CN105642140B - 一种动态配气系统及配气方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于气敏传感器测试的动态配气系统包括以下部件：待测气源、稀释气源、第一气体混合腔、第二气体混合腔、气体检测装置、多个阀门以及用于各部件间气体传输的气体管路。各待测气源连接于第一气体混合腔；第二气体混合腔具有至少两个出气口和至少两个进气口，第一出气口及第二出气口分别与气体检测装置的出气口以及第一进气口连接，第一进气口与第一气体混合腔连接，第二进气口与稀释气源连接，且稀释气源与气体检测装置的第二进气口连接。本发明还提供一种如所述动态配气系统的动态配气方法，用于解决现有技术中动态配气系统测试速度慢，精度低的问题。

Description

一种动态配气系统及配气方法

技术领域

本发明涉及一种动态配气系统及配气方法，特别是涉及一种用于气敏传感器测试的动态配气系统及配气方法。

背景技术

气敏传感器是对气体中所含特定气体成分的物理或化学性质迅速感应，并把感应状态转换为电信号，从而通过电信号反馈气体是否存在及其浓度大小信息的传感器。目前，气敏传感器广泛应用于环境监测、医疗诊断、自然灾害、生产安全和国防军工等领域。随着社会发展的需要，人们对气敏传感器的性能，如测量精度、选择性、稳定性等提出了更加苛刻的要求。对气敏传感器的标定和校准需要高精度、持续稳定的配气装置。

标准气体的配置方法分为动态配气法和静态配气法两类。静态配气法是将一定量的已知浓度气体或易挥发性液体加入到已知容积的稀释气体容器中，该方法是目前商业上和科研中使用较多的方法，具有设备简单、操作容易的优点。但是，由于容器壁对气体有吸附作用和化学反应，某些活泼气体很难保持稳定值；而且，静态配气法受容器体积限制，无法配比低浓度气体；另外，在用于气敏传感器测试时，静态气体难以快速扩散和脱附，对测试结果都会造成极大影响。动态配气法是持续按一定流量比将已知组分的气体和稀释气混合，可以实现配置低浓度标气和混合气体，并可在气敏传感器测试时实现快速扩散和脱附，以达到精确的结果。

但器件测试过程中需要切换不同浓度的标气或混合气体时，往往需要较长时间的冲洗检测腔，气氛才能恢复到原始状态，传感器吸附气体后的解吸速度比较慢，大大影响了测试速度及准确性，不适合大量采集样本数据。其次，配气时气体浓度往往还未到达预期浓度便进入检测腔与传感器发生反应，容易造成检测数据混乱和错误。最后，现有配气系统往往只设有传感器的温控装置，未设置气氛温控装置，无法对气体温度进行调控，也无法模拟现实中的大气温度。

因此，研制和开发一种精度高、浓度可变、温度可变，且持续稳定的动态配气系统及配气方法将具有非常重要的现实意义。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种用于气敏传感器测试的动态配气系统及配气方法，用于解决现有技术中动态配气系统测试速度慢、精度低的问题。

为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种用于气敏传感器测试的动态配气系统包括以下部件：待测气源、稀释气源、第一气体混合腔、第二气体混合腔、气体检测装置，以及用于各部件间气体传输的气体管路和阀门。各待测气源连接于所述第一气体混合腔；所述第二气体混合腔具有至少两个出气口和至少两个进气口，第一出气口及第二出气口分别与所述气体检测装置的出气口以及第一进气口连接，第一进气口与所述第一气体混合腔连接，第二进气口与所述稀释气源连接，且所述稀释气源与所述气体检测装置的第二进气口连接。

优选地，还包括气体收集装置，所述气体收集装置通过气体阀门连接所述第二气体混合腔的第一出气口。

优选地，还包括气体处理装置，气体处理装置连接于所述气体检测装置的出气口以及第二气体混合腔的第一出气口。

优选地，气体处理装置前端气路还设有可拆卸接头。

优选地，还包括温控装置，温控装置设置于第二气体混合腔以及气体检测装置之间的气体管路。

优选地，还包括第一流量控制装置设置于待测气源以及稀释气源与第二气体混合腔之间的气体管路，第二流量控制装置设置于稀释气源与气体检测装置之间的气体管路；其中，所述第二流量控制装置的量程大于等于第一流量控制装置的量程。

优选地，阀门为多个手动阀门和多个自动阀门的组合。

本发明还提供一种如所述的动态配气系统的动态配气方法：

步骤一，测试前，调节阀门开关，释放稀释气体和待测气体；待测气体进入第一气体混合腔进行预混合后进入第二气体混合腔；稀释气体分为两路，一路进入气体检测装置，进行清洗作业，另一路稀释气体进入第二气体混合腔，与预混合后的待测气体混合形成混合气体；所述混合气体通过第二气体混合腔的第一出气口排出，进行浓度调控；步骤二，测试开始，调节阀门开关，关闭稀释气体与气体检测装置之间的气体管路，使稀释气体只进入第二气体混合腔和待测气体混合形成混合气体，所述混合气体进入气体检测装置和传感器反应，产生电信号输出。

优选地，步骤一中，打开稀释气源和待测气源前，还包括步骤：启动第二气体混合腔与气体检测装置之间的温控装置，用于调节混合气体的温度。

优选地，还包括步骤三，测试中或测试结束，还包括将混合气体输出至气体收集装置的步骤。

如上所述，本发明的一种动态配气系统及配气方法，具有以下有益效果：

(1)本发明可以方便地更改调整气体管路，用于模拟单组分或多组分气体对气敏传感器的测试，保证了混合气体中各气体比例的准确性与稳定；

(2)本发明待测气体进入第一气体混合腔进行一次混气，再通入第二气体混合腔与稀释气进行二次混气，混气更均匀，为气敏传感器测试提供了持续稳定的目标气体浓度；

(3)本发明混合后的气体通过温控装置调温后再进入气体检测装置，可以实现对检测气体的温度调控，可以实现对真实环境温度的模拟；

(4)本发明设置有独立的稀释气路与气体检测装置直接连接，可以进行大流量的快速冲洗，气体检测装置只需要短时间的冲洗，气体检测装置内的气氛就能恢复到原始状态，有利于加快测试速度和测试精度；

(5)本发明的第二气体混合腔设置有独立的气体输出气路，不与气体检测装置连接，直接外接气体处理装置，可进行气体浓度调试，避免混气后的前段气体浓度未达标而对检测数据造成混乱和错误；

(6)本发明的第二气体混合腔设置有独立的气体输出气路，不与气体检测装置连接，直接外接气体收集装置，可进行储气和检测，用于对混合气体气体浓度进行第三方检验。

附图说明

图1显示为本发明的一种动态配气系统示意图。

元件标号说明

1 稀释气源

2 待测气源

301 第一流量控制装置

302 第二流量控制装置

4 第一气体混合腔

5 第二气体混合腔

6 气体收集装置

7 三通管

8 温控装置

9 传感器阵列

10 气体检测装置

11 可拆卸接头

12 气体处理装置

101～103,201～203 阀门

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。

请参阅图1。须知，本说明书所附图式所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。同时，本说明书中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等的用语，亦仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

实施例一

如图1所示，一种用于气敏传感器测试的动态配气系统包括：待测气源2、稀释气源1、第一气体混合腔4、第二气体混合腔5、气体检测装置10、温控装置8、阀门以及用于各部件间气体传输的气体管路。本实施例中的稀释气体为纯净的单一气体，例如高纯氮气；待测气体为浓度在1～1000ppm的以氮气作为平衡气的五种标准气体SO₂、NO₂、NO、HCl和H₂S，稀释气体和待测气体均采用高压钢瓶储存。

各待测气源2连接于第一气体混合腔4，第一气体混合腔4至少有两个等效进气口和一个出气口，且第一气体混合腔4的进气口与待测气源2连接。第二气体混合腔5具有至少两个进气口和至少两个出气口。第二气体混合腔5的第一出气口及第二出气口分别与气体检测装置10的出气口以及第一进气口连接。第二气体混合腔5的第一进气口与第一气体混合腔4的出气口连接。待测气体先进入第一气体混合腔4进行第一次混气，再通入第二气体混合腔5与稀释气体一起进行第二次混气。第二进气口与稀释气源1连接，且稀释气源1与气体检测装置10的第二进气口连接。稀释气源分别连接第二气体混合腔5和气体检测装置10，不仅可以用于稀释预混合后的待测气体，还可以对气体检测装置10检测腔进行清洗，使得检测腔快速恢复到检测前的气氛状态，实现快速切换，加快检测速度。

本实施例中，第一气体混合腔4为一个六通管，有五个等效的进气口和一个出气口。气体检测装置10有两个进气口和一个出气口，一个进气口通过阀门连接第二气体混合腔5，另一进气口通过阀门连接稀释气源1，出气口通过阀门连接气体处理装置12。气体检测装置10内设置有传感器阵列9，可以同时对多个气敏传感器进行测试。其它实施例中，当待测气体少于四种时，第一气体混合腔4可使用三通管、四通管或直管替代。

具体来说，待测气源2、第一气体混合腔4、第二气体混合腔5的第一进气口依次相连构成第一气体输入气路；稀释气源1、第二气体混合腔5的第二进气口依次相连构成第二气体输入气路；稀释气源1、阀门、气体检测装置10依次相连构成第三气路输入气路。实际使用中，可以根据需要增减元件或适当调整连接顺序。

本实施方式中，待测气体或稀释气体的气体输出气路中，还可以连接有用于对待测气源2和稀释气源1输出的气体流量进行控制和检测的流量控制装置。流量控制装置电连接智能控制装置，智能控制装置会经由流量控制装置采样，提取出所需的信息，例如实时显示流量值，以精确控制气体的流量的稳定及各气体流量之间比例的稳定。智能控制装置根据用户的设置进行智能流量控制。流量控制装置采用带流量控制功能的质量流量计，例如气体质量流量控制器。本实施例中，五个第一流量控制装置301设置于待测气源2与第一气体混合腔4之间的气体管路，一个第一流量控制装置301设置于稀释气源1与第二气体混合腔5之间的气体管路，一个第二流量控制装置302设置于稀释气源1以及气体检测装置10之间的气体管路；其中，第二流量控制装置302的量程大于等于第一流量控制装置301的量程。具体的，第一流量控制装置301量程为0～50sccm，第二流量控制装置302量程为0～5slm。

本实施方式中，待测气体或稀释气体的气体输出气路中，还可以连接有用于对待测气源2和稀释气源1输出的气体气压进行调节和检测的气压调节装置。气压调节装置被设计成降低并维持来自相应气源的气体的输送压力。气压调节装置可以为自带减压阀的钢瓶，也可以加装泄压阀与流量控制装置连接，实时调节。

实施例二

根据实施例一，如图1所示，本实施例还包括气体收集装置6和气体处理装置12，其中，气体收集装置6通过气体阀门连接第二气体混合腔5的第一出气口，气体处理装置12连接于气体检测装置10的出气口以及第二气体混合腔5的第一出气口。

本实施例中的第二气体混合腔5的第二出气口与气体检测装置10连接，且气体检测装置10与气体处理装置12连接；第二气体混合腔5的第一出气口直接与气体收集装置6及气体处理装置12连接，其中，气体收集装置6及气体处理装置12并联。一方面，第二气体混合腔5的第一出气口不通过气体检测装置10，直接与气体处理装置12连接，可用于气体浓度调试。因为配气时，如果气体浓度还未到达预期浓度便进入气体检测装置10的检测腔与传感器发生反应，容易造成检测数据混乱和错误，此时可以先通过第二气体混合腔5的第一出气口进行气体浓度的调试，以避免混气后的前段气体浓度未达标而对检测数据造成混乱和错误。另一方面，第二气体混合腔5的第一出气口不通过气体检测装置10，直接与气体收集装置6(例如气袋)连接，用于储气，便于对混气后的气体引出进行第三方检验，进一步证明调试后的气体混合物浓度符合要求，而且也便于日后的校准，判断测试结果的准确性。

本实施中，还可以包括标准浓度检测装置(例如色谱仪)，与第二气体混合腔5的第一出气口连接，对于配气是否达到预期浓度直接进行分析，更方便，使得调试结果更精确。标准浓度检测仪器直接影响整个浓度的精度，所以精度应尽量的高。

具体的，第二气体混合腔5的第一出气口、阀门、气体收集装置6依次相连构成第一气体输出气路；第二气体混合腔5的第一出气口、阀门、气体处理装置12依次相连构成第二气体输出气路；第二气体混合腔5第二出气口、阀门、气体检测装置10、阀门、气体处理装置12依次相连构成第三气路输出气路。

本实施例中，气体处理装置12或气体收集装置6的前端还可以设置有可拆卸接头11，不仅便于根据实际使用情况，自由更换气体处理装置12的类型，而且便于前端管路的整体拆卸和清洁。因为接头处往往容易残留有毒有害物质。本实施例中，可根据需要更换尾气处理装置的类型，检测无毒无害气体可不使用尾气处理装置，如酸性气体SO₂、H₂S等可使用碱液吸收，水溶性气体HCl、乙醇等可使用水吸收。

实施例三

根据实施例二，如图1所示，本实施例还包括温控装置8，温控装置8设置于第二气体混合腔5第二出气口以及气体检测装置10之间的气体管路，不仅可以模拟现实中的大气温度，也可以避免不同气体温度对检测结果的影响。具体的，第二气体混合腔5的第二出气口、温控装置8、阀门、气体检测装置10、阀门、气体处理装置12依次相连构成第三气体输出气路。进一步，气体输出气路还可以根据用户需要对混合后的气体进行其它处理，例如干燥化、湿化、杀菌等等。

本实施例中的温控装置8可以选用玻璃材质的冷阱，其可承受-70～100℃的温度范围，内置螺旋管路以增加气体流程，需要高温时将其置于水浴中，低温时可加入液氮。

值得一提的是，本实施例中，阀门为多个手动阀门和多个自动阀门的组合。自动阀门可以为电磁阀门，电磁阀门可以由一个开关统一控制，便于快速切换气体。手动阀门可以为普通旋钮式阀门，安全可靠。此外，本实施例中的动态配气系统，除了气袋、冷阱和气体处理装置12外，均采用不锈钢材质，包括气体混合腔、气体检测装置10、阀门、三通管7以及气路，能够有效地防止腐蚀性气体对装置的腐蚀。

实施例四

如图1所示，本发明提供一种用于气敏传感器测试的动态配气方法。

步骤一，测试前，首选调节阀门开关，阀门101开启、阀门102关闭、阀门103开启、阀门201关闭、阀门202开启、阀门203开启。启动第二气体混合腔5与气体检测装置10之间的温控装置8，用于调节混合气体的温度。具体的，冷阱置于水浴中预热，考虑到气体散热较快，水浴温度比待测气体温度高5～10℃。

步骤二，打开稀释气源1和待测气源2并通过流量控制装置调节流量使得特定流量的稀释气体和待测气体进入气路。其中，待测气体经过第一气体输入气路进入第一气体混合腔4进行预混合，再进入第二气体混合腔5与稀释气体进行二次混合。稀释气体分为两路，一路经过第三气体输入气路进入气体检测装置10，进行清洗作业；另一路稀释气体经过第二气体输入气路进入第二气体混合腔，与预混合后的待测气体混合形成特定浓度的混合气体。因为阀门101开启、阀门102关闭，混合气体会顺着第二气体输出气路通往尾气处理装置，持续通气1～5分钟，待混合气体气流和浓度趋于稳定后，再进行传感器测试。其它实施例中，第一次测试时，气路不需要清洗，阀门103可以关闭或者调节对应的流量调节装置将流量设置为零，从而使稀释气体不对气体检测装置10的检测腔进行清洗。

步骤三，测试开始，调节阀门开关，阀门101关闭、阀门102打开、阀门103关闭，其余阀门不变。由于稀释气体与气体检测装置10之间的气体管路中的阀门103关闭，稀释气体不再进行清洗工作，只经过第二气体输入气路进入第二气体混合腔5与预混合后的待测气体混合形成特定浓度的混合气体。第二气体混合腔5第一出气口以及气体检测装置10出气口之间的气体管路也关闭，不再进行浓度调试。由于阀门102开启，阀门101关闭，混合气体经过第三气体输出气路中的冷阱加热后，经过阀门102，进入气体检测装置10与传感器阵列9发生物理化学反应，传感器阵列9产生电信号输出。最后，混合气体通过阀门203通往尾气处理装置12，被处理后排出。

值得一提的是，不同实验组的切换时，特别是当完成第一组浓度或组分气体的测试后，需要立即进行第二组浓度或组分气体的测试时，只需要在结束第一组检测后，开始重复步骤一和步骤二前，通过流量控制装置，改变稀释气体和待测气体的流量，配好设定浓度即可。如果下一组测试需要改变气体温度，可同时调节水浴温度，对冷阱进行预热。

步骤三，测试中或测试结束，调节阀门，混合气体经过第一气体输出气路进入气体收集装置6。具体的，打开阀门101和201，混合气体经过第一气体输出气路进入气袋。

其它实施例中，气体收集装置6可以改成标准浓度检测装置，那么检测时阀门101和201保持开启，实现对混合气体浓度的实时调控，更快捷方便。具体的，如果标准浓度检测装置所测量的混合气体浓度不符合要求，那么该混合气体视为不合规格气体，可以将该不合规格气体直接引导至尾气处理装置排出，重新调节流量控制装置直到获得期望浓度的混合气体。

步骤四，配气系统通过易控组态软件对实验数据进行输出和数据分析。

其它实施例中，也可以直接对混合气体进行收集或第三方浓度检测。具体的，先进行气体浓度调试，调节阀门开关，阀门101开启、阀门102关闭、阀门103关闭、阀门201关闭、阀门202开启、阀门203关闭。温控装置8无需预热，待测气体经过第一气体输入气路进入第一气体混合腔预混合，稀释气体只经过第二气体输入气路进入第二气体混合腔和预混合的待测气体混合，混合气体经过第二气体输出气路排出气体混合腔5混合后的气体会顺着阀门101和阀门202通往尾气处理装置12，进行浓度调控；持续通气1～5分钟，待混合气体气流和浓度趋于稳定后，打开阀门201，混合气体进入气袋。调节阀门开关，所述混合气体经过第一气体输出气路进入气体收集装置6，将收集的气体用于第三方检测。

值得一提的是，本发明通过微电脑控制系统，对装置的关键参数，如温度、压力和流量进行全自动监控，而且方便操作。

综上所述，本发明的一种动态配气系统及配气方法，具有以下有益效果：

(1)本发明通过调整阀门开关可以方便地更改调整气体管路，用于模拟单组分或多组分气体对气敏传感器的测试，保证了混合气体中各气体比例的准确性与稳定。

(2)本发明待测气体进入第一气体混合腔进行一次混气，再通入第二气体混合腔与稀释气进行二次混气，能减少气体浓度的剧烈波动，系统的响应速度更快，有利于浓度调控，稳定待测气源的合气流，系统的响应速度更快，更稳定。

(3)本发明混合后的气体通过温控装置调温后再进入气体检测装置，可以实现对检测气体的温度调控，可以实现对真实环境温度的模拟；

(4)本发明设置有独立的稀释气路与气体检测装置直接连接，可以进行大流量的快速冲洗，气体检测装置只需要短时间的冲洗，气体检测装置内的气氛就能恢复到原始状态，有利于加快测试速度和测试精度；

(5)本发明的第二气体混合腔设置有独立的气体输出气路，不与气体检测装置连接，直接外接气体处理装置，可进行气体浓度调试，避免混气后的前段气体浓度未达标而对检测数据造成混乱和错误；

(6)本发明的第二气体混合腔设置有独立的气体输出气路，不与气体检测装置连接，直接外接气体收集装置，可进行储气和检测，用于对混合气体气体浓度进行第三方检验。

所以，本发明有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种用于气敏传感器测试的动态配气系统，其特征在于，所述动态配气系统包括以下部件：待测气源、稀释气源、第一气体混合腔、第二气体混合腔、气体检测装置、多个阀门以及用于各部件间气体传输的气体管路；

各待测气源连接于所述第一气体混合腔；所述第二气体混合腔具有至少两个出气口和至少两个进气口，第二气体混合腔的第一出气口及第二出气口分别与所述气体检测装置的出气口以及第一进气口连接；第二气体混合腔的第一进气口与所述第一气体混合腔连接，第二气体混合腔的第二进气口与所述稀释气源连接，且所述稀释气源与所述气体检测装置的第二进气口连接。

2.根据权利要求1所述的动态配气系统，其特征在于：还包括气体收集装置，所述气体收集装置通过气体阀门连接所述第二气体混合腔的第一出气口。

3.根据权利要求1所述的动态配气系统，其特征在于：还包括气体处理装置，所述气体处理装置连接于所述气体检测装置的出气口以及第二气体混合腔的第一出气口。

4.根据权利要求3所述的动态配气系统，其特征在于：所述气体处理装置前端气路还设有可拆卸接头。

5.根据权利要求1所述的动态配气系统，其特征在于：还包括温控装置，所述温控装置设置于第二气体混合腔以及气体检测装置之间的气体管路。

6.根据权利要求1所述的动态配气系统，其特征在于：还包括第一流量控制装置设置于待测气源以及稀释气源与第二气体混合腔之间的气体管路，第二流量控制装置设置于稀释气源与气体检测装置之间的气体管路；其中，所述第二流量控制装置的量程大于等于第一流量控制装置的量程。

7.根据权利要求1所述的动态配气系统，其特征在于：所述阀门为多个手动阀门和多个自动阀门的组合。

8.一种如权利要求1～7中任意一项所述的动态配气系统的动态配气方法，其特征在于：

步骤一，测试前，调节阀门开关，释放稀释气体和待测气体；待测气体进入第一气体混合腔进行预混合后进入第二气体混合腔；稀释气体分为两路，一路进入气体检测装置，进行清洗作业，另一路稀释气体进入第二气体混合腔，与预混合后的待测气体混合形成混合气体；所述混合气体通过第二气体混合腔的第一出气口排出，进行浓度调控；

步骤二，测试开始，调节阀门开关，结束浓度调控，关闭稀释气体与气体检测装置之间的气体管路，使稀释气体只进入第二气体混合腔和待测气体混合形成混合气体，所述混合气体进入气体检测装置和传感器反应，产生电信号输出。

9.根据权利要求8所述的动态配气方法，其特征在于：所述步骤一中，打开稀释气源和待测气源前，还包括步骤：启动第二气体混合腔与气体检测装置之间的温控装置，用于调节混合气体的温度。

10.根据权利要求8所述的动态配气方法，其特征在于：还包括步骤三，测试中或测试结束，还包括将混合气体输出至气体收集装置的步骤。