過程工業(yè)往往依賴于包括一個(gè)或多個(gè)燃燒過程的能量源。這樣的燃燒過程包括爐子或鍋爐的運(yùn)轉(zhuǎn)，以產(chǎn)生蒸汽或加熱原料液。雖然燃燒提供成本相對(duì)較低的能量，但仍然尋求燃燒效率最大化。此外，經(jīng)常管控來自工業(yè)過程的從煙囪排出的煙氣(flue gas)，并且常常必須最小化危險(xiǎn)氣體的量。因此，燃燒過程管理業(yè)的一個(gè)目標(biāo)是最大化現(xiàn)有的爐子和鍋爐的燃燒效率，其本身也降低溫室氣體和其它受控氣體的產(chǎn)生?？梢酝ㄟ^在來自這種燃燒過程的廢氣或煙氣中保持理想水平的氧氣來優(yōu)化燃燒效率。

原位或過程中分析儀常用于監(jiān)測(cè)、優(yōu)化和控制燃燒過程。通常，這些分析儀采用被加熱到相當(dāng)高溫度的傳感器，并且直接在爐子或鍋爐的燃燒區(qū)域之上或者附近操作。公知的過程燃燒氧氣分析儀通常采用氧化鋯傳感器，其設(shè)置在被直接插入到煙氣流的探針的端部處。在廢氣或煙氣流入傳感器時(shí)，其擴(kuò)散到傳感器附近。傳感器提供與在氣體中存在的氧氣量有關(guān)的電信號(hào)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

提供了一種傳感器系統(tǒng)，所述傳感器系統(tǒng)被配置為檢測(cè)工業(yè)過程的廢氣流中的氧氣。在一個(gè)實(shí)施例中，所述傳感器系統(tǒng)包括：探針，所述探針具有檢測(cè)氧氣傳感器，其中檢測(cè)氧氣傳感器檢測(cè)廢氣流中的氧氣濃度。所述系統(tǒng)還可以包括催化轉(zhuǎn)化器，所述催化轉(zhuǎn)化器接近傳感器位于探針上，其中催化轉(zhuǎn)化器被配置為將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳。所述系統(tǒng)還可以包括信號(hào)檢測(cè)器，所述信號(hào)檢測(cè)器被配置為檢測(cè)指示一氧化碳突現(xiàn)(break through)的氧氣濃度的改變。通過閱讀下面的詳細(xì)說明并通過查閱相關(guān)的附圖，表現(xiàn)所要求權(quán)利的實(shí)施例的特征的這些和各種其它特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得顯而易見。

附圖說明

圖1是特別適用于本發(fā)明的實(shí)施例的一種原位過程氧分析儀/變送器的示意圖。

圖2是特別適用于本發(fā)明的實(shí)施例的燃燒氧變送器的示意透視圖。

圖3A-3E是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使用氧傳感器的CO測(cè)量的圖形表示。

圖4A-4D是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的對(duì)一氧化碳的氧傳感器響應(yīng)的圖形表示。

圖5A和5B圖示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的利用氧傳感器測(cè)量一氧化碳的濃度的示例性方法。

具體實(shí)施方式

圖1是本發(fā)明的實(shí)施例特別適用的一種原位過程氧分析儀/變送器的示意圖。變送器10例如可以是能夠從美國(guó)俄亥俄州梭倫(艾默生過程管理公司，Emerson Process Management公司)的Rosemount Analytical公司獲得的6888型氧氣變送器。在一個(gè)實(shí)施例中，變送器10包括探針組件12，探針組件12基本上設(shè)置在煙筒或煙道14內(nèi)，并且測(cè)量與在燃燒器16處發(fā)生的燃燒相關(guān)的煙氣的氧含量。在一個(gè)實(shí)施例中，燃燒器16能夠操作地連接到空氣源或氧氣源18和燃燒燃料的源20上。在一個(gè)實(shí)施例中，源18和20中的每一個(gè)可控制地連接到燃燒器16上，以便控制燃燒過程。在一個(gè)實(shí)施例中，變送器10測(cè)量燃燒廢氣流中的氧氣量，并且將氧水平的指示提供給燃燒控制器22。控制器22控制閥24和26中的一者或兩者，以提供閉環(huán)式燃燒控制。在一個(gè)實(shí)施例中，控制器22自動(dòng)地運(yùn)行，使得廢氣流中氧氣過多或過少的指示導(dǎo)致提供給燃燒室的氧氣量或燃料量的改變。在一個(gè)實(shí)施例中，氧分析儀變送器還可以包括與變送器10連接的使用校準(zhǔn)氣體28的校準(zhǔn)線。

圖2是本發(fā)明的實(shí)施例特別適用的燃燒氧變送器的示意透視圖。變送器100包括殼體102、探針主體104和具有保護(hù)蓋116的電子元件106。探針104具有遠(yuǎn)端108，在遠(yuǎn)端108安裝有擴(kuò)散器110。擴(kuò)散器110是允許氣體擴(kuò)散穿過其中但是保護(hù)探針104內(nèi)的部件以防諸如飛灰等固體顆粒的物理裝置。具體而言，擴(kuò)散器110保護(hù)在圖2中以虛線示出的測(cè)量單元或傳感器112 以防灰塵。

殼體102具有腔114，腔114的尺寸形成為容納電子元件106。此外，殼體102包括適于接收蓋116的外螺紋且與蓋116的外螺紋相配合以形成密封的內(nèi)螺紋。此外，殼體102包括穿過其中的孔或通孔，所述孔或通孔允許電子元件106和設(shè)置于探針104的遠(yuǎn)端108內(nèi)的測(cè)量單元或傳感器112之間的電連接。

探針104被配置為在諸如煙道14等煙道中延伸。探針104包括鄰近于凸緣120的近端118。凸緣120用于將變送器100安裝或以其他方式固定到管道的側(cè)壁上。當(dāng)這樣安裝時(shí)，可以通過將凸緣120連接到管道壁上而完全地支撐變送器100。

電子元件106提供加熱器控制和信號(hào)調(diào)節(jié)，產(chǎn)生表示煙氣氧濃度的線性的4-20mA的信號(hào)。優(yōu)選地，電子元件106還包括微處理器，該微處理器能夠執(zhí)行編程步驟，以提供擴(kuò)散器診斷的功能。然而，在一些實(shí)施例中，變送器100可以簡(jiǎn)單地是沒有電子元件的“直接替換(direct replacement)”探針，并且因而發(fā)送用于感測(cè)單元和熱電偶的原始毫伏信號(hào)，感測(cè)單元和熱電偶分別地提供表示氧濃度和單元溫度的指示。在使用“直接替換”探針的實(shí)施例中，探針被連接到合適的分析儀上，如可從Rosemount Analytical公司獲得的已知的Xi操作者界面。Xi操作者界面在NEMA4X(IP 66)外殼內(nèi)提供背光顯示屏、信號(hào)調(diào)節(jié)和加熱器控制。

理想地，工業(yè)過程中的燃燒是完美的，并且按照下面的等式1，燃料和氧氣燃燒形成二氧化碳和水，其中所產(chǎn)生的二氧化碳和水的化學(xué)計(jì)量取決于在特定的工業(yè)過程中使用的燃料的類型。

燃料+O₂→CO₂+H₂O 等式1

然而，通常工業(yè)過程中的燃燒是不完美的，并且，除了二氧化碳和水，在廢氣中存在過剩的氧氣。在一個(gè)實(shí)施例中，當(dāng)工業(yè)過程處于規(guī)則的運(yùn)行模式時(shí)，氧傳感器(例如，具有探針104的氧變送器100)測(cè)量燃燒過程的廢氣中的剩余氧氣。此外，正如常常出現(xiàn)的情況，按照下面的等式2發(fā)生不完全燃燒。

燃料+O₂→CO₂+H₂O+(CO+NO_x+SO_x)_{不亮金產(chǎn)物} 等式2

在不完全燃燒中，燃料帶著一些污染物進(jìn)入工業(yè)過程中，并且發(fā)生反應(yīng)，以主要形成二氧化碳CO₂和水H₂O，具有微量其它氣體，例如二氧化硫、來自燃料雜質(zhì)的氧化氮，以及氮氧化物。此外，當(dāng)不充分的氧氣被提供給工業(yè)過程時(shí)，一氧化碳形成為不完全燃燒的一部分。由于相對(duì)于空氣均勻性不完美的燃料以及燃料能量密度和燃料與空氣流量變化，在實(shí)際燃燒中，化學(xué)計(jì)量點(diǎn)，例如具有最高效率和最低排放的燃料氧氣比，是非常難獲得的。

通常地，對(duì)于氣體燃燒器，煙氣氧氣過量濃度為2-3％，并且對(duì)于燃煤鍋爐和油燃燒器，為2-6％。在一個(gè)實(shí)施例中，在0.75％-2％之間的氧氣過量發(fā)生最有效的燃燒。雖然單獨(dú)使用氧氣測(cè)量可以實(shí)現(xiàn)良好的燃燒控制，但是使用并行的一氧化碳CO的測(cè)量可以提高燃燒效率和穩(wěn)定性。如上面等式2所示，一氧化碳通常為燃料和氧氣供應(yīng)的不完全燃燒的產(chǎn)物，并且因此是過程中發(fā)生不完全燃燒的良好的首要的指示器。

當(dāng)氧氣水平在工業(yè)過程完成上面等式1所需的量以下時(shí)，常常產(chǎn)生一氧化碳。因?yàn)橐谎趸际遣煌耆紵奈ｋU(xiǎn)的副產(chǎn)品，其在廢氣中的出現(xiàn)可以被控制并且工業(yè)過程可以被設(shè)計(jì)為包括催化轉(zhuǎn)化器，以允許一氧化碳按照下面的等式3轉(zhuǎn)化為二氧化碳。

$CO+\frac{1}{2}{O}_2\←\→{\mathrm{CO}}_2$ 等式3

在一個(gè)實(shí)施例中，貫穿整個(gè)燃燒，探針104周期性地采樣過量氧氣。在一個(gè)實(shí)施例中，貫穿整個(gè)燃燒過程，探針104幾乎連續(xù)地采樣過量氧氣。在一個(gè)實(shí)施例中，氧傳感器的輸出可以被報(bào)告在附設(shè)的顯示器上。氧傳感器的輸出還可以被發(fā)送給數(shù)據(jù)庫用于存儲(chǔ)。在另一個(gè)實(shí)施例中，氧傳感器的輸出可以被連接到警報(bào)系統(tǒng)上，其中某些最大或最小閾值的氧濃度可以為過程工程師觸發(fā)已經(jīng)超過閾值的過程警報(bào)或者警告。在一個(gè)實(shí)施例中，可以通過文本消息、電子郵件或其它基于無線的傳送機(jī)制發(fā)送該警告。在另一個(gè)實(shí)施例中，該警告可以為工業(yè)過程中的視聽的警告，并且可以導(dǎo)致或者燈被啟動(dòng)、或者聲音被發(fā)出、或者已經(jīng)超過閾值的警告機(jī)制的組合。

在另一個(gè)實(shí)施例中，氧變送器100與控制器24和26連接，使得來自氧 變送器的讀數(shù)可以觸發(fā)進(jìn)入工業(yè)過程的氧氣-燃料比的自動(dòng)改變。例如，當(dāng)表示有豐富的廢氣混合物的讀數(shù)指示有大量的未燃燒燃料和低的剩余氧氣，變送器100可以觸發(fā)控制器24，允許更多的氧氣進(jìn)入系統(tǒng)和/或還可以觸發(fā)控制器26向系統(tǒng)輸入更小量的燃料。在一個(gè)實(shí)施例中，該系統(tǒng)可以被校準(zhǔn)為自動(dòng)調(diào)節(jié)控制器24和26，直到獲得貧燃料混合物(lean mixture)。在一個(gè)實(shí)施例中，貧燃料混合物被定義為足以將燃料轉(zhuǎn)化為水和二氧化碳而沒有任何不完全燃燒產(chǎn)物的燃料和水的混合物。

在一個(gè)實(shí)施例中，變送器100基于電化學(xué)的氧化鋯基電池(zirconia-based cell)技術(shù)。在一個(gè)實(shí)施例中，探針104基于固態(tài)的電化學(xué)電池，其包含位于在一側(cè)上的廢氣樣品和在另一側(cè)上的參考樣品之間的至少一個(gè)氧化鋯陶瓷，其中氣體可滲透電極位于氧化鋯陶瓷的兩側(cè)上。氧化鋯基傳感器104通過測(cè)量氧化鋯陶瓷上的輸出電壓來測(cè)量廢氣中的剩余氧氣的濃度，其對(duì)應(yīng)于對(duì)照參考樣品中的氧氣的量測(cè)量的工業(yè)過程的廢氣中的氧氣的量。測(cè)量的電壓對(duì)應(yīng)于兩個(gè)樣品之間的氧氣濃度差，并且因此對(duì)應(yīng)于按照上面的等式1進(jìn)行的燃燒反應(yīng)中消耗的氧氣量。在一個(gè)實(shí)施例中，參考樣品包含具有大致大氣質(zhì)量的空氣。

氧傳感器讀數(shù)可以根據(jù)下面等式4的能斯脫方程(Nernst equation)對(duì)數(shù)性地取決于氧氣濃度。

$EMF=\frac{RT}{4F}\ln \left(\frac{P_{process}}{P_{ref}}\right)+C=0.0496\×T\×\log \left(\frac{P_{process}}{P_{ref}}\right)+C$ 等式4

氧化鋯基電化學(xué)氧氣傳感器廣泛用在用于氧氣測(cè)量的工業(yè)應(yīng)用中。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器104工作在650-800℃范圍內(nèi)以及之上的溫度下，并且測(cè)量燃燒后剩余的過量氧氣。在參考電極上具有固定的氧氣分壓(例如通過使用空氣被固定)條件下傳感器對(duì)差異的氧氣濃度的響應(yīng)可以通過使用上面的等式4計(jì)算。在等式4中，C是與氧氣探針中的參考/過程側(cè)的溫度變動(dòng)和熱電偶接合有關(guān)的常數(shù)，R是通用氣體常數(shù)，T是以開氏度測(cè)量的過程溫度，以及F是法拉第常數(shù)。

在燃燒過程中，一氧化碳通常是不完全燃燒的首要指示器。在約100-200ppm的接近微量的CO水平以及輕微過量的空氣量下的運(yùn)行將指示 具有最高效率的接近化學(xué)計(jì)量點(diǎn)的燃燒條件。雖然有許多CO傳感器可用于范圍從工作空間的安全性到廢氣分析的應(yīng)用，但是通常的工業(yè)過程的高溫很難提供燃燒過程的可靠的原位CO測(cè)量。

針對(duì)基于目前廣泛用于可燃?xì)怏w檢測(cè)的半導(dǎo)體氧化物的化學(xué)氣體傳感器，已經(jīng)進(jìn)行了許多研究。該類型的傳感器已知被稱為田口傳感器(Taguchi sensor)，采用由燒結(jié)的n型金屬氧化物(鐵、鋅和錫族)制成的固態(tài)器件，然而選擇性差以及長(zhǎng)期穩(wěn)定性不足已經(jīng)成為這些半導(dǎo)體傳感器用在過程環(huán)境中的主要困難。

依賴于測(cè)量紅外光吸收的紅外吸收技術(shù)通常會(huì)需要煙氣調(diào)節(jié)系統(tǒng)(flue gas conditioning system)，并且因而給工業(yè)過程增加了相當(dāng)大的花費(fèi)。新的、非常復(fù)雜的并且高度推廣的可調(diào)二極管激光光譜技術(shù)使用更多的強(qiáng)激光，更加可靠，并且不需要廢氣預(yù)處理?？上?，在大的顆粒負(fù)荷下的積垢、來自火球的寬的背景輻射和所需的溫度和壓力補(bǔ)償以及非常高的價(jià)格限制了該技術(shù)在化學(xué)工業(yè)中的應(yīng)用和在需要高溫的應(yīng)用(例如，燃燒相關(guān)的過程)中的應(yīng)用。目前，市面上可獲得并且基于混合電勢(shì)氧化鋯技術(shù)的唯一的原位CO探針被發(fā)展用于非常清潔的氣體燃燒應(yīng)用。

在一個(gè)實(shí)施例中，用于過程中的氧氣測(cè)量的固態(tài)的電位計(jì)氣體傳感器包括管形、盤形或套管形的氧離子導(dǎo)電陶瓷，以及分別暴露于過程和參考?xì)怏w的兩個(gè)金屬的或氧化催化電極。在一個(gè)實(shí)施例中，離子導(dǎo)電陶瓷主要為摻雜氧化鋯，但是可以為穩(wěn)定化的鈰或三氧化二鉍或任何其它氧離子導(dǎo)電固體電解質(zhì)。過程參考電極在一個(gè)實(shí)施例中為鉑，但是也可以使用任何其它電子導(dǎo)電金屬或金屬氧化物或混合的導(dǎo)電純材料或復(fù)合材料。氧傳感器的過程電極被暴露于煙氣，并且氧傳感器處于規(guī)則電位測(cè)定模式中的氧化環(huán)境里，精確測(cè)量燃燒過程的煙氣中的過量氧氣濃度。氧傳感器信號(hào)的導(dǎo)數(shù)的最高峰值被用作附加的一氧化碳感測(cè)輸出。在一個(gè)實(shí)施例中，使用固定的CO濃度校準(zhǔn)氧傳感器。這例如可以與圖3和4所示的結(jié)果關(guān)聯(lián)。測(cè)量的氧傳感器的原始mV信號(hào)被用于根據(jù)等式4、能斯脫方程計(jì)算氧氣濃度，并且氧傳感器信號(hào)的導(dǎo)數(shù)的最高峰值被應(yīng)用于進(jìn)行一氧化碳突現(xiàn)的計(jì)算，其中所述計(jì)算使用由一氧化碳校準(zhǔn)氣體確認(rèn)生效的展開的一氧化碳算法。在一個(gè)實(shí)施例中，附加的氧傳感器信號(hào)的噪音降低可以被應(yīng)用以移除 工業(yè)應(yīng)用中的可能改變氧氣和一氧化碳測(cè)量的寄生電尖峰值。

氧氣傳感器檢測(cè)一氧化碳

一氧化碳為出現(xiàn)在過程中的不完全燃燒的首要產(chǎn)物之一。在一個(gè)實(shí)施例中，由于在燃燒過程中突現(xiàn)(break through)的一氧化碳將根據(jù)上面的等式3在位于傳感器112上的鉑電極催化劑上被立刻轉(zhuǎn)化為二氧化碳，因此一氧化碳的出現(xiàn)導(dǎo)致氧氣濃度的降低。在一個(gè)實(shí)施例中，鉑電極催化劑非常接近于傳感器112的氧氣感測(cè)部。這將導(dǎo)致由于一氧化碳向二氧化碳的催化轉(zhuǎn)化，在氧氣感測(cè)電化學(xué)電池附近氧氣濃度顯著降低，導(dǎo)致由傳感器112產(chǎn)生的原始mV信號(hào)的突然增大。這將產(chǎn)生指示氧氣濃度的立刻降低的氧傳感器輸出信號(hào)，尤其是在燃燒場(chǎng)景中一氧化碳突現(xiàn)之后的幾毫秒內(nèi)。如上所述，這可能觸發(fā)提供給過程工程師的警告，或者它可能通過分別改變控制裝置24和26而分別觸發(fā)燃料源和氧氣源20和18的比率的改變。

廢氣中的氧氣濃度下降的檢測(cè)提供在轉(zhuǎn)化之前廢氣中存在一氧化碳的定量指示，并且因此，提供由燃燒產(chǎn)生的一氧化碳的濃度的指示。從下面的表1中可以看出，CO的出現(xiàn)正在以幾乎CO濃度的50％降低氧氣信號(hào)，CO轉(zhuǎn)化率在1000ppm的CO情況下在80％-100％之間變化，在2％的CO情況下在60-100％之間變化。

表1：氧傳感器探針原始mV信號(hào)的降低

在表1中，傳感器信號(hào)的改變?yōu)槔碚撋系摩_t并且基于通過鉑催化轉(zhuǎn)化 器進(jìn)行100％的CO燃燒的假設(shè)被計(jì)算。測(cè)量的信號(hào)改變?chǔ)_m接近理論上的改變?chǔ)_t，表1確實(shí)證明了諸如探針112等氧傳感器檢測(cè)工業(yè)環(huán)境中的一氧化碳的有效性。

用氧傳感器進(jìn)行一氧化碳檢測(cè)的實(shí)例

圖3A-3E是根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例的使用氧傳感器的CO測(cè)量的圖形表示。具體地，圖3A-3E圖示了在工業(yè)過程中隨著時(shí)間變化的在各種氧氣水平下氧傳感器112對(duì)一氧化碳的出現(xiàn)的響應(yīng)。更具體地，圖3A和圖3D圖示了直接的傳感器響應(yīng)。圖3B、3C和3E圖示了氧傳感器信號(hào)的導(dǎo)數(shù)對(duì)二氧化碳的響應(yīng)。

圖3A圖示了在一段時(shí)間內(nèi)在百分之二的氧氣濃度的環(huán)境下氧傳感器112對(duì)一氧化碳的響應(yīng)，時(shí)間示出在X軸上并且氧傳感器的響應(yīng)(以mV為單位)示出在Y軸上。在約4分鐘處，示出了與在工業(yè)過程中出現(xiàn)的大致1000ppm的一氧化碳相對(duì)應(yīng)的尖峰302，如約44.5mV的讀數(shù)所指示的。在約10分鐘處，示出了與出現(xiàn)的2000ppm的一氧化碳相對(duì)應(yīng)的尖峰304，如僅僅在45mV以下的改數(shù)所指示的。在約15分鐘處，示出了與0.5％的一氧化碳濃度相對(duì)應(yīng)的尖峰306，其產(chǎn)生約46mV的讀數(shù)。在約21分鐘處，檢測(cè)到百分之一的一氧化碳的尖峰，如約48mV的讀數(shù)所指示的。在約27分鐘處，檢測(cè)到尖峰310，其指示出現(xiàn)2％的一氧化碳，具有由傳感器112檢測(cè)的53mV的對(duì)應(yīng)讀數(shù)。從圖3A中可見，在2％氧氣濃度下，氧傳感器原始mV信號(hào)對(duì)一氧化碳?xì)怏w的出現(xiàn)非常敏感，在檢測(cè)的傳感器讀數(shù)上具有9mV的改變。

如圖3B所示，還示出了隨時(shí)間變化的傳感器信號(hào)的導(dǎo)數(shù)，時(shí)間在x軸上，并且導(dǎo)數(shù)值在y軸上。導(dǎo)數(shù)dE/dt的最高峰值對(duì)數(shù)性地取決于在1000ppm到2％的一氧化碳的范圍內(nèi)的一氧化碳濃度。在約4分鐘處，示出了尖峰312，其對(duì)應(yīng)于約1000ppm的一氧化碳濃度，具有約0.2的讀數(shù)。在約10分鐘處，尖峰314指示約2000ppm的一氧化碳濃度，產(chǎn)生由傳感器112檢測(cè)的約1.0的讀數(shù)。在約15分鐘處，尖峰316指示0.5％的一氧化碳濃度，產(chǎn)生由傳感器112檢測(cè)的約1.5的讀數(shù)。在約21分鐘處，尖峰318指示約1％一氧化碳的一氧化碳濃度，產(chǎn)生由傳感器112檢測(cè)的約2.2的讀數(shù)。在約27分鐘處，尖峰320指示2％的一氧化碳濃度，具有由傳感器112檢測(cè)的約2.7的讀數(shù)。

在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器112圖形化地輸出原始的mV數(shù)據(jù)，如圖3A所示。在另一個(gè)實(shí)施例中，傳感器112圖形化地輸出導(dǎo)數(shù)dE/dt值，如圖3B所示。在另一個(gè)實(shí)施例中，傳感器112輸出當(dāng)前的一氧化碳濃度，該當(dāng)前的一氧化碳濃度由從傳感器獲得的任一數(shù)據(jù)計(jì)算，例如如圖3A或3B所示。在另一個(gè)實(shí)施例中，檢測(cè)到廢氣中的一氧化碳濃度的最小閾值會(huì)觸發(fā)輸入到工業(yè)過程中的燃料-氧氣比的改變。在另一個(gè)實(shí)施例中，檢測(cè)到廢氣中的一氧化碳濃度的最小閾值會(huì)觸發(fā)警告。

圖3C圖示了圖3B中示出的O₂傳感器信號(hào)的導(dǎo)數(shù)的響應(yīng)的圖形表示370，一氧化碳濃度對(duì)數(shù)性地表示在x軸上，并且獲得的dE/dt值在y軸上。下面示出的等式5還被示出為線320。等式5具有0.9912的R值。

$\frac{dE}{dt}=1.97+1.948\×\log \[\%CO\]$ 等式5

圖3D圖示了在具有2％的氧氣的環(huán)境中氧傳感器112對(duì)重復(fù)的1000ppm的一氧化碳突現(xiàn)的再現(xiàn)性。指示302被示出為發(fā)生在大致4分鐘、9分鐘、16分鐘、21分鐘和27分鐘時(shí)。如圖3D所示，氧傳感器112的原始的mV值響應(yīng)于1000ppm的一氧化碳的出現(xiàn)而可能展示出輕微的漂移。

圖3E圖示了使用氧傳感器信號(hào)的導(dǎo)數(shù)所檢測(cè)到的一氧化碳的提高的再現(xiàn)性，具有發(fā)生在9、15、21和27分鐘的重復(fù)的1000ppm的一氧化碳突現(xiàn)，都產(chǎn)生約0.17的檢測(cè)讀數(shù)，如條352所示。此外，氧傳感器信號(hào)的導(dǎo)數(shù)的最高峰值被示出在1000ppm一氧化碳處，具有約70ppm一氧化碳的誤差，如圖3E所示。

圖4A-4D是氧傳感器對(duì)一氧化碳的響應(yīng)的圖形表示。圖4A圖示了圖形410，圖形410示出了檢測(cè)到2％的一氧化碳濃度的再現(xiàn)性，在約4、9、15、21和27分鐘處具有峰值，都產(chǎn)生約52mV的檢測(cè)讀數(shù)。圖4B圖示了圖形420，圖形420示出了在檢測(cè)到2％的一氧化碳濃度時(shí)氧傳感器的導(dǎo)數(shù)的響應(yīng)的再現(xiàn)性，在約4、9、15、21和27分鐘處具有峰值，都產(chǎn)生約2.8的檢測(cè)讀數(shù)，具有約±0.02％CO的檢測(cè)誤差率，或1％的誤差率。圖4C圖示了圖形430，圖形430示出了在5％的氧氣環(huán)境中檢測(cè)到1％的一氧化碳濃度時(shí)氧傳感器的導(dǎo)數(shù)的響應(yīng)的再現(xiàn)性，在約9、15、21和27分鐘處具有峰值，都產(chǎn)生約 1.3的檢測(cè)讀數(shù)。圖4D圖示了圖形440，圖形440示出了在20％的氧氣環(huán)境中檢測(cè)到1％的一氧化碳濃度時(shí)氧傳感器的導(dǎo)數(shù)的響應(yīng)的再現(xiàn)性，在約4、9、15、21和27分鐘處具有峰值，都產(chǎn)生約1.0的檢測(cè)讀數(shù)。

因而，圖3A-3E和圖4A-4D示出了通過使用氧化鋯電化學(xué)氧傳感器和傳感器信號(hào)的導(dǎo)數(shù)的響應(yīng)，可以在各種一氧化碳突現(xiàn)場(chǎng)景中提供可靠的一氧化碳測(cè)量。

檢測(cè)一氧化碳的方法

圖5A和5B圖示了利用氧傳感器測(cè)量一氧化碳的發(fā)展的示例性方法。圖5A圖示了使用氧傳感器檢測(cè)并顯示一氧化碳的突現(xiàn)的示例性方法500。在一個(gè)實(shí)施例中，氧傳感器可以包括上述的氧化鋯基電化學(xué)電池。

方法500在塊502中開始，在工業(yè)過程中進(jìn)行燃燒初始化。方法500繼續(xù)，發(fā)生一氧化碳的突現(xiàn)，如塊504所示。在一個(gè)實(shí)施例中，在燃燒過程開始和發(fā)生一氧化碳突現(xiàn)之間可能為幾分鐘、幾小時(shí)或者更長(zhǎng)時(shí)間。在一個(gè)實(shí)施例中，方法500繼續(xù)，所產(chǎn)生的一氧化碳在催化劑上被轉(zhuǎn)化為二氧化碳。在一個(gè)實(shí)施例中，催化劑為鉑基催化劑。在一個(gè)實(shí)施例中，其根據(jù)等式3如上所述地發(fā)生。隨著一氧化碳被轉(zhuǎn)化為二氧化碳，廢氣中測(cè)量的氧氣濃度下降。在塊508中通過探針104檢測(cè)到該下降。在一個(gè)實(shí)施例中，在塊510中報(bào)告該檢測(cè)。在一個(gè)實(shí)施例中，如方法500所示，一氧化碳的濃度不作為檢測(cè)過程的一部分被計(jì)算。在可選的實(shí)施例中，方法500繼續(xù)進(jìn)行到塊512，在塊512中燃料氧氣輸入比被改變。在一個(gè)實(shí)施例中可以基于一氧化碳的檢測(cè)自動(dòng)發(fā)生該改變。在一個(gè)實(shí)施例中，這可以導(dǎo)致附加的空氣或氧氣通過源18被輸入到系統(tǒng)中。在一個(gè)實(shí)施例中，這可以導(dǎo)致減少的燃料通過源20被輸入到系統(tǒng)中。

圖5B圖示了用于使用氧傳感器112計(jì)算廢氣流中的一氧化碳濃度的方法550。方法550在塊552中開始，氧傳感器112被提供給工業(yè)過程環(huán)境。然后，在塊554中，檢測(cè)到氧氣信號(hào)尖峰，例如在圖3和4中的任一個(gè)中示出的任何氧氣信號(hào)尖峰。在一個(gè)實(shí)施例中，傳感器112工作在正常感測(cè)模式下，而不是導(dǎo)數(shù)感測(cè)模式下。在另一個(gè)實(shí)施例中，傳感器112工作在正常感測(cè)模式或?qū)?shù)感測(cè)模式下，并且可選地在塊560中初始化導(dǎo)數(shù)感測(cè)模式。 在一個(gè)實(shí)施例中，氧傳感器可以檢測(cè)氧傳感器信號(hào)響應(yīng)和氧傳感器信號(hào)的導(dǎo)數(shù)的響應(yīng)。然而，在另一個(gè)實(shí)施例中，傳感器可以僅檢測(cè)氧氣傳感器信號(hào)的導(dǎo)數(shù)的響應(yīng)。

然后該方法繼續(xù)進(jìn)行到塊556，其中至少部分基于上述等式4計(jì)算一氧化碳濃度。然后在一個(gè)實(shí)施例中，該方法可以繼續(xù)進(jìn)行到塊558，在塊558中，例如在連接的計(jì)算機(jī)或其它顯示裝置上顯示檢測(cè)到的一氧化碳濃度。此外，在另一個(gè)實(shí)施例中，顯示一氧化碳濃度可以包括例如使用無線或其它技術(shù)向過程工程師發(fā)送警告。這可以為工業(yè)過程的操作者觸發(fā)指示，指示已經(jīng)有一氧化碳突現(xiàn)以及燃料-空氣比可能需要改變。該警告可以視覺地、聽覺地或者通過其它通知措施被觸發(fā)。此外，在另一個(gè)實(shí)施例中，一氧化碳突現(xiàn)的檢測(cè)可以導(dǎo)致燃料-氧氣比的自動(dòng)改變，如塊562所示。

盡管已經(jīng)參照優(yōu)選實(shí)施例描述本發(fā)明，但本領(lǐng)域技術(shù)人員將認(rèn)識(shí)到，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可以在形式和細(xì)節(jié)上做出改變。