專利名稱：一種氣體傳感器標(biāo)定裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及氣體傳感器的標(biāo)定裝置。
背景技術(shù)：
用傳感器對物質(zhì)濃度進(jìn)行測量一般利用的是傳感器響應(yīng)值與待測物質(zhì)濃度間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。而傳感器的零點(diǎn)及靈敏度在使用過程中不可避免地會發(fā)生漂移。為了獲得更準(zhǔn)確的測量值，一般都要求測量前對傳感器進(jìn)行標(biāo)定。(如對測量準(zhǔn)確度要求不高，則在一定誤差允許范圍內(nèi)，可對標(biāo)定頻率適當(dāng)放寬。)標(biāo)定需要用已知濃度的標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)對傳感器進(jìn)行測量，對液體、固體物質(zhì)而言，標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)濃度的獲得相對較容易，一般在實(shí)驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)氣體的獲得相對麻煩，一般都需要通過向獲得計(jì)量認(rèn)證的標(biāo)準(zhǔn)氣體供應(yīng)商購買。標(biāo)準(zhǔn)氣體供應(yīng)商一般采用國際標(biāo)準(zhǔn)化組織推薦的稱重法配制標(biāo)準(zhǔn)氣體，對低濃度的氣體由于存在吸附平衡等問題，出廠前需要標(biāo)定檢驗(yàn)，其檢驗(yàn)的一般方法是氣相色譜技術(shù)，而氣相色譜也需要更高級別的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行標(biāo)定，這里有誤差傳遞的問題，另夕卜，標(biāo)準(zhǔn)氣體出廠后由于吸附，滲透等因素會使其濃度繼續(xù)發(fā)生變化，而客戶對此變化不易察覺。如客戶用此不標(biāo)準(zhǔn)的”標(biāo)準(zhǔn)氣”標(biāo)定后的傳感器進(jìn)行測量無疑是不準(zhǔn)確的。即使對傳感器的標(biāo)定是準(zhǔn)確的，如果傳感器受環(huán)境影響較大(溫濕度及干擾氣體等)，測量與標(biāo)定時(shí)條件的不同也會引入較大的誤差。解決問題的一個(gè)方法是根據(jù)傳感器的特點(diǎn)，對傳感器的溫度，濕度，壓力等特性進(jìn)行補(bǔ)償，該方法可在一定范圍內(nèi)提高傳感器測量的準(zhǔn)確性，但對傳感器性能的一致性，穩(wěn)定性的要求較高(補(bǔ)償?shù)那疤崾莻鞲衅鞯纳鲜鎏匦圆浑S時(shí)間與環(huán)境的變化而變化)。化學(xué)分析方法可提供一種絕對測量標(biāo)準(zhǔn)，但為了獲得準(zhǔn)確的分析結(jié)果往往需要需要大量的氣體，甚至?xí)谋M整瓶氣體，有沒有更簡單的絕對標(biāo)準(zhǔn)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(xué)傳感器置于已知體積的腔體中，首先向腔體中通入未知濃度的待測氣體，標(biāo)定時(shí)將腔體封閉，由于傳感器消耗氣體而使其響應(yīng)值不斷降低，根據(jù)Farady定律，其電流以指數(shù)形式衰減，根據(jù)傳感器電流隨時(shí)間變化曲線，傳感器初始響應(yīng)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(jià)值在于提供了 一種無需知道傳感器靈敏度就可測量氣體濃度的方法，但該專利采用的方法是對腔體內(nèi)氣體進(jìn)行電解分析，腔體內(nèi)氣體混合不勻會引起較大的測量誤差，另外，在計(jì)算過程中由于采用的是暫態(tài)電流，對傳感器信號質(zhì)量要求很高，很小的測量電流誤差都會引起較大的計(jì)算偏差，因而不適用于低濃度氣體檢測。實(shí)際上，該方法沒有得到普遍地應(yīng)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(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。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。如US7645362B2、US7645362B2、US2005/0262924A1在氣路或傳感器上整合電化學(xué)氣體發(fā)生器；US7975525B2在氣路中接一個(gè)氣體濃度調(diào)制裝置用于氣體預(yù)濃縮與分析信號調(diào)制(進(jìn)行基線修正)，同時(shí)氣路接標(biāo)準(zhǔn)氣體發(fā)生裝置用于氣體標(biāo)定；US7661290B2將標(biāo)準(zhǔn)氣體存儲在一小包裝盒中，便于成卷攜帶，標(biāo)定時(shí)將包裝刺破將氣體釋放到固定體積的腔體中用于傳感器標(biāo)定等。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對目前技術(shù)的不足提出了一種對傳感器進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定的裝置及方法。其內(nèi)容如下該裝置由氣體濃度調(diào)整模塊與氣體傳感器檢測模塊串聯(lián)組成，所述氣體濃度調(diào)整模塊由氣室、閥門、氣泵，氣體定量調(diào)整器組成循環(huán)氣路，氣泵與氣體定量調(diào)整器串聯(lián)后兩端通過閥門與氣室連接，所述氣室另外兩個(gè)端口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(diào)整器為電化學(xué)電解池，所述電化學(xué)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(diào)整器為為電化學(xué)氣體發(fā)生器電解發(fā)生待測氣體，通過電化學(xué)發(fā)生電量控制氣體濃度變化量。上述氣室由細(xì)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(xì)長管路橫向通過毛細(xì)管陣列分別與所述氣體濃度調(diào)整模塊中的閥門連接。上述氣室也可以為細(xì)長管路及可移動活塞的氣室。本發(fā)明揭示了一種直接用樣品氣對傳感器進(jìn)行現(xiàn)場標(biāo)定的裝置及方法，克服了傳感器信號漂移、溫濕度及部分干擾氣體的影響，從而提高測量的穩(wěn)定性與可靠性；采用電化學(xué)電解方法產(chǎn)生或消耗被測氣體，通過電量控制產(chǎn)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(fā)明傳感器標(biāo)定裝置氣路結(jié)構(gòu)示意圖
具體實(shí)施例實(shí)施例一本實(shí)施例結(jié)合圖1以介紹如何用本發(fā)明裝置對傳感器進(jìn)行標(biāo)定。該裝置由氣體濃度調(diào)整模塊與氣體傳感器檢測模塊串聯(lián)組成，其特征在于所述氣體濃度調(diào)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(diào)整器201組成循環(huán)氣路，氣泵301與氣體定量調(diào)整器201串聯(lián)后兩端通過閥門403、404與氣室101連接，所述氣室101另外兩個(gè)端口分別通過閥門401、402接氣體傳感器檢測模塊600和樣品氣。在本實(shí)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(shí)際應(yīng)用時(shí)根據(jù)情況也可不用氣泵。本例中所述氣體定量調(diào)整器201及傳感器202均為電化學(xué)一氧化氮傳感器，氣室體積為30ml，分別用75ppb —氧化氮?dú)饧叭梭w呼出氣進(jìn)行測量標(biāo)定。測量標(biāo)定過程如下I) 將待標(biāo)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(jìn)入氣室101，記錄傳感器202的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)電流，該傳感器的響應(yīng)滿足關(guān)系:·[0024]S^kC=0.165 (uA)(I)其中S1為傳感器響應(yīng)值、k為傳感器靈敏度、C為氣體濃度2) 關(guān)閉閥門401、402，打開閥門403、404，通過氣泵使氣體在經(jīng)氣室101、閥門403、氣體定量調(diào)整器201、氣泵301、閥門404后回到氣室101。在此循環(huán)過程中，氣體定量調(diào)整器對氣室中的氣體進(jìn)行電解導(dǎo)致其濃度下降，該過程滿足關(guān)系:Q= / i201dt =nFV* Δ C=4.95 (uC)(2)其中Q為響應(yīng)消耗電量、 201為電解池201電解電流、t為循環(huán)電解時(shí)間、η為法
拉第常數(shù)、V為氣室體積、Λ C為電解導(dǎo)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(jìn)入傳感器202進(jìn)行二次測量，記錄傳感器202的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)電流，該傳感器的響應(yīng)滿足關(guān)系:S2=k(c- Δ C)=0.123 (uA)(3)由方程(I) (3)聯(lián)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(biāo)準(zhǔn)氣直接計(jì)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，重復(fù)上述步驟(I )、(2)、(3)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)氣測試結(jié)果接近，口呼氣測試結(jié)果也與瑞典Aerocrine公司的NIOX的測試結(jié)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(biāo)準(zhǔn)氣體的情況下確定傳感器202的靈敏度的同時(shí)，也可以測量樣品氣濃度。該方法現(xiàn)場用待測氣體樣品進(jìn)行標(biāo)定，可以最大限度地克服溫濕度、干擾氣體及傳感器信號漂移的影響，提高了測量的準(zhǔn)確性與可靠性。以上通過通過一氧化氮傳感器標(biāo)定的實(shí)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(yīng)滿足響應(yīng)方程(1)，過程(2)能夠建立質(zhì)量方程(2)，通過步驟
(3)進(jìn)行二次測量就能對傳感器202的靈敏度進(jìn)行標(biāo)定，而對傳感器類型沒有限制，可以為電化學(xué)傳感器、半導(dǎo)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(huán)電解時(shí)間，可產(chǎn)生不同變化濃度的氣體用于標(biāo)定，通過建構(gòu)由多個(gè)質(zhì)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(shù)的標(biāo)定。[0040]該裝置優(yōu)選的一種氣室結(jié)構(gòu)具有以下特點(diǎn)氣室由細(xì)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(xì)長管路橫向通過毛細(xì)管陣列分別與所述氣體濃度調(diào)整模塊中的閥門連接。在進(jìn)行分析測量時(shí)，氣體在細(xì)長管路中了流動為活塞流，保證前后氣體不共混，在進(jìn)行濃度調(diào)整時(shí)，氣體通過管路橫向毛細(xì)管陣列對氣室內(nèi)的氣體及時(shí)快速更新，保證氣室內(nèi)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(diào)整時(shí)氣體每次循環(huán)經(jīng)過氣室時(shí)，氣室內(nèi)氣體濃度能迅速混合均勻，分析測量時(shí)通過活塞推動氣體流經(jīng)傳感器進(jìn)行測量標(biāo)定。同樣的思路，如果濃度調(diào)整模塊不采樣電化學(xué)電解池對樣品氣進(jìn)行電解，而用電化學(xué)氣體發(fā)生器定量發(fā)生樣品氣體也可達(dá)到定量控制氣室中氣體濃度變化的目的。同樣，氣體中物質(zhì)濃度測量與液體中物質(zhì)濃度測量也無本質(zhì)不同，適用于因而上述方法與裝置也適用于液體中物質(zhì)濃度的測量。
權(quán)利要求1.一種氣體傳感器標(biāo)定裝置，由氣體濃度調(diào)整模塊與氣體傳感器檢測模塊串聯(lián)組成，其特征在于:所述氣體濃度調(diào)整模塊由氣室、閥門、氣泵，氣體定量調(diào)整器組成循環(huán)氣路，氣泵與氣體定量調(diào)整器串聯(lián)后兩端通過閥門與氣室連接，所述氣室另外兩個(gè)端口分別通過閥門接氣體傳感器檢測模塊和樣品氣。
2.如權(quán)利要求1所述一種氣體傳感器標(biāo)定裝置，其特征在于其中所述氣體定量調(diào)整器為電化學(xué)電解池，所述電化學(xué)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(quán)利要求1所述一種氣體傳感器標(biāo)定裝置，其特征在于其中所述氣體定量調(diào)整器為電化學(xué)氣體發(fā)生器電解發(fā)生待測氣體，通過電化學(xué)氣體發(fā)生電量控制氣體濃度變化量。
4.如權(quán)利要求1所述一種氣體傳感器標(biāo)定裝置，其特征在于其中所述氣室由細(xì)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(xì)長管路橫向通過毛細(xì)管陣列分別與所述氣體濃度調(diào)整模塊中的閥門連接。
5.如權(quán)利要求1所述一種氣體傳感器標(biāo)定裝置，其特征在于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(biāo)定裝置，由氣體濃度調(diào)整模塊與氣體傳感器檢測模塊串聯(lián)組成，其特征在于所述氣體濃度調(diào)整模塊由氣室、閥門、氣泵，氣體定量調(diào)整器組成循環(huán)氣路，氣泵與氣體定量調(diào)整器串聯(lián)后兩端通過閥門與氣室連接，所述氣室另外兩個(gè)端口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(yōu)先權(quán)日2012年8月7日
發(fā)明者謝雷, 韓杰, 韓益蘋 申請人:無錫市尚沃醫(yī)療電子股份有限公司