專利名稱：一種測(cè)量氣體中物質(zhì)濃度的裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及測(cè)量氣體中物質(zhì)濃度的裝置。
背景技術(shù)：
化學(xué)傳感器測(cè)量物質(zhì)濃度Ctl的方法是基于響應(yīng)信號(hào)S ^的一個(gè)測(cè)量方程S = f(C0 ；k0, Ii1 …kw )(I)其中，參數(shù)1^_取決于傳感器結(jié)構(gòu)性質(zhì)、樣品組成以及樣品與環(huán)境的溫度、壓力、流動(dòng)狀態(tài)等。最常用的電化學(xué)、半導(dǎo)體及催化型傳感器的電流信號(hào)S通常滿足如下測(cè)量方程S = kC0 + k0(2)其中，參數(shù)1 與k分別為一個(gè)傳感器的零點(diǎn)與靈敏度參數(shù)。傳感器在使用過程中其響應(yīng)信號(hào)會(huì)受到包括氣流速率、壓力、溫度、濕度以及其它氣體組分的影響，且傳感器靈敏度也會(huì)由于老化、失活、活化或中毒等影響而發(fā)生變化，因而傳感器的使用一般都要求在與使用條件接近的氣流速率、壓力、溫度、濕度以及氣體組分、條件下進(jìn)行標(biāo)定，而且標(biāo)定時(shí)間與測(cè)量時(shí)間盡可能接近以避免上述干擾。通常標(biāo)定的做法是利用至少兩個(gè)濃度已知的標(biāo)準(zhǔn)樣品確定方程(2)的適用性及兩個(gè)參數(shù)h與k。在實(shí)際應(yīng)用過程中上述標(biāo)定過程還存在一系列的問題，如I、低濃度、聞?chuàng)]發(fā)性、聞反應(yīng)活性及聞危險(xiǎn)性(有毒有害易燃易爆)等標(biāo)定樣品不易配制、儲(chǔ)存、攜帶或使用，存在技術(shù)及安全風(fēng)險(xiǎn)；2、標(biāo)定樣品及標(biāo)定條件通常很難模擬實(shí)際情況，存在可靠與有效性風(fēng)險(xiǎn)；3、即便標(biāo)定能夠模擬實(shí)際情況，但有些使用現(xiàn)場(chǎng)也難以進(jìn)行標(biāo)定操作；4、即便可以現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定操作，但許多用戶也通常忽略進(jìn)行標(biāo)定使用。例如，甲醛、苯等有機(jī)揮發(fā)物的標(biāo)定樣品就難以獲得或使用。即便在應(yīng)用最為廣泛的工業(yè)與環(huán)境安全監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，尤其是煤礦及石油集輸?shù)葓?chǎng)地，也難以現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定，而忽視或不當(dāng)標(biāo)定所導(dǎo)致的誤報(bào)或不報(bào)的安全事故則時(shí)常發(fā)生。尤其是民用領(lǐng)域，例如家庭個(gè)人用血糖檢測(cè)及室內(nèi)燃?xì)庑孤╊A(yù)警等，用戶很少進(jìn)行標(biāo)定，由此引起的問題也常有報(bào)道。目前解決這一問題的努力主要是提供安全、方便與可靠的自動(dòng)標(biāo)定儀。例如，Honeywell最近幾年公開了多項(xiàng)傳感器標(biāo)定與自標(biāo)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(xiàng)傳感器標(biāo)定專利(US7704356B2，US7645362B2),這些專利的一個(gè)共同點(diǎn)就是它們都需要標(biāo)準(zhǔn)氣體，只是產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)氣體的方法各有不同。有沒有不需要標(biāo)準(zhǔn)氣體的標(biāo)定方法呢？1987年和1989年City Tech和Drager在分別公開了不依靠標(biāo)定樣品進(jìn)行標(biāo)定的專利(US4829809，US4833909)，將一個(gè)電化學(xué)傳感器放在充滿樣品的密閉容器內(nèi)，讓被測(cè)物質(zhì)電解消耗殆盡后，按庫侖電解法確定氣體濃度，進(jìn)而對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。Industrial Scientific 在 2000 年公開了一項(xiàng)專利(US6055840),描述了一種通過定量調(diào)整控制氣體擴(kuò)散通道阻力求解氣體濃度的方法，該方法需要知道待測(cè)氣體的擴(kuò)散系數(shù)及至少一個(gè)氣體擴(kuò)散通道的物理尺寸，因而實(shí)際應(yīng)用也不方便。然而，這些還屬于實(shí)驗(yàn)室研究或分析方法，難以實(shí)際應(yīng)用。目前，氣體傳感器的標(biāo)定還一直依賴于使用由標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量部門提供的標(biāo)準(zhǔn)濃度物質(zhì)進(jìn)行標(biāo)定的方法。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型針對(duì)目前技術(shù)的不足提出了一種測(cè)量氣體中物質(zhì)濃度的裝置，其結(jié)構(gòu)及實(shí)施方式可表述如下該裝置由活塞樣品室、三通閥、電化學(xué)傳感器及緩沖室組成，所述活塞樣品室、三通閥、電化學(xué)傳感器及緩沖室通過管路依此串聯(lián)連接，其中三通閥一通路接待分析樣品；所述活塞樣品室用于儲(chǔ)存待分析氣體及推動(dòng)氣體在管路及傳感器中以恒定流速往復(fù)流動(dòng)；所 述電化學(xué)傳感器用于測(cè)量響應(yīng)信號(hào)及對(duì)待測(cè)電化學(xué)活性組分進(jìn)行電解；所述緩沖室用于暫時(shí)儲(chǔ)存氣體。通過該裝置可實(shí)現(xiàn)使待測(cè)樣品多次往復(fù)經(jīng)過傳感器進(jìn)行分析，樣品每經(jīng)過傳感器一次，傳感器除獲得響應(yīng)信號(hào)外(滿足測(cè)量方程)，還對(duì)樣品進(jìn)行電解導(dǎo)致其濃度降低，再次經(jīng)過傳感器時(shí)傳感器的響應(yīng)信號(hào)會(huì)降低，而降低的值可與傳感器電解消耗的電量向關(guān)聯(lián)(滿足質(zhì)量方程)，這樣經(jīng)過多次往復(fù)，由測(cè)量、質(zhì)量聯(lián)立方程組便可直接求出待測(cè)樣品濃度。利用上述分析裝置可實(shí)現(xiàn)但不限于(I)直接確定被測(cè)物質(zhì)濃度，而無需在測(cè)量前對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。(2)確定傳感器標(biāo)定參數(shù)，而不需要用標(biāo)準(zhǔn)樣品進(jìn)行標(biāo)定測(cè)量。(3)由于使用的是響應(yīng)信號(hào)的差值，可以扣除溫度、壓力、流量與干擾物質(zhì)每次測(cè)量同等的貢獻(xiàn)或扣除信號(hào)噪音。因此相比于傳統(tǒng)方法使用含有這些貢獻(xiàn)的信號(hào)測(cè)量，具有更高的靈敏度、選擇性與穩(wěn)定性。

圖I本實(shí)用新型裝置氣路結(jié)構(gòu)示意圖；具體實(shí)施方式
實(shí)施方式一現(xiàn)結(jié)合圖I說明本實(shí)用新型裝置用于氣體檢測(cè)時(shí)的實(shí)施方法該裝置由活塞樣品室、三通閥、電化學(xué)傳感器及緩沖室組成，所述活塞樣品室22、三通閥24、電化學(xué)傳感器21及緩沖室23通過管路依此串聯(lián)連接，其中三通閥一通路接待分析樣品；所述活塞樣品室用于儲(chǔ)存待分析流體及推動(dòng)流體在管路及傳感器中以恒定流速往復(fù)流動(dòng)；所述電化學(xué)傳感器用于測(cè)量響應(yīng)信號(hào)及對(duì)待測(cè)電化學(xué)活性組分進(jìn)行電解；所述緩沖室用于暫時(shí)儲(chǔ)存流體。分析測(cè)量過程如下所述采樣切換三通閥24，拉動(dòng)活塞22采集待分析樣品第一次分析切換三通閥24，以固定速度推動(dòng)樣品室活塞使氣體經(jīng)過傳感器21、緩沖室23，原緩沖室23中的氣體被排出，記錄傳感器的響應(yīng)值。i0= kC0 + k0(3)[0034]第二次分析以同樣速度拉動(dòng)樣品室活塞使樣品氣經(jīng)緩沖室23、傳感器21回到樣品室實(shí)現(xiàn)第二次測(cè)量。I1= IiC1 + k0(4)第三次分析以固定速度推動(dòng)樣品室活塞使氣體經(jīng)過傳感器21、緩沖室23，進(jìn)行第三次測(cè)量分析，記錄傳感器的響應(yīng)值。i2= kC2 + k0(5)上述方程(3)、(4)、(5)中L、I1, i2是每次測(cè)量平臺(tái)的響應(yīng)電流，k為傳感器靈敏度，k0為傳感器底電流，C0, C1, C2分別為樣品原始濃度，第2、第3次測(cè)量時(shí)樣品濃度，其未知數(shù)有Kkc^CVCrC2五個(gè)。根據(jù)法拉第定律，傳感器每次測(cè)量電解消耗樣品導(dǎo)致其濃度變化關(guān)系質(zhì)量方程可表達(dá)為第二次分析nFV (C1-C0) = i0*t(6)第三次分析nFV (C2-C1) = iQ*t(7)其中η為反應(yīng)電子數(shù)，F(xiàn)為法拉第常數(shù)、V為樣品室體積，t為每次測(cè)量時(shí)間。由上所述5個(gè)方程聯(lián)立便可求解包括樣品濃度，傳感器靈敏度與底電流在內(nèi)的參數(shù)，而無需用標(biāo)準(zhǔn)氣體對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定。上述測(cè)量可往復(fù)進(jìn)行以獲得所需的測(cè)量與質(zhì)量方程組用于求解樣品濃度及傳感器參數(shù)。由該實(shí)施例可見該裝置可以用于實(shí)現(xiàn)對(duì)氣體濃度的直接測(cè)量，而無需在測(cè)量前對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定；并且傳感器的標(biāo)定參數(shù)(如靈敏度與底電流)也可直接求解出來，由于是在實(shí)際測(cè)量過程中計(jì)算傳感器標(biāo)定參數(shù)，因而該方法可以說是一種自標(biāo)定方法；另外，該方法使用的是傳感器兩次響應(yīng)信號(hào)的差值，可以扣除溫度、壓力、流量與干擾物質(zhì)對(duì)每次測(cè)量同等的貢獻(xiàn)，因此相比于傳統(tǒng)方法使用含有這些貢獻(xiàn)的信號(hào)測(cè)量，具有更高的靈敏度、選擇性與穩(wěn)定性。在該實(shí)施例中，可將緩沖室23替換為氣體采樣袋或可移動(dòng)活塞的樣品室。活塞樣品室也可通過泵、閥與氣袋的組合來實(shí)現(xiàn)，通過閥門切換泵抽氣方向，使待分析氣體在樣品室與緩沖室之間往復(fù)流動(dòng)。由于氣體樣品于液體樣品在分析方法上并無本質(zhì)上的不同，上述實(shí)施例中的方法可用于液體樣品分析。
權(quán)利要求1.一種測(cè)量氣體中物質(zhì)濃度的裝置，由活塞樣品室、三通閥、電化學(xué)傳感器及緩沖室組成，其特征在于所述活塞樣品室、三通閥、電化學(xué)傳感器及緩沖室通過管路依此串聯(lián)連接，其中三通閥一通路接待分析樣品；所述活塞樣品室用于儲(chǔ)存待分析氣體及推動(dòng)氣體在管路及傳感器中以恒定流速往復(fù)流動(dòng)；所述電化學(xué)傳感器用于測(cè)量響應(yīng)信號(hào)及對(duì)待測(cè)電化學(xué)活性組分進(jìn)行電解；所述緩沖室用于儲(chǔ)存氣體。
專利摘要摘要一種測(cè)量氣體中物質(zhì)濃度的裝置，由活塞樣品室、三通閥、電化學(xué)傳感器及緩沖室組成，所述活塞樣品室、三通閥、電化學(xué)傳感器及緩沖室通過管路依此串聯(lián)連接，其中三通閥一通路接待分析樣品；所述活塞樣品室用于儲(chǔ)存待分析氣體及推動(dòng)氣體在管路及傳感器中以恒定流速往復(fù)流動(dòng)；所述電化學(xué)傳感器用于測(cè)量響應(yīng)信號(hào)及對(duì)待測(cè)電化學(xué)活性組分進(jìn)行電解；所述緩沖室用于儲(chǔ)存氣體。
文檔編號(hào)G01N27/416GK202631480SQ20122031289
公開日2012年12月26日 申請(qǐng)日期2012年6月29日 優(yōu)先權(quán)日2012年6月29日
發(fā)明者謝雷, 韓杰, 沈立軍 申請(qǐng)人:尚沃醫(yī)療電子無錫有限公司