CN1620605A - 气体传感器的监测 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于监测空气中是否存在目标气体的监测器，该监测器包括：1.一个电化学气体传感器(11)，具有一工作(传感)电极(11a)和一反电极(11b)，该监测器在电极间提供表示空气中目标气体量的电流；2.一运算放大器(12)，连接于传感器电极间，用于根据在端子间流动的电流产生一个输出信号，输出信号以此表示空气中的目标气体量；3.一个检测器(20、22)，用于检测何时传感器电极之间流动的电流超过预先设定的阈值；以及4.一电路(24)，当端子间的电流超过预先设定的阈值时，通过提供额外电流至工作传感器电极(11a)或者从其上消除电流，限制传感器电极之间的电位差。

Description

气体传感器的监测

技术领域

本发明涉及对用于检测和测量周围空气中气体或蒸汽量的传感器的监测。虽然本说明书将这种传感器称为“气体传感器”，但在整个说明书中这个术语还被应用于蒸汽的测量。本发明特别的与电化学气体传感器的监测相关，例如，用于测量诸如一氧化碳的有毒气体。

背景技术

气体传感器的一种应用是用于监测居所中，特别是在临时性居所中一氧化碳的水平。居所中一氧化碳含量的检测采用了多种国家和国际的标准，其中包括达到百万分之(ppm)600的一氧化碳的合理精确度的测量要求。

在高浓度气体中暴露过之后，当空气中不再存在有毒气体时，读数往往不能恢复到零。相反的，当气体为零时，传感器的读数为负，并且只有在很长的恢复时间之后才能进行精确的操作，这个恢复时间往往是几天。减少这个恢复时间是非常必要的。另外，还要制定标准来管理恢复时间。例如，CENELEC EN 50192要求，当暴露在浓度为5000ppm的一氧化碳中时，国内一氧化碳传感器应在一个小时内响应一氧化碳的水平至50ppm。

商业压力要求这种一氧化碳传感器相对廉价；电化学传感器包括带有昂贵催化剂的电极，这些电极常常是由铂族(第VIII族金属)金属制成。一种减少这种传感器成本的方法是限制这种催化剂的应用。如果只用相对少量的这种催化剂，那么传感器从暴露在高浓度气体中的恢复速度就会变慢。

应用于一氧化碳传感设备(在这里被称为“监测器”)的标准还要求在传感器出错时产生一个报警信号，例如当传感器没有与监测器中的电子电路恰当连接或者如果传感器已经干枯(也就是说，失去足够量的电解液)或者如果在传感器和端子之间发生短路。

大家都知道可以用对电化学气体传感器施加一个通过它的电脉冲的方法来检验它的寿命；US5,202,637公开了一个三电极传感器，可以用在参考电极和传感电极(也被看作是工作电极)之间施加一个电压脉冲的方法来监测该传感器。尽管在所述电极间并没有显著的电流流动，但该脉冲对在传感电极的双离子层进行充电，并且这在外部电路中引起了电流，该电流能被检测以表示该传感器是有效的。显然，如果传感器已经干枯或者如果在传感器和电路之间没有完好连接，那么将不会有电流的流动，并可以产生一个“错误”信号。

遗憾的是，由于该脉冲可能被来自气体的信号所干扰，因此，并不总是能在正在被监测的空气中具有高浓度气体时检测到该脉冲。

在EP-0840112中，传感器与一个运算放大器的反相输入端相连，而在该运算放大器的同相输入端施加一个周期性电压脉冲。在正常工作中，该运算放大器用作阻抗转换放大器，它的增益由V_out/I_input来定义，并且由该运算放大器的负输入和输出之间的反馈电阻的值来给定。如果传感器发生短路，该运算放大器将会变为高增益电压放大器，其输出是开环增益和该运算放大器输入端的输入偏置电压的乘积。在国内空气监测器型号采用的低成本运算放大器中，这些参数可能不会得到很好的控制，结果输出可能是任意值，该任意值包括一个显然有效的气体的读数或者一个超量程情况。因此，当将一个脉冲施加给同相输入端时，该放大器并不能确定该传感器是否被暴露在一个超量程的高气体浓度中或是该传感器是否已经短路。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于监测空气中是否存在目标气体的监测器，该监测器包括：

a)两个分别用于连接至电化学气体传感器的工作(传感)电极和反电极的端子，该监测器在所述端子间提供表示空气中目标气体量的电流；

b)一运算放大器，连接于所述传感器电极端子之间，用于根据在所述端子间流动的电流产生一输出信号，由此，该输出信号表示空气中的目标气体量；

c)一检测器，用于检测何时所述传感器端子之间流动的电流超过预先设定的阈值；以及

d)一电路，当所述端子间的电流超过预先设定的阈值时，通过提供额外电流至所述工作传感器端子或者从其上消除额外电流，来限制传感器端子之间的电位差。

所述检测器可以直接或间接检测何时传感器端子间的电流超过预先设定的阈值，例如，通过监测运算放大器的输出信号并在放大器输出信号超过阈值(例如，当放大器的输出信号饱和时)时产生一信号。

当所述端子间的电流超过预先设定的阈值时调节在工作传感器端子处的电流的所述电路可以是有源元件，例如在所述传感器端子间的晶体管，在所述检测器检测到超限电流时，该电路减小晶体管的电阻，由此允许电流在所述传感器端子间流动。或者，电流可以包括一个电流源(如果工作电极是阳极)或者一个电流消耗(drain)(如果工作电极是阴极)和一个有源元件，例如晶体管，如FET，该有源元件将电流源连接到工作电极，由此减小传感器端子间的电位差。

本发明还提供了一种用前面所述的监测器来监测空气中是否存在目标气体的方法。

附图说明

下面将用举例的方式，参考附图对本发明进行说明，图中：

图1是示出现有技术电路的示意性电路图；

图2是示出气体监测器被暴露在高浓度一氧化碳中时的输出随时间变化的曲线图；

图3是示出本发明的操作的示意性电路图；

图4是示出本发明电路的另外的示意性电路图；以及

图5是图4中电路的详细电路图。

实现本发明的最佳方式

先参见图1，图中示出了一个已知气体监测器电路，具有一个双电极气体传感器10，该传感器的结构公知的(参见EP-0,840,112)。该传感器主要包括被电解液中间体分开的传感电极11a和反电极11b。传感电极11a被暴露在被监测的空气中，于是，空气中的任何有毒气体(在这里是一氧化碳)与传感电极11a进行接触。传感电极11a是阳极并将一氧化碳氧化为二氧化碳。该氧化使得在工作电极11a和反电极11b之间产生流过传感器的电流。电阻16被连接在传感电极11a和运算放大器12的反相输入端之间。该运算放大器的同相输入端与地14相连。该运算放大器具有包括电阻17的负反馈。该运算放大器12的跨导倒数增益大约是125,000倍。

在传感电极11a处存在的一氧化碳使得传感电极产生一个与存在的气体量成比例的电流。电极间的电位差不断上浮，直到达到足够产生相关的电流水平。在传感电极产生的电流在电阻16两端产生电位差，使得放大器12的反相输入端的电位发生变化。运算放大器12在其输出端产生一个输出信号，该输出信号与该运算放大器输入端间的电压成比例，因而，该输出信号与传感器10中的电流成比例，于是便监测到了空气中气体的含量。输出信号可以被输入到显示和报警装置(均未示出)，以便显示空气中一氧化碳的浓度和当浓度超过预定阈值时产生一个警报。或者，在不同的时间段计算出综合浓度，以便根据人体吸收的气体的具体浓度的标准产生警报。

通过提供一个负反馈，该放大器试图维持其输入端间的固定偏置电压(通常为零)。反馈电流的大小与输出电流的大小成比例。在这些情况下，传感和参考电极间的电位差在一个相对窄的范围内波动。

图2所示是当传感器暴露在正在被监测的具有足够水平的一氧化碳的空气中时，在放大器输出15的信号相对于时间的曲线图。在时刻t₁之前，信号上升的很快，在t₁处，信号在到达稳定状态P时饱和。在时刻t₂，一氧化碳被从传感器周围的空气中清除，电流下降。然而，它并不是下降到零信号，而是越过零点。如果运算放大器由一个分离供电轨干线(rail)供电，输出将会在其恢复之前有一段时间为负。然而，这些电路通常由单电源供电，因此，甚至在具有一定量的一氧化碳的情况下，输出将为零。“负”信号的形成可能是由于当电极间具有高电位时传感器中的化学变化。

当与不含有一氧化碳的空气接触时，信号要花费相当长的时间返回零值。CENELEC要求传感器单元在暴露于5000ppm的一氧化碳后，在一个小时内恢复。当传感和反电极包括相对少的催化剂时，很难达到这个标准，而为了减少成本，相对少的催化剂在经济上是很需要的。

我们已经发现，如果在通过大电流时传感器10的负载变小，特别是当运算放大器饱和时，传感器将恢复得更快。我们用“负载”表示在暴露在正在被监测的空气中的更多目标气体中时，对传感器单元提高其电极间的电压，以便通过更大的电流的需求。如果工作电极是阳极，可以用在工作电极中注入额外电流来实现这种负载的减少，工作电极和来自放大器反馈电路中的电流一起提供传感器单元所需要的用于氧化其所接触到的所有目标气体的电流。如果工作电极是阴极，则如果放大器反馈电路不能将所有由工作阴极产生的电流排出，那么将采取措施从工作电极中排出额外的电流。

在本说明书中，术语“电流”被使用在传统的电的意义中，也就是，电流与电子流动的方向相反。

可以用多种方法来实现负载的变化。图3示出了一种用于改变负载的方法；图3中与图1中所示出的相同的元件用相同的标号来表示。

在图3中，场效应晶体管(FET)18被包括在传感器10的工作和反电极间。它通常在漏极和源极之间具有非常高的电阻，这样就没有或者有很少的电流流经该场效应晶体管，电路以与结合图1所描述的一样的方式工作。放大器输出15通过一个模数转换器20与微处理器22相连接，微处理器22对输出15输出信号进行监测。如果输出信号饱和，也就是达到一个阈值电平，那么由反馈电阻提供的电流就会受限；在这些情况下，微处理器22产生一个发送到数模转换器24的信号，该信号减少FET 18的电阻。这就允许电流从反电极11b流向工作电极11a，该电流与由反馈电阻17提供的电流一起，提供工作电极用于氧化所有扩散至与工作电极接触的一氧化碳分子的所需全部电流。额外电流的增加阻止了传感器10中电极间电压的显著增加，以便流过与工作电极11a接触的CO浓度所需要的电流。

微处理器22继续减少FET 18的电阻，直到放大器的输出信号不再饱和。一旦达到该状态，微处理器22将周期性的增加FET 18的电阻，直到输出再一次饱和，随即，它再次迅速将电阻减小，以便得到一个恰好低于饱和电平的输出信号。如果空气中CO的浓度减小，则该微处理器将自动用上述工作方式将电路返回其常规工作状态，在该状态，FET 18为高阻状态。

当FET 18的电阻处于减小状态时，放大器12的输出信号将不会给出对空气中气体量的测量。与传感器10跨接的电阻18的减小是可以测量的，并且被用于指示正在被监测的空气中的气体量，如下面所述。微处理器22将控制FET 18的电阻至一范围，以便将输出信号15减小到一个恰好低于饱和状态的预先设定的电平。FET 18的电阻的减小可以与空气中的气体量相关。于是，电阻的减小表示空气中的气体量超过了用于将信号维持在饱和电平所需要的气体量。尽管这通常不是特别精确的测量，但是，它很有用。电阻的减小可以用，例如微处理器22计算。

在传感器两端施加一个电压脉冲以监测传感器的可用性的电路(未示出)是已知的。如果该传感器可用，则可以检测出在输出电路中产生了一个脉冲。然而如果放大器输出已经饱和，将很难检测出该输出脉冲。根据本发明，通过将放大器的输出减小到饱和状态以下，由于在高气体浓度情况下，输出信号将不会再饱和，并且因此可以检测到由施加在传感器电极间的电压脉冲导致的输出信号中的脉冲，于是仍然可以对传感器进行监测。

最后，在暴露在高气体浓度中之后，输出信号要经过较短的时间进行恢复。通常，如果传感器被暴露在5000ppm中15分钟之后再暴露在干净空气中60分钟，之后在50ppm的气体中传感器的输出将会被减小到其正常读数的40％到50％。利用本发明的技术，在相同过程之后，传感器对50ppm的输出响应通常是正常读数的85％到95％。

可以设定微处理器22，使其响应一个更低的信号，也就是当信号在一个低于饱和的阈值时，而不是响应饱和的放大器输出信号。

图4(已经描述的元件在这里还用相同的标号表示)中所示是一种替代电路。图4中的电路与图3中电路的不同在于图4中没有FET 18，而是将数模转换器24通过一个电源干线26连接到监测器的电源，例如电池(图中未示出)。而且，图3中的电阻被分为两个分离的电阻16a和16b。

在图4电路中，如果微处理器22检测到放大器的输出已经饱和，则数-模转换器24在位于电阻16a和16b之间的点19从电源干线26将电流注入传感器电路。注入的电流I_s与通过反馈电阻17提供的电流I_m共同提供了工作电极11a需要的用于氧化所有扩散至与工作电极接触的一氧化碳分子的全部电流I_c。一旦放大器输出15饱和，则微处理器22将从干线26注入的电流量增大，直到放大器的输出信号不再饱和。一旦实现，微处理器22将周期性地减少注入的电流，直到输出再次饱和，随即，微处理器22再次增加电流，以便得到低于饱和电平的放大器输出信号。如果空气中CO的浓度减少，则微处理器22将用上述操作方式自动返回到它通常的工作状态(没有电流注入)。

图4中的电路与上述根据图3描述的电路具有相同的优点。

下面结合图5描述一个根据图4中的示意性电路的工作电路。在图4和图5中都出现的元件用相同的标号表示。

微处理器22包括一个与晶体管Q1的基极连接的方波发生器22’(PWM输出)，晶体管Q1还与监测器的供电干线26相连。电阻R1和电容C3形成一个低频滤波器，用于滤除方波的频率，于是施加在晶体管基极上的电压是所施加方波的峰值和谷值(trough)的加权平均值，也就是，如果峰值和谷值的持续时间相等，那么施加到该栅极的电压将是峰值电压的一半，如果峰值的持续时间大大长于谷值的持续时间，则施加到基极的电压将比供电电压小一点。晶体管Q1作为一个射极跟随器工作，因此，发射极电压比施加到Q1的栅极的电压低0.7伏。用这种方法，晶体管Q1施加给二极管D3的电压可以通过改变来自方波发生器22’的峰值和谷值持续时间的比率来设置。晶体管Q1的发射极通过二极管D3和电阻R3与点33相连，于是晶体管Q1施加到点33的电流可以通过调节来自方波发生器22’的方波的峰值和谷值的比率来控制。

电路中的部分32是一个充电泵，用于在电路上的点31提供一个-3伏的恒定电压。包括晶体管Q2和Q3的部分34是一个恒流源，用于以点31的电压，即-3V提供一个-33μA的电流至点33，而不用考虑方波发生器22’的峰值和谷值。在短时期内，通过控制方波发生器产生无峰值信号，则晶体管Q1没有对点33施加电流，也没有电流流经点33，于是点19的电流将是-33μA。通过控制方波发生器提供一恰当的峰值比例，晶体管Q1能在点33提供一个+60μA的电流，这将使得在点19有+30μA的电流。这样就可以在点19得到+30μA和-30μA的连续正负脉冲。如果方波包括一个恰当的峰值比例，则晶体管Q1可以在点33提供一个+30μA的电流，这就抵消了来自部分32和34的电流，因而就没有电流流向点19。如果在波形发生器22’控制之下，晶体管Q1提供了一个电流，如+330μA，则将有+300μA的电流被施加给点19。这样，施加给点19的电流是可以被控制的，而且电路将如已经根据图4所描述的那样工作。

图5中的电路可被用于为传感器提供周期性脉冲，以检测其是否可用。这可以用在微处理器22控制之下由晶体管Q1来实现，并不用充电泵和恒流源32、34向点33实质上提供引起施加到点19的-30μA的脉冲的电流。在大约600毫秒之后，晶体管Q1将施加一个+60μA的电流给点33，引起一个施加到点19的+30μA的脉冲。再经过600毫秒，晶体管Q1的输出返回到上面所描述的正常状态。可以周期性的施加双脉冲，例如每分钟，以便确保传感器工作正常。可以通过由对工作电极充电或放电的电流脉冲引起的脉冲期间的信号变化检测传感器的正常机能。如果工作电极不能正常起作用或者传感器完全没有恰当连接或者如果在传感器两端发生了短路，则在所述脉冲期间信号将不会完全改变到此程度，这样就表示监测器的机能发生错误。

在CO传感器10的情况下，正常状态是方波发生器处于睡眠状态，也就是不产生任何方波。这就将除去至晶体管Q1和充电泵32的电源，于是将没有电流施加给点19。然而，如果放大器12产生了一个饱和信号，这将被微处理器22检测到，而且方波发生器也将被重新激活，并且在波形发生器22’的控制下，将有适当的电流在点19注入，以使得输出信号低于饱和电平。

正如已经讨论的，在暴露于高气体浓度中，然后消除这些气体，也就是常规电流流出工作阳极电极之后，传感器的输出往往产生一个与正常产生(也就是，当在正被监测的空气中具有目标气体时)的方向相反的电流。通过将-30μA的短脉冲注入到传感器中，以对抗该电流，可以减小传感器单元用于恢复正常工作的时间。这样，如果传感器单元的输出为负，这在单一干线监测器中表示运算放大器的输出为零，这种短电流脉冲将有利于传感器更快地恢复其正常工作状态。

图5中的电路还可以另一种方法检测短路。如上所述，当传感器被短路时，根据运算放大器12的偏置电压，所产生的信号可以是任何值。然而，通常，运算放大器的输出信号将会饱和，迄今为止还不能区别这种情况和当空气中有过多的气体时的情况。然而，如果空气中有过多的气体，如上所述，图5中的电路将会使放大器输出下降到一个使其不再饱和的电平，但是在短路情况下，它将不会这样做，并且在这些情况下可以产生表示发生短路的信号。

在实际应用中，ADC 20、微处理器22(包括方波发生器22’)、和DAC 24都是微处理器芯片的一部分。

Claims (12)

1.一种用于监测空气中是否存在目标气体的监测器，该监测器包括：

a)两个分别用于连接至电化学气体传感器的工作(传感)电极和反电极的端子，该监测器在所述端子间提供表示空气中目标气体量的电流；

b)一运算放大器，连接于所述传感器电极端子之间，用于根据在所述端子间流动的电流产生一输出信号，由此，输出信号表示空气中的目标气体量；

c)一检测器，用于检测何时所述传感器端子之间流动的电流超过预先设定的阈值；以及

d)一电路，当所述端子间的电流超过预先设定的阈值时，通过提供额外电流至所述工作传感器端子或者从其上消除电流，来限制所述传感器电极端子之间的电位差。

2.如权利要求1的监测器，通过监测运算放大器的输出信号，检测器检测何时传感器端子间的电流超过预先设定的阈值，并在放大器输出信号超过阈值时产生一个信号。

3.如权利要求2的监测器，其中检测器检测何时放大器的输出信号饱和。

4.如权利要求1至3其中之一的监测器，其中当所述端子间的电流超过预先设定的阈值时，用于调节在所述工作传感器端子处的电流的电路包括一连接在所述传感器端子间的可变电阻装置，例如FET，在检测器检测到超限电流时，该电路减小晶体管的电阻，由此允许电流在所述传感器端子间流动。

5.如权利要求1至3其中之一的监测器，其中当所述端子间的电流超过预先设定的阈值时，用于调节在所述工作传感器端子电流的电路包括一电流源和一开关(最好是一个有源元件，例如晶体管)，该开关用于连接该电流源至所述工作电极，由此减小所述传感器端子间的电位差。

6.如权利要求1至3其中之一的监测器，其中当所述端子间的电流超过预先设定的阈值时，用于调节在所述工作传感器端子处的电流的电路包括一电流消耗和一开关(最好是一个有源元件，例如晶体管)，用于连接所述电流消耗至所述工作电极，由此减小所述传感器端子间的电位差。

7.如权利要求1至6其中之一的监测器，其中包括一连接到所述端子的电化学气体传感器。

8.一种用具有一工作(传感)电极和一反电极的电化学气体传感器监测空气中是否存在目标气体的方法，该传感器在所述电极间提供表示空气中的目标气体量的电流，该方法包括：

a)检测何时在所述传感器端子间流动的电流超过一预先确定的阈值；以及

b)当所述端子间的电流超过预先设定的阈值时，通过向所述工作传感器端子增加额外电流或从其上消除电流限制所述传感器端子间的电位差。

9.如权利要求8的方法，其中通过在工作和反电极间提供一包括一电阻的旁路电路和减少该旁路电路的电阻，使得电流可以在所述工作和反电极间流动，来实现步骤b)中的向所述工作传感器端子增加额外电流或从其上消除电流。

10.如权利要求8的方法，其中通过注入来自一电流源的电流来完成步骤b)中为所述工作传感器端子提供额外电流。

11.如权利要求8的方法，其中通过一电流消耗来完成步骤b)中将电流从所述工作传感器端子消除。

12.一种用于提高具有一工作(传感)电极和反电极的电化学气体传感器恢复速度的方法，该反电极产生一个负电流(也就是，电流的流动方向与正常工作时占优势的电流的方向相反，正常工作时它检测正在被监测的空气中的气体)，该方法包括：

a)检测何时负电流在该传感器中流动，以及

b)当负电流在该传感器中流动时，在该传感器电极间施加与所述负电流方向相反的电流脉冲。

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