JP2004333479A - センシングデバイスの応答を検出する方法および装置 - Google Patents

Abstract

【課題】センシングデバイスの応答時間を改善する。
【解決手段】センシングデバイスを動作させる方法。この方法は、予め定められた条件の存在に応答して変化するように適合された電気抵抗を有するセンサ膜と、予め定められた条件の存在を検出することと、第１の時間においてセンサ膜の電気抵抗を測定することと、第２の時間においてセンサ膜の電気抵抗を測定することと、第１の時間と第２の時間との間の電気抵抗の変化レートを決定することと、しきい値に対して電気抵抗の変化レートを比較することとを含む。
【選択図】 図７

Description

本発明は一般的にセンシングデバイスの検出応答を改善する方法および装置に関する。

発明の背景

特定のターゲット検体、すなわち化合物の検出は、例えば検体の濃度が燃焼限界を超えたか否かを検出することを含む多くの応用にとって重要である。ターゲット検体は技術的に知られている異なる検出メカニズムにしたがって動作するセンサにより検出される。ほとんどのセンサは環境における特定の検体の存在で物理的に変化するセンシング構成部品を使用する。したがって、センサは一般的にプローブを備え、プローブにはセンシング構成部品と（出力を送信するためのターミナルを含む）プローブ本体ハウジングの両方が含まれている。ターミナルは一般的にセンサの一部であるプロセッサに結合され、プロセッサはセンサプローブから受信した出力を解析する。このようなプロセッサはユーザインターフェースに結合され、ユーザインターフェースは一般的に指示デバイスを含み、検体の濃度がしきい値を超えたときに信号を送信する。

多くのセンサはセンサ膜であるセンシング構成部品を使用する。多くのセンサ膜は、検体が存在している間に、膨張し、体積を増加させる。技術的に利用可能なさまざまなセンサはセンサ膜における物理変化を利用して、存在する検体の濃度を決定する。このようなセンサには光ファイバセンサのような光センサが含まれ、光ファイバセンサでは光のビームがセンサ膜クラッディングにおいて光ファイバを通るように投射され、膜における物理変化（例えば、屈折率または色）を監視する。このような屈折率における変化は、検体が吸収され、（体積変化を含む）クラッディングの物理特性を変化させるときに生じる。他のセンサには表面弾性波センサ（ＳＡＷＳ）が含まれ、ＳＡＷＳは変換器間のセンサ膜を通るように超音波を投射し、同様に、センサ膜の特性（主として量）における何らかの変化を検出し、これらの変化を存在する検体の濃度に変換する。

他のタイプのセンサ膜は伝導測定センサであり、特にポリマー吸収化学抵抗センサである。ポリマー吸収化学抵抗はターゲット検体（化合物）を含む周囲大気に露出されたポリマー膜センサを持つ。電荷がポリマー膜に渡って加えられる。ポリマーはターゲット検体を吸収し、これは膜の体積変化となり、したがって膜の電気抵抗の変化となる。

電流化学抵抗センサはそれらの意図されている用途に対して適切に機能するが、改善され易い。特に、センサの検出応答が徐々である。いったんセンサ膜が検体に露出されると、センサの電気抵抗は徐々に増加する。この徐々に増加することはしきい値に到達する前に長い時間を必要とし、このしきい値を超えると検体を供給しているマシーンをターンオフする決定がなされる。

先行技術のある検出システムでは、センサの電気抵抗はセンサが検体に露出された後に徐々に増加する。図１は先行技術のある検出システムの一般的な検出応答（Ｒ ｖｓ．時間）の例示的なグラフを示している。先行システムは一般的に経時的にセンサの電気抵抗を測定し、これはセンサがしきい値Ｒ_thに到達したことをセンサを使用しているユーザに知らせるまでに長い時間を要する。この例で示されているように、センサのしきい値は、その公称値の２倍に選択されている場合、１４００秒より長い応答時間となる。

水の流量の検出も多くの応用で重要であり、これには例えば冷蔵庫の製氷器で供給されている水量がオーバーフロー制限を超えるか否かを検出ことが含まれる。水の流量は技術的に知られている、熱流体速度計のような、異なる検出メカニズムにしたがって動作するセンサにより検出される。従来の熱流体速度計には一般的に、水の流れに配置されて下流温度を測定する流体速度計温度センサと、水の流れに配置されて上流温度を測定する他の流体速度計温度センサとが含まれる。流体速度計温度センサは内部的に熱せられるサーミスタ、外部的に熱せられるサーミスタ、あるいは他のタイプの温度センサであってもよい。

上流温度を測定する流体速度計センサは、下流温度を測定する流体速度計センサの読みをバイアスさせる水温の何らかの変動を補償する。熱流体速度計は下流温度から上流温度を減算して流量を決定する。さまざまな公式およびゼーベック効果のような熱センシング原理を使用することにより、温度結果は流量に相関される。流体の流れに露出される熱源（熱源はサーミスタを熱する）の熱損失を測定し、適切な公式および原理を使用して温度測定値を流量に相関させるような、他の方法を使用して水の流量を測定することができる。

この冷蔵庫製氷器の例のような先行技術を使用する応用では、供給される水量はライン圧に依存し、これはいったんバルブが開放されたときの水の流量を決定する。水の流れの時間が計られる場合、氷トレイに供給される量は大きく変化させることができる。製氷器供給バルブを開放した直後の流量を測定することにより、各時間毎に適切なレベルに氷トレイをさらに正確に満たすことが可能になる。しかしながら、０．７５ＧＰＭよりも多い高流量では、バルブは短時間だけ開放しなければならず、流れの測定はバルブ開放後２秒未満に行う必要がある。これは、従来技術で行われていたように、時間（ｔ）に対して熱流体速度計の熱源の温度（Ｔ）を測定することにより達成される。熱源の温度（Ｔ）が安定状態値に到達するまでに長い時間がかかるので、従来の熱流体速度計はこれらの応用に対して不適切なことが多い。図２は従来技術システムの一般的な応答（温度ｖｓ．時間）の例示的なグラフを図示している。温度（Ｔ）が時間（ｔ）に対してプロットされるとき、水バルブが開放された後の１．５から２．０秒までに、Ｔに対する安定状態値に達成しない。この例では、温度は０．１５ＧＰＭおよび０．７５ＧＰＭの両流量において測定された。

化学抵抗センサおよび水流センサのようなセンシングデバイスの応答時間を改善し、したがって、センサのユーザに対する反応応答時間を改善する信号調整技術に対する必要性がある。

発明の概要

本発明にしたがうと、センシングデバイスが提供される。センシングデバイスは、センサプローブと；センサプローブの終端上に配置され、予め定められた条件の存在に応答して変化するように適合された電気抵抗を有するセンサ膜と；時間期間中にセンサプローブの電気抵抗を測定し、電気抵抗測定値に対応する第１の信号を発生させ、第１の信号を微分し、第１の信号の微分に対応する第２の信号を発生させる手段と；第２の信号をしきい値と比較して、第２の信号がしきい値を超えている場合に第３の信号を発生させる手段とを具備する。

本発明の他の観点では、センシングデバイスは、センサプローブと；センサプローブに電気的に接続され、予め定められた条件の存在に応答して変化するよう適合された電気抵抗を有する電気構成部品と；電気構成部品に電気的に接続され、時間期間中に電気構成部品の電気抵抗を測定し、電気抵抗測定値に対応する第１の信号を発生させ、第１の信号の変化レートを決定し、第１の信号の変化レートに対応する第２の信号を発生させ、第２の信号をしきい値と比較する制御デバイスとを具備する。

本発明の適用可能な別の領域はこの後に提供される詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明および特定の例は、本発明の好ましい実施形態を示しているが、例示目的のためだけに意図されており、本発明の範囲を制限するために意図されていないことを理解すべきである。

好ましい実施形態の詳細な説明

本発明は詳細な説明および添付図面からさらに完全に理解されるようになるであろう。
好ましい実施形態の以下の説明は本質的に単なる例示であり、本発明、その応用または用法を制限することを意図しているものではない。

本発明はセンシングデバイスの応答時間を改善する信号調整技術を提供する。好ましい実施形態の第１の構成では、本発明の改善された化学抵抗センサで信号調整技術が使用される。特に、ソフトウェアプログラムを備えた制御ユニットが化学抵抗センサのセンサプローブに結合され、センサプローブからの電気抵抗を直接的に測定し、プローブが周りの検体を検出するときのプローブの電気抵抗変化レートを決定する。好ましい実施形態の第２の構成には基本的な微分器回路が組み込まれ、プローブの電気抵抗を直接的に微分するのに使用される。好ましい実施形態の第３の構成には４線ブリッジ微分器回路が組み込まれ、これは基本的な微分器回路の改良である。

代替の好ましい実施形態では、本発明の改善された水流センサで信号調整技術が使用される。特に、制御ユニットが水流センサのプリント回路ボード（ＰＣＢ）挿入物に結合され、ＰＣＢ挿入物上に搭載されるサーミスタの温度を測定し、温度測定値を微分してセンサの応答時間を向上させる。制御ユニットは良く知られている流量公式および原理を使用して温度測定値の微分係数を流量に相関させるように動作する。本発明の化学抵抗センサおよび水流センサの両方で使用される信号調整技術はセンサの検出応答を改善し、したがってセンサのユーザに対する反応時間を改善する。

図３は１０において例示的な化学抵抗センサの主な構成部品を一般的に図示している。センサ１０は一般的に化学抵抗センサプローブ１２、制御ユニット１４、およびユーザインターフェース１６からなる。センサプローブ１２は外部環境１７と相互作用して、検体、すなわちターゲット化学コンポジション１８の存在を検出する。センサプローブ１２は外部環境１７における検体１８の連続検出に基づいて生出力信号１９ａを発生させる。生出力信号１９ａは制御ユニット１４により処理される。制御ユニット１４は計算された出力信号１９ｂをユーザインターフェース１６に送信し、センサプローブ１２からの生出力信号１９ａの解析を中継する。ユーザインターフェース１６はセンサ１０についての情報を外部ユーザに提供し、簡単なアラーム信号から複雑なコンピュータ化されたスクリーンまでの範囲のものである。

図４を一般的に参照すると、本発明の教示のセンサ膜コンポジションと互換性があるポリマー吸収化学抵抗センサプローブ１２の一例が示されている。センサプローブ１２には一般的にセンサハウジング２０、センサハウジング２０の一部をカバーする導電センサ膜２２（図４および図５）、オプション的にセンサターミナル２６の真下に配置されて取り付けられている１対の電極２４、保護キャップ２８が含まれる。電極の代わりに、代わりのセンサ実施形態が実施可能であり、この場合にはターミナル２６がセンサ膜２２に突き出て、電極２４と同様な機能を果たす（すなわち、センサ膜２２を通して電流を届ける）。

センサハウジング２０には第１の直径部分３０と第２の直径部分３２が含まれ、第１の直径部分は第２の直径部分よりも直径が小さい。第１の直径部分３０にはセンシング領域３４が含まれている。センシング領域３４はセンシング領域３４の第１の制御表面３８内に配置される２つの開口３６からなる。開口３６間には凹所が設けられた第２の制御表面４０があり、センシング領域３４に渡って広がっている。第２の制御表面４０は第１の制御表面３８より下でわずかに凹所が設けられている。

図４のライン５−５に沿った断面図である、図５に最も良く示されているように、各電極２４は開口３６より上に位置している。ターミナル２６は電極２４に取り付けられ、第１の直径部分３０と第２の直径部分３２の両方を通って広がっている。ターミナル２６は第２の直径部分３２の下側４２においてハウジング２０から突き出ている。電極２４とターミナル２６は導電材料から、好ましくは金属からできている。図５を特に参照すると、電極２４はそれぞれ、水平有孔プレートまたはメッシュ４４を備え、これは第１の制御表面３８と並行であり、開口３６の幅とほぼ等しい。各電極２４はターミナル２６への導電通路を確立するために接続されている。再び図５を参照すると、ターミナル２６の第１の水平部分４６は開口３６内にシールされたセンサ膜２２の部分と直接的または間接的に接触して、センサ膜２２の抵抗における変化を検出する。第１の水平部分４６からの延長部は第１の垂直部分４８である。第１の垂直部分４８は第１の直径部分３０を通って第２の直径部分３２に伸び、ここで、第１の垂直部分４８は内部ターミナルドッグレッグに移行し、内部ターミナルドッグレッグは外部ターミナル５２（すなわち、エンドリード線）で終端する。

第１の垂直部分４８から内部ターミナルドッグレッグ５０間への移行ポイントでは、ターミナル２６が開口５４を持つ。開口５４は製造中に（示されていない）調整ロッドを受け、ハウジング２０内の電極２４のさらに正確な調整ができる。成形プロセス中に調整ロッドを使用すると、ハウジング２０の下側４２内の穴５６を通る構造となる。内部ターミナルドッグレッグ５０は外部ターミナル５２に伸び、これは第２の直径部分３２の下側４２から伸びる。外部ターミナル５２はハウジング２０から適切な長さに伸び、アラームのような適切なアラートデバイスの対応する（示されていない）アウトレットへのリード線と相互接続できる。

図４および図５からのセンシング領域３４の詳細な図である図６に最も良く見られるように、センサ膜２２は全体に分散された導電粒子６２を持つポリマー６０を備えている。ターミナル２６はセンサプローブハウジング２０の本体６４を通って伸び、電極２４に電気的に接続されている。電極２４はセンシング領域３４とセンサ膜２２に飛び出している。電極２４は電流の均一な分布のために、表面のそばに位置し、さらにセンサ膜を横切っていることが好ましい。センサ膜２２の好ましい構成にはセンサ膜２２本体を通して均質に（例えば均一に）分散される導電粒子６２が含まれており、導電ポリマーマトリクス６６を形成する。“マトリクス”は一般的にポリマー内全体に分散された充填粒子を有するポリマー系を言う。

マトリクス６６が開口３６を満たし、中央制御表面４０を渡るように導電センサ膜マトリクス６６が第１の制御表面３８上にシールされる。マトリクス６６は開口３６を満たすので、マトリクス６６は両電極２４と直接的または間接的に電気接触する。マトリクス６６がターゲット検体にさらされたとき、マトリクス６６容量は膨張することにより増加する。

センサ膜２２のポリマー６０は、周囲ガス中の検体の濃度に比較的比例するレートで、センサ膜２２の表面と外部環境１７（図３）中の周囲ガスとの間に生じるガス−固体インターフェイスを通して、ターゲット検体すなわち化合物を容易に吸収する任意のポリマーとすることができる。したがって、吸収される検体の量と周囲ガス中の検体の濃度との間で、相関することができる。図示されている例示的なセンサプローブ１２では、センサ膜２２の体積における変化はガス中に存在する検体の濃度と相関され、センサ膜２２の抵抗にさらに関係付けられる。特に興味のあることは検出応答時間として知られる時間の長さであり、このときセンサのユーザに検体１８の存在を知らせることできる。多数の信号調整技術が本発明において企図されており、以下でさらに説明する。

センサ膜はカーボンブラックが満たされたシリコンからなることが好ましく、これは検体の存在で膨張する。したがってセンサ膜の抵抗の増加はカーボンブラックが満たされたシリコンの膨張特性に依存する。本発明では、例えばシロキサンベースのポリマーのような、さまざまなタイプのポリマーを使用してもよいことを理解すべきである。

図３に戻って参照すると、好ましい実施形態の第１の構成が示されている。センサプローブ１２は制御ユニット１４に結合されている。制御ユニット１４は、センサプローブ１２からの、センサの電気抵抗を表す、生出力信号１９ａを測定して処理する。ユーザインターフェース１６は制御ユニット１４に結合され、制御ユニット１４により測定された（抵抗Ｒ、あるいは時間に対するその微分係数ｄＲ／ｄｔとして定義される）検出応答を、グラフ的にまたは数字的に表示する。ユーザインターフェース１６は、例えばコンピュータモニタのような、任意の適切なインターフェイスとすることができる。しかしながら、言及したように、例えばブザーまたは赤いライトのような任意の指示デバイスを使用して、センサのユーザに検体１８の存在を知らせてもよく、あるいは検体１８の濃度がしきい値を超えたか否かを知らせてもよい。制御ユニット１４は技術的に良く知られている任意の適切なプロセッサであってもよいことを理解すべきである。

図７は化学抵抗センサ１０の動作ステップを示すフローチャートである。化学抵抗はステップ８０で開始する。ステップ８２において、センサプローブ１２は検体１８を検出する。ステップ８４において、制御ユニット１４はセンサプローブ１２の電気抵抗Ｒを測定する。次に、ステップ８８において、制御ユニット１４は電気抵抗測定値の中から連続するポイントを取り除き、一方から他方を減算し、抵抗差を連続ポイント間の時間差に分割することによって、センサプローブ１２から測定された電気抵抗を数値的に微分する（ｄＲ／ｄＴ）。最後に、ステップ８６においてユーザインターフェース１６は計算結果を表示する。この計算結果は導出された抵抗測定値を表し、制御ユニット１４によって送信されて検体１８の存在をセンサ１０のユーザに通知する。ステップ８２からステップ８８の処理は連続的である。各ループ（ステップ８２〜８８のシーケンス）の期間は制御ユニット１４の処理能力に左右される。これらの能力には、特に、その速度と分解能が含まれる。

ステップ８４およびステップ８８でなされる電気抵抗の測定および微分に加えて、制御ユニット１４は微分された電気抵抗測定値をしきい値と比較することも可能である。しきい値は、センサ１０が採用されているシステムに対して悪影響を及ぼすと考えられるターゲット検体１８の量を表す、予め定められた値である。したがって、センサ１０のユーザは微分された電気抵抗測定値がしきい値を超えると通知を受ける。代替的に、微分された電気抵抗測定値がしきい値を超えるとき、制御ユニット１４は自動的にセンサ１０またはシステム全体をシャットダウンする。

ここで図８に戻ると、上述の微分技術を使用した化学抵抗センサ１０の検出応答の例示的なグラフが示される。制御ユニット１４により得られる電気抵抗測定値の数値微分係数を得ることによって、センサ１０は短い時間内で安定状態応答を提供することができる（この例では、センサプローブ１２が検体１８を検出してからセンサプローブ１２がしきい値に達するまでの時間は２００秒までである）。ｄＲ／ｄＴに対するしきい値レベルは、アラームがトリガされるポイントにしたがって選択可能である（このケースでは、例えば８．０オーム／秒）。このリアルタイムの微分技術は一般的に、センサ１０の検出応答時間において少なくともオーダーの改善をもたらす。２００秒までの時間が開示されているが、検出応答時間は異なるタイプのセンサを使用することによってさらに向上されうることが理解されなければならない。

好ましい実施形態の第２の構成において、センサプローブ１２は図９で示すような基本的な微分器回路１００を組み込んでいる。微分器回路１００は、技術的に知られるように、入力電圧が変化するレートに比例する出力電圧を発生させる。センサプローブ１２は抵抗Ｒ_FVSとして表される。抵抗Ｒ_FVSは固定抵抗Ｒ₁および電圧源Ｖ_ccと直列に結合されている。抵抗Ｒ_FVSおよび抵抗Ｒ₁は微分器回路１００と並列に結合されている。

微分器回路１００は一般的に、演算増幅器（オペアンプ）１０２と、固定抵抗Ｒ_i、Ｒ_dおよびＲ_cと、固定キャパシタＣ_dおよびＣ_iとを有する。オペアンプ１０２には微分入力を構成する入力ターミナル１０４ａ、１０４ｂが含まれる。ターミナル１０４ａは負符号のマークが付され、通常負ターミナルと呼ばれる。ターミナル１０４ｂは正符号のマークが付され、通常正ターミナルと呼ばれる。ターミナル１０４ａ、１０４ｂはどちらも接地に対して正として規定される。ターミナル１０４ｂは抵抗Ｒ_cに接続されている。抵抗Ｒ_cはグランドに結合されているので、電流のためにオペアンプ１０２からグランドへの経路が提供される。オペアンプ１０２には、単一終端出力電圧Ｖ_oを持つ出力ターミナル１０６がさらに含まれる。応用によって、上方のターミナルは正の入力ターミナルであってもよく、下方のターミナルは負の入力ターミナルであってもよい点が理解されなればならない。

動作において、センサプローブ１２は検体１８を検出し、これはセンサプローブ１２の電気抵抗を増大させる。センサプローブ１２の電気抵抗の増大により、オペアンプ１０２の入力電圧Ｖ_inの値は以下の公式にしたがって変化する。

Ｖ_in＝Ｖ_cc＊（Ｒ₁／（Ｒ₁+Ｒ_FVS））
入力電圧Ｖ_inはセンサプローブ１２の電気抵抗が変わるにつれて変化する。したがって、センサプローブ１２の電気抵抗は微分器回路１００の入力電圧Ｖ_inの関数である。

オペアンプ１０２の出力電圧Ｖ_oはほぼ以下の公式に等しい。
Ｖ_o≒−Ｒ_d＊C_d＊（ｄＶ_in／ｄｔ）
オペアンプ１０２の出力電圧Ｖ_oは、センサプローブ１２の電気抵抗の関数でもある。出力電圧Ｖ_oは入力電圧Ｖ_inの微分係数を得て、これを抵抗Ｒ_dの負の値とキャパシタＣ_dの値で乗算することによって計算される。入力電圧Ｖ_inおよび出力電圧Ｖ_oはどちらもセンサプローブ１２の電気抵抗の変化に左右され、検体１８の濃度と相関する。センサプローブ１２の電気抵抗のわずかな変化は入力電圧Ｖ_inに強い影響を与え、これにより出力電圧Ｖ_oに強い影響を与える。微分器回路１００はセンサ１０の検出応答時間を向上させる別の方法である。微分器回路１００は、上述のように構成され、あるいは制御ユニット１４内に組み込まれたソフトウェアを介して正確に達成することができることを理解すべきである。

好ましい実施形態の第３の構成では、微分器回路１００は図１０に示すように４線ブリッジ回路１１０内に組み込まれている。４線ブリッジ回路１１０は抵抗Ｒ₁、Ｒ₂、Ｒ₃およびＲ_FVSを有する。抵抗Ｒ_FVSはセンサプローブ１２の電気抵抗を表す。４線ブリッジ回路１１０は、生じるかもしれない電圧源Ｖ_ccの変動により出力電圧Ｖ_oが影響を受けないようにするため使用される。このようなケースでは、入力電圧Ｖ_inは以下の公式にしたがって変化する。

Ｖ_in＝Ｖ_cc＊［（Ｒ₁／（Ｒ₁+Ｒ_FVS））−（Ｒ₃／（Ｒ₂+Ｒ₃））］
したがって、（Ｒ₁／（Ｒ₁+Ｒ_FVS）の比が（Ｒ₃／（Ｒ₂+Ｒ₃））にほぼ等しく選択される場合、入力電圧Ｖ_inと出力電圧Ｖ_oはＶ_ccの小さな変化に対して減感される。

代替的な実施形態では、センサプローブ１２は自立型ユニットを有していてもよく、この自立型ユニットは特定の濃度におけるターゲット検体の存在のような予め定められた条件の充足を示すデジタル出力を生成する。この点に関しては、センサプローブ１２’それ自体が、経時的にセンサ膜の電気抵抗を測定し、電気抵抗測定値の変化レートを決定し、この変化レートを予め定められたしきい値と比較し、対応出力を発生させるために必要となりうる任意のハードウェアおよび／またはソフトウェアを組み込んでいる。センサプローブ１２’に組み込むことのできるハードウェアおよび／またはソフトウェアには、一般的に測定モジュール、微分器、比較器、および信号発生器が含まれてもよい。測定モジュールは経時的にセンサ膜の電気抵抗を測定する機能を実行し、微分器は電気抵抗測定値の変化レートを決定するために使用され、比較器はしきい値の微分とを比較するために使用され、信号発生器は対応出力を発生させる。そのようなセンサプローブ１２’を含むセンサにおいて、センサプローブ１２’は、ユーザインターフェース１６と直接通信する。結果的に、センサプローブ１２’はユーザインターフェース１６に直接出力を提供する。この出力は、センサプローブ１２’が測定のために使用している予め定められた条件が、実際にしきい値を超えているかどうかを示している。測定し、微分し、比較し、および発生させる機能もまた、センサプローブ１２’と制御デバイス１４両方のいくつかの組み合わせにより実行することができることを理解すべきである。

代替的な好ましい実施形態では、水流センサ１２０において信号調整技術が使用されている。図１１は１２０で、一般的に例示的な水流センサの主な構成部品を表している。水流センサ１２０は一般的に、プリント回路ボード（ＰＣＢ）挿入物１２４と、制御ユニット１４と、ユーザインターフェース１６とを有する。化学抵抗センサ１０と水流センサ１２０の両者は制御ユニット１４とユーザインターフェース１６を使用する。ＰＣＢ挿入物１２４は一般的に水環境１２５に配置されて、水の流量１２６を検出する。ＰＣＢ挿入物１２４は水環境１２５における水の流量１２６の連続的な検出に基づいて出力信号１２８ａを発生させる。出力信号１２８ａは制御ユニット１４により処理される。制御ユニットは計算された出力信号１２８ｂをユーザインターフェース１６に送信して、出力信号１２８ａの解析結果をＰＣＢ挿入物１２４から中継する。ユーザインターフェース１６は水流センサ１２０についての情報を外部ユーザに提供し、簡単なアラーム信号から複雑なコンピュータ化されたスクリーンまでの範囲のものであってもよい。

一般的に図１２を参照すると、本発明のＰＣＢ挿入物１２４を封入する水流センサ管１２９の例示的な実施形態が示されている。水流センサ管１２９は一般的に第１および第２のハウジング１３０、１３２をそれぞれ有している。第１のハウジング１３０は一般的に環状フランジ１３４を持つ環状円筒管の形状であり、水流１２６を受けるよう適合されている。環状フランジ１３４は接続の目的、例えばフレキシブルなホースを介して水バルブへの接続のために働く。第２のハウジング１３２は一般的に熱伝導プラスチック流管であり、これは、ＰＣＢ挿入物１２４を封入／カプセル化して、ＰＣＢ挿入物１２４の構成部品を湿気や腐食から保護する。第１および第２のハウジング１３０、１３２はそれぞれ、例えばポリプロピレン、ポリ塩化ビニル、ポリアセチレン、ポリパラフェニレン、ポリピロール、およびポリアニリンのような熱伝導ポリマーのさまざまな種類の中から構成されてもよい。これらのベースポリマーとともに混合される鉱物および／またはガラスの充填材は、材料の熱伝導性を大いに高めることを示した。そのような材料の１つは、ＧＥ／ＬＮＰからのＫｏｎｄｕｉｔ ＭＴ−２１０−１４である。

一般的に図１３ないし図１５を参照すると、本発明のＰＣＢ挿入物１２４の詳細が示されている。ＰＣＢ挿入物１２４には一般的に、ブリッジ回路１３６を有する上方および下方部分が含まれる。ブリッジ回路１３６は一般的に、加熱抵抗Ｒ_1a、Ｒ_2a、固定ブリッジ抵抗Ｒ_3a、Ｒ_4a、サーミスタＴ_1a、Ｔ_2a、Ｉ／ＯピンＰ₁、Ｐ₂、Ｐ₃、Ｐ₄、Ｐ₅、電圧源Ｖ_ccおよびヒータ電圧源Ｖ_Hを有する。特に、ＰＣＢ挿入物１２４の下方部分は、水流１２６にさらされ、サーミスタＴ_1a、Ｔ_2aおよび加熱抵抗Ｒ_1a、Ｒ_2aが含まれる。ＰＣＢ挿入物１２４の上方部分には、固定ブリッジ抵抗Ｒ_3a、Ｒ_4aおよびＩ／ＯピンＰ₁、Ｐ₂、Ｐ₃、Ｐ₄、Ｐ₅が含まれる。サーミスタとヒータ抵抗の数は応用によって変わりうることが理解されなければならない。例として、サーミスタＴ_2aは固定抵抗で置き換えられてもよく、ヒータ抵抗Ｒ_2aは向上した感度が要求されない応用においては省略されてもよい。さらに、ヒータ抵抗Ｒ_1a（および／またはＲ_2a）と電圧源Ｖ_Hは、サーミスタＴ_1a（および／またはＴ_2a）が内部的に自己加熱可能な応用では省略可能である。

図１３を参照すると、ＰＣＢ挿入物１２４は一般的に、第１のハウジング１３０を通る流体の流れ方向に対して垂直であって第２のハウジング１３２内に置かれている。ＰＣＢ挿入物１２４の上部分は第２のハウジング１３２のわずか上方に伸長し、ＰＣＢ挿入物１２４の下方部分の中間部分は第１のハウジング１３０のわずか下方に伸長している。第１のハウジング１３０は水流１２６を受けるよう適合され、水流１２６はその後、第２のハウジング１３２を通って流れる。ハウジング１３２の断面形状は、水渦（および熱伝導における関連する悪影響）が最小化または除去されるように構成されてもよい。

一般的に図１５を参照すると、ＰＣＢ挿入物１２４の構成部品の例示的なブリッジ回路が示されている。抵抗Ｒ_3aは、直列にサーミスタＴ_2aおよび電圧源Ｖ_ccに結合されている。サーミスタＴ_1aは直列に抵抗Ｒ_4aおよび電圧源Ｖ_ccに結合されている。抵抗Ｒ_3aおよびサーミスタＴ_2aはともに並列にサーミスタＴ_1aおよび抵抗Ｒ_4aに結合されている。加熱抵抗Ｒ_1aは供給電圧Ｖ_Hにより電圧が印加され、熱をサーミスタＴ_1aに与える。加熱抵抗Ｒ_2aも供給電圧Ｖ_Hにより電圧が印加され、熱をサーミスタＴ_2aに与える。独立したリード線が各サーミスタＴ_1a、Ｔ_2aに結合され、出力電圧Ｖ_outを提供する。出力電圧Ｖ_outは４線ブリッジ回路の２本の足間における電圧差を表す。この例では、ピンＰ₁およびＰ₂はリード線であり、ここから出力電圧Ｖ_outが測定される。ピンＰ₃は電圧Ｖ_Hを加熱抵抗Ｒ_1a、Ｒ_2aに提供する。ピンＰ₄はブリッジ回路１３６の電圧源Ｖ_ccに向かう。ピンＰ₅はグランドに接続されている。

代替の好ましい実施形態の第１の構成では、ＰＣＢ挿入物１２４は図１１に示されているように制御ユニット１４に結合されている。特に、ＰＣＢ挿入物１２４のピンＰ₁およびＰ₂から来るリード線は制御ユニット１４に結合されている。制御ユニット１４は出力信号１２８ａを測定し、解析するために使用される。出力信号１２８ａは水の流量１２６に基づく、サーミスタＴ_1a、Ｔ_2aの熱損失を表す。ユーザインターフェース１６は制御ユニット１４に結合され、制御ユニット１４により測定される応答をグラフィック的にあるいは数字的に表す。

図１６は水流センサ１２０の動作ステップを示すフローチャートである。水流センサはステップ１４０で開始する。このステップでは、サーミスタＴ_1aおよびＴ_2aが有限時間の間、加熱抵抗Ｒ_1a、Ｒ_2aおよび電圧源Ｖ_Hより加熱され、サーミスタＴ_1aおよびＴ_2aの温度を上昇させる。ステップ１４２において、ＰＣＢ挿入物１２４は、サーミスタＴ_1aおよびＴ_2aの温度を減少させる、水流センサ管１２９を通って流れる水の流量１２６を検出する。４線ブリッジの２本の足間で測定される出力電圧Ｖ_outはステップ１４４において測定される。次に、ステップ１４６において、制御ユニット１４は、出力電圧測定値の中から連続ポイントを取り去り、一方から他方を減算し、出力電圧差ｄＶ_outを連続測定値間の時間間隔ｄｔで除算することにより、サーミスタＴ_1aおよびＴ_2aの温度を表す出力電圧測定値を微分（ｄＶ_out／ｄｔ）する。ステップ１４８において、制御ユニット１４は温度測定値を正規化し、それらを流量に変換する。最後に、ステップ１５０において、ユーザインターフェース１６は検出された水の流量１２６を表示する。ステップ１４０から１５０の処理は連続的である。各ループ（ステップ１４２〜１５０のシーケンス）の期間は制御ユニット１４の処理能力に依存する。これらの能力には特に、その速度と分解能が含まれる。

上記の例では、回路ブリッジ１３６の差出力電圧（Ｖ_out）が以下の公式にしたがってサーミスタ抵抗値（Ｒ_ntc）と相関される。

Ｒ_ntc＝Ｒ_fixed＊（Ｖ_cc−Ｖ_out）／（Ｖ_cc+Ｖ_out）
両サーミスタが同じ温度にありＴ＝Ｔ_1a＝Ｔ_2a、Ｒ_3a＝Ｒ_4a＝Ｒ_fixedと仮定される。ケルビンでの温度値（Ｔ）は以下の公式にしたがって計算される。

Ｔ＝（１／Ｔ_o+Ｉｎ（Ｒ_ntc／Ｒ_o）／β）^-1
ここで、温度Ｔ_o＝２９８．１５°Ｋ、Ｒ_oは温度Ｔ_oにおけるサーミスタの抵抗であり、βはサーミスタの温度感度を示す固有パラメータである。

上述したように、温度値（Ｔ）の測定値は制御ユニット１４により微分され、正規化される。ブリッジ回路１３６は技術的に良く知られているさまざまな公式および原理を使用して評価することができることを理解すべきである。特に、熱伝導理論は、水流が開始するとすぐに、サーミスタ温度Ｔが急激に落ち始めることを予測する。温度低下は指数関数的であることを示すことができる。すなわち次のように表すことができる。

Ｔ−Ｔ_final＝（Ｔ_start−Ｔ_final）ｅｘｐ（−Ｋｔ）
ここで、Ｔ_startは水流の始めにおける温度であり、Ｔ_finalは水流の最終安定状態温度であり、ｔは流れが開始した後の時間である。式（１）におけるＫは水による冷却レートを表し、センサ感度の尺度と考えられる。センサは流れにより対流的に冷却されることから、Ｋは流量の平方根に比例する。

時間による温度変化（ｄＴ／ｄｔ）に関して、最小値は水流の開始直後に生じる。先の公式から、最大値はＫ（Ｔ_start−Ｔ_final）に比例することが示される。温度低下（Ｔ_start−Ｔ_final）は流量によりわずかに増加する。（Ｔ_start−Ｔ_final）における差を無視するのであれば、センサの感度はＫにより増加し、これは感度がおおよそ流量の平方根として変化することを意味する。

図１７を参照すると、冷蔵庫製氷器の例に適用される水流センサ１２０の応答の例示的なグラフが示されている。制御ユニット１４により取られる温度測定値の数値微分係数を取ることにより、水流センサ１２０は短い時間（この例では、バルブが開放した後の約２００ｍ秒）内に最小ｄＴ／ｄｔに到達することができる。これは先行技術において温度（Ｔ）が安定状態値に到達するのにかかる時間の１０分の１である。微分技術は一般的に水流センサ１２０の応答時間においてオーダーの改善となる。約２００ｍ秒の時間が開示されているが、応答時間は異なるタイプのセンサを使用することによりさらに改善することができることを理解すべきである。図１８に示されているように、最小ｄＴ／ｄｔは正規化され、実際の水流量に対して水流センサを較正する。このプロセスには、さまざまな流量（このケースではＮ＝１３）において時間に対するｄＴ／ｄｔの特性曲線を発生させ、各流量において最小ｄＴ／ｄｔを獲得し、各流量における最小ｄＴ／ｄｔを、応用において予測される最高流量における最小ｄＴ／ｄｔにより除算することが含まれる。

例えば、化学抵抗センサでなされたように水流センサに対して基本的な微分器回路または４線ブリッジ回路を使用するような、代替実施形態の複数の構成が考えられることを理解すべきである。

上述した微分演算は一次微分の状況であったが、センサの出力信号のさらに高次の微分係数が生成されてもよいことをさらに理解すべきである。このような高次の微分係数の計算はセンサシステムの応答時間をさらに改善するものと考えられる。

本発明の説明は本質的に単なる例示であり、したがって本発明の要旨を逸脱しない変形は本発明の範囲内のものであることが意図されている。このような変形は本発明の精神および範囲を逸脱しないと考えるべきである。

図１はある従来技術の化学抵抗センサシステムにおける検出応答の例示的なグラフである。 図２はある従来技術の水流センサシステムにおける応答の例示的なグラフである。 図３は化学抵抗センサのブロック図である。 図４は本発明にしたがって使用することができる例示的な化学抵抗センサプローブの概略図である。 図５は図４のライン５−５に沿って取られた断面図である。 図６は例示的なセンサ膜領域の詳細図である。 図７は本発明の化学抵抗センサの動作ステップを示すフローチャートである。 図８は本発明の化学抵抗センサの改善された検出応答の例示的なグラフである。 図９は本発明の基本的な微分器構成である。 図１０は本発明の４線ブリッジ微分器回路構成である。 図１１は水流センサのブロック図である。 図１２は本発明にしたがって使用することができる例示的な水流センサ管の概略図である。 図１３は図１２の断面図である。 図１４は水流センサ管の前面図である。 図１５は水流センサのプリント回路ボード挿入物の回路図である。 図１６は水流センサの動作ステップを示すフローチャートである。 図１７は本発明の水流センサの改善された応答の例示的なグラフである。 図１８は正規化された水流センサ応答対実際の流量の例示的なグラフである。

Claims (48)

1. センシングデバイスを動作させる方法において、
   予め定められた条件に応答して変化するように適合された電気抵抗を有するセンサを提供し、
   第１の時間においてセンサの電気抵抗を測定し、
   第２の時間においてセンサの電気抵抗を測定し、
   第１の時間と第２の時間との間の電気抵抗の変化レートを決定し、
   しきい値に対して電気抵抗の変化レートを比較することを含む方法。
2. 電気抵抗の変化レートがしきい値を超える場合には、制御デバイスへの信号を発生させ、
   信号がしきい値を超えるときに、指示デバイスでセンシングデバイスのユーザに通知することをさらに含む請求項１記載の方法。
3. グラフィック的および数値的な方法の少なくとも１つで、コンピュータモニタに比較結果を表示することをさらに含む請求項２記載の方法。
4. ビジュアルおよびオーディオ信号の少なくとも１つで、センシングデバイスのユーザにアラートすることをさらに含む請求項２記載の方法。
5. 前記センサは複数のカーボンブラックが満たされたシリコンのマトリクスを有するセンサ膜を具備する請求項１記載の方法。
6. 予め定められた条件はターゲット検体の存在である請求項１記載の方法。
7. ｎ≧１の場合における変化レートのｎ次微分係数を決定することをさらに含む請求項１記載の方法。
8. センシングデバイスを動作させる方法において、
   ターゲット検体の存在に応答して変化するように適合された電気抵抗を有するセンサプローブを提供し、
   第１の時間においてセンサプローブの電気抵抗を測定し、
   第２の時間においてセンサプローブの電気抵抗を測定し、
   電気抵抗測定値を示す信号を発生させることを含む方法。
9. 制御デバイスに信号を送信し、
   制御デバイスで信号の変化レートを決定し、
   制御デバイスでしきい値に対する信号の変化レートを比較し、
   信号がしきい値を超えるときに、指示デバイスでセンシングデバイスのユーザに通知することをさらに含む請求項８記載の方法。
10. ビジュアルおよびオーディオ信号の少なくとも１つでユーザにアラートすることをさらに含む請求項９記載の方法。
11. 信号がしきい値を超えるときに器具を制御することをさらに含む請求項９記載の方法。
12. ｎ≧１の場合における変化レートのｎ次微分係数を決定することをさらに含む請求項９記載の方法。
13. センシングデバイスを動作させる方法において、
    ターゲット検体の存在に応答して変化するように適合された電気抵抗を持つセンサ膜を有するセンサプローブを提供し、
    第１の時間においてセンサ膜の電気抵抗を測定し、
    第２の時間においてセンサ膜の電気抵抗を測定し、
    第１の時間と第２の時間との間の電気抵抗の変化レートを決定し、
    第１および第２の時間の間で測定された電気抵抗の変化レートを示す信号を発生させることを含む方法。
14. 制御デバイスに信号を送信し、
    制御デバイスで信号をしきい値と比較することをさらに含む請求項１３記載の方法。
15. 信号がしきい値を超えるときにセンシングデバイスのユーザに通知し、
    信号がしきい値を超えるときに器具を制御することをさらに含む請求項１４記載の方法。
16. ｎ≧１の場合における変化レートのｎ次微分係数を決定することをさらに含む請求項１３記載の方法。
17. センシングデバイスを動作させる方法において、
    流体の流れの存在に応答して変化するよう適合された電気抵抗を持つ電気構成部品を提供し、
    第１の時間において電気構成部品の電気抵抗を測定し、
    第２の時間において電気構成部品の電気抵抗を測定し、
    第１の時間と第２の時間との間の電気抵抗の変化レートを決定することを含む方法。
18. 電気抵抗の変化レートに基づいて流体の流量を決定し、
    しきい値に対して流体の流量を比較することをさらに含む請求項１７記載の方法。
19. 流体の流量がしきい値を超えるときに、制御デバイスへの信号を発生させ、
    制御デバイスが信号を受信するときに、センシングデバイスのユーザに通知することをさらに含む請求項１８記載の方法。
20. 制御デバイスが信号を受信するときに器具を制御することをさらに含む請求項１９記載の方法。
21. 電気構成部品は、温度に基づいて電気抵抗が変化するように適合されたサーミスタである請求項１７記載の方法。
22. ｎ≧１の場合における変化レートのｎ次微分係数を決定することをさらに含む請求項１７記載の方法。
23. 予め定められた条件の存在に応答して変化するよう適合された電気抵抗を有するセンサ膜と、
    時間期間の間にセンサ膜の電気抵抗を測定する手段と、
    電気抵抗測定値に対応する第１の信号を発生させる手段と、
    第１の信号を微分する手段と、
    第１の信号の微分に対応する第２の信号を発生させる手段と、
    第２の信号をしきい値と比較して、第２の信号がしきい値を超えるときに第３の信号を発生させる手段とを具備するセンサ。
24. センサのユーザに対して比較結果を表示する手段と、
    第３の信号が発生されたときに器具を制御する手段とをさらに具備する請求項２３記載のセンサ。
25. センサが化学抵抗センサである請求項２３記載のセンサ。
26. センサ膜は複数のカーボンブラックが満たされたシリコンを有するマトリクスである請求項２３記載のセンサ。
27. センシングデバイスのユーザに対して比較結果を表示する手段はコンピュータモニタである請求項２４記載のセンサ。
28. ｎ≧１の場合における第２の信号のｎ次微分係数を決定することをさらに含む請求項２３記載のセンサ。
29. センサプローブと、
    センサプローブに電気的に接続され、予め定められた条件の存在に応答して変化するよう適合された電気抵抗を有する電気構成部品と、
    電気構成部品に電気的に接続され、時間期間中に電気構成部品の電気抵抗を測定し、電気抵抗測定値に対応する第１の信号を発生させ、第１の信号の変化レートに対応する第２の信号を発生させ、第１の信号の変化レートを決定し、第２の信号をしきい値と比較する制御デバイスとを具備するセンシングデバイス。
30. 制御デバイスはさらに第２の信号がしきい値を超えるときに器具を制御するように動作可能である請求項２９記載のセンシングデバイス。
31. 第２の信号がしきい値を超えるときにユーザに通知する指示デバイスをさらに具備する請求項２９記載のセンシングデバイス。
32. 電気構成部品はセンサ膜である請求項２９記載のセンシングデバイス。
33. センサ膜は複数のカーボンブラックシリコンを有するマトリクスである請求項３２記載のセンシングデバイス。
34. 予め定められた条件はターゲット検体の存在である請求項２９記載のセンシングデバイス。
35. 電気構成部品は予め定められた条件の存在に基づいて変化するように適合された温度を持つサーミスタである請求項２９記載のセンシングデバイス。
36. 予め定められた条件は流体の流量である請求項３５記載のセンシングデバイス。
37. 電気構成部品は熱伝導ポリマーにより封入されている請求項２９記載のセンシングデバイス。
38. 制御デバイスは、ｎ≧１の場合に第２の信号のｎ次微分係数を決定するためさらに使用される請求項２９記載のセンシングデバイス。
39. センサプローブに電気的に接続され、予め定められた条件の存在に応答して変化するよう適合された電気抵抗を持つ電気構成部品と、
    ある時間期間中の電気構成部品の電気抵抗を測定し、電気抵抗測定値に対応する第１の信号を発生させる測定モジュールと、
    第１の信号の変化レートを決定し、第１の信号の微分に対応する第２の信号を生成させる微分器と、
    第２の信号をしきい値と比較する比較器とを具備するセンサプローブ。
40. 第２の信号がしきい値を超えるときに器具を制御する制御デバイスをさらに具備する請求項３９記載のセンサプローブ。
41. 第２の信号がしきい値を超えるときにユーザに通知する指示デバイスをさらに具備する請求項３９記載のセンサプローブ。
42. 電気構成部品はセンサ膜である請求項３９記載のセンサプローブ。
43. センサ膜は複数のカーボンブラックシリコンを有するマトリクスである請求項４２記載のセンサプローブ。
44. 予め定められた条件はターゲット検体の存在である請求項３９記載のセンサプローブ。
45. 電気構成部品は予め定められた条件の存在に基づいて変化するように適合された温度を持つサーミスタである請求項３９記載のセンサプローブ。
46. 予め定められた条件は流体の流量である請求項４５記載のセンサプローブ。
47. 電気構成部品は熱伝導ポリマーによって封入されている請求項３９記載のセンサプローブ。
48. 微分器はｎ≧１の場合に第２の信号のｎ次微分係数をさらに決定する請求項３９記載のセンサプローブ。

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