氣體傳感器、氣體檢測器及其自我測試和自我校正方法
2023-10-08 06:03:44 2
專利名稱：氣體傳感器、氣體檢測器及其自我測試和自我校正方法
技術領域：
本發明涉及氣體傳感、檢測裝置，更具體地說，涉及一種壽命長、性能更可靠的燃料電池氣體傳感器，由這種燃料電池氣體傳感器製成的氣體檢測器，以及通過相應的外圍電路(即軟硬體)對這種燃料電池氣體檢測器進行自我測試和自我校正的方法。
背景技術：
燃料電池是由英國人William Grove於1839年發明的，近幾十年來被廣泛地應用於氣體傳感器中。通常，燃料電池氣體傳感器主要包括一個工作電極(通常稱陽極)和一個對電極(通常稱陰極)，工作電極和對電極之間由電解質隔離。「燃料」氣體在工作電極上的電化學氧化可導致電子從陽極到陰極的流動，即形成電流。其中，電流強度和氣體濃度成正比。典型氣體傳感器的原理及結構可參見美國專利US5,738,773。
燃料電池氣體傳感器有以下特徵1)無消耗件和易損件；2)以被動方式運行；3)無需外界激發，室溫下即可工作；4)線性好，響應速度快，動態測量範圍大；5)穩定性好。由於這些優點，以燃料電池氣體傳感器為核心的氣體檢測器基本上成為唯一的可用普通電池供電並能長時間工作的氣體檢測器。本發明中，氣體傳感器指的是能把氣體信號直接轉化成可測電信號的裝置；而氣體檢測器中除了氣體傳感器外，還包括外圍電路(例如信號採集、處理、存儲、輸出、顯示、控制等)，以及人機交流等軟硬體裝置。
典型的燃料電池氣體傳感器通常用貴金屬如Pt或Pt合金電催化劑作為工作電極和對電極，兩個電極之間用浸溼了電解質溶液的基質進行隔離。在美國專利US 6,638,407B1和中國專利ZL96202178.4，ZL95196037.7中，公開了使用液體電解質貯液池，通過浸潤渠道來維持電解質溼度/濃度方法。這種方法的缺點是傳感器易受環境溫度、溼度，壓力及振動的影響，液態電解質容易洩漏而造成腐蝕、乾涸、水淹等問題，從而會影響傳感器的壽命。
目前，燃料電池氣體傳感器應用的重要領域之一是作為一氧化碳氣體檢測器和電力變壓器或其它充油電氣設備油中故障氣體的在線監測。在實際使用中，由於各種外部因素的影響，如傳感器元器件的老化、接觸不良或電極表面的沾汙，傳感器的性能會逐漸下降，在某些情況下傳感器甚至會失靈，但檢測器本身卻無法將其當前狀態告訴用戶，因此會遇到即使有目標氣體也檢測不到的情況發生，或者發生誤告警。
在美國專利US6,200,443B1中，公開了一種傳感器自我測試的方法和裝置。其中把燃料電池作為一個電容器，用一個小的直流(DC)電壓(10mV)在一個很短的時間內(1毫秒)使燃料電池充電，然後用微處理器在設定的時間內測定傳感器的電信號(電壓)。再將測得的電壓與預先設定的正常的傳感器測定值作比較，該正常值通常是傳感器出廠時測得的值。該方法的優點是通過簡單地比較兩個值，可以判斷傳感器是否正常工作，因為當傳感器正常工作時，傳感器充電較緩慢而放電更慢；而當傳感器工作不正常時，傳感器充放電加快，測得的電壓值會大於正常工作的傳感器值。但該方法有以下缺點1)充電時間很短，對電子開關和採樣的重複性要求極高，在極短的時間差別下，採樣的結果就可能明顯不一樣，因此測得的結果的精確性受到影響。2)用該方法時檢測器的周圍環境中必須沒有目標氣體(如一氧化碳)，因此實用性受到影響，至少不能通過程序來控制傳感器實現自我測試。因為自動校正時不能保證環境中沒有目標氣體。3)由於傳感器自測結果受環境(傳感器)溫度的影響，因此該方法在不同溫度下測得的結果就缺乏可比性。
發明內容
針對現有技術中的上述缺陷，本發明首先要解決傳統燃料電池氣體傳感器會發生電解質洩漏、使用壽命易受環境溫度及溼度影響的問題。
本發明提供一種燃料電池氣體傳感器，包括電池套、電解質、工作電極以及對電極；其中，在所述電池套中，由內到外依次裝有電池芯、電池座和電池蓋；所述電解質裝於所述電池芯的中心孔內，所述工作電極和對電極位於所述電池芯中心孔的兩端，並與所述電解質良好接觸；所述電池芯裝於所述電池座的中心孔下部，所述工作電極面對所述電池座的中心孔；在所述電池蓋與電池座之間裝有可讓氧氣和被檢測氣體通過、但可阻止液體和粉塵通過的氣體滲透膜，所述電池蓋外部的氣體可經所述電池蓋、氣體滲透膜、以及電池座中心孔而到達所述工作電極，在此處發生電化學反應而輸出相應的電信號。所述電池套，電池芯，電池座和電池蓋材料由PP(聚丙烯)，PE(聚乙烯)或ABS(丙烯晴-丁二烯-苯乙烯共聚物)塑料的一種或多種組成。
在本發明的氣體傳感器中，所述電解質最好是由液體電解質和固體多孔玻璃或陶瓷材料如SiO2均勻混合而成的凝膠電解質。在所述凝膠電解質中，SiO2的重量最好為4％～40％，所述液體電解質最好是濃度為30％～98％的硫酸或磷酸。
在本發明的氣體傳感器中，可在所述電池芯中心孔的側壁設置與之相通的凝膠電解質膨脹孔；還可在所述電池芯中設置與所述電池芯中心孔平行、並與所述工作電極及對電極相通的壓力平衡孔。
在本發明的氣體傳感器中，可在所述電池套內設置一個儲液杯，所述儲液杯位於所述電池芯下部，即面向對電極；在所述的儲液杯內裝有恆溼劑，在所述儲液杯的上部裝有帶中心孔的儲液杯蓋，在所述儲液杯蓋中心孔處裝有多孔透氣膜；所述電池芯與所述儲液杯內的恆溼劑之間的水蒸汽可通過所述儲液杯蓋中心孔、側孔和多孔透氣膜而連通。上述儲液杯、儲液杯蓋和多孔透氣膜也可由一個用多孔透氣膜做成的儲液袋來代替。其中，所述恆溼劑最好由飽和金屬鹽溶液及金屬鹽固體按適當比例混合而成，所述金屬鹽可為氯化鋰、醋酸鉀、氯化鎂、碳酸鉀、硝酸鎂、以及氯化鈉中的一種或多種。
為解決傳統的氣體檢測器可靠性較差、且不能實現簡單可靠的自我測試和自我校正自我測試和自我校正的問題，本發明提供一種氣體檢測器，包括工作電源和微處理器，還包括與所述微處理器連接的溫度傳感器、氣體傳感器、以及告警裝置；其中，所述氣體傳感器為前述方案中的燃料電池氣體傳感器；所述氣體傳感器的傳感信號經信號採集放大電路及模/數轉換電路而輸入到所述微處理器。
在本發明的氣體檢測器中，最好還包括與所述微處理器連接的電子開關，所述工作電源的正極通過所述電子開關與氣體傳感器的對電極連接，所述工作電源負極通過所述電子開關與氣體傳感器的工作電極連接。最好還包括一個與所述微處理器連接的按鈕，通過長按或短按所述按鈕可實現自我測試和自我校正或臨時解除氣體濃度告警功能。
另外，本發明還提供一種對前述方案中的氣體檢測器進行自我測試和自我校正的方法，其特徵在於，在沒有被檢測氣體的條件下，按以下步驟進行基線濃度的強制校正(S11)判斷是否收到由手動測試及校正觸發按鈕所輸入的信號，如果是則進入步驟(S12)，否則重複本步驟；(S12)採集當前的氣體傳感器和溫度傳感器的檢測信號Uinit和T，並根據所採集的信號，計算出當前的濃度PPM(cal)；(S13)接通電子開關，按預定的電壓和通電時間，向所述氣體傳感器的兩極通反向所述的穩壓工作電源；(S14)採集通電結束後氣體傳感器的檢測信號Uend，然後結束通電；(S15)根據所述步驟(S12)、(S14)中所得的檢測信號，計算出氣體傳感器的自我測試值SL＝(Uend-Uinit)*f(T)，其中f(T)為溫度補償係數；(S16)判斷所述傳感器當前的自我測試值SL與其基準值SF(SF為出廠時的傳感器自我測試值)之間的比值RL/F＝SL/SF是否在預定範圍內，如果是則進入所述步驟(S17)；(S17)重新設定所述檢測器的基線濃度，以當前基線濃度減去在所述步驟(S12)所得的PPM(cal)的差值作為新的基線濃度，然後回到所述步驟(S11)。
在本發明所述的方法中，還包括以下對檢測器的靈敏度進行自我校正的步驟，其特徵在於，無論是否存在被檢測氣體，按以下步驟進行靈敏度的自我校正(S21)判斷是否達到預定的自動測試和靈敏度校正周期，如果是則進入步驟(S22)，否則重複本步驟；(S22)採集當前的氣體傳感器和溫度傳感器的檢測信號Uinit和T；(S23)接通電子開關，按預定的電壓和通電時間，向所述氣體傳感器的兩極通反向所述的穩壓工作電源；(S24)採集通電結束後氣體傳感器的檢測信號Uend，然後結束通電；(S25)根據所述步驟(S22)、(S24)中所得的檢測信號，計算出傳感器的自我測試值SL＝(Uend-Uinit)*f(T)，其中f(T)為溫度補償係數；(S26)判斷所述傳感器當前的自我測試值SL與其基準值SF(SF為出廠時的傳感器自我測試值)之間的比值RL/F＝SL/SF是否在預定範圍內，如果是則進入所述步驟(S27)；(S27)以所述自我測試值SL與基準值SF之間的比值SL/SF來計算校正係數C(即C＝A*SL/SF+B，其中A，B為常數)，重新設定靈敏度校正係數，然後回到所述步驟(S21)。
在本發明所述的方法中，所述傳感器自我測試值SL與基準值SF之間的比值RL/F的預定範圍最好為1-2；所述穩壓工作電源反向通電預定的電壓範圍最好為2-5V；反向通電通電時間範圍最好為1-10秒。另外，如果所述步驟(S16)或(S26)的判斷結果為否，即比值超出了預定值，此時最好是停止當前步驟並發出告警信號。
由上述方案可知，本發明解決了傳統燃料電池氣體傳感器會發生電解質洩漏的問題，同時通過保持恆溼的方式提高了傳感器的使用壽命。以這種燃料電池氣體傳感器為核心的氣體檢測器能準確自動地判別傳感器的狀況，不受環境溫度限制和環境中是否有被檢測氣體或其它幹擾氣體存在的限制；並可通過自動或手動觸發方式實現基線漂移和靈敏度的校正，無需標準氣體源。
下面將結合附圖及實施例對本發明作進一步說明，附圖中圖1是本發明一個優選實施例中燃料電池氣體傳感器的結構示意圖；圖2是圖1中所示優先實施例中的電池芯組合體的結構示意圖；
圖3是圖1中所示優先實施例中的儲液杯組合體的結構示意圖；圖4是本發明一個優選實施例中的氣體檢測器的原理框圖；圖5是本發明一個優選實施例中氣體檢測器正常運行時的流程圖；圖6是本發明一個優選實施例中手動觸發對氣體傳感器進行自我測試及基線校正時的流程圖；圖7是本發明一個優選實施例中自動觸發對氣體傳感器進行自我測試及靈敏度校正的流程圖；圖8是本發明一個優選實施例中氣體傳感器的自我測試結果曲線示意圖；具體實施方式
下面結合實施例對本發明的內容進行詳細描述，本領域的技術人員可以理解的是，本發明並不限於下述具體實施例，還可在本發明技術方案的範圍內產生多種不同的具體實施方式
。
圖1是本發明優選實施例中燃料電池氣體傳感器的結構示意圖。在燃料電池氣體傳感器1中，電池芯組合體11(其結構詳見圖2)被置於電池座12的空腔內，其中工作電極114面對電池座12的中心孔，使得從中心孔過來的目標氣體可以直接到達工作電極114上。電池芯組合體11上的對電極115面對儲液杯組合體15(其結構詳見圖3)的儲液杯蓋151上。工作電極114與工作電極導電引線116的緊密接觸，以及對電極115與對電極導電引線117的緊密接觸，都是通過電池套10與電池蓋13的機械倒鎖或類似結構來實現的。
從圖1中可以看出，在電池蓋13和電池座12之間安裝有一氣體滲透膜14。該氣體滲透膜14可以讓目標氣體和氧氣通過，但不會讓液體或外部的粉塵、顆粒通過，同時可對水蒸氣的交流起到阻礙作用。氣體滲透膜14的選擇既要考慮目標氣體的滲透速度，以保證傳感器的檢測靈敏度，同時也要考慮水分子的滲透能力不能太大，以保證傳感器內部溼度的恆定；氣體滲透膜材料最好使用PTFE(聚四氟乙烯)、PVDF(聚偏氟乙稀)、PP(聚丙烯)或PE(聚乙烯)。本實施例中，氣體滲透膜的厚度為0.006mm至0.050mm。從圖1中可以看出，電池蓋13和電池座12以及電池套10與電池座12之間的密封分別由密封圈20和密封圈21來實現，也可以通過超聲波焊接來實現。
從圖1和圖2中可以看出，目標氣體透過氣體滲透膜14後，穿過電池座12的中心孔，最後到達電池芯組合體11，在工作電極114上發生電化學反應並產生電信號，該電信號通過工作電極導電引線116和工作電極導體插針16傳到外部的檢測電路板上(未在圖中畫出)，並通過對電極導電引線117和對電極導體插針17形成迴路。其中的工作電極114和對電極115是氣體擴散電極，可由電催化劑塗覆於導電碳紙燒結而成。在電催化劑中，除含有貴金屬或貴金屬合金電催化劑以外，還含有碳黑導電載體和憎水劑。電催化劑最好是鉑或鉑合金貴金屬納米粉末，憎水劑最好使用PTFE顆粒。工作電極導電引線116和對電極導電引線117最好使用鉑絲或金絲。
如圖2所示，為了避免電解質的洩漏，本實施例中使用半固體狀凝膠電解質118來代替傳統的液體電解質，它置於電池芯111的中心孔內，電池芯的材料使用耐腐蝕的塑料如PP、PE，PTFE或ABS，中心孔的上下兩面由氣體擴散電極覆蓋(即工作電極114和對電極115)，側面有凝膠電解質膨脹孔113以適應傳感器內溫度的變化。在中心孔的邊上還開有一壓力平衡孔112，其直徑小於1mm，該平衡孔可起到兩個作用，一是平衡電池芯兩面，即工作電極114和對電極115的壓力；二是給對電極提供電化學反應所必需的氧氣。本實施例中，凝膠電解質118由液體電解質和固體多孔SiO2材料均勻混合而成，其中SiO2的重量為4％～40％，液體電解質最好是濃度為30％～98％的硫酸或磷酸。凝膠電解質118的工作溼度可通過調節硫酸或磷酸的濃度來得到，如表1所示。
表125℃時硫酸的平衡相對溼度(RH％)(Ref.ASTM E104-1991Maintaining Constant Relative Humidity by means of Aqueous Solution)
由於採取了上述結構，本實施例的氣體傳感器在正常使用時不會發生電解質洩漏的問題。
如圖3所示，為了提高傳感器的穩定性和使用壽命，本實施例中提供了一種保持恆溼的裝置，即儲液杯組合體15。其中，恆溼劑155置於電池套10的底部，並由一種多孔透氣膜154把恆溼劑與外部隔離開來，該多孔透氣膜在常壓下可以讓水蒸氣透過，但不能讓液體和固體透過。該多孔透氣膜的材料最好使用PTFE或PVDF，其孔徑最好小於0.001mm。恆溼劑155由飽和金屬鹽溶液和該金屬鹽的固體按一定比例配製而成。也就是說，在恆溼劑中既含有金屬鹽溶液，也含有未溶解的金屬鹽。可使用的金屬鹽包括但不局限於表2所列的金屬鹽。
表225℃時，飽和金屬鹽水溶液的平衡相對溼度(RH％)(Ref.ASTM E104-1991Maintaining Constant Relative Humidity by means of Aqueous Solution)
實際使用中，恆溼劑155的選擇要根據所用凝膠電解質118而定。恆溼劑155由多孔透氣膜154和儲液杯蓋151通過合適的機械結構設計來實現密封。儲液杯蓋151上開有一儲液杯中心孔152直接面對對電極115，以保證電池芯組合體的工作溼度。儲液杯中心孔152的側壁上設一個橫向透氣孔153，它與電池座12的內腔相通，用於保證整個傳感器內部的工作溼度。當由於外部環境溼度變化而引起傳感器內部的溼度變化時，該恆溼劑能有效地吸收多餘的水份或釋放不足的水份，從而能自動調節傳感器內部的溼度，保證了傳感器運行的穩定性和使用壽命。
圖4是本發明一個優選實施例中採用前述氣體傳感器製成的一氧化碳氣體檢測器的原理框圖。在正常檢測狀態下，氣體傳感器41產生的電信號經信號採集放大電路42處理，然後經過模/數(A/D)轉換器43轉換為數位訊號，最後到達微處理器40。同時，溫度傳感器44的溫度信號也輸入到微處理器。溫度傳感器44可以是熱電偶、熱敏電阻等常用的熱敏元件，到達微處理器時要經過A/D轉換(未在圖4中畫出)，也可以是數位化的集成溫度傳感器。本實施例中使用的微處理器是MSP430(Texas Instrument)，其內部集成了一個溫度傳感器。根據上述氣體傳感器和溫度傳感器的檢測信號，微處理器40可按事先設定的數學模型換算成氣體濃度信號，並將其與存儲於微處理器內的告警設定值進行比較，如果氣體濃度信號超過了告警設定值並超過了設定的延時，則微處理器40會輸出告警信號，從而使蜂鳴器49發出告警聲音、LED燈50發出告警光、並由液晶顯示器51顯示相應告警信息。
在實際使用中，由於受到各種外部因素的影響，如所用元器件的老化，電接觸劣化等，氣體傳感器的檢測性能會受到影響，從而會影響氣體檢測器的精度。影響精度的因素主要有二個方面，一是檢測器的基線，即檢測器在沒有目標氣體分子時給出的信號；另一個是靈敏度，即單位氣體濃度下檢測器給出的信號。當然，這兩個因素的變化可能是一個緩慢的過程。
對於檢測器的基線濃度，可用手動觸發進行自我校正，最好每1-6個月一次，具體操作時，需把檢測器置於通風位置，以確保沒有目標氣體，然後按下檢測器的手動觸發自我測試和自我校正按鍵48，微處理器接通電子開關45向氣體傳感器反向通電一定時間，再通過微處理器把檢測器的基線濃度調零。
對於檢測器的靈敏度，可直接利用傳感器自我測試的係數而無需標準氣體源。當達到預定的自動靈敏度校正周期時(實時時鐘47)，則啟動自我測試和自我校正流程。微處理器接通電子開關45向氣體傳感器反向通電一定時間。其具體步驟將在後面進行描述。
如圖5所示是檢測器正常運行時的流程圖，其中步驟501，上電啟動檢測器。
步驟502，檢測器進入正常採樣周期，啟動定時器開始倒計數t1，t1最好在5秒到5分鐘之間。
步驟503，判斷定時器是否倒計數到0，是則進入步驟504，否則繼續等待。
步驟504，檢測器從氣體傳感器和溫度傳感器採集信號U和T，信號經轉換後，到達微處理器。並由微處理器對採集信號U進行補償，即U＝U*C，其中C為傳感器信號校正係數，出廠時設定為1。
步驟505，檢測器根據上述採集信號U和T，計算出相應的氣體濃度PPM，然後再計算出實際氣體濃度PPMcal＝PPM-Offset，其中Offset為基線濃度，出廠時設定為零，PPM是根據傳感器信號及預定的計算模式得出的氣體濃度，其中包含了傳感器可能有的基線漂移。
步驟506，判斷實際氣體濃度是否大於氣體濃度告警設定值，如果是則進入步驟507，否則回到步驟502。
步驟507，此時，實際氣體濃度大於告警預定值，表明被檢測氣體的濃度超出了告警標準，因此會發出相應的濃度超標告警信號。並一直延續到濃度回復到低於告警值或按下了重置鍵(臨時取消告警，如果告警條件依然存在，一定時間後告警信號將恢復)。
如圖6所示是對氣體傳感器手動觸發進行自我測試和基線濃度校正時的流程圖，其中步驟601，判斷是否收到手動觸發測試和校正指令，是則進入步驟602，否則重複本步驟。具體操作時，需把檢測器置於通風位置，以確保沒有目標氣體，然後按下檢測器的手動觸發測試和校正按鍵。
步驟602，採集氣體傳感器和溫度傳感器信號Uinit和T，並按設定數學模型計算PPM(cal)。
步驟603，啟動電子開關和定時器，給傳感器兩極反向接通3V直流穩壓電源3秒鐘。
步驟604，重新從氣體傳感器兩極採集集號Uend。
步驟605，微處理器根據前述Uinit、Uend、T，計算出傳感器的測試值SL，並判斷RL/F＝SL/SF是否在正常範圍內，RL/F正常範圍值一般在1至2之間，是則進入步驟606，否則進入步驟607。其中SL＝(Uend-Uinit)*f(T)SF為傳感器出廠時的傳感器自我測試值，即首次SL值。
其中SL為最近一次傳感器自我測試值；Uinit為通反向直流電源前的傳感器電信號(電壓)；Uend為通反向直流電源後傳感器的電信號(電壓)；f(T)為溫度補償係數，它是一個經驗公式，可通過具體的實驗來決定，例如可以是線性函數[Eq.1f(T)＝a·T+b]，或者是指數函數[Eq.2:f(T)=f(T)=a.ebT]]]>(a，b為常數)，在一定的溫度範圍內都能滿足要求。
步驟606，如果SL/SF是在正常範圍，則重新設定基線Offset，以當前基線濃度減去在所述步驟602所得的PPM(cal)的差值作為新的基線濃度，即Offset＝Offset-PPM(cal)，然後回到步驟601。
步驟607，如果SL/SF不是在正常範圍內，則停止正常檢測並輸出相應的告警信息，例如更換傳感器。
如圖7所示是對氣體傳感器自動定時觸發進行自我測試和靈敏度校正的流程圖，其中步驟701，判斷是否達到預定的自動定時觸發自我測試和靈敏度校正周期，是則進入步驟702，否則重複本步驟。具體實施時，需在檢測器的程序中設定一個自動校正周期，例如每工作360小時校正一次。
步驟702，採集氣體傳感器和溫度傳感器信號Uinit和T。
步驟703，啟動電子開關和定時器，給傳感器兩極反向接通3V直流穩壓電源3秒鐘。
步驟704，重新從氣體傳感器兩極採集集號Uend。
步驟705，微處理器根據前述Uinit、Uend、T，計算出傳感器的測試值SL，並判斷RL/F＝SL/SF是否在正常範圍內，RL/F正常範圍值一般在1至2之間，是則進入步驟706，否則進入步驟707。其中SL＝(Uend-Uinit)*f(T)SF為傳感器出廠時的傳感器自我測試值，即首次SL值。
其中SL為最近一次傳感器自我測試值；Uinit為通反向直流電源前的傳感器電信號(電壓)；Uend為通反向直流電源後傳感器的電信號(電壓)；f(T)為溫度補償係數，它由一個經驗公式來計算，可通過具體的實驗來決定，例如可以是線性函數f(T)＝a·T+b，或者是指數函數f(T)=f(T)=a.ebT]]>(a，b為常數)，在一定的溫度範圍內都能滿足要求。
步驟706，如果SL/SF是在正常範圍，則重新設定傳感器靈敏度校正係數C，然後回到步驟701；其中C＝(A*SL/SF+B)，A，B為常數，可通過實驗獲得。
步驟707，如果SL/SF不是在正常範圍內，則停止正常檢測並輸出相應的告警信息，例如更換傳感器。
上述自動校正步驟有以下優點1)自動校正時，無論環境中有否目標氣體(如一氧化碳)，都不影響測試的準確性，因為測試值是一個相對值；2)自動校正時不受溫度的限制，結果有可比性；3)通電時間相對較長，大於1秒，因此容易準確地控制，測量的精確度提高；4).校正時無需標準氣體源或其它輔助設備和材料。
為了便於理解，前面是將圖5、圖6、圖7所示的流程作為三個獨立運行的程序來描述的，具體實施時，可以是三個平行的流程，也可以在一個主流程中依次執行各個步驟。
圖8是一個典型的傳感器自我測試曲線。在啟動傳感器自測60時，傳感器的電信號為Uinit；反向通電3秒鐘後(3V直流電)，即在曲線位置61，傳感器的電信號變為Uend；停止反向通電後，傳感器逐漸回恢原狀，到3分鐘時，即曲線位置62，基本上恢復到正常。
權利要求
1.一種燃料電池氣體傳感器，包括電池套、電池芯、電池座，電池蓋，電解質、工作電極以及對電極；其特徵在於，在所述電池套中，由內到外依次裝有電池芯、電池座和電池蓋；所述電解質裝於所述電池芯的中心孔內，所述工作電極和對電極位於所述電池芯中心孔的兩端，並與所述電解質良好接觸；所述電池芯裝於所述電池座的中心孔下部，所述工作電極面對所述電池座的中心孔；在所述電池蓋與電池座之間裝有可讓氧氣和被檢測氣體通過、但可阻止液體和粉塵顆粒通過的氣體滲透膜，所述電池蓋外部的氣體可經所述電池蓋、氣體滲透膜、以及電池座中心孔而到達所述工作電極，在此處發生電化學反應而輸出相應的電信號。
2.根據權利要求1所述的燃料電池氣體傳感器，其特徵在於，所述電解質是由液體電解質和固體多孔SiO2材料均勻混合而成的凝膠電解質；其中，SiO2的重量為4％～40％，所述液體電解質是濃度為30％～98％的硫酸或磷酸。
3.根據權利要求1所述的燃料電池氣體傳感器，其特徵在於，在所述電池芯中心孔的側壁還設有與之相通的凝膠電解質膨脹孔。
4.根據權利要求1所述的燃料電池氣體傳感器，其特徵在於，在所述電池芯中還設有與所述電池芯中心孔平行、並與所述工作電極及對電極相通的壓力平衡孔。
5.根據權利要求1所述的燃料電池氣體傳感器，其特徵在於，在所述電池套內還設有一個儲液杯，所述儲液杯位於所述電池芯下部；在所述儲液杯中裝有恆溼劑，在所述儲液杯的上部裝有儲液杯蓋，在所述儲液杯蓋中心孔處裝有多孔透氣膜；所述電池芯與所述儲液杯內的恆溼劑之間的水蒸汽可通過所述儲液杯蓋中心孔、多孔透氣膜而連通。
6.根據權利要求5所述的燃料電池氣體傳感器，其特徵在於，在所述儲液杯中心孔的側壁上還設一個與所述電池座的內腔相通的橫向透氣孔。
7.根據權利要求1所述的燃料電池氣體傳感器，其特徵在於，在所述電池套內還設有一個用多孔透氣膜做成的儲液袋，在所述儲液袋中裝有恆溼劑，所述電池芯與所述儲液袋內的恆溼劑之間的水蒸汽可通過所述多孔透氣膜而連通。
8.根據權利要求5-7中任一項所述的燃料電池氣體傳感器，其特徵在於，所述恆溼劑由飽和金屬鹽溶液及金屬鹽固體按適當比例混合而成，所述金屬鹽為氯化鋰、醋酸鉀、氯化鎂、碳酸鉀、硝酸鎂、以及氯化鈉中的一種或多種。
9.一種氣體檢測器，包括穩壓工作電源和微處理器，還包括與所述微處理器連接的溫度傳感器、氣體傳感器、以及告警裝置；其特徵在於，所述氣體傳感器為權利要求1-8中任一項所述的燃料電池氣體傳感器；所述氣體傳感器的傳感信號經信號採集放大電路及模/數轉換電路而輸入到所述微處理器。
10.根據權利要求9所述的氣體檢測器，其特徵在於，還包括與所述微處理器連接的電子開關，所述穩壓工作電源的正極通過所述電子開關與氣體傳感器的對電極連接，所述穩壓工作電源負極通過所述電子開關與氣體傳感器的工作電極連接。
11.根據權利要求9所述的氣體檢測器，其特徵在於，還包括與所述微處理器連接的按鈕，通過長按或短按所述按鈕可實現自我測試和自我校正或臨時解除氣體濃度告警功能。
12.一種對權利要求10所述的氣體檢測器進行自我測試和自我校正的方法，其特徵在於，在沒有被檢測氣體的條件下，按以下步驟進行基線濃度的強制校正(S11)判斷是否收到由手動測試及校正觸發按鈕所輸入的信號，如果是則進入步驟(S12)，否則重複本步驟；(S12)採集當前的氣體傳感器和溫度傳感器的檢測信號Uinit和T，並根據所採集的信號，計算出當前的濃度PPM(cal)；(S13)接通電子開關，按預定的電壓和通電時間，向所述氣體傳感器的兩極通反向所述的穩壓工作電源；(S14)採集通電結束後氣體傳感器的檢測信號Uend，然後結束通電；(S15)根據所述步驟(S12)、(S14)中所得的檢測信號，計算出氣體傳感器的自我測試值SL＝(Uend-Uinit)*f(T)，其中f(T)為溫度補償係數；(S16)判斷所述傳感器當前的自我測試值SL與其基準值SF(SF為出廠時的傳感器自我測試值)之間的比值RL/F＝SL/SF是否在預定範圍內，如果是則進入所述步驟(S17)；(S17)重新設定所述檢測器的基線濃度，以當前基線濃度減去在所述步驟(S12)所得的PPM(cal)的差值作為新的基線濃度，然後回到所述步驟(S11)。
13.一種對權利要求10所述的氣體檢測器進行自我測試和自我校正的方法，其特徵在於，按以下步驟對檢測器的靈敏度進行自動校正(S21)判斷是否達到預定的自動靈敏度校正周期，如果是則進入步驟(S22)，否則重複本步驟；(S22)採集當前的氣體傳感器和溫度傳感器的檢測信號Uinit和T；(S23)接通電子開關，按預定的電壓和通電時間，向所述氣體傳感器的兩極通反向所述的穩壓工作電源；(S24)採集通電結束後氣體傳感器的檢測信號Uend，然後結束通電；(S25)根據所述步驟(S22)、(S24)中所得的檢測信號，計算出傳感器的自我測試值SL＝(Uend-Uinit)*f(T)，其中f(T)為溫度補償係數；(S26)判斷所述傳感器當前的自我測試值SL與其基準值SF(SF為出廠時的傳感器自我測試值)之間的比值RL/F＝SL/SF是否在預定範圍內，如果是則進入所述步驟(S27)；(S27)以所述自我測試值SL與基準值SF之間的比值SL/SF來計算校正係數C(即C＝A*SL/SF+B，其中A，B為常數)，重新設定靈敏度校正係數，然後回到所述步驟(S21)。
14.根據權利要求12或13所述的方法，其特徵在於，所述傳感器自我測試值SL與基準值SF之間的比值RL/F的預定範圍為1-2；所述穩壓工作電源反向通電預定的電壓範圍為2-5V；反向通電通電時間範圍為1-10秒。
15.根據權利要求12或13所述的方法，其特徵在於，如果所述步驟(S16)或(S26)的判斷結果為否，即比值超出了預定值，則停止當前步驟並發出告警信號。
全文摘要
本發明涉及燃料電池氣體傳感器、由其製成的氣體檢測器，以及對這種傳感器進行自我測試和自我校正的方法。為解決傳統燃料電池氣體傳感器會發生電解質洩漏、壽命易受環境溫度和溼度影響的問題，本發明中對傳感器的結構進行了改進，設計了電池芯膨脹孔和透氣孔。並使用凝膠電解質代替傳統液體電解質，還增設了恆溼裝置以保持傳感器內部溼度長期保持恆定。本發明還利用這種氣體傳感器，製成了一種具有自我測試和自我校正功能的氣體檢測器，能準確自動地判別傳感器的狀況，而不受環境中氣體和溫度的影響；並可通過手動觸發或自動觸發方式自動給傳感器通以預定大小和時間的反向直流電源以校正檢測器的基線濃度和傳感器的靈敏度，無需校準氣體源。
文檔編號G06F19/00GK1865969SQ200510034720
公開日2006年11月22日 申請日期2005年5月18日 優先權日2005年5月18日
發明者秦仁炎 申請人:深圳奧特迅電氣設備有限公司