УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЭКСПЛУАТАЦИИ МЕТАЛЛООКСИДНОГО ГАЗОВОГО ДАТЧИКА Российский патент 2012 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к устройству для эксплуатации металлооксидного газового датчика.

Металлооксидные газовые датчики служат для измерения концентрации газа, присутствующей в окружающей среде датчика. Работа металлооксидного датчика основана на анализе сопротивления или проводимости металлооксидного слоя (МОС), предусмотренного на подложке, которая выполнена с возможностью нагрева. Обычно такие металлооксидные датчики нагреваются непрерывно, что требует больших энергозатрат. Поэтому металлооксидные датчики невозможно использовать в работающих на батарее системах, батарея которых имеет лишь малую емкость.

Из публикации US 2003/0037593 А1 известен подогреваемый металлооксидный датчик для обнаружения аммиака и/или этилена.

Согласно публикации US 5898101 в газовом датчике предусмотрено несколько сенсоров, а также нагревательный элемент для их подогрева. Источник нагрева работает от батареи с периодическим включением в импульсном режиме, и во время фаз нагрева осуществляется считывание показаний части сенсоров, причем это считывание может выполняться сразу же или вскоре после начала фазы нагрева.

Задача настоящего изобретения заключается в разработке усовершенствованного устройства для эксплуатации газового металлооксидного датчика, который можно было бы использовать в товарной логистике, например при транспортировке продуктов питания и других портящихся товаров, или в других областях.

Эта задача решается в устройстве для эксплуатации газового металлооксидного датчика, охарактеризованном в пункте 1 формулы изобретения.

Предпочтительные варианты осуществления изобретения указаны в соответствующих зависимых пунктах формулы изобретения.

Объектом изобретения является устройство для эксплуатации газового металлооксидного датчика, предназначенного для измерения присутствующей в окружающей среде концентрации газа. Устройство содержит источник электрического тока для нагрева газового датчика и измерительное устройство для регистрации и анализа репрезентативного для концентрации газа электрического выходного параметра газового датчика, причем датчик предусмотрен для измерения в окружающей его среде концентрации аммиака или этилена. В соответствии с изобретением источник электрического тока выполнен в виде батареи и предусмотрен для периодического нагрева металлооксидного датчика в течение дискретных отрезков времени измерения, измерительное устройство предусмотрено для формирования репрезентативного для концентрации газа параметра измерения из электрического выходного параметра датчика, зарегистрированного в течение каждого из дискретных отрезков времени измерения, а работающее от батареи устройство выполнено на радиочастотной метке.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения указанное устройство предусмотрено для формирования среднего значения из электрического выходного параметра, зарегистрированного в течение каждого из дискретных отрезков времени измерения.

Согласно одному из вариантов осуществления изобретения указанное устройство предусмотрено для формирования репрезентативного для концентрации газа результата измерения из электрического выходного параметра металлооксидного датчика, зарегистрированного в течение каждой из частей дискретных отрезков времени измерения.

Предлагаемое в изобретении устройство может быть предусмотрено для регистрации электрической выходного параметра в течение каждой из частей дискретных отрезков времени, во время которых электрический выходной параметр по существу постоянен.

Предлагаемое в изобретении устройство может быть предусмотрено для регистрации сопротивления или проводимости металлооксидного датчика в качестве электрического выходного параметра.

Предлагаемое в изобретении устройство может быть предусмотрено для регистрации напряжения или тока на металлооксидном датчике в качестве электрического выходного параметра.

Далее примеры осуществления изобретения поясняются на чертежах, на которых показано:

фиг.1 - упрощенная блок-схема устройства для эксплуатации газового металлооксидного датчика согласно примеру осуществления изобретения;

фиг.2 - диаграмма, показывающая изменение измеренного на металлооксидном датчике сопротивления при непрерывном режиме работы и в режиме согласно примеру осуществления изобретения;

фиг.3a) и b) - сильно увеличенное изображение, обозначенного на фиг.2 кругом участка измерительной кривой для случая измерения концентрации 25 аммиака (фиг.3а) и этилена (фиг.3b);

фиг.4 и фиг.5 - аналогичные фиг.2 диаграммы для измерения концентрации аммиака (фиг.4) и этилена (фиг.5) согласно примеру осуществления изобретения, при этом изображенная в нижней области сплошная линия, показывает характеристику для газового металлооксидного датчика, непрерывно нагреваемого традиционным образом, а показанная в верхней области линия показывает измерение металлооксидного датчика, нагреваемого периодически в дискретные отрезки времени, а представленные пунктиром горизонтальные линии - соответствующие средние значения дискретных измерений согласно примерам осуществления изобретения.

На фиг.1 в виде упрощенной блок-схемы изображено устройство, предусмотренное для эксплуатации газового металлооксидного датчика 1. Металлооксидный датчик 1 служит для измерения присутствующей в окружающей среде концентрации газа, например аммиака или этилена, как это может потребоваться, например, в случае транспортировки продуктов питания. Металлооксидный датчик 1 нагревается посредством источника 2 электрического тока. Измерительное устройство 3, 4 служит для регистрации и анализа электрического выходного параметра газового датчика 1, репрезентативного для концентрации газа. В зависимости от используемого вида измерения, этот электрический выходной параметр может быть, например, измерением напряжения или тока, или сопротивления или проводимости на металлооксидном датчике 1. Измерительное устройство 3, 4 включает в себя измерительную часть 3, которая в показанном примере осуществления предусмотрена в возбудителе 5 датчика вместе с источником 2 тока, и непосредственно регистрирует указанный электрический выходной параметр датчика 1, а также схему 4 обработки сигнала, которая соединена с измерительной частью 3 и может представлять собой, например, микроконтроллер или компьютер. Предусмотренный в возбудителе 5 датчика источник 2 тока выполнен или же управляется таким образом, что металлооксидный датчик 1 нагревается периодически в дискретные отрезки времени. Измерительное устройство 3, 4 выполнено таким образом, что, в целом, из зарегистрированного в течение дискретных отрезков времени электрического выходного параметра датчика 1 формируется репрезентативный для концентрации газа результат измерения.

На фиг.2, на верхней прерывистой кривой показано измерение заданной концентрации этилена посредством периодического измерения в течение дискретных отрезков времени в сравнении с непрерывным измерением, как оно производится обычно и показано в нижней части диаграммы. Как показывает кривая периодического измерения, во время периодического нагрева металлооксидного датчика 1 происходит скачкообразное уменьшение сопротивления металлооксидного датчика 1, составляющее более двух порядков величины.

На фиг.3a) и 3b) в сильно увеличенном виде отображена обозначенная кругом на фиг.2 область во время периодического измерения для случая концентрации аммиака 100 частей на миллион (част./млн) в синтетическом воздухе или для случая концентрации этилена 100 частей на миллион (част./млн) в синтетическом воздухе. Видно, что на падающем фронте в начале дискретного измерения сначала происходит выброс измерительной кривой в виде пика, который затем стабилизируется на по существу постоянную величину. Сравнение измерительной кривой для периодического измерения и измерительной кривой для непрерывного измерения на фиг.2 показывает, что установившийся, практически постоянный результат измерения превышает результат непрерывного измерения, т.е. сопротивление не снижается полностью до параметра непрерывного измерения.

Репрезентативный для концентрации газа результат измерения формируется из электрического выходного параметра, зарегистрированного в течение отрезков дискретных времен измерения, т.е. в описанном здесь примере осуществления формируется сопротивление металлооксидного датчика, при этом образуется среднее значение этих величин.

На фиг.4 и 5 представлены периодические измерения, полученные из них средние значения и параметры, полученные при традиционном непрерывном измерении. В левой части фигур представлены измерения для чистого синтетического воздуха. В правой части фигур показаны измерения для концентраций 100 част./млн аммиака (фиг.4) и 100 част./млн этилена.

Характер изменений на фигурах показывает для обоих случаев снижение сопротивления примерно на порядок величины для традиционного, непрерывного измерения. Как показывают указанные средние значения, дискретные измерения следуют за непрерывными, хотя и со смещением вверх, т.е. среднее значение дискретных измерений также показывает аналогичное снижение примерно на порядок величины. Таким образом, возможно надежное обнаружение концентраций газов.

Вместо электрического сопротивления на металлооксидном датчике 1 может регистрироваться проводимость, напряжение или ток.

Измерение может осуществляться и в батарейном режиме с батареями малой емкости. Это делает возможным, например расположения устройства для измерения на радиочастотной метке (RFID-Tag). Такие радиочастотные метки все более широко применяются в товарной логистике, например, при транспортировке продуктов питания и других портящихся товаров, или в других областях. Это полезно для всех целей, когда речь идет о контроле даже незначительных концентраций газов.

Все измерительное устройство может быть выполнено в виде интегральной схемы на чипе.

Изобретение может быть использовано в товарной логистике, например при транспортировке продуктов питания и других портящихся товаров. Устройство для эксплуатации газового металлооксидного датчика (1), предназначенного для измерения присутствующей в окружающей среде концентрации газа содержит источник (2) электрического тока для нагрева газового датчика (1), и измерительное устройство (3, 4) для регистрации и анализа репрезентативного для концентрации газа электрического выходного параметра газового датчика (1), причем датчик предусмотрен для измерения в окружающей среде концентрации аммиака или этилена. Источник (2) электрического тока предусмотрен для периодического нагрева металлооксидного датчика (1) в течение дискретных отрезков времени измерения, измерительное устройство (3, 4) предусмотрено для формирования репрезентативного для концентрации газа параметра измерения из электрического выходного параметра датчика (1), зарегистрированного в течение каждого из дискретных отрезков времени измерения. Устройство работает от батареи и выполнено на радиочастотной метке. Изобретение обеспечивает повышение чувствительности. 5 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Устройство для эксплуатации газового металлооксидного датчика (1), предназначенного для измерения присутствующей в окружающей среде концентрации газа, содержащее источник (2) электрического тока для нагрева газового датчика (1), и измерительное устройство (3, 4) для регистрации и анализа репрезентативного для концентрации газа электрического выходного параметра газового датчика (1), причем датчик предусмотрен для измерения в окружающей среде концентрации аммиака или этилена, отличающееся тем, что источник (2) электрического тока выполнен в виде батареи и предусмотрен для периодического нагрева металлооксидного датчика (1) в течение дискретных отрезков времени измерения, измерительное устройство (3, 4) предусмотрено для формирования репрезентативного для концентрации газа параметра измерения из электрического выходного параметра датчика (1), зарегистрированного в течение каждого из дискретных отрезков времени измерения, а работающее от батареи устройство выполнено на радиочастотной метке.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительное устройство (3, 4) предусмотрено для формирования среднего значения из электрического выходного параметра, зарегистрированного в течение каждого из дискретных отрезков времени измерения.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что измерительное устройство (3, 4) предусмотрено для формирования репрезентативного для концентрации газа результата измерения из электрического выходного параметра металлооксидного датчика (1), зарегистрированного в течение каждой из частей дискретных отрезков времени измерения.

4. Устройство по п.3, отличающееся тем, что указанное измерительное устройство (3,4) предусмотрено для регистрации электрического выходного параметра в течение каждой из частей дискретных отрезков времени, во время которых электрический выходной параметр, по существу, постоянен.

5. Устройство по одному из пп.1-4, отличающееся тем, что измерительное устройство (3) предусмотрено для регистрации сопротивления или проводимости металлооксидного датчика (1) в качестве электрического выходного параметра.

6. Устройство по одному из пп.1-4, отличающееся тем, что измерительное устройство (3) предусмотрено для регистрации напряжения или тока на металлооксидном датчике (1) в качестве электрического выходного параметра.