CN109997035B - 氧传感器的排气方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体检测器，该气体检测器包括：传感器(100)，该传感器被构造成检测该气体检测器周围的环境空气中的氧含量；外壳，该外壳被构造成密封围绕该传感器的一部分，从而形成该外壳的气密密封内部，同时使该传感器的至少一部分暴露在该外壳的外部上；以及压力平衡元件(112,114)，该压力平衡元件位于该传感器的所暴露的部分和该外壳的气密密封内部之间，该压力平衡元件(112,114)被构造成允许该外壳的密封内部的压力平衡。

Description

氧传感器的排气方法

相关申请的交叉引用

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关于联邦赞助

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背景技术

电化学气体传感器通常包括与电解质接触的电极，以用于检测气体浓度。电极通过耦接到连接器引脚的引线来电耦接到外部电路。当气体接触该电解质和该电极时，可发生反应，该反应可在电极之间产生电势差或使得电流在电极之间流动。所得信号可以与环境中的气体浓度相关联。

在一些情况下，传感器可用于在一系列环境条件下检测与传感器相邻的环境中的氧浓度。由于传感器内的压力、温度和气体含量的变化，电化学传感器诸如氧传感器在操作期间可经历许多问题。

发明内容

在一个实施方案中，用于氧气检测的方法可包括将压力平衡元件附接到传感器的顶表面；将该传感器安装在气体检测器上；围绕传感器密封该气体检测器的外壳，其中该压力平衡元件的至少一部分暴露在外壳的外部，并且其中该压力平衡元件的至少一部分位于密封外壳的内部；以及经由压力平衡元件来平衡密封外壳内的压力与外部压力。

在一个实施方案中，气体检测器可包括：传感器，该传感器被构造成检测气体检测器周围的环境空气中的氧含量；外壳，该外壳被构造成密封围绕该传感器的一部分，形成外壳的气密密封内部，同时使该传感器的至少一部分暴露在外壳的外部上；以及压力平衡元件，该压力平衡元件位于传感器的暴露部分和外壳的气密密封内部之间，被构造成允许外壳的密封内部的压力平衡。

在一个实施方案中，一种在气体检测器中使用的氧传感器，该氧传感器可包括：传感器外壳，该传感器外壳包括允许气体进入传感器的开口；位于该传感器外壳内的多个电极，其中多个电极包括工作电极和反电极；以及压力平衡元件，该压力平衡元件包括位于传感器的开口上方的第一区段和沿着传感器的侧面定位的第二区段，其中当传感器组装在气体检测器内时，该压力平衡元件的第一区段位于气体检测器的外部，并且该压力平衡元件的第二区段位于气体检测器的内部上。

附图说明

为了更完整地理解本公开，现在结合附图和具体实施方式参考以下简要描述，其中类似的附图标号表示类似的部分。

图1A至图1B示出了根据本公开实施方案的在气体检测器中使用的传感器。

图2示出了根据本公开实施方案的在气体检测器中使用的传感器的另一个视图。

图3示出了根据本公开实施方案的压力平衡元件。

图4示出了根据本公开实施方案的气体检测器的透视图。

图5示出了根据本公开实施方案的气体检测器的前视图。

图6示出了根据本公开实施方案的气体检测器的另一个前视图。

具体实施方式

首先应当理解，尽管以下示出了一个或多个实施方案的示例性实施方式，但是可以使用任何数量的技术(无论是当前己知的还是尚不存在的技术)来实现所公开的系统和方法。本公开决不应当限于下文所示的示例性实施方式、附图和技术，而是可以在所附权利要求书的范围以及其等同物的全部范围内进行修改。

以下简短术语定义应适用于整个申请文件：

术语“包括”意指包括但不限于，并且应以在专利上下文中通常使用的方式加以解释；

短语“在一个实施方案中”、“根据一个实施方案”等一般意指跟在该短语后的特定特征、结构或特性可包括在本发明的至少一个实施方案中，并且可包括在本发明的不止一个实施方案中(重要的是，这类短语不一定是指相同实施方案)；

如果说明书将某物描述为“示例性的”或“示例”，则应当理解为是指非排他性的示例；

术语“约”或“大约”等在与数字一起使用时，可意指具体数字，或另选地，如本领域技术人员所理解的接近该具体数字的范围；并且

如果说明书陈述了部件或特征“可以”、“能够”、“能”、“应当”、“将”、“优选地”、“有可能地”、“通常”、“任选地”、“例如”、“经常”或“可能”(或其他此类词语)被包括或具有特性，则特定部件或特征不是必须被包括或具有该特性。这种部件或特征可任选地包括在一些实施方案中，或可排除在外。

本公开的实施方案包括用于气体检测的系统和方法。气体检测器可包括被构造成检测气体检测器周围的环境空气中的特定气体的一个或多个传感器。

具体地讲，氧传感器(诸如氧气泵或消耗性阳极氧传感器)通常具有排气孔以最小化可以在传感器的内部部件(诸如湿润分离器)中产生的压差。如果没有排气孔，当传感器暴露于温度或压力变化时，可发生被称为“短时脉冲干扰”的效应。另外，氧气泵可以利用排气孔来排出可在传感器的反电极处产生的氧气。从设计的观点来看，通常方便地是，将通风口置于传感器的基部中。当传感器安装在气体检测器内时，该传感器可能排气到气体检测器的主体或外壳中，而不是排放到外部空气中。因此，可能需要将气体检测器自身排气到外部空气中，以确保放出的氧气不会在气体检测器内积聚并且避免在传感器上积聚压差。并非所有气体检测器均在外壳内具有此类排气孔，并且可能不希望对气体检测器进行改进以容纳排气传感器或氧气泵。

本公开的实施方案可包括位于传感器的顶部的附加部件，该附加部件被构造成允许气体检测器的内部容积与外部空气之间(例如，在气体检测器外壳的内部与外部环境之间)的排气，而不损害气体检测器的防水性质。该元件可被称为压力平衡元件。压力平衡元件可包括多孔带，该多孔带安装在传感器的顶部上而不是现有的防尘盖上(或除了该防尘盖之外)。该压力平衡元件可包括一个或多个部分(诸如突片)，其被构造成从传感器的顶部延伸到气体检测器的内部，从而经由传感器外壳中的现有开口提供气体通道，以在气体检测器的内部和外部之间提供压力平衡。

现在参见图1A至图1B，示出了示例性传感器100，其中传感器100包括传感器外壳102，在传感器外壳102的顶表面上具有开口104。开口104可允许来自环境的气体进入传感器100(从而允许传感器102检测环境内的特定气体)。在一些实施方案中，传感器100可包括氧传感器，并且可被构造成确定环境空气中的氧含量。如图1A至图1B所示，传感器100还可包括压力平衡元件110。该压力平衡元件110可包括第一区段112和一个或多个第二区段114。在所示的实施方案中，第一区段112可被成形为配合在传感器外壳102的开口104上。在一些实施方案中，第一区段112可以是圆形形状的，以匹配传感器外壳102的形状。在图1A至图1B所示的实施方案中，第二区段114可包括从第一区段112延伸的一个或多个突片。第二区段114可被构造成在气体检测器的外壳内延伸(如下文进一步描述的)。如图1B所示，压力平衡元件110的第一区段112可以位于传感器外壳102的顶表面上，而第二区段114可以向下折叠并沿着传感器外壳102的侧表面定位。在一些实施方案中，压力平衡元件110可以经由粘合剂和/或热密封来围绕传感器100的开口104密封。某些材料可以用于压力平衡元件110，其可以被热密封并仍然具有流动穿过材料的气流。

传感器100的开口104可以允许样品气体进入传感器外壳102以被传感器100“感测”或检测。因此，样品气体也可在进入传感器主体102之前通过压力平衡元件110。然而，样品气体进入开口104的路径长度可以大大短于气体经由压力平衡元件110从传感器排出的路径长度。样品气体可以仅行进压力平衡元件110的厚度，而排出的气体可以行进压力平衡元件110的横向长度，其中该横向长度可以显著大于该厚度。另外，经由该压力平衡元件流出传感器和/或气体检测器的任何氧气(或其他气体)的体积可以忽略不计，因此可能不会影响传感器读数。

在一些实施方案中，传感器100可包括排气孔103，用于排出可在传感器100的反电极处产生的氧气。由于传感器100的构造，可能方便的是，使排气孔103位于传感器100的基部处或附近。当传感器100安装在气体检测器中时，排气孔103可以位于气体检测器的外壳内。压力平衡元件110可包含疏水性材料。

参见图2，在一些实施方案中，盖件106可以装配到传感器外壳102上，其中盖件106可以将压力平衡元件110附接并保持到传感器100。在一些实施方案中，盖件106可以经由粘合剂和/或热密封围绕传感器100的开口104密封。

参见图3，示出了压力平衡元件110的示例性图。一般来讲，压力平衡元件110的尺寸可被设定为覆盖气体传感器的顶部，同时使第二区段114围绕气体传感器的周边延伸。这可以允许压力平衡元件110围绕气体检测器中的开口密封，同时允许第二区段114延伸到外壳的内部并且在外壳的内部和外部环境之间提供气体通道。

在压力平衡元件110的一个实施方案中，该元件的总长度302可以是大约51毫米(mm)。在压力平衡元件110的实施方案中，第二区段114的长度304可以是大约17mm。在压力平衡元件110的实施方案中，第二区段114的宽度306可以是大约6mm。在压力平衡元件110的实施方案中，第一区段112的直径308可以是大约18mm。

上面列出的尺寸可以是一个示例，并且压力平衡元件110的尺寸和形状可被设定成配合与其附接的传感器。本公开中可包括任何尺寸或形状，而压力平衡元件至少部分地定位在气体检测器的外壳内，并且至少部分地定位在气体检测器的外壳外。

在一些实施方案中，压力平衡元件110可包括多孔材料。在一些实施方案中，压力平衡元件110可包括防水材料。压力平衡元件110的防水性可以允许材料用作外部环境和气体检测器内部之间的防水隔断，使得气体检测器保持防水性，同时仍在气体检测器的内部和外部之间提供气体通道。

在一些实施方案中，压力平衡元件110可包含聚四氟乙烯(PTFE)材料。在一些实施方案中，压力平衡元件110可包含允许气体流过材料的多孔材料。在一些实施方案中，压力平衡元件110可包含大约7至14升/小时/cm²的典型气流(穿过材料)。在一些实施方案中，压力平衡元件110可包含具有足够(即，足够高)进水压力(WIP)的材料，以保持仪器的进入防护等级。换句话说，压力平衡元件110可以有助于整个传感器100以及传感器100可以结合到其中的任何其他装置的防水性。

参见图4和图5，传感器100被示出为附接到气体检测器400的其他元件。气体检测器400可包括电源，诸如电池404。气体检测器400可包括控制器，诸如印刷电路板(PCB)402。气体检测器400可包括用户界面，诸如显示器406。

在一些实施方案中，传感器100可以附接到控制器402(或至少与其连接)。传感器100的顶表面可以与控制器402的附件相对地定位。压力平衡元件110的第一区段112可以通过盖件106暴露。压力平衡元件110的第二区段114可以位于盖件106下方并且从盖件106沿着传感器外壳102的侧面向下延伸。

参见图6，图4和图5中所示的气体检测器400的元件可以被外壳420覆盖。外壳420可被构造成围绕传感器100密封，从而暴露传感器100的顶表面。在一些实施方案中，外壳420可以与传感器100的盖件106密封。外壳420可被构造成围绕气体检测器400的其他元件形成防水密封，从而保护气体检测器400免受水损坏。在一些实施方案中，外壳420可以围绕用户界面406密封，从而允许用户访问用户界面406。如图6所示，当外壳420就位时，压力平衡元件110的第一区段112可以通过盖件106暴露，而第二区段114(如上所示)可以位于外壳420的内部中。

当气体检测器400在使用时，压力平衡元件110可以允许外壳420内的压力与外壳420外部的压力相等。外壳420内的压力可由于外部压力变化、温度变化、湿度变化和/或传感器100在使用期间产生气体而发生变化。例如，传感器100的排气孔103(如上所示)可以位于外壳420内，使得从传感器100排出的任何气体被排放到外壳420的内部。外壳420的排气可通过气体流动穿过压力平衡元件110来实现。在一些实施方案中，压力平衡元件110可以形成位于外壳420的内部和外壳420的外部之间的唯一气体通道，使得外壳以其他方式密封(例如，形成气密密封)。

实施例

在测试具有压力平衡元件110的示例性气体检测器400期间，将气体检测器400与不具有压力平衡元件的典型气体检测器进行比较。当将两个气体检测器从室温(约20℃)带到约-20℃的环境时，具有压力平衡元件的气体检测器未发出警报。然而，不具有该压力平衡元件的气体检测器发出高O₂警报(大约24％O₂，然后“超出限制”)。

类似地，当将两个气体检测器从-20℃返回到室温环境时，具有压力平衡元件的气体检测器未发出警报。然而，不具有压力平衡元件的气体检测器发出低O₂警报(大约17％O₂)。

该测试表明，具有压力平衡元件的气体检测器能够适应(并平衡)由于温度变化而发生在气体检测器的外壳内的压力变化，同时仍保持精确的传感器读数。

本文已描述了各种设备和方法，示例性实施方案或方面可包括但不限于：

在第一实施方案中，用于氧气检测的方法可包括将压力平衡元件附接到传感器的顶表面；将传感器安装在气体检测器上；围绕传感器来密封气体检测器的外壳，其中该压力平衡元件的至少一部分暴露在外壳的外部，并且其中该压力平衡元件的至少一部分位于密封外壳的内部；以及经由该压力平衡元件来平衡密封外壳内的压力与外部压力。

第二实施方案可包括第一实施方案的方法，还包括允许气体流动穿过压力平衡元件以平衡密封外壳内的压力。

第三实施方案可包括第一实施方案或第二实施方案的方法，其中压力平衡元件包括第一区段和第二区段，其中第一区段位于传感器的顶表面上，并且其中第二区段位于传感器的侧表面上。

第四实施方案可包括第一实施方案至第三实施方案中任一实施方案的方法，其中将压力平衡元件附接到传感器的顶表面包括在压力平衡元件和传感器的顶表面上安装盖件。

第五实施方案可包括第一实施方案至第四实施方案中任一实施方案的方法，还包括将传感器排气到密封外壳中。

第六实施方案可包括第一实施方案至第五实施方案中任一实施方案的方法，其中传感器包括氧传感器。

第七实施方案可包括第六实施方案的方法，还包括将在氧传感器的反电极处产生的氧气排放到密封外壳中。

第八实施方案可包括第一实施方案至第七实施方案中任一实施方案的方法，其中压力平衡元件包含PTFE材料。

在第九实施方案中，气体检测器可包括：传感器，该传感器被构造成检测气体检测器周围的环境空气中的氧含量；外壳，该外壳被构造成密封围绕传感器的一部分，形成外壳的气密密封内部，同时使传感器的至少一部分暴露在外壳的外部上；以及压力平衡元件，该压力平衡元件位于传感器的暴露部分和外壳的气密密封内部之间，被构造成允许外壳的所述密封内部的压力平衡。

第十实施方案可包括第九实施方案的气体检测器，还包括盖件，该盖件被构造成装配在压力平衡元件和传感器的顶表面上。

第十一实施方案可包括第十实施方案的气体检测器，其中外壳被构造成与盖件密封。

第十二实施方案可包括第九实施方案至第十一实施方案中任一实施方案的气体检测器，其中压力平衡元件包括位于传感器的顶表面上的第一区段和位于传感器的侧表面上的第二区段。

第十三实施方案可包括第九实施方案至第十二实施方案中任一实施方案的气体检测器，其中压力平衡元件被构造成在有或没有大量气体流动穿过压力平衡元件的情况下允许压力平衡。

第十四实施方案可包括第九实施方案至第十三实施方案中任一实施方案的气体检测器，其中该传感器被构造成将传感器内产生的任何气体排放到密封外壳中，从而在密封外壳的内部和外部之间形成压差。

第十五实施方案可包括第九实施方案至第十四实施方案中任一实施方案的气体检测器，其中该传感器包括氧传感器，并且其中在氧传感器的反电极处产生的氧气被排放到密封外壳中。

在第十六实施方案中，一种在气体检测器中使用的氧传感器，该氧传感器可包括：传感器外壳，该传感器外壳包括允许气体进入传感器的开口；位于该传感器外壳内的多个电极，其中多个电极包括工作电极和反电极；以及压力平衡元件，该压力平衡元件包括位于传感器的开口上方的第一区段和沿着传感器的侧面定位的第二区段，其中当传感器组装在气体检测器内时，该压力平衡元件的第一区段位于气体检测器的外部，并且该压力平衡元件的第二区段位于气体检测器的内部。

第十七实施方案可包括第十六实施方案的氧传感器，其中压力平衡元件被构造成允许气体检测器的内部与气体检测器的外部之间的压力平衡。

第十八实施方案可包括第十六实施方案或第十七实施方案的氧传感器，其中该传感器被构造成将在反电极处产生的氧气排放到气体检测器的内部。

根据第十六实施方案至第十八实施方案中任一项所述的第十九实施方案氧传感器，其中压力平衡元件包含PTFE材料。

第二十实施方案可包括第十六实施方案至第十八实施方案中任一实施方案的氧传感器，进一步包括被构造成装配在传感器的开口和压力平衡元件上方的盖件，从而将压力平衡元件附接到传感器。

尽管上文已经示出和描述了根据本文所公开的原理的各种实施方案，但在不脱离本公开的实质和教导的情况下，本领域的技术人员可以对其做出修改。本文所述的实施方案仅是代表性的而并非意在进行限制。许多变化、组合和修改都是可能的，且在本公开的范围之内。由于合并、整合和/或省略一个或多个实施方案的特征而得到的替代实施方案也在本公开的范围之内。因此，保护范围不受上面给出的描述的限制，而是由以下的权利要求限定，该范围包括权利要求书的主题的所有等价物。每一项权利要求作为进一步的公开内容并入说明书中，且权利要求书为一个或多个本发明的一个或多个实施方案。此外，任何上述优点和特征可涉及特定实施方案，但不应将这些公布的权利要求书的应用限制为实现任何或所有以上优点或具有任何或所有以上特征的方法和结构。

另外，本文所使用的章节标题是为了与37C.F.R.1.77的建议一致或者提供组织线索。这些标题不应限制或表征可以从本公开公布的任何权利要求书中所阐述的一个或多个发明。具体地并且以举例的方式，尽管标题可能是指“技术领域”，但权利要求书不应被该标题下所选择的语言限制为描述所谓的领域。此外，“背景技术”中的技术的描述不应被解读为承认某项技术是本公开中的任何一个或多个发明的现有技术。“发明内容”也不应被认为是在公布的权利要求中所阐述的一个或多个发明的限制性表征。此外，本公开中对单数形式的“发明”的任何提及不应被用于证明在本公开中仅有一个新颖点。根据从本公开公布的多个权利要求的限制，可以阐述多个发明，并且这些权利要求相应地限定了由其保护的一个或多个发明及其等同形式。在所有情况下，这些权利要求的范围应根据本公开按照权利要求自身的优点来考虑，而不应受到本文所陈述的标题的限制。

应当理解，使用广义的术语如“包含”、“包括”和“具有”提供对狭义的术语如“由…组成”、“基本上由…组成”和“基本上由…构成”的支持。针对实施方案的任何元件使用术语“任选地”、“可”、“可能”、“有可能地”等意指该元件是不需要的，或另选地，该元件是需要的，两种替代方案均在一个或多个实施方案的范围之内。另外，对示例的提及仅仅用于说明目的，并非意在是排他性的。

尽管本公开中提供了若干实施方案，但应当理解，在不脱离本公开的实质或范围的情况下可以通过许多其他具体形式来体现所公开的系统和方法。本发明示例应被认为是例示性的而非限制性的，并且本发明并非局限于本文中给出的细节。例如，可以将各种元件或部件结合或集成到另一个系统中，或者可以省略或不实现某些特征。

此外，在不脱离本公开的范围的情况下，可以将在各个实施方案中被描述和示出为分立或独立的技术、系统、子系统和方法与其他系统、模块、技术或方法结合或集成。被示出或讨论为彼此直接耦接或通信的其他项可以通过一些接口、设备或中间部件间接耦接或通信，而不论是通过电、机械还是其他方式进行这种耦接或通信。本领域技术人员可确定并且在不脱离本文所公开的实质和范围的情况下可以做出变化、替换和变更的其他示例。

Claims (8)

1.一种用于氧气检测的方法，包括：

将包括传感器（100）的气体检测器（400）暴露于环境，其中所述气体检测器（400）包括：

压力平衡元件（110），所述压力平衡元件（110）耦接到所述传感器（100）的顶表面，其中所述压力平衡元件（110）包括第一区段（112）和第二区段（114），其中所述第一区段（112）位于所述传感器（100）的顶表面上，并且其中所述第二区段（114）位于所述传感器（100）的侧表面上；和

外壳（420），其中所述气体检测器（400）的所述外壳（420）围绕所述传感器（100）密封，其中所述压力平衡元件（110）的第一区段暴露于所述外壳（420）的外部，并且其中所述压力平衡元件（110）的第二区段位于所述外壳（420）的内部内；

由所述传感器（100）检测样品气体，其中所述样品气体在第一区段中通过所述压力平衡元件（110）的厚度进入所述传感器主体（102）；以及

经由所述压力平衡元件（110）来平衡密封外壳（420）内的压力与所述环境的外部压力，其中气流沿所述压力平衡元件（110）的至少一部分的横向长度行进，并且其中所述横向长度显著大于所述压力平衡元件（110）的厚度。

2.根据权利要求1所述的方法，其中通过所述传感器（100）检测所述样品气体包括允许所述样品气体经由开口（104）进入所述传感器主体（102），并且其中所述压力平衡元件（110）围绕所述开口（104）密封。

3.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述传感器（100）排气到所述密封外壳（420）中。

4.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器（100）包括氧传感器。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括将在所述氧传感器的反电极处产生的氧气排放到所述密封外壳（420）中。

6.一种气体检测器（400），包括：

传感器（100），所述传感器被构造成检测所述气体检测器（400）周围的环境空气中的氧含量，其中样品气体经由开口（104）进入所述传感器主体（102）；

外壳（420），所述外壳被构造成围绕所述传感器（100）的一部分密封，从而形成所述外壳（420）的气密密封内部，同时使所述传感器（100）的至少一部分暴露在所述外壳（420）的外部上；和

压力平衡元件（110），所述压力平衡元件位于所述传感器（100）的所暴露的部分和所述外壳（420）的所述气密密封内部之间，所述压力平衡元件被构造成允许所述外壳（420）的所述密封内部的压力平衡；其中所述压力平衡元件（110）围绕所述传感器主体（102）的所述开口（104）密封，

其中所述压力平衡元件（110）包括位于所述传感器（100）的顶表面上的第一区段（112）和位于所述传感器（100）侧表面上的第二区段（114），其中所述压力平衡元件（110）的第一区段暴露于所述外壳（420）的外部，并且所述压力平衡元件（110）的第二区段位于所述外壳（420）的内部内；

其中所述压力平衡元件（110）横向长度显著大于所述压力平衡元件（110）的厚度。

7.根据权利要求6所述的气体检测器（400），还包括盖件（106），所述盖件被构造成配合在所述压力平衡元件（110）和所述传感器（100）的顶表面之上。

8.根据权利要求6所述的气体检测器（400），其中所述传感器（100）被构造成将所述传感器（100）内产生的任何气体排放到所述密封外壳（420）中，从而在所述密封外壳（420）的内部和外部之间形成压差。

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