CN110988272A - 用于修正氢气传感器的测量值的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明的实施例提供了一种用于修正氢气传感器的测量值的方法，通过拟合测量环境压力下的浓度测量值和浓度真值的线性关系函数，结合样本气体的压力和浓度测量值的关系函数，以及获取的待测量氢气的压力值对获取的待测氢气的浓度测量值进行修正，得到待测氢气的浓度真值。本发明在处理由于待测量氢气的当前环境的压力引起的测量误差问题上，可以对浓度测量值进行有效的修正，提高传感器的测量准确度。

Description

用于修正氢气传感器的测量值的方法
技术领域
本发明的实施例涉及气体传感器技术领域，尤其涉及一种用于修正氢气传感器的测量值的方法。
背景技术
氢气具有燃烧效率高且无污染的优点，作为新能源在动力领域被广泛使用，另外氢气作为还原性气体在化工、电子以及军事等领域也极具应用价值。但是氢气属于易燃易爆气体，常温常压的条件下，当其在空气中浓度占比达到4.0％～75.6％或者在氧气环境中占比达到4.46％～94％时，混合气体很容易发生燃爆事故。由于氢气无色无味的物理性质增加了其在生产、存储、运输和使用的过程中的检测难度，因此快速、灵敏的氢气传感器在氢气的工业应用中变的十分重要。
现有的气体传感器对气体浓度的测量通常将被测气体的体积分数转化为可以测量的电信号，通过对获取的电信号和对应标准气压下的待测气体浓度进行标定，实现对待测气体的浓度测量。现有技术中的氢气传感器一般包括半导体型传感器、热电阻型传感器以及光纤传感器，其中，半导体型传感器是以金属氧化物等半导体材料作为气敏元件，使用过程中气敏元件吸附氢气后，改变载流子浓度，从而影响半导体材料的导电性能，通过标定半导体器件的导电性能的变化数值与氢气浓度的对应关系，实现对氢气的检测；热电型传感器是利用催化金属的物理特性使得氢气与氧气发生放热反应，通过检测热电材料由于该放热反应产生的温差电势，实现对氢气的检测；光纤传感器有微透镜型光纤氢传感器、布拉格光栅型光纤氢传感器、渐逝场型光纤氢传感器和干涉型光纤氢气传感器等，通过检测光纤的相位、光强等光学特性随氢气浓度变化的对应关系，实现对氢气的检测。
需要指出的是氢气的测量环境中通常存在多种类型的气体，为减少上述气体对传感器的测量精度的影响，钯合金薄膜氢气传感器应运而生，它包括氢敏传感器和电路系统，钯合金薄膜氢气传感器基于钯对氢气的专一性催化原理，当检测环境中存在氢气时，钯合金薄膜电阻或电容随氢气浓度变化而发生变化，通过配套电路可将电阻或电容变化量转换为氢气浓度，从而实现氢气测量。同时，传感器芯片集成了加热器以及薄膜温度传感器，这两者能够确保芯片工作温度的恒定，降低环境温度或气体温度波动，以及气流流速所造成的影响，提高传感器测量精度。
现有技术中提供一种传感器利用钯合金形成的氢气转移性镀层实现对测量环境气体分子的选择，消除了其他气体分子对测量精度的影响，使用可直接置于变压器油中的的氢气敏感探头，实现了对待测环境中氢气含量的及时监测，降低了由于油气分离等过程对测量的影响。
上述现有技术提供的氢气传感器由于需要在油液的环境中使用，测量环境压力并不恒定，而传感器的标定参数通常是在常压下得出的，因此氢的百分比浓度恒定情况下，当环境压力不等于常压时，被测氢气的分压显然会受到影响，从而使其浓度测量值的准确度降低，且压力变化对测量准确度的影响具有普遍性，本发明的目的在于，通过对不同压力环境下的氢气浓度测量值进行修正，以获取被测量氢气的浓度真值。
发明内容
本发明的提供了一种修正氢气传感器的测量值的方法，用于解决氢气传感器在不同压力环境下的测量值不准确的问题。
为实现上述问题，本发明的方案如下：
一种用于修正氢气传感器的测量值的方法，其包括如下步骤：
获取待测氢气的当前环境的压力Px；
获取待测氢气的浓度测量值C；
拟合待测氢气的当前环境的压力Px下，浓度测量值C和浓度真值M的线性关系函数：C＝kPxM+bPx；
确定第一补偿系数kPx，第二补偿系数bPx；
根据确定的第一补偿系数和第二补偿系数，基于所述浓度测量值C和浓度真值M的线性关系函数，计算当前压力下的待测氢气浓度真值，从而，将在当前环境压力Px下的所述氢气传感器的浓度测量值修正为浓度真值。
在一些实施方式中，所述第一补偿系数的值和第二补偿系数的值与待测氢气的当前环境的压力Px有关。
在一些实施方式中，第一补偿系数kPx和第二补偿系数bPx的确定步骤包括：
选取N个浓度真值已知的样本气体M1…MN；
获取样本气体在环境压力为P1、P2下的浓度测量值C11…C1N，C21…C2N；
拟合样本气体的环境压力和浓度测量值的关系函数；
根据样本气体的环境压力和浓度测量值的关系函数，计算样本气体M1、M2在环境压力Px下的浓度测量值C1x、C2x；
将获取的浓度测量值C1x、C2x带入待测氢气当前环境的压力Px下浓度测量值Cx和浓度真值Mx的线性关系函数C＝kPxM+bPx，确定第一补偿系数kPx和第二补偿系数bPx。
在一些实施方式中，样本气体的环境压力和测量值的关系函数拟合步骤包括：
选取浓度真值已知的样本气体M1；
拟合样本气体M1的环境压力和浓度测量值的线性关系曲线，C＝k1P+b1，C表示测量值，P表示环境压力；
获取样本气体M1在压力环境P1、P2下的浓度测量值C11、C12，由此确定常数k1、b1；
选取浓度真值已知的样本气体M2；
拟合样本气体M2的环境压力和测量值的线性关系曲线，C＝k2P+b2，C表示测量值，P表示环境压力；
获取样本气体M2在环境压力为P1、P2下的浓度测量值C21、C22，由此确定常数k2、b2。
本发明提供的一种用于修正氢气传感器的测量值的方法，该方法通过经验公式拟合待测量氢气所在的环境压力下拟合浓度测量值和浓度真值的关系函数，结合已知浓度真值的样本气体的浓度测量值和压力关系函数，确定第一补偿系数和第二补偿系数，结合待测量氢气的环境压力和待测气体的浓度测量值，根据经验公式计算出待测量气体的浓度真值，从而减小由于待测氢气所在环境压力的变化对测量数据的影响，提高氢气传感器的浓度测量精度。
附图说明
图1为本发明一实施例中的修正氢气传感器的测量值的方法的流程图；
图2为本发明一实施例中测量值和浓度真值关系曲线示意图；
图3为本发明一实施例中测量值和压力关系曲线示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细的说明，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解为本领域技术人员可以对于此处描述的发明内容进行修改，不影响实现本发明的有益效果。因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而不作为对本发明的限制。
本发明的实施例提供一种用于修正氢气浓度传感器的测量值的方法，如图1所示，步骤S101，获取待测量气体当前环境的压力Px。具体的，可以使用压力测量工具直接读取待测量气体所处的当前环境的压力数值。步骤S102，获取待测气体的浓度测量值C。可以直接利用氢气传感器读取，用于浓度真值的修正基础。步骤S103，拟合待测气体的当前环境的压力Px下，浓度测量值C和浓度真值M的线性关系函数C＝kPxM+bPx。根据实验数据拟合关系曲线，得到上述经验公式，其中kPx为第一补偿系数，bPx为第二补偿系数，当待测量气体的所处环境压力一定的情况下，待测气体的浓度真值与浓度测量值成正比例关系。
步骤S104，确定第一补偿系数kPx和第二补偿系数bPx。
步骤S105，根据确定的第一补偿系数和第二补偿系数，基于所述浓度测量值C和浓度真值M的线性关系函数，计算当前压力下的待测氢气浓度真值，从而，将在当前环境压力Px下的所述氢气传感器的气体浓度测量值修正为浓度真值。
根据本发明上述实施方式中所提供的方法，可以减小由于待测氢气所在环境压力的变化对测量数据的影响，提高氢气传感器的浓度测量精度。
在本发明的一些实施方式中，在步骤S104中，可以通过多种方法来确定第一补偿系数kPx和第二补偿系数bPx，以及所述第一补偿系数的值和第二补偿系数的值与待测氢气的当前环境的压力Px有关。即，待测氢气的当前环境的压力Px发生改变，为了提高修正氢气浓度传感器的测量值的精度，需要修改上述第一补偿系数kPx和第二补偿系数bPx。
例如，上述第一补偿系数kPx和第二补偿系数bPx可以通过如下的方式来确定：通过选取N个浓度真值已知的样本气体M1…MN，获取其在已知环境压力为P1和P2(其中，P1＜P2)的条件下的浓度测量值C11…C1N，C21…C2N，根据数据结果拟合浓度真值确定的情况下，测量值和压力的关系曲线函数，由多个数据点确定关系曲线对应的公式，选取样本气体M1、M2，根据上述公式确定在等待测量气体环境压力下对应的浓度测量值，从而得到样本气体M1、M2在待测气体环境的压力下对应的(浓度测量值，浓度真值)数据点，由此得到上述关系式的二元一次方程组，求解该方程组即可确定第一补偿系数和第二补偿系数。
上述确定方法不对本发明的技术方案构成限定，本领域技术人员还可以采用其他方式来确定第一补偿系统和第二补偿系统。
本发明的方法可以用于钯合金薄膜氢气传感器，也可以用于钯合金氢气传感器，或者用于其他适合类型的氢气传感器，本领域技术人员可以根据实际情况，将上述方法用于适合的氢气传感器中，以对氢气传感器测量获得的测量值进行修正。
以钯合金薄膜氢气传感器为例，进一步详细说明本发明的技术方案的实施方式。
根据传感器的显示器获取待测量气体的浓度测量值C3，如需对该浓度测量值进行修正，以得到浓度真值，需通过测量获取其环境压力P3，根据实验数据拟定待测量气体当前环境压力P3下，待测量气体的浓度真值M3和浓度测量值C3的线性关系函数；再次，确定上述线性关系函数中的第一补偿系数和第二补偿系数；最后将浓度测量值和补偿系数带入上述函数，计算出待测量气体的浓度真值。
具体计算方法如下，如图2所示，选择标准氢气浓度样本1对应的浓度真值为M1，将样本分别置入已知环境压力为P1和P2(其中，P1＜P2)的条件下获取浓度测量值C11和C12。根据经验可知气体分压是随着环境压力成线性变化的，建立样本1的测量值和压力的关系曲线函数
C＝k1P+b1(1)，
根据样本1的上述数据点(P1，C11)、(P2，C12)带入公式(1)，算得常数
Figure BDA0002340602690000061
和
Figure BDA0002340602690000062
由此得到公式(1)为
Figure BDA0002340602690000063
选择标准氢气浓度样本2，对应的浓度真值为M2，将样本2分别置入已知环境压力为P1和P2的条件下获取测量值C21和C22。根据经验可知气体分压是随着环境压力成线性变化的，建立样本2的测量值和压力的关系曲线函数
C＝k2P+b2(2)，
根据样本2的上述数据点(P1，C21)、(P2，C22)带入公式(2)，算得常数
Figure BDA0002340602690000064
和
Figure BDA0002340602690000065
由此得到公式(2)为
Figure BDA0002340602690000066
下面以样本气体M1和M2为在环境压力为P1的浓度测量值为例对的补偿系数计算步骤进行说明，如图3所示，首先建立环境压力P1恒定的对应的浓度测量值和浓度真值的函数：
C＝kP1M+bP1 (3)
根据已知数据可以建立对上述线性公式的数据点(C11，M1)(C21，M2)，将上述数值带入公式得到二元一次方程组，求解可得环境压力P1对应的补偿系数：
其中，
Figure BDA0002340602690000071
获取待测量氢气的当前环境的压力P3，获取钯合金薄膜氢气浓度传感器的浓度测量值C3，需要通过修正得到待测量气体的浓度真值Mx，根据实验经验可知，拟合待测量气体当前环境压力P3下的浓度测量值和浓度真值的关系曲线函数：
C＝kP3M+bP3(4)
其中，kP3、bP3为压力P3对应的第一补偿系数和第二补偿系数。
由样本1和样本2的测量值和压力的关系曲线函数公式(1)和公式(2)可以计算得到对应压力P3下的测量值分别为C13、C23，由此可以得到压力P3的测量值和浓度真值的关系曲线上的数据点(C13，M1)、(C23，M2)，将样本1和样本2对应的数值分别带入公式(4)，算得第一补偿系数kP3和第二补偿系数bP3。
将待测量氢气的测量值C3、第一补偿系数kP3和第二补偿系数bP3，带入环境压力P3对应的公式(4)计算得到待测量氢气的浓度真值M3。
需要指出的是，本实施例中具体描述了一种拟合两个标准样本的浓度测量值和压力的线性关系函数的方式，并由此结合待测量氢气当前环境的压力确定第一补偿系数kPx和第二补偿系数bPx的方法，但是，浓度测量值和压力的关系并不局限于本实例中的一种函数类型。
以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (4)

1.一种用于修正氢气传感器的测量值的方法，其包括如下步骤：
获取待测氢气的当前环境的压力Px；
获取待测氢气的浓度测量值C；
拟合待测氢气的当前环境的压力Px下，浓度测量值C和浓度真值M的线性关系函数：C＝kPxM+bPx；
确定第一补偿系数kPx，第二补偿系数bPx；
根据确定的第一补偿系数和第二补偿系数，基于所述浓度测量值C和浓度真值M的线性关系函数，计算当前压力下的待测氢气浓度真值，从而，将在当前环境压力Px下的所述氢气传感器的浓度测量值修正为浓度真值。
2.根据权利要求1所述的方法，其中
所述第一补偿系数的值和第二补偿系数的值与待测氢气的当前环境的压力Px有关。
3.根据权利要求1所述的方法，其中
第一补偿系数kx和第二补偿系数bx的确定步骤包括：
选取N个浓度真值已知的样本气体M1…MN；
获取样本气体在环境压力为P1、P2下的浓度测量值C11…C1N，C21…C2N；
拟合样本气体的环境压力和浓度测量值的关系函数；
根据样本气体的环境压力和浓度测量值关系函数，计算样本气体M1、M2在环境压力Px下的浓度测量值C1x、C2x；
将计算得到的浓度测量值C1x、C2x带入待测氢气当前环境的压力Px下浓度测量值Cx和浓度真值Mx的线性关系函数C＝kPxM+bPx，确定第一补偿系数kPx和第二补偿系数bPx。
4.根据权利要求3所述的方法，其中
样本气体的环境压力和浓度测量值的关系函数拟合步骤包括：
选取浓度真值已知的样本气体M1；
拟合样本气体M1的环境压力和浓度测量值的线性关系函数：C＝k1P+b1，C表示浓度测量值，P表示环境压力；
获取样本气体M1在压力环境P1、P2下的浓度测量值C11、C12，由此确定常数k1、b1；
选取浓度真值已知的样本气体M2；
拟合样本气体M2的环境压力和浓度测量值的线性关系函数：C＝k2P+b2，C表示浓度测量值，P表示环境压力；
获取样本气体M2在环境压力为P1、P2下的浓度测量值C21、C22，由此确定常数k2、b2。
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