CN109891230B - 用于测量气体浓度的系统、方法和计算机程序产品 - Google Patents

用于测量气体浓度的系统、方法和计算机程序产品 Download PDF

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Abstract

提供了用于测量气体浓度的系统和方法。球传感器(2)生成包括第一频率的基波和第二频率的谐波的表面声波的准直波束，准直波束在穿过吸附目标气体的敏感膜的同时通过压电球上的轨道路径传播。温度控制单元控制球传感器(2)的球温。信号处理单元(40)将突发信号发送到球传感器(2)的传感器电极以激发准直波束，在准直波束围绕压电球传播预定匝数之后接收突发信号，并使用突发信号的波形数据，通过第一频率的延迟时间的第一相对变化和第二频率的延迟时间的第二相对变化分别计算气体浓度和球温。

Description

用于测量气体浓度的系统、方法和计算机程序产品
技术领域
本发明涉及一种使用球面声波(SAW)传感器同时测量气体浓度和球温的系统、方法和计算机程序产品。
背景技术
诸如平面SAW传感器的早期的压电气体传感器利用传播特性，即当通过敏感膜时激发的SAW的幅度和相位发生变化，在敏感膜中弹性特性通过吸附气体分子而改变。然而，当有限宽度的波传播时发生衍射，并且平面SAW传感器上的SAW被衍射损耗衰减。因此，由于衍射损耗，SAW的传播距离受到限制，并且气体浓度的测量精度受到限制。
如非专利文献(NPL)1和2中所述，已开发出球SAW传感器(下文称为“球传感器”)并将其应用于痕量水分传感器。在球传感器中，在具有特定条件的球面上激发的SAW可自然地准直，并且可实现沿球赤道的多次往返。因此，基于该效果的球传感器可提供诸如高灵敏度和宽感应范围的高性能。
由于压电气体传感器的灵敏度也取决于传感器的温度，因此当传感器温度大幅改变时，测量的气体浓度受到干扰。但是，当无法将温度计插入传感器单元时，要测量传感器温度并不容易。球传感器也有同样的问题。引文列表
非专利文献
[NPL 1]K.Yamanaka等:Institute of Electrical and Electronics Engineers(IEEE)Transactions on Ultrasonics,Ferroelectrics,and Frequency Control,vol.53(2006)pp.793
[NPL 2]T.Tsuji等:Proceedings of Symposium on Ultrasonic Electronics,36(2015)3P3-6-1-2
发明内容
技术问题
鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种用于测量气体浓度的系统、方法和计算机程序产品，其可同时测量球传感器的球温和气体浓度，即使在变化的温度下也具有高的灵敏度和可靠性。
解决问题的方法
本发明的第一方面在于一种用于测量气体浓度的系统，其包括球传感器和信号处理单元。这里，球传感器具有(a)压电球，(b)传感器电极，其被配置为生成包括第一频率的基波和第二频率的谐波的表面声波的准直波束，准直波束传播通过压电球上的轨道路径，以及(c)沉积在压电球上的被配置为吸附目标气体的敏感膜，敏感膜布置在表面声波的准直波束通过的位置。并且信号处理单元具有(d)信号发生器，其被配置为将突发信号发送到传感器电极，以便激发在压电球周围传播的准直波束，(e)信号接收器，被配置为在准直波束围绕压电球传播预定匝数之后通过传感器电极接收准直波束的突发信号，以及(f)波形数据处理器，其被配置为使用突发信号的波形数据，分别通过第一频率的延迟时间的第一相对变化和第二频率的延迟时间的第二相对变化，来计算目标气体的气体浓度和球温。
本发明的第二方面在于一种用于使用球传感器测量气体浓度的方法，该球传感器在压电球上具有生成表面声波的传感器电极和吸附目标气体的敏感膜。与本发明的第二方面有关的方法包括：(a)使包含目标气体的气体流入其中球传感器就位的传感器单元，(b)将突发信号发送到传感器电极以激发包括第一频率的基波和第二频率的谐波的表面声波的准直波束，准直波束在穿过沉积在压电球上的轨道路径上的敏感膜的同时通过该轨道路径反复传播，(c)在准直波束围绕压电球传播预定匝数之后，通过传感器电极接收准直波束的突发信号，以及(d)通过突发信号的波形数据分别计算第一频率的延迟时间的第一相对变化和第二频率的延迟时间的第二相对变化，以便计算目标气体的气体浓度和球温。
本发明的第三方面涉及包含在计算机可读介质的一种计算机程序产品，其使用球传感器测量气体浓度，球传感器在压电球上具有生成表面声波的传感器电极和吸附目标气体的敏感膜。与本发明的第三方面有关的计算机程序产品包括(a)使包含目标气体的气体流入其中球传感器就位的传感器单元的指令，(b)将突发信号发送到传感器电极以激发包括第一频率的基波和第二频率的谐波的表面声波的准直波束的指令，准直波束在穿过沉积在压电球上的轨道路径上的敏感膜的同时通过该轨道路径反复传播，(c)在准直波束围绕压电球传播预定匝数后，通过传感器电极接收准直波束的突发信号的指令，以及(d)通过突发信号的波形数据分别计算第一频率的延迟时间的第一相对变化和第二频率的延迟时间的第二相对变化，以便计算目标气体的气体浓度和球温的指令。
发明的有益效果
根据本发明，可提供用于测量气体浓度的系统、方法和计算机程序产品，其可同时测量球传感器的球温和气体浓度，即使在变化的温度的情况下也具有高的灵敏度和可靠性。
附图说明
[图1]图1是示出根据本发明的第一实施方式的用于测量水浓度的系统的实例的示意剖视图；
[图2]图2是示出在根据本发明的第一实施方式的用于测量水浓度的系统中使用的球传感器的实例的示意图；
[图3]图3是示出根据本发明的第一实施方式的用于测量水浓度的系统中使用的球传感器的传感器电极的实例的示意图；
[图4]图4是示出根据本发明的第一实施方式的用于测量水浓度的系统中的温度控制和信号传输的实例的框图；
[图5]图5是示出根据本发明的第一实施方式的用于测量水浓度的系统中的信号处理单元的实例的框图；
[图6]图6是示出根据本发明的第一实施方式的用于测量水浓度的方法的实例的流程图；
[图7]图7是示出根据本发明的第一实施方式的球温引起的延迟时间变化与球温之间的关系的图；
[图8]图8是示出根据本发明的第一实施方式的监测温度和球温的温度跳变的图；
[图9]图9是示出根据本发明的第一实施方式的在改变水浓度和设定温度的同时由于水浓度和球温引起的延迟时间变化的时间变化的图；
[图10]图10是示出本发明的第一实施方式的水浓度的设定值和水浓度的测定值的时间变化的图；
[图11]图11是表示图9和图10的总结结果的表；
[图12]图12是将图9中的时间范围从550分钟扩大到600分钟的图；
[图13]图13是将图10中的时间范围从550分钟放大到600分钟的图；
[图14]图14是示出根据本发明的第一实施方式的在改变水浓度和设定温度的同时由于水浓度和球温引起的延迟时间变化的时间变化的图；
[图15]图15是将图14中的时间范围从12分钟扩大到14分钟的图；
[图16]图16是示出根据图14的结果评估的水浓度的图；
[图17]图17是将图16中的时间范围从12分钟放大到14分钟的图；
[图18]图18是示出从图16得到的测量水浓度与设定水浓度之间的关系的图；
[图19]图19是示出根据本发明第二实施方式的用于测量水浓度的系统中的温度控制和信号传输的实例的框图；
[图20A]图20A是示出根据本发明的第一实施方式的球温的时间变化的图；以及
[图20B]图20B是示出根据本发明第二实施方式的球温的时间变化的图。
具体实施方式
下面将参考附图描述本发明的第一和第二实施方式。在以下附图的描述中，相同或相似的附图标记指定相同或相似的部分。然而，附图是示意性的，并且应该注意厚度和平面图尺寸之间的关系，装置的配置等与实际数据不同的事实。因此，应通过考虑以下描述来判断具体的厚度和尺寸。而且，即使在相互附图之间，自然也包括其中相互尺寸之间的关系和比率不同的部分。此外，如下所述的第一和第二实施方式举例说明了用于体现本发明的技术构思的装置和方法，并且在本发明的技术构思中，配置部件的材料、形状、结构、布置等不限于以下。在下面的描述中，为了便于解释，简单地指定“水平”方向或“垂直”方向，并且不限制本发明的技术精神。因此，例如，当纸面旋转90度时，“水平”方向变为“垂直”方向，“垂直”方向变为“水平”方向。当纸面旋转180度时，“左”侧改变为“右”侧，“右”侧改变为“左”侧。因此，在权利要求所规定的技术范围内，可对本发明的技术思想添加各种变化。
-第一实施方式-
(系统配置)
如图1和图2所示，根据本发明第一实施方式的用于测量水浓度的系统包括传感器部1、温度控制器16和信号处理单元40。传感器部1具有嵌入管状传感器单元31的球传感器2，传感器单元31固定在设置在块状支架11上的板状适配器14上。由于球传感器2具有球形形状，具有管状配置的传感器单元31的内部结构具有凹形配置以用于安装球传感器2的下部。将电极支架底座32固定在传感器单元31上，使得电极支架底座32的底部插入窗的内壁中，窗在管状传感器单元31的顶壁垂直切割。垂直穿过电极支架底座32的底部的通道的开口部分地覆盖球传感器2的上部。此外，电极支架底座32被传感器单元盖帽33封顶。
球传感器2通过接触销35a沿垂直方向经由电极支架底座32底部的通道连接到杆状外部电极35。外部电极35保持在垂直对准的圆柱形电极支架34的中空空间中，其底部插入传感器单元盖帽33的内部。具有气体流速v的包含气体的痕量水分或“待测量的目标气体”通过水平对准的管道36被引入传感器单元31，使得待测量的目标气体可接触球传感器2的表面。气体流速v通常为0.1L/min至1L/min。
如图2所示，球传感器2可具有传感器电极22和敏感膜23，它们布置在均匀压电球20的表面上的预定区域中。作为三维基体，压电球2提供均匀的材料球体，在球体上可定义用于传播SAW的圆形轨道带。传感器电极22生成SAW的准直波束21，准直波束包括第一频率的基波和第二频率的谐波，在穿过沉积在轨道路径上的敏感膜23的同时通过在压电球20上限定的圆形轨道路径反复传播。敏感膜23可形成在限定了三维基体上的轨道路径的轨道带的几乎整个表面上。因为敏感膜21被配置为与特定气体分子反应，所以敏感膜21吸附目标待测气体中的水蒸气。
对于压电球20，可使用诸如石英、langasite(La3Ga5SiO14)、铌酸锂(LiNbO3)、钽酸锂(LiTaO3)、压电陶瓷(PZT)、氧化铋锗(Bi12GeO20)等的晶体球。对于敏感膜23，可使用二氧化硅(SiOx)膜等。传感器电极22可沉积在敏感膜23的开口中，在使得开口形成在均匀压电球20的赤道的一部分上的配置中，该开口暴露压电球20的一部分表面。对于传感器电极22，使用铬(Cr)膜等的叉指电极(IDT)可用作电声换能器。在诸如均匀压电球20的单晶球的情况下，SAW轨道路径限于具有恒定宽度的特定轨道带，这取决于晶体材料的类型。根据晶体的各向异性，可增加或减少轨道带的宽度。
在压电球20周围的往返期间没有衍射损耗，并且仅存在由于材料衰减而导致的传播损耗。准直波束21被安排传播通过敏感膜23许多匝，敏感膜23被配置成吸附水分子。因为吸附的水分子改变SAW的传播特性，所以由于在敏感膜23上吸附的水分子引起的变化可通过多次往返对每一匝积分。因此，即使敏感膜23可薄到吸附少量水蒸气，也可增加水浓度的测量精度。
基波的第一频率f1和谐波的第二频率f2之间的适当关系应由f2＝nf1表示，其中n＝3或5。即，在用于测量与本发明的第一实施方式有关的水浓度的系统中，谐波是三次谐波或五次谐波。因此，当第一频率f1是80MHz时，第二频率f2对于三次谐波是240MHz或对于五次谐波是400MHz。直径为3.3毫米的压电球20的第一频率f1的适当范围可以是60MHz至100MHz，并且最合适的第一频率f1可以是80MHz。第一频率f1与压电球20的直径成反比。
例如，球传感器2可如下所述制造。在直径为3.3毫米的石英球的表面上沉积约150纳米厚的Cr膜的IDT图案。如图3所示，IDT具有一对汇流条25a、25b，以及分别从汇流条25a、25b延伸的多个电极指26a、26b。电极指26a、26b以交叉宽度Wc彼此重叠，并且每个电极指26a、26b具有宽度Wf和周期P。对于80MHz SAW的自然准直，交叉宽度Wc、宽度Wf和周期P被分别设计为364微米、6.51微米和10.0微米(参见非专利文献1)。
在直径为3.3毫米的石英球上的这个IDT可生成作为基波的80MHzSAW和作为三次谐波的240MHz SAW。然后通过使用溶胶-凝胶法合成二氧化硅膜，并将其如下涂覆在石英球的表面上：3.47克四乙氧基硅烷(TEOS)、0.75克异丙醇(IPA)和1.50克0.1N盐酸(HCl)混合并通过超声处理(27,45,100kHz，60分钟)搅拌。TEOS通过水解聚合并生成SiOx。超声处理后，将混合物用IPA稀释，并得到0.5质量％SiOx溶液。SAW的传播路径表面使用旋涂来涂覆SiOx溶液。旋涂的条件是3000rpm，持续20秒。使用干涉显微镜测量，确认SiOx膜的厚度为1029纳米。
使用附接在外部电极35的底部上的接触销35a，经由布置在北极(图2中的压电球20的顶部)周围的电极焊盘(未示出)将RF电压施加到传感器电极22。围绕南极(图2中的压电球20的底部)布置的另一电极焊盘(未示出)与接地的传感器单元31接触。
如图1中所示，温度控制器16连接到帕尔贴元件12，帕尔贴元件12在球传感器2正下方的位置处保持在支架11的下部，并且热敏电阻1在支架11的侧面位置处插入支架11中。此外，温度控制器16连接到热敏电阻13。珀耳帖元件12用于通过适配器14加热和冷却传感器单元31中的球传感器2。热敏电阻13用于检测支架11的监测温度Tth。温度控制器16通过使用监测温度Tth控制珀耳帖元件12。如图1中所示，热敏电阻13不能直接插入传感器单元31中以防止气体通过传感器单元31泄漏。注意，虽然热敏电阻13用于检测第一实施方式中的监测温度Tth，但是可使用其它温度计，诸如热电偶等。
如图4所示，信号处理单元40包括信号发生器和信号接收器(以下信号发生器和信号接收器的集合称为“信号发生器/接收器”)42和波形数据处理器44。波形数据处理器44包括通信模块(通信逻辑电路)45、计算模块(计算逻辑电路)46、比较模块(比较逻辑电路)47和用于计算机系统的逻辑硬件资源的存储器单元48，如图5所示。波形数据处理器44的通信模块45将珀耳帖元件12的预定的“设定温度”或控制温度发送到温度控制器16，并且将使气体流入传感器单元31的指令发送到传感器部1。
此外，通信模块45向信号发生器/接收器42发送指令，使得信号发生器/接收器42将突发信号发送到球传感器2的传感器电极22，使得传感器电极22可激发围绕压电球20传播的SAW准直波束21，并且在准直波束21围绕压电球20传播预定匝数之后，通过传感器电极22接收准直波束21的突发信号。信号发生器/接收器42将突发信号的波形数据发送到波形数据处理器44。
波形数据处理器44的计算模块46使用突发信号的波形数据，分别使用第一频率的延迟时间的第一相对变化和第二频率的延迟时间的第二相对变化来计算水浓度w和球温TB。波形数据处理器44的比较模块47将计算的球温TB与先前测量的球温TB的值进行比较，以便确定测量是否已经在热平衡中实施。波形数据处理器44的存储器单元48存储用于允许波形数据处理器44实现用于计算水浓度w和球温TB的波形数据的处理的程序。此外，存储器单元48存储珀耳帖元件12的设定温度、计算的球温TB、先前测量的球温TB以及在波形数据处理器44的操作期间在其计算和分析期间获得的数据。
波形数据处理器44可以是通用计算机系统的中央处理单元(CPU)的一部分，诸如个人计算机(PC)等。波形数据处理器44可包括执行算术和逻辑运算的算术逻辑单元(ALU)、向ALU提供操作数并存储ALU操作结果的多个寄存器以及安排(从存储器)提取并通过指导ALU的协调操作来执行指令的控制单元。实现ALU的通信模块45、计算模块46和比较模块47可以是离散的硬件资源，诸如逻辑电路块或包含在单个集成电路(IC)芯片上的电子电路，或者可替代地可使用通用计算机系统的CPU由软件实现的几乎等效的逻辑功能提供。
另外，用于测量水浓度的波形数据处理器44的程序不限于存储在安装在波形数据处理器44中的存储器单元48中。例如，程序可存储在外部存储器中。此外，程序可存储在计算机可读介质中。通过读取包括波形数据处理器44的计算机系统的存储器单元48中的计算机可读介质，波形数据处理器44根据程序中记载的指令序列实现用于测量水浓度的协调操作。这里，“计算机可读介质”指可在其上记录程序的记录介质或存储介质，诸如计算机的外部存储器单元、半导体存储器、磁盘、光盘、磁光盘和磁带。
在波形数据处理器44中执行的测量原理将描述如下，将延迟时间(DTC)的第一相对变化表示为希腊字母的Delta-t1，并且第二相对DTC表示为希腊字母的Delta-t2，因为变量值的宏观变化用数学或科学中的希腊字母Delta表示。Delta-t1在第一频率f1处定义为Delta-Tau1/Tau1，并且在第二频率f2处将Delta-t2定义为Delta-Tau2/Tau2。这里，希腊字母Tau1和Tau2分别是在第一频率f1和第二频率f2的SAW的延迟时间，在传播预定匝数期间没有水分吸附在敏感膜23上，并且Delta-Tau1和Delta-Tau2是由于水浓度和球温变化引起的延迟时间Tau1和Tau2的延迟时间变化。每一匝的延迟时间Tau1和Tau2中的每一个被获得为最接近在匝处的所接收突发信号的小波变换的实部的最大幅度的零交叉时间(参考NPL 2)。
第一和第二相对变化Delta-t1，Delta-t2由下式给出：
Delta-t1＝B(TB)f1G(w)+A1(TB-TREF)..............(1)
Delta-t2＝B(TB)f2G(w)+A2(TB-TREF)..............(2)
其中B(TB)是灵敏度因子，w是水浓度，G(w)是水浓度的函数，TB是球传感器2的球温，TREF是参考温度，并且A1和A2分别是频率f1和f2的温度系数。
从等式(1)和(2)，由气体浓度w引起的延迟时间的第一客观变化Delta-tW由下式给出：
Delta-tW＝Delta-t2-CDelta-t1＝(f2-Cf1)B(TB)G(w)..............(3)
并且，由球温(温度项)TB引起的延迟时间的第二客观变化Delta-tT由下式给出：
Delta-tT＝{(f2/f1)Delta-t1-Delta-t2}/{(f2/f1)-C}＝A1(TB-TREF)...(4)
这里，A1和A2分别是第一和第二频率f1，f2处的温度系数，并且C＝A2/A1是温度系数比。水浓度w和球温TB可分别通过等式(3)和(4)同时获得。
已经使用SAW的基波和三次谐波实现了测试测量，即f2＝3f1，并且没有气流。将参考图6中所示的流程图描述测试测量的每个过程。在步骤S100中，信号发生器/接收器42a将突发信号发送到球传感器2，以便激发SAW的准直波束21。在步骤S101中，在准直波束21围绕球传感器2传播预定匝数之后，信号发生器/接收器42通过球传感器2接收准直波束21的突发信号。突发信号的波形数据被传输到波形数据处理器44。
在步骤S102中，波形数据处理器44使用波形数据分别计算第一频率f1的第一相对变化Delta-t1和第二频率f2的第二相对变化Delta-t2。然后，使用第一相对变化Delta-t1和第二相对变化Delta-t2分别计算由于水浓度w和球温TB引起的第一客观变化Delta-tW和第二客观变化Delta-tT。在步骤S103中，波形数据处理器44使用第二客观变化Delta-tT通过等式(4)计算球温TB。在步骤S104中，将来自先前测量循环的球温TB的温度变化Delta-T与作为热平衡标准的阈值Delta-TC进行比较。在测试测量中，阈值Delta-TC暂时设置为20℃，对于每个12秒的测量循环，总是满足条件Delta-T<Delta-TC。在步骤S105中，通过等式(3)计算气体浓度w。
作为测试测量的结果，温度系数比C通过第二相对变化Delta-t2与第一相对变化Delta-t1的最小二乘拟合确定为C＝0.9875。此外，如图7所示，通过改变珀耳帖元件12的设定温度，将第二客观变化Delta-tT绘制为球温TB的函数。这里，当气体流速v为零时，假设球温TB与支架11的监测温度Tth相同。从等式(4)，温度系数A1可由拟合线的斜率限定，并且参考温度TREF可由其中第二客观变化Delta-tT为零的特定的球温定义。因此，温度系数A1和参考温度TREF可确定为-24.25ppm/℃和24.06℃。
将温度系数A1和参考温度TREF代入等式(4)，可得到球温TB；
TB＝24.06-0.0412Delta-tT..............(5)
使用等式(5)计算的其他球温的误差已经被评估为小于0.24％。如上所述，根据第一实施方式，可以以高的灵敏度和可靠性测量球温。
为了评估传感器单元31的热容量的影响，将通过等式(5)计算的球温TB与由热敏电阻13测量的监测温度Tth进行比较。如图8所示，当珀耳帖元件12的特定设定温度已从34℃变为24℃时，球温TB从监测温度Tth已延迟了约0.5分钟，并且即使在3分钟后也没有达到24℃。这种现象是由不锈钢板制成的适配器14的大热容量引起的。因此，有必要利用热平衡测量水浓度，以使用敏感膜23的粘弹性进行精确测量。为了避免由非平衡现象引起的误差，期望设定阈值Delta-TC为较小的值，例如0.1℃或更小。相反，希望将阈值Delta-TC设定为较大的值，例如10℃或更大，以不间断地继续测量。
如图10所示，氮气(N2)气流中的水浓度w已经按照1.3，234，1.3，590，1.3，1180，1.3ppbv的顺序改变，其中每个水浓度w已经使用腔衰荡光谱(CRDS)计算(参见S.Hagihara等，Japanese Journal of Applied Physics，Vol.53(2014)07KD08)。同时，珀耳帖元件12的设定温度在24℃和14℃之间变化。如图9和图11所示，测量了由于水浓度w和球温TB引起的第一客观变化Delta-tw。如图9所示，球温TB精确地再现了温度设定，并且不受水浓度w的变化的干扰，说明了等式(4)或(5)的有效性。第一个客观变化Delta-tw随水浓度w并且还随球温TB而变化。
使用图11中所示的表格的第一客观变化Delta-tw，等式(3)中的右手侧项可评估为；
(f2-Cf1)B(TB)＝a exp[Delta-e/kB(TB+273)]..............(6)
其中a＝-6.33’10-6，Delta-e＝0.271(eV)，kB＝8.617’10-5eV/K(玻尔兹曼常数)并且
G(w)＝w1/2..............(7)
将等式(6)和(7)代入等式(3)，可得到水浓度w；
w＝(Delta-tw/a)2exp[-2Delta-e/kB(TB+273)]...........(8)
TB是由等式(5)给出的。如图10所示，水浓度w几乎正确地再现了序列中的设定值。因此，根据第一实施方式，即使在温度变化的情况下也可实现浓度测量。
图12示出了当水浓度w从1.3变化到1180ppbv时第一客观变化Delta-tw和球温TB的转变。如图12所示，由于水浓度w和球温TB的变化，第一DTC Delta-tw已表现出相当复杂的行为。然而，如图13中所示，水浓度w几乎正确地再现了设定值。
因此，即使在温度变化的情况下，也确认了浓度测量的可靠性。然而，在球温TB在14℃和24℃之间剧烈变化的温度跳变附近的水浓度w的变化是为了提高精度而要解决的主题。当来自前一测量循环的球温TB的温度变化Delta-T大于0.1℃时，可能发生温度跳变。尽管水浓度w的变化可能是由于传感器单元31和管道36中的水的吸附和/或解吸，但是当球温TB的温度变化Delta-T过大时，可能发生水浓度w的变化。
为了解决温度跳变附近的水浓度w的变化问题，已经实施了另一个测试测量，其阈值Delta-TC为0.08℃。N2气流中的水浓度w以3.39，14.36，3.39，41.22，3.39，85.74，3.39，174.2，3.39，434.7，3.39，870.4，3.39ppbv的序列改变，使用CRDS进行评估。同时，通过使用珀耳帖元件12，球温TB每15分钟在24℃和14℃之间变化。
如图14所示，测量的球温TB已经再现了温度设定。如图15所示，众所周知，球温TB在约14℃下保持约5分钟，在约10分钟内从14℃变为24℃，并在24℃周围保持约五分钟。由于水浓度w引起的第一客观变化Delta-tw已经随着水浓度w以及球温TB而变化。
在图6所示的流程图的步骤S104中，阈值Delta-TC已被设定为0.08℃，在球温TB保持在14℃或24℃周围约五分钟的持续时间内，满足平衡条件Delta-T<Delta-TC。在这种情况下，等式(3)的右手侧项可评估为等式(6)和(7)，其中a＝-9.00’10-6，Delta-e＝0.311(eV)。将其中a＝-9.00’10-6，Delta-e＝0.311(eV)的等式(6)和(7)代入等式(3)中，可使用等式(8)获得水浓度w。如图16和图17所示，与图10和图13中相比，可减小温度跳变附近的所测量水浓度w的变化。
图18还示出了设定浓度值与在60分钟内平均的测量浓度值之间的比较。如图18所示，可理解，设定浓度值与测量浓度值之间的一致性是显著的。因此，根据第一实施方式，即使在变化的温度下也可实现浓度测量的可靠性。
(测量方法)
将参考图6中所示的流程图描述根据第一实施方式的水浓度的测量方法。首先，波形数据处理器44的通信模块45将珀耳帖元件12的特定设定温度发送到图1所示的温度控制器16。球温由具有特定设定温度的珀耳帖元件12控制，并且插入支架11中的热敏电阻13监测支架11的温度。根据从通信模块45发出的指令，包含水蒸气的气体通过管道36流入传感器单元31。
在步骤S100中，根据从通信模块45发送的指令，从信号发生器/接收器42向传感器电极22发送突发信号，以便激发SAW的准直波束21。如图2所示，准直波束21在穿过分配在压电球20上的轨道路径上的敏感膜23的同时通过该轨道路径反复传播。
在步骤S101中，在准直波束21在压电球20周围传播预定匝数(例如50匝)之后，信号发生器/接收器42通过传感器电极22接收准直波束21的突发信号。突发信号的波形数据通过通信模块45被发送到图4所示的波形数据处理器44。
在步骤S102中，波形数据处理器44的计算模块46通过突发信号的波形数据分别计算第一频率f1的第一相对变化Delta-t1和第二频率f2的第二相对变化Delta-t2。然后，使用第一相对变化Delta-t1和第二相对变化Delta-t2分别计算由于水浓度w和球温TB引起的第一客观变化Delta-tW和第二客观变化Delta-tT。
在步骤S103中，波形数据处理器44的计算模块46使用第二客观变化Delta-tT计算球温TB。
在步骤S104中，通过波形数据处理器44的比较模块47将来自前一测量循环的球温TB的温度变化Delta-T与阈值Delta-TC进行比较。在根据第一实施方式的浓度测量中，阈值Delta-TC设定为0.08℃。
当温度变化Delta-T等于或小于阈值Delta-TC时，在步骤S105中，由计算模块46计算气体浓度w并将其记录在存储器单元48中作为新的测量值。另一方面，当温度变化Delta-T大于阈值Delta-TC时，确定不能实现精确测量敏感膜的粘弹性所需的热平衡。因此，前一循环中的水浓度w仍然有效，并且处理返回到步骤S100，以便开始下一个测量循环。
在根据第一实施方式的测量方法中，即使在变化的温度下，也可以以高的灵敏度和可靠性同时测量球传感器2的水浓度w和球温TB。
第二实施方式
如图8所示，与第一实施方式中的热敏电阻13的监测温度Tth相比，球温TB的变化相当慢并且延迟了大约0.5分钟。而且，即使在三分钟之后，球温TB也可能达不到所需的设定温度。其中一个原因是由不锈钢板制成的适配器14的大热容量。而且，为了监测球温TB，热敏电阻13应尽可能靠近球传感器2安装。然而，由于应避免从外部空气中泄漏水分，因此热敏电阻13不能安装在传感器单元31中。
如在第一实施方式中提到的，使用SAW的延迟时间Tau1和Tau2以及延迟时间Tau1和Tau2的相对变化Delta-Tau1和Delta-Tau2，球温TB是可用的。更具体地，由波形数据处理器44计算的球温TB可用于通过热敏电阻13来控制珀耳帖元件12而不是监测温度Tth。因此，球传感器2本身可用作精确的温度计来监测球温TB。
因此，温度控制过程的性能可能是理想的，并且球温TB的响应可明显更快。温度控制需要使用球温TB作为控制信号，并且当球温TB用作控制信号时，与其中使用商用温度控制器的配置相比，与第一实施方式相关的用于测量水浓度的系统的性能可得到改善。使用图19所示的装置实现了这种改进。
在本发明的第二实施方式中，如图19所示，温度控制器16包括命令解释器18，用于从波形数据处理器44接收珀耳帖元件12的特定设定温度和计算的球温TB。第二实施方式与第一实施方式的不同之处在于命令解释器18设置在波形数据处理器44中。其他配置与第一实施方式中的配置几乎相同，因此省略重复的描述。
在测量期间，波形数据处理器44在温度控制器16中设定温度以控制珀耳帖元件12。信号发生器/接收器42将突发信号发送到球传感器2，并在准直波束21在压电球20周围传播预定的匝数之后接收准直波束21的突发信号。随后，信号发生器/接收器42将突发信号的波形数据发送到波形数据处理器44。波形数据处理器44使用等式(4)和(5)将信号处理应用于波形数据，以获得球温TB作为计算的温度。使用由电子工业协会(EIA)定义的推荐标准232版本C(RS232C)通信协议将计算的球温TB发送到命令解释器18。
当计算的球温TB低于或高于设定温度时，温度控制器16根据比例-积分-微分(PID)控制算法向珀耳帖元件12发送加热或冷却电流。在第二实施方式中，由于球温TB用作控制珀耳帖元件12的控制信号，因此与使用由热敏电阻13监测的监测温度Tth相比，球温TB的响应可明显更快。
响应时间是通过达到特定设定温度所需的时间来评估的，并且在设定温度范围内稳定在±0.2℃的温度范围内。图20A和图20B示出了当在时间t＝0min时将珀耳帖元件12的特定设定温度从24℃改变到14℃时，以及在时间t＝15min时，将珀耳帖元件12的特定设定温度从14℃改变到24℃时由珀耳帖元件12控制的球温TB的时间变化。图20A示出了根据第一实施方式的温度控制，其中热敏电阻13的监测温度Tth已被用作控制信号。图20B示出了根据第二实施方式的温度控制，其中由波形数据处理器44计算的球温TB已被用作控制信号。
如图20A所示，响应时间分别在特定设定温度从24℃改变到14℃时为约7.0min，并且在特定设定温度从14℃改变到24℃时为约4.65min。如图20B所示，响应时间分别在特定设定温度从24℃改变到14℃时为约3.85min，并且在特定设定温度从14℃改变到24℃时为约3.1min。因此，从图20A和图20B中可理解，与使用由热敏电阻13监测的监测温度Tth相比，使用球温TB作为控制信号的球温TB的响应可明显更快。
其他实施方式
如上所述，已经基于第一和第二实施方式描述了本发明。然而，构成本公开的一部分的讨论和附图不应被理解为限制本发明。根据本公开，各种变化、实现和操作技术对于本领域技术人员而言是显而易见的。
在第一和第二实施方式中，温度控制单元10用于控制球传感器2的温度。然而，当在室温或温度控制室中进行测量时，球传感器2的温度控制并不总是如此必要。在这种情况下，测量系统可包括传感器部1和信号处理单元40。
在第一和第二实施方式中，描绘了痕量水分传感器作为气体传感器。然而，本发明不仅适用于痕量水分传感器，而且适用于各种气体分子的传感器，例如氢分子、氧分子、挥发性有机化合物分子等。例如，对于氢气传感器的敏感膜23，可使用钯(Pd)膜或Pd化合物膜。这样，本发明自然包括这里没有提到的各种实施方式。因此，本发明的技术范围仅由权利要求中规定的从上述描述中合理的“特定技术特征”确定。
参考符号列表
1 传感器部
2 球传感器(球SAW传感器)
10 温度控制单元
11 支架
12 珀耳帖元件
13 热敏电阻
14 适配器
16 温度控制器
18 命令解释器
20 压电球
21 准直波束
22 传感器电极
23 敏感膜
31 传感器单元
32 电极支架底座
33 传感器单元盖帽
34 电极支架
35 外部电极
36 管
40 信号处理单元
42 信号发生器/接收器(信号发生器和接收器)
44 波形数据处理器
45 通信模块
46 计算模块
47 比较模块
48 存储器单元。

Claims (20)

1.一种用于测量气体浓度的系统，包括：
球传感器，具有：
压电球，
传感器电极，被配置为生成包括第一频率的基波和第二频率的谐波的表面声波的准直波束，所述准直波束通过所述压电球上的轨道路径传播，和
敏感膜，沉积在所述压电球上，被配置为吸附目标气体，所述敏感膜布置在所述表面声波的准直波束通过的位置；以及
信号处理单元，具有：
信号发生器，被配置为将突发信号发送到所述传感器电极，以激发在所述压电球周围传播的所述准直波束，
信号接收器，被配置为在所述准直波束围绕所述压电球传播预定匝数之后通过所述传感器电极接收所述准直波束的突发信号，和
波形数据处理器，被配置为使用所述突发信号的波形数据，分别通过所述第一频率的延迟时间的第一相对变化和所述第二频率的延迟时间的第二相对变化来计算球温和所述目标气体的气体浓度。
2.根据权利要求1所述的系统，其中，在计算所述气体浓度和所述球温时，所述波形数据处理器通过所述第一相对变化和所述第二相对变化来计算延迟时间的第一客观变化和第二客观变化，所述第一客观变化由于所述气体浓度引起，所述第二客观变化由于所述球温引起。
3.根据权利要求2所述的系统，其中，使用所述基波的延迟时间和由于所述气体浓度和所述球温引起的所述基波的所述延迟时间的变化来计算所述第一相对变化，并且
使用所述谐波的延迟时间和由于所述气体浓度和所述球温引起的所述谐波的所述延迟时间的变化来计算所述第二相对变化。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述第一相对变化和所述第二相对变化由下式给出：
Delta-t1＝Delta-Tau1/Tau1，和
Delta-t2＝Delta-Tau2/Tau2，
这里，
Delta-t1和Delta-t2分别是在所述第一频率的所述第一相对变化和在所述第二频率的所述第二相对变化，
Tau1和Tau2分别是所述基波的延迟时间和所述谐波的延迟时间，并且
Delta-Tau1和Delta-Tau2分别是所述基波的所述延迟时间的变化和所述谐波的所述延迟时间的变化。
5.根据权利要求4所述的系统，其中，所述第一客观变化和所述第二客观变化由下式给出：
Delta-tW＝Delta-t2-CDelta-t1，和
Delta-tT＝{(f2/f1)Delta-t1-Delta-t2}/{(f2/f1)-C}，
这里，
Delta-tW和Delta-tT分别是所述第一客观变化和所述第二客观变化，
f1和f2分别是所述第一频率和所述第二频率，
C＝A2/A1是温度系数比，并且
A1和A2分别是在所述第一频率的温度系数和在所述第二频率的温度系数，
并且其中，所述球温TB由下式给出：
Delta-tT＝A1(TB-TREF)
这里，
TREF是参考球温，在其处所述第二客观变化Delta-tT为零。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述谐波是三次谐波或五次谐波。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，其中，所述目标气体是水蒸气，并且所述敏感膜是二氧化硅膜。
8.根据权利要求1至5中任一项所述的系统，还包括温度控制单元，所述温度控制单元被配置为控制所述球传感器的球温。
9.根据权利要求8所述的系统，其中，所述温度控制单元包括：
珀耳帖元件，用于加热和冷却所述球传感器；
热敏电阻，用于检测所述珀耳帖元件的监测温度；以及
温度控制器，用于通过使用所述监测温度来控制所述珀耳帖元件。
10.根据权利要求8所述的系统，其中，所述温度控制单元包括：
珀耳帖元件，用于加热和冷却所述球传感器，
温度控制器，用于通过使用计算的球温来控制所述珀耳帖元件。
11.一种使用球传感器测量气体浓度的方法，所述球传感器在压电球上具有生成表面声波的传感器电极和吸附目标气体的敏感膜，所述方法包括：
使包含所述目标气体的气体流入其中所述球传感器就位的传感器单元中；
将突发信号发送到所述传感器电极，以激发包括第一频率的基波和第二频率的谐波的表面声波的准直波束，所述准直波束在穿过沉积在所述压电球上的轨道路径上的所述敏感膜的同时通过所述轨道路径反复传播；
在所述准直波束围绕所述压电球传播预定匝数之后，通过所述传感器电极接收所述准直波束的突发信号；以及
通过所述突发信号的波形数据分别计算所述第一频率的延迟时间的第一相对变化和所述第二频率的延迟时间的第二相对变化，以便计算球温和所述目标气体的气体浓度。
12.根据权利要求11所述的方法，还包括：
在计算所述球温后，将所述球温与先前测量的球温之间的温度变化与阈值进行比较；并且
当所述温度变化等于或小于所述阈值时，将所述气体浓度和所述球温的计算值记录为测量值。
13.根据权利要求11所述的方法，其中，在计算所述气体浓度和所述球温时，使用所述第一相对变化和所述第二相对变化来计算由于所述气体浓度引起的延迟时间的第一客观变化和由于所述球温引起的延迟时间的第二客观变化。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，使用所述基波的延迟时间和由于所述气体浓度和所述球温引起的所述基波的所述延迟时间的变化来计算所述第一相对变化，并且
使用所述谐波的延迟时间和由于所述气体浓度和所述球温引起的所述谐波的所述延迟时间的变化来计算所述第二相对变化。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，所述第一相对变化和所述第二相对变化由下式给出：
Delta-t1＝Delta-Tau1/Tau1，和
Delta-t2＝Delta-Tau2/Tau2，
这里，
Delta-t1和Delta-t2分别是在所述第一频率的所述第一相对变化和在所述第二频率的所述第二相对变化，
Tau1和Tau2分别是所述基波的延迟时间和所述谐波的延迟时间，并且
Delta-Tau1和Delta-Tau2分别是所述基波的所述延迟时间的变化和所述谐波的所述延迟时间的变化。
16.根据权利要求15所述的方法，其中，所述第一客观变化和所述第二客观变化由下式给出：
Delta-tW＝Delta-t2-CDelta-t1，和
Delta-tT＝{(f2/f1)Delta-t1-Delta-t2}/{(f2/f1)-C}，
这里，
Delta-tW和Delta-tT分别是所述第一客观变化和所述第二客观变化，
f1和f2分别是所述第一频率和所述第二频率，
C＝A2/A1是温度系数比，并且
A1和A2分别是在所述第一频率的温度系数和在所述第二频率的温度系数，
并且其中，所述球温TB由下式给出
Delta-tT＝A1(TB-TREF)
这里，
TREF是参考球温，在其处所述第二客观变化Delta-tT为零。
17.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，其中，所述谐波是三次谐波或五次谐波。
18.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，其中，所述目标气体是水蒸气，并且所述敏感膜是二氧化硅膜。
19.根据权利要求11至16中任一项所述的方法，还包括：在使所述气体流动之前，将所述球传感器的球温控制到设定温度。
20.一种计算机可读介质，所述计算机可读介质上存储有计算机程序，所述计算机程序在被包括所述计算机可读介质的计算机执行时，使所述计算机执行使用球传感器测量气体浓度的方法，所述球传感器在压电球上具有生成表面声波的传感器电极和吸附目标气体的敏感膜，所述方法包括：
使包含所述目标气体的气体流入其中所述球传感器就位的传感器单元中；
将突发信号发送到所述传感器电极以激发包括第一频率的基波和第二频率的谐波的表面声波的准直波束，所述准直波束在穿过沉积在所述压电球上的轨道路径上的所述敏感膜的同时通过所述轨道路径反复传播；
在所述准直波束围绕所述压电球传播预定匝数之后，通过所述传感器电极接收所述准直波束的突发信号；以及
通过所述突发信号的波形数据分别计算所述第一频率的延迟时间的第一相对变化和所述第二频率的延迟时间的第二相对变化，以便计算球温和所述目标气体的气体浓度。
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