CN113167762A - 经由传感器询问确定传感器操作状态 - Google Patents

Abstract

一种操作用于气体分析物的包括感测组件的气体传感器的方法，该方法包括：在第一模式下，通过向传感器的感测组件周期性地施加电信号来询问传感器，在每次电信号被施加到感测组件时，测量对电信号的传感器响应，传感器响应指示传感器的灵敏度，基于在每次电信号被施加到感测组件时所确定的传感器响应，来确定是否已超过一个或多个阈值，并且如果超过一个或多个阈值，则进入第二模式，第二模式在对周期性施加的电信号的传感器响应的分析方面与第一模式不同。

Description

经由传感器询问确定传感器操作状态

相关申请的交叉引用

本申请要求于2018年9月28日提交的美国临时专利申请号62/738,190的权益，该申请的公开内容通过引用并入本文。

背景技术

提供以下信息以帮助读者理解以下公开的技术以及通常可以使用这种技术的环境。除非在本文件中另有明确说明，否则本文中使用的术语并不旨在限于任何特定狭义解释。本文中阐述的参考可以促进对技术或其背景的理解。本文中引用的所有参考文献的公开内容通过引用并入本文。

几十年来已经证明诸如电化学传感器等气体传感器数有效地检测工作场所环境中的诸如有毒气体等气体。例如，对安全产品具有吸引力的一些特性仅是电化学气体传感器的低成本、响应速度和选择性。然而，使用电化学气体传感器和其他气体传感器的必要要求之一是频繁的校准。例如，电化学传感器的灵敏度受其电解质水含量的影响，由于环境相对湿度的波动，电解质水含量而随着一年中的季节、地理位置等而发生变化。这种相对湿度波动导致在干旱地区或干旱季节的敏感性较低，而在潮湿地区或潮湿季节的敏感性较高。

因此，审慎性要求定期测试包括电化学气体传感器和/或其他气体传感器在内的气体检测仪器的功能。例如，需要使用具有已知浓度的分析物或目标气体(包括非零和零浓度)的测试气体进行频繁校准以调节上述灵敏度变化。通常的做法是，例如，每天对便携式气体检测仪器执行“碰撞检查”或功能检查。该测试的目的是确保整个气体检测***(通常称为仪器)的功能。还可以在永久性气体检测仪器上执行周期性碰撞检查或功能检查以例如延长完全校准之间的时段。气体检测***包括至少一个气体传感器、用以驱动传感器、解释其响应并且向用户显示其响应的电子电路***(包括电源)。该***还包括用于封闭和保护这些组件的壳体。碰撞检查通常包括：a)施加感兴趣的测试气体(通常包括已知浓度的、仪器旨在检测的目标或分析物气体或仪器对其响应的模拟物)；b)收集和解释传感器响应；c)向最终用户指示***的功能状态(即，仪器是否正常运行)。

过去，定期且通常每天进行碰撞测试。碰撞检查向用户提供关于气体检测设备在正常工作的相对较高的保证程度。碰撞检查以检测有害气体警报级别所需要的相同方式，来检验气体检测设备的所有组件的所有必要功能。在这点上，碰撞检查确保存在从仪器外部通过任何传输路径(包括例如任何保护和/或扩散膜)的有效气体传输，以接触有源传感器组件。碰撞检查还确保传感器本身的检测功能正常运行并且确保传感器提供适当的响应功能或信号。碰撞检查进一步确保传感器正确连接到其关联的电源和电子电路***，并且可以正确解释传感器信号。此外，碰撞检查确保气体检测仪器的指示器或用户接口(例如，显示器和/或通知功能)按预期起作用。

然而，周期性/每日碰撞检查具有很多明显缺点。例如，这种碰撞检查非常耗时，特别是在诸如工业设施等包括很多气体检测***或仪器的设施中。碰撞检查还需要使用昂贵且潜在危险的校准或测试气体。此外，碰撞检查还需要专用的气体输送***，通常包括加压气瓶、减压调节器以及用于将校准或测试气体正确地供应到仪器的管道和适配器。专用气体输送***的需求通常意味着：碰撞检查个性化气体检测设备的机会在时间和地点上都受到了气体输送设备的可用性的限制。

最近，已经提出了很多***和方法来减少所需要的碰撞测试的数目。这种***可以例如包括在没有测试气体的情况下传感器的电子询问。由多个传感器的湿度损失或增益产生的电化学气体传感器的灵敏度的波动，是随着平均相对湿度的缓慢变化以可预测的方式逐渐发生的。同样地，对电子询问的传感器响应(在不施加或不施加包括已知浓度的分析物气体或其替代物的测试气体的情况下)以相似的方式改变。电子询问可以例如用于测量灵敏度变化并且对其进行校正。这种用于电化学气体传感器的电子询问技术和所得到的校正例如在美国专利号7,413,645、7,959,777、9,784,755和9,528,957中以及在美国专利申请公开号2013/0186777和2017/0219515中公开，其公开内容通过引用并入本文。在这种电子询问方法中，通常将电信号(诸如电位脉冲)施加到传感器的感测元件或组件，并且测量和记录所得到的响应。响应例如可以以例如最大峰值(电流)值(MPV)或和/或另一参数的形式来测量。将这些响应与先前的气体测试/脉冲周期中获取的值进行比较。可以将校准值的变化与传感器灵敏度的变化相关。

还针对除电化学传感器以外的传感器(诸如可燃气体传感器)开发了各种电子询问技术。例如，美国专利申请公开号2014/0273263(其公开内容通过引用并入本文)公开了周期性测量与可燃气体传感器的感测元件的电抗有关的变量，用以确定感测元件的操作状态。美国专利申请号15/597,933和15/597,859公开了用于可燃气体传感器的电子询问技术，其中周期性测量与感测元件的质量有关的变量(例如，电特性，诸如电阻)，以确定例如诸如抑制剂或毒物等物质是否已沉积在感测元件上。

尽管当前测试或询问技术在确定单个传感器在测试时是否处于操作状态很有价值，但是在预测这种传感器的未来故障方面却取得了相对较少的成功。

发明内容

在一个方面，一种操作用于气体分析物的包括感测组件的气体传感器的方法包括：在第一模式下，通过向传感器的感测组件周期性地施加电信号来询问传感器，在每次电信号被施加到感测组件时，测量对电信号的传感器响应，传感器响应指示传感器的灵敏度，基于在每次电信号被施加到感测组件时所确定的传感器响应，来确定一个或多个阈值是否已被超过，以及如果一个或多个阈值被超过，则进入第二模式，第二模式在对周期性施加的电信号的传感器响应的分析方面与第一模式不同。

在多个实施例中，在第二模式下分析对周期性施加的电信号的传感器响应，以确定对周期性施加的电信号的传感器响应是否稳定。该方法例如还可以包括确定传感器响应在第二模式期间的变化率，以确定对周期性施加的电信号的传感器响应是否稳定。在多个实施例中，确定传感器响应的变化率的大小和方向中的至少一个。在多个实施例中，该方法还包括在确定了对周期性施加的电信号的传感器响应已经稳定之后，改变一个或多个阈值。在电子传感器询问期间无需施加任何测试气体。在这点上，可以在不向传感器施加测试气体的情况下确定传感器响应。在多个实施例中，确定传感器响应的变化率的大小和方向中的至少一个。

传感器可以例如是电化学气体传感器，并且感测组件可以例如是电化学气体传感器的工作电极。例如可以基于传感器响应的至少一个定义参数来确定传感器响应的值。在多个实施例中，传感器响应的至少一个定义参数选自以下各项的组：最大电流峰值、电流曲线下的面积、最小峰值、峰间值、曲线下的反向面积、传感器响应的基线值或上述各项中的一个或多个的函数(例如，一个或多个这种参数的乘积、比率或更复杂的函数)。在每个周期性施加的电子询问时传感器响应的值例如可以是以下值与在校准传感器时所确定的至少一个定义参数的值之间的变化：在每个周期性施加的电子询问时所测量的传感器响应的至少一个定义参数的值。

在多个实施例中，传感器响应的一个或多个阈值是通过随时间跟踪传感器响应的值，并且确定传感器的标称行为的上阈值和下阈值来确定的。在多个实施例中，传感器响应的一个或多个阈值是通过随时间跟踪多个相似传感器的传感器响应，并且确定多个传感器的标称行为的群体上阈值和群体下阈值来确定的。在确定群体阈值的多个实施例中，一个或多个其他阈值是通过随时间跟踪多个相似传感器中的每个相似传感器的传感器响应，并且确定多个相似传感器中的每个相似传感器的标称行为的个体上阈值和个体下阈值来确定的。例如，基于多个相似传感器中的每个相似传感器的传感器响应与群体上阈值和群体下阈值、以及与个体上阈值和个体下阈值的比较，多个相似传感器中的每个相似传感器可以进入第二模式。

本文中的多个相似传感器中的传感器除了是相似传感器以外，还可以例如呈现出至少一个共同特性。至少一个共同特性可以是例如部署的地理区域或制造时间的范围。可以在多个实施例中建立相似传感器的组和子组。

在多个实施例中，来自传感器的数据被传输给用以处理和/或分析的远程处理器***。在多个实施例中，来自第二气体传感器的针对不同于气体分析物的第二气体分析物的数据或信息、或者来自第三传感器的针对环境条件的数据被传输给气体传感器。

在另一方面，一种***包括：包括具有感测组件的传感器；以及与感测组件操作连接的电路***，该传感器组件具有对分析物敏感的至少一个性质。该电路***被配置为：在第一模式下，通过向感测组件周期性地施加电信号来询问传感器，在每次电信号被施加到感测组件时，测量对电信号的传感器响应，传感器响应指示传感器的灵敏度，并且将传感器响应与一个或多个阈值进行比较。该电路***还被配置为：如果一个或多个阈值被超过，则基于传感器与一个或多个阈值的比较来确定是否进入第二模式，第二模式在对周期性施加的电信号的传感器响应的分析方面与第一模式不同。

在多个实施例中，该电路***被配置为分析在第二模式下对周期性施加的电信号的传感器响应，以确定对周期性施加的电信号的传感器响应是否稳定。该电路***可以例如还被配置为确定传感器响应在第二模式期间的变化率，以确定对周期性施加的电信号的传感器响应是否稳定。例如，可以确定传感器响应的变化率的大小和方向中的至少一个。在多个实施例中，该电路***还被配置为：在确定对周期性施加的电信号的传感器响应已经稳定之后，改变一个或多个阈值。该电路***可以例如被配置为在不向传感器施加测试气体的情况下确定传感器响应。

在多个实施例中，传感器是电化学气体传感器，并且感测组件是电化学气体传感器的工作电极。如上所述，传感器响应的值是基于传感器响应的至少一个定义参数来确定的。在多个实施例中，传感器响应的至少一个定义参数选自：最大电流峰值、电流曲线下的面积、最小峰值、峰间值、曲线下的反向面积、传感器响应的基线值或上述各项中的一个或多个的函数。在每个周期性施加的电子询问中的传感器响应的值例如可以是在每个周期性施加的电子询问时测量的传感器响应的至少一个定义参数的值与在传感器的校准时确定的至少一个定义参数的值之间的变化。

在多个实施例中，传感器响应的一个或多个阈值是通过随时间跟踪传感器响应的值并且确定传感器的标称行为的上阈值和下阈值来确定的。在多个实施例中，传感器响应的一个或多个阈值是通过随时间跟踪多个相似传感器的传感器响应、并且确定多个传感器的标称行为的群体上阈值和群体下阈值来确定的。多个相似传感器中的每个相似传感器例如可以包括通信***，通信***传输关于对周期性施加的电子询问的传感器响应的数据，并且接收关于多个传感器的标称行为的群体上阈值和群体下阈值的数据。在确定群体阈值的多个实施例中，一个或多个其他阈值是通过随时间跟踪多个相似传感器中的每个相似传感器的传感器响应、并且确定多个相似传感器中的每个相似传感器的标称行为的个体上阈值和个体下阈值来确定的。例如，基于多个相似传感器中的每个相似传感器的传感器响应与群体上阈值和群体下阈值、以及与对个体上阈值和个体下阈值的比较，多个相似传感器中的每个相似传感器可以进入第二模式。

在跟踪多个相似传感器的多个实施例中，多个相似传感器中的每个相似传感器除了是相似传感器以外，还具有至少一个共同特性。至少一个共同特性可以是例如部署的地理区域或制造时间的范围。

来自传感器的数据可以例如被传输给用以处理和/或分析的远程处理器***。针对第二气体分析物的来自第二气体传感器的数据或信息或者针对环境条件的来自第三传感器的数据被传输给气体传感器，该第二第二气体分析物不同于气体分析物。

在另一方面，一种操作包括多个相似气体传感器的***的方法，其中多个相似气体传感器中的每个相似气体传感器包括感测组件，该方法包括：在第一模式下，通过向传感器的感测组件周期性地施加电信号来询问多个相似气体传感器中的每个相似气体传感器，在每次电信号被施加到传感器的感测组件时，确定对电信号的传感器响应，传感器响应指示多个相似气体传感器中的每个相似气体传感器的灵敏度，并且基于随时间而确定的多个相似气体传感器对周期性施加的电信号的标称响应，来分析多个相似气体传感器中的每个相似气体传感器对周期性施加的电信号的传感器响应。该方法例如还可以包括：基于多个相似气体传感器中的每个相似气体传感器的传感器响应与在第一模式下多个相似气体传感器的标称响应的比较，确定多个相似气体传感器中的每个相似气体传感器是否进入第二模式，第二模式在对周期性施加的电信号的传感器响应的分析方面与第一模式不同。

在另一方面，一种***包括：多个相似气体传感器，其中多个相似气体传感器中的每个相似气体传感器包括感测组件；以及与感测组件操作连接的电子电路***。该电子电路***被配置为：在第一模式下，通过向传感器的感测组件周期性地施加电信号，来询问多个相似气体传感器中的每个相似气体传感器，在每次电信号被施加到传感器的感测组件时，确定对电信号的传感器响应，传感器响应指示多个相似气体传感器中的每个相似气体传感器的灵敏度，并且基于随时间而确定的多个相似气体传感器对周期性施加的电信号的标称响应，来分析对周期性施加的电信号的传感器响应。多个相似传感器中的每个相似传感器的电子电路***例如还可以被配置为：基于传感器响应与在第一模式下多个相似气体传感器的标称响应的比较，确定是否进入第二模式，第二模式在对周期性施加的电信号的传感器响应的分析方面与第一模式不同。该***可以如上所述进一步被表征。

鉴于结合附图进行的以下详细描述，将能够最好地了解和理解本发明的设备、***和方法、以及它们的属性和伴随的优点。

附图说明

图1A示意性地示出了本文中的电化学传感器的实施例。

图1B示出了本文中的传感器的实施例的示意性电路图。

图1C示出了对电化学气体传感器的电子询问的代表性响应。

图1D以放大的比例示出了图1C的响应。

图2示出了在初始校准之后对电子询问的传感器响应(最大峰值(电流)值或MPV)随时间的变化。

图3示出了在初始校准之后多个传感器的对电子询问的传感器响应(MPV)随时间的变化。

图4示出了在初始校准之后多个传感器的对电子询问的传感器响应随时间的变化(如下所示为MPV变化与MPV平均变化的差异)。

图5示出了在初始校准之后单个传感器的对电子询问的传感器响应(MPV)随时间的变化，该MPV短暂下降到-3标准偏差的阈值以下，但随后恢复。

图6示出了在初始校准之后多个传感器的对电子询问的传感器响应的变化(如下所示为MPV变化与MPV平均变化的差异)，其中传感器之一的输出以与其他传感器不同的方式改变，但其输出仍在标称范围内。

图7示出了用于来自一个或多个设施或位置的传感器数据的数据传送、处理和分析的***的代表性实施例。

具体实施方式

容易理解，除了所描述的代表性实施例，如本文中的附图中总体上描述和示出的实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，如附图所示，以下对代表性实施例的更详细描述并非旨在限制所要求保护的实施例的范围，而仅是代表性实施例的说明。

在整个说明书中，对“一个实施例”或“实施例”(等)的引用表示结合该实施例描述的特定特征、结构或特性被包括在至少一个实施例中。因此，在整个说明书中各处出现的短语“在一个实施例中”或“在实施例中”等不一定都是指同一实施例。

此外，在一个或多个实施例中，可以以任何合适的方式来组合所描述的特征、结构或特性。在以下描述中，提供了很多具体细节以提供对实施例的透彻理解。然而，相关领域的技术人员将认识到，可以在没有一个或多个特定细节的情况下或者使用其他方法、组件、材料等来实践各种实施例。在其他情况下，未示出或详细描述众所周知的结构、材料或操作，以避免混淆。

如本文和所附权利要求书中使用的，单数形式的“一个(a)”、“一个(an)”和“该(the)”包括复数引用，除非上下文另外明确指出。因此，例如，对“处理器”的引用包括本领域技术人员已知的多个这种处理器及其等同物等，并且对“该处理器”的引用是对本领域技术人员已知的一个或多个这种处理器及其等同物等的引用。本文中数值范围的列举仅意图用作分别指代落入该范围内的每个单独值的简写方法。除非本文中另外指出，否则每个单独的值以及中间范围都被并入说明书中，就如同本文中单独叙述一样。除非本文中另外指出或文本中明确禁止，否则本文中描述的所有方法可以以任何合适的顺序执行。

本文中使用的术语“电子电路***”、“电路***”或“电路”包括但不限于用于执行功能或动作的硬件、固件、软件或每个的组合。例如，基于期望特征或需求，电路可以包括软件控制的微处理器、诸如专用集成电路(ASIC)等离散逻辑、或其他编程逻辑器件。电路也可以完全体现为软件。如本文中使用的，“电路”被认为与“逻辑”同义。如本文中使用的，术语“逻辑”包括但不限于用于执行功能或动作或者引起另一组件的功能或动作的硬件、固件、软件或其组合。例如，基于期望应用或需求，逻辑可以包括软件控制的微处理器、诸如专用集成电路(ASIC)等离散逻辑、或其他编程逻辑器件。逻辑也可以完全体现为软件。

本文中使用的术语“处理器”包括但不限于实际上任何数目的处理器***或独立处理器中的一个或多个，诸如微处理器、微控制器、中央处理单元(CPU)和数字信号处理器(DSP)的任何组合。处理器可以与支持处理器操作的各种其他电路相关联，诸如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦除可编程只读存储器(EPROM)、时钟、解码器、存储器控制器或中断控制器等。这些支持电路可以在处理器或其相关电子封装内部或外部。支持电路与处理器可操作地通信。支持电路在框图或其他附图中不必与处理器分开示出。

本文中使用的术语“控制器”包括但不限于协调和控制一个或多个输入和/或输出设备的操作的任何电路或设备。控制器可以例如包括具有能够被编程以执行功能的一个或多个处理器、微处理器或中央处理单元的设备。

本文中使用的术语“逻辑”包括但不限于用于执行功能或动作或者引起另一元件或组件的功能或动作的硬件、固件、软件或其组合。基于特定应用或需求，逻辑可以例如包括软件控制的微处理、诸如专用集成电路(ASIC)等离散逻辑、或其他编程的逻辑器件。逻辑也可以完全体现为软件。如本文中使用的，术语“逻辑”被认为与术语“电路”同义。

本文中使用的术语“软件”包括但不限于引起计算机或其他电子设备以期望方式执行功能、动作或行为的一个或多个计算机可读或可执行指令。指令可以以各种形式来体现，诸如例程、算法、模块或程序，包括来自动态链接库的单独应用或代码。软件也可以以各种形式实现，诸如独立程序、函数调用、Servlet、小应用程序、存储在存储器中的指令、操作***的一部分或其他类型的可执行指令。本领域普通技术人员将认识到，软件的形式取决于例如期望应用的要求、其运行的环境或设计者/程序员的期望等。

结合电化学气体传感器及其电子询问来讨论本文中的多个实施例。然而，本文中的设备、***和方法可应用于执行诊断测试或感测组件的电子询问的任何类型的传感器。

如上所述，电化学传感器的电子询问的最新发展减少了对用测试气体进行频繁校准的需求。在电子询问中，电信号被施加到与目标或分析物气体相互作用的传感器的感测组件。例如，可以将电信号施加到电化学传感器的工作电极，该工作电极包括催化与分析物气体的还原或氧化反应的电催化剂。同样，电信号可以被施加到可燃气体传感器的感测元件，该感测元件可以包括也可以不包括在感测元件加热到合适温度时促进分析物气体燃烧的催化剂(例如，通过提供比非二苯甲醚更低的活化能的反应路径)。

在电化学气体传感器的情况下，电子询问可以例如具有相当短的持续时间，以最小化传感器离线进行传感器测试诊断的时间量(即，在传感器电子询问周期期间)。在例如电化学气体传感器设备的多个代表性实施例中，用于电子询问的***和/或方法可以使电化学传感器在不到10秒、不到5秒甚至不到1秒内返回到正常(气体感测)模式操作。用于传感器的电子询问的设备、***和方法不仅使包括一个或多个传感器的仪器保持“在线”状态，而且还提供了主动、自动的传感器状态监测作为后台操作，而无需用户启动。其电子询问是周期性发生的。如本文中使用的，该术语周期性地是指不时地发生或随时间多次发生但是不一定以固定间隔或频率发生的电子询问。电子询问的频率可以是恒定的或可以变化。以例如每小时几次的频率提供传感器询问可以提供几乎恒定的传感器寿命和健康情况监测。

在电化学气体传感器中，待被测量的气体通常从周围大气或环境进入传感器壳体、通过多孔或透气膜进入发生化学反应的第一电极或工作电极(有时称为感测电极)。互补化学反应在第二电极处发生，第二电极被称为对电极(或辅电极)。电化学传感器通过生成直接由工作电极处的分析物气体(即，待检测气体)的氧化或还原产生的电流来产生分析信号。对电化学气体传感器的全面讨论在Electroanalysis,4(3),253(1992)的Cao,Z.和Stetter,J.R.的“The Properties and Applications of Amperometric Gas Sensors”中提供，其公开内容通过引用并入本文。

工作电极和对电极的组合产生电信号，该电信号：(1)与分析物气体的浓度有关，并且(2)足够强以提供适合于在整个兴趣范围内区分分析物气体的浓度水平的信噪比。换言之，与感兴趣浓度范围内的分析物气体的浓度成比例的、工作电极与对电极之间的电流必须可被测量。

除了工作电极和对电极，电化学传感器通常包括第三电极，通常被称为参考电极。参考电极用于将工作电极保持在已知电压或电位。在电解质中，参考电极应当在物理和化学方面稳定。

工作电极与对电极之间的电连接通过电解质来维持。电解质的功能包括：(1)有效地携带离子电流；(2)溶解分析物气体；(3)同时支持对电极和工作电极的反应；以及(4)与参考电极形成稳定参考电位。电解质的标准例如可以包括以下内容：(1)电化学惰性；(2)离子电导率；(3)化学惰性；(4)温度稳定性；(5)低成本；(6)低毒性；(7)低易燃性；(8)适当粘度。

通常，电化学电池的电极提供在其上发生氧化或还原(氧化还原)反应的表面，以提供如下机制来为电流提供完整回路：电解质溶液的离子传导与电极的电子传导耦合。由电化学电池的电池反应产生的可测量电流与电极处发生的反应程度成正比。因此，优选地，在电化学电池中保持高反应速率。因此，电化学电池的对电极和/或工作电极通常在其表面上包括适当的电催化剂以支持反应速率。

由于静电力的作用，非常接近工作电极表面的溶液是非常有序的结构。该结构对于理解电极工艺很重要。非常接近电极表面的溶液被不同地称为扩散(diffusion)层、分散(diffuse)层和/或亥姆霍兹层或亥姆霍兹平面。

电化学电池中存在的电阻和电容的大小是电化学电池制造中所使用的材料的性质和特性的结果。电解质的电阻是溶解在溶剂中的离子数目和类型的结果。电极的电容主要取决于电催化剂的有效表面积。在理想世界中，这些量是不变的。但是，例如，由于暴露于不同环境的相对湿度水平，使用含水(水基)电解质的电流型气体传感器中存在的溶液电阻可能会发生变化。随着水从传感器逸出，离子电解质的化学浓度增加。取决于所使用的实际电解质，这种浓度变化可能导致电解质的电阻率增加或降低。

此外，即使对于通常认为不溶于特定溶剂的物质，在溶剂中也存在很小但有限浓度的物质。例如，存在溶解在电化学传感器电解质中的很小但有限浓度的来自电极的金属。如此少量的溶解金属始终处于变化中。也就是说，金属原子不断从电极中溶解出来，然后再电镀到其他地方。该过程的最终效果是减少了电极的有效表面积。这具有随时间降低传感器电容的效果。上述两种效果都具有在传感器的整个使用寿命中改变传感器灵敏度的最终效果。

图1A示出了可以在本文中的装置、***和方法中使用的电化学传感器10的代表性实施例的示意图。传感器10包括壳体20，壳体20具有用于使一种或多种目标气体或分析物气体进入传感器10的气体入口30。在所示的实施例中，电解质饱和的芯材料40a、40b和40c将传感器10内的工作电极50与参考电极70和对电极80分隔，和/或经由壳体20内的电解质44提供在其间的并且被吸收在芯材料40a、40b和40c内的离子传导。提供本领域中已知的电子电路***100，例如，以保持工作电极50与参考电极70之间的期望电位差，以改变或使本文中描述的电位差脉动，并且处理来自传感器10的输出信号。

在所示的实施例中，工作电极50可以通过例如在扩散膜52上沉积第一催化剂层54来形成(使用例如传感器领域中已知的催化剂沉积技术)。气体易于转移或运输(例如，经由扩散)通过扩散膜52，但是电解质44不容易转移或运输通过扩散膜52。工作电极50可以附接(例如，经由热密封)到壳体20的顶部、盖或盖子22的内表面。

电子电路***100可以例如包括处理器或控制器***102，该处理器或控制器***102包括一个或多个处理器或微处理器以控制传感器10的操作的各个方面。存储器***104可以被置于与处理器***102操作或通信连接，并且可以存储用于控制传感器10和/或分析其输出的软件，如本文所述。用户接口***(包括例如显示器、扬声器等)也可以被置于与处理器***102操作或通信连接。诸如收发器等通信***108可以被放置为与处理器***102操作或通信连接，以进行有线和/或无线通信。电源110(例如，电池***)可以为电子电路***100提供电源。

图1B示意性地示出了在其传感器的很多研究中使用的电子或控制电路***100的一部分(portion)或部分(part)的实施例。图1B所示的电子电路***100的一部分有时被称为恒电位电路。在如图1A所示的三电极传感器中，在参考电极70与感测或工作电极50之间保持预定电位差或电压，以控制电化学反应并且传递与由传感器产生的电流成比例的输出信号。如上所述，工作电极50通过对气体氧化或还原来响应于分析物或目标气体。氧化还原反应产生与气体浓度成比例的电流。电流通过对电极80被提供给传感器10。在对电极80处发生与工作电极处的反应相反的氧化还原反应，从而与工作电极50一起完成回路。使对电极80的电位浮置。当检测到气体时，电池电流上升并且对电极80相对于参考电极70被极化。对电极80上的电位并不重要，只要回路提供足够的电压和电流以保持工作电极50的正确电位。

例如，如美国专利申请公开号2017/0219515中所述，在多个代表性实施例中，用于电气/电子电路***100的测量电路包括单级运算放大器或运算放大器IC1。传感器电流反映在增益电阻器120(在所示实施例中具有5kΩ的电阻)上，以生成输出电压。可以例如经由最快响应时间与最佳信噪比之间的平衡，来选择负载电阻器122(在所示实施例中具有56Ω的电阻)。

控制运算放大器IC2提供恒电位控制，并且向对电极80提供电流，以平衡工作电极50所需要的电流。输入到IC2的反相输入连接到参考电极，但不从参考电极汲取任何大电流。

在电化学气体传感器(诸如传感器10)的电子询问期间，可能感应到非法拉第电流(例如，经由向工作电极50施加能量)。例如，电信号可以被施加到工作电极50，从而产生电位的阶跃变化，该阶跃变化生成非法拉第电流。由于电极充电，所生成的非法拉第电流可以用于监测传感器的运行状态、功能或健康状况。然而，如上所述，传感器随后返回到在感测目标气体或分析物气体时用于正常操作的其正常偏置电位或电位范围。在相反方向上使传感器恢复到其工作偏置或操作电位差(可能为零)的过程会产生电流峰值(电荷积聚)。恢复到操作电位差时产生的电流峰值可能需要花费几秒钟的时间才能消散。

关于传感器健康状况、操作情况或操作状态的信息可以从例如以下形式测量的对电子询问的响应中获取：(i)最大峰值(MPV)，其是在施加电位脉冲时观察到的最大电流；(ii)曲线下的面积(AUC)，其是在施加电位脉冲之后工作电极的积分电流响应(其等效于传感器的充电响应)；(iii)最小峰值(mPV)，其是在去除或反转电位脉冲时获取的最小电流，通常是在去除或反转电位脉冲之后和之前立即观察到的电流差，尽管也可以将其制成表格并用作最小电流与基线的差；(iv)峰间值(PP)，其是最大和最小观察电流之间的代数差；(v)曲线下的反向面积(rAUC)，或更准确地说，是反向曲线下的面积，其是通过在去除或反转电位脉冲之后对电流响应进行积分而获取的充电电流；(vi)基线或基线输出及其函数(例如，一个、两个或更多个这种参数的乘积、比率和/或更复杂函数)的变化。感测组件(例如，电化学气体传感器的工作电极或可燃气体传感器的感测元件)和传感器/传感器设备的操作状态通常是通过将这种参数和/或其他参数与传感器灵敏度变化相关来确定的。灵敏度是指输出信号(例如，电流)与所测量的物理量(例如，分析物或目标气体的浓度)的比率。

在短时间跨度上测量/分析单个数据点或多个数据点，提供了响应/电流与时间的关系曲线，例如，对于硫化氢或H₂S的代表性电化学气体传感器，如图1C和1D所示。当在传感器10(或其另一传感器)中感应非法拉第电流时和/或在将传感器10(或其另一传感器)返回到其操作电位差时，产生的甚至相对较大的电流峰值的快速放电，可以经由对传感器电子电路***或电子器件100的主动控制来实现(例如，通过减小电子电路***100中的工作电极50与在施加测试电位差之后测量到的输出/响应的点之间的负载电阻)。在多个实施例中，工作电极50和运算放大器IC1的输出之间的负载电阻减小到低值。随后，在电荷基本消散或完全消散之后，工作电极50与运算放大器IC1的输出之间的负载电阻恢复到其正常或工作负载电阻(或恢复到负载电阻的操作范围内)。

在多个实施例中，负载电阻器122(参见图1B)被旁路以减小工作电极50与运算放大器IC1的反相端子之间的负载电阻。例如，可以提供旁路电路124以旁路负载电阻器122。在多个实施例中，将场效应晶体管(FET)126用作旁路电路124中的开关，以在负载电阻器122周围可控制地实现旁路或短路。在多个实施例中，使用金属氧化物半导体FET或MOSFET。

图1C和1D示出了代表性传感器10的输出，传感器10包括被设计为检测硫化氢或H₂S的工作电极50。在图1C和1D的研究实施例中，通过在扩散膜上沉积铱催化剂来形成工作电极50，通过在扩散膜上沉积铱催化剂来形成参考电极70，并且通过在扩散膜上沉积铱催化剂来形成对电极80。传感器的偏置电位或操作电位差为0mV。如图1C所示，在由点A表示的时间，启动电子询问过程。在0.5秒之后(由点B表示)，施加测试电位差。在所示的研究中，施加+10mV的测试电位。如点C所示，在施加测试电位之后的1/16秒处记录输出的最大峰值(MPV)。这时，电位也返回到0mV的操作电位差。在绕过负载电阻器122时，FET 126通常在电位返回到操作电位差的同时或同时期被激活。较低的负载电阻会导致明显的负电流尖峰(在正常工作模式下，这会被视为非常高的负气体ppm读数)。但是，在绕过负载电阻器122时发生的快速放电会在很短的时间段(即，小于1秒)内将传感器输出返回到基线。该比例在图1D中进行了扩展，以更好地说明此结果。但是，当未绕过负载电阻器122时，输出返回基线输出需要花费几秒钟的时间。如图1C所示，当FET 126被停用并且电路中的56Ω负载电阻器122在大约0.95秒的时间恢复(如点D所示)时，输出电流低于最终用户可以辨别的值。该值通常处于目标气体的大约0到±2ppm的范围内

可以在施加例如非常小和/或短持续时间的电极电位变化形式的电信号时，获取如上所述的关于传感器健康状况或传感器状态的信息，最大峰值(电流)值(MPV)和/或如上所述的另一参数，并且在结果响应/电流曲线中在短时间跨度上测量/分析单个数据点或多个数据点。在本文中的多个代表性实施例中，MPV用于表征电化学传感器的感测元件/工作电极。如上所述，当在传感器10(或其另一电化学传感器)中感应非法拉第电流时、和/或将传感器10(或其另一传感器)返回到其操作电位差时，产生的甚至相对较大的电流峰值的快速放电，可以经由对传感器电子/电子电路***100的主动控制来实现(例如，通过减小电子电路***100中的、在工作电极50与在施加测试电位差之后测量到的输出/响应的点之间的负载电阻)。在多个实施例中，工作电极50和运算放大器IC1的输出之间的负载电阻减小到低值。随后，在电荷基本消散或完全消散之后，工作电极50与运算放大器IC1的输出之间的负载电阻恢复到其正常或工作负载电阻(或恢复到负载电阻的操作范围内)。

由于例如水分损失或增益而导致的电化学传感器灵敏度的波动，是随着平均相对湿度缓慢变化但以通常可预测的方式逐渐发生。如上所述的对无气体电子询问的传感器响应以类似的方式改变。电子询问可以用于跟踪灵敏度变化并且校正灵敏度变化，例如，在美国专利号7,413,645、7,959,777、9,784,755和9,528,957和美国专利申请公开号2013/0186777和2017/0219515中所述。如上所述，通常将电位脉冲施加到传感器的感测组件，并且例如以最大峰值(电流)值和/或一个或多个其他参数的形式记录所得到的响应。可以将这些响应与先前的气体测试/脉冲周期中获取的值进行比较。校准值的变化与操作状态/传感器灵敏度的变化相关。以这种方式，就可以评估询问时传感器的健康状况。然后可以调节灵敏度以校正这种变化。这种方法提供了在询问时传感器健康状况的实时状态，但未解决未来的传感器性能问题。

在本文中的设备、***和方法的多个实施例中，以第一模式或第一询问模式执行多个连续询问事件，以例如确定对电子询问的传感器响应是否超出标称行为。例如，基于或根据诸如MPV、AUC和/或其他参数等一个或多个参数所确定的一个或多个变量的值变化，可以被用于评估传感器何时需要进一步/改变的分析和/或维护。例如，如果传感器对询问的响应超出标称、正常或预期变化(例如，由于相对湿度的正常逐渐变化而导致的预期变化)，则可以将该传感器标识或标记为需要注意。

在本文中的多个实施例中，一旦传感器表现出对电子询问的响应超出标称响应范围，就进入第二模式、第二询问模式或观察模式。在第二模式下，对电子询问的传感器响应的分析与第一模式下的分析不同。在第二模式下，一个或多个参数的采样率可以改变和/或所测量的一个或多个参数的标识可以改变。在多个实施例中，在第二模式下，在一个或多个时间段内根据对周期性电子询问(即，随时间的多个电子询问)的测量响应，来确定传感器对电子询问的响应是否稳定。例如，可以确定在第二模式下传感器响应在一个或多个时间段内是否接近定义的阈值内的平均变化率，还是保持在第二模式下在一个或多个时间段内所确定的或定义的响应范围内。在多个实施例中，例如可以确定在第二模式下被测变量在一个或多个时间段内(基于一个或多个参数或从一个或多个参数得出的)的变化率，以确定传感器响应是否为稳定。关于传感器响应稳定性的确定(例如，根据第二模式下的一个或多个时间段内变化率的大小/方向而确定)可以被用于确定例如是否应当改变传感器设置(例如，改变标称响应范围，改变灵敏度补偿，等等)、是否需要重新校准传感器，或者是否需要更换传感器。在本文中的设备、***和方法中，不仅在电子询问的瞬间衡量传感器的健康状况或操作状态(即，灵敏度)，而且使用健康测量汇总(即，对电子询问的测量响应)来估计其未来健康状况。

对电子询问的传感器响应的标称范围可以以多种方式得出。确定响应的标称范围的一种直接方法是在一段时间内跟踪传感器的响应以确定标称或正常变化。然后可以设置极限(例如，上阈值和下阈值)以标识或标记传感器行为的偏差。例如，随着进行进一步的电子询问，可以随时间重新确定这种极限。标称极限或阈值以及是否已经超过这种标称极限(从而触发进入第二模式)，可以例如经由存储在存储器***104中并且由处理器***102可执行的软件来确定。示例在图2中示出，其中在80天内绘制了从初始校准点开始(制造时)的MPV值变化。

在图2中，表现出标称行为的传感器被标记为传感器10a(i)。在图2的研究的80天内的平均值为26个计数，标准偏差为107个计数。例如，可以使用标准偏差的倍数(例如，在±1到±3sigma之间)建立极限或阈值。在所示的实施例中，使用±3倍的标准偏差来建立极限，以捕获99.7％的标称分布。这种极限(上下阈值)由图2中的上下虚线表示。在如上所述的第一模式下，随时间跟踪增量MPV，并且将其与标称增量MPV值(即，标称增量MPV值的上下阈值)进行比较。一旦增量MPV超出了这些极限之一，***就可以进入第二模式或观察模式，其中对电子询问的响应的分析与第一模式下不同。如上所述，可以在第二模式下在一个或多个时间段内跟踪增量MPV的变化率，以确定对电子询问的传感器响应是否稳定。因此，在第二模式的多个实施例中，如上所述，电子询问继续进行并且仍然跟踪增量MPV，但是也跟踪增量MPV的变化率(dΔMPV/dt)。

在图2中示出了跟踪增量MPV的变化率的两个代表性示例。传感器10a(ii)的数据迹线表明传感器已经历MPV值的阶跃变化。一旦增量MPV超过了-3sigma值/极限，就可以如上所述在第二操作模式下监测变化率。此外，可以(但不必)向用户提供警报或通知，以警告用户传感器已经进入第二模式。但是，此时用户不必采取任何措施。与当前可用传感器相比，通过减少不必要的交互式维护，提供了本文中描述的第二模式或观察模式可以通过减少用户所需要的交互作用而提供显著的益处。根据传感器存储***104中保存的控制软件，在第二模式下，传感器可以例如改变补偿，增加脉冲/电子询问测试的频率，测量一个或多个其他参数，改变标称传感器响应的范围，等等。这种动作可以例如是自动化的或不需要用户干预。

在其中(例如，通过电子或电路***100)发现在第二模式下对电子询问的响应稳定的传感器的情况下，该响应可以稳定在标称响应的原始范围内或标称响应的不同或偏移范围内。可以定义传感器可接受的响应/标称响应的一个或多个极限或阈值。如果传感器稳定到超出这种极限或阈值大小的响应范围，则可以将传感器标记为需要维修或更换。在传感器10a(ii)的情况下，变化率稳定，并且***预测传感器10a(ii)的未来状态会偏离原始范围或标称响应，但会在新的可接受的标称范围内稳定。该***可以例如触发“重新校准传感器”指示或警告和/或将***重置为其新状态。在“新”校准的情况下，传感器可以例如根据在新校准期间所确定的新“锚定”值确定增量MPV。传感器还可以(备选地或附加地)继续在制造时根据校准确定增量MPV。

另一方面，传感器10a(iii)的数据迹线指示传感器10a(iii)的灾难性故障。同样，一旦增量MPV超过-3sigma下限，则可以例如在第二模式下在一个或多个时间段内监测变化率，以确定传感器对电子询问的响应是否稳定。在传感器10a(iii)的情况下，传感器响应(在该示例中为增量MPV)继续快速变化，并且***预测传感器10a(iii)将迅速移出其针对气体检测的有用状态。该***例如可以触发“更换传感器”警报。在做出这种确定之后，可以进行定量，并且如果可能的话，可以发出警报以使传感器永久或在一段时间(例如，24小时或几天)内停止运行。如果停用时段过分危险或负担过重，则可以在此期间更换传感器。

还可以使用在传感器群体(例如，多个相似传感器)上的数据分布来确定对电子询问的响应的“组”标称范围，传感器群体除了是相似传感器以外，还可以例如共享至少一个共同特性。如本文中使用的，术语“相似”是指以相似或相同的方式制造的传感器。通常，将这种传感器被制造为感测相同的分析物，并且包括以相同方式制造的感测组件。例如，用于特定气体分析物的类似电化学气体传感器可以包括以相似或相同方式制造的工作电极，并且包括相同的电解质。这种传感器的对电极、参考电极和/或电子电路***也可以相似或相同的方式制造。这种电化学气体传感器可以例如是本领域中已知的两电极或三电极传感器。类似的可燃气体传感器例如可以包括以相似或相同方式制造的感测元件、补偿元件和/或电子电路***。

关于共同特性(除了是相似传感器)，传感器群体可以例如共享相同的局部环境和/或共同的制造日期/时间范围。这种传感器可以是全部在特定客户的同一位置使用的单元，也可以是在较大区域(例如，城市或县)使用的所有单元。该分布还可以例如基于传感器制造日期代码并且覆盖全局和/或局部群体。可以基于不同的共享或共同特性来建立相似传感器的组和子组。每个单元的结果都可以被汇编，并且整个群体的分布可以用作标称数据集。

图3示出了来自同一局部环境中的15个传感器的数据的代表性示例。如上所述，绘制了80天内的所有传感器相对于初始校准点的MPV值变化。80天内的平均值为5个计数，标准偏差为117个计数。在图3的代表性示例中，可以例如使用sigma的倍数来建立组极限或组阈值。在所示实施例中，使用±3倍标准偏差来建立群体上阈值和群体下阈值，以捕获99.7％的标称分布。组极限可以例如经由多个相似传感器外部的处理器***确定，该处理器***与多个相似传感器中的每个相似传感器通信以从中接收数据/信息。所确定的组极限可以例如从外部处理***传输给多个相似传感器中的每个相似传感器。这种组极限在图3中用上下虚线表示。一旦特定传感器的测量增量MPV移到这些极限之外，传感器***便可以进入第二模式或观察模式。如上所述，在多个实施例中，可以在第二模式下为传感器跟踪增量MPV的变化率，以确定传感器响应是否将稳定。与图2相似，图3中提供了两个示例，分别用于传感器阶跃变化(传感器10a(ii))和灾难性传感器故障(传感器10(iii))。这种个体传感器的动作(例如，调节标称阈值或启动通知/警报，诸如“重新校准警报”和“更换传感器”警报)可以例如与上文中结合图2的单传感器示例而描述的内容相同。

再次参考图3，明显的是，所研究的局部群体传感器以类似的方式对局部环境中的日常变化做出响应。这个结果表明，可以使用局部群体数据进行附加处理，以将每个传感器的每日增量MPV值与该局部群体中的所有传感器的平均每日增量MPV进行比较。以这种方式，针对每个询问事件对群体的标称行为归一化，并且与标称行为的偏差更加明显。图4示出了这种方法。80天内的平均值为0个计数，但现在标准偏差仅为55个计数。同样，可以使用±3倍的标准偏差来建立组极限，以捕获标称分布的99.7％。这些由图4中的虚线表示。该数据处理消除了增量MPV值中的一部分日常噪声，并且使两种偏差情况与其他传感器更加容易辨别。

一些传感器可能表现出比一般群体更多的固有噪声。通过结合图3讨论的群体处理(即，在将对一个或多个电子询问的传感器响应与针对相似传感器的群体/多个相似传感器而确定的组极限或组阈值进行比较时)而被标记的传感器在与其自己的历史记录进行比较时(即，在将对一个或多个电子询问的传感器响应与针对个体传感器而确定的个体极限或阈值进行比较时)可能仍在正常运行。考虑到这种情况和其他情况，结合图3讨论的处理可以与结合图2讨论的单个传感器处理相结合。在图4的代表性示例中，传感器10a(iv)示出了所监测的组/群体相似传感器的下降到-3标准偏差/阈值线以下的一些情况。传感器10a(iv)可以例如被标识或被标记以用于后续的单个处理或评估。图5示出了传感器10a(iv)的单个传感器处理(例如，如上面结合图2所述)。如图5所示，传感器10a(iv)短暂地下降到单个传感器的3个标准偏差极限以下，但又恢复了。通过将本文中描述的组、群体或分布处理与个体传感器处理相结合，可以获取更全面的评估，并且例如可以认为传感器10a(iv)充分发挥了作用。

当评估例如共享至少一个共同特性(即，除了是相似传感器的共同特性；例如地理位置、制造日期范围等)的相似传感器的群体上的趋势时，除了确定测量值是否在标称范围，还可以执行数据分析。例如，可以期望(基于来自传感器群体的数据)特定传感器应当稳定或遵循某种趋势，但是该特定传感器的输出可以不同于其对等传感器或被监测群体中的其他传感器。例如，这种差异可以以不同于超出阈值范围(例如，+/-3标准偏差)的特定值/参数(例如，MPV或增量MPV)的输出的方式来呈现。例如，可以确定/分析每个传感器相对于对等传感器的响应幅度、变化率幅度和/或变化方向。如图6所示，传感器10a(v)的增量MPV变化率与所研究的群体中的其他传感器的变化率相反。例如，传感器10a(v)可以基于这种趋势而被标识或标记并且被置于第二或观察模式，以基于这种趋势进行进一步/替代性分析和/或评估(不同于其对等传感器)，即使增量MPV行为在传感器群体和/或个体传感器10a(v)的标称范围内。

在多个实施例中，在第二模式下确定了以下项的情况下：例如特定传感器应当被重新校准，和/或其响应的标称范围应当从特定传感器是其成员的相似传感器群体/多个相似传感器的标称范围中偏移至少定义或预定量，可以例如确定特定传感器不应当再作为相似传感器的群体/多个相似传感器的成员来被跟踪。如果特定传感器稳定在相似传感器群体/多个相似传感器的标称范围内或仅从其稍微偏移，则可以例如确定特定传感器应当继续作为相似传感器群体/多个相似传感器的成员被跟踪，并且在确定相似传感器群体/多个相似传感器的组标称阈值时，可以继续考虑其响应。

在监测相似传感器群体/多个相似传感器的情况下，所监测的相似传感器群体/多个相似传感器中的传感器响应或响应趋势不同于其对等传感器或其他传感器，这可能并不指示所讨论的传感器正在发生故障，而是可以表明该传感器不应当是被监测的相似传感器群体/多个相似传感器的成员。例如，这种不同响应可能是由于特定位置中的不同微环境引起的。例如，表现出不同响应/趋势的被监测的相似传感器群体/多个相似传感器中的传感器可以位于结构内的特定位置，而相似传感器群体/多个相似传感器中的其他传感器可以位于门外。类似地，具有不同响应/趋势的被监测的相似传感器群体/多个相似传感器中的传感器可以位于直射日光内，而相似传感器群体/多个相似传感器中的其他传感器则不位于阳光直射内。因此，不同于相似传感器群体/多个相似传感器中的其对等传感器的响应的传感器响应，可以触发对传感器是否适当地包括在相似传感器群体/多个相似传感器中的调查。例如，可以确定所调查的传感器仅应当个体地或在另一相似传感器群体/多个相似传感器中进行监测。

除了在分析一个或多个传感器的响应时提供进一步的信息/指导，跟踪对相似传感器群体/多个相似传感器的周期性电子询问的响应，可以例如提供关于相似传感器群体/多个相似传感器中的传感器的***性问题的信息。例如，可以在确定的日期/时间或制造代码范围内制造这种传感器。在制造时可能未发现某些缺陷(例如，电解质成分中的缺陷)，但此后可能导致对电子询问的异常响应。甚至在这种缺陷以其他方式变得明显之前，跟踪这种多个相似传感器对电子询问的响应也可以例如导致检测到传感器的***性问题。

可以分析从传感器的制造时间(和/或从另一起点或锚点，诸如后续校准)直到传感器寿命中的晚些时候时的最大峰值和/或一个或多个其他参数的变化，以确定例如传感器在该历史时段内经历了哪种类型的环境条件(例如，低湿度或干燥条件)。基于这种历史数据，可以改变传感器操作的一个或多个参数。例如，存储在存储器中并且由一个或多个处理器可执行的软件算法可以应用不同温度补偿。算法可以例如基于这种历史数据来应用不同灵敏度补偿。例如，本文中的算法(基于这种历史数据)可以被用于基于这种历史数据来改变标称响应范围。

来自不是相似传感器的传感器的数据或与被监测/分析的一个或多个传感器具有不同特性的传感器的数据，也可以被用于确定本文中的设备、***和方法中的传感器的操作状态。不是相似传感器的这种传感器可以例如是针对被分析物的传感器，而不是针对正在为其确定操作状态的传感器。不是相似传感器的这种传感器可以例如是不同类型的传感器(在类似传感器是电化学气体传感器的情况下，例如是可燃气体传感器)。

此外，针对环境条件的传感器(诸如压力传感器、湿度传感器、高度传感器或高度计等)也可以或替代地用于确定操作状态。来自温度和/或湿度传感器的数据，可以例如被用于确定测量参数的适当标称范围(例如，如本文中的代表性示例中所述的增量MPV)。与热、湿的传感器位置相比，可以为冷、干的传感器位置建立不同设置。海拔高度可能例如与氧气浓度有关，氧气浓度影响氧气传感器以及可燃气体传感器的输出。在高海拔地区，氧气浓度低于海平面(每单位体积中存在的氧气分子更少)。例如，在低于海平面的地下矿井中，环境可能富含氧气。

例如，在根据本发明的方法跟踪一个或多个可燃气体传感器的操作性状态的情况下，可以使用氧气传感器来确定可燃气体传感器在特定时间段内在氧气不足或氧气过量的条件下运行。这种氧气传感器可以例如是电化学气体传感器。同样地，用于可燃性气体传感器的抑制剂和/或毒物的传感器(例如，含硫化合物、卤素、含硅化合物等)可以通过例如电化学和/或其他传感器来感测。

在根据本发明的方法跟踪一个或多个电化学气体传感器的操作状态的情况下，例如，可燃气体传感器或其他传感器可以被用于检测电化学气体传感器的干扰气体。可以例如通过可燃气体传感器检测酒精。如在例如美国专利号10,234,412(其公开内容通过引用并入本文)中公开的物种可以用于检测酒精的种类。酒精可能会影响某些电化学气体传感器，诸如一氧化碳或CO传感器。即使是可燃气体传感器输出的小幅增加，也可能会及时与来自用于CO传感器的电化学气体传感器的异常输出或者甚至与离线的这种传感器相关联。还可以通过可燃气体传感器检测烯烃。烯烃同样是用于CO的电化学气体传感器的干扰物。使用来自一个或多个可燃气体传感器的数据，可以确定是否存在引起一个或多个CO传感器响应的烯烃。

可以分析来自一个或多个气体传感器、压力传感器、湿度传感器、温度传感器等的历史或数据的时间跨度，以确定这种数据历史如何影响根据本文中的方法而监测的一个或多个传感器的性能。位置数据(例如，来自GPS或其他***的数据)以及设施中被监测的一个或多个传感器的位置可以例如与气体测试数据、异常、警报、放大读数、缩小读数等相关联。非标准条件或事件的确定和/或分析可以与被监测的一个或多个传感器的输出相关联。

各种类型的气体传感器可以包括一个或多个过滤器，以例如限制或防止气体感测元件与抑制剂、毒物、干扰物等接触或暴露于其中。在暴露于这种抑制剂、毒物、干扰物等时，这种过滤器的运输特性的变化可能会影响传感器的响应。对于针对一个或多个传感器的抑制剂、毒物、干扰物敏感的传感器使用本文中的方法而被监测，这例如可以被用于解释这种传感器的输出趋势。同样，对于抑制剂、毒物、干扰物等敏感的这种传感器可以被用于监测或跟踪使用本文中的方法而被监测的、一个或多个传感器的过滤器的操作状态。

图7示出了用于收集、通信和分析来自一个或多个传感器的数据的***的代表性实施例，该一个或多个传感器可以例如位于单个设施处或分布在多个设施上。在本文中的多个实施例中，设施200a(例如，炼油厂、海上钻井平台、制造设施、工业化工厂等)包括本文中的一个或多个传感器10a(i)至10a(vii)，而由设施200b表示的一个或多个其他设施包括本文中的一个或多个其他传感器10b(i)至10b(vii)。尽管在设施200a和200b的每个设施中示出了七个传感器，但是设施可以包括更少或更多的传感器。例如，某些设施可能包括100个或更多个传感器。设施200b(和/或其他设施)的***组件关于数据收集、通信和/或处理的操作与设施200a的组件非常相似。因此，下面结合设施200a主要讨论其***中的数据通信和/或处理。

如上所述，本文中的每个传感器10a(i)包括可以是有线或无线的通信***(例如，收发器)。来自传感器10a(i)至10a(vii)的数据可以例如直接传送到远程处理***500，这将在下面进一步讨论。来自传感器10a(i)至10a(vii)的数据可以替代地经由本地***250a传输给远程***500。在多个实施例中，数据可以例如经由本地网络220a从传感器10a(i)至10a(vii)传送到本地***250a，本地网络220a可以例如包括如本领域中已知的4到20毫安(mA)传输***、基于以太网的网络和/或无线网络。数据可以例如被收集并且被实时传输给用以分析的远程***500。数据传输可以以连续或不连续/批处理的方式进行。例如，原始传感器数据或已处理的传感器数据可以由本地***250a传输给远程***500以由远程***500进行处理(或进一步处理)和/或分析。远程***500可以从很多本地***250a、250b等(即，从很多不同设施)接收数据。本地***250a可以例如包括处理***252a(包括例如一个或多个处理器或微处理器)、与处理器***252a通信连接的相关联的存储器***254a、以及与处理器***252a通信连接的通信***256a。处理/分析可以例如分布在传感器、本地***和远程***500的处理***中(例如，在确定群体上阈值和群体下阈值时)。从传感器10a(i)至10a(vii)和/或本地***250a到远程***500的传输是通过网络400进行的，该网络400可以包括有线和/或无线通信协议(例如，通过手机传输协议、互联网传输协议、经由电话线协议的数据等)。

远程***500可以例如包括中央处理***或分布式处理***，该中央处理***或分布式处理***可以例如包括一个或多个计算机、服务器或服务器***510。***、服务器或服务器***510可以例如包括一个或多个处理器或处理器***512，该处理器或处理器***512与计算机领域中已知的一个或多个存储器或存储***514通信连接。存储***514可以包括存储在其中的一个或多个数据库516。本地***250a、250b等可以通过一个或多个有线或无线通信信道400(例如，陆线电话、无线电话、宽带互联网连接和/或其他通信信道)与远程***500的一个或多个通信***520通信，如本文所述。存储在存储器***514中或与处理器512通信连接的一个或多个其他存储器***中的软件可以用于处理或分析来自本地***250a、250b等的数据。

前面的描述和附图目前阐述了很多代表性实施例。在不背离由所附权利要求而不是由前述说明书指示的本发明范围的前提下，根据前述教导，各种修改、增加和替代设计对于本领域技术人员而言将是很清楚的。落入权利要求的等同含义和范围内的所有改变和变型均应当被包含在它们的范围之内。

Claims (48)

1.一种操作用于气体分析物的气体传感器的方法，所述气体传感器包括感测组件，所述方法包括：

在第一模式下，通过向所述传感器的所述感测组件周期性地施加电信号来询问所述传感器，在每次所述电信号被施加到所述感测组件时，测量对所述电信号的传感器响应，所述传感器响应指示所述传感器的灵敏度，基于在每次所述电信号被施加到所述感测组件时所确定的所述传感器响应，来确定一个或多个阈值是否已被超过，以及

如果一个或多个阈值被超过，则进入第二模式，所述第二模式在对周期性施加的所述电信号的所述传感器响应的分析方面与所述第一模式不同。

2.根据权利要求1所述的方法，其中在所述第二模式下对周期性施加的所述电信号的所述传感器响应被分析，以确定对周期性施加的所述电信号的所述传感器响应是否稳定。

3.根据权利要求2所述的方法，还包括确定所述传感器响应在所述第二模式期间的变化率，以确定对周期性施加的所述电信号的所述传感器响应是否稳定。

4.根据权利要求2所述的方法，还包括在确定对周期性施加的所述电信号的所述传感器响应已稳定之后，改变所述一个或多个阈值。

5.根据权利要求1所述的方法，其中所述传感器响应是在不向所述传感器施加测试气体的情况下来确定的。

6.根据权利要求3所述的方法，其中所述传感器响应的所述变化率的大小和方向中的至少一者被确定。

7.根据权利要求3所述的方法，其中所述传感器是电化学气体传感器，并且所述感测组件是所述电化学气体传感器的工作电极。

8.根据权利要求7所述的方法，其中针对所述传感器响应的值是基于所述传感器响应的至少一个定义参数来确定的。

9.根据权利要求8所述的方法，其中所述传感器响应的所述至少一个定义参数选自以下各项的组：最大电流峰值、电流曲线下的面积、最小峰值、峰间值、所述曲线下的反向面积、所述传感器响应的基线值或上述各项中的一个或多个的函数。

10.根据权利要求8所述的方法，其中在周期性施加的电子询问中的每次电子询问时的、针对所述传感器响应的值是以下值偏离在校准所述传感器时所确定的至少一个定义参数的值的变化：在所述周期性施加的电子询问中的每次电子询问时所测量的所述传感器响应的所述至少一个定义参数的值。

11.根据权利要求2所述的方法，其中针对所述传感器响应的所述一个或多个阈值是通过以下来确定的：随时间跟踪所述传感器响应的值，并且确定所述传感器的标称行为的上阈值和下阈值。

12.根据权利要求2所述的方法，其中针对所述传感器响应的所述一个或多个阈值是通过以下来确定的：随时间跟踪多个相似传感器的所述传感器响应，并且确定所述多个相似传感器的标称行为的群体上阈值和群体下阈值。

13.根据权利要求12所述的方法，其中一个或多个其他阈值是通过以下来确定的：随时间跟踪所述多个相似传感器中的每个相似传感器的所述传感器响应，并且确定所述多个相似传感器中的每个相似传感器的标称行为的个体上阈值和个体下阈值。

14.根据权利要求13所述的方法，其中基于以下比较，针对所述多个相似传感器中的每个相似传感器进入所述第二模式：所述多个相似传感器中的每个相似传感器的所述传感器响应与所述群体上阈值和所述群体下阈值、以及与所述个体上阈值和所述个体下阈值的比较。

15.根据权利要求7所述的方法，其中针对所述传感器响应的所述一个或多个阈值是通过以下来确定的：随时间跟踪所述传感器响应的值，并且确定所述传感器的标称行为的上阈值和下阈值。

16.根据权利要求7所述的方法，其中针对所述传感器响应的所述一个或多个阈值是通过以下来确定的：随时间跟踪多个相似传感器的所述传感器响应，并且确定所述多个相似传感器的标称行为的群体上阈值和群体下阈值。

17.根据权利要求16所述的方法，其中一个或多个其他阈值是通过以下来确定的：随时间跟踪所述多个相似传感器中的每个相似传感器的所述传感器响应，并且确定所述多个相似传感器中的每个相似传感器的标称行为的个体上阈值和个体下阈值。

18.根据权利要求17所述的方法，其中基于以下比较，针对所述多个相似传感器中的每个相似传感器进入所述第二模式：所述多个相似传感器中的每个相似传感器的所述传感器响应与所述群体上阈值和所述群体下阈值、以及与所述个体上阈值和所述个体下阈值的比较。

19.根据权利要求16所述的方法，其中所述多个相似传感器中的每个相似传感器除了是相似传感器以外，还具有至少一个共同特性。

20.根据权利要求19所述的方法，其中所述至少一个共同特性是部署的地理区域或制造时间的范围。

21.根据权利要求1所述的方法，其中来自所述传感器的数据被传输给用于分析的远程处理器***。

22.根据权利要求1所述的方法，其中来自第二气体传感器的针对第二气体分析物的数据、或来自第三传感器的针对环境条件的数据被传输给所述气体传感器，所述第二气体分析物不同于所述气体分析物。

23.一种***，包括：

传感器，包括感测组件，所述感测组件具有对分析物敏感的至少一个性质；以及

与所述感测组件操作连接的电路***，所述电路***被配置为在第一模式下，通过向所述感测组件周期性地施加电信号来询问所述传感器，在每次所述电信号被施加到所述感测组件时，测量对所述电信号的传感器响应，所述传感器响应指示所述传感器的灵敏度，将所述传感器响应与一个或多个阈值进行比较，所述电路***还被配置为：如果一个或多个阈值被超过，则基于传感器响应与所述一个或多个阈值的所述比较来确定是否进入第二模式，所述第二模式在对周期性施加的所述电信号的传感器响应的分析方面与所述第一模式不同。

24.根据权利要求23所述的***，其中所述电路***被配置为：在所述第二模式下，分析对周期性施加的所述电信号的所述传感器响应，以确定对周期性施加的所述电信号的所述传感器响应是否稳定。

25.根据权利要求24所述的***，其中所述电路***还被配置为：确定所述传感器响应在所述第二模式期间的变化率，以确定对周期性施加的所述电信号的所述传感器响应是否稳定。

26.根据权利要求24所述的***，其中所述电路***还被配置为：在确定对周期性施加的所述电信号的所述传感器响应已稳定之后，改变所述一个或多个阈值。

27.根据权利要求23所述的***，其中所述电路***被配置为：在不向所述传感器施加测试气体的情况下确定所述传感器响应。

28.根据权利要求25所述的***，其中所述传感器响应的所述变化率的大小和方向中的至少一者被确定。

29.根据权利要求25所述的***，其中所述传感器是电化学气体传感器，并且所述感测组件是所述电化学气体传感器的工作电极。

30.根据权利要求29所述的***，其中针对所述传感器响应的值是基于所述传感器响应的至少一个定义参数来确定的。

31.根据权利要求30所述的***，其中所述传感器响应的所述至少一个定义参数选自以下项的组：最大电流峰值、电流曲线下的面积、最小峰值、峰间值、所述曲线下的反向面积、所述传感器响应的基线值或上述各项中的一个或多个的函数。

32.根据权利要求29所述的***，其中在周期性施加的电子询问中的每次电子询问时的、针对所述传感器响应的值是以下值偏离在校准所述传感器时所确定的至少一个定义参数的值的变化：在周期性施加的所述电信号中的每个电信号处所测量的所述传感器响应的所述至少一个定义参数的值。

33.根据权利要求24所述的***，其中针对所述传感器响应的所述一个或多个阈值是通过以下来确定的：随时间跟踪所述传感器响应的值，并且确定所述传感器的标称行为的上阈值和下阈值。

34.根据权利要求24所述的***，其中针对所述传感器响应的所述一个或多个阈值是通过以下来确定的：随时间跟踪多个相似传感器的所述传感器响应，并且确定所述多个传感器的标称行为的群体上阈值和群体下阈值。

35.根据权利要求34所述的***，其中所述多个相似传感器中的每个相似传感器包括通信***，所述通信***用以传输关于对周期性施加的所述电信号的所述传感器响应的数据，并且接收关于所述多个相似传感器的标称行为的所述群体上阈值和所述群体下阈值的数据。

36.根据权利要求34所述的***，其中一个或多个其他阈值是通过以下来确定的：随时间跟踪所述多个相似传感器中的每个相似传感器的所述传感器响应，并且确定所述多个相似传感器中的每个相似传感器的标称行为的个体上阈值和个体下阈值。

37.根据权利要求36所述的***，其中基于以下比较，针对所述多个相似传感器中的每个相似传感器进入所述第二模式：所述多个相似传感器中的每个相似传感器的所述传感器响应与所述群体上阈值和所述群体下阈值、以及与所述个体上阈值和所述个体下阈值的比较。

38.根据权利要求29所述的***，其中针对所述传感器响应的所述一个或多个阈值是通过以下来确定的：随时间跟踪所述传感器响应的值，并且确定所述传感器的标称行为的上阈值和下阈值。

39.根据权利要求29所述的***，其中针对所述传感器响应的所述一个或多个阈值是通过以下来确定的：随时间跟踪多个相似传感器的所述传感器响应，并且确定所述多个传感器的标称行为的群体上阈值和群体下阈值。

40.根据权利要求39所述的***，其中一个或多个其他阈值是通过以下来确定的：随时间跟踪所述多个相似传感器中的每个相似传感器的所述传感器响应，并且确定所述多个相似传感器中的每个相似传感器的标称行为的个体上阈值和个体下阈值。

41.根据权利要求40所述的***，其中所述多个相似传感器中的每个相似传感器包括通信***，所述通信***用以传输关于对周期性施加的所述电子询问的所述传感器响应的数据，并且接收关于所述多个传感器的标称行为的所述群体上阈值和所述群体下阈值的数据。

42.根据权利要求40所述的***，其中基于以下比较，针对所述多个相似传感器中的每个相似传感器进入所述第二模式：所述多个相似传感器中的每个相似传感器的所述传感器响应与所述群体上阈值和所述群体下阈值、以及与所述个体上阈值和所述个体下阈值的比较。

43.根据权利要求40所述的***，其中所述多个相似传感器中的每个相似传感器除了是相似传感器以外，还具有至少一个共同特性。

44.根据权利要求43所述的***，其中所述至少一个共同特性是部署的地理区域或制造时间的范围。

45.根据权利要求23所述的***，其中来自所述传感器的数据被传输给用于分析的远程处理器***。

46.根据权利要求23所述的***，其中来自第二气体传感器的针对第二气体分析物的数据、或来自第三传感器的针对环境条件的数据被传输给所述气体传感器，所述第二气体分析物不同于所述气体分析物。

47.一种操作包括多个相似气体传感器的***的方法，所述多个相似气体传感器中的每个相似气体传感器包括感测组件，所述方法包括：

在第一模式下，通过向所述传感器的所述感测组件周期性地施加电信号，来询问所述多个相似气体传感器中的每个相似气体传感器，在每次所述电信号被施加到所述相似气体传感器的所述感测组件时，确定对所述电信号的传感器响应，所述传感器响应指示所述多个相似气体传感器中的每个相似气体传感器的灵敏度，并且基于随时间而确定的所述多个相似气体传感器对周期性施加的所述电信号的标称响应，来分析所述多个相似气体传感器中的每个相似气体传感器对周期性施加的所述电信号的所述传感器响应。

48.根据权利要求47所述的方法，还包括：基于以下比较，针对所述多个相似气体传感器中的每个相似气体传感器，确定是否进入第二模式：所述多个相似气体传感器中的每个相似气体传感器的所述传感器响应与所述多个相似气体传感器在所述第一模式下的所述标称响应的比较，所述第二模式在对周期性施加的所述电信号的所述传感器响应的分析方面与所述第一模式不同。

Images