JP7390976B2 - スマートセンサ適用のためのデバイスおよび方法 - Google Patents

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Description

優先権の主張
本出願は、２０１７年１月９日に出願されたＰＣＴ出願第ＰＣＴ／ＣＮ２０１７／０７０６０８号に対する優先権を主張する、２０１７年２月１５日に出願された米国特許出願第１５／４３３，８６２号に対する優先権の利益を主張し、これらの出願は、参照によりそれらの全体が本明細書に組み込まれる。
技術分野
本明細書は、概して、電子センサのためのインターフェース回路に関する。いくつかの実施形態は、電子センサのための試験回路に関する。
スマートセンサは、その環境のある側面を測定し、かつ測定に応答して所定の機能を実行するために計算リソースをトリガする電子回路である。スマートセンサは、インターネットオブシングス（ＩｏＴ）の実装等の用途において有用である。時々、スマートセンサの出力は、計算リソースの情報を入手するために、スマートセンサに動作可能に連結された監視電子機器に適合させる必要がある。本発明者は、スマートセンサ回路のための改善されたインターフェース回路の必要性を認識している。
本明細書は、概して、電子センサのためのインターフェース回路に関する。
本開示の態様１は、負荷抵抗の直列抵抗および電子センサの内部インピーダンスを形成するように電子センサと直列に接続可能な負荷抵抗と、所定の電圧を回路素子に印加するように構成された励起回路と、測定回路であって、所定の電圧の直列抵抗への印加を開始し、直列抵抗を決定することと、所定の電圧の負荷抵抗への印加を開始し、負荷抵抗を決定することと、決定された直列抵抗および負荷抵抗を使用してセンサの内部インピーダンスを計算し、計算された内部インピーダンスをユーザまたはプロセスに提供することと、を行うように構成されている、測定回路と、を備える主題（電子センサのための試験回路等）を含む。
態様２において、態様１の主題は、２０ミリボルト（２０ｍＶ）未満の信号振幅を有する特定の電気信号を直列抵抗に印加するように構成された励起回路を任意選択で含み、電子センサの内部インピーダンスは、１０オーム（１０Ω）未満である。
態様３において、態様１および２の一方または両方の主題は、電気化学センサである電子センサを任意選択で含む。
態様４は、励起信号をセンサ回路に印加するように構成された励起回路であって、励起回路は、構成可能な第１の回路利得段および構成可能な第２の回路利得段を含み、第１の利得モードで、励起回路は、第１の回路利得段により印加された第１の信号利得および第２の回路利得段により印加された第２の信号利得を使用して試験信号から第１の励起信号を生成し、第２の利得モードで、励起回路は、第１の回路利得段により印加された第３の信号利得および第２の回路利得段により印加された第４の信号利得を使用して試験信号から第２の励起信号を生成する、励起回路と、第１の励起信号または第２の励起信号の電子センサへの印加を選択的に開始し、かつセンサの内部インピーダンスを計算するように構成された測定回路と、を備える、主題（集積回路等）を含むか、または態様１～３の任意の組み合わせと任意選択で組み合わせられて、かかる主題を含むことができる。
態様５において、態様４の主題は、センサの内部インピーダンスが第１の内部インピーダンス範囲を有するとき、第１の励起信号の電子センサへの印加を開始し、センサの内部インピーダンスが第２の内部インピーダンス範囲を有するとき、第２の励起信号の電子センサへの印加を開始するように構成された測定回路を任意選択で含み、第１の内部インピーダンスは、第２の内部インピーダンス範囲を上回る。
態様６において、態様４および５の一方または両方の主題は、第１の利得モードでは１であり、第２の利得モードでは１未満かつ０を上回る、第２の利得回路段階の信号利得を任意選択で含む。
態様７において、態様４～６の１つまたは任意の組み合わせの主題は、第１の利得モードでは１を上回り、第２の利得モードでは１未満かつ０を上回る、第１の利得回路段階の信号利得を任意選択で含む。
態様８において、態様４～７の１つまたは任意の組み合わせの主題は、試験信号を生成するように構成されたデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）回路を任意選択で含む。
態様９は、電子センサに連結するための調整可能なブリッジ抵抗および較正抵抗と、励起信号を電子センサ、ブリッジ抵抗、および較正抵抗に印加するように構成された励起回路と、測定回路であって、第１の励起信号を較正抵抗に印加し、較正電流を測定することと、第１の励起信号を第１のブリッジ抵抗に印加し、第１のブリッジ電流を測定することと、第２の励起信号を第１のブリッジ抵抗に印加し、第２のブリッジ電流を測定することと、第２の励起信号をセンサに印加し、センサ電流を測定することと、較正抵抗、較正電流、第１のブリッジ電流、第２のブリッジ電流、およびセンサ電流を使用して、センサの内部インピーダンスを計算することと、を行うように構成されている、測定回路と、を備える、主題（試験回路等）を含むか、または態様１～８の１つまたは任意の組み合わせと任意選択で組み合わせられて、かかる主題を含むことができる。
態様１０では、例９の主題は、励起信号を、較正抵抗、調整可能なブリッジ抵抗、またはセンサに選択的に印加するように構成されたマルチプレクサー回路を任意選択で含む。
態様１１において、態様９および１０の一方または両方の主題は、励起信号を較正抵抗に印加するように構成されたマルチプレクサー回路を任意選択で含み、測定回路は、励起信号を使用して較正抵抗を計算するように構成されている。
態様１２において、態様９～１１の１つまたは任意の組み合わせの主題は、励起信号のブリッジ抵抗への印加前に、ブリッジ抵抗を粗いブリッジ抵抗値に設定するように構成された測定回路を任意選択で含む。
態様１３において、態様９～１２の１つまたは任意の組み合わせの主題は、第３の励起信号を第１のブリッジ抵抗に印加し、第３のブリッジ電流を測定することと、第３の励起信号を第２のブリッジ抵抗に印加し、第４のブリッジ電流を測定することと、較正抵抗、較正電流、第１のブリッジ電流、第２のブリッジ電流、第３のブリッジ電流、第４のブリッジ電流、およびセンサ電流を使用して、センサの内部インピーダンスを計算することと、を行うように構成されている、測定回路を任意選択で含む。
態様１４おいて、態様９～１３の１つまたは任意の組み合わせの主題は、電気化学センサである電子センサを任意選択で含み、電子センサの抵抗は、電気化学センサの残りの耐用年数を表す。
態様１５は、集積回路を備える主題（装置等）を含むか、または例１～１４の１つまたは任意の組み合わせの主題と任意選択で組み合わせられて、かかる主題を含むことができる。集積回路は、電気信号を電子センサから受信するための入力であって、電気信号は、直流（ＤＣ）オフセットおよび変動信号成分を含む、入力と、ＤＣオフセットを入力信号から差し引くように構成されたデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）回路と、ＤＡＣ回路に動作可能に連結されたプログラマブル利得増幅器（ＰＧＡ）であって、ＰＧＡ回路は、信号利得を入力信号の変動信号成分に印加するように構成されている、プログラマブル利得増幅器（ＰＧＡ）と、変動信号成分の測度を生成するように構成された測定回路とを含む。
態様１６において、態様１５の主題は、変動信号成分の測度を生成するように構成されたアナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）回路を含む測定回路を任意選択で含む。
態様１７において、態様１５および１６の一方または両方の主題は、変動信号成分の周波数応答を測定するように構成された高速フーリエ変換（ＦＦＴ）回路を含む測定回路を任意選択で含む。
態様１８において、態様１５～１７の１つまたは任意の組み合わせの主題は、集積回路に動作可能に連結された電子センサを任意選択で含み、電子センサは、抵抗電子センサである。
態様１９において、態様１５～１８の１つまたは任意の組み合わせの主題は、ガスセンサである電子センサを任意選択で含み、電子センサからの電気信号は、大気中のガスの量に比例する。
態様２０において、態様１５～２０の１つまたは任意の組み合わせの主題は、検出回路を任意選択で含み、電子センサは酸素センサであり、検出回路は、変動信号成分の測度に従って、爆発下限界の指示を生成するように構成されている。
態様２１は、態様１～２０の機能の任意の１つ以上を実行するための手段、または機械により実行されるときに、態様１～２０の機能のうちのいずれかの１つ以上を機械に実行させる命令を含む機械可読媒体を含み得る主題を含み得るか、または例１～２０のうちのいずれかの１つ以上の任意の部分または任意の部分の組み合わせと任意選択で組み合わせられて、その主題を含むことができる。
これらの非限定的態様は、任意の順列または組み合わせで組み合わせられ得る。本節は、本特許出願の主題の概要を提供するように意図される。本発明の排他的または包括的説明を提供するように意図されない。詳細な説明は、本特許出願に関するさらなる情報を提供するように含まれる。
必ずしも一定の比率の縮尺で描かれてはいない図面において、同様の数字は、異なる図において同様の構成要素を説明し得る。異なる文字の接尾語を有する同様の数字は、同様の構成要素の異なる事例を表し得る。図面は、概して、一例として、ただしそれに限定されずに、本明細書に論じられる種々の実施形態を示す。
試験回路およびセンサ回路を表すブロック図である。 試験回路およびセンサ回路を表すブロック図である。 センサ回路に電気的に連結された別の試験回路２０４を表すブロック図である。 センサ回路に電気的に連結された別の試験回路２０４を表すブロック図である。 電子センサの内部インピーダンスを測定するために試験回路を制御する方法のある例に関するフロー図である。 センサ回路に電気的に連結された試験回路の別の例の部分に関する回路図である。 電子センサの内部インピーダンスを測定するために試験回路を制御する方法の別の例に関するフロー図である。 センサ回路に電気的に連結された試験回路の別の例の部分に関する回路図である。 電子センサの内部インピーダンスを測定するために試験回路を制御する方法のある例に関するフロー図である。 センサ回路に電気的に連結された試験回路の別の例の部分に関する回路図である。 センサ回路の出力のある例である。 電子センサの内部インピーダンスを測定するために試験回路を制御する方法のある例に関するフロー図である。
いくつかのスマートセンサ回路は、ガスの量または濃度を監視するために電気化学センサを含み得る。センサ上のシステム要求は、多くの場合、低消費電力を有すること、かつ誤差を減らすように低雑音を呈することをセンサ回路に求める。寿命を最大化し、かつサービスを最小化するために、監視回路も低電力消費を有することが求められる。これによって、異なる種類のスマートセンサ回路を監視するための回路を設計する上で課題が提供され得る。例えば、診断目的のためにセンサ回路のインピーダンスを測定することが必要になり得るが、スマートセンサは、幅広い内部インピーダンスを有し得る。１０キロオーム（１０ｋΩ）を上回る内部抵抗を有するセンサもあれば、低内部抵抗（例えば、１Ω）を有するセンサもある。低内部インピーダンスを有するセンサは、典型的には、適切な信号対雑音比（ＳＮＲ）を提供するためにより高い電圧測定信号を必要とする。しかしながら、より高い電圧測定信号を低インピーダンスに印加することによって、測定回路による高電流消費がもたらされ得、時には、センサ回路は、より高い測定に関連する電流を許容することができない。
図１Ａおよび図１Ｂは、試験回路１０４およびセンサ回路１０６のブロック図である。試験回路１０４は、集積回路上に含まれてもよい。センサ回路の内部インピーダンスを測定するために、励起信号が、ドライブまたは「Ｄ」接続とトランスインピーダンス増幅器（ＴＩＡ）または「Ｔ」接続との間に印加される。「Ｐ」および「Ｎ」接続は、センサの動作のための検知ノードである。センサ回路の内部インピーダンスを決定するために、試験回路は、ＤおよびＴ接続を使用して励起信号をセンサ回路に印加する。図１Ａでは、励起信号は、１５ミリボルト（１５ｍＶ）の振幅を有し、センサ回路１０６は、１８１Ωの内部インピーダンスを有する。励起信号を印加することによって、０．０８ミリアンペア（０．０８ｍＡ）のセンサを通る電流が生じる。試験回路は、オームの法則を使用してセンサ回路の内部抵抗を決定する。試験回路は、決定された内部インピーダンスをユーザに（例えば、ディスプレイ上に値を提示することによって）またはプロセス（例えば、メモリに値を格納するプロセスまたは決定されたインピーダンスを使用して何らかの行動を起こすプロセス）に提供することができる。
図１Ｂでは、センサ回路１０６は、１Ωの内部抵抗を有するが、同じ１５ｍＶの励起信号でセンサを測定するように求められ得る。しかしながら、励起信号の直線的な印加によって、１５ｍＡの電流が生じる。この電流によって、多数の理由により問題が引き起こされ得る。例えば、電流が、所望の消費電力のわりに大き過ぎる、またはセンサ回路が、その振幅の電流を許容することができない場合がある。また、０．０８ｍＡの電流および１５ｍＡの電流に対応しようとすると、監視回路により行われる測定に精度問題が引き起こされ得る。励起電圧を低下させることによって、ＳＮＲは大幅に低下し得る。
図２Ａおよび図２Ｂは、センサ回路２０６に電気的に連結された試験回路２０４のさらなる例のブロック図である。試験回路は、約２００Ωのセンサ回路の内部インピーダンス、また、１０Ω未満の内部インピーダンスを有するセンサ回路の内部インピーダンスも決定するために使用することができる。試験回路は、負荷抵抗Ｒｌｏａｄ、励起回路２０８、および測定回路２１０を含む。負荷抵抗は、１００Ωの抵抗値を有してもよい（ある特定の実施形態では、負荷抵抗は約２００Ωの抵抗値を有する）。測定回路は、記載の機能を実行するために論理回路を含むことができる。変形例では、測定回路は、マイクロプロセッサ等のプロセッサを含む。図２Ａにおいて、低インピーダンスを有するセンサ回路が監視されるとき、測定回路２１０は、負荷抵抗をセンサ回路の内部インピーダンスと直列に接続して、直列抵抗を形成する。励起回路２０８は、所定の電圧を有する励起信号を直列抵抗に印加する。変形例では、所定の電圧は２０ｍＶ以下である。測定回路は、結果として生じた電流および所定の電圧を使用して直列抵抗を決定する。図２Ｂにおいて、試験回路は、次に、励起信号を負荷抵抗だけに印加する。励起信号は、結果として生じた電流および所定の電圧を使用して負荷抵抗を決定する。試験回路は、負荷抵抗を直列抵抗から差し引くことによってセンサ回路の内部インピーダンスを決定する。
負荷抵抗を加えることによって、２つの種類のセンサ間で同等の内部インピーダンスが生じる。これによって、試験回路によって決定されたインピーダンスの値における精度が改善される。いくつかの例では、測定回路は、励起信号の所定の電圧を較正する。所定のレジスタの較正レジスタは、試験回路の出力に電気的に接続され、試験回路は、励起信号の所定の電圧に対応して特定の電流が測定されるまで励起信号を調整することができる。
図３は、電子センサの内部インピーダンスを測定するために試験回路を制御する方法３００の例のフロー図である。３０５において、負荷抵抗は、センサと直列に電気的に接続され、負荷抵抗の直列抵抗およびセンサの内部インピーダンスを形成する。３１０において、所定の電圧を有する励起信号は、直列抵抗に印加され、直列抵抗を決定することが決定される（例えば、オームの法則によって）。３１５において、所定の電圧は、負荷抵抗に印加され、負荷抵抗が決定される。３２０において、センサの内部インピーダンスは、決定された負荷抵抗および直列抵抗を使用して決定される。内部インピーダンスの値は、ユーザまたはプロセスに提供される。この手法は、他の範囲の内部インピーダンスに使用することができる。例えば、試験回路は、約１ｋΩ～１Ωのセンサ内部インピーダンスを測定するために使用することができる。
図４は、センサ回路４０６の内部インピーダンスを表すレジスタ（Ｒｘ）に電気的に連結された試験回路４０４の例の部分に関する回路図である。試験回路４０４は、集積回路上に含まれてもよい。試験回路４０４は、デジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）回路４１２、励起回路４１４、および測定回路４１６を含む。内部インピーダンスを測定するために、試験信号は、デジタル／アナログ変換器ＤＡＣ回路４１２を使用して生成される。励起演算増幅器４２４を使用して、励起回路４１４は、試験信号を使用して生成された励起回路をセンサ回路に印加する。励起から生じる監視信号は、内部インピーダンスを決定するために測定回路４１６によって使用される。例えば、所定の電圧の励起信号は、センサ回路に印加され得、結果として生じた電流信号は、内部インピーダンスを決定するために使用され得る。ＤＡＣ回路４１２をプロセッサまたは他の制御回路（例えば、波形発生器）で制御すること等により、ＤＡＣ回路４１２によって、異なる周波数および振幅の励起信号を生成することが可能になる。
測定される内部インピーダンスが低いとき、励起信号の電圧は、センサを通る電流を制限するように低下させて、試験の消費電力を制限する必要があり得る。極めて異なる内部インピーダンスを有する異なる種類のセンサの内部インピーダンスを測定することに関する課題は、励起信号の電圧が低下するにつれて回路雑音が顕著になり得ることにある。
励起回路４１４は、構成可能な第１の回路利得段４２０および構成可能な第２の回路利得段４１８を含む。第１の回路利得段４２０は、プログラマブル利得増幅器（ＰＧＡ）を含む。第２の回路利得段は、レジスタＲｄおよび交差連結されたスイッチ回路４２２を含む。第１の回路段階の利得は、プログラマブル利得を変更することによって構成可能であり、第２の回路利得段４１８の利得は、交差連結されたスイッチ回路４２２の状態を変更することによって構成可能である。励起回路４１４の組み合わされた信号利得は、測定されるセンサ回路の内部インピーダンスがより高いインピーダンス範囲にあるか、またはより低いインピーダンス範囲にあるかに従って、測定回路によって（例えば、制御回路を使用して）構成される。内部インピーダンスがより高いインピーダンス範囲にある場合、より高い信号利得が提供される。
センサ回路がより高い範囲における内部インピーダンスの値を有する場合、励起回路４１４は、第１の利得モードで構成される。励起回路は、第１の回路利得段により印加された第１の信号利得および第２の回路利得段により印加された第２の信号利得を使用して、ＤＡＣ回路試験信号から第１の励起信号を生成する。限定的であるように意図されないある例において、第１の回路利得段４２０の利得は１であり、第２の回路利得段４１８の利得は２であり、第１の利得モードで２つの全体の信号利得を試験信号に提供するようにする。
センサ回路がより低い範囲における内部インピーダンスの値を有する場合、励起回路４１４は、第２の利得モードで構成される。励起回路は、第１の回路利得段により印加された第３の信号利得および第２の回路利得段により印加された第４の信号利得を使用して、ＤＡＣ回路試験信号から第２励起信号を生成する。第２の利得モードでの利得は、０～１の間の利得値であり得る。ある例では、第１の回路利得段４２０の利得は、１０分の１（１／１０）であり、第２の回路利得段４１８の利得は、２分の１（１／２）であり、第２の利得モードで２０分の１（１／２０）の全体の信号利得を試験信号に提供するようにする。第２の利得モードにより提供された信号利得の値は、抵抗値を変更することによって変更され得る。ある特定の例では、第２の利得段は、第１の利得モードで４または５、第２の利得モードで４分の１（１／４）または５分の１（１／５）の利得を提供する。測定回路４１６は、第１の励起信号または第２の励起信号の電子センサに対する印加を選択的に開始し、センサの内部インピーダンスを計算する。内部インピーダンスがより低い範囲にある場合の小信号利得は、ＰＧＡおよび励起演算増幅器４２４の回路雑音を低下させる。これにより、より低い範囲における内部インピーダンス測定における精度が改善される。
図５は、電子センサの内部インピーダンスを測定するために試験回路を制御する方法５００のある例に関するフロー図である。５０５において、センサの内部インピーダンスが第１の内部インピーダンス範囲を有する場合、第１の利得モードでの第１の励起信号は、センサに印加される。第１の利得モードで、第１の励起信号は、第１の回路利得段を使用して生成された第１の信号利得および第２の回路利得段を使用して生成された第２の信号利得を使用して、試験信号から生成される。
５１０において、センサの内部インピーダンスが第２の内部インピーダンス範囲を有する場合、第２の利得モードでの第２の励起信号は、センサに印加される。いくつかの例では、第２のインピーダンス範囲におけるインピーダンスの値は、第１のインピーダンス範囲におけるインピーダンスの値よりも低い。第２の利得モードで、第２の励起信号は、第１の回路利得段を使用する第３の信号利得および第２の回路利得段を使用する第４の信号利得を使用して、試験信号から生成される。
５１５において、センサの内部インピーダンスは、第１の利得モードである場合、第１の励起信号を使用して、第２の利得モードである場合、第２の励起信号を使用して計算される。計算された内部インピーダンスは、ユーザまたはプロセスに提供され得る。センサ回路の内部インピーダンス範囲と、結果としてセンサ回路の測定にどの信号利得を使用するかについては、予め（例えば、センサの種類によって）既知であってもよく、ユーザによりプログラミングされてもよい。他の例では、測定回路は、どの信号利得を励起回路に印加するかについて決定することができる。いくつかの例では、センサ回路は、試験回路により読み取られる識別子（例えば、機械可読式コード）を含む。いくつかの例では、所定の電圧の励起信号は、センサ回路に印加され、センサ回路の内部インピーダンス範囲を決定するために、粗いインピーダンス測定を決定し、信号利得は適宜設定される。
図６は、センサ回路６０６に電気的に連結された試験回路６０４の別の例の部分に関する回路図である。試験回路は、集積回路に含まれ得る。ある特定の例では、センサ回路は、同じ集積回路および試験回路に含まれる。電子センサは、電気化学センサまたはガスセンサであり得る。電子センサのインピーダンスは、センサが使用されるにつれて変化する場合があり、センサのインピーダンスの測定は、センサの残りの耐用年数を推定するのに有用であり得る。センサがその耐用年数の終わりに近づくときを決定することは、センサを毒物または毒ガスを検知するために使用する場合に、より重要になり得る。
試験回路６０４は、励起回路６１４および測定回路６１６を含む。励起回路は、インピーダンスを測定するための励起信号を提供する。測定回路は、記載の機能を実行するために論理回路を含み得、測定および計算を開始するために制御回路を含んでもよい。センサ回路Ｒｘの未知のインピーダンスを決定するために、励起信号Ｖｅｘｃは、センサ回路に印加され得、センサ電流Ｉｘは測定され得、この場合Ｉｘ＝Ｖｅｘｃ／Ｒｘである。同じ励起信号Ｖｅｘｃは、既知の較正抵抗６２６（Ｒｃａｌ）に印加され、較正電流Ｉｃａｌは測定され、この場合Ｉｃａｌ＝Ｖｅｘｃ／Ｒｃａｌである。Ｖｅｘｃは両測定において同じであるため、センサの未知のインピーダンスは、Ｒｘ＝Ｒｃａｌ（Ｉｃａｌ／Ｉｘ）と決定され得る。
この測定手法は、Ｒｘの値がＲｃａｌと同じ桁である場合に上手く機能する。しかしながら、この手法は、センサインピーダンスがＲｃａｌと違い過ぎる場合に上手く機能しない。例えば、Ｒｃａｌが約２００ΩでＶｅｘｃが１Ｖの場合、Ｉｅｘｃは約５ミリアンペア（５ｍＡ）である。Ｒｘが１メガオーム（１ＭΩ）である場合、Ｉｘは約１マイクロアンペア（１μＡ）である。電流のこれらの値は、測定回路が所望の精度を提供するには違い過ぎる。測定のために利得を信号に加えることによって、利得が信号誤差にも加えられ得、これによって信号の測定における誤差が増加する。
図６の試験回路６０４は、較正抵抗に加えて調整可能なブリッジ抵抗６２８を含む。ブリッジ抵抗の値は、Ｒｃａｌの抵抗値とセンサインピーダンスの値との間で調整される。ブリッジ抵抗は、安価な抵抗回路であり得、抵抗は、所望の精度に対して既知ではなくてよい。試験回路６０４は、励起信号を較正抵抗、調整可能なブリッジ抵抗、またはセンサ回路６０６に選択的に印加するために使用され得るマルチプレクサー回路を含み得る。
第１の所定の励起信号は、Ｒｃａｌおよびブリッジ抵抗Ｒｂに印加され得、第２の所定の励起信号は、ブリッジ抵抗Ｒｂおよびセンサ回路Ｒｘに印加され得る。異なる信号利得は、別々の励起信号に印加され得、測定された電流は、電子センサのインピーダンスを決定するために使用され得る。
例えば、測定回路６１６は、第１の励起信号Ｖｅｘｃ１を較正抵抗Ｒｃａｌに印加し、較正電流Ｉｃａｌを測定し得る。第１の励起信号は、ブリッジ抵抗Ｒｂに印加され、第１のブリッジ電流Ｉｂ１は測定され得る。測定回路６１６は、第２の励起信号Ｖｅｘｃ２をブリッジ抵抗値に印加し、第２のブリッジ電流Ｉｂ２は測定され得る。第２の励起信号は、センサに印加され、センサ電流Ｉｘは測定される。センサのインピーダンスは、
Ｒｘ＝（Ｒｃａｌ）（Ｉｃａｌ／Ｉｂ１）（Ｉｂ２／Ｉｘ）
として決定され、式中、励起がＶｅｘｃ１である場合、Ｉｂ１はブリッジ抵抗における電流であり、励起がＶｅｘｃ２である場合、Ｉｂ２はブリッジ抵抗における電流である。測定励起電圧および利得は、各対の電流測定について同じであり、測定システムにおける測定電圧および利得の精度は、重要ではない。
例証的かつ非限定的であるように意図されるある例では、センサインピーダンスが約２００Ωの範囲にあることが既知であり、かつＲｃａｌが１０ｋΩである場合、ブリッジ抵抗は１．１２８ｋΩであり得る。この場合、ブリッジ抵抗と較正抵抗との比率、およびブリッジ抵抗とセンサインピーダンスとの比率は、大き過ぎなくてもよく、ブリッジ抵抗の１つの値が使用され得る。測定回路は、励起信号をセンサに印加して、ブリッジ抵抗の値の設定前にインピーダンスの推定を入手してもよい。励起信号には典型的には所要の精度がないため、測定は推定値である。測定回路６１６は、ブリッジ抵抗値をより正確に決定する前に、ブリッジ抵抗値を粗いまたは近似の抵抗値に設定してもよい。測定回路６１６は、必要に応じてＲｃａｌの抵抗を測定するためにも使用され得る。マルチプレクサー回路６３０は、励起信号を較正抵抗に印加するために使用され得、測定回路６１６は、励起信号を使用して較正抵抗を計算し得る。
別の例では、センサインピーダンスＲｘと較正抵抗Ｒｃａｌとの間のインピーダンス差が大き過ぎる場合、多数のブリッジ抵抗段階が、ＲｃａｌとＲｘとの間の測定をブリッジするために使用され得る。例えば、測定回路６１６は、第１の励起信号Ｖｅｘｃ１を較正および第１のブリッジ抵抗Ｒｂ１に印加して、前の例のように較正電流Ｉｃａｌおよび第１のブリッジ電流Ｉｂ１１を測定してもよく、ここで、Ｉｂ１１は、第１のブリッジ抵抗値および第１の励起信号のブリッジ電流である。第１のブリッジ抵抗値は、ＲｘよりもＲｃａｌにより近くに設定されてもよい。測定回路６１６は、第２の励起信号を第１のブリッジ抵抗値に印加し、第２のブリッジ電流Ｉｂ１２は測定され、ここで、Ｉｂ１２は、第１のブリッジ抵抗値Ｒｂ１および第２の励起信号Ｖｅｘｃ２のブリッジ電流である。
次いで、ブリッジ抵抗は、ＲｃａｌよりもＲｘにより近くなり得る第２の値Ｒｂ２に変更される。例証的かつ非限定的であるように意図されるある例では、センサインピーダンスが約２００Ωの範囲にあることが既知であり、かつＲｃａｌが１０ｋΩである場合、Ｒｂ１の値は７１２Ωに設定されてもよく、Ｒｂ２は２．５３ｋΩであってもよい。第２の励起信号Ｖｅｘｃ２は、第２のブリッジ抵抗に印加され、第３のブリッジ電流Ｉｂ２２は測定される。第３の励起信号Ｖｅｘｃ３は第２のブリッジ抵抗Ｒｂ２に印加され、第４のブリッジ電流Ｉｂ２３は測定され、ここで、Ｉｂ２３は、第２のブリッジ抵抗値Ｒｂ２および第３の励起信号Ｖｅｘｃ３のブリッジ電流である。次いで、第３の励起信号は、センサインピーダンスＲｘに印加され、センサ電流Ｉｘは測定される。次いで、センサＲｘのインピーダンスは、較正抵抗Ｒｃａｌ、較正電流Ｉｃａｌ、第１のブリッジ電流Ｉｂ１１、第２のブリッジ電流Ｉｂ１２、第３のブリッジ電流Ｉｂ２２、第４のブリッジ電流Ｉｂ２３、およびセンサ電流Ｉｘを使用して、
Ｒｘ＝（Ｒｃａｌ）（Ｉｃａｌ／Ｉｂ１１）（Ｉｂ１２／Ｉｂ２２）（Ｉｂ２３／Ｉｘ）
によって決定され得る。
図７は、電子センサの内部インピーダンスを測定するために試験回路を制御する方法７００のある例に関するフロー図である。７０５において、第１の所定の励起信号は較正抵抗に印加され、較正電流は測定される。次いで、ブリッジ抵抗値は選択される。いくつかの例では、センサインピーダンスの近似または粗い値は、試験回路によって決定され、ブリッジ抵抗値は、試験回路またはユーザによって適宜設定される。試験回路は、メモリに格納されたテーブルを含んでもよく、試験回路は、近似センサインピーダンスをテーブル内へのインデックスとして使用することによってブリッジ抵抗を設定してもよい。７１０において、同じ第１の励起信号がブリッジ抵抗に印加され、第１のブリッジ電流は測定される。
７１５において、第２の所定の励起信号はブリッジ抵抗に印加され、第２のブリッジ電流は測定される。７２０において、同じ第２の励起信号がセンサに印加され、センサ電流は測定される。７２５において、センサの内部インピーダンスは、較正抵抗、較正電流、第１のブリッジ電流、第２のブリッジ電流、およびセンサ電流を使用して、試験回路によって計算される。次いで、計算されたインピーダンスは、ユーザまたはプロセスに提供されてもよい。例えば、内部インピーダンスを使用して、電子センサの残りの耐用年数を計測してもよい。
２つ以上のブリッジ抵抗が必要とされてもよい。ブリッジ抵抗は、比率に従って決定されてもよい。試験回路は、較正インピーダンスとブリッジインピーダンスとの比率を約４に維持するようにブリッジ抵抗を決定してもよい。選択されたブリッジインピーダンスと近似センサ値との比率が所望の比率内にない場合も、試験回路は、センサの所望の比率内および第１のブリッジ抵抗値の所望の比率内にある第２のブリッジ抵抗を選択してもよい。次いで、センサインピーダンスは、前述した例のように、較正抵抗、較正電流、４つのブリッジ電流、およびセンサ電流を使用して決定される。この手法は拡張することができる。較正抵抗の値とセンサインピーダンスの値との差が大き過ぎる場合に３つ以上のブリッジ抵抗が必要とされてもよい。
図８は、センサ回路８０６に電気的に連結された試験回路８０４の別の例の部分に関する回路図である。消費電力および回路雑音に対処することに加え、電子センサの出力を監視する回路は、精度を改善するためにセンサ回路の出力を適合させる必要があり得る。
試験回路８０４は、集積回路上に含まれ得、センサ回路８０６、ＤＡＣ回路８３２、ＰＧＡ８３４、および測定回路８３６から電気信号を受信するために入力を含む。ある特定の例では、センサ回路は、同じ集積回路および試験回路上に含まれる。センサは、センサを含む環境内の化学物質またはガスの濃度を検出するために使用され得る。センサの内部インピーダンスは、濃度に応じて変動する。センサは、参照レジスタ８４０（Ｒｒｅｆ）を含む抵抗分割器に連結される。スイッチ８４２は、センサ出力の測定中に抵抗分割器を有効にしてもよい。また、スイッチは、一時的にセンサを加熱するようにセンサを通る電流経路を可能にするために短時間（例えば、２００マイクロ秒（２００μｓ））作動され、次いで、電力を節約するために停止されてもよい。Ｒｒｅｆを測定することによって、電流は監視されて、センサ上で消費する平均電力を正確に制御し、測定のためのセンサの感度を正確に制御するように温度を正確に制御することができる。
測定回路８３６は、測定を実行していないときにエネルギーを節約するために、スイッチを開放する制御器を含んでもよい。センサに印加された電圧Ｖｃｃは、センサ８０６および参照レジスタ８４０の内部インピーダンスによって分割される。センサを監視するために、センサからの信号の電圧は、化学物質またはガスの濃度に応じて変動する。例えば、センサは、ガスセンサであってもよい。センサの内部インピーダンスは、ガス濃度に応じて変動し、ガスの濃度に比例して電圧を提供してもよい。
センサ回路８０６からの信号は、直流（ＤＣ）オフセットおよび変動信号成分を含む。ＤＣオフセットは、センサ回路の内部インピーダンスがわずかに変動する近似インピーダンスを有するときに発生し得る。例えば、センサの内部インピーダンスは、ガスの濃度の範囲について１８Ω～２０Ωの間で変動し得る。１８Ωに起因する電圧は、センサからの電気信号においてＤＣオフセットとして現れ得る。
図９は、ガスの濃度の関数としてのセンサ回路８０６の出力のある例のグラフである。ＤＣ成分は、Ｖｓｈｉｆｔとして示される。グラフ９０５は、電圧出力が２．３７ボルト（２．３７Ｖ）～２．５Ｖの間で変動することを示す。ＤＣオフセットは、必要に応じてより低い電圧の測定回路の使用を防止し、出力における測定可能な範囲の変化を制限することができ、これが測定の精度に影響を与え得る。精度を改善するために、ＤＣオフセットが除去される。グラフ９１０は、ゼロボルトを中心とするように出力をシフトした後のセンサの出力およびセンサからの信号に印加された信号利得を示す。グラフ９１０は、より大きな信号範囲によって測定の精度を改善することができ、かつより低い電圧の測定回路を使用して出力を監視することができることを示す。
試験回路８０４は、センサから受信した信号におけるＤＣオフセットを除去するためにＤＡＣ回路８３２を含む。ＤＡＣ回路８３２は、ユーザによってプログラミングされて、既知のＤＣオフセットを差し引くか、または測定されたＤＣオフセットを差し引くように制御回路によって自動的に調整されることができる。ＰＧＡ８３４は、信号利得をＤＡＣ回路によりシフトされた信号に印加する。ＰＧＡ８３４により提供された利得の量も、ユーザにより設定されてもよく、または制御回路を使用して自動的に調整されてもよい。測定回路８３６は、変動信号成分の測度を生成する。いくつかの実施形態では、測定回路８３６は、センサ回路８０６からの信号を表すデジタル値を生成するために、アナログ／デジタル変換器（ＡＤＣ）回路８３８を含む。図８の例では、ＡＤＣ回路は、１６ビットのＡＤＣ回路である。ＰＧＡによって提供された信号利得によって、１６ビットのＡＤＣの精度をより有用にするより多くの信号の振れが可能になる。印加に応じて、測定回路は、変動信号成分の周波数応答を測定するように構成された高速フーリエ変換（ＦＦＴ）回路も含んでもよい。
図１０は、電子センサの内部インピーダンスを測定するために試験回路を制御する方法１０００のある例に関するフロー図である。１００５において、入力信号は、電子センサから試験回路によって受信される。入力信号は、ＤＣオフセット成分および変動信号成分を含む。１０１０において、ＤＣオフセットは、ＤＡＣ回路を使用して入力信号から除去され、信号利得は、残りの変動信号成分に印加される。１０１５において、印加された信号利得を有する変動信号成分は、測定回路を使用して測定される。測度は、ＡＤＣ回路を使用して決定されたデジタル値を含むことができる。測定は、ユーザまたはプロセスのうちの一方または両方に提供され得る。例えば、センサは、酸素センサであってもよい。図８に示すように、試験回路は、検出回路８４４を含むことができる。検出回路は、変動信号成分の測度に応じて爆発下限界（ＬＥＬ）の指示を生成してもよい。この指示を使用してＬＥＬに関するアラートを生成してもよい。
本明細書に記載のデバイス、方法、およびシステムによって、低消費電力、改善された精度でスマートセンサを監視することが可能になる。
追加の説明
上記の詳細な説明は、添付の図面への参照を含み、図面は、詳細な説明の一部を形成する。図面は、例証として、本発明を実践することができる特定の実施形態を示す。これらの実施形態は、本明細書において「例」とも呼ばれる。本明細書で参照される全ての公報、特許、および特許文書は、参照により個別に組み込まれるように、参照によりその全体が本明細書に組み込まれる。本明細書とこのように参照により組み込まれたこれらの文書との間に一貫性のない使用がある場合、組み込まれた参照における使用は、本明細書の使用の補足と考えられるべきであり、相反する不一致については、本明細書における使用が統制する。
本明細書では、用語の「ａ」または「ａｎ」は、特許文書で一般的であるように、「少なくとも１つ」または「１つ以上」の任意の他の事例および使用とは関係なく、１つまたは２つ以上を含むように使用される。本明細書では、用語の「または」は、別段指示のない限り、非排他的であることを指すように、または、「ＡまたはＢ」が「ＡであるがＢではない」、「ＢであるがＡではない」、ならびに「ＡおよびＢ」を含むように使用される。添付の特許請求の範囲では、用語の「含む」および「ｉｎ ｗｈｉｃｈ」は、それぞれの用語の「備える」および「ｗｈｅｒｅｒｉｎ」の平易な英語の同等物として使用される。また、以下の特許請求の範囲では、用語の「含む」および「備える」は開放型であり、つまり、特許請求の範囲でかかる用語の後に列挙された要素の他に要素を含む、システム、デバイス、物品、またはプロセスが、依然としてその特許請求の範囲に入ると見なされる。さらに、以下の特許請求の範囲では、用語の「第１」、「第２」、および「第３」等は、単に標識として使用されるだけであり、数字上の要件をそれらの物体に課すように意図されない。本明細書に記載の方法例は、少なくとも部分的に機械またはコンピュータによる実施であり得る。
上記説明は、例証的であるように意図され、限定的ではない。例えば、上述の例（またはその１つ以上の態様）は、相互の組み合わせで使用されてもよい。他の実施形態は、上記説明の考察時に当業者等によって使用され得る。要約書は、読み手が技術的開示の性質を素早く確認することを可能にするように、３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．§１．７２（ｂ）に従うように提供される。特許請求の範囲または意味を解釈または限定するためには使用されないという理解のもと、要約書は提出される。また、上記の発明を実施するための形態では、種々の特徴は、本開示を簡素化するためにまとめられ得る。これは、請求されていない開示特徴が任意の請求に不可欠であることを意図するように解釈されるべきではない。むしろ、発明の主題は、特定の開示された実施形態の全ての特徴よりも少ない特徴に存在し得る。したがって、以下の特許請求の範囲は、各請求項が別々の実施形態としてそれ自体存在する状態で、発明を実施するための形態に組み込まれる。本発明の範囲は、かかる特許請求の範囲が権利を与えられる同等物の全範囲とともに、添付の特許請求の範囲を参照して決定されるべきである。
１０４，２０４ 試験回路
１０６，２０６ センサ回路
Ｒｌｏａｄ 負荷抵抗
２０８ 励起回路
２１０ 測定回路

Claims (5)

  1. 電子センサのための試験回路であって、
    所定の電圧を前記電子センサに印加するように構成された励起回路と、
    前記電子センサの電流を測定し、測定した前記電流を用いて前記電子センサの内部インピーダンスを計算して、計算された内部インピーダンスをユーザまたはプロセスに提供するように構成され、前記プロセスは計算された内部インピーダンスをメモリに格納するプロセスである測定回路と、を備え、
    前記励起回路は、励起信号を前記電子センサに印加するように構成されており、前記励起回路は、第１の回路利得段および第２の回路利得段であって、電圧利得を設定可能な第１の回路利得段および第２の回路利得段を含み、第１の利得モードで、前記励起回路は、前記第１の利得モードにおいて第１の電圧利得を印加する前記第１の回路利得段および前記第１の利得モードにおいて第２の電圧利得を印加する前記第２の回路利得段を使用して試験信号から前記所定の電圧として第１の電圧を有する第１の励起信号を生成し、第２の利得モードで、前記励起回路は、前記第２の利得モードにおいて第３の電圧利得を印加する前記第１の回路利得段および前記第２の利得モードにおいて第４の電圧利得を印加する前記第２の回路利得段を使用して前記試験信号から前記所定の電圧として第２の電圧であって、前記第１の電圧とは異なる電圧を有する第２の励起信号を生成し、
    前記測定回路は、前記第１の励起信号または前記第２の励起信号の前記電子センサへの印加を前記励起回路が選択的に開始するように設定し、かつ前記電子センサの内部インピーダンスを計算するように構成され、開始される前記印加が前記第１の励起信号の印加であるか、または前記第２の励起信号の印加であるかは、前記電子センサの種類に基づき決定され、
    前記第１の回路利得段は、プログラマブル利得増幅器を含み、前記第２の回路利得段は、第１の抵抗、第２の抵抗、オペアンプおよび交差連結されたスイッチ回路を含み、
    前記第１の抵抗と前記第２の抵抗各々の一方の端は、前記オペアンプに接続され、
    前記第１の利得モードにおいては、前記交差連結されたスイッチ回路は、前記第１の回路利得段を前記第１の抵抗の他端に接続し、前記オペアンプのフィードバックを前記第２の抵抗の他端に接続し、
    前記第２の利得モードにおいては、前記交差連結されたスイッチ回路は、前記第１の回路利得段を前記第２の抵抗の前記他端に接続し、前記オペアンプの前記フィードバックを前記第１の抵抗の前記他端に接続する、試験回路。
  2. 前記測定回路は、前記電子センサの前記内部インピーダンスが第１の内部インピーダンス範囲を有するときに、前記第１の励起信号の前記電子センサへの印加を開始するように前記励起回路を設定し、前記電子センサの前記内部インピーダンスが第２の内部インピーダンス範囲を有するときに、前記第２の励起信号の前記電子センサへの印加を開始するように前記励起回路を設定するように構成されており、前記第１の内部インピーダンス範囲は、前記第２の内部インピーダンス範囲よりも大きなインピーダンスのための範囲である、請求項１に記載の試験回路。
  3. 前記第２の回路利得段の前記信号利得は、前記第１の利得モードでは１であり、前記第２の利得モードでは１未満かつ０を上回る、請求項２に記載の試験回路。
  4. 前記第１の回路利得段の前記信号利得は、前記第１の利得モードでは１を上回り、前記第２の利得モードでは１未満かつ０を上回る、請求項２に記載の試験回路。
  5. 前記試験信号を生成するように構成されたデジタル／アナログ変換器（ＤＡＣ）回路を含む、請求項１に記載の試験回路。
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