CN110736769B - 一种气体报警器的自动化标定装置和方法 - Google Patents

一种气体报警器的自动化标定装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种气体报警器的自动化标定装置和方法，其中标定装置包括：气体配比箱，内部充注有气体报警器标定用气体；气体分析仪，分析气体配比箱中气体的浓度；自动注样仪，根据气体分析仪的分析结果，控制气源向气体配比箱中的供气量，以使气体配比箱中实时气体浓度与目标气体浓度相对平衡；标定控制器，与气体报警器连接；计算机，用于设置标定所需的目标气体浓度，并将目标气体浓度发送给自动注样仪，以及获取自动注样仪的实时气体浓度，并通过标定控制器将实时气体浓度发送给气体报警器；该气体报警器包括有温度传感器以及温度&浓度补偿系统。本发明利用温度、浓度补偿方法，无需严格控制标定环境中的温度和气体浓度。

Description

一种气体报警器的自动化标定装置和方法
技术领域
本发明涉及气体报警器标定技术。
背景技术
气体报警器在出厂前需要对其核心元器件(传感器)进行标定，以获取其在该状态下的特征值，作为后续测量和报警的标准点。目前行业内通常的做法是，在标准温度条件下(通常为20℃)，将气体报警器放置在报警浓度点(通常为5000ppm)的气体环境中，检测此时传感器输出的特征值，一般为电阻值或电压值。完成标定后的气体报警器在工作过程中，通过内部的温度补偿算法，将对当前温度下的测量值转换成标准温度下的测量值，进而与标定值做比较，从而判断当前的气体浓度是否超标。
这种标定方法要求对生产过程进行严格的控制，一般要求环境温度控制在±1℃，气体浓度控制在±100ppm，而在标定过程中，由于传感器自身发热，同时气体的消耗、泄露很难通过人工补加来维持平衡。
现有的传感器标定过程，厂家一般采用循环供气的方式来维持标定过程中气体的温度和浓度的稳定。
但是，目前采用的循环供气方案，需要投入较为昂贵的生产设备，同时还存在生产成本高、废气排放多以及存在气体泄露等问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种气体报警器的自动化标定装置和方法，无需严格控制标定环境中的温度和气体浓度。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：一种气体报警器的自动化标定装置，包括：
气体配比箱，气体报警器放置于气体配比箱中进行标定，所述气体配比箱内部充注有气体报警器标定用气体；
气体分析仪，分析所述气体配比箱中气体的浓度；
气源，为所述气体配比箱提供气体；
自动注样仪，根据所述气体分析仪的分析结果，控制所述气源向所述气体配比箱中的供气量，以使所述气体配比箱中实时气体浓度与目标气体浓度相对平衡；
标定控制器，与气体报警器连接；
计算机，用于设置标定所需的目标气体浓度，并将目标气体浓度发送给所述自动注样仪，以及获取所述自动注样仪的实时气体浓度，并通过所述标定控制器将实时气体浓度发送给所述气体报警器；
该气体报警器包括有温度传感器以及温度&浓度补偿系统，通过温度传感器获取所述气体报警器附近的环境温度，通过温度&浓度补偿系统将非标定条件下获取的标定值，转换成标定条件下的标定值，完成自动化标定。
可选的，所述气体配比箱包括具有开口的箱体以及密闭箱体开口的箱盖，所述箱体上安装有使气体配比箱中气体快速混匀的风扇。
可选的，若干个所述气体报警器与所述标定控制器相连进行批量标定。
可选的，所述标定控制器放置于气体配比箱中。
可选的，所述气源为供气钢瓶。
本发明还提供了一种气体报警器的自动化标定方法，使用所述的自动化标定装置，包括如下步骤：
S1:将气体报警器放置在气体配比箱中密封；
S2:通过计算机设置标定所需的目标气体浓度，并将目标气体浓度发送给自动注样仪；
S3:气体分析仪采集气体配比箱中的实时气体浓度，并将实时气体浓度发送给所述自动注样仪；
S4:自动注样仪判断实时气体浓度是否与目标气体浓度相同，从而做出是否注气的动作，仅当实时气体浓度低于目标气体浓度时，自动注样仪通过气源向气体配比箱供气，维持实时气体浓度与目标气体浓度相对平衡；
S5:计算机获取自动注样仪的实时气体浓度，并通过标定控制器将实时气体浓度发送给气体报警器；
S6:气体报警器通过温度传感器获取环境温度，通过温度&浓度补偿系统将非标定条件下获取的标定值，转换成标定条件下的标定值，完成自动化标定。所述气体报警器为半导体气体传感器，所述温度&浓度补偿系统进行标定包括如下步骤：
S1：在非标定条件下进行标定时，通过温度传感器获取气体传感器附近的环境温度，通过气体传感器获取传感器阻值，通过计算机获取实时气体浓度；
S2：在预先建立的温度补偿数据库中查找与当前环境温度相近的上下两个温度值，采用线性插值方法生成当前环境温度条件下的归一化系数与气体浓度对照表；
S3：在步骤S2生成的归一化系数与气体浓度对照表中查找与步骤S1中当前的实时气体浓度相近的上下两个气体浓度，采用线性插值方法计算获得当前环境温度和气体浓度条件下的归一化系数，即为非标定条件下转化为标定条件的温度&浓度补偿系数；
S4:将步骤S1获得的非标定条件下的传感器阻值除以步骤S3获得的温度&浓度补偿系数，即得出标定条件下的标定值，完成自动化标定；
其中，所述温度补偿数据库是基于不同温度条件下，不同气体浓度与归一化系数对应关系建立的数据库。
可选的，所述标定阻值为气体传感器在温度为20℃～35℃，气体浓度为半导体气体传感器满量程30％～70％的标准状态下测得的阻值。
可选的，所述温度补偿数据库的建立包括如下步骤：
S01：获取半导体式气体传感器在标准温度条件下对应不同气体浓度时的阻值，各阻值分别与半导体式气体传感器的标定阻值进行归一化处理，得到与不同气体浓度对应的归一化系数，建立标准温度下的归一化系数与气体浓度对照表；
S02：重复步骤S01，得到其它不同温度不同气体浓度传感器的阻值与标定阻值对应的归一化系数，建立温度补偿数据库。
可选的，所述步骤S01中，所述的不同气体浓度分别为半导体气体传感器满量程的0％、10％、20％、30％、40％、50％、60％、70％、80％、90％、100％。
本发明采用的技术方案，具有如下有益效果：
1、利用温度、浓度补偿方法，无需严格控制标定环境中的温度和气体浓度，解决了现有技术中报警器标定设备投入大、生产成本高、废气排放多以及存在气体泄露等问题。
2、由于气体报警器会发热，且一次测量的气体报警器数量较多，气体配比箱中会出现温度不均的情况，本发明利用气体报警器自带的温度传感器测试报警器周围环境的温度，较少了温度不均导致的温度测试的误差。
3、由于自动注样仪的注样存在偏差，且一旦实时气体浓度超过了目标气体浓度，也无法主动降低气体配比箱中的实时气体浓度，一般的做法是等待气体耗散到合适浓度后，再进行标定。本发明利用气体分析仪采集到实时气体浓度进行转换，提高了标定效率。
本发明采用的具体技术方案及其带来的有益效果将会在下面的具体实施方式中结合附图中予以详细的揭露。
附图说明
图1为本发明所述的自动化标定装置的结构示意图；
图1中：气源1，自动注样仪2，气体分析仪3，气体配比箱4，箱盖41，风扇42，计算机5，气体报警器6，标定控制器7；
图2为本发明所述的自动化标定方法的流程图；
图3为温度&浓度补偿系统进行标定的流程图；
图4为本发明实施例中建立温度补偿数据库的流程图。
图5为本发明实施例中电阻测量电路的示意图；
图6为本发明实施例中温度测量电路的示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例的附图对本发明实施例的技术方案进行解释和说明，但下述实施例仅为本发明的优选实施例，并非全部。基于实施方式中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本领域技术人员可以理解的是，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
实施例一
参考图1所示，一种气体报警器的自动化标定装置，包括：
气体配比箱4，气体报警器6放置于气体配比箱4中进行标定，所述气体配比箱4内部充注有气体报警器6标定用气体；
气体分析仪3，分析所述气体配比箱4中气体的浓度；
气源1，为所述气体配比箱4提供气体；
自动注样仪2，根据所述气体分析仪3的分析结果，控制所述气源1向所述气体配比箱4中的供气量，以使所述气体配比箱4中实时气体浓度与目标气体浓度相对平衡；
标定控制器7，与气体报警器6连接；
计算机5，用于设置标定所需的目标气体浓度，并将目标气体浓度发送给所述自动注样仪2，以及获取所述自动注样仪2的实时气体浓度，并通过所述标定控制器7将实时气体浓度发送给所述气体报警器6；
该气体报警器6包括有温度传感器以及温度&浓度补偿系统，通过温度传感器获取所述气体报警器附近的环境温度，通过温度&浓度补偿系统将非标定条件下获取的标定值，转换成标定条件下的标定值，完成自动化标定。
其中，所述气体配比箱4包括具有开口的箱体以及密闭箱体开口的箱盖41，打开箱盖41后在箱体中放入气体报警器6，在标定过程中，箱盖41与所述箱体配合后能起到密封的效果。
在本实施例中，所述箱体上安装有使气体配比箱4中气体快速混匀的风扇42，箱体呈矩形，可以在箱体相对的两侧分别安装有所述风扇42，以加快气体流动，快速混匀。
为了实现批量标定，若干个所述气体报警器6与所述标定控制器7相连进行批量标定。且所述标定控制器7放置于气体配比箱4中。
另外，气源1可以采用常规的供气钢瓶。
实施例二
参考图2所示，一种气体报警器的自动化标定方法，使用实施例一中所述的自动化标定装置，包括如下步骤：
S1:将气体报警器放置在气体配比箱中密封；
S2:通过计算机设置标定所需的目标气体浓度，并将目标气体浓度发送给自动注样仪；
S3:气体分析仪采集气体配比箱中的实时气体浓度，并将实时气体浓度发送给所述自动注样仪；
S4:自动注样仪判断实时气体浓度是否与目标气体浓度相同，从而做出是否注气的动作，仅当实时气体浓度低于目标气体浓度时，自动注样仪通过气源向气体配比箱供气，维持实时气体浓度与目标气体浓度相对平衡；
S5:计算机获取自动注样仪的实时气体浓度，并通过标定控制器将实时气体浓度发送给气体报警器；
S6:气体报警器通过温度传感器获取环境温度，通过温度&浓度补偿系统将非标定条件下获取的标定值，转换成标定条件下的标定值，完成自动化标定。
其中，所述气体报警器为半导体气体传感器，参考图3所示，温度&浓度补偿系统进行标定包括如下步骤：
S1：在非标定条件下进行标定时，通过温度传感器获取气体传感器附近的环境温度，通过气体传感器获取传感器阻值，通过计算机获取实时气体浓度；
S2：在预先建立的温度补偿数据库中查找与当前环境温度相近的上下两个温度值，采用线性插值方法生成当前环境温度条件下的归一化系数与气体浓度对照表；
S3：在步骤S2生成的归一化系数与气体浓度对照表中查找与步骤S1中当前的实时气体浓度相近的上下两个气体浓度，采用线性插值方法计算获得当前环境温度和气体浓度条件下的归一化系数，即为非标定条件下转化为标定条件的温度&浓度补偿系数；
S4:将步骤S1获得的非标定条件下的传感器阻值除以步骤S3获得的温度&浓度补偿系数，即得出标定条件下的标定值，完成自动化标定。
本发明实施例中所述的半导体式气体传感器具有电阻测量电路和温度测量电路，参照图5，电阻测量电路包括加热电阻RE和气敏电阻R1，加热电压VH用于给加热电阻RE供电，测量电压VT用于给气敏电阻R1供电，敏感电阻R1为阻值随气体浓度变化而变化的可变电阻，电阻R2为高精度采集电阻，通过采集电阻R2处的电压VR2，可计算出热敏电阻R1的阻值。
参照图6，温度测量电路包括温度传感器RT和电阻R3，温度传感器RT为阻值随温度变化而变化的可变电阻，电阻R3为高精度采集电阻，VCC为温度传感器RT的供电电压，通过采集电阻R3处的电压VR3，可计算出温度传感器RT的阻值。
参照图4，本发明实施例所述的温度补偿数据库是基于不同温度条件下，不同气体浓度与归一化系数对应关系建立的数据库，从该数据库中可以查询到不同温度条件下，不同气体浓度所对应的归一化系数，具体的建立方法包括如下步骤：
S01、获取半导体式气体传感器在标准温度条件下对应不同气体浓度时的阻值，各阻值分别与半导体式气体传感器的标定阻值进行归一化处理，得到与不同气体浓度对应的归一化系数，建立标准温度下的归一化系数与气体浓度对照表；
S02、重复步骤S01，得到其它不同温度条件下与不同气体浓度对应的归一化系数，建立温度补偿数据库。
在步骤S01中，归一化系数为n个半导体气体传感器归一化系数的平均值，例如在标准温度(A℃)下，测量n(n可以是5、8、10等自然数)个半导体式气体传感器在气体浓度分别为0％满量程、10％满量程、20％满量程、30％满量程、40％满量程、50％满量程、60％满量程、70％满量程、80％满量程、90％满量程、100％满量程时的阻值，各阻值分别与半导体式气体传感器的标定阻值进行归一化处理，得到与上述不同气体浓度对应的归一化系数，以这n个半导体气体传感器在同一气体浓度下的归一化系数平均值作为该气体浓度在标准温度下对应的归一化系数，如下表1所示：
Figure BDA0002192550760000091
需要说明的是：上述标准温度A℃为20℃～35℃内的任意值，标定阻值是半导体式气体传感器在标准温度下，气体浓度为半导体气体传感器满量程30％～70％的标准状态下测得的阻值，根据实际情况可以选择标准温度为20℃、23℃、27℃、30℃等，气体浓度可以选择30％满量程、40％满量程、60％满量程、70％满量程等。
在步骤S02中，重复步骤S01，得到其它不同温度条件下与不同气体浓度对应的归一化系数，建立温度补偿数据库，即如下表2所示：
Figure BDA0002192550760000092
Figure BDA0002192550760000101
在步骤S02中，建立温度补偿数据库的温度范围为-10℃～55℃，如上表2中，n个半导体气体传感器分别在-10℃、0℃、10℃、20℃、25℃、35℃、45℃、55℃温度条件下，对应不同气体浓度进行阻值检测，通过归一化处理获得表2中的归一化系数。
下面以一个具体的实例来说明本发明的自动化标定方法：
S1、测得半导体式气体传感器在当前非标定环境中的阻值为2.09KΩ，当前环境温度为33℃，气体浓度为45％满量程；
S2、在上述表2中查找与当前环境温度33℃相近的上下两个温度值，即25℃和35℃，采用线性插值方法生成33℃条件下的归一化系数与气体浓度对照表，具体的计算公式如下：
Figure BDA0002192550760000102
其中，Y25℃为上述表2中25℃条件下各个归一化系数，Y35℃为上述表2中35℃条件下各个归一化系数，由此生成33℃条件下的归一化系数与气体浓度对照表，即下表3：
Figure BDA0002192550760000103
S3、在上述表3中查找与步骤S1中当前气体浓度相近的上下两个气体浓度，即40％满量程和50％满量程，采用线性插值方法计算获得33℃条件下的气体浓度为45％满量程，具体的计算公式如下：
Figure BDA0002192550760000111
其中，Y40％满量程为表3中气体浓度为40％满量程时所对应的归一化系数，Y50％满量程为表3中气体浓度为50％满量程时所对应的归一化系数为0.9438。
S4、将步骤S1获得的非标定条件下的传感器阻值2.09KΩ除以步骤S3获得的温度&浓度补偿系数0.9438，即得出标定条件下的标定值2.214KΩ，完成自动化标定。
温度补偿数据库是基于不同温度条件下，不同气体浓度与归一化系数对应关系建立的数据库，而建立这样的数据库只需要获取半导体式气体传感器在不同温度下的阻值即可，数据库中没有复杂的交叉对应关系，数据库的模型结构更为简单，降低了数据库的建立难度和对物理存储空间的要求；其次，在数据库的建立和实际检测数据对比过程中都采用归一化的方法，减小了半导体气体传感器个体初始阻值差异带来的误差，增强了该补偿方法的适用性，同时还采用线性插值的方法构建当前环境温度条件下的归一化系数与气体浓度对照表，以及求解当前环境温度条件下的气体浓度，使得计算出的气体浓度值更加接近真实值，误差更小。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，熟悉该本领域的技术人员应该明白本发明包括但不限于附图和上面具体实施方式中描述的内容。任何不偏离本发明的功能和结构原理的修改都将包括在权利要求书的范围中。

Claims (8)

1.一种气体报警器的自动化标定装置，其特征在于，包括：
气体配比箱，气体报警器放置于气体配比箱中进行标定，所述气体配比箱内部充注有气体报警器标定用气体；
气体分析仪，分析所述气体配比箱中气体的浓度；
气源，为所述气体配比箱提供气体；
自动注样仪，根据所述气体分析仪的分析结果，控制所述气源向所述气体配比箱中的供气量，以使所述气体配比箱中实时气体浓度与目标气体浓度相对平衡；
标定控制器，与气体报警器连接；
计算机，用于设置标定所需的目标气体浓度，并将目标气体浓度发送给所述自动注样仪，以及获取所述自动注样仪的实时气体浓度，并通过所述标定控制器将实时气体浓度发送给所述气体报警器；
该气体报警器包括有温度传感器以及温度&浓度补偿系统，通过温度传感器获取所述气体报警器附近的环境温度，通过温度&浓度补偿系统将非标定条件下获取的标定值，转换成标定条件下的标定值，完成自动化标定；
所述气体报警器为半导体气体传感器，所述温度&浓度补偿系统进行标定包括如下步骤：
S1：在非标定条件下进行标定时，通过温度传感器获取气体传感器附近的环境温度，通过气体传感器获取传感器阻值，通过计算机获取实时气体浓度；
S2：在预先建立的温度补偿数据库中查找与当前环境温度相近的上下两个温度值，采用线性插值方法生成当前环境温度条件下的归一化系数与气体浓度对照表；
S3：在步骤S2生成的归一化系数与气体浓度对照表中查找与步骤S1中当前的实时气体浓度相近的上下两个气体浓度，采用线性插值方法计算获得当前环境温度和气体浓度条件下的归一化系数，即为非标定条件下转化为标定条件的温度&浓度补偿系数；
S4:将步骤S1获得的非标定条件下的传感器阻值除以步骤S3获得的温度&浓度补偿系数，即得出标定条件下的标定值，完成自动化标定；
其中，所述温度补偿数据库是基于不同温度条件下，不同气体浓度与归一化系数对应关系建立的数据库；
所述温度补偿数据库的建立包括如下步骤：
S01：获取半导体式气体传感器在标准温度条件下对应不同气体浓度时的阻值，各阻值分别与半导体式气体传感器的标定阻值进行归一化处理，得到与不同气体浓度对应的归一化系数，建立标准温度下的归一化系数与气体浓度对照表；
S02：重复步骤S01，得到其它不同温度不同气体浓度传感器的阻值与标定阻值对应的归一化系数，建立温度补偿数据库。
2.根据权利要求1所述的一种气体报警器的自动化标定装置，其特征在于：所述气体配比箱包括具有开口的箱体以及密闭箱体开口的箱盖，所述箱体上安装有使气体配比箱中气体快速混匀的风扇。
3.根据权利要求1所述的一种气体报警器的自动化标定装置，其特征在于：若干个所述气体报警器与所述标定控制器相连进行批量标定。
4.根据权利要求3所述的一种气体报警器的自动化标定装置，其特征在于：所述标定控制器放置于气体配比箱中。
5.根据权利要求1所述的一种气体报警器的自动化标定装置，其特征在于：所述气源为供气钢瓶。
6.一种气体报警器的自动化标定方法，其特征在于：使用权利要求1至5中任意一项所述的一种气体报警器的自动化标定装置，包括如下步骤：
S1:将气体报警器放置在气体配比箱中密封；
S2:通过计算机设置标定所需的目标气体浓度，并将目标气体浓度发送给自动注样仪；
S3:气体分析仪采集气体配比箱中的实时气体浓度，并将实时气体浓度发送给所述自动注样仪；
S4:自动注样仪判断实时气体浓度是否与目标气体浓度相同，从而做出是否注气的动作，仅当实时气体浓度低于目标气体浓度时，自动注样仪通过气源向气体配比箱供气，维持实时气体浓度与目标气体浓度相对平衡；
S5:计算机获取自动注样仪的实时气体浓度，并通过标定控制器将实时气体浓度发送给气体报警器；
S6:气体报警器通过温度传感器获取环境温度，通过温度&浓度补偿系统将非标定条件下获取的标定值，转换成标定条件下的标定值，完成自动化标定。
7.根据权利要求6所述一种气体报警器的自动化标定方法，其特征在于，所述标定阻值为气体传感器在温度为20℃～35℃，气体浓度为半导体气体传感器满量程30%～70%的标准状态下测得的阻值。
8.根据权利要求6所述一种气体报警器的自动化标定方法，其特征在于，所述步骤S01中，所述的不同气体浓度分别为半导体气体传感器满量程的0%、10%、20%、30%、40%、50%、60%、70%、80%、90%、100%。
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