CN102445485B - 气体传感器的检测方法及设备 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种气体传感器的检测方法及设备，所述气体传感器包括工作电极、参比电极、对电极以及连通三个电极的离子导电电解质，所述设备包括：电压驱动模块，在所述参比电极和工作电极上分别施加第一参考电压和第二参考电压，使所述气体传感器在恒电位模式下工作；电流驱动模块，提供所述对电极和工作电极工作时所需的工作电流；电压检测模块，检测所述对电极和工作电极之间的开路电位差，若所述开路电位差落入预设的电压范围内，则判定所述气体传感器正常，否则判定所述气体传感器失效。本发明能够以较简单的方法和电路结构对气体传感器是否无效进行检测。
Description
技术领域
本发明涉及气体传感器检测技术，尤其涉及一种气体传感器的检测方法及设备。
背景技术
电化学气体传感器一般由两个或三个电极和以及连通各个电极的电解液构成。对于三电极传感器来说，一般包括三个电极：参比电极、工作电极和对电极。气体传感器是在恒电位的模式下工作的，即工作电极相对于参比电极的电位差是恒定的，产生的电流和被检测的气体浓度成正比关系，比如一氧化碳、硫化氢、氧气等。当有气体泄漏时，如果传感器出了故障而无法正常工作，而我们又不知道传感器出了故障，此时就很危险。
现有技术中提出了多种不同方法和设备来在线检测气体传感器，以预测气体传感器的好坏，从而提前预警，以防范危险的发生。造成电化学气体传感器失效的原因有几种情况：气体传感器的引脚和内部接触不良；气体传感器的参比电极不稳定；气体传感器内部电解质溶液干枯；气体传感器的催化剂活性下降或失活造成灵敏度下降或没有反应；气体传感器的进气孔被堵塞(主要针对氧气传感器)；气体传感器的电解液泄漏。针对上述情况，现有技术中许多专利提出了相应的检测方法和设备。
针对参比电极电位不稳定的失效模式，美国专利US5100530提出一种用辅助电极来测试参比电极的电位的检测方法和电路。针对催化剂活性下降或失活的失效模式，美国专利US6629444提出用水蒸汽来预测传感器的灵敏度是否下降；美国专利US7033482用开关电路的方式对传感器施加脉冲信号根据工作电极的电位响应来判断传感器是否失效；美国专利US 5611909专门设计脉冲电路给气体传感器施加脉冲信号，根据工作电极的电位响应来判断传感器是否失效；美国专利US6404205提出对一氧化碳传感器，给工作电极加一个偏压让工作电极产生氢气，然后回到原来的电位工作状态，检测传感器的电流，用该电流判断该传感器是否能正常工作。针对电解液干枯的失效模式，美国专利US6049283根据传感器的噪声与电解液含量的关系来检测传感器是否因为失水干燥而失效。针对电解液泄漏的失效模式，美国专利US6428684提出在气体传感器外面包裹一层导电层，当电解液泄漏出传感器时会接触到该导电层根据导电层的信号来判断传感器是否因为漏液而失效。
对于以上的所有失效模式，最可靠的检测传感器的方法是用被测气体检测传感器，而被测气体要么是标准浓度的钢瓶气，要么采用气体发生器来产生。但这些做法都有很多不方便之处，在实际操作中，工作人员要定期地给每一个传感器进行通气检测，耗时耗力。如果气体传感器失效，只能等到下一次检测的时候才知道，有很大的潜在危险，特别是对于存在有毒气体或爆炸性气体的工作环境。
另外传感器漏液问题一般都是腐蚀了仪器才会发现，此时损失巨大，仪器只能报废。美国专利US6428684的方法让气体传感器变得更复杂，而上述其他专利提出的方法电路上也很复杂。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种气体传感器的检测方法及设备，能够以较简单的方法和电路结构对气体传感器是否无效进行检测。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种气体传感器的检测方法，所述气体传感器包括工作电极、参比电极、对电极以及连通三个电极的离子导电电解质，所述检测方法包括：
在所述参比电极和工作电极上分别施加第一参考电压和第二参考电压，使所述气体传感器在恒电位模式下工作；
提供所述对电极和工作电极工作时所需的工作电流；
在没有被检测气体的常规环境下，检测所述对电极和工作电极之间的开路电位差，若所述开路电位差落入预设的电压范围内，则判定所述气体传感器正常，否则判定所述气体传感器失效。
可选地，在检测所述对电极和工作电极之间的开路电位差之前，还包括：检测所述工作电极的输出电流，若所述输出电流小于等于预设的电流阈值，则判定所述气体传感器正常，否则判定所述气体传感器失效。
可选地，在检测所述对电极和工作电极之间的开路电位差之前，还包括：将所述工作电极的输出电流转换为输出电压；测量所述输出电压，若所述输出电压小于等于预设的电压阈值，则判定所述气体传感器正常，否则判定所述气体传感器失效。
本发明还提供了一种气体传感器的检测设备，所述气体传感器包括工作电极、参比电极、对电极以及连通三个电极的离子导电电解质，所述检测设备包括：
电压驱动模块，在所述参比电极和工作电极上分别施加第一参考电压和第二参考电压，使所述气体传感器在恒电位模式下工作；
电流驱动模块，提供所述对电极和工作电极工作时所需的工作电流；
电压检测模块，检测所述对电极和工作电极之间的开路电位差，若所述开路电位差落入预设的电压范围内，则判定所述气体传感器正常，否则判定所述气体传感器失效。
可选地，所述电压驱动模块包括：
第一运算放大器，其正输入端接收所述第一参考电压，其负输入端与所述参比电极连接；
第二运算放大器，其正输入端接收所述第二参考电压，其负输入端与所述工作电极连接。
可选地，所述电流驱动模块包括所述第一运算放大器，所述第一运算放大器的输出端与所述对电极连接。
可选地，所述第二运算放大器的负输入端通过电阻连接至所述第二运算放大器的输出端，以将所述工作电极的输出电流转换为输出电压。
可选地，所述电压检测模块包括第三运算放大器，其正输入端连接所述对电极，其负输入端与其输出端连接。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明实施例的气体传感器的检测方法及其检测设备中，在气体传感器的参比电极和工作电极上分别施加第一参考电压和第二参考电压，使其工作在恒电位模式下，并提供对电极和工作电极工作时所需的工作电流，使气体传感器处于工作状态下，之后检测对电极和工作电极之间的开路电位差，若该开路电位差落入预设的电压范围内，则判定气体传感器正常，否则判定该气体传感器失效。本发明实施例的技术方案仅需要检测对电极和工作电极之间的开路电位差就能判断气体传感器是否失效，方法简单且易于实现，相应的检测设备的电路结构也较为简单。
附图说明
图1为本发明实施例的气体传感器的检测方法的流程示意图；
图2为本发明实施例的气体传感器的检测方法的详细流程示意图；
图3为本发明实施例的气体传感器的检测设备的结构框图；
图4为本发明实施例的气体传感器的检测设备的详细电路结构图。
具体实施方式
现有技术中用于检测气体传感器的方法都较为复杂，不利于大规模的产业化应用。
发明人分析了大量失效的气体传感器，发现主要的失效原因是气体传感器的引脚和内部电路接触不良以及电解液泄露，主要基于以上两种情况，本发明实施例给出了一种新的检测方法及设备，在气体传感器的参比电极和工作电极上分别施加第一参考电压和第二参考电压，并提供对电极和工作电极工作时所需的工作电流，使气体传感器处于工作状态下，之后检测对电极和工作电极之间的开路电位差，若该开路电位差落入预设的电压范围内，则判定气体传感器正常，否则判定该气体传感器失效。本发明实施例的技术方案仅需要检测对电极和工作电极之间的开路电位差就能判断气体传感器是否失效，方法简单且易于实现，相应的检测设备的电路结构也较为简单。
下面结合具体实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
图1示出了本实施例的气体传感器的检测方法的流程示意图，其中气体传感器包括工作电极、参比电极、对电极以及连通三个电极的离子导电电解质，该检测方法包括：
步骤S 11，在所述参比电极和工作电极上分别施加第一参考电压和第二参考电压，使所述气体传感器在恒电位模式下工作；
步骤S 12，提供所述对电极和工作电极工作时所需的工作电流；
步骤S13，在没有被检测气体的常规环境下，检测所述对电极和工作电极之间的开路电位差，若所述开路电位差落入预设的电压范围内，则判定所述气体传感器正常，否则判定所述气体传感器失效。
步骤S11中，恒电位工作模式即工作电极相对于参比电极的电位差是恒定的，气体传感器产生的电流和被检测的气体浓度成正比关系。
需要说明的是，本实施例的检测方法适用于并不存在被检测气体的常规环境下。发明人经研究发现，在没有被检测气体的情况下，对于气体传感器的电极引脚、内部接触不良以及电解液泄露的问题，气体传感器的对电极和工作电极之间的开路电位差会发生改变，也即气体传感器在没有敏感气源作用在其上时，对电极和工作电极之间的电位差相对于正常状态下会发生改变。
对于三电极的气体传感器，对电极和工作电极在电路中等效于一内电阻和电压均可变的电池，在静态条件下，该电池只有极微弱的电流流过，内电阻也很小，气体传感器正常工作时，对电极和工作电极之间的开路电位差也能维持在正常的电压范围内。一般除了氧气传感器外，正常时的开路电位差大致等于加载在气体传感器上的偏压。若检测到的开路电位差落入预设的电压范围内，则表明气体传感器正常，若偏离该电压范围，则表明气体传感器失效。
当气体传感器正常工作时，工作电极相对于参比电极的电位差是一定的，即第二参考电压和第一参考电压之间的电位差。工作电极受到电路的控制，电位维持在第二参考电压上，那么对电极和工作电极之间的开路电位差的变化就体现在对电极上的电位变化，因而在具体实施例中，可以通过检测对电极的电位来判断气体传感器是否失效。
图2示出了本实施例的气体传感器的检测方法的详细流程示意图，首先执行步骤S21，判断是否存在有毒气体(即气体传感器所检测的气体)，若存在，例如读数大于Appm(百万分之一)(具体例如为2ppm)或者读数突然剧烈增大，则执行步骤S22，停止检测过程，否则执行步骤S23，检测工作电极的输出电流；之后执行步骤S24，判断输出电流是否大于阈值电流，如果是的话，例如对于H2S传感器，阈值电流为0.4～1μA，对于CO传感器，阈值电流为0.2～1μA，则执行步骤S25，判定气体传感器失效，否则执行步骤S26，检测对电极和工作电极之间的开路电位差；之后执行步骤S27，判断开路电位差是否落入预设的电压范围内，如果是，则执行步骤S28，判定气体传感器正常，否则执行步骤S25，判定气体传感器失效。
在步骤S23中，可以每隔一预设的时间间隔工作电极的输出电流进行一次检测，通过多次重复检测来判定输出电流是否大于阈值电流。此外，在其他具体实施例中，还可以将工作电极的输出电流转换为输出电压后再进行检测，如果转换后的输出电压小于等于预设的电压阈值，则判定该气体传感器正常，否则就判定该气体传感器失效。
另外，由于工作电极的电位限定为第二参考电压，因而在具体实施例中也可以仅测量对电极的电位，并计算其相对于第二参考电压的电位差。
图3示出了本实施例的气体传感器的检测设备的结构框图，被检测的气体传感器30包括工作电极S、参比电极R、对电极C以及连通上述三个电极的离子导电电解质(图中未示出)，本实施例的检测设备包括：电压驱动模块31，在参比电极R和工作电极S上分别施加第一参考电压和第二参考电压，使气体传感器30在恒电位模式下工作；电流驱动模块32，提供对电极C和工作电极S工作时所需的工作电流；电压检测模块33，检测对电极C和工作电极S之间的开路电位差，若该开路电位差落入预设的电压范围内，则判定气体传感器30正常，否则判定气体传感器30失效。
图4示出了本实施例的检测设备的详细电路结构，其中，电压驱动模块包括：第一运算放大器41，其正输入端接收第一参考电压Verf，其负输入端通过电阻45与气体传感器40的参比电极R连接；第二运算放大器42，其正输入端接收第二参考电压Ver1，其负输入端通过电阻47与工作电极S连接。根据运算放大器的虚短概念，参比电极R的电位也近似等于第一参考电压Verf；同理，工作电极S的电位也近似等于第二参考电压Ver1。另外，电阻47是气体传感器40的负载，电阻45主要起保护作用，是可选的。
另外，第一运算放大器41还包括在电流驱动模块中，其输出端与对电极C连接，用于提供对电极C和工作电极S工作时所需的工作电流，包括静态电流以及气体传感器40工作时所需要的其他能量。
本实施例中，第二运算放大器42的负输入端还通过电阻44连接至第二运算放大器42的输出端，从而将工作电极S的输出电流转换为输出电压，并通过连接至输出端的电压检测器49进行检测，此处检测过程请具体参考上述实施例中气体传感器的检测方法中工作电极的输出电流以及输出电压的检测过程。
电压检测模块可以包括第三运算放大器43以及电压检测器48，其中第三运算放大器43的正输入端通过电阻46连接对电极C，负输入端与第三运算放大器43的输出端连接。第三运算放大器43的连接方式构成了电压跟随器，跟随对电极C的电位并通过连接至输出端的电压检测器48来进行检测。在检测过程中，通过电压检测器48的读数来判定气体传感器40是否失效。其中，电阻46主要起保护作用，是可选的。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。
Claims (8)
1.一种气体传感器的检测方法，所述气体传感器包括工作电极、参比电极、对电极以及连通三个电极的离子导电电解质，其特征在于，所述检测方法包括：
在所述参比电极和工作电极上分别施加第一参考电压和第二参考电压，使所述气体传感器在恒电位模式下工作；
提供所述对电极和工作电极工作时所需的工作电流；
在没有被检测气体的常规环境下，检测所述对电极和工作电极之间的开路电位差，若所述开路电位差落入预设的电压范围内，则判定所述气体传感器正常，否则判定所述气体传感器失效。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，在检测所述对电极和工作电极之间的开路电位差之前，还包括：检测所述工作电极的输出电流，若所述输出电流小于等于预设的电流阈值，则继续进行所述开路电位差的检测；若所述输出电流大于所述预设的电流阈值，则判定所述气体传感器失效。
3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于，在检测所述对电极和工作电极之间的开路电位差之前，还包括：将所述工作电极的输出电流转换为输出电压；测量所述输出电压，若所述输出电压小于等于预设的电压阈值，则继续进行所述开路电位差的检测；若所述输出电压大于所述预设的电压阈值，则判定所述气体传感器失效。
4.一种气体传感器的检测设备，所述气体传感器包括工作电极、参比电极、对电极以及连通三个电极的离子导电电解质，其特征在于，所述检测设备包括：
电压驱动模块，在所述参比电极和工作电极上分别施加第一参考电压和第二参考电压，使所述气体传感器在恒电位模式下工作；
电流驱动模块，提供所述对电极和工作电极工作时所需的工作电流；
电压检测模块，检测所述对电极和工作电极之间的开路电位差，若所述开路电位差落入预设的电压范围内，则判定所述气体传感器正常，否则判定所述气体传感器失效。
5.根据权利要求4所述的气体传感器的检测设备，其特征在于，所述电压驱动模块包括：
第一运算放大器，其正输入端接收所述第一参考电压，其负输入端与所述参比电极连接；
第二运算放大器，其正输入端接收所述第二参考电压，其负输入端与所述工作电极连接。
6.根据权利要求5所述的气体传感器的检测设备，其特征在于，所述电流驱动模块包括所述第一运算放大器，所述第一运算放大器的输出端与所述对电极连接。
7.根据权利要求5所述的气体传感器的检测设备，其特征在于，所述第二运算放大器的负输入端通过电阻连接至所述第二运算放大器的输出端，以将所述工作电极的输出电流转换为输出电压。
8.根据权利要求5所述的气体传感器的检测设备，其特征在于，所述电压检测模块包括第三运算放大器，其正输入端连接所述对电极，其负输入端与其输出端连接。
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