电化学传感器的在线故障诊断方法

摘 要 石油化工領域对安全仪表提出了越来越高的要求，而基于电化学传感器的毒性气体探测器因传感器本身的可靠性问题较难达到SIL2以上的功能安全等级。本文分析了3电极电化学传感器及其信号处理电路的原理和特性，设计了一种在线故障检测方法，通过该方法可以检出电化学传感器的主要失效模式，提高了毒性气体探测器整体诊断覆盖率。

【关键词】电化学传感器 故障诊断 功能安全 诊断覆盖率

1 引言

基于电化学传感器的毒性气体探测器广泛应用于石油化工领域，用来探测一氧化碳、硫化氢、二氧化硫等各种有毒有害气体。随着对这类安全仪表可靠性要求的逐步提高，功能安全认证将渐成趋势。然而，电化学传感器作为安全功能回路中的重要一环，其自身的可靠性却并不高。相对于其它原理的传感器，电化学传感器的环境耐受性较差，容易受干扰气体的影响，有电解液漏液的风险，寿命也通常在2年以内，因此，该类传感器失效率较高。在分析系统的可靠性时，通常需要计算安全失效分数，即将失效分为可检出安全失效λsd、不可检出安全失效λsu、可检出危险失效λdd和不可检出危险失效λdu，提高系统的可靠性就是要提高λsd、λsu和λdd，降低λdu。本文从电化学传感器的原理着手，通过在线监测的方式提高了λdd，降低了λdu，使毒性气体探测器的安全失效分数和诊断覆盖率达到SIL2的水平。

2 电化学传感器及其处理电路的原理

电化学传感器的工作原理和原电池的原理相似，当敏感气体扩散至传感器内部时将发生氧化还原反应，其反应过程中输出的电荷载流子与气体浓度成正比。图1所示为三电极电化学传感器内部等效电路，图中WE为工作电极，CE为对电极，If为与气体浓度成正比的电流信号，If形成于工作电极与对电极之间，RE为参考电极，该电极无电流通过，其作用是稳定工作电极的电位。

图2所示为典型的电化学传感器适配电路。图中U1、R3、R5、C3、C4构成了恒电位电路，通过检测参考电极RE的电位来调整对电极CE的电位，从而稳定了工作电极WE的电位。图中U2、R4、R6、C5构成跨阻放大器，将电化学传感器输出的电流If转换为电压信号。

部分电化学传感器需要给参考电极RE一个偏置电压，使工作电极电位始终高于参考电极电位200mV～400mV。

3 电化学传感器失效模式及影响分析

当讨论电化学传感器失效模式时，我们假设图2中适配电路不会发生失效，在这个前提下传感器的失效模式有以下4种。

（1）电极开路；

（2）电极间短路；

（3）电解液性质改变；

（4）电极活性改变。

以上4种基本失效模式基本覆盖了除机械结构破坏和人为因素引起的失效情形。当传感器安装不当或内部工艺缺陷时，有可能出现电极开路或电极间短路的失效，传感器无法获得外部电路支持，外部电路无法控制传感器也无法从传感器获取应有的信号。这种类型的失效产生的风险非常大，因为它将直接导致无法感应气体浓度，且没有非常好的在线监测手段来发现，但这两种失效模式可以通过本文介绍的方法巧妙地实现在线诊断，及时发现问题。

传感器内部电解液的性质会因气体反应或温度、湿度等环境因素的影响发生变化，同时，传感器的电极活性也会因这些外界因素发生改变，这将导致传感器的零点和灵敏度发生变化。这种变化通常情况下是循序渐进的，但最终将导致零点严重漂移、灵敏度严重衰减，无法准确感应气体浓度的情况发生。零点的严重漂移可以通过常规方法在线诊断，但灵敏度严重漂移还无法在线检出，只能通过定期的气体标定来发现，这也是这类探测器需要定期维护的原因。

不管是无法感应气体浓度，还是对气体浓度的感应产生较大偏移，在功能安全等级评估时，均被列为危险失效λd，且引起该结果的失效模式通常无法在线诊断，所以被列为不可检出的危险失效λdu，根据安全失效分数的计算公式，要提高整个系统的安全失效分数，必须控制危险失效尤其是不可检出危险失效的比重。

另外，从器件的复杂性角度来看，电化学传感器应被列为TYPEB，这是指该类器件的失效模式不单一，其失效率无法用一个具体的数值来度量。必须通过在线诊断来尽可能多的覆盖已知的失效模式，提高诊断覆盖率，降低应用时可能带来的安全风险。

4 故障诊断措施的实现方法

在不采取有效诊断措施时，使用电化学传感器的气体探测器在硬件故障裕度HFT=0时，较难获得90%以上的安全失效分数，和60%以上的诊断覆盖率，即较难获得SIL2及以上等级的安全完整性水平。因此，针对电化学传感器电极短路、电极开路这2种较难在线监测的失效模式，应采取相应的故障诊断措施。

4.1 传感器正常工作时的特征

电化学传感器正常工作且无气体时，有一个稳定的基线电流，经图2所示电路处理后，在U2输出端形成稳定的电压，记作Ub。

通过控制R7（R7仅作为电压控制的象征性器件，实际应用时应灵活处理），在U1的输出端及传感器的参考端产生一个不超过500ms的短时0V电压脉冲，此时，能够在U2的输出端采集到相应的响应曲线，如图3所示。

与参考端脉冲电压相对应的，U2输出端电压从原先正常值开始跌落并在低位维持一段时间，随后输出电压向正常值爬升并且产生一个明显的过冲，相比于正常电压大约高300mV，这个过冲电压的最大值记作Us。最后输出电压开始缓慢回落至正常范围。输出过冲的幅度以及最终恢复的时间和传感器等效阻抗特性有关。

将Ub和Us作为某正常传感器的特征参数。

4.2 电极短路时的特征

传感器电极短路时，在参考极施加的电压脉冲直接作用在输出极上，U2输出端的电压同样经历跌落、维持、爬升三个阶段，但在爬升阶段没有过冲现象，即Us=Ub。endprint

4.3 電极开路时的特征

传感器电极开路时，在参考极施加的电压脉冲无法作用在输出极上，U2输出端的电压没有跌落、维持、爬升这三个阶段，始终保持为Ub。

通过对电极开路、短路时的特征分析，可以方便地得出具体的在线诊断策略，如表1所示。探测器定期在传感器参考极施加短脉冲，同时采集输出极信号，根据表1内容判断传感器的失效模式。

对于不同规格的电化学传感器，其过充电压大小和恢复时间有所区别，需要根据具体情况调整比较阈值。需要注意的时，传感器参考端的电压变化会对传感器产生较大的影响，有的甚至会损伤传感器，所以测试用的脉冲宽度必须短于500ms。

5 结论

通过对电化学传感器参考极施加短时测试脉冲的方式，可以在不增加额外电路的情况下，方便地检出传感器电极短路和开路的失效模式，增加了可检出危险失效和安全失效的比重，降低了不可检出危险失效的比重，最终提高了电化学传感器和整个探测器的诊断覆盖率及安全失效分数，使这类安全仪表达到更高的功能安全等级，更好地保障最终用户的利益，

参考文献

[1]姚毓升，解永平，文涛.三电极电化学传感器的恒电位仪设计[J].仪表技术与传感器，2009（09）.

[2]崔丹，翁思健.智能变送器的硬件安全评估[J].自动化仪表，2011，32（09）.

[3]黄文君，何伟挺，边俊.安全仪表系统的功能安全设计[J].自动化仪表，2010，31（07）.

[4]高建华.石油化工安全仪表系统的设计与可靠性分析[J].生物化工，2017（02）.

[5]陈长伦，何建波，刘伟，刘锦淮.电化学式气体传感器的研究进展[J].传感器世界，2004，10（04）.

作者简介

张赵良（1979-），男，江苏省无锡市人。工程师，毕业于兰州理工大学控制理论与控制工程专业，工学硕士，IEEE专业会员。现任无锡格林通安全装备有限公司总工程师，专业方向为传感器与工业自动化。

朱菊香（1979-），女，江苏省常州市人。副教授，毕业于江南大学控制理论与控制工程专业，工学硕士学位。现任常州铁道高等职业技术学校机电工程系主任，专业方向为传感器与工业自动化。

作者单位

1.无锡格林通安全装备有限公司产品开发部 江苏省无锡市 214073

2.常州铁道高等职业技术学校机电工程系 江苏省常州市 213011endprint