专利名称：气体传感器老化补偿及故障检测的制作方法
技术领域：
在此公开的主题大体涉及气体传感器监控领域。
背景技术：
电化学气体传感器可以包括安培传感器，其包括工作(或感测)电极、反电极和电解质。该传感器也可包括参比电极。电化学气体传感器包括具有电极和电解质的电化学电池(cell)。在操作中，目标气体(即电化学气体传感器被设计检测的气体)与感测电极的表面起反应，通过表面反应产生与气体浓度成比例的电流。所述电流可以被测量以确定目标气体的浓度。使用电化学传感器进行气体检测的主要挑战是传感器老化，如果传感器老化没有适当补偿，则将导致传感器读数的明显误差。可以采用使用标准校准气体的预定程序的传感器校准来保持传感器的准确性。尽管在很多的工业应用中，该方法是标准的，其中由维护人员进行预订程序传感器校准，但在一些情况下，如太空飞行中，由于没有空间用于存贮校准传感器所需的标准气体，该方法是不可行的。进一步地，传感器可能最终失效，导致未检测到不能接受的目标气体浓度；如果目标气体为有毒气体，这尤其会成为问题。
发明内容
根据本发明的一个方面，一种用于气体传感器的老化补偿的方法包括通过阻抗分析仪确定气体传感器的阻抗谱；通过主参数鉴别器(identifier)基于阻抗谱确定主参数集合；通过老化补偿建模器(modeler)使用所述主参数集合构建气体传感器老化补偿模型；对气体传感器的输出应用该老化补偿模型。根据本发明的另一方面，一种用于气体传感器的老化补偿的系统包括，被配置为确定气体传感器阻抗谱的阻抗分析仪；被配置为基于阻抗谱确定主参数集合的主参数鉴别器；被配置为使用所述主参数集合构建气体传感器的老化补偿模型，并对气体传感器的输出应用该老化补偿模型的老化补偿建模器。根据本发明的另一方面，一种计算机程序产品，包括计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质含有计算机代码，所述计算机代码在被计算机执行时实施用于气体传感器的老化补偿和故障检测的方法，其中，该方法包括确定气体传感器的阻抗谱；基于阻抗谱确定主参数集合；使用所述主参数集合构建气体传感器的老化补偿模型；对气体传感器的输出应用该老化补偿模型。还提供了用于气体传感器故障检测的系统、方法和计算机程序产品。根据以下结合附图所进行的说明，本发明的其它方面、特征和技术将变得更为清楚。
现在参考附图，在多个图中，相同的元素编号相同图1图解说明了用于气体传感器老化补偿和故障检测的系统的实施例。图2图解说明了用于气体传感器老化补偿的方法的实施例。图3图解说明了 Randies等效电路的实施例。图4图解说明了用于气体传感器故障检测的方法的实施例。图5图解说明了可以与用于气体传感器老化补偿和故障检测的系统和方法的实施例结合使用的计算机。
具体实施例方式本发明提供了用于气体传感器老化补偿和故障检测的系统和方法的实施例，以下将对示例性实例进行详细讨论。电化学气体传感器的老化补偿模型可以通过使用传感器阻抗谱数据来构建，并且可以从老化补偿模型产生补偿信号，以自动补偿由于老化引起的传感器漂移。也可以自动检测电化学气体传感器的即将发生的(imminent)故障，从而在传感器故障实际发生前发出警告消息。图1图解说明了用于气体传感器老化补偿和故障检测的系统100的实施例。传感器101可以包括任何适当的气体传感器，包括但不限于一氧化碳(CO)或氰化氢(HCN)传感器。传感器101与用于收集来自于传感器101的阻抗数据的恒电位仪102通信。恒电位仪 102将收集到的阻抗数据发送到阻抗分析仪103。故障检测组件108、主参数鉴别器104和老化补偿建模器105接收来自于阻抗分析仪103的数据。基于由老化补偿建模器105所确定的老化补偿模型来产生信号，在加法器106处将该信号加到传感器101的输出从而给出经老化补偿的传感器输出107。图2图解说明了用于传感器老化补偿的方法200的实施例。参考图1来讨论图2。 在块201中，收集传感器阻抗数据，并确定阻抗谱。在块202中，使用阻抗数据来确定传感器的主阻抗参数。在块203中，构建老化补偿模型。在块204中，从老化补偿模型产生传感器的补偿信号，并将其应用于传感器输出。以下将详细讨论上述步骤。在块201中，由恒电位仪102测量传感器101的阻抗谱。阻抗是对电路抗交流电 (AC)流动的能力的量度。可以通过向传感器101施加AC电位并测量通过传感器101的电流来获得传感器101的电化学阻抗。当向传感器101施加频率为f、振幅为的非常小的正弦电位激励信号时，响应可能是伪线性的。电流响应的相移为φ，并具有不同的振幅，I0O 阻抗值为复数值，其表示幅度(Ztl = Ε0/Ι0)和相移(φ)如方程1所示E(t) = E0exp(j2 π ft)
/(0 = /Oexp[y(2^-^)](I)
Z = — = — exp(y^) — Z0 (cos φ + j sin φ) I ^o
通过在一定频率范围内测量传感器101的阻抗来获得传感器101的阻抗谱。这可以通过阻抗分析仪103使用恒电位仪102来执行。在一些实施例中，恒电位仪102可以包括任何可商购的恒电位仪。传感器101包括电化学电池，它是在其操作过程中涉及多种传输反应过程的复杂系统。可能对传感器的性能有贡献的重要元素包括电极双层电容、电极动力学、扩散层和电解质溶液阻抗。下面的物理-化学过程中的相互作用也会影响电池的阻抗谱的特性。一旦在块201中通过阻抗分析仪103确定了传感器101的阻抗谱，在块202中，主参数鉴别器104就可以从阻抗谱得到四个主要的参数来表征传感器101 电解质溶液电阻 (Rs)、双层电容(Cdl)、电荷转移电阻(Ret)和Warburg阻抗(W)。Randies等效电路，其示例如图3中所示，可被主参数鉴别器104用来确定这四个参数。Randles等效电路300包括溶液电阻301、双层电容302、电荷转移电阻303和Warburg阻抗304。然而，所示的Randles 等效电路300仅用于说明目的；任何合适的电路配置都可被用来确定主参数。非线性最小二乘拟合1可以被用于通过将阻抗数据拟合到Randles等效电路模型来确定参数的值。通过最小化Randies电路和测试数据的阻抗谱之间的偏移可以获得一组最优参数。尽管存在可以通过主参数鉴别器104使用Randles等效电路模型确定的四个电池参数，但只有这四个模型参数的子集可能与传感器101的灵敏度强相关。因此，主参数鉴别器104可以确定与传感器灵敏度强相关的主参数。主参数是占传感器101的输出信号变化性的重要部分的参数。首先，传感器灵敏度，S，可以写成四个电池参数的通用函数，如方程2所示S = f(Rs, Rct, Cdl, W) (2)S对四个参数中的任何一个的依赖是强还是弱，可以通过比较偏导数 df/dRch 和来确定。如果存在对于S，Rs, Rct, Cdl和W而言可用的N次测量，
对于每一次测量，方程2可以写成如下形式，如方程3所示Si = T(RsjijRctjijCdljijWi)I = 1,2, -N (3)其中，下标i表示对相应的参数的第i次测量。絮示的差分方程
权利要求
1.用于气体传感器(101)的老化补偿的方法，该方法包括 通过阻抗分析仪(103)确定气体传感器(101)的阻抗谱； 通过主参数鉴别器(104)基于阻抗谱来确定主参数集合；通过老化补偿建模器(10 使用所述主参数集合来构建气体传感器(101)老化补偿模型；和对气体传感器(101)输出应用所述老化补偿模型。
2.根据权利要求1所述的方法，其中使用恒电位仪(10 来确定气体传感器(101)的阻抗谱。
3.根据权利要求1所述的方法，其中确定主参数集合包括使用Randles等效电路 (300)来对气体传感器(101)的阻抗建模。
4.根据权利要求1所述的方法，其中主参数集合包括电解质溶液电阻(Rs)、双层电容 (Cdl)、电荷转移电阻(R。t)和Warburg阻抗(W)中的一个或多个。
5.根据权利要求4所述的方法，其中气体传感器(101)的灵敏度是电解质溶液电阻 (Rs)、双层电容(Cdl)、电荷转移电阻(Rct)和Warburg阻抗(W)的函数。
6.根据权利要求5所述的方法，其中主参数集合包括对气体传感器(101)的灵敏度的贡献量超过预定阈值的参数。
7.根据权利要求6所述的方法，其中由老化补偿建模器(10 根据主参数集合中的多个主参数来确定老化补偿模型。
8.根据权利要求1所述的方法，其中对气体传感器(101)的输出应用老化补偿模型包括通过老化补偿建模器(10 使用主参数集合确定老化补偿模型的输出； 通过老化补偿建模器(10 基于老化补偿模型的输出产生信号；和通过加法器(106)将信号加到气体传感器(101)的输出。
9.根据权利要求1所述的方法，进一步包括检测气体传感器(101)的即将发生的故障， 包括通过故障检测模块(108)检测主参数集合中的一个或多个参数的变化；以及基于检测到的变化发出故障警告。
10.根据权利要求9所述的方法，其中检测主参数集合中的一个或多个参数的变化包括检测主参数集合中的一个或多个参数的结构变化，并且其中检测结构变化包括确定主参数集合中的一个或多个参数的估计误差是否高于预定阈值。
11.根据权利要求9所述的方法，其中检测主参数集合中的一个或多个参数的变化包括检测主参数集合中的一个或多个参数的总变化，并且其中检测所述总变化包括确定主参数集合中的一个或多个参数是否高于预定阈值。
12.一种用于气体传感器(101)老化补偿的系统(100)，包括 被配置为确定气体传感器(101)阻抗谱的阻抗分析仪(103)； 被配置为基于阻抗谱确定主参数集合的主参数鉴别器(104)；以及被配置为使用所述主参数集合构建气体传感器(101)的老化补偿模型，并对气体传感器(101)的输出应用老化补偿模型的老化补偿建模器(105)。
13.根据权利要求12所述的系统(100)，其中主参数集合包括电解质溶液电阻(Rs)、双层电容(Cdl)、电荷转移电阻(R。t)和Warburg阻抗(W)中的一个或多个。
14.根据权利要求13所述的系统(100)，其中气体传感器的灵敏度是电解质溶液电阻 (Rs)、双层电容(Cdl)、电荷转移电阻(Rct)和Warburg阻抗(W)的函数。
15.根据权利要求14所述的系统(100)，其中主参数集合包括对气体传感器(101)的灵敏度的贡献量超过预定阈值的参数。
16.根据权利要求12所述的系统(100)，进一步包括被配置为将来自老化补偿建模器 (105)的信号加到气体传感器(101)的输出的加法器(106)；其中老化补偿建模器(10 被进一步配置为使用主参数集合确定老化补偿模型的输出，并基于老化补偿模型的输出产生信号。
17.根据权利要求12所述的系统(100)，进一步包括被配置为检测主参数集合中的一个或多个参数的变化，并基于检测到的变化发出对气体传感器(101)的故障警告的故障检测模块(108)。
18.一种计算机程序产品，包括计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质含有计算机代码，所述计算机代码在被计算机执行时实施用于气体传感器(101)的老化补偿和故障检测的方法，其中，该方法包括确定气体传感器(101)的阻抗谱； 基于阻抗谱确定主参数集合；使用所述主参数集合构建气体传感器(101)的老化补偿模型；以及对气体传感器(101)的输出应用老化补偿模型。
19.根据权利要求18所述的计算机程序产品，进一步包括 确定气体传感器(101)的阻抗谱；基于阻抗谱确定主参数集合； 使用主参数集合确定所构建的老化补偿模型的输出； 基于所构建的老化补偿模型的输出产生信号； 将信号加到气体传感器(101)的输出。
20.根据权利要求18所述的计算机程序产品，进一步包括检测气体传感器(101)的即将发生的故障，包括检测主参数集合中的一个或多个参数的变化；以及基于检测到的变化发出故障警告。
全文摘要
本发明涉及气体传感器老化补偿及故障检测。本发明提供了用于气体传感器(101)的老化补偿的方法、系统(100)和计算机程序产品。该方法包括通过阻抗分析仪(103)确定气体传感器(101)的阻抗谱；通过主参数鉴别器(104)基于阻抗谱确定主参数集合；通过老化补偿建模器(105)使用所述主参数集合构建气体传感器(101)的老化补偿模型；对气体传感器(101)的输出应用该老化补偿模型。也提供了气体传感器(101)故障检测。
文档编号G01N27/413GK102162826SQ201110066950
公开日2011年8月24日 申请日期2011年2月15日 优先权日2010年2月16日
发明者Y·娄 申请人:哈米尔顿森德斯特兰德公司