CN109844511A - 可燃气体传感器和用于经由可燃气体传感器的脉冲操作来识别可燃气体种类的方法 - Google Patents

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Abstract

一种可燃气体传感器，包括第一感测元件，其包括催化剂和加热元件，加热元件与催化剂操作地连接，以将催化剂加热至高于燃烧所关注的气体分析物的温度，以及电子电路，其与第一感测元件的加热元件操作地连接，以在高于燃烧所关注的分析物的温度的温度与催化剂基本无活性来催化所关注的分析物的氧化燃烧的温度之间周期性地循环第一感测元件。电子电路适于在循环持续时间内的ON时间期间，从可燃气体传感器的第一输出确定所关注的气体分析物中的至少一种气体分析物的种类。电子电路进一步适于从可燃气体传感器的第二输出确定该种类的气体的浓度。

Description

可燃气体传感器和用于经由可燃气体传感器的脉冲操作来识 别可燃气体种类的方法
相关专利申请的交叉引用
本申请要求2016年11月4日提交的美国专利申请第15/343,956号的权利，其公开内容以引用方式并入本文。
背景技术
提供以下信息以帮助读者理解下面公开的技术以及这些技术可能的常见使用环境。除文中有明确说明外，本文中所使用的术语并非旨在被限定于任何具体的狭义阐释。本文阐明的引用可以帮助理解本发明的技术或背景。本文引用的所有参考文献的公开内容均以引用方式并入本文。
催化或可燃(易燃)气体传感器已使用多年，例如用于防止由可燃或易燃气体的爆炸引起的事故。一般来讲，可燃气体传感器通过可燃气体的催化氧化来操作。如图1A和图1B所示，传统的可燃气体传感器10通常包括诸如封装在耐火(例如，氧化铝)珠30内的铂元素导线或线圈20等元件，耐火珠30浸染有催化剂以形成活性或感测元件，活性或感测元件有时被称为P元件(pelement)40、载体催化传感器(pellistor)、检测器或感测元件。在Mosely,P.T.and Toffeld,B.C.,ed.,Solid State Gas Sensors,Adams Hilger Press,Bristol,England(1987)中可以找到P元件和包括这种P元件的催化可燃气体传感器的详细讨论。在Firth,J.G.et al.,Combustion and Flame 21,303(1973)以及Cullis,C.F.,andFirth,J.G.,Eds.,etection and Measurement of Hazardous Gases,Heinemann,Exeter,29(1981)中也对可燃气体传感器进行了概括性讨论。
珠30将对除了能够改变其输出的催化氧化之外的现象(即改变珠上的能量平衡的任何现象)做出反应，并且从而在可燃气体浓度测量中产生误差。这些现象包括环境温度变化、湿度变化和压力变化。
为了使次级效应对传感器输出的影响最小化，可燃气体的氧化率可以依照感测元件或P元件40的电阻相对于非活性补偿元件或P元件50中包含的基准电阻的变化来测量。两个电阻通常为诸如图1B中所示的惠斯通(Wheatstone)电桥电路等测量电路的部分。当存在可燃气体时，横穿电桥电路所显现的输出或电压提供了可燃气体浓度的测量。补偿P元件50的特性通常与活性或感测P元件40尽可能紧密地匹配。然而，补偿P元件50通常不载有催化剂或者失活/中毒催化剂。
例如，活性或感测P元件40以及补偿P元件50能够配置在防爆壳体70的阱60a和60b内，并且能够通过诸如多孔金属熔块80等回火保险器与周围环境分离。多孔金属熔块80允许环境气体进入壳体70内，但是防止周围环境中的易燃气体通过热元件点火。这种催化气体传感器通常安装在这样的仪器中：在一些情况下，该仪器必须是便携的，并因此，必须载有其自身的电源。因此，期望使得催化气体传感器的功耗最小化。
催化可燃气体传感器的操作通过电探测氧化催化剂上可燃气体的反应热来进行，通常通过检测如上所述的惠斯通电桥的电阻变化。例如，氧化催化剂可以在350-600℃的温度范围内操作以进行甲烷检测。传感器必须通过电阻加热充分加热P元件。一般地，加热和检测元件(元件20)是同一元件。通常使用铂合金，因为其具有较大的电阻温度系数，导致靶或分析物气体中的大信号。
如上所述，加热元件可以是细线的螺旋线圈。加热元件也可以是形成为热板或其它类似物理形式的平面曲折。被加热的催化剂通常包括分散在耐火催化剂基质上的活性金属催化剂。通常，活性金属是一种或多种贵金属，诸如钯、铂、铑、银等，并且耐火金属氧化物载体由铝、锆、钛、硅、铈、锡、镧等的一种或多种氧化物组成，其可具有或不具有大于75m2/g的高比表面积。载体和催化金属前体可以使用本领域已知的厚膜或陶瓷浆料技术在一个步骤中或多个分开步骤中被粘附到加热元件上。通常，在制造过程中加热催化金属盐前体以将其分解为期望的分散活性金属、金属合金和/或金属氧化物。
形成在螺旋线加热器上的氧化催化剂通常被称为P元件，而形成在热板(无论是微电子机械系统(MEMS)加热板还是传统的较大热板)上的氧化催化剂有时被称为基质。在本文中，形成在MEMS加热元件上的氧化催化剂有时称为MEMS载体催化传感器。如上所述，检测P元件或催化活性热板可以与类似尺寸的加热器配对，该加热器涂覆有与活性催化剂具有相似热导率但没有活性位点的材料。非活性P元件或热板可以用于补偿环境温度、相对湿度或与可燃气体无关的背景热导率的变化，因此通常称为补偿器。匹配的检测和补偿元件对可以被组装在惠斯通电桥配置中，用于操作和可燃气体检测，这要求检测器和补偿器均在相同的升高温度下操作。备选地，补偿器功能可以通过使用检测P元件或热板实现，检测P元件或热板使用如美国专利第8,826,721号所教导的电控独立电桥电路远低于最低氧化温度来操作。由于切换活性检测器P元件或热板，独立电桥电路操作模式的优点包括节省功率和延长寿命。
众所周知，氧化催化剂可能由于催化剂毒物和抑制剂而失去活性，如含有硅酮、硫、磷和铅的化合物，这些化合物从气相进入催化剂但与固体催化剂表面结合。为了改善环境毒物的影响，催化可燃传感器可以包括在活性催化剂上游的过滤材料以捕获抑制的或有毒的化合物。这种过滤器可以，例如，依赖于物理吸附、化学吸附、化学反应或其组合作用来增加可燃传感器的跨度、稳定性和寿命。过滤器可以，例如，包括各种金属盐、活性炭、吸附金属氧化物或其组合，已经发现它们会降低到达催化剂的毒物的有效浓度。例如，参见美国专利第US6,756,016号。将上游过滤添加到可燃传感器的结果是，可以缩短跨度和对所关注的可燃气体的响应时间(尤其是当使用表面积大于75m2/g的吸附剂或使用厚过滤器时，针对重质烃)。上游过滤不限于外部过滤器，并且可以包括直接涂覆在催化剂表面的材料。
发明内容
在一个方面，一种可燃气体传感器包括：第一感测元件和电子电路，第一感测元件包括催化剂和加热元件，加热元件与催化剂操作地连接，以将催化剂加热至高于燃烧所关注的气体分析物的温度，电子电路与第一感测元件的加热元件操作地连接，以在高于燃烧所关注的分析物的温度的温度与催化剂基本无活性来催化所关注的分析物的氧化燃烧的温度之间周期性地循环第一感测元件。电子电路适于在循环持续时间内的ON时间期间，从可燃气体传感器的第一输出来确定所关注的气体分析物中的至少一种气体分析物的种类。电子电路进一步适于从可燃气体传感器的第二输出来确定该种类气体的浓度。例如，在ON时间期间催化剂可以被加热至高于燃烧甲烷的温度。可燃气体传感器可以进一步包括第一补偿元件，第一补偿元件与电子电路操作地连接。
在一些实施例中，第一感测元件具有8秒或更小的热常数，或者6秒或更小的热常数。第一感测元件可以，例如，包括MEMS载体催化传感器或低热质量P元件，以提供8秒或更小(或6秒或更小)的热常数。
在一些实施例中，循环持续时间期间的ON时间在100毫秒至1秒之间。在一些实施例中，循环持续时间期间的ON时间在300毫秒至500毫秒之间。第一感测元件的周期性循环的占空比可以，例如，在5％至12％的范围内。在一些实施例中，第一感测元件的周期性循环的占空比在8％至11％的范围内。
可以分析单个循环的动态输出以在其可燃气体传感器达到稳定输出之后，或在可燃气体传感器达到稳定输出之前，确定第一输出和所关注的气体分析物中的至少一种气体分析物的种类。
可燃气体传感器可以进一步包括壳体，壳体包括入口。第一感测元件可以被定位在壳体内。可燃气体传感器可以进一步包括至少一个过滤器，该至少一个过滤器适于(部分地或完全地)去除所关注的分析物之外的至少一种物质。
例如，浓度可以是预定的阈值浓度(例如，与爆炸下限或LEL相关的阈值浓度)，并且电子电路还适于生成报警信号。阈值浓度的确定可以，例如，发生在可燃气体传感器的输出信号或响应达到稳定输出之前。在达到稳定输出时或在输出信号/响应达到稳定输出之前，可燃气体传感器可以进一步确定周围环境中所关注的气体分析物中所述种类的至少一种气体分析物的浓度。
在另一方面，一种操作可燃气体传感器的方法(其中，可燃气体传感器具有第一感测元件和电子电路，第一感测元件包括催化剂和加热元件，加热元件与催化剂操作地连接，以将催化剂加热至高于燃烧所关注的气体分析物的温度，电子电路与第一感测元件的加热元件操作地连接)，包括经由电子电路，在高于燃烧所关注的分析物的温度的温度与催化剂基本无活性来催化所关注的分析物的氧化燃烧的温度之间周期性地循环第一感测元件。电子电路在循环持续时间内的ON时间期间，从可燃气体传感器的第一输出来确定所关注的气体分析物中的至少一种气体分析物的种类，并且从可燃气体传感器的第二输出来确定该种类气体的浓度。可燃气体传感器可以进一步包括第一补偿元件，第一补偿元件与电子电路操作地连接。在一些实施例中，在ON时间期间催化剂被加热至高于燃烧甲烷的温度。
第一感测元件可以，例如，具有8秒或更小(或6秒或更小)的热常数。如上所述，第一感测元件可以，例如，形成为MEMS载体催化传感器或低热质量载体催化传感器。在一些实施例中，循环持续时间期间的ON时间在100毫秒至1秒之间，或300毫秒至500毫秒之间。第一感测元件的周期性循环的占空比可以，例如，在5％至12％或8％至11％的范围内。
如上所述，分析单个循环的动态输出来确定第一输出和所关注的气体分析物中的至少一种气体分析物的种类。例如，可以在可燃气体传感器达到稳定输出之后或可燃气体传感器达到稳定输出之前执行种类的确定。例如，在循环持续时间内的ON时间期间，可以从可燃气体传感器的动态输出来确定多于一种所关注的气体分析物的种类。
在一些实施例中，可燃气体传感器进一步包括具有入口的壳体，并且第一感测元件被定位在壳体内。该方法可以，例如，进一步包括提供至少一个过滤器，其中该至少一个过滤器(部分地或完全地)去除所关注的分析物之外的至少一种物质。
如上所述，所确定的浓度可以是，例如，预定的阈值浓度，并且电子电路可以进一步生成报警信号。
在又一方面，一种识别多种所关注的气体分析物中的至少一种气体分析物的方法，包括在高于燃烧所关注的多个分析物的温度的温度与催化剂基本无活性来催化所关注的分析物的氧化燃烧的温度之间周期性地循环第一感测元件，第一感测元件包括该催化剂并且具有小于8秒的热时间常数，以及在循环持续时间内的ON时间期间，从可燃气体传感器的输出来确定所关注的气体分析物中的至少一种气体分析物的种类。在一些实施例中，热时间常数为小于6秒。
在又一方面，一种系统，包括第一可燃气体传感器，第一可燃气体传感器包括具有第一入口的第一壳体，与壳体的第一入口操作地连接的第一过滤器，以及壳体内的第一感测元件。第一感测元件包括第一催化剂和第一加热元件，第一加热元件与第一催化剂操作地连接，以将第一催化剂加热至高于燃烧第一可燃气体传感器所关注的气体分析物的温度。第一可燃气体传感器进一步包括第一电子电路，第一电子电路与第一感测元件的第一加热元件操作地连接，以在高于燃烧第一可燃气体传感器所关注的分析物的温度的温度与催化剂基本无活性来催化第一可燃气体传感器所关注的分析物的氧化燃烧的温度之间周期性地循环第一感测元件。第一过滤器适于去除第一可燃气体传感器所关注的分析物之外的至少一种物质。第一电子电路适于在第一可燃气体传感器的循环持续时间内的ON时间期间，从第一可燃气体传感器的第一输出来确定第一可燃气体传感器所关注的气体分析物中的至少一种气体分析物的种类。第一电子电路进一步适于从第一可燃气体传感器的第二输出来确定该种类气体的浓度。
系统进一步包括第二可燃气体传感器，第二可燃气体传感器包括具有第二入口的第二壳体，不同于第一过滤器、与第二入口操作地连接的第二过滤器，以及壳体内的第二感测元件。第二感测元件包括第二催化剂和第二加热元件，第二加热元件与第二催化剂操作地连接，以将第二催化剂加热至高于燃烧第二可燃气体传感器所关注的气体分析物的温度。第二可燃气体传感器进一步包括第二电子电路，第二电子电路与第二感测元件的第二加热元件操作地连接，以在高于燃烧第二可燃气体传感器所关注的分析物的温度的温度与催化剂基本无活性来催化第二可燃气体传感器所关注的分析物的氧化燃烧的温度之间周期性地循环第二感测元件。第二过滤器适于去除第二可燃气体传感器所关注的分析物之外的至少一种物质。第二电子电路适于在第二可燃气体传感器的循环持续时间内的ON时间期间，从第二可燃气体传感器的瞬时第一输出来确定第二可燃气体传感器所关注的气体分析物中的至少一种气体分析物的种类。第二电子电路进一步适于从第二可燃气体传感器的第二输出来确定该种类气体的浓度。
结合以下详细描述和附图，可以更好地领会和理解本发明的设备、系统和方法及其属性和优势。
附图说明
图1A示出传统可燃气体传感器的实施例。
图1B示出惠斯通电桥电路的放大视图，该电路包括图1A的可燃气体传感器的感测元件和补偿元件。
图2示出用于本发明的检测器实施例中的传感器接口电子器件示意图。
图3A示出本发明的MEMS载体催化传感器的实施例。
图3B示出本发明的安装在印刷电路板上的MEMS感测载体催化传感器和MEMS补偿器载体催化传感器。
图3C示出包括如图3A和/或3B所示的多个可燃气体传感器的系统，其中，每个可燃气体传感器包括不同的过滤器。
图4A示出本发明的检测器在350毫秒的脉冲内对各种甲烷气体水平的响应。
图4B示出以7.5s的间隔引入氢气350毫秒脉冲前后的检测器输出，其中，所列数据是具有不同第一脉冲偏移的研究的综合。
图4C示出以3.5s的间隔引入戊烷气350毫秒脉冲前后的检测器输出。
图5示出针对甲烷、氢气、丙烷气体和戊烷气体的传感器输出曲线。
图6示出针对甲烷气体、氢气、庚烷气体和戊烷气体的催化氧化起燃曲线。
图7示出低质量P元件的传感器输出。
具体实施方式
应当理解，除本文所描述的代表性实施例外，本发明附图中一般描绘和展示的实施例的部件可以布置和设计为许多不同的构成方式。因此，在此声明，下文中对附图所示代表性实施例的具体描述仅表示对代表性实施例的说明，并非旨在限定这些实施例的范围。
本说明书中所有的“一种实施例”或“实施例”(诸如此类)意为与所述实施例相关的某个具体特征、结构或特性存在于至少一种实施例中。因此，在本说明书中多处出现的“在一种实施例中”或“在实施例中”之类的短语均不一定表示同一实施例。
此外，所描述的特征、结构或特性可以以一种或多种实施例中的恰当方法进行组合。在以下描述中，提供了许多具体细节以便充分理解各实施例。但是，相关领域技术人员应当理解，本发明的各种实施例可以在缺少一个或多个具体细节，或结合其他方法、部件、材料等的情况下实施。在其它情况下，未示出或未详细描述熟知的结构、材料或操作，以避免混淆。
在本发明说明书及权利要求中，除上下文另有明确说明外，单数形式“一个”、“一”和“所述”均包括复数。因此，例如，“一个元件”包括多个此类元件及本领域技术人员熟知的同等替代物等，“所述元件”表示一个或多个此类元件及本领域技术人员熟知的同等替代物等。本文中引用数值范围的目的仅在于作为避免逐个引用范围内各个数值的简略方法。除非有明确说明，否则本说明书中包含的每个单独数值和中间范围视为逐个引用。除非另有说明或明显与本发明文本相悖，否则本发明中描述的所有方法都可以以任何恰当的顺序执行。
本文使用的术语“电子电路”、“线路”或“电路”包括但不限于硬件、固件、软件或其各自的组合以执行功能或动作。例如，基于特征或需要，电路可以包括软件控制微处理器、诸如专用集成电路(ASIC)等离散逻辑，或其它编程逻辑设备。电路也可以完全用软件实现。如本文所使用的，“电路”被认为是“逻辑”的同义词。本文使用的术语“逻辑”包括但不限于硬件、固件、软件或其各自的组合以执行功能或动作，或引起其它部件的功能或动作。例如，基于期望应用或需要，逻辑可以包括软件控制微处理器、诸如专用集成电路(ASIC)等离散逻辑，或其它编程逻辑设备。逻辑也可以完全用软件实现。
本文使用的术语“处理器”包括但不限于几乎任意数量的处理器系统或独立处理器(如微处理器、微控制器、中央处理单元(CPU)、数字信号处理器(DSP)及其任意组合)中的一个或多个。处理器可以与支持处理器操作的各种其它电路相关联，如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、时钟、解码器、内存控制器或中断控制器等。这些支持电路可以位于处理器及其相关电子封装的内部或外部。支持电路与处理器可操作地通信。在框图或其它附图中，支持电路不一定与处理器分开示出。
本文使用的术语“软件”包括但不限于使得计算机或其它电子设备以期望方式执行功能、动作或行为的一个或多个计算机可读或可执行指令。指令可以以各种形式体现，例如包括单独的应用程序或来自动态链接库的代码的例程、算法、模块或程序。软件还可以以各种形式实现，如独立程序、函数调用、小服务程序、小应用程序、存储在存储器中的指令、部分操作系统或其它类型的可执行指令。本领域普通技术人员将理解，软件的形式取决于，例如，期望应用的要求、其运行环境，或设计者/程序员等的期望。
在若干实施例中，脉冲宽度调制用于控制传递至热板的能量。脉冲宽度调制是众所周知的控制技术，用于控制平均功率和/或传递至负载的能量。在本发明的实施例中，；例如，将电压提供给MEMS热板或其它加热元件，以将负载催化剂加热至期望温度。由于本发明的pellister或P元件的热质量相对较低，循环时间可以相对较短。
在“ON时间”期间，加热能量(即加热电压或加热电流)可以周期性地供应至加热元件。在“REST时间”期间，可以供应小于加热能量的静止能量(即静止电压或静止电流)。较高能量或ON时间加上较低能量或REST时间的总和对应于循环时间或循环持续时间。在ON时间期间测量气体浓度或分析物。在ON时间期间供应的加热能量(电压/电流)在ON时间期间可以是恒定的，或者可以变化(例如，作为加热电压/电流平台或作为加热电压/电流斜坡供应)。静止能量(电压/电流)可以等于零，或者足够低于加热能量，从而使气体传感器不消耗任何气体或基本上不消耗待检测气体。与ON时间类似，在REST时间期间供应的静止能量在所有REST时间期间可以是恒定的，或者可以是变化的(例如，作为静止电压/电流平台或作为静止电压/电流斜坡供应)。可以重复该循环。
传统催化可燃气体检测器在惠斯通电桥中运行，例如，如结合图1B所描述的，以恒定电流或恒定电压运行。如上所述，每当传感器运行时，为这些传感器供电以在例如350-600℃的温度范围内运行P元件或热板。该操作模式可以称为“连续”操作模式。另一种替代操作模式尤其适用于低质量P元件或MEMS热板/载体催化传感器，用于在脉冲功率模式下快速加热和冷却检测器。低质量元件，例如，在美国专利第8,826,721号中有所描述，该专利的公开内容以引用方式并入本文。与连续模式相比，以脉冲模式操作的优点在于功耗显著降低。另一个优点在于，与在350-600℃的运行温度下连续为催化剂供电相比，在无动力或低动力运行期间(即在REST时间期间)在较冷温度下吸附催化剂上的过量可燃气体可以改善跨度响应。
如本文所用的，术语“MEMS载体催化传感器”是指通过微制造技术制造的尺寸小于1mm的传感器构件。在许多代表性实施例中，本发明中形成为MEMS载体催化传感器的感测元件可以用厚膜催化剂制造，通过电阻加热提升至工作温度并用于检测可燃气体。在一些代表性实施例中，MEMS催化剂膜的厚度和直径分别为15微米和650微米。
图2中示意性地示出本发明的许多研究中使用的MEMS载体催化传感器100(参见图3A和3B)的实施例的电子电路的代表性实施例。例如，如结合图1B所述的，MEMS载体催化传感器100的输出可以通过将其连接为惠斯通电桥的两个臂来测量。与电阻的相对变化的方法相比，这种输出测量方法直接并可靠。在一些研究中，使用了代表性的6V DC电源，通过线性电压调节器将其调节为稳定的5V。1.25V电压基准用于偏置输出放大器。所研究实施例中的驱动波形由PicoScope示波器提供，该示波器可从Pico Technology of Tyler,Texas获得。惠斯通电桥由可以从Texas Instruments of Dallas,Texas获得的OPA567高电流高速放大器驱动。驱动电压感测电路使用电桥感测线监测整个传感器的电压。驱动电压感测电路检查驱动放大器是否正常工作以及传感器是否连接正确。在所研究实施例中，电流感测放大器使用固定增益高侧电流感测集成电路或IC，其具有非常低的偏移电压以允许使用小分流电阻器。通过在电缆补偿反馈回路中包含电流感测分流器，分流电阻不会影响传感器的电压。选择分流电阻和放大器增益以使增益为25V/A(即标称传感器电流为40mA时的1V输出)。输出放大器将差分电桥输出信号转换为示波器的单端电压。还提供一些放大以减少噪音的影响。印刷电路板(PCB)上的传感器接口由用于电桥驱动和感测的2x2针LEMO推/拉连接器(可从LEMO USA,Inc.of Rohnert Park,California获得)以及用于MEMS载体催化传感器输出节点单个BNC连接器形成。保持传感器的电子器件部件分为两部分。较大保持件PCB(未示出)支撑LEMO和BNC连接器，传感器100安装在廉价的小传感器分支PCB200上。
图3A示出MEMS载体催化传感器的实施例的剖面图，其包括具有气体入口110的壳体102。筛网或盖120可以包括或用作过滤器130，并且可以，例如，布置为与入口110相连。例如，在载体催化传感器100中使用的能量(电流和电压)可以，例如，足够低以提供本质安全性，使得可以不需要可燃气体检测器领域中已知的回火防止器。回火防止器(例如，多孔熔块)允许环境气体进入壳体，但防止周围环境中的可燃/易燃气体通过壳体内的热元件点火。一个或多个加热元件或热板140可以用于将氧化催化剂层150加热至工作温度。MEMS补偿元件或补偿器可以包含在MEMS载体催化传感器100内。如上所述，MEMS补偿器可以包括非活性层150'，非活性层150'可以由一个或多个加热元件或热板140'加热。备选地，层150'可以包括活性催化剂，并且以足够低的温度操作以防止可燃气体的氧化。如上所述，MEMS载体催化传感器100被安装在PCB 200上。在许多研究中，可以从SGX Sensortech,SA ofCorcelles-Coromondreche,Switzerland获得的SGX MP7217载体催化传感器用于本发明所研究的系统中。
图4A示出本发明的检测器在350毫秒的供电脉冲或ON时间内对各种甲烷水平的响应。图4B和4C分别示出用于确定本发明的检测器对于氢气和丙烷气体的t90(即达到完全响应的90％的时间)的研究。为了在图4B和4C的研究中计算t90，使用每脉冲算法。确定每个on时间脉冲的最大值。确定这些点的最小值和最大值，并用最大值减去最小值。对每脉冲最大值曲线进行插值以找出以下时间：(a)读数上升至跨度的最小值+2％以上时；(b)读数上升至跨度的最小值+90％以上时。这两个时间用于提供t90值。图4B示出本发明的检测器对引入氢气的响应，其中加热元件的功率以350毫秒(0.35秒)的ON时间和7.5秒的循环持续时间循环。图4B示出用变化的第一ON时间偏移运行得出的复合数据。对于所研究的非优化试验传感器，确定了t90为4.1秒。图4C示出本发明的非优化试验传感器对引入丙烷气体的响应，其中加热元件的功率以350毫秒的ON时间和3.5秒的循环持续时间循环。对于所研究的试验传感器，确定了t90为56.1秒。
在本发明的一些研究中，在以脉冲模式操作的本发明的催化可燃气体检测器达到可燃气体浓度恒定的稳定输出之后，对单个脉冲响应的检查产生了关于气体化学成分的附加信息。这是因为当功率循环时，与催化剂的加热斜坡一起观察到的无功率或低功率催化剂(即在REST时间期间)上的吸附作用导致的。传感器内与感测元件接触的分析物气体的浓度最终达到与环境的浓度平衡。在达到平衡之前，由传感器检测的浓度逐渐增加。在达到平衡后，输出可以被认为是“稳定的”。例如，当输出变化小于预定时间段的预定量时，可以认为达到输出平衡或稳定。例如，稳定可以定义为间隔2分钟的三个连续读数指示没有大于测量范围±1％的变化。图5示出来自催化MEMS载体催化传感器100的惠斯通电桥输出，其中匹配检测和补偿元件(如上所述)在时间＝0时具有功率脉冲，并且在浓度低于爆炸水平(LEL)50％时对氢气、丙烷、戊烷和甲烷产生合成响应。图5还示出25％LEL下针对甲烷的输出。4毫秒的初始峰值归因于两个匹配热板140和140'的电子加热效应。然而，其大小似乎因化学物质而变化。图5说明当传感器暴露于50％LEL甲烷时，增加的浓度曲线提供与25％LEL曲线相同的“起燃”信息。如图5所示，每个响应曲线将导致识别或种类形成为甲烷。图5表明，不需要等待环境的浓度稳定以实现识别或种类形成。
在初始峰值之后，350毫秒ON时间的检查显示出与图6所示的通过在存在可燃气体的条件下温度升高催化剂获得的经典催化剂起燃曲线相似的定性行为。在常见的碳氢化合物中，甲烷需要最高的燃烧温度，氢需要低温，并且较大的烷烃介于两者之间，其中碳链从长到短需要从低到高的起燃温度。在图5中，该起燃顺序可以，例如，通过脉冲数据获得，例如，通过测量达到限定输出所需要的时间(例如，30mV输出)，其对应于H2<C5<C3<C1的顺序。对于产生30mV所需的电压，该顺序与图6中催化剂上观察到的顺序相同，其对应于H2<C7<C5<C1的顺序。对于脉冲操作模式，起燃信息还与图5中4毫秒处的初始通电峰值所展示的跨度的顺序相关，其中C1<C3<C5<H2。
在浓度方案中，脉冲数据和催化剂起燃数据之间存在其它相似性。具体而言，25％和50％LEL的初始甲烷响应在短时间内独立于浓度表现出类似的脉冲形状。不受任何机制的限制，甲烷的最活跃位点将在起燃曲线开始处在相同温度下氧化所吸附的气体。这与在25％和50％LEL甲烷的低起燃电压下观察到的行为相同。
众所周知，以连续模式操作的传统可燃传感器根据目标可燃气体的浓度和化学特性达到稳态值。检测器制造商在试验和理论上确定目标气体对校准气体的跨度响应的预期比率，并公布“响应因子”表以帮助量化已知目标气体。参见图5，ON时间脉冲开启超过150毫秒后的值与超过甲烷起燃温度的图6所示的类似化学氧化催化剂系统中的响应因子相当好地相关联。因此，除了新的起燃信息之外，脉冲模式还提供当前从连续操作的催化可燃传感器获得的所有信息。
对本发明检测器的研究表明，在本发明的一些实施例中，ON时间持续时间可以，例如，在100毫秒至1秒的范围内或在300毫秒至500毫秒的范围内。在一些实施例中，ON时间持续时间保持尽可能短以改善响应时间。在一些实施例中，占空比可以，例如，在5％至12％的范围内。在一些实施例中，ON时间约为350毫秒(即等于该值或在该值的10％之内)，并且占空比约为10％(即等于该值或在该值的20％之内)。在代表性实例中，循环时间或循环持续时间为4000ms，在此期间，ON时间为350ms并且REST时间为3650ms。因此，占空比为8.75％。
目前可用的传感器利用惠斯通电桥以恒定电压或恒定电流操作，因此，使用目前可用的传感器获得起燃型数据非常困难且非常缓慢。在低温下长时间运行催化剂的一个问题是形成不完全燃烧产物，如固体碳，称为焦炭，焦炭可以使催化剂对氧化反应失活并缩短跨度。此外，许多传统P元件需要大约几十秒来加热至起燃温度，这对于代理商和可燃传感器用户所要求的响应时间来说过长，是不切实际的。
相反地，使用本发明的快速脉冲技术确定或识别可燃气体的种类以快速获得与化学组分相关的信息是快速可行的。本发明的方法论对于形成在MEMS热板加热器或细线螺旋加热器上的低质量催化传感器尤其有效。如上所述，传统的连续模式操作可以使用制造商公布的响应因子提供关于已知目标气体的定量信息。然而，传统催化可燃传感器无法识别目标气体，必须使用单独的工业卫生方法来实现，工业卫生方法涉及更具体、更复杂、更昂贵且更可能的离线检测器，如气相色谱法、红外光谱法、质谱法等。具有化学种类形成能力的催化可燃检测器极大地改善了可燃气体检测器安全技术领域的状态。
此外，系统300中的脉冲传感器阵列(参见图3C)可以被定位在不同的过滤材料后面，以允许进一步的化学种类和浓度确定。本发明的检测器可能的低功率要求利用比使用目前可用的连续模式技术更可行的传感器阵列。例如，活性炭可以允许轻质烃分析物(包括甲烷、氢气和甲醇)进入催化剂，同时阻挡较长链的烃。另一实例是由诸如硅胶等亲水性吸附剂制成的过滤器，其允许烷烃通过同时阻挡诸如醇或胺等极性物质。在文献中有许多关于吸附剂气相色谱柱按化学物质的种类优先过滤的实例。当应用于可燃载体催化传感器的上游时，这些过滤器可以单独或组合使用以允许具有特定化学特性的分析物通过。图3C示意性地示出包括，例如，如上文结合图3A和3B所述的三个传感器100的系统。系统300的每个传感器100可以，例如，包括至少一个滤波器130、130a、130b和130b'，其中图3B中示出最右侧的传感器100包括两个过滤器130b和130b'。每个过滤器130、130a、130b和130b'可以，例如，过滤通过入口110的不同物质。电子电路390可以，例如，与每个传感器100操作地连接，例如，以供应至控制传感器100'的功率(如上所述)并处理来自传感器100的输出信号。电子电路390可以，例如，包括处理器系统392或与处理器系统392(包括，例如，一个或多个处理器，如微处理器)和存储系统394操作地连接。用于控制传感器100和/或处理数据的一个或多个算法可以，例如，存储在存储系统394中，存储系统394与处理器系统392操作地连接。传感器100的输出可以，例如，经由与处理器系统392操作地连接的用户接口396(例如，包括显示器)提供给一个或多个用户。用户接口396可以，例如，作为可燃气体传感器的部件提供，并且/或远离可燃气体传感器。报警信号可以，例如，经由电子电路390生成并且经由用户接口396的一个或多个部件(例如，从视觉上、听觉上等)提供给用户。如结合系统300所描述的，电子电路390可以，例如，与单个可燃气体传感器(如图3A和3B的传感器100)结合使用。
在一些实施例中，本文使用的感测元件具有8秒及以下或6秒及以下的热时间常数。感测元件的热时间常数定义为在零功率初始条件下经受驱动功率的阶跃函数变化时，改变其初始温度和最终温度之间的总差值的63.2％所需要的时间。虽然图5中所示的代表性数据使用催化MEMS载体催化传感器获得，但也可以使用质量足够低的P元件对获得类似数据。例如，图7示出当将具有约75微克催化剂质量的450微米直径的P元件在空气中加热3秒的ON时间时获得的脉冲数据。与图5中所示的MEMS载体催化传感器响应相比，初始通电峰值符号相反。根据MEMS载体催化传感器的检测和补偿元件的电阻匹配，初始通电峰值也会改变选定MEMS热板样品的方向。例如，适合用于本发明的包括低热质量的传感器在美国专利第8,826,721号中公开。
以上描述及附图阐释了当前一些代表性实施例。当然，在上述教导的基础上，在不偏离本发明范围的前提下，各种改进、附加及选择性设计对于本领域技术人员来说将变得非常明显。本发明范围由所附权利要求而非上述描述限定。所有权利要求等效含义和范围内的更改和变型均包含在其范围内。

Claims (25)

1.一种可燃气体传感器，包括：第一感测元件和电子电路，所述第一感测元件包括催化剂和加热元件，所述加热元件与所述催化剂操作地连接，以将所述催化剂加热至高于燃烧所关注的气体分析物的温度，所述电子电路与所述第一感测元件的所述加热元件操作地连接，以在高于燃烧所关注的所述分析物的所述温度的温度与所述催化剂基本无活性来催化所关注的所述分析物的氧化燃烧的温度之间周期性地循环所述第一感测元件，所述电子电路适于在循环持续时间内的ON时间期间，从所述可燃气体传感器的第一输出来确定所关注的所述气体分析物中的至少一种气体分析物的种类，并且所述电子电路进一步适于从所述可燃气体传感器的第二输出来确定所述种类的气体的浓度。
2.根据权利要求1所述的可燃气体传感器，其中所述第一感测元件是MEMS载体催化传感器的感测元件。
3.根据权利要求1所述的可燃气体传感器，其中所述第一感测元件具有8秒或更小的热常数。
4.根据权利要求2所述的可燃气体传感器，其中所述循环持续时间期间的所述ON时间在100毫秒至1秒之间。
5.根据权利要求2所述的可燃气体传感器，其中所述循环持续时间期间的所述ON时间在300毫秒至500毫秒之间。
6.根据权利要求1所述的可燃气体传感器，其中所述第一感测元件的周期性循环的占空比在5％至12％的范围内。
7.根据权利要求1所述的可燃气体传感器，其中所述第一感测元件的周期性循环的占空比在8％至11％的范围内。
8.根据权利要求1所述的可燃气体传感器，进一步包括第一补偿元件，所述第一补偿元件与所述电子电路操作地连接。
9.根据权利要求1所述的可燃气体传感器，其中所述催化剂被加热至高于燃烧甲烷的温度。
10.根据权利要求1所述的可燃气体传感器，进一步包括壳体和至少一个过滤器，所述壳体包括入口，所述第一感测元件被定位在所述壳体内，所述至少一个过滤器适于去除所关注的所述分析物之外的至少一种物质。
11.根据权利要求1所述的可燃气体传感器，其中所述浓度是预定的阈值浓度，并且所述电子电路进一步适于生成报警信号。
12.一种操作可燃气体传感器的方法，所述可燃气体传感器具有第一感测元件和电子电路，所述第一感测元件包括催化剂和加热元件，所述加热元件与所述催化剂操作地连接，以将所述催化剂加热至高于燃烧所关注的气体分析物的温度，所述电子电路与所述第一感测元件的所述加热元件操作地连接，所述方法包括：经由所述电子电路，在高于燃烧所关注的所述分析物的所述温度的温度与所述催化剂基本无活性来催化所关注的所述分析物的氧化燃烧的温度之间周期性地循环所述第一感测元件，所述电子电路在循环持续时间内的ON时间期间，从所述可燃气体传感器的第一输出来确定所关注的所述气体分析物中的至少一种气体分析物的种类，并且从所述可燃气体传感器的第二输出来确定所述种类的气体的浓度。
13.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一感测元件被形成为MEMS载体催化传感器。
14.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一感测元件具有8秒或更小的热常数。
15.根据权利要求13所述的方法，其中所述循环持续时间期间的所述ON时间在100毫秒至1秒之间。
16.根据权利要求13所述的方法，其中所述循环持续时间期间的所述ON时间在300毫秒至500毫秒之间。
17.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一感测元件的周期性循环的占空比在5％至12％的范围内。
18.根据权利要求12所述的方法，其中所述第一感测元件的周期性循环的占空比在8％至11％的范围内。
19.根据权利要求12所述的方法，其中所述可燃气体传感器进一步包括第一补偿元件，所述第一补偿元件与所述电子电路操作地连接。
20.根据权利要求12所述的方法，其中所关注的所述气体分析物中的多于一种气体分析物的种类在所述循环持续时间内的ON时间期间，从所述可燃气体传感器的瞬时输出来被确定。
21.根据权利要求12所述的方法，其中所述催化剂被加热至高于燃烧甲烷的温度。
22.根据权利要求12所述的方法，其中所述可燃气体传感器进一步包括具有入口的壳体，所述第一感测元件被定位在所述壳体内，所述方法进一步包括提供至少一个过滤器，所述至少一个过滤器适于去除所关注的所述分析物之外的至少一种物质。
23.根据权利要求12所述的方法，其中所述浓度是预定的阈值浓度，并且所述方法进一步包括在确定所述预定的阈值浓度时，经由所述电子电路生成报警信号。
24.一种识别所关注的多个气体分析物中的至少一种气体分析物的种类的方法；所述方法包括在高于燃烧所关注的所述多个分析物的温度的温度与催化剂基本无活性来催化所关注的所述分析物的氧化燃烧的温度之间周期性地循环第一感测元件，所述第一感测元件包括所述催化剂并且具有小于8秒的热时间常数，以及在循环持续时间内的ON时间期间，从所述可燃气体传感器的动态输出来确定所关注的所述气体分析物中的至少一种气体分析物的种类。
25.一种系统，包括：
第一可燃气体传感器，所述第一可燃气体传感器包括第一壳体、第一过滤器、第一感测元件和第一电子电路，所述第一壳体具有第一入口，所述第一过滤器与所述壳体的所述第一入口操作地连接，所述第一感测元件处在所述壳体内，所述第一感测元件包括第一催化剂和第一加热元件，所述第一加热元件与所述第一催化剂操作地连接，以将所述第一催化剂加热至高于燃烧所述第一可燃气体传感器所关注的气体分析物的温度，所述第一电子电路与所述第一感测元件的所述第一加热元件操作地连接，以在高于燃烧所述第一可燃气体传感器所关注的所述分析物的温度的温度与所述催化剂基本无活性来催化所述第一可燃气体传感器所关注的所述分析物的氧化燃烧的温度之间周期性地循环所述第一感测元件，所述第一过滤器适于去除所述第一可燃气体传感器所关注的所述分析物之外的至少一种物质，所述第一电子电路适于在所述第一可燃气体传感器的循环持续时间内的ON时间期间，从所述第一可燃气体传感器的第一输出来确定所述第一可燃气体传感器所关注的所述气体分析物中的至少一种气体分析物的种类，并且所述第一电子电路进一步适于从所述第一可燃气体传感器的第二输出来确定所述种类的气体的浓度，以及
第二可燃气体传感器，所述第二可燃气体传感器包括第二壳体、第二过滤器、第二感测元件和第二电子电路，所述第二壳体具有第二入口，所述第二过滤器不同于所述第一过滤器并与所述第二入口操作地连接，所述第二感测元件处在所述壳体内，所述第二感测元件包括第二催化剂和第二加热元件，所述第二加热元件与所述第二催化剂操作地连接，以将所述第二催化剂加热至高于燃烧所述第二可燃气体传感器所关注的气体分析物的温度，所述第二电子电路与所述第二感测元件的所述第二加热元件操作地连接，以在高于燃烧所述第二可燃气体传感器所关注的所述分析物的温度的温度与所述催化剂基本无活性来催化所述第二可燃气体传感器所关注的所述分析物的氧化燃烧的温度之间周期性地循环所述第二感测元件，所述第二过滤器适于去除所述第二可燃气体传感器所关注的所述分析物之外的至少一种物质，所述第二电子电路适于在所述第二可燃气体传感器的循环持续时间内的ON时间期间，从所述第二可燃气体传感器的第一输出来确定所述第二可燃气体传感器所关注的所述气体分析物中的至少一种气体分析物的种类，并且所述第二电子电路进一步适于从所述第二可燃气体传感器的第二输出来确定所述种类的气体的浓度。
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