[发明专利]用于确定流体环境中的目标气体浓度的方法和系统

说明书

一种用于使用气体传感器来确定流体环境中的目标气体浓度的系统和方法，该系统和方法通过以下操作改善了该气体传感器的测量的效率和准确性：在不同温度下对该气体传感器的电气特性进行测量、在第一温度与第二温度之间的转变期间进行测量、进行更频繁的测量、当该气体传感器达到平衡时进行检测、使用多个传感器、考虑偏移量和漂移、减少传感器不实时的时间、使用各种算法、或其任意组合。

技术领域

本发明涉及用于确定流体环境中的气体浓度的系统和方法。

背景技术

许多气体传感器在本领域中是已知的。气体浓度可以通过观察传感器的电气性质(诸如电流、电压、电容、电阻等)的变化来测量。因此，电阻式传感器、电容式传感器以及半导体传感器(诸如晶体管或二极管传感器)在本领域中是已知的。

作为具体的示例，已经使用薄膜PdNi合金电阻器来检测气体(诸如，氢气)并测量其浓度。氢气可溶于PdNi，而在暴露于氢气时薄膜PdNi合金的电阻率增加，并且增加的数量与氢气分压的平方根成比例。一些气体传感器(诸如具有PdNi晶格的气体传感器)可能会随着H₂浓度的增加而出现电阻增加或者电容或半导体特性变化。例如，电阻可能与PdNi晶格中的氢气的平方根(这进而与气态H₂压力有关，如Sievert定律描述的)成比例地线性增加。

对于给定的应用，气体感测系统可以被设计用于检测目标气体(例如，H₂)的压力。然而，除了目标气体压力，可能还存在可以影响气体传感器的测量结果的因素。例如，气体传感器的温度可以影响测量结果。为了解决这个问题，可以使用加热器使气体传感器维持在期望的温度范围内。除了温度，其他因素也可能影响气体传感器测量结果，诸如施加到气体传感器的偏置电压或者流体环境的整体压力。由于与老化和不希望的气体的存在相关联的基线漂移以及传感器特性的偏移，这些测量结果也容易出现误差。例如，如果生成将氢气分压与传感器的电阻相关联的表(假定这些电阻与同一传感器温度相关联)，则由于上述示例，随着时间的推移，这些关联将不再成立。基于该表的测量结果将因此存在误差。针对该问题的一个解决方案是采用在两个不同温度下执行校准并执行气体测量的系统。

非目标气体(诸如O₂)也可以影响气体传感器的测量结果。非目标气体的存在可以以至少两种方式影响或干扰目标气体测量结果。首先，由于传感器既响应目标气体又响应非目标气体，所以传感器读数可能过高或过低。在这个方面，非目标气体的影响可以被认为是目标气体读数的偏移量。其次，非目标气体的存在会改变传感器测量目标气体的方式。例如，非目标气体可以占据晶格的内部或表面上的受体位点。这留下了较少的可用受体位点，从而使传感器对目标气体的灵敏度降低。作为另一示例，在PdNi气体传感器中，晶格中氧气的存在可能影响传感器的电阻特性或电容特性。因此，氧气渗透的晶格可能以与晶格未被氧气渗透时不同的方式来响应氢气的存在。当氧气渗透晶格时，对氢气的吸附导致形成诸如H₂O、OH等分子。这些分子本身可能影响气体传感器的电阻特性或电容特性。

用于减小非目标气体的影响的一个尝试解决方案可能是在气体传感器上使用阻挡涂层来过滤这种非目标气体。然而，这种过滤可能会降低气体传感器的灵敏度或减少响应时间。另一尝试解决方案可能是使用多个气体传感器来专门检测非目标气体，以确定并说明非目标气体的浓度信息。然而，这种解决方案可能是昂贵的和/或带来额外的系统复杂性。又另一尝试解决方案是简单地将气体传感应用限制为不包括干扰气体的应用。针对漂移问题的解决方案是重复对漂移的传感器进行人工重新校准。

出于前述原因，需要用于准确且高效地测量气体浓度的方法和系统，这些方法和系统具有的优点诸如但不限于：减少或消除对需要参考气体的校准的需要；以及维持或超过氢气测量和氢气监测应用要求的准确性、响应时间和精度；同时提供连续或最低程度中断的读数。

发明内容