ОПРОС ДАТЧИКА
SENSOR SURVEY

ПЕРЕКРЕСТНАЯ ССЫЛКА НА РОДСТВЕННЫЕ ЗАЯВКИ
[01] Настоящая заявка притязает на приоритет предварительной заявки на патент США № 61/547245, поданной 14 октября 2011 года, предварительной заявки на патент США № 61/698153, поданной 7 сентября 2012 года, и заявки на патент США № 13/650613, поданной 12 октября 2012 года, содержание которых включено в настоящее описание посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[02] Представленная в приведенном ниже описании информация приведена для содействия читателю в понимании определенной технологии, включающей, например, устройства, системы и/или способы, раскрытые в приведенном ниже описании и типичных средах, в которых может быть использована такая технология. Пока иное не оговорено в данном документе, не предполагается ограничение терминов, использованных в настоящем описании, любой определенной ограничительной интерпретацией. Источники, изложенные в настоящем описании, могут облегчить понимание технологии или предпосылок ее создания. Описание всех источников информации, цитированных в настоящем описании, включены здесь посредством ссылки.
[03] Предусмотрительность предписывает необходимость проведения регулярных испытаний работоспособности измерительной аппаратуры обнаружения газа. Например, ежедневное выполнение «ударного теста», или проверки работоспособности переносной измерительной аппаратуры обнаружения газа является общепринятой практикой. Цель такого испытания заключается в гарантированном обеспечении работоспособности всей системы обнаружения газа, обычно именуемой контрольно-измерительным прибором. Периодическое проведение ударного теста или проверка работоспособности также могут быть выполнены в отношении стационарного контрольно-измерительного прибора обнаружения газа, например, для продления периода между полными калибровками. Системы обнаружения газа содержат по меньшей мере один газовый датчик, электронную схему и источник электропитания для возбуждения датчика, интерпретации его отклика и отображения его отклика пользователю. Системы дополнительно содержат корпус для размещения и защиты таких компонентов. Ударный тест, как правило, содержит: a) прикладывание интересующего газа (обычно заданный газ или анализируемый газ, который должен быть обнаружен контрольно-измерительным прибором); b) сбор и интерпретацию отклика датчика; и c) указание конечному пользователю работоспособного состояния системы (то есть работает ли контрольно-измерительный прибор должным образом).
[04] Такие ударные тесты выполняются регулярно и, как правило, ежедневно. Ударные тесты обеспечивают пользователю относительно высокую степень гарантии того, что устройство обнаружения газа работает должным образом. Ударный тест позволяет проверить все необходимые функциональные возможности всех частей устройства обнаружения газа, так же необходимые для обнаружения аварийного уровня опасного газа. В этом отношении ударный тест гарантирует, что существует эффективный подвод газа снаружи контрольно-измерительного прибора через любые транспортные пути (включая, например, любые защитные и/или диффузионные мембраны) для контакта с активными компонентами датчика. Ударный тест также гарантирует, что функция обнаружения самого датчика работает должным образом и что датчик обеспечивает соответствующую функцию отклика или сигнал. Ударный тест дополнительно гарантирует, что датчик должным образом соединен с его соответствующим источником электропитания и электронной схемой и что сигнал датчика интерпретирован должным образом. Кроме того, ударный тест гарантирует, что указатель(и) или пользовательский интерфейс(ы) (например, дисплей и/или функциональность визуальной индикации) контрольно-измерительного прибора обнаружения газа функционирует согласно назначению.
[05] Однако необходимость проведения периодического или ежедневного ударного теста имеет некоторые существенные недостатки. Например, такие ударные тесты трудоемки, особенно в сооружениях, которые содержат много систем или контрольно-измерительных приборов обнаружения газа. Ударный тест также требует использования дорогих и потенциально опасных калибровочных газов. Кроме того, ударный тест также требует использования специализированной системы подвода газа, обычно содержащей герметичный газовый флакон, редуктор давления и трубопроводы и адаптеры для правильной подачи калибровочного газа к контрольно-измерительному прибору. Требование использования специализированной системы подвода газа часто означает, что возможность ударного теста личного устройства обнаружения газа ограничена по месту и времени доступностью оборудования подвода газа.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[06] Согласно одному аспекту предложен способ испытания системы, имеющей по меньшей мере один электрохимический датчик для обнаружения анализируемого газа в корпусе системы, и корпус имеет входное отверстие, согласно которому выдыхают около входного отверстия корпуса системы и измеряют отклик на выдыхаемый воздух для испытания по меньшей мере одного транспортного пути системы. Измерение отклика на выдыхаемый воздух, например, может включать измерение отклика датчика в корпусе системы, который реагирует на присутствие выдыхаемого воздуха. Датчик, чувствительный к присутствию выдыхаемого воздуха, может, например, содержать электрохимически активный электрод, чувствительный к газу в выдыхаемом воздухе. Электрохимически активный электрод может быть, например, чувствительным к углекислому газу или к кислороду.
[07] Способ может дополнительно содержать электронную имитацию присутствия анализируемого газа и измерение отклика электрохимического датчика на указанную электронную имитацию. В некоторых вариантах реализации постоянный ток пропускается между первым рабочим электродом и противоэлектродом электрохимического датчика, а измеренный отклик представляет собой разность потенциалов. В некоторых вариантах реализации между первым рабочим электродом и противоэлектродом электрохимического датчика поддерживается постоянная разность потенциалов, и измеренный отклик представляет собой электрический ток. Электрохимический датчик может быть, например, амперометрическим датчиком.
[08] В некоторых вариантах реализации электрохимический датчик содержит первый рабочий электрод, чувствительный к анализируемому газу, и второй рабочий электрод, чувствительный к газу, содержащемуся в выдыхаемом воздухе. Электрохимический датчик может содержать, например, корпус датчика, содержащий по меньшей мере одно входное отверстие во внутреннее пространство корпуса датчика, в котором размещены первый рабочий электрод и второй рабочий электрод. Каждый из первого рабочего электрода и второго рабочего электрода может независимо содержать, например, электрокаталитически активный материал, нанесенный на пористую мембрану, через которую может диффундировать газ.
[09] В другом аспекте система содержит корпус системы, по меньшей мере одно входное отверстие, сформированное в корпусе системы, по меньшей мере один электрохимический датчик для обнаружения анализируемого газа в корпусе системы и по меньшей мере один датчик, чувствительный к присутствию выдыхаемого воздуха в корпусе системы. Датчик, чувствительный к присутствию выдыхаемого воздуха, может содержать, например, электрохимически активный электрод, чувствительный к газу, содержащемуся в выдыхаемом воздухе. Например, электрохимически активный электрод может быть чувствительным к углекислому газу или к кислороду.
[10] Система может дополнительно содержать систему для электронного опроса электрохимического датчика. Система для электронного опроса электрохимического датчика может содержать, например, схему электронной имитации присутствия анализируемого газа и измерения отклика электрохимического датчика на электронную имитацию. В некоторых вариантах реализации схема выполнена с возможностью подачи постоянного тока для его прохождения между первым рабочим электродом и противоэлектродом электрохимического датчика, а измеренный отклик представляет собой разность потенциалов. В некоторых вариантах реализации схема выполнена с возможностью поддержания постоянной разности потенциалов между первым рабочим электродом и противоэлектродом электрохимического датчика, а измеренный отклик представляет собой электрический ток.
[11] Электрохимический датчик может содержать, например, первый рабочий электрод, чувствительный к анализируемому газу, и второй рабочий электрод, чувствительный к газу, содержащемуся в выдыхаемом воздухе. Электрохимический датчик может содержать, например, корпус датчика, содержащий по меньшей мере одно входное отверстие во внутреннее пространство корпуса датчика, в котором размещены первый рабочий электрод и второй рабочий электрод. Каждый из первого рабочего электрода и второго рабочего электрода независимо может содержать, например, электрокаталитически активный материал, нанесенный на пористую мембрану, через которую может диффундировать газ.
[12] В дополнительном аспекте система обнаружения по меньшей мере одного анализируемого газа содержит корпус системы, имеющий систему впуска, и электрохимический газовый датчик, расположенный в корпусе и сообщающийся посредством текучей среды с системой впуска. Электрохимический датчик чувствителен по меньшей мере к одному анализируемому газу. Система дополнительно содержит по меньшей мере один датчик, размещенный в корпусе и сообщающийся посредством текучей среды с системой впуска, который чувствителен по меньшей мере к одной движущей силе, созданной около системы впуска и отличной от приложения по меньшей мере одного анализируемого газа или симулирующего газа, к которому чувствителен электрохимический датчик, для обеспечения указания состояния транспортного пути между системой впуска и электрохимическим газовым датчиком.
[13] Движущая сила может представлять собой, например, изменение концентрации газа, вызванное выдыханием воздуха, изменение влажности, изменение температуры, изменение давления или изменение потока. В некоторых вариантах реализации движущая сила создана выдыханием воздуха около системы впуска.
[14] Еще в одном аспекте согласно способу испытания по меньшей мере одного транспортного пути в системе, имеющей корпус и входное отверстие в корпусе, в котором первичная функция системы отлична от измерения свойства выдыхаемого воздуха; выдыхают около входного отверстия корпуса и измеряют отклик на выдыхаемый воздух для испытания по меньшей мере одного транспортного пути системы.
[15] Настоящее изобретение, наряду с его характерными признаками и сопутствующими преимуществами, будет лучше всего понятно ввиду представленного ниже подробного описания, выполненного совместно с сопроводительными чертежами.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[16] На фиг. 1 изображен пользователь, выдыхающий таким образом, что выдыхаемый пользователем воздух попадает на входное отверстие системы, содержащей корпус, вмещающий датчик, который чувствителен по меньшей мере к одному параметру выдыхаемого воздуха.
[17] На фиг. 2A изображен схематический вид в поперечном разрезе варианта реализации системы или контрольно-измерительного прибора, содержащего по меньшей мере один датчик, который содержит первый рабочий электрод, чувствительный или реагирующий на анализируемое вещество, и второй электрод, чувствительный или реагирующий на движущую силу, связанную, например, с присутствием выдыхаемого воздуха.
[18] На фиг. 2B изображен увеличенный вид сбоку в поперечном разрезе части датчика на фиг. 2A, содержащей крышку корпуса, в которой отверстие впуска газа сформировано так, что оно сообщается посредством текучей среды с газодиффузионным пространством и пористой газодиффузионной мембраной, в которой первый рабочий электрод и второй рабочий электрод сформированы на внутренней стороне диффузионной мембраны или прикреплены к ней.
[19] На фиг. 2C изображен вид снизу части датчика, изображенного на фиг. 2B.
[20] На фиг. 3A изображен перспективный покомпонентный вид другого варианта реализации датчика, содержащего первый рабочий электрод, чувствительный или реагирующий на анализируемое вещество, и второй электрод, чувствительный или реагирующий на присутствие выдыхаемого воздуха, в котором первый рабочий электрод сформирован на первой диффузионной мембране, а второй рабочий электрод сформирован на второй диффузионной мембране.
[21] На фиг. 3B изображен вид в поперечном разрезе датчика с фиг. 3A в пределах корпуса контрольно-измерительного прибора или системы.
[22] На фиг. 3C изображен увеличенный вид сбоку в поперечном разрезе части датчика с фиг. 3А, содержащей крышку корпуса, на которой сформированы два отверстия впуска газа, в котором каждый из первого рабочего электрода и второго рабочего электрода, в общем, выровнен с одним из двух отверстий впуска газа.
[23] На фиг. 3D изображен вид снизу части датчика, изображенной на фиг. 3C.
[24] На фиг. 3E изображен схематический вид в поперечном разрезе другого варианта реализации датчика, содержащего первый рабочий электрод, чувствительный или реагирующий на анализируемое вещество, и второй электрод, чувствительный или реагирующий на присутствие выдыхаемого воздуха, в котором первый рабочий электрод сформирован на первой диффузионной мембране, размещенной в первой ячейке, и второй рабочий электрод сформирован на второй диффузионной мембране, размещенной во второй ячейке.
[25] На фиг. 3F изображен вид сбоку в поперечном разрезе части другого варианта реализации датчика, содержащего корпус, имеющий входное отверстие в форме продольного паза и диффузионный элемент, сообщающийся посредством текучей среды с входным отверстием.
[26] На фиг. 3G изображен вид сверху датчика на фиг. 3F.
[27] На фиг. 4 изображено исследование отклика датчика с фиг. 3A, в котором первый рабочий электрод чувствителен к сульфиду водорода, и второй рабочий электрод чувствителен к кислороду, при испытании выдыхаемым воздухом, за которым следует смесь из 15% кислорода и 20 ч/млн сульфида водорода, за которой следует азот.
[28] На фиг. 5A изображена лента и провод, которые могут быть использованы для формирования элементов датчика в системах настоящего изобретения, которые выполнены с возможностью измерения отклика, например на выдыхаемый воздух, для выполнения испытания по меньшей мере одного транспортного пути системы.
[29] На фиг. 5B изображены элементы датчика, содержащие проводящую ленту и проводящий провод, на которые нанесен или закреплен электрокаталитический материал.
[30] На фиг. 5C изображен элемент датчика, содержащий удлиняющуюся ленту, имеющую прямоугольный конечный элемент, который шире, чем удлиняющаяся лента.
[31] На фиг. 5D изображен элемент датчика по фиг. 5C, имеющий электрокаталитический материал, закрепленный на его конечном элементе.
[32] На фиг. 5E изображен элемент датчика, содержащий удлиняющийся провод, имеющий завитой участок на его конце.
[33] На фиг. 5F представлен элемент датчика с фиг. 5E, содержащий электрокаталитический материал, закрепленный на его завитом участке.
[34] На фиг. 6 изображен вариант реализации системы гребенчатых электродов, в котором первое разветвление системы электродов содержит первый электрокаталитический материал и второе разветвление содержит второй электрокаталитический материал.
[35] На фиг. 7 изображен вариант реализации системы электродов, в котором первый электрод и второй электрод удерживаются на газопроницаемом диске, сформированном в виде кольца.
[36] На фиг. 8 изображен отклик типового примера амперометрического датчика c одним каналом, имеющего один электрод, изготовленный так, чтобы содержать электрокаталитический материал, который чувствителен к анализируемому веществу, к выдыхаемому воздуху и к азоту.
[37] На фиг. 9 изображена диаграмма дерева решений, объясняющая типовой вариант реализации рабочего режима или способ системы настоящего изобретения.
[38] На фиг. 10 изображена эквивалентная схема, используемая для описания электрохимических ячеек.
[39] На фиг. 11 изображена блок-схема варианта реализации схемы измерения для электронного опроса.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ
[40] Используемые в настоящем описании и в пунктах приложенной формулы изобретения формы единственного числа содержат множественные ссылки, пока иное явно не оговорено в контексте. Таким образом, например, ссылка на «транспортный путь» охватывает множество таких транспортных путей и их эквивалентов, известных специалистам в данной области техники, и т. д., и ссылка на «транспортный путь» представляет собой указание по меньшей мере на один такой транспортный путь и его эквиваленты, известные специалистам в данной области техники, и т. д.
[41] Например, согласно схематическому изображению на фиг. 1 в некоторых вариантах реализации устройства, системы и/или способы выполнены с возможностью проверки транспортных свойств системы 10 обнаружения газа или другой системы посредством приложения движущей силы, отличной от анализируемого газа или имитирующего газа (то есть газа, имитирующего анализируемый газ путем вызова отклика от диагностического электрода системы), из контейнера по меньшей мере к одному входному отверстию 22 вмещающего корпуса 20 системы 10. В некоторых вариантах реализации движущая сила, например, может представлять собой приложение выдыхаемого воздуха к входному отверстию или отверстиям 22. Корпус 20 может, например, содержать путь переноса вещества в его внутреннем пространстве (например, диффузионный путь), сообщающийся посредством текучей среды с входным отверстием 22. Например, путь может содержать или сообщаться посредством текучей среды с элементом переноса вещества или диффузионным элементом или барьером 30 (например, мембрана, через которую газ переносится (например, посредством диффузии), но через которую перенос жидкости ограничен или совсем отсутствует). Корпус 20 вмещает датчик 40, который чувствителен к присутствию выдыхаемого воздуха. Например, датчик 40 может быть чувствительным к газу окружающей среды (концентрация которого изменяется наличием выдыхаемого воздуха), к газу в пределах выдыхаемого воздуха, к изменению влажности, к изменению температуры, к изменению давления, к изменению потока и т. д. Отклик датчика 40 на выдыхаемый воздух обеспечивает измерение транспортных свойств и/или функциональности по меньшей мере одного транспортного пути системы 10.
[42] В некоторых типовых вариантах реализации устройств, систем и/или способов, рассмотренных в настоящем описании, уменьшена или исключена необходимость ударного теста контрольно-измерительного прибора обнаружения газа с помощью имеющегося калибровочного (например, анализируемого или имитирующего) газа. Такие типовые варианты реализации систем, устройств и/или способов могут, например, объединять внутреннюю электронную проверку или запрос работоспособности датчика, соединения и/или корректировки (как, например, описано в патенте США № 7413645) с испытанием транспортного пути, используя «вторичный» датчик, чувствительный к движущей силе, отличной от имеющейся у анализируемого газа или имитирующего газа (например, движущая сила/изменение переменной величины, возникающее в результате присутствия выдыхаемого человеком воздуха согласно приведенному выше описанию).
[43] Множество устройств обнаружения газа, контрольно-измерительных приборов или систем (например, переносные контрольно-измерительные приборы обнаружения газа) содержат амперометрические электрохимические газовые датчики. Эти датчики часто упоминаются как датчики типа «топливного отсека», что указывает на простой принцип функционирования. Такие электрохимические газовые датчики, как правило, объединяются или интегрируются в устройство, систему или измерительный прибор с аккумуляторной батареей или другим источником питания, подходящей электронной схемой возбуждения (например, содержащей регулятор напряжения, дисплеем и по меньшей мере одним сигнальным устройством (или другим средством сообщения пользователю о присутствии опасного уровня вредного или ядовитого газа или состояния опасного снижения или повышения кислорода). Датчик, схема и дисплеи, как правило, содержатся в жестком герметизированном корпусе. В контексте такого контрольно-измерительного прибора термин «герметизированный» относится к защите датчика, схемы и дисплеев от вредных факторов окружающей среды (например, пыль, конденсирующие пары, такие как краски или покрытия, и вода и/или другие жидкости). Однако герметизированный корпус должен непрерывно обеспечивать эффективный перенос заданного или анализируемого газа или газов снаружи корпуса измерительного прибора внутрь корпуса самого датчика. Часто такой эффект достигается по меньшей мере одной пористой диффузионной мембраной, которая предотвращает попадание пыли, паров и жидкости в корпус измерительного прибора, но при этом обеспечивает возможность переноса по меньшей мере одного интересующего анализируемого газа непосредственно в датчик. Такой перенос, как правило, достигается газовой диффузией или нагнетанием потока анализируемого газа в датчик или по поверхности датчика.
2
2
2
2
2
2
2
2
[44] Согласно приведенному выше описанию необходимость ударного теста системы/устройства обнаружения газа с использованием калибровочного или симулирующего газа из контейнера снижается или исключается путем обеспечения датчика (например, вторичный датчик), который чувствителен к или воспринимает движущую силу или различное изменение вблизи входного отверстия системы, такого как, например, присутствие выдыхаемого воздуха. В некоторых вариантах реализации компоненты, которые делают датчик чувствительным к кислороду, обеспечены в амперометрическом электрохимическом датчике (который функционирует для обнаружения анализируемого газа, отличного от кислорода). Выдыхаемый человеком воздух, как правило, содержит 4-5 процентов от объема (об.%) углекислого газа (CO) и от 15,8 до 16,8 процентов от объема кислорода (O). Напротив, атмосферный воздух содержит приблизительно 20,8 процентов от объема O и 0,035 процентов от объема CO. Таким образом, при выдыхании пользователем по меньшей мере вблизи одного входного отверстия в корпусе системы обнаружения или контрольно-измерительного прибора выдыхаемый воздух вытесняет объем газа (атмосферный воздух) в пределах объема диффузии в датчике. Отклик на сниженную концентрацию кислорода в выдыхаемом воздухе по сравнению с атмосферным воздухом может быть использован для проверки транспортных свойств любого пути переноса газа, или в устройстве обнаружения газа может быть использован механизм (например, содержащий по меньшей мере одну газовую диффузионную мембрану). Этот же результат может быть достигнут, например, путем объединения, в пределах или вместе, например, с ядовитым газом, горючего или другого канала датчика, чувствительного элемента (который может быть таким же или отличаться от чувствительного элемента для анализируемого газа), который реагирует на любые или все составляющие выдыхаемого воздуха. Например, подобный результат может быть получен посредством введения датчика или чувствительного функционального средства, которое реагирует на повышенную концентрацию CO в выдохнутом воздухе по сравнению с атмосферным воздухом. В этом отношении выдыхаемый воздух содержит приблизительно 5% объема COпо сравнению с атмосферным воздухом, который содержит приблизительно 600 ppm (частей на миллион) CO (0,06% от объема). Датчик или сенсорная система для измерения концентрации CO, например, могут содержать электрохимический датчик и/или недисперсионный инфракрасный датчик.
[45] Амперометрические или газовые датчики типа топливного элемента, как правило, содержат по меньшей мере два электрокаталитических электрода (анод и катод), по меньшей мере один из которых представляет собой газодиффузионный электрод или рабочий электрод. Рабочим электродом может быть и анод, и катод в любом заданном датчике. Газодиффузионный электрод, как правило, содержит мелкие частицы электрокаталитического материала, присоединенного к одной стороне пористой или газопроницаемой мембраны.
[46] Электрокаталитическая сторона рабочего электрода находится в ионном контакте со вторым электродом (противоэлектрод, независимо анод или катод) через электролит (например, жидкий электролит, твердый электролит, электролит квазитвердого состояния или ионную жидкость). Жидкий электролит, как правило, представляет собой раствор соли сильного электролита, растворенной в подходящем растворителе, таком как вода. Кроме того, может быть использован органический растворитель. Электролиты квазитвердого состояния, например, могут содержать жидкий электролит, нейтрализованный твердым телом с высокой площадью поверхности и пористостью. Рабочий электрод и противоэлектрод находятся также в электрическом контакте через внешнюю схему, используемую для измерения тока, проходящего через датчик.
[47] Кроме того, хотя, конечно, и нет необходимости, тем не менее, третий электрод или электрод сравнения часто включен в состав. Электрод сравнения создан таким образом, что его потенциал в целом постоянен по отношению к обычно возникающим условиям окружающей среды. Электрод сравнения служит в качестве фиксированной точки в пространстве потенциалов, по сравнению с которой может быть установлен рабочий потенциал рабочего электрода. Таким образом, электрохимические реакции, которые обычно не были бы доступны, могут быть использованы для обнаружения интересующего анализируемого газа. Такой результат может быть достигнут посредством электронной схемы управления и возбуждения, которая, например, может содержать регулятор напряжения.
[48] на фиг. 2A-2C изображена схематическая диаграмма контрольно-измерительного прибора или системы 100, содержащей по меньшей мере один электрохимический датчик или сенсорную систему 110. Система 100 содержит корпус 102 системы, включающий в себя входное отверстие или систему 104 впуска, которая посредством текучей среды устанавливает связь внутреннего пространства корпуса 102 системы с окружающей средой. Электрохимическая сенсорная система 110 содержит по меньшей мере один основной датчик, чувствительный по меньшей мере к одному анализируемому газу. Система 100 дополнительно содержит по меньшей мере один вторичный датчик, который чувствителен к движущей силе или изменению параметра снаружи корпуса 102 системы около входного отверстия 104, отличному от изменения концентрации анализируемого газа или симулирующего газа (то есть газ, отличный от анализируемого газа, к которому чувствителен первичный датчик), поданного в систему 100 из контейнера. Система 50 для создания такой движущей силы или изменения параметра схематично изображена на фиг. 2A. Система 50 может, например, осуществлять изменение концентрации газа, изменение влажности, изменение температуры, изменение давления, изменение потока и т. д. около входного отверстия 104 системы. Вторичный датчик чувствителен к движущей силе, созданной системой 50. Отклик вторичного датчика на движущую силу указывает состояние пути или транспортного пути между входным отверстием 104 и вторичным датчиком. В общем, транспортный путь представляет собой путь, через который газ переносится снаружи корпуса 102 (через входное отверстие 104) к вторичному датчику (независимо, например, посредством диффузии или нагнетания). Транспортный путь между входным отверстием 104 и вторичным датчиком и транспортный путь между входным отверстием 104 и первичным датчиком могут быть, например, одинаковыми или подобными и подвергаться в основном одинаковым условиям в течение срока службы системы 100. Вторичный датчик может быть размещен, например, в непосредственной близости от первичного датчика. Отклик вторичного датчика на движущие силы обеспечивает указание состояния транспортного пути между входным отверстием 104 системы и первичным датчиком.
[49] В некоторых типовых вариантах реализации, приведенных в настоящем описании, система 50 представляет собой человека, который выдыхает воздух около входного отверстия 104. В случае выдыхаемого воздуха движущая сила может быть любым (или более чем одним) из изменения концентрации газа (например, кислорода или углекислого газа), изменения влажности, изменения температуры, изменения давления или изменения потока. Таким образом, вторичный датчик может содержать газовый датчик, датчик влажности, температурный датчик, датчик давления и/или датчик потока. В случае, когда, например, вторичный датчик представляет собой датчик влажности, температурный датчик, датчик давления или датчик потока, то система 50 необязательно должна представлять собой человека, который выдыхает воздух около входного отверстия 104 системы. Например, система 50 может быть любой системой или устройством, подходящим для создания изменения влажности, изменения температуры, изменения давления или изменения потока. Управление степенью изменения интересующего переменного параметра позволяет контролировать соответствующий отклик вторичного датчика. В случае изменения температуры система 50 может, например, содержать нагревательный элемент. В случае изменения давления или изменения потока система 50 может, например, содержать небольшой, управляемый вручную воздушный насос, такой как мехи.
[50] В некоторых типовых вариантах реализации вторичный датчик содержит газовый датчик, чувствительный к концентрации газа, которая изменяется выдохом воздуха около входного отверстия 104 системы. В нескольких таких вариантах реализации датчик 110 содержит корпус 120, имеющий газовпускное отверстие 130 (сформированный в крышке 122 корпуса 120 датчика) для входа анализируемого газа и человеческого дыхания в датчик 110. В представленном варианте реализации входное отверстие 130 сообщается посредством текучей среды с газодиффузионным объемом или пространством 118. Пропитанные электролитом фитильные материалы 140a, 140b и 140c отделяют первый рабочий электрод 150a (чувствительный к присутствию анализируемого газа) и второй рабочий электрод 150b (чувствительный к присутствию человеческого дыхания) от электрода или электродов 170 сравнения и противоэлектрода или противоэлектродов 180 в пределах датчика 110 и обеспечивают ионную проводимость между ними через электролит, впитанный ими. Первый рабочий электрод 150a, электрод 170 сравнения и противоэлектрод 180 совместно с пропитанными электролитом фитильными материалами 140a, 140b и 140c формируют часть первичного датчика. Второй рабочий электрод 150b, электрод 170 сравнения и противоэлектрод 180 совместно с пропитанными электролитом фитильными материалами 140a, 140b и 140c формируют часть вторичного датчика. Электронная схема 190, как известно в уровне техники, обеспечена, например, для поддержания необходимого потенциала между рабочими электродами 150a и 150b и электродом или электродами 170 сравнения для обработки выходного сигнала от датчика 110 и для соединения/взаимодействия с другими компонентами системы 100 (включая, например, по меньшей мере один дисплей, систему связи, источник питания и т. д.).
[51] В представленном варианте реализации первый рабочий электрод 150a и второй рабочий электрод 150b размещены таким образом, чтобы в пределах корпуса 120 датчика они были расположены в одной плоскости. В представленном варианте реализации первый рабочий электрод 150a сформирован посредством нанесения первого слоя катализатора 154a на диффузионную мембрану 152 (с использованием, например, технологии нанесения катализатора, известной в уровне техники, относящемся к чувствительным элементам). Второй рабочий электрод 150b также сформирован путем нанесения второго слоя катализатора 154b на диффузионную мембрану 152 (с использованием, например, технологий нанесения катализатора, известных в уровне техники, относящемся к чувствительным элементам). Способы изготовления электродов на диффузионных мембранах описаны, например, в публикации заявки на патент США № 2011/0100813. Слои 152a и 152b катализатора могут быть сформированы или могут не быть сформированы с использованием одинакового электрокаталитического материала. Не имеет существенного значения, функционирует ли второй газодиффузионный или рабочий электрод 150b в качестве анода или катода по отношению к функционированию первого газодиффузионного или рабочего электрода 150a.
[52] На фиг. 3A-3D изображен вариант реализации датчика 210, который подобен по конструкции и функционированию датчику 110. Одинаковые элементы датчика 210 пронумерованы подобно соответствующим элементам датчика 110 с добавлением 100 к ссылочным номерам элементов датчика 210. Согласно фиг. 3A электрод 270 сравнения, противоэлектрод 280 и впитывающие электролит фитили 240a, 240b и 240c удерживаются в корпусе 220 посредством опорного элемента 284. Печатная плата 292 соединена с корпусом 220 и может составлять часть электронной схемы датчика 210.
2
[53] Согласно, например, изображениям на фиг. 3A и 3C крышка 222 корпуса содержит первое газовпускное отверстие 230a и второе газовпускное отверстие 230b. Первое газовпускное отверстие 230a и второе газовпускное отверстие 230b могут, например, сообщаться посредством текучей среды с системой 204 впуска (включая, например, по меньшей мере одно входное отверстие), сформированной в корпусе 202 контрольно-измерительного прибора или системы 200 (см. фиг. 3B). Первое входное отверстие 230a может быть разработано, например, для использования совместно с первым рабочим электродом 250a для анализируемого газа, такого как водородный сульфид. Первый слой 254a катализатора первого рабочего электрода 254a, который нанесен на первую диффузионную мембрану 252a, может содержать, например, иридий в случае, когда анализируемый газ представляет собой водородный сульфид (HS). Второе входное отверстие 230b выполнено для использования совместно с приложением выдыхаемого воздуха ко второму рабочему электроду 250b. Второй рабочий электрод 250b сформирован путем нанесения второго слоя 254b катализатора на вторую диффузионную мембрану 252b. Отдельные газовпускные отверстия 230a и 230b могут быть разработаны или оптимизированы, например, для прохода двух различных газов. В этом отношении первое газовпускное отверстие 230a может быть оптимизировано (например, в размере и/или форме) для интересующего анализируемого газа, тогда как второе газовпускное отверстие 230b может быть оптимизировано для некоторой составляющей выдыхаемого воздуха.
[54] В случае водного электролита материал или материалы (который или которые могут быть одинаковым или отличным) газодиффузионных мембран, в общем, могут быть гидрофобными по природе для минимизирования или устранения любого потока водного электролита по нему. В случае неводного (например, органического) электролита материал газодиффузионных мембран, в общем, может быть гидрофильным по природе для минимизирования или устранения любого потока неводного электролита по нему. Кроме того, материал(ы) может быть гидрофобным и гидрофильным. Такие материалы упоминаются как «многофобные». Также материалы могут быть обработаны химически или иным образом для минимизирования или устранения жидкого потока электролита или утечки.
[55] В общем, термин «гидрофобный» в контексте настоящего описания указывает на материалы, которые по существу или абсолютно являются устойчивыми к намоканию водой под давлениями, проявляющимися в пределах электрохимических датчиков (и, таким образом, ограничивают поток водного электролита через себя). В общем смысле термин «гидрофильный» в контексте в настоящем описании относится к материалам, которые являются по существу или абсолютно устойчивыми к намоканию жидкостями низкого поверхностного натяжения, такими как неводные системы электролита, под давлениями, проявляющимися в пределах электрохимических датчиков (и, таким образом, ограничивают поток неводного электролита через себя). В контексте настоящего описания фраза «жидкости низкого поверхностного натяжения» относится, в целом, к жидкостям, имеющим поверхностное натяжение меньше, чем у воды. Гидрофобные, гидрофильные и многофобные материалы для использования в электродах описаны, например, патенте США № 5944969.

[56] Газодиффузионные мембраны для использования в настоящем изобретении могут быть сформированы, например, из полимерных материалов, таких как, без ограничения, политетрафторэтилен (например, GORETEX)), полиэтилен или фторид поливинилидена (PVDF). Такие полимерные материалы могут содержать, например, пористую структуру, которая обеспечивает сквозь них газовую диффузию.
[57] В датчиках 110 и 210 первые рабочие электроды 150a и 250a используют общий электролит, общий противоэлектрод (180 и 280) и общий электрод (170 и 270) сравнения совместно со вторыми рабочими электродами 150b и 250b соответственно. В определенных ситуациях, в зависимости, например, от анализируемого газа, который должен быть обнаружен, и связанной электрохимической обработки, необходимость и возможность наличия общего электролита, противоэлектрода и/или электрода сравнения могут быть исключены. На фиг. 3E изображен другой вариант реализации датчика 210’, который подобен по функционированию и конструкции датчикам 110 и 210. В отличие от датчиков 110 и 210, в варианте реализации 210’ первый рабочий электрод 250a’ и второй рабочий электрод 250b’ размещены в отдельных ячейках в корпусе 120'', которые не сообщаются посредством текучей среды. Таким образом, в отношении пропитанных электролитом фитильных материалов 140a’, 140b’ и 140c’ можно использовать отличный электролит, чем электролит, используемый в отношении пропитанных электролитом фитильных материалов 140a’’, 140b’’ и 140c’’. Подобным образом электрод 170a’ сравнения может быть сформирован по-другому от электрода 170b’, и/или противоэлектрод 180a’ может быть сформирован по-другому от противоэлектрода 180b’. В представленном варианте реализации отдельные входные отверстия 230a’ и 230b’ сформированы в общей крышке или колпачке 222’ для взаимодействия посредством текучей среды с первым рабочим электродом 250a’ и вторым рабочим электродом 250b’ соответственно.
[58] На фиг. 3F и 3G изображен другой вариант реализации датчика 310, который подобен по функционированию и конструкции датчикам 110 и 210. Датчик 310 содержит корпус 320, имеющий газовпускное отверстие 330 (сформированное в крышке 322 корпуса 320 датчика) для входа анализируемого газа и человеческого дыхания в датчик 110. В представленном варианте реализации входное отверстие 330 сформировано в виде удлиненного паза в крышке 322 и сообщается посредством текучей среды с газодиффузионным элементом 318. Газодиффузионный элемент 318 сформирован, например, из пористого полимерного материала и обеспечивает достаточно быструю боковую диффузию газа к первому рабочему электроду 350a (чувствительному к присутствию анализируемого газа) и второму рабочему электроду 350b (чувствительному к присутствию человеческого дыхания) для уменьшения время отклика датчика 310. Первый рабочий электрод 350a, второй рабочий электрод 350b и остальная часть компонентов датчика 330 могут быть сформированы, например, аналогичным образом согласно приведенному выше описанию в отношении рабочего электрода 150a, второго рабочего электрода 150b и остальной части компонентов датчика 110. Газодиффузионный элемент 318 может быть, например, более жестким при создании, чем диффузионная мембрана 352a первого рабочего электрода 350a и диффузионная мембрана 352b второго рабочего электрода 350b (на которые нанесены соответственно слои 354a и 354b катализатора). В дополнение к обеспечению относительно быстрой боковой диффузии газодиффузионный элемент 318 может также защитить диффузионные мембраны 352a и 352b от «защемления» в результате механического сжатия.
[59] Хотя пути переноса для первых рабочих электродов 250a, 250a’ и 350a и для вторых рабочих электродов 250b, 250b’ и 350b датчика 210, 210’ и 310 несколько отличаются, тем не менее, все пути переноса в конкретном контрольно-измерительном приборе испытывают в целом одинаковую окружающую среду и условия окружающей среды. Следовательно, задача, связанная с выдыхаемым воздухом и измеренным откликом вторых рабочих электродов 250b, 250b’ и 350b, обеспечивает указание функциональности всех транспортных путей в системе или контрольно-измерительном приборе.
2
[60] В нескольких исследованиях датчиков, изготовленных аналогично датчику 210, первый газодиффузионный или рабочий электрод 250a был использован для обнаружения сульфида водорода (HS), тогда как второй газодиффузионный или рабочий электрод 250b были использован для обнаружения кислородного компонента выдыхаемого воздуха. Датчики, изготовленные по способу датчика 110, датчика 210’ или датчика 310, функционировали бы аналогичным образом. В особо изученных вариантах реализации первый слой 254a электрокатализатора содержал металл иридия (Ir). Второй слой 254b электрокатализатора содержал платину (Pt). Во втором слое 254b электрокатализатора могут быть использованы другие электрокатализаторы, подходящие для снижения кислорода.
2
2
[61] На фиг. 4 изображен датчик 210 состояния, подвергнутый выдыхаемому воздуху, за которым следует смесь из 15% кислорода и 20 промилле сульфида водорода, за которой следует азот. Кривая канала HS представляет собой отклик первого рабочего электрода 250a (разработанного для обнаружения сульфида водорода), и кривая канала O представляет собой отклик второго рабочего электрода 250b (разработанного для обнаружения кислородной составляющей выдыхаемого воздуха). Согласно изображению на фиг. 4 второй рабочий электрод 250b реагирует на сниженное содержание кислорода в выдыхаемом воздухе, которое происходит приблизительно в метке 50 секунд на графике. Приблизительно в метке 100 секунд была применена смесь из 15% кислорода и 20 ч/млн сульфида водорода. Каждый из первого рабочего электрода 250a и второго рабочего электрода 250b соответствующим образом отреагировали на эту эталонную газовую пробу. В конечном итоге, в метке 250 секунд был применен азот. По применении азота второй рабочий электрод 250b (разработанный для обнаружения кислорода) соответствующим образом отреагировал на эталонную газовую пробу.
[62] Согласно фиг. 4 отклик второго рабочего электрода 250b на выдыхаемый воздух может быть использован, например, для определения того, подвергались ли транспортные пути (включая газодиффузионные элементы и/или мембраны) переносного контрольно-измерительного прибора обнаружения газа воздействию, например, пыли, парам и/или жидкости. То есть на основании отклика второго рабочего электрода 250b на пониженную концентрацию кислорода выдыхаемого воздуха может быть определено, что по всем газодиффузионным элементам (например, газодиффузионные мембраны 252a и 252b) проходит соответствующий поток независимо от того, являются ли они частью самого датчика 210 или частью всего контрольно-измерительного прибора. Такой газовый отклик, при объединении с внутренним электронным сигналом запроса, таким как описан в патенте США 7413645, может быть использован для обеспечения проверки внутреннего проводящего состояния амперометрического электрохимического датчика и любого газотранспортного пути или путей (включая, например, связанные газодиффузионные мембраны), независимо от того, является ли он частью самого сенсорного элемента или частью всего контрольно-измерительного прибора. Таким образом, испытание, в общем результате подобное ударному тесту, осуществляется без использования дорогого и потенциально опасного калибровочного газа и оборудования, связанного с ним.
[63] В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения для использования применительно к испытанию выдыхаемым воздухом или ударному тесту амперометрический элемент определения кислорода (или другого газа) расположен, например, в пределах амперометрического датчика обнаружения ядовитого (или другого) газа для обнаружения интересующего анализируемого вещества. В некоторых вариантах реализации, представленных в приведенном выше описании, рабочий электрод обнаружения анализируемого газа и электрод обнаружения кислорода традиционно изготавливаются как газодиффузионные электроды. В большинстве случаев такие газодиффузионные электроды содержат электрокатализатор с большой площадью поверхности, распыленный на пористой опорной мембране. В вариантах реализации, в которых амперометрический газовый датчик используется в системах в качестве вторичного датчика для испытания по меньшей мере одного транспортного пути, поскольку вторичный датчик (например, кислородный датчик) не используется для представления анализируемого сигнала, может отпасть необходимость использования газодиффузионного электрода или высокий электрокатализатор большой площади поверхности.
2
[64] Например, проводник, такой как контактная лента или другой проводящий элемент, которые часто используются для переноса электрического сигнала от газодиффузионного электрода, может иметь достаточную площадь поверхности и электрокаталитическую активность, которая должна быть использована в качестве кислорода, CO или другого газочувствительного электрода. Например, на фиг. 5A изображена лента 450a и провод 450a’, которые могут быть использованы для формирования неаналитического сенсорного элемента в системах настоящего изобретения. Такие ленты или провода могут быть изготовлены, например, из электрокаталитического материала, такого как платина (Pt), иридий (Ir), золото (Au) или углерод (C). Согласно фиг. 5B сенсорные элементы 550a и 550a’ могут представлять собой, например, проводящую ленту 552a или проводящий провод 552a’ соответственно, которые покрыты или на которые нанесен соответственно электрокаталитический материал 554a и 554a’ (например, Pt, Ir, Au, C и т. д.). Материал ленты 552a и провода 552a’ может быть одинаковым или отличаться от электрокаталитического материала 554a и 554a’, закрепленного на них.
[65] Чувствительные элементы или электроды для испытания транспортных путей могут принимать большое разнообразие двумерных или трехмерных форм. Например, на фиг. 5C изображен чувствительный элемент 650a, содержащий удлиняющуюся ленту 652a, имеющую прямоугольный конечный элемент 653a, который шире, чем удлиняющаяся лента 652a, например, для обеспечения увеличенной площади поверхности на единицу длины по сравнению с лентой такой же длины. Аналогичным образом на фиг. 5D изображен сенсорный элемент 650a’, содержащий удлиняющуюся ленту 652a’, имеющую прямоугольный конечный элемент 653a. В варианте реализации, представленном на фиг. 5D, электрокаталитический материал 654a’ закреплен на конечном элементе 653a. На фиг. 5E изображен сенсорный элемент 750a, содержащий удлиняющийся провод 752a, имеющий завитой участок 653a на своем конце, который может обеспечивать, например, увеличенную площадь поверхности на единицу длины по сравнению с удлиняющимся проводом такой же длины. Аналогичным образом на фиг. 5F изображен сенсорный элемент 750a’, содержащий удлиняющийся провод 752a’, имеющий завитой участок 653a на своем конце. В варианте реализации на фиг. 5F электрокаталитический материал 754a’ закреплен на завитом участке 753a’. В вариантах реализации на фиг. 5D и 5F электрокаталитические материалы 654a’ и 754a’ могут быть одинаковыми или отличаться от материала, на котором закреплен электрокаталитический материал.
2
2
[66] В вариантах реализации, представленных в приведенном выше описании, первый электрод используется для обнаружения анализируемого вещества, а второй электрод, сформированный отдельно от первого электрода, используется, например, для определения концентрации кислорода. В типовом примере токсичного газа датчик, предназначенный для обнаружения анализируемого HS, например, канал токсичного газа (в данном случае HS), изготовлен так, что он содержит иридиевый (Ir) электрокатализатор, а электрод определения кислорода изготовлен так, что он содержит платиновый (Pt) электрокатализатор. Такие электрокатализаторы, например, могут быть независимо диспергированы на одну пористую подложку, но в двух отдельных и различных областях. Одинаковая или подобная функциональность может быть достигнута, например, при использовании смесей из Pt и Ir. Например, такие смеси могут представлять собой физические смеси из каталитических порошков с большой площадью поверхности, или такие смеси могут представлять собой сплавы. В некоторых вариантах реализации одно электрокаталитическое вещество или материал могут быть изготовлены, например, поверх другого электрокаталитического вещества или материала двухступенчатым процессом.
[67] Кроме того, два электрокаталитических материала могут быть собраны, например, в систему встречно-штыревых электродов. На фиг. 6 изображен вариант реализации системы 850 встречно-штыревых электродов, в котором первое разветвление 850a системы 850 электродов содержит первый электрокаталитический материал, и второе разветвление 850b содержит второй электрокаталитический материал. Первые и вторые электрокаталитические материалы двух разветвлений или «пальцев» 850a и 850b системы 850 электродов, например, могут быть изготовлены так, чтобы они содержали одинаковое электрокаталитическое вещество (или смесь веществ) или содержали различные электрокаталитические вещества.
[68] В другом варианте реализации системы 950 электродов настоящего изобретения, изображенном на фиг. 7, первый электрод 950a и второй электрод 950b удерживаются на газопроницаемом диске 960, который сформирован в виде кольца в представленном варианте реализации. Диск 960 может быть изготовлен, например, из пористого или газопроницаемого (то есть может быть выполнен с возможностью переноса сквозь себя газа) полимера или другого материала, который инертен в электролите, используемом в системе датчиков. Согласно приведенному выше описанию диск 960 служит подложкой для электродов, на которой сформированы первый рабочий электрод 950a и вторичные рабочие электроды 950b, но на противоположных сторонах диска 960, как изображено на фиг. 7. Первый или верхний электрод 950a (в ориентации фиг. 7) сформирован в виде кольца. Второй или нижний электрод 950b сформирован в виде диска, центрированного относительно кольцевого пространства диска 960. Система 950 электродов дополнительно содержит первый или верхний электролитный фитиль 970a и второй или нижний электролитный фитиль 970b. Система электродов также содержит токосъемник 980a первого электрода и токосъемник 980b второго электрода.
[69] Компоновка на фиг. 7 может быть, например, вертикально отзеркалена или повернута на 180° относительно ее изображенной ориентации и по-прежнему выполнять предполагаемую функцию. Для использования с настоящим изобретением возможно множество других форм и конфигураций электродов. Кроме того, электроды согласно настоящему изобретению могут быть, например, уложены во множество слоев или другие компоновки для создания датчиков с чувствительностью для множества заданных газов.
2
2
[70] В некоторых вариантах реализации настоящего изобретения может быть использован один рабочий или чувствительный электрод, который реагирует на интересующий аналитический газ (анализируемый) и на другую движущую силу (например, составляющая выдыхаемого воздуха) для обеспечения возможности осуществления испытания по меньшей мере одного транспортного пути к электроду или электродам системы. Например, в типовой системе датчиков, изображенной на фиг. 2, рабочий электрод HS также реагирует на выдыхаемый воздух. Отклик рабочего электрода на выдыхаемый воздух может быть использован для испытания работоспособности транспортного пути. На фиг. 8 изображен отклик типового примера одного амперометрического датчика канала, имеющего один электрод, изготовленный с содержанием электрокаталитического материала, который чувствителен к интересующему или анализируемому аналитическому газу (HS в типичном примере), к выдыхаемому воздуху и к азоту. Электрод может быть изготовлен из одного электрокаталитического материала, физической смеси электрокаталитических материалов или сплава электрокаталитических материалов.
[71] В некоторых вариантах реализации системы датчиков настоящего изобретения обеспечены два сенсорных или рабочих электрода, которые содержат одинаковый электрокаталитический материал, закрепленный на этих электродах. Электроды могут быть изготовлены, например, одинаковым способом. В таких вариантах реализации анализируемый газ и, например, интересующий газ в выдыхаемом воздухе является каждый электроактивным на электрокаталитическом материале. В некоторых вариантах реализации функция этих двух электродов чередуется системой управления (например, каждый раз, когда пользователь активирует проверку дыханием согласно приведенному выше описанию). Например, согласно фиг. 6 первый и второй электрокаталитические материалы двух разветвлений или электродов 850а и 850b системы 850 электродов могут содержать одинаковый электрокаталитический материал. В первом примере активации контрольно-измерительного прибора, содержащего электроды 850а и 850b, электрод 850а использовался бы в качестве рабочего электрода для заданного анализируемого газа и электрод 850b использовался бы, например, для обнаружения составляющей выдыхаемого воздуха (например, кислорода). В следующий раз пользователь активирует проверку внутренним дыханием (второй случай), функции электродов 850а и 850b будут переключены внешней электронной схемой и логическими средствами системы или контрольно-измерительного прибора, содержащего датчики 850а и 850b. Таким образом, во втором случае электрод 850b использовался бы в качестве рабочего электрода для заданного анализируемого газа и электрод 850а был бы использован для обнаружения составляющей выдыхаемого воздуха. Таким образом, поочередно каждая область электрода была бы откалибрована
относительно интересующего заданного газа, и к каждому электроду периодически применялись бы электронные проверки готовности и срока службы, рассмотренные в приведенном ниже описании. Такая система и методология обеспечивают больший объем контроля и гарантии для методики испытаний. Схема переключения элемента обнаружения или определения, которая может быть адаптирована для пользователя, описана в публикации заявки на патент США № 2011/0100090, содержание которой включено в настоящее описание посредством ссылки.
[72] В случае измерения изменения кислорода (например, в результате испытания дыханием) могут быть использованы, например, сенсорные элементы, отличные от амперометрического элемента обнаружения кислорода. В этом отношении вместо амперометрического определения кислорода может быть использована любая альтернативная система обнаружения кислорода. Типовые примеры подходящих систем обнаружения кислорода охватывают, без ограничения, элемент обнаружения кислорода на основе металл-оксид-полупроводника или МОП-структуры (в разговорной речи также именуемый датчиком «Фигаро»), высокотемпературный потенциометрический кислородный датчик (циркониевый датчик) или парамагнитный кислородный датчик. Конкретная технология определения кислорода для конкретного применения может быть более подходящей, например, в качестве дополнения к данной технологии обнаружения токсичного газа или другой технологии обнаружения. Например, элемент определения кислорода на основе МОП-структуры или циркония может быть вполне подходящим для использования с датчиком определения токсичности на основе МОП-структуры.
[73] На фиг. 9 показана схема принятия решений, которая изображает типовой вариант реализации рабочего режима или его способа. Способ, изображенный на фиг. 9, предполагает успешную полную калибровку контрольно-измерительного прибора (с использованием калибровочного газа) в некоторый момент времени, либо при окончательной сборке и испытании, либо в полевых условиях. При повседневном использовании, т. е. при включенном контрольно-измерительном приборе, что обычно имеет место, контрольно-измерительный прибор будет автоматически выполнять необходимые диагностические проверки. Часть такой самодиагностики может содержать, например, применение проверки годности и срока службы подобно проверке, описанной в патенте США № 7413645.
R
[74] Согласно патенту США № 7413645 и изображению на фиг. 10, датчик, в общем, может быть описан как последовательное соединение сопротивлений и емкости. Сопротивление R, возникающее от электрода сравнения на фиг. 10, не является частью пути тока аналитического сигнала датчика. Резистивная часть данной схемы представляет собой, прежде всего, результат (ионного) сопротивления раствора электролита, разбросанного между рабочим электродом (Rw) и противоэлектродом (Rc). Емкостная часть (Cw) эквивалентной схемы представляет собой, прежде всего, результат микросреды электролита, обеспеченной очень близко к поверхностям металлических частиц, которые содержит рабочий электрод. В результате электростатических сил объем электролита, расположенный очень близко к поверхности электрода, представляет собой очень сильно упорядоченную структуру. Такая структура важна для понимания электродных процессов. Объем раствора, очень близкий к поверхности электрода, в отдельности упоминается как диффузионный слой, диффузный слой и/или слой или плоскость Гельмгольца.
[75] Величины сопротивления и емкости, присутствующие в электрохимической ячейке, представляют собой результат сущности и природы материалов, используемых при ее изготовлении. Сопротивление электролита представляет собой результат количества и типов ионов, растворенных в растворителе. Емкость электрода, прежде всего, представляет собой функцию эффективной площади поверхности электрокатализатора. В идеальном мире эти величины являются неизменными. Однако сопротивление раствора, присутствующее в амперометрическом газовом датчике, который использует водный (на основе воды) электролит, может изменяться, например, в результате подверженности различным уровням относительной влажности окружающей среды. Поскольку вода испаряется с датчика, химическая концентрация ионного электролита увеличивается. Такое изменение концентрации может привести к увеличениям или уменьшениям удельного сопротивления электролита, в зависимости от фактически используемого электролита.
[76] Кривые отклика датчиков имеют форму, предполагаемую для зарядной кривой конденсатора, которая обычно представляет собой кривую «RC». В некоторых вариантах реализации аналитический сигнал, используемый для определения «готовности» датчика, представляет собой алгебраическую разность наблюдаемого потенциала непосредственно перед приложением импульса тока и в конце импульса тока. Величина разности потенциалов, исследуемой в зависимости от приложения импульса тока, является указателем присутствия и готовности датчика.
[77] Хотя ограничения величины и продолжительности импульса тока главным образом имеют отношение к экспериментальному удобству, величина импульса тока может быть выбрана, например, для соответствия применению разумно ожидаемого количества заданного газа.
[78] Присутствие и готовность датчика могут быть определены формой зарядной кривой RC датчика, измеряемой путем наблюдения за разностью на выходе датчика в начале и в конце импульса тока. В случае отсутствия датчика наблюдаемый потенциал равен потенциалу, который ожидался бы на основании величины импульса тока и сопротивления нагрузки датчика.
[79] На фиг. 11 изображена блок-схема одного варианта реализации электронной схемы опроса, описанной в патенте США № 7413645 и используемой в нескольких вариантах реализации систем, представленных в настоящем описании. На фиг. 11 секции повторителя напряжения и повторителя тока функционируют известным для специалиста в данной области техники образом. См., например, A. J. Bard. и L. R. Faulkner «Electrochemical Methods: Fundamentals and Applications» (Электрохимические способы: Основные принципы и применения), John Wiley & Sons: Нью-Йорк (1980 год), содержание которого включено в настоящее описание посредством ссылки. Повторитель напряжения поддерживает постоянный потенциал между электродом (R) сравнения и рабочим электродом (W). Повторитель тока буферизует и усиливает токи, которые проходят в электрохимическом датчике между противоэлектродом (C) и рабочим электродом (W). В некоторых вариантах реализации генератор накачки током прикладывает электронный запрос к датчику путем принудительной подачи известного тока к потоку между противоэлектродом (C) и рабочим электродом (W).
[80] После испытания электронным опросом согласно приведенному выше описанию пользователь может быть, например, проинструктирован о выполнении проверки выдыхаемым воздухом или «ударного теста» (без калибровочного газа) посредством выдыхания воздуха вблизи поверхности контрольно-измерительного прибора. Встроенное программное обеспечение контрольно-измерительного прибора исследует получающийся сигнал, например, на втором рабочем электроде 250b (выполненном с возможностью восприятия некоторой движущей силы/изменения переменной, связанной с выдыхаемым воздухом, такого как изменение концентрации кислорода). В варианте реализации датчика 210 наблюдаемый отклик представляет собой уменьшенное содержание кислорода в выдыхаемом человеком воздухе. Встроенное программное обеспечение управления контрольно-измерительного прибора сравнивает результат испытания электронного запроса и результат исследования выдыхаемого воздуха с установленными параметрами. В случае несоответствия любого из откликов испытания электронного запроса и испытания выдыхаемого воздуха этим предустановленным критериям контрольно-измерительный прибор может проинструктировать пользователя о выполнении полной калибровки или некоторого другого обслуживания. В случае соответствия или превышения предустановленных критериев результатами испытания электронного запроса и испытания выдыхаемого воздуха контрольно-измерительный прибор может указать пользователю, что он функционирует должным образом и готов для ежедневного использования.
[81] Предшествующее описание и сопроводительные чертежи в настоящее время формулируют предпочтительные варианты реализации настоящего изобретения. Конечно, для специалистов в данной области техники различные модификации, дополнения и альтернативные конструкции станут очевидными с учетом представленного выше описания, не отступая от объема настоящего изобретения. Объем настоящего изобретения определен пунктами формулы изобретения, а не предшествующим описанием. Все изменения и разновидности, которые находятся в пределах значения и диапазона эквивалентности пунктов формулы изобретения, должны быть охвачены их объемом.