CN105572191B - 一种电化学气体传感器的压力补偿方法 - Google Patents

一种电化学气体传感器的压力补偿方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种电化学气体传感器的压力补偿方法，包括：步骤1)：确定待补偿电化学气体传感器的第一压力补偿系数k，第二压力补偿系数b；步骤2)：根据步骤1确定的第一压力补偿系数和第二压力补偿系数，将当前气压Px下的气体浓度测量值补偿到基准气压P0下的基准气体浓度值，基准气体浓度值与基准气压P0成反比，与气体浓度测量值、当前气压Px、EXP(klnPx+b)成正比。本发明提供的一种电化学气体传感器的压力补偿方法，通过确定电化学气体传感器的压力补偿系数k和b，在不同压力下对电化学气体传感器的AD值进行压力补偿，能够有效的保证电化学气体传感器在相同浓度、不同压力下的原始输出信号AD值的稳定性，提高电化学气体传感器的准确度。

Description

一种电化学气体传感器的压力补偿方法
技术领域
本发明涉及计量检测领域，尤其涉及一种电化学气体传感器的压力补偿方法。
背景技术
电化学传感器具有功耗低、反应速度快、灵敏度高、线性度好、长期稳定性好、成本低等显著优点，广泛应用于煤矿抽采管道等的气体监测中。电化学气体传感器的原始输出为电流或者电压信号，其原始输出的电流或者电压信号需要通过信号调理电路再经AD转换成数字信号(以下简称AD值)后，再经过标定才能够得出最终表示气体浓度的值。然而，由于电化学气体传感器受监测环境的压力影响较大，当环境压力发生变化时，电化学气体传感器的原始输出信号和对应的AD值也会发生较大的变化，从而影响电化学气体传感器的精度。
发明内容
本发明的目的是提供一种电化学气体传感器的压力补偿方法，用以解决现有电化学气体传感器在不同压力环境下测量不准确的问题。
为实现上述目的，本发明的方案包括：
一种电化学气体传感器的压力补偿方法，包括如下步骤：
步骤1)：确定待补偿电化学气体传感器的第一压力补偿系数k，第二压力补偿系数b；
步骤2)：根据步骤1确定的第一压力补偿系数和第二压力补偿系数，将当前气压Px下的气体浓度测量值补偿到基准气压P0下的基准气体浓度值，基准气体浓度值与基准气压P0成反比，与气体浓度测量值、当前气压Px、EXP(klnPx+b)成正比。
进一步的，所述压力补偿方法的补偿公式如下式(1)所示
其中：Px——当前压力，单位kPa；
P0——补偿基准气压，单位kPa；
——当前压力Px下，经过模数转换的测量值；
——把补偿至基准气压后经过模数转换的补偿值。
进一步的，所述步骤1)中的第一压力补偿系数和第二压力补偿系数通过如下步骤确定：
步骤a)：选取m个浓度n0、n1、…nm的标准气体；
步骤b)：对于浓度为n0的标准气体，分别在不同的压力下测量，或者对应的测量值；依据所述补偿关系建立的补偿公式，选取若干个测量值及对应的压力数据，拟合得到n0浓度下的第一补偿系数k1和第二补偿系数b1；
步骤c)：对于n1、n2的标准其他，重复步骤b)，对应计算出浓度n1、…nm-1下线性拟合的斜率k2…km，截距b2…bm；
步骤d)：计算各浓度下线性拟合的斜率的平均数得到第一压力补偿系数k，计算各浓度下截距的平均数得到第二压力补偿系数b。
进一步的，所述步骤c)中求取特定浓度下线性拟合的斜率与截距的具体过程如下，分别在气压P1、P2和基准气压下测量出其对应的AD值：AD1、AD2和ADn0-101.3，根据公式(1)和(2)建立数据点(lnP1，ln(101.3*ADn0-101.3/P1/AD1))和(lnP2，ln(101.3*ADn0-101.3/P2/AD2))，根据这两个数据点计算出其线性拟合的斜率k1和截距b1。
进一步的，所述不同待测气体浓度n0、n1、…nm均在电化学气体传感器满量程的10％和20％之间。
进一步的，所述步骤d)中求取第一压力补偿系数k和第二压力补偿系数b时采用的平均数为算术平均数。
本发明提供的一种电化学气体传感器的压力补偿方法，通过确定电化学气体传感器的压力补偿系数k和b，在不同压力下对电化学气体传感器的AD值进行压力补偿，能够有效的保证电化学气体传感器在相同浓度、不同压力下的原始输出信号AD值的稳定性，提高电化学气体传感器的准确度。
附图说明
图1是电化学气体传感器信号处理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明。
本发明提供一种电化学气体传感器的压力补偿方法，如图1所示，首先电化学气体传感器将检测值经过信号调理电路、AD转换后输出原始的AD转换值，然后与经过CPU处理的数字压力传感器的检测值进行压力补偿处理，输出经过压力补偿的AD值。具体的，首先确定待补偿电化学气体传感器的第一压力补偿系数k，第二压力补偿系数b；根据确定的第一压力补偿系数和第二压力补偿系数，将当前气压Px下的气体浓度测量值补偿到基准气压P0下的基准气体浓度值，基准气体浓度值与基准气压P0成反比，与气体浓度测量值、当前气压Px、EXP(klnPx+b)成正比。下面以电化学一氧化碳传感器为例，详细说明本发明的技术方案。
首先根据拟合关系确定第一压力补偿系数k、第二压力补偿系数b，然后代入公式下述公式(1)中，对电化学CO传感器的AD值进行压力补偿计算。
式中：Px——当前压力，单位为kPa；
P0——P0称为补偿基准，在这里为标准大气压，101.3kPa；
——当前压力Px下的AD值；
——把补偿至101.3kPa后的AD值；
k、b——电化学气体传感器的第一压力补偿系数和第二压力补偿系数。
通过上述公式(1)的计算，即可得到补偿至基准气压下的补偿AD值，在这里，补偿AD值为标准大气压下的AD值。
上述公式中，AD值是指在经过测量值在经过信号调理电路和模数转换后的数字量的值。
对于同一种电化学气体传感器而言，其压力补偿系数k和b是固定的，只需要通过试验确定同一类型的电化学气体传感器的压力补偿系数后就可直接应用。
下面具体说明第一压力补偿系数k和第二压力补偿系统b的确定过程，其根本思想在于根据上述公式(1)进行拟合得到第一压力补偿系数k和第二压力补偿系数b，具体的，下面给出一种拟合方式，其特点在于将上述公式(1)的指数关系转化为线性关系进行拟合，而且用两个点进行拟合，计算方便，简单。具体的：
首先，在浓度n0下，分别在压强P1、P2、101.3kPa下测量出其AD值AD1、AD2和ADn0-101.3，建立数据点(lnP1，ln(101.3*ADn0-101.3/P1/AD1))和(lnP2，ln(101.3*ADn0-101.3/P2/AD2))，根据这两个数据点计算出其线性拟合的斜率k1和截距b1。
然后，在浓度n1下，分别在压力P3、P4、101.3kPa下测量出其AD值AD3、AD4和ADn1-101.3，建立数据点(lnP3，ln(101.3*ADn1-101.3/P3/AD3))和(lnP4，ln(101.3*ADn1-101.3/P4/AD4))，根据这两个数据点计算出其线性拟合的斜率k2和截距b2。
最后，计算k1和k2的平均值得到第一压力补偿系数k，计算b1和b2的平均值得到第二压力补偿系数b，按照公式1进行压力补偿。在这里求得的平均值是算术平均值，作为其他实施方式，也可以采用加权平均值，或者在剔除掉明显的误差值后再求取平均值。
上述补偿方法中，压力补偿基准为标准大气压101.3kPa，也可更改为任意压力基准，仅需要把公式1和压力补偿系数求解过程中的101.3kPa替换为对应的压力补偿基准即可。
作为其他实施方式，还可以采用其他拟合方式对拟合得到第一压力补偿系数k和第二压力补偿系数b，比如多点拟合、其他曲线拟合等，只需要满足本发明的思想即可。
以上给出了本发明具体的实施方式，但本发明不局限于所描述的实施方式。在本发明给出的思路下，采用对本领域技术人员而言容易想到的方式对上述实施例中的技术手段进行变换、替换、修改，并且起到的作用与本发明中的相应技术手段基本相同、实现的发明目的也基本相同，这样形成的技术方案是对上述实施例进行微调形成的，这种技术方案仍落入本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种电化学气体传感器的压力补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)：确定待补偿电化学气体传感器的第一压力补偿系数k，第二压力补偿系数b；
步骤2)：根据步骤1确定的第一压力补偿系数和第二压力补偿系数，将当前气压Px下的气体浓度测量值补偿到基准气压P0下的基准气体浓度值，基准气体浓度值与基准气压P0成反比，与气体浓度测量值、当前气压Px、EXP(klnPx+b)成正比。
2.根据权利要求1所述一种电化学气体传感器的压力补偿方法，其特征在于，所述压力补偿方法的补偿公式如下式(1)所示
<mrow> <msub> <mi>AD</mi> <msub> <mi>P</mi> <mn>0</mn> </msub> </msub> <mo>=</mo> <msub> <mi>AD</mi> <msub> <mi>P</mi> <mi>x</mi> </msub> </msub> <mo>&amp;times;</mo> <mfrac> <msub> <mi>P</mi> <mi>x</mi> </msub> <msub> <mi>P</mi> <mn>0</mn> </msub> </mfrac> <mo>&amp;times;</mo> <mi>E</mi> <mi>X</mi> <mi>P</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>k</mi> <mi> </mi> <mi>ln</mi> <mi> </mi> <msub> <mi>P</mi> <mi>x</mi> </msub> <mo>+</mo> <mi>b</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中：Px——当前压力，单位kPa；
P0——补偿基准气压，单位kPa；
——当前压力Px下，经过模数转换的测量值；
——把补偿至基准气压后经过模数转换的补偿值。
3.根据权利要求1所述一种电化学气体传感器的压力补偿方法，其特征在于，所述步骤1)中的第一压力补偿系数和第二压力补偿系数通过如下步骤确定：
步骤a)：选取m个浓度n0、n1、…nm的标准气体；
步骤b)：对于浓度为n0的标准气体，分别在不同的压力下测量，获得对应的测量值；依据补偿关系建立的补偿公式，选取若干个测量值及对应的压力数据，拟合得到n0浓度下的第一补偿系数k1和第二补偿系数b1；
步骤c)：对于n1、n2的其他标准气体，重复步骤b)，对应计算出浓度n1、…nm-1下线性拟合的斜率k2…km，截距b2…bm；
步骤d)：计算各浓度下线性拟合的斜率的平均数得到第一压力补偿系数k，计算各浓度下截距的平均数得到第二压力补偿系数b。
4.根据权利要求3所述一种电化学气体传感器的压力补偿方法，其特征在于，所述步骤c)中求取特定浓度下线性拟合的斜率与截距的具体过程如下，分别在气压P1、P2和基准气压下测量出其对应的AD值：AD1、AD2和ADn0-101.3，根据公式(1)建立数据点(lnP1，ln(101.3*ADn0-101.3/P1/AD1))和(lnP2，ln(101.3*ADn0-101.3/P2/AD2))，根据这两个数据点计算出其线性拟合的斜率k1和截距b1。
5.根据权利要求3所述一种电化学气体传感器的压力补偿方法，其特征在于，不同待测气体浓度n0、n1、…nm均在电化学气体传感器满量程的10％和20％之间。
6.根据权利要求3所述一种电化学气体传感器的压力补偿方法，其特征在于，所述步骤d)中求取第一压力补偿系数k和第二压力补偿系数b时采用的平均数为算术平均数。
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