CN104956414A

CN104956414A - 具有内部寿命测试的电化学检测系统

Info

Publication number: CN104956414A
Application number: CN201480004025.7A
Authority: CN
Inventors: 佐尔坦·I·莫纳; 卡迈恩·帕奇菲科
Original assignee: Rosemount Analytical Inc
Current assignee: Rosemount Inc
Priority date: 2013-12-20
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2015-09-30
Anticipated expiration: 2034-12-19
Also published as: CN104956414B; EP3084740A4; EP3084740B1; US9823219B2; EP3084740A1; WO2015095657A1; US20150177185A1

Abstract

一种检测系统(10)包括电化学传感器(30)。测量电路(28)耦合到所述电化学传感器(30)并被配置为测量所述电化学传感器(30)的电特性。控制器(20)耦合到所述测量电路(28)并被配置为基于所测量的电特性来提供指示。所述控制器(22)还被配置为对所述电化学传感器(30)生成电干扰并获得传感器恢复简档，以提供与所述电化学传感器(30)有关的诊断指示。

Description

具有内部寿命测试的电化学检测系统

背景技术

很多工业过程天然地具有危害。这些过程通常在高温和高压环境下使用有毒、可燃或者活性材料。在这些过程的设备故障或人为失误事件中，可能发生灾难性事件。安全仪表系统(SIS)是设计用于防止这些事件的自动化系统。由于国际标准，对这些安全系统的兴趣(尤其在化工、石油化工及提炼工业)中的兴趣已经增长。在这些安全仪表系统中，能够诊断出系统中设备的故障具有重要意义。

在使用有毒气体的工业过程中，这些气体的检测器能够持续稳定地检测出这些气体是重要的。即使正常操作环境中事实上不存在这些有毒气体时也是如此。此外，这些传感器和检测系统可能部署在这些有害工业过程中或周边很多年。当有毒气体排放发生时，传感器有效地工作以检测有毒气体使得可以采取修复措施是重要的。

电化学传感器有时用在有毒气体检测器中作为传感单元。利用这些传感器，感兴趣的气体的存在造成将在传感器中引起可由合适的传感电路检测的电变化。电特性的示例包括电压、电阻、电抗、电容或任何其他合适的电参数。

发明内容

一种检测系统，包括电化学传感器。测量电路耦合到所述电化学传感器并被配置为测量所述电化学传感器的电特性。控制器耦合到所述测量电路并被配置为基于所测量的电特性来提供指示。所述控制控制器还被配置为对所述电化学传感器生成电干扰并获得传感器恢复简档，以提供与所述电化学传感器相关的诊断指示。

附图说明

图1是根据本发明实施例的使用电化学气体检测单元的气体检测系统的示意图。

图2是根据本发明实施例的气体检测器的框图。

图3A是属性-功能传感器的气体传感器响应相对于时间的示意图。

图3B是针对退化或者有一定量磨损的传感器的传感器恢复简档的示意图。

图4是根据本发明实施例的操作电化学传感器的方法的流程图。

具体实施方式

图1是根据本发明实施例的使用电化学检测单元的电化学检测系统的示意图。在一个具体实施例中，电化学检测系统是气体检测系统。然而，本发明实施例可适用于测试和电化学传感器。

系统10包括与传感器本体14耦合的电子器件外壳12。传感器本体14可包括与感兴趣气体反应生成可检测电响应的任何合适的电化学传感器。这些传感器的示例包括有毒气体传感器。传感器本体14的下部16被配置为暴露在环境空气中以检测感兴趣气体，并潜在地确定和提供与感兴趣气体有关的浓度指示。

传感器可检测的有毒气体可包括硫化氢、二氧化硫、一氧化碳、氯气、氨气等。传感器本体14内的传感器经由导管18与外壳12内的合适电子器件(如图2中所示)耦合。外壳12内的电子器件可以对传感器响应进行放大、线性化并以其他方式进行特性化以提供气体浓度的指示。可经由穿过导管20的过程连线，在过程通信环路或部分上提供该指示；经由报警或显示器在本地提供该指示；和/或经由合适的无线过程通信协议(例如IEC62591中指定的无线过程通信协议)无线地提供该指示。当提供气体检测的本地指示时，该指示可以是本地操作员界面的形式，本地操作员界面指示气体存在和/或浓度的显示、可听见或可看见的报警或其任意组合。

图2是根据本发明实施例的气体检测系统的框图。系统10包括电子器件外壳12,电子器件外壳12与传感器本体14耦合。在电子器件外壳12内布置有控制器22、通信模块24、电源模块26以及测量电路28。气体传感器30布置在传感器本体14内并与测量电路28耦合。

控制器22可以是能够与测量电路28交互以获得与传感器30有关的测量并基于测量提供气体存在和/或浓度的指示的任何合适的处理电路。在一个实施例中，控制器22能够执行一系列指令以编程地确定气体存在/浓度。在一个实施例中，控制器22是微处理器。控制器22与通信电路24耦合，以允许控制器22与过程控制和监控系统中的其他设备进行通信。通信电路24可包括允许控制器22根据过程工业标准通信协议(例如，高速可寻址远程换能器()协议、FOUNDATION^TM现场总线协议等)进行通信的电路。在一些实施例中，除了使用有线过程通信之外或不使用有线过程通信，系统10可以无线地进行通信。例如，在一个实施例中，通信电路24可提供无线过程通信，例如上文列出的根据IEC62591的协议。最后，通信电路24可提供本地输出(例如本地显示或报警)的通信。

电源模块26与外壳12内的所有组件耦合，如标有“到所有”的箭头所示。电源模块26被配置为从合适的源接收电能，并为外壳12内的电路提供电压调整或其他合适的供电调节。在一些实施例中，电源模块26可与有线过程通信环路耦合，使得系统10可从有线过程通信环路接收其全部的操作电能。在其他实施例中，电源模块26可与合适的AC或DC电源耦合。

测量电路28与控制器22耦合，并能够从传感器30获得测量并向控制器22提供其数字指示。测量电路28可包括模数转换器，合适的复用器或开关电路，以及放大和/或线性化电路。

根据本发明实施例，控制器22被配置为使测量电路28或其他合适电路短暂对气体传感器30生成电干扰，并随后监视传感器30的恢复简档。在一个实施例中，通过将传感器30的一个导体进行接地来生成干扰。当释放该短路时，因为传感器信号从接地状态转变为当前周边环境中的气体指示，测量电路28将获得来自传感器30的多个测量。包括恢复简档的多个测量基于测量电路28和恢复的持续时间。例如，如果测量电路28包括能够在一秒钟产生50次测量的模数转换器，则两秒时间顺序地获得并存储单独测量将生成100个采样。尽管恢复时段可以是固定时段，其还可以基于实现其预干扰值的稳态或者某固定百分比的传感器信号。由于测量本质上以基于测量电路20的固定频率上获得，控制器22存储多个测量值创建传感器30的恢复简档。恢复简档在两个重要方面上有用。首先，传感器恢复所需的总持续时间可指示传感器的正常工作。第二，取决于恢复持续时间的传感器信号幅度还可以对确定传感器是否正常工作是有用的。在一个实施例中，将恢复简档与传感器首次被任用时由传感器生成的或者设备制造商在制造期间存储在控制器22中的参考恢复简档进行比较。再者，只要技术人员或操作人指示传感器正在已知良好条件下操作，就可以在系统10被任用后生成参考恢复简档。

图3A是正常工作传感器的气体传感器恢复简档的示意图。如图3A所示，传感器输出在大约4100个单位处稳定地开始，并例如通过将传感器的一个引脚或导体接地在大约15的计数处受到电干扰。当该短路发生时，传感器输出快速增加至大约6200单位。在图3A示出的实施例中，短路事实上立即释放，并且传感器开始恢复。在计数90前，传感器已恢复并返回到指示气体浓度。

与此相反，图3B示出了劣化或者有一定量磨损的传感器恢复简档。如图3A一样，传感器初始读出约4100单位的值，并且在大约计数7处受到电干扰。传感器输出快速增加，但是达不到其应有程度。作为替代，传感器响应只增加到大约4900单位。电干扰再一次事实上立即释放，并且传感器开始恢复。传感器恢复要快得多，并且在计数37前，传感器已基本从干扰中恢复。然而，图3B与图3A相比，恢复时长比正常传感器(图3A)所经历的恢复时长实质上更短，或者至少事实上不同。此外，取决于时间的传感器信号幅值与图3A中所示的简档明显不同。这些恢复简档中的差异可用于计算或者推测未来传感器无法正常工作时的时间长度。因此，控制器22可将传感器恢复简档与参考恢复简档进行比较，以生成传感器剩余寿命的指示。此外，基于恢复信号简档，控制器22能够设置与电化学传感器或单元输出的信号是否有效有关的诊断状态指示。此外，该诊断指示可指示未来电化学单元输出可能无效的时间。

图4根据本发明实施例的操作电化学传感器的方法的流程图。方法100在框102处开始，在框102处，对电化学传感器生成电干扰。如上所述，该电干扰可以简单如将电化学传感器的导体之一接地。然而，可以向传感器提供其他形式的电干扰。接下来，在框104处，当传感器从在框102处生成的干扰中恢复时，获得传感器恢复简档。该传感器恢复简档优选地存储在控制器22的存储器中，使得一旦完成即可以对传感器恢复简档进行分析。在框106处，将传感器恢复简档与参考恢复简档进行比较。该参考恢复简档可由传感器制造商提供，或者由传感器在其首次被任用时生成。此外，当对于传感器存在已知的良好条件时，技术人员可生成参考恢复简档。在框108处，传感器恢复简档和参考恢复简档的比较用于设置与来自电化学传感器的信号是否有效有关的诊断状态指示。该指示可以是传感器是否到达其寿命终点以及是否不再有效。备选地，指示可以是未来传感器输出不再有效或不可信的时间。在框110处，将在框108处计算的剩余寿命与阈值进行比较。例如，阈值可以是六个月剩余寿命，一年剩余寿命，或任意其他合适的时间长度。基于该比较，控制器22可确定传感器寿命是可接受的，并且方法100在框112处结束。备选地，如果没有剩余足够的寿命或者传感器已经没有寿命，则控制进行到框114，在框114处生成合适的报警或通知。可以本地提供该报警或通知和/或通过过程通信环路或部分上提供该报警或通知。

Claims

1.一种检测系统，包括：

电化学传感器；

测量电路，所述测量电路与所述电化学传感器耦合并被配置为测量所述电化学传感器的电特性；

控制器，所述控制器与所述测量电路耦合，所述控制器被配置为基于所测量的电特性来提供指示；以及

其中所述控制器还被配置为对所述电化学传感器生成电干扰，获得传感器恢复简档，并提供与所述电化学传感器有关的诊断指示。

2.根据权利要求1所述的检测系统，其中，所述检测系统是气体检测系统，并且所述电化学传感器为所述电特性是响应于至少一种气体的电化学气体传感器。

3.根据权利要求2所述的检测系统，其中，所述至少一种气体包括有毒气体。

4.根据权利要求1所述的检测系统，其中，所述测量电路被配置为：基于来自所述控制器的信号，生成所述电干扰。

5.根据权利要求1所述的检测系统，其中，所述电干扰包括将所述电化学气体传感器的至少一个导体接地。

6.根据权利要求1所述的检测系统，其中，所述诊断指示包括对所述电化学传感器的剩余寿命的指示。

7.根据权利要求1所述的检测系统，其中，所述控制器被配置为存储所述传感器恢复简档，并将所述传感器恢复简档与参考恢复简档进行比较，以生成所述诊断指示。

8.根据权利要求7所述的检测系统，其中，所述控制器被配置为：将所述传感器恢复简档的持续时间和所述参考恢复简档的持续时间比较，以生成所述诊断指示。

9.根据权利要求7所述的检测系统，其中，所述控制器被配置为：将取决于时间的传感器恢复信号的幅度与所述参考恢复简档进行比较，以生成所述诊断指示。

10.根据权利要求7所述的检测系统，其中，所述控制器存储所述参考恢复简档。

11.根据权利要求1所述的检测系统，还包括耦合到所述控制器的过程通信电路，其中，所述过程通信电路被配置为根据过程通信协议进行通信。

12.根据权利要求11所述的检测系统，其中，所述控制器被配置为：使用所述过程通信电路通过过程控制环路来传送所述诊断指示。

13.一种诊断电化学传感器的方法，所述方法包括：

对所述电化学传感器生成电干扰；

在所述电干扰之后从所述电化学传感器获得多个测量，以获得传感器恢复简档；以及

将所述传感器恢复简档与参考恢复简档进行比较以生成诊断指示。

14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述电干扰包括将所述电化学传感器的至少一个导体接地。

15.根据权利要求13所述的方法，其中，所述诊断指示是对所述电化学传感器输出无效的指示。

16.根据权利要求13所述的方法，其中，所述诊断指示是对所述电化学传感器的剩余寿命的指示。

17.根据权利要求13所述的方法，其中，根据过程通信协议，传送所述诊断指示。

18.根据权利要求13所述的方法，其中，所述诊断指示是本地指示。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，所述本地指示是报警。

20.根据权利要求18所述的方法，其中，在气体检测系统的本地显示器上提供所述本地指示。