[发明专利]三电极固体电解质氢气传感器及采用该传感器的氢气浓度测量方法

权利要求书

1.三电极固体电解质氢气传感器，它包括固体电解质基板(4)，其特征是：它还包括一号测量电极(1)、二号测量电极(2)和参比电极(3)，所述一号测量电极(1)的一端、二号测量电极(2)的一端和参比电极(3)的一端均固定在固体电解质基板(4)的上端面，且所述一号测量电极(1)、二号测量电极(2)和参比电极(3)均与固体电解质基板(4)的上端面垂直；一号测量电极(1)、二号测量电极(2)和参比电极(3)相互平行，且一号测量电极(1)、二号测量电极(2)和参比电极(3)中任意两者之间的距离相等。

2.根据权利要求1所述的三电极固体电解质氢气传感器，其特征在于一号测量电极(1)为铂电极。

3.根据权利要求1所述的三电极固体电解质氢气传感器，其特征在于二号测量电极(2)为镍电极。

4.根据权利要求1所述的三电极固体电解质氢气传感器，其特征在于参比电极(3)为钨电极。

5.根据权利要求1、2、3或4所述的三电极固体电解质氢气传感器，其特征在于固体电解质基板(4)为磷钨酸。

6.采用权利要求1所述的三电极固体电解质氢气传感器的氢气浓度测量方法，其特征是：它由以下步骤实现：

步骤一、将三电极固体电解质氢气传感器置于带有待测氢气的环境中；

步骤二、采用电动式检测仪测量一号测量电极(1)与参比电极(3)之间的电动势E₁，采用电动式检测仪测量二号测量电极(2)与参比电极(3)之间的电动势E₂，所述两个电动势可以采用下述公式表示：

E1=-TF(ϵH+Pt-ϵH+W+klognH+PtnH+W)]]>

E2=-TF(ϵH+Ni-ϵH+W+klognH+NinH+W)]]>

式中，F为法拉第常数，即1mol电子所带的电量，F＝96485.3415C；T为绝对温度，单位为K；为H⁺在一号测量电极(1)、固体电解质基板(4)和空气组成的三相面上吸附摩尔热容，为H⁺在参比电极(3)、固体电解质基板(4)和空气组成的三相面上吸附摩尔热容，为H⁺在二号测量电极(2)、固体电解质基板(4)和空气组成的三相面上吸附摩尔热容；k为玻尔兹曼常数，k＝1.38065×10^-23J/K；为一号测量电极(1)和参比电极(3)两端的三相界面上吸附H⁺的摩尔数之比，为二号测量电极(2)和参比电极两端的三相界面上吸附H⁺的摩尔数之比；

步骤三、将步骤二获得的电动式检测仪测量一号测量电极(1)与参比电极(3)之间的电动势E₁，和二号测量电极(2)与参比电极(3)之间的电动势E₂，通过公式：

R=E1E2=ϵH+Pt-ϵH+W+klognH+PtnH+W(ϵH+Ni-ϵH+W+klognH+NinH+W)=ζ(n)]]>

计算电动势比值因子R；式中：n为待测的氢气浓度，ζ(.)为待解的函数关系；

步骤四、将步骤三获得的电动势比值因子R通过公式：

n=g((Σm=1KVmf(WmR+b1m))+b2)]]>

获得待测氢气的浓度n；

式中：f(.)为隐层激活函数，所述隐层激活函数选用对数型激活函数：实现；g(.)为输出层激活函数，所述输出层激活函数选用线性函数：y＝ax+b实现；W_m为输入层激活函数的权重系数；V_m为隐层激活函数的权重系数；b_1m为隐层偏差；b₂为输出层偏差；

其中：输出层偏差b₂的取值是根据公式：

b2l+1=b2l-η▿R(b2l)+α(b2l-b2l-1)]]>

训练获取的；上式中，为误差函数对输出层偏差b₂的偏导数，即：

▿Rb2=2NΣi=1k[(n(ei)-ni′)n(ei)′b2]]]>

上式中：为训练输出结果，且n_i′为样本点输出值，e_i为样本点输入值，N为样本数；k为神经元个数，i为整数；

输入层激活函数的权重系数W_m的是根据公式：

Wml+1=Wml-η▿R(Wml)+α(Wml-Wml-1)]]>

训练获取的，式中，为误差函数对W_m的偏导数，即：

▿EWm=2NΣi=1k[(n(ei)-ni′)n(ei)′Wm]]]>

上式中：n(e_i)′_Wm＝a×V_m×f¹′×e_i，

上式中f¹′为对数函数对输入层Q(i)＝W_me_i+b_1m的偏导值，即：

f1′=-eQ(i)(1+eQ(i))2;]]>

隐层激活函数V_m的权重系数是根据公式：

Vml+1=Vml-η▿R(Vml)+α(Vml-Vml-1)]]>

训练获得的，上式中：

▿RVm=2NΣi=1k[(n(ei)-ni′)n(ei)′Vm]]]>

上式中，n(e_i)′_Vm＝a×f(Wm×e_i+b_1m)；

隐层偏差b_1m为是根据公式：

b1ml+1=b1ml-η▿R(b1ml)+α(b1ml-b1ml-1)]]>

训练获得的，上式中：为误差函数对b_1m的偏导数，即：

▿Rb1m=2NΣi=1k[(n(ei)-ni′)n(ei)′b1m]]]>

上式中，n(ei)′b1m=a×Vm×f1′.]]>

7.根据权利要求6所述氢气浓度测量方法，其特征在于在对输入层激活函数的权重系数W_m；隐层激活函数的权重系数V_m；隐层偏差b_1m和输出层偏差b₂的训练结果，是由误差e的值决定的，具体为：

根据公式：

e=1NΣi=1N(n(ei′)-ni′)2]]>

获得误差e的值；

然后将获得的误差e的值与误差阈值T进行比较，当误差e的值大于或等于误差阈值T时，继续训练；当误差e的值小于误差阈值T时，中止训练，获得输入层激活函数的权重系数W_m；隐层激活函数的权重系数V_m；隐层偏差b_1m和输出层偏差b₂的训练结果；所述误差阈值T＝0.01～0.03。