气体浓度检测器和无需偏压的气体浓度检测方法与流程

1.本技术涉及检测器的技术领域，具体而言，涉及一种气体浓度检测器和无需偏压的气体浓度检测方法。


背景技术：

2.气体传感器即气体浓度检测器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。其中，气体传感器中应用最广泛的为电化学气体传感器(electrochemical gas sensor)，它是把测量对象气体在电极处氧化或还原而测电流，得出对象气体浓度的探测器。
3.现有技术中，电化学气体传感器在检测no(一氧化氮)等气体的浓度时，往往都需要在工作电极和参比电极之间加上一个正300毫伏的偏压，从而可以确定工作电极上的电位需要多少才可以准确测量no等气体的浓度。如此一来，电化学气体传感器中一般至少需要设计两个回路，一个是由工作电极和参比电极组成用于确定工作电极上的电位的偏压回路，另一个是由工作电极和对电极组成的用于传输电子的检测回路。
4.故现有技术电化学气体传感器的电路以及结构均较为复杂，且先在工作电极和对电极进行检测过程中需要利用偏压回路进行控制来排除电压对检测的干扰，使得电化学传感器稳定所需的时间较长，使用不便，且降低了电化学气体传感器工作效率。


技术实现要素：

5.本技术的目的是提供一种气体浓度检测器和无需偏压的气体浓度检测方法，其简化了气体浓度检测器的结构以及电路。
6.为了实现上述目的，本技术的实施例是这样实现的：
7.第一方面，本技术提供一种气体浓度检测器，包括：安装壳、安装盖、电极组件、外接件和催化件，安装盖与所述安装壳连接，形成容纳腔，且所述安装盖设有与所述容纳腔相通的第一通气孔；电极组件设于所述容纳腔内，所述电极组件至少包括工作电极和对电极；外接件设于所述安装壳外，且与所述电极组件连接；催化件设于所述第一通气孔内和/或设于所述工作电极表面。
8.于一实施例中，所述工作电极固定于所述安装盖的底面，所述催化件设于所述第一通气孔内，且全面覆盖于所述工作电极与所述第一通气孔相对的表面。
9.于一实施例中，所述催化件的总体积等于或者小于所述第一通气孔的容积。
10.于一实施例中，所述催化件设于所述容纳腔内，且固定于所述工作电极的表面。
11.于一实施例中，气体浓度检测器还包括：辅助盖，辅助盖与所述安装盖连接，且设于所述第一通气孔内，所述辅助盖上设有第二通气孔。
12.于一实施例中，气体浓度检测器还包括：防尘透气膜，防尘透气膜与所述安装盖连接，且压设于所述辅助盖，用于遮蔽所述第二通气孔。
13.于一实施例中，所述第一通气孔包括依次连接的第一孔段、第二孔段和第三孔段，
所述第一孔段的孔径大于所述第二孔段的孔径，所述第二孔段的孔径大于所述第三孔段的孔径，所述辅助盖设于所述第二孔段，所述防尘透气膜设于所述第三孔段，所述催化件的总体积等于或者小于所述第三孔段的容积。
14.于一实施例中，所述第三孔段在与所述第二孔段的连接的一端的内壁凸设有固定凸环。
15.于一实施例中，所述电极组件还包括：参比电极，所述参比电极与所述外接件连接。
16.于一实施例中，所述催化件包括二氧化锰。
17.于一实施例中，所述催化件为片状、块状、条状、颗粒状、粉末状、或者粉粒状。
18.第二方面，本技术提供一种无需偏压的气体浓度检测方法，包括：令初始待测气体中的第一成分转化为第二成分，得到最终待测气体；检测得到所述最终待测气体中第二成分的浓度。
19.于一实施例中，所述初始待测气体为纯气体，只包括第一成分。
20.于一实施例中，所述初始待测气体为混合气，还包括第二成分；在令所述初始待测气体中的第一成分转化为第二成分，得到最终待测气体之前，还包括：检测得到所述初始待测气体中第二成分的浓度；在检测得到所述最终待测气体中的第二成分浓度之后，还包括：根据所述最终待测气体中第二成分的浓度和所述初始待测气体中第二成分的浓度，计算得到初始待测气体中第一成分的浓度。
21.本技术与现有技术相比的有益效果是：
22.本技术通过增设了催化件，能够将初始待测气体中的第一成分转化为第二成分，从而无需采用偏压检测的方式，即可通过检测第二成分的浓度得到第一成分的浓度，简化了气体浓度检测器的结构以及电路，并提高了气体浓度检测器的工作效率。
附图说明
23.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
24.图1为现有技术中电流电位曲线图。
25.图2为本技术一实施例示出的气体浓度检测器1的剖视图。
26.图3为本技术一实施例示出的气体浓度检测器1的剖视图。
27.图4为现有技术中气体传感器在无偏置电压的情况，响应电压与no气体浓度的曲线图。
28.图5为本技术一实施例提供的气体浓度检测器对不同浓度的no气体的响应曲线图。
29.图6为本技术一实施例提供的气体浓度检测器响应电压和no气体浓度的拟合函数图形。
30.图标：1
‑
气体浓度检测器；100
‑
安装壳；110
‑
容纳腔；200
‑
安装盖；210
‑
第一通气孔；211
‑
第一孔段；212
‑
第二孔段；213
‑
第三孔段；214
‑
固定凸环；215
‑
倒角；300
‑
电极组件；
310
‑
工作电极；320
‑
对电极；330
‑
网片；340
‑
隔离膜；350
‑
参比电极；400
‑
外接件；500
‑
催化件；600
‑
辅助盖；610
‑
第二通气孔；700
‑
防尘透气膜。
具体实施方式
31.术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，并不表示排列序号，也不能理解为指示或暗示相对重要性。
32.此外，术语“水平”、“竖直”、“悬垂”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。
33.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“左”、“右”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
34.在本技术的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。
35.下面将结合附图对本技术的技术方案进行清楚、完整地描述。
36.请参照图1，其为现有技术中电流电位曲线图。现有技术中气体传感器包括工作电极、参比电极和对电极。当将包含no的待检测气体通入现有技术中气体传感器中时，no气体在工作电极上发生氧化反应：no 2h2o
→
hno3 3h

3e
‑
；在对电极上发生还原反应：从而可以通过检测工作电极和对电极上传输电子形成的反应电流来测量no气体的浓度。
37.其中，如图1所示，当工作电极和对电极之间的反应电压(voltage)即工作电极上的电位改变时，反应电流(current)也会随之改变。大体上，反应电压越大，反应电流越大，但是在一定的电压范围(v1
‑
v2)内，电流电位曲线相对平缓，反应电流的变化较小，几乎不变，将该电压范围(v1
‑
v2)称作传输扩散控制的电流平台区域，此时反应电流完全由发生氧化还原反应的待检测气体即电活性气体的质量传输或流量扩散控制。
38.因此若将工作电极和对电极之间的反应电压控制在该电流平台区域(v1
‑
v2)之间，此时所产生的反应电流可以排除电压即工作电极310上的电位的干扰，从而可以准确测量no等气体的浓度。
39.现有技术在工作电极和对电极进行检测过程中需要利用工作电极和参比电极组成的偏压回路进行调试，在工作电极和参比电极之间加上一个偏压进行控制，来确保工作电极上的电位处于该电流平台区域(v1
‑
v2)，从而可以排除反应电压对检测的干扰。偏压控制的过程使得电化学传感器稳定所需的时间较长，使用不便，且降低了电化学气体传感器工作效率。
40.同时偏压调试对于气体传感器的电路设计要求较高，至少需要设计两个回路，一个是由工作电极和参比电极组成用于确定工作电极上的电位的偏压回路，另一个是由工作
电极和对电极组成的用于传输电子的检测回路，故现有技术的气体传感器电路复杂性较高，相应地也提高了气体传感器的结构复杂性。
41.请参照图2，其为本技术一实施例示出的气体浓度检测器1的剖视图。气体浓度检测器1包括：安装壳100、安装盖200、电极组件300和外接件400，安装盖200与安装壳100通过卡接、套接、焊接或者螺栓固定等方式密封连接在一起，安装盖200与安装壳100形成放置电解液的容纳腔110。安装壳100和安装盖200的横截面均可以是圆形、方形或者其他形状，且安装壳100的轴线和安装盖200的轴线重合。其中，将安装盖200指向安装壳100的方向定义为向下。
42.安装盖200上设有贯穿安装盖200上下表面的第一通气孔210。与容纳腔110相通，用于待测气体的通入。第一通气孔210的截面可以是圆形、方形或者其他形状。
43.电极组件300至少包括工作电极310和对电极320；电极组件300设于容纳腔110内。工作电极310和对电极320都可以是由一个电极膜与一个电极丝组成的,其材质可以是铂、钯、铑、银或钌等贵金属，从而可以作为催化剂，使待测气体可以在工作电极310和对电极320氧化或还原以形成反应电流。
44.电极组件300还可以包括由不导电材料制成的隔离膜340，隔离膜340设于工作电极310和对电极320之间，用于隔离工作电极310和对电极320。电极组件300还可以包括网片330，网片330与安装盖200固定连接,隔离膜340、工作电极310和对电极320夹设于网片330与安装盖200之间。电极组件300还可以包括吸液纸等部件。
45.外接件400可以包括多个引脚，设于安装壳100的底面，且一端伸入容纳腔110内，另一端伸出安装壳100外。多个引脚与电极组件300连接，用于将反应电流等响应信号导出，从而可以通过反应电流的大小得到待测气体的浓度信息。其中，气体浓度检测器1还可以包括检测组件，检测组件包括电流放大器等部件，用于放大反应电流，从而可以用检测组件的负载电压(即响应电压)来代表反应电流。气体浓度检测器1还可以包括处理器等部件，用于将负载电压转换为待测气体的浓度信息。
46.于一其他的实施例中，外接件400还可以包括电路板，多个引脚设于电路板上，电极组件300的电极丝通过与电路板电性连接，用于导出反应电流。
47.气体浓度检测器1还包括催化件500，催化件500包括二氧化锰mno2，从而可以将进入气体浓度检测器1的no气体转化为no2气体，从而利于no气体的检测。
48.其中，催化件500可以设于第一通气孔210内和/或设于工作电极310表面，即设于待测气体到达工作电极310的路径上，以使进入气体浓度检测器1的no气体在到达工作电极310前转化为no2气体。
49.本实施例中，工作电极310的上表面与安装盖200的底面通过热熔、焊接、黏贴或者卡接等方式连接在一起，催化件500设于第一通气孔210内，且全面覆盖于工作电极310的上表面处于第一通气孔210内的区域。由于催化件500将工作电极310通过第一通气孔210外露的区域全部铺满，则no气体必须完全通过该催化件500后，即转化成no2气体后，才能到达工作电极310上进行相应的电化学反应以产生可检测的电信号，以保证最终检测结果的精确可靠。
50.于一其他的实施例中，工作电极310可以固定于安装盖200或者安装壳100上，催化件500设于容纳腔110内，且通过粘贴等方式固定于工作电极310的表面。如此设置，也可以
使进入气体浓度检测器1的no气体在到达工作电极310前转化为no2气体。
51.催化件500作为催化剂，从而可以加快no气体的转化速度，而催化件500本身又不参与反应最终产物，从而无需重复添加，便于使用。且催化件500本身又不参与反应最终产物，因此催化件500的总体积可以等于或者小于第一通气孔210的容积，催化件500可以填充满或不充满第一通气孔210。
52.其中，催化件500可以为片状、块状、条状、颗粒状、粉末状、或者粉粒状。本实施例中，催化件500为mno2纳米颗粒，从而可以增加催化件500与待测气体的接触面积，利于no气体的全面转化。
53.于一具体操作过程中，将气体浓度检测器1通过外接件400设于其他电路板上，令包含no的待测气体通过第一通气孔210进入容纳腔110，由于待测气体的化学反应由催化剂材料的选择来决定。则no气体先在mno2等催化件500的作用下，no气体在第一通气孔210内发生氧化反应：2no o2→
2no2；当no气体转化为no2气体后，再在零偏压下no2气体在工作电极310上进行电化学还原反应：no2 h

2e
‑
→
no 2h2o；在对电极320上发生水的氧化反应以平衡工作电极310的还原反应：平衡工作电极310的还原反应：此时可以通过检测工作电极310和对电极320上传输电子形成的反应电流来得到no2气体的浓度，得到的no2气体浓度就是no气体的浓度。
54.故本实施例能够通过催化件500将初始待测气体中的第一成分(no气体)转化为第二成分(no2气体)，本实施例中测量的为no2气体，不是no气体，则不需要确保工作电极310上的电位处于图1所示的该电流平台区域(v1
‑
v2)，从而无需采用偏压检测的方式，即可通过检测第二成分的浓度得到第一成分的浓度。另外本实施例省略了偏压控制的过程，缩短了气体浓度检测器1稳定所需的时间，使用便利，且提高了气体浓度检测器1的工作效率。
55.需要说明的是，本实施例的气体浓度检测器1的电极组件300还包括参比电极350，参比电极350与外接件400连接，且参比电极350设于工作电极310和对电极320之间。本实施例中的参比电极350主要用于提高气体浓度检测器1的稳定性，使其能够持续工作。
56.其中，参比电极350也可以是由一个电极膜与一个电极丝组成的。隔离膜340设有2个，分别设于工作电极310和参比电极350之间以及参比电极350和对电极320之间，分别用于隔离工作电极310和参比电极350以及参比电极350和对电极320。
57.于一其他的实施例中，气体浓度检测器1无需设置参比电极350，从而简化了气体浓度检测器1的结构以及电路。隔离膜340设有1个，设于工作电极310和对电极320之间。
58.请参照图3，其为本技术一实施例示出的气体浓度检测器1的剖视图。气体浓度检测器1还包括：辅助盖600，辅助盖600与安装盖200连接，且设于第一通气孔210内，辅助盖600上设有第二通气孔610，第二通气孔610贯穿辅助盖600的上下表面，用于供待测气体通入。辅助盖600与安装盖200的连接方式可以是过盈配合、卡扣连接、铰接或者螺栓固定。于一实施例中，催化件500为块状或者片状，其外径大于第二通气孔610的孔径，第二通气孔610的孔径小于第一通气孔210的孔径，辅助盖600可以防止在翻转气体浓度检测器1时，催化件500从第一通气孔210脱出。
59.气体浓度检测器1还包括：防尘透气膜700，防尘透气膜700与安装盖200连接，且压设于辅助盖600，用于遮蔽第二通气孔610。防尘透气膜700与安装盖200的连接方式可以是
过盈配合、卡扣连接、铰接或者螺栓固定。防尘透气膜700可以为具有防水透气性能的聚四氟乙烯透气膜(聚四氟乙烯，poly tetra fluoroethylene，简写为ptfe)用于防止冷凝以及防尘，以降低温度变化、灰尘、污垢和湿气对测量结果的影响。另外，防尘透气膜700还可以防止在翻转气体浓度检测器1时，无论是片状、块状、条状、颗粒状、粉末状、或者粉粒状等形状的催化件500从第一通气孔210脱出。
60.第一通气孔210包括由上至下依次连接的第一孔段211、第二孔段212和第三孔段213，第一孔段211的孔径大于第二孔段212的孔径，第二孔段212的孔径大于第三孔段213的孔径，辅助盖600设于第二孔段212，防尘透气膜700设于第三孔段213，催化件500的总体积等于或者小于第三孔段213的容积。
61.其中，第三孔段213在与第二孔段212的连接的一端(顶端)的内壁凸设有固定凸环214。固定凸环214与辅助盖600相抵。
62.其中，第三孔段213在背离第二孔段212的一端(底端)上设有倒角215，倒角215的设置，可以增大催化件500与工作电极310之间的接触面积，从而可以进一步确保no气体必须完全通过该催化件500后，即转化成no2气体后，才能到达工作电极310上进行相应的电化学反应以产生可检测的电信号，以保证最终检测结果的精确可靠。
63.于一其他的实施例中，第三孔段213在背离第二孔段212的一端(底端)的内壁上也可以凸设有凸环。
64.于一其他的实施例中，气体浓度检测器1还包括过滤件，过滤件设于辅助盖600与固定凸环214之间，或者设于第三孔段213内，过滤件可以为活性炭或者高锰酸钾过滤药的粉状或块状固体，用于过滤去除干扰气体。
65.请参照图4，其为现有技术中气体传感器在无偏置电压的情况，响应电压与no气体浓度的曲线图。请参照图5，其为本技术一实施例提供的气体浓度检测器1对不同浓度的no气体的响应曲线图。请参照图6，其为本技术一实施例提供的气体浓度检测器1响应电压和no气体浓度的拟合函数图形。
66.于一实施例中，申请人对图2或图3所示的气体浓度检测器1以及现有技术中气体传感器进行了试验。
67.试验材料：不同已知浓度的no气体。其中浓度包括：0.5ppm(即0.5cm3/m3)、1ppm、1.5ppm和3ppm。
68.试验过程包括：
69.第一次，使用现有技术中气体传感器，不添加工作电极和参比电极中的偏置电压，使其处于无偏置电压的情况。先后通入浓度为1ppm的no气体、浓度为3ppm的no气体、浓度为0.5ppm的no气体、浓度为1ppm的no气体以及浓度为1.5ppm的no气体，并获取气体传感器的响应信号。响应信号可以是电压或电流。另外需要说明的是，第一次的试验也可以采用去除催化件500后图3中气体浓度检测器1。
70.第二次，使用保留催化件500的图3中气体浓度检测器1，不添加工作电极310和参比电极350中的偏置电压，也是处于无偏置电压的情况。先后通入浓度为1ppm的no气体、浓度为3ppm的no气体、浓度为0.5ppm的no气体、浓度为1ppm的no气体以及浓度为1.5ppm的no气体，并获取气体浓度检测器1的响应信号。响应信号可以是电压或电流。
71.试验结果如图4、图5和图6所示。
72.请参照图4，该图中，纵坐标表示气体传感器的工作电极310与对电极320之间的响应电压，横坐标表示试验时间，图中曲线表示在不同时间通入不同浓度的no气体时响应电压的变化。
73.该曲线中在不同时间通入不同浓度的no气体时响应电压的变化不大，从而可以得出结论采用在无偏置电压的情况，以及没有催化件500的情况下，气体传感器对no气体几乎没有任何响应，无法对no气体的浓度进行检测。
74.请参照图5，该图中，纵坐标表示气体浓度检测器1的工作电极310与对电极320之间的响应电压，横坐标表示试验时间，图中曲线表示在不同时间通入不同浓度的no气体时响应电压的变化。
75.该曲线中在不同时间通入不同浓度的no气体时响应电压的变化比较大，且较为规律，no浓度越大，响应电压变化越大，从而可以得出结论采用在无偏置电压的情况，设置催化件500的情况下，气体传感器对no气体的响应较为规律，从而可以对no气体的浓度进行检测。
76.请参照图6，该图中，纵坐标表示气体浓度检测器1的工作电极310与对电极320之间的响应电压，横坐标表示no气体浓度，图中实点表示图5的几次试验结果。图中虚线表示no气体浓度与响应电压之间的拟合函数。
77.图6的拟合函数为根据图5的试验结果进行分析得到，从而得到一个结论：no气体浓度与响应电压的关系为线性关系，其拟合函数为y＝0.0396x 0.0151；其中，y表示响应电压，x表示no气体浓度。
78.其中，图6中虚线与图5的试验结果的拟合度r2为0.9994，表示该拟合函数的拟合度高，可信度高。
79.综上，本技术的气体浓度检测器1通过增设催化件500，无需设置偏置电压，进行偏压控制，即可对不同浓度的no气体响应线性很好，可以实现对no气体浓度的准确测量。另外本实施例省略了偏压控制的过程，缩短了气体浓度检测器1稳定所需的时间，使用便利，且提高了气体浓度检测器1的工作效率。
80.于一实施例中，无需偏压的气体浓度检测方法包括如下步骤：步骤s110
‑
步骤s120。
81.步骤s110：令初始待测气体中的第一成分转化为第二成分，得到最终待测气体。
82.本步骤中，初始待测气体为纯气体，只包括第一成分。第一成分可以是n0，第二成分为no2，n0气体先在mno2等催化剂的作用下发生氧化反应：2no o2→
2no2，使得n0气体转化为no2气体。
83.步骤s120：检测得到最终待测气体中第二成分的浓度。
84.步骤s120得到的最终待测气体中第二成分的浓度就等于初始待测气体中第一成分的浓度。本步骤中可以令最终待测气体在电极处氧化或还原而测电流，得出最终待测气体中第二成分的浓度。例如，可以在零偏压下no2气体在工作电极310上进行电化学还原反应：no2 h

2e
‑
→
no 2h2o；在对电极320上发生水的氧化反应以平衡工作电极310的还原反应：此时可以通过检测工作电极310和对电极320上传输电子形成的反应电流来得到no2气体的浓度，得到的no2气体浓度就是n0气体的浓度。
85.故本实施例能够通过催化件500将初始待测气体中的第一成分转化为易于检测的第二成分，从而无需采用偏压检测的方式，即可通过检测第二成分的浓度得到第一成分的浓度。
86.需要说明的是，步骤s110
‑
步骤s120可以使用图2或图3所示的气体浓度检测器1，也可以使用其他设备。例如，步骤s110可以通过一个独立的设有催化剂(催化件500)的反应室进行氧化，步骤s120的检测还可以通过半导体气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器、固体电解质气体传感器等设备进行检测。
87.于一实施例中，无需偏压的气体浓度检测方法包括如下步骤：步骤s210
‑
步骤s240。
88.步骤s210：检测得到初始待测气体中第二成分的浓度。
89.初始待测气体为混合气，包括第一成分和第二成分。本步骤中先将初始待测气体中原有的第二成分的浓度测出，以备后续步骤s240的计算。
90.步骤s220：令初始待测气体中的第一成分转化为第二成分，得到最终待测气体。详细说明请参照步骤s110。
91.步骤s230：检测得到最终待测气体中第二成分的浓度。详细说明请参照步骤s120。
92.步骤s240：根据最终待测气体中第二成分的浓度和初始待测气体中第二成分的浓度，计算得到初始待测气体中第一成分的浓度。
93.由于步骤s230计算得到最终待测气体中第二成分的浓度为初始待测气体中第一成分的浓度和初始待测气体中第二成分的浓度之和。故将步骤s230所得数值减去步骤s210所得数值即可得到初始待测气体中第一成分的浓度。
94.需要说明的是，步骤s210的检测可以通过对no气体没有响应的no2专测传感器进行测量，可以是半导体气体传感器、电化学气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器、固体电解质气体传感器等。
95.步骤s220
‑
步骤s240可以使用图2或图3所示的气体浓度检测器1，也可以使用其他设备。例如，步骤s220可以通过一个独立的设有催化剂(催化件500)的反应室进行氧化，步骤s230的检测还可以通过半导体气体传感器、催化燃烧式气体传感器、热导式气体传感器、红外线气体传感器、固体电解质气体传感器等设备进行检测。步骤s240的计算可以通过气体浓度检测器1的处理器进行计算或者人工计算。
96.需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术中的实施例中的特征可以相互结合。
97.以上仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。