CN105588916A - 一种流动和静态两用气体传感器测试系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可用于流动配气和静态配气的两用气体传感器测试系统，包括配气部分、气敏性测量部分和尾气净化部分；所述配气部分包括空气供给部分、气体待测样品供给单元和液体待测样品供给单元；所述气敏性测量部分包括气体混合室、气体传感器、数据显示器、温控仪、直流电源；所述气体混合室包括一台微型调速电风扇和传感器支架；所述传感器支架包括放置气体传感器和微型加热片的固定槽，镀金弹性接触导电片，加热片，热电偶，连接导线和导线封装管。本发明安全环保，特别适合于有毒气体传感器的测试。

Description

一种流动和静态两用气体传感器测试系统

技术领域

本发明涉及一种气体传感器测试系统，具体地，涉及一种基于恒流配气方式和静态配气方式的两用气体传感器测试系统。

背景技术

在人类全面进入电子信息化时代的今天，很难找到一个科学领域或产业部门能够完全脱离传感器而存在。生产和科学研究对材料和产品纯度的要求越来越高，这就需要对生产过程进行非常精密的自动控制。对化工生产实施自动控制的关键是研制出对原料或产品中某一组分具有灵敏度高、选择性好的传感器。这种传感器能将原料或产品中某一组分浓度变化转变为电信号，输送给控制设备，从而对化工生产实现自动控制。气敏传感器是这类传感器的一种。环境污染已严重威胁到人类的生存，对大气污染和工厂排气情况实施实时动态监控已迫在眉睫。前几年，国内外制作气敏传感器的材料主要是SnO₂、ZrO₂、WO₃，ZnO和TiO₂等一些金属氧化物。近些年，国外开始研制基于配合物的气体传感器，它们常温下分别对高浓度的NH₃、NO_２、SO₂等气体具有良好的响应。当前，气敏传感器的发展趋势是：(1)探索新型敏感功能材料，研制新型固体敏感材料；(2)采用纳米技术对敏感功能材料进行改性；(3)开发薄膜型及低功耗、集成化的气敏传感器；(4)开展智能化传感器的研究工作，并能用计算机进行气体传感器输出信号处理，提高测定灵敏度选择性及稳定性。

气体传感器测试系统是研究气体传感器的重要设备。目前，多种不同类型，复杂程度不一、基于不同原理的气体传感器测试系统相继被使用，这些气体传感器测试系统的配气方式大致可分为流动配气方式和静态配气方式两类。每种配气方式都有它的优点和不足，流动配气方式可方便地测试传感器的动态响应性能，然而，它有下面不足：1）确定合适的流量困难，若流动的速度太快，气体分子的动能高，不利于传感器对被测气体的吸附，若流速太慢，由于气体的扩散性，当气体浓度改变时，不同浓度气体的边界难以确定；2）由于不同浓度气体之间的界面不明确。当测试室更换气体时，无法精确知道前一气体何时完全排出测试室，后一气体何时到达传感器，有时可能形成二者的混合气体，不能准确测定传感器的响应时间和恢复时间。静态配气方式可以精确地控制被测气体的浓度，但被测气体与测试室内原有的空气或惰性气体混合速度慢，可能使测得的传感器响应时间和回复时间比实际偏慢。

发明内容

发明目的:本发明在于克服已有测试方式存在的不足，提供一种流动和静态两用，特别适合于有毒气体测试的气体传感器测试系统。

本发明提供了一种流动和静态两用气体传感器测试系统，包括配气部分、气敏性测量部分和尾气净化部分。

所述配气部分，包括空气供给单元，气体待测样品供给单元和气体压力表。

所述空气供给单元，包括独立空气供给单元和一个液体待测样品蒸气供给单元。

所述的独立空气供给单元，包括空气储存容器，减压阀，流量计和一个三通控制阀，三通控制阀一端直接连通测试室。另一端连通液体待测样品蒸气供给单元。

所述的一个液体待测样品蒸气供给单元包括液体储并气化容器和控制阀。

所述的气体待测样品供给单元包括气体待测样品储存容器，减压阀，流量计和控制阀。

所述气敏性测量部分包括测试室、气体传感器基体、气体传感器支架，数据显示器、温度测量仪、直流电源；微型调速防水电风扇。

所述的测试室包括室体和底盖。

所述的室体包括气体输入输出管、两个旋塞开关和环形锁紧卡槽。

所述的底盖包括固定凹槽，密封圈，锁紧扣，导线盒和支脚。

所述的传感器基体一侧的接触金电极与正面梳状金电极连成一体。

所述的支架包括放置气体传感器和微型加热片的固定槽，镀金弹性接触导电片，加热片，热电偶，连接导线和导线封装管。

所述尾气净化部分包括洗气瓶和控制阀。

有益效果：本发明具有以下优点：1、能用于流动和静态两种配气方式，静态配气方式下，气体混合速度快；2、实现了不同温度，不同气氛和浓度下对传感器性能进行测试；3、安全环保，特别适合于有毒气体传感器的测试；4、系统密封性好、结构简单紧凑、便于拆装和清洗；5、具有很强的通用性，只需要使用不同的气敏材料和尾气净化液，就能测试各种不同的气体或液体样品。

附图说明

图1为本发明实施例系统原理图。

图2为本发明实施例传感器基体结构示意图。

图3为本发明实施例测试室室体结构示意图。

图4为本发明实施例测试室底盖俯视图。

图5为本发明实施例测试室底盖背面结构示意图。

图6为本发明实施例测试室、气体传感器、气体传感器支架整体结构剖面图。

图7为本发明实施例3橡胶套塞剖视图。

图8为本发明实施例3带气囊橡胶套塞剖视图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进一步详细描述，但本发明并不局限于此。

本发明公开了一种流动和静态两用气体传感器测试系统，包括配气部分，气敏性测试部分和尾气净化部分。

所述配气部分包括一个空气供给单元，一个气体待测样品供给单元。

所述空气供给单元包括独立空气供给单元和一个液体待测样品蒸气供给单元，液体待测样品蒸气供给单元连通空气供给单元，各气体供给单元均连通测试室。

实施例一。

本实施例的以H₂S气体为待测样品，空气作为载气。

所述独立空气供给单元包括空气储存容器2依次连通减压阀3a、流量计4a和三通控制阀5，三通控制阀一端连通气体压力表9后连通测试室11的旋塞开关10。流量计4a的测量范围为0.01-1120m³/h，气体压力表测量范围为0-2MPa。

所述气体待测样品供给单元包括气体待测样品储存容器1，依次连通减压阀3b，流量计4b、控制阀8和气体压力表9。流量计4b的测量范围为0.01-1120m³/h。

所述气路管道采用双卡套式管接头，用于连接气体储存容器、流量计、控制阀、液体待测样品储存并气化容器和测试室。

配气部分实现方式如下。

关闭液体待测样品蒸气供给单元，开启气体待测样品供给单元和独立空气供给单元，空气作为载气。气体待测样品经控制阀8后与空气混合，混合气体经过气体压力表9后通过旋塞开关10进入测试室11。气体待测样品在混合气体中的浓度以气体体积比定义，即

C_样1=V_样1/V_混1（1）

式中C_样1是气体待测样品在混合气体中的浓度；V_样1是气体待测样品的分体积；V_混1是混合气体的体积。

混合气体通过气体压力表9后进入气敏性测试部分。

如图1所示，所述气敏性测试部分包括测试室11、微型调速防水电风扇12、气体传感器支架13，直流电源14、温度测量仪15、数据显示器16。

所述测试室包括室体11、底盖22、旋塞开关10、旋塞开关17和环形锁紧卡槽21。旋塞开关10连通压力表9，旋塞开关17连通洗气瓶18。室体11装配于如图4所示底盖23之上，室体下端放置于固定凹槽24内的橡胶密闭垫圈25上，底盖的锁紧扣26扣入图3所示的环形锁紧卡槽22，形成一个完整的测试室。测试室通过支脚29与实验台面接触。

混合气体通过旋塞开关10进入测试室。图6所示微型调速防水电风扇12安装在测试室底盖上，由底盒27内的导线38经插接口28连接外部多路直流稳压电源，导线38穿过底盖22处用密封胶密封。进入测试室的混合气体经过微型调速防水电风扇12高速搅动，混合更加均匀。

如图2所示，本实施例使用的传感器基体19为长方体，梳状金电极20与侧面的接触金电极21连为一体。置于图6所示气体传感器支架13的传感器和微型加热片固定槽30中。传感器侧面的接触金电极21与支架固定槽内的镀金弹性导电片31连接。镀金弹性导电片31通过螺钉固定在支架腔内，经导线封装管34内导线35连接图1所示的数据显示仪16，所述数据显示仪16显示传感器对待测气体的响应数据。

如图6所示，气体传感器支架13内的微型直流电压陶瓷加热片32用于提供气体传感器19所需的工作温度，所述微型加热片置于传感器和微型加热片固定槽30的底部凹槽，与气体传感器19底部紧贴。微型直流加热片32经封装管34内导线36连通图1所示的多路直流稳压电源14。所述多路直流稳压电源提供微型直流电压陶瓷加热片32所需的加热电压,加热电压可根据所需工作温度的高低调节。

如图6所示，热电偶33紧贴气体传感器19，所述热电偶经导线封装管34内导线37连通外部的温度测量仪15，输出的直流信号经温度测量仪15转换为温度数据，用于测量传感器的工作温度。

如图6所示，传感器和微型加热片固定槽30通过螺钉固定到支架13，可以拆卸，以方便更换支架腔内的镀金弹性导电片、直流加热片和热电偶。螺钉头部上方以橡胶塞密封，防止金属部分与待测样品发生化学反应。

如图6所示，所有导线穿过支架13的部位均用密封胶密封。

如图1所示，尾气净化部分为洗气瓶18，通过气路管道连通旋塞开关17。净化液可根据需要净化的尾气成分选择。本实施例选用NaOH水溶液作为净化液。测试后的尾气经过旋塞开关17进入洗气瓶18，有毒气体H₂S通过瓶内NaOH水溶液时，因发生化学反应H₂S+2NaOH=Na₂S+2H₂O而被除去。从NaOH水溶液中逸出的气体为安全无毒的气体，直接排放到大气中。

本实施例中使用的多路直流稳压电源，数据显示仪和微型调速防水电风扇为市场上已有商品；所述微型直流加热片、热电偶和温度测量仪为定制产品；未明确的各组成部分均可由现有技术实现。

实施例二。

本实施例以液体苯胺作为待测样品，空气作载气。

所述液体待测样品蒸气供给单元的液体样品储存并气化容器6一端连通空气供给单元的三通控制阀5，另一端连通控制阀7，控制阀7连通气体压力表9。

配气部分实现方式如下。

关闭气体待测样品供给单元和独立空气供给单元，开启空气储存容器2开关，三通阀5连通液体待测样品蒸气供给单元，空气作为载气。空气通过液体样品储存并气化容器6后，与液体待测样品苯胺蒸气形成混合气体，混合气体经过气体压力表9后通过旋塞开关10进入测试室11。液体待测样品苯胺蒸气在混合气体中的浓度，以蒸气的分体积与总体积比定义，即

C_样2=V_样2/V_混2（2）

式中C_样2是液体待测样品蒸气在混合气体中的浓度；V_样2是液体待测样品蒸气的分体积；V_混2是混合气体的体积。

液体样品储存并气化容器后的气体混合物由空气和待测样品蒸气组成，根据Dalton分压定律，只要气体混合物组分间不发生化学反应，同一容器中混合气体的总压等于各组分气体的分压之和,即

P_混=P_样+P_空（3）

式中P_混是混合气体的总压力，即压力表9显示的气体压力；P_样是液体待测样品在测定温度的饱和蒸气压；P_空是空气的压力。

在同一温度下，满足：

P_样/P_混=V_样2/V_混2（4）

因此，混合气体中，液体待测样品蒸气的浓度可由下式计算得到：

C_样2=P_样/P_混(5)。

采用与实施例一相同的方法测试传感器对液体待测样品蒸气的响应数据，不同的是，涂覆在传感器基体上的气敏材料不同。

本实施例选用稀盐酸作为净化液。测试后的尾气经过旋塞开关17进入洗气瓶18，有毒苯胺蒸气通过瓶内稀盐酸溶液时，因发生化学反应生成溶于水的盐而被除去。从稀盐酸中逸出的气体为安全无毒的气体，直接排放到大气中。

实施例三。

本实施例以静态配气方法测试气体传感器对NO₂的响应。

在旋塞开关10和测试室11之间，断开图1中的配气部分与测量部分的连接，并在断开处测试室一端装上橡胶套塞39。

在测试室11和旋塞开关17之间，断开图1中的尾气净化气部分与测量部分的连接，并在断开处测试室一端装上带气囊的橡胶套40，形成一个密闭的测试室。气囊41的作用是保持密闭测试室内压力与外面大气压接近，当气体待测样品或液体待测样品蒸气被注入密闭测试室，气囊扩张增加测试室体积，使密闭测试室气体压力基本维持与外面大气压相近。

开动微型调速防水电风扇12，用进样器抽取一定体积的气体待测样品，刺穿橡胶套塞39，注入测试室11。在微型调速防水电风扇12搅动下，气体待测样品与密闭测试室内的空气迅速混合均匀。气体待测样品在混合气体中的浓度以气体体积比定义，即

C_样3=V_样3/V_室（6）

式中C_样3是气体待测样品在混合气体中的浓度；V_样3是注入密闭测试室内的气体待测样品体积；V_室是密闭测试室的体积。

当多次注射气体待测样品进密闭测试室时，气体待测样品的总体积等于多次注射体积之和，即

V_样3=∑Vi

Vi是每次注射的气体待测样品体积。气体待测样品在混合气体中的浓度为

C_样=∑Vi/V_室。

采用与实施例一相同的方法测试传感器对液体待测样品蒸气的响应数据，不同的是，涂覆在传感器基体上的气敏材料不同。

Claims (10)

1.一种流动和静态两用气体传感器测试系统，其特征在于：包括配气部分、气敏性测量部分和尾气净化部分、橡胶套塞和带气囊橡胶套；

所述配气部分包括空气供给单元，气体待测样品供给单元和气体压力表；

所述气敏性测量部分包括测试室、气体传感器基体、气体传感器支架，数据显示器、温度测量仪、多路直流稳压电源；微型调速防水电风扇；

所述尾气净化部分包括洗气瓶和控制阀。

2.由权利要求1所述的一种流动和静态两用气体传感器测试系统，其特征在于：所述空气供给单元包括独立空气供给单元和一个液体待测样品蒸气供给单元。

3.由权利要求2所述的所述的一种流动和静态两用气体传感器测试系统，其特征在于：所述的独立空气供给单元包括空气储存容器，减压阀，流量计和一个三通控制阀，三通控制阀一端直接连通测试室，另一端连通液体待测样品蒸气供给单元。

4.由权利要求2所述的一种流动和静态两用气体传感器测试系统，其特征在于：所述的一个液体待测样品蒸气供给单元包括液体样品储存并气化容器，控制阀。

5.由权利要求1所述的一种流动和静态两用气体传感器测试系统，其特征在于：所述的气体待测样品供给单元包括气体待测样品储存容器，减压阀，流量计和控制阀。

6.由权利要求1所述的一种流动和静态两用气体传感器测试系统，其特征在于：所述的测试室包括室体和底盖。

7.由权利要求6所述的一种流动和静态两用气体传感器测试系统，其特征在于：所述的室体包括气体输入输出管、两个旋塞开关和环形锁紧卡槽。

8.由权利要求6所述的一种流动和静态两用气体传感器测试系统，其特征在于：所述的底盖包括固定凹槽，密封圈，锁紧扣，导线盒和支脚。

9.由权利要求1所述的一种流动和静态两用气体传感器测试系统，其特征在于：所述的传感器基体一侧的接触金电极与正面梳状金电极连成一体。

10.由权利要求1所述的一种流动和静态两用气体传感器测试系统，其特征在于：所述的支架包括放置气体传感器和微型加热片的固定槽，镀金弹性接触导电片，加热片，热电偶，连接导线和导线封装管。