CN106645587A - 一种气体传感器评测与校准系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种气体传感器评测与校准系统，所述气体传感器评测与校准系统包括：配气单元、调理单元、校准单元和参考单元；所述配气单元的气体出口连接所述调理单元，所述配气单元配置不同浓度的校准用气体，并通过所述调理单元对校准用气体进行湿度控制，所述调理单元连接所述校准单元，经过所述调理单元的校准用气体进入所述校准单元进行气体传感器的校准，所述参考单元可通过切换阀的方式分别连接所述调理单元的气体入口和所述校准单元的气体出口，所述参考单元对校准单元前后的气体浓度进行实时监测，本发明公开的气体传感器评测与校准系统操作方便，安全性高，扩展性强，可用于气体传感器进行批量的评测和校准。
Description
技术领域
本发明涉及环境监测的技术领域，特别是涉及气体传感器评测与校准系统。
背景技术
传统大气中常规气体监测设备体积大、价格高、安装维护复杂，限制了其大规模的加密观测应用，目前市场上越来越多的小型化、低成本气体传感器不断在涌现，基于气体传感器组建便携式或者组网式监测仪，对空气质量进行加密观测成为了一种趋势。
基于气体传感器的监测仪与传统在线常规气体监测仪相比，具有响应速度快、体积小、成本低、维护少等优点，同时也普遍具有如下缺点：检测下限高、气体间交叉干扰大、受环境因素影响大。因此有必要搭建系统对气体传感器进行科学合理的评测与校准，如发明专利一种气体传感器的标定工装及标定方法(公开号105572307A)，将每个传感器与适配底座通过O圈密封的形式进行固定，将底座通过串联和并联的连接形式来进行校准，但这种方式不具有普适性，不同气体传感器的大小尺寸不同、接口也不同，采用O圈密封存在个别气体传感器泄漏的可能，以及标定工装没有进行湿度的前处理和无法进行温湿度调节等问题。
因此希望有一种气体传感器评测与校准系统可以克服或至少减轻现有技术的上述缺陷。
发明内容
本发明的目的在于提供一种气体传感器评测与校准系统来克服现有技术中存在的上述问题。
为实现上述目的，本发明提供一种气体传感器评测与校准系统，所述气体传感器评测与校准系统包括：配气单元、调理单元、校准单元和参考单元；所述配气单元的气体出口连接所述调理单元，所述配气单元配置不同浓度的校准用气体，并通过所述调理单元对校准用气体进行湿度控制，所述调理单元连接所述校准单元，经过所述调理单元的校准用气体进入所述校准单元对箱内的气体传感器的进行评测与校准，所述参考单元可通过切换阀的方式分别连接所述调理单元的气体入口和所述校准单元的气体出口，所述参考单元对进入校准单元前后的校准用气体浓度进行监测。
优选地，所述配气单元包括：标准气体单元、质量流量控制器组和气体混合器，标准气体单元将高浓度标准气与零空气通过质量流量控制器组在气体混合器中进行稀释混合，得到不同浓度的校准用气体。
优选地，所述标准气体单元包括压缩空气源、过滤器组、零空气发生器、第一高浓度标准气、第二高浓度标准气和臭氧发生器；所述零空气发生器为气体传感器标定的零点校准气和高浓度标准气的稀释气，所述第一高浓度标准气为对应检测气体传感器类型的标准钢瓶气，所述第二高浓度标准气为对应检测气体传感器的干扰气。
优选地，所述质量流量控制器组包括四组质量流量控制器，分别对零空气发生器、臭氧发生器、第一高浓度标准气、第二高浓度标准气进行质量流量控制。
优选地，所述的臭氧发生器为紫外灯型臭氧发生器，可通过通入气体流量和紫外灯照射气路面积来调节臭氧浓度。
优选地，经过所述零空气发生器、臭氧发生器和经过质量流量控制器组的第三第四路气体进入所述气体混合器进行充分混合，达到均匀混合的状态，稀释后的校准用气体浓度根据钢瓶气的标称浓度、高浓度标准气的流量和稀释气的流量并结合分子量获得。
优选地，所述调节单元采用Nafion管加湿的方式，包括：Nafion管、湿度监测模块、风机、高效过滤器、加湿器；Nafion管对所述校准用气体进行加湿，外界空气经过风机和高效过滤器为加湿器提供动力，风机为可调风机，加湿器连接Nafion管对通过Nafion管的所述校准用气体进行加湿，湿度监测模块对经过加湿的所述校准用气体进行湿度监测。
优选地，所述校准单元包括不锈钢箱体、混合风扇、气体传感器支撑转接板、数据采集控制板和电脑，不锈钢箱体的材质为316不锈钢，为防止气体在箱体内表面吸附，不锈钢箱体采用合页、锁扣和密封条的设计；混合风扇设置在不锈钢箱体内用于帮助不锈钢箱体内的气体进行充分的混合，气体传感器支撑转接板用于放置和连接待测气体传感器，数据采集控制板包括64通道的16位模拟信号输入和8通道的16位模拟信号输出，数据采集控制板对不锈钢箱体内的温度、湿度、压力和气态传感器信号进行数据采集，并通过USB接口传输到电脑，数据采集控制板的模拟信号输出口对风机的风量进行控制，从而对所述加湿气路的湿度进行调节，进而调节校准用气体的相对湿度。
优选地，所述气体传感器支撑转接板包括：主板、气体传感器和信号板、温度传感器、湿度传感器和压力传感器；主板固定气体传感器和信号板，方便进行整体操作，并对所有气体传感器和信号板进行统一供电和信号的接头转换，将每个传感器的信号综合到一个接头并连接至所述数据采集控制板，气体传感器和信号板可接入30个气体传感器信号，模拟信号输入端可同步将不锈钢箱体内的30个气体传感器信号和温湿度压力信息进行采集，主板上设置有温度传感器、湿度传感器和压力传感器，温度传感器、湿度传感器和压力传感器对所述不锈钢箱体内温度、湿度和压力进行实时监测和后期的数据修正。
优选地，参考单元包括参考仪器、第一三通接头、第二三通接头和三通球阀；参考仪器对所述校准用气体浓度进行参照对比，第一三通接头连接所述调理单元的气体入口，第二三通接头连接所述校准单元的气体出口，三通球阀的公共端连接至参考仪器，参考仪器分别测量上下游气体浓度，测量数据通过网口连接至电脑，进行实时数据获取和记录。
本发明提出了一种气体传感器评测与校准系统，所述气体传感器评测与校准系统是一种灵活的配气系统，可用于对气体传感器进行批量的标定，同时可用于研究不同种类的气体对某一类气体传感器的干扰影响，所述气体传感器评测与校准系统具有可控的湿度调节单元，使得校准用气体具有较好的湿度条件，保证了气体传感器工作在正常工作湿度环境中，所述气体传感器评测与校准系统中的不锈钢箱体校准箱的设计，极大的方便的批量性的气体传感器校准，占用空间小，密封性好，保障了实验操作人员的安全，不锈钢箱体内托盘式的主板设计，方便了气体传感器固定和整体转移，同时简化了数据接口的连接，电脑自动控制系统的设计，可实时采集到气体传感器的数值进行展示，同时对气路进行定时调控，方便系统操作，并且参考仪器上下游监测，保证了数据可靠性。
附图说明
图1是气体传感器评测与校准系统结构示意图。
图2是气体传感器支撑转接板结构示意图。
具体实施方式
为使本发明实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。
在本发明一宽泛实施例中：气体传感器评测与校准系统包括：配气单元、调理单元、校准单元和参考单元；所述配气单元的气体出口连接所述调理单元，所述配气单元配置不同浓度的校准用气体，并通过所述调理单元对校准用气体进行湿度控制，所述调理单元连接所述校准单元，经过所述调理单元的校准用气体进入所述校准单元进行气体传感器的校准，所述参考单元可通过切换阀的方式分别连接所述调理单元的气体入口和所述校准单元的气体出口，所述参考单元对校准单元前后的校准用气体进行监测。
如图1所示，压缩空气源1为空压机，压力为0.2-0.8MPa，压缩空气源1的出口连接过滤器组4，对压缩气进行除水和对颗粒物的多级过滤，得到干燥的无颗粒物空气，分别连接至质量流量控制器组5的第一路入口和第二路入口；第一高浓度标准气2和第二高浓度标准气3为钢瓶压缩气，出厂时压力为15MPa，通过减压阀调节至0.2-0.3MPa，一般情况下，对于测量某一特性种类气体的气体传感器，如一氧化碳气体传感器，第一高浓度标准气2为一定浓度的一氧化碳标准钢瓶气，载气为氮气，第二高浓度标准气3为可能对一氧化碳传感器造成干扰的干扰气，载气为氮气，将这两路钢瓶气通过特氟龙管分别连接至质量流量控制器组5的第三路入口和第四路入口；质量流量控制器组5的第一路出口连接零空气发生器6的入口，将经过干燥和除颗粒物的空气，经过化学反应和活性炭吸附作用得到零空气；质量流量控制器组5的第二路出口连接臭氧发生器7的入口，臭氧发生器将入口的空气经紫外灯照射生成臭氧；质量流量控制器组5具有四路独立的进气口和出气口，当进出气口压差达到0.1MPa时，通过数据采集控制板18的模拟电压输出端口可对每一路的气体流量进行精确的控制，当四路气体中某一路暂时未启用，可将对应气路的控制电压设置为零即可将其关闭。
气体混合器8有四个入口，分别连接零空气发生器6的出口、臭氧发生器7的出口、质量流量控制器组5的第三路出口和第四路出口，混合器为不锈钢材质，作用一是进行缓冲，二是进行湍流混合。
通过所述气体混合器8的校准用气体的相对湿度较低，通常小于气体传感器工作的相对湿度下限，所以需要对校准用气体的相对湿度进行控制，气体混合器8的出口通过特氟龙管连接第一三通接头9，第一三通接头9的第一出口通过特氟龙管连接三通球阀21的第一入口，第一三通接头9的第二出口通过特氟龙管连接Nafion管10的样气入口；Nafion管10因半透膜两侧水蒸气的分压不同，通过水合作用实现加湿，半透膜的内侧是校准用气体的通路，半透膜的外侧为加湿气路；Nafion管10共有四个接口：样气入口、样气出口、调节气入口和调节气出口，样气出口通过特氟龙管连接湿度监测模块11来对湿度进行监测和反馈，Nafion管10的调节气为与样气流向反向，湿度大的干净气体，风机12依次连接高效过滤器13、加湿器14后，接入调节气入口，调节气的出口连接至大气，加湿器14的工作原理是通气鼓泡法，湿度监测模块11为三通结构设计，进气口连接Nafion管10的样气出口，出气口连接不锈钢箱体15的入口，三通位置放置湿度传感器，O圈密封，湿度传感器信号连接至数据采集控制板18的模拟信号输入端。不锈钢箱体15为316不锈钢材质，方便操作的同时，保证了箱体密封性，极大的保障了实验操作人员的安全，不锈钢箱体15内置放置混合风扇16、气体传感器支撑转接板17、数据采集控制板18。
如图2所示，气体传感器支撑转接板17是以主板23为基体，放置了30个气体传感器和信号板24，同时安放了温度传感器25、湿度传感器26、压力传感器27，对箱内的温湿度和压力情况进行实时监测，所有模拟信息通过一个统一的接头连接到数据采集控制板18，当需要评测不同温度对气体传感器的影响时，通过温度传感器25的反馈进行温度调节对所述不锈钢箱体15进行加热和冷却；湿度的调节由上游的调理单元进行调节。
如图1和2所示，数据采集控制板18为16位的多功能数据采集控制卡，共有64路16位模拟输入端口，8路16位模拟输出端口，64路模拟输入端口分别连接：湿度监测模块11、温度传感器25、湿度传感器26、压力传感器27和30个气体传感器和信号板24，8路模拟输出端口分别连接质量流量控制器组5、风机12，数据采集控制板18通过USB接口与电脑19进行通信，数据采集控制板18的采样频率为10kHz，在电脑19端将每秒的数据进行实时处理和显示，同时在电脑19端实现对质量流量控制器组5的控制和对风机12的闭环控制。常用的适合大气低污染浓度监测使用的是四电极电化学方法气体传感器，有两路模拟信号输出，数据采集控制板18通常最多可接入32个气体传感器和信号板24，当需要接入更多时，可以通过使用多个数据采集控制板18叠加来实现。参考仪器22的入口连接三通球阀21的公共端，三通球阀21的第一入口连接第一三通接头9，第二入口连接第二三通接头20，通过三通球阀21的切换，可测量上下游的气体浓度。
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (10)
1.一种气体传感器评测与校准系统，其特征在于，所述气体传感器评测与校准系统包括：配气单元、调理单元、校准单元和参考单元；所述配气单元的气体出口连接所述调理单元，所述配气单元配置不同浓度的校准用气体，并通过所述调理单元对校准用气体进行湿度控制，所述调理单元连接所述校准单元，经过所述调理单元的校准用气体进入所述校准单元进行气体传感器的校准，所述参考单元可通过切换阀的方式分别连接所述调理单元的气体入口和所述校准单元的气体出口，所述参考单元对进入校准单元前后的校准用气体进行监测。
2.如权利要求1所述的气体传感器评测与校准系统，其特征在于：所述配气单元包括：标准气体单元、质量流量控制器组和气体混合器，标准气体单元将高浓度标准气与零空气通过质量流量控制器组在气体混合器中进行稀释混合，得到不同浓度的校准用气体。
3.如权利要求2所述的气体传感器评测与校准系统，其特征在于：所述标准气体单元包括压缩空气源(1)、过滤器组(4)、零空气发生器(6)、第一高浓度标准气(2)、第二高浓度标准气(3)和臭氧发生器(7)；所述零空气发生器(6)为气体传感器标定的零点校准气和高浓度标准气的稀释气，所述第一高浓度标准气(2)为对应检测气体传感器类型的标准钢瓶气，所述第二高浓度标准气(3)为对应检测气体传感器的干扰气。
4.如权利要求3所述的气体传感器评测与校准系统，其特征在于：所述的臭氧发生器(7)为紫外灯型臭氧发生器，可通过通入气体流量和紫外灯照射气路面积来调节臭氧浓度。
5.如权利要求3所述的气体传感器评测与校准系统，其特征在于：所述质量流量控制器组(5)包括四组质量流量控制器，分别对应零空气发生器(6)、臭氧发生器(7)、第一高浓度标准气(2)、第二高浓度标准气(3)进行质量流量控制。
6.如权利要求5所述的气体传感器评测与校准系统，其特征在于：经过所述零空气发生器(6)、臭氧发生器(7)和经过质量流量控制器组(5)的第三第四路气体进入所述气体混合器(8)进行充分混合，达到均匀混合的状态，稀释后的校准用气体浓度根据钢瓶气的标称浓度、高浓度标准气的流量和稀释气的流量并结合分子量获得。
7.如权利要求1所述的气体传感器评测与校准系统，其特征在于：所述调理单元采用Nafion管加湿的方式，包括加湿气路和校准用气体气路，所述调理单元包括：Nafion管(10)、湿度监测模块(11)、风机(12)、高效过滤器(13)、加湿器(14)；Nafion管(10)对所述校准用气体进行加湿，外界空气经过风机(12)和高效过滤器(13)为加湿器(14)提供动力，风机(12)为可调风机，加湿器(14)连接Nafion管(10)对通过Nafion管(10)的所述校准用气体进行加湿，湿度监测模块(11)对经过加湿的所述校准用气体进行湿度监测。
8.如权利要求1所述的气体传感器评测与校准系统，其特征在于：所述校准单元包括不锈钢箱体(15)、混合风扇(16)、气体传感器支撑转接板(17)、数据采集控制板(18)和电脑(19)，不锈钢箱体(15)的材质为316不锈钢，为防止气体在箱体内表面吸附，不锈钢箱体(15)采用合页、锁扣和密封条的设计；混合风扇(16)设置在不锈钢箱体(15)内用于帮助不锈钢箱体(15)内的气体进行充分的混合，气体传感器支撑转接板(17)用于放置和连接待测气体传感器，数据采集控制板(18)包括64通道的16位模拟信号输入和8通道的16位模拟信号输出，数据采集控制板(18)对不锈钢箱体(15)内的温度、湿度、压力和气态传感器信号进行数据采集，并通过USB接口传输到电脑(19)，数据采集控制板(18)的模拟信号输出口对风机(12)的风量进行控制，从而对所述加湿气路的湿度进行调节，进而调节校准用气体的相对湿度。
9.如权利要求8所述的气体传感器评测与校准系统，其特征在于：所述气体传感器支撑转接板(17)包括：主板(23)、气体传感器和信号板(24)、温度传感器(25)、湿度传感器(26)和压力传感器(27)；主板(23)固定气体传感器和信号板(24)，方便进行整体操作，并对所有气体传感器和信号板(24)进行统一供电和信号的接头转换，将每个传感器的信号综合到一个接头并连接至所述数据采集控制板(18)，气体传感器和信号板(24)可接入30个气体传感器信号，模拟信号输入端可同步将不锈钢箱体(15)内的30个气体传感器信号和温湿度压力信息进行采集，主板(23)上设置有温度传感器(25)、湿度传感器(26)和压力传感器(27)，温度传感器(25)、湿度传感器(26)和压力传感器(27)对所述不锈钢箱体(15)内温度、湿度和压力进行实时监测和后期的数据修正。
10.如权利要求1所述的气体传感器评测与校准系统，其特征在于：参考单元包括参考仪器(22)、第一三通接头(9)、第二三通接头(20)和三通球阀(21)；参考仪器(22)对所述校准用气体浓度进行参照对比，第一三通接头(9)连接所述调理单元的气体入口，第二三通接头(20)连接所述校准单元的气体出口，三通球阀(21)的公共端连接至参考仪器(22)，参考仪器(22)分别测量上下游气体浓度，测量数据通过网口连接至电脑(19)，进行实时数据获取和记录。
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