CN109580880A - 一种用于气体传感器的臭氧多级动态配气和测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于气体传感器的臭氧多级动态配气和测试系统，属于环境在线监测技术领域，本发明通过采用多级配气稀释，可根据实际应用需求，灵活调整系统稀释级数，配制不同浓度范围的臭氧气氛，尤其是配制低浓度的臭氧氛围，解决了臭氧最终配气浓度过分依赖臭氧发生器浓度的问题，能够真实模拟大气环境中的低浓度臭氧气氛；湿度控制准确，能够有效模拟真实大气环境气氛，且最大限度的避免复杂工序。并通过采用多气路通道，能够实现对器件测试气室快速准确的变换气体氛围，包括干空气、湿空气以及不同湿度、不同浓度的臭氧气氛等，为气体传感器提供更加真实多样的测试条件。
Description
技术领域
本发明属于环境在线监测技术领域，具体涉及一种能够产生、配制不同浓度并加载湿度的用于气体传感器的臭氧多级动态配气和测试系统。
背景技术
臭氧是一种不稳定的强氧化性气体，对于人类和生态环境是一把双刃剑。臭氧除了是大气层中过滤紫外线的重要成分外，它还被广泛应用于室内空气净化、水污染处理、医疗和工业消毒等诸多领域。同时，臭氧还是形成光化学烟雾等污染的主要原因。世界卫生组织指出，长时间暴露于超过120ppb的臭氧中，会严重损害人的免疫机能和神经系统，导致失明、淋巴细胞染色体病变和心肺衰竭等。因此，准确分析环境中臭氧的浓度、研究并了解臭氧在环境中的化学行为显得尤为重要。然而，如何真实模拟不同湿度、不同浓度下的臭氧测试环境，是大气污染物监测分析的一大难题。
臭氧极不稳定，在自然状态下就可自分解为氧气和氧负离子，这使得模拟臭氧监测环境无法在静态下完成。此外，市售臭氧发生器所产出的臭氧浓度较高，多为数千ppm量级，无法直接用作臭氧气体传感器件的测试气源。因此，低浓度臭氧(低至ppb量级)的准确配制和模拟测试也是急待解决的问题。
目前，文献和专利中报道的臭氧配气装置均难以实现动态、不同湿度、低浓度等臭氧气氛的实时模拟。中国专利(CN104155251A)报道了一种臭氧发生及监测模拟系统，该系统将产生臭氧的高压放电装置、温度控制装置和臭氧监测系统连接，以期实现模拟不同温度臭氧的发生和监测。但该系统直接以臭氧发生器产生的臭氧作为目标气氛，无法有效调节臭氧的浓度、湿度、气体组分等参数，无法实现对大气环境和室内家居等真实环境的动态模拟。中国专利(CN107219324A)报道了一种湿度、含量可调的臭氧净化评价系统和评价方法，该系统将氮气通过水汽生成装置并与臭氧混合，以期调节气氛中的湿度和臭氧含量。然而，该方法同样直接使用臭氧发生器产生的臭氧作为目标气氛，无法有效、灵活的改变臭氧浓度范围，尤其无法准确配制低浓度的臭氧气氛，达不到模拟大气环境中臭氧的浓度范围。此外，该方法只采用臭氧和搭载湿度的氮气作为配气气源，无法快速的变换气体氛围，且以氮气作为载气，无法模拟真实的空气环境，不利于器件的模拟检测。
气体传感器具有便携性、易小型化、易集成和高灵敏等诸多优点，被广泛应用于大气环境污染物的检测，同时也是未来物联网发展的重要组成部分。然而，如何设计专门用于气体传感器的配气和测试系统是传感领域的难题。特别地，目前尚未有文献和专利报道专门用于气体传感器的臭氧动态配气和测试系统。
发明内容
本发明旨在解决以上相关技术问题，并提供一种结构简单、操作便捷、精度高、稳定性好，可用于模拟真实环境下不同浓度和湿度等复杂条件的臭氧多级动态配气和测试系统，以实现对低浓度臭氧的精确动态配制和气体传感器测试。
本发明通过如下技术方案实现：
一种用于气体传感器的臭氧多级动态配气和测试系统，包括气源1、多级配气系统2及测试系统3；
所述气源1由臭氧发生器101和空气源组成，所述臭氧发生器101用于产生臭氧，所述空气源包括第一稀释空气源102、湿度空气源103及测试气室空气源104，所述第一稀释空气源102用于稀释臭氧的浓度，所述湿度空气源103用于调节臭氧配气湿度，所述测试气室空气源104用于变换器件测试气室301的空气气氛；
所述多级配气系统2由质量流量计、电磁阀、调压阀、加湿装置、预混室和臭氧检测仪组成，其中，臭氧发生器101通过气体管路依次与第一质量流量计201、第一电磁阀207、第一预混室213相连；第一稀释空气源102通过气体管路与第二质量流量计202、第二电磁阀208、第一预混室213相连；第一预混室213通过气体管路与第一调压阀214、第三质量流量计215、第三电磁阀217、第二预混室220相连；湿度空气源103通过气体管路一部分与第四质量流量计203、第四电磁阀209、第二预混室220相连，另一部分与第五质量流量计204、第五电磁阀210、第一加湿装置218、第二预混室220相连；第二预混室220通过气体管路与第六电磁阀221、器件测试气室301相连；测试气室空气源104通过气体管路一部分与第六质量流量计205、第七电磁阀211、第二加湿装置219、第八电磁阀222相连，另一部分与第七质量流量计206、第九电磁阀212、第八电磁阀222相连；第八电磁阀222通过气体管路与器件测试气室301相连；臭氧检测仪216通过气体管路一端连接在位于第一调压阀214与第三质量流量计215之间的管路，另一端连接在位于第二预混室220与第七电磁阀211之间的管路；所述质量流量计用于控制气体管路中通过的气体流量，所述电磁阀用于控制气体管路的开关，所述调压阀用于调节所通过的气体压强，以达到下一级质量流量计正常工作所需的压强，所述加湿装置用于为所通气体增加100％的湿度，所述预混室用于预先均匀混合气体，所述臭氧检测仪用于检测气体通路中臭氧浓度；
所述测试系统3由器件测试气室301和器件在线测试仪302组成；所述器件测试气室301包括用于放置测试器件的气室底座3012和带有进、出气路的气室盖3011；所述器件在线测试仪302包括采集器件电信号变化的数据线和用于实时测量器件电信号变化的测试仪；所述器件测试气室301的气室底座与气室盖通过螺钉连接实现气室的固定和拆卸；所述器件在线测试仪302的数据线一端与器件测试气室301的气室底座3012相连，另一端与测试仪相连。
进一步地，所述的第一稀释空气源102的数量为若干个，以达到多级配气稀释的目的。
进一步地，所述的空气源为压缩干空气或人工合成干空气，其中，人工合成干空气为体积百分数20％-22％的氧气和余量的氮气配制的干空气，且水分含量应低于5ppm。
进一步地，所述臭氧发生器、空气源、质量流量计、调压阀、加湿装置和器件测试气室之间通过密闭的气体管路连接，所述器件测试气室、器件在线测试仪和配气系统中各电子元件通过数据传输线连接。
进一步地，所述臭氧检测仪216为紫外光吸收法臭氧检测仪、分光光度法臭氧检测仪或..化学发光法臭氧检测仪中的一种，用于监测稀释后臭氧的浓度。
进一步地，所述的气室底座包括用于放置气体传感器件及输出器件信号的插座，包括六角等不同类型的插座。
进一步地，所述气室底座和气室盖的材质均为聚四氟乙烯。
进一步地，所述预混室为长15-20cm、直径4-10cm的圆柱形腔室，材质为聚四氟乙烯。
进一步地，所述加湿装置为直径8-16cm、高12-20cm的圆柱形容器，材质为玻璃或不锈钢或聚四氟乙烯。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
(1)本发明的用于气体传感器的臭氧动态配气和测试系统，臭氧浓度调节方便，控制稳定，效率优良。本发明通过采用多级配气稀释，可根据实际应用需求，灵活调整系统稀释级数，配制不同浓度范围的臭氧气氛，尤其是配制低浓度的臭氧氛围，解决了臭氧最终配气浓度过分依赖臭氧发生器浓度的问题，能够真实模拟大气环境中的低浓度臭氧气氛。
(2)本发明的用于气体传感器的臭氧动态配气和测试系统，湿度控制准确，能够有效模拟真实大气环境气氛，且最大限度的避免复杂工序。
(3)本发明的用于气体传感器的臭氧动态配气和测试系统，气体组分调节灵活，控制方便。本发明通过采用多气路通道，能够实现对器件测试气室快速准确的变换气体氛围，包括干空气、湿空气以及不同湿度、不同浓度的臭氧气氛等，为气体传感器提供更加真实多样的测试条件。
(4)本发明的用于气体传感器的臭氧动态配气和测试系统，各组件集成程度高，器件数据采集精确，能够实时在线得到气体传感器对不同臭氧气氛的响应数据，为臭氧气体传感器提供优良的一体化科研测试平台。
附图说明
图1为本发明的一种用于气体传感器的臭氧多级动态配气和测试系统的结构示意图；
图2为本发明的一种用于气体传感器的臭氧多级动态配气和测试系统的加湿装置的结构示意图；
图3为本发明的一种用于气体传感器的臭氧多级动态配气和测试系统的器件测试气室的结构示意图；
图中：气源1、多级配气系统2、测试系统3、臭氧发生器101、第一稀释空气源102、湿度空气源103、测试气室空气源104、第一质量流量计201、第二质量流量计202、第四质量流量计203、第五质量流量计204、第六质量流量计205、第七质量流量计206、第一电磁阀207、第二电磁阀208、第四电磁阀209、第五电磁阀210、第七电磁阀211、第九电磁阀212、第一预混室213、第一调压阀214、第三质量流量计215、臭氧检测仪216、第三电磁阀217、第一加湿装置218、第二加湿装置219、第二预混室220、第六电磁阀221、第八电磁阀222、器件测试气室301、测试气室盖3011、测试气室底座3012。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本发明作进一步详细说明。
实施例1
如图1所示，一种用于气体传感器的臭氧多级动态配气和测试系统，包括气源1、多级配气系统2及测试系统3；
所述气源1由臭氧发生器101和空气源组成，所述臭氧发生器101用于产生臭氧，所述空气源包括第一稀释空气源102、湿度空气源103及测试气室空气源104，所述第一稀释空气源102用于稀释臭氧的浓度，所述湿度空气源103用于调节臭氧配气湿度，所述测试气室空气源104用于变换器件测试气室301的空气气氛；
所述多级配气系统2由质量流量计、电磁阀、调压阀、加湿装置、预混室和臭氧检测仪组成，其中，臭氧发生器101通过气体管路依次与第一质量流量计201、第一电磁阀207、第一预混室213相连；第一稀释空气源102通过气体管路与第二质量流量计202、第二电磁阀208相连、第一预混室213相连；第一预混室213通过气体管路与第一调压阀214、第三质量流量计215、第三电磁阀217、第二预混室220相连；湿度空气源103通过气体管路一部分与第四质量流量计203、第四电磁阀209、第二预混室220相连，另一部分与第五质量流量计204、第五电磁阀210、第一加湿装置218、第二预混室220相连；第二预混室220通过气体管路与第六电磁阀221、器件测试气室301相连；测试气室空气源104通过气体管路一部分与第六质量流量计205、第七电磁阀211、第二加湿装置219、第八电磁阀222相连，另一部分与第七质量流量计206、第九电磁阀212、第八电磁阀222相连；第八电磁阀222通过气体管路与器件测试气室301相连；臭氧检测仪216通过气体管路一端连接在位于第一调压阀214与第三质量流量计215之间的管路，另一端连接在位于第二预混室220与第七电磁阀211之间的管路；所述质量流量计用于控制气体管路中通过的气体流量，所述电磁阀用于控制气体管路的开关，所述调压阀用于调节所通过的气体压强，以达到下一级质量流量计正常工作所需的压强，所述加湿装置用于为所通气体增加100％的湿度，所述预混室用于预先均匀混合气体，所述臭氧检测仪用于检测气体通路中臭氧浓度；
所述测试系统3由器件测试气室301和器件在线测试仪302组成；所述器件测试气室301包括用于放置测试器件的气室底座和带有进出气路的气室盖3011；所述器件在线测试仪302包括采集器件电信号变化的数据线和用于实时测量器件电信号变化的测试仪；所述器件测试气室301的气室底座与气室盖通过螺钉连接实现气室的固定和拆卸；所述器件在线测试仪302的数据线一端与器件测试气室301的气室底座相连，另一端与测试仪相连。
进一步地，所述的第一稀释空气源102的数量为若干个，以达到多级配气稀释的目的。
进一步地，所述的空气源为压缩干空气或人工合成干空气，其中，人工合成干空气为体积百分数20％-22％的氧气和余量的氮气配制的干空气，且水分含量应低于5ppm。
进一步地，所述臭氧发生器、空气源、质量流量计、调压阀、加湿装置和器件测试气室之间通过密闭的气体管路连接，所述器件测试气室、器件在线测试仪和配气系统中各电子元件通过数据传输线连接。
进一步地，所述臭氧检测仪216为紫外光吸收法臭氧检测仪、分光光度法臭氧检测仪和化学发光法臭氧检测仪中的一种，用于监测稀释后臭氧的浓度。
进一步地，所述的气室底座包括用于放置气体传感器件及输出器件信号的插座，包括六角等不同类型的插座。
进一步地，所述气室底座和气室盖的材质均为聚四氟乙烯。
进一步地，所述预混室为长15-20cm、直径4-10cm的圆柱形腔室，材质为聚四氟乙烯。
进一步地，所述加湿装置为直径8-16cm、高12-20cm的圆柱形容器，材质为玻璃或不锈钢或聚四氟乙烯。
本系统的基本工作原理为，以气源1中的臭氧发生器101、第一稀释空气源102、湿度空气源103和测试气室空气源104为气源，通过多级配气系统2中的各质量流量计部件控制不同气体管路中的气体流量，并同时通过各电磁阀部件控制气体管路的开关，实现臭氧的动态配气过程；通过动态改变测试系统3中器件测试气室301中的气体氛围，并通过器件在线测试仪302对气体传感器件的电阻等电信号进行实时测量，实现对气体传感器件的臭氧气敏性能的检测。
具体使用时，所述臭氧发生器101采用青岛国林环保科技股份有限公司产的GF-G-3-10g型臭氧发生器，用于提供初始浓度为5000ppm浓度的臭氧气源；所述第一稀释空气源102、湿度空气源103和测试气室空气源104均采用体积百分数21％氧气与79％氮气配制的人工合成干空气；所述多级配气系统2中的第一质量流量计201的流量范围为0～100sccm，第二质量流量计202的流量范围为0～2000sccm，第三质量流量计215的流量范围为0～5sccm，第四质量流量计203、第五质量流量计204、第六质量流量计205和第七质量流量计206的流量范围为0～500sccm；所述第一调压阀214调压后气体管路中的气体压强为0.3MPa；所述第一加湿装置218和第二加湿装置219均为直径10cm、高16cm的圆柱形容器，且材质为玻璃；所述第一预混室213和第二预混室220均为长16cm、直径8cm的圆柱形腔室；所述臭氧检测仪216采用深圳华利奥电子有限公司产的DTN660-O3型臭氧检测仪；所述器件测试气室301的材质采用聚四氟乙烯；所述器件在线测试仪302采用北京艾立特科技有限公司产的CGS-8型智能气敏分析仪。
以配制相对湿度为40％、浓度为50ppb的臭氧气氛，并测试气体传感器在此气氛下的器件响应为例，具体操作如下：
1)器件安装：将待测的气体传感器件安装于所述测试系统3中的器件测试气室301中；
2)空气气氛下的器件测试：保持所述多级配气系统2中的第六电磁阀221处于关闭状态，所述气源1中的测试气室空气源104释放空气，一部分经第七质量流量计206、第九电磁阀212和第八电磁阀222进入器件测试气室301，另一部分经第六质量流量计205和第二加湿装置219和第八电磁阀222进入器件测试气室301，并控制第六质量流量计205通过200sccm气流，第七质量流量计206通过300sccm气流，两种气体混合后，即可为器件提供含有预设40％相对湿度的空气气氛，并于器件在线测试仪302上得到器件在该气氛下的电阻等电信号，待信号稳定后停止测试气室空气源104的供气；
3)臭氧气氛下的器件测试：保持所述多级配气系统2中的第八电磁阀222处于关闭状态，所述气源1中的臭氧发生器101产生臭氧，经过所述多级配气系统2中的第一质量流量计201和第一电磁阀207进入第一预混室213，且所述气源1中的第一稀释空气源102的空气经第二质量流量计202和第二电磁阀208进入第一预混室213，两种气体混合后经第一调压阀214调压后分流，少量气体进入臭氧检测仪216检测实时浓度，剩余气体经第三质量流量计215和第三电磁阀217进入第二预混室220，同时所述气源1中的湿度空气源103释放空气，一部分经第四质量流量计203和第四电磁阀209进入第二预混室220，另一部分经第五质量流量计204、第五电磁阀210和第一加湿装置218进入第二预混室220，气体混合后分流，少量进入臭氧检测仪216检测实时浓度，剩余气体进入所述测试系统3中的器件测试气室301。其中，控制第一质量流量计201通过20sccm气流，第二质量流量计202通过1980sccm气流，第三质量流量计215通过0.5sccm气流，第四质量流量计203通过299.5sccm气流，第五质量流量计204通过200sccm气流，即可为器件提供含有预设40％湿度和50ppb浓度的臭氧测试气氛，并于器件在线测试仪302上得到器件在该气氛下的电阻等电信号，待信号稳定后停止臭氧发生器101、第一稀释空气源102和湿度空气源103的供气；
4)空气气氛下的测试：重复步骤1，即可为器件提供含有预设40％相对湿度的空气气氛，并于器件在线测试仪302上得到器件在该气氛下的电阻等电信号，待信号稳定后停止测试气室空气源104的供气，测试完毕。
通过如上操作，即可为气体传感器件提供40％相对湿度、50ppb的臭氧气氛，且可连续变换器件所处的气体氛围，进而满足器件测试对不同臭氧气体环境的要求。
不局限于上述实施例，可通过增加第一稀释空气源102、第二质量流量计202、第二电磁阀208、第一预混室213、第一调压阀214、第三质量流量计215、第三电磁阀217的数量，以及相应的连接气体管路，即可对臭氧实现更多级数的稀释配制，摆脱了臭氧浓度配制受臭氧发生器出口浓度的限制。
Claims (8)
1.一种用于气体传感器的臭氧多级动态配气和测试系统，其特征在于，包括气源(1)、多级配气系统(2)及测试系统(3)；
所述气源(1)由臭氧发生器(101)和空气源组成，所述臭氧发生器(101)用于产生臭氧，所述空气源包括第一稀释空气源(102)、湿度空气源(103)及测试气室空气源(104)，所述第一稀释空气源(102)用于稀释臭氧的浓度，所述湿度空气源(103)用于调节臭氧配气湿度，所述测试气室空气源(104)用于变换器件测试气室(301)的空气气氛；
所述多级配气系统(2)由质量流量计、电磁阀、调压阀、加湿装置、预混室和臭氧检测仪组成，其中，臭氧发生器(101)通过气体管路依次与第一质量流量计(201)、第一电磁阀(207)、第一预混室(213)相连；第一稀释空气源(102)通过气体管路与第二质量流量计(202)、第二电磁阀(208)、第一预混室(213)相连；第一预混室(213)通过气体管路与第一调压阀(214)、第三质量流量计(215)、第三电磁阀(217)、第二预混室(220)相连；湿度空气源(103)通过气体管路一部分与第四质量流量计(203)、第四电磁阀(209)、第二预混室(220)相连，另一部分与第五质量流量计(204)、第五电磁阀(210)、第一加湿装置(218)、第二预混室(220)相连；第二预混室(220)通过气体管路与第六电磁阀(221)、器件测试气室(301)相连；测试气室空气源(104)通过气体管路一部分与第六质量流量计(205)、第七电磁阀(211)、第二加湿装置(219)、第八电磁阀(222)相连，另一部分与第七质量流量计(206)、第九电磁阀(212)、第八电磁阀(222)相连；第八电磁阀(222)通过气体管路与器件测试气室(301)相连；臭氧检测仪(216)通过气体管路一端连接在位于第一调压阀(214)与第三质量流量计(215)之间的管路，另一端连接在位于第二预混室(220)与第七电磁阀(211)之间的管路；所述质量流量计用于控制气体管路中通过的气体流量，所述电磁阀用于控制气体管路的开关，所述调压阀用于调节所通过的气体压强，以达到下一级质量流量计正常工作所需的压强，所述加湿装置用于为所通气体增加(100)％的湿度，所述预混室用于预先均匀混合气体，所述臭氧检测仪用于检测气体通路中臭氧浓度；
所述测试系统(3)由器件测试气室(301)和器件在线测试仪(302)组成；所述器件测试气室(301)包括用于放置测试器件的气室底座(3012)和带有进、出气路的气室盖(3011)；所述器件在线测试仪(302)包括采集器件电信号变化的数据线和用于实时测量器件电信号变化的测试仪；所述器件测试气室(301)的气室底座与气室盖通过螺钉连接实现气室的固定和拆卸；所述器件在线测试仪(302)的数据线一端与器件测试气室(301)的气室底座(3012)相连，另一端与测试仪相连。
2.如权利要求1所述的一种用于气体传感器的臭氧多级动态配气和测试系统，其特征在于，所述的第一稀释空气源(102)的数量为若干个。
3.如权利要求1所述的一种用于气体传感器的臭氧多级动态配气和测试系统，其特征在于，所述的空气源为压缩干空气或人工合成干空气，其中，人工合成干空气为体积百分数20％-22％的氧气和余量的氮气配制的干空气，且水分含量应低于5ppm。
4.如权利要求1所述的一种用于气体传感器的臭氧多级动态配气和测试系统，其特征在于，所述臭氧发生器、空气源、质量流量计、调压阀、加湿装置和器件测试气室之间通过密闭的气体管路连接，所述器件测试气室、器件在线测试仪和配气系统中各电子元件通过数据传输线连接。
5.如权利要求1所述的一种用于气体传感器的臭氧多级动态配气和测试系统，其特征在于，所述臭氧检测仪(216)为紫外光吸收法臭氧检测仪、分光光度法臭氧检测仪或..化学发光法臭氧检测仪中的一种，用于监测稀释后臭氧的浓度。
6.如权利要求1所述的一种用于气体传感器的臭氧多级动态配气和测试系统，其特征在于，所述的气室底座包括用于放置气体传感器件及输出器件信号的插座。
7.如权利要求1所述的一种用于气体传感器的臭氧多级动态配气和测试系统，其特征在于，所述气室底座和气室盖的材质均为聚四氟乙烯。
8.如权利要求1所述的一种用于气体传感器的臭氧多级动态配气和测试系统，其特征在于，所述加湿装置为直径8-16cm、高12-20cm的圆柱形容器，材质为玻璃或不锈钢或聚四氟乙烯。
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