专利名称：用于气体分析仪的提高一氧化氮灵敏度的电路的制作方法
本申请要求1997年9月22日提出的美国临时申请号60/059,523的权利。
一般说来，本发明涉及一种测试诊断设备，用于测试汽车，特别是以内燃机为动力的汽车。本发明特别适用于装有气体分析器的诊断设备，该分析器用于分析来自内燃机的废气排出物；更准确地说，特别适用于这类气体分析器的一氧化氮(NO)感测电路。
本发明涉及改进和一种诊断系统一起使用的NO感测电路，该系统例如是由Sun Electric公司销售的所谓“业务检查系统”。该系统包括一个红外(IR)架上安装模块，该模块包括一个无色散红外(NDIR)光学装置，该光学装置可检测汽车废气系统内的碳氢化合物、一氧化碳、二氧化碳和其他气体的浓度。NDIR光学装置包括一些光学输入/输出电路，和用于NO输入之类的附加输入的外围传感器。
有一些陈述规范的政府法规，这些规范用于发动机诊断设备和尤其是排气分析器的性能。在这些规范中有一个用于某些气体成分传感器的响应时间规范。这些规范在本质上要求传感器的输出在例如4或5秒钟的某一确定时期内达到某一百分率的额定输出读数，确定时期是随着进行测试的环境温度而不同的。本申请人发现，当NO传感器用于排气分析器时，它的响应时间，即传感器输出的上升和下降时间，可能超过由政府法规设置的规范要求，特别在低环境温度下更是如此。本申请人曾试图加热NO感测单元，如同电阻加热器一样，但加热器不足以把响应时间减少到满足规范要求。
本发明之总目的在于提供一种改进型流体成分检测设备，它可避免先有技术设备的缺点，同时提供附加的结构和操作优点。
本发明之一个重要特征在于提供一种用于感测一个气体成分的电路，该电路可提供较快的响应时间。
与上述特征有关，本发明之另一个特征在于提供一种不需要任何辅助加热的感测电路。
本发明之又一个特征在于提供一种有温度响应的感测电路；以便随环境温度而改变该电路的操作。
通过提供一种用于分析来自内燃机的废气排出物的设备，可获得本发明的这些和其他特征中的某些特征，该设备包括一个传感器组件，它装有一个响应于排气中一氧化氮以生成一个电输出信号的感测器；一个处理器；和一个响应增强电路，它适合连接于传感器组件与处理器之间以减少感测器的响应时间。
通过提供一个流体成分检测设备，可获得本发明的另一些特征，该设备包括一个传感器，它响应于流体的某一预定成分以生成一个电输出信号；一个响应增强电路，它适合连接于该传感器以减少传感器的响应时间；和一个开关机构，它具有一个用于把响应增强电路电气地连接于传感器的第一状态和一个用于把响应增强电路从传感器断开的第二状态。
通过提供一种用于感测一种内燃机废气排出物中成分气体的方法，可获得本发明的又一些特征，该方法包括把排出物暴露于一个成分气体传感器，以产生一个指示成分气体存在的电输出信号；感测环境温度；和只在低于预定的环境温度时才增强传感器的输出。
本发明包括某些新颖的特征，和下面在附图中充分描述和展示的各部件的组合特征，要了解，可以作出各种细节变更，而不脱离本发明的精神，或不丧失本发明的优点。
为了便于理解本发明，在附图中说明一个实施例。从实施例来看，当结合下面的描述来考虑本发明时，应当容易了解和估价本发明的结构和操作及其许多优点。
图1是用于业务检查系统的气体分析器的部分示意和部分功能块图，本发明打算与该系统一起使用；图2是图1所示气体分析器的相关部分的块图，说明本发明的感测器响应控制电路的配置；
图3是本发明的感测器响应控制电路的示意图；和图4与5是曲线图，说明图3的响应控制电路的效果。
参照图1，说明一种打算和本发明一起使用的先有技术废气分析器10的感测器或传感器组件，分析器10包括一个光学IR装置35和一个一氧化氮单元30，这是一个电化学单元传感器或感测器，并且可以产生一个指示气体样本中一氧化氮含量的电输出。
更准确地说，光学IR装置35包括气体样本管11、12和13，它们分别用于感测一氧化碳(CO)、碳氢化合物(HC)和二氧化碳(CO2)。样本管12与其他样本管11和13中的每一个都连通；并且样本管11还与一个气体进入管道14连通，它适合连接成从测试中的有关内燃机(未示出)接收废气；而样本管13连接于一个气体输出管道15。样本管11-13分别装有红外(IR)源16-18，它们分别位于管11-13的一端，用于通过该管辐射红外能；源16-18通过一个由开关控制电路19a操纵的开关组件19而连接于一个相关的DC电压源Vcc。最好是，IR源16-18是循环地控制(替换)的，以提供用于每个IR感测器的通/断基准状态。光学IR装置35还包括一个光学过滤/检测组件20，它包括3个检测器21、22和23和4个相关的滤光器24-27。检测器分别装于样本管11-13的与IR源16-18相反的一端。更具体地说，CO和CO2样本管11和13分别装有滤光器24和27，而HC样本管12装有两个滤光器，即基准滤光器25和HC滤光器26。
会了解，样本管11-13内的气体在IR能量穿过该管时吸收IR能量，并且检测器把接收的IR能量转换成一个电压输出信号，该信号是断续的，因为到IR源的输入电压是断续的。滤光器24-27的输出是通过一个放大器电路28施加的，并且在29进行数字转换以后被施加到一个微处理器34，该微处理器分析输出信号，还控制开关控制电路19a。NO单元30的输出还供给光学IR装置35的放大器电路28。
本发明的一个主要方面是，如图2所示，在NO单元30与光学IR装置35之间插入一个响应控制电路40。在图3中示出响应控制电路40的细节。NO单元30具有一个入口管道31，它与气体入口管道14连通。NO单元产生一个指示入口废气中一氧化氮存在的电输出信号，该输出还作为信号“NO IN”施加到放大器电路28。NDIR光学装置35还包括一个温度感测器32和一个压力感测器33，它们连接于气体输出管道15，产生电输出信号，这些信号又连接于放大器电路28。最好是，放大器电路28和开关控制电路19a都装在一个模拟印刷电路板36上，而模数转换电路29和微处理器34都装在一个数字印刷电路板37上。按照本发明，来自NO单元30的NO IN信号被加到响应控制电路40上；其输出叫做“NO OUT”，被加到模拟PCB36上的放大器电路28中。
参照图3，响应控制电路40包括一个响应增强电路41。特别是，通过一个由电阻器42和电容器43组成的并联R-C电路，把来自NO单元30的NO IN信号加到一个可以是TLC252C的运算放大器(opamp)44的不倒相输入端，该输入端还通过一个电阻器45接地。通过一个电阻器46把运算放大器44的输出端连接到它的倒相输入端，该输入端还通过一个电阻器47接地。还通过一个电阻器48把运算放大器44的输出端连接于一个可以是ADG508A的模拟多路复用器50的一个输入端(S8)。NO IN信号还直接连接于多路复用器50的S1输入端。这两个输入端分别通过常开断的开关路径51和52而连接于多路复用器50的NO OUT终端D，由在A0、A1和A2输入端上的信号确定闭合哪一条路径的选择。多路复用器50还具有一个通过电阻器53连接于一个+5VDC电源的起动输入端，和分别连接于V-和V+电源的VSS和VDD输入端。
因此，会了解，由电阻器42和电容器43提供的R-C电路被正常地连接于NO OUT输出端。在操作中，R-C电路提供一个时间常数，并且电阻器42与电阻器45合作以提供一个分压器，这个电路系统用于减少NO单元30响应的上升和下降时间。因为凭着分压器减小运算放大器44输入端的电压，故运算放大器44与电阻器46和47合作，以提供最好约为1.15适当放大倍数。
用于多路复用器50的温度响应控制电路60包括一个可以是LM311的被配置成比较器的运算放大器61，它具有连接于分压器的电阻器62与62A之间的结点的不倒相输入端，分压器连接于地线与齐纳二极管63阴极之间，齐纳管阳极接地。齐纳管63的阴极还通过电阻器64连接于+5VDC电源。比较器的运算放大器61的输出端通过电阻器65连接于它的不倒相输入端。电阻器62设置一个相当于预定环境温度水平的基准电压电平，该温度水平可以约为80°F。比较器61的倒相输入端连接于一个温度感测器66，它感测环境温度，并且输出一个指示这个温度的电信号。运算放大器61的倒相和不倒相输入端还分别通过滤波电容器67和67a接地。
当所感测环境温度超过基准温度水平时，比较器转换以产生一个输出信号，通过电阻器71把该信号加到多路复用器50的A0、A1和A2输入端以转换它的状态，借此断开路径51和闭合路径52，使NO IN信号直接连接于NO OUT终端，从而把响应增强电路41从该电路有效地去除。这种转换还通过LED 68照明而直观地显示，LED 68通过由电阻器69a和69b提供的分压器69从一个+5VDC电源供电。从一相可以是LM7805的调压器70获得+5VDC电源。从一个外部电源提供V+和V-电源电压，这些电压被加到运算放大器44和多路复用器50上；而V+电源被加到运算放大器61上，全部这些电源都装有适当的旁路电容器。
在操作中，R-C响应增强电路41用于把NO单元30的响应上升和下降时间，减少到完全在由相关政府法规提供的规范要求范围内的水平。然而，业已发现，在高于通常约为80°F的某一水平的环境温度下，由R-C网路提供的响应时间的增进是不必要的，并且确实可以导致感测器电路系统的预定输出电压电平的过调节。这样，控制电路60用于在环境温度达到预定的温度水平时从响应控制电路40自动地去除R-C网路，和在环境温度降至预定水平以下时也转换它以返回该电路。
现在参照图4，说明在没有本发明增强电路的情况下代表NO单元30响应的波形75。波形75具有一个上升段76，它从-2伏的起始值上升到约+1.8伏的最大输出值，即，总上升3.8伏。类似地，在与废气断开以后，该响应在波形下降时期77降回到起始零排出物水平。按照从基本上零排出物起始点上升到90％的最大输出值所需的期间，计算波形75的上升时间；而下降时间是从最大输出值下降到约10％的该值所需的时间。在图4中，按照从t1到t2的时间表示上升时间，它被计算成5.072秒；而从t3到t4的下降时间被计算成5.576秒，全部测量都以40°F进行。
参照图5，说明在利用本发明的响应增强电路的情况下的相应波形75A。在这种情况下，波形的上升段76A具有从t1到t2的上升时间，它被计算成2.416秒；而下降段77A具有从t3到t4的下降时间，它被计算成3.126秒。这样，通过使用本发明已使NO单元的响应时间几乎削减一半。
在本发明的结构模式中，运算放大器44可以是一个TLC252CP，比较器运算放大器61可以是一个LM311，齐纳二极管63可以是一个LM336，温度感测器66可以是一个LM34C，且调压器70可以是一个7805。会了解，电阻器42和45-48和电容器43的数值会随着期望的NO单元响应的加速量而变化。类似地，控制电路60的部件的数值会随着希望以其转换的环境温度而变化。
从以上所述可知，已在此提供一个气体感测器电路系统，该电路系统可提供一个增强响应时间，并且在不需要时可自动地取消增强。
虽然已经示出和描述本发明的一些特定实施例，但显然本专业技术人员可以作出一些变更和修正，而不会在较宽广的方面背离本发明。只以说明方式而不以限制方式提供在上面说明和附图中提出的事情。
权利要求
1．一种用于分析来自内燃机的废气排出物的仪器，包括一个传感器组件，装有一个响应排出物中一氧化氮的感测器，用于生成一个电输出信号；一个处理器；和一个响应增强电路，适合连接于所述传感器组件与所述处理器之间，用于减少所述感测器的响应时间。
2．根据权利要求1的仪器，还包括一个开关机构，它具有一个在所述传感器组件与所述处理器之间串联地电气连接所述响应增强电路的第一状态，和一个从所述传感器组件与所述处理器之间电气地断开所述响应增强电路的第二状态。
3．根据权利要求2的仪器，还包括一个环境状态感测器，连接于所述开关机构，用于控制它的操作。
4．根据权利要求3的仪器，其中所述的环境状态感测器是一个温度感测器。
5．根据权利要求2的仪器，还包括一个确定第一和第二并联路径的电路系统，连接于所述传感器组件，用于从其中接收输出信号，所述第一路径包括所述响应增强电路，处于其所述第一和第二状态的所述开关机构把所述第一和第二路径分别连接于所述处理器。
6．根据权利要求1的仪器，其中响应增强电路包括一个R-C电路。
7．一种流体成分检测仪器，包括一个传感器，它响应于流体的一个预定成分，用于生成一个电输出信号；一个响应增强电路，适合连接于所述传感器，用于减少传感器的响应时间；和一个开关机构，它具有一个用于把所述响应增强电路电气地连接于所述传感器的第一状态，和一个用于把所述响应增强电路从所述传感器电气地断开的第二状态。
8．根据权利要求7的仪器，其中传感器包括一个响应于一种成分气体的气体感测器。
9．根据权利要求7的检测器，其中气体感测器是一个一氧化氮单元。
10．根据权利要求7的检测器，其中响应增强电路包括一个R-C电路。
11．根据权利要求10的仪器，其中响应增强电路包括一个放大器。
12．根据权利要求7的仪器，还包括一个确定第一和第二并联路径的电路系统，连接于所述传感器，用于从其中接收输出信号，所述第一路径包括所述响应增强电路和处理器，所述开关机构，处于把所述第一路径连接于所述处理器的所述第一状态和把所述第二路径连接于所述处理器的所述第二状态。
13．根据权利要求7的仪器，还包括一个环境状态感测器，它连接于所述开关机构，用于控制其操作。
14．根据权利要求13的仪器，其中所述的环境状态感测器是一个温度感测器。
15．一种用于感测内燃机废气排出物中一种成分气体的方法，包括把诸排出物暴露于一个成分传感器，以便产生一个指示成分气体存在的电输出信号；感测环境温度；和只在低于预定的环境温度时才增强传感器的输出。
16．根据权利要求15的方法，其中成分气体是一氧化氮。
17．根据权利要求16的方法，其中增强包括使输出信号通过一个R-C电路。
全文摘要
一种用于汽车内燃机的废气排出物分析仪具有一些用于检测废气排出物成分的感测器,包括一个接收排出物和输出一个指示汽车排出物中一氧化氮的电信号(NOIN)的一氧化氮单元。响应控制电路(40)包括一个用于提供时间常数的R－C电路(42,43),一个用于放大的运算放大器(44),和一个置于一氧化氮单元输出端与处理电路系统(41)之间的分压器(42,45)。电路系统(41)用于增强一氧化氮单元的响应时间，从而减少来自一氧化氮单元的输出信号(NO OUT)的上升和下降时间。温度感测器(66)感测环境温度，用电比较器(61)把环境温度与一个由电阻器(62)设置的基准电压电平进行比较,以进行温度响应控制。当高于接近80°F的预定环境温度时,温度响应开关电路(60)断开R－C响应增强电路(41)。
文档编号G01N21/31GK1306602SQ98810396
公开日2001年8月1日 申请日期1998年9月15日 优先权日1997年9月22日
发明者杰夫瑞·W·尼亚兹, 克里斯蒂安·厚德, 罗伯特·J·卡皮咖 申请人:斯耐普昂工具公司