CN103018280B

CN103018280B - 一种解决半导体式可燃气体探测器长期稳定性的方法

Info

Publication number: CN103018280B
Application number: CN201210516478.0A
Authority: CN
Inventors: 李秋阳
Original assignee: SHENZHEN DAIWEILAI INDUSTRIAL Co Ltd
Current assignee: SHENZHEN DAIWEILAI INDUSTRIAL Co Ltd
Priority date: 2012-12-06
Filing date: 2012-12-06
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2032-12-06
Also published as: CN103018280A

Abstract

本发明公开了一种解决半导体式可燃气体探测器长期稳定性的方法。首先确定空气中传感器的稳态电平；确定抛物线拐点电平和饱和区电平；将拐点浓度对应的电平做为首次标定值并存储；将饱和区浓度对应的电平作为报警动作设定值电平并存储（二次标定值）；实时监测测量曲线和标定时的曲线平行度，平行条件是标定曲线和测量曲线纵向连续相邻测量10组数据之差为常数，既可视为探测器报警条件得到满足。本发明提供的方法能够保证探测器长期使用的稳定性指标，不会超过国家标准对可燃气体探测器长期稳定性的要求范围；非常好地解决了半导体传感器长期运行的稳定性问题。

Description

一种解决半导体式可燃气体探测器长期稳定性的方法

技术领域

本发明公开了一种解决半导体式可燃气体探测器长期稳定性的方法。

背景技术

用于家庭天然气泄露检测的民用可燃气体探测器（俗称报警器）所应用的气敏元件（又称气体传感器）主要有两种测量原理的传感器所组成。一种是催化燃烧式，另外一种是半导体式（半导体式又包括半导体加热式和常温半导体两个分支）。

催化燃烧式的线性度、选择性比较好，但使用寿命比较短因此在民用领域里很难推广；半导体式虽然使用寿命较长、价格便宜很适合在民用领域里应用，但半导体式的选择性和长期稳定性较差；普遍会存在误报和长期使用后工作点漂移；文件CN102089649A公开了一种气体浓度检测装置及与气体传感器相关的劣化判定方法,其中劣化判定装置根据所述拐点单元输出和所述学习值之间的比较形成与所述气体传感器相关的劣化判定，在所述单元输出比所述学习值小、并且所述学习值和所述单元输出之间的差比预定参考值大时，所述劣化判定装置断定所述气体传感器劣化；同时公开了通过氧泵单元输出的拐点判断传感器的劣化。

导致工作点漂移主要因素有两，一是传感器受环境（主要是温湿度）影响较大，会使工作点产生漂移；二是传感器材料本身，长期通电状态下使用，致使材料疲劳系数增大，传感器输出特性在使用过程中和出厂标定时相差很大也会造成工作点漂移，使得该项技术和产品在市场中的应用受到限制，阻碍了该行业的健康发展。

目前市场上正在使用的半导体测量原理构成的探测器在长期使用过程中均会逐渐出现不符合国家标准的情况，有的甚至使用时间一长，已经达到或超过报警下限（以天然气为例LEL=5%），探测器仍不能响应（报警），起不到探测器应当报警的作用。

发明内容

本发明是在应用实践和科学试验中摸索和总结，开创性发现了半导体传感器的输出特性曲线的拐点、饱和区间、测量曲线和标定曲线平行关系的三大要素，并以三大要素为主轴作为解决探测器长期运行稳定性的基础，以出厂标定（报警动作设定值）为参考，动态地、实时地围绕三大要素将测量数据和出厂标定值相比较；满足报警器条件后做为探测器响应依据，为研究和应用半导体气体传感器，解决探测器长期使用的稳定性提供了一种十分有效和可行的方法。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种解决半导体式可燃气体探测器长期稳定性的方法，该方法包括以下步骤：

S1、首先确定空气中传感器的稳态电平值（该电平为常数）；同时，随着被测气体浓度的增加，电平呈抛物线型态上升；

S2、确定抛物线拐点电平和饱和区电平；按国家标准注气速率，当相邻采样连续5个节点≦0.1V时为拐点电平（对应浓度为0.05%）；按国标标准注气速率，当相邻采样连续10个节点≦0.01V为饱和区电平（对应浓度为0.15%）；

S3、将S2中确定的拐点电平所对应浓度0.05%做为首次标定值，存储于寄存器中，作为预警电平；

S4、将S2中确定的饱和区电平对应浓度0.15%存储在寄存器中并作为报警动作值电平（二次标定值）；

S5、检查测量曲线和标定S3、S4时的曲线平行关系。

进一步地，在实际测量标定时，留有容冗空间，根据国家标准的要求，首次标定对应拐点浓度的电平应取浓度为0.07%时所对应电平值，进入该电平以后，探测器也具备响应的条件。

进一步地，所述S2采用列表比对法得出拐点电平和进入饱和区电平。

进一步地，所述S2中拐点电平为S4中报警动作值的依据，设定的报警动作值要大于拐点电平。

进一步地，所述S3中确定的预警电平为预警条件，但不是报警的唯一条件，需所述S4和S5中的关系成立为报警条件。

进一步地，所述S4和S5中关系不成立，但所述S3中关系成立且随着被测气体浓度增加且超过报警动作值电平作为报警补充条件。

由于采用了上述方案，本发明通过确定抛物线的拐点、进入饱和区浓度和平行关系，无论传感器受外界及自身何种影响，都会保证精确的测量，不会超过国家标准对可燃气体探测器的要求≤±3%LEL（注LEL=燃气爆炸下限）范围；非常好地解决了半导体传感器长期运行的稳定性。

附图说明

图1为物理量转换成电量的典型电路示意图；

图2为图1的输出特性曲线是抛物线示意图；

图3为图2基础上设有报警点的示意图；

图4为温湿度变化下的抛物线示意图；

图5为图4基础上设有报警点的示意图；

图6为传感器疲劳特性曲线的示意图；

图7为常温常态-负十度环境下-疲劳衰老的综合示意图；

图8为本发明的步骤流程示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。

如图8所示，本发明提供的一种解决半导体式可燃气体探测器长期稳定性的方法，该方法包括以下步骤：

S5、检查测量曲线和标定S3、S4时的曲线平行关系。

具体分析：我们通过典型电路（图1）可以将物理量转换成所需的电量，图1中S代表传感器，E为供电电压，R为输出电阻，V_O为输出电压；从图1中可以看出，如果S的阻值变化，势必会使输出电压V_O发生改变；其输出特性曲线是抛物线如图2；根据V_O不断的变化过程，达到检测气体浓度的目地。

根据这种输出特性曲线，设定一报警动作值，如图3，假定报警动作值设定0.15%，（该数据由标定获取）其对应电平是3V；那么，报警电压就是3V，在气体检测中凡有电压由空气电压跃变成3V时，探测器即刻发出声光报警信号，这部份由测量电路和传感器共同实现，达到报警的目地。

问题在于：当传感器受环境因素（主要是温湿度）影响较大，尤其是传感器制作材料本身会随着使用年限的增加，其疲劳系数逐渐显现。这些因素都会使探测器测量值偏离出厂标定设定值，从而使报警动作值发生改变。

如图4，传感器受高温、高湿影响，探测器还没有达到报警浓度0.15%时，被测气体的电压就已经达到报警动作电压值（3V），其对应浓度仅有0.07%左右，这样就会造成探测器早报现象；此时探测器输出电压还没有进入饱和区，只是刚刚进入拐点，如果将这种虽然已过报警电压但还没进入饱和区间的浓度不做为唯一条件，还要满足进入饱和区间的条件，饱和区间的条件是相邻0.01%浓度区间的电位差均≤0.01V(见表2)才能报警；就完全可以解决早报现象，实现比较精确的测量。

如图5，虽然输入浓度已达0.15%，但对应电平并没有达到3V，只有继续增加输入浓度，才会使电平增长到3V就会出现晚报现象。

如图6，探测器长期使用传感器材料疲劳系数造成的整体输出曲线下移与图5的特性曲线基本相似，但数值会不同，也只有增大浓度才会使电平升到报警设定值电压（3V）。

综合上述各种因素的影响都直接破坏了探测器的长期稳定性，既工作点漂移造成测量误差增大。

国家对燃气探测器规定的标准是报警设定值（该值由标定获取）和测量动作值偏差≤±3%LEL（注LEL为气体爆炸下限，以天然气为例LEL=5%），假定报警动作设定值为0.2%，其偏差范围为0.05%～0.35%内为符合标准，因此使探测器长期使用过程中稳定性指标永远符合国家标准是本专利要解决的技术问题。

通过对多个探测器在相同测试条件下或不同测试条件进行列表分析，测量曲线的轨迹拐点电压在0.05%浓度左右；从表1中可以看出0.01%～0.05%气体浓度10个探测器输出电压差一致性比较好的位置是在0.05%浓度处，此时每相差0.01%浓度的电压差值为0.1V左右，此电压为拐点电压；标定时和检测时都可以按此方法来处理。

在表1中用10只传感器做为测试对象，当每只传感器输入浓度达到0.05%时，其对应的每变化0.01%浓度电压差值均在0.1V左右，此电压为刚刚进入饱和区的电压，无论标定还是测量都是通过数据采集、处理获取该值作为报警条件；报警浓度达到该值后无论曲线上移或下移两曲线都是平行的；标定时将此点电压确定为报警设定值电压。报警时将此点电压确定为报警测量动作值电压，会使测量误差总在≤±3%LEL范围之内。

表1 0.01%—0.15%浓度每增加0.01浓度电压差变化表

从图7可以看出，可以定义为传感器的拐点浓度为0.05%；表2用5只传感器做为测试对象，当每只传感器输入浓度为0.15%时，其对应的每变化0.01%浓度的电压差值均为电压差值均为0.01V。从图7中可以看出，其位置恰好是传感器特性曲线刚刚进入饱和区；经过大量试验和反复认证，半导体传感器浓度——电压变化曲线；存在拐点电压和饱和区电压。它们分别是0.05%浓度和0.15%浓度；同时，在图7中，传感器输入浓度经过拐点到饱和区之间时三曲线它们基本平行，完全进入饱和区后，平行度相差更少。

表2 0.01%—0.15%浓度每增加0.01浓度电压差变化表

浓度序号	1	2	3	4	5
						0.05	0.93v	1.25v	1.33v	1.56v	0.92v
0.06	0.1v	0.12v	0.107v	0.107v	0.17v
						0.07	0.09v	0.107v	0.08v	0.14v	0.05v
0.08	0.06v	0.05v	0.06v	0.06v	0.06v
						0.09	0.06v	0.04v	0.06v	0.04v	0.06v
0.1	0.066v	0.02v	0.03v	0.04v	0.04v
						0.11	0.04v	0.04v	0.04v	0.04v	0.03v
0.12	0.04v	0.02v	0.03v	0.02v	0.02v
						0.13	0.028v	0.01v	0.01v	0.02v	0.02v
0.14	0.02v	0.02v	0.02v	0.01v	0.02v
						0.15	0.01v	0.01v	0.01v	0.01v	0.01v

具体设计方案通过输入气体浓度后，数据采样，通过判定传感器输出电压的变化率确定拐点电压，也就是拐点浓度；进入饱和区的传感器输出电压也就是饱和区浓度。确认拐点电压后，已知传感器感知的浓度为0.05%，随着气体浓度逐渐增加，通过判定传感器输出电压的变化率，确定传感器在何种电压下已经进入饱和区间。将此电压设定报警动作值，此时的浓度值为0.15%。

因为无论何种因素的影响，传感器输出特性曲线（图7）的三要素不会改变。既平行、拐点和进入饱和区浓度都客观存在；通过单片机实现对数据的采样、分析和判定。确定了三要素数值，无论传感器受外界及自身何种影响，都会得到不超差的测量。都不会超过国家标准对可燃气体探测器的要求≤±3%LEL。（注LEL=燃气爆炸下限）范围，这样的设计方案非常好地解决了半导体传感器长期运行的稳定性。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种解决半导体式可燃气体探测器长期稳定性的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

S1、首先确定空气中传感器的稳态电平值，该电平为常数；同时，随着被测气体浓度的增加，电平呈抛物线型态上升；

S2、确定抛物线拐点电平和饱和区电平；按国家标准注气速率，当相邻采样连续5个节点≦0.1V时为拐点电平，对应浓度为0.05%；按国标标准注气速率，当相邻采样连续10个节点≦0.01V为饱和区电平，对应浓度为0.15%；

S4、将S2中确定的饱和区电平对应浓度0.15%存储在寄存器中并作为报警动作值电平，即二次标定值；

S5、检查测量曲线和标定S3、S4时的曲线平行关系。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在实际测量标定时，留有容冗空间，根据国家标准的要求，首次标定对应拐点浓度的电平应取浓度为0.07%时所对应电平值，进入该电平以后，探测器也具备响应的条件。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2采用列表比对法得出拐点电平和进入饱和区电平。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S2中拐点电平为S4中报警动作值的依据，设定的报警动作值要大于拐点电平。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S3中确定的预警电平为预警条件，但不是报警的唯一条件，需所述S4和S5中的关系成立为报警条件。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述S4和S5中关系不成立，但所述S3中关系成立且随着被测气体浓度增加且超过报警动作值电平作为报警补充条件。