專利名稱：氣體傳感器、氣體檢測器及其自我測試和自我校正方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體傳感、檢測裝置，更具體地說，涉及一種壽命長、性能更可靠的燃料電池氣體傳感器，由這種燃料電池氣體傳感器制成的氣體檢測器，以及通過相應(yīng)的外圍電路(即軟硬件)對這種燃料電池氣體檢測器進(jìn)行自我測試和自我校正的方法。
背景技術(shù)：
燃料電池是由英國人William Grove于1839年發(fā)明的，近幾十年來被廣泛地應(yīng)用于氣體傳感器中。通常，燃料電池氣體傳感器主要包括一個工作電極(通常稱陽極)和一個對電極(通常稱陰極)，工作電極和對電極之間由電解質(zhì)隔離。“燃料”氣體在工作電極上的電化學(xué)氧化可導(dǎo)致電子從陽極到陰極的流動，即形成電流。其中，電流強(qiáng)度和氣體濃度成正比。典型氣體傳感器的原理及結(jié)構(gòu)可參見美國專利US5,738,773。
燃料電池氣體傳感器有以下特征1)無消耗件和易損件；2)以被動方式運(yùn)行；3)無需外界激發(fā)，室溫下即可工作；4)線性好，響應(yīng)速度快，動態(tài)測量范圍大；5)穩(wěn)定性好。由于這些優(yōu)點(diǎn)，以燃料電池氣體傳感器為核心的氣體檢測器基本上成為唯一的可用普通電池供電并能長時間工作的氣體檢測器。本發(fā)明中，氣體傳感器指的是能把氣體信號直接轉(zhuǎn)化成可測電信號的裝置；而氣體檢測器中除了氣體傳感器外，還包括外圍電路(例如信號采集、處理、存儲、輸出、顯示、控制等)，以及人機(jī)交流等軟硬件裝置。
典型的燃料電池氣體傳感器通常用貴金屬如Pt或Pt合金電催化劑作為工作電極和對電極，兩個電極之間用浸濕了電解質(zhì)溶液的基質(zhì)進(jìn)行隔離。在美國專利US 6,638,407B1和中國專利ZL96202178.4，ZL95196037.7中，公開了使用液體電解質(zhì)貯液池，通過浸潤渠道來維持電解質(zhì)濕度/濃度方法。這種方法的缺點(diǎn)是傳感器易受環(huán)境溫度、濕度，壓力及振動的影響，液態(tài)電解質(zhì)容易泄漏而造成腐蝕、干涸、水淹等問題，從而會影響傳感器的壽命。
目前，燃料電池氣體傳感器應(yīng)用的重要領(lǐng)域之一是作為一氧化碳?xì)怏w檢測器和電力變壓器或其它充油電氣設(shè)備油中故障氣體的在線監(jiān)測。在實(shí)際使用中，由于各種外部因素的影響，如傳感器元器件的老化、接觸不良或電極表面的沾污，傳感器的性能會逐漸下降，在某些情況下傳感器甚至?xí)ъ`，但檢測器本身卻無法將其當(dāng)前狀態(tài)告訴用戶，因此會遇到即使有目標(biāo)氣體也檢測不到的情況發(fā)生，或者發(fā)生誤告警。
在美國專利US6,200,443B1中，公開了一種傳感器自我測試的方法和裝置。其中把燃料電池作為一個電容器，用一個小的直流(DC)電壓(10mV)在一個很短的時間內(nèi)(1毫秒)使燃料電池充電，然后用微處理器在設(shè)定的時間內(nèi)測定傳感器的電信號(電壓)。再將測得的電壓與預(yù)先設(shè)定的正常的傳感器測定值作比較，該正常值通常是傳感器出廠時測得的值。該方法的優(yōu)點(diǎn)是通過簡單地比較兩個值，可以判斷傳感器是否正常工作，因?yàn)楫?dāng)傳感器正常工作時，傳感器充電較緩慢而放電更慢；而當(dāng)傳感器工作不正常時，傳感器充放電加快，測得的電壓值會大于正常工作的傳感器值。但該方法有以下缺點(diǎn)1)充電時間很短，對電子開關(guān)和采樣的重復(fù)性要求極高，在極短的時間差別下，采樣的結(jié)果就可能明顯不一樣，因此測得的結(jié)果的精確性受到影響。2)用該方法時檢測器的周圍環(huán)境中必須沒有目標(biāo)氣體(如一氧化碳)，因此實(shí)用性受到影響，至少不能通過程序來控制傳感器實(shí)現(xiàn)自我測試。因?yàn)樽詣有Ｕ龝r不能保證環(huán)境中沒有目標(biāo)氣體。3)由于傳感器自測結(jié)果受環(huán)境(傳感器)溫度的影響，因此該方法在不同溫度下測得的結(jié)果就缺乏可比性。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)中的上述缺陷，本發(fā)明首先要解決傳統(tǒng)燃料電池氣體傳感器會發(fā)生電解質(zhì)泄漏、使用壽命易受環(huán)境溫度及濕度影響的問題。
本發(fā)明提供一種燃料電池氣體傳感器，包括電池套、電解質(zhì)、工作電極以及對電極；其中，在所述電池套中，由內(nèi)到外依次裝有電池芯、電池座和電池蓋；所述電解質(zhì)裝于所述電池芯的中心孔內(nèi)，所述工作電極和對電極位于所述電池芯中心孔的兩端，并與所述電解質(zhì)良好接觸；所述電池芯裝于所述電池座的中心孔下部，所述工作電極面對所述電池座的中心孔；在所述電池蓋與電池座之間裝有可讓氧氣和被檢測氣體通過、但可阻止液體和粉塵通過的氣體滲透膜，所述電池蓋外部的氣體可經(jīng)所述電池蓋、氣體滲透膜、以及電池座中心孔而到達(dá)所述工作電極，在此處發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而輸出相應(yīng)的電信號。所述電池套，電池芯，電池座和電池蓋材料由PP(聚丙烯)，PE(聚乙烯)或ABS(丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物)塑料的一種或多種組成。
在本發(fā)明的氣體傳感器中，所述電解質(zhì)最好是由液體電解質(zhì)和固體多孔玻璃或陶瓷材料如SiO2均勻混合而成的凝膠電解質(zhì)。在所述凝膠電解質(zhì)中，SiO2的重量最好為4％～40％，所述液體電解質(zhì)最好是濃度為30％～98％的硫酸或磷酸。
在本發(fā)明的氣體傳感器中，可在所述電池芯中心孔的側(cè)壁設(shè)置與之相通的凝膠電解質(zhì)膨脹孔；還可在所述電池芯中設(shè)置與所述電池芯中心孔平行、并與所述工作電極及對電極相通的壓力平衡孔。
在本發(fā)明的氣體傳感器中，可在所述電池套內(nèi)設(shè)置一個儲液杯，所述儲液杯位于所述電池芯下部，即面向?qū)﹄姌O；在所述的儲液杯內(nèi)裝有恒濕劑，在所述儲液杯的上部裝有帶中心孔的儲液杯蓋，在所述儲液杯蓋中心孔處裝有多孔透氣膜；所述電池芯與所述儲液杯內(nèi)的恒濕劑之間的水蒸汽可通過所述儲液杯蓋中心孔、側(cè)孔和多孔透氣膜而連通。上述儲液杯、儲液杯蓋和多孔透氣膜也可由一個用多孔透氣膜做成的儲液袋來代替。其中，所述恒濕劑最好由飽和金屬鹽溶液及金屬鹽固體按適當(dāng)比例混合而成，所述金屬鹽可為氯化鋰、醋酸鉀、氯化鎂、碳酸鉀、硝酸鎂、以及氯化鈉中的一種或多種。
為解決傳統(tǒng)的氣體檢測器可靠性較差、且不能實(shí)現(xiàn)簡單可靠的自我測試和自我校正自我測試和自我校正的問題，本發(fā)明提供一種氣體檢測器，包括工作電源和微處理器，還包括與所述微處理器連接的溫度傳感器、氣體傳感器、以及告警裝置；其中，所述氣體傳感器為前述方案中的燃料電池氣體傳感器；所述氣體傳感器的傳感信號經(jīng)信號采集放大電路及模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路而輸入到所述微處理器。
在本發(fā)明的氣體檢測器中，最好還包括與所述微處理器連接的電子開關(guān)，所述工作電源的正極通過所述電子開關(guān)與氣體傳感器的對電極連接，所述工作電源負(fù)極通過所述電子開關(guān)與氣體傳感器的工作電極連接。最好還包括一個與所述微處理器連接的按鈕，通過長按或短按所述按鈕可實(shí)現(xiàn)自我測試和自我校正或臨時解除氣體濃度告警功能。
另外，本發(fā)明還提供一種對前述方案中的氣體檢測器進(jìn)行自我測試和自我校正的方法，其特征在于，在沒有被檢測氣體的條件下，按以下步驟進(jìn)行基線濃度的強(qiáng)制校正(S11)判斷是否收到由手動測試及校正觸發(fā)按鈕所輸入的信號，如果是則進(jìn)入步驟(S12)，否則重復(fù)本步驟；(S12)采集當(dāng)前的氣體傳感器和溫度傳感器的檢測信號Uinit和T，并根據(jù)所采集的信號，計(jì)算出當(dāng)前的濃度PPM(cal)；(S13)接通電子開關(guān)，按預(yù)定的電壓和通電時間，向所述氣體傳感器的兩極通反向所述的穩(wěn)壓工作電源；(S14)采集通電結(jié)束后氣體傳感器的檢測信號Uend，然后結(jié)束通電；(S15)根據(jù)所述步驟(S12)、(S14)中所得的檢測信號，計(jì)算出氣體傳感器的自我測試值SL＝(Uend-Uinit)*f(T)，其中f(T)為溫度補(bǔ)償系數(shù)；(S16)判斷所述傳感器當(dāng)前的自我測試值SL與其基準(zhǔn)值SF(SF為出廠時的傳感器自我測試值)之間的比值RL/F＝SL/SF是否在預(yù)定范圍內(nèi)，如果是則進(jìn)入所述步驟(S17)；(S17)重新設(shè)定所述檢測器的基線濃度，以當(dāng)前基線濃度減去在所述步驟(S12)所得的PPM(cal)的差值作為新的基線濃度，然后回到所述步驟(S11)。
在本發(fā)明所述的方法中，還包括以下對檢測器的靈敏度進(jìn)行自我校正的步驟，其特征在于，無論是否存在被檢測氣體，按以下步驟進(jìn)行靈敏度的自我校正(S21)判斷是否達(dá)到預(yù)定的自動測試和靈敏度校正周期，如果是則進(jìn)入步驟(S22)，否則重復(fù)本步驟；(S22)采集當(dāng)前的氣體傳感器和溫度傳感器的檢測信號Uinit和T；(S23)接通電子開關(guān)，按預(yù)定的電壓和通電時間，向所述氣體傳感器的兩極通反向所述的穩(wěn)壓工作電源；(S24)采集通電結(jié)束后氣體傳感器的檢測信號Uend，然后結(jié)束通電；(S25)根據(jù)所述步驟(S22)、(S24)中所得的檢測信號，計(jì)算出傳感器的自我測試值SL＝(Uend-Uinit)*f(T)，其中f(T)為溫度補(bǔ)償系數(shù)；(S26)判斷所述傳感器當(dāng)前的自我測試值SL與其基準(zhǔn)值SF(SF為出廠時的傳感器自我測試值)之間的比值RL/F＝SL/SF是否在預(yù)定范圍內(nèi)，如果是則進(jìn)入所述步驟(S27)；(S27)以所述自我測試值SL與基準(zhǔn)值SF之間的比值SL/SF來計(jì)算校正系數(shù)C(即C＝A*SL/SF+B，其中A，B為常數(shù))，重新設(shè)定靈敏度校正系數(shù)，然后回到所述步驟(S21)。
在本發(fā)明所述的方法中，所述傳感器自我測試值SL與基準(zhǔn)值SF之間的比值RL/F的預(yù)定范圍最好為1-2；所述穩(wěn)壓工作電源反向通電預(yù)定的電壓范圍最好為2-5V；反向通電通電時間范圍最好為1-10秒。另外，如果所述步驟(S16)或(S26)的判斷結(jié)果為否，即比值超出了預(yù)定值，此時最好是停止當(dāng)前步驟并發(fā)出告警信號。
由上述方案可知，本發(fā)明解決了傳統(tǒng)燃料電池氣體傳感器會發(fā)生電解質(zhì)泄漏的問題，同時通過保持恒濕的方式提高了傳感器的使用壽命。以這種燃料電池氣體傳感器為核心的氣體檢測器能準(zhǔn)確自動地判別傳感器的狀況，不受環(huán)境溫度限制和環(huán)境中是否有被檢測氣體或其它干擾氣體存在的限制；并可通過自動或手動觸發(fā)方式實(shí)現(xiàn)基線漂移和靈敏度的校正，無需標(biāo)準(zhǔn)氣體源。


下面將結(jié)合附圖及實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，附圖中圖1是本發(fā)明一個優(yōu)選實(shí)施例中燃料電池氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是圖1中所示優(yōu)先實(shí)施例中的電池芯組合體的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖3是圖1中所示優(yōu)先實(shí)施例中的儲液杯組合體的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4是本發(fā)明一個優(yōu)選實(shí)施例中的氣體檢測器的原理框圖；圖5是本發(fā)明一個優(yōu)選實(shí)施例中氣體檢測器正常運(yùn)行時的流程圖；圖6是本發(fā)明一個優(yōu)選實(shí)施例中手動觸發(fā)對氣體傳感器進(jìn)行自我測試及基線校正時的流程圖；圖7是本發(fā)明一個優(yōu)選實(shí)施例中自動觸發(fā)對氣體傳感器進(jìn)行自我測試及靈敏度校正的流程圖；圖8是本發(fā)明一個優(yōu)選實(shí)施例中氣體傳感器的自我測試結(jié)果曲線示意圖；具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例對本發(fā)明的內(nèi)容進(jìn)行詳細(xì)描述，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解的是，本發(fā)明并不限于下述具體實(shí)施例，還可在本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)產(chǎn)生多種不同的具體實(shí)施方式
。
圖1是本發(fā)明優(yōu)選實(shí)施例中燃料電池氣體傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。在燃料電池氣體傳感器1中，電池芯組合體11(其結(jié)構(gòu)詳見圖2)被置于電池座12的空腔內(nèi)，其中工作電極114面對電池座12的中心孔，使得從中心孔過來的目標(biāo)氣體可以直接到達(dá)工作電極114上。電池芯組合體11上的對電極115面對儲液杯組合體15(其結(jié)構(gòu)詳見圖3)的儲液杯蓋151上。工作電極114與工作電極導(dǎo)電引線116的緊密接觸，以及對電極115與對電極導(dǎo)電引線117的緊密接觸，都是通過電池套10與電池蓋13的機(jī)械倒鎖或類似結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。
從圖1中可以看出，在電池蓋13和電池座12之間安裝有一氣體滲透膜14。該氣體滲透膜14可以讓目標(biāo)氣體和氧氣通過，但不會讓液體或外部的粉塵、顆粒通過，同時可對水蒸氣的交流起到阻礙作用。氣體滲透膜14的選擇既要考慮目標(biāo)氣體的滲透速度，以保證傳感器的檢測靈敏度，同時也要考慮水分子的滲透能力不能太大，以保證傳感器內(nèi)部濕度的恒定；氣體滲透膜材料最好使用PTFE(聚四氟乙烯)、PVDF(聚偏氟乙稀)、PP(聚丙烯)或PE(聚乙烯)。本實(shí)施例中，氣體滲透膜的厚度為0.006mm至0.050mm。從圖1中可以看出，電池蓋13和電池座12以及電池套10與電池座12之間的密封分別由密封圈20和密封圈21來實(shí)現(xiàn)，也可以通過超聲波焊接來實(shí)現(xiàn)。
從圖1和圖2中可以看出，目標(biāo)氣體透過氣體滲透膜14后，穿過電池座12的中心孔，最后到達(dá)電池芯組合體11，在工作電極114上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)并產(chǎn)生電信號，該電信號通過工作電極導(dǎo)電引線116和工作電極導(dǎo)體插針16傳到外部的檢測電路板上(未在圖中畫出)，并通過對電極導(dǎo)電引線117和對電極導(dǎo)體插針17形成回路。其中的工作電極114和對電極115是氣體擴(kuò)散電極，可由電催化劑涂覆于導(dǎo)電碳紙燒結(jié)而成。在電催化劑中，除含有貴金屬或貴金屬合金電催化劑以外，還含有碳黑導(dǎo)電載體和憎水劑。電催化劑最好是鉑或鉑合金貴金屬納米粉末，憎水劑最好使用PTFE顆粒。工作電極導(dǎo)電引線116和對電極導(dǎo)電引線117最好使用鉑絲或金絲。
如圖2所示，為了避免電解質(zhì)的泄漏，本實(shí)施例中使用半固體狀凝膠電解質(zhì)118來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的液體電解質(zhì)，它置于電池芯111的中心孔內(nèi)，電池芯的材料使用耐腐蝕的塑料如PP、PE，PTFE或ABS，中心孔的上下兩面由氣體擴(kuò)散電極覆蓋(即工作電極114和對電極115)，側(cè)面有凝膠電解質(zhì)膨脹孔113以適應(yīng)傳感器內(nèi)溫度的變化。在中心孔的邊上還開有一壓力平衡孔112，其直徑小于1mm，該平衡孔可起到兩個作用，一是平衡電池芯兩面，即工作電極114和對電極115的壓力；二是給對電極提供電化學(xué)反應(yīng)所必需的氧氣。本實(shí)施例中，凝膠電解質(zhì)118由液體電解質(zhì)和固體多孔SiO2材料均勻混合而成，其中SiO2的重量為4％～40％，液體電解質(zhì)最好是濃度為30％～98％的硫酸或磷酸。凝膠電解質(zhì)118的工作濕度可通過調(diào)節(jié)硫酸或磷酸的濃度來得到，如表1所示。
表125℃時硫酸的平衡相對濕度(RH％)(Ref.ASTM E104-1991Maintaining Constant Relative Humidity by means of Aqueous Solution)

由于采取了上述結(jié)構(gòu)，本實(shí)施例的氣體傳感器在正常使用時不會發(fā)生電解質(zhì)泄漏的問題。
如圖3所示，為了提高傳感器的穩(wěn)定性和使用壽命，本實(shí)施例中提供了一種保持恒濕的裝置，即儲液杯組合體15。其中，恒濕劑155置于電池套10的底部，并由一種多孔透氣膜154把恒濕劑與外部隔離開來，該多孔透氣膜在常壓下可以讓水蒸氣透過，但不能讓液體和固體透過。該多孔透氣膜的材料最好使用PTFE或PVDF，其孔徑最好小于0.001mm。恒濕劑155由飽和金屬鹽溶液和該金屬鹽的固體按一定比例配制而成。也就是說，在恒濕劑中既含有金屬鹽溶液，也含有未溶解的金屬鹽?？墒褂玫慕饘冫}包括但不局限于表2所列的金屬鹽。
表225℃時，飽和金屬鹽水溶液的平衡相對濕度(RH％)(Ref.ASTM E104-1991Maintaining Constant Relative Humidity by means of Aqueous Solution)

實(shí)際使用中，恒濕劑155的選擇要根據(jù)所用凝膠電解質(zhì)118而定。恒濕劑155由多孔透氣膜154和儲液杯蓋151通過合適的機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)密封。儲液杯蓋151上開有一儲液杯中心孔152直接面對對電極115，以保證電池芯組合體的工作濕度。儲液杯中心孔152的側(cè)壁上設(shè)一個橫向透氣孔153，它與電池座12的內(nèi)腔相通，用于保證整個傳感器內(nèi)部的工作濕度。當(dāng)由于外部環(huán)境濕度變化而引起傳感器內(nèi)部的濕度變化時，該恒濕劑能有效地吸收多余的水份或釋放不足的水份，從而能自動調(diào)節(jié)傳感器內(nèi)部的濕度，保證了傳感器運(yùn)行的穩(wěn)定性和使用壽命。
圖4是本發(fā)明一個優(yōu)選實(shí)施例中采用前述氣體傳感器制成的一氧化碳?xì)怏w檢測器的原理框圖。在正常檢測狀態(tài)下，氣體傳感器41產(chǎn)生的電信號經(jīng)信號采集放大電路42處理，然后經(jīng)過模/數(shù)(A/D)轉(zhuǎn)換器43轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，最后到達(dá)微處理器40。同時，溫度傳感器44的溫度信號也輸入到微處理器。溫度傳感器44可以是熱電偶、熱敏電阻等常用的熱敏元件，到達(dá)微處理器時要經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換(未在圖4中畫出)，也可以是數(shù)字化的集成溫度傳感器。本實(shí)施例中使用的微處理器是MSP430(Texas Instrument)，其內(nèi)部集成了一個溫度傳感器。根據(jù)上述氣體傳感器和溫度傳感器的檢測信號，微處理器40可按事先設(shè)定的數(shù)學(xué)模型換算成氣體濃度信號，并將其與存儲于微處理器內(nèi)的告警設(shè)定值進(jìn)行比較，如果氣體濃度信號超過了告警設(shè)定值并超過了設(shè)定的延時，則微處理器40會輸出告警信號，從而使蜂鳴器49發(fā)出告警聲音、LED燈50發(fā)出告警光、并由液晶顯示器51顯示相應(yīng)告警信息。
在實(shí)際使用中，由于受到各種外部因素的影響，如所用元器件的老化，電接觸劣化等，氣體傳感器的檢測性能會受到影響，從而會影響氣體檢測器的精度。影響精度的因素主要有二個方面，一是檢測器的基線，即檢測器在沒有目標(biāo)氣體分子時給出的信號；另一個是靈敏度，即單位氣體濃度下檢測器給出的信號。當(dāng)然，這兩個因素的變化可能是一個緩慢的過程。
對于檢測器的基線濃度，可用手動觸發(fā)進(jìn)行自我校正，最好每1-6個月一次，具體操作時，需把檢測器置于通風(fēng)位置，以確保沒有目標(biāo)氣體，然后按下檢測器的手動觸發(fā)自我測試和自我校正按鍵48，微處理器接通電子開關(guān)45向氣體傳感器反向通電一定時間，再通過微處理器把檢測器的基線濃度調(diào)零。
對于檢測器的靈敏度，可直接利用傳感器自我測試的系數(shù)而無需標(biāo)準(zhǔn)氣體源。當(dāng)達(dá)到預(yù)定的自動靈敏度校正周期時(實(shí)時時鐘47)，則啟動自我測試和自我校正流程。微處理器接通電子開關(guān)45向氣體傳感器反向通電一定時間。其具體步驟將在后面進(jìn)行描述。
如圖5所示是檢測器正常運(yùn)行時的流程圖，其中步驟501，上電啟動檢測器。
步驟502，檢測器進(jìn)入正常采樣周期，啟動定時器開始倒計(jì)數(shù)t1，t1最好在5秒到5分鐘之間。
步驟503，判斷定時器是否倒計(jì)數(shù)到0，是則進(jìn)入步驟504，否則繼續(xù)等待。
步驟504，檢測器從氣體傳感器和溫度傳感器采集信號U和T，信號經(jīng)轉(zhuǎn)換后，到達(dá)微處理器。并由微處理器對采集信號U進(jìn)行補(bǔ)償，即U＝U*C，其中C為傳感器信號校正系數(shù)，出廠時設(shè)定為1。
步驟505，檢測器根據(jù)上述采集信號U和T，計(jì)算出相應(yīng)的氣體濃度PPM，然后再計(jì)算出實(shí)際氣體濃度PPMcal＝PPM-Offset，其中Offset為基線濃度，出廠時設(shè)定為零，PPM是根據(jù)傳感器信號及預(yù)定的計(jì)算模式得出的氣體濃度，其中包含了傳感器可能有的基線漂移。
步驟506，判斷實(shí)際氣體濃度是否大于氣體濃度告警設(shè)定值，如果是則進(jìn)入步驟507，否則回到步驟502。
步驟507，此時，實(shí)際氣體濃度大于告警預(yù)定值，表明被檢測氣體的濃度超出了告警標(biāo)準(zhǔn)，因此會發(fā)出相應(yīng)的濃度超標(biāo)告警信號。并一直延續(xù)到濃度回復(fù)到低于告警值或按下了重置鍵(臨時取消告警，如果告警條件依然存在，一定時間后告警信號將恢復(fù))。
如圖6所示是對氣體傳感器手動觸發(fā)進(jìn)行自我測試和基線濃度校正時的流程圖，其中步驟601，判斷是否收到手動觸發(fā)測試和校正指令，是則進(jìn)入步驟602，否則重復(fù)本步驟。具體操作時，需把檢測器置于通風(fēng)位置，以確保沒有目標(biāo)氣體，然后按下檢測器的手動觸發(fā)測試和校正按鍵。
步驟602，采集氣體傳感器和溫度傳感器信號Uinit和T，并按設(shè)定數(shù)學(xué)模型計(jì)算PPM(cal)。
步驟603，啟動電子開關(guān)和定時器，給傳感器兩極反向接通3V直流穩(wěn)壓電源3秒鐘。
步驟604，重新從氣體傳感器兩極采集集號Uend。
步驟605，微處理器根據(jù)前述Uinit、Uend、T，計(jì)算出傳感器的測試值SL，并判斷RL/F＝SL/SF是否在正常范圍內(nèi)，RL/F正常范圍值一般在1至2之間，是則進(jìn)入步驟606，否則進(jìn)入步驟607。其中SL＝(Uend-Uinit)*f(T)SF為傳感器出廠時的傳感器自我測試值，即首次SL值。
其中SL為最近一次傳感器自我測試值；Uinit為通反向直流電源前的傳感器電信號(電壓)；Uend為通反向直流電源后傳感器的電信號(電壓)；f(T)為溫度補(bǔ)償系數(shù)，它是一個經(jīng)驗(yàn)公式，可通過具體的實(shí)驗(yàn)來決定，例如可以是線性函數(shù)[Eq.1f(T)＝a·T+b]，或者是指數(shù)函數(shù)[Eq.2:f(T)=f(T)=a.ebT]]]>(a，b為常數(shù))，在一定的溫度范圍內(nèi)都能滿足要求。
步驟606，如果SL/SF是在正常范圍，則重新設(shè)定基線Offset，以當(dāng)前基線濃度減去在所述步驟602所得的PPM(cal)的差值作為新的基線濃度，即Offset＝Offset-PPM(cal)，然后回到步驟601。
步驟607，如果SL/SF不是在正常范圍內(nèi)，則停止正常檢測并輸出相應(yīng)的告警信息，例如更換傳感器。
如圖7所示是對氣體傳感器自動定時觸發(fā)進(jìn)行自我測試和靈敏度校正的流程圖，其中步驟701，判斷是否達(dá)到預(yù)定的自動定時觸發(fā)自我測試和靈敏度校正周期，是則進(jìn)入步驟702，否則重復(fù)本步驟。具體實(shí)施時，需在檢測器的程序中設(shè)定一個自動校正周期，例如每工作360小時校正一次。
步驟702，采集氣體傳感器和溫度傳感器信號Uinit和T。
步驟703，啟動電子開關(guān)和定時器，給傳感器兩極反向接通3V直流穩(wěn)壓電源3秒鐘。
步驟704，重新從氣體傳感器兩極采集集號Uend。
步驟705，微處理器根據(jù)前述Uinit、Uend、T，計(jì)算出傳感器的測試值SL，并判斷RL/F＝SL/SF是否在正常范圍內(nèi)，RL/F正常范圍值一般在1至2之間，是則進(jìn)入步驟706，否則進(jìn)入步驟707。其中SL＝(Uend-Uinit)*f(T)SF為傳感器出廠時的傳感器自我測試值，即首次SL值。
其中SL為最近一次傳感器自我測試值；Uinit為通反向直流電源前的傳感器電信號(電壓)；Uend為通反向直流電源后傳感器的電信號(電壓)；f(T)為溫度補(bǔ)償系數(shù)，它由一個經(jīng)驗(yàn)公式來計(jì)算，可通過具體的實(shí)驗(yàn)來決定，例如可以是線性函數(shù)f(T)＝a·T+b，或者是指數(shù)函數(shù)f(T)=f(T)=a.ebT]]>(a，b為常數(shù))，在一定的溫度范圍內(nèi)都能滿足要求。
步驟706，如果SL/SF是在正常范圍，則重新設(shè)定傳感器靈敏度校正系數(shù)C，然后回到步驟701；其中C＝(A*SL/SF+B)，A，B為常數(shù)，可通過實(shí)驗(yàn)獲得。
步驟707，如果SL/SF不是在正常范圍內(nèi)，則停止正常檢測并輸出相應(yīng)的告警信息，例如更換傳感器。
上述自動校正步驟有以下優(yōu)點(diǎn)1)自動校正時，無論環(huán)境中有否目標(biāo)氣體(如一氧化碳)，都不影響測試的準(zhǔn)確性，因?yàn)闇y試值是一個相對值；2)自動校正時不受溫度的限制，結(jié)果有可比性；3)通電時間相對較長，大于1秒，因此容易準(zhǔn)確地控制，測量的精確度提高；4).校正時無需標(biāo)準(zhǔn)氣體源或其它輔助設(shè)備和材料。
為了便于理解，前面是將圖5、圖6、圖7所示的流程作為三個獨(dú)立運(yùn)行的程序來描述的，具體實(shí)施時，可以是三個平行的流程，也可以在一個主流程中依次執(zhí)行各個步驟。
圖8是一個典型的傳感器自我測試曲線。在啟動傳感器自測60時，傳感器的電信號為Uinit；反向通電3秒鐘后(3V直流電)，即在曲線位置61，傳感器的電信號變?yōu)閁end；停止反向通電后，傳感器逐漸回恢原狀，到3分鐘時，即曲線位置62，基本上恢復(fù)到正常。
權(quán)利要求
1.一種燃料電池氣體傳感器，包括電池套、電池芯、電池座，電池蓋，電解質(zhì)、工作電極以及對電極；其特征在于，在所述電池套中，由內(nèi)到外依次裝有電池芯、電池座和電池蓋；所述電解質(zhì)裝于所述電池芯的中心孔內(nèi)，所述工作電極和對電極位于所述電池芯中心孔的兩端，并與所述電解質(zhì)良好接觸；所述電池芯裝于所述電池座的中心孔下部，所述工作電極面對所述電池座的中心孔；在所述電池蓋與電池座之間裝有可讓氧氣和被檢測氣體通過、但可阻止液體和粉塵顆粒通過的氣體滲透膜，所述電池蓋外部的氣體可經(jīng)所述電池蓋、氣體滲透膜、以及電池座中心孔而到達(dá)所述工作電極，在此處發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而輸出相應(yīng)的電信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池氣體傳感器，其特征在于，所述電解質(zhì)是由液體電解質(zhì)和固體多孔SiO2材料均勻混合而成的凝膠電解質(zhì)；其中，SiO2的重量為4％～40％，所述液體電解質(zhì)是濃度為30％～98％的硫酸或磷酸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池氣體傳感器，其特征在于，在所述電池芯中心孔的側(cè)壁還設(shè)有與之相通的凝膠電解質(zhì)膨脹孔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池氣體傳感器，其特征在于，在所述電池芯中還設(shè)有與所述電池芯中心孔平行、并與所述工作電極及對電極相通的壓力平衡孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池氣體傳感器，其特征在于，在所述電池套內(nèi)還設(shè)有一個儲液杯，所述儲液杯位于所述電池芯下部；在所述儲液杯中裝有恒濕劑，在所述儲液杯的上部裝有儲液杯蓋，在所述儲液杯蓋中心孔處裝有多孔透氣膜；所述電池芯與所述儲液杯內(nèi)的恒濕劑之間的水蒸汽可通過所述儲液杯蓋中心孔、多孔透氣膜而連通。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的燃料電池氣體傳感器，其特征在于，在所述儲液杯中心孔的側(cè)壁上還設(shè)一個與所述電池座的內(nèi)腔相通的橫向透氣孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的燃料電池氣體傳感器，其特征在于，在所述電池套內(nèi)還設(shè)有一個用多孔透氣膜做成的儲液袋，在所述儲液袋中裝有恒濕劑，所述電池芯與所述儲液袋內(nèi)的恒濕劑之間的水蒸汽可通過所述多孔透氣膜而連通。
8.根據(jù)權(quán)利要求5-7中任一項(xiàng)所述的燃料電池氣體傳感器，其特征在于，所述恒濕劑由飽和金屬鹽溶液及金屬鹽固體按適當(dāng)比例混合而成，所述金屬鹽為氯化鋰、醋酸鉀、氯化鎂、碳酸鉀、硝酸鎂、以及氯化鈉中的一種或多種。
9.一種氣體檢測器，包括穩(wěn)壓工作電源和微處理器，還包括與所述微處理器連接的溫度傳感器、氣體傳感器、以及告警裝置；其特征在于，所述氣體傳感器為權(quán)利要求1-8中任一項(xiàng)所述的燃料電池氣體傳感器；所述氣體傳感器的傳感信號經(jīng)信號采集放大電路及模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路而輸入到所述微處理器。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的氣體檢測器，其特征在于，還包括與所述微處理器連接的電子開關(guān)，所述穩(wěn)壓工作電源的正極通過所述電子開關(guān)與氣體傳感器的對電極連接，所述穩(wěn)壓工作電源負(fù)極通過所述電子開關(guān)與氣體傳感器的工作電極連接。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的氣體檢測器，其特征在于，還包括與所述微處理器連接的按鈕，通過長按或短按所述按鈕可實(shí)現(xiàn)自我測試和自我校正或臨時解除氣體濃度告警功能。
12.一種對權(quán)利要求10所述的氣體檢測器進(jìn)行自我測試和自我校正的方法，其特征在于，在沒有被檢測氣體的條件下，按以下步驟進(jìn)行基線濃度的強(qiáng)制校正(S11)判斷是否收到由手動測試及校正觸發(fā)按鈕所輸入的信號，如果是則進(jìn)入步驟(S12)，否則重復(fù)本步驟；(S12)采集當(dāng)前的氣體傳感器和溫度傳感器的檢測信號Uinit和T，并根據(jù)所采集的信號，計(jì)算出當(dāng)前的濃度PPM(cal)；(S13)接通電子開關(guān)，按預(yù)定的電壓和通電時間，向所述氣體傳感器的兩極通反向所述的穩(wěn)壓工作電源；(S14)采集通電結(jié)束后氣體傳感器的檢測信號Uend，然后結(jié)束通電；(S15)根據(jù)所述步驟(S12)、(S14)中所得的檢測信號，計(jì)算出氣體傳感器的自我測試值SL＝(Uend-Uinit)*f(T)，其中f(T)為溫度補(bǔ)償系數(shù)；(S16)判斷所述傳感器當(dāng)前的自我測試值SL與其基準(zhǔn)值SF(SF為出廠時的傳感器自我測試值)之間的比值RL/F＝SL/SF是否在預(yù)定范圍內(nèi)，如果是則進(jìn)入所述步驟(S17)；(S17)重新設(shè)定所述檢測器的基線濃度，以當(dāng)前基線濃度減去在所述步驟(S12)所得的PPM(cal)的差值作為新的基線濃度，然后回到所述步驟(S11)。
13.一種對權(quán)利要求10所述的氣體檢測器進(jìn)行自我測試和自我校正的方法，其特征在于，按以下步驟對檢測器的靈敏度進(jìn)行自動校正(S21)判斷是否達(dá)到預(yù)定的自動靈敏度校正周期，如果是則進(jìn)入步驟(S22)，否則重復(fù)本步驟；(S22)采集當(dāng)前的氣體傳感器和溫度傳感器的檢測信號Uinit和T；(S23)接通電子開關(guān)，按預(yù)定的電壓和通電時間，向所述氣體傳感器的兩極通反向所述的穩(wěn)壓工作電源；(S24)采集通電結(jié)束后氣體傳感器的檢測信號Uend，然后結(jié)束通電；(S25)根據(jù)所述步驟(S22)、(S24)中所得的檢測信號，計(jì)算出傳感器的自我測試值SL＝(Uend-Uinit)*f(T)，其中f(T)為溫度補(bǔ)償系數(shù)；(S26)判斷所述傳感器當(dāng)前的自我測試值SL與其基準(zhǔn)值SF(SF為出廠時的傳感器自我測試值)之間的比值RL/F＝SL/SF是否在預(yù)定范圍內(nèi)，如果是則進(jìn)入所述步驟(S27)；(S27)以所述自我測試值SL與基準(zhǔn)值SF之間的比值SL/SF來計(jì)算校正系數(shù)C(即C＝A*SL/SF+B，其中A，B為常數(shù))，重新設(shè)定靈敏度校正系數(shù)，然后回到所述步驟(S21)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于，所述傳感器自我測試值SL與基準(zhǔn)值SF之間的比值RL/F的預(yù)定范圍為1-2；所述穩(wěn)壓工作電源反向通電預(yù)定的電壓范圍為2-5V；反向通電通電時間范圍為1-10秒。
15.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的方法，其特征在于，如果所述步驟(S16)或(S26)的判斷結(jié)果為否，即比值超出了預(yù)定值，則停止當(dāng)前步驟并發(fā)出告警信號。
全文摘要
本發(fā)明涉及燃料電池氣體傳感器、由其制成的氣體檢測器，以及對這種傳感器進(jìn)行自我測試和自我校正的方法。為解決傳統(tǒng)燃料電池氣體傳感器會發(fā)生電解質(zhì)泄漏、壽命易受環(huán)境溫度和濕度影響的問題，本發(fā)明中對傳感器的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，設(shè)計(jì)了電池芯膨脹孔和透氣孔。并使用凝膠電解質(zhì)代替?zhèn)鹘y(tǒng)液體電解質(zhì)，還增設(shè)了恒濕裝置以保持傳感器內(nèi)部濕度長期保持恒定。本發(fā)明還利用這種氣體傳感器，制成了一種具有自我測試和自我校正功能的氣體檢測器，能準(zhǔn)確自動地判別傳感器的狀況，而不受環(huán)境中氣體和溫度的影響；并可通過手動觸發(fā)或自動觸發(fā)方式自動給傳感器通以預(yù)定大小和時間的反向直流電源以校正檢測器的基線濃度和傳感器的靈敏度，無需校準(zhǔn)氣體源。
文檔編號G06F19/00GK1865969SQ200510034720
公開日2006年11月22日 申請日期2005年5月18日 優(yōu)先權(quán)日2005年5月18日
發(fā)明者秦仁炎 申請人:深圳奧特迅電氣設(shè)備有限公司