一種氣體傳感器標定裝置的製作方法

2023-12-10 00:36:11 2

專利名稱：一種氣體傳感器標定裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及氣體傳感器的標定裝置。
背景技術：
用傳感器對物質濃度進行測量一般利用的是傳感器響應值與待測物質濃度間的關聯關係。而傳感器的零點及靈敏度在使用過程中不可避免地會發生漂移。為了獲得更準確的測量值，一般都要求測量前對傳感器進行標定。(如對測量準確度要求不高，則在一定誤差允許範圍內，可對標定頻率適當放寬。)標定需要用已知濃度的標準物質對傳感器進行測量，對液體、固體物質而言，標準物質濃度的獲得相對較容易，一般在實驗室通過分析天平稱量，容量瓶定容就能做至IJ。而對低濃度的標準氣體的獲得相對麻煩，一般都需要通過向獲得計量認證的標準氣體供應商購買。標準氣體供應商一般採用國際標準化組織推薦的稱重法配製標準氣體，對低濃度的氣體由於存在吸附平衡等問題，出廠前需要標定檢驗，其檢驗的一般方法是氣相色譜技術，而氣相色譜也需要更高級別的標準氣體進行標定，這裡有誤差傳遞的問題，另夕卜，標準氣體出廠後由於吸附，滲透等因素會使其濃度繼續發生變化，而客戶對此變化不易察覺。如客戶用此不標準的」標準氣」標定後的傳感器進行測量無疑是不準確的。即使對傳感器的標定是準確的，如果傳感器受環境影響較大(溫溼度及幹擾氣體等)，測量與標定時條件的不同也會引入較大的誤差。解決問題的一個方法是根據傳感器的特點，對傳感器的溫度，溼度，壓力等特性進行補償，該方法可在一定範圍內提高傳感器測量的準確性，但對傳感器性能的一致性，穩定性的要求較高(補償的前提是傳感器的上述特性不隨時間與環境的變化而變化)。化學分析方法可提供一種絕對測量標準，但為了獲得準確的分析結果往往需要需要大量的氣體，甚至會耗盡整瓶氣體，有沒有更簡單的絕對標準方法呢？美國專利US4829809 (Citytech 1989)揭示了一種氣體電解分析裝置與方法，它將一電化學傳感器置於已知體積的腔體中，首先向腔體中通入未知濃度的待測氣體，標定時將腔體封閉，由於傳感器消耗氣體而使其響應值不斷降低，根據Farady定律，其電流以指數形式衰減，根據傳感器電流隨時間變化曲線，傳感器初始響應電流，腔體體積可求解傳感器靈敏度及氣體濃度。該專利的價值在於提供了 一種無需知道傳感器靈敏度就可測量氣體濃度的方法，但該專利採用的方法是對腔體內氣體進行電解分析，腔體內氣體混合不勻會引起較大的測量誤差，另外，在計算過程中由於採用的是暫態電流，對傳感器信號質量要求很高，很小的測量電流誤差都會引起較大的計算偏差，因而不適用於低濃度氣體檢測。實際上，該方法沒有得到普遍地應用。美國專利US4833909(Dragger，1989)描述了一種類似的庫侖分析裝置。美國專利US6055840 (Industrial Scientific corporation, 2000)描述了一種通過定量調整控制氣體擴散通道阻力求解氣體濃度的方法，該方法需要知道待測氣體的擴散係數及至少一個氣體擴散通道的物理尺寸，因而實際應用也不方便。Honeywell最近幾年公開了多項傳感器標定與自標定方法的專利(US7975525B2，US7661290B2, US2006/0266097A1, US2005/0262924A1, US7401493B2, US7581425B2,US7655186B2, US7071386B2, US6918281, US2006/0042351A1), Drager 最近也公開了幾項傳感器標定專利(US7704356B2，US7645362B2),這些專利的一個共同點就是它們都需要標準氣體，只是產生標準氣體的方法各有不同。如US7645362B2、US7645362B2、US2005/0262924A1在氣路或傳感器上整合電化學氣體發生器；US7975525B2在氣路中接一個氣體濃度調製裝置用於氣體預濃縮與分析信號調製(進行基線修正)，同時氣路接標準氣體發生裝置用於氣體標定；US7661290B2將標準氣體存儲在一小包裝盒中，便於成卷攜帶，標定時將包裝刺破將氣體釋放到固定體積的腔體中用於傳感器標定等。
發明內容本發明針對目前技術的不足提出了一種對傳感器進行現場標定的裝置及方法。其內容如下該裝置由氣體濃度調整模塊與氣體傳感器檢測模塊串聯組成，所述氣體濃度調整模塊由氣室、閥門、氣泵，氣體定量調整器組成循環氣路，氣泵與氣體定量調整器串聯後兩端通過閥門與氣室連接，所述氣室另外兩個埠分別通過閥門接氣體傳感器檢測模塊和樣品氣O上述裝置中所述一種氣體定量調整器為電化學電解池，所述電化學電解池定量電解待測氣體，通過電解電量控制氣體濃度變化量。上述裝置中所述另一種氣體定量調整器為為電化學氣體發生器電解發生待測氣體，通過電化學發生電量控制氣體濃度變化量。上述氣室由細長管路組成，管路縱向兩端通過閥門與氣體傳感器檢測模塊與樣品氣連接，所述細長管路橫向通過毛細管陣列分別與所述氣體濃度調整模塊中的閥門連接。上述氣室也可以為細長管路及可移動活塞的氣室。本發明揭示了一種直接用樣品氣對傳感器進行現場標定的裝置及方法，克服了傳感器信號漂移、溫溼度及部分幹擾氣體的影響，從而提高測量的穩定性與可靠性；採用電化學電解方法產生或消耗被測氣體，通過電量控制產生或消耗氣體的量，方法簡便可控，提高了裝置使用的便利性。

圖1 :本發明傳感器標定裝置氣路結構示意圖
具體實施例實施例一本實施例結合圖1以介紹如何用本發明裝置對傳感器進行標定。該裝置由氣體濃度調整模塊與氣體傳感器檢測模塊串聯組成，其特徵在於所述氣體濃度調整模塊500由氣室101、閥門401、閥門402、閥門403、閥門404、氣泵301，氣體定量調整器201組成循環氣路，氣泵301與氣體定量調整器201串聯後兩端通過閥門403、404與氣室101連接，所述氣室101另外兩個埠分別通過閥門401、402接氣體傳感器檢測模塊600和樣品氣。在本實施例中所述氣體傳感器檢測模塊600由氣泵302及傳感器202組成，在實際應用時根據情況也可不用氣泵。本例中所述氣體定量調整器201及傳感器202均為電化學一氧化氮傳感器，氣室體積為30ml，分別用75ppb —氧化氮氣及人體呼出氣進行測量標定。測量標定過程如下I) 將待標定傳感器202接入裝置與氣泵302連接，打開閥門401、402，通過泵302抽取樣品氣進入氣室101，記錄傳感器202的穩態響應電流，該傳感器的響應滿足關係:·[0024]S^kC=0.165 (uA)(I)其中S1為傳感器響應值、k為傳感器靈敏度、C為氣體濃度2) 關閉閥門401、402，打開閥門403、404，通過氣泵使氣體在經氣室101、閥門403、氣體定量調整器201、氣泵301、閥門404後回到氣室101。在此循環過程中，氣體定量調整器對氣室中的氣體進行電解導致其濃度下降，該過程滿足關係:Q= / i201dt =nFV* Δ C=4.95 (uC)(2)其中Q為響應消耗電量、 201為電解池201電解電流、t為循環電解時間、η為法
拉第常數、V為氣室體積、Λ C為電解導致氣體濃度的變化量。3) 打開閥門401、402，通過泵302抽取氣氣室101中的氣體進入傳感器202進行二次測量，記錄傳感器202的穩態響應電流，該傳感器的響應滿足關係:S2=k(c- Δ C)=0.123 (uA)(3)由方程(I) (3)聯立可求得:k=nFV(S1-S2)/ f i201dt =2.21 (nA/ppb)(4)C= S/Gl-S〗)* f i201dt/(nFV) =75.2 (ppb)(5)上述方法求得的傳感器靈敏度為2.2nA/ppb,與用標準氣直接計算得到的靈敏度(公式(I))吻合。將人體呼出氣體收集到Tedlar氣袋中，重複上述步驟(I )、(2)、(3)計算出傳感器202對一氧化氮的靈敏度為2.25nA/ppb, 口呼氣一氧化氮濃度為16.7ppb,靈敏度與標準氣測試結果接近，口呼氣測試結果也與瑞典Aerocrine公司的NIOX的測試結果17.2ppb
無顯著差異。由此可見，上述裝置與方法可以在不需要標準氣體的情況下確定傳感器202的靈敏度的同時，也可以測量樣品氣濃度。該方法現場用待測氣體樣品進行標定，可以最大限度地克服溫溼度、幹擾氣體及傳感器信號漂移的影響，提高了測量的準確性與可靠性。以上通過通過一氧化氮傳感器標定的實例說明了該裝置的工作原理及過程，由原理可知，只要傳感器的響應滿足響應方程(1)，過程(2)能夠建立質量方程(2)，通過步驟
(3)進行二次測量就能對傳感器202的靈敏度進行標定，而對傳感器類型沒有限制，可以為電化學傳感器、半導體傳感器、催化燃燒傳感器、紅外傳感器等。容易想到的是，通過控制不同的循環電解時間，可產生不同變化濃度的氣體用於標定，通過建構由多個質量方程及測量方程組成的方程組，完成對非線性傳感器參數的標定。[0040]該裝置優選的一種氣室結構具有以下特點氣室由細長管路組成，管路縱向兩端通過閥門與氣體傳感器檢測模塊與樣品氣連接，所述細長管路橫向通過毛細管陣列分別與所述氣體濃度調整模塊中的閥門連接。在進行分析測量時，氣體在細長管路中了流動為活塞流，保證前後氣體不共混，在進行濃度調整時，氣體通過管路橫向毛細管陣列對氣室內的氣體及時快速更新，保證氣室內氣體濃度分布的均勻性。該裝置氣室也可以由可移動活塞的氣室組成，在濃度調整時氣體每次循環經過氣室時，氣室內氣體濃度能迅速混合均勻，分析測量時通過活塞推動氣體流經傳感器進行測量標定。同樣的思路，如果濃度調整模塊不採樣電化學電解池對樣品氣進行電解，而用電化學氣體發生器定量發生樣品氣體也可達到定量控制氣室中氣體濃度變化的目的。同樣，氣體中物質濃度測量與液體中物質濃度測量也無本質不同，適用於因而上述方法與裝置也適用於液體中物質濃度的測量。
權利要求1.一種氣體傳感器標定裝置，由氣體濃度調整模塊與氣體傳感器檢測模塊串聯組成，其特徵在於:所述氣體濃度調整模塊由氣室、閥門、氣泵，氣體定量調整器組成循環氣路，氣泵與氣體定量調整器串聯後兩端通過閥門與氣室連接，所述氣室另外兩個埠分別通過閥門接氣體傳感器檢測模塊和樣品氣。
2.如權利要求1所述一種氣體傳感器標定裝置，其特徵在於其中所述氣體定量調整器為電化學電解池，所述電化學電解池定量電解待測氣體，通過電解電量控制氣體濃度變化量。
3.如權利要求1所述一種氣體傳感器標定裝置，其特徵在於其中所述氣體定量調整器為電化學氣體發生器電解發生待測氣體，通過電化學氣體發生電量控制氣體濃度變化量。
4.如權利要求1所述一種氣體傳感器標定裝置，其特徵在於其中所述氣室由細長管路組成，管路縱向兩端通過閥門與氣體傳感器檢測模塊與樣品氣連接，所述細長管路橫向通過毛細管陣列分別與所述氣體濃度調整模塊中的閥門連接。
5.如權利要求1所述一種氣體傳感器標定裝置，其特徵在於其中所述氣室為可移動活塞的氣室。
專利摘要一種氣體傳感器標定裝置，由氣體濃度調整模塊與氣體傳感器檢測模塊串聯組成，其特徵在於所述氣體濃度調整模塊由氣室、閥門、氣泵，氣體定量調整器組成循環氣路，氣泵與氣體定量調整器串聯後兩端通過閥門與氣室連接，所述氣室另外兩個埠分別通過閥門接氣體傳感器檢測模塊和樣品氣。
文檔編號G01N27/26GK202916258SQ20122060503
公開日2013年5月1日 申請日期2012年11月16日 優先權日2012年8月7日
發明者謝雷, 韓傑, 韓益蘋 申請人:無錫市尚沃醫療電子股份有限公司