包括二氧化碳校準氣體發生器的二氧化碳傳感器的制作方法

專利名稱：包括二氧化碳校準氣體發生器的二氧化碳傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種用于二氧化碳傳感器的校準設備。更特別地，本發 明涉及內部產生二氧化碳參考氣體用來校準二氧化碳傳感器。
技術背景用來測量空氣中二氧化碳(co2)濃度的儀器和傳感器已經在專利文獻中有所描述，并且在市場上以商業可得的產品形式存在。這些儀器中 有很多是基于二氧化碳分子的電磁輻射在紅外波長區域內的吸收光譜。 根據已知技術，這樣的光譜能夠通過分光儀器進行檢測和分析。通過在 由于二氧化碳吸收與空氣中其它成分存在偏離的特定波長處進行測量，可能提取出所需靈敏度和特性的輸出信號。其它儀器是基于固體電解質或者電化學電池，這些儀器使用觸媒電 極，以使得隨著電子的交換，二氧化碳被氧化或還原。然后，由于二氧 化碳被氧化或還原產生的電流作為被檢測的二氧化碳濃度的量度被檢 測。然而，二氧化碳傳感器存在的問題是，隨著時間的流逝，它們的靈 敏度降低。例如，電化學電池的工作壽命是由在傳感器中用來檢測二氧 化碳的電池的觸媒電極的活性來決定的。隨著時間的流逝，由于污染氣 體和中毒，該活性逐漸降低，因此，傳感器的靈敏度也降低。如果內部嵌入有二氧化碳傳感器的儀器被定期校準，這個靈敏度的降 低就會通過調整二氧化碳傳感器的增益而被補償，并且任何有缺點的二 氧化碳傳感器能夠被立刻置換。然而，如果該儀器處于很難維護的位置， 或者如果二氧化碳傳感器的校準不能以其它方式自由地進行，則通常不可能確保二氧化碳傳感器正常工作。因此，當二氧化碳傳感器到達工作 壽命的終點時，感測單元的輸出可能不足以產生報警或其它情況。結果， 能夠出現這種情況，即使達到有毒氣體水平，但是二氧化碳傳感器不能 夠提供所需的警告。 發明內容公開了一種自校準二氧化碳傳感器。該傳感器包括二氧化碳檢測器 和二氧化碳氣體發生器。在一個示例性實施例中，該二氧化碳氣體發生 器包括加熱元件和與加熱元件相鄰的釋放二氧化碳氣體的固體材料。釋 放二氧化碳氣體的固體材料被加熱元件加熱時釋放二氧化碳。在另一個實施例中，自校準二氧化碳傳感器包括傳感器外殼，放置 在外殼內的二氧化碳檢測器以及放置在傳感器外殼內的二氧化碳氣體發 生器。該二氧化碳氣體發生器包括加熱元件和與加熱元件相鄰的釋放二 氧化碳氣體的固體材料。該釋放二氧化碳氣體的固體材料被加熱元件加 熱時釋放已知量的二氧化碳參考氣體。同時，公開了一種校準二氧化碳傳感器的示例性方法。該示例性方 法包括提供二氧化碳檢測器和與二氧化碳檢測器相鄰的二氧化碳氣體發 生器。二氧化碳氣體發生器包括加熱元件和與加熱元件相鄰的釋放二氧 化碳氣體的固體材料。然后，該方法包括，用加熱元件加熱釋放二氧化 碳氣體的固體材料來釋放出已知量的二氧化碳氣體，用二氧化碳檢測器 檢測已知量的二氧化碳氣體，并由二氧化碳檢測器提供輸出值。然后， 根據所釋放的己知量的二氧化碳氣體來校準該輸出值。上面本發明的概述沒有意圖描述本發明每一個公開的實施例或每一 個實施方式。下面的附圖和詳細描述更具體的舉例說明這些實施例。


考慮到下面聯系附圖對本發明的不同實施例的詳細說明，該發明可 能被更完全地理解。其中附圖1示出了自校準二氧化碳傳感器的截面圖；附圖2示出了附圖1中所示的自校準氣體傳感器的參考氣體發生器 的截面圖；以及附圖3是與示例性自校準二氧化碳傳感器一同使用的電路圖。當本發明可修改成不同的改進型式和可選擇的形式時，其中的特征 己經通過實施例在附圖中示出并且將被詳細地說明。然而，應該理解， 本發明不限定于所描述的特定的實施例。相反，本發明覆蓋了所有的位 于本發明思想和范圍內的更改、等同和替代。所示的附圖沒有按照比例 繪制，僅僅是為了更容易地說明。
具體實施方式
本發明涉及一種用于二氧化碳傳感器的校準設備。更特別地，本發 明涉及內部產生二氧化碳參考氣體用來校準二氧化碳傳感器。在許多實 施例中，自校準二氧化碳傳感器包括傳感器外殼，放置在傳感器外殼內 的二氧化碳檢測器，以及放置在傳感器外殼內的二氧化碳氣體發生器。 該二氧化碳氣體發生器可以包括加熱元件和與加熱元件相鄰的釋放二氧 化碳氣體的固體材料。該釋放二氧化碳氣體的固體材料被加熱元件加熱 時釋放已知量的二氧化碳參考氣體。根據由二氧化碳氣體發生器釋放的 已知量的二氧化碳，該傳感器能夠被校準。除非另外指示，所有用在說明書和權利要求書中的表示成分、性質 如分子量、反應條件等的量的數字都應當理解為在所有情況下被術語"大 約"修飾。因此，除了相反的指示，在先前說明和所附的權利要求中闡 明的數值參數都是近似值，該近似值可以由本領域技術人員利用本發明 給出的教導依據所尋求獲得的需要性質而變化。通過端點描述的數值范圍包含所有包括在那個數值范圍內的數值(例如:范圍1到5包括1， 1.5, 2, 2.75， 3， 3.80， 4和5)。當用在本說明和所附權利要求中時，單數形式"一"、"一個"和"該" 包含復數形式，除非該內容清楚指示其它方面的意思。因此，例如，"加 熱元件"指的是包括兩個或者更多的加熱元件。當用在本說明和所附權 利要求中時，術語"或"的一般意思是包括"和/或"，除非該內容清楚地 指示其它方面的意思。如附圖1所示，自校準二氧化碳傳感器10具有傳感器外殼12，該傳 感器外殼12基本上包圍二氧化碳檢測器22和二氧化碳氣體發生器34。 在一些實施例中，傳感器外殼12可以由金屬形成，但是這不是必須的。 在一個實施例中，傳感器外殼12是由鍍鎳鋼形成的。在一些實施例中，二氧化碳檢測器22由放置在傳感器外殼12內的 支撐平板18所支撐。在一些實施例中，二氧化碳檢測器22是以電化學 電池的形式存在。圖示的二氧化碳檢測器22包括下面的和上面的電池平板24和26, 固體電解質膜28以及下面的和上面的觸媒電極30和32。下面的和上面的電池平板24和26，例如可以是憎水的聚四氟乙烯(Teflon )圓板， 但是這不是必須的。在這個圖示的實施例中，下面的電池平板24夾在支 撐平板18和下面的觸媒電極30之間，下面的觸媒電極30夾在固體電解 質膜28和下面的電池平板24之間，上面的觸媒電極32是夾在固體電解 質膜28和上面的電池平板26之間。該觸媒電極30和32，例如可以包含 選自下列組中的元素金(Au)，鉑(Pt)，鈀(Pd)，釕(Ru),銠(Rh)， 銥(Ir)，鋨(Os)，銀(Ag)等中的一種，或者該組元素的合金或混合 物，或者該組元素與碳黑混合的多孔部件，或者該組元素與碳黑和全氟 磺酸樹脂(Nafion)顆粒混合的多孔部件。固體電解質膜28例如可以是 全氟磺酸樹脂(Nafion)或像全氟磺酸樹脂(Nafion) /7Si02-2P205-Zr02 的全氟磺酸樹脂(Nafion)復合物，以及用于高溫的全氟磺酸樹脂(Nafion) /磷化鋯(ZrP)顆粒或者Sandia聚合物電解質替代物(SPEA)。所述的 電化學二氧化碳氣體檢測器22可以是在一個或多個美國專利 No.4,851,088和5,322,612和美國專利申請公開No.2004/0158410中所示 的類型，這些文獻在此作為參考引用。在一些實施例中，二氧化碳檢測器22是一種紅外線(IR) 二氧化碳 傳感器的形式。所述紅外線二氧化碳傳感器在美國專利No.6,456,943和 美國專利申請公幵No.2002/0157447, 2004/0050142和2004/0206906中有 所描述，這些文獻在此作為參考引用。二氧化碳氣體發生器34或參考氣體發生器34產生二氧化碳參考氣 體，該氣體被提供給二氧化碳檢測器22，以使得二氧化碳檢測器能夠自 校準。在許多實施例中，二氧化碳氣體生成器34在傳感器外殼12內產 生己知量的二氧化碳，并且已知量的二氧化碳通過二氧化碳檢測器22檢 測。在一些實施例中，二氧化碳氣體發生器34包括二氧化碳氣體發生室 36 (見附圖2)和氣體擴散控制板38。在一些實施例中，氣體傳感器10 還包括活性碳過濾器40。該氣體擴散控制板38能把二氧化碳氣體發生室 36和可選擇的活性碳過濾器40與二氧化碳檢測器22隔離開，并且緊鄰 電化學二氧化碳檢測器22上的上面的電池平板26或者緊鄰紅外線二氧 化碳檢測器的紅外線感測腔(沒示出)。如附圖2所示，二氧化碳氣體發生室36安放了加熱元件42和釋放 二氧化碳氣體的固體材料44，該固體材料44與加熱元件42相接近、毗 鄰、接觸或者熱耦合。釋放二氧化碳氣體的固體材料44在被加熱時產生 二氧化碳參考氣體。在許多實施例中，釋放二氧化碳氣體的固體材料44包括第二族元素 的碳酸鹽材料，當加熱元件42被激勵時，該碳酸鹽材料被加熱到已知的 溫度并因此熱分解釋放二氧化碳氣體的固體材料，從而產生己知量的二 氧化碳。在一些實施例中，釋放二氧化碳氣體的固體材料被加熱到溫度 范圍200 1500。C，或200 1000。C,或250 500。C，或500 1500。C, 或750 1250'C。然后，超壓的二氧化碳參考氣體能夠通過氣體擴散控制 板38上的孔48b直接流入二氧化碳檢測器22。在許多實施例中，第二族元素的碳酸鹽材料包括碳酸鈹(BeC03)、 碳酸鎂(MgC03)、碳酸鈣(CaC03)、碳酸鍶(SrC03)、碳酸鋇(BaC03) 或碳酸鐳(RaC03)。在一些實施例中，第二族元素的碳酸鹽材料包括碳 酸鎂(MgC03)或碳酸鈣(CaC03)。在其他實施例中，釋放二氧化碳氣 體的固體材料不是第二族元素的碳酸鹽。在這些實施例中，釋放二氧化 碳氣體的固體材料可以包括碳酸銅(CuC03)。當自校準氣體傳感器10被校準時，激勵加熱器42以加熱材料44到 預定的溫度，并且加熱一段預定時間，這樣使得材料44釋放出供給氣體 檢測器22的超壓二氧化碳參考氣體。氣體檢測器22在下面的和上面的 觸媒電極30和32之間檢測參考氣體并產生參考信號。這個信號被用來 進行傳感器10的自校準。在這樣的自校準后，加熱器42被去激勵以使 得超壓參考氣體降到可以忽略不計的水平。自校準氣體傳感器10的自校準過程能被按照所希望的那樣間斷性地 重復。在許多實施例中，能用加熱元件再加熱釋放二氧化碳氣體的固體 材料，以隨后釋放已知量的二氧化碳氣體。這些隨后已知量的二氧化碳 氣體能夠被檢測并且用于再校準二氧化碳檢測器的輸出值。在一些實施 例中，在加熱步驟和再加熱步驟之間的時間間隔至少是一天、 一周、一 月或一年。如附圖1所示，傳感器外殼12形成連續的外殼，該外殼安放氣體檢測器22和參考氣體發生器34。因此，在本發明的這個結構中，氣體檢測 器22和參考氣體發生器34沒有被安放在分離外殼內。如附圖3所示，控制器50基于由氣體檢測器22檢測的二氧化碳提 供輸出52。該控制器50也可以控制參考氣體發生器34來校準氣體檢測 器22。該輸出52可以被耦合到不同的設備上。例如，該輸出52可以被 耦合到報警指示器，以當檢測的二氧化碳氣體水平超過預定限制時產生 警報；或者該輸出52可以被耦合到諸如通風機這樣的設備上來控制被檢 測氣體的影響。自校準能被預定程序以按照時間表操作，例如 一年兩 次或一年一次。校準也能通過按下外部按鈕來啟動。當自校準正在進行時，控制器50能提供自校準正在執行并且控制器50暫時不起作用的警 報/警告。在所述的實施例中，下面的和上面的觸媒電極30和32通過電阻器 54耦合到電壓電源的接線端。電阻器54和氣體檢測器22間的連接點耦 合到放大器56，該放大器在環繞該放大器56的反饋回路中具有增益控制 元件58。該放大器56的輸出耦合到提供輸出52的處理器60。該處理器 60也可以控制開關62,用于選擇地將電源S和加熱器42連接以激勵參 考氣體發生器34。在正常的操作中，處理器60提供基于放大器56輸出的輸出52，并 且控制開關62以使開關62處于打開狀態。這樣，參考氣體發生器34被 去激勵，并且輸出52指示由氣體檢測器22正常檢測的周圍環境氣體的 水平。這種由氣體檢測器22正常檢測的周圍環境氣體通過傳感器外殼12 內的一個或多個合適的孔(沒示出)進入氣體傳感器10,流過可選擇性 的活性碳過濾器40,然后通過氣體擴散控制平板38上的一個或多個孔 48a進入氣體檢測器22。在自校準過程中，處理器60控制開關62，使開關62關閉。這樣， 激勵參考氣體發生器34，以產生二氧化碳參考氣體，并且像上述的那樣 為氣體檢測器22提供參考氣體。處理器60接收放大器56的輸出，并且 可以改變一個或多個校準參數。 一旦校準進程完成，在接下來正常氣體 檢測操作過程中，控制器60可以使用該一個或多個校準參數以提供校準 輸出52，該校準輸出52補償任何靈敏度的變化或者氣體傳感器的其他變化。因此，自校準氣體傳感器10被校準。控制器50可以間斷性地按照所需或者所希望的次數重復上述的校 準。這樣重復校準之間的時間周期可以是定期的或者不定期的以及可以 是所希望的任意時間長度。在許多實施例中，回路50能被作為芯片安裝或者另外安裝在傳感器 外殼12內的板或其它支持物上。這樣輸出52可以到達傳感器外殼12的 外部。附圖l示出了實施例，其中傳感器外殼12形成了連續的外殼，所述 外殼內安放有氣體檢測器22和參考氣體發生器34。但是，氣體檢測器 22和參考氣體發生器34可以根據需要分開放置并安放在單獨的外殼內。完全公開的所有的專利、專利文件和其中引證的出版物在此作為參 考引入。前述給出的詳細說明和示例僅僅為了清楚地理解。這一點應理 解為非必需的限制。本發明不被限制到所示及所述的準確詳述，因為對 本領域技術人員來講顯而易見的變化將包含在由權利要求所限定的本發 明的范圍內。
權利要求
1、一種物品，包括二氧化碳檢測器；以及二氧化碳氣體發生器，其中所述二氧化碳氣體發生器包括加熱元件和與加熱元件熱連接的釋放二氧化碳氣體的固體材料，其中所述釋放二氧化碳氣體的固體材料在被加熱元件加熱時釋放二氧化碳。
2、 根據權利要求l所述的物品，其中釋放二氧化碳氣體的固體材料 包括第二族元素的碳酸鹽。
3、 根據權利要求l所述的物品，其中釋放二氧化碳氣體的固體材料 包括碳酸鎂或碳酸鈣。
4、 根據權利要求l所述的物品，其中釋放二氧化碳氣體的固體材料 放置在加熱器上。
5、 根據權利要求l所述的物品，進一步包括外殼，其中二氧化碳檢 測器和二氧化碳氣體發生器放置在傳感器外殼內。
6、 根據權利要求l所述的物品，其中二氧化碳檢測器包括紅外線二 氧化碳檢測器。
7、 根據權利要求l所述的物品，其中二氧化碳檢測器包括電化學二 氧化碳檢測器。
8、 根據權利要求l所述的物品，其中二氧化碳檢測器與二氧化碳氣 體發生器相鄰放置。
9、 一種自校準二氧化碳傳感器，包括 傳感器外殼；放置在傳感器外殼內的二氧化碳檢測器；以及放置在傳感器外殼內的二氧化碳氣體發生器，其中所述二氧化碳氣 體發生器包括加熱元件和與加熱元件熱連接的釋放二氧化碳氣體的固體 材料，其中所述釋放二氧化碳氣體的固體材料被加熱元件加熱時釋放二 氧化碳參考氣體。
10、 根據權利要求9所述的自校準二氧化碳傳感器，其中，釋放二氧化碳氣體的固體材料包括第二族元素的碳酸鹽。
11、 根據權利要求9所述的自校準二氧化碳傳感器，其中，釋放二 氧化碳氣體的固體材料放置在加熱器上。
12、 根據權利要求9所述的自校準二氧化碳傳感器，其中，二氧化碳檢測器包括紅外線二氧化碳檢測器。
13、 根據權利要求9所述的自校準二氧化碳傳感器，其中，二氧化 碳檢測器包括電化學二氧化碳檢測器。
14、 一種校準二氧化碳傳感器的方法，包括.-提供二氧化碳檢測器和與二氧化碳檢測器相鄰的二氧化碳氣體發生 器，二氧化碳氣體發生器包括加熱元件和與加熱元件熱連接的釋放二氧 化碳氣體的固體材料；用加熱元件加熱釋放二氧化碳氣體的固體材料來釋放出已知量的二 氧化碳氣體；用二氧化碳檢測器檢測已知量的二氧化碳氣體，從而提供來自二氧 化碳檢測器的輸出值；以及根據已知量的二氧化碳氣體來校準該輸出值。
15、 根據權利要求14所述的校準二氧化碳傳感器的方法，其中，加 熱步驟包括熱分解釋放二氧化碳氣體的固體材料來釋放出已知量的二氧 化碳氣體。
16、 根據權利要求14所述的校準二氧化碳傳感器的方法，其中，加 熱步驟包括熱分解第二族元素的碳酸鹽固體材料來釋放出已知量的二氧 化碳氣體。
17、 根據權利要求14所述的校準二氧化碳傳感器的方法，其中，加 熱步驟包括熱分解碳酸鎂固體材料或碳酸鈣固體材料來釋放出已知量的 二氧化碳氣體。
18、 根據權利要求14所述的校準二氧化碳傳感器的方法，其中提供 步驟包括，提供紅外線二氧化碳檢測器和與紅外線二氧化碳檢測器相鄰 的二氧化碳氣體發生器。
19、 根據權利要求14所述的校準二氧化碳傳感器的方法，其中提供 步驟包括，提供電化學二氧化碳檢測器和與電化學二氧化碳檢測器相鄰 的二氧化碳氣體發生器。
20、 根據權利要求14所述的校準二氧化碳傳感器的方法，其中，加 熱步驟包括給加熱元件提供已知量的能量來釋放出已知量的二氧化碳。
21、 根據權利要求14所述的校準二氧化碳傳感器的方法，進一步包括在校準步驟后，用加熱元件再加熱釋放二氧化碳氣體的固體材料來釋放第二巳知量的二氧化碳氣體；用二氧化碳檢測器檢測第二已知量的二氧化碳氣體以提供來自二氧化碳檢測器的輸出值；以及根據第二己知量的二氧化碳氣體再校準該輸出值。
22、 根據權利要求21所述的校準二氧化碳傳感器的方法，其中，在加熱步驟和再加熱步驟之間至少有一個星期的時間間隔。
23、 根據權利要求21所述的校準二氧化碳傳感器的方法，其中，在加熱步驟和再加熱步驟之間至少有一個月的時間間隔。
全文摘要
一種自校準二氧化碳傳感器，包括二氧化碳檢測器和二氧化碳氣體發生器。該二氧化碳氣體發生器包括加熱元件和與加熱元件熱連接的釋放二氧化碳氣體的固體材料。該釋放二氧化碳氣體的固體材料被加熱元件加熱時釋放二氧化碳。本發明還公開了用于校準自校準二氧化碳傳感器的方法。
文檔編號G01N27/416GK101228438SQ200680027039
公開日2008年7月23日 申請日期2006年5月19日 優先權日2005年5月24日
發明者R·A·伍德, S·J·埃克霍夫 申請人:霍尼韋爾國際公司