CN110927346B - 一种气体浓度测试系统校准方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及测试与计量技术领域，尤其设计一种能够对气体浓度测试系统进行计量的校准方法及装置。该方法包括：获取气体浓度测试系统校准装置采集到的温度、压力和流量；当温度、压力和流量都满足测试的各自预设范围时，记录相应时刻气体浓度测试系统采集到的气体浓度；对记录的所有气体浓度和各自标准气体浓度进行拟合，得到浓度曲线。

Description

一种气体浓度测试系统校准方法及装置

技术领域

本发明涉及测试与计量技术领域，尤其涉及一种气体浓度测试系统校准方法及装置。

背景技术

气体浓度测试系统是一款测量气体浓度的关键试验设备，该设备作为重要的设备必须进行周期检定校准。该设备主要包含：浓度测试单元、计算机采集系统、电源系统和标定装置四大部分，其中计算机采集系统一般作为重要的核心组件，在整个装置中起到了核心的控制作用。

为了确保量值准确可靠，该设备使用前都要进行校准，因其结构的特殊性单独的流量传感器，温度传感器等均可以单独校准，但是拆卸后难于复位，因此各个分离部件不能够拆分开来进行计量校准，需要对该设备进行整体计量校准。

计量设备选用了标准气瓶作为气源，能够为该设备提供测量标准。该气源直接来自于真空钢瓶。因钢瓶其他输出阀和接口不能直接连接，目前现有技术主要采用一种简易的连接方式，使用医用氧气袋作为缓冲部件，以降低流速和流量，具体的组成如图1所示。

因校准的要求，一般校准过程对环境条件的要求比较高，而一般在现场校准的过程中，因试验场所的特殊性，环境条件监控设备缺失，因而导致该过程的环境条件缺失。其次，没有对校准气源的所有参数进行控制，导致校准结果中影响因素分析不到位。

发明内容

本发明实施例提供了一种能够解决目前校准方法中因为对标准物质的条件掌握不充分而带来的校准准确度低的问题，给被校准对象提供一个稳定，可测量及量化的校准参数的方法。

第一方面，提供一种气体浓度测试系统校准方法，包括：

获取气体浓度测试系统校准装置采集到的温度、压力和流量；

当温度、压力和流量都满足测试的各自预设范围时，记录相应时刻气体浓度测试系统采集到的气体浓度；

对记录的所有气体浓度和各自标准气体浓度进行拟合，得到浓度曲线。

进一步的，所述方法还包括：

当压力和流量满足各自测试的预设范围，温度不满足温度预设范围时，对相应时刻气体浓度测试系统采集到的气体浓度按照气体浓度与温度的变化曲线进行补偿，得到修正后的浓度；

根据所有修正后的浓度和各自标准气体浓度进行拟合，得到浓度曲线。

进一步的，所述方法还包括：

取多个处于浓度曲线的标准气体浓度范围的标准气体浓度；

根据浓度曲线，得到多个标准气体浓度对应的拟合气体浓度，以用于后续浓度计算。

第二方面，提供一种气体浓度测试系统校准方法，实现控制器对气体浓度测试系统校准的控制，包括：

控制空气阀门打开，控制分流器阀门和标准气源阀门关闭，控制打压泵开启，将空气打入标准体积气囊中；当压力传感器检测标准体积气囊压力为大气压力的预设倍时，控制打压泵和空气阀门关闭；

控制分流器阀门开启，以保证灭火剂浓度测试系统与标准体积气囊连通，此时大气中待测的标准气源的浓度为0％，读取温度传感器，压力传感器与流量计在控制器上的示值，监视此时大气的浓度与流量处于预定目标值范围之内，并记录；

控制气体浓度测试系统抽干净标准体积气囊中的空气；

当压力传感器检测标准体积气囊压力为0MPa时，控制标准气源阀门打开。

当控制器接收到表示完成一个标准气源的校准的控制信号时，关闭所有阀门。

第三方面，提供一种气体浓度测试系统校准装置，该气体浓度为灭火剂浓度，包括标准气源，软管，阀门，标准体积气囊，打压泵，T型分流器，流量计，温度传感器、压力传感器和控制器；

所述标准气源通过第一软管与标准体积气囊连通，该第一软管上设有标准气源阀门；所述标准体积气囊通过第二软管与T型分流器的入口端连通，第二软管上设有分流器阀门；标准体积气囊通内设置有温度传感器和压力传感器；标准体积气囊用于存储第一软管或第三软管输入的气体；T型分流器的多个输出端通过软管与气体浓度测试系统校准装置连通，各个软管上设有高精度流量计；所述控制器采集并显示温度传感器和高精度流量计的采集量；大气通过第三软管与标准体积气囊连通，第三软管上设置有打压泵，打压泵用于为标准体积气囊内抽入压力高于大气气压的空气；

装置的工作流程为：启动气体浓度测试系统，进入预热状态；打开空气阀门，关闭分流器阀门，标准气源阀门，使用打压泵，将空气打入标准体积气囊中，并使得标准体积气囊压力为大气压力的1.5倍时，关闭打压泵和空气单向阀门；开启分流器前端单向阀门，保证灭火剂浓度测试系统与标准体积气囊连通，此时大气中该气体浓度为0％，读取温度传感器，压力传感器与流量计在控制器上的示值，监视此时大气的浓度与流量处于预定目标值范围之内，并记录；等待灭火剂浓度测试系统抽干净标准体积气囊中的空气；打开标准气源，及标准气源阀门，等待标准气体充满气囊；同时检测温度传感器的显示值在环境温度允许范围之内；当压力传感器显示稳定时，标准体积气囊中充满标准气；当标准体积气囊充满标准气，关闭标准气源阀门；打开分流器前端单向阀门，监测流量计的示值，同时监视气体浓度测试系统的显示值与监测到的压力传感器显示值，当采集数据显示数值稳定且此时压力传感器大于0时，此时灭火剂浓度测试系统记录数据并记录此时各通道流量计的示值；完成一个标准气源的校准后，关闭所有单向阀门，更换标准气源，进行下一校准点操作；对数据进行分析，得到校准数据，通过最小二乘法对量程内的各浓度测量点校准数据进行拟合后得到校准结果。

进一步的，阀门具有打开和关断两个状态，所述阀门打开时可以使两端的器件连通。

进一步的，阀门是单向的手动阀门或者单向的电磁阀，控制器根据用户的指令控制各个电磁阀开启或关闭。

本发明的优点：

本校准方法最大程度上分离了标准气和大气，保证了校准过程中测试系统的浓度零点的稳定性及标准气在整个过程中可检测，提高了整个校准精度。

附图说明

图1为医用氧气袋作为缓冲部件的结构示意图。

图2为有线连接的气体浓度测试系统校准装置的结构示意图；

30-标准体积气囊；80-软管及连接头；50-T形分流器，70-控制台，高，40-高精度温度传感器，60-高精度流量计，90-压力传感器，100-打压泵，11-空气阀门，13-分流器阀门，12-标准气源阀门。

具体实现方式

温度值，压力值和流量值的标准要求值的内容：

控制器的控制核心可以选用MSP430系列单片机或具有更快控制速度和更高控制能力的设备；根据校准的环境要求，将温度值，压力值和流量值的阈值预设的控制核心的非易失存储器上。

当测量值超出阈值范围时，通过声，光，振动等形式提醒控制器使用者。

在使用具有无线控制功能的控制器时，通过对温度，压力，流量的观测值的逻辑判断结果通过电磁阀门的控制实现整个管路状态的切换。设标准温度范围为Tmax>T1>Tmin；Qmax>Q1>Qmin

当T1≥Tmax或T1≤Tmin或Qmax≥Q1或Q1≤Qmin时，分流单向阀门关闭，其他阀门保持原状态；

当P＝0时，打压泵关闭，空气单向阀关闭，或者灭火剂浓度测试系统关闭且分流单向阀关闭；

使用标准物质进行校准时，由于标准气源的标准值固定，且给定的标准气体选择少，并且单个标准气气体价格贵，单次使用大量的标准值，影响其气瓶的实用性，难以实现对整个量程范围内的大量校准点进行校准，表1为校准点的校准过程中测得的数据。为了对整个量程内的多个数据点进行的校准，因此采用以下方法对校准数据进行处理。

表1

最佳测量条件：温度测量和流量测量均能达到校准条件要求，此时的数据处理方法如下：

a)测量并记录数据过程中首先应保证T1……T10均应在Tmax～Tmin范围内；

b)测量并记录数据过程中首先应保证Q1……Q10均应在Q max～Qmin范围内；

c)对W1……W10的全部测量值进行测量数据的模型拟合，可以使用最小二乘法，神经网络推理等方法拟合整个测量范围内的数据。拟合得到整个灭火剂浓度测试系统的测量范围内的数据曲线。得到最后的所有的全部测量浓度点校准数据，将得到的各数据点离散化，以体积浓度比0.1为间隔，形成新的一族校准原始数据w1……wj……wm，共m组校准数据和m个标准数据wr，w为气体浓度测试系统的测量范围。

d)计算浓度测量的引用误差为

判断所有σi是否满足灭火剂浓度测试系统的技术要求。

补偿的测量条件：因为实验室没有完善的环境控制系统，因此试验室的环境条件控制受季节，天气的影响比较。当试验室的环境经过调整无法达到预定的目标时，本发明提供一种可以作出参数补偿的方法，准确的评定试验的数据，表2为校准点的校准过程中测得的数据。

表2

a、测量并记录数据过程测得温度值为T1……Tn；

b、测量并记录数据过程中通过控制阀门的开合度大小，应保证Qr1……Qrn均应在Q max>Q1>Qmin范围内；

c、查询所使用的气体在标定浓度时的环境条件，若根据测得的温度T1不满足使用条件，因此针对该条件下的测得值利用气体浓度与温度的变化曲线，进行修正，原值Wi进行修正后的结果为Wxi。

d、对Wx1……Wxi的全部测量值进行最小二乘法拟合。拟合得到整个灭火剂浓度测试系统的测量范围内的数据曲线。得到最后的所有的全部测量浓度点校准数据，将得到的各数据点离散化，以体积浓度比0.1为间隔，得到m组数据，包括离散后的标准测量点wr及拟合后测量点w。

e、计算浓度测量引用误差为

；判断所有σi是否满足灭火剂浓度测试系统的技术要求。

本发明提供一种气体浓度测试系统校准方法，用于对灭火剂浓度测试系统进行校准，该方法包括：

1.选点选择测量范围内的基值及特征值作为校准点。

2.环境要求：分析灭火剂浓度测试系统使用条件，得到环境条件应为20℃±2℃，湿度为小于80％RH。

标准气源选择与灭火剂浓度测试系统相近的三氟溴甲烷与空气的平衡气，气压为5MPa，10L。

3.操作方法

1)连接标准体积气囊30；软管及连接头80；T形分流器50，控制台70，高精度温度传感器40，高精度流量计60，压力传感器90，打压泵100与灭火剂浓度测试系统，启动灭火剂浓度测试系统，进入预热状态。装置的连接关系如图2所示。

2)打开空气阀门11，关闭分流器阀门13，标准气源阀门12，使用打压泵，将空气打入标准体积气囊中，并使得标准体积气囊压力为大气压力的1.5倍时，关闭打压泵和空气单向阀门。

3)开启分流器前端单向阀门，保证灭火剂浓度测试系统与标准体积气囊连通，此时大气中该气体浓度为Wr1＝0％，读取传感器示值Tr1与流量计示值Qr1，压力传感器Pr1在控制器上的示值，并记录；

4)此时大气中灭火剂浓度应为Wr1＝0％，当控制器显示的数值稳定时，读取温度传感器示值Tr1与流量计示值Qr1，监视此时大气的温度与流量处于灭火剂浓度测试系统的标准值Tr与Qr目标值范围之内；

5)当监视控制器显示的温度，流量和浓度测量值稳定时，记录启动灭火剂浓度测试系统的测量数据，记录此时的浓度W1，流速Q1与温度值T1；

6)等待灭火剂浓度测试系统抽干净标准体积气囊中的空气；(当压力传感器显示接近于0MPa时，标准体积气囊中压力为0MPa)

优选的，气体浓度测试系统抽干净标准体积气囊中的空气是压力传感器显示值优选为0MPa时，关闭分流器前端单向阀门，测试系统停止工作；

7)打开标准气源阀门12后同时关闭空气阀门11，分流器阀门13，等待标准气体充满气囊(30)；同时检测温度传感器的显示值Tr1与流量计示值Qr1；

8)待等待标准体积气囊充满标准气，关闭标准气源(20)及标准气源阀门12；

9)打开分流器阀门(13)，监测全部高精度流量计(60)的示值，同时监视灭火剂浓度测试系统的显示值，当监视控制器显示的温度，流量，压力和浓度测量值稳定时，记录启动灭火剂浓度测试系统的测量数据，记录此时的浓度W2，流速Q2，压力值P2与温度值T2；

10)等待灭火剂浓度测试系统抽干净标准体积气囊中的空气；(当压力传感器显示接近于0MPa时，标准体积气囊中压力为0MPa)

优选的，气体浓度测试系统抽干净标准体积气囊中的空气是压力传感器显示值优选为0MPa时，关闭分流器前端单向阀门，测试系统停止工作。

11)更换标准气源(20)重复前述的操作，共得到n组数据。

灭火剂浓度测试系统是一款用于灭火试验的关键试验设备，该设备作为重要的设备必须进行周期检定校准。该设备主要包含：

浓度测试单元、计算机采集系统、电源系统和标定装置四大部分。为了实现气体121℃恒温处理减少热损耗，设备包含了气体预加温装置和层流管加热装置。

在校准时，环境温度应控制在20℃±2℃，流量指示应为5SLM±0.1SLM。

本发明是一款能够为灭火剂浓度测试系统提供满足校准条件的标准气体的校准装置。该装置包括组成：标准体积气囊；软管及连接头；单向阀门；T形分流器，控制台，温度传感器；高精度流量计等部件。装置连接关系如图2所示。

装置组成及各部分功能：

1.标准体积气囊：根据设备的抽气能力计算获得；为了达到试验目的；气囊的体积按照如下公式选取：

灭火剂浓度测试系统真空泵抽气能力L/min*抽气时间2min＝气囊体积；

2.软管及连接头：软管用于连接气囊与被测设备，气囊与气瓶，气囊与标准大气；软管带有快速连接机构，如卡扣等，可以与设备快速连接。

3.单向阀门用于控制气体的流向，实现测试系统切换标准气类别。

4.T形分流器：该装置用于将气囊中的气体分为多路，入口处为单通道，出口为多通道。这些通道以实现单通道标准气体多通道校准气体的转换。提高效率。

5.高精度温度传感器：用于测量和控制标准气体校准状态下的温度值，用于对标准气体浓度修正，并给出修正值。因为在该气体测量原理中对温度的要求高，整个测量环境处于加热状态下，而标准气的气体浓度给出值为在20℃的环境条件下进行。温度测量性能指标不低于被校准设备温度测量性能指标的1:4。

6.高精度流量传感器：用于检测标准气的流速，作为被校准装置的流量标准数据。该传感器的性能指标应不低于于被校准的测试设备性能指标的1:4。

7.高精度压力传感器：用于检测标准气和空气在标准体积气囊的压力值。用于检测气囊内气体的情况。该传感器的性能指标应不优于0.1％。

8.打压泵：安装在空气进气软管单向阀门的后端，当空气进气时使用打压泵，使得标准气体气囊中冲入的气压高于大气压力。优选的空气囊中的压力约为1.5倍大气压。

9.控制台：用于控制并记录整个校准流程并获得温度和流速的数据，通过信号交联，获取被校准的灭火剂浓度测试系统的采集数据，通过修正及数据处理方法得到最终的校准数据。该控制台可以设计成单独的PC机的机构或者移动式终端的方式，方便在外场使用。

本发明适用于工程试验中对气体浓度的测量，包括灭火剂浓度，CO2，氮气等气体的测量。

装置组件连接关系：

1.标准体积气囊：

标准体积气囊设两个口，两个进气口，一个排气口。两个通气口分别设计在气囊的对立面；气囊内部安装有一个温度传感器，用于监控标准气体和空气的温度，以反映现场的气体温度，以进行气体浓度修正；内部安装有压力传感器，检测进入气囊内的压力值，保证气囊内的压力大于外部气囊。

标准体积气囊采用软性材料制成，在泵的抽气工作状态下能确保标准体积气囊的气体能完全抽干净，以确保更换气体后的气体纯洁度，材料可以选择聚乙烯，硅胶等材质，通过多种材料的选用定制保证了气体与所选用的材料不发生化学反应。根据设备的抽气能力计算获得；为了达到试验目的；气囊的体积按照如下公式选取：灭火剂浓度测试系统真空泵抽气能力L/min*抽气时间2min＝标准体积气囊体积。

标准体积气囊标准气进气口与气瓶通过软管相连接。软管两端配有卡扣，可以通过卡箍或者拧紧的方式与气瓶连接。在该软管上安装有一个气体单向阀门，通过阀门的锁闭，截断标准体积气囊和气瓶之间的连接，保证气囊内部的气体纯净性。单向阀门可以控制气体的流向，实现测试系统能够准确获取所要使用的气体类别。阀门的选择需要能够实现快速气体通道控制。

高精度温度传感器用于测量和控制标准气体校准状态下的温度值，用于对标准气体浓度修正，并给出修正值。因为在该气体测量原理中对温度的要求高，整个测量环境处于加热状态下，而标准气的气体浓度给出值为在20℃的环境条件下进行。温度测量精度不低于被校准设备的1:4。

标准体积气囊的参考气入口通过一端软管，与大气相连，在软管远离标准体积气囊的部分按照单项阀门，以控制气体能够按照控制目的实现标准体积气囊与大气的联通关系。为了保证接收到的空气的纯净度，空气端口的位置要尽可能的远。根据气体的浓度，环境的通风程度选择合适的软管长度，在本装置中可以选用的该段软管连接长度应大于标准体积气囊与气瓶连接软管长度的两倍。

标准体积气囊排气口与T形转接器相连接。软管两端设有禁锢卡扣，可以通过卡箍或者拧紧的方式与T形转接器和气囊相连。软管与T形接口连接的部分设有单项阀门，通过打开和关闭控制气囊的气体能够按照操作和使用要求送达灭火剂浓度测试系统中。

T形转接器通过单通道入口和多通道出口将标准体积气囊中的标准气体转换为多路气体。气体输出数量一般在10路以上。T型转接器的入口软管通过紧固件相连；T型转接器出口与高精度流量计连接，高精度流量计出口与软管相连，通过软管连接灭火剂浓度测试系统。

高精度流量计用于检测标准气的流速，作为被校准装置的流量校准数据；根据实时的流量计的观测速度，调整单向阀门的开合状态，以确保流速能够满足校准要求。选择流量计应优于5SLM±0.1SLM，同时高精度流量计的安装和工作环境要求应能够满足在试验室之外的环境进行，同时应方便搬移并在移动运输中保持其性能的特性。

压力传感器：用于检测气囊中存储的气体的压力值，当需要标准气或者大气进入标准体积气囊时，充气过程中需要压力值实时检测其过程。并确保在气囊充气完成后，气囊压力略大于标准体积气囊的值。

打压泵：设置在空气进气管前端，保证空气进气过程中气囊压力比较大。

控制器具有控制，运算，报警，数据处理等功能，控制器包括触摸屏，控制核心，电源等结构。

控制器连接了高精度温度传感器，高精度流量计和高精度压力传感器的输出端，实现实时检测，辅助调整标准气体的给定值，并记录整个校准流程并获得温度和流速的数据；通过信号交联，获取被校准的灭火剂浓度测试系统的采集数据，通过修正及数据处理方法得到最终的校准数据。该控制台设计成单独的PC机或者移动式终端的方式，方便配合设备在外场使用。

装置的使用方法：

连接标准体积气囊；软管及连接头；单向阀门；T形分流器，温度传感器；高精度流量计；压力传感器；打压泵与气体浓度测试系统，启动气体浓度测试系统，进入预热状态。

打开空气阀门，关闭分流器阀门，标准气源阀门，使用打压泵，将空气打入标准体积气囊中，并使得标准体积气囊压力为大气压力的1.5倍时，关闭打压泵和空气单向阀门。

开启分流器前端单向阀门，保证灭火剂浓度测试系统与标准体积气囊连通，此时大气中该气体浓度为0％，读取温度传感器，压力传感器与流量计在控制器上的示值，监视此时大气的浓度与流量处于预定目标值范围之内，并记录；

等待灭火剂浓度测试系统抽干净标准体积气囊中的空气；(当压力传感器显示接近于0MPa时，标准体积气囊中压力为0MPa)

优选的，气体浓度测试系统抽干净标准体积气囊中的空气是压力传感器显示值优选为0MPa时，关闭分流器前端单向阀门，测试系统停止工作。

打开标准气源，及标准气源阀门，等待标准气体充满气囊；同时检测温度传感器的显示值在环境温度允许范围之内；当压力传感器显示稳定时，标准体积气囊中充满标准气。

优选的，当压力传感器显示值优选为标准气源气瓶压力的0.5倍时，关闭标准气阀门2。

当标准体积气囊充满标准气，关闭标准气源阀门2；

打开分流器前端单向阀门，监测流量计的示值，同时监视气体浓度测试系统的显示值与监测到的压力传感器显示值，当采集数据显示数值稳定且此时压力传感器大于0时，此时灭火剂浓度测试系统记录数据并记录此时各通道流量计的示值；

完成一个标准气源的校准后，关闭所有单向阀门，更换标准气源，进行下一校准点操作。

对数据进行分析，得到校准数据，通过最小二乘法对量程内的各浓度测量点校准数据进行拟合后得到校准结果。

Claims (3)

1.一种气体浓度测试系统校准装置，该气体浓度为灭火剂浓度，其特征在于，包括标准气源，软管，阀门，标准体积气囊，打压泵，T型分流器，流量计，温度传感器、压力传感器和控制器；

所述标准气源通过第一软管与标准体积气囊连通，该第一软管上设有标准气源阀门；所述标准体积气囊通过第二软管与T型分流器的入口端连通，第二软管上设有分流器阀门；标准体积气囊通内设置有温度传感器和压力传感器；标准体积气囊用于存储第一软管或第三软管输入的气体；T型分流器的多个输出端通过软管与气体浓度测试系统校准装置连通，各个软管上设有高精度流量计；所述控制器采集并显示温度传感器和高精度流量计的采集量；大气通过第三软管与标准体积气囊连通，第三软管上设置有打压泵，打压泵用于为标准体积气囊内抽入压力高于大气气压的空气；

装置的工作流程为：启动气体浓度测试系统，进入预热状态；打开空气阀门，关闭分流器阀门，标准气源阀门，使用打压泵，将空气打入标准体积气囊中，并使得标准体积气囊压力为大气压力的1.5倍时，关闭打压泵和空气单向阀门；开启分流器前端单向阀门，保证灭火剂浓度测试系统与标准体积气囊连通，此时大气中该气体浓度为0％，读取温度传感器，压力传感器与流量计在控制器上的示值，监视此时大气的浓度与流量处于预定目标值范围之内，并记录；等待灭火剂浓度测试系统抽干净标准体积气囊中的空气；打开标准气源，及标准气源阀门，等待标准气体充满气囊；同时检测温度传感器的显示值在环境温度允许范围之内；当压力传感器显示稳定时，标准体积气囊中充满标准气；当标准体积气囊充满标准气，关闭标准气源阀门；打开分流器前端单向阀门，监测流量计的示值，同时监视气体浓度测试系统的显示值与监测到的压力传感器显示值，当采集数据显示数值稳定且此时压力传感器大于0时，此时灭火剂浓度测试系统记录数据并记录此时各通道流量计的示值；完成一个标准气源的校准后，关闭所有单向阀门，更换标准气源，进行下一校准点操作；对数据进行分析，得到校准数据，通过最小二乘法对量程内的各浓度测量点校准数据进行拟合后得到校准结果。

2.根据权利要求1所述的气体浓度测试系统校准装置，其特征在于，阀门具有打开和关断两个状态，所述阀门打开时可以使两端的器件连通。

3.根据权利要求2所述的气体浓度测试系统校准装置，其特征在于，阀门是单向的手动阀门或者单向的电磁阀，控制器根据用户的指令控制各个电磁阀开启或关闭。

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