CN101806765A - 一种智能温控电化学气体检测器 - Google Patents

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张小水
钟克创
高胜国
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WEISHENG ELECTRONICS TECH Co Ltd ZHENGZHOU
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Abstract

本发明属于气体检测器设备领域，特别涉及一种智能温控电化学气体检测器。该气体检测器在壳体的中部设置检测电极，检测电极将壳体分割为上下两个腔体，上腔体为气体检测腔体，下腔体为电解液腔；气体检测腔体的内部设置控制电路、调温装置、温度敏感元件各至少一个；在检测电极的上方设置至少一层过滤材料层，该过滤材料层能对干扰测试的气体起物理吸附和化学吸附作用，降低或者消除干扰；在电解液腔内设置2片参考与辅助电极。控制电路能够从温度敏感元件接收温度信号，从而控制给予调温装置通电，将测试气体和传感器控制在规定的温度范围内。

Description

一种智能温控电化学气体检测器
技术领域
本发明属于气体检测器设备领域，特别涉及一种智能温控电化学气体检测器。
背景技术
目前各种传感器技术包括电化学传感器技术日趋成熟。这些传感器可以在指定的环境中准确的检测到目标气体，然而一旦环境温度超出指定范围，那么传感器精确度下降，甚至失去工作能力。例如，电化学酒精传感器，长期处于低于-20℃环境中则基本失去工作能力。因此，这是温度影响较大的传感器的一个致命制约因素。
同时，由于半导体制冷器(TEC)技术日渐成熟，且市场上已有成熟的半导体温控产品。半导体制冷器的工作原理是用直流电流，它既可制冷又可加热，通过改变直流电流的极性来决定在同一制冷片上实现制冷或加热。因此一定范围内的温度的智能控制已能够实现。例如，市场上已有能实现-5℃～+110℃控温范围的半导体温控仪。当然，除半导体温控技术之外，使用其它原理的温控技术同样可以实现本发明所要求的智能温控。
已知一种检测器间歇的加热光学表面(专利公开号CN1201120234A)，以保持其温度超过露点。而此发明所涉及的传感器，能够间歇的对检测电极以及气体检测腔体内的检测气体进行加热或降温，使传感器具备更高的适应能力。
发明内容
针对现有化学气体检测器无法自动调温的缺陷，本发明提供了一种用于化学气体检测的智能温控电化学气体检测器。
本发明采用的技术方案为：在壳体的中部设置检测电极，检测电极将壳体分割为上下两个腔体，上腔体为气体检测腔体，下腔体为电解液腔；在检测电极的上方设置至少一层过滤材料层，该过滤材料层能对干扰测试的气体起物理吸附和化学吸附作用，降低或者消除干扰；在电解液腔内设置2片参考与辅助电极；气体检测腔体的内部设置控制电路、调温装置、温度敏感元件各至少一个；控制电路耦合至温度敏感元件和调温装置，所述控制电路记录该电化学气体检测器的温度特性曲线并响应温度敏感元件的信号，控制调温装置工作，进而实现气体检测腔体内温度的调节。
所述检测电极和参考与辅助电极之间设置吸液材料层。
所述吸液材料层为毛细玻璃纤维棉，能够保持电解液。
所述气体检测腔体的顶部、壳体上设置进气孔。
所述控制电路、调温装置、温度敏感元件在气体检测腔体的内部由上至下依次设置。
所述控制电路设置于气体检测腔体的外部。
所述调温装置为半导体制冷器，其工作过程为：当半导体制冷器正向通电时，降低气体检测腔体内的气体温度；当半导体制冷器反向通电时，提高气体检测腔体内的气体温度。
所述调温装置为加热及制冷装置，实现气体检测腔体内的温度调节。
所述检测电极由贵金属纳米粉体与聚四氟乙烯混合涂布而成，并在检测电极表面复合一层聚四氟乙烯多孔透气膜，该聚四氟乙烯多孔透气膜将气体检测腔体的底面完全覆盖。
所述贵金属贵金属包括钌、铂族元素、铜族元素中的任意一种元素，以及上述任意几种元素形成的合金。
所述铂族元素包括铂、铱、钯、铑四种元素；所述铜族元素包括金、银、铜三种元素。
所述控制电路记录该电化学气体检测器的温度特性曲线，并与温度敏感元件感应的气体检测腔体内气体温度状态信号耦合，进而控制调温装置，实现温度补偿。
所述气体检测腔体内的气体温度范围为15℃～40℃。
本发明的有益效果为：本装置能自动调节气体检测器腔体内的温度，使气体检测腔体内检测气体始终处于最适合检测的温度状态，提高检测的准确度；本装置结构简单，制造方便，成本低，易于推广使用。
附图说明
图1为本发明一种实施例的结构示意图。
图中标号：
1-进气孔；2-控制电路；3-调温装置；4-温度敏感元件；5-检测电极；6-参考与辅助电极；7-电解液；8-壳体；9-气体检测腔体；10-过滤材料；11-吸液材料；12-聚四氟乙烯多孔透气膜。
具体实施方式
本发明提供了一种智能温控电化学气体检测器，下面通过附图说明和具体实施方式对本发明做进一步说明。
图1为本发明的一种实施例的结构剖视图。
在壳体8的中部设置检测电极5，检测电极5将壳体8分割为上下两个腔体，上腔体为气体检测腔体9，下腔体为装有电解液7的电解液腔12；在气体检测腔体9的顶部、壳体8上设置进气孔1，并在进气口1的下方、气体检测腔体9的内部由上至下依次设置控制电路2、调温装置3、温度敏感元件4各一个。所述调温装置3为半导体制冷器，其工作过程为：当半导体制冷器正向通电时，降低气体检测腔体9内的气体温度；当半导体制冷器反向通电时，提高气体检测腔体9内的气体温度。控制电路2耦合至温度敏感元件4和调温装置3，控制电路2记录该电化学气体检测器的温度特性曲线，并与温度敏感元件4感应的气体检测腔体9内气体温度状态信号耦合，进而控制调温装置3并控制电流方向，实现温度补偿，进而实现气体检测腔体9内温度的调节。在检测电极5的上方设置一层过滤材料层10，该过滤材料层10能对干扰测试的气体起物理吸附和化学吸附作用，降低或者消除干扰；在检测电极5的下方、电解液腔12内设置材质为毛细玻璃纤维棉的吸液材料层11，用以保持电解液；在吸液材料层11的下方设置2片参考与辅助电极6。
检测电极5由银纳米粉体与聚四氟乙烯混合涂布而成，并在检测电极5表面复合一层聚四氟乙烯多孔透气膜12，该聚四氟乙烯多孔透气膜12将气体检测腔体9的底面完全覆盖。
以C2H5OH电化学传感器为例，包含酒精气体的目标气体通过进气孔1进入气体检测腔体9，通过过滤层10除去可能存在的干扰气体，然后到达检测电极5表面，并被检测电极5催化剂吸附，发生如下电化学半反应：
C2H5OH+3H2O＝＝2CO2+12H++12e    ----------------(a)
同时，参考与辅助电极6发生另外一个半反应：
3O2+12H++12e＝＝6H2O    ----------------(b)
总反应为：
C2H5OH+3O2＝＝2CO2+3H2O    ---------------(c)
检测电极5发生的半反应(a)产生电子，通过外电路传输到辅助电极6，发生另一半反应(b)，形成一个电路电流信号。
同时，本发明考虑到目标气体如果到达辅助电极6将会影响检测信号，因此设计使检测电极面积完全覆盖气体检测腔体9底部，因此目标气体无法避开检测电极5而直接与辅助电极接触，避免了电化学传感器信号的相互抵消。
由于随着工作温度的降低，酒精气体的稳定性逐渐增强，同时检测电极的催化活性大幅度降低，因此检测信号会受到大幅度的减弱，甚至严重影响检测效果；反之，随着工作温度的升高，酒精气体的稳定性大幅度减弱，而检测电极的催化活性大幅度增强，检测信号会大幅度增强，同样影响检测效果。并且，由于检测电极制作工艺复杂，不同的检测电极之间随温度变化而产生的催化活性变化并不一致。例如，当该传感器的工作温度为-20℃时，同样酒精浓度的目标气体中其输出仅为25℃时的20～40％。当传感器的工作温度为50℃时，同样酒精浓度的目标气体中其输出则为25℃时的130～150％。
因此，温度敏感元件4感知气体检测腔体9的气体温度，并将信号传输至控制电路2，由控制电路2判断所测温度是否高于或低于设置温度范围，然后给予半导体制冷器3通电并控制电流方向。当半导体制冷器3被正向通电时，其制冷降温，反之当其被反向通电时，其加热升温。通过上述方法，气体检测腔体9内的气体温度始终被控制在设定的15℃～40℃范围内，同时，与气体检测腔体9相接触的检测电极5因为热量传导作用，其温度也会被控制在设定范围。
其中，为满足不同的设计要求，控制电路2可设计在气体检测腔体内部，也可以与气体检测信号电路一起设计于气体检测腔体外部。

Claims (12)

1.一种智能温控电化学气体检测器，在壳体(8)的中部设置检测电极(5)，检测电极(5)将壳体(8)分割为上下两个腔体，上腔体为气体检测腔体(9)，下腔体为电解液腔(12)，在检测电极(5)的上方设置至少一层过滤材料层(10)，在电解液腔(12)内设置2片参考与辅助电极(6)，
其特征在于，气体检测腔体(9)的内部设置控制电路(2)、调温装置(3)、温度敏感元件(4)各至少一个；控制电路(2)耦合至温度敏感元件(4)和调温装置(3)，所述控制电路(2)记录该电化学气体检测器的温度特性曲线并响应温度敏感元件(4)的信号，控制调温装置(3)工作，进而实现气体检测腔体(9)内温度的调节。
2.根据权利要求1所述的一种智能温控电化学气体检测器，其特征在于，所述检测电极(5)和参考与辅助电极(6)之间设置吸液材料层(11)。
3.根据权利要求2所述的一种智能温控电化学气体检测器，其特征在于，所述吸液材料层(11)为毛细玻璃纤维棉，能够保持电解液。
4.根据权利要求1所述的一种智能温控电化学气体检测器，其特征在于，所述气体检测腔体(9)的顶部、壳体(8)上设置进气孔(1)。
5.根据权利要求1所述的一种智能温控电化学气体检测器，其特征在于，所述控制电路(2)、调温装置(3)、温度敏感元件(4)在气体检测腔体(9)的内部由上至下依次设置。
6.根据权利要求1所述的一种智能温控电化学气体检测器，其特征在于，所述控制电路(2)设置于气体检测腔体(9)的外部。
7.根据权利要求1所述的一种智能温控电化学气体检测器，其特征在于，所述调温装置(3)为半导体制冷器，其工作过程为：当半导体制冷器正向通电时，降低气体检测腔体(9)内的气体温度；当半导体制冷器反向通电时，提高气体检测腔体(9)内的气体温度。
8.根据权利要求1所述的一种智能温控电化学气体检测器，其特征在于，所述调温装置(3)为加热及制冷装置，实现气体检测腔体(9)内的温度调节。
9.根据权利要求1所述的一种智能温控电化学气体检测器，其特征在于，所述检测电极(5)由贵金属纳米粉体与聚四氟乙烯混合涂布而成，并在检测电极(5)表面复合一层聚四氟乙烯多孔透气膜(12)，该聚四氟乙烯多孔透气膜(12)将气体检测腔体(9)的底面完全覆盖。
10.根据权利要求9所述的一种智能温控电化学气体检测器，其特征在于，所述贵金属包括钌、铂族元素、铜族元素中的任意一种元素，以及上述任意几种元素形成的合金。
11.根据权利要求1所述的一种智能温控电化学气体检测器，其特征在于，所述控制电路(2)记录该电化学气体检测器的温度特性曲线，并与温度敏感元件(4)感应的气体检测腔体(9)内气体温度状态信号耦合，进而控制调温装置(3)，实现温度补偿。
12.根据权利要求1所述的一种智能温控电化学气体检测器，其特征在于，所述气体检测腔体(9)内的气体温度范围为15℃～40℃。
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