CN111796007B - 使用电化学气体传感器测量湿度的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明题为“使用电化学气体传感器测量湿度的方法和装置”。本发明公开了一种用于使用电化学气体传感器来测量湿度的气体检测装置和方法。气体检测装置包括基于电解质的电化学气体传感器和被配置成测量一段时间内周边环境内的平均湿度值的控制器。时间段内的平均环境湿度值基于该时间段内的气体检测装置的电解质气体传感器内的电解质浓度随时间段的平均变化速率和该时间段内的周边环境中的平均温度来测定。气体感测装置可被配置成将周边环境内的平均环境湿度值传送至相同周边环境内的第二电化学气体传感器或第二气体检测装置。

Description

使用电化学气体传感器测量湿度的方法和装置
技术领域
本文所述的各种实施方案整体涉及电化学气体传感器。具体地讲，各种实施方案涉及被配置用于测量环境湿度的基于电解质的气体传感器。
背景技术
工业和商业应用可使用基于电解质的电化学气体传感器来检测各种气体的存在。存在于常规的基于电解质的电化学气体传感器的环境内的环境湿度可导致传感器的电解质浓度由于与周边环境的水摄入或水损失而发生变化。所得的电解质浓度的变化影响传感器的性能，通常导致传感器测量不准确，测量灵敏度降低，甚至传感器故障。因此，一些基于电解质的电化学气体传感器结合了常规湿度传感器以测量环境湿度并补偿电解质浓度的所得变化，以便适当地校准传感器的输出。然而，常规湿度传感器通常昂贵且体积庞大，因此增加了生产成本和与集体感测部件相关联的占有面积。此外，与电化学气体传感器相比，在这种情况下使用的现有湿度传感器通常产生不可靠的读数，并且具有相对较短的寿命(尤其是当暴露于湿度极端时)。
因此，本领域需要配备有可靠的、持久的用于测量湿度的溶液的电化学气体传感器，其特征在于较低的产品成本和最小化的传感器占有面积。
发明内容
各种实施方案涉及使用基于电解质的电化学气体传感器可靠地测量湿度的方法和装置。
各种实施方案涉及使用电化学气体传感器检测气体的方法和气体检测装置，所述气体检测装置包括：被配置为测量基于电解质的第一电化学气体传感器内的电解质浓度的第一电化学气体传感器；温度传感器，所述温度传感器被配置为测量围绕所述基于电解质的第一电化学气体传感器的周边环境的温度；以及与所述基于电解质的第一电化学气体传感器和所述温度传感器通信的控制器，其中所述控制器可被配置为：(i)测定第一时间段内所述周边环境的平均环境温度，(ii)测定所述第一时间段内所述第一电化学气体传感器内的电解质浓度的平均变化速率，以及(iii)基于所述平均环境温度和所述电解质浓度的平均变化速率来测定所述第一时间段内的所述周边环境的平均湿度值。
在各种实施方案中，第一电化学气体传感器可包括一定体积的基于酸的电解质。此外，在各种实施方案中，气体检测装置的控制器可被配置为测定一段时间内的平均电解质蒸气压。在各种实施方案中，温度传感器可集成到第一电化学气体传感器中。在各种实施方案中，气体检测装置还可包括气体检测装置壳体，其中所述气体检测装置壳体可包括外部壳体部分和内部壳体部分，并且其中所述第一电化学气体传感器，所述温度传感器和所述控制器可被可包封在所述内部壳体部分内。
在各种实施方案中，在所述第一时间段内的所述周边环境的平均湿度值可使用查找表来测定，所述查找表将所述第一时间段内的所述第一电化学气体传感器内的电解质浓度的平均变化速率与对应的所述第一时间段内的平均环境温度和所述第一电化学气体传感器内的平均电解质蒸气压的湿度值相关联。另外，在各种实施方案中，对应的湿度值可限定第一时间段内的周边环境的平均湿度值。
在各种实施方案中，气体检测装置还可包括第二电化学气体传感器，其中所述第二电化学气体传感器可为定位在所述周边环境内的基于电解质的电化学气体传感器，并且其中所述第一电化学气体传感器可被配置为将所述第一时间段内的所述周边环境的平均湿度值传送至所述第二电化学气体传感器。在各种实施方案中，第二电化学气体传感器可包括一定体积的基于非酸的电解质。此外，在各种实施方案中，第二电化学气体传感器可被配置为基于第一时间段内的周边环境的平均湿度值来将适当的补偿因子施加到第二电化学气体传感器的输出。
附图说明
现在将参考附图，这些附图未必按比例绘制，并且其中：
图1示出了根据一个实施方案的气体传感器的分解图。
图2示意性地示出了根据一个实施方案的电化学传感器的横截面图。
图3示出了根据一个实施方案的电流对电势的曲线图。
图4A示出了根据一个实施方案的电势差对阳极摆动的曲线图。
图4B示出了根据一个实施方案的针对阳极摆动校正的电势差对阳极摆动的曲线图。
图4C示出了根据一个实施方案的电势差对电解质浓度的曲线图。
图5示出了根据本文所述的一些示例性实施方案的示例性示意框图。
图6示出了根据本文所讨论的一些实施方案的部件之间的数据流。
图7示出了根据本文所述的一些示例性实施方案的使用电化学气体传感器测量湿度的示例性方法的流程图。
图8示出了根据各种实施方案的由测试配置生成的数据的示例性图形表示。
图9示出了根据各种实施方案的由测试配置生成的数据的示例性图形表示。
图10示出了根据各种实施方案的由测试配置生成的数据的示例性图形表示。
具体实施方式
下面的描述应该参照附图来阅读，其中贯穿若干视图类似附图标号表示类似元件。具体实施方式和附图示出了若干实施方案，这些实施方案旨在说明公开内容。应当理解，所公开的特征的任何编号(例如，第一、第二等)以及/或者与所公开的特征一起使用的方向术语(例如，前、后、顶部、底部、侧面等)是表示相关特征之间的例示性关系的相对术语。
首先应当理解，尽管以下示出了一个或多个方面的例示性实施方式，但可使用任何数量的技术(无论是当前已知的还是尚不存在的技术)来实现所公开的组件、系统和方法。本公开决不应当限于下文所示的示例性实施方式、附图和技术，而是可以在所附权利要求书的范围以及其等同物的全部范围内进行修改。虽然公开了各种元件的尺寸值，但附图可能未按比例绘制。
本文所用的词语“示例”或“示例性”旨在表示“用作示例、实例或说明”。本文描述为“示例”或“示例性”的任何实施方式不一定比其他实施方式更优选或有利。
概述
本文描述了使用基于电解质的电化学气体传感器可靠地测量湿度的方法和装置。基于含水电解质(例如基于酸的电解质)操作的电化学气体传感器可能由于与周边环境的水摄入或水损失而表现出电解质浓度的变化。具体地讲，基于电解质的电化学气体传感器中的含水电解质的浓度可响应于环境湿度而变化。因此，可能期望的是表征传感器的周边环境在一段时间内的平均湿度，以便表征传感器的电解质浓度的变化。本文所公开的方法和装置提供了一种用于使用在一段时间内的电化学气体传感器的电解质浓度的测量的变化和测量的平均环境温度来测定该时间段内的周边环境的平均湿度值的解决方法。
如本文所述，所公开的方法和装置可有利地部分地基于电化学气体传感器内的电解质浓度的变化速率来测量湿度。因此，所公开的方法和装置消除了对单独湿度传感器的需要，以便基于相对环境湿度来适当地补偿此类传感器的读数。另外，本发明所公开的方法和装置能够以提高的可靠性程度来测量相对湿度，并且可导致增加的传感器寿命。此外，通过使用电化学气体传感器的现有硬件来测定湿度，本文所述的方法和装置将最小化传感器的占有面积并最终节省生产成本。
在一个示例性实施方案中，使用电化学气体传感器测定湿度的方法还可包括使用在一段时间内所测定的平均湿度值，以便测定其中电解质浓度可能难以测定的那些类型的电化学气体传感器的电解质浓度的变化(例如，不利用基于酸的电解质的那些)。例如，可能难以(如果不是不可能)使用基于非酸的电解质(例如，基于盐的电解质，离子液体型电解质，有机电解质)测量基于电解质的电化学气体传感器的电解质浓度的变化。根据各种实施方案，由基于酸的电化学气体传感器测定的平均湿度值因此用于补偿基于非酸的电化学气体传感器的测量值。在此类实施方案中，因此可改善利用基于酸的传感器和基于非酸的传感器的系统的总体准确性。
装置
在各种实施方案中，如本文所公开的，气体检测装置100可包括电化学气体传感器和控制器，所述控制器被配置成通过测量在给定时间段内的电化学气体传感器内的电解质浓度和气体传感器的周边环境的温度来测量一段时间内的平均湿度。
图1示出了可根据本文所述的装置和方法的各种实施方案使用的示例性电化学传感器10的分解图。微电极12、14在工作电极20(其也可称为感测电极)附近的隔板12-1处，以及在参考电极22和反电极24之间的隔板14-1处所示的位置处安装在传感器10中。
电解质E包含在壳体26中。微电极12、14浸没在电解质E中，并且不在目标气体的直接路径中。
上述电极(诸如12、14、20、22和24)连同电解质E被承载于壳体26中。如本领域技术人员所理解的，壳体26可包括通气孔30。传感器10可由气体检测器10a承载在外部壳体10b中。
由壳体26承载的以26-1表示的电连接元件耦接到壳体26中的各个电极。可实现为可充电电池的电源26-2可承载在外部壳体10b中以激活气体检测器10a。
外部壳体10b还可以承载控制电路10c，这些控制电路耦接到连接器元件26-1以从电极20、22、24接收信号并将信号耦接到这些电极，以便感测传感器10中的状况，或控制一个或多个电极20、22、24的操作以执行本文描述的操作和诊断方法。
气体检测器10a可经由接口电路10d与移位的监测系统进行通信，该接口电路经由介质M(其可以是有线的或无线的)耦接至控制电路10c。控制电路10c可至少部分地用可编程处理器10e实现，该可编程处理器执行预先存储的控制指令10f。在各种实施方案中，处理器可被配置成接收测量例如温度、压力和电解质浓度的感测读数。
示例性微电极可由PTFE涂覆的铂丝制成(Advent研究材料部件编号PT5431，包括直径为75μm的铂丝，具有约18μm厚的PTFE涂层)。在一些实施方案中，微电极12、14可包括直径为50μm的铂丝，其长度为约6mm并且浸没在电解质E中。可以用手术刀切割金属丝以在传感器10内部产生微盘电极，并且从传感器10外部的金属丝的端部剥离PTFE绝缘体以允许进行电接触。可以将金属丝的暴露尖端推入相应的隔板12-1、14-1中，以避免其与相邻的电极20、22、24短接。然而，另选的方法包括将微电极12、14夹在两个隔板之间。其他配置在本发明的实质和范围内。例如，微电极可包括非绝缘铂丝并且可作为微圆柱电极操作，或者它们可通过诸如电镀或溅射之类的技术将铂沉积到接触销或焊盘上，或者通过将铂厚膜印刷到陶瓷基板上而形成。在一些实施方案中，每个微电极12、14可用于独立的诊断目的，诸如氢峰参考，氧峰识别等。在各种实施方案中，可通过焊接可包括例如介于25um和75um之间(例如，50um)的直径和基本上小的长度(例如，1mm)的铂丝片至由合适的材料(例如，钽)构成的电化学惰性支承线材的端部来制造示例性微电极。
在一些实施方案中，可以在微电极12、14中的一个或多个上完成扫描伏安法，以提供一个或多个诊断扫描。扫描伏安法是电化学技术，其测量在电压超过由能斯特方程预测的电压的情况下在电化学电池中产生的电流。通过循环电极的电势以及测量所得电流来进行伏安法。在扫描伏安法中，电极电势可在循环阶段中相对于时间线性地斜变。在一些实施方案中，可使用其他波形来完成扫描伏安法。例如，波形可以是台阶式阶梯(阶梯伏安法)或具有额外叠加的正负步骤的阶梯(方波伏安法)。在这些阶段的每个阶段期间，电压随时间的变化率被称为实验的扫描速率(V/s)。在微电极12、14中的一个或多个上的扫描伏安法扫描的结果可生成关于传感器10的诊断信息。
图2示出了电化学传感器210的横截面图。传感器210通常包括壳体212，该壳体限定被设计用于容纳电解质溶液的腔体或贮存器214。可将工作电极224放置在开口228与贮存器214之间。反电极216和参考电极220可定位在贮存器214内。当气体在隔板222内的工作电极224与电解质之间的界面处反应时，可在电极216、220之间形成电流和/或电势以提供气体浓度的指示。参考电极220可也定位在贮存器214内以便为工作电极处的电势提供参考。
定内部贮存器214，并且一个或多个开口228可设置在壳体212中，以允许将被检测的气体通过壳体212进入气体空间226。壳体212通常可由对电解质和被测气体基本上为惰性的任何材料形成。在一个实施方案中，壳体212可由聚合物材料、金属或陶瓷形成。例如，壳体可由以下材料形成，包括但不限于丙烯腈丁二烯苯乙烯(ABS)、聚苯醚(PPO)、聚苯乙烯(PS)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)(例如，高密度聚乙烯(HDPE))、聚苯醚(PPE)，或其任何组合或共混物。
一个或多个开口228可穿过壳体212形成，以允许环境气体进入气体空间226和/或允许在壳体212内生成的任何气体逸出。在一个实施方案中，电化学传感器210可以包括至少一个入口开口228，以允许环境气体进入壳体212。开口228可设置在盖中(当盖存在时)和/或设置在壳体212的壁中。在一些实施方案中，开口228可包括扩散阻隔以限制气体(例如，一氧化碳、硫化氢、氧气等)流向工作电极224。可通过将开口228形成为毛细管来形成扩散阻隔，并且/或者可使用薄膜或者膜来控制通过该一个或多个开口228的质量流率。
在一个实施方案中，开口228可用作毛细管开口，以提供在壳体212的内部与外部之间速率受限的气体交换。在一个实施方案中，开口228可具有可介于约200μm和约1.5mm之间的直径，其中可使用常规钻头以获得较大开口和使用激光钻头以获得较小开口来形成开口228。开口228可具有介于约0.5mm和约5mm之间的长度，取决于盖或壳体212的厚度。在一些实施方案中，对于入口气体而言可存在两个或更多个开口。当膜用于控制流入和/或流出壳体的气体流时，开口直径可大于上文列出的尺寸，因为膜可有助于和/或可能负责控制气体流入和流出壳体212的流速。
贮存器214包括反电极216、参考电极220和工作电极224。在一些实施方案中，电解质可容纳在贮存器214内，并且反电极216、参考电极220和工作电极224可通过电解质进行电接触。在一些实施方案中，可使用一个或多个多孔隔板218、222或其他多孔结构来保持电解质与电极216、220、224接触。隔板218、222可包括用作芯的多孔构件，其用于在贮存器214与电极216、220、224之间保持和输送电解质，同时这些隔板是电绝缘的，以防止由于任意两个电极之间的直接接触而造成的短路。多孔隔板218、222中的一个或多个多孔隔板可延伸到贮存器214中以为电解质提供通向电极216、220、224的路径。在一个实施方案中，隔板218可设置在反电极216与参考电极220之间，并且隔板222可设置在参考电极220与工作电极224之间。
隔板218、222中的一者或多者可包括非织造多孔材料(例如，多孔毡构件)、织造多孔材料、多孔聚合物(例如，开孔泡沫、固体多孔塑料等)等，并且通常相对于电解质和形成电极的材料是化学惰性的。在一个实施方案中，隔板218、222可由对电解质是基本上化学惰性的各种材料形成，包括但不限于玻璃(例如玻璃垫)、聚合物(塑料盘)、陶瓷等。
电解质可为任何常规含水酸性电解质诸如硫酸、磷酸，或中性离子溶液诸如盐溶液(例如锂盐诸如氯化锂等)或它们的任何组合。例如，电解质可包含摩尔浓度介于约3M至约12M之间的硫酸。由于硫酸是吸湿的，因此在约3％至约95％的环境相对湿度(RH)范围内，浓度可在约10重量％至约70重量％(1摩尔至11.5摩尔)间变化。在一个实施方案中，电解质可包含具有介于约30重量％至约60重量％H3PO4之间的水溶液中的浓度的磷酸。又如，电解质可包含具有约30重量％至约60重量％LiCl的氯化锂盐，余量是水溶液。作为另一个示例，可使用质子导电离子液体。
在一些实施方案中，电解质可呈固体聚合物电解质形式，其包含离子交换膜。在一些实施方案中，电解质可呈游离液体形式，设置在基质或浆液中，诸如玻璃纤维(例如，隔板218、隔板222等)，或者以半固体或固体凝胶的形式设置。
工作电极224可设置在壳体212内。进入传感器210的气体可接触工作电极224的一侧，并且穿过工作电极224以到达工作电极224与电解质之间的界面。然后气体可进行反应以生成指示气体浓度的电流。如本文所讨论，工作电极224可包括多个层。基层或基板层可包含疏水性材料或经疏水处理的材料。催化材料可在工作电极224的一侧上形成为电极，并被放置成与电解质接触。
在一个实施方案中，工作电极224可包括多孔基板或膜作为基层。基板可透过所关注的气体，在一些实施方案中，这些气体可包括硫化氢、一氧化碳或氧气。在一个实施方案中，基板可包括由碳纤维或石墨纤维形成的碳纸。在一些实施方案中，可通过添加导电材料诸如碳将基板制成为导电性的。碳的使用可以提供足够程度的导电性，以允许通过耦接到工作电极224的引线检测由工作电极224的表面处的气体与电解质的反应产生的电流。也可以使用其他导电基板，诸如碳毡、多孔碳板和/或导电聚合物(诸如聚乙炔)，这些导电基板中的每个导电基板均可如下所述的那样被制成为疏水性的。另选地，导电引线可耦合到催化层以将催化材料电耦合到外部电路，如本文更详细描述。在一个实施方案中，基板在一些实施方案中可为约5密耳至约20密耳厚。
多孔基板可为疏水性的以防止电解质穿过工作电极224。可由疏水性材料形成基板，或可用疏水性材料处理基板。在一个实施方案中，可通过用疏水性材料诸如氟化聚合物(例如PTFE等)浸渍基板，从而将基板制成为疏水性的。在一些实施方案中，基板或膜可包含GEFC-IES(例如，全氟磺酸与PTFE的共聚物，其可从金能燃料电池有限公司(Golden EnergyFuel Cell Co.，Ltd.)商购获得)、
Figure BDA0002440850910000093
(聚四氟乙烯与全氟-3，6-二氧杂-4-甲基-7-辛烯-磺酸的共聚物，其可从杜邦公司(DupontTM)商购获得)或者纯的或几乎纯的聚四氟乙烯(PTFE)。浸渍工艺可包括使用浸涂工艺、涂布工艺或轧制工艺将含疏水性材料的溶液或浆料设置在基板上。另选地，可将干燥组合物诸如粉末施加到基板。在一些实施方案中，可使用任选的烧结工艺将疏水性材料灌输到基板中以产生工作电极224的疏水性基层，其中疏水性基层的两个侧面都是疏水性的。烧结工艺可导致疏水性聚合物与基板的碳粘结或熔合，以将疏水性材料牢固地粘结到基板。
所得基板可包含约30重量％至约50重量％的疏水性聚合物。添加到基板中的疏水性材料的量可影响基板的导电性，其中导电性趋于随着疏水性材料的量的增加而降低。与基板一起使用的疏水性聚合物的量可取决于所需的疏水性程度、对目标气体的孔隙度以及工作电极的所得导电性。
可通过将所需催化剂与粘结剂混合并将混合物沉积在基板材料上来形成催化层。粘结剂可包括全氟化离子电解质溶液(例如，GEFC-IES、
Figure BDA0002440850910000091
等)、疏水性材料(诸如PTFE)、它们的混合物等。当用作粘结剂时，GEFC-IES、
Figure BDA0002440850910000092
和/或PTFE可影响气体扩散参数，同时负载电催化剂并将发生电化学过程处的催化剂、气体和电解质之间的界面最大化。乙二醇或其他类似化学品可用作稀释剂以形成催化剂浆液、配方或催化剂体系，其可通过打印机打印在基板上。
催化层可以被沉积到基板上，通过例如丝网印刷、在选定区域从放置在基板上的悬液中过滤，通过喷涂，或适合产生固体材料的图案化沉积的任何其他方法。沉积可以是单个材料的沉积或者多于一种材料在层中顺序的沉积，以便例如通过其厚度使电极材料的特性变化，或者在为气体反应的主要位置的层的上面或下面添加具有增加导电性的第二层。一旦沉积，印刷元件可在高温下烧结以形成电极。
在工作电极224中，催化层可包含碳(例如石墨)和/或一种或多种金属或金属氧化物，诸如铜、银、金、镍、钯、铂、钌、铱和/或这些金属的氧化物。所用催化剂可以是纯金属粉末、与碳混合的金属粉末，或者负载在导电介质(诸如碳)上的金属粉末，或者作为共混物或作为合金的两种或更多种金属粉末的组合。用于各个电极的材料可相同或者不同。在一个实施方案中，工作电极224包括铂-钌黑(Pt-Ru黑)电极。Pt-Ru黑电极中Pt与Ru的原子比可在约1∶1至约1∶5、或约1∶2的范围内。催化材料的工作电极224的每平方厘米(cm<2>)表面积的负重可介于约0.1mg/cm<2>和约5mg/cm<2>之间，或者介于约0.5mg/cm<2>和约2mg/cm<2>之间，或者约1mg/cm<2>。
反电极216可设置在壳体212内。反电极216可包括其上设置有催化材料的基板或膜，诸如PTFE膜、GEFC-IES膜、
Figure BDA0002440850910000102
膜等。在一个实施方案中，可将催化材料混合并使用任何合适的工艺将该催化材料设置在膜上，该任何合适的工艺诸如辊涂、涂布、丝网印刷等以将催化材料施加到膜上，如本文更详细描述的。然后，可通过如本文所述的烧结工艺将催化剂层粘结到膜。
案中，用于反电极的催化材料可包括贵金属，诸如金(Au)、铂(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)、铱(Ir)、它们的氧化物或它们的任何组合。在一个实施方案中，催化材料包括丝网印刷在膜上的Pt-Ru混合物，其中膜可以是GEFC-IES膜。反电极216的催化剂负载量可在本文针对工作电极224描述的任何范围内。在一个实施方案中，反电极216的催化剂负载量可与工作电极224的催化剂负载量相同或基本上相同，该催化剂负载量也可大于或小于工作电极224的催化剂负载量。
类似地，参考电极220可设置在壳体212内。参考电极220可包括其上设置有催化材料的基板或膜，诸如PTFE膜、GEFC-IES膜、
Figure BDA0002440850910000101
膜等。在一个实施方案中，催化材料可与疏水性材料(例如PTFE等)混合并设置在PTFE膜上。用于形成工作电极或反电极的方法中的任何方法也可用于制备参考电极220。在一个实施方案中，与参考电极220一起使用的催化材料可包括贵金属，诸如金(Au)、铂(Pt)、钌(Ru)、铑(Rh)、铱(Ir)、它们的氧化物或它们的任何组合。在实施方案中，用于形成参考电极220的催化材料可包括丝网印刷在膜上的Pt-Ru混合物，其中膜可为GEFC-IES膜。参考电极220的催化剂负载量可在本文针对工作电极224描述的任何范围内。在一个实施方案中，参考电极220的催化剂负载量可与工作电极224的催化剂负载量相同或基本上相同，该催化剂负载量也可大于或小于工作电极224的催化剂负载量。虽然在图1中示出为具有参考电极220，但是电化学传感器的一些实施方案可不包括参考电极220。
为了检测响应于目标气体的存在而产生的跨电极的电流和/或电势差，可将一条或多条引线或电接触件电耦合到工作电极224、参考电极220和/或反电极216。接触工作电极224的引线可接触工作电极224的任一侧，因为基板包括导电材料。为了避免电解质的腐蚀作用，接触工作电极224的引线可接触工作电极224不与电解质接触的一侧。引线可类似地电耦合到反电极216和参考电极220。引线可电耦合到外部连接销，以提供与外部处理电路的电连接。外部电路可检测电极之间的电流和/或电势差，并且将电流转换成对应的目标气体浓度。
在一些实施方案中，传感器210可包括一个或多个诊断微电极232和234(其可类似于图1的微电极12、14)。诊断电极可以为金属丝(如图2中所示)，其中可以将金属丝的暴露尖端推入隔板222、218中，以避免其与相邻的电极短接。然而，另选的方法包括将微电极232、234夹置在两个隔板之间。其他配置在本发明的实质和范围内。例如，微电极可包括非绝缘铂丝并且可作为微圆柱电极操作，或者它们可通过诸如电镀或溅射之类的技术将铂沉积到接触销或焊盘上，或者通过将铂厚膜印刷到陶瓷基板上而形成。在一些实施方案中，每个微电极232、234可用于单独的诊断目的，诸如氢气峰参考、氧气峰识别等。微电极可包括铂、金、钌、铑、铱、钯、铼、锇、或它们彼此的合金或与其他金属的合金(例如，铂/镍合金)。
在使用中，传感器210可检测目标气体浓度。在使用中，环境气体可穿过开口228流入传感器210，该开口用作传感器210的进气端口。环境气体可包括一定浓度的目标气体，该环境气体可包括硫化氢、氧气和/或一氧化碳。气体可接触工作电极224并穿过多孔基板层的细孔，到达用催化剂层处理过的工作电极224的表面。电解质可与工作电极224的表面接触，并且目标气体可进行反应并导致在工作电极224与反电极216之间形成的电解电流，该电解电流对应于目标气体在环境气体中的浓度。通过测量电流，可使用例如外部检测电路来确定目标气体的浓度。
在本公开的一些实施方案中，可以使用扫描伏安法扫描传感器的一个或多个元件(如上文在图1和图2中所述)，以观察电解质(上文E)中浓度的变化的影响。
可以使用一个或多个电极扫描电化学传感器。在一些实施方案中，可以在传感器内的微电极上完成扫描。该扫描可以生成包含由于某些元素的吸附、解吸、形成和/或还原而产生的多个峰的图表。扫描可以在多个电解质浓度下完成，其中可以比较每种浓度的图表。在一些实施方案中，该图表可以显示与每种浓度一致的一个或多个峰，该一个或多个峰可以被认为是参考峰。另外，该图表可以显示随浓度变化的一个或多个峰。浓度依赖性峰和参考峰之间的电压差可提供电解质浓度的相关性。当曲线图的坐标轴是电解质浓度和两个峰之间的电压差时，该相关性可以是大致线性的。
一旦建立了相关性，可以通过在传感器上完成伏安法扫描，然后识别相关性的相关峰来确定类似电化学传感器的电解质浓度。一旦识别出峰之间的电压差，就可以确定电解质浓度。所确定的电解质浓度可用于校正传感器读数，和/或用于识别传感器的任何其他错误。
在一些实施方案中，诊断微电极可用于完成伏安法扫描。使用微电极的益处可能是它的功率较低，需要较短的测量时间，由于电解质中的欧姆损耗而经受较小的测量失真，并且避免干扰主气体工作电极。
已对本公开进行了一般性描述，以下示例作为本公开的具体实施方案给出，并且展示了实践及其优点。应当理解，示例是以说明的方式给出的，并不意图以任何方式限制说明书或权利要求。
图3示出了示例性电极的阶梯伏安图。为了研究传感器电池中电解质的浓度变化的影响，可以在一系列H2SO4溶液(0.6M、2.5M、5M、8M、10M和12M)中进行扫描伏安法，并且结果示于图3中。换句话讲，使用相同的电极，酸浓度在0.6M和12M之间变化。
图3中示出的阶梯伏安图示出了从示例性微电极生成的曲线图，该微电极包括浸没在电解质中的长度为约6mm的直径为50μm的铂丝。扫描以5V/s完成，步长为2mV，并且电荷积分为100％。在氢气(H2)和氧气(O2)析出之间对传感器进行恒电流扫描10次，以在伏安法扫描之前清洁电极。相对于通常的铂参考电极和反电极驱动金属丝微电极。
如图3中所示，氢气峰(B、C、E和F)在明确定义的电势下出现，并且因此可用作标准参考，其中峰(C)是最明确定义的。表示氧化物形成(G)和还原(A)的峰似乎是电解质浓度依赖性的，其中峰(G)并不总是明确定义的。然而，峰(A)始终清晰且易于检测，但其位置随阳极摆动(H)而变化。因此，为了确定相关性，可以相对于氢气峰(C)固定阳极摆动(H)，使得电压差(即，V(A)-V(C))是电解质浓度的量度。在图3所示的测试中，表明氧气的存在不会干扰测量。
图4A示出了取决于阳极极限的氧化物还原峰位置。线性相关性在曲线图上示出。为了校正阳极极限，可以调整线性相关性的斜率。如图4B中所示，对数据施加约0.2*x的斜率。图4B示出了对阳极极限的影响的校正。在另一个实施方案中，当确定峰差异时，可以考虑阳极极限的影响，其中可以相对于氢气参考峰定义阳极极限。
图4C示出了作为电解质浓度的函数的校正峰差值。图4C示出两个峰(氧化物还原和吸附氢气)之间的电势差与电解质的浓度之间存在强相关性。因此，该测量因此可用作电解质浓度的指标。另外，在感兴趣的整个环境范围内(0.6M-12M)，电势似乎线性地取决于电解质浓度。
案中，温度可能对由诊断微电极进行的电解质浓度测量有影响。该影响可能很小，并且可通过使用低精度温度传感器容易地补偿。作为示例，观察到的峰分离增加约1mV/C，这可能相当于约0.07M/C。
在一些实施方案中，伏安法可使用方波伏安法(SWV)来完成。与传统的阶梯伏安法相比，使用SWV可改善氢气峰的清晰度。在一些实施方案中，两种技术均可使用。例如，SWV可以用于确定氢气峰，然后可使用随后的阶梯伏安法来确定氧化物还原峰。另外，方波伏安法允许检测氧化物形成的额外峰(通常仅是伏安法中的肩峰)。该额外峰也是电解质浓度和温度的函数，因此它可以用来辅助或代替氧化物还原峰。使用上述方法的一个益处是氧化物形成峰(G)的位置不受阳极极限的影响，因为它是在阳极扫描上形成的，因此不必进行图4B中所示的校正或控制阳极极限。使用氧化物形成峰(G)的进一步益处是它给出了对电解质浓度更敏感而对温度较不敏感的测量。通过将方波伏安法的结果拟合到图1所示的设计的传感器上来获得以下公式，在20C至50C的温度范围内，具有7M至14M的硫酸浓度范围。
V(A-C)＝552+0.582×温度+10.44×浓度
V(G-C)＝852+0.102×温度+17.59×浓度
其中V(A-C)是氧化物还原峰与氢气峰之间的以毫伏为单位的电势差，V(G-C)是氧化物形成峰与氢气峰之间的以毫伏为单位的电势差，温度以摄氏度为单位，并且浓度以摩尔/升为单位。使用形成峰可以更灵敏地测量电解质浓度，对温度补偿的需求较少。作为另外一种选择，两个方程可以同时求解，以允许确定浓度和温度，避免需要存在单独的温度传感器。
方波伏安法增加了额外的参数，可以调整这些参数以优化测量。例如，阶跃高度的变化改变了氧化物峰的强度，但不影响氢气峰。因此，SWV可用于优化峰以便于测量或帮助区分峰类型，从而简化检测方法。
本文所述的示例性气体检测装置100诸如控制器500示于图5中。如图5中所示，控制器500可包括温度测量电路501，以及压力测量电路503，处理电路508，稳压器502，输入/输出电路504，功率电路505，存储器506，通信电路507，湿度测量电路510，电解质含量监测电路509，电化学气体监测电路511和电化学气体检测电路512。
因此，如本文相对于气体检测装置100的部件使用的术语“电路”的使用包括被配置为执行与本文描述的各个电路相关联的功能的特定硬件。当然，尽管术语“电路”应当被广义地理解为包括硬件，但在一些实施方案中，电路也可包括用于配置硬件的软件。例如，在一些实施方案中，“电路”可包括处理电路、存储介质、网络接口、输入-输出设备和其他部件。在一些实施方案中，控制器500的其他元件可提供或补充特定电路的功能。例如，处理电路508可提供处理功能，存储器506可提供存储功能，并且通信电路507可提供网络接口功能等等。
温度测量电路501包括硬件部件，该硬件部件被设计或配置成接收、处理、生成和传输数据诸如环境温度数据。在各种实施方案中，温度测量电路501可被配置成测量气体检测装置100所在的周边环境的温度。在各种实施方案中，温度测量电路501可被配置为测量一个或多个时间间隔内的环境温度。此外，温度测量电路501可被配置为测定一个或多个时间间隔内的温度变化或平均温度。在各种实施方案中，温度测量电路501可定位在电化学气体传感器壳体内或外部，并且还可集成到气体检测装置100的一个或多个部件(例如，电化学气体传感器)中。
压力测量电路503包括硬件部件，该硬件部件被设计或配置成接收、处理、生成和传输数据诸如电解质水蒸气压数据。在各种实施方案中，压力测量电路503可被配置成测定存在于电化学气体传感器内的电解质的蒸气压。在各种实施方案中，电解质水蒸气压可为电化学气体传感器的测得的电解质浓度值，测得的环境温度和电化学气体传感器内存在的水的总体积中的一者或多者的函数。在各种实施方案中，压力测量电路503可被配置为测定一个或多个时间间隔内的电解质水蒸气压。此外，压力测量电路503可被配置成测定一个或多个时间间隔内的电解质水蒸气压或平均电解质水蒸气压的变化。在各种实施方案中，压力测量电路503可定位在电化学气体传感器壳体内或外部，并且还可集成到气体检测装置100的一个或多个部件(例如，电化学气体传感器)中。
在一些实施方案中，控制器500可包括输入-输出电路504，其可继而与处理电路508通信以向用户提供输出，并且在一些实施方案中，接收用户提供的输入诸如命令。如图6中所示，输入-输出电路504可包括用户界面190，诸如图形用户界面(GUI)，并且可包括显示器，该显示器可包括网络用户界面、GUI应用程序、移动应用程序、客户端设备或任何其他合适的硬件或软件。在一些实施方案中，输入-输出电路504还可包括键盘、鼠标、操纵杆、显示设备、显示屏、触摸屏、触摸区域、软键、麦克风、扬声器(例如，蜂鸣器)、发光设备(例如红色发光二极管(LED)、绿色LED、蓝色LED、白色LED、红外线(IR)LED、紫外线(UV)LED或它们的组合)、或其他输入-输出机构。处理电路508、输入-输出电路504(其可利用处理电路)或两者都可被配置成通过存储在非暂态计算机可读存储介质(例如，存储器506)中的计算机可执行程序代码指令(例如，软件、固件)来控制一个或多个用户界面元素的一个或多个功能。输入-输出电路504是任选的，并且在一些实施方案中，控制器500可不包括输入-输出电路。例如，在控制器500不与用户直接交互的情况下，控制器500可生成用户界面数据以供与一个或多个用户直接交互的一个或多个其他设备显示并将所生成的用户界面数据传输至这些设备中的一个或多个。例如，控制器500使用用户接口电路可生成供一个或多个显示设备显示的用户界面数据，并将所生成的用户界面数据传输至那些显示设备。
在各种实施方案中，电源电路505可被配置为接收功率和功率气体检测装置100。作为非限制性示例，电源电路505可包括一个或多个电池，一个或多个电容器，一个或多个恒定功率源(例如，壁出口)等。在一些实施方案中，电源电路505可包括外部功率源，该外部功率源定位在装置壳体110的外部并且被配置成将交流功率或直流功率递送至气体检测装置100。另外，在一些实施方案中，如图5中所示，电源电路505可包括定位在装置壳体110内的内部功率源，例如一个或多个电池。
在一些实施方案中，处理电路508(和/或协处理器或协助该处理器或以其他方式与该处理器相关联的任何其他处理电路)可经由总线与存储器506通信，以用于在装置的部件之间传递信息。存储器506可为非暂态的，并且可包括例如一个或多个易失性和/或非易失性存储器。例如，存储器506可以是电子存储设备(例如，计算机可读存储介质)。在另一个示例中，存储器506可以是存储计算机可执行程序代码指令的非暂态计算机可读存储介质，该计算机可执行程序代码指令在由计算系统执行时使计算系统执行本文所述的各种操作。存储器506可被配置成存储信息、数据、内容、信号应用、指令(例如，计算机可执行程序代码指令)等，以使得控制器500能够执行根据本公开的示例性实施方案的各种功能。例如，存储器506可被配置成存储电解质含量监测技术；电容测量技术；阻抗测量技术；被监测数据；被监测数据范围；频率范围(例如带隙滤波器)；电解质含量监测信号；温度测量信号，温度测量数据，压力测量信号，压力测量数据，水体积含量数据，湿度测定技术，湿度测量查找表，湿度测量数据，任何其他合适的数据或数据结构；或一个或多个它们的任何组合。将理解的是，存储器506可被配置成为部分地或全部地存储任何电子信息、数据、数据结构、实施方案、示例、图形、过程、操作、技术、算法、指令、系统、装置、方法或本文所述的计算机程序产品或它们的任何组合。在各种实施方案中，查找表可以是用于限定第一时间段内的电解质浓度的变化速率与对应于环境温度和电解质水蒸气压的湿度值之间的关系的数据矩阵。此外，如本文所述的查找表可将第一时间段内的第一电化学气体传感器内的电解质浓度的平均变化速率与对应的第一时间段内的平均环境温度和第一电化学气体传感器内的平均电解质水蒸气压的湿度值相关联，其中所述对应的湿度值限定所述第一时间段内的周边环境的平均湿度值。
处理电路508可以多种不同的方式体现，并且例如可包括被配置为独立执行的一个或多个处理设备。附加地或另选地，处理电路508可包括经由总线一前一后配置的一个或多个处理器，以实现对指令、流水线、多线程或它们的组合的独立执行。术语“处理电路”的使用可理解为包括单核处理器、多核处理器、装置内部的多个处理器、远程或“云”处理器或它们的组合。
在示例性实施方案中，处理电路508可被配置为执行存储在存储器506中或可以其他方式供处理电路508访问的指令。另选地或附加地，处理电路508可被配置成执行硬编码功能。因此，无论通过硬件方法或软件方法配置，还是通过硬件与软件的组合配置，处理电路508均可表示能够根据本公开的实施方案执行操作同时进行相应配置的实体(例如，以电路形式物理地体现)。作为另一示例，当处理电路508体现为程序代码指令的执行器时，指令可将处理器专门配置为在执行指令时执行本文所述的操作。
在各种实施方案中，处理电路508还可被配置为控制稳压器502以完成如上所述的电化学气体传感器的伏安法扫描。
通信电路507可允许如本文所述传送至处理电路508的任何感测结果或读数(例如，电化学气体监测电路511输出，温度测量电路501输出，压力测量电路503输出，湿度测量电路510结果)进一步传送至外部源。通信电路507可包括例如用于实现与有线或无线通信网络通信的网络接口。例如，通信电路507可包括一个或多个网络接口卡、天线、总线、交换机、路由器、调制解调器和支持硬件和/或软件、或适用于经由网络实现通信的任何其他设备。在一些实施方案中，通信接口可包括用于与天线交互的电路以使得信号经由天线传输或处理经由天线接收的信号接收。气体检测装置100可使用多种互联网、以太网、蜂窝、卫星或无线技术中的任何一种来传输或接收这些信号，诸如IEEE 802.11、码分多址(CDMA)、全球移动系统(GSM)、通用移动电信系统(UMTS)、长期演进(LTE)、
Figure BDA0002440850910000171
v1.0至v5.0、低功耗蓝牙(BLE)、红外无线(例如IrDA)、超宽带(UWB)、感应无线传输、Wi-Fi、近场通信(NFC)、全球微波接入互操作(WiMAX)、射频(RF)、RFID或任何其他合适的技术。
在各种实施方案中，处理电路508可被配置为与湿度测量电路510通信。湿度测量电路510可包括硬件部件，该硬件部件被设计或配置成接收、处理、生成和传输数据诸如环境湿度数据。在各种实施方案中，湿度测量电路510可被配置成测定气体检测装置100所在的周边环境的湿度。在各种实施方案中，环境湿度可为电化学气体传感器内的电解质浓度的变化速率，所测量的环境温度和电解质水蒸气压中的一者或多者的函数。在各种实施方案中，湿度测量电路501可被配置为测定一个或多个时间间隔内的环境湿度。此外，湿度测量电路510可被配置为测定一个或多个时间间隔内的平均环境湿度。在各种实施方案中，湿度测量电路510可被配置为通过以下方式来测定一段时间内的平均环境湿度：通过检索限定在一段时间内的电化学气体传感器内的电解质浓度的平均变化速率的电解质浓度数据，并且基于存储在存储器504中的查找表中的数据，该查找表将电解质浓度的变化速率与相对湿度值相关联，测定在一段时间内对应于电解质浓度的平均变化速率的相对湿度值(在由温度测量电路501测定的平均环境温度和由压力测量电路503测定的平均电解质水蒸气压下)。湿度测量电路510可被配置为将来自查找表的所测定的相对湿度值与该时间段内的平均环境湿度相关联。在各种实施方案中，湿度测量电路501可被配置为与控制器500的各种部件中的一个或多个通信。
如本文所述的用户接口电路可包括硬件部件，该硬件部件被设计或配置成接收、处理、生成和传输数据诸如用户界面数据。在一些实施方案中，用户接口电路可被配置成生成用户界面数据，该用户界面数据指示针对特定气体类型或环境的一组监测模式、电化学气体监测信号、RMS电化学气体监测信号、预定的电化学气体监测阈值(例如，可由用户使用输入-输出电路504或与输入-输出电路504通信的用户设备来设置；可通过访问针对各种气体类型的预定的电化学气体监测阈值的表来设置)、电化学气体警报信号、电解质含量监测信号、RMS电解质含量监测信号、电解质含量值(包括但不限于电解质含量百分比值)、低电解质警报信号、压力值、环境温度值、环境湿度值以及它们的组合。在某些情况下，用户界面数据可包括监测模式的列表(例如，可选下拉列表、可选图标的有序分组(例如，被配置成由鼠标单击的可点击图标；被配置成显示在触摸屏上并由用户的手指按下的虚拟图标)、基于文本的提示、基于语音的提示)。例如，用户接口电路可包括被设计或配置成基于参照本文所包括的附图描述的任何实施方案或实施方案的组合来生成用户界面数据的硬件部件。
在一些实施方案中，用户接口电路可与显示设备(例如，输入-输出电路504、用户设备或与用户设备通信地联接的显示设备)通信，并且因此被配置成将用户界面数据传输到显示设备。例如，用户接口电路可被配置成生成用户界面数据并将所生成的用户界面数据传输到输入-输出电路504，并且输入-输出电路504可被配置成接收用户界面数据并在一个或多个显示屏上显示接收到的用户界面数据。
在一些实施方案中，电化学气体监测电路511、电化学气体检测电路512、电解质含量监测电路509、用户接口电路、温度测量电路501、压力测量电路503、以及湿度测量电路510中的每个可包括单独的处理器，特别配置的现场可编程门阵列(FPGA)、专用接口电路(ASIC)或云实用程序来执行上述功能。在一些实施方案中，上面参考电化学气体监测电路511、电化学气体检测电路512、电解质含量监测电路509、用户接口电路、温度测量电路501、压力测量电路503、以及湿度测量电路510所述的硬件部件可例如利用通信电路507或任何合适的有线或无线通信路径以与用户设备彼此通信或与任何其他合适的电路或设备进行通信。
在一些实施方案中，电化学气体监测电路511、电化学气体检测电路512、电解质含量监测电路509、用户接口电路、温度测量电路501、压力测量电路503、以及湿度测量电路510中的一个或多个可由控制器500本地托管。在一些实施方案中，用户接口电路和湿度测量电路510中的一个或多个可远程托管(例如，通过一个或多个云服务器)，并且因此不需要物理驻留在控制器500上。因此，本文描述的一些或全部功能可由远程电路提供。例如，控制器500可经由任何类型的网络连接来访问一个或多个远程电路，该网络连接有助于控制器500与远程电路之间的数据和电子信息的传输。继而，控制器500可与电化学气体监测电路511、电化学气体检测电路512、电解质含量监测电路509、用户接口电路、温度测量电路501、压力测量电路503、以及湿度测量电路510中的一个或多个远程通信。
如上所述，并且基于本公开将认识到，本公开的实施方案可被配置为系统、装置、方法、移动设备、后端网络设备、计算机程序产品、其他合适的设备、以及它们的组合。因此，实施方案可包括各种装置，这些装置包括完全硬件或者软件和硬件的任何组合。此外，实施方案可采取至少一个非暂态计算机可读存储介质上的计算机程序产品的形式，该计算机程序产品具有体现在存储介质中的计算机可读程序指令(例如，计算机软件)。可利用任何合适的计算机可读存储介质，包括非暂态硬盘、CD-ROM、闪存存储器、光存储设备或磁存储设备。应当理解，可将本文所述的任何计算机程序指令和/或其他类型的代码加载到计算机、处理器或其他可编程装置的电路上以产生机器，使得在该机器上执行代码的计算机、处理器、其他可编程电路形成用于实现各种功能(包括本文所述的那些功能)的装置。
在一些实施方案中，用户设备可由还可包括处理电路、存储器、输入-输出电路和通信电路的一个或多个计算设备或系统来体现。例如，用户设备可以是膝上型计算机，其上正在运行或以其他方式由处理电路执行应用(例如，GUI应用)。在又一示例中，用户设备可以是在其上运行或以其他方式由处理电路执行应用(例如，网页浏览应用)的智能电话。由于涉及本公开中描述的操作，因此这些设备的功能可利用与以上参照图5描述的类似命名的部件相似的部件。为了简洁起见，省略了对这些部件的机构的附加描述。这些一起操作的设备元件为各个计算系统提供了促进与本文所述的示例电化学气体传感器进行数据通信所需的功能。
如上所述并且基于本公开将会理解，各种实施方案可被构造成各种形式，包括其中气体检测装置100的部分远离图6中所示的气体检测装置100。图6示出了根据如本文所讨论的气体检测装置100实施方案的各种部件之间的示例性数据流。在各种实施方案中，通信电路507可被配置为使得能够从物联网(IoT)网络600内的气体检测装置100到各种无线启用的设备(例如，用户移动设备601，服务器602，计算机603，第二气体检测装置604)进行无线通信。在示例性实施方案中，气体检测装置100可被配置成将传送至处理电路508的任何前述感测结果或读数(例如，电化学气体监测电路511输出，温度测量电路501输出，压力测量电路503输出，湿度测量电路510结果)传送至被配置用于无线通信并且存在于基本上相同的周边环境内的第二气体检测装置604。在各种实施方案中，第二气体检测装置604可包括如本文所公开的一个或多个气体检测装置。在各种实施方案中，第二气体装置604可包括对于其来说电解质浓度可能不易确定的基于电解质的电化学气体传感器。例如，第二气体检测装置604可包括利用基于非酸的电解质(诸如基于盐的电解质，离子液体型电解质或有机电解质)的基于电解质的电化学气体传感器。在各种实施方案中，气体检测装置100可将由气体检测装置100的湿度测量电路510测定的周边环境内的平均湿度值传送至一个或多个第二气体检测装置604。在各种实施方案中，一个或多个第二气体检测装置604可被配置为分别接收平均湿度值，从而使得能够补偿装置的相应传感器输出。
使用方法
图7示出了使用电化学气体传感器测量湿度的示例性方法700的框图。
方法700从步骤701开始，其中首先测量电解质浓度和平均温度。具体地讲，如步骤701A中所示，首先测量气体检测装置内的电化学气体传感器的电解质浓度。可实施用于测量如本文所公开的电化学气体传感器的电解质浓度的方法，或用于测定电化学气体传感器的电解质浓度的任何其它适用装置。在各种实施方案中，测量电化学气体传感器的电解质浓度的时间可限定第一时间间隔的结束。
如步骤701B中所示，在第一时间段内测量示例性气体检测装置所在的周边环境的平均温度。在各种实施方案中，第一时间段内的平均环境温度可使用电化学气体传感器或温度传感器以及对应的温度测量电路(例如，温度测量电路501)来测量。
接着，在步骤702处，与电化学气体传感器的电解质浓度相关联的值在第一时间段开始时存储在存储器模块(例如，存储器504)中。在各种实施方案中，存储的电解质浓度值可包括与电化学气体传感器的电解质浓度相关的值，该值在紧接第一时间段之前的一段时间的结束处。
接着，在步骤703处，测定电化学气体传感器在第一时间段内的平均电解质水蒸气压。在各种实施方案中，电解质水蒸气压可为电化学气体传感器的测得的电解质浓度值和测得的环境温度中的一者或多者的函数。在各种实施方案中，一段时间内的平均电解质水蒸气压可为第一时间段结束时由电化学气体传感器测量的测得的电解质浓度值(即，在步骤701A处测量的值)、与第一时间段开始时的电化学气体传感器的电解质浓度相关联的存储值、以及第一时间段内的测得的平均环境温度的函数。在各种实施方案中，电化学气体传感器在第一时间段内的平均电解质水蒸气压可使用压力测量电路(例如，压力测量电路503)来测定。
接着，在步骤704处，测定电化学气体传感器内的电解质浓度在第一时间段内的平均变化速率。在各种实施方案中，电化学气体传感器内的电解质浓度在第一时间段内的平均变化速率可通过以下方式测定：与第一时间段开始时电化学气体传感器的电解质浓度相关联的存储值和与第一时间段结束时由电化学气体传感器测量的电解质浓度值(即，在步骤701A处测量的值)之间的差值除以第一时间段的长度。
接着，在步骤705处，生成将电化学气体传感器内的电解质浓度的变化速率与各种环境温度和电解质水蒸气压值下的对应环境湿度值相关的一个或多个查找表，并将其存储在存储器模块(例如，存储器504)中。在各种实施方案中，每个查找表可限定电化学气体传感器内的电解质浓度的变化速率与给定环境温度/电解质水蒸气压组合的对应湿度值之间的关系。
接着，在步骤706处，使用存储的查找表以基于电化学气体传感器内的电解质浓度在第一时间段内的平均变化速率来测定第一时间段内周边环境的平均湿度值。在各种实施方案中，可基于所测量的第一时间段内的平均环境温度和平均电解质水蒸气压来生成和/或测定适当的查找表配置。在各种实施方案中，所生成的查找表可指示测得的电化学气体传感器内的电解质浓度在第一时间段内的平均变化速率可对应于特定环境湿度值。在各种实施方案中，该特定对应环境湿度值可被测定为周边环境在第一时间段内的平均湿度值。
图8-10各自示出了在受权利要求书保护的本发明的实施方案的各种实验试验中收集的数据的图形表示。图8-10各自以图形方式示出了相对湿度与示例性电解质气体传感器内的电解质浓度的变化速率之间的关系。如图8-10中所示，相对湿度可沿y轴测量，并且电解质浓度的变化速率沿x轴测量。在各种实施方案中，图8-10可以图形方式示出由如本文所述的一个或多个示例性查找表限定的数据。
图8所示的数据表示基于电解质的电化学气体传感器中一定体积的基于酸的电解质在恒定的20摄氏度下的一段时间内的行为。初始电解质浓度在该时间段开始时为5M。所示关系由公式y＝-70.956x+62.694限定，其中R2值为0.9999。
图9所示的数据表示基于电解质的电化学气体传感器中一定体积的基于酸的电解质在恒定的20摄氏度下的一段时间内的行为。初始电解质浓度在该时间段开始时为5M。所示关系由公式y＝-37.403x+62.968限定，其中R2值为0.9996。
图10所示的数据表示基于电解质的电化学气体传感器中一定体积的基于酸的电解质在恒定的10摄氏度下的一段时间内的行为。初始电解质浓度在该时间段开始时为5M。所示关系由公式y＝-141.97x+62.536限定，其中R2值为1。
从上文提供的附图和描述可以理解，用于由电化学气体传感器测定周边环境中的平均湿度值的方法的准确性可与环境温度成比例地变化。即，随着温度的升高，所测定的平均湿度的准确性改善，随着温度降低，所测定的平均湿度的准确性恶化。例如，使用如本文所述的方法的实施方案，在20摄氏度的周边环境中，可将一周时间段内的平均湿度值测量至7％以内的准确性。此外，在30摄氏度的周边环境中，可将一周时间段内的平均湿度值测量至14％以内的准确性。相似地，应当理解，增加进行上述测量的时间段的长度被理解为成比例地提高所测量的平均湿度的准确性。在各种实施方案中，用于测量的示例性时间间隔可包括介于五分钟和一个月之间(例如，一周)。
结论
本公开所属领域的技术人员将想到许多修改和其他实施方案，其具有前述描述和相关附图中呈现的教导的益处。因此，应当理解，本公开不限于所公开的特定实施方案，并且修改和其他实施方案旨在包括在所附权利要求的范围内。尽管本文采用了特定术语，但它们仅以一般性和描述性意义使用，而不是出于限制的目的。

Claims (10)

1.一种气体检测装置，包括：
基于电解质的第一电化学气体传感器，所述基于电解质的第一电化学气体传感器被配置为测量所述第一电化学气体传感器内的电解质浓度；
温度传感器，所述温度传感器被配置为测量围绕所述基于电解质的第一电化学气体传感器的周边环境的温度；和
控制器，所述控制器与所述基于电解质的第一电化学气体传感器和所述温度传感器通信，其中所述控制器被配置为：(i)测定第一时间段内所述周边环境的平均环境温度，(ii)测定所述第一时间段内所述第一电化学气体传感器内的电解质浓度的平均变化速率，以及(iii)基于所述平均环境温度和所述电解质浓度的平均变化速率来测定所述第一时间段内的所述周边环境的平均湿度值。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一电化学气体传感器包括一定体积的基于酸的电解质。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述控制器被进一步配置为测定一段时间内的平均电解质水蒸气压。
4.根据权利要求3所述的装置，其中所述温度传感器被集成到所述第一电化学气体传感器中。
5.根据权利要求1所述的装置，还包括气体检测装置壳体，其中所述气体检测装置壳体包括外部壳体部分和内部壳体部分，并且其中所述第一电化学气体传感器、所述温度传感器和所述控制器被包封在所述内部壳体部分内。
6.根据权利要求1所述的装置，其中在所述第一时间段内的所述周边环境的平均湿度值使用查找表来测定，所述查找表将所述第一时间段内的所述第一电化学气体传感器内的电解质浓度的平均变化速率与对应的所述第一时间段内的平均环境温度和所述第一电化学气体传感器内的平均电解质水蒸气压的湿度值相关联，其中所述对应的湿度值限定所述第一时间段内的周边环境的平均湿度值。
7.根据权利要求1所述的装置，还包括第二电化学气体传感器，其中所述第二电化学气体传感器为定位在所述周边环境内的基于电解质的电化学气体传感器，并且其中所述第一电化学气体传感器被配置为将所述第一时间段内的所述周边环境的平均湿度值传送至所述第二电化学气体传感器。
8.根据权利要求7所述的装置，其中所述第二电化学气体传感器包括一定体积的基于非酸的电解质。
9.根据权利要求7所述的装置，其中所述第二电化学气体传感器被配置为基于所述第一时间段内的所述周边环境的平均湿度值将适当的补偿因子施加到所述第二电化学气体传感器的输出。
10.一种使用电化学气体传感器测定湿度的方法，包括：
提供基于电解质的第一电化学气体传感器，所述基于电解质的第一电化学气体传感器被配置为测量所述第一电化学气体传感器内的电解质浓度；
提供温度传感器，所述温度传感器被配置为测量围绕所述基于电解质的第一电化学气体传感器的周边环境的温度；
提供控制器，所述控制器与所述基于电解质的第一电化学气体传感器和所述温度传感器通信，其中所述控制器被配置为：(i)测定第一时间段内所述周边环境的平均环境温度，(ii)测定所述第一时间段内所述第一电化学气体传感器内的电解质浓度的平均变化速率，以及(iii)基于所述平均环境温度和所述电解质浓度的平均变化速率来测定所述第一时间段内的所述周边环境的平均湿度值；以及
基于所述第一时间段内的所述周边环境的平均环境温度和所述第一电化学气体传感器内的电解质浓度的平均变化速率来测定所述第一时间段内的所述周边环境的平均湿度值。
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