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測量儀器在日常使用中，經(jīng)常暴露在苛刻或惡劣的環(huán)境條件下。氣體分析傳感器因端溫度或超出測量范圍的氣體濃度而暫時過載的情況并不少見。同時也不能排除機(jī)械沖擊（例如儀器跌落）的影響。此外，污垢和物質(zhì)沉積可能會隨著時間的推移而損害其功能。脈沖測試分析用于確定儀器是否在經(jīng)歷這些類型的事件之后仍然能夠執(zhí)行測量任務(wù)。傳感器具有定期獨立檢查其狀態(tài)的能力。
圖1:電化學(xué)傳感器結(jié)構(gòu)示意圖
通常，待測氣體是不同成分的混合物。例如，在燃?xì)忮仩t的煙氣中，二氧化碳（CO2）、水蒸氣（H2O）、氧氣（O2）和氮氣（N2）占主導(dǎo)地位。此外，不wanquan燃燒會產(chǎn)生有毒的一氧化碳（CO），需要監(jiān)測其在煙氣中的比例。待測氣體通過擴(kuò)散屏障進(jìn)入傳感器，該擴(kuò)散屏障可以設(shè)計成毛細(xì)管或膜。根據(jù)傳感器類型，接下來可能會使用過濾器，它可以過濾混合物中的干擾成分。
氣體會到達(dá)工作電極，與傳感器內(nèi)部的所有組件一樣，該電極被電解液濕潤。電解液用于電荷傳輸，并由酸性或堿性水溶液組成。稀釋硫酸通常用作電解液物質(zhì)。當(dāng)相應(yīng)目標(biāo)氣體的分子與工作電極表面接觸時，將會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)：例如，在CO傳感器中，測量氣體中的CO被轉(zhuǎn)化成CO2。在此過程中，電荷載流子被釋放到電解液中，然后遷移到反電極。同時，電子會流動通過外部電路。因此，外部電路中產(chǎn)生的電流強(qiáng)度是目標(biāo)氣體含量的量度。電流越大，說明測量氣體中含有的CO越多。參考電極用于穩(wěn)定傳感器信號，尤其是在目標(biāo)氣體濃度較高的情況下。
脈沖測試分析方法
脈沖測試分析是傳感器對自身執(zhí)行的診斷程序。與參考電極相比，在此過程中傳感器的工作電極會短暫承受更高的電壓。與該電勢變化相對應(yīng)，將會有電流流動。對該電流進(jìn)行測量，然后可以根據(jù)電流I（t）強(qiáng)度和信號持續(xù)時間計算傳感器中傳輸?shù)碾姾闪縌（t）。它是評估傳感器狀態(tài)的關(guān)鍵變量：
總電荷量Q由兩個部分的電荷之和組成（圖2）。提升電極電位首先產(chǎn)生一個具有部分電荷量Q1的正傳感器電流，然后當(dāng)電極電位恢復(fù)到其初始值時，將會產(chǎn)生一個具有部分電荷量Q2的負(fù)傳感器電流：
總電荷Q可以理解為圖2中兩個淺藍(lán)色區(qū)域之和。
上述程序在測量儀器關(guān)閉時觸發(fā)。因此，脈沖測試分析是在后臺運行，不會干擾應(yīng)用程序。
圖2：虛線代表隨著電位的偏移（單位mV）工作電極的激勵。藍(lán)色曲線顯示了典型的傳感器響應(yīng)。電流/時間積分，即傳輸?shù)碾姾闪?，與傳感器電流響應(yīng)之下的淺藍(lán)區(qū)域相對應(yīng)。該值可用于評估傳感器狀態(tài)。
測試說明
德圖進(jìn)行了廣泛的系列測試以開發(fā)脈沖測試方法。在三個月的時間里總共有100多個傳感器接受了密集測試。傳感器通過加載測試接受受控的加速老化。調(diào)查的目的一方面是確定老化過程與靈敏度損失之間的相關(guān)性，另一方面是獲得脈沖測試結(jié)果。
這一系列測試是在柴油熱電聯(lián)產(chǎn)廠的煙氣流上進(jìn)行的。此外，在實驗室中還以濕度和溫度壓力測試以及中毒事件的形式檢查了環(huán)境影響：
煙氣通過閥門控制被送入傳感器，并在煙氣和新鮮空氣循環(huán)之間進(jìn)行交替。煙氣成分（氣體類型、氣體濃度、顆粒負(fù)載）本身對傳感器提出了更高的要求。傳感器上的有效負(fù)載可通過煙氣測量時間與環(huán)境空氣測量時間的比率進(jìn)行調(diào)整。該測試中的分布為t煙氣=90%和t環(huán)境空氣=10%。
圖3（從左到右）：柴油熱電聯(lián)產(chǎn)廠，氣體采樣示意圖，評估裝置上的受測試傳感器。
在實驗室進(jìn)行濕度和溫度壓力測試。為了創(chuàng)造不同的濕度環(huán)境，干燥器提供了不同的鹽溶液，并在其中存儲受測試傳感器。
在所謂的中毒壓力測試中，傳感器暴露在酒精蒸汽中。這種情況對應(yīng)于儀器與污染環(huán)境接觸，例如，如果在工具箱中有浸過溶劑的布。它們散發(fā)出的蒸汽會損害傳感器的功能；以技術(shù)術(shù)語來說，這被稱為傳感器“中毒”。其征狀表現(xiàn)為零信號值增加等。根據(jù)中毒程度，在數(shù)小時或幾天后征狀才會消退。
所有的系列測試均根據(jù)以下程序進(jìn)行測試：
圖5:壓力測試對傳感器性能的影響
結(jié)果和客戶收益
根據(jù)測試傳感器的定期測試創(chuàng)建完整的數(shù)據(jù)庫。它代表了傳感器參數(shù)的變化過程。在實際氣體和濕度壓力測試中，靈敏度參數(shù)與脈沖測試信號之間存在明顯的相關(guān)性：
傳感器靈敏度損失（x-軸）伴隨有脈沖測試信號或電荷量Q（y-軸）的減少。這種關(guān)系的建模較為容易：具有理想傳感器功能的范圍與具有降低傳感器功能的范圍可以清楚地區(qū)分。這意味著可以在不使用標(biāo)定氣體的情況下在現(xiàn)場監(jiān)控傳感器。標(biāo)定氣體通常不是用戶設(shè)備的一部分。無需標(biāo)定氣體和相關(guān)測試費用的功能測試可以實現(xiàn)明顯的簡化和節(jié)省。
在范圍1中，傳感器工作良好并提供可靠的讀數(shù)。如果傳感器的性能由于環(huán)境或負(fù)載影響或由于機(jī)械沖擊（范圍2）而惡化，用戶會及時收到需要調(diào)整傳感器的指示。范圍3代表傳感器靈敏度明顯下降，建議緊急進(jìn)行傳感器調(diào)整，如有需要，建議更換傳感器。
即使不使用標(biāo)定氣體，用戶也可以根據(jù)規(guī)格了解關(guān)傳感器的狀態(tài)。
脈沖測試分析方法是基于短期電位偏移。這種電位偏移會在傳感器中產(chǎn)生電流脈沖，可以對其時間進(jìn)程進(jìn)行評估。從流過的電荷量可以得出關(guān)于傳感器狀態(tài)的結(jié)論。
大量的測試表明，使用標(biāo)定氣體確定的傳感器靈敏度與脈沖測試結(jié)果之間存在很強(qiáng)的相關(guān)性。這種相關(guān)性為評估傳感器的功能和測量結(jié)果的質(zhì)量提供了有效的基礎(chǔ)。
可以在測量儀器中定期自動進(jìn)行脈沖測試分析。它被設(shè)計為在后臺運行，用戶不會注意到，并且不影響測量儀的可用性。自我診斷取代了使用特定標(biāo)定氣體的耗時的傳感器測試。它使儀器的使用更容易，同時也更可靠。
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