專利名稱：氣體傳感器的檢測方法及設備的制作方法
技術領域：
本發明涉及氣體傳感器檢測技術，尤其涉及一種氣體傳感器的檢測方法及設備。
背景技術：
電化學氣體傳感器一般由兩個或三個電極和以及連通各個電極的電解液構成。對于三電極傳感器來說，一般包括三個電極參比電極、工作電極和對電極。氣體傳感器是在恒電位的模式下工作的，即工作電極相對于參比電極的電位差是恒定的，產生的電流和被檢測的氣體濃度成正比關系，比如一氧化碳、硫化氫、氧氣等。當有氣體泄漏時，如果傳感器出了故障而無法正常工作，而我們又不知道傳感器出了故障，此時就很危險。現有技術中提出了多種不同方法和設備來在線檢測氣體傳感器，以預測氣體傳感器的好壞，從而提前預警，以防范危險的發生。造成電化學氣體傳感器失效的原因有幾種情況氣體傳感器的引腳和內部接觸不良；氣體傳感器的參比電極不穩定；氣體傳感器內部電解質溶液干枯；氣體傳感器的催化劑活性下降或失活造成靈敏度下降或沒有反應；氣體傳感器的進氣孔被堵塞(主要針對氧氣傳感器)；氣體傳感器的電解液泄漏。針對上述情況，現有技術中許多專利提出了相應的檢測方法和設備。針對參比電極電位不穩定的失效模式，美國專利US5100530提出一種用輔助電極來測試參比電極的電位的檢測方法和電路。針對催化劑活性下降或失活的失效模式，美國專利US6629444提出用水蒸汽來預測傳感器的靈敏度是否下降；美國專利US7033482用開關電路的方式對傳感器施加脈沖信號根據工作電極的電位響應來判斷傳感器是否失效；美國專利US 5611909專門設計脈沖電路給氣體傳感器施加脈沖信號，根據工作電極的電位響應來判斷傳感器是否失效；美國專利US6404205提出對一氧化碳傳感器，給工作電極加一個偏壓讓工作電極產生氫氣，然后回到原來的電位工作狀態，檢測傳感器的電流，用該電流判斷該傳感器是否能正常工作。針對電解液干枯的失效模式，美國專利US6049283根據傳感器的噪聲與電解液含量的關系來檢測傳感器是否因為失水干燥而失效。針對電解液泄漏的失效模式，美國專利US6428684提出在氣體傳感器外面包裹一層導電層，當電解液泄漏出傳感器時會接觸到該導電層根據導電層的信號來判斷傳感器是否因為漏液而失效。對于以上的所有失效模式，最可靠的檢測傳感器的方法是用被測氣體檢測傳感器，而被測氣體要么是標準濃度的鋼瓶氣，要么采用氣體發生器來產生。但這些做法都有很多不方便之處，在實際操作中，工作人員要定期地給每一個傳感器進行通氣檢測，耗時耗力。如果氣體傳感器失效，只能等到下一次檢測的時候才知道，有很大的潛在危險，特別是對于存在有毒氣體或爆炸性氣體的工作環境。另外傳感器漏液問題一般都是腐蝕了儀器才會發現，此時損失巨大，儀器只能報廢。美國專利US6428684的方法讓氣體傳感器變得更復雜，而上述其他專利提出的方法電路上也很復雜
發明內容
本發明要解決的技術問題是提供一種氣體傳感器的檢測方法及設備，能夠以較簡單的方法和電路結構對氣體傳感器是否無效進行檢測。為解決上述技術問題，本發明提供了一種氣體傳感器的檢測方法，所述氣體傳感器包括工作電極、參比電極、對電極以及連通三個電極的離子導電電解質，所述檢測方法包括在所述參比電極和工作電極上分別施加第一參考電壓和第二參考電壓，使所述氣體傳感器在恒電位模式下工作；提供所述對電極和工作電極工作時所需的工作電流；在沒有被檢測氣體的常規環境下，檢測所述對電極和工作電極之間的開路電位差，若所述開路電位差落入預設的電壓范圍內，則判定所述氣體傳感器正常，否則判定所述氣體傳感器失效。可選地，在檢測所述對電極和工作電極之間的開路電位差之前，還包括檢測所述工作電極的輸出電流，若所述輸出電流小于等于預設的電流閾值，則判定所述氣體傳感器正常，否則判定所述氣體傳感器失效。可選地，在檢測所述對電極和工作電極之間的開路電位差之前，還包括將所述工作電極的輸出電流轉換為輸出電壓；測量所述輸出電壓，若所述輸出電壓小于等于預設的電壓閾值，則判定所述氣體傳感器正常，否則判定所述氣體傳感器失效。本發明還提供了一種氣體傳感器的檢測設備，所述氣體傳感器包括工作電極、參比電極、對電極以及連通三個電極的離子導電電解質，所述檢測設備包括電壓驅動模塊，在所述參比電極和工作電極上分別施加第一參考電壓和第二參考電壓，使所述氣體傳感器在恒電位模式下工作；電流驅動模塊，提供所述對電極和工作電極工作時所需的工作電流；電壓檢測模塊，檢測所述對電極和工作電極之間的開路電位差，若所述開路電位差落入預設的電壓范圍內，則判定所述氣體傳感器正常，否則判定所述氣體傳感器失效。可選地，所述電壓驅動模塊包括第一運算放大器，其正輸入端接收所述第一參考電壓，其負輸入端與所述參比電極連接；第二運算放大器，其正輸入端接收所述第二參考電壓，其負輸入端與所述工作電極連接。可選地，所述電流驅動模塊包括所述第一運算放大器，所述第一運算放大器的輸出端與所述對電極連接。可選地，所述第二運算放大器的負輸入端通過電阻連接至所述第二運算放大器的輸出端，以將所述工作電極的輸出電流轉換為輸出電壓。可選地，所述電壓檢測模塊包括第三運算放大器，其正輸入端連接所述對電極，其負輸入端與其輸出端連接。與現有技術相比，本發明具有以下優點本發明實施例的氣體傳感器的檢測方法及其檢測設備中，在氣體傳感器的參比電極和工作電極上分別施加第一參考電壓和第二參考電壓，使其工作在恒電位模式下，并提供對電極和工作電極工作時所需的工作電流，使氣體傳感器處于工作狀態下，之后檢測對電極和工作電極之間的開路電位差，若該開路電位差落入預設的電壓范圍內，則判定氣體傳感器正常，否則判定該氣體傳感器失效。本發明實施例的技術方案僅需要檢測對電極和工作電極之間的開路電位差就能判斷氣體傳感器是否失效，方法簡單且易于實現，相應的檢測設備的電路結構也較為簡單。
圖1為本發明實施例的氣體傳感器的檢測方法的流程示意圖；圖2為本發明實施例的氣體傳感器的檢測方法的詳細流程示意圖；圖3為本發明實施例的氣體傳感器的檢測設備的結構框圖；圖4為本發明實施例的氣體傳感器的檢測設備的詳細電路結構圖。
具體實施例方式現有技術中用于檢測氣體傳感器的方法都較為復雜，不利于大規模的產業化應用。發明人分析了大量失效的氣體傳感器，發現主要的失效原因是氣體傳感器的引腳和內部電路接觸不良以及電解液泄露，主要基于以上兩種情況，本發明實施例給出了一種新的檢測方法及設備，在氣體傳感器的參比電極和工作電極上分別施加第一參考電壓和第二參考電壓，并提供對電極和工作電極工作時所需的工作電流，使氣體傳感器處于工作狀態下，之后檢測對電極和工作電極之間的開路電位差，若該開路電位差落入預設的電壓范圍內，則判定氣體傳感器正常，否則判定該氣體傳感器失效。本發明實施例的技術方案僅需要檢測對電極和工作電極之間的開路電位差就能判斷氣體傳感器是否失效，方法簡單且易于實現，相應的檢測設備的電路結構也較為簡單。下面結合具體實施例和附圖對本發明作進一步說明，但不應以此限制本發明的保護范圍。圖1示出了本實施例的氣體傳感器的檢測方法的流程示意圖，其中氣體傳感器包括工作電極、參比電極、對電極以及連通三個電極的離子導電電解質，該檢測方法包括步驟S 11，在所述參比電極和工作電極上分別施加第一參考電壓和第二參考電壓，使所述氣體傳感器在恒電位模式下工作；步驟S 12，提供所述對電極和工作電極工作時所需的工作電流；步驟S13，在沒有被檢測氣體的常規環境下，檢測所述對電極和工作電極之間的開路電位差，若所述開路電位差落入預設的電壓范圍內，則判定所述氣體傳感器正常，否則判定所述氣體傳感器失效。步驟Sll中，恒電位工作模式即工作電極相對于參比電極的電位差是恒定的，氣體傳感器產生的電流和被檢測的氣體濃度成正比關系。需要說明的是，本實施例的檢測方法適用于并不存在被檢測氣體的常規環境下。 發明人經研究發現，在沒有被檢測氣體的情況下，對于氣體傳感器的電極引腳、內部接觸不良以及電解液泄露的問題，氣體傳感器的對電極和工作電極之間的開路電位差會發生改變，也即氣體傳感器在沒有敏感氣源作用在其上時，對電極和工作電極之間的電位差相對于正常狀態下會發生改變。
對于三電極的氣體傳感器，對電極和工作電極在電路中等效于一內電阻和電壓均可變的電池，在靜態條件下，該電池只有極微弱的電流流過，內電阻也很小，氣體傳感器正常工作時，對電極和工作電極之間的開路電位差也能維持在正常的電壓范圍內。一般除了氧氣傳感器外，正常時的開路電位差大致等于加載在氣體傳感器上的偏壓。若檢測到的開路電位差落入預設的電壓范圍內，則表明氣體傳感器正常，若偏離該電壓范圍，則表明氣體傳感器失效。當氣體傳感器正常工作時，工作電極相對于參比電極的電位差是一定的，即第二參考電壓和第一參考電壓之間的電位差。工作電極受到電路的控制，電位維持在第二參考電壓上，那么對電極和工作電極之間的開路電位差的變化就體現在對電極上的電位變化， 因而在具體實施例中，可以通過檢測對電極的電位來判斷氣體傳感器是否失效。圖2示出了本實施例的氣體傳感器的檢測方法的詳細流程示意圖，首先執行步驟S21，判斷是否存在有毒氣體(即氣體傳感器所檢測的氣體)，若存在，例如讀數大于 Appm (百萬分之一)(具體例如為2ppm)或者讀數突然劇烈增大，則執行步驟S22，停止檢測過程，否則執行步驟S23，檢測工作電極的輸出電流；之后執行步驟S24，判斷輸出電流是否大于閾值電流，如果是的話，例如對于H2S傳感器，閾值電流為0. 4 1 μ A，對于CO傳感器， 閾值電流為0. 2 1 μ Α，則執行步驟S25，判定氣體傳感器失效，否則執行步驟S26，檢測對電極和工作電極之間的開路電位差；之后執行步驟S27，判斷開路電位差是否落入預設的電壓范圍內，如果是，則執行步驟S28，判定氣體傳感器正常，否則執行步驟S25，判定氣體傳感器失效。在步驟S23中，可以每隔一預設的時間間隔工作電極的輸出電流進行一次檢測， 通過多次重復檢測來判定輸出電流是否大于閾值電流。此外，在其他具體實施例中，還可以將工作電極的輸出電流轉換為輸出電壓后再進行檢測，如果轉換后的輸出電壓小于等于預設的電壓閾值，則判定該氣體傳感器正常，否則就判定該氣體傳感器失效。另外，由于工作電極的電位限定為第二參考電壓，因而在具體實施例中也可以僅測量對電極的電位，并計算其相對于第二參考電壓的電位差。圖3示出了本實施例的氣體傳感器的檢測設備的結構框圖，被檢測的氣體傳感器 30包括工作電極S、參比電極R、對電極C以及連通上述三個電極的離子導電電解質(圖中未示出)，本實施例的檢測設備包括電壓驅動模塊31，在參比電極R和工作電極S上分別施加第一參考電壓和第二參考電壓，使氣體傳感器30在恒電位模式下工作；電流驅動模塊 32，提供對電極C和工作電極S工作時所需的工作電流；電壓檢測模塊33，檢測對電極C和工作電極S之間的開路電位差，若該開路電位差落入預設的電壓范圍內，則判定氣體傳感器30正常，否則判定氣體傳感器30失效。圖4示出了本實施例的檢測設備的詳細電路結構，其中，電壓驅動模塊包括第一運算放大器41，其正輸入端接收第一參考電壓Verf，其負輸入端通過電阻45與氣體傳感器 40的參比電極R連接；第二運算放大器42，其正輸入端接收第二參考電壓Verl，其負輸入端通過電阻47與工作電極S連接。根據運算放大器的虛短概念，參比電極R的電位也近似等于第一參考電壓Verf ；同理，工作電極S的電位也近似等于第二參考電壓Ver 1。另外，電阻47是氣體傳感器40的負載，電阻45主要起保護作用，是可選的。另外，第一運算放大器41還包括在電流驅動模塊中，其輸出端與對電極C連接，用
6于提供對電極C和工作電極S工作時所需的工作電流，包括靜態電流以及氣體傳感器40工作時所需要的其他能量。本實施例中，第二運算放大器42的負輸入端還通過電阻44連接至第二運算放大器42的輸出端，從而將工作電極S的輸出電流轉換為輸出電壓，并通過連接至輸出端的電壓檢測器49進行檢測，此處檢測過程請具體參考上述實施例中氣體傳感器的檢測方法中工作電極的輸出電流以及輸出電壓的檢測過程。電壓檢測模塊可以包括第三運算放大器43以及電壓檢測器48，其中第三運算放大器43的正輸入端通過電阻46連接對電極C，負輸入端與第三運算放大器43的輸出端連接。第三運算放大器43的連接方式構成了電壓跟隨器，跟隨對電極C的電位并通過連接至輸出端的電壓檢測器48來進行檢測。在檢測過程中，通過電壓檢測器48的讀數來判定氣體傳感器40是否失效。其中，電阻46主要起保護作用，是可選的。本發明雖然以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和范圍內，都可以做出可能的變動和修改，因此本發明的保護范圍應當以本發明權利要求所界定的范圍為準。
權利要求
1.一種氣體傳感器的檢測方法，所述氣體傳感器包括工作電極、參比電極、對電極以及連通三個電極的離子導電電解質，其特征在于，所述檢測方法包括在所述參比電極和工作電極上分別施加第一參考電壓和第二參考電壓，使所述氣體傳感器在恒電位模式下工作；提供所述對電極和工作電極工作時所需的工作電流；在沒有被檢測氣體的常規環境下，檢測所述對電極和工作電極之間的開路電位差，若所述開路電位差落入預設的電壓范圍內，則判定所述氣體傳感器正常，否則判定所述氣體傳感器失效。
2.根據權利要求1所述的檢測方法，其特征在于，在檢測所述對電極和工作電極之間的開路電位差之前，還包括檢測所述工作電極的輸出電流，若所述輸出電流小于等于預設的電流閾值，則判定所述氣體傳感器正常，否則判定所述氣體傳感器失效。
3.根據權利要求1所述的檢測方法，其特征在于，在檢測所述對電極和工作電極之間的開路電位差之前，還包括將所述工作電極的輸出電流轉換為輸出電壓；測量所述輸出電壓，若所述輸出電壓小于等于預設的電壓閾值，則判定所述氣體傳感器正常，否則判定所述氣體傳感器失效。
4.一種氣體傳感器的檢測設備，所述氣體傳感器包括工作電極、參比電極、對電極以及連通三個電極的離子導電電解質，其特征在于，所述檢測設備包括電壓驅動模塊，在所述參比電極和工作電極上分別施加第一參考電壓和第二參考電壓，使所述氣體傳感器在恒電位模式下工作；電流驅動模塊，提供所述對電極和工作電極工作時所需的工作電流； 電壓檢測模塊，檢測所述對電極和工作電極之間的開路電位差，若所述開路電位差落入預設的電壓范圍內，則判定所述氣體傳感器正常，否則判定所述氣體傳感器失效。
5.根據權利要求4所述的氣體傳感器的檢測設備，其特征在于，所述電壓驅動模塊包括第一運算放大器，其正輸入端接收所述第一參考電壓，其負輸入端與所述參比電極連接；第二運算放大器，其正輸入端接收所述第二參考電壓，其負輸入端與所述工作電極連接。
6.根據權利要求5所述的氣體傳感器的檢測設備，其特征在于，所述電流驅動模塊包括所述第一運算放大器，所述第一運算放大器的輸出端與所述對電極連接。
7.根據權利要求5所述的氣體傳感器的檢測設備，其特征在于，所述第二運算放大器的負輸入端通過電阻連接至所述第二運算放大器的輸出端，以將所述工作電極的輸出電流轉換為輸出電壓。
8.根據權利要求5所述的氣體傳感器的檢測設備，其特征在于，所述電壓檢測模塊包括第三運算放大器，其正輸入端連接所述對電極，其負輸入端與其輸出端連接。
全文摘要
本發明提供了一種氣體傳感器的檢測方法及設備，所述氣體傳感器包括工作電極、參比電極、對電極以及連通三個電極的離子導電電解質，所述設備包括電壓驅動模塊，在所述參比電極和工作電極上分別施加第一參考電壓和第二參考電壓，使所述氣體傳感器在恒電位模式下工作；電流驅動模塊，提供所述對電極和工作電極工作時所需的工作電流；電壓檢測模塊，檢測所述對電極和工作電極之間的開路電位差，若所述開路電位差落入預設的電壓范圍內，則判定所述氣體傳感器正常，否則判定所述氣體傳感器失效。本發明能夠以較簡單的方法和電路結構對氣體傳感器是否無效進行檢測。
文檔編號G01N27/416GK102445485SQ20111028799
公開日2012年5月9日 申請日期2011年9月26日 優先權日2011年9月26日
發明者劉曉軍, 劉玲 申請人:華瑞科學儀器(上海)有限公司