具有湿度和温度补偿的硫化氢气体探测器

摘要

提供一种硫化氢气体探测器(10)。所述探测器(10)包括基于金属氧化物半导体的硫化氢气体传感器(30)，所述硫化氢气体传感器具有随着硫化氢气体浓度而改变的电特性。测量电路(28)被联接到基于金属氧化物半导体的硫化氢气体传感器(30)以测量所述电特性。控制器(22)被联接到测量电路(28)并且被构造为接收硫化氢气体传感器(30)的电特性的指示，以及环境湿度的指示。控制器(22)被构造为基于硫化氢气体传感器(30)的电特性的指示以及环境湿度的指示和环境温度的指示而提供补偿的硫化氢气体浓度输出。

说明书

背景技术

硫化氢气体即使在低浓度下也是致命的。一般地，当一个人暴露到 硫化氢气体时，有必要非常快地寻找医学照顾。因此，在很多工业环境 中，甚至在最具有挑战性和远程的条件下，只要在可能发生泄露时就能 够探测非常低浓度的气体是非常重要的。

随着传感器响应时间和感测元件的整体稳定性已经被提高，很多国 家的健康和安全标准已经慢慢地降低了可接受的暴露水平。例如，在美 国，职业安全与健康管理局提供了可接受的浓度限制，即，在8小时时 间段中暴露到百万分之20(ppm)的硫化氢，其中最高的峰值暴露是在 10分钟以内暴露到50ppm的硫化氢。英国健康和安全行政部门具体化 了最大的可接收的浓度，即，在8小时时间段内暴露到5ppm的硫化氢， 其中最高的峰值暴露是在8小时时间段内暴露到10ppm的硫化氢。即使 短时间的暴露到500-1000ppm也是可能威胁生命的并且可能导致严重的 伤害。更高的浓度可能导致瞬间的死亡。也证明了，重复地暴露到低浓 度的硫化氢气体可以导致很多不期望的医学状况，包括畏光、结膜炎、 角膜起疱、极度疼痛以及暂时地丧失视力。

任何固定位置的硫化氢探测器的重要目标是通过警报在附近出现的 硫化氢气体的有害等级而保护工人和公众。电化学元件和金属氧化物半 导体(MOS)元件很多年来已经被现场地证实是有害物感测技术。金属 氧化物半导体与电化学传感器相比具有更长的寿命，并且尤其是在高温 下以及极度干燥的条件下，连续地在更广的温度范围内操作。

在一些实施例中，硫化氢传感器被构造为铂加热元件、绝缘介质和 气敏电阻膜的多层结构。在其他实施例中，硫化氢传感器被构造为具有 被设置在其中的加热器的珠状物和行进通过珠状物的导线。该珠状物由 气敏半导体形成。该气敏材料将采用传统的金属氧化物半导体材料或者 在纳米等级被强化以显著地提高性能的金属氧化物半导体材料。在操作 期间，当硫化氢气体接触气敏材料时，电导率存在可测量的变化。这些 变化典型地使用探测器装置中的电子器件而被放大。

纳米强化材料结构的当前进步已经能够有效地处理限制了传统的金 属氧化物半导体的一些难题。虽然纳米强化金属氧化物半导体 (NE-MOS)的外观和操作原理与传统的MOS传感器相同，但是 NE-MOS受益于已知为“纳米管”的感测构件的机械一致性阵列，该纳 米管以在制造过程期间优选地对准、对称和非常集中的方式应用于电阻 膜。传统的MOS材料使用留有间隙和创建不规则特性的过程而被生产， 导致了性能挑战。纳米强化材料提供了增加的整体感测能力、更快的响 应和更高的稳定性。

随着硫化氢气体传感器技术提高并且感测变得更加精确，由环境条 件的改变所导致的传感器对硫化氢的响应的改变在确定传感器的精度方 面变成明显的。提供能够更好的在更广范的环境中操作的硫化氢气体探 测器在感测硫化氢气体方面展现了更重要的进步。

发明内容

提供一种硫化氢气体探测器。所述探测器包括基于金属氧化物半导 体的硫化氢气体传感器，所述硫化氢气体传感器具有随着硫化氢气体浓 度而改变的电特性。测量电路被联接到基于金属氧化物半导体的硫化氢 气体传感器以测量所述电特性。控制器被联接到测量电路并且被构造为 接收硫化氢气体传感器的电特性的指示，以及环境湿度的指示。控制器 被构造为基于硫化氢气体传感器的电特性的指示以及环境湿度的指示和 环境温度的指示而提供补偿的硫化氢气体浓度输出。

附图说明

图1是硫化氢气体探测器的示意图，本发明的实施例通过该硫化氢 气体探测器是尤其有用的。

图2是根据本发明的实施例的硫化氢气体探测器的方块图。

图3是硫化氢气体探测系统的示意图，在该探测系统中，本发明的 实施例是尤其有用的。

图4是根据本发明的实施例的硫化氢气体探测系统的示意图。

图5是根据本发明的实施例的提供补偿硫化氢气体测量的方法的流 程图。

具体实施方式

如上所述的两个金属氧化物半导体类型的硫化氢气体探测器易受由 环境湿度和温度的改变所导致的误差的影响。金属氧化物半导体类型的 硫化氢气体探测器一般地体现出对湿度的交叉敏感性，这影响测量的精 度。在使用金属氧化物半导体类型的气体传感器时，该气体传感器用于 在ppm等级下的气体浓度的硫化氢探测，环境湿度和温度的等级的正常 改变的影响变得非常重要。本发明的实施例一般地提供或采用绝对湿度 测量系统和温度测量系统，这些系统能够获得环境条件的指示并且向硫 化氢传感器补偿用于此种湿度和温度的信号，从而提供精度提高的硫化 氢气体测量。

根据本发明的实施例，在一个示例中，湿度和温度测量系统、相对 湿度和温度测量系统被添加或者以其他方式与硫化氢气体探测器一起使 用。探测器采用金属氧化物半导体以感测硫化氢气体。一旦湿度和温度 测量系统提供了环境条件的指示，则硫化氢气体传感器输出针对测量的 湿度和温度被补偿。在一个实施例中，硫化氢气体探测器输出利用如下 的计算硫化氢浓度的公式而被处理：

log(ppm)＝β1+β2(log(电阻))+β3(温度)+β4(湿度)+β5(温 度)²+β6(湿度)²+β7(log(电阻)²)+β8(温度·log(电 阻))+β9(温度·湿度)+β10(湿度·log(电阻))+ β11(湿度·log(温度)·(log(电阻))

其中，电阻是固态传感器电阻；

β1-β11是系数；

ppm是目标气体浓度，单位是百万分之；

温度是系统测量温度；

湿度是大气中的当前水蒸气含量，表示为使用环境相对湿度 和温度的指示的、体积单位中的水重量与空气的总的水重量的比 值。

图1是硫化氢气体探测器的示意图，本发明的实施例利用该硫化氢 气体探测器是尤其有用的。探测器10包括被联接到传感器主体14的电 子器件外罩12。传感器主体14包括基于金属氧化物半导体的硫化氢气 体探测器(如图2所示)，该硫化氢气体探测器可以是传统的金属氧化物 半导体探测器或者基于NE-MOS的半导体气体探测器。传感器主体14 的下部16被构造为将硫化氢气体探测器暴露到环境空气，从而确定环境 空气中的硫化氢气体浓度。传感器主体14中的传感器经由导管18被联 接到外罩12中的适当的电子器件(如图2所示)。外罩12中的电子器件 能够放大、线性化和以其他方式特性化探测器响应，从而提供硫化氢气 体浓度的指示。该指示能够经由通过导管20的过程布线在过程通信回路 或区段上被提供，并且也被本地地提供。硫化氢气体探测的本地指示可 以包括指示硫化氢气体浓度的显示、听觉或视觉警报，或它们的任意组 合的本地操作界面。

图2是根据本发明的实施例的硫化氢气体探测器的方块图。探测器 10包括被联接到传感器主体14的电子器件外罩12。布置在电子器件外 罩12中的是控制器22，通信模块24、电源模块26和测量电路28。基 于金属氧化物半导体的硫化氢气体传感器30被布置在传感器主体14中 并且被联接到测量电路28。此外，根据本发明的实施例，湿度传感器32 和温度传感器33也被布置在传感器主体14中并且被可操作地联接到测 量电路28。

控制器22可以是任何适当的处理电路，该处理电路能够采用根据本 发明的实施例的湿度和温度补偿。在一个实施例中，控制器22是微处理 器。控制器22被联接到通信电路24以允许控制器22与过程控制和监测 系统中的其他装置通信。通信电路24可以包括允许控制器22根据如下 的过程工业标准通信协议进行通信的电路，诸如可寻址远程变送器高速 通道协议，FOUNDATION^TM现场总线协议和其他协议。另 外，在一些实施例中，除了使用有线过程通信之外，或者代替有线过程 通信，设备10可以无线地通信。例如，在一个实施例中，通信电路24 可以允许根据IEC62591的通信。最后，通信电路24可以提供诸如本地 显示或报警等的本地输出的通信。

供电模块26被联接到外罩12中的所有构件，如箭头所表示的“至 全体”。电源模块26被构造为接收来自适当源的电力并且向外罩12中的 电路提供电压调节或其他适当电力调节。在一些实施例中，供电模块26 可以被联接到有线过程通信回路，从而装置10能够接收来自于有线过程 通信回路的其所有的操作能量。在其他实施例中，电源模块26可以被联 接到适当的AC或DC电源。

测量电路28被联接到控制器22并且能够获得来自于基于金属氧化 物半导体的硫化氢气体传感器30、湿度传感器32和温度传感器33的测 量值，并且向控制器22提供这些传感器的数字指示。测量电路28可以 包括一个或多个模拟数字转换器、适当的多路转换电路、以及放大和/ 或线性化电路。

基于金属氧化物半导体的硫化氢气体传感器30可以是任何适当的 采用金属氧化半导体技术的硫化氢气体传感器。因此，传感器30可以是 传统的基于金属氧化物半导体的硫化氢气体传感器和基于NE-MOS的 传感器，或者之后可以被开发为使用基于金属氧化物半导体技术而感测 硫化氢气体的任何传感器。

湿度传感器32被构造为与靠近端部16的环境空气相互作用，并且 提供此空气中的湿度的电指示。湿度传感器32和温度传感器33被联接 到测量电路28，从而来自传感器32和33的电指示能够被测量并且被提 供到控制器22。以此方式，控制器22能够接收来自传感器30的硫化氢 气体浓度的未补偿的指示，和来自湿度传感器32的湿度指示，来自温度 传感器33的温度指示，并且采用补偿以提供被补偿的硫化氢气体浓度输 出。如前所述，在一个实施例中，该补偿使用适当的技术和/或计算(多 个计算)而被执行。然而，本发明的实施例能够使用查找表或者其他适 当公式而被执行。一旦控制器22将公式或其他适当的补偿施加到未补偿 的硫化氢气体传感器读数，补偿的硫化氢气体浓度经由通信电路24而被 提供。因此，该补偿的硫化氢气体浓度在过程通信回路或区段上能够被 提供给控制器或者过程控制和监测系统中的其他适当装置。另外，或可 选的，补偿的硫化氢气体浓度能够经由数字指示和/或听觉或视觉警报被 提供为本地输出。

图3是硫化氢气体探测系统的示意图，本发明的实施例利用该硫化 氢气体探测系统是尤其有用的。系统100包括硫化氢气体探测器102、 湿度变送器104和温度变送器105。探测器102与探测器10(参考图2 所述)具有很多相似性，并且类似的构件被类似地标记。探测器102和 探测器10之间的主要不同是探测器102不包括湿度/温度传感器。因此， 探测器102可以包括基于传统硬件的硫化氢气体探测器。然而，与此种 传统探测器不同，探测器102包括能够向未补偿的金属氧化物半导体传 感器30输出提供补偿的控制器22。在如图3所示的实施例中，探测器 102、湿度变送器104和温度变送器105能够在过程通信回路或区段上提 供它们各自的过程变量。以此方式，湿度变送器104和温度变送器105 是整体分开的装置，这些装置能够检测或以其他方式分别测量环境空气 中的湿度和温度并且在过程通信回路或区段上提供该湿度和温度的指 示。借助于通信回路24，装置102能够接收湿度/温度信息并且将此种 信息提供给控制器22。控制器22然后将接收的湿度/温度信息提供给接 收自MOS传感器30的未补偿的硫化氢浓度信息，并且在过程通信回路 或区段上提供被湿度/温度补偿的硫化氢气体浓度。另外地，或者可选地， 补偿的硫化氢气体浓度能够经由浓度的数字指示和/或经由听觉或视觉 警报而被提供在本地操作界面上。

图4是根据本发明的过程控制和监测系统的示意图。过程控制和监 测系统200包括硫化氢气体探测器202、经由一个或多个过程通信回路 或区段而被联接到控制系统204的湿度变送器104和温度变送器105。 在如图4所示的实施例中，各个装置204、104和105将它们各自的过程 变量提供到控制系统204，在该控制系统204中，基于接收自变送器104 的湿度信息和接收自温度变送器105的温度信息而补偿未补偿的硫化氢 气体浓度。因此，控制系统204中的处理器或计算机能够执行如上所述 的公式，或者其他适当的公式或关系式，从而基于湿度/温度信息补偿硫 化氢气体浓度。另外，控制系统204然后能够将补偿的硫化氢气体浓度 通信回到探测器202，从而补偿的浓度能够被本地地显示在探测器202 上。

图5是根据本发明的实施例的提供补偿硫化氢气体浓度的方法的流 程图。方法300起始于方框302，在该方框中，硫化氢气体浓度使用基 于金属氧化物半导体的传感器而被测量。接着，在方框304中，靠近硫 化氢气体传感器的湿度也被测量。如上所述，该湿度测量值可以被位于 探测器的传感器主体中的湿度传感器所提供，或者该湿度测量值可以被 位于探测器附近的独立的湿度测量系统所提供。在方框305中，靠近硫 化氢气体的温度被测量。如上所述，该温度测量值可以被位于探测器的 传感器主体中的温度传感器所提供，或者该湿度测量值可以被位于探测 器附近的独立的温度测量系统所提供。接着，在方框306中，利用公式、 查找表、或其他适当关系式以补偿靠近硫化氢气体传感器的环境中的湿 度和温度的影响而处理未补偿的硫化氢气体浓度。该补偿可以通过控制 器或硫化氢气体探测器中的其他适当电路，或者位于过程控制和监测系 统中或者被联接到过程控制和监测系统的任何其他适当装置而被执行。 接着，在方框308中，提供补偿的硫化氢气体测量值。该测量值基于在 方框304中获得的湿度测量值和在方框305中获得的温度测量值而被补 偿。注意，本发明的实施例可以在如下的情况下被执行：方框304和方 框305不和方框302一样被频繁地执行。例如，在环境湿度和/或温度改 变得比硫化氢气体浓度更慢的环境中，方框304可以只被周期性地执行， 例如，每10分钟，然而方框302被每秒一次或多次地执行。

本发明的实施例一般地允许在多种工业环境中在存在湿度的情况下 经验性地同时地测量硫化氢气体浓度测量。此外，在本文中描述的方法 和设备不依靠与一般的环境条件相匹配的水蒸汽的温度。应当认为，本 发明的实施例可以具有对于如下的技术的适用性：该技术基于固态传感 器而开发用于绿色制冷系统的制冷剂泄露探测器。因此，本发明的实施 例不限于被探测的特定气体，但是适用于在权利要求中提及的实施例。

虽然已经参考优选的实施例说明了本发明，但是本领域的技术人员 将意识到在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以在形式和细节上做 出改变。