CN104870966A - 氢气泄漏检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种氢气泄漏检测器，其包括：对空气中的氢气浓度敏感的传感器(11)，所述传感器包括直接暴露于现场氢气浓度中的敏感单元；以及微控制器，其特征在于，所述微控制器包括：用于基于浓度测量产生和传输模拟浓度信息的器件；以及用于产生和传输所述检测器正确运行的模拟信号的器件。

Description

氢气泄漏检测器
技术领域
本发明涉及使用或者产生氢气的系统。更特别地，其以能够确保所述系统的安全性和可靠性的装置为目标。
背景技术
若干年来，已经在许多领域中扩展了作为燃料和能量的来源的氢气的使用。实际上，氢气提供了特别是作为在星球上必须丰富可用的元素以及作为可再生的能量存储器件的许多优点。
该通用的燃料可在发动机中燃烧或者在燃料电池中使用，以向车辆、建筑物、发电厂以及更普遍的需要能量输入的任何系统提供动力。除了先前提到的优点之外，例如，氢气提供了远大于汽油发动机的效率。
在研发这些新的解决方案的范围中待解决的主要主题之一是安全性。具体地说，在各种应用中使用的气体是取自大气的气体，但也是在压力下存储的气体。然而，已经发现，不论是直接在存储器件处还是在该气体从存储器至使用位置的传送期间，这些气体的不合需要的扩散都可能发生。由于这些气体中的一些是易燃的，所以必须能够快速地检测其泄漏，以便避免对使用者危险的事故。此外，为了不过多地干扰工作设备、特别是燃料电池，有用的是能够避免诸如将导致电池的不必要关断的任何错误的泄漏检测。
因此，近年来已经研发了在燃料电池的环境气体中的气体、特别是氢气的浓度的传感器。所述传感器以借助于具有加热电阻的敏感单元测量热导率为基础，所述敏感单元的加热或者耗散冷却取决于周围环境气体的热导率并且因此通常取决于所述周围环境气体的成分。因为与易于与氢气混合的大部分常见气体相比氢气的热导率非常高，所以这些相对紧凑并且使用简单的传感器特别适于气体中氢气水平的测量。
例如，公开的申请EP0291462描述了基于热导率变化检测空气中的气体的该原理。更确切地说，该文件公开了一种采用该原理的气体微(型)传感器。该微传感器的敏感元件由通过化学侵蚀或者由硅基底溅射沉积的传统技术获得的氧化锡层构成。
已经设想了使用这种氢气浓度传感器来检测使用氢气作为燃料的系统的环境中的氢气泄漏。具体地说，可以使用能够产生表示所测得的氢气浓度的模拟信号并且因此当该浓度的大且意外的提高发生时能够给出警告的微控制器。然而，由于对应于由于空气中实际没有氢气而导致的零浓度测量的信号与对应于由于装置的传感器和/或另一元件的故障而导致的零浓度测量的信号相类似，这种装置的安全性缺陷已经被观察到。
因此，由于氢气泄漏可能在未被检测到的情况下发生，现有装置未提供足够的可靠性。本发明的目的是提供一种能够满足该可靠性要求的装置。
发明内容
因此，本发明涉及一种氢气泄漏检测器，其设有能够实时检验检测装置的正确运行的器件。
更确切地说，本发明涉及一种氢气泄漏检测器，其具有：对空气中的氢气浓度敏感的传感器；所述传感器包括直接暴露于现场浓度中的敏感单元，以及微(型)控制器。
所述检测器的特征在于，所述微控制器包括用于基于浓度测量产生和传输模拟浓度信息的器件以及用于产生和传输检测器的正确运行的模拟信号的器件。
此外，在有利的实施例中，微控制器包括用于检验监测仪和/或传感器的一个或多个部件的完整性的器件。因此，状态监测仪的正确运行的该模拟信号的存在能够警告使用者检测装置的元件故障。
此外，在本发明的另一实施例中，微控制器包括用于检验浓度测量与所产生的模拟浓度信息的一致性的器件。
在本发明的另一实施例中，正确运行的模拟信号是常高信号。因此，当装置正确地运行时发出高信号，并且当检测到装置的故障时发出低信号或者零信号。此外，这使得装置的供应(供电)中断也能够被解释为故障，因为在该情况下不会发出模拟信号，这对应于零信号。
在本发明的一种特定构造中，检测器或者状态监测仪包括单一模拟输出(端)。在该情况下，表示所测得气体浓度的信号和正确运行的信号必须在该单一输出上发出。因此，在该构造中，有用的是，正确运行的模拟信号是以有规律的时间间隔(每隔一定时间)发出的常高信号。这使得能够在两个信息项不会混乱的情况下在同一输出上发出两个独立的信息项。
附图说明
本发明的其他特征和优点将从以下给出的参考附图的说明中显现，所述附图通过非限制性实例显示本发明主题的实施例。
图1是在应用实例、在该情况下为燃料电池中的带有其处理电子元件的氢气浓度检测器的实施例的高度简化示意图。
图2显示了由根据本发明的传感器输送的模拟信号的变化。
具体实施方式
图1显示了包括敏感电路的面板32的氢气传感器11的示意图，所述面板由呈板片或者膜形式的基底、例如硅基底组成。基底涂覆有由被处理单元12控制的电压源从供电端(子)133和供电端(子)134供电的集成或者沉积电加热电阻132。面板32的表面之一包括温度传感器135，所述温度传感器135例如由所谓的PT100热阻层形成，并由一组导体136连接至处理单元12，以便提供对应于在加热和散热至周围环境气体的双重作用下的敏感单元面板32的瞬时温度的信号。此外，氢气浓度传感器11结合有温度探测器138、例如PT100探测器，以便确定周围环境气体的温度。例如，在1988年5月11日的专利文件EP 0291 462 B1和1991年2月25日的专利文件EP 0 501 089 A1中描述了这种传感器的物理部件。
氢气浓度传感器11的处理单元12包括由4条信号线连接至敏感单元32的数字模块82。在图1中示意性示出的数字模块82是算法功能的概要表示，其被安装在微(型)控制器中并且包括用于计算氢气浓度传感器11的输出量的模块81。
在处理单元12的输出(端)处的第一线301通过数/模转换器控制施加至面板32的传感器的加热电阻132的电压。可以基于用于调节控制单元80中的加热功率的站或级(stage)311来控制电压值。在下文中，假定加热电阻以功率调节模式供电，虽然加热电阻132的诸如电压调节或者电流调节的其他供电模式也是可能的。
第二线303接收为流过加热电阻132的电流的映像的电压信号。该信息被处理单元12的输入(端)处的模/数转换器A/D转换，以便被用于监测在氢气浓度传感器11的电阻132中实际耗散的加热功率的电路313处理。在示意图中可以看到，被发送至数字模块82中的比较器320的该信息与在计算模块81的输出(端)322处产生的设定值进行比较。在数字模块82中，这两个量的比较结果控制加热功率调节器311的输入321。因此，敏感单元30的面板32的加热由基于在数字模块82的输出322处在每个瞬间显示的加热功率的设定值的数字反馈回路产生。在恒压供电的情况下，以电压调节器替代功率调节器。即使在电压调节的情况下，重要的是，在加热电阻中实际耗散的功率被数字模块82测量，以便确保氢气浓度的计算的良好精度。
第三线305能够将面板32的温度传感器135的模拟输出信号传送至处理单元12的输入(端)。在模/数转换之后，该信号由数字模块82中的温度计算器315处理，所述温度计算器315则以该信息供给计算模块81。
最后，第四线307对应于处理单元12的输入，其接收温度探测器138(周围环境温度)的输出电压，并且在模/数转换之后将所述信息传输至数字模块中的温度计算器317，以便在计算模块81的输入处将其显示。
因此在其输入314、316以及318上接收涉及传感器的有效加热功率、面板32的温度以及温度探测器138的周围环境温度的信息的计算模块81能够确定：氢气浓度和温度。就湿度本身而言，其可以从其它测量推断或者使用特定的湿度传感器(未描绘)测量。
传感器包括由0和5伏之间的信号表示的氢气浓度在其上被复原的模拟输出342以及氢气浓度另外连带湿度和温度在其上被复原的CAN输出344。
根据本发明的传感器在模块82中还包括用于发出能够实时检验传感器的正确运行的自动测试信号的器件。因此，这些自动测试器件包括用于列出传感器的所有可能故障的器件。此外，所述装置还包括特定于所有检测元件从而能够实时测试功能的仪表。
当自动测试器件确定传感器的所有功能有效时，正确运行状态的信号从模拟输出342发出，也就是说与表示氢气浓度的信号在同一输出上发出。单一功能的故障导致“非正常(不好)”信号的发出。优选地，正确运行的信号是高信号。同样优选地，正确运行的信号对应于在输出342上被有规律地(定期)发出并且因此能够在不干扰重要信息、即氢气浓度的传输的情况下指示传感器的正确运行的人工设定或信息值。
常高信号的选择起因于期望还能够检测检测器中的能量中断或能量供应失败。具体地说，能量中断将导致信号缺失，其因此将被解释成故障。
因此，图2显示了在检测器的输出342上发出的模拟信号的实例。可以看出，所述信号在0至5伏的范围上输送。
自动测试信号是具有例如等于0.5伏的基值和等于1伏的高值的周期性方波信号。
氢气检测信号是比例信号。因此，氢气泄漏在模拟输出上由1和4伏之间的比例信号表示。1伏的值对应于空气中0％的氢气浓度，并且4伏的值对应于4％的浓度。
因此，当由检测器输送的信号位于0和0.5伏之间时，这指示了检测器的异常状况(图2中的区域1)。
当所输送的信号位于0.5伏和1伏之间(图2中的区域2)时，这意味着检测器正常运行并且未检测到氢气泄漏。
当所输送的信号位于1和4伏之间(图2中的区域3)时，这意味着检测到氢气泄漏。
当所输送的信号位于4和5伏之间时，这指示了检测器的异常状况(图2中的区域4)。
因此，根据本发明的设置能够确保氢气泄漏和检测器故障的有效检测。具体地说，周期性自动测试信号的选择能够防止保持固定在诸如非零值的信号的情况。实际上，即使故障可能已经发生，这种固定信号可能给出检测器正常运行的印象。
此外，周期性信号的非零低值(下限值)的选择能够确保检测器故障的即时检测。具体地说，如果自动测试信号具有零基值，则这将意味着传感器的输出处输送的零信号将不一定表示传感器的故障。进而将必须等待信号转变为高值，以便确认检测器的运行状态。然而，当大的氢气泄漏发生时，所述等待时间可能是危险的。
因此，此处描述了一种用于检测氢气泄漏并能够进行可靠的检测的装置。实际上，该检测装置能够将由于在空气中实际上没有氢气而导致的零氢气测量的情况与由于检测器故障而导致的零浓度测量的情况相区分。这能够确保例如机动车辆中的电化学反应器的使用的必要的运行安全性。
此外，因为用于发出氢气浓度信号和正确运行信号的单一模拟输出的使用能够限制输出的数量并因此限制将进行的配线操作的数量，所以该检测装置相对容易安装。这还能够限制这种装置的附加成本。
当然，本发明不限于所描述和描绘的实例，并且在不脱离其由所附权利要求限定的范围的情况下可以对其进行多种改变。

Claims (8)

1.氢气泄漏检测器，其具有：
对空气中的氢气浓度敏感的传感器(11)，所述传感器包括直接暴露于现场氢气浓度中的敏感单元，以及
微控制器，
其特征在于，所述微控制器包括
-用于基于浓度测量产生和传输模拟浓度信息的器件，以及
-用于产生和传输所述检测器的正确运行的模拟信号的器件。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述微控制器包括用于检验所述微控制器和/或所述传感器的一个或多个部件的完整性的器件。
3.根据权利要求1和2之一所述的系统，其特征在于，所述微控制器包括用于检验所述浓度测量与所产生的模拟浓度信息的一致性的器件。
4.根据权利要求1至3之一所述的系统，其特征在于，所述正确运行的模拟信号是常高信号。
5.根据前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，所述微控制器包括单一模拟输出。
6.根据权利要求4和5所述的系统，其特征在于，所述正确运行的模拟信号是以有规律的时间间隔在所述微控制器的模拟输出上发出的常高信号。
7.根据前述权利要求之一所述的系统，其特征在于，所述正确运行的模拟信号是周期性方波型信号。
8.根据前述权利要求所述的系统，其特征在于，所述周期性模拟信号具有非零的下限值。
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