CN114813887B - 一种电化学气体传感器模组及其寿命预测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电化学气体传感器模组及其寿命预测方法，包括气体传感器、位于气体传感器上的多孔板，位于多孔板上设置有倒L型的第一空腔，第一空腔上设置有支撑板，支撑板上设置有第二空腔，两侧边缘腔靠近中央腔的一侧设置有能够在边缘腔和中央腔之间移动的加热块，加热块靠近中央腔的一侧连接有密封块，密封块靠近中央腔的一侧连接有弹性部，两侧的两个弹性部以及两个密封块的长度之和等于中央腔的长度；位于中央腔的上方设置有过滤器，位于边缘腔上方设置有吸附腔，吸附腔的上方设置有选择性渗透膜。

Description

一种电化学气体传感器模组及其寿命预测方法

技术领域

本发明涉及一种电化学气体传感器及其寿命预测方法，更具体涉及一种电化学传感器结构、补偿方法及其寿命预测方法。

背景技术

气体传感器最常见的原理是红外气体传感器(NDIR)和化学气体传感器(用于测量二氧化硫、二氧化碳等气体)，测量二氧化硫或二氧化碳等气体浓度对于监测室内空气质量以及许多工业过程非常重要。其中电化学气体传感器具有能耗低、可以减小尺寸以适合微电子的系统的优点，然而其在短期和长期的漂移效应以及较低的总体寿命成为其主要的障碍，而目前大多数电化学气体传感器在出厂前进行校准，然而随着时间的增加，需要校准传感器的零点以保持长期的问题，同时为了保证精确度，通常还需要将其放于目标浓度的环境下进行校准，这种校准通常需要特定浓度的气体浓度环境，通常无法由用户校准，需要定期例如没半年或者一年由专业人员或者寄回售后进行校准，而且对应的寿命也无法预测。

为此，提供一种能够自诊断、自跟踪补偿以及寿命预测的电化学气体传感器势在必行。

发明内容

本发明为同时解决背景技术中提高的电化学气体传感器的存在技术问题，提供了一种能够自我诊断、自跟踪补偿以及寿命预测的电化学气体传感器，及其自我诊断、自跟踪补偿以及寿命预测的方法。

为了实现上述目的本发明的技术方案为，一种电化学气体传感器模组，所述电化学气体传感器模组包括气体传感器，位于所述气体传感器上的多孔板，所述多孔板上具有中央透气孔和边缘透气孔，中央透气孔的界面为正方形，所述边缘透气孔中靠近中央透气孔的一侧至远离中央透气孔的一侧的直径逐步增加，所述中央透气孔的长度大于边缘透气孔中最大透气孔的直径，位于所述多孔板上设置有倒L型的第一空腔，所述第一空腔具有靠近中央透气孔的竖直腔和与竖直腔相连的水平腔，所述第一空腔上设置有支撑板，所述支撑板上设置有第二空腔，所述第二空腔具有对应中央透气孔的中央腔和对应边缘透气孔的边缘腔，两侧所述边缘腔靠近所述中央腔的一侧设置有能够在所述边缘腔和中央腔之间移动的加热块，所述加热块靠近中央腔的一侧连接有密封块，所述密封块靠近中央腔的一侧连接有弹性部，两侧的两个弹性部以及两个密封块的长度之和等于中央腔的长度；所述中央腔的底部与中央透气孔连通，在两个所述弹性部接触并挤压后，所述边缘腔能够与所述竖直腔连通，位于所述中央腔的上方设置有过滤器，所述过滤器的底部与所述中央腔连通，位于所述边缘腔上方设置有吸附腔，所述吸附腔内设容纳有预定饱和度的可再生吸附剂，所述吸附腔的上方设置有选择性渗透膜。

优选地，所述电化学气体传感器用于检测二氧化碳，所述选择性渗透膜的材料为(LDH/FAS)n-PDMS，其中n为大于30的整数。

优选地，所述可再生吸附剂含量设置为当所述吸附剂吸附饱和后，全部吸附剂再生释放的气体浓度为默认浓度，该默认浓度能够用于对传感器进行校正，且所述饱和度和默认浓度存储在存储器中。

优选地，吸附剂为变温吸附系统，在高于常温的预设温度下能够再生，且所述第二空腔出产时填充预定量的气体，在加热器加热至低于所述吸附剂的再生温度下，所述第二空腔气压增加能够推动所述加热器和弹性部移动直至两个所述弹性部接触且所述第二空腔未与所述竖直腔连通。

优选地，吸附剂为变温吸附系统，在高于常温的预设温度下能够再生，且所述第二空腔出产时填充预定量的气体，在加热器加热至大于等于所述吸附剂的再生温度下，所述第二空腔气压增加能够推动所述加热器和弹性部移动直至两个所述弹性部接触并挤压变形，使得所述第二空腔与所述竖直腔连通。

优选地，提供一种电化学气体传感器模组的寿命预测方法，所述电化学气体传感器与控制部件连接，控制部件控制电化学气体传感器模组从启用开始，依据预设周期进行定期校正其特征在于，包括如下步骤：

S1、当电化学气体传感器模组运行到预定周期时，控制部件控制所述加热块进行加热，并将第二空腔中的气体加热到小于吸附剂再生温度的第一温度，并维持第一预设时间，气体膨胀使得两个所述弹性部件相互接触密封，并维持该第一温度第二预设时间，然后检测气体传感器的第一输出电流和/或电压，将所述第一输出电流和/或电压存储于存储部；

S2、控制部件控制所述加热块再次加热升温，并使得所述第二空腔中的气体加热到大于吸附剂再生温度的第二温度，并维持该第二温度第三预设时间，使得所述气体再次膨胀，推动所述加热块和密封块对所述弹性部件挤压变形，并使得所述加热块漏出所述竖直腔的端口，使得再生的气体能够通过竖直腔以及水平腔上的边缘透气孔进入并被所述气体传感器检测，再次检测气体传感器的第二输出电流和/或电压，将所述第二输出电流和/或电压存储于存储部；

控制部件依次基于第二输出电流和/或电压以及第一输出电流和/或电压进行校正，将气体传感器的灵敏度值调整为基本与初始灵敏度一致，并将灵敏度调整量存储于存储器；

根据前述的第二输出电流和/或电压、第一输出电流和/或电压以及存储的灵敏度调整量，获取气体传感器随时间推移的灵敏度衰减特性曲线；

根据最新校正的灵敏度衰减特性曲线求出气体传感器成为初始灵敏度衰减至寿命阈值的时间，所述衰减至寿命阈值的时间即为剩余寿命。

优选地，步骤S1中，还通过检测单元检测所述吸附剂的饱和程度，到检测到所述吸附剂吸附饱和且达到预定周期时，开启校正，优选所述预定周期为1个月以上。

有益效果：

本发明的电化学气体传感器模组创造性地通过简单结构实现单独校正，无需用户或者专业人员进行手动校正，只需按照预设周期和吸附剂的保护度自动开启校正，通过本发明的特定的结构和特定的校正方法，能够满足校正的精度需要，使得产品的使用体验明显增加，而且通过特定的结构能够以更短的周期进行校正，使得在整个使用周期中均能够满足高精度的要求，不会因为较长周期的校正导致漂移积累严重导致精度降低严重。

附图说明

图1是本发明结构示意图。

图中，1、气体传感器；2、多孔板；3、第一空腔；4、可再生吸附剂；5、过滤器；6、选择性渗透膜；7、密封块；8、加热块；9、弹性部；10、支撑板；11、第二空腔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行具体描述。如图1所示，一种电化学气体传感器模组，所述电化学气体传感器模组包括气体传感器1，所述气体传感器1的结构可以为两电极或者三电极，其能够对气体进行检测，两电极和三电极结构已经是本领域的公知常识，不再进行详细的描述；位于所述气体传感器1上的多孔板2，所述多孔板2上具有中央透气孔和边缘透气孔，中央透气孔能够接收外界进入的气体，并将气体引入至气体传感器1中，边缘透气孔用于接收后续的饱和气体进行校正(后续将详细描述)，中央透气孔的界面为正方形，该正方形的中央透气孔的设置，使得能够利用矩形结构进行封闭，从而隔绝外界的气体进入，利于零浓度检测，所述边缘透气孔中靠近中央透气孔的一侧至远离中央透气孔的一侧的直径逐步增加，由于靠近中央透气孔一侧的距离竖直腔较近，通过设置距离越远的透气孔的直径越大，从而有利于使得气体均匀进入至气体传感器1中，有利于后续的默认浓度检测。

所述中央透气孔的长度大于边缘透气孔中最大透气孔的直径，由此，使得外界的气体能够充分进入至气体传感器1中，保证气体检测的效果。位于所述多孔板2上设置有倒L型的第一空腔3，所述第一空腔3具有靠近中央透气孔的竖直腔和与竖直腔相连的水平腔，通过第一空腔3的设置，能够使得竖直腔形成为后续连通第二空腔的通道，同时水平腔实现气体的均匀进入气体传感器。

所述第一空腔3上设置有支撑板10，所述支撑板10上设置有第二空腔11，所述第二空腔11具有对应中央透气孔的中央腔和对应边缘透气孔的边缘腔，所述第二空腔11能够实现吸附剂饱和气体的引入或者外界气体的引入，从而为后续的零浓度和默认浓度检测提供基础。

两侧所述边缘腔靠近所述中央腔的一侧设置有能够在所述边缘腔和中央腔之间移动的加热块8，加热块的设置一方面为了提高第二空腔的温度，从而能够实现吸附剂的再生，再生的气体能够用于进行默认浓度的检测。

所述加热块8靠近中央腔的一侧连接有密封块7，所述密封块7靠近中央腔的一侧连接有弹性部9，两侧的两个弹性部9以及两个密封块7的长度之和等于中央腔的长度，通过上述设置，在非校正时，所述中央腔实现与外界和气体传感器的连通，实现气体检测，并在校正时，使得在细微的压力存在下，第二空腔内的气体膨胀并推动两个弹性部9接触，从而使得密封块7和弹性部9封堵中央腔，使得气体传感器与外界隔离，在隔离后，经过一定时间的电化学反应，能够基本上使得气体传感器1处于检测气体的零浓度环境，可以适用于零浓度检测。

所述中央腔的底部与中央透气孔连通，在两个所述弹性部9接触并挤压后，所述边缘腔能够与所述竖直腔连通。具体而言，一方面由于预设冲入一定量的气体，从而该气体能够被吸附剂吸附，防止第一次校正时气体不足或者检测器没有处于检测环境中，导致校正失败，并在后续的默认浓度校正时，通过在相对高温下再生气体，而再生气体的温度较高，使得第二边缘腔的压力升高推动并挤压弹性部9，使得加热块8能够漏出竖直腔，从而气体通过竖直腔进入至水平腔以及气体传感器中；位于所述中央腔的上方设置有过滤器5，所述过滤器5的底部与所述中央腔连通，该过滤器能够以较快的速度进行气体过滤，使得检测气体相对快速进入至气体传感器，位于所述边缘腔上方设置有吸附腔，所述吸附腔内设容纳有预定饱和度的可再生吸附剂，所述吸附腔的上方设置有选择性渗透膜，上述选择性渗透膜表面具有吸附检测气体的基团，使得气体能够在外侧以低温例如20-60℃下吸附在外表面上即富集，该富集有利于将气体。需要说明的是，渗透膜的渗透速度相对于过滤器的过滤速度而言小的多，但是其对气体的选择效果更好，能够达到95％以上，而过滤器的效果较低，通常只有40-50％的过滤效果，然而本发明中，虽然渗透较慢，但是在本领域中，校正通常而言是在一定时间后，通常在常规器件中，其校正周期至少为6个月，有时甚至为1年，过长的校正周期使得漂移积累更多，导致检测的精度下降严重，本发明通过特定的组合，能够在例如1-3个月下自动启动且自主完成校正。

再具体而言，本发明即使在1个月的校正时间内，由于气体检测器位于存在检测气体的环境或者，或者出现检测气体出现概率较大的环境中，经过长达1个月的吸附渗透，使得内部的吸附剂能够达到饱和，如果在校正周期到达时，检测到未饱和则延迟校正，这也不会影响精度，这是由于传感器位于的环境检测气体浓度较低，这也使得传感器的漂移或衰减较低，这种情况下，即使延迟校正也能一定程度上保证精度，反之，如果环境浓度较高且时间较长，其对传感器的漂移和衰减效果更加明显，换言之，传感器劣化更加严重，此时需进行更加频繁的校正以满足精度的要求，而在这种情况下，由于长期浓度或者高浓度，使得吸附剂能够达到饱和，从而能够在例如1个月的基础上满足饱和的条件，即满足默认浓度的校正条件。

本发明优选所述电化学气体传感器用于检测二氧化碳，所述选择性渗透膜的材料为(LDH/FAS)n-PDMS，其中n为大于30的整数，通过在众多的渗透材料中，本发明人创造性的选择了上述材料，上述材料在表面具有较强的二氧化碳吸附材料和基团，并在n为25时达到95％以上的渗透选择效果，在n大于30的条件下满足至少99％以上的选择效果；所述可再生吸附剂含量设置为当所述吸附剂吸附饱和后，全部吸附剂再生释放的气体浓度为默认浓度，该默认浓度能够用于对传感器进行校正，且所述饱和度和默认浓度存储在存储器中，具体而言，通过设置上述饱和浓度，使得再生后产生的气体浓度为默认浓度，这个默认浓度可以通过设置吸附剂的密度和含量和材料实现，在出产前进行精确的校正，使得该默认浓度达到默认浓度校正的要求；优选的，吸附剂为变温吸附系统，在高于常温的预设温度下能够再生，且所述第二空腔出产时填充预定量的气体，该填充的气体量为第二空腔11提供基础气体，能够用于后续操作，该填充气体后续实际也会被吸附剂吸附，由此，在加热器加热至低于所述吸附剂的再生温度下(如第一温度)，这里描述的温度实际为第二空腔的气体温度以及吸附腔的环境温度，由此，加热器本身的温度实际高于上述第一温度，而该温度下实际可以高于再生温度，使得靠近加热器的吸附剂能够再生产生部分气体，这部分气体在第一温度下，是滴所述第二空腔气压增加能够推动所述加热器和弹性部移动直至两个所述弹性部接触且所述第二空腔未与所述竖直腔连通。

更具体地，为了全面再生吸附剂，设置吸附剂为变温吸附系统，在高于常温的预设温度下能够再生，在加热器加热至大于等于所述吸附剂的再生温度下，所述第二空腔气压增加能够推动所述加热器和弹性部移动直至两个所述弹性部接触并挤压变形，使得所述第二空腔与所述竖直腔连通。

本发明还提供一种电化学气体传感器模组的寿命预测方法，所述电化学气体传感器模组使用前述所述的电化学气体传感器模组，所述电化学气体传感器与控制部件连接，控制部件控制电化学气体传感器模组从启用开始，依据预设周期进行定期校正其特征在于，包括如下步骤：

S1、当电化学气体传感器模组运行到预定周期时，控制部件控制所述加热块进行加热，并将第二空腔中的气体加热到小于吸附剂再生温度的第一温度，并维持第一预设时间，气体膨胀使得两个所述弹性部件9相互接触密封，并维持该第一温度第二预设时间，然后检测气体传感器1的第一输出电流和/或电压，将所述第一输出电流和/或电压存储于存储部；优选地，还通过检测单元检测所述吸附剂的饱和程度，到检测到所述吸附剂吸附饱和且达到预定周期时，开启校正，优选所述预定周期为1个月以上；

S2、控制部件控制所述加热块再次加热升温，并使得所述第二空腔中的气体加热到大于吸附剂再生温度的第二温度，并维持该第二温度第三预设时间，使得所述气体再次膨胀，推动所述加热块8和密封块7对所述弹性部件挤压变形，并使得所述加热块8漏出所述竖直腔的端口，使得再生的气体能够通过竖直腔以及水平腔上的边缘透气孔进入并被所述气体传感器检测，再次检测气体传感器1的第二输出电流和/或电压，将所述第二输出电流和/或电压存储于存储部；

控制部件依次基于第二输出电流和/或电压以及第一输出电流和/或电压进行校正，将气体传感器的灵敏度值调整为基本与初始灵敏度一致，并将灵敏度调整量存储于存储器；

根据前述的第二输出电流和/或电压、第一输出电流和/或电压以及存储的灵敏度调整量，获取气体传感器随时间推移的灵敏度衰减特性曲线；

根据最新校正的灵敏度衰减特性曲线求出气体传感器成为初始灵敏度衰减至寿命阈值的时间，所述衰减至寿命阈值的时间即为剩余寿命。

需要着重说明的是，通过上述设置，本发明的电化学气体传感器模组创造性的具有简单的结构实现了单独校正，无需用户或者专业人员进行手动校正，只需按照预设周期和吸附剂的保护度自动开启校正，通过本发明的特定的结构和特定的校正方法，能够满足校正的精度需要，使得产品的使用体验明显增加，而且通过特定的结构能够以更短的周期进行校正，使得在整个使用周期中均能够满足高精度的要求，不会因为较长周期的校正导致漂移积累严重导致精度降低严重。

上述技术方案仅体现了本发明技术方案的优选技术方案，本技术领域的技术人员对其中某些部分所可能做出的一些变动均体现了本发明的原理，属于本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种电化学气体传感器模组，其特征在于：所述电化学气体传感器模组包括气体传感器、位于所述气体传感器上的多孔板，所述多孔板上具有中央透气孔和边缘透气孔，中央透气孔的界面为正方形，所述边缘透气孔中靠近中央透气孔的一侧至远离中央透气孔的一侧的直径逐步增加，所述中央透气孔的长度大于边缘透气孔中最大透气孔的直径，位于所述多孔板上设置有倒L型的第一空腔，所述第一空腔具有靠近中央透气孔的竖直腔和与竖直腔相连的水平腔，所述第一空腔上设置有支撑板，所述支撑板上设置有第二空腔，所述第二空腔具有对应中央透气孔的中央腔和对应边缘透气孔的边缘腔，两侧所述边缘腔靠近所述中央腔的一侧设置有能够在所述边缘腔和中央腔之间移动的加热块，所述加热块靠近中央腔的一侧连接有密封块，所述密封块靠近中央腔的一侧连接有弹性部，两侧的两个弹性部以及两个密封块的长度之和等于中央腔的长度；所述中央腔的底部与中央透气孔连通，在两个所述弹性部接触并挤压后，所述边缘腔能够与所述竖直腔连通，位于所述中央腔的上方设置有过滤器，所述过滤器的底部与所述中央腔连通，位于所述边缘腔上方设置有吸附腔，所述吸附腔内设容纳有预定饱和度的可再生吸附剂，吸附腔的上方设置有选择性渗透膜；

所述可再生吸附剂含量设置为当吸附剂吸附饱和后，全部吸附剂再生释放的气体浓度为默认浓度，所述默认浓度能够用于对传感器进行校正，且所述饱和度和默认浓度存储在存储器中；

所述吸附剂为变温吸附系统，在高于常温的预设温度下能够再生，且所述第二空腔出产时填充预定量的气体，在加热器加热至低于所述吸附剂的再生温度下，所述第二空腔气压增加能够推动所述加热器和弹性部移动直至两个所述弹性部接触且所述第二空腔未与所述竖直腔连通；

所述第二空腔出产时填充预定量的气体，在加热器加热至大于等于所述吸附剂的再生温度下，所述第二空腔气压增加能够推动所述加热器和弹性部移动直至两个所述弹性部接触并挤压变形，使得所述第二空腔与所述竖直腔连通。

2.如权利要求1所述的电化学气体传感器模组，其特征在于：所述选择性渗透膜的材料为(LDH/FAS)n-PDMS，其中n为大于30的整数。

3.一种电化学气体传感器模组的寿命预测方法，所述电化学气体传感器模组为权利要求1-2中任一项所述的电化学气体传感器模组，所述电化学气体传感器与控制部件连接，控制部件控制电化学气体传感器模组从启用开始，依据预设周期进行定期校正；其特征在于，包括如下步骤：

S1、当电化学气体传感器模组运行到预定周期时，控制部件控制所述加热块进行加热，并将第二空腔中的气体加热到小于吸附剂再生温度的第一温度，并维持第一预设时间，气体膨胀使得两个所述弹性部相互接触密封，并维持第一温度第二预设时间，然后检测气体传感器的第一输出电流或电压，将所述第一输出电流或电压存储于存储部；

S2、控制部件控制所述加热块再次加热升温，并使得所述第二空腔中的气体加热到大于吸附剂再生温度的第二温度，并维持第二温度第三预设时间，使得气体再次膨胀，推动所述加热块和密封块对所述弹性部件挤压变形，并使得所述加热块漏出所述竖直腔的端口，使得再生的气体能够通过竖直腔以及水平腔上的边缘透气孔进入并被所述气体传感器检测，再次检测气体传感器的第二输出电流或电压，将所述第二输出电流或电压存储于存储部；

控制部件依次基于第二输出电流或电压以及第一输出电流或电压进行校正，将气体传感器的灵敏度值调整为与初始灵敏度一致，并将灵敏度调整量存储于存储器；

根据前述的第二输出电流或电压、第一输出电流或电压以及存储的灵敏度调整量，获取气体传感器随时间推移的灵敏度衰减特性曲线；根据最新校正的灵敏度衰减特性曲线求出气体传感器成为初始灵敏度衰减至寿命阈值的时间，所述衰减至寿命阈值的时间即为剩余寿命。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于：步骤S1中，还通过检测单元检测所述吸附剂的饱和程度，到检测到所述吸附剂吸附饱和且达到预定周期时，开启校正，所述预定周期为1个月以上。

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