CN108918969A - 确定气体传感器条件的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本公开涉及确定气体传感器条件的系统和方法。电化学气体传感器中的阻抗可以通过下列方式测量：将集成电路中的至少一个引脚连接到电化学气体传感器中的至少一个电极；使用阻尼电容器将所述集成电路中的至少一个引脚连接到电气接地；向所述电化学气体传感器施加电压以向所述电化学气体传感器中的至少一个电极提供偏置电压；接收来自所述电化学气体传感器中至少一个电极的电流；从接收的电流确定测量的气体量；激活位于所述集成电路内的开关以将所述阻尼电容器与所述集成电路中的至少一个引脚隔离；以及使用激励信号测量所述电化学气体传感器的阻抗，同时至少一个阻尼电容器与所述电化学气体传感器中的至少一个电极隔离。

Description

确定气体传感器条件的系统和方法
相关申请的交叉引用
本专利申请还涉及：(1)同日提交的名称为“MULTIPLE STRING,MULTIPLE OUTPUTDIGITAL TO ANALOG CONVERTER”(代理人案卷No.3867.404US1；客户案卷No.APD 6092)、发明人名称为Shurong Gu、Dennis A.Dempsey、GuangYang Qu、Hanqing Wang和Tony YincaiLiu的美国专利申请，其公开内容通过引用整体并入本文，包括公开的双输出DAC；(2)同日提交的名称为“INTERNAL INTEGRATED CIRCUIT RESISTANCE CALIBRATION”(代理人案卷No.3867.407US1；客户案卷No.APD6100-1-US)、发明人名称为GuangYang Qu、LeichengChen和Michael Looney的美国专利申请，其公开内容通过引用整体并入本文，包括其公开的电阻测量或校准；和(3)同日提交的名称为“IMPEDANCE CHARACTERISTIC CIRCUIT FORELECTROCHEMICAL SENSOR”(代理人案卷No.3867.406US1；客户案卷No.APD606701US)、发明人名称为GuangYang Qu、Junbiao Ding、Tony Yincai Liu、Shurong Gu、Yimiao Zhao、Hanqing Wang和Leicheng,Chen的美国专利申请，其公开内容通过引用整体并入本文，包括其公开的电化学传感器的阻抗特性电路。
技术领域
本公开涉及用于确定电化学气体传感器的阻抗的系统和方法。
背景技术
某些电化学气体传感器可以使用至少一对电极来感测气体浓度。在三电极气体传感器中，流入或流出工作电极的电流可以提供与电化学气体传感器接触的气体浓度的指示。
发明内容
在具有电极的电化学气体传感器中，可以使用滤波器元件(例如电容器)来减少到达电极的电磁干扰量，从而提高电化学气体传感器的性能。然而，除其他事项外，本发明人已经认识到过滤器元件可以禁止传感器的诊断测试，其中诊断测试可以用于确定传感器的电解质的状态，其中电解质的性质可以改变，例如由于老化。除其他之外，发明人已经认识到临时隔离过滤器元件可能是有利的，例如便于传感器的诊断测试(例如阻抗测量)。
在一方面，本公开的特征可在于一种测量电化学气体传感器的阻抗的方法。该方法可包括将集成电路中的至少一个引脚连接到电化学气体传感器中的至少一个电极。该方法还可包括使用阻尼电容器，以将所述集成电路中的至少一个引脚连接到电气接地。该方法还可包括向所述电化学气体传感器施加电压以向所述电化学气体传感器中的至少一个电极提供偏置电压。该方法还可包括接收来自所述电化学气体传感器中至少一个电极的电流。该方法还可包括从接收的电流确定测量的气体量。该方法还可包括激活位于所述集成电路内的开关以将所述阻尼电容器与所述集成电路中的至少一个引脚隔离。该方法还可包括使用激励信号测量所述电化学气体传感器的阻抗，同时至少一个阻尼电容器可以与所述电化学气体传感器中的至少一个电极隔离。该方法还可包括然后将所述阻尼电容器连接至所述电化学气体传感器中的至少一个电极，并进一步以气体检测模式操作所述电化学气体传感器。该方法还可包括将集成电路的第一引脚连接到所述电化学气体传感器的工作电极；将集成电路的第二引脚连接到所述电化学气体传感器的参考电极；以及将集成电路的第三引脚连接到所述电化学气体传感器的反电极。该方法还可包括使用第一阻尼电容器将集成电路中的第一引线连接至电气接地，并使用第二阻尼电容器将集成电路中的第二引线连接至电气接地。该方法还可包括激活位于集成电路内的第一开关以将第一阻尼电容器与集成电路的第一引线断开，并且激活位于集成电路内的第二开关以将第二阻尼电容器与集成电路的第二引脚断开。该方法还可包括激活位于集成电路内的第三开关以失活位于集成电路内的滤波器电路。该方法还可包括使用第三阻尼电容器将第一偏置放大器端子连接至电气接地，并且使用第四阻尼电容器将第二偏置放大器端子连接至电气接地。该方法还可包括激活位于集成电路内的第三开关，以将第三阻尼电容器与第一偏置放大器端子断开，并且激活位于集成电路内的第四开关，以将第四阻尼电容器与第二偏置放大器端子断开。该方法还可包括在第一、第二、第三和第四开关被激活时测量电化学气体传感器的阻抗。
在一方面，本公开的特征可在于一种测量电化学气体传感器的阻抗的方法。该方法可包括从电化学气体传感器中的至少一个电极隔离至少一个阻尼电容器。该方法还可包括在所述至少一个阻尼电容器可以与所述电化学气体传感器中的至少一个电极隔离的同时测量所述电化学气体传感器的阻抗。该方法还可包括然后将所述阻尼电容器连接至所述电化学气体传感器中的至少一个电极，用于以气体检测模式操作所述电化学气体传感器。该方法还可包括将至少一个阻尼电容器从用于在电化学气体传感器中提供偏置电压到至少一个电极的偏置电路断开，然后在至少一个阻尼电容器可以与电路断开连接的同时测量电化学气体传感器的阻抗。该方法还可包括在至少一个阻尼电容器可以从电路断开的同时，使用0.2Hz至200kHz的频率范围内的激励信号来测量气体传感器的阻抗。
在一方面，本公开的特征可在于用于测量电化学气体传感器的气体浓度和阻抗的传感器接口电路。传感器接口电路可包括集成电路，包括被配置为连接到电化学气体传感器中的第一电极的第一引脚。传感器接口电路还可包括位于集成电路内的开关，当集成电路可以处于气体感测模式时开关被配置为将来自第一电极的噪声抑制电容器连接至电气接地，并且在集成电路可以处于阻抗测试模式时断开噪声抑制电容器。传感器接口电路还可包括偏置电路，被配置为提供偏置电压至电化学气体传感器中的电极。集成电路可被配置为当噪声抑制电容器可以断开时注入激励信号。集成电路可包括：第一引脚，被配置为连接到电化学气体传感器的工作电极；第二引脚，被配置为连接到电化学气体传感器的参考电极；以及第三引脚，被配置为连接到电化学气体传感器的反电极。集成电路可包括：第一开关，被配置为在集成电路处于气体感测模式时将来自工作电极的第一噪声抑制电容器连接至电气接地；以及第二开关，被配置为在集成电路处于气体感测模式时将来自参考电极的第二噪声抑制电容器连接至电气接点。所述第一开关和第二开关可被配置为同时被激活。所述第一开关和第二开关可被配置为在不同的时间被激活。集成电路可包括第三开关，被配置为在集成电路处于阻抗测试模式时失活位于集成电路内的滤波器电路。
附图说明
现在将参照附图以举例的方式描述本公开，在附图中：
图1示出了气体检测系统的图。
图2A和2B示出了测量气体检测系统中的阻抗的方法。
图3示出了操作气体检测系统的方法的图。
具体实施方式
在电化学气体传感器中，工作电极和参考电极之间可以保持偏置电压。噪声滤波器元件可以降低电磁兼容性(EMC)效应的噪声，例如来自相邻无线电频率源的辐射干扰。随着电化学气体传感器老化，工作电极与参考电极之间的阻抗等电气特性可能发生变化。除此之外，本发明人已经认识到，可以测量电化学气体传感器的阻抗，例如在激励频率的范围内，以便确定电化学气体传感器的性能特性(例如，传感器电解质的状态)，诸如可以指示传感器是否仍然可用、传感器寿命剩余多少、传感器信号的置信度等。除此之外，本发明人还认识到，例如通过测量电化学气体传感器的阻抗来暂时隔离过滤器元件以促进电化学气体传感器的诊断测试可能是有利的，因为噪声滤波器元件可衰减用于测量传感器阻抗的激励信号。
图1示出了气体检测系统100的示例图。气体检测系统100可包括电化学传感器110、传感器接口或传感器控制集成电路120以及电容器或类似噪声滤波器组件140、142。电化学传感器110可包括反电极112、参考电极114和工作电极116。传感器接口或传感器控制集成电路120可包括可编程或其它开关122和124、偏置放大器126、互阻抗放大器128、可编程或其它电阻器130和132、激励电路134和连接引脚136。有利地，开关122和124、偏置放大器126、互阻抗放大器128、可编程电阻器130和132以及激励电路134可以集成到单个集成电路上，例如传感器接口或传感器控制集成电路120，例如提供紧凑的设计，可节省空间并提供最小的占地面积。在操作期间，气体可以通过膜扩散或者可以与工作电极116相互作用。第一偏置电压(V偏置A)可以被施加到偏置放大器126的非反相端子。偏置放大器126可以调整施加到反电极112的输出电压，以便将参考电极114保持在第一偏置电压(V偏置A)。可以将第二偏置电压(V偏置B)施加到互阻抗放大器128的非反相端子。互阻抗放大器128可以调节输出电压(Vout)，例如在第二偏置电压(V偏置B)处的偏置放大器维持反相端子上的电压。电流可以在工作电极116和反电极112之间流动，其中电流的流动可以与电化学传感器110中的气体浓度成比例。在可以在工作电极116处发生氧化反应的示例中，电流可以从反电极112流入工作电极116。在工作电极116处发生还原反应的示例中，电流可以从工作电极116流到反电极112。流入或流出工作电极116的电流可以流过电阻器130和132，并且跨阻放大器128的输出端处的电压(Vout)可以提供指示流入或流出工作电极116的电流的电压信号，以提供与电化学气体传感器110的电极接触的气体浓度的指示。在例子中，第一偏置电压(V偏置A)和第二偏置电压(V偏置B)可以是相同的。例如由于电化学传感器110中的少量电解质(例如，水)，自由电子可以在工作电极116处产生。随着时间的推移，电化学传感器110可以降级，例如由于电解质(例如水)含量减少，导致自由电子产生和性能变化的减少。激励电路134可以在工作电极116和反电极112之间提供随时间变化的激励电压，从而确定电化学传感器110的性能变化。该变化可以反映为阻抗变化，例如工作电极116与反电极112之间的阻抗变化。激励电路134可以提供具有诸如从大约0.2Hz到大约200kHz的频率范围的激励信号。激励信号可以叠加或以其他方式添加到第一偏置电压(V偏置A)。参考电极114和工作电极116之间的阻抗可以基于对激励信号的测量响应来确定，例如通过测量跨阻放大器128的输出处的电压。跨阻放大器128的输出处的电压可以通过欧姆定律与已知流入或流出工作电极116的指定电流相关。频率范围内的阻抗测量可以提供关于电化学传感器110的性能的信息。例如，电化学传感器110的电解质(例如，水)含量可以根据频率范围内的阻抗测量来确定。在例子中，可以将测得的阻抗值与存储的阻抗值进行比较，以确定电化学传感器的电解质含量。在例子中，如果确定的电解质含量低于阈值，则可以发出警报并且可以更换电化学传感器110。
在气体检测系统100以气体检测模式工作的示例中，参考电极114和工作电极116之间的偏置电压可以是固定的并且是稳定的。参考电极114和工作电极116之间的偏置电压的变化会导致在工作电极116和反电极112之间流动的电流增加，例如会导致气体的错误检测。电化学传感器110可能容易受到电磁兼容性(EMC)影响，包括由于来自相邻射频源的辐射干扰而引起的影响。电容器或类似噪声滤波器组件140和142可以分别连接到参考电极114和工作电极116，诸如在气体感测操作模式期间，通过为电气接地提供低阻抗路径来降低EMC影响。然而，附加地，电容器或类似噪声滤波器组件140和142可能干扰阻抗测量，诸如由激励电路134执行的在一定频率范围内的阻抗测量。电容器或类似噪声滤波器组件140和142可能干扰阻抗测量，例如通过为0.2Hz以上频率的电气接地提供低阻抗路径。在例子中，在电容器或类似噪声滤波器组件140和142的存在下不能执行高于0.2Hz的频率范围内的阻抗测量。可操作可编程开关122和124可以被操作以将电容器或噪声滤波器组件140和142分别与工作电极112和参考电极114隔离，诸如在传感器诊断测试模式期间，诸如便于通过激励电路134进行阻抗测量。另外，可操作可编程开关122和124以将电容器或类似噪声滤波器组件140和142分别连接到工作电极112和参考电极114，以便当气体检测系统100在气体检测模式下运行时减少EMC效应。在例子中，电容器或类似噪声滤波器组件140和142可以包括具有至少10nF的值的电容器。
图2A示出了气体检测系统(例如气体检测系统100)的操作示例。在图2所示的示例中，气体检测系统可以在气体检测模式下操作持续时间T1的第一时间间隔。当在气体检测模式下操作时，诸如电容器或类似噪声滤波器组件140和142的滤波电容器可以分别连接到电化学传感器的工作电极和参考电极，例如通过为电气接地提供低阻抗路径来降低EMC效应。滤波电容器可以通过片上可编程开关(例如可编程开关122和124)连接到工作电极和参考电极。在持续时间T2的第二时间间隔期间，气体检测系统可以在阻抗测量模式下操作。在阻抗测量传感器诊断模式下工作时，滤波电容可以与工作电极和参考电极隔离，例如通过激活片上可编程开关将滤波电容与电极断开。第一时间间隔可以大于第二时间间隔，并且可以是周期性的或非周期性的，反复出现或不反复出现。在例子中，气体检测系统(例如气体检测系统100在大多数时间以气体检测模式运行)中，气体检测系统可以每天约一次的诊断模式运行，其中第一时间间隔可以具有大约一天的持续时间并且第二时间间隔可以具有大约一分钟的持续时间。在例子中，可以选择第二时间间隔的持续时间小于与工作电极或参考电极相关的时间常数。
在例子中，例如，阻抗测量可能在比工作电极或参考电极相关的时间间隔长的时间间隔内发生，气体检测系统可以在气体检测模式和阻抗测量模式之间交替以提供阻抗测量。图2B示出了可以以三个步骤执行阻抗测量的示例。气体检测系统可以在具有持续时间T1的第一时间间隔内以气体检测模式运行。在具有持续时间T2的第二时间间隔期间，气体检测系统可以在第一频率范围内以阻抗测量模式操作。在持续时间T3的第三时间间隔期间，气体检测系统可以在气体检测模式下操作。在具有持续时间T2的第四时间间隔期间，气体检测系统可以在第二频率范围内以阻抗测量模式操作。在持续时间T3的第五时间间隔期间，气体检测系统可以在气体检测模式下操作。在具有持续时间T2的第六时间间隔期间，气体检测系统可以在第三频率范围内以阻抗测量模式操作。第一、第二和第三频率范围上的阻抗测量可以被组合以形成频率范围上的阻抗测量。在例子中，频率范围可以从大约0.2Hz到大约200kHz，并且第一、第二和第三频率范围可以跨越大致相等的频率范围。在例子中，第一时间间隔可以持续大约一天，而第二、第三、第四、第五和第六时间间隔可以持续大约一分钟。
图3示出了操作气体检测系统(诸如气体检测系统100)的方法。片上可编程开关122可以提供滤波器电路(诸如电容器或类似噪声滤波器组件140和参考电极114)，片上可编程开关124可以提供诸如电容器或类似噪声滤波器组件142和工作电极116之类的滤波器电路之间的连接(步骤310)。偏置放大器126可以接收第一偏置电压(V偏置A)并且可以调整施加到反电极112的输出电压，以便将参考电极114保持在第一偏置电压(V偏置A)，并且跨阻放大器128可以接收第二偏置电压(V偏置B)并且可以调整输出电压，以便将反相端维持在第二偏置电压(V偏置B)(步骤320)。在执行电化学传感器110的阻抗测量之前，可以激活片上可编程开关122，例如从参考电极114断开电容器或类似噪声滤波器组件140并且片上可编程开关124可被激活，例如从工作电极断开电容器或类似噪声滤波器组件142(步骤330)。激励电路134可以向反电极112和工作电极116提供激励信号，并且可以基于对激励信号的测量响应来确定反电极112和工作电极116之间的阻抗(步骤340)。在阻抗测量之后，片上可编程开关122可以被激活，诸如将电容器或类似噪声滤波器组件140连接到参考电极114，并且片上可编程开关124可以被激活，例如将电容器或类似噪声滤波器组件142连接到工作电极116。气体检测系统100然后可以在气体检测模式下操作，其中在跨阻放大器128的输出处感测到的电压可以提供与电化学气体传感器110的电极接触的气体浓度的指示。

Claims (20)

1.一种测量电化学气体传感器的阻抗的方法，该方法包括：
将集成电路中的至少一个引脚连接到电化学气体传感器中的至少一个电极；
使用阻尼电容器将所述集成电路中的至少一个引脚连接到电气接地；
向所述电化学气体传感器施加电压以向所述电化学气体传感器中的至少一个电极提供偏置电压；
接收来自所述电化学气体传感器中至少一个电极的电流；
从接收的电流确定测量的气体量；
激活位于所述集成电路内的开关以将所述阻尼电容器与所述集成电路中的至少一个引脚隔离；
使用激励信号测量所述电化学气体传感器的阻抗，同时至少一个阻尼电容器与所述电化学气体传感器中的至少一个电极隔离。
2.权利要求1所述的方法，还包括然后将所述阻尼电容器连接至所述电化学气体传感器中的至少一个电极，并进一步以气体检测模式操作所述电化学气体传感器。
3.权利要求1所述的方法，包括：将集成电路的第一引脚连接到所述电化学气体传感器的工作电极；将集成电路的第二引脚连接到所述电化学气体传感器的参考电极；以及将集成电路的第三引脚连接到所述电化学气体传感器的反电极。
4.权利要求3所述的方法，包括：使用第一阻尼电容器将集成电路中的第一引线连接至电气接地，并使用第二阻尼电容器将集成电路中的第二引线连接至电气接地。
5.权利要求4所述的方法，包括：激活位于集成电路内的第一开关以将第一阻尼电容器与集成电路的第一引线断开，并且激活位于集成电路内的第二开关以将第二阻尼电容器与集成电路的第二引脚断开。
6.权利要求5所述的方法，包括：激活位于集成电路内的第三开关以失活位于集成电路内的滤波器电路。
7.权利要求5所述的方法，包括：使用第三阻尼电容器将第一偏置放大器端子连接至电气接地，并且使用第四阻尼电容器将第二偏置放大器端子连接至电气接地。
8.权利要求7所述的方法，包括：激活位于集成电路内的第三开关，以将第三阻尼电容器与第一偏置放大器端子断开，并且激活位于集成电路内的第四开关，以将第四阻尼电容器与第二偏置放大器端子断开。
9.权利要求8所述的方法，包括：在第一、第二、第三和第四开关被激活时测量电化学气体传感器的阻抗。
10.一种测量电化学气体传感器的阻抗的方法，该方法包括：
从电化学气体传感器中的至少一个电极隔离至少一个阻尼电容器；和
在所述至少一个阻尼电容器与所述电化学气体传感器中的至少一个电极隔离的同时测量所述电化学气体传感器的阻抗。
11.权利要求10所述的方法，还包括然后将所述阻尼电容器连接至所述电化学气体传感器中的至少一个电极，用于以气体检测模式操作所述电化学气体传感器。
12.权利要求11所述的方法，包括：将至少一个阻尼电容器从用于在电化学气体传感器中提供偏置电压到至少一个电极的偏置电路断开，然后在至少一个阻尼电容器与电路断开连接的同时测量电化学气体传感器的阻抗。
13.权利要求11所述的方法，还包括：在至少一个阻尼电容器从电路断开的同时，使用0.2Hz至200kHz的频率范围内的激励信号来测量气体传感器的阻抗。
14.用于测量电化学气体传感器的气体浓度和阻抗的传感器接口电路，所述传感器接口电路包括：
集成电路，包括被配置为连接到电化学气体传感器中的第一电极的第一引脚；
位于集成电路内的开关，当集成电路处于气体感测模式时开关被配置为将来自第一电极的噪声抑制电容器连接至电气接地，并且在集成电路处于阻抗测试模式时断开噪声抑制电容器；
偏置电路，被配置为提供偏置电压至电化学气体传感器中的电极。
15.权利要求14所述的传感器接口电路，其中所述集成电路被配置为当噪声抑制电容器断开时注入激励信号。
16.权利要求14所述的传感器接口电路，其中所述集成电路包括：第一引脚，被配置为连接到电化学气体传感器的工作电极；第二引脚，被配置为连接到电化学气体传感器的参考电极；以及第三引脚，被配置为连接到电化学气体传感器的反电极。
17.权利要求16所述的传感器接口电路，其中所述集成电路包括：第一开关，被配置为在集成电路处于气体感测模式时将来自工作电极的第一噪声抑制电容器连接至电气接地；以及第二开关，被配置为在集成电路处于气体感测模式时将来自参考电极的第二噪声抑制电容器连接至电气接点。
18.权利要求16所述的传感器接口电路，其中所述第一开关和第二开关被配置为同时被激活。
19.权利要求16所述的传感器接口电路，其中所述第一开关和第二开关被配置为在不同的时间被激活。
20.权利要求16所述的传感器接口电路，其中所述集成电路包括第三开关，被配置为在集成电路处于阻抗测试模式时失活位于集成电路内的滤波器电路。
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