專利名稱：氣體傳感器及包括該氣體傳感器的燃料電池系統(tǒng)和汽車的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于檢測與含有濕氣的大氣混合的氣體的濕度和濃度的氣體傳感器，且涉及包括此氣體傳感器的燃料電池系統(tǒng)和汽車。
背景技術(shù)：
近來，在燃料電池的研發(fā)方面取得了巨大進(jìn)步，期望其可作為環(huán)境問題的最有效的解決辦法之一。特別是，由于其操作溫度低至如80℃的固態(tài)聚合物膜易于處理，所以使用固態(tài)聚合物膜作為電解質(zhì)的燃料電池已成為當(dāng)前燃料電池研發(fā)的主流。此燃料電池使用氫燃料，且因此需要用于檢測氫的氣體傳感器以作為防止氫泄漏的安全措施。
當(dāng)前提出的氣體傳感器是利用氫的導(dǎo)熱率遠(yuǎn)大于其它氣體的導(dǎo)熱率的特性，且根據(jù)發(fā)熱元件(heating element)的溫度變化來檢測由于氫的存在而引起的導(dǎo)熱率的變化。例如，當(dāng)氫存在于空氣中時(shí)，與僅存在空氣的情況相比，從發(fā)熱元件獲得更大量的熱。因此，發(fā)熱元件的溫度根據(jù)氫的濃度而變化。此溫度變化可作為溫度檢測元件的電阻值的變化而電子檢測出。
也用作溫度檢測元件的氣體傳感器的發(fā)熱元件由鉑薄膜電阻形成。具有薄膜結(jié)構(gòu)的鉑薄膜電阻使用半導(dǎo)體微加工(micromachine)技術(shù)來制造，且因此能夠生產(chǎn)微小的發(fā)熱元件。因此，能量消耗減少，且氣體傳感器的響應(yīng)速度增加。例如，JP-A-8-101156中揭示了具有此結(jié)構(gòu)的氣體傳感器。
當(dāng)此類型的氣體傳感器用于檢測氫泄漏時(shí)，如果作為檢測目標(biāo)氣體的氫中含有濕氣則會出現(xiàn)問題。如果不含有濕氣，那么發(fā)熱元件的電阻值根據(jù)氫的濃度改變。然而，如果含有濕氣，那么電阻值還因濕氣的存在而變化，且因此不可能區(qū)分由氫、濕氣和兩者共存所導(dǎo)致的變化。
為了克服此問題，上述常規(guī)氣體傳感器改變由鉑薄膜電阻形成的發(fā)熱元件中流動的電流。在此結(jié)構(gòu)中，發(fā)熱元件的輸出電壓根據(jù)反應(yīng)的程度而改變，且將當(dāng)不同電平的電流在其中流動時(shí)所得到的發(fā)熱元件兩端處的電壓代入預(yù)先建立的估算方程式中，并聯(lián)立計(jì)算所述方程式。然后，根據(jù)估算方程式的解計(jì)算出大氣氣體的量，即，各氣體的濃度。
基本上，可通過此方法得到復(fù)數(shù)種成分的氣體濃度。然而，在接近80℃溫度下，當(dāng)大體上濕氣飽和的氫泄漏于大氣中時(shí)，如燃料電池的泄漏檢測的情況中就會出現(xiàn)問題。各氣體成分的導(dǎo)熱率的變化可用線性方程式，或僅僅在可視為線性方程式范圍內(nèi)檢測時(shí)，可使用契比雪夫(Chebyshev)正交多項(xiàng)式可計(jì)算所述氣體濃度。然而，在所述燃料電池的情況下，估計(jì)含有此氫氣量更大的水蒸氣量。在此種條件下，混合系的導(dǎo)熱率具有非線性特性，其一定為二次方程式或更高次方程式，且隨濕度增加而上升，展現(xiàn)峰值，且然后下降。因此，當(dāng)僅從聯(lián)立估算方程式求解時(shí)，需要復(fù)雜的計(jì)算。此外，因?yàn)閺?fù)數(shù)個(gè)解對應(yīng)于濕度，不能判定一個(gè)值為濕度。結(jié)果，也不可能得到一個(gè)值作為氫的濃度。

發(fā)明內(nèi)容
根據(jù)本發(fā)明的氣體傳感器包括發(fā)熱元件，其接觸混合有含有濕氣的大氣的檢測目標(biāo)氣體；電源裝置，其用于向發(fā)熱元件供應(yīng)電流；和電壓表，其用于測量發(fā)熱元件兩端處的電壓。所述氣體傳感器進(jìn)一步包括運(yùn)算單元(arithmetic unit)，以用于基于電壓表的輸出電壓計(jì)算檢測目標(biāo)氣體的濃度和濕度并輸出所述計(jì)算的值。運(yùn)算單元控制電源裝置在預(yù)定時(shí)間期間內(nèi)以階梯方式連續(xù)向發(fā)熱元件供應(yīng)至少三個(gè)及以上電平的電流。然后，在所述預(yù)定時(shí)間期間過后，運(yùn)算單元接收針對各電流的發(fā)熱元件兩端的電壓值。其后，基于當(dāng)最小電流流過時(shí)發(fā)熱元件兩端的電壓值以及已知檢測目標(biāo)氣體的濃度而預(yù)先得到的零點(diǎn)變動修正方程式和靈敏度變動修正方程式，運(yùn)算單元修正在不同于最小電流的電流流過時(shí)的發(fā)熱元件的兩端電壓，以得到各標(biāo)準(zhǔn)輸出值。隨后，運(yùn)算單元使用相對于濕度相關(guān)函數(shù)計(jì)算濕度，所述濕度相關(guān)函數(shù)使用當(dāng)最小電流流過時(shí)在發(fā)熱元件的兩端電壓和標(biāo)準(zhǔn)輸出值的差值作為參數(shù)。其后，運(yùn)算部使用兩個(gè)濕度修正值相關(guān)函數(shù)修正所得到的所述濕度的零點(diǎn)變動和靈敏度變動，以得到檢測目標(biāo)氣體的濃度，所述濕度修正值相關(guān)函數(shù)使用最小電流流過時(shí)發(fā)熱元件兩端電壓和標(biāo)準(zhǔn)輸出差值作為參數(shù)。通過此方法，根據(jù)本發(fā)明的氣體傳感器可以高精度檢測出濕度和被測氣體的濃度。


圖1為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器的氣體檢測部分的分解透視圖。
圖2A為示意性說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器的發(fā)熱元件的透視圖。
圖2B為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器的發(fā)熱元件的放大橫截面圖。
圖3為示意性說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器的橫截面圖。
圖4為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器安裝到固定式燃料電池系統(tǒng)的示意方框圖。
圖5為包括本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器的燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)的示意性橫截面圖。
圖6為示意性展示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器的電路圖。
圖7示意性展示提供到根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器的發(fā)熱元件上的電流波形。
圖8展示當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器的發(fā)熱元件產(chǎn)生高溫度的熱時(shí)在增濕條件下的氫濃度輸出特性。
圖9展示當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器中發(fā)熱元件產(chǎn)生低溫度的熱和高溫度的熱時(shí)的零點(diǎn)溫度相關(guān)特性。
圖10展示當(dāng)根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器的發(fā)熱元件產(chǎn)生低溫度的熱和高溫度的熱時(shí)，根據(jù)溫度變化的靈敏度修正特性。
圖11展示在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器中的濕度與零點(diǎn)和靈敏度修正之后的標(biāo)準(zhǔn)輸出之間的相關(guān)性。
圖12展示當(dāng)發(fā)熱元件在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器中產(chǎn)生低溫度的熱和高溫度的熱時(shí)標(biāo)準(zhǔn)輸出差值與絕對濕度之間的相關(guān)性。
圖13展示在本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器中，當(dāng)最小電流流過時(shí)，通過將標(biāo)準(zhǔn)輸出差值乘以發(fā)熱元件的兩端電壓的倒數(shù)的三次方而獲得的值與絕對濕度之間的相關(guān)性。
圖14展示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器中的標(biāo)準(zhǔn)輸出差值與偏移量之間的相關(guān)性。
圖15展示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器中，圖14中的濕度修正后的增濕條件下的氫濃度輸出特性。
圖16展示在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器中，當(dāng)最小電流流過時(shí)，通過將標(biāo)準(zhǔn)輸出差值乘以發(fā)熱元件的兩端電壓的倒數(shù)的三次方而獲得的值與偏移量之間的相關(guān)性。
圖17展示在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器中，當(dāng)最小電流流過時(shí)，通過將標(biāo)準(zhǔn)輸出差值乘以發(fā)熱元件的兩端電壓的倒數(shù)的三次方而獲得的值與氫靈敏度修正值之間的相關(guān)性。
圖18展示在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器中，圖16和17中濕度修正之后的增濕條件下的氫濃度輸出特性。
圖19為展示本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器中用于計(jì)算氫濃度和濕度的程序的流程圖。
附圖標(biāo)記說明1 發(fā)熱元件2 基座3 插腳4 導(dǎo)線5 內(nèi)孔6 內(nèi)罐7 外孔8 外罐9 網(wǎng)10 底座11 發(fā)熱體12 連接區(qū)13 凹陷部16 檢測部分17 檢測電路18 容器19 拾取電纜20 容器蓋
21 抗?jié)駱渲?2 氣體引入口23 螺栓部24，113 氣體傳感器25 恒流源26 電壓表27 運(yùn)算單元51 氫箱52 切斷閥53 氫增濕器54，110 燃料電池55 空氣壓縮機(jī)56 空氣增濕器57 燃料電池控制電路58 外殼59 警報(bào)器60 送風(fēng)扇101 主體102 車廂103 氫箱容納部分104 驅(qū)動構(gòu)件容納部分105 底盤部分106 箱體107 外箱108 內(nèi)箱109 發(fā)動機(jī)111 輪胎112 方向盤具體實(shí)施方式
以下參看

本發(fā)明的實(shí)施例。在以下描述中，假定檢測目標(biāo)氣體為氫。
圖1為說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器的氣體檢測部分的分解透視圖。圖2A為示意性說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器的發(fā)熱元件的透視圖。圖2B為根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器的發(fā)熱元件的放大橫截面圖。圖3為示意性說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器的橫截面圖。
如圖1所示，發(fā)熱元件1固定于基座2上。一對插腳3穿透基座2。兩組2根為一組的由金屬制成的導(dǎo)線4連接插腳3頂面和發(fā)熱元件1。因?yàn)閷?dǎo)線4是2根為一組，所以當(dāng)一根斷開時(shí)所述導(dǎo)線4的至少一根仍可保持與插腳3和發(fā)熱元件1的連接。因此此結(jié)構(gòu)允許使氣體傳感器連續(xù)使用，這增加了其可靠性。基座2被具有四個(gè)內(nèi)孔5的內(nèi)罐6覆蓋，且內(nèi)罐6進(jìn)一步由具有一外孔7的外罐8覆蓋，由此構(gòu)成雙罐結(jié)構(gòu)。當(dāng)內(nèi)孔5和外孔7安裝到基座2時(shí)，其彼此偏移安置以使得彼此不相對。在此結(jié)構(gòu)中，氣體不直接到達(dá)發(fā)熱元件1，使得目標(biāo)氣體的流量對氣體傳感器的輸出不產(chǎn)生過大影響。基座2、內(nèi)罐6和外罐8通過電阻焊接而彼此固定。由諸如不銹鋼的金屬制成的網(wǎng)9緊固到內(nèi)孔5和外孔7。
如圖2A和2B所示，發(fā)熱元件1具有由硅(silicon)制成的底座10和由鉑薄膜制成的發(fā)熱體11。發(fā)熱體11設(shè)置于通過微加工方法形成的、厚度約10微米的極薄的凹陷部13表面上，形成Z字形。由于此結(jié)構(gòu)，發(fā)熱體11的熱容量極小。為了與導(dǎo)線4連接的連接區(qū)12形成于發(fā)熱體11的兩端上。未圖示的由石英(silica)制成的絕緣層設(shè)置于發(fā)熱體11和連接區(qū)12的下表面上。同樣，未圖示的由石英制成的保護(hù)層設(shè)置于發(fā)熱體11的上表面上。
檢測部分16通過將發(fā)熱元件1安裝于由圖1所示的基座2、內(nèi)罐6和外罐8構(gòu)成的殼體上而形成。如圖3所示，檢測部分16通過將插腳3插入檢測電路17中并將插腳3焊接于其上而電連接及機(jī)械連接。檢測電路17插入容器18中，與檢測電路17連接的拾取電纜19預(yù)先插入容器蓋20，容器蓋20附接到容器18?？?jié)駱渲?1通過形成于容器蓋20上的注入口(未圖示)而注入檢測電路17與容器蓋20之間的整個(gè)空間中，且在其中硬化。在抗?jié)駱渲?1注入所述空間中且硬化之后，填塞固定容器18與容器蓋20之間的空間。
氣體引入口22設(shè)置于容器18的底部表面上。用于附接傳感器的螺栓部23形成于容器18的側(cè)面上。這樣使用上述部件完成了氣體傳感器24的組裝。
下面，參看圖4和5說明氣體傳感器的安裝示例。
圖4為本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器安裝到固定式燃料電池系統(tǒng)的示意方框圖。圖5為包括本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器的燃料電池汽車的結(jié)構(gòu)的示意性橫截面圖。
首先，就固定式燃料電池系統(tǒng)，以固定聚合膜電解質(zhì)式燃料電池系統(tǒng)為例進(jìn)行說明。如圖4所示，包含于氫箱51中的氫通過切斷閥52引入氫增濕器53，其中提供防止設(shè)于燃料電池內(nèi)的固態(tài)聚合物膜干燥的濕氣。接著將增濕的氫導(dǎo)向燃料電池54的氫極。另一方面，產(chǎn)生電所需要的空氣通過使用空氣壓縮機(jī)55由空氣增濕器56增濕，接著將其引向燃料電池54的空氣極。這種結(jié)構(gòu)可使燃料電池54產(chǎn)生電，并如粗線所示通過燃料電池控制電路57向外部供電。作為產(chǎn)生電的副產(chǎn)物所產(chǎn)生的水與空氣一起從燃料電池54排放到外部。在改進(jìn)式燃料電池系統(tǒng)的情況下，可由改進(jìn)的設(shè)備替代氫箱51。
具有此結(jié)構(gòu)的燃料電池系統(tǒng)整體容納于外殼58內(nèi)。用于檢測氫泄漏的氣體傳感器安置于氫箱51和燃料電池54附近，燃料電池54的空氣排放管內(nèi)等其它位置，如圖4的黑色圓點(diǎn)所示。當(dāng)除定位于空氣排放管內(nèi)的氣體傳感器之外的氣體傳感器檢測到氫泄漏時(shí)，燃料電池控制電路57關(guān)閉切斷閥52以停止向燃料電池54的氫供應(yīng)，且接著啟動警報(bào)器59和送風(fēng)扇60。當(dāng)由安置于空氣排放管內(nèi)的氣體傳感器檢測到的氫濃度超過規(guī)定值時(shí)(例如，2％，其為保證安全的氫爆炸極限4％的一半)，燃料電池控制電路57操作空氣壓縮機(jī)55并增加排放空氣流量，使得氫的濃度變得此規(guī)定值低。此外，燃料電池控制電路57基于來自氣體傳感器的濕度輸出檢測由于空氣流量的增加而造成的空氣中的濕度降低，并控制空氣增濕器56使得濕度保持在預(yù)定值。
接著，解釋燃料電池汽車。如圖5所示，汽車的主體101包括車廂(vehiclecompartment)102、氫箱容納部分103、驅(qū)動構(gòu)件容納部分104和底盤部分105，上述部分都組合起來。氫箱容納部分103具有用于容納氫的箱體106。箱體106具有由外箱107和內(nèi)箱108構(gòu)成的雙重結(jié)構(gòu)以便確保安全，尤其防止碰撞時(shí)的氫泄漏。內(nèi)箱108內(nèi)存儲氫。驅(qū)動構(gòu)件容納部分104具有用于驅(qū)動主體101的發(fā)動機(jī)109。底盤部分105具有燃料電池110。
從箱體106供應(yīng)的氫由安置于底盤部分105中的燃料電池110轉(zhuǎn)換成電能。因此得到的電能傳輸?shù)桨l(fā)動機(jī)109以驅(qū)動輪胎111。輪胎111的操縱方向由安置于車廂102內(nèi)的方向盤112控制。
在具有此結(jié)構(gòu)的汽車中，氣體傳感器113可設(shè)置于各自的位置中。更具體地說，配備在車廂102中的氣體傳感器113位于車廂102中的最高位置的頂棚的前方區(qū)域中。配備于氫箱容納部分103中的氣體傳感器113位于外箱107的最高位置處，因?yàn)橄潴w106具有雙重結(jié)構(gòu)。配備于驅(qū)動構(gòu)件容納部分104中的氣體傳感器113位于驅(qū)動構(gòu)件容納部分104中的最高位置的引擎蓋(bonnet)的后端處。配備于底盤部分105中的氣體傳感器113位于底盤部分105的最高位置處。另外，類似于圖4所示的情況，未示出的氣體傳感器設(shè)置于燃料電池110的空氣排放管內(nèi)。
當(dāng)所述氣體傳感器中的任一者檢測到氫泄漏時(shí)，燃料電池控制電路57以圖4情況相同的方式切斷氫的供應(yīng)源并停止對燃料電池的氫供應(yīng)。同樣，警報(bào)器59發(fā)出警報(bào)且送風(fēng)扇60使主體101的內(nèi)部通風(fēng)。此外，配備于車廂102中的氣體傳感器113檢測濕度，并控制設(shè)置于車廂102的某區(qū)域的空氣調(diào)節(jié)器，使得車廂102的內(nèi)部具有最適宜的濕度。
接著，說明氣體傳感器的操作過程。
圖6為示意性說明根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器的電路結(jié)構(gòu)的電路圖。如圖6所示，作為電源裝置的恒流源25連接到發(fā)熱元件1。用于測量發(fā)熱元件1兩端電壓的電壓表26與恒流源25并聯(lián)連接。恒流源25和電壓表26進(jìn)一步連接到具有微型計(jì)算機(jī)的運(yùn)算單元27。運(yùn)算單元27控制恒流源25并基于來自電壓表26的輸出執(zhí)行預(yù)定計(jì)算，以輸出氫的濃度和濕度。
圖7示意性展示供應(yīng)到根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器的發(fā)熱元件的電流波形。如圖7所示，恒流源25基于從運(yùn)算單元27發(fā)出的指令在預(yù)定時(shí)段內(nèi)分三個(gè)電平連續(xù)向發(fā)熱元件1提供呈階梯形的電流。也可提供多于三個(gè)電平的電流。在此實(shí)施例中，初始電流值(第一值)為1mA，第二電流值(第二值)為7mA，且第三電流值(第三值)為7.5mA，其中以每一電平電流流動0.1秒。在第三電平的電流流動結(jié)束之后，運(yùn)算單元27停止對發(fā)熱元件1的電流供應(yīng)并等待1.7秒。在此時(shí)段期間，發(fā)熱元件1冷卻到周圍環(huán)境溫度。以一個(gè)循環(huán)2秒的間隔重復(fù)此電流控制。這里所設(shè)定的電流和時(shí)間值僅為從此該實(shí)施例中的發(fā)熱元件1所得到的實(shí)例，且本發(fā)明不限于所述規(guī)定值。
當(dāng)如上所述控制電流時(shí)，切換電流值之前，即，在預(yù)定時(shí)段過去后，運(yùn)算單元27立即接收由電壓表26測量的電壓。因此，運(yùn)算單元27在每一循環(huán)接收三個(gè)電壓值。本實(shí)施例中的這些電壓值是指以從低到高的順序排列的，電流值的T值(第一輸出值)、L值(第二輸出值)和H值(第三個(gè)輸出值)。
因?yàn)樘峁┑桨l(fā)熱元件1上的電流值為1mA或更小，所以T值對應(yīng)于基本上不發(fā)熱狀態(tài)的發(fā)熱元件1的電壓。在此條件下，因?yàn)榘l(fā)熱元件1對應(yīng)于鉑溫度傳感元件，表示發(fā)熱元件1的兩端電壓的T值僅大致為發(fā)熱元件1的周圍環(huán)境溫度。因此，實(shí)質(zhì)上幾平檢測不到導(dǎo)熱率相對于氣體類型的變化。
L和H值為當(dāng)發(fā)熱元件1產(chǎn)生熱時(shí)的發(fā)熱元件1的電壓值。在此情況下，根據(jù)氣體的類型和濃度及周圍環(huán)境溫度，從發(fā)熱元件1獲得的熱量與發(fā)熱元件1自身的熱量達(dá)到熱平衡狀態(tài)的溫度對應(yīng)的電壓值。因此，L和H值是作為周圍環(huán)境溫度和氣體的類型及濃度的參數(shù)綜合得到的電壓值。顯然，由發(fā)熱元件1發(fā)熱的溫度在較小電流流動時(shí)所得到的L值處比在H值處低。
下文展示在H值的代表值80℃下，增濕的大氣中的氫濃度相關(guān)性。將在各個(gè)氫濃度和濕度條件下所輸出的H值標(biāo)準(zhǔn)化。更具體地說，當(dāng)在非增濕條件下(0％RH:RH為相對濕度)僅把空氣供應(yīng)到氣體傳感器時(shí)所輸出的H值為零。當(dāng)混合有1％的氫的空氣被供應(yīng)到氣體傳感器時(shí)所輸出的H值為1。圖8顯示結(jié)果，其表示當(dāng)發(fā)熱元件在高溫加熱加濕條件下的氫濃度輸出特性。水平軸表示供應(yīng)到氣體傳感器的氫濃度(％)，而垂直軸表示標(biāo)準(zhǔn)化的傳感器輸出(％H2)。
如從圖8可見，當(dāng)大氣中含有濕氣時(shí)，傳感器輸出相對于濕度改變相當(dāng)大的程度，使得不能忽視所述變化。因此，對于氫檢測和對于濕度檢測而言，所述傳感器具有相同水平的靈敏度?？筛鶕?jù)L值的情況得出類似的結(jié)論。因此不能僅僅以L值或H值將氫檢測和濕度檢測區(qū)別檢測出來。因此，執(zhí)行下列計(jì)算以輸出兩個(gè)值的濃度。
通常，氣體的導(dǎo)熱率與溫度相關(guān)，并因此針對L和H值執(zhí)行對應(yīng)于周圍環(huán)境溫度的T值的修正。具體地說，首先執(zhí)行零點(diǎn)(當(dāng)僅存在干燥空氣時(shí)的輸出值)的修正。在此修正中，在干燥空氣供應(yīng)到氣體傳感器的同時(shí)，所述溫度改變。然后，基于在各自溫度下輸出的T、L和H值利用修正方程式執(zhí)行修正。圖9展示實(shí)際輸出的示例。
圖9展示在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器中，當(dāng)發(fā)熱元件產(chǎn)生低溫度的熱和高溫度的熱時(shí)的零點(diǎn)溫度相關(guān)特性。在圖9中，曲線圖上描繪了所述結(jié)果，該圖將當(dāng)周圍環(huán)境溫度為-40℃、20℃、50℃、80℃和95℃時(shí)輸出的T值(相當(dāng)于周圍環(huán)境溫度)表示在水平軸上，將L值和H值表示在垂直軸上。L值和H值兩者根據(jù)相當(dāng)于周圍環(huán)境溫度的T值而改變，且因此所述零點(diǎn)明顯具有溫度相關(guān)性。當(dāng)基于所述結(jié)果，使用最小二乘法通過二次近似得到L值和H值的在零點(diǎn)的修正方程式時(shí)，得到下列關(guān)系L0＝-0.1708×T2+6.2123×T+1.3174 (1)H0＝-0.0349×T2+6.2338×T+1.7232 (2)在任意濕度和氫環(huán)境下輸出的L值和H值中，由于零點(diǎn)溫度相關(guān)的影響成分L0和H0是通過將周圍環(huán)境溫度的T值代入相應(yīng)方程式(1)和(2)中而得到的。因此，在任意環(huán)境下的L值和H值經(jīng)零點(diǎn)修正后的值ZL和ZH可通過下列方程式得到ZL＝L-L0(3)ZH＝H-H0(4)因?yàn)樵诜匠淌?1)和(2)中使用二次近似，所以此使用線性近似的情況產(chǎn)生更小的修正誤差。
接下來，說明相對于周圍環(huán)境溫度的靈敏度修正。通常，即使存在具有相同濃度的氣體，氣體的導(dǎo)熱率也相對于周圍環(huán)境溫度而改變。即，導(dǎo)熱率的氣體靈敏度具有溫度相關(guān)特性。因此，在干燥空氣中混入具有特定濃度(此處1％)的氫得到的氣體被供應(yīng)到氣體傳感器時(shí)，溫度改變，且使用基于在每一溫度下輸出的T、L和H值所得到的修正方程式來執(zhí)行修正。如上所述，因?yàn)榱泓c(diǎn)是根據(jù)溫度的變化而可變的，所以使用方程式(3)和(4)預(yù)先計(jì)算用于L值和H值的零點(diǎn)修正值(ZL、ZH)，然后對值ZL和ZH進(jìn)行靈敏度修正。
圖10展示當(dāng)供應(yīng)含有1％氫的干燥空氣時(shí)(＝1％氫靈敏度)，輸出值ZL和ZH的實(shí)際溫度相關(guān)特性。周圍環(huán)境溫度以類似于零點(diǎn)修正情況的方式變化。水平軸表示T值(對應(yīng)于周圍環(huán)境溫度)，且垂直軸表示ZL和ZH值。如圖10中可知，1％氫對應(yīng)的靈敏度具有溫度相關(guān)特性。當(dāng)使用最小二乘法通過二次近似得到針對ZL和ZH值的靈敏度修正方程式時(shí)，得到下列關(guān)系ZL1＝-0.2053×T2+0.1544×T-0.0565 (5)ZH1＝-0.2656×T2+0.2068×T-0.0745 (6)其中ZL1和ZH1為相對于溫度的靈敏度修正系數(shù)。通過使用這些方程式，對在任意環(huán)境下的輸出值ZL和ZH進(jìn)行靈敏度修正且相對于氫濃度對其進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化以得到值KL和KH，通過下列的方程式計(jì)算所述值
KL＝ZL/ZL1(7)KH＝ZH/ZH1(8)通過使用方程式(7)和(8)，使KL(第一標(biāo)準(zhǔn)輸出值)和KH(第二標(biāo)準(zhǔn)輸出值)的單位標(biāo)準(zhǔn)化到氫濃度百分比(以下稱為％H2)。因?yàn)轭愃朴诹泓c(diǎn)修正情況的二次近似也用于方程式(5)和(6)中，所以此使用線性近似的情況出現(xiàn)更小的修正誤差。
現(xiàn)在解釋得到濕度輸出的方法。如由圖8所示的偏移量(當(dāng)氫濃度為零時(shí)的傳感器輸出)所表示的那樣，濕度輸出具有相對于濕度的非線性特性。
圖11展示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器中的零點(diǎn)修正和靈敏度修正之后的標(biāo)準(zhǔn)輸出與濕度之間的相關(guān)性。即，該圖顯示在不含有氫的80℃下的潮濕空氣的相對濕度RH與值KL和KH之間的相關(guān)性。水平軸表示RH，而左側(cè)的垂直軸分別表示KL和KH。在圖11中，相對于相對濕度RH的標(biāo)準(zhǔn)輸出值KL和KH兩者都展示具有峰值的非線性特性。所述特性直接表示潮濕空氣的導(dǎo)熱率特性。因此，用于相對于相對濕度RH的值KL和KH的近似方程式需要由二次方程式或具有更高次數(shù)的方程式來表達(dá)。結(jié)果，當(dāng)使用所述近似方程式(估計(jì)方程式)計(jì)算聯(lián)立方程式時(shí)，得到復(fù)數(shù)個(gè)解。因此不可能確定作為濕度的值，也就不可能確定作為氫濃度的值。
然而，當(dāng)使用Sutherland-Wassiljewa式理論方程式計(jì)算諸如潮濕空氣的氣體混合物的導(dǎo)熱率時(shí)，即使在具有相同濃度的氣體混合物中，導(dǎo)熱率也隨溫度變化而變化。這是因?yàn)榉匠淌街械慕M合系數(shù)和包括于所組成的氣體中的凈成分的導(dǎo)熱率具有溫度相關(guān)特性。因此，甚至在相同濕度下，發(fā)熱元件1所產(chǎn)生的熱的溫度不同，濕度靈敏度也就不同。這由圖11中KL曲線不同于KH曲線的事實(shí)可以證明。考慮到此點(diǎn)，當(dāng)使用上述理論方程式計(jì)算時(shí)，在不同熱溫度下來自發(fā)熱元件1的輸出(此處對應(yīng)于KL和KH)之間的差值在使用氣體傳感器的濕度范圍內(nèi)大體上呈現(xiàn)線性特性。圖11顯示實(shí)際的KL與KH之間的差值的計(jì)算結(jié)果(＝Hum見右側(cè)垂直軸)。如從圖11中可見，值Hum相對于相對濕度RH大體上展現(xiàn)線性特性，這也支持了理論計(jì)算。從所述事實(shí)中，可能通過計(jì)算Hum確定一個(gè)值作為濕度。因?yàn)镠um表示氫靈敏度進(jìn)行標(biāo)準(zhǔn)化的KL與KH之間的差值，所以Hum對應(yīng)于濕度。同樣，從數(shù)學(xué)的觀點(diǎn)來看，Hum對應(yīng)于從任意環(huán)境下的輸出去除氫濃度的影響所得到的值。
圖12展示在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器中，當(dāng)發(fā)熱元件產(chǎn)生低溫度的熱和高溫度的熱時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)輸出之間的差值與絕對濕度之間的相關(guān)性。得到實(shí)際的Hum值，且描繪其與絕對濕度的相關(guān)性。在圖12中，水平軸表示KL與KH之間的差值Hum(＝KH-KL)，而垂直軸表示絕對濕度AH。此處使用絕對濕度AH是為了在同一張圖上表示隨溫度變化所表現(xiàn)的濕度特性。如從圖12中顯而易見的，Hum與絕對濕度AH之間的相關(guān)性并不顯示為具有一峰值的非線性特性，但顯示出大體上線性的特性，從中可確定一個(gè)值為濕度。
然而，與使用最小二乘法從各曲線圖中得到的近似曲線相此較，從圖12的Hum得到的絕對濕度值A(chǔ)H尤其在高濕度時(shí)具有較大誤差，因?yàn)镠um與AH之間的相關(guān)性根據(jù)溫度變化而變化。圖12中各溫度下的曲線特性的詳細(xì)分析顯示在一定溫度下所述曲線大體上位于相同曲線上。因此不可能基于單根修正曲線修正絕對濕度值A(chǔ)H。
Hum與AH之間的相關(guān)性根據(jù)溫度變化而變化，因?yàn)樵诤愣娏黩?qū)動下從發(fā)熱元件1產(chǎn)生的熱的溫度根據(jù)周圍環(huán)境溫度變化而變化。在將類似條件賦予上述導(dǎo)熱率理論方程式而且計(jì)算出隨溫度的變化而獲得的Hum與導(dǎo)熱率(對應(yīng)于AH)之間的相關(guān)性時(shí)，得到類似結(jié)果。這意味著溫度影響仍然存在。
在其中允許絕對濕度AH具有此程度的誤差的應(yīng)用中，可從圖12所示的特性中計(jì)算出AH。例如，當(dāng)諸如在車廂內(nèi)的用于空氣調(diào)節(jié)器控制的濕度測量的情況下不需要濕度的精確值時(shí)，可采用此方法。然而，在諸如燃料電池系統(tǒng)的氣流量控制的情況下需要高精確度的應(yīng)用中，需要進(jìn)一步修正由于溫度變化而引起的AH的變化。
為了增加絕對濕度AH的精確度，現(xiàn)在考慮將溫度函數(shù)引入圖12的Hum中，以得到允許所述曲線明顯定位于單個(gè)修正曲線上的函數(shù)。作為簡單方法之一，制備一個(gè)展示用于每一溫度的修正值的換算表，且將所述表存儲于存儲器中并基于溫度數(shù)據(jù)進(jìn)行查閱。然而，在此方法中，需要得到對應(yīng)于每一溫度的修正曲線。在大量生產(chǎn)氣體傳感器期間，此過程極端復(fù)雜且需要大容量存儲器，這增加了成本。
在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器中，分析各種溫度函數(shù)的導(dǎo)入方法，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)繪出絕對濕度AH與通過將Hum與表示溫度的T的倒數(shù)的三次方相乘所得到的值之間的相關(guān)性時(shí)，可得到最高修正精確度。還證實(shí)通過此方法的計(jì)算將AH的精確度從上述導(dǎo)熱率理論方程式提高到最高。因?yàn)槭褂蒙鲜隼碚搶?dǎo)熱率方程式，可減少氣體傳感器所需的存儲器容量且因此可降低成本。
圖13展示通過此修正得到的結(jié)果。圖13展示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器中，最小電流流過時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)輸出差值乘以發(fā)熱元件的兩端電壓的倒數(shù)的三次方獲得的值與絕對濕度之間的相關(guān)性。在圖中，水平軸表示Hum×(1/T)3，而垂直軸表示絕對濕度AH。如從圖13可見，甚至當(dāng)溫度改變時(shí)，在每一溫度處的曲線大體上仍位于單根修正曲線上。此意味著絕對濕度AH中的較高精確度。下列方程式為利用最小二乘法對絕對濕度AH與上述乘值之間的相關(guān)性進(jìn)行三次近似的計(jì)算式(濕度相關(guān)函數(shù))AH＝-0.0027×(Hum/T3)3+0.1935×(Hum/T3)2+3.1025×Hum/T3+0.7809 (9)因此，通過將參數(shù)標(biāo)準(zhǔn)輸出差值Hum與對應(yīng)于周圍環(huán)境溫度的T(當(dāng)最低的電流流動時(shí)發(fā)熱元件的兩端電壓)作為參數(shù)代入濕度相關(guān)函數(shù)(9)中，可得到絕對濕度AH。因?yàn)椴捎萌谓?，所以與使用低次近似相比可減少修正誤差。
雖然在此實(shí)施例中得到絕對濕度單位的AH，但是可使用已知公式或類似公式根據(jù)AH和T計(jì)算相對濕度。
接著，說明計(jì)算氫濃度的方法。
從圖8明顯可知，可通過從傳感器輸出中減去偏移量而修正濕度。因?yàn)槠屏扛鶕?jù)濕度變化而變化，所以在進(jìn)行濕度修正之前，需要獲得表示濕度的Hum與偏移量之間的相關(guān)性。所得到的相關(guān)性如圖14所示。
圖14表示在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器中，偏移量與標(biāo)準(zhǔn)輸出差值之間的相關(guān)性。在圖中，水平軸表示Hum，而垂直軸表示從圖8得到的偏移量Off。基于圖14，可確定一個(gè)值為偏移量Off，所述偏移量Off將從根據(jù)Hum的傳感器輸出中減去。實(shí)際上，偏移量Off可通過將Hum代入近似曲線的相關(guān)方程式中來計(jì)算，所述近似曲線是使用最小二乘法從圖14中的各曲線得到的Hum和偏移量Off的近似曲線。接著，通過從標(biāo)準(zhǔn)輸出值KH中減去偏移量Off得到氫輸出Out。
圖15中展示通過使用此方法計(jì)算的圖8的修正后實(shí)際上獲得的結(jié)果。圖15表示根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器中，通過圖14中的方法的濕度修正后，在增濕條件下的氫濃度輸出特性。在圖15中，水平軸表示包含于檢測目標(biāo)氣體中的氫濃度，而垂直軸表示氫輸出Out?？纱蟠蠼档驮趫D8中極大的偏移量。然而，零點(diǎn)的精確度明顯不足。進(jìn)一步詳細(xì)分析顯示氫濃度靈敏度(斜率inclination)根據(jù)濕度變化而變化的事實(shí)。
在此條件下，從Hum計(jì)算偏移量Off且執(zhí)行濕度修正時(shí)，氫濃度誤差增加。這是因?yàn)槿鐓⒄請D12所述的，在圖15中各曲線與近似曲線之間的誤差也很大。
同樣，在圖14中，研究每一溫度處的曲線的特性時(shí)，一定溫度下各曲線大致位于相同曲線上。Hum與偏移量之間的相關(guān)性隨溫度變化而變化，因此不能基于單根修正曲線執(zhí)行修正。當(dāng)使用上述導(dǎo)熱率理論方程式計(jì)算Hum和導(dǎo)熱率(對應(yīng)于偏移量Off)的溫度變化時(shí)，可得到類似結(jié)果。這意味著溫度影響仍然存在。
因此，在燃料電池系統(tǒng)中，在確保諸如氫泄漏檢測之類的安全的用途中，需要進(jìn)一步修正根據(jù)溫度變化的變化。
如先前參看圖12提及的，為執(zhí)行高精確度的溫度修正，需要將溫度函數(shù)引入圖14的Hum中且找到允許各曲線明顯位于單根修正曲線上的函數(shù)。
基于上述的觀點(diǎn)，本發(fā)明的發(fā)明者研究引入溫度函數(shù)的各種方法，并發(fā)現(xiàn)當(dāng)繪出偏移量Off與通過將Hum與表示溫度的T的三次方相乘得到的值之間的相關(guān)性時(shí)，所述修正精確度上升到最高。還可確認(rèn)，當(dāng)根據(jù)導(dǎo)熱率理論方程式采用此計(jì)算時(shí)，可得到偏移量Off的最高精確度。
圖16中展示通過此修正所得到的結(jié)果。圖16表示在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器中，當(dāng)最低電流流過發(fā)熱元件時(shí)，其兩端電壓的倒數(shù)的三次方乘以標(biāo)準(zhǔn)輸出差值所得到的乘值與偏移量Off之間的相關(guān)性。在圖中，水平軸表示Hum×T3，而垂直軸表示偏移量Off。如從圖16可見，甚至當(dāng)溫度改變時(shí)，在每一溫度處的曲線大體上位于單根修正曲線上。這意味著偏移量Off的精確度更高。偏移量Off與乘值之間的相關(guān)性使用最小二乘法三次近似的計(jì)算式為下列方程式(用于零點(diǎn)變動修正的第一濕度修正值相關(guān)函數(shù))Off＝0.0244×(Hum×T3)3-0.38×(Hum×T3)2+1.9029×Hum×T3+0.0389 (10)因此，可通過將標(biāo)準(zhǔn)輸出差值Hum和對應(yīng)于周圍環(huán)境溫度的T(當(dāng)最小電流流過時(shí)發(fā)熱元件的兩端電壓值)作為參數(shù)代入用于零點(diǎn)變動修正的第一濕度修正值相關(guān)函數(shù)(10)中，得到偏移量Off。因?yàn)椴捎萌谓?，與使用低次近似的情況相比，可降低修正誤差。
因此，可從下列方程式得到濕度修正后的氫輸出OutOut＝KH-Off (11)基本上，可從上述計(jì)算中得到表示僅含有氫的濃度輸出的氫輸出Out。然而，實(shí)際測量對應(yīng)于周圍環(huán)境溫度的T的情況下，當(dāng)1mA的電流流過發(fā)熱元件1時(shí)，發(fā)熱元件1產(chǎn)生極少量的熱。結(jié)果，T具有輕微的濕度靈敏度和氫靈敏度。因此，氫輸出Out的斜率(＝氫靈敏度)根據(jù)如圖15所示的濕度變化而變化。當(dāng)在此條件下執(zhí)行根據(jù)方程式(1)到(11)的修正計(jì)算時(shí)，導(dǎo)致在氫輸出Out中的誤差。
為降低所述靈敏度誤差，針對每一濕度得到氫靈敏度修正值HumK。此處HumK表示圖15中每一濕度的斜率。圖17展示HumK如何與對應(yīng)于濕度的Hum×T3相關(guān)。圖17展示在根據(jù)本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器中，當(dāng)最低電流流過發(fā)熱元件時(shí)，將標(biāo)準(zhǔn)輸出差值乘以發(fā)熱元件的兩端電壓的三次方得到的值與氫靈敏度修正值之間的相關(guān)性。在圖17中，水平軸表示Hum×T3，而垂直軸表示氫靈敏度修正值HumK。
如從圖17可見，HumK隨Hum×T3(對應(yīng)于濕度)增加降低到小于1。即，圖15的曲線的斜率(氫濃度靈敏度)降低。因此，通過基于濕度的相關(guān)性修正斜率，使氫靈敏度在任何濕度下均相等，且因此可增加氣體傳感器的精確度。
根據(jù)使用最小二乘法三次近似的計(jì)算(靈敏度變動修正的第二濕度修正值相關(guān)函數(shù))得到各圖對應(yīng)的相關(guān)性。由下列方程式表達(dá)所得相關(guān)性HumK＝0.0054×(Hum×T3)3-0.0517×(Hum×T3)2+0.0581×Hum×T3+1.0088 (12)因此，可通過將標(biāo)準(zhǔn)輸出差值Hum與對應(yīng)于周圍環(huán)境溫度T(當(dāng)最小電流流過時(shí)發(fā)熱元件的兩端電壓)作為參數(shù)代入靈敏度變動修正的第二濕度修正值相關(guān)函數(shù)(12)中，得到HumK。因?yàn)椴捎萌谓?，與使用低次近似的情況相比，可降低修正誤差。
因此，可使用下列方程式計(jì)算出靈敏度修正后的最終氫濃度輸出H2H2＝Out/HumK(13)圖18中展示通過上述計(jì)算得到的氫濃度輸出H2的所得值。圖18表示在圖16和17中所示的濕度修正后在增濕條件下的氫濃度輸出特性。在圖18中，水平軸表示檢測目標(biāo)氣體的氫濃度，而垂直軸表示修正后作為傳感器輸出的氫濃度輸出H2。在此圖中，與圖15的情況相此極大降低了零點(diǎn)誤差和靈敏度誤差，且得到具有精度±0.1％H2的高精確度的氣體傳感器。
因此，根據(jù)本發(fā)明的氣體傳感器可通過執(zhí)行修正計(jì)算(1)到(13)同時(shí)以極高精度檢測出濕度和氫濃度。
因?yàn)?1)到(13)表示的計(jì)算僅僅是由簡單的四則運(yùn)算組成，所以，與常規(guī)氣體傳感器相比，可實(shí)現(xiàn)更準(zhǔn)確，響應(yīng)快，運(yùn)算速度極快的氣體傳感器，所述常規(guī)氣體傳感器計(jì)算二次或具有更高次的聯(lián)立方程式并得到復(fù)數(shù)個(gè)解。因此，此實(shí)施例中的計(jì)算方法高度適合易于受濕度影響的此類系統(tǒng)。
此計(jì)算方法是在運(yùn)算單元27中編程實(shí)現(xiàn)的。在氣體傳感器的運(yùn)行期間從發(fā)熱元件1獲得的輸出值T、L和H輸入到運(yùn)算單元27，運(yùn)算單元27執(zhí)行(1)到(13)的計(jì)算并輸出濕度和氫濃度。在圖19的流程圖中展示計(jì)算程序的子例行程序。因此，圖19為本發(fā)明的實(shí)施例中的氣體傳感器中的氫濃度和濕度的計(jì)算程序的流程圖。
首先，向發(fā)熱元件1供應(yīng)初始電流(此處為1mA)(S1)。接下來，等待預(yù)定時(shí)間(0.1秒)之后(S2)，讀取發(fā)熱元件1的兩端電壓值T(S3)。接著，向發(fā)熱元件1供應(yīng)第二電流(此處為7mA)(S4)。在等待預(yù)定時(shí)間(0.1秒)后(S5)，讀取發(fā)熱元件1的兩端電壓值L(S6)。類似地，向發(fā)熱元件1供應(yīng)第三電流(此處為7.5mA)(S7)。在等待預(yù)定時(shí)間(0.1秒)后(S8)，讀取發(fā)熱元件1的兩端電壓值H(S9)。接著，停止對發(fā)熱元件1的電流供應(yīng)。下一步，使用方程式(1)到(4)執(zhí)行相對于溫度的零點(diǎn)修正計(jì)算(S10)，且接著基于在S10中得到的結(jié)果使用方程式(5)到(8)執(zhí)行相對于溫度的靈敏度修正計(jì)算(S11)。隨后，使用方程式(9)計(jì)算濕度(S12)。其后，使用方程式(10)到(13)執(zhí)行濕度修正以計(jì)算氫濃度(S13)。最后，輸出氫濃度和濕度(S14)。重復(fù)組成一個(gè)循環(huán)的所述程序，使得可連續(xù)輸出氫濃度和濕度。因此，通過重復(fù)此檢測可隨時(shí)監(jiān)控氫濃度和濕度。
雖然在此實(shí)施例中僅輸出氫濃度和濕度，但是需要時(shí)可輸出基于T值的周圍環(huán)境溫度。
通過采用上述結(jié)構(gòu)和操作，可得到能夠在氫和水蒸氣共同存在的環(huán)境下以高精確度分別檢測出氫濃度和濕度的氣體傳感器。雖然在此實(shí)施例中已論述水蒸汽和氫共存的情況，但是在除氫之外的各種氣體組合的情況下可通過類似方法輸出氣體濃度。
工業(yè)適用性如上所述，根據(jù)本發(fā)明的氣體傳感器包括接觸混合有含有濕氣的大氣的檢測目標(biāo)氣體的發(fā)熱元件、向發(fā)熱元件供應(yīng)電流的電源裝置和測量發(fā)熱元件兩端電壓的電壓表。所述氣體傳感器進(jìn)一步包括用于基于電壓表輸出電壓計(jì)算濕度和檢測目標(biāo)氣體的濃度并輸出所述計(jì)算值的運(yùn)算單元。所述運(yùn)算單元控制電源裝置在預(yù)定時(shí)段內(nèi)以階梯方式連續(xù)向發(fā)熱元件供應(yīng)至少三個(gè)電平的電流。接著，在所述預(yù)定時(shí)段的之后，運(yùn)算單元接收各電流對應(yīng)的發(fā)熱元件的兩端電壓。其后，運(yùn)算單元基于當(dāng)最低電流流過時(shí)發(fā)熱元件的兩端電壓和已知的檢測目標(biāo)氣體的濃度，使用預(yù)先得到的零點(diǎn)變動修正方程式和靈敏度變動修正方程式修正當(dāng)不同于最小電流的電流流過時(shí)所得到的發(fā)熱元件的兩端電壓，以得到各個(gè)標(biāo)準(zhǔn)輸出值。隨后，運(yùn)算單元使用濕度相關(guān)函數(shù)計(jì)算濕度，所述濕度相關(guān)函數(shù)使用最小電流流過時(shí)發(fā)熱元件的兩端電壓與標(biāo)準(zhǔn)輸出差值作為參數(shù)。其后，運(yùn)算單元使用兩個(gè)濕度修正值相關(guān)函數(shù)修正相對于因此所得到的所述濕度的零點(diǎn)變動和靈敏度變動，以得到檢測目標(biāo)氣體的濃度，所述濕度修正值相關(guān)函數(shù)使用最小電流流過時(shí)發(fā)熱元件的兩端電壓與標(biāo)準(zhǔn)輸出差值作為參數(shù)。通過此方法，根據(jù)本發(fā)明的氣體傳感器可以高精度檢測濕度和檢測目標(biāo)氣體的濃度。
因此，根據(jù)本發(fā)明的氣體傳感器尤其適用于諸如處于高溫高濕環(huán)境下的燃料電池系統(tǒng)中的檢測濕度和氫泄漏的應(yīng)用中。
權(quán)利要求
1.氣體傳感器，其包含發(fā)熱元件，其接觸混合有含有濕氣的大氣的檢測目標(biāo)氣體；電源裝置，其用于向所述發(fā)熱元件供應(yīng)電流；電壓表，其用于測定所述發(fā)熱元件兩端電壓；和運(yùn)算單元，其用于基于所述電壓表的輸出電壓計(jì)算濕度和所述檢測目標(biāo)氣體的濃度并輸出計(jì)算值，其中所述運(yùn)算單元通過以下步驟計(jì)算所述檢測目標(biāo)氣體的所述濃度A)控制所述電源裝置在預(yù)定時(shí)段內(nèi)按順序以階梯形式連續(xù)向所述發(fā)熱元件供應(yīng)至少第一電流、第二電流和第三電流，其中所述第二和第三電流大于所述第一電流；B)所述預(yù)定時(shí)段過去后，從所述電壓表分別接收第一輸出值、第二輸出值和第三輸出值作為對應(yīng)所述第一電流、所述第二電流和所述第三電流的所述發(fā)熱元件的兩端電壓；C)從所述第一輸出值得到周圍環(huán)境溫度；D)基于所述得到的周圍環(huán)境溫度和僅存在干燥空氣時(shí)由所述電壓表輸出的零點(diǎn)輸出，得到用于修正所述第二輸出值和所述第三輸出值的修正方程式，以及基于濃度已知的被測試氣體而預(yù)先求得的用于修正所述發(fā)熱元件的靈敏度的修正方程式，由此修正所述第二輸出值和第三輸出值，以得到所述第二電流對應(yīng)的第一標(biāo)準(zhǔn)輸出值和所述第三電流對應(yīng)的第二標(biāo)準(zhǔn)輸出值；E)使用濕度相關(guān)函數(shù)計(jì)算濕度，所述濕度相關(guān)函數(shù)使用所述第一輸出值和所述第一標(biāo)準(zhǔn)輸出值與所述第二標(biāo)準(zhǔn)輸出值差值作為參數(shù)；以及F)使用第一濕度修正值相關(guān)函數(shù)修正相對于在步驟E)中所得到的濕度的零點(diǎn)變動，所述第一濕度修正值相關(guān)函數(shù)使用所述第一輸出值和在所述第一標(biāo)準(zhǔn)輸出值與所述第二標(biāo)準(zhǔn)輸出值之間的所述差值的參數(shù)，并使用第二濕度修正值相關(guān)函數(shù)修正相對于在步驟E)中所得到的濕度的靈敏點(diǎn)變動，所述第二濕度修正值相關(guān)函數(shù)使用所述第一輸出值和在所述第一標(biāo)準(zhǔn)輸出值與所述第二標(biāo)準(zhǔn)輸出值之間的所述差值作為參數(shù)，由此求得所述被測氣體的濃度。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其中所述運(yùn)算單元重復(fù)所述步驟A)到F)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其中所述第一電流為1mA或更低。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其中對所述濕度相關(guān)函數(shù)給出的參數(shù)是通過將所述第一標(biāo)準(zhǔn)輸出值與所述第二標(biāo)準(zhǔn)輸出值之間的所述差值與所述第一輸出值的倒數(shù)的更高冪相乘而計(jì)算得到的。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的氣體傳感器，其中所述第一輸出值的所述倒數(shù)的冪是三次方。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其中所述濕度相關(guān)函數(shù)由三次方程式表達(dá)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其中通過將所述第一標(biāo)準(zhǔn)輸出值與所述第二標(biāo)準(zhǔn)輸出值之間的所述差值與所述第一輸出值的更高冪相乘所得到的值用作用于所述第一濕度修正值相關(guān)函數(shù)和所述第二濕度修正值相關(guān)函數(shù)的參數(shù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的氣體傳感器，其中所述第一輸出值的冪是三次方。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其中所述第一濕度修正值相關(guān)函數(shù)和所述第二濕度修正值相關(guān)函數(shù)均由三次方程式表達(dá)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其中所述發(fā)熱元件包括由硅制成的底座；設(shè)置于所述底座上的絕緣層；設(shè)置于所述絕緣層上的發(fā)熱體；和形成在有所述發(fā)熱體的所述絕緣層下的所述底座的凹陷部。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其中所述發(fā)熱元件具有鉑薄膜。
12.燃料電池系統(tǒng)，其包含用于輸出氫濃度的根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器；使用氫作燃料發(fā)電的燃料電池；和控制電路，其用于在所述氣體傳感器的氫的輸出超過預(yù)定值時(shí)停止對所述燃料電池的氫供應(yīng)。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的燃料電池系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含流動通路，通過所述流動通路將氫供應(yīng)到所述燃料電池；和換氣部，其用于給包括所述流動通路的空間通風(fēng)，其中當(dāng)來自氣體傳感器的氫的輸出超過預(yù)定值時(shí)，所述控制電路控制所述換氣部以使所述換氣部給所述空間通風(fēng)。
14.根據(jù)權(quán)利要求12或13所述的燃料電池系統(tǒng)，其進(jìn)一步包含與所述燃料電池連接的空氣壓縮機(jī)；與所述空氣壓縮機(jī)連接的空氣增濕器；和排放通道，通過所述排放通道將空氣從所述燃料電池中排放出來，其中當(dāng)所述氣體傳感器檢測到所述排放通道內(nèi)的氫濃度超過預(yù)定值時(shí)，所述空氣壓縮機(jī)被控制以使通過所述排放通道被排放的空氣量增加；和所述空氣增濕器被控制以使基于通過所述氣體傳感器的檢測得到的濕度輸出維持在預(yù)定濕度。
15.汽車，其包含形成車廂的主體；支撐所述主體的輪胎；驅(qū)動所述輪胎的發(fā)動機(jī)；燃料電池，其使用氫作燃料發(fā)電并向所述發(fā)動機(jī)供應(yīng)電力；根據(jù)權(quán)利要求1所述的氣體傳感器，其安置于所述車廂的上部區(qū)域以輸出氫濃度；和當(dāng)所述氣體傳感器的氫的輸出超過預(yù)定值時(shí)，控制電路停止對所述燃料電池的氫供應(yīng)。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的汽車，其進(jìn)一步包含換氣部，所述換氣部被控制成在氣體傳感器的氫的輸出超過預(yù)定值時(shí)，通過所述控制電路給形成于所述主體內(nèi)的空間通風(fēng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求15所述的汽車，其進(jìn)一步包含警報(bào)器，所述警報(bào)被控制成當(dāng)氣體傳感器的氫的輸出超過預(yù)定值時(shí)通過所述控制電路發(fā)出警報(bào)。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的汽車，其進(jìn)一步包含用于調(diào)節(jié)所述車廂中的濕度的空氣調(diào)節(jié)器，其中所述控制電路控制所述空氣調(diào)節(jié)器使得可基于來自所述氣體傳感器的濕度輸出優(yōu)化所述車廂中的濕度。
全文摘要
在氣體傳感器中，在預(yù)定時(shí)間期間內(nèi)以階梯方式連續(xù)向發(fā)熱元件供應(yīng)至少三個(gè)電平的電流。在預(yù)定時(shí)間期間過去后，運(yùn)算單元(arithmetic unit)接收針對各電流的發(fā)熱元件的兩端電壓且計(jì)算當(dāng)最小電流流過時(shí)所得到的發(fā)熱元件的兩端電壓的溫度。接著，運(yùn)算單元使用此計(jì)算的溫度、零點(diǎn)修正方程式和靈敏度修正方程式來修正發(fā)熱元件的兩端電壓值以得到各自的標(biāo)準(zhǔn)輸出值。隨后，運(yùn)算單元基于此標(biāo)準(zhǔn)輸出值差值計(jì)算濕度，并基于所計(jì)算的濕度和濕度修正方程式來修正標(biāo)準(zhǔn)輸出。通過此方法，運(yùn)算單元計(jì)算出檢測目標(biāo)氣體的濃度。
文檔編號H01M8/04GK1820196SQ200580000640
公開日2006年8月16日 申請日期2005年4月12日 優(yōu)先權(quán)日2004年4月15日
發(fā)明者東海林理人 申請人:松下電器產(chǎn)業(yè)株式會社