CN102313763A - 一种用于动态配气系统中的快速气氛切换装置 - Google Patents

Abstract

本发明属于气体传感器技术领域，特别涉及用于动态配气系统的快速气氛切换装置。本发明由位于腔体中的两个独立气室、侧面磨砂镀膜的圆柱形转体、位于转体底部侧面扇形窗口中的两个气体传感器及外接的动态配气系统组成。在圆柱形转体旋转过程中，两个气体传感器在两个气室之间切换，而这两个气室将分别通入由动态配气系统所发生的背景气体与目标气体，从而实现超低浓度气氛下气体传感器响应恢复时间的准确测量。本发明的主要优点是装置结构简单、成本低廉，两个气体传感器在两种动态配气系统所产生的气氛之间可以快速(小于1秒)地切换，同时转动过程不会引起气室之间的气氛交换。

Description

一种用于动态配气系统中的快速气氛切换装置

技术领域

本发明属于气体传感器技术领域，特别涉及用于动态配气系统的快速气氛切换装置。

背景技术

气体传感器是一种将传感器所处气氛中的某些气体的种类及浓度信息转化为电学信号的装置。气体传感器的应用领域很广，包括工农业管理、大气监测、汽车尾气检测、有毒气体的监测、安全检查(爆炸物和毒品)、航空航天、军事国防(生化武器防御)等。近年来，随着人们生活水平的提高与科技水平的发展，越来越多的气体传感器得到了开发和应用。特别值得指出的是，近几年来，我国物联网快速兴起，这为气体传感器的发展提供了良好的契机。

气体传感器的研究开发过程中，需要对传感器的性能进行测定，测定的最典型过程就是将传感器在背景气体和目标气体中切换，并实时记录传感器的电学信号，从而得到传感器对某一浓度的目标气体的灵敏度数值与响应恢复时间数值。早期的气体传感器，由于气敏材料制备过程的可控性差、器件多采用人工涂覆制作、检测电路噪音高等问题，因此，气体浓度探测下限都在几十甚至几百ppm。对于这些传感器的检测大多使用静态配气法，配气的主要过程是：使用注射器量取一定体积的源气体或者液体，注入至玻璃气瓶中，将传感器“伸入”和“拔出”玻璃气瓶并同时记录传感信号，以获得传感器的性能指标。然而这种配气方法精度低准确度差(在ppm量级误差很大)，且传感器在“伸入”和“拔出”玻璃气瓶的过程中会引起气体的泄露。

近年来越来越多的由新材料或新结构构成的新型气体传感器陆续被开发出来，这些传感器可以探测浓度为ppb甚至ppt量级的气体，而响应恢复时间仅在数秒左右。对于这些新型气体传感器性能的标定，静态配气方法将难以满足器件性能的测量要求。欲配置出准确、低浓度的气体，必须使用动态配气，也就是通过气瓶、质量流量计、减压阀等设备将气体稀释至ppb或者更低的浓度，从而获得准确的超低浓度气氛。然而，使用动态配气系统测试传感器性能，传感器将无法“伸入”和“拔出”气室，而必须通过调节质量流量计来改变气氛，这种调节往往需要几十秒到数分钟的时间，因此，这种情况下，所或得的器件响应恢复时间是不正确的。目前，动态配气系统无法快速改变气氛这一问题已经阻碍气体传感器的研究发展，成为众多传感器研究者开发高性能气体传感器的一大障碍。

发明内容

本发明的目的是克服以上问题，提供一种能够用于动态配气系统中快速切换传感器所处气氛的装置。

本发明所述的快速气体氛围切换装置，其特征在于：在实心腔体1中镂空出相互独立、密闭性良好、结构对称的多个气室(2及2个以上，如3个，4个，5个、6个，8个等)；每个气室分别连接气体动态配气系统和废气排放装置；在多个气室的对称中心处设置有侧面磨砂镀膜的实心圆柱形转体10，在圆柱体转体10的侧面开有与气室数目相同且位置对称的扇形窗口，在每个扇形窗口分别放置气体传感器，气体传感器引线通过圆柱形转体10顶部的引线开口外接气体传感器特性分析仪；实心圆柱形转体10沿其轴向与多个气室部分重叠，使扇形窗口在实心圆柱形转体10转动过程中能够位于气室内，使每个气体传感器在多个气室间快速切换，即在背景气体和目标气体的气氛间快速切换，从而由气体传感器特性分析仪器测量气体传感器在超低浓度气氛中的响应和恢复特性。

进一步，本发明所述的快速气体氛围切换装置，其特征在于：在实心腔体1中镂空出由隔板8、9分开、相互独立、气密性良好、结构对称的第一气室2和第二气室3；第一气室2通过第一气室进气管4连接背景气体动态配气系统的气路，通过第一气室出气管5连接废气排放装置；第二气室3通过第二气室进气管6连接目标气体动态配气系统的气路，通过第二气室出气管7连接废气排放装置；在第一气室2和第二气室3间的对称中心处设置有侧面磨砂镀膜的实心圆柱形转体10，圆柱形转体10的直径大于隔板8、9的厚度；在圆柱体转体10的侧面开有两个位置对称的第一扇形窗口16和第二扇形窗口17，扇形窗口的中心角小于隔板8、9的中心角；在第一扇形窗口16和第二扇形窗口17内分别放置第一气体传感器18和第二气体传感器19，并分别经第一气体传感器引线14和第二气体传感器引线15通过圆柱形转体10顶部的第一引线开口12和第二引线开口13外接气体传感器特性分析仪；在实心圆柱形转体10转动的过程中，第一气体传感器18和第二气体传感器19在第一气室2和第二气室3间快速切换(即在背景气体和目标气体的气氛间快速切换)，从而由气体传感器特性分析仪器测量第一气体传感器18和第二气体传感器19在超低浓度气氛中的响应和恢复特性。

一般地，第一气室2被选作背景气体的气室，其内的气氛通常为100％浓度的高纯度(质量分数：99.99％)N₂气、人工合成空气、Ar气等；第二气室3被选作目标气体的气室，其内的气氛通常为100ppt至10ppm范围内的各种超低浓度被测气体，如CO、NOx、CH₄、H₂等。

进一步地，腔体1为圆柱体，第一气室2和第二气室3为半圆环柱体，其内部深度略小于腔体1的高度，其外上表面与腔体1的上表面相平，其外下表面与腔体1的下表面相平；第一扇形窗口16和第二扇形窗口17设置于圆柱形转体10的底部，扇形窗口的底部略高于气室的底部；第一进气管4和第二进气管6及第一出气管5和第二出气管7与第一气体传感器18、第二气体传感器19处于同一水平高度。

一般地，腔体1的体积为1～400×10^-3m³，以确保腔体内部空间足够加工出第一气室2和第二气室3、气室隔离体8、9及圆柱形转体10；第一气室2和第二气室3的体积分别为0.3～180×10^-3m³，以保证有足够的空间平衡气氛与容纳气体传感器16和17。

一般地，腔体1和圆柱形转体10为不锈钢、铝或者铜材质，使得转动过程腔体1不易晃动；圆柱形转体10能够沿其中心轴无障碍地转动，在圆柱形转体10的顶部中心位置设置有转动把手11，用于旋转圆柱形转体10转动。转动把手11为不锈钢、铝、铜或塑料材质，与圆柱形转体10为一体结构，或固定安装在圆柱形转体10的上表面；第一引线口12和第二引线口13在穿过第一引线14和第二引线15后，用硅胶或者其它胶体进行封闭，从而防止气室内气体的外泄。

本发明的主要优点是装置结构简单、成本低廉，且一次性测量两个气体传感器的性能。此外，可以通过在转体上开设多个窗口或添加多个气室，以进一步实现多个气体传感器性能的同时测定。本发明将传感器置于两个动态配气系统所产生的气流中(分别为背景气体和目标气体)，通过转轴改变传感器的位置，从而方便快捷地实现传感器在动态配气系统中的气氛转换。

附图说明

图1：本发明所述的快速气氛切换装置的外部结构示意图；

图2：本发明所述的快速气氛切换装置的俯视图；

图3：本发明所述的快速气氛切换装置的剖面图；

图4：本发明所述的快速气氛切换装置的内部结构示意图；

图5：利用本发明同时测量所得的两条响应恢复曲线。

如图1至图5所示，各部分的名称为：腔体1，第一气室2，第二气室3，第一气室2的进气管4、第一气室2的出气管5、第二气室3的进气管6、第二气室3的出气管7、气室隔离体8(9)、圆柱形转体10、转动把手11、第一传感器引线口12、第二传感器引线口13、第一传感器引线14、第二传感器引线15、第一扇形窗口16、第二扇形窗口17、第一气体传感器18、第二气体传感器19。

将气体传感器18和19分别通过引线14和15接入第一气室2和第二气室3，封闭传感器引线口12和13。第一气室2和第二气室3的尺寸相同，在二者的对称中心处设置实心圆柱形转体10，实心圆柱形转体10的中心轴为两个气室的对称轴，圆柱形转体10的侧壁通过磨砂镀膜提高其气密性，从而防止第一气室2和第二气室3之间的气氛交换。圆柱形转体10与第一气室2和第二气室3相互重叠一部分区域，即实心圆柱形转体10的直径要大于隔板8、9的厚度，从而使扇形窗口能够位于气室内；在圆柱形转体10的上表面中心位置设置有转动把手11，通过转动把手11带动圆柱形转体10转动，从而使得气体传感器18和19在两个气室之间进行切换。气体传感器18和19的正面的横截面积通常小于1×1cm²，厚度小于0.5cm，因此在圆柱形转体10侧面开有的两个扇形窗口16和17的开口(中心角小于20°)小于气室隔离体8和9的开口(中心角约40°)，因此从而圆柱形转体10的转动不会引起两个气室2、3之间的气氛交换，杜绝了气室之间气氛的相互影响。

将第一气室进气管4接入提供背景气体的动态配气系统(如N₂气、人工合成空气、Ar气等)，将第二气室进气管6接入提供目标气体的动态配气系统(如CO、NOx、CH₄、H₂等)，将出气管5和7接入废气排放装置。调节两套动态配气系统的质量流量计等，使得第一气室内为动态平衡的背景气氛，第二气室内为动态平衡的目标气氛。

将气体传感器18和19外接至气体传感器特性分析系统，分析系统可以提供一定的加热电流从而控制传感器的温度，同时可以测量传感器电信号的变化(通常是电阻信号)，因此通过旋转把手11，即可改变传感器18和19所处的气室，也即将传感器在背景气氛和目标气氛中进行快速切换。通常，旋转把手1圈需要1s左右，因此，改变一次气氛所需时间将小于1s。

图5：同时测量得到的典型响应恢复特性曲线。

由图5可以看出，传感器的电阻值改变时间小于1s，且曲线无明显波动或者锯齿，因此，在动态配气系统中，本发明能够实现低于1s的气氛快速切换。

具体实施方式

实施例1：

在圆柱形不锈钢腔体1(半径30cm、高50cm)内镂空出两个对称的半圆环柱形气室2和3(外半径29.5cm，内半径12.5cm，深45cm，内径与外径的圆心与腔体1圆心重合)，气室深45cm，气室的上表面与腔体1的上表面相平，两气室之间由厚度10cm的两个不锈钢的隔板8和9分开；将圆柱形转体10(半径12.5cm，高45cm，上表面与腔体的上表面相平)置于气室2和3中间；气室2和3分别连接进气管4、5和出气管6、7；将进气管连接分别连接动态配气系统的两组气路(DGD-4，北京艾立特科技有限公司生产)，调节动态配气系统使得所产生的背景气体和目标气体分别是100％混合空气和100ppb H₂。将基于T-Pd-3型二氧化锡敏感材料的气体传感器18和19与分别通过引线14和15接入第一气室2和第二气室3，使用硅胶封闭传感器引线口12和13，引线14和15的另一端外接CGS-8型智能气敏分析系统(购于北京艾立特科技有限公司)。气体传感器呈类圆柱形，半径3mm，高5mm，T-Pd-3型二氧化锡敏感材料(购于北京艾立特科技有限公司)由钯掺杂的二氧化锡纳米纤维构成，纤维直径约80nm，长5mm，传感器制作过程包括：将纳米纤维与去离子水按照100∶25的质量比混合，并涂覆于带有金信号电极的陶瓷管(长6mm，外径0.8mm，内径0.6mm，电极之间距离4mm)上，将35Ω的Ni-Cr加热丝穿过陶瓷管，并焊接于六角形传感器底座上。通过CGS-8型智能气敏分析系统控制Ni-Cr加热丝的电流，通过实时测量金信号电极之间的电阻值获得传感器的电信号变化。将18和19两个传感器的加热电流都设置为120mA，待电阻值稳定后，转动把手11，即可实现传感器18和19在2和3两个气室中位置的切换。转动过程中通过秒表准确记录转动圆柱形转体10的起始时间，实测的两组响应恢复曲线如图5所示，图中的灵敏度为传感器在背景气体和目标气体中电阻值之比。由于传感器18和19在测量过程中，由旋转开始至传感器响应或者恢复完毕，所需时间的总和小于1s，因此，可以说明本发明实现了在动态配气系统中小于1s的快速气氛切换。

Claims (8)

1.一种用于动态配气系统中的快速气体氛围切换装置，其特征在于：在实心腔体(1)中镂空出相互独立、密闭性良好、结构对称的多个气室；每个气室分别连接气体动态配气系统和废气排放装置；在多个气室的对称中心处设置有侧面磨砂镀膜的实心圆柱形转体(10)，在圆柱体转体(10)的侧面开有与气室数目相同且位置对称的扇形窗口，在每个扇形窗口分别放置气体传感器，气体传感器引线通过圆柱形转体(10)顶部的引线开口外接气体传感器特性分析仪；实心圆柱形转体(10)沿其轴向与多个气室部分重叠，使扇形窗口在实心圆柱形转体(10)转动过程中能够位于气室内，使每个气体传感器在多个气室间快速切换，即在背景气体和目标气体的气氛间快速切换，从而由气体传感器特性分析仪器测量气体传感器在超低浓度气氛中的响应和恢复特性。

2.一种用于动态配气系统中的快速气体氛围切换装置，其特征在于：在实心腔体(1)中镂空出由隔板(8、9)分开、相互独立、气密性好、结构对称的第一气室(2)和第二气室(3)；第一气室(2)通过第一气室进气管(4)连接背景气体动态配气系统的气路，通过第一气室出气管(5)连接废气排放装置；第二气室(3)通过第二气室进气管(6)连接目标气体动态配气系统的气路，通过第二气室出气管(7)连接废气排放装置；在第一气室(2)和第二气室(3)间的对称中心处设置有侧面磨砂镀膜的实心圆柱形转体(10)，圆柱形转体(10)的直径大于隔板(8、9)的厚度；在圆柱体转体(10)的侧面开有两个位置对称的第一扇形窗口(16)和第二扇形窗口(17)，扇形窗口的中心角小于隔板(8、9)的中心角；在第一扇形窗口(16)和第二扇形窗口(17)内分别放置第一气体传感器(18)和第二气体传感器(19)，并分别经第一气体传感器引线(14)和第二气体传感器引线(15)通过圆柱形转体(10)顶部的第一引线开口(12)和第二引线开口(13)外接气体传感器特性分析仪；在实心圆柱形转体(10)转动的过程中，第一气体传感器(18)和第二气体传感器(19)在第一气室(2)和第二气室(3)间快速切换，即在背景气体和目标气体的气氛间快速切换，从而由气体传感器特性分析仪器测量第一气体传感器(18)和第二气体传感器(19)在超低浓度气氛中的响应和恢复特性。

3.如权利要求1或2所述的一种用于动态配气系统中的快速气体氛围切换装置，其特征在于：背景气体为100％浓度的高纯度N₂气、人工合成空气或Ar气；目标气体为100ppt～10ppm浓度范围的CO、NOx、CH₄或H₂。

4.如权利要求1所述的一种用于动态配气系统中的快速气体氛围切换装置，其特征在于：腔体(1)为圆柱体，第一气室(2)和第二气室(3)为半圆环体，其内部深度小于腔体(1)的高度，其外上表面与腔体(1)的上表面相平，其外下表面与腔体(1)的下表面相平。

5.如权利要求1所述的一种用于动态配气系统中的快速气体氛围切换装置，其特征在于：第一扇形窗口(16)和第二扇形窗口(17)设置于圆柱形转体(10)的底部，圆柱形转体的底部高于气室的底部。

6.如权利要求1所述的一种用于动态配气系统中的快速气体氛围切换装置，其特征在于：第一进气管(4)、第二进气管(6)、第一出气管(5)、第二出气管(7)、第一气体传感器(18)、第二气体传感器(19)处于同一水平高度。

7.如权利要求1所述的一种用于动态配气系统中的快速气体氛围切换装置，其特征在于：腔体(1)和圆柱形转体(10)为不锈钢、铝或者铜材质。

8.如权利要求1所述的一种用于动态配气系统中的快速气体氛围切换装置，其特征在于：在圆柱形转体(10)的顶部中心位置设置有转动把手(11)，转动把手(11)为不锈钢、铝、铜或塑料材质，与圆柱形转体(10)为一体结构，或固定安装在圆柱形转体(10)的上表面。

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