или частоту подаваемого напряжения. Посредством изменения импульсов, аналогичным образом изменяется величина подаваемой к нагревательному элементу энергии, которая будет увеличивать или уменьшать температуру нагревательного элемента 34, и, таким образом, температуру чувствительного элемента 32. Например, на Фиг.3 показан первый набор импульсов 102, имеющий определенную продолжительность, и второй набор импульсов 104, имеющий другую, более короткую продолжительность. Частота и величина напряжения одинаковы для первого и второго наборов импульсов 102, 104, однако, частота или величина могли бы также быть изменены для изменения подачи энергии к нагревательному элементу 34. Дополнительно, в альтернативных вариантах осуществления, форма импульса может быть изменена или может быть иной, чем прямоугольные импульсы, проиллюстрированные на Фиг.3.
Колебательный сигнал 106 представляет измерение контроллером электрических свойств нагревательного элемента 34. Измерение электрического свойства проводят в продолжение времени выключения (например, когда к нагревательному элементу 34 не подается энергия). В иллюстративном варианте осуществления, сопротивление нагревательного элемента 34 измеряется контроллером 22, однако, как описано выше, в дополнение к сопротивлению или вместо него можно измерять другие электрические свойства. Необязательно, и как проиллюстрировано на Фиг.3, измерения можно провести после заданного количества импульсов, однако, в альтернативных вариантах осуществления измерение можно проводить после каждого импульса.
На Фиг.4 показана блок-схема способа изготовления газоизмерительного устройства, например, газоизмерительного устройства 10 (Фиг.1). Способ включает в себя обеспечение 120 датчика, имеющего чувствительный элемент и нагревательный элемент, сконфигурированный для нагревания чувствительного элемента до предварительно заданной рабочей температуры. Чувствительный элемент является восприимчивым к предварительно заданному газу таким образом, что, по меньшей мере, одно электрическое свойство чувствительного элемента изменяется в зависимости от присутствия предварительно заданного газа.
Способ также включает в себя подсоединение 122 к чувствительному элементу цепи управления считыванием. Цепь управления считыванием подает энергию к чувствительному элементу. Источник энергии может быть постоянным или изменяемым. Цепь управления считыванием измеряет изменения в электрических свойствах чувствительного элемента, имеющего отношение к присутствию предварительно заданного газа. В иллюстративном варианте осуществления, цепь управления считыванием измеряет изменения сопротивления чувствительного элемента, причем на сопротивление воздействует присутствие газа. На сопротивление может также воздействовать температура чувствительного элемента. Раз так, чувствительный элемент можно поддерживать при постоянной, по существу, температуре в процессе работы. Дополнительно, как только значение электрического свойства измерено, цепь управления считыванием может посылать сигнал другой системе или составному элементу внутри газоизмерительного устройства, чтобы отображать любому из них результат присутствия и/или концентрации газа. Цепь управления считыванием может также посылать сигнал, имеющий отношение к предупреждению, чтобы предупредить пользователя о присутствии или концентрации газа.
Способ дополнительно включает в себя подсоединение 124 цепи управления нагревом к нагревательному элементу. Цепь управления нагревом подает энергию к нагревательному элементу согласно импульсно-модулированной схеме управления и измеряет, по меньшей мере, одно электрическое свойство нагревательного элемента. Импульсно-модулированная схема управления может изменять параметры или регулироваться в зависимости от измеренного электрического свойства. Необязательно, импульсно-модулированная схема управления может изменять подачу энергии, чтобы поддерживать измеренное электрическое свойство при постоянном значении. В одном варианте осуществления, может быть предоставлен формирователь импульсов модулированных сигналов для регулирования, по меньшей мере, одной из величины, продолжительности и/или частоты импульсов к нагревательному элементу.
Цепь управления нагревом может быть связана с измерением электрического свойства, которое изменяется в зависимости от температуры, и цепь управления нагревом может поддерживать, по существу, постоянную температуру нагревательного элемента за счет поддерживания измеряемого электрического свойства с постоянным, по существу, значением посредством изменения импульсно-модулированной схемы управления. Например, измеренное электрическое свойство может представлять собой сопротивление нагревательного элемента, которое изменяется в зависимости от температуры нагревательного элемента. Вследствие того, что сопротивление прямо пропорционально температуре, сопротивление поддерживается, по существу, с постоянным значением, чтобы поддерживать постоянную, по существу, температуру. Раз так, когда сопротивление выше или ниже необходимого рабочего сопротивления, контроллер может изменять параметры импульсно-модулированной схемы управления, чтобы довести значение сопротивления до необходимого рабочего сопротивления.
На Фиг.5 показана блок-схема, другого способа работы газоизмерительного устройства, например, газоизмерительное устройство 10 (Фиг.1). Способ содержит обеспечение 130 датчика, имеющего чувствительный элемент и нагревательный элемент, сконфигурированный для нагревания чувствительного элемента до предварительно заданной рабочей температуры. Чувствительный элемент и нагревательный элемент могут быть обеспечены на противоположных сторонах подложки, или могут быть нанесены непосредственно друг на друга. Площади (например, размеры и формы) слоев могут быть, по существу, одинаковы, а слои могут быть, по существу, выровнены друг с другом. Чувствительный элемент находится в тепловом контакте с нагревательным элементом таким образом, что нагревательный элемент может нагревать чувствительный элемент.
Способ включает в себя подачу 132 энергии к нагревательному элементу. Энергию можно подавать согласно схеме управления. В иллюстративном варианте осуществления, способ включает в себя использование 134 импульсной модуляции для регулирования энергии для нагревательного элемента. Импульсно-модулированную схему управления энергопотреблением можно регулировать контроллером и/или формирователем импульсов модулирующих сигналов, который действует как логический вентиль между источником энергии и нагревательным элементом.
Способ включает в себя определение 136 сопротивления нагревательного элемента. Сопротивление определяется за счет измерения температуры нагревательного элемента. В одном варианте осуществления, контроллер связан с нагревательным элементом и измеряет электрические свойства, например, сопротивление, нагревательного элемента. Измеренное сопротивление можно сравнить с необходимым рабочим сопротивлением. Способ включает в себя использование 138 изменений сопротивления нагревательного элемента для изменения импульсной модуляции, чтобы поддерживать нагревательный элемент при постоянной температуре. Например, когда сопротивление повышается или понижается, контроллер определяет, что температура повышается или понижается. Необязательно, измеренное сопротивление соответствует определенной температуре, а постоянное значение сопротивления соответствует постоянной температуре. Таким образом, любое изменение сопротивления может сделать необходимым изменение энергии, подаваемой к нагревательному элементу, чтобы скорректировать изменение температуры.
Способ включает в себя измерение 140 сопротивления чувствительного элемента. Вследствие того, что чувствительный элемент является восприимчивым к предварительно заданному газу, изменения сопротивления чувствительного элемента могут быть основаны на присутствии предварительно заданного газа. Газоизмерительное устройство работает посредством измерения значения сопротивления, которое соответствует присутствию и/или определенной концентрации газа. Дополнительно, вследствие того, что на сопротивление воздействует температура чувствительного элемента, нагревательный элемент регулируется схемой управления импульсной модуляцией, чтобы поддерживать, по существу, постоянную температуру чувствительного элемента. Когда температура постоянная, изменения сопротивления могут быть приписаны присутствию газа. Дополнительно, газоизмерительное устройство может быть градуировано, чтобы сопротивление чувствительного элемента коррелировало с присутствием и/или концентрацией газа. Например, газоизмерительное устройство может быть градуировано согласно способу, описанному в находящейся на одновременном рассмотрении патентной заявке США "ГАЗОИЗМЕРИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ", упомянутой выше.
Необходимо понимать, что описание изобретения предназначено для иллюстрирования, а не для ограничения. Например, описанные выше варианты осуществления (и/или их аспекты) можно использовать в сочетании друг с другом. В дополнение, чтобы адаптировать конкретную ситуацию или материал к идеям изобретения, могут быть сделаны многочисленные модификации без выхода за пределы объема правовых притязаний. Размеры, типы материалов, ориентации различных составных элементов и количество и положения различных составных элементов, описанных в данной заявке, предназначены для определения параметров определенных вариантов осуществления и никоим образом не для ограничения, и представляют собой исключительно иллюстративные варианты осуществления. Многие другие варианты осуществления и модификации в пределах сущности правовых притязаний формулы изобретения будут понятны квалифицированным специалистам в данной области при критическом анализе описания выше. Вследствие этого, объем правовых притязаний изобретения должен быть определен со ссылкой на приложенную формулу изобретения наряду с полным объемом правовых притязаний эквивалентов, которым может дать правовой статус такая формула изобретения. В приложенной формуле изобретения термины "включающий" и "в котором" использованы в качестве четких эквивалентов соответствующих терминов "содержащий" и "в чем". Более того, в следующей формуле изобретения термины "первый", "второй" и "третий" и т.д. использованы исключительно в качестве маркировок, и не предназначены для придания числовых требований этим объектам.
1. Газоизмерительное устройство для измерения присутствия заданного газа в текучей среде, содержащее:
датчик, имеющий чувствительный элемент и нагревательный элемент, сконфигурированный для нагрева чувствительного элемента до предварительно заданной рабочей температуры, причем чувствительный элемент является восприимчивым к заданному газу таким образом, что, по меньшей мере, одно электрическое свойство чувствительного элемента изменяется в зависимости от присутствия заданного газа, причем электрическое свойство чувствительного элемента измеряется газоизмерительным устройством; и
цепь управления, имеющую контроллер нагревательного элемента, связанный с нагревательным элементом и измеряющий его электрическое свойство, причем цепь управления имеет источник энергии подогрева, подающий энергию к нагревательному элементу, причем контроллер нагревательного элемента связан с источником энергии подогрева и регулирует его работу в зависимости от измерения электрического свойства нагревательного элемента;
средство импульсной модуляции, соединенное с контроллером нагревательного элемента, источником энергии подогрева для управления величиной энергии, подаваемой к нагревательному элементу,
причем средство импульсной модуляции выполнено с возможностью формирования первого набора импульсов энергии, имеющего определенную продолжительность, и второго набора импульсов энергии, имеющего другую, более короткую продолжительность для поддержания температуры нагревательного элемента по существу на постоянном уровне.
2. Газоизмерительное устройство по п.1, в котором контроллер нагревательного элемента конфигурирован для измерения сопротивления нагревательного элемента, причем контроллер нагревательного элемента конфигурирован для регулирования работы источника энергии подогрева в зависимости от измеренного сопротивления нагревательного элемента.
3. Газоизмерительное устройство по п.1, в котором датчик включает в себя подложку, имеющую чувствительный элемент, нанесенный на одну сторону подложки, и нагревательный элемент, нанесенный на противоположную сторону подложки, причем подложка термически проводит тепло от нагревательного элемента к чувствительному элементу.
4. Газоизмерительное устройство по п.1, в котором цепь управления дополнительно включает в себя контроллер чувствительного элемента, связанный с чувствительным элементом и измеряющий по меньшей мере одно электрическое свойство чувствительного элемента, причем контроллер чувствительного элемента делит вычислительные ресурсы с контроллером нагревательного элемента.
5. Газоизмерительное устройство по п.1, в котором контроллер нагревательного элемента конфигурирован для изменения импульсной модуляции источника энергии подогрева, чтобы поддерживать чувствительный элемент с предварительно заданной рабочей температурой.
6. Газоизмерительное устройство по п.1, в котором контроллер нагревательного элемента измеряет сопротивление нагревательного элемента и изменяет импульсную модуляцию источника энергии подогрева, чтобы поддерживать постоянное, по существу, сопротивление нагревательного элемента.
7. Способ изготовления газоизмерительного устройства, содержащий этапы, на которых:
обеспечивают датчик, имеющий чувствительный элемент и нагревательный элемент, сконфигурированный для нагрева чувствительного элемента до предварительно заданной рабочей температуры, причем чувствительный элемент является восприимчивым к заданному газу таким образом, что, по меньшей мере, одно электрическое свойство чувствительного элемента изменяется в зависимости от присутствия заданного газа;
соединяют цепь управления считыванием к чувствительному элементу, причем цепь управления считыванием подает энергию к чувствительному элементу и измеряет изменения, по меньшей мере, одного электрического свойства чувствительного элемента, имеющего отношение к присутствию заданного газа; и
соединяют цепь управления нагревом к нагревательному элементу, причем цепь управления нагревом подает энергию к нагревательному элементу согласно импульсно-модулированной схеме управления и измеряет, по меньшей мере, одно электрическое свойство нагревательного элемента, при этом импульсы энергии модулируют для формирования первого набора импульсов энергии, имеющего определенную продолжительность, и второго набора импульсов энергии, имеющего другую, более короткую продолжительность для поддержания температуры нагревательного элемента, по существу, на постоянном уровне.
8. Способ работы газоизмерительного устройства, содержащий этапы, на которых:
обеспечивают датчик, имеющий чувствительный элемент и нагревательный элемент, сконфигурированный для нагрева чувствительного элемента до предварительно заданной рабочей температуры;
подают энергию к нагревательному элементу;
используют импульсную модуляцию амплитуды и/или продолжительности импульсов энергии, чтобы регулировать энергию для нагревательного элемента;
определяют сопротивление нагревательного элемента;
используют изменения сопротивления нагревательного элемента для изменения импульсной модуляции, чтобы поддерживать нагревательный элемент при постоянной температуре;
измеряют сопротивление чувствительного элемента, причем чувствительный элемент является восприимчивым к заданному газу таким образом, что сопротивление чувствительного элемента изменяется в зависимости от присутствия заданного газа.
