DE20380265U1

DE20380265U1 - Meßgerät für brennbares Gas

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Publication number: DE20380265U1
Application number: DE20380265U
Authority: DE
Original assignee: Scott Technologies Inc
Current assignee: Scott Technologies Inc
Priority date: 2002-06-04
Filing date: 2003-06-04
Publication date: 2005-06-09
Anticipated expiration: 2013-06-05
Also published as: WO2003102607A8; AU2003240513B8; US20040065140A1; CA2488252C; WO2003102607A1; AU2003240513B2; US6812708B2; CA2488252A1; AU2003240513A1

Abstract

Gasdetektor mit:
a) mindestens einem aktiven Sensorelement mit elektrischem Widerstand und geeignet, um in fluidem Kontakt mit einem Gas angeordnet zu werden, das Bestandteile aufweist, die sich ändern können;
b) einem Schaltkreis, der das aktive Sensorelement aufweist, zum Liefern von Leistung, um das Sensorelement zu erwärmen;
c) einem Mittel, das eine Pulsmodulationsquelle aufweist, wirkend mit dem Schaltkreis verbunden, um die Leistung zu dem aktiven Sensorelement zu steuern/regeln, wobei das Sensorelement derart gebildet ist, daß die Gasbestandteile, wenn sie sich ändern, bewirken, daß die Temperatur des erwärmten aktiven Sensorelements sich ändert;
d) einem Mittel, wirkend verbunden mit dem aktiven Sensorelement und in Steuer/Regelbeziehung mit der Pulsmodulationsquelle, um den Widerstand des Sensorelements zu bestimmen und die Pulsmodulation zu ändern, um das Sensorelement auf einer konstanten Temperatur zu halten; und
e) einem Mittel, wirkend zugehörig zum Widerstands-Bestimmungs- und Pulsmodulations-Änderungsmittel, um die Änderung der Pulsmodulation mit einer Änderung in...

Description

Verweis zu einer verwandten Anmeldung
Die Anmelderin beansprucht die Priorität der provisorischen Patentanmeldung (Provisional Patent Application) Nr. 60/385,666 in den Vereinigten Staaten, die am 4. Juni 2002 angemeldet wurde und den Titel "Meßgerät für brennbares Gas" trägt, die hierin durch Bezugnahme aufgenommen ist.
Hintergrund der Erfindung
Diese Erfindung bezieht sich auf Gasdetekions-Sensoren und insbesondere auf einen neuen und verbesserten Gasdetektor für brennbares Gas, unter Verwendung katalytischer Verbrennung und/oder direkte thermische Effekte, wobei der Sensor bei einer konstanten Temperatur betrieben wird.
Katalytische Gasdetektions-Sensoren sind im Grunde temperaturabhängige Widerstände. Ein Katalysator, typischerweise Platin oder eine Platinlegierung, wird durch einen Widerstand geheizt. Die Kombination des Widerstandes und des Katalysators kann katalytisches Element oder Meßfühler (Sensorelement) genannt werden. Es kann zahlreiche Formen annehmen, einschließlich eines Heizfadens, eines sphäroiden oder eines ebenen Widerstandes auf einem geeigneten Substrat. Die Sphäroidenform wird oft als ein "katalytisches Kügelchen" bezeichnet. Der heiße Katalysator veranlaßt eine Oxidation des brennbaren Gases in Luft, üblicherweise ohne Erzeugung einer Flamme. Die Oxidation erhitzt den Katalysator und den Widerstand weiter. Die erhöhte Temperatur erhöht den elektrischen Widerstand des Widerstands. Eine Erhöhung des Widerstands entspricht einer Erhöhung der Konzentrationen von brennbarem Gas.
Wie jeder einfach versteht, wird jedoch alles, was eine Erhöhung der Temperatur des katalytischen Elements bewirkt, als ein Anstieg in der Menge an verbrennbarem Gas in der Luft interpretiert. Desgleichen wird alles, was eine Erniedrigung der Temperatur des katalytischen Elements bewirkt, als eine Erniedrigung in der Menge an brennbarem Gas in der Luft interpretiert.
Katalytische Gasdetektions-Sensoren enthalten gewöhnlich ein Referenzelement, um Änderungen der Temperatur der überwachten Luft oder des überwachten Gasstroms zu verhindern, die eine Änderung bewirken, die fälschlicherweise als eine Änderung der Konzentration des verbrennbaren Gases in der Luft oder des Gasstroms interpretiert werden kann. Das Referenzelement ist nahezu identisch zu dem katalytischen Element aufgebaut, mit Ausnahme, daß die Oberfläche eine geringere chemische Aktivität als die des katalytischen Elements, aber im wesentlichen gleiche thermische Eigenschaften aufweist. Die reduzierte chemische Aktivität kann durch "Verunreinigen" des Katalysators durch zahlreiche Verfahren erzeugt werden, wie das Hinzufügen von kleinen Mengen von Blei. Im Betrieb werden die zwei Elemente derselben Luft oder demselben Gasstrom ausgesetzt, und der Temperaturunterschied zwischen den Elementen erzeugt das Ausgangssignal.
In herkömmlichen Gasdetektions-Geräten sind das aktive oder katalytische Element sowie die Referenz über eine geeignete Spannungsversorgung in Reihe geschaltet. Ein anderes Paar von festen Widerständen ist ebenfalls in Reihe über dieselbe Versorgung geschaltet. Die vier Widerstände bilden somit eine Wheatstone-Brücke. Dieser Aufbau gleicht die Temperaturänderungen aus, die nicht durch das Oxidieren von brennbarem Gas erzeugt werden. Eine zwischen den Spannungsteilern der Wheatstone-Brücke gemessene Spannung entspricht der Konzentration an verbrennbarem Gas. Bei einigen Geräten sind die Versorgungs- und Meßanschlüsse der Wheatstone-Brücke vertauscht, wobei das katalytische Element und das Referenzelement jeweils mit einem festen Lastwiderstand über die Spannungsversorgung in Reihe geschaltet sind. Ein Nachteil der herkömmlichen Geräte ist, daß die Lebensdauer des Sensors durch die ansteigende Temperatur, die durch das Aussetzen zu dem verbrennbaren Gas bewirkt wird, verkürzt wird. In einigen Fällen kann der Sensor durch eine einzelne Anwendung bei einer hohen Konzentration von verbrennbarem Gas beschädigt werden. Konventionelle Geräte verbrauchen wegen des Erfordernisses, eine stabile Spannungsversorgung im Hinblick auf eine Änderung einer Batteriespannung aufrecht zu halten, auch eine erhebliche Energie, die weit über der Erforderlichen liegt, um die Sensorelemente zu erwärmen.
Die untere Explosionsgrenze (LEL) ist eine Schwellenkonzentration, an der und über der ein brennbares Gas eine Explosionsgefahr darstellt. Beispielsweise beträgt die LEL von Methan in Luft ungefähr eine Konzentration von 5 Volumenprozent. Um brennbares Gas mit Konzentrationen unterhalb der LEL zu detektieren, kann ein temperaturabhängiger Widerstand mit einem Platin- oder einem anderen geeigneten Katalysator beschichtet und elektrisch geheizt werden, um eine Oxidation an der Oberfläche des Katalysators zu erleichtern. Bei Präsenz eines Gemisches von brennbarem Gas und Luft oxidiert das Gas, wobei Wärme abgegeben wird, die den Widerstand heizt.
Somit umfaßt, wie vorher beschrieben, der typische katalytische Kügelchen-Detektor für brennbares Gas ein Paar temperaturabhängige Widerstände, um die Effekte der Außentemperatur, der Feuchtigkeit und einer elektrischer Instabilität zu mindern. Ein Widerstand des Paares, der als "Rsense" bezeichnet werden kann, ist mit einem aktiven Katalysator beschichtet. Der andere Widerstand, der als "Rref" bezeichnet werden kann, weist den aktiven Katalysator nicht auf. Eine katalytische Oxidation des brennbaren Gases erwärmt Rsense. Da der Katalysator fehlt, wird Rref nur leicht durch mäßige Konzentrationen von brennbarem Gas beeinflußt.
In allgemeiner Praxis ist das Paar der vorher beschriebenen temperaturabhängigen Widerstände Rref und Rsense in Reihe geschaltet, so daß ein Spannungsteiler, wie in 1 dargestellt, gebildet wird. Dieser Teiler ist in einer Brückenschaltung angeordnet, wo ein fester Spannungsteiler, der die Reihenanordnung der Widerstände R und R umfaßt, nahezu den durch Rsense und Rref gebildeten Teiler ausgleicht, die in Reihe geschaltet sind. Die Brücke wird durch eine konstante Spannung Vbat unter Spannung gesetzt. Geringe Konzentrationen von brennbarem Gas in der Luft erhöhen die Temperatur von Rsense, was seinen Widerstand erhöht. Demzufolge werden Änderungen der Gaskonzentration durch Änderungen der Brücken-Ausgangsspannung an Anschlüssen A und B angegeben, die die Differenz zwischen den Spannungen des Paars von Teilern ist.
Ein Kühlwirkungs-Sensor kann verwendet werden, um hohe Konzentrationen von brennbarem Gas zu messen. Solche Sensoren nutzen sich unterscheidende Kühlwirkungen von verschiedenen Gasen in Kontakt mit einer heißen Oberfläche aus. Das Kühlen einer heißen Oberfläche hängt von der charakteristischen Wärmekapazität, der Viskosität und der Wärmeleitfähigkeit des Gases in Kontakt mit der Oberfläche ab. Der Einfluß jeder Gaseigenschaft kann von der Geometrie der heißen Oberfläche und der Geometrie der Strukturen abhängen, die die Konvektionsbewegung des Gases über die Oberfläche beeinflussen. Mehratomige Gase, solche mit Molekülen von drei oder mehr Atomen, beispielsweise Methan oder andere organische Gase, haben höhere Wärmekapazitäten als zweiatomige Gase, wie Sauerstoff und Stickstoff (die hauptsächlichen Bestandteile der Luft). Die Wärmekapazität jedes brennbaren, organischen Gases ist ungefähr 1,2 mal die der Luft. Diese größere Wärmekapazität erhöht die Konvektions-Kühlungswirkung eines brennbaren Gases (oder jedes mehratomigen Gases) über das der Luft. Auch wenn Konvektions-Kühlungswirkungen zwischen verschiedenen Gasen variieren können, ist der Effekt für ein gegebenes Gas reproduzierbar. In einiger Literatur wird der Kühlungseffekt von brennbarem Gases als "Wärmeleitfähigkeit" bezeichnet.
Einige Geräte nach dem Stand der Technik weisen einen Sensor zum Messen hoher Konzentrationen von brennbaren Gasen und einen anderen Sensor zum Messen niedriger (% LEL) Konzentrationen auf. In einigen dieser Geräte ist der Sensor für hohe Konzentrationen ein Sauerstoffsensor, der die Konzentration an brennbarem Gas durch Messen von Sauerstoff-Entfernung bestimmt. Das Verfahren kann eine falsche Angabe einer hohen Konzentration von brennbarem Gas zur Folge haben, weil jedes Gas, nicht notwendigerweise ein brennbares Gas, denselben Effekt bewirken würde. In anderen Geräten mißt ein Kühlwirkungs-Sensor (oben beschrieben) hohe Konzentrationen von brennbaren Gasen. Dieses Verfahren ist im allgemeinen besser als die Sauerstoffentfernung, weil übliche, nicht-brennbare Gase sehr ähnliche Kühlwirkungen wie Luft aufweisen, so daß Messungen weniger unklar sind als Messungen, die auf Sauerstoffentfernungen basieren. Jedoch hat die Verwendung eines Sensors, um geringe Konzentrationen zu messen, und eines anderen Sensors, um hohe Konzentrationen zu messen, zusätzliche Kosten und zusätzliche Masse zu Folge.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Erfindung ist auf ein Gerät gerichtet, das einen katalytischen Kügelchen-Sensor verwendet, um Konzentrationen von brennbarem Gas in einem Raum zu messen, wie eine Rohrleitung, in der ein Gemisch aus Gasen fließt. Verbesserungen gegenüber dem Stand der Technik enthalten erweiterte Zuverlässigkeit, einen ausgedehnten Meßbereich und eine ausgedehnte Betriebszeit in einem Batterie-betriebenen Gerät. Die Vorteile eines Betriebs eines katalytischen Kügelchen-Sensors für brennbares Gas bei konstanter Temperatur enthalten das Vermeiden von Detektorstörungen bei hohen Konzentrationen von brennbarem Gas, bessere Meß-Linearität, reduzierte Ansprechzeit und längere Detektor-Lebensdauer. Ein Vorteil von Pulsweitenmodulation (PWM) für Batterie-betriebene Geräte ist die Erhaltung von Energie, wobei dies wünschenswerte längere Laufzeiten zwischen Aufladungen oder Batterieaustauschen bewirkt, als dies mit einer linearen Steuerung/Regelung erhalten wird. Eine PWM-Steuerung/Regelung kann auch weniger Bestandteile und einen einfacheren Aufbau als Schaltstellglieder und andere Alternativen übernehmen.
Die Erfindung kombiniert die Vorteile eines Betriebs bei konstanter Temperatur und einer PWM-Steuerung/Regelung für katalytische Kügelchen-Detektoren für brennbares Gas. Die Erfindung ordnet die aktiven Elemente und Referenzelemente des Gassensors in einer modifizierten Brückenschaltung an, die es ermöglicht, Leistung separat dem aktiven Element und dem Referenzelement unter Verwendung der Pulsweitenmodulation zuzuführen. Ein Vorteil ist, daß die konstante Temperatur an den Elementen aufrechterhalten werden kann unter Verwendung eines relativ preiswerten Digitalprozessors zur Steuerung/Reglung des Pulsweitenmodulators und zur Übertragung einer Verringerung der Leistung, die zur Aufrechterhaltung der konstanten Temperatur an dem katalytischen Element benötigt wird, in einen Ausgang, der proportional zur Konzentration des brennbaren Gases in der Luft ist. Somit mißt ein die Erfindung aufweisendes System periodisch den Widerstand von einem Sensorelement oder mehren Sensorelementen (Rref und Rsense) und steuert/regelt die elektrische Vorspannung, die an die Elemente, unter Verwendung von PWM, angelegt wird, wobei nahezu konstante Temperaturen in den Sensorelementen aufrechterhalten werden. Änderungen in den Gaskonzentrationen werden in einer Änderung der elektrischen Vorspannung wiedergegeben. Ein weiterer Vorteil ist, daß die Erfindung zwei Betriebsmodi von katalytischen Kügelchen-Detektoren ermöglicht. Ein Sensor kann abwechselnd geringe Konzentrationen von brennbaren Gasen bis zu der unteren Explosionsgrenze (LEL) messen oder hohe Konzentrationen bis zu 100 Volumenprozent messen.
Die vorstehenden und weiteren Vorteile und kennzeichnenden Merkmale der Erfindung werden durch Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung zusammen mit den beigefügten Zeichnungen deutlich ersichtlich.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein schematisches Schaltbild eines katalytischen Sensors zur Detektion von brennbarem Gas gemäß dem Stand der Technik;
2 ist eine schematische Darstellung, die den Betrieb des Gasdetektors nach der Erfindung darstellt; und
3 ist eine schematische Darstellung, die weiterhin den Gasdetaktor der Erfindung beschreibt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Von Zeit zu Zeit kann hierin Bezug auf 2 genommen werden, die eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung ist. Die Erfindung ist nicht auf das Ausführungsbeispiel gemäß 2 begrenzt. Des weiteren enthält die folgende Beschreibung Details, die zur Darstellung der Erfindung gedacht sind und nicht derart gedeutet werden sollten, daß sie die Erfindung zu begrenzen. Viele andere äquivalente Schaltungsstrukturen und Schaltungsparameter können gemäß der Erfindung verwendet werden.
In einem Ausführungsbeispiel der Erfindung weist ein Sensor 10 zwei Detektorwiderstände 12 und 14 (Rsense und Rref) auf, die einen gemeinsamen Knotenpunkt 16 haben, der auf einer Versorgungsspannung (Vbat) aufrechterhalten oder periodisch zu der Versorgungsspannung (Vbat) auf der Leitung 18 geschaltet wird. Rsense ist mit einem festen Lastwiderstand 22 (RloadS) in Reihe geschaltet, und Rref ist mit einem anderen festen Lastwiderstand 24 (RloadR) in Reihe geschaltet, wobei jede Reihenschaltung einen Spannungsteiler für Vbat bildet, d.h. vom Knotenpunt 16 zur Masse. Jeder der festen Lastwiderstände 22,24 wird periodisch durch einen FET kurzgeschlossen, wenn durch einen PWM-Ausgang von einer Steuerung/Regelung angetrieben. Insbesondere gibt eine einen Prozessor enthaltende Steuerung/Regelung 30 mit PWMref bezeichnete Impulse in einer Leitung 32 auf einen Steuer/Regelanschluß eines Signal-gesteuerten oder Spannungsgesteuerten Schalters in der Form des FET 34, der von dem Anschluß der Widerstände 14 und 24 mit der Masse verbunden ist. Ähnlich gibt die Steuerung/Regelung 30 mit PWMsense bezeichnete Pulse in einer Leitung 38 auf einen Steuer/Regelungsanschluß eines Signal-gesteuerten oder Spannungsgesteuerten Schalters in Form des FET 40, der von dem Anschluß der Widerstände 12 und 22 mit der Masse verbunden ist. PWMref schließt den Lastwiderstand 24 kurz, der Rref zugehörig ist (Widerstand 14), und PWMsense schließt den Lastwiderstand 22 kurz, der Rsense zugehörig ist (Widerstand 12). Wenn ein Lastwiderstand kurzgeschlossen wird, wird die gesamte Versorgungsspannung (Batteriespannung) auf den Widerstand, Rsense oder Rref, gegeben, wie dies der Fall sein kann. Zwischen Pulsen der PWMref und PWMsense stellen die entsprechenden Spannungsteiler, wenn Rload (Widerstand 22 oder 24) nicht durch den FET 34 oder 40 kurzgeschlossen wird, Spannungen VrefDiv und VsenseDiv auf Leitungen 50 bzw. 52 zur Verfügung. Jedes PWM-Signal wird gesteuert/geregelt, wie es benötigt wird, um Rsense und Rref auf einem vorbestimmten Widerstand zu halten, wobei dies durch ein geeignetes Programm getan wird, das durch die Steuerung/Regelung 30 verwendet wird. Die Aufrechterhaltung des Widerstandes von Rsense und Rref hält die Temperatur jedes Widerstandes aufrecht.
Eine konstante Temperatur entspricht einem konstanten Widerstand der Temperatur-abhängigen Widerstände Rsense und Rref. Änderungen in der Gaskonzentration können durch Änderungen der Leistung, die Rsense und Rref verschafft wird, angezeigt werden. Für niedrige Konzentrationen wird die Wärme, die durch katalytische Verbrennung eines detektierten Gases bei Rsense erzeugt wird, durch Reduzierung dessen PWM-Antriebs ausgeglichen, um dessen konstante Temperatur aufrechtzuerhalten. Die Reduzierung der elektrischen Leistung, die aus der Reduzierung des PWM-Tastverhältnisses resultiert, entspricht der Konzentration des detektierten Gases. Höhere Konzentrationen der brennbaren organischen Gasen erhöhen die Konvektionskühlung des Sensors für brennbares Gas Rref, was die elektrische Leistung erhöht, die erforderlich ist, um Rref auf einer konstanten Temperatur aufrechtzuerhalten. Die zusätzliche Leistung entspricht der Konzentration des Gases.
Zum Betrieb bei konstanter Temperatur wird gemäß der Erfindung jede Seite des Sensors 10 auf einem konstanten Widerstand durch Regelung eines zugehörigen Pulsweiten-modulierten (PWM) Antriebs aufrechterhalten. Die konstante Temperatur entspricht dem konstanten Widerstand der Temperaturabhängigen Widerstände 12 und 14. Das PWM-Ein-Ausverhältnis auf jeder Seite des Sensors, kombiniert mit der Batteriespannung, bestimmt die Höhe der Leistung. Der Schaltkreis kann so angeordnet sein, daß der Lastwiderstand 22 oder 24 allein nicht genug Strom führt, um Rsense oder Rref auf die gewünschte Temperatur zu erwärmen. Demzufolge kann das PWM-Signal, das den FET steuert, die Temperatur von Rref und Rsense steuern/regeln. Der Beitrag des Lastwiderstandes zur Effektivspannung an Rsense und Rref kann beachtet werden, um exakte Messungen zu erhalten.
Periodisch und während der Auszeit für jede PWM kann ein Analog-Digital-Wandler (ADC) 60 gesetzt werden, um die Spannungen von Rref-RloadR und Rsense-RloadS zu messen, die mit VrefDiv und VsenseDiv bezeichnet werden. Zu anderen Zeiten kann es die Versorgungsspannung messen, die mit Vbat bezeichnet ist. Der digitale Ausgang des ADC kann auf die Steuerung/Regelung 30 gegeben werden. Unter Verwendung eines geeigneten Programms stellt die Steuerung/Regelung 30 PWMref automatisch ein, um ein konstantes Verhältnis zwischen VrefDiv und Vbat aufrecht zu erhalten. Es stellt PWMsense ein, um ein konstantes Verhältnis zwischen VsenseDiv und Vbat aufrecht zu erhalten. Das Aufrechterhalten konstanter Verhältnisse dieser Spannungen hält konstante Widerstände und Temperaturen von Rref und Rsense aufrecht.
Vbat wird dem ADC unter Verwendung eines Spannungsteilers gegeben, der die Serien-Kombination der Widerstände 66 und 68 umfaßt, die zwischen der Leitung 18, an der Vbat anliegt, und der Masse angeordnet sind, wobei ein Ausgang auf der Leitung 70 bereitgestellt wird, der hierin als Vbathalf bezeichnet wird, auch wenn der Wert nicht 50% von Vbat betragen muß. Dieser Anteil der Vbat (Vbathalf) kann als Referenzspannung zum Vergleich mit VsenseDiv, der Rsense zugehörigen Spannung, und VrefDiv dienen, der Rref zugehörigen Spannung.
Das in der Steuerung/Regelung 30 enthaltene Programm kann ein erstes Verhältnis berechnen, das Verhältnis von Vbathalf zu VrefDiv. Es kann auch ein zweites Verhältnis berechnen, das Verhältnis von Vbathalf zu VsenseDiv. Jedes der beiden Verhältnisse wird mit einer entsprechende Vorgabe oder einem entsprechenden Sollwert verglichen, um die zugehörige PWM einzustellen, um das erste Verhältnis und das zweite Verhältnis nahezu konstant zu halten, was konstante Widerstände von Rref und Rsense beinhaltet. Eine bestimmte Effektivspannung wird charakteristisch für die Vorspannung sein, die durch jedes PWM-Signal gesteuert/geregelt wird, wenn es das zugehörige Teilerverhältnis an der zugehörigen Vorgabe hält.
Die Vorgabenwerte sind gesetzt, um eine gewünschte Effektivspannung sowohl über Rref und als auch über Rsense zu erzeugen, ohne daß brennbares Gas zugeführt wird. Der Sollwert des Spannungsteiler-Verhältnisses, der der Spannung ohne zugeführtem Gas entspricht, entspricht ebenso einer Temperatur mit oder ohne zugeführtem Gas. Änderungen des PWM-Signals, das das Verhältnis der Teilerverhältnisse auf dem Sollwert hält, geben Änderungen der zugeführten Gaskonzentration wieder.
Alternativ zur Steuerung/Regelung 30, die die Verhältnisse von VrefDiv zu Vbathalf und VsenseDiv zu Vbathalf berechnet, kann der ADC 60 die Verhältnisse direkt erzeugen. Der ADC 60 erzeugt die Verhältnisse direkt durch seine Konfiguration mit VbatHalf als ADC-Referenzeingang während der Zeiten, wenn er VrefDiv und VsenseDiv mißt. Der ADC stellt als eine Verhältnisvorrichtung aufeinanderfolgende Ausgänge zur Verfügung, die direkt proportional zu den zwei Verhältnissen, VrefDiv zu Vbathalf und VsenseDiv zu Vbathalf, sind.
Zwei Steuerungs/Regelungsstufen können Rsense vor dem Überhitzen bei hohen Konzentrationen von brennbarem Gas schützen. In der ersten Stufe hält PWMsense die gewünschte Temperatur bis zu 100% LEL aufrecht. Wenn die Gaskonzentration weiter ansteigt, kann PWMsense vollständig abgeschaltet und dann wieder auf normale Vorspannung zurückgebracht werden, wenn die Gaskonzentration auf eine sichere Höhe fällt.
Die Ausgänge der Detektor-Spannungsteiler können auf multiplexe Eingänge eines Analog-Digital-Wandlers (ADC) 60 gegeben werden. Aus praktischen Überlegungen kann der ADC 60 auf einer festen Spannungsversorgung arbeiten, die geringer als die Batteriespannung ist. Typischerweise mißt ein ADC Eingangsspannungen in einem Bereich von dessen negativen Versorgungs-Anschlußspannung zu dessen positiven Versorgungs-Anschlußspannung. Daher können die ADC-Spannungsversorgung und Rload so gewählt werden, daß die Spannungsteiler-Ausgänge innerhalb des ADC-Spannungsversorgungsbereichs unter allen erwarteten Bedingungen der Batterieladung liegen, wenn der Detektor bei einer gewünschten Temperatur betrieben wird. Wo es von Vorteil für den Systemaufbau ist, können die Verbindungen zu Vbat und Gnd getauscht werden, so daß der ADC-Eingang die Spannung über den Sensorelementen (Rref und Rsense) anstatt von Rload(s) ist. Ein fester Spannungsteiler gibt einen Teil der Batteriespannung (VbatHalf) auf den ADC innerhalb dessen Eingangs-Spannungsbereich.
Eine programmierbare digitale Steuerung/Regelung 30, wie ein Texas Instruments MSP430f149, kann den ADC 60 betreiben, die ADC-Ausgänge erzeugen oder die PWM-Signale steuern/regeln. Der ADC und die PWMs können in der Steuerung/Regelung eingeschlossen sein. Die folgende Diskussion nimmt an, daß der ADC und die PWMs in der Steuerung/Regelung aufgenommen sind.
Jedes Paar der festen Lastwiderstände 22 und 24 kann periodisch durch eine Schaltvorrichtung, wie ein FET 34 und 40, kurzgeschlossen werden, wenn durch ein PWM-Signal von der Steuerung/Regelung 30 angetrieben. Wenn der feste Lastwiderstand kurzgeschlossen wird, wird nahezu die gesamte Batteriespannung auf Rref oder Rsense gegeben. Durch Ausführen eines geeigneten Programms, das das den FET ansteuernde Signal in Abhängigkeit der Signale, die auf den ADC gegeben werden, moduliert, hält die Steuerung/Regelung 30 den Widerstand des Sensorelements 12 und des Sensorelements 14 aufrecht. Jedes PWM-Signal wird wie benötigt moduliert, um Rsense und Rref (Widerstände 12 und 14) zu einem vorbestimmten Widerstand zu zwingen. Die Aufrechterhaltung des Widerstandes jedes Sensorelementes hält eine konstante Temperatur jedes Sensorelements aufrecht. Der Beitrag des Lastwiderstandes zu der Effektivspannung an jedem Sensorelement kann herangezogen werden, um genaue Messungen zu erhalten. Um sicherzustellen, daß die PWM die Sensorelement-Temperatur steuern/regeln kann, kann der Schaltkreis so ausgelegt sein, daß der Lastwiderstand alleine nicht genug Strom zum Erwärmen des Elements auf die gewünschte Temperatur führen kann.
Bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung kann eine als Vbat bezeichnete Batteriespannung an einem Knoten angelegt werden, mit dem drei Spannungsteiler verbunden sind. Somit steuert Vbat einen Referenz-Spannungsteiler, beispielsweise Vbat angelegt an R₄ und R₅ (Widerstände 66 und 68) zur Masse. Vbathalf auf der Leitung 70 wird dem ADC von zwischen R₄ und R₅ zugeführt. Vbat steuert auch zwei Gasdetektor-Spannungsteiler (oben beschrieben), wobei der eine Vbat angelegt an R₂, R₉ (Widerstand 14, Widerstand 24) zur Masse und der andere Vbat angelegt an R₁, R₈ (Widerstand 12, Widerstand 22) zur Masse umfaßt. Die Widerstände des Widerstands R₈ und des Widerstands R₉ können zum Beispiel in einer veranschaulichenden Gasdetektions-Vorrichtung 54,9 Ohm betragen, und die Widerstände des Elementes Rref und des Elementes Rsense können 47,5 Ohm betragen, wenn diese bei einer gewünschten Temperatur betrieben werden.
Zur weiteren Veranschaulichung zeigt 3 eine einigermaßen vereinfachte Darstellung des Systems nach 2. Der Sensor 10' enthält Widerstände 12' (Rref) und 14' (Rsense), und Lastwiderstände 22' und 24' sind zwischen Widerständen 12' bzw. 14' und Masse angeordnet. Der FET 34 bzw. 40 gemäß 2 ist in 3 als Spannungs- oder Signal-gesteuerter Schalter 90 bzw. 92 dargestellt. Eine digitale Steuerung/Regelung 30' und ein ADC 60' werden gezeigt. Weitere Eingänge von Teilen der Vorrichtung, von der der Sensor 10' ein Teil ist, können dem ADC über einen Bus 100 zugeführt werden. In ähnlich Weise verbindet ein Bus 102 diese anderen Teile der Vorrichtung mit der Steuerung/Regelung 30'.
Ein Ein- und Ausschalter 106 ist vorhanden, der die Spannung steuert/regelt, die sowohl an das Referenzelement als auch an das katalytische Element angelegt wird. Zwei Pulsweitenmodulations-Schalterfunktionen sind vorhanden, die mit PWM ref und PWM sense markiert sind. Beide Schalter 90 und 92 werden durch die digitale Steuerung/Regelung 30' gesteuert, und beide Schalter werden verwendet, um Leistungspulse zum aktiven Element 12' bzw. Referenzelement 14' zu liefern. Die Gesamtsteuerung/Regelung wird durch den in Reihe mit der Batterie geschalteten Schalter 106 bereitgestellt. Dieser Schalter gibt gleichzeitig Leistung auf das katalytische Element und das Referenzelement. Der Schalter kann schnell betätigt werden, um Änderungen der Batteriespannung zu kompensieren. Die Schaltfolge kann gewählt werden, um den Zustand aufrechtzuerhalten, daß die Ströme durch die Widerstände 22' und 24' nicht ausreichen, um die Sensorwiderstände 10' und 12' auf deren vorbestimmte gewünschte Temperaturen zu erwärmen, und auch um den Zustand aufrechtzuerhalten, daß die Schalter 90 und 92 durch PWMref bzw. PWMsense gesteuert/geregelt werden können, um ausreichend Strom zum Erwärmen der Sensorwiderstände 10' und 12' auf deren gewünschte Temperaturen zuzufügen. Beispielsweise kann die Steuerung/Regelung den Schalter 106 so betreiben, daß in einem Zyklus von zehn Zeitintervallen der Schalter 106 bei vier Intervallen an und bei sechs Intervallen aus ist. Die Zahl der Intervalle von den zehn in einem Zyklus, bei der der Schalter an ist, wird wie benötigt gesetzt, um die Sensorelement-Temperaturen unter Steuerung/Regelung der PWMs zu halten, trotz Änderung in der Batteriespannung.
Beim Schalten von katalytischem Betrieb, zum Messen von Gas unterhalb LEL, zu dem Kühlwirkungsbetrieb, zum Messen von Gaskonzentrationen über LEL, schaltet die Steuerung/Regelung 30' den An/Ausschalter 106 kurz aus, um den Widerstand 14', Rsense, unterhalb der Temperatur zur katalytischen Aktivität abzukühlen. Dann nimmt die Steuerung/Regelung den Betrieb des An/Ausschalter 106 und der PWM ref wieder auf, um die gewünschte Temperatur in dem Widerstand 12', Rref, wieder herzustellen und aufrechtzuerhalten. PWM sense wird im Kühlwirkungsbetrieb gesperrt.
Somit zeigen die 2 und 3, wie die Erfindung das aktive Element und das Referenzelement in einer modifizierten Brückenschaltung anordnet, die es ermöglicht, unter Verwendung der Pulsweitenmodulation dem aktiven Element und dem Referenzelement separat Leistung zuzuführen. 2 und 3 stellen die Prinzipien dar, mit denen die Erfindung Leistungspulse zu dem aktiven Element sowie dem Referenzelement zuführt und mit denen die Erfindung diese Pulse regelt, um einen konstanten Widerstand aufrechtzuerhalten. Der Widerstand ist wiederum proportional zu deren Temperatur. Die Pulse von der Steuerung/Regelung agieren, um eine konstante Temperatur an dem aktiven Element und dem katalytischen Element aufrechtzuerhalten.
Der Hauptvorteil der Technik der Erfindung ist, daß eine konstante Temperatur an den Elementen aufrechterhalten werden kann unter Verwendung eines relativ preiswerten Digitalprozessors zur Bestimmung der Widerstands-Teilerverhältnisse, um den Pulsweitenmodulator zu steuern/regeln, und zum Übertragen der Verringerung der benötigten Leistung, um eine konstante Temperatur an dem katalytischen Element aufrechtzuerhalten, an einen Ausgang, der proportional zu der Konzentration von brennbarem Gas in Luft ist.
Obwohl Pulsweitenmodulation in dem hierin beschriebenen Ausführungsbeispiel der Erfindung verwendet wird, können zahlreiche Formen der variablen Pulsweiten und/oder Frequenz und/oder Pulshöhen verwendet werden.
Es existieren Begrenzungen im Bereich der Konzentration von brennbarem Gas in Luft, die herkömmliche katalytische Sensoren genau messen können. Wenn der herkömmliche Sensor hohen Konzentrationen von brennbaren Gasen oder Dämpfen in der Luft ausgesetzt wird, kann der Sensorausgang nicht verwendbar oder fehlerhaft werden, wobei er fälschlicherweise eine sichere Umgebung anzeigt. Dies ist eine Folge eines angereicherten Kraft- stoff-Luft-Gemisches, das weniger Wärme als magere Gemische erzeugt. Zusätzlich können solche Sensoren durch die extreme Wärme beschädigt werden, die durch die katalytische Verbrennung erzeugt wird.
Zusätzlicher Schutz gegen Beschädigung des Sensors kann durch Detektion von schnellen Anstiegen in der Gaskonzentration zur Verfügung gestellt werden. Es kann vorteilhaft sein, vom katalytischen Betrieb zum Kühlwirkungsbetrieb zu schalten, wenn die angezeigte Konzentration nur 50% der unteren Explosivgrenze (LEL) beträgt, wenn die Konzentration schnell ansteigt.
Wenn das katalytische Element abgeschaltet wird und das Referenzelement bei einer konstanten Temperatur aufrechterhalten wird, arbeitet der Sensor in dem Kühlwirkungsbetrieb. Der Grad, zu dem das Referenzelement Wärme verliert, ist proportional zu der Menge an brennbarem Gas in der Luft und ist somit eine Funktion des vorhandenen bestimmten brennbaren Gases. Daher ist ein Anstieg der Leistung, die notwendig ist, um das Element bei einer konstanten Temperatur zu halten, proportional zu dem Anstieg des Prozentsatzes des brennbaren Gases in der Luft. Da das Referenzelement nun selbst agiert, können dessen Anzeigen nur genau sein, so lange keine wesentliche Änderung bei den physikalischen Parametern des Gasstromes auftritt. Der hauptphysikalische Parameter ist die Temperatur des Gasstroms. Jedoch können die relative Feuchtigkeit und der barometrische Druck das Maß beeinflussen, zu dem der Gasstrom Wärme vom Referenzelement entfernt.
Aufgrund des oben beschriebenen Einzel-Elementbetriebs kann sich auf die Genauigkeit des Gasdetektions-Geräts nur für einen begrenzten Zeitraum verlassen werden, nachdem das katalytische Element abgeschaltet wurde und das Referenzelement beginnt, als ein Kühlwirkungssensor zu arbeiten. Diese Ungenauigkeit kann durch Verwendung eines Hilfs-Temperatursensors reduziert werden, besonders, wenn der Sensor in dem überwachten Gasstrom angeordnet wird. Der Druck und die Feuchtigkeit können wie notwendig kompensiert werden, unter Verwendung von separaten Sensoren.
Wiederum unter Bezug auf 2 kann beispielsweise bei einer erläuternden Gasdetektions-Vorrichtung der ADC 60 ausgestaltet sein, um einen Datenausgang gemäß der Gleichung zu erzeugen:
Output_data = 2^N * Vin/Vref, wobei N die Zahl von Binärzeichen der Ausgangsdaten ist.
Für einen 12-bit-ADC erzeugen die gegebenen Werte ein spezifisches Analog-Digital-Umwandlungsergebnis.
OutputData

= 4096 * Vbat*54,9/(54,9 + 47,5)/(Vbat * 1500/2500)
= 4096 * 54,9/(54,9 + 47,5)/(1500/2500)
= 3660. Es ist zu beachten, daß Vbat für das Ergebnis unerheblich ist. (Jedoch kann der ADC für extreme Werte von Vbat nicht genau sein).

Diese Daten können als ein Sollwert verwendet werden, um konstante Temperaturen in dem Sensorwiderstand 14 (Rref) oder 12 (Rsense) aufrecht zu erhalten. Diese Sollwerte werden hierin als DividerTargetRef und DeviderTargetSense bezeichnet. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist der Ausgangswert der Sollwerte DividerTargetRef und DividerTargetSense 3660. Die Steuerung/Regelung 30 stellt die Tastverhältnisse der PWMref und PWMsense ein, um die ADC-Ausgangsdaten aufrecht zu erhalten, wenn die Widerstandsteiler-Verhältnisse bezüglich der Sensorwiderstände 14 (Rref) oder 12 (Rsense) nahe den Sollwerten DividerTargetRef und DividerTargetSense gemessen werden. Als Teil der Inbetriebnahme des Gasdetektors können die Sollwerte DividerTargetRef und DividerTargetSense derart eingestellt werden, daß die Steuerung/Regelung 30 eine bestimmte gewünschte Effektivspannung erstellt, wie 2,75 V, über Rsense und über Rref Demzufolge kann Rsense ausgebildet sein, um nahe dessen optimaler Spannung zu arbeiten.
Zahlreiche Mittel sind erhältlich, um die Effektivspannung zu bestimmen, die an den Sensorwiderständen 12 (Rsense) und 14 (Rref) anliegt. Bei einem Ausführungsbeispiel wird die Effektivspannung von dem PWM-Tastverhältnissen, der Batteriespannung und dem Wert von Rload (Widerstände 22 und 24) berechnet.
Wenn das Analog-Digital-Umwandlungsergebnis beim Messen der Widerstand-Teilerverhältnisse bezüglich der Sensorwiderstände 14 (Rref) oder 12 (Rsense) geringer als die entsprechenden Sollwerte DividerTargetRef oder DividerTargetSense ist, ist die Temperatur des entsprechenden Sensorwiderstands 12 oder 14 zu hoch, und die PWM-Steuer/Regellogik beantwortet dies durch Reduzierung des PWM-Tastverhältnisses für diesen Teil des Sensors. Wenn das Umwandlungsergebnis die Vorgabe überschreitet, erhöht die Steuerung/Regelung 30 das Tastverhältnis, um die Temperatur dieses Teils des Sensors zu erhöhen. Somit hält das mittlere PWM-Tastverhältnis jedes Teilerverhältnis nahe an der Vorgabe, um eine konstante Temperatur für jeden Widerstand 12 und 14 im Sensor aufrechtzuerhalten.
Die zur Messung der Gaskonzentration erforderliche Auflösung kann die Auflösung der PWM überschreiten. Die Steuerung/Regelung 30 kann derart programmiert sein, daß das PWM-Tastverhältnis um das ideale Tastverhältnis oszilliert. Tiefpaßfilter (nicht dargestellt) können bereitgestellt sein, um die oszillierenden Tastverhältnisse zu filtern, um einen häufig vorkommenden Wert des Tastverhältnisses zur ausreichenden Auflösung zu erzeugen, um die gewünschte Meßauflösung zu erbringen.
Die Lastwiderstände 22 und 24 (R₈ und R₉) beeinflussen die Leistung, die in den Sensorwiderständen 12 und 14 (Rsense und Rref) verschwendet wird. Wenn der steuernde FET aus ist, fließt weiterhin Strom durch die Reihenanordnung der Widerstände 14 und 24, oder Strom fließt weiterhin durch die Reihenanordnung der Widerstände 12 und 22. Diese Ströme tragen zu der Gesamtleistung bei, die in Rsense und Rref verschwendet wird. Beide, also der FET-An- und der FET-Aus- zur Rsense- und Rref-Verschwendung Beisteuernde, sollten in die Berechnung der Effektivspannung und Leistung einbezogen werden. Dieser Effekt variiert mit Vbat. Bei hohen Werten von Vbat, dem FET-Aus-Zustand, bei dem Rsense- oder Rref-Strom durch Rload S und Rload R bestimmt wird, könnte der reduzierte Strom den Strom übersteigen, der erforderlich ist, um die Vorgabentemperatur von Rsense oder Rref zu erreichen. Das in 2 dargestellte Signal BridgeStrobe auf der Leitung 64 zwischen der Steuerung/Regelung 30 und dem Bauteil 62 kann zusammen mit der PWM arbeiten, um diesem entgegenzutreten. Wenn beispielsweise das Tastverhältnis, das benötigt wird, um die Vorgabentemperatur (Widerstand) zu erzielen, zu niedrig ausfällt, wie unter 30%, kann die Dichte der PWM-Zyklen durch Reduzierung der Anzahl der BridgeStrobes für einen Zyklus von zehn reduziert werden. Wenn das notwendige Tastverhältnis ungefähr 80% überschreitet, kann die PWM-Zyklusdichte erhöht werden.
Dies hält eine hohe Energie-Effizienz aufrecht, minimiert den Energieverlust in den Lastwiderständen und erlaubt einen weiten Bereich für Vbat.
Allgemein gilt: Leistung = V^2/R, V^2 = PR. Wie oben beschrieben, sind elektrische Leistungsänderungen proportional zu Gaskonzentrationen. In einer Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung kann besonders eine Leistung in einem Sensorwiderstand, Rsense oder Rref (im allgemeinen hierin als Rt bezeichnet) bestimmt werden durch: P = [Vbat^2 * D/Rt + (Vbat * G)^2 * (1 – D)/Rt] *StrobeFactor, [Gleichung 1]

wobei:
P = Leistung im temperaturabhängigen Widerstand, die sich negativ im Verhältnis zu Änderungen der Konzentration von brennbarem Gas ändert,
Vbat = Batteriespannung, die sein kann 3 < Vbat < 4,9 V,
D = PWM-Tastverhältnis, das 0 < D < 1 sein kann,
Rt = Widerstand des temperaturabhängigen Widerstands, Rref oder Rsense,
G = Teilerverhältnis, Rt/(Rt+Rload),
Rload = fester Lastwiderstand, der 54,9 Ohm betragen kann,
StrobeFactor = Tastverhältnis von BridgeStrobe, das sein kann 1, 0,9.....0,2, 0,1.

Da der tatsächliche Wert von Rt durch den Betrieb des PWM fest ist, um das Teilerverhältnis (G) bei einem konstanten Wert aufrecht zu erhalten, werden Änderungen in der Gaskonzentration durch das folgende angezeigt: P = [Vbat^2 * D/Rt + (Vbat * G)^2 * (1 – D)/Rt]* StrobeFactor, [Gleichung 1] PRt = Vbat^2 * [D + G^2 * (1 – D)]* StrobeFactor, [Gleichung 2]
= Vms angelegt an den Sensor, das sein kann 2,75^2 = 7,5625, in klarer Luft.
Rsense kann auf Gas-Konzentrationsänderungen mit Änderung der Leistungserfordernisse reagieren, bezüglich der Leistung, die notwendig ist, um die Betriebstemperatur in der Luft zu erzielen. Die Leistung (P, in Watt), die in Rsense verschwendet wird, multipliziert mit dem Widerstand (Rsense, in Ohm) kommt gleich der effektiven Spannung (Vms, in Volt), die an Rsense anliegt.
Vms = Vbat^2 [d+G^2 (1 – d)], [Gleichung 3]

wobei
Vms = anliegende effektive Spannung,
Vbat = Batteriespannung, anliegend, wenn PWM ansteuert,
d = PWM-Tastverhältnis,
G = Teil von Vbat, der an Rsense anliegt, über Rload, wenn PWM aus ist.

Da der Widerstand durch die PWM auf eine Konstante geregelt wird, ist die Leistung proportional zu Vms. Änderungen in Vms zeigen Änderungen in der Konzentration von brennbarem Gas an.
Die Algorithmen und der Software Code zum Ausführen dieser Berechnungen können durch weit akzeptierte Prinzipien und Verfahren der Software-Technik und Programmierung entwickelt werden. Diese Algorithmen und der Code würden so ausgelegt sein, um die spezifischen Kriterien der Geräteausgestaltung zu treffen, hauptsächlich so, daß die Prozessor-Resourcen, die erforderlich sind, in Kombination mit allen anderen Merkmalen und Funktionen des Gerätes minimiert werden. Zusätzlich wird eine Software in dem digitalen Prozessor die PWMs und den Analog-Digital-Wandler, die hierin beschrieben wurden, koordinieren in Übereinstimmung mit den spezifischen Eigenschaften von solchen Systemelementen, wie gründlich beschrieben in solchen Dokumenten wie MSP430x1xx Family User's Guide, Texas Instruments Veröffentlichung SLAU049A und Datenbroschüre für MSP430x13x, MSP430x14x, gemischter Signal-Mikrokontroller, Texas Instruments Veröffentlichung SLAS272C.
Im allgemeinen ist die Nullpunkt-Stellung des Detektors der Vorgang der Aufnahme des Ausgangs eines (Gas) Sensors unter keinem Reiz (klare Luft). Der während der Nullstellung erhaltene aufgenommene Wert wird verwendet, um die Empfindlichkeit des Detektors einzustellen, um zutreffendere Meßwerte zu erhalten. Beispielsweise kann, nachdem der Detektor wieder in den Betriebszustand gebracht wurde, der aufgenommene Wert, der während der Nullstellung erhalten wurde, von den Detektorantworten subtrahiert werden, um zutreffendere Meßwerte zu erhalten. Aus Komfortgründen kann die Betriebsspannung des Sensors für brennbares Gas zu derselben Zeit, wie die Nullstellung auftritt, normiert werden.
Die Sensoren sind aufgebaut, um Alterungseffekte und Umwelteffekte an deren Ausgängen zu minimieren. Jedoch kann ein Nullstellen periodisch ausgeführt werden, um die Effekte des Sensoralterns sowie der Umgebungstemperatur und geringen Instabilitäten in zugehörigen elektronischen Schaltkreisen zu berücksichtigen.
Um eine vorhersehbare Detektorempfindlichkeit für brennbares Gas zu gewährleisten, kann während der Nullstellung die Standard-Betriebsspannung, wie 2,75 V, in klarer Luft aufrechterhalten werden. Dies kann durch Anwendung der Gleichung 2 (die Vms-Gleichung) und Einstellung der DividerTargetRef und DividerTargetSense erzielt werden, wie es erforderlich ist, um die Standard-Betriebsspannung über den Sensorwiderständen 14 (Rref) und 12 (Rsense) zu erzeugen. Beispielsweise ist ein 2,75 V RMS (Effektiv) -Betriebspunkt äquivalent zu der Effektivspannung (Vms) von 7,5625. Die eingestellten Werte der DividerTargetRef und DividerTargetSense können in Abhängigkeit von den Eigenschaften der individuellen Sensor- und Widerstandstoleranzen variieren. Die eigentlichen Werte können durch die folgenden Schritte bestimmt werden:

1. Bewegen des Gerätes in klare Luft, frei von brennbaren Gasen;
2. Verwenden von Vbat, PWM-Tastverhältnis, gegenwärtige aktive RxTarget, StrobeFactor, DividerTargetRef und DividerTargetSense zum Berechnen von Vms, die sowohl an dem Sensorwiderstand 14 (Rref) als auch an dem Sensorwiderstand 12 (Rsense) anliegt;
3. Vergleichen der berechneten Werte mit der Vms, die der Standard-Betriebsspannung entspricht;
4. Einstellen von DividerTargetRef und DividerTargetSense, um eine Vms zu erzeugen, die näher an der Vms liegt, die der Standard-Betriebsspannung entspricht;
5. Wiederholen der Schritte 2 – 4, bis eine stabile Vms erzielt ist, die akzeptierbar nahe der Vms ist, die der Standard-Betriebsspannung entspricht;
6. Aufnahme der DividerTargetRef und DividerTargetSense für zukünftige Funktionen.

Die vorangehenden Schritte können als Teil des Null-Stellungsvorgangs ausgeführt werden. Anschließende Funktionen können die Temperatur des Widerstands 14 (Rref) und des Widerstands 12 (Rsense) durch Konstanthalten der Widerstände aufrechterhalten, durch Einstellung von PWMref und PWMsense wie notwendig.
Während der Nullstellung kann in klarer Luft die (kleine) Differenz zwischen Vms über dem Sensorwiderstand (Rref) und Vms über dem Sensorwiderstand 12 (Rsense) als Offset aufgenommen und für nachfolgende Gas-Konzentrationsmessungen verwendet werden. Die kleine Differenz wird die Differenz zwischen den Restfehlern bei der Einstellung der Vms zu der Vms sein, die der Standard-Betriebsspannung entspricht, über DividerTargetRef- und DividerTargetSense-Werte für die zwei Seiten des Sensors. Vms für Rref kann auch als Basis für Hoch-Konzentrationsmessungen, basierend auf der Wärmekapazität, wie oben beschrieben, aufgenommen werden.
Vms über dem Sensorwiderstands 14 (Rref) kann als Vms Ref bezeichnet werden. Vms über dem Sensorwiderstand 12 (Rsense) kann als VmsSense bezeichnet werden. Eine Abstandskalibrierung (katalytisch) kann bestimmen, welche weitere Differenz zwischen VmsSense und VmsRef bei Aussetzen des Sensors zu Kalibrierungs-Gas resultiert. VmsSense und VmsRef können automatisch durch den Widerstands-Regel-Algorithmus eingestellt werden. Die Abstandskalibrierung (Kühlwirkung) setzt den Sensor einem hochkonzentrierten Kalibrierungsgas aus und bestimmt, um wieviel VmsRef sich von dem Wert von VmsRef ändert, der bei Nullstellung des Sensors in klarer Luft aufgenommen wurde. VmsRef kann automatisch durch den Widerstands-Regelalgorithmus eingestellt werden.
Obwohl Ausführungsformen der Erfindung hier beschrieben wurden, ist die Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen beschränkt. Die folgen den Ansprüche sind auf die Erfindung gerichtet und gedacht, die Erfindung weiter zu beschreiben, aber nicht den Bereich der Erfindung zu beschränken.

Claims

Gasdetektor mit: a) mindestens einem aktiven Sensorelement mit elektrischem Widerstand und geeignet, um in fluidem Kontakt mit einem Gas angeordnet zu werden, das Bestandteile aufweist, die sich ändern können; b) einem Schaltkreis, der das aktive Sensorelement aufweist, zum Liefern von Leistung, um das Sensorelement zu erwärmen; c) einem Mittel, das eine Pulsmodulationsquelle aufweist, wirkend mit dem Schaltkreis verbunden, um die Leistung zu dem aktiven Sensorelement zu steuern/regeln, wobei das Sensorelement derart gebildet ist, daß die Gasbestandteile, wenn sie sich ändern, bewirken, daß die Temperatur des erwärmten aktiven Sensorelements sich ändert; d) einem Mittel, wirkend verbunden mit dem aktiven Sensorelement und in Steuer/Regelbeziehung mit der Pulsmodulationsquelle, um den Widerstand des Sensorelements zu bestimmen und die Pulsmodulation zu ändern, um das Sensorelement auf einer konstanten Temperatur zu halten; und e) einem Mittel, wirkend zugehörig zum Widerstands-Bestimmungs- und Pulsmodulations-Änderungsmittel, um die Änderung der Pulsmodulation mit einer Änderung in der Zusammensetzung des Gases in Beziehung zu bringen, das gemessen wird.
Gasdetektor nach Anspruch 1, bei dem die Pulsmodulationsquelle, das Widerstands-Bestimmungs- und Pulsmodulations-Änderungsmittel und das Mittel hinsichtlich des In-Bezugbringens der Modulationsänderung zu der Gaszusammensetzungs-Änderung in einer Steuerung/Regelung (Controller) aufgenommen sind.
Gasdetektor nach Anspruch 1, des weiteren enthaltend ein anderes Sensorelement, das als Referenzelement dient, das einen elektrischen Widerstand aufweist und geeignet ist, um in fluiden Kontakt mit dem Gas angeordnet zu werden, wobei das Referenzelement derart gebildet ist, daß die Gasbestandteile, wenn sie sich ändern, nicht bewirken, daß die Temperatur des erwärmten Referenzelements sich soviel ändert, wie die Gasbestandteile die Temperatur des aktiven Elements ändern.
Gasdetektor mit: a) einem aktiven Sensorelement und einem Referenz-Sensorelement, wobei jedes einen elektrischen Widerstand aufweist und geeignet ist, um in fluiden Kontakt mit einem Gas angeordnet zu werden, das Bestandteile aufweist, die sich ändern können; b) einem Schaltkreis, der das aktive Sensorelement und das Referenz-Sensorelement aufweist, zum Liefern von Leistung, um die Sensorelemente zu erwärmen; c) einem Mittel, das eine Pulsmodulationsquelle aufweist, wirkend verbunden mit dem Schaltkreis, um die Leistung zu den Sensorelementen zu steuern/regeln, wobei das aktive Sensorelement derart gebildet ist, daß die Gasbestandteile, wenn sie sich ändern, bewirken, daß die Temperatur des erwärmten aktiven Sen sorelements sich ändert, und wobei das Referenz-Sensorelement derart gebildet ist, daß die Gasbestandteile, wenn sie sich ändern, nicht bewirken, daß die Temperatur des erwärmten Referenz-Sensorelements sich um so viel ändert, wie die Gasbestandteile bewirken, daß die Temperatur des erwärmten aktiven Elements sich ändert; d) einem Mittel, wirkend verbunden mit dem aktiven Sensorelement und dem Referenz-Sensorelement und in Steuer/Regelbeziehung mit der Pulsmodulationsquelle, um die Widerstände des aktiven Sensorelements und des Referenz-Sensorelements zu bestimmen und um die Pulsmodulation zu ändern, um das aktive Sensorelement und das Referenz-Sensorelement auf einer konstanten Temperatur zu halten; und e) einem Mittel, wirkend verbunden mit dem Widerstands-Bestimmungs- und Puls-Modulations-Änderungsmittel, um die Änderung der Pulsmodulation in Beziehung zu einer Änderung der Zusammensetzung des Gases zu bringen, das überwacht wird.
Gasdetektor nach Anspruch 4, bei dem das Mittel, das wirkend zugehörig zu dem Widerstands-Bestimmungsmittel und Puls-Modulations-Änderungsmittel ist, die Differenz zwischen der Leistung, die dem aktiven Sensorelement geliefert wird, und der Leistung, die dem Referenz-Sensorelement geliefert wird, verwendet, um das aktive Sensorelement und das Referenz-Sensorelement weiter zu veranlassen, eine Angabe der Änderung der Zusammensetzung des überwachten Gases bereitzustellen.
Gasdetektor nach Anspruch 4, bei dem die Pulsmodulationsquelle, das Widerstandsbestimmungs- und Puls-Modulations-Änderungsmittel und das Mittel zum In-Bezug-Bringen der Modulationsänderung zu der Gas-Zusammensetzungs-Änderung in einer Steuerung/Regelung (Controller) aufgenommen sind.
Gasdetektor nach Anspruch 4, des weiteren enthaltend: a) ein Mittel, wirkend verbunden mit dem aktiven Sensorelement und dem Referenz-Sensorelement und in Steuer/Regelbeziehung mit der Pulsmodulationsquelle, um im wesentlichen das Zuliefern von Leistung zum aktiven Sensorelement zu reduzieren und das Antreiben des Referenz-Sensorelements fortzusetzen; b) so daß, wenn die Konzentration des Gases, das detektiert wird, eine vorbestimmte Höhe erreicht, das aktive Sensorelement vor einer Überhitzung geschützt wird und das Referenz-Sensorelement als ein Kühl-Wirkungselement wirkt, und die Änderung der Pulsmodulation, die benötigt wird, um das Referenzelement auf einer konstanten Temperatur zu halten, in Bezug zur Änderung der Zusammensetzung des Gases, das überwacht wird, gebracht wird.
Gasdetektor mit: a) einem Schaltkreis, wirkend verbunden mit einer Quelle für Leistung und enthaltend ein aktives Element und ein Referenzelement, die angeordnet in dem Schaltkreis sind, zum separaten Stromfluß durch das aktive Element und das Referenzelement, wobei das aktive Element die Temperatur und den Widerstand bei Vorhandensein des Gases ändert, das detektiert wird, und b) einer Steuerung/Regelung (Controller), wirkend verbunden mit dem Schaltkreis, zur Steuerung/Regelung der Lieferung von Leistung, unter Verwendung von Pulsmodulation, separat zum aktiven Element und zum Referenzelement, wobei die Steuerung/Regelung auch in Überwachungsbeziehung mit dem aktiven Element und dem Referenzelement verbunden ist, um die Widerstände des aktiven Elements und des Referenzelements zu überwachen, wobei die Widerstände zu den Temperaturen des aktiven Elements und des Referenzelements proportional sind, und wobei die Steuerung/Regelung die Widerstände des aktiven Elements und des Referenzelements verwendet, um die Pulsmodulation zu steuern/regeln, um eine konstante Temperatur an dem aktiven Element und dem Referenzelement aufrecht zu erhalten.
Gasdetektor nach Anspruch 8, wobei die Steuerung/Regelung die Differenz in der Leistung, die zu dem aktiven Element und dem Referenzelement geliefert wird, benötigt, um eine konstante Temperatur an dem aktiven Element und dem Referenzelement aufrecht zu erhalten, in einen Ausgang übersetzt, der proportional zu der Konzentration des detektierten Gases ist.
Gasdetektor nach Anspruch 8, wobei der Schaltkreis einen Knoten enthält, an den eine Vorspannung angelegt wird, wobei das aktive Element und ein erster Lastwiderstand in Reihe zwischen dem Knoten und der Masse geschaltet sind, und wobei das Referenzelement und ein zweiter Lastwiderstand in Reihe zwischen dem Knoten und der Masse geschaltet sind.
Gasdetektor nach Anspruch 10, mit: a) einem ersten Signal-gesteuerten Schalter, der über den ersten Lastwiderstand verbunden ist; b) einem Mittel zum Anwenden von Puls-Modulationssignalen von der Steuerung/Regelung in Steuer/Regelbeziehung auf den ersten Signal-gesteuerten Schalter; c) einem zweiten Signal-gesteuerten Schalter, der über den zweiten Lastwiderstand verbunden ist; und d) einem Mittel zum Anwenden von Puls-Modulationssignalen von der Steuerung/Regelung in Steuer/Regelbeziehung auf den zweiten Signal-gesteuerten Schalter.
Gasdetektor nach Anspruch 11, mit: a) einem Mittel zum Verbinden des Anschlusses des aktiven Elements und des ersten Lastwiderstands mit der Steuerung/Regelung, so daß Spannung, zugehörig zum aktiven Element, durch die Steuerung/Regelung gelesen werden kann; und b) einem Mittel zum Verbinden des Anschlusses des Referenzelements und des zweiten Lastwiderstands mit der Steuerung/Regelung, so daß Spannung, zugehörig zu dem Referenzelement, durch die Steuerung/Regelung gelesen werden kann.
Gasdetektor nach Anspruch 9, wobei die Steuerung/Regelung Mittel zum wesentlichen Reduzieren der Leistung enthält, die zu dem aktiven Element geliefert wird, während die Lieferung von Leistung zu dem Referenzelement fortgeführt wird, wenn die Steuerung/Regelung einen Anstieg der Konzentration des Gases, das detektiert wird, über eine vorbestimmte Höhe detektiert.
Gasdetektor nach Anspruch 13, wobei die Steuerung/Regelung Mittel zum Bestimmen des Anstiegs der Leistung enthält, die notwendig ist, um das Referenzelement auf einer konstanten Temperatur zu halten, als ein Maß der Konzentration des detektierten Gases.
Gasdetektor mit: a) einem Schaltkreis, wirkend verbunden mit einer Quelle von angewandter Spannung und enthaltend ein aktives Element und ein Referenzelement, die in dem Schaltkreis angeordnet sind, zum separaten Stromfluß durch das aktive Element und das Referenzelement, wobei das aktive Element die Temperatur und den Widerstand bei Vorhandensein des detektierten Gases ändert; und b) einer Steuerung/Regelung (Controller), wirkend verbunden mit dem Schaltkreis, zur Steuerung/Regelung der Lieferung von Leistung, unter Verwendung von Pulsmoldulation, separat zu dem aktiven Element und dem Referenzelement, wobei die Steuerung/Regelung auch in Überwachungsbeziehung mit dem aktiven Element und dem Referenzelement verbunden ist, um Spannungen auszulesen, die dem aktiven Element und dem Referenzelement zugehörig sind, und wobei die Steuerung/Regelung das Verhältnis zwischen der Spannung, die zugehörig zum aktiven Element ist, und der angelegten Spannung sowie das Verhältnis zwischen der Spannung, die zugehörig zum Referenzelement ist, und der angelegten Spannung verwendet, um die Pulsmodulation zu steuern/regeln, um eine konstante Temperatur an dem aktiven Element und dem Referenzelement aufrecht zu erhalten.
Gasdetektor nach Anspruch 15, wobei die Steuerung/Regelung ein konstantes Verhältnis zwischen der Spannung, die dem aktiven Element zugehörig ist, und der angelegten Spannung, und ein konstantes Verhältnis zwischen der Spannung, die dem Referenzelement zugehörig ist, und der angelegten Spannung aufrecht erhält, um konstante Widerstände und Temperaturen des aktiven Elements und des Referenzelements aufrecht zu erhalten.
Gasdetektor nach Anspruch 15, wobei die Steuerung/Regelung jedes der Verhältnisse mit einer vorbestimmten Vorgabe vergleicht und die Pulsmodulation einstellt, um die Lieferung der Leistung zu den entsprechenden Elementen des aktiven Elements und des Referenzelements einzustellen, um die Verhältnisse konstant zu halten.
Gasdetektor nach Anspruch 17, wobei die Steuerung/Regelung Änderungen der Pulsmodulation verwendet, um die Verhältnisse konstant zu halten, um eine Information über die Änderung der Konzentration des detektierten Gases bereitzustellen.