CN114207426B - 对毛细管受限传感器的探询 - Google Patents

对毛细管受限传感器的探询 Download PDF

Info

Publication number
CN114207426B
CN114207426B CN202080056222.9A CN202080056222A CN114207426B CN 114207426 B CN114207426 B CN 114207426B CN 202080056222 A CN202080056222 A CN 202080056222A CN 114207426 B CN114207426 B CN 114207426B
Authority
CN
China
Prior art keywords
gas sensor
gas
sensor
output
measured
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
CN202080056222.9A
Other languages
English (en)
Other versions
CN114207426A (zh
Inventor
T·B·谢弗勒
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
MSA Technology LLC
Original Assignee
MSA Technology LLC
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by MSA Technology LLC filed Critical MSA Technology LLC
Publication of CN114207426A publication Critical patent/CN114207426A/zh
Application granted granted Critical
Publication of CN114207426B publication Critical patent/CN114207426B/zh
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/413—Concentration cells using liquid electrolytes measuring currents or voltages in voltaic cells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/404—Cells with anode, cathode and cell electrolyte on the same side of a permeable membrane which separates them from the sample fluid, e.g. Clark-type oxygen sensors
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/416—Systems
    • G01N27/4163—Systems checking the operation of, or calibrating, the measuring apparatus
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/283—Means for supporting or introducing electrochemical probes
    • G01N27/286—Power or signal connectors associated therewith
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/28—Electrolytic cell components
    • G01N27/30—Electrodes, e.g. test electrodes; Half-cells
    • G01N27/304—Gas permeable electrodes
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N27/00—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means
    • G01N27/26—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating electrochemical variables; by using electrolysis or electrophoresis
    • G01N27/403—Cells and electrode assemblies
    • G01N27/406—Cells and probes with solid electrolytes
    • G01N27/407—Cells and probes with solid electrolytes for investigating or analysing gases
    • G01N27/41—Oxygen pumping cells
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/007—Arrangements to check the analyser
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N33/00—Investigating or analysing materials by specific methods not covered by groups G01N1/00 - G01N31/00
    • G01N33/0004—Gaseous mixtures, e.g. polluted air
    • G01N33/0009—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment
    • G01N33/0027—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector
    • G01N33/0036—General constructional details of gas analysers, e.g. portable test equipment concerning the detector specially adapted to detect a particular component
    • G01N33/0059—Avoiding interference of a gas with the gas to be measured
    • G01N33/006—Avoiding interference of water vapour with the gas to be measured

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Electrochemistry (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Combustion & Propulsion (AREA)
  • Food Science & Technology (AREA)
  • Medicinal Chemistry (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Electric Means (AREA)
  • Investigating Or Analyzing Materials By The Use Of Fluid Adsorption Or Reactions (AREA)

Abstract

一种操作包括毛细管受限电化学气体传感器的气体检测设备的方法，包括：在感测模式和探询模式下操作气体传感器，在该感测模式期间，来自气体传感器的信号代表由气体传感器测量的分析物气体的浓度，在该探询模式期间，通过以下方式对气体传感器进行电子探询：向气体传感器施加电信号，以在工作电极与对电极之间生成非法拉第电流，而无需施加测试气体；周期性地进入探询模式；在探询模式期间测量气体传感器输出的参数；将所测量的参数与一个或多个经先前测量的参数进行比较；根据比较确定操作状态；以及如果操作状态被确定在预先确定的范围内，则将气体传感器返回到感测模式。

Description

对毛细管受限传感器的探询
背景技术
提供以下信息以帮助读者理解下文所公开的技术以及通常可以使用这些技术的环境。除非在本文档中另有明确说明，否则本文中所使用的术语不限于任何特定狭义解释。本文中所阐述的参考文献可以促进对技术或其背景的理解。本文中所引用的所有参考文献的公开内容通过引用并入本文。
数十年来，已经证明电化学传感器在检测工作场所环境中的有毒气体时是有效的。电化学传感器的低成本、响应速度和选择性只是使这样的传感器对安全产品具有吸引力的特点中的几个特点。然而，使用它们的必要要求中的一个要求是经常校准。例如，电化学传感器的灵敏度受其电解质含水量的影响，由于环境相对湿度的波动，该含水量会随着一年四季的推移而发生改变。这种相对湿度波动导致旱季期间灵敏度降低，而雨季期间的灵敏度提高。
出于谨慎，要求定期测试气体检测仪器的功能。例如，一种常见做法是每天对便携式气体检测仪器执行“碰撞检查”或功能检查。该测试的目的是确保整个气体检测系统(通常称为仪器)的功能。还可以对永久性气体检测仪器执行定期碰撞检查或功能检查以，例如，延长完全校准之间的时段。气体检测系统包括至少一个气体传感器、电子电路系统、以及电源，以驱动传感器、解释其响应并将其响应显示给用户。该系统还包括用于围合并保护这些部件的壳体。碰撞检查通常包括：a)施加感兴趣气体(通常是仪器旨在检测的气体浓度已知的气体或其相似物)；b)收集并解释传感器响应；c)向最终用户指示系统的功能状态(也就是说，仪器是否正常运转)。
这样的碰撞测试定期执行，并且通常每天执行。碰撞检查向用户提供了气体检测设备正常工作的相对高度的保证。碰撞检查以检测危险气体的警报级别所需的相同方式执行气体检测设备的所有部件的所有必要功能。在这方面，碰撞检查确保从仪器外部通过任何传输路径(包括，例如，任何保护和/或扩散膜)有效输送气体以接触有源传感器部件。碰撞检查还确保传感器本身的检测方面正常工作，并且传感器提供正确的响应功能或信号。碰撞检查还确保传感器正确连接到其关联的电源和电子电路系统，并且正确解释传感器信号。而且，碰撞检查确保气体检测仪器的(多个)指示器或(多个)用户接口(例如，显示器和/或通告功能)按预期运转。
然而，定期/每日碰撞检查要求具有若干个显著缺点。例如，这种碰撞检查很耗时，尤其是在包括许多气体检测系统或仪器的工业设施之类的设施中。碰撞检查还需要使用昂贵且具有潜在危险的校准气体。进一步地，碰撞检查还需要专门气体输送系统，通常包括加压气瓶、减压调节器、以及管道和适配器，以正确向仪器供应校准气体。对专用气体输送系统的要求通常意味着对个人气体检测设备进行碰撞检查的机会在地点和时间上受到气体输送设备的可用性的限制。
最近，已经提出了若干个系统和方法来减少扩散受限电化学气体传感器中的碰撞测试的数目。例如，这种系统可以包括在没有测试气体的情况下对传感器的电子探询。随着平均相对湿度缓慢改变，由水分损耗或增益引起的灵敏度波动逐渐但以可预测的方式发生。同样，传感器对电子探询的响应(在没有或无需施加包括分析物气体或其替代物的浓度已知的测试气体的情况下)以类似方式改变。例如，电子探询可以用于测量灵敏度改变并针对这种灵敏度改变校正传感器输出。
发明内容
在一个方面中，一种操作气体检测设备的方法，该气体检测设备包括响应于分析物气体的毛细管受限电流型电化学气体传感器，该操作方法包括：在感测模式和探询模式下操作气体传感器，在该感测模式期间，来自气体传感器的信号代表由气体传感器测量的分析物气体的浓度，在该探询模式期间，通过以下方式对气体传感器进行电子探询以测试气体传感器的功能：向气体传感器施加电信号，以经由与工作电极和对电极离子接触的电解质在气体传感器的工作电极与气体传感器的对电极之间生成非法拉第电流，而无需从容器向传感器施加具有已知浓度的分析物气体或其相似物的测试气体；周期性地进入探询模式；在探询模式期间测量气体传感器输出的参数；将所测量的参数与来自先前探询模式的一个或多个经先前测量的参数进行比较；根据所测量的参数与一个或多个经先前测量的参数的比较确定操作状态；以及如果操作状态被确定在预先确定的范围内，则将气体传感器返回到感测模式。在多个实施例中，气体传感器为氧传感器。
除非上下文另有明确规定，否则如本文中所使用的，术语“周期性地”是指不时或偶尔发生的动作(例如，探询模式的启动)。例如，本发明的探询模式可以以一个或多个规则发生的间隔启动，但不必以一个或多个规则发生的间隔启动。
所测量的参数例如可以为最大峰值(MPV)、曲线下面积(AUC)、最小峰值(mPV)、峰峰值(PP)、反向曲线下面积(rAUC)或基线值。可以测量不止一个参数。在若干个实施例中，所测量的参数为气体传感器的基线输出。例如，可以在将电信号施加到气体传感器之前测量传感器的基线输出或基线输出值。基线输出的改变(与一个或多个先前测量的基线输出值相比较)可以例如用于调整气体传感器的灵敏度。例如，所测量的值可以直接与一个或多个先前确定的值进行比较，以确定该值(随时间)的改变是否超过预先确定的阈值。附加地或可替代地，参数的改变率可以根据所测量的参数和所测量的参数的先前值确定，该参数的改变率可以与预先确定的阈值改变率进行比较。
在若干个实施例中，如果所测量的参数被确定为在预先确定的范围之外，则气体传感器被确定为处于故障模式。例如，该方法还可以包括：如果确定气体传感器处于故障模式，则提供警报。
在其中测量基线输出的若干个实施例中，在探询模式期间测量至少一个其他参数。至少一个其他参数可以例如选自由以下各项组成的组：最大峰值、曲线下面积、最小峰值、峰峰值、以及反向曲线下面积。
在若干个实施例中，该方法还包括：执行新鲜空气设置，其中气体传感器的输出与参考值进行比较。在若干个这样的实施例中，如果气体传感器的输出在参考值的预先确定的范围内，则气体传感器的输出被调整为20.8vol-％的氧气。
在另一方面中，响应于分析物气体的电化学气体传感器包括具有毛细管入口的壳体、壳体内的电解质、与电解质离子接触的工作电极、与电解质离子接触的对电极，以及与工作电极和对电极操作连接的电子电路系统。电子电路系统被配置为在感测模式和探询模式下操作气体传感器，在该感测模式期间，来自气体传感器的信号代表由气体传感器测量的分析物气体的浓度，在该探询模式期间，通过以下方式对气体传感器进行电子探询以测试气体传感器的功能：向气体传感器施加电信号，以经由电解质在工作电极与对电极之间生成非法拉第电流，而无需从容器向传感器施加具有已知浓度的分析物气体或其相似物的测试气体。电子电路系统被为周期性地进入探询模式；在探询模式期间测量气体传感器输出的参数；将所测量的参数与来自先前探询模式的一个或多个经先前测量的参数进行比较；根据所测量的参数与一个或多个经先前测量的参数的比较确定操作状态；以及如果操作状态被确定在预先确定的范围内，则将气体传感器返回到感测模式。在若干个实施例中，气体传感器为氧传感器。
如上文所描述的，所测量的参数例如可以是最大峰值、曲线下面积、最小峰值、峰峰值、反向曲线下面积或基线值。可以测量多于一个的参数。在若干个实施例中，所测量的参数为气体传感器的基线输出。例如，可以在将电信号施加到气体传感器之前测量传感器的基线输出或基线输出值。基线输出的改变(与一个或多个先前测量的基线输出值相比较)可以例如用于调整气体传感器的灵敏度。例如，所测量的值可以直接与一个或多个先前确定的值进行比较，以确定该值(随时间)的改变是否超过预先确定的阈值。附加地或可替代地，参数的改变率可以根据所测量的参数和所测量的参数的一个或多个先前值确定，该参数的改变率可以与预先确定的阈值改变率进行比较。
在若干个实施例中，如果所测量的参数被确定为在预先确定的范围之外，则气体传感器被确定为处于故障模式。例如，电子电路系统还可以被配置为如果气体传感器被确定为处于故障模式，则经由气体传感器的用户接口系统提供警报。
再者，在其中测量基线输出的若干个实施例中，可以在探询模式期间测量至少一个其他参数。至少一个其他参数可以例如选自由以下各项组成的组：最大峰值、曲线下面积、最小峰值、峰峰值和反向曲线下面积。
在若干个实施例中，电子电路系统还被配置为实现、执行或履行新鲜空气设置，其中气体传感器的输出与参考值进行比较。在若干个这样的实施例中，如果气体传感器的输出在参考值的预先确定的范围内，则气体传感器的输出被调整为20.8vol％的氧气。
在又一方面中，一种操作气体检测设备的方法，该气体检测设备包括响应于分析物气体的毛细管受限电流型电化学气体传感器，该方法包括：周期性地测量气体传感器的基线输出；将所测量的基线输出与一个或多个先前基线输出值进行比较，以及根据所测量的基线输出与一个或多个先前测量的基线输出值的比较来确定操作状态。例如，与一个或多个先前测量的基线输出值相比的所测量的基线输出的改变可以用于调整灵敏度。在若干个实施例中，例如，如果所测量的基线输出被确定在预先确定的范围之外，则气体传感器可以被确定为处于故障模式。基线测量可以但不必与探询模式相关联，在该探询模式期间，对气体传感器进行电子探询，以通过将电信号施加到气体传感器以经由电解质在工作电极与对电极之间生成非法拉第电流来测试气体传感器的功能。
在再一方面中，响应于分析物气体的电化学气体传感器包括壳体，该壳体包括毛细管入口；电解质，该电解质位于壳体内；工作电极，该工作电极与电解质离子接触；对电极，该对电极与电解质离子接触；以及电子电路系统，该电子电路系统与工作电极和对电极操作连接。电子电路被配置为周期性地测量气体传感器的基线输出；将所测量的基线输出与一个或多个先前的基线输出值进行比较；并且根据所测量的基线输出与一个或多个先前测量的基线输出值的比较来确定操作状态。再者，与一个或多个先前测量的基线输出值相比的所测量的基线输出的改变可以例如用于经由电子电路系统调整灵敏度。在若干个实施例中，如果所测量的基线输出被确定为在预先确定的范围之外，则气体传感器可以例如经由电子电路系统被确定为处于故障模式。基线测量可以但不必与探询模式相关联，在该探询模式期间，对气体传感器进行电子探询，以通过将电信号施加到气体传感器以经由电解质在工作电极与对电极之间生成非法拉第电流来测试气体传感器的功能。
在本文中的设备、系统和方法中确定的故障模式可以例如由相对湿度的显著改变、电解质的泄漏和/或工作电极功能的改变引起。
本设备、系统和方法连同其属性和附带优点将通过结合附图的以下具体实施方式得到最好的领会和理解。
附图说明
图1A示意性地图示了其毛细管受限电化学气体传感器的横截面视图。
图1B示意性地图示了本文中的毛细管受限电化学气体传感器的透视剖视图。
图1C示意性地图示了图1A的毛细管受限电化学气体传感器的毛细管入口的放大视图。
图1D图示了用于本文中的电化学气体传感器的电子电路系统的一部分。
图2以图形方式图示了本文中的毛细管受限氧泵型氧传感器在环境和极端(也就是说，明显超出环境范围)湿度条件下的性能，其中传感器输出(标准化为在第0天指示的20.8vol-％)由菱形(◆)表示，而由于电解质对水的损耗和增益而导致的传感器的重量改变由圆圈(●)表示。
图3图示了通过向本文中的氧泵型氧传感器的工作电极施加电位脉冲获得的典型电流响应，其中传感器在实验时暴露于环境空气(约20.8vol-％的氧气)。
图4以图形方式图示了本文中的毛细管受限氧泵型氧传感器在环境和极端湿度条件下的性能，其中传感器输出(标准化为在第0天指示的20.8vol-％)由菱形(◆)表示，而由于施加电位脉冲而导致的电流响应的最大峰值(MPV)由方形(■)表示。
图5以图形方式图示了本文中的毛细管受限氧泵型氧传感器在环境、灾难性干燥和正常湿度条件下的性能，其中传感器输出(标准化为在第0天指示的20.8vol-％)由菱形(◆)表示，而由于电解质对水的损耗和增益而导致的传感器的重量改变由圆圈(●)表示。
图6以图形方式图示了本文中的毛细管受限氧泵型氧传感器在环境、灾难性干燥和正常湿度条件下的行为，其中传感器输出(标准化为在第0天指示的20.8vol-％)由菱形(◆)表示，而电子探询或脉冲测试的基线响应参数由圆圈(●)表示。
图7以图形方式图示了显示了缓慢漂移的本文中的氧传感器的研究的结果，其中传感器的实际输出由菱形(◆)表示，典型仪器新鲜空气设置(FAS)的结果为由方形(■)表示(两者都绘制在左侧轴上)，并且其中脉冲测试的基线参数的响应由三角形(▲)表示(绘制在右侧轴上)，并且运行数目(下轴)是连续测试的序数(并不表示时间)。
具体实施方式
应当容易理解，除了所描述的代表性实施例之外，如本文中的附图中所一般描述和图示的实施例的布置可以布置和设计成范围多种不同的配置。因此，如附图所图示的，如下对代表性实施例的更详细描述并非旨在限制所要求保护的实施例的范围，而仅仅是对代表性实施例的说明。
在整个本说明书中对“一个实施例”或“实施例”(等)的引用意味着结合该实施例所描述的特定特征、结构或特点包括在至少一个实施例中。因此，在整个本说明书的各个地方出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”等不一定都是指相同的实施例。
更进一步地，所描述的特征、结构或特点可以在一个或多个实施例中以任何合适方式组合。在以下描述中，提供了许多具体细节以给出对实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有具体细节中的一个或多个具体细节的情况下或使用其他方法、部件、材料等来实践各种实施例。在其他实例中，未详细示出或描述众所周知的结构、材料或操作以避免混淆。
如本文中和所附权利要求中所使用的，除非上下文另有明确规定，否则单数形式“一”、“一个”和“该”包括复数引用。因此，例如，对“参数”的引用包括本领域技术人员已知的多个这样的参数及其等同物等，对“参数”的引用是对本领域技术人员已知的一个或多个这样的参数和等同物的引用等。本文中数值范围的列举仅旨在用作单独引用落入该范围内的每个单独值的速记方法。除非本文另有说明，否则每个单独值以及中间范围都并入说明书中，如同在本文中单独引用一样。除非本文另有说明或文中另有明确禁忌，否则本文中所描述的所有方法都可以按任何合适次序执行。
本文中所使用的术语“电子电路系统”、“电路系统”或“电路”包括但不限于硬件、固件、软件或每个的组合以执行一个或多个功能或一个或多个动作。例如，基于期望特征或需求，电路可以包括软件控制的微处理器、诸如专用集成电路(ASIC)之类的分立逻辑、或其他编程逻辑设备。电路也可以完全体现为软件。如本文中所使用的，“电路”被认为与“逻辑”同义。如本文中所使用的，术语“逻辑”包括但不限于硬件、固件、软件或每个的组合以执行一个或多个功能或一个或多个动作，或从另一部件引起功能或动作。例如，基于期望应用或需求，逻辑可以包括软件控制的微处理器、诸如专用集成电路(ASIC)之类的分立逻辑、或其他编程逻辑设备。逻辑也可以完全体现为软件。
本文中所使用的术语“处理器”包括但不限于采用任何组合的实际上任何数目的处理器系统或独立处理器中的一个或多个，诸如微处理器、微控制器、中央处理单元(CPU)、以及数字信号处理器(DSP)。处理器可以与支持处理器的操作的各种其他电路相关联，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM)、时钟、解码器、存储器控制器或中断控制器等。这些支持电路可以在处理器或其相关联的电子封装的内部或外部。支持电路与处理器操作通信。支持电路不一定在框图或其他图中与处理器分开示出。
本文中所使用的术语“控制器”包括但不限于协调和控制一个或多个输入和/或输出设备的操作的任何电路或设备。例如，控制器可以包括具有一个或多个处理器、微处理器或能够被编程以执行功能的中央处理单元的设备。
如本文中所使用的术语“逻辑”包括但不限于硬件、固件、软件或其组合以执行一个或多个功能或一个或多个动作，或从另一元件或部件引起功能或动作。基于特定应用或需要，逻辑例如可以包括软件控制的微处理器、诸如专用集成电路(ASIC)的分立逻辑、或其他编程逻辑设备。逻辑也可以完全体现为软件。如本文中所使用的，术语“逻辑”被认为与术语“电路”同义。
本文中所使用的术语“软件”包括但不限于一个或多个计算机可读或可执行指令，该一个或多个计算机可读或可执行指令使得计算机或其他电子设备以期望方式执行功能、动作或行为。指令可以以各种形式体现，诸如例程、算法、模块或程序，包括来自动态链接库的单独应用程序或代码。软件也可以以各种形式实现，诸如独立程序、函数调用、servlet、applet、存储在存储器中的指令、操作系统的一部分、或其他类型的可执行指令。本领域普通技术人员应当领会，软件的形式取决于例如期望应用的要求、其运行的环境、或设计员/程序员的期望等。
用于扩散受限电化学气体传感器的电子探询技术和所得校正例如在美国专利号7,413,645、7,959,777、9,784,755和9,528,957以及美国专利申请公开号2013/0186777和2017/0219515中公开，其公开内容通过引用并入本文。在这种电子探询途径中，通常向传感器施加诸如电位脉冲之类的电信号，并且测量并记录所得响应。
在将电信号施加到扩散受限电化学传感器的工作电极的情况下，响应可以例如以以下形式测量：(i)最大峰值(MPV)，该MPV为施加电位脉冲时观察的最大电流；(ii)曲线下面积(AUC)，该AUC为在施加电位脉冲之后工作电极的积分电流响应(这相当于传感器的充电响应)；(iii)最小峰值(mPV)，该mPV为在移除或反转电位脉冲时获得的最小电流，通常作为在移除或反转电位脉冲之后立即观察的电流差，尽管它也可以制成表格并用作最小电流与基线之间的差；(iv)峰峰值(PP)，该PP为最大观察电流与最小观察电流之间的代数差；以及(v)曲线下面积(rAUC)或更准确地反向曲线下面积，该rAUC是通过对电位脉冲移除或反转后的电流响应进行积分获得的充电电流。这些响应与在一个或多个先前气体测试/脉冲循环期间取得的值进行比较。在渗透或扩散受限电化学气体传感器的情况下，校准值的改变可以例如与传感器灵敏度的改变相关。
如上文所描述的，电化学气体传感器的电子探询的最新发展已经减少了在扩散受限电化学气体传感器的情况下使用测试气体进行频繁校准的要求。例如，电子探询的持续时间可能相当短，以使传感器离线以进行传感器测试诊断的时间量(也就是说，在传感器电子探询循环期间)最小。在若干个实施例中，电子探询可以允许本文中的电化学传感器在10秒以下、5秒以下或甚至1秒以下返回到正常(气体感测)模式操作。用于传感器的电子探询的设备、系统和方法可以允许包括一个或多个传感器的仪器保持“在线”。而且，这样的设备、系统和方法还可以提供主动的自动传感器状态监测作为后台操作，而无需用户启动。电子探询的频率可能会有所不同。以例如每小时数次的频率提供传感器探询可以提供几乎恒定的传感器寿命和健康状态监测。
由于若干个电子探询技术已经在渗透或扩散受限电化学气体传感器中得到充分证明。在气体传感器的情况下，期望检测应当发生在气相中或在相界处。通常，这指示传感器的速度将仅受目标气体分子的气相扩散到传感器的速率的限制。出于限制传感器输出的目的，诸如电化学气体传感器之类的气体传感器例如可以为渗透或扩散受控或受限，其中可渗透膜用于限制目标气体扩散到传感器中或毛细管受控或受限的，其中毛细管入口用于限制目标气体扩散到传感器中。
在这方面，在电化学气体传感器中，待测量气体(有时称为目标气体或分析物气体)通常通过例如气体多孔膜或透气膜或通过毛细管入口从周围大气或环境进入传感器壳体到达发生化学反应的第一电极或工作电极(有时称为感测电极)。互补化学反应发生在称为对电极(或辅助电极)的第二电极处。电化学传感器经由生成电流来产生分析信号，该电流直接由工作电极处的分析物气体(也就是说，待检测气体)的氧化或还原产生。Cao,Z.和Stetter,JR,“The Properties and Applications of Amperometric Gas Sensors”Electroanalysis，4(3)，253(1992)中也提供了对电化学气体传感器的全面讨论，其公开内容并通过引用入本文。
工作电极和对电极组合产生电信号，该电信号(1)与分析物气体的浓度相关，并且(2)足够强以提供适合区分整个感兴趣范围内的分析物气体的浓度水平的信噪比。换言之，工作电极与对电极之间的电流必须与感兴趣浓度范围内的分析物气体的浓度成可测量比例。
除了工作电极和对电极之外，电化学传感器通常包括第三电极，通常称为参考电极。参考电极用于维持工作电极处于已知电压或电位。参考电极在电解质中应当具有物理稳定性和化学稳定性。
工作电极与对电极之间的电连接通过电解质维持。电解质的功能包括：(1)有效承载离子电流；(2)溶解分析物气体；(3)支持对电极和工作电极的反应；(4)与参考电极形成稳定参考电位。例如，电解质的准则可以包括以下内容：(1)电化学惰性；(2)离子电导率；(3)化学惰性；(4)温度稳定性；(5)成本低；(6)低毒；(7)低可燃性；以及(8)适当粘度。
一般而言，电化学电池的电极提供发生氧化或还原(氧化还原)反应的表面，以提供电解质溶液的离子传导与电极的电子传导耦合以为电流提供完整电路的机制。由电化学电池的电池反应产生的可测量电流与在电极处发生的反应程度成正比。因此，优选地，在电化学电池中维持高反应速率。为此，电化学电池的对电极和/或工作电极通常在其表面上包括适当电催化剂以支持反应速率。
由于静电力，所以非常接近工作电极表面的溶液体积为非常高度有序的结构。这种结构对于理解电极过程很重要。非常接近电极表面的溶液体积以不同方式称为扩散(diffusion)层、扩散(diffuse)层和/或亥姆霍兹层或平面。
电化学电池中存在的电阻和电容的幅度为其制造中使用的材料的性质和同一性的结果。电解质的电阻是溶解在溶剂中的离子的数目和类型的结果。电极的电容主要为电催化剂的有效表面积的函数。在理想世界中，这些数量不变。然而，利用水性(水基)电解质的电流型气体传感器中的溶液电阻可能会发生改变，例如，由于暴露于不同的环境相对湿度水平。随着水从传感器蒸发，离子电解质的化学浓度增加。这种浓度改变会依据实际使用的电解质导致电解质的电阻率的增加或降低。
而且，即使对于通常被认为不溶于特定溶剂的物质，该物质在溶剂中的浓度也很小但有限。例如，溶解在电化学传感器的电解质中的电极中的金属浓度非常小但有限。这种小浓度的溶解金属不断变化。也就是说，金属原子不断从电极中溶解出来，然后再电镀到其他地方。这个过程的净效果是减少电极的有效表面积。这具有随时间降低传感器电容的效果。上文所描述的效果中的两种效果都具有改变传感器在其使用寿命期间的灵敏度的净效果。
图1A和图1B图示了可以用于本文中的设备、系统和方法中的毛细管受限电化学传感器10的代表性实施例的示意图。传感器10包括壳体20，该壳体20具有毛细管形式的进气口30，用于将一个或多个目标气体或分析物气体录入传感器10。顾名思义，诸如传感器10之类的毛细管受限传感器使用具有近似100:1的常见或典型纵横比(长度：直径或l：d)的非常小的入口孔30(也就是说，毛细管)(参见例如图1C，该图1C图示了入口30和围绕其的壳体20的圆柱形部分的轴向横截面视图和径向横截面视图)。
在图1C中，p2为入口30外部的目标气体的分压，p1为入口30的内侧开口处的目标气体的分压，c2为入口30外部的目标气体的浓度，c1为入口30(或表面工作电极50，其基本上为零)的内部开口处的目标气体的浓度。通常所说的“正常毛细管扩散”实际上是格雷厄姆渗出定律的特例。参见例如，Barrow,G.M.：Physical Chemistry，第四版本，New York NY：McGraw Hill(1979)。一般而言，“扩散”是指气体从较高压力(或分压)或较高浓度区域通过直径非常小的多孔壁或管子分别流向较低压力或较低浓度区域的体积流动。“渗出”是指由分子而非体积流过孔口或膜产生的移动过程。
毛细管受限氧气或O2传感器是市场上主要的O2传感器。这种优势很可能是因为许多性能标准根据O2的体积百分比(vol-％)浓度来编写。毛细管受限O2传感器测量O2的vol-％，而不依赖于O2的分压(即使在O2的恒定vol-％浓度下，O2的分压也会随着总大气压的变化而变化)。换言之，毛细管受限传感器仅响应样品中目标气体的vol-％，而与压力无关。毛细管传感器的输出由以下方程提供：
该方程指示传感器输出ilim直接取决于毛细管的尺寸d2/l。D0为目标气体(例如，O2)的扩散系数。而且，传感器输出根据温度的平方根(T1/2或每摄氏度约0.17％)改变。进一步地，v1/V(或目标气体体积v1除以传感器所感测的测试环境的体积V)为目标气体在测试环境中的体积分数(例如，O2在测试气氛中的体积)。
在若干个实施例中，电解质饱和的芯材料40a、40b和40c可以将传感器10内的工作电极50与参考电极70和对电极80分开和/或经由壳体20内的电解质44在它们之间提供离子传导并且吸收在芯材料40a、40b和40c内。提供本领域已知的电子电路系统100，例如，以维持工作电极50与参考电极70之间的期望电位差，如本文中所描述的，以使电位差发生变化或使用脉冲调制该电位差，以及处理来自传感器10的输出信号。传感器电极经由连接器90而被布置为与电路系统100连接，这些连接器90通过壳体20提供导电导电性/连接性。
在图示实施例中，工作电极50可以通过例如将第一电催化剂层54沉积在气体扩散膜52上来形成(例如，使用传感器领域中已知的催化剂沉积技术)。虽然传感器10可以包括毛细管入口30后面的气体扩散膜52，但与渗透或扩散受限传感器的情况不同，通过气体扩散膜52的扩散不受速率限制。膜52用来将电解质44保持在壳体20内并且将电催化层/表面54支撑在传感器10内。气体容易通过扩散膜52(例如，经由扩散)传送或输送，但电解质44不容易通过其传送或输送。工作电极50的扩散膜54可以附接(例如，经由热封)到壳体20的顶部、帽或盖子22的内表面。
例如，电子电路系统100可以包括处理器或控制器系统102，该处理器或控制器系统102包括一个或多个处理器或微处理器，以控制传感器10的操作的各个方面。存储器系统104可以被放置为与处理器系统102操作或通信连接，并且可以在传感器10中存储用于控制、测量和/或分析的软件。用户接口系统106(包括例如显示器、扬声器等)还可以被放置为与处理器系统102操作或通信连接。诸如收发器之类的通信系统108可以被放置为与处理器系统102操作或通信连接以用于有线通信和/或无线通信。功率源110(例如，电池系统)可以为电子电路系统100提供功率。
在本文中所研究的传感器的若干个代表性实施例中，电化学传感器10为氧泵传感器。代表性工作电极50可以例如包括铂或分散在碳上作为电催化剂层54的铂。例如，可以使用诸如H2SO4之类的酸性电解质。这种O2传感器的工作电极半反应、对应对电极半反应和总反应如下所示。术语“氧泵”源于观察到在整个传感器反应中没有消耗任何东西。在这方面，对于在工作电极处被还原的每个O2分子，由于来自电解质溶液的水被氧化，所以在对电极处产生另一O2分子。
O2→O2
如图1A和图1B所示，排气口90形成在传感器壳体20中，该排气口90与对电极70气体连通。排气口90允许对电极70处产生的O2逸出壳体20。所产生的O2的量为非常小(每秒只有几纳升)。然而，在传感器10的使用寿命期间，所产生的O2会变得相当重要。除非传感器10以有效方式进行排气，否则传感器壳体20中的压力将增加并且干扰传感器信号或导致电解质泄漏。
图1D示意性地图示了适用于本文中的传感器的若干个实施例中的电子电路系统或控制电路系统100的一部分的实施例。图1B所图示的电子电路系统100的部分有时被称为恒电位电路。在如图1A所图示的三电极传感器中，在参考电极70与感测或工作电极50之间维持预先确定的电位差或电压，以控制电化学反应并且递送与传感器所产生的电流成比例的输出信号。如上文所描述的，工作电极50通过氧化或还原气体来响应分析物气体或目标气体。氧化还原反应产生与气体浓度成比例的电流。电流通过对电极80供应给传感器10。在对电极80处发生与工作电极50处的反应相反的氧化还原反应，从而完成与工作电极50的电路。允许对电极80的电位浮动。当检测到气体时，电池电流上升，对电极80相对于参考电极70极化。只要电路提供足够电压和电流来维持工作电极50的正确电位，对电极80上的电位就不重要。
例如，如美国专利申请公开号2017/0219515中所描述的，用于电路系统100的测量电路包括单级运算放大器或运算放大器IC1。传感器电流跨过增益电阻器120(在所图示实施例中具有5kΩ的电阻)反射，从而生成输出电压。例如，可以经由最快响应时间与最佳信噪比之间的平衡来选取负载电阻器122(在所图示实施例中具有56Ω的电阻)。
控制运算放大器IC2提供恒电位控制，并且向对电极80提供电流以平衡工作电极50所需的电流。IC2的反相输入连接到参考电极，但不从参考电极汲取任何显著电流。
在对诸如传感器10之类的本文中的传感器的电子探询期间，可以感应非法拉第电流(例如，经由向工作电极50施加形式为电信号的能量)。例如，可能会产生电位的阶跃改变，从而生成非法拉第电流。由于为电极进行充电，所生成的非法拉第电流可以用于监测传感器功能或健康。然而，如上文所描述的，传感器随后返回到其正常偏置电位或电位范围以用于感测目标气体或分析物气体的正常操作。将传感器返回到其操作偏置或操作电位差(其可能为零)的过程会在相反方向上产生电流峰值(电荷积聚)。返回到操作电位差时出现的电流峰值可能需要许多秒钟才能消散。
可以根据MPV、AUC、mPV或rAUC分析获得关于传感器健康或传感器状态的信息。例如，传感器探询可以包括：在所得响应/电流曲线中在短时间跨度内测量/分析单个数据点或多个数据点。当在传感器10(或其另一传感器)中感应非法拉第电流和/或在使传感器10(或其另一传感器)返回其操作电位差时出现的甚至相对较大的电流峰值的快速放电可以经由传感器电子器件100的主动控制来实现(例如，通过减小工作电极50与在施加了测试电位差之后测量输出/响应的点之间的电子电路系统100中的负载电阻)。在若干个实施例中，工作电极50与运算放大器IC1的输出之间的负载电阻降低到低值。随后，工作电极50与运算放大器IC1的输出之间的负载电阻在电荷基本消散或完全消散之后恢复到其正常负载电阻或操作负载电阻(或恢复到负载电阻的操作范围内)。
在若干个实施例中，可以绕过负载电阻器122(参见图1D)以减小工作电极50与运算放大器IC1的反相端子之间的负载电阻。例如，可以提供旁路电路124来绕过负载电阻器92。在若干个实施例中，场效应晶体管(FET)126用作旁路电路124中的开关来以可控方式实现负载电阻器122周围的旁路或短路。在若干个实施例中，可以使用金属氧化物半导体FET或MOSFET。
与扩散受限电流型电化学气体传感器不同，本文中的毛细管受限传感器对中期湿度改变和长期湿度改变不敏感。中期湿度改变例如可以为昼夜相对湿度改变，该昼夜相对湿度改变例如可以为±30。长期湿度改变在延长时间段内(诸如在两个月到三个月的时间段内)累积。例如，图2示出了本文中的毛细管受限氧泵型传感器对环境和大气湿度极值的响应。图2所表示的实验通过将气体测试结果(◆)与代表性氧传感器组当暴露于不同大气湿度条件下所经历的重量改变(●)相关联来执行。在这些研究中，使用了可从宾夕法尼亚州蔓越莓镇的MSA Safety Incorporated获得的氧传感器。如图2所显著地描绘的，由于这种传感器中常用的水性电解质的吸湿性，所以氧传感器电解质响应于大气湿度而增减水分。电解质中水的增益或损耗几乎完全通过排气口26发生(例如，参见图1A)。与被设计为检测一氧化碳(CO)和硫化氢(H2S)的渗透或扩散受限传感器之类的渗透或扩散受限传感器不同，毛细管受限氧传感器的输出不会对图2研究中的湿度改变做出响应。对中长期湿度改变的相对不敏感指示需要一种不同途径，这种途径将运行状态探询应用于毛细管受限电化学气体传感器，诸如氧泵型电化学气体传感器。
图3图示了将诸如电位脉冲之类的电信号施加到典型毛细管受限氧泵型传感器的工作电极而获得的典型响应。脉冲的参数(幅度和持续时间)并不重要。然而，短持续时间脉冲可以用于使本文中的电化学气体传感器处于探询模式的时间量最小(从而使传感器处于传感器模式以检测分析物的时间最大)。对于向工作电极施加电流脉冲并观察电位响应，可以获得相同数据。可以从这种实验中获得至少六个数值参数，该至少六个数值参数包括基线，也就是说，传感器对环境大气的普通响应(例如，就在施加电位脉冲之前)；最大峰值(MPV)；曲线下面积(AUC)；最小峰值(mPV)；峰峰值(PP)；以及反向曲线下面积(rAUC)。
诸如MPV、PP、AUC、mPV和rAUC之类的参数可以用于检测扩散受限电流型电化学气体传感器中的故障条件并且实时校正其输出。然而，由于毛细管受限电化学气体传感器的设计与扩散受限电化学气体传感器的设计不同，所以发现这些参数在管理和维持毛细管受限电化学气体传感器(例如，氧泵型传感器)的信号方面没有多大用处。
例如，图4示出了图2中研究的相同传感器的MPV响应以及它们的环境输出。图4所图示的数据与图2所示的数据同时获得。在图4中，氧传感器组的平均环境输出再次由菱形(◆)表示，而最大峰值(MPV)由正方形(■)表示。发现MPV的湿度诱致改变不能预测该氧传感器组的平均环境输出。比较图2和图4，显而易见的是，MPV的改变由传感器的重量的改变驱动，这是由湿度储存方案产生的水的增益和损耗的结果。
毛细管受限氧传感器的输出和性能可以要么通过蒸发或要么通过其他方式由于电解质损耗而发生改变。上文所描述的生命和健康(操作状态)传感器探询技术可以用于检测这些其他故障模式。这些故障模式通常表现为输出的突然改变或随时间的缓慢输出改变，该缓慢输出改变与环境湿度条件的改变无关。
例如，图5和图6图示了毛细管受限氧泵型传感器在暴露于非常干燥的条件或在更温和的湿度条件下会导致传感器泄漏的条件时的性能。例如，这样的条件可以包括暴露于小于20％、小于15％或小于10％的相对湿度。例如，在寒冷或冬季期间，具体地，在经由燃烧炉由强制空气加热的结构内，可能会经历非常干燥的条件。如上文所提及的，与扩散受限电流型电化学气体传感器不同，毛细管受限传感器没有表现出输出随正常湿度变化而改变。然而，在图5所示的条件下，由于所研究的传感器在非常干燥的条件下从含水电解质中失水(如图5中圆圈(●)表示的重量改变数据所演示的)，所指示的vol％O2输出随着传感器进入故障状态而会急剧上升(如图5中菱形(◆)所演示的数据所示)。与图5的数据同时观察到的图6的数据阐述了对脉冲测试的基线参数的响应。
在图6中，传感器的所指示的O2的vol％输出再次由菱形(◆)表示，而电子探询或脉冲测试的基线参数的响应由圆圈(●)表示。显而易见的是，脉冲测试的基线参数本质上为这些传感器所指示的输出的镜像。
与显示输出随湿度的改变而适度改变并且可以容易且安全地进行数值校正的扩散受限电流型电化学传感器不同，本文中的毛细管受限氧传感器在湿度适度改变时指示输出的改变相对较小，但湿度显著改变时指示输出的改变非常大。这种显著改变的幅度可以被认为是传感器输出无法被安全补偿的故障或不可操作状态条件。然而，电子探询或脉冲测试可以用作此类故障的独特且明确的测试。
在结合电子探询可测量的参数中，基线参数最接近地代表传感器输出。在某些情形下，当传感器可能被认为是可操作的时，基线响应可以用于校正传感器输出。
在毛细管受限氧传感器的情况下，由于外来物理改变或化学改变，所以电子探询或脉冲测试可以诊断的第二故障模式(也就是说，除了湿度的显著改变之外的改变产生的故障模式)为传感器输出的缓慢漂移。例如，这种缓慢漂移可能由传感器暴露于干扰气体、毒物或抑制剂引起。在毛细管受限氧传感器的情况下，化学条件的这种改变可能例如通过干扰工作电极处氧的电化学还原或通过引起内部参考电极漂移而导致漂移。例如，漂移的物理原因可能包括毛细管被灰尘或湿气缓慢堵塞。在任一情况下，可以有利地应用电子探询或脉冲测试来诊断这些条件。
许多气体检测仪器在清洁环境空气中使用毛细管受限氧传感器的输出作为正确操作的指示。这样的方法通常包括：执行通常称为“新鲜空气设置”或FAS的操作。在FAS期间，传感器的瞬时输出与参考值进行比较，该参考值通常以电子方式存储在现代仪器中。如果传感器的瞬时输出在参考值的预设范围内，则仪器的指示输出被调整为显示20.8vol-％的氧气。
图7描绘了经历缓慢的单调漂移的传感器组的性能。漂移的幅度使得在任何给定设置期间都不会违反成功FAS的限制。这些由图7底部的运行#或x轴描绘。图7的x轴并非旨在关联经过时间，而仅旨在连续FAS操作的序数。与所研究的传感器的实际或指示O2的vol％输出相对应的数据点由菱形(◆)表示，并且相对左侧轴绘制。如图7所示，所研究的传感器的实际或指示输出随着每次连续FAS操作而减小。连续FAS操作的指示结果由图7的正方形(■)表示，也相对左侧轴绘制。在FAS操作之前或之后测量的脉冲测试的基线参数数据由三角形(▲)表示，并且相对右侧轴绘制。如图7所示，如从脉冲测试计算的基线参数反映了所研究的传感器的实际漂移，即使漂移的幅度足够小以至于FAS操作无法检测到它。
因此，显然可以应用电子探询或脉冲测试(其中在短时间段或“脉冲”内施加电信号以引起工作电极与对电极之间的电流流动)，其中尽管这种类型的传感器与扩散受限传感器的性能完全不同，但对诸如氧传感器之类的毛细管受限传感器具有很大功效。例如，毛细管受限氧传感器的电子探询或脉冲测试的代表性实施例可以包括：(i)确保传感器处于干净的环境空气(也就是说，氧气的vol％为20.8的空气)；(ii)启动其中执行电子探询的探询模式，其中针对特定应用确定测试的实际参数——幅度、持续时间等；(iii)在电子探询期间以如由应用确定的适当采样率收集传感器的响应；(iv)计算适当参数，尤其是基线响应；(v)将任何电子探询的结果与预先确定的限制和/或与在特定传感器上执行的(多个)先前电子探询的历史进行比较；(vi)对传感器操作状态或健康做出确定；以及(vii)警告用户任何故障条件，或在确定不存在故障条件时，存储目前电子探询的结果并且将仪器返回到其操作或目标气体感测模式。
在本文中的若干个实施例中，测量基线输出(例如，在施加电流脉冲之前或在返回到基线之后或在这种脉冲之后分析物输出为零之后)并且将该基线输出与先前确定的(例如，经校准)值进行比较。例如，经校准值可以在最后一次气体校准期间(也就是说，在制造时和在仪器的后续气体校准时)确定。在若干个实施例中，经校准值(和/或其他先前确定的值)与所测量的值的比较不仅提供了对传感器的状态的测量，而且还提供了传感器输出的调整手段(例如，传感器灵敏度的校正手段)。如本文中所描述的，在本文中的系统、设备和/或方法的若干个代表性实施例中，可以进行传感器功能、连接的内部电子检查或探询(而无需应用分析物气体或其相似物)，并且如例如在美国专利号7,413,645中所描述的，可以校正传感器输出，该专利的公开内容通过引用并入本文。例如，应用于传感器输出的校正因子可能具有以下数学形式：
在上述方程中，SC为传感器的经校正灵敏度，R0和S0分别为响应函数和灵敏度的初始值，Ri和Si分别为实验期间的任何时间点处的响应函数和灵敏度，a为可调参数。该方程的形式并非唯一；还可以使用其他校正函数。将该校正因子应用于实验数据使仪器的指示响应在整个实验过程中回到指定范围，从而消除了针对已知标准校准气体重新校准传感器的需要。
前述描述和附图阐述了当前的若干个代表性实施例。当然，根据前述教导，各种修改、添加和备选设计对于本领域技术人员而言变得显而易见，而不偏离由以下权利要求而非由前述描述指示的本文中的范围。落入权利要求的等同物的意义和范围内的所有改变和变化均应涵盖于其范围之内。

Claims (21)

1.一种操作气体检测设备的方法，所述气体检测设备包括分析地响应于分析物气体的毛细管受限电流型电化学气体传感器，所述方法包括：
在感测模式和探询模式下操作所述气体传感器，在所述感测模式中，来自所述气体传感器的信号代表由所述气体传感器测量的所述分析物气体的浓度，在所述探询模式期间，通过以下方式对所述气体传感器进行电子探询以测试所述气体传感器的功能：向所述气体传感器施加电信号，以经由与工作电极和对电极离子接触的电解质，在所述气体传感器的所述工作电极与所述气体传感器的所述对电极之间生成非法拉第电流，而无需从容器向所述传感器施加具有已知浓度的所述分析物气体或其相似物的测试气体；
周期性地进入所述探询模式；
在所述探询模式期间在向所述气体传感器施加所述电信号之前测量所述气体传感器的基线输出；
将所测量的基线输出与来自先前探询模式的一个或多个经先前测量的基线输出进行比较；
根据所测量的基线输出与所述一个或多个经先前测量的基线输出的比较确定操作状态；以及
如果所述操作状态被确定在预先确定的范围内，则将所述气体传感器返回到所述感测模式。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体传感器为氧传感器。
3.根据权利要求2所述的方法，其中如果所述基线输出被确定为在所述预先确定的范围之外，则所述气体传感器被确定为处于故障模式。
4.根据权利要求3所述的方法，还包括：如果确定所述气体传感器处于故障模式，则提供警报。
5.根据权利要求1所述的方法，其中基线输出的改变用于调整灵敏度。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括：如果所述气体传感器被确定处于故障模式，则提供警报。
7.根据权利要求1所述的方法，其中在所述探询模式期间，测量除基线输出以外的至少一个参数。
8.根据权利要求7所述的方法，其中除基线输出以外的所述至少一个参数选自由以下各项组成的组：最大峰值、曲线下面积、最小峰值、峰峰值和反向曲线下面积。
9.根据权利要求2所述的方法，还包括：执行新鲜空气设置，其中所述气体传感器的输出与参考值进行比较，并且其中如果所述气体传感器的所述输出在所述参考值的预先确定的范围内，则所述气体传感器的所述输出被调整为20.8vol-％的氧气。
10.一种响应于分析物气体的电化学气体传感器，包括：
壳体，包括毛细管入口；
电解质，位于所述壳体内；
工作电极，与所述电解质离子接触；
对电极，与所述电解质离子接触；以及
电子电路系统，与所述工作电极和所述对电极操作连接，所述电子电路系统被配置为在感测模式和探询模式下操作所述气体传感器，在所述感测模式期间，来自所述气体传感器的信号代表由所述气体传感器测量的所述分析物气体的浓度，在所述探询模式中，通过以下方式对所述气体传感器进行电子探询以测试所述气体传感器的功能：向所述气体传感器施加电信号，以经由所述电解质在所述工作电极与对电极之间生成非法拉第电流，而无需从容器向所述传感器施加具有已知浓度的所述分析物气体或其相似物的测试气体；周期性地进入所述探询模式；在所述探询模式期间在向所述气体传感器施加所述电信号之前测量所述气体传感器的基线输出；将所测量的基线输出与来自先前探询模式的一个或多个经先前测量的基线输出进行比较；根据所测量的基线输出与所述一个或多个经先前测量的基线输出的比较确定操作状态；以及如果所述操作状态被确定在预先确定的范围内，则将所述气体传感器返回到所述感测模式。
11.根据权利要求10所述的气体传感器，其中所述气体传感器为氧传感器。
12.根据权利要求10所述的气体传感器，其中如果所测量的基线输出被确定为在所述预先确定的范围之外，则故障模式经由所述电子电路系统被确定。
13.根据权利要求12所述的气体传感器，还包括接口系统，用于如果所述气体传感器被确定为处于故障模式，则提供警报。
14.根据权利要求10所述的气体传感器，其中如果所测量的基线被确定为在所述预先确定的范围之外，则所述气体传感器经由所述电子电路系统被确定为处于故障模式。
15.根据权利要求10所述的气体传感器，其中在所述探询模式期间，测量除基线输出以外的至少一个参数。
16.根据权利要求15所述的气体传感器，其中除基线输出以外的所述至少一个参数选自由以下各项组成的组：最大峰值、曲线下面积、最小峰值、峰峰值和反向曲线下面积。
17.根据权利要求10所述的气体传感器，其中所述电子电路系统还被配置为执行新鲜空气设置，其中所述气体传感器的输出与参考值进行比较，并且其中如果所述气体传感器的所述输出在所述参考值的预先确定的范围内，则所述气体传感器的所述输出被调整为20.8vol-％的氧气。
18.根据权利要求10所述的气体传感器，其中所述电子电路系统还被配置为响应于所测量的基线输出的改变而调整灵敏度。
19.一种操作气体检测设备的方法，所述气体检测设备包括响应于分析物气体的毛细管受限电流型电化学气体传感器，所述方法包括：
周期性地测量所述气体传感器的基线输出；
将所测量的基线输出与一个或多个先前测量的基线输出值进行比较；以及
根据所测量的基线输出与一个或多个先前测量的基线输出值的比较来确定操作状态。
20.根据权利要求19所述的方法，其中与一个或多个先前测量的基线输出值相比的所测量的基线输出的改变用于调整灵敏度。
21.根据权利要求19所述的方法，其中所述分析物气体是氧气。
CN202080056222.9A 2019-06-11 2020-06-09 对毛细管受限传感器的探询 Active CN114207426B (zh)

Applications Claiming Priority (3)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US16/437,743 2019-06-11
US16/437,743 US11112378B2 (en) 2019-06-11 2019-06-11 Interrogation of capillary-limited sensors
PCT/US2020/036789 WO2020251934A1 (en) 2019-06-11 2020-06-09 Interrogation of capillary-limited sensors

Publications (2)

Publication Number Publication Date
CN114207426A CN114207426A (zh) 2022-03-18
CN114207426B true CN114207426B (zh) 2024-05-03

Family

ID=71899929

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202080056222.9A Active CN114207426B (zh) 2019-06-11 2020-06-09 对毛细管受限传感器的探询

Country Status (8)

Country Link
US (1) US11112378B2 (zh)
EP (1) EP3983788A1 (zh)
JP (1) JP2022536720A (zh)
CN (1) CN114207426B (zh)
AU (1) AU2020290902A1 (zh)
CA (1) CA3143153A1 (zh)
MX (1) MX2021015167A (zh)
WO (1) WO2020251934A1 (zh)

Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20230113553A1 (en) 2021-10-07 2023-04-13 Msa Technology, Llc Assignment and de-assignment in portable devices via a charger
GB2621018A (en) * 2022-06-21 2024-01-31 Cirrus Logic Int Semiconductor Ltd Electrochemical cell characterisation

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4132616A (en) * 1976-03-11 1979-01-02 City Technology Limited Gas sensor
CN104919312A (zh) * 2013-03-12 2015-09-16 Msa技术有限公司 传感器询问
CN108369206A (zh) * 2016-02-02 2018-08-03 Msa技术有限公司 具有快速恢复的传感器询问
CN109716121A (zh) * 2016-09-16 2019-05-03 Msa技术有限公司 具有多气体入口的电化学气体传感器

Family Cites Families (48)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US2913386A (en) 1956-03-21 1959-11-17 Jr Leland C Clark Electrochemical device for chemical analysis
DE2621677A1 (de) 1976-05-15 1977-11-24 Bayer Ag Verfahren zur ueberpruefung von gasanalysengeraeten
GB2094005B (en) 1981-02-03 1985-05-30 Coal Industry Patents Ltd Electrochemical gas sensor
US4565086A (en) 1984-01-20 1986-01-21 Baker Drilling Equipment Company Method and apparatus for detecting entrained gases in fluids
US4555930A (en) 1984-02-14 1985-12-03 Control Instruments Corp. Digital gas sensing system
SU1247740A1 (ru) 1984-12-04 1986-07-30 Уральский Филиал Всесоюзного Научно-Исследовательского И Конструкторского Института "Цветметавтоматика" Некаталитический электрод дл электрохимического датчика кислорода
US4822474A (en) 1987-04-30 1989-04-18 Pennwalt Corporation Residual analyzer assembly
US5064516A (en) 1987-07-16 1991-11-12 Gas Research Institute Measuring gas levels
US5239492A (en) 1990-10-11 1993-08-24 Spacelabs Medical, Inc. Automatic internal calibration circuit and method
RU1801204C (ru) 1991-06-14 1993-03-07 Людмила Сергеевна Леонова Электрохимический датчик диоксида углерода
DE4136779A1 (de) 1991-11-08 1993-05-13 Bayer Ag Vorrichtung zum simultanen nachweis verschiedener gaskomponenten
DE4445033A1 (de) 1994-12-16 1996-06-27 Heraeus Electro Nite Int Verfahren zur Messung der Konzentration eines Gases in einem Gasgemisch sowie elektrochemischer Sensor zur Bestimmung der Gaskonzentration
AU2072297A (en) 1996-03-15 1997-10-01 Mine Safety Appliances Company Electrochemical sensor with a non-aqueous electrolyte system
US5667653A (en) 1996-03-15 1997-09-16 Mine Safety Appliances Company Electrochemical sensor
DE19622931C2 (de) 1996-06-07 2001-02-22 Draegerwerk Ag Elektrochemischer Mehrgassensor
US6092992A (en) 1996-10-24 2000-07-25 Imblum; Gregory G. System and method for pump control and fault detection
GB9625463D0 (en) 1996-12-07 1997-01-22 Central Research Lab Ltd Gas sensors
US6055840A (en) 1998-01-21 2000-05-02 Industrial Scientific Corporation Method and apparatus for determining concentration of a gas
US6177001B1 (en) 1998-06-12 2001-01-23 Panametrics, Inc. Internally calibrated oxygen sensor, method and system
US6200443B1 (en) 1998-09-29 2001-03-13 Atwood Industries, Inc. Gas sensor with a diagnostic device
US6436257B1 (en) 1999-06-09 2002-08-20 General Electric Company Means for detecting and measuring the concentration of acetylene dissolved in a fluid
GB2356708A (en) 1999-11-27 2001-05-30 Central Research Lab Ltd Sensor system with self-test facility
GB2364779A (en) 2000-07-14 2002-02-06 Bw Technologies Ltd Toxic gas sensor with monitoring of diffusion barrier
US6428684B1 (en) 2000-08-02 2002-08-06 Industrial Scientific Corporation Method and apparatus for diagnosing the condition of a gas sensor
GB2367136A (en) 2000-09-21 2002-03-27 Draegerwerk Ag Electrochemical gas sensor with membrane of specified copolymer
US6721586B2 (en) 2001-06-12 2004-04-13 Lifescan, Inc. Percutaneous biological fluid sampling and analyte measurement devices and methods
US6808618B2 (en) 2001-07-25 2004-10-26 Joseph Robert Stetter Chemical sensing apparatus and methods
JP3836440B2 (ja) 2002-05-13 2006-10-25 本田技研工業株式会社 ガスセンサの劣化診断方法
KR100497991B1 (ko) 2002-07-29 2005-07-01 세주엔지니어링주식회사 휴대용 가스 검출기 및 그의 재기초화 방법
US7909981B2 (en) 2004-03-03 2011-03-22 Perkinelmer Health Sciences, Inc. Method and apparatus for improving the performance of an electrochemical sensor
US7413645B2 (en) 2004-05-05 2008-08-19 Mine Safety Appliances Company Devices, systems and methods for testing gas sensors and correcting gas sensor output
US7140229B2 (en) 2004-06-29 2006-11-28 Mst Technology Gmbh Gas-monitoring assembly comprising one or more gas sensors and one or more getters, and method of using same
US20060042353A1 (en) 2004-08-25 2006-03-02 Brent Marquis Analyte quantitation using semiconducting metal oxide gas sensors
US7640783B2 (en) 2005-05-24 2010-01-05 Honeywell International Inc. Self-calibrating gas detector and method
US7220343B2 (en) 2005-06-21 2007-05-22 The Trustees Of The University Of Pennsylvania Solid-state electrochemical NOx sensors
EP2548505B1 (en) 2006-07-21 2020-01-01 Anaxsys Technology Limited Water vapour sensor
GB2443023A (en) 2006-10-18 2008-04-23 Anaxsys Technology Ltd Determining the carbon dioxide content of an exhaled gas stream
US7581428B2 (en) 2006-12-08 2009-09-01 General Electric Company Sensor system and method
US8539809B2 (en) 2007-01-30 2013-09-24 Aerocrine Ab Method and device for testing the measuring function of a measuring device
US7967965B2 (en) 2007-05-11 2011-06-28 Honeywell International Inc. Gas sensor
EP2327981B1 (en) 2009-04-06 2013-12-04 Life Safety Distribution AG Checking electrochemical gas sensors
CA2774467C (en) 2009-10-30 2017-08-15 Mine Safety Appliances Company Combustible gas sensors including integral support structures and combustible gas sensor with multiple active elements
EP2494347B1 (en) 2009-10-30 2016-05-25 MSA Technology, LLC Electrochemical sensors including electrodes with diffusion barriers
US10908111B2 (en) 2011-10-14 2021-02-02 Msa Technology, Llc Sensor interrogation
EP2766725B1 (en) 2011-10-14 2018-05-23 MSA Technology, LLC Method for testing a gas sensor
US9784755B2 (en) * 2011-10-14 2017-10-10 Msa Technology, Llc Sensor interrogation
US9528957B2 (en) 2011-10-14 2016-12-27 Msa Technology, Llc Sensor interrogation
US10197525B2 (en) * 2015-12-21 2019-02-05 Msa Technology, Llc Pulsed potential gas sensors

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4132616A (en) * 1976-03-11 1979-01-02 City Technology Limited Gas sensor
CN104919312A (zh) * 2013-03-12 2015-09-16 Msa技术有限公司 传感器询问
CN108369206A (zh) * 2016-02-02 2018-08-03 Msa技术有限公司 具有快速恢复的传感器询问
CN109716121A (zh) * 2016-09-16 2019-05-03 Msa技术有限公司 具有多气体入口的电化学气体传感器

Also Published As

Publication number Publication date
CA3143153A1 (en) 2020-12-17
EP3983788A1 (en) 2022-04-20
WO2020251934A1 (en) 2020-12-17
JP2022536720A (ja) 2022-08-18
MX2021015167A (es) 2022-03-17
AU2020290902A1 (en) 2022-01-27
US20200393405A1 (en) 2020-12-17
US11112378B2 (en) 2021-09-07
CN114207426A (zh) 2022-03-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
EP2239562B1 (en) Checking electrochemical gas sensors
CA3005273C (en) Sensor interrogation with fast recovery
CN113167762B (zh) 经由传感器询问确定传感器操作状态
US20070045128A1 (en) Chlorine dioxide sensor
WO2005114162A1 (en) Method and device for testing gas sensors and correcting gas sensor output
CN114207426B (zh) 对毛细管受限传感器的探询
US20130087456A1 (en) Auxiliary micro-electrodes for diagnostics of electrochemical gas sensors
US10948449B2 (en) Sensor with multiple inlets
KR101833889B1 (ko) 고장진단 구동 회로를 내재한 전기화학식 가스센서

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination
GR01 Patent grant
GR01 Patent grant