專利名稱：一種氣體傳感器自標定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于標定響應(yīng)值受氣體流速影響的傳感器靈敏度。
背景技術(shù)：
最常用的電化學(xué)、半導(dǎo)體及催化型傳感器的電流信號S通常滿足如下測量方程
S = kC0 + k0
其中，參數(shù)h與k分別為一個傳感器的零點與靈敏度參數(shù)，可通過用至少兩個已知濃度的氣體對傳感器進行標定獲得。傳感器在使用過程中其響應(yīng)信號會受到包括氣流速率、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、條件下進行標定，而且標定時間與測量時間盡可能接近以避免上述干擾。用戶可以根據(jù)廠商建議的方法與程序自己標定，也可以將儀器返回廠商或指定的維修代理商進行標定。標定的頻繁與專業(yè)要求為廠商和用戶帶來了諸多不便并且增加了運營與使用成本。提高傳感器的穩(wěn)定性、在降低傳感器標定頻率的同時不犧牲準確性也是傳感器及檢測儀器制造商面臨的巨大挑戰(zhàn)。本發(fā)明將提供一種具較高穩(wěn)定性的氣體測量方法，該方法可用于對不同流速下傳感器靈敏度的自標定，提高測量的穩(wěn)定性與準確性，降低用標準氣標定傳感器靈敏度得頻率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明對目前技術(shù)的不足提出了一種氣體傳感器自標定方法，該方法利用傳感器自身穩(wěn)定的參數(shù)對傳感器的靈敏度進行自標定，而不需要已知濃度的標準氣體。本方法用于標定響應(yīng)值受氣體流速影響的傳感器靈敏度，方法如下控制氣體以兩種不同的流速流經(jīng)傳感器，通過固定的傳感器參數(shù)及各種流速下傳感器的響應(yīng)值計算待測氣體濃度及對傳感器的靈敏度進行標定。而所述傳感器參數(shù)只需用已知濃度的標準氣體通過所述過程標定一次。所述氣體流速控制通過PWM方式控制泵的工作狀態(tài)來實現(xiàn)，也可通過在氣路中串聯(lián)比例閥、伺服閥或氣體阻力件等調(diào)整氣路阻力的方式來實現(xiàn)。控制氣體以至少兩種不同的流速流經(jīng)傳感器，也可通過各種流速下傳感器的響應(yīng)值差值與待測氣體濃度間的比例關(guān)系也可計算氣體濃度，該比例關(guān)系可通過已知濃度的標準氣體通過所述方法標定來獲得。由于傳感器參數(shù)由傳感器氣路機械結(jié)構(gòu)及氣體流速決定，而傳感器氣路機械結(jié)構(gòu)基本是穩(wěn)定的，利用本方法進行氣體濃度測量時，如果能控制好氣體流速，則測量結(jié)果不受傳感器敏感元件性能衰減的影響，具有較好的長期穩(wěn)定性。當(dāng)傳感器敏感元件性能衰減導(dǎo)致其靈敏度降低時，可用該方法對氣靈敏度進行校準而無需已知濃度的標準氣體，方法簡單易行。對于傳感器靈敏度較穩(wěn)定，而零點漂移較大的傳感器，通過不同流速下傳感器響應(yīng)值的差值計算可扣除大部分零點漂移的影響，獲得更高的測量準確度，提高測量的便利性。


圖I.自標定傳感器結(jié)構(gòu)示意圖 圖2. NH3傳感器變流量測量響應(yīng)曲線
圖3. NH3傳感器在不同流速下的電流響應(yīng)差值與NH3濃度間的關(guān)系 圖4. CO傳感器變流量測量響應(yīng)曲線
具體實施例大多數(shù)電流型電化學(xué)氣體傳感器通過氧化或還原被測氣體所得的電流響應(yīng)值與氣體濃度間的關(guān)系測量氣體濃度。測量時，氣體先通過傳感器預(yù)設(shè)的氣體限流裝置擴散到電極表面，溶解在電解液中，然后在電極表面吸附、發(fā)生氧化還原反應(yīng)，反應(yīng)產(chǎn)物脫附離開電極表面，這一串聯(lián)過程的任何一個步驟都可能限制反應(yīng)速度，從而影響到傳感器的靈敏度。商品化氣體傳感器設(shè)計時一般都希望將傳感器的響應(yīng)值設(shè)計在氣相極限擴散電流區(qū),這樣傳感器的響應(yīng)完全由氣體的氣相傳質(zhì)速度決定,而氣體氣相傳質(zhì)速度基本由氣體流速、待測氣體的物理化學(xué)特性(氣體擴散系數(shù))及傳感器預(yù)設(shè)的氣體限流裝置的機械尺寸或擴散滲透特性決定，此時傳感器具有響應(yīng)線性較好、響應(yīng)值受電位控制波動的影響較小、靈敏度也較為穩(wěn)定，受溫度、濕度、壓力等環(huán)境因素影響較小等特點。而實際上，大多數(shù)傳感器的響應(yīng)處在混合控制區(qū)，即傳感器的響應(yīng)值受上述多個過程的影響，此時傳感器的響應(yīng)特性變得復(fù)雜了，環(huán)境及電極自身活性狀態(tài)對響應(yīng)值的影響變大，并且不可預(yù)知，而要在理論上對上述所有過程進行定量數(shù)學(xué)表達也比較復(fù)雜。為了獲得準確可靠的測量結(jié)果，通常的做法是在測量前對傳感器進行標定。為了降低傳感器標定的頻率，希望傳感器的響應(yīng)信號穩(wěn)定，受各種因素如溫度、濕度、壓力、干擾氣體等影響較小。對氣體在電流型氣體傳感器上的反應(yīng)過程進行分析，可發(fā)現(xiàn)
在多步驟的串聯(lián)反應(yīng)過程可近似簡單地分為兩類第一類為氣相傳質(zhì)過程，該過程的特點在于傳質(zhì)速度主要由氣體流速、氣體物理化學(xué)特性及氣相擴散阻力決定(本文定義該過程阻力為&)，穩(wěn)定性較好；第二類統(tǒng)稱為反應(yīng)過程，它包括氣體溶解、液相擴散、氣體吸附、氧化還原反應(yīng)及反應(yīng)產(chǎn)物脫附等過程，該過程較為復(fù)雜，而且影響因素較多(本文定義其全過程阻力為RMt)，如果傳感器對氣體濃度的響應(yīng)是線性的，則傳感器的響應(yīng)滿足下述關(guān)系(氣相傳質(zhì)阻力及其他過程阻力)
S =KC/(Rffl+Rcat )(I)或
KC/S = Rffl +Rcat(2)
其中K為常數(shù)，C為氣體濃度，S為扣除零點后傳感器的響應(yīng)值。如果將氣相傳質(zhì)過程進一步細分為對流傳質(zhì)與擴散傳質(zhì)，如將這兩部分阻力分別定義為R_，Rd，則(2)可寫成:
nFC/S = Rm +Rcat=Rcon+ Rd +Rcat(3)
其中R從主要由氣體流速決定及傳感器結(jié)構(gòu)決定，Rni主要由氣體擴散通道的機械尺寸決定，Rcat主要由敏感元件的催化活性決定 如果在傳感器測量時只改變流速而其他條件都不變，則傳感器響應(yīng)值的變化僅由氣體對流傳質(zhì)的差異引起，而該差異主要由氣體流速大小及傳感器氣體通道結(jié)構(gòu)決定，穩(wěn)定性較好，基本不受溫濕度及敏感元件催化活性變化的影響。根據(jù)上述原理，依據(jù)公式(3)，如果在傳感器響應(yīng)對流速變化敏感的區(qū)域用改變氣體流速的方法進行多次測量，每次測量R_不同而Rd及RMt基本不變，這樣通過流速調(diào)控及差分分析可得到。Cd/Vl/Si) =(Rcon2-Rconl)AiF(4)
對一個傳感器，在同樣溫度及壓力條件下，對固定的氣體流速，其對流傳質(zhì)的阻力Rcon2^Rconl是基本固定的，因而(IU2-IU1) /nF可視為傳感參數(shù)P，只需用已知濃度的標準氣體標定一次。C = P/(!/S2-IZS1)(5)
以下是應(yīng)用實施例
應(yīng)用實施例一
圖I是實現(xiàn)上述原理方法的傳感器結(jié)構(gòu)示意圖，I為傳感器，2為氣泵，3為傳感器測量及泵流量控制電路，氣泵流速的控制可通過PWM或電壓調(diào)控的方式實現(xiàn)，也可以通過在氣路中串聯(lián)比例閥、伺服閥或其它氣體阻力件來實現(xiàn)，測量時氣泵2將氣體以不同的流速多次吸入傳感器I，通過測量控制電路3記錄傳感器響應(yīng)信號。圖2為用兩種流速對NH3傳感器進行測量所獲得的傳感器響應(yīng)曲線，由曲線可見，該傳感器在400ml/min及100ml/min的氣體流速下對同一濃度的NH3響應(yīng)值有顯著的差異，由于兩次測量除了流速差異之外，其它條件一致，可以通過上述數(shù)學(xué)處理扣除其它因素(溫、濕度、壓力及部分慢響應(yīng)干擾氣體)的影響，進而提高了測量的準確性。以下是測試過程
I)傳感器常數(shù)的確定
一次測量通過PWM方式調(diào)節(jié)泵將氣體流速控制在400ml/min，將20ppm的NH3抽入傳感器進行測量(圖2)，記錄傳感器的響應(yīng)值S1為295nA，該響應(yīng)滿足關(guān)系nFC/S! =Rconl + Rd +Rcat(6)
其中Rranl為該流速下傳感器的對流傳質(zhì)阻力。二次測量通過PMW方式調(diào)節(jié)泵將氣體流速控制在100ml/min，將20ppm的NH3抽入傳感器進行測量(圖2)，記錄傳感器的響應(yīng)值S1為232nA，該響應(yīng)滿足關(guān)系
nFC/S2 =Rcon2 + Rd +Rcat(7)
其中Rranl為該流速下傳感器的對流傳質(zhì)阻力。
由(4)-(5)得
Cd/Vl/Si) = (Rcon2-Rconl) /nF =P =0.0187 (8)
獲得了傳感器常數(shù)，測量時重復(fù)上述過程便可直接計算氣體濃度進而對傳感器靈敏度進行標定；
2)氣體濃度的測量及不同流速下傳感器靈敏度的標定 以下用40ppm的NH3標準氣驗證上述方法的準確性
一次測量通過質(zhì)量流量控制器，將40ppm的NH3以300ml/m的流速流過傳感器，記錄傳感器的響應(yīng)值S1為635nA(圖2 40ppm曲線)； 二次測量通過質(zhì)量流量控制器，將25ppm40ppm的NH3以300ml/m的流速流過傳感器，記錄傳感器的響應(yīng)值S2為494nA(圖2 40ppm曲線)；
由于在上述流速條件下的傳感器參數(shù)為O. 0187，因而由(5)可得到
C =P/(!/S2-IZS1) =41. 7 (ppm)
測量值與標準氣濃度40ppm基本吻合，由此可計算傳感器在300ml/m流速下的靈敏度為 15. 4nA/ppm、100ml/m 流速下的靈敏為 11.9nA/ppm。由于傳感器參數(shù)由傳感器氣路機械結(jié)構(gòu)及氣體流速決定，而傳感器氣路機械結(jié)構(gòu)基本是穩(wěn)定的，利用本方法用于氣體濃度測量時，如果能控制好氣體流速，則測量結(jié)果不受傳感器敏感元件性能衰減的影響，具有較好的長期穩(wěn)定性。當(dāng)傳感器敏感元件性能衰減導(dǎo)致其靈敏度降低時，可用該方法對傳感器氣靈敏度進行校準而無需已知濃度的標準氣體，這在沒有標準氣體或很難獲得穩(wěn)定的標準氣體時，所述方法具有一定的優(yōu)越性，可用于制作便攜式傳感器標定儀。用上述方法對傳感器靈敏度進行標定后，由于傳感器靈敏度會在一定時間內(nèi)保持穩(wěn)定，因而為了提高測量效率，上述標定過程可根據(jù)需要選擇適當(dāng)?shù)念l率進行。3)基線補償
利用上述方法對傳感器進行標定時，需要測量傳感器的零點并進行扣除，對于一些零點較難測準或零點會隨環(huán)境(如溫濕度、壓力及部分干擾氣體等)變化而緩慢變化的傳感器，如果零點的變化與氣體傳質(zhì)無關(guān)，也可以通過不同流量的響應(yīng)差值的算法減少零點漂移對測量結(jié)果的影響。其原理如下
如傳感器在不同流速下的響應(yīng)方程為
51= Ii1C + S0(9)
52= k2C + S0(10)
其中Si、S2, S3為不同流速下的傳感器響應(yīng)值，ki、k2為不同流量下傳感器的靈敏度，C為氣體濃度，S0為傳感器零點。由(9)-(10))得
AS1=(Vk2)C=K1C(11)
由此可見不同流量下電流響應(yīng)差值與氣體濃度間的關(guān)系是線性的，圖3是NH3傳感器在不同流量下測得電流響應(yīng)差值與NH3濃度的關(guān)系曲線，二者顯示了良好的線性關(guān)系，其比例關(guān)系可通過已知濃度的氨氣標準氣標定確定，當(dāng)沒有已知濃度的標準氣時，也可先用前述自標定方法計算氣體濃度后再計算。
該方法可克服測量過程中傳感器零點漂移的影響，但無法修正傳感器靈敏度變化對測量結(jié)果的影響，因而采用該方法時需要根據(jù)測量準確度要求進行適時標定。對于傳感器靈敏度較穩(wěn)定，而零點漂移較大的傳感器，使用該方法較為方便。應(yīng)用實施例二
圖4是用一氧化碳傳感器在100ml/m及300ml/m流速下對不同濃度一氧化碳氣體的測量曲線，根據(jù)該曲線數(shù)據(jù)，用40ppmC0氣體數(shù)據(jù) 計算得到得傳感器常數(shù)為O. 0734，根據(jù)該常數(shù)計算120、250ppm —氧化碳標準氣濃度分別為118、242ppm,與標氣值基本吻合。以上通過應(yīng)用實施例說明本發(fā)明
I.利用傳感器機械結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，通過改變氣體流速，根據(jù)公式(5)可以直接測量氣體濃度，檢查傳感器活性是否變化，對不同流速下的傳感器靈敏度進行自標定。對于短期內(nèi)零點波動較大的傳感器，可根據(jù)公式(11)扣除大部分零點漂移影響，獲得更高的測量準確度，提高測量的便利性。本實施例以PWM方式控制泵工作狀態(tài)方便實現(xiàn)了氣體流速的控制，實際上實現(xiàn)氣體流速控制的方法還有很多，如在同樣泵工作狀態(tài)下通過在氣路中串聯(lián)比例閥、伺服閥或其它氣體阻力件來實現(xiàn)，通過質(zhì)量流量計控制氣體流速，利用可恒速移動活塞的注射器以不同速度推動氣體流動等。上述實施例以電化學(xué)氣體傳感器為例對測量原理及測量過程進行了描述，由所述原理可見，該傳感器對敏感元件的類型選擇并不限于電化學(xué)傳感器，只要是傳感器的響應(yīng)受氣體傳質(zhì)速度控制，所述方法都是適用的，該類型的氣體敏感元件包括但不限于電化學(xué)傳感器、催化燃燒傳感器、半導(dǎo)體傳感器。
權(quán)利要求
1.一種氣體傳感器自標定方法用于標定響應(yīng)值受氣體流速影響的傳感器靈敏度，其特征在于控制氣體以兩種不同的流速流經(jīng)傳感器，通過固定的傳感器參數(shù)及不同流速下傳感器的響應(yīng)值計算待測氣體濃度及對傳感器的靈敏度進行標定。
2.如權(quán)利要求I所述一種氣體傳感器自標定方法，其特性在于所述傳感器參數(shù)可用已知濃度的標準氣體確定。
3.如權(quán)利要求I所述一種氣體傳感器自標定方法，其特性在于所述氣體流速控制通過PWM方式控制泵的工作狀態(tài)來實現(xiàn)。
4.如權(quán)利要求I所述一種氣體傳感器自標定方法，其特性在于所述氣體流速控制通過在氣路中串聯(lián)比例閥、伺服閥或氣體阻力件來實現(xiàn)。
5.一種氣體濃度測量方法，其特征在于控制氣體以至少兩種不同的流速流經(jīng)傳感器，通過各種流速下傳感器的響應(yīng)值差值與待測氣體濃度間關(guān)系計算氣體濃度。
6.如權(quán)利要求5所述氣體濃度測量方法，其特征在于各種流速下傳感器的響應(yīng)值差值與待測氣體濃度間關(guān)系通過已知濃度的標準氣體標定獲得。
全文摘要
一種氣體傳感器自標定方法用于標定響應(yīng)值受氣體流動影響的傳感器靈敏度，其特征在于控制氣體以兩種不同的流速流經(jīng)傳感器，通過固定的傳感器參數(shù)及不同流速下傳感器的響應(yīng)值計算待測氣體濃度及對傳感器的靈敏度進行標定。
文檔編號G01N27/26GK102928484SQ201210445869
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月9日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月9日
發(fā)明者謝雷, 韓杰 申請人:尚沃醫(yī)療電子無錫有限公司