CN105974062A - 一种气体传感器校准装置及其校准方法 - Google Patents

一种气体传感器校准装置及其校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种校准方便，精度高，使用效果好的气体传感器校准装置及方法。针对现有高精度配气系统复杂成本高且现有气体传感器校准精度低的问题，本发明设计了一种定容积配气装置，通过精确控制阀门打开时间来增大装置内气体浓度，从而逐次配置出不同浓度的气体，该配气方法操作简单，精度高。而且使用气相色谱仪或已校准的传感器检测不同浓度下的气体浓度作为真实浓度，进一步提高传感器校准精度。由于传感器存在非线性，本发明所述传感器校准方式与传统传感器校准方式不同，通过获取不同浓度下传感器检测值与真实浓度值进行曲线拟合，实现传感器精确校准，避免了受传感器特性影响通过单一浓度校准造成的误差。

Description

一种气体传感器校准装置及其校准方法
技术领域
本发明涉及一种气体传感器校准装置及其校准方法。
背景技术
气体传感器是一种将某种气体体积分数转化成对应电信号的转换器。探测头通过气体传感器对气体样品进行调理，通常包括滤除杂质和干扰气体、干燥或制冷处理仪表显示部分。随着人们生活水平的不断提高和对环保的日益重视，对各种有毒、有害气体的探测，对大气污染、工业废气的检测以及对食品和居住环境质量的检测都对气体传感器的精度提出了更高的要求。使用时间长的气体传感器受腐蚀、零点漂移的影响，检测精度大大降低，对有毒有害气体检测不准会严重威胁到人们的生产生活。
目前国内气体传感器校验设备相对比较落后，大都采用手动校验仪和遥控校验仪，校准方法是将传感器检测值与待测气体真实浓度之间关系看作线性关系，通过单点检测或两点检测进行校准，其结构功能单一，不适用于多种类、大数量传感器校验，存在着劳动强度大和工作效率低的问题，特别是校验精度低。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的上述问题，提出一种气体传感器校准装置及其校准方法。
技术方案：一种气体传感器校准装置，包括存储检测气体的气瓶、减压阀、定容积配气装置、气相色谱仪、数据采集模块以及上位机；所述减压阀的入口与气瓶的出气口相连，所述减压阀的出口通过内壁光滑的金属管连接定容积配气装置的气体入口，并在所述金属管上安装有流量计和阀门；所述定容积配气装置上设有第一传感器底座和气体采样口，所述气体采样口通过带有阀门的软管连接到气相色谱仪的检测气体入口，所述第一传感器底座上安装待检测气体传感器，所述气相色谱仪的数据输出端以及所述待检测气体传感器的信号输出端均通过数据采集模块连接所述上位机。
进一步的，所述定容积配气装置包括容积为V的金属圆柱形腔体，气体入口设置在金属圆柱形腔体的一端，第一传感器底座和气体采样口均设置在金属圆柱形腔体的侧面，还包括设置在金属圆柱形腔体另一端的气体出口，以及设置在金属圆柱形腔体的侧面的第二传感器底座，所述第二传感器底座上安装已校准的气体传感器，所述已校准的气体传感器的信号输出端通过数据采集模块连接所述上位机。
进一步的，所述阀门为电动阀门，所述流量计为电子流量计，所述电动阀门的信号控制端以及电子流量计的信号输出端连接所述上位机。
一种气体传感器校准装置的校准方法，包括如下步骤：
步骤1)，气瓶中气体初始浓度为c0，将待校准的气体传感器安装在第一传感器底座上，调节减压阀至输出压力为0.2MPa；
步骤2)，获取待校准气体传感器所需测定的浓度范围为[0，cmax]，然后将[0，cmax]划分为10个等差为Δc的浓度值{0，c1，c2，...,c8，cmax}；
步骤3)，根据流量计的检测值来控制阀门的逐次打开时间，使得定容积配气装置中的浓度按Δc逐次上升；
步骤4)，在定容积配气装置中的浓度每次改变后，等待时间t来使配气装置内气体充分混合，打开气体采样口连接气相色谱仪软管上的阀门，此时上位机读取待检测气体传感器的检测输出信号以及气相色谱仪的输出数据；
步骤5)，所述上位机得到待检测气体传感器采集的10个浓度数据为(c1,c2,...,c10)，并得到气相色谱仪采集的10个浓度数据为(c′1,c′2,...,c′10)，利用最小二乘法进行多点数据拟合，求出待检测气体传感器和气相色谱仪测得的浓度数据的关系。
进一步的，所述步骤3)中，根据流量计的检测值来控制阀门的逐次打开时间具体为：首先，所述上位机采集到流量计的输出数据v；然后，计算得到阀门每次的打开时间ΔT为：ΔT＝Δc*V/(v*c0)，V为定容积配气装置中金属圆柱形腔体的体积；最后，所述上位机输出控制信号到阀门，控制阀门打开ΔT时间。
一种气体传感器校准装置的校准方法，包括如下步骤：
步骤1)，气瓶中气体初始浓度为c0，将待校准的气体传感器安装在第一传感器底座上，在所述第二传感器底座上安装已校准的气体传感器，调节减压阀至输出压力为0.2MPa；
步骤2)，获取待校准气体传感器所需测定的浓度范围为[0，cmax]，然后将[0，cmax]划分为10个等差为Δc的浓度值{0，c1，c2，...,c8，cmax}；
步骤3)，根据流量计的检测值来控制阀门的逐次打开时间，使得定容积配气装置中的浓度按Δc逐次上升；
步骤4)，在定容积配气装置中的浓度每次改变后，等待时间t使定容积配气装置内气体充分混合，此时上位机读取待检测气体传感器和已校准的气体传感器的检测输出信号；
步骤5)，所述上位机得到待检测气体传感器采集的10个浓度数据为(c1,c2,...,c10)，并得到已校准的气体传感器采集的10个浓度数据为(c′1,c′2,...,c′10)，利用最小二乘法进行多点数据拟合，求出待检测气体传感器和已校准的气体传感器测得的浓度数据的关系。
进一步的，所述步骤3)中，根据流量计的检测值来控制阀门的逐次打开时间具体为：首先，所述上位机采集到流量计的输出数据v；然后，计算得到阀门每次的打开时间ΔT为：ΔT＝Δc*V/(v*c0)，V为定容积配气装置中金属圆柱形腔体的体积；最后，所述上位机输出控制信号到阀门，控制阀门打开ΔT时间。
有益效果：本发明的一种校准方便，精度高，使用效果好的气体传感器校准装置及方法。针对现有高精度配气系统复杂成本高且现有气体传感器校准精度低的问题，本发明设计了一种定容积配气装置，通过精确控制阀门打开时间△T来增大装置内气体浓度△c，从而逐次配置出不同浓度的气体，该配气方法操作简单，精度高。而且使用气相色谱仪或已校准的传感器检测不同浓度下的气体浓度作为真实浓度，进一步提高传感器校准精度。由于传感器存在非线性，本发明的传感器校准方法与传统传感器校准方法不同，通过获取不同浓度下传感器检测值与该真实浓度值进行曲线拟合，实现传感器精确校准，避免了受传感器特性影响通过单一浓度校准造成的误差。
附图说明
图1为实施例1的结构示意图；
图2为实施例1的定容积配气装置截面示意图；
图3为实施例2的结构示意图；
图4为实施例2的定容积配气装置截面示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
实施例1：
如图1所示，一种气体传感器校准装置，包括存储检测气体的气瓶1、减压阀2、定容积配气装置5、气相色谱仪6、数据采集模块7以及上位机8。定容积配气装置5如图2所示，其主体为容积为V的金属圆柱形腔体5-1，金属圆柱形腔体5-1两端设有金属端盖，并通过螺栓固定。在金属圆柱形腔体5-1的一端设有气体入口5-2，在其另一端设有气体出口5-3，气体入口5-2和气体出口5-3处均设有球阀。在金属圆柱形腔体5-1的侧面上设有第一传感器底座5-4和气体采样口5-6，该气体采样口连通金属圆柱形腔体5-1内部。
减压阀2的入口与气瓶1的出气口相连，减压阀2的出口通过内壁光滑的金属管连接定容积配气装置5的气体入口5-2，并在金属管上安装有流量计4和阀门3。内壁光滑的金属管其摩阻系数小，在一定流速下管流稳定，便于流量计检测气体流速。定容积配气装置5的气体采样口5-6通过带有阀门的软管连接到气相色谱仪6的检测气体入口，第一传感器底座5-4上安装待检测气体传感器，气相色谱仪6的数据输出端以及待检测气体传感器的信号输出端均通过数据采集模块7连接到上位机8。本实施例中，采集模块7选用PLC单元，阀门3为电动阀门，流量计4为电子流量计，电动阀门的信号控制端以及电子流量计的信号输出端连接上位机8。
基于上述气体传感器校准装置的校准方法，以CH4(甲烷)传感器为例，包括如下步骤：
步骤1，气瓶1中甲烷初始浓度为c0，将待校准的CH4传感器安装在第一传感器底座5-4上，调节减压阀2至输出压力为0.2MPa。其中，待校准CH4传感器通过第一传感器底座5-4安装在定容积配气装置5上，方便更换待校准传感器；待校准CH4传感器的检测端将接触金属圆柱形腔体5-1中的甲烷气体。
步骤2，获取待校准CH4传感器所需测定的浓度范围为[0，cmax]，然后将[0，cmax]划分为10个等差为Δc的浓度值{0，c1，c2，...,c8，cmax}；cmax即CH4传感器在实际应用中所需要的测定浓度最大值。
步骤3，根据流量计4的检测值来控制阀门3的逐次打开时间，使得定容积配气装置5中的浓度按Δc逐次上升，具体为：首先，上位机8采集到流量计4的输出数据v；然后，计算得到阀门3每次的打开时间ΔT为：ΔT＝Δc*V/(v*c0)，V为定容积配气装置5中金属圆柱形腔体5-1的体积；最后，上位机8输出控制信号到阀门3，控制打开ΔT时间。
步骤4，在定容积配气装置5中的浓度每次改变Δc后，等待时间t来使配气装置内气体充分混合，打开气体采样口5-6连接气相色谱仪6软管上的阀门，此时上位机8读取待检测气体传感器的检测输出信号以及气相色谱仪6的输出数据。本实施例中，t为1～2min。
步骤5，上位机得到待检测气体传感器采集的10个浓度数据为(c1,c2,...,c10)，并得到气相色谱仪6采集的10个浓度数据为(c′1,c′2,...,c′10)，分别对两份数据利用最小二乘法进行多点数据拟合，然后求出待检测气体传感器和气相色谱仪6测得的浓度数据的关系，对待检测CH4传感器进行校准，校准结果在上位机上屏幕上进行显示。
上述方法还适用于CO传感器、O2传感器等气体传感器。
实施例2：
如图3所示，一种气体传感器校准装置，包括存储检测气体的气瓶1、减压阀2、定容积配气装置5、数据采集模块7以及上位机8。定容积配气装置5如图4所示，其主体为容积为V的金属圆柱形腔体5-1，金属圆柱形腔体5-1两端设有金属端盖，并通过螺栓固定。在金属圆柱形腔体5-1的一端设有气体入口5-2，在其另一端设有气体出口5-3，气体入口5-2和气体出口5-3处均设有球阀。在金属圆柱形腔体5-1的侧面上设有第一传感器底座5-4和第二传感器底座5-5。
减压阀2的入口与气瓶1的出气口相连，减压阀2的出口通过内壁光滑的金属管连接定容积配气装置5的气体入口5-2，并在金属管上安装有流量计4和阀门3。第一传感器底座5-4上安装待检测气体传感器，第二传感器底座5-5上安装已校准的气体传感器，待检测气体传感器以及已校准的气体传感器的信号输出端均通过数据采集模块7连接到上位机8。本实施例中，采集模块7选用PLC单元，阀门3为电动阀门，流量计4为电子流量计，电动阀门的信号控制端以及电子流量计的信号输出端连接上位机8。
基于上述气体传感器校准装置的校准方法，以CH4(甲烷)传感器为例，包括如下步骤：
步骤1，气瓶1中甲烷初始浓度为c0，将待校准的CH4传感器安装在第一传感器底座5-4上，在第二传感器底座5-5上安装已校准的CH4传感器或高精度CH4传感器，调节减压阀2至输出压力为0.2MPa。两个CH4传感器的检测端将接触金属圆柱形腔体5-1中的甲烷气体。
步骤2，获取待校准CH4传感器所需测定的浓度范围为[0，cmax]，然后将[0，cmax]划分为10个等差为Δc的浓度值{0，c1，c2，...,c8，cmax}；cmax即CH4传感器在实际应用中所需要的测定浓度最大值。
步骤3，根据流量计4的检测值来控制阀门3的逐次打开时间，使得定容积配气装置5中的浓度按Δc逐次上升，具体为：首先，上位机8采集到流量计4的输出数据v；然后，计算得到阀门3每次的打开时间ΔT为：ΔT＝Δc*V/(v*c0)，V为定容积配气装置5中金属圆柱形腔体5-1的体积；最后，上位机8输出控制信号到阀门3，控制打开ΔT时间。
步骤4，在定容积配气装置5中的浓度每次改变Δc后，等待时间t来使配气装置内气体充分混合，此时上位机8读取待检测气体传感器和已校准的气体传感器的检测输出信号。
步骤5，上位机得到待检测气体传感器采集的10个浓度数据为(c1,c2,...,c10)，并得到已校准的气体传感器采集的10个浓度数据为(c′1,c′2,...,c′10)，分别对两份数据利用最小二乘法进行多点数据拟合，然后求出待检测气体传感器和已校准的气体传感器测得的浓度数据的关系，对待检测CH4传感器进行校准，校准结果在上位机的屏幕上进行显示。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种气体传感器校准装置，其特征在于：包括存储检测气体的气瓶(1)、减压阀(2)、定容积配气装置(5)、气相色谱仪(6)、数据采集模块(7)以及上位机(8)；所述减压阀(2)的入口与气瓶(1)的出气口相连，所述减压阀(2)的出口通过内壁光滑的金属管连接定容积配气装置(5)的气体入口(5-2)，并在所述金属管上安装有流量计(4)和阀门(3)；所述定容积配气装置(5)上设有第一传感器底座(5-4)和气体采样口(5-6)，所述气体采样口(5-6)通过带有阀门的软管连接到气相色谱仪(6)的检测气体入口，所述第一传感器底座(5-4)上安装待检测气体传感器，所述气相色谱仪(6)的数据输出端以及所述待检测气体传感器的信号输出端均通过数据采集模块(7)连接所述上位机(8)。
2.根据权利要求1所述的一种气体传感器校准装置，其特征在于：所述定容积配气装置(5)包括容积为V的金属圆柱形腔体(5-1)，气体入口(5-2)设置在金属圆柱形腔体(5-1)的一端，第一传感器底座(5-4)和气体采样口(5-6)均设置在金属圆柱形腔体(5-1)的侧面，还包括设置在金属圆柱形腔体(5-1)另一端的气体出口(5-3)，以及设置在金属圆柱形腔体(5-1)的侧面的第二传感器底座(5-5)，所述第二传感器底座(5-5)上安装已校准的气体传感器，所述已校准的气体传感器的信号输出端通过数据采集模块(7)连接所述上位机(8)。
3.根据权利要求2所述的一种气体传感器校准装置，其特征在于：所述阀门(3)为电动阀门，所述流量计(4)为电子流量计，所述电动阀门的信号控制端以及电子流量计的信号输出端连接所述上位机(8)。
4.根据权利要求1-3任一所述的气体传感器校准装置的校准方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)，气瓶(1)中气体初始浓度为c0，将待校准的气体传感器安装在第一传感器底座(5-4)上，调节减压阀(2)至输出压力为0.2MPa；
步骤2)，获取待校准气体传感器所需测定的浓度范围为[0，cmax]，然后将[0，cmax]划分为10个等差为△c的浓度值{0，c1，c2，...,c8，cmax}；
步骤3)，根据流量计(4)的检测值来控制阀门(3)的逐次打开时间，使得定容积配气装置(5)中的浓度按△c逐次上升；
步骤4)，在定容积配气装置(5)中的浓度每次改变后，等待时间t来使配气装置内气体充分混合，打开气体采样口(5-6)连接气相色谱仪(6)软管上的阀门，此时上位机(8)读取待检测气体传感器的检测输出信号以及气相色谱仪(6)的输出数据；
步骤5)，所述上位机得到待检测气体传感器采集的10个浓度数据为(c1,c2,...,c10)，并得到气相色谱仪(6)采集的10个浓度数据为(c′1,c'2,...,c′10)，利用最小二乘法进行多点数据拟合，求出待检测气体传感器和气相色谱仪(6)测得的浓度数据的关系。
5.根据权利要求4所述的气体传感器校准装置的校准方法，其特征在于：所述步骤3)中，根据流量计(4)的检测值来控制阀门(3)的逐次打开时间具体为：首先，所述上位机(8)采集到流量计(4)的输出数据v；然后，计算得到阀门(3)每次的打开时间△T为：△T＝△c*V/(v*c0)，V为定容积配气装置(5)中金属圆柱形腔体(5-1)的体积；最后，所述上位机(8)输出控制信号到阀门(3)，控制阀门(3)打开△T时间。
6.根据权利要求2-3任一所述的气体传感器校准装置的校准方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1)，气瓶(1)中气体初始浓度为c0，将待校准的气体传感器安装在第一传感器底座(5-4)上，在所述第二传感器底座(5-5)上安装已校准的气体传感器，调节减压阀(2)至输出压力为0.2MPa；
步骤2)，获取待校准气体传感器所需测定的浓度范围为[0，cmax]，然后将[0，cmax]划分为10个等差为△c的浓度值{0，c1，c2，...,c8，cmax}；
步骤3)，根据流量计(4)的检测值来控制阀门(3)的逐次打开时间，使得定容积配气装置(5)中的浓度按△c逐次上升；
步骤4)，在定容积配气装置(5)中的浓度每次改变后，等待时间t使定容积配气装置内气体充分混合，此时上位机(8)读取待检测气体传感器和已校准的气体传感器的检测输出信号；
步骤5)，所述上位机得到待检测气体传感器采集的10个浓度数据为(c1,c2,...,c10)，并得到已校准的气体传感器采集的10个浓度数据为(c′1,c'2,...,c′10)，利用最小二乘法进行多点数据拟合，求出待检测气体传感器和已校准的气体传感器测得的浓度数据的关系。
7.根据权利要求6所述的气体传感器校准装置的校准方法，其特征在于：所述步骤3)中，根据流量计(4)的检测值来控制阀门(3)的逐次打开时间具体为：首先，所述上位机(8)采集到流量计(4)的输出数据v；然后，计算得到阀门(3)每次的打开时间△T为：△T＝△c*V/(v*c0)，V为定容积配气装置(5)中金属圆柱形腔体(5-1)的体积；最后，所述上位机(8)输出控制信号到阀门(3)，控制阀门(3)打开△T时间。
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