專利名稱：用于氣體分析儀的提高一氧化氮靈敏度的電路的制作方法
本申請要求1997年9月22日提出的美國臨時申請號60/059,523的權利。
一般說來，本發明涉及一種測試診斷設備，用于測試汽車，特別是以內燃機為動力的汽車。本發明特別適用于裝有氣體分析器的診斷設備，該分析器用于分析來自內燃機的廢氣排出物；更準確地說，特別適用于這類氣體分析器的一氧化氮(NO)感測電路。
本發明涉及改進和一種診斷系統一起使用的NO感測電路，該系統例如是由Sun Electric公司銷售的所謂“業務檢查系統”。該系統包括一個紅外(IR)架上安裝模塊，該模塊包括一個無色散紅外(NDIR)光學裝置，該光學裝置可檢測汽車廢氣系統內的碳氫化合物、一氧化碳、二氧化碳和其他氣體的濃度。NDIR光學裝置包括一些光學輸入/輸出電路，和用于NO輸入之類的附加輸入的外圍傳感器。
有一些陳述規范的政府法規，這些規范用于發動機診斷設備和尤其是排氣分析器的性能。在這些規范中有一個用于某些氣體成分傳感器的響應時間規范。這些規范在本質上要求傳感器的輸出在例如4或5秒鐘的某一確定時期內達到某一百分率的額定輸出讀數，確定時期是隨著進行測試的環境溫度而不同的。本申請人發現，當NO傳感器用于排氣分析器時，它的響應時間，即傳感器輸出的上升和下降時間，可能超過由政府法規設置的規范要求，特別在低環境溫度下更是如此。本申請人曾試圖加熱NO感測單元，如同電阻加熱器一樣，但加熱器不足以把響應時間減少到滿足規范要求。
本發明之總目的在于提供一種改進型流體成分檢測設備，它可避免先有技術設備的缺點，同時提供附加的結構和操作優點。
本發明之一個重要特征在于提供一種用于感測一個氣體成分的電路，該電路可提供較快的響應時間。
與上述特征有關，本發明之另一個特征在于提供一種不需要任何輔助加熱的感測電路。
本發明之又一個特征在于提供一種有溫度響應的感測電路；以便隨環境溫度而改變該電路的操作。
通過提供一種用于分析來自內燃機的廢氣排出物的設備，可獲得本發明的這些和其他特征中的某些特征，該設備包括一個傳感器組件，它裝有一個響應于排氣中一氧化氮以生成一個電輸出信號的感測器；一個處理器；和一個響應增強電路，它適合連接于傳感器組件與處理器之間以減少感測器的響應時間。
通過提供一個流體成分檢測設備，可獲得本發明的另一些特征，該設備包括一個傳感器，它響應于流體的某一預定成分以生成一個電輸出信號；一個響應增強電路，它適合連接于該傳感器以減少傳感器的響應時間；和一個開關機構，它具有一個用于把響應增強電路電氣地連接于傳感器的第一狀態和一個用于把響應增強電路從傳感器斷開的第二狀態。
通過提供一種用于感測一種內燃機廢氣排出物中成分氣體的方法，可獲得本發明的又一些特征，該方法包括把排出物暴露于一個成分氣體傳感器，以產生一個指示成分氣體存在的電輸出信號；感測環境溫度；和只在低于預定的環境溫度時才增強傳感器的輸出。
本發明包括某些新穎的特征，和下面在附圖中充分描述和展示的各部件的組合特征，要了解，可以作出各種細節變更，而不脫離本發明的精神，或不喪失本發明的優點。
為了便于理解本發明，在附圖中說明一個實施例。從實施例來看，當結合下面的描述來考慮本發明時，應當容易了解和估價本發明的結構和操作及其許多優點。
圖1是用于業務檢查系統的氣體分析器的部分示意和部分功能塊圖，本發明打算與該系統一起使用；圖2是圖1所示氣體分析器的相關部分的塊圖，說明本發明的感測器響應控制電路的配置；
圖3是本發明的感測器響應控制電路的示意圖；和圖4與5是曲線圖，說明圖3的響應控制電路的效果。
參照圖1，說明一種打算和本發明一起使用的先有技術廢氣分析器10的感測器或傳感器組件，分析器10包括一個光學IR裝置35和一個一氧化氮單元30，這是一個電化學單元傳感器或感測器，并且可以產生一個指示氣體樣本中一氧化氮含量的電輸出。
更準確地說，光學IR裝置35包括氣體樣本管11、12和13，它們分別用于感測一氧化碳(CO)、碳氫化合物(HC)和二氧化碳(CO2)。樣本管12與其他樣本管11和13中的每一個都連通；并且樣本管11還與一個氣體進入管道14連通，它適合連接成從測試中的有關內燃機(未示出)接收廢氣；而樣本管13連接于一個氣體輸出管道15。樣本管11-13分別裝有紅外(IR)源16-18，它們分別位于管11-13的一端，用于通過該管輻射紅外能；源16-18通過一個由開關控制電路19a操縱的開關組件19而連接于一個相關的DC電壓源Vcc。最好是，IR源16-18是循環地控制(替換)的，以提供用于每個IR感測器的通/斷基準狀態。光學IR裝置35還包括一個光學過濾/檢測組件20，它包括3個檢測器21、22和23和4個相關的濾光器24-27。檢測器分別裝于樣本管11-13的與IR源16-18相反的一端。更具體地說，CO和CO2樣本管11和13分別裝有濾光器24和27，而HC樣本管12裝有兩個濾光器，即基準濾光器25和HC濾光器26。
會了解，樣本管11-13內的氣體在IR能量穿過該管時吸收IR能量，并且檢測器把接收的IR能量轉換成一個電壓輸出信號，該信號是斷續的，因為到IR源的輸入電壓是斷續的。濾光器24-27的輸出是通過一個放大器電路28施加的，并且在29進行數字轉換以后被施加到一個微處理器34，該微處理器分析輸出信號，還控制開關控制電路19a。NO單元30的輸出還供給光學IR裝置35的放大器電路28。
本發明的一個主要方面是，如圖2所示，在NO單元30與光學IR裝置35之間插入一個響應控制電路40。在圖3中示出響應控制電路40的細節。NO單元30具有一個入口管道31，它與氣體入口管道14連通。NO單元產生一個指示入口廢氣中一氧化氮存在的電輸出信號，該輸出還作為信號“NO IN”施加到放大器電路28。NDIR光學裝置35還包括一個溫度感測器32和一個壓力感測器33，它們連接于氣體輸出管道15，產生電輸出信號，這些信號又連接于放大器電路28。最好是，放大器電路28和開關控制電路19a都裝在一個模擬印刷電路板36上，而模數轉換電路29和微處理器34都裝在一個數字印刷電路板37上。按照本發明，來自NO單元30的NO IN信號被加到響應控制電路40上；其輸出叫做“NO OUT”，被加到模擬PCB36上的放大器電路28中。
參照圖3，響應控制電路40包括一個響應增強電路41。特別是，通過一個由電阻器42和電容器43組成的并聯R-C電路，把來自NO單元30的NO IN信號加到一個可以是TLC252C的運算放大器(opamp)44的不倒相輸入端，該輸入端還通過一個電阻器45接地。通過一個電阻器46把運算放大器44的輸出端連接到它的倒相輸入端，該輸入端還通過一個電阻器47接地。還通過一個電阻器48把運算放大器44的輸出端連接于一個可以是ADG508A的模擬多路復用器50的一個輸入端(S8)。NO IN信號還直接連接于多路復用器50的S1輸入端。這兩個輸入端分別通過常開斷的開關路徑51和52而連接于多路復用器50的NO OUT終端D，由在A0、A1和A2輸入端上的信號確定閉合哪一條路徑的選擇。多路復用器50還具有一個通過電阻器53連接于一個+5VDC電源的起動輸入端，和分別連接于V-和V+電源的VSS和VDD輸入端。
因此，會了解，由電阻器42和電容器43提供的R-C電路被正常地連接于NO OUT輸出端。在操作中，R-C電路提供一個時間常數，并且電阻器42與電阻器45合作以提供一個分壓器，這個電路系統用于減少NO單元30響應的上升和下降時間。因為憑著分壓器減小運算放大器44輸入端的電壓，故運算放大器44與電阻器46和47合作，以提供最好約為1.15適當放大倍數。
用于多路復用器50的溫度響應控制電路60包括一個可以是LM311的被配置成比較器的運算放大器61，它具有連接于分壓器的電阻器62與62A之間的結點的不倒相輸入端，分壓器連接于地線與齊納二極管63陰極之間，齊納管陽極接地。齊納管63的陰極還通過電阻器64連接于+5VDC電源。比較器的運算放大器61的輸出端通過電阻器65連接于它的不倒相輸入端。電阻器62設置一個相當于預定環境溫度水平的基準電壓電平，該溫度水平可以約為80°F。比較器61的倒相輸入端連接于一個溫度感測器66，它感測環境溫度，并且輸出一個指示這個溫度的電信號。運算放大器61的倒相和不倒相輸入端還分別通過濾波電容器67和67a接地。
當所感測環境溫度超過基準溫度水平時，比較器轉換以產生一個輸出信號，通過電阻器71把該信號加到多路復用器50的A0、A1和A2輸入端以轉換它的狀態，借此斷開路徑51和閉合路徑52，使NO IN信號直接連接于NO OUT終端，從而把響應增強電路41從該電路有效地去除。這種轉換還通過LED 68照明而直觀地顯示，LED 68通過由電阻器69a和69b提供的分壓器69從一個+5VDC電源供電。從一相可以是LM7805的調壓器70獲得+5VDC電源。從一個外部電源提供V+和V-電源電壓，這些電壓被加到運算放大器44和多路復用器50上；而V+電源被加到運算放大器61上，全部這些電源都裝有適當的旁路電容器。
在操作中，R-C響應增強電路41用于把NO單元30的響應上升和下降時間，減少到完全在由相關政府法規提供的規范要求范圍內的水平。然而，業已發現，在高于通常約為80°F的某一水平的環境溫度下，由R-C網路提供的響應時間的增進是不必要的，并且確實可以導致感測器電路系統的預定輸出電壓電平的過調節。這樣，控制電路60用于在環境溫度達到預定的溫度水平時從響應控制電路40自動地去除R-C網路，和在環境溫度降至預定水平以下時也轉換它以返回該電路。
現在參照圖4，說明在沒有本發明增強電路的情況下代表NO單元30響應的波形75。波形75具有一個上升段76，它從-2伏的起始值上升到約+1.8伏的最大輸出值，即，總上升3.8伏。類似地，在與廢氣斷開以后，該響應在波形下降時期77降回到起始零排出物水平。按照從基本上零排出物起始點上升到90％的最大輸出值所需的期間，計算波形75的上升時間；而下降時間是從最大輸出值下降到約10％的該值所需的時間。在圖4中，按照從t1到t2的時間表示上升時間，它被計算成5.072秒；而從t3到t4的下降時間被計算成5.576秒，全部測量都以40°F進行。
參照圖5，說明在利用本發明的響應增強電路的情況下的相應波形75A。在這種情況下，波形的上升段76A具有從t1到t2的上升時間，它被計算成2.416秒；而下降段77A具有從t3到t4的下降時間，它被計算成3.126秒。這樣，通過使用本發明已使NO單元的響應時間幾乎削減一半。
在本發明的結構模式中，運算放大器44可以是一個TLC252CP，比較器運算放大器61可以是一個LM311，齊納二極管63可以是一個LM336，溫度感測器66可以是一個LM34C，且調壓器70可以是一個7805。會了解，電阻器42和45-48和電容器43的數值會隨著期望的NO單元響應的加速量而變化。類似地，控制電路60的部件的數值會隨著希望以其轉換的環境溫度而變化。
從以上所述可知，已在此提供一個氣體感測器電路系統，該電路系統可提供一個增強響應時間，并且在不需要時可自動地取消增強。
雖然已經示出和描述本發明的一些特定實施例，但顯然本專業技術人員可以作出一些變更和修正，而不會在較寬廣的方面背離本發明。只以說明方式而不以限制方式提供在上面說明和附圖中提出的事情。
權利要求
1．一種用于分析來自內燃機的廢氣排出物的儀器，包括一個傳感器組件，裝有一個響應排出物中一氧化氮的感測器，用于生成一個電輸出信號；一個處理器；和一個響應增強電路，適合連接于所述傳感器組件與所述處理器之間，用于減少所述感測器的響應時間。
2．根據權利要求1的儀器，還包括一個開關機構，它具有一個在所述傳感器組件與所述處理器之間串聯地電氣連接所述響應增強電路的第一狀態，和一個從所述傳感器組件與所述處理器之間電氣地斷開所述響應增強電路的第二狀態。
3．根據權利要求2的儀器，還包括一個環境狀態感測器，連接于所述開關機構，用于控制它的操作。
4．根據權利要求3的儀器，其中所述的環境狀態感測器是一個溫度感測器。
5．根據權利要求2的儀器，還包括一個確定第一和第二并聯路徑的電路系統，連接于所述傳感器組件，用于從其中接收輸出信號，所述第一路徑包括所述響應增強電路，處于其所述第一和第二狀態的所述開關機構把所述第一和第二路徑分別連接于所述處理器。
6．根據權利要求1的儀器，其中響應增強電路包括一個R-C電路。
7．一種流體成分檢測儀器，包括一個傳感器，它響應于流體的一個預定成分，用于生成一個電輸出信號；一個響應增強電路，適合連接于所述傳感器，用于減少傳感器的響應時間；和一個開關機構，它具有一個用于把所述響應增強電路電氣地連接于所述傳感器的第一狀態，和一個用于把所述響應增強電路從所述傳感器電氣地斷開的第二狀態。
8．根據權利要求7的儀器，其中傳感器包括一個響應于一種成分氣體的氣體感測器。
9．根據權利要求7的檢測器，其中氣體感測器是一個一氧化氮單元。
10．根據權利要求7的檢測器，其中響應增強電路包括一個R-C電路。
11．根據權利要求10的儀器，其中響應增強電路包括一個放大器。
12．根據權利要求7的儀器，還包括一個確定第一和第二并聯路徑的電路系統，連接于所述傳感器，用于從其中接收輸出信號，所述第一路徑包括所述響應增強電路和處理器，所述開關機構，處于把所述第一路徑連接于所述處理器的所述第一狀態和把所述第二路徑連接于所述處理器的所述第二狀態。
13．根據權利要求7的儀器，還包括一個環境狀態感測器，它連接于所述開關機構，用于控制其操作。
14．根據權利要求13的儀器，其中所述的環境狀態感測器是一個溫度感測器。
15．一種用于感測內燃機廢氣排出物中一種成分氣體的方法，包括把諸排出物暴露于一個成分傳感器，以便產生一個指示成分氣體存在的電輸出信號；感測環境溫度；和只在低于預定的環境溫度時才增強傳感器的輸出。
16．根據權利要求15的方法，其中成分氣體是一氧化氮。
17．根據權利要求16的方法，其中增強包括使輸出信號通過一個R-C電路。
全文摘要
一種用于汽車內燃機的廢氣排出物分析儀具有一些用于檢測廢氣排出物成分的感測器,包括一個接收排出物和輸出一個指示汽車排出物中一氧化氮的電信號(NOIN)的一氧化氮單元。響應控制電路(40)包括一個用于提供時間常數的R－C電路(42,43),一個用于放大的運算放大器(44),和一個置于一氧化氮單元輸出端與處理電路系統(41)之間的分壓器(42,45)。電路系統(41)用于增強一氧化氮單元的響應時間，從而減少來自一氧化氮單元的輸出信號(NO OUT)的上升和下降時間。溫度感測器(66)感測環境溫度，用電比較器(61)把環境溫度與一個由電阻器(62)設置的基準電壓電平進行比較,以進行溫度響應控制。當高于接近80°F的預定環境溫度時,溫度響應開關電路(60)斷開R－C響應增強電路(41)。
文檔編號G01N21/31GK1306602SQ98810396
公開日2001年8月1日 申請日期1998年9月15日 優先權日1997年9月22日
發明者杰夫瑞·W·尼亞茲, 克里斯蒂安·厚德, 羅伯特·J·卡皮咖 申請人:斯耐普昂工具公司