電化學(xué)傳感器的在線故障診斷方法

摘 要 石油化工領(lǐng)域?qū)Π踩珒x表提出了越來越高的要求，而基于電化學(xué)傳感器的毒性氣體探測(cè)器因傳感器本身的可靠性問題較難達(dá)到SIL2以上的功能安全等級(jí)。本文分析了3電極電化學(xué)傳感器及其信號(hào)處理電路的原理和特性，設(shè)計(jì)了一種在線故障檢測(cè)方法，通過該方法可以檢出電化學(xué)傳感器的主要失效模式，提高了毒性氣體探測(cè)器整體診斷覆蓋率。

【關(guān)鍵詞】電化學(xué)傳感器 故障診斷 功能安全 診斷覆蓋率

1 引言

基于電化學(xué)傳感器的毒性氣體探測(cè)器廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域，用來探測(cè)一氧化碳、硫化氫、二氧化硫等各種有毒有害氣體。隨著對(duì)這類安全儀表可靠性要求的逐步提高，功能安全認(rèn)證將漸成趨勢(shì)。然而，電化學(xué)傳感器作為安全功能回路中的重要一環(huán)，其自身的可靠性卻并不高。相對(duì)于其它原理的傳感器，電化學(xué)傳感器的環(huán)境耐受性較差，容易受干擾氣體的影響，有電解液漏液的風(fēng)險(xiǎn)，壽命也通常在2年以內(nèi)，因此，該類傳感器失效率較高。在分析系統(tǒng)的可靠性時(shí)，通常需要計(jì)算安全失效分?jǐn)?shù)，即將失效分為可檢出安全失效λsd、不可檢出安全失效λsu、可檢出危險(xiǎn)失效λdd和不可檢出危險(xiǎn)失效λdu，提高系統(tǒng)的可靠性就是要提高λsd、λsu和λdd，降低λdu。本文從電化學(xué)傳感器的原理著手，通過在線監(jiān)測(cè)的方式提高了λdd，降低了λdu，使毒性氣體探測(cè)器的安全失效分?jǐn)?shù)和診斷覆蓋率達(dá)到SIL2的水平。

2 電化學(xué)傳感器及其處理電路的原理

電化學(xué)傳感器的工作原理和原電池的原理相似，當(dāng)敏感氣體擴(kuò)散至傳感器內(nèi)部時(shí)將發(fā)生氧化還原反應(yīng)，其反應(yīng)過程中輸出的電荷載流子與氣體濃度成正比。圖1所示為三電極電化學(xué)傳感器內(nèi)部等效電路，圖中WE為工作電極，CE為對(duì)電極，If為與氣體濃度成正比的電流信號(hào)，If形成于工作電極與對(duì)電極之間，RE為參考電極，該電極無電流通過，其作用是穩(wěn)定工作電極的電位。

圖2所示為典型的電化學(xué)傳感器適配電路。圖中U1、R3、R5、C3、C4構(gòu)成了恒電位電路，通過檢測(cè)參考電極RE的電位來調(diào)整對(duì)電極CE的電位，從而穩(wěn)定了工作電極WE的電位。圖中U2、R4、R6、C5構(gòu)成跨阻放大器，將電化學(xué)傳感器輸出的電流If轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)。

部分電化學(xué)傳感器需要給參考電極RE一個(gè)偏置電壓，使工作電極電位始終高于參考電極電位200mV～400mV。

3 電化學(xué)傳感器失效模式及影響分析

當(dāng)討論電化學(xué)傳感器失效模式時(shí)，我們假設(shè)圖2中適配電路不會(huì)發(fā)生失效，在這個(gè)前提下傳感器的失效模式有以下4種。

（1）電極開路；

（2）電極間短路；

（3）電解液性質(zhì)改變；

（4）電極活性改變。

以上4種基本失效模式基本覆蓋了除機(jī)械結(jié)構(gòu)破壞和人為因素引起的失效情形。當(dāng)傳感器安裝不當(dāng)或內(nèi)部工藝缺陷時(shí)，有可能出現(xiàn)電極開路或電極間短路的失效，傳感器無法獲得外部電路支持，外部電路無法控制傳感器也無法從傳感器獲取應(yīng)有的信號(hào)。這種類型的失效產(chǎn)生的風(fēng)險(xiǎn)非常大，因?yàn)樗鼘⒅苯訉?dǎo)致無法感應(yīng)氣體濃度，且沒有非常好的在線監(jiān)測(cè)手段來發(fā)現(xiàn)，但這兩種失效模式可以通過本文介紹的方法巧妙地實(shí)現(xiàn)在線診斷，及時(shí)發(fā)現(xiàn)問題。

傳感器內(nèi)部電解液的性質(zhì)會(huì)因氣體反應(yīng)或溫度、濕度等環(huán)境因素的影響發(fā)生變化，同時(shí)，傳感器的電極活性也會(huì)因這些外界因素發(fā)生改變，這將導(dǎo)致傳感器的零點(diǎn)和靈敏度發(fā)生變化。這種變化通常情況下是循序漸進(jìn)的，但最終將導(dǎo)致零點(diǎn)嚴(yán)重漂移、靈敏度嚴(yán)重衰減，無法準(zhǔn)確感應(yīng)氣體濃度的情況發(fā)生。零點(diǎn)的嚴(yán)重漂移可以通過常規(guī)方法在線診斷，但靈敏度嚴(yán)重漂移還無法在線檢出，只能通過定期的氣體標(biāo)定來發(fā)現(xiàn)，這也是這類探測(cè)器需要定期維護(hù)的原因。

不管是無法感應(yīng)氣體濃度，還是對(duì)氣體濃度的感應(yīng)產(chǎn)生較大偏移，在功能安全等級(jí)評(píng)估時(shí)，均被列為危險(xiǎn)失效λd，且引起該結(jié)果的失效模式通常無法在線診斷，所以被列為不可檢出的危險(xiǎn)失效λdu，根據(jù)安全失效分?jǐn)?shù)的計(jì)算公式，要提高整個(gè)系統(tǒng)的安全失效分?jǐn)?shù)，必須控制危險(xiǎn)失效尤其是不可檢出危險(xiǎn)失效的比重。

另外，從器件的復(fù)雜性角度來看，電化學(xué)傳感器應(yīng)被列為TYPEB，這是指該類器件的失效模式不單一，其失效率無法用一個(gè)具體的數(shù)值來度量。必須通過在線診斷來盡可能多的覆蓋已知的失效模式，提高診斷覆蓋率，降低應(yīng)用時(shí)可能帶來的安全風(fēng)險(xiǎn)。

4 故障診斷措施的實(shí)現(xiàn)方法

在不采取有效診斷措施時(shí)，使用電化學(xué)傳感器的氣體探測(cè)器在硬件故障裕度HFT=0時(shí)，較難獲得90%以上的安全失效分?jǐn)?shù)，和60%以上的診斷覆蓋率，即較難獲得SIL2及以上等級(jí)的安全完整性水平。因此，針對(duì)電化學(xué)傳感器電極短路、電極開路這2種較難在線監(jiān)測(cè)的失效模式，應(yīng)采取相應(yīng)的故障診斷措施。

4.1 傳感器正常工作時(shí)的特征

電化學(xué)傳感器正常工作且無氣體時(shí)，有一個(gè)穩(wěn)定的基線電流，經(jīng)圖2所示電路處理后，在U2輸出端形成穩(wěn)定的電壓，記作Ub。

通過控制R7（R7僅作為電壓控制的象征性器件，實(shí)際應(yīng)用時(shí)應(yīng)靈活處理），在U1的輸出端及傳感器的參考端產(chǎn)生一個(gè)不超過500ms的短時(shí)0V電壓脈沖，此時(shí)，能夠在U2的輸出端采集到相應(yīng)的響應(yīng)曲線，如圖3所示。

與參考端脈沖電壓相對(duì)應(yīng)的，U2輸出端電壓從原先正常值開始跌落并在低位維持一段時(shí)間，隨后輸出電壓向正常值爬升并且產(chǎn)生一個(gè)明顯的過沖，相比于正常電壓大約高300mV，這個(gè)過沖電壓的最大值記作Us。最后輸出電壓開始緩慢回落至正常范圍。輸出過沖的幅度以及最終恢復(fù)的時(shí)間和傳感器等效阻抗特性有關(guān)。

將Ub和Us作為某正常傳感器的特征參數(shù)。

4.2 電極短路時(shí)的特征

傳感器電極短路時(shí)，在參考極施加的電壓脈沖直接作用在輸出極上，U2輸出端的電壓同樣經(jīng)歷跌落、維持、爬升三個(gè)階段，但在爬升階段沒有過沖現(xiàn)象，即Us=Ub。endprint

4.3 電極開路時(shí)的特征

傳感器電極開路時(shí)，在參考極施加的電壓脈沖無法作用在輸出極上，U2輸出端的電壓沒有跌落、維持、爬升這三個(gè)階段，始終保持為Ub。

通過對(duì)電極開路、短路時(shí)的特征分析，可以方便地得出具體的在線診斷策略，如表1所示。探測(cè)器定期在傳感器參考極施加短脈沖，同時(shí)采集輸出極信號(hào)，根據(jù)表1內(nèi)容判斷傳感器的失效模式。

對(duì)于不同規(guī)格的電化學(xué)傳感器，其過充電壓大小和恢復(fù)時(shí)間有所區(qū)別，需要根據(jù)具體情況調(diào)整比較閾值。需要注意的時(shí)，傳感器參考端的電壓變化會(huì)對(duì)傳感器產(chǎn)生較大的影響，有的甚至?xí)p傷傳感器，所以測(cè)試用的脈沖寬度必須短于500ms。

5 結(jié)論

通過對(duì)電化學(xué)傳感器參考極施加短時(shí)測(cè)試脈沖的方式，可以在不增加額外電路的情況下，方便地檢出傳感器電極短路和開路的失效模式，增加了可檢出危險(xiǎn)失效和安全失效的比重，降低了不可檢出危險(xiǎn)失效的比重，最終提高了電化學(xué)傳感器和整個(gè)探測(cè)器的診斷覆蓋率及安全失效分?jǐn)?shù)，使這類安全儀表達(dá)到更高的功能安全等級(jí)，更好地保障最終用戶的利益，

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作者簡介

張趙良（1979-），男，江蘇省無錫市人。工程師，畢業(yè)于蘭州理工大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，工學(xué)碩士，IEEE專業(yè)會(huì)員?，F(xiàn)任無錫格林通安全裝備有限公司總工程師，專業(yè)方向?yàn)閭鞲衅髋c工業(yè)自動(dòng)化。

朱菊香（1979-），女，江蘇省常州市人。副教授，畢業(yè)于江南大學(xué)控制理論與控制工程專業(yè)，工學(xué)碩士學(xué)位?，F(xiàn)任常州鐵道高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校機(jī)電工程系主任，專業(yè)方向?yàn)閭鞲衅髋c工業(yè)自動(dòng)化。

作者單位

1.無錫格林通安全裝備有限公司產(chǎn)品開發(fā)部 江蘇省無錫市 214073

2.常州鐵道高等職業(yè)技術(shù)學(xué)校機(jī)電工程系 江蘇省常州市 213011endprint