专利名称：温度补偿电化学气体探测器和跟踪气体温度变化的方法
技术领域：
本发明涉及用于发射气体混合物中的电化学活性气体(例如氧气)浓度的电信号的电化学气体探测器，特别是涉及改进的装置和用于紧密跟踪作用于气体探测器上的气体温度变化以便进行精确地温度变化补偿的方法。
在精确探测气体混合物中的电化学活性气体(例如氧气)浓度的现有技术中，电化学气体探测器是公知的。气体的浓度根据存在的活性气体而产生的电信号变成外部发射的信号，所述的活性气体在气体探测器的阴极电极表面上发生氧化或还原反应。这些气体探测器由浸在液体电解质中的阳极和阴极电极组成。来自这些气体探测器的电输出信号以相应于被探测的活性气体分压的电流形式存在。这个电流信号由跨接在气体探测器输出端的合适电阻转换成一个电压信号，借此产生一个毫伏级的电压信号。通常把一个印刷电路板安装在气体探测器的背面，在该印刷电路板上有一个适合的产生电压输出信号的电阻。人们都知道，这个气体探测器的输出信号与所用的气体混合物的温度有关。探测器的输出信号随着所用气体的温度上升而增大。在输出信号中的这种变化是由于通过探测器输入膜片的气体混合物扩散率变化引起的。在较高温度下，由于通过气体探测器输入膜片的扩散率较高，所以输出的电信号增大。其结果是，输出信号的增加导致了被探测气体浓度的错误输出信号。为了补偿由于温度变化引起的这些输出信号和提供准确的输出信号，通常把一个适合的热敏电阻安装在位于气体探测器后面的印刷电路板上。这个热敏电阻提供了一个供调整或补偿所用气体温度变化的探测器输出信号。这样就使气体探测器能够提供在各种温度下被测活性气体浓度的准确测量值，而不需进行其它的校正。这些气体探测器在前侧有一个供接收待分析气体混合物的探测膜。一个电解液池放置在该输入探测膜和一个膨胀膜之间。该热敏电阻与电解液隔开放置。现已发现这个已有技术中的热敏电阻在气体探测器中的布置为了提供一个温度补偿信号而需要一个长的时间使加到探测器上的气体混合物的温度变化达到平衡。一旦气体混合物作用到探测器上，在这些已有技术的气体探测器布置中的热电阻就立刻暴露到待分析的气体中，同时对探测器主体而言，要发现所作用的气体混合物温度的变化需花费30-40分钟。这个时间延迟的结果是由于热敏电阻完成这个调整而需要有一个低的初始读数。这个时间延迟可以在30分到一小时的范围内。在一些医学应用领域中必须通过严格的护理装置监测供给病人的氧浓度，这个延迟时间可能是太长，与这个延迟温度跟踪有关的误差可以达到病人所需氧气的10％，并且可能对病人造成损害。于是需要一种改进的装置和方法，该装置和方法能更紧密地跟踪和补偿由于作用到气体探测器上的待分析的气体混合物的温度改变而引入的误差的探测器电输出信号。
本发明涉及一种改进的和更灵敏的电化学气体探测器，其具有改进的方法和用于跟踪作用到探测器上的气体温度变化的装置，该跟踪装置能使温度补偿信号迅速发展和利用并且没有任何时间延迟，从而提供正确的温度补偿输出信号，借此提供表示作用到气体探测器上的待分析的电化学活性气体的浓度的精确电输出信号。上述优点是在较小地改变生产改进的气体探测器的成本而产生的。
从结构观点上看，这个改进的电化学气体探测器包括固定在一个膨胀膜附近的热敏电阻件，该膨胀膜与气体探测器电解液相接触并且以相对传送到气体探测器的待探测气体的温度基本上热绝缘的关系包围电解液，以便使待探测气体温度的任何变化不直接传递给热敏电阻件，借此使气体探测器和热敏电阻件两者基本同时经历待检测气体温度的任何变化，以便使该热敏电阻件响应被探测气体的被探测温度变化提供电输出信号，并且在待探测气体温度变化和由该热敏电阻件提供的电输出信号之间基本上没有任何时间延迟。
从广义方法的观点上看，本发明包括提供一个电化学气体探测器，以便提供响应作用到气体探测器上的含有在其中被检测的电化学活性气体的气体混合物由于阴极反应而产生的电输出信号，借此该电输出信号表示随着气体混合物的温度变化而变化的探测的电化学活性气体的浓度，借此得到由于气体混合物温度改变而产生的误差电输出信号，为了尽可能减少直接把热传导到热敏电阻上而将热敏电阻以预先选定的热绝缘方式安装在气体探测器上，从而使气体探测器主体和热敏电阻装置基本上同时暴露到气体混合物的温度变化中，借此，可以无任何时间延迟地精确补偿来自气体探测器的电输出信号，从而提供一个与作用的气体混合物温度变化无关的被探测气体浓度的精确输出信号。
本发明的方法包括下述步骤，将热敏电阻安装在靠近气体探测器的电解液附近的散热件和提供若干个重叠在气体探测器上的热绝缘器，热敏电阻引线成螺旋线圈形式并可与气体探测器输出侧电连接。
按照下列说明和附图可以更完整地评价本发明的这些和其它特征，其中
图1是用热敏电阻进行温度补偿的现有技术的电化学气体探测器的剖面图；图2是表示因作用于气体探测器上的气体混合物温度上升而导致图1中气体探测器的电输出信号发生变化的曲线图；图3是表示具有紧密跟踪作用于气体探测器上的气体混合物温度变化并利用了本发明技术的电化学气体探测器的剖面图；图4是从非平面的热敏电阻顶部向图3中的气体探测器背面观察时的示图，其用虚线部分地示出了螺旋状装配的热敏电阻引线；图5是图4所示的热敏电阻装置的侧视图；图6是图3中的气体探测器使用的印刷线路板组件的分解俯视图；图7是表示因作用于气体探测器上的气体混合物温度增加而引起图3-6的气体探测器的电输出信号发生变化的曲线图。
考虑电化学气体探测器目前的结构和借助热敏电阻对该气体探测器的电输出信号进行温度补偿中存在的问题，能够更好地理解为何需对在此描述的技术进行改进和这个新的结构的优点。图1中示出了作为现有技术中的利用在气体探测器的气体探测阴极电极12产生阴极反应的伽伐尼(galvanic)型气体探测器的电化学气体探测器10。当阴极电极12和相关的阳极电极14被存放在限定探测器10主体的容器18中的合适电解液16润湿时，其响应作用到气体探测器10上的气体混合物产生阴极反应。电解液16有一个限定在薄探测膜20和膨胀膜22之间的预先选定的体积，两个膜在阴极电极12与阳极电极14的相对侧上彼此相隔分布。容器18的后侧被图中示出的与膜22隔开并且安装有一个热敏电阻26和若干个电阻28的印刷电路板24封闭。电连接器30与印刷电路板24相连，以便使由上述阴极反应产生的电输出信号和热敏电阻产生的信号组合起来，以便用公知的方式补偿作用在气体探测器10上的气体混合物的温度改变。这个结构是现有技术中典型的伽伐尼型电化学气体探测器的结构，它能探测电化学活性气体(例如以百万分之一的量级作用到该气体探测器上的气体混合物中的氧)的浓度。本技术领域中的普通技术人员应该认识到，本发明也适合于包括极谱式气体探测器在内的其它类型的气体探测器。
如图1所示，图中示出了容器18的开放端，该开放端上具有一个用于接收加到气体探测器10上的气体混合物的开放端螺纹件32。这使得气体探测器10可通过螺纹连接到一个用于接收流过并冲击到探测膜20的气体混合物的适合气体组件上。这样的气体组件可以由铝或塑料构成。气体组件在图1中用虚线示出，其固定在图1中的部件32上。当待分析的气体混合物作用到气体探测器10上时，在气体混合物中的电化学活性气体的浓度产生一个阴极电流，该电流是由于活性气体的氧化或还原产生的，由探测器10提供代表在气体混合物中的活性气体浓度的电流输出信号。这个电流信号可以通过跨接在探测器10输出端上的适合的输出电阻转换成电压信号。例如安装在印刷电路板24上的10Ω电阻可以将输出电流转换成毫伏级的电压信号。大家都知道，来自探测器10的电输出信号还与作用到气体探测器上的气体混合物的温度和温度变化有关。电输出信号的大小随着被检测或被分析的气体混合物温度的增加而增加。输出信号中的这个变化是由于通过薄探测膜20的作用气体的扩散率变化引起的。在比较高的气体温度下，由于通过探测膜的作用气体的扩散率提高而使输出的电信号增大，从而使产生的输出信号中错误地发射作用气体混合物中被探测活性气体的浓度信号。为了使气体探测器10提供一个代表作用到气体探测器上的气体温度变化的电输出信号，现有技术的气体探测器利用一个安装在印刷电路板24上的热敏电阻26形式的温度探测装置。利用热敏电阻的输出信号作为补偿探测器产生的误差输出信号的温度补偿信号，以便提供一个补偿温度变化的校正过的输出信号并且如众所周知，不需其它的校正。为了抵消以一种公知电路方式产生信号的探测器的温度分量而采用热敏电阻信号。正如从图1中可以看到地那样，立即将热敏电阻26暴露到待分析的气体混合物中，其结果发射一个温度改变信号，这个温度改变导致从气体探测器10产生一个初始的低误差输出信号。大家都知道，气体探测器主体在正确地发射所加的气体混合物中的温度信号之前需要花费30-40分钟左右的时间来进行温度的改变。已经发现，提供精确的电输出信号这个时间延迟在30分到1小时。对于在一个严格护理装置监测下的病人而言，例如监测氧的供给，这个时间延迟时间太长了，并且因热敏电阻跟踪的延迟温度引入的误差可以达到所需的氧供给量的10％以上，并且可能对病人有害。
由热敏电阻26跟踪误差温度引入的气体探测器10的时间延迟的曲线示在图2中，试验是在温度从24℃至40℃变化对三种不同类型气体探测器10进行的。在图2中的垂直线间的间隔代表5分钟时间。当探测器主体吸收随时间的温度变化时，由于热敏电阻26立即受到在数值上逐渐增加的温度变化的影响，三个气体探测器都发射一个数值上立即降低的电输出信号。在为探测器主体和有关的元件达到改变温度(在上述例子中为40℃)所需要的时间延迟周期后这个电输出信号达到一个稳定状态。图2的探测器的该延迟周期可以认为高达30分钟左右。
考虑到上述现有技术的结构和问题，就可以结合图3-6所示的结构和图7的曲线研究本发明的改进的气体探测器10′。图3示出了图1的伽伐尼型电化学气体探测器10的基本结构，而且还示出了用于探测所用的气体温度和跟踪温度并且不引入现有技术结构的时间延迟的改进布置。按照本发明的热敏电阻26以与气体探测器主体和作用到气体探测器10′上的气体基本上成热绝缘的关系安装在非常靠近液体电解液的膨胀膜22附近，从而排除了在气体温度变化期间与跟踪作用到气体探测器上的气体温度有关的现有技术中存在的延时。
为此目的，如图3所示用散热化合物34例如氧化锌或硅酮把热电阻26封装在膨胀膜22的后侧。通过这种方式，使被分析气体的任何温度变化都不会直接传递给热敏电阻26产生误差信号输出。热敏电阻26用的引线是一根长度约3-4英寸的电绝缘电缆26c，并且将其每根单独的引线连接在印刷电路板24的点“4”上，见图4和6。
把热敏电阻26组装到气体探测器10′上的另一重要特征是提供一个热绝缘装置，该装置安排在散热化合物34和在印刷电路板24上的印刷电路板器件的顶部之间，见图3和5。如图所示，该绝缘装置由三层彼此重叠在散热化合物34和印刷电路板24之间的独立的泡沫材料层组成。这些独立的泡沫材料绝缘层彼此具有不同的尺寸，并且在附图中(特别是图5)从顶到底标为层36、38和40。顶部绝缘性能最高的层36位于热敏电阻26和散热化合物34之下，并且尺寸[直径]在这三个绝缘层中最小。底部绝缘层40的直径最大，而绝缘层38的直径在绝缘层36和40之间。这三个绝缘层的厚度大致相同，并且联合占有散热化合物34和印刷电路板24之间的空间。这三个绝缘层排列成如图5所看到的阶梯关系。热敏电阻26用的绝缘电缆26c成螺旋状或成蛇状布置在重叠层间的绝缘层36、38和40之间，见图3和4，电缆26c的独立引线连接在印刷电路板24的点“4”上，见图4和6。
在上述固定绝缘热敏电阻26的方式中，可以使作用到气体探测器10′上的气体混合物的任何温度变化都不能直接传递给热敏电阻26，因为气体探测器容器或主体18两者基本上同时经历气体温度变化。因此，被气体探测器10′和热敏电阻26产生的电输出信号在组合时可以正确地补偿由于探测温度变化而使探测器产生的电输出信号，从而使最终经温度补偿的电输出信号真正表示气体探测阴极电极上产生的信号，而没有任何由于温度变化引起的错误的增加或减小。
以与探测器10相同的方式对气体探测器10′进行试验并且在图7中绘出作用气体从24℃到40℃变化时探测器的温度变化曲线。在图7中，示出了六个探测器立刻达到平衡状态时的输出信号，没有发生现有技术装置中的电输出信号的任何错误的增加或降低。
本技术领域内的普通技术人员应该了解，本发明在精确跟踪作用到气体探测器上的气体混合物的温度变化方面优于现有技术，从而能提供更灵敏和更精确的补偿电输出信号，这些补偿信号能更好地跟踪温度变化。这个跟踪结果是由于热敏电阻响应作用到液体电解质上的温度变化产生的，并且不是由探测器本体的温度变化引起的。
权利要求
1.一种用于探测待分析的气体混合物中电化学活性气体例如氧气的浓度并且提供代表被探测的浓度的探测器电输出信号的电化学气体探测器，该气体探测器包括一个具有一个开放端的绝缘探测器容器，其适合于将液体电解质储存在该容器中；用于限定一个支承在该容器内靠近该绝缘探测器容器开口端的探测阴极电极件；一个与阴极电极紧密接触固定在所述容器的所述开口端上的可透气体而不透液体的膜，该膜具有一个预先选定的薄的厚度，以便限制待探测气体的扩散和将气体传送给该阴极；一个固定在该探测器容器内的膨胀膜，该膜与该开口端隔开一个预先选定的距离，以便把电解质储存在所述可透气体膜和该膨胀膜之间的空间中；一种存储在所述可透气体的膜和膨胀膜之间的空间中的液体电解质；用于限定固定在靠近膨胀膜的电解质中的阳极电极的部件，该部件的改进包括将热敏电阻件以相对传送给可透气体膜的待探测气体温度基本上热绝缘的方式安装在膨胀膜附近，以便使待探测气体的任何温度变化都不能直接传送给热敏电阻件，从而使探测器和热敏电阻件基本上同时经历待探测气体温度的任何变化，借此所述的热敏电阻件响应探测出的温度变化提供电输出信号，并且在温度变化和用于对所述探测器电输出信号进行温度补偿的热敏电阻的电输出信号之间基本上没有任何时间延迟。
2.如权利要求1所述的那种类型的电化学气体探测器，其中，所述的热敏电阻件用热绝缘件固定到所述膨胀膜上，以便实际上只对所述电解质的温度变化敏感，从而对由所述气体探测器产生的输出信号提供温度补偿信号。
3.如权利要求2所述的那种类型的电化学气体探测器，其中，所述的热敏电阻件用散热件固定到所述膨胀膜上，并且还包括一个用于相对于所述开口端封闭所述绝缘容器端部的印刷电路板、若干个重叠在所述热敏电阻件和所述印刷电路板之间的热绝缘件，这些绝缘件用于将从所述待探测气体向热敏电阻件直接传热将至最低程度，该热敏电阻件有一个成螺旋状布置在所述重叠的热绝缘件之间并且连到所述电路板上的绝缘电缆。
4.如权利要求3所述的那种类型的电化学气体探测器，其中，所述若干热绝缘件包括不同尺寸的独立绝缘件，这些绝缘件的尺寸从靠近所述热敏电阻到所述印刷电路板是递增的。
5.如权利要求3所述的那种类型的电化学气体探测器，其中，所述若干热绝缘件包括三层重叠在所述热敏电阻和印刷电路板之间的热绝缘件，靠近所述热敏电阻的热绝缘件尺寸最小，靠近所述印刷电路板的热绝缘件尺寸最大，第三绝缘件的尺寸比最小的绝缘件大，而比最大的绝缘件小，并且叠加在该最小和最大绝缘件之间，所述的绝缘热敏电阻有成螺旋线圈状的引线，在最小的和第三绝缘件之间以及在最大和第三绝缘件之间螺旋圈的直径递增，并且与所述印刷电路板电连接。
6.一种补偿电化学气体探测器的方法，该电化学气体探测器用于探测由于作用到电化学气体探测器上的气体混合物的温度变化的待分析的气体混合物中电化学活性气体例如氧气的浓度，该气体探测器提供由于阴极反应而产生的代表待探测活性气体浓度的电输出信号，该信号对作用的气体混合物中的任何温度变化进行补偿；该方法包括下述步骤提供一个具有被电解液润湿的气体探测阴极和阳极并适合于响应把具有待探测电化学活性气体的气体混合物作用到该气体探测阴极上并且由于产生阴极反应提供一个电输出信号的电化学气体探测器，因此，该电输出信号代表被检测的电化学活性气体浓度，该电输出信号的特征还在于其随着作用到探测器上的气体混合物的温度变化而变化，导致一个由温度变化引起的误差输出信号；将热敏电阻以一种预选的热绝缘方式安装在探测器上，以便将向所述热敏电阻进行直接热传递降至最低，因此使所述的气体探测器和所述热敏电阻基本上同时受到待探测气体的温度变化，从而无延时地对来自探测器的电输出信号进行补偿并且提供代表实际探测气体浓度的随着探测气体的温度变化进行准确的温度补偿的输出信号。
7.如权利要求6所述的一种补偿电化学气体探测器的方法，该电化学气体探测器用于探测由于作用到电化学气体探测器上的气体混合物的温度变化的待分析的气体混合物中电化学活性气体例如氧气的浓度，该气体探测器提供由于阴极反应而产生的代表待探测活性气体浓度的电输出信号，该信号对作用的气体混合物中的任何温度变化补偿；该方法包括下述步骤提供一个具有绝缘容器的电化学探测器，该容器中装有一个探测阴极、阳极和一个润湿该阴极和阳极以便在电化学活性气体作用到安装在绝缘探测器容器中的气体探测阴极上时产生阴极反应预定量的电解液；将温度敏感电阻紧靠近电解液的体积固定在绝缘的探测器容器上，以便紧密跟踪待探测气体的温度变化，从而在没有任何时间延迟的情况下响应该温度变化提供温度补偿信号，并与由气体探测器提供的电输出信号组合，从而由补偿信号和电输出信号的组合提供精确代表作用到气体探测器上的气体混合物中的被检测活性气体浓度的补偿电输出信号。
8.一种补偿电化学气体探测器的方法，该电化学气体探测器用于探测作用到探测器上的温度变化的气体混合物中电化学活性气体的浓度，该气体探测器提供代表被探测的电化学活性气体浓度的电输出信号，这些信号随着所作用的气体混合物温度的变化而变化，该方法包括下述步骤提供一个具有绝缘容器的电化学气体探测器，该探测器有一个固定在该装有电解液的容器中的气体探测阴极电极和阳极电极，该容器有一个靠近阴极电极的开放端，以便使该气体混合物作用到该阴极电极，该容器还有一个以与该容器的所述开放端隔开预定间隔固定在该容器上并且包围电解液的膨胀膜；将热敏电阻固定在膨胀膜上，以便响应电解液的温度变化；用散热件将热敏电阻件固定到膨胀膜上，以便基本上防止任何温度变化直接传递给热敏电阻件，从而使所述气体探测器和热敏电阻件两者基本上同时响应任何温度变化；将热绝缘件安装在离开固定到膨胀膜那侧的热敏电阻的相对侧上；热敏电阻件包括从其上面延伸的绝缘引线，以便得到来自所述气体探测器的温度补偿电信号；布置所述引线和热绝缘件以便使引线包括在所述绝缘件内，从而防止温度变化传递给所述热敏电阻件和达到探测器的输出侧。
9.一种如权利要求8所述的补偿电化学气体探测器的方法，其中，所述的固定热绝缘件的步骤包括重叠若干个热绝缘件，每一个热绝缘件具有不同的预先选定的尺寸以便热绝缘热敏电阻件，和将热敏电阻件的引线成螺旋形以热绝缘的方式布置在若干个重叠的热绝缘件之间，并且布置成能接近气体探测器的外部。
10.一种如权利要求9所述的补偿电化学气体探测器的方法，其中，所述的成螺旋形布置引线的步骤包括在重叠的绝缘件之间将引线绕成螺旋圈形。
全文摘要
本发明公开了一种具有温度敏感元件例如热敏电阻的电化学气体探测器,该温度敏感元件以温度绝缘方式安装在气体探测器内以防止待测的作用气体的任何温度变化直接传送给温度敏感元件,因此,该探测器能提供精确的温度补偿信号并使这些温度补偿信号与产生的探测器电输出信号组合。这个温度敏感元件或热敏电阻通过散热件固定到气体探测器的膨胀膜上,以便热敏电阻只响应探测器电解液的温度变化而不响应与气体探测器本身和有关元件的温度变化,从而提供正确的温度补偿信号,并且不产生延时误差。
文档编号G01D3/028GK1177740SQ9711809
公开日1998年4月1日 申请日期1997年7月18日 优先权日1997年7月18日
发明者查尔斯·P·霍华德, 奈姆·埃克马尔 申请人:泰里迪尼工业公司