CN1613010A - 用于化学检测系统的诊断装置和方法 - Google Patents

Abstract

化学检测系统进行受控的暴露，以在测量化学物质排放之前诊断气动组件和化学传感器。控制模块提供系统控制和数据处理以进行所述诊断。所述控制模块操纵排放样本检索系统以在所述诊断程序期间提供精确的暴露。传感器接口电路查询所述化学传感器并存储用于分析的数据。所述化学传感器示出在预定暴露方案期间的响应的可预见变化。通过利用大量的时间域信号处理技术，同时确定系统和传感器级的故障条件。

Description

用于化学检测系统的诊断装置和方法

本申请涉及1999年5月10日提交的美国专利号为6,222,366的名为“High Frequency Measuring Circuit with Inherent Noise Reduction forResonating Chemical Sensors”的、1997年11月12日提交的美国专利号为6,029,506的名为“Sample Retrieval System”的、以及1994年9月2日提交的美国专利号为5,451,923的名为“Communication System and method”的专利申请，并转让给作为本专利申请的受让人，以及合并在此以作参考。

技术领域

本发明涉及一种用于诊断被用来量化来自在加工工业中所使用设备的挥发性有机排放物的化学检测系统的装置和方法。

背景技术

处理挥发性有机化合物(VOC)的工厂典型地要经历将那些有害的化合物从诸如烟囱的点源和诸如阀门、泵和包含VOC的容器的非点源排放到大气中。由于VOC从连接处和封口泄漏，典型地发生来自非点源的排放，并将这种排放称作1为“无常排放(fugitive emission)”。当在阀杆周围的密封圈组合泄漏时，典型地从非点源的无常排放会发生。在要求涉及大幅温度波动和阀杆频繁运动的业务条件中所使用的控制阀通常会遭阀杆封装组合的加速恶化。

美国环境保护署(EPA)已经颁发了限制控制阀对某些有害空气污染物(例如，苯、甲苯，1，1，1-三氯乙烷)最大许可泄漏的条例。所述条例要求设备操作者对控制阀和泵封口的排放进行周期性检测。检测间隔频率可以是每月、每季度、半年或者一年。如果设备操作者能够记录过量泄漏的阀和泵的百分比低于规定最低值，则不会要求频繁检查。因此，达到低百分比的泄漏阀减少了每年要求检测的数，这可以导致大大节约成本。

通过安装自动化学检测系统到最高要求的业务设备上，则能够识别和维修泄漏设备，以便遵守EPA条例能够更容易实现。更重要的是，安装精确的化学检测系统提供了早期警告系统，它能够警告设备操作者潜在设备故障，并使得能够在过量泄漏发生之前采取措施来预防。

为了成功地在工业环境中实现利用自动化学检测系统的目标，化学检测系统必须包含有效收集从设备的部件发出的无常排放并将所述排放传递到气体传感器阵列的组件。这种化学检测系统组件被称作为样本检索系统(sample retrieval system)。样本检索系统必须以已知流速传递样本流，以便允许气体传感器对无常排放的浓度进行精确稳定的测量。

在工业环境中采用气体传感器要求设计在整个宽温度范围内(从-10C到50摄氏度)在相对湿度高(上至85％)时满意工作的传感器。所述传感器必须能够在感兴趣排放和其他环境污染物之间加以区别，同时保持足够灵敏度来检测低浓度的无常排放。所述传感器必须同时能够在包括喷洗(spraywashing)和严重颤动区域的其他恶劣环境中工作。

因此，采用化学检测系统的现场设计既要求独特的物理设计，也要求能够自我诊断故障条件，以保证在报告泄漏之前正常工作。大量的故障状态会导致错误的读取。例如，流的变化能够改变化学传感的热力学并导致错误。在传感器基线频率中的固定偏移能够由意想不到的化学暴露、微粒累积以及温度和湿度极限产生。而且，某些化学传感器在暴露程度(exposurelevel)超过它们的饱和极限时，将会发生不可逆转的改变。这些故障条件能够产生测量错误或者“假阳性(false positive)”泄漏报告。对假阳性泄漏报告的响应将会和进行手动检测的代价一样。

已经提出了大量的诊断方法。在美国专利6,200,443 B1中所描述的一种这样的方法要求包含替代排放的外部激励来激励一氧化碳传感器。基于所希望的系统和对所述替代的传感器响应，做出故障鉴定。由于在测量系统中要求存储和保留替代化合物，所以这种方法是有缺点的。因此，本发明围绕上面提出的要点而进行。

发明内容

因此，本发明的目的是提供一种在化学检测系统中、在不使用替代化合物的条件下执行诊断程序来确定故障条件的装置和方法。

本发明的一个方面提供了一种用于检测有关样本流故障、由于传感器噪声而错误读取、以及由于过度排放暴露量而造成限定传感器损坏的故障条件的装置。

本发明的另一方面提供了一种用来在诊断程序期间通过分析化学传感器对所控制的样本流的响应来检测阀门故障或者系统端口阻塞的方法。

本发明的另一个方面讲授了一种如何确定传感器基线(baseline)频率的绝对偏移。

本发明的另一个方面提供了一种用于检测和量化化学传感器和化学检测系统噪声两者的方法。

仍在另一个方面，本发明讲授了一种用于检测过度无常排放的存在以防止化学传感器损坏的方法。

附图说明

本发明的特性和优点参照下面的详细描述和附图将会更好理解，其中：

图1A是示出了化学检测系统的主要组件的框图；

图1B是示出了样本检索系统的主要组件的详细框图；

图1C是示出了通信和控制电路的主要组件的详细框图；

图2A和图2B是示出了用于化学检测系统的监控诊断程序的流程图；

图3A和3B是示出了用于根据本发明实施例评估采样口阻塞的诊断程序的流程图；

图4A和4B是示出了实现在QCM中用来确定绝对频率偏移的诊断程序的流程图；

图5A和5B是示出了实现用于QCM的传感器噪声诊断程序的流程图；

图6A和6B是示出了用于确定化学传感器饱和电位的诊断程序的流程图；以及

图7是QCM化学传感器对在热力学条件中的突然变化的瞬时响应特性的图解。

具体实施方式

对于满意执行的任何化学检测系统，必须利用大量的设计技术。例如，在启动测量环境之前，设计来提供化学传感器以及感兴趣化学样本的系统必须完全能够使用。而且，化学传感器必须设计得经受得住运行环境中的污染元素。本发明不仅给本领域普通技术人员讲授如何让系统有效工作，而且讲授如何确认化学传感器它们自身的健康和完整性。

为了充分理解本发明的优点，有必要理解系统组件和它们是如何工作来检测化学物质。尽管优选实施例讲授了有关控制阀的诊断技术，本领域普通技术人员将会意识到对诸如泵的其他处理设备同样也适用。转到所述附图及首先参照图1A，给出了本发明的解释实施例的框图，并示出了所述化学检测系统的主要组件。

大而复杂的加工厂生产整个世界都使用的消费商品。消费商品从食品到原油，都在这些大的工业设施中进行处理，这些工业设施依赖计算机系统控制它们的处理。在图1A中称作为处理控制系统40的计算机系统和许多不同类型的处理控制设备和仪器进行通信。在本发明中，处理控制系统40和控制阀进行通信，此后称作为排放源12。这些通信可以要求排放源12根据由处理控制计算机40所实施的控制策略移动它的阀杆，并通过在美国专利5,451,923中所描述的通信协议17进行通信，该专利5,451,923转让给了Fisher Controls International，Inc.，在此引用，以作参考。正如前面所述，这些恶劣的工作条件加速了排放源12的阀杆的封装组合的退化，而无常排放或者泄漏将会出现。

设计化学检测系统10以检测来自排放源12的极小的浓度。通常的检测极限是每百万分之十几。在这些极小的浓度中，排放通常是气态。图1A描述了在排放样本流14中产生泄漏和由样本检索系统100所收集的排放源12。新颖的样本检索系统100在美国专利6,029,506中描述，被转让给了Fisher Controls International，Inc.，在此引用，以作参考。

处理控制设备大量使用了压缩空气来操作控制阀。这种充足的能源提供给化学检测系统10以及所述设备来收集在排放样本流14中的排放。压缩空气源30提供动力来排空样本检索系统100，以便将排放物抽入化学检测系统10。控制模块400通过电接口20提供用于样本检索系统100的启动和定时电路。一旦完成诊断和测量方案，则从所述系统排出采样物15。

进入到图1B，示出了化学检测系统的更详细的解释。为了精确地量化来自排放源12的泄漏，本地工厂大气中的非污染源由所述系统收集，以便提供基线或者“零浓度”暴露量。为了对进行零浓度的收集或者排放采样，已经构建了利用压缩空气源30的气动系统(样本检索系统100)。化学检测系统10的附加气动组件包括阀盖封壳(bonnet capsule)102、喷射器(ejector)140和调节器144。将空气传感器阵列200放置在样本检索系统100的传感器盒114。通过大气采样阀(atmospheric sample valve)132将零浓度样本抽入到大气采样端口32，并进而抽入到传感器盒114内。典型地讲，将气体传感器阵列200设计为对小气量一类的排放也非常敏感。通过创建包含没有排放的本地大气以及对感兴趣排放的化学传感器灵敏度的先验知识的基线方法，化学检测系统10或者处理控制系统40能够确定排放源12的排放浓度。

继续图1B，阀盖封壳102由设计来封装希望从中排放的排放源12的表面区域的罩组成。将阀盖封壳102安装在排放源12上，使得在阀盖封壳102和排放源12之间留有间隙(未示出)。这样将创建了低阻力的气动限制，这允许流过所述间隙、所述阀盖封壳102并进而流过排放采样端口34。这种流将从排放源排放的任何无常排放运送到排放采样端口34，并进而到传感器盒114。

在排放采样收集期间，从阀盖封壳102将排放采样流14抽入到传感器盒114，同时暴露给气体传感器阵列200。喷射器140是用来排空传感器盒的气动设备，且为本领域普通技术人员所公知。压缩空气源30提供压缩空气32给调节器144。调节器144将所控制的压力提供给喷射器140。经过喷射器114的气流会产生压力下降，由此排空传感器盒114，并以控制速率通过传感器盒114、排气阀134、排气孔36抽入排放样本流14，并进而进入到喷射器140。为了允许气体传感器阵列200对排放样本做出响应，通过关闭阀130、132和134允许所述样本驻留在传感器盒114。显然，阀130、132和134的恰当启动给化学检测系统10提供了隔绝的能力，并控制排放和基线浓度，从而完成下面将更详细描述的诊断程序。最后，在喷射器140中混合压缩空气32和排放样本流14，并将样本物15排放到大气中。

现在参照图1C，描述气动硬件的控制和操作。在本发明中所包含的气动硬件和化学传感器通过传统的电子装置操作。控制模块400提供来处理传感器输出，并进行用于化学检测系统10的控制和通信。控制模块400同样也进行诊断程序，所述诊断程序是本发明的主题。控制模块400包括如下的组件：传感器接口电路402、微控制器404、程序存储器406、阀驱动器电路407、诊断存储器设备408、数据存储器409、温度传感器410、通信接口电路800和功率转换电路900。

将气体传感器阵列200连接到传感器接口电路402，所述传感器接口电路402处理来自气体传感器阵列200的信号(图1B)，并提供传感器数据给用于诊断程序的微控制器404。诊断程序包含在程序存储器406中。可以同样也放在样本检索系统100里面的温度传感器410提供在系统测试期间使用的温度数据，以便适合诊断程序的运行判断。适合的气体传感器和传感器电路也在美国专利6,222,366中描述，并被转让给了Fisher ControlsInternational，Inc.，在此引用，以作参考。

根据’366的讲授，通过将在石英晶体微平衡(Quartz CrystalMicrobalance(QCM))上形成的化学传感器以流体流来测量流体的浓度。QCM化学传感器由在具有至少两个在平面衬底的对面沉淀的电极的石英衬底表面沉淀的镀敷层或者重叠层组成。QCM在要求以QCM的谐振频率振荡的电路的振荡器中提供谐振网络。谐振频率通过以1秒计数由QCM形成的电子转移数来确定。所选择的镀敷层对感兴趣的排放有最好的亲和性。通过各种吸附作用，覆盖物的增加和覆盖粘弹性的特性的变化导致了QCM谐振频率的偏移。

在’366的优选实施例中，将两个QCM连接到单个振荡器电路。当传感设备没有暴露于排放物时，第一QCM用作提供表示传感设备谐振频率的参考设备。第二QCM用作化学传感器并由前面所述的样本检索系统暴露于感兴趣的排放物中。第二QCM提供与从本地环境收集的排放量成正比的信号。将数字差分电路连接到两个振荡器电路的输出，并提供带有表示在传感设备和参考设备的谐振频率之间的算术差的频率的信号。所述讲授进一步指示本领域工作人员如何根据设备频率的差得出量化排放测度。

回到本发明，微控制器404将化学传感器和温度数据存储在数据存储器409。在执行诊断程序期间，从数据存储器409再次调用该数据。任何故障条件均会产生报警。本领域普通技术人员必须意识到在’923中所传授的通信接口电路800能够将化学传感器和温度数据直接地发送到处理控制系统40或者目前没有示出的维护控制设备。或者，控制模块400可以用诊断程序对数据加工以产生故障条件。这些故障条件将会产生诊断告警。可以将它们存储在诊断存储器408，并随后再调用，以报告并遵守EPA条例，或者启动控制程序以减少或者消除排放。

诊断存储器408的深度允许存储多个诊断程序测试结果。例如，本发明的数据存储器409能够容纳来自256个故障条件测试和告警的数据。功率转换电路900接收由处理控制系统40经过通信连接发送或者由电池提供的电功率。

总之，前面的段落描述了用于在工业设备中用现场配置工具进行分析测量的必要的系统组件。本发明提供了一种用于确定在化学检测系统中的故障条件的诊断装置和诊断方法。用本领域普通技术人员公知的标准编程技术实现下面的诊断方法。图2A和2B解释了要求来实现优选实施例的诊断方法的逻辑。在图2A和2B中的详细程序是监控诊断程序。该程序从存储在程序存储器406的主可执行程序中调用。主可执行程序在进行测量方案之前总为了所标记的故障条件或者告警检查诊断存储器408。任何告警条件将先于测量方案占用，并由前面所述的各种通信技术报告。存在四个由利用如上所述的装置和化学传感器的监控诊断程序执行的分立程序，以获得有关系统及其周围大气条件的具体诊断信息。这些程序包括采样口诊断程序，步骤S103，绝对频率偏移故障条件程序，步骤S106，传感器噪声故障条件程序，步骤S108，以及饱和极限故障条件程序，步骤S110。

在所述系统端口的阻塞或者阀的故障能够阻止样本检索系统100的气流以及阻止样本收集。没能正确诊断这些故障条件将会导致化学检测系统10的完全功能紊乱。这些系统诊断依赖于由气体传感器阵列200上的气流所引入的第二传感现象。通过利用对在控制暴露期间从气体传感器阵列200所采集的数据的瞬时响应分析，功能非常强的诊断工具已经得到开发。在图3A和3B示出了采样口诊断程序逻辑，并在下面对其作更详细的描述。

如前所述，工业监控环境令人难以置信的恶劣。不希望的化学暴露能够产生传感器基线频率的永久偏移。涂敷层脱落和微粒积累能够产生类似效果。在图4A和4B中所解释的诊断程序演示了要求估计这些故障条件的逻辑，并在下面更详细地描述，步骤S106。

由于系统的样本检索部件里面的故障或者在样本获取期间急剧变化的气象条件(例如，强风)的原因而导致的气流变化能够在气体传感器阵列200的数据中引入大的偏移和噪声。在图5A和5B中所解释的诊断程序演示了要求估计这些故障条件的逻辑，并在下面更详细地描述，步骤S108。

最后，过度的排放源12的泄漏能够不可恢复地损坏化学传感器。如前所述，排放的高浓度能够损坏甚至从传感器剥离敏感的涂敷层。本领域普通技术人员将这些高浓度称作为化学传感器的饱和极限。在图6A和6B中示出了用来确定饱和电位的必要逻辑，并在下面更详细地描述，步骤S110。

在每个测量方案和任何排放数据报告之前，由图2A和2B所表示的监控诊断程序典型地通过在控制模块400中运行的主可执行程序操作调用。所有程序都存储在程序存储器406。优选实施例演示了用来为化学检测系统10的诊断有效性所执行的命令和具体程序。显然，如果操作序列变化或者如果执行了少于全部的诊断程序，仍能够获得诊断信息。一旦完成，则监控诊断程序返回到主可执行程序，以便如果检测到没有故障条件，进行重新测量检查。

一旦进入到监控程序，则温度传感器410确定环境温度，步骤S101。温度传感器410将最好以摄氏度表示(尽管不要求)的环境温度的数字表示提供给微控制器404。由于气体传感器阵列200的性能取决于温度，诊断程序确定环境温度是否在规定的工作范围，例如，从-10到50摄氏度，步骤S102。如果温度不在工作范围，则在诊断存储器408中分配给diag_flag的存储寄存器，将会有设置或者标记为指定无效工作范围的位，步骤S104，并且跳出程序，步骤S116。任何标记的或者检测的故障条件将会建立告警，同时中断诊断程序，并跳到主可执行程序。

如果温度在所希望的工作范围内，则调用采样口诊断程序，步骤S103。如果在采样口诊断程序中检测到故障条件，则在diag_flag中标记所述条件，并跳出监控程序，步骤S116。如果没有检测到故障条件，则执行进行到绝对频率偏移诊断程序，步骤S106。如果绝对频率偏移故障条件没有出现，则对噪声阈值诊断程序执行引导(execution vectors)，步骤S108。一旦成功地完成噪声阈值诊断程序，则执行饱和极限诊断程序，步骤S110。四个诊断程序的成功完成将程序流返回到由控制模块400所操作的主可执行程序，步骤S116。更详细地继续，图3A和3B解释了采样口诊断程序。该程序基于由气体传感器阵列200所表现的瞬时流现象。例如，在’366专利中所述的化学传感器具有每scfh(标准立方英尺/小时)大约69ppm的瞬时流灵敏度。如在图7所述，在流中的突然中断将会在传感器数据中产生瞬时响应，瞬时流现象(例如，从静态流到200sccm流的阶跃变化将会在15MHz的衬底产生大约450Hz的瞬时传感器响应)。因此，通过操作样本检索系统组件来引入流的阶跃变化，同时同步地获取和分析气体传感器阵列200的响应数据，能够检测到流故障条件。潜在的逻辑如下：如果阀130、132或者134中的任何一个出现部分或者全部阻塞，使得流量降低，则所测量的气体传感器阵列200的瞬时性能将会少于在诊断程序中所定义的“阈值”条件。另外，任何阀启动故障将会产生类似的流破坏。

精确地确定故障条件的存在要求查询或者收集8个传感器读取，步骤S201。由于气体传感器阵列200噪声的非相关特性，来自传感器接口电路402的8个顺序传感器读取将用来计算算术均值或者“平均”，以减少噪声。在所述数据中的噪声“尖峰”能够引起虚假的告警。将传感器算术均值存储在数据存储器409的寄存器中，步骤S202。微控制器404通过阀驱动器电路407控制阀130、132和134，以使得在样本收集期间出现不同流量的现象。阀驱动器电路407是本领域普通技术人员所公知的典型h桥驱动器。

微控制器404打开排气阀134，和大气采样阀132，步骤S203。正如前面所解释的那样，喷射器140排空传感器盒114的空气，由此将基线大气抽入到传感器盒114，使气体传感器阵列200暴露于流的突然增加。当在大气采样阀或者排气阀134上的采样口32没有阻塞并所述阀正常工作时，所希望的气体传感器阵列200的性能瞬时响应将会出现。气体传感器阵列200的瞬时性能典型地出现不到2秒钟，并在图7所述。在动态流条件下进行8个顺序读取，并计算所述均值且放在微控制器404的内部存储器寄存器，步骤S204。随后关闭排气阀134和大气采样阀132，步骤S205。接下来，计算在静态流期间从的基线读取的算术均值和在流的突变期间的算术均值之间的绝对差，步骤S206。在所述系统中的充足流将会产生大于在所有工作条件下的具体值的瞬时响应。在诊断程序中，条件测试确定所述绝对差的范围是否少于预定值，例如200Hz，步骤S207。如果所述条件测试结果是正的，则检测到故障条件，步骤S208，否则，所述测试继续进行，以估计下一个传感器的值，步骤S209-S216。图3A和3B描述了用于带有两个传感器的化学检测系统10的逻辑，但是本领域普通技术人员应该理解相同逻辑能够应用于单个传感器或者多个传感器。如前面所述那样处理故障条件。一旦完成，将程序执行返回到监控诊断程序，步骤S217。

继续图4A和4B，讲述了在气体传感器阵列200涂层中的故障条件检测微粒积累和永久粘弹性变化。在加工工业中的环境条件令人难以置信的恶劣。局部环境有丰富的微观微粒和氧化物。尽管化学检测系统10的设计降低了暴露和对这些干扰因素的灵敏度，但是消除是不可能的。在静态流期间，在气体传感器阵列200上的任何永久物载荷或者氧化物应力将会引起基线谐振频率不可逆转的偏移。在现场使用之前，将在工作温度范围内按每一摄氏度分辨率增加的50个气体传感器阵列200基线读取的“温度特征(temperature signature)”存储在诊断存储器408。所述基线读取用来将目前频率和原始的特征数据进行比较。在特定温度的“特征包络(signatureenvelope)”外的大偏移被认为是故障条件。

通过执行以1摄氏度的精度的环境温度读取来启动诊断程序，步骤S301。在执行期间，传感器接口电路402报告用来计算算术均值的8个顺序传感器读取，并减少气体传感器阵列200的单个传感器(指定传感器)的基线谐振频率中不想要的噪声，步骤S302。条件语句应用有关计算平均值的均值偏移测试，步骤S304。例如，如果在当前测量的温度处，平均基线谐振频率大于所述特征数据5kHz，则产生故障条件，步骤S305。如前所述报告故障条件。如果没有产生故障，则接着执行继续，并且类似的逻辑将所述测试应用于在气体传感器阵列200的第二传感器，步骤S307-309。在诊断存储器408中存储的配置数据的分辨率和具有1度分辨率的50摄氏度工作范围相匹配，由此不需要提供内插方法计算温度相关基线频率。或者，能够采用更大的温度分辨率或者内插方法。一旦完成程序，则执行返回到监控诊断步骤，步骤S310。

图5A和5B解释了用于气体传感器阵列200的噪声诊断程序。带有噪声的传感器对系统集成是有害的。在气体传感器阵列200上的积累微粒的微弱声音耦合(poor acoustic coupling)或者涂层的脱落使它自己在连续测量中的谐振频率出现错误偏移。由于频率急速改变(例如，5KHz到10KHz)的偏移、非谐音(例如，大于50KHz)和宽带噪声(例如，大于±100Hz)是在诸如QCM的声波传感器的量化噪声中是总所周知的现象。

一旦进入到噪声诊断程序，则在执行之前初始化在数据存储器409中的两个寄存器，magnitude(幅度)寄存器和sample_count寄存器，步骤S501。magnitude寄存器包含在线(in-line)阈值操作的输出。sample_count寄存器建立将要分析的数据样本的总数。在线阈值操作检查32个连续传感器查询的每一个，并保留最大值。气体传感器阵列200的采集首先出现，步骤S502。如果它是初始化查询，则将目前的值作为bias_value存储在数据存储器409的存储器寄存器中，步骤S504。如果不是初始化查询，则执行进行到步骤S505。在bias_value和目前值之间计算绝对差。由于它是感兴趣的偏移幅度，所以只计算绝对差值而不管算术符号或者偏移的方向。将所述绝对值和在magnitude寄存器中所存储的值比较，步骤S506。如果绝对差值大于在magnitude寄存器中存储的值，则所述绝对差值变成为所述新的最大值，并代替原来在magnitude寄存器中存储的值，步骤S506-508。迭代循环比较和排序气体传感器阵列200的32个连续读取。在图5A和5B中图示的流程图描述了用于单个传感器的诊断逻辑。相同的逻辑能够在由系统设计所表示的多个传感器上应用。本领域普通技术人员应该理解，连续查询的总数可以在不脱离本发明的实质的情况下做大的变化。例如，更少的迭代可以产生最优的传感器诊断。

一旦跳出迭代循环，则剩余的条件测试提供了对噪声幅度的量化，步骤S509-S514。将所述结果记录在数据存储器409的另一个存储器寄存器中，并能够通过所述主可执行程序来使用，以产生用于所检测排放的“完整性(integrity factor)系数”。能够将所述完整性系数用来量化和报告所述故障条件的特性和范围(例如，频率跳变、非谐音或者宽带噪声)。一旦完成所述诊断程序，则执行返回到在监控诊断程序中的步骤S110，步骤S515。能够按如前所述通信故障条件。在测量检查之前和期间应用这种相同的诊断逻辑。当在测量检查之前实现时，所述故障表示传感器的退化。在测量检查期间的这种程序的应用能够提供有关由于激烈变化的气象条件而导致的采样检索异常的运行故障条件(即，极大的风速)。

现在参照图6A和6B，实现诊断饱和极限系统故障的问题。如前所述，超过气体传感器阵列200的饱和极限的排放浓度水平能够不可恢复地损坏传感器，由此降低化学检测系统10的性能。通过测量气体传感器阵列200的响应梯度来检测饱和极限电位。所述响应梯度由下式定义：

设ΔR＝响应梯度(赫兹每秒)

ΔF＝谐振频率的变化(赫兹)

Δt＝时间的变化(秒)

于是：

$\mathrm{\ΔR}=\frac{\mathrm{\ΔF}}{\mathrm{\Δt}}$ (赫兹每秒)

如果响应梯度超过在特定时间量中的阈值，则标记为故障条件。例如，所述优选实施例设定该值为每秒200赫兹。再次计算幅度的算术平均以减少随机噪声的灵敏度，步骤S601。将来自气体传感器阵列200基线读取的算术均值存储在数据存储器409，步骤S602。微控制器404通过阀驱动器电路407打开排气阀134和大气采样阀130。通过打开两个阀，排放采样的稀释将会发生。这种稀释保护了气体传感器阵列200免受极大量排放暴露。本领域普通技术人员能够理解从大气和排放口单独地收集采样同样也能够进行饱和极限诊断。再往下，执行5秒钟的定时循环以在没有产生过度暴露情况下留出气体传感器阵列200的响应时间，步骤S604。一旦完成5秒钟的暴露，就计算平均暴露响应。微控制器404关闭排气阀134和大气采样阀130，以终止所述暴露，步骤S605-S606。计算所述响应梯度，并进行条件测试，以确定是否已经超过所述预定阈值，步骤S607-S608。如果响应梯度超过所述预定阈值，则设定故障条件，并记录在诊断存储器408中。可以按前面所描述的那样报告。如果没有检测到故障条件，则在步骤S609，执行程序返回操作到监控诊断程序。监控诊断程序将返回执行到主可执行程序，并且化学检测系统10可以继续进行测量方案。

对在此所描述和解释的技术和结构，在不脱离本发明的实质范围情况下，可以进行各种变化和修改。因此，应该理解在此所描述的方法和装置仅仅是说明性的，并不限于本发明的范围。

Claims (21)

1.一种用于诊断化学检测系统的装置，包括：

样本检索设备，用于收集和检测排放，其中所述样本检索设备包括用于从排放源接收所述排放的具有采样口的聚集器盒、位于用于检测所述排放的聚集器盒内的化学传感器、以及用于排出所检测排放的排出口；以及

控制模块，包含用来控制所述样本检索设备的第一操作模式，和用来执行诊断程序以验证所述样本检索设备执行的第二操作模式。

2.权利要求1所述的装置，其中所述第二操作模式通过所控制的多个排放浓度的暴露从化学传感器获取响应数据。

3.如权利要求1所述的装置，其中所述诊断程序包括确定在所述样本检索设备里面气流的存在。

4.如权利要求1所述的装置，其中所述诊断程序包括测量所述化学传感器的绝对频率偏移。

5.如权利要求1所述的装置，其中所述诊断程序包括从所述化学传感器获取响应数据，并量化在所述响应数据中的噪声。

6.如权利要求1所述的装置，其中所述诊断程序包括对化学传感器执行可控制的暴露，以确定能够永久的改变所述化学传感器的排放浓度的存在。

7.一种用于验证化学检测系统操作的方法，所述方法包括步骤：

对所述化学检测系统进行诊断程序，所述诊断程序包括控制化学传感器的暴露并对周围环境条件进行测量；

测量化学传感器对所述受控的暴露和所述周围环境条件的所述响应；

在存储器设备中存储响应数据；以及

从所述响应数据产生诊断数据。

8.如权利要求7所述的方法，其中所述诊断程序包括确认排放的气流，并确认在所述样本检索设备中不包含排放的大气气流。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述诊断程序包括通过计算第一平均化学传感器响应和第二平均化学传感器响应的算术差的绝对值，来计算瞬时气流灵敏度响应，在没有暴露排放的静态流条件下计算所述第一平均化学传感器响应，在没有暴露排放的动态流条件下计算所述第二平均化学传感器响应。

10.如权利要求7所述的方法，其中所述诊断程序包括所述量化化学传感器的饱和电位。

11.如权利要求10所述的方法，其中所述诊断程序还包括计算传感器响应梯度，所述传感器响应梯度通过传感器响应阈值被预定时间间隔算术除的比来计算，其中算术传感器响应阈值通过求第一平均化学传感器响应和第二平均化学传感器响应的算术差的绝对值来确定，在没有暴露排放的静态流条件下计算所述第一平均化学传感器响应，在没有暴露排放的静态流条件下计算所述第二平均化学传感器响应。

12.如权利要求7所述的方法，其中对受控暴露测量的化学传感器响应包括量化化学传感器噪声。

13.如权利要求12所述的方法，其中量化化学传感器噪声通过比较绝对算术差和至少一个噪声阈值来实现，所述噪声阈值提供了分级的故障条件。

14.如权利要求12所述的方法，其中通过计算在平均化学传感器响应和在存储器中所存储的所述噪声阈值之间的算术差的绝对值运算，来进行所述绝对算术差的比较，所述平均化学传感器响应在没有暴露排放的静态流条件下计算。

15.一种用于验证化学传感器操作的方法，所述方法包括步骤：

对所述化学传感器进行诊断程序，所述诊断程序包括控制化学传感器对排放的暴露并对周围环境条件进行测量；

测量化学传感器对所述被控制暴露的所述响应；

在存储器设备中存储响应数据；以及

从所述响应数据产生诊断数据。

16.如权利要求15所述的方法，其中，测量所述化学传感器对所述受控暴露的响应包括测量所述化学传感器的周围温度和绝对频率偏移。

17.如权利要求16所述的方法，其中，所述绝对频率偏移测量通过计算平均化学传感器响应和在所述存储器设备中所存储的配置传感器响应之间的算术差来计算，在没有暴露于排放的静态流条件下计算所述平均化学传感器响应，其中在暴露于所述排放之前的静态流情况下，计算所述配置传感器响应值。

18.如权利要求17所述的方法，其中，在离散的温度处测量所述配置传感器响应，所述离散温度在以1摄氏度为分辨率的-10摄氏度和+50摄氏度之间的范围内。

19.如权利要求15所述的方法，其中，测量化学传感器对所述受控暴露的响应包括量化化学传感器噪声。

20.如权利要求19所述的方法，其中，量化化学传感器噪声通过比较绝对算术差和至少一个噪声阈值来实现，所述噪声阈值提供了分级故障条件。

21.如权利要求20所述的方法，其中通过计算在平均算术传感器响应和在存储器中所存储的所述噪声阈值之间的算术差的绝对值，来进行所述绝对算术差的比较，在没有暴露排放的静态流条件下计算所述平均化学传感器响应，在暴露排放之前的静态流情况下，计算所述配置传感器响应值。

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