CN113574375A - 用于校准水分传感器的系统、方法和程序 - Google Patents

用于校准水分传感器的系统、方法和程序 Download PDF

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竹田宣生
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福士秀幸
菅原真希
塚原祐辅
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Abstract

一种用于校准水分传感器的系统包括处理单元(341)。处理单元(341)包括：参考数据获取LCKT(345)、主体数据获取LCKT(346)和关系计算LCKT(347)。在将具有已知浓度的水蒸气注入分析仪后，参考数据获取LCKT(345)获取参考数据。主体获取LCKT(346)测量指示被测分析仪的主体传感器元件的输出响应的时间变化的主体数据。关系计算LCKT(347)将主体数据与参考数据进行比较，并计算主体传感器元件的输出响应与已知浓度之间的关系。

Description

用于校准水分传感器的系统、方法和程序
技术领域
本发明涉及一种用于实现水分传感器的现场校准的系统、方法和程序。
背景技术
如非专利文献(NPL)1所述，在制造半导体和容易与水反应的材料的过程中，水分分析仪用于控制处理气体中的微量水分，并且需要现场校准以实现可靠性。通常，校准是在通过保持传感器单元中的水分浓度持续数小时而使对微量水分的输出响应达到足够平衡的情况下进行的(NPL2)。
然而，尽管这种静态校准方法能够进行精确校准，但由于校准系统庞大且进行校准需要长达十个小时，所以很难将该静态校准方法应用于现场校准。此外，由于之前的校准系统需要大量的校准气体，因此很难将其应用于使用现有校准系统不存在的特殊气体的处理，或者不容易获得大量的校准气体。
引用列表
非专利文献
[NPL 1]：H.Abe等人：Sens.Actu.A 128，202-208(2006)。
[NPL 2]：H.Abe等人：Sens.Actu.A 136，723-729(2014)。
发明内容
技术问题
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种用于校准水分传感器的系统、方法和程序，其可以在短时间内进行，并可应用于现场校准。
问题的解决方案
本发明的第一方面在于一种用于校准水分传感器的系统，该系统包含处理单元。与第一方面相关的处理单元包括(a)配置为在将具有已知浓度的水蒸气注入分析仪后获取指示水分浓度的时间变化的参考数据的逻辑电路，(b)配置为测量指示该被测分析仪的主体传感器元件的输出响应的时间变化的主体数据的逻辑电路，该主体数据是在与获取参考数据相同的条件下获取的，(c)配置为用与获取参考数据相同的持续时间，将主体数据与参考数据进行比较的逻辑电路，该持续时间是从注入具有已知浓度的水蒸气的时间开始测量的，以便计算主体传感器元件的输出响应与已知浓度之间的关系。
本发明的第二方面在于一种用于校准水分传感器的方法，该方法包括：(a)在将具有已知浓度的水蒸气注入校准系统的分析仪后，获取指示水分浓度的时间变化的参考数据，(b)测量指示被测分析仪的主体传感器元件的输出响应的时间变化的主体数据，该主体数据是在与获取参考数据相同的条件下获取的，(c)用与获取参考数据相同的持续时间，将主体数据与参考数据进行比较，该持续时间是从注入具有已知浓度的水蒸气的时间开始测量的，以及(d)计算主体传感器元件的输出响应与已知浓度之间的关系。
本发明的第三方面在于一种非暂时性计算机可读存储介质，存储水分传感器校准系统的校准程序，该校准程序使该系统中的处理单元通过进行校准的一系列指令执行校准处理。与第三方面相关的一系列指令包括：(a)在将具有已知浓度的水蒸气注入校准系统的分析仪后，获取指示水分浓度的时间变化的参考数据，(b)测量指示被测分析仪的主体传感器元件的输出响应的时间变化的主体数据，该主体数据是在与获取参考数据相同的条件下获取的，(c)用与获取参考数据相同的持续时间，将主体数据与参考数据进行比较，该持续时间是从注入具有已知浓度的水蒸气的时间开始测量的，以及(d)计算主体传感器元件的输出响应与已知浓度之间的关系。
本发明的有益效果
根据本发明，可以提供用于校准水分传感器的系统、方法和程序，其可在短时间内进行，并可应用于现场校准。
附图说明
[图1A]图1A是与本发明的第一实施例相关的动态校准系统的概念图；
[图1B]图1B是用于图1A所示动态校准系统的饱和水蒸气生成器的概念图；
[图1C]图1C是执行图1A所示动态校准系统的处理单元的逻辑结构示例；
[图2]图2是示出了与第一实施例相关的动态校准方法的程序流程的流程图示例；
[图3]图3是球SAW传感器的示例的示意图；
[图4]图4是示出了与示例性示例相关的静态校准系统的概要的示意图；
[图5]图5是示出了使用与示例性示例相关的静态校准系统使水分浓度逐步变化时传感器响应的示例的图；
[图6A]图6A是示出了通过与示例性示例相关的静态校准系统获得的，作为球SAW传感器的衰减α[GREEK]的输出响应与等效于霜点(FP)的水分浓度之间关系的图；
[图6B]图6B是示出了低浓度范围内衰减α与FP之间关系的图；
[图7]图7是示出了用于饱和水蒸气生成器的气袋和作为注射器的气密式注射器的照片；
[图8A]图8A是示出了通过球SAW微量水分分析仪测量的FP的时间变化的图；
[图8B]图8B是将图8A中的时间范围从15秒扩大到20秒的图；
[图9A]图9A是示出了注射了饱和水蒸气之后SAW衰减的时间变化的图；
[图9B]图9B是示出了参考数据的图，该参考数据示出了使用通过静态校准确定的校准曲线计算的FP的时间变化；
[图10A]图10A是示出了参考数据与主体传感器元件输出响应的图；
[图10B]图10B是示出了高浓度范围内衰减α与FP之间关系的图；
[图10C]图10C是示出了低浓度范围内衰减α与FP之间关系的图；
[图11]图11是示出了通过与第一实施例相关的动态校准方法和与示例性示例相关的静态校准方法获得的校准曲线的图；
[图12]图12是示出了使用与第一实施例相关的动态校准方法确定的设定FP和测量FP之间的关系，以及通过与示例性示例相关的静态校准方法获得的较早校准曲线的图。
[图13]图13是与本发明第二实施例相关的校准系统的概念图；
[图14A]图14A是示出了通过与第二实施例相关的校准系统获得的，通过注入饱和水蒸气而引起的水分浓度时间变化的图；并且
[图14B]图14B是示出了通过与第二实施例相关的校准系统获得的背景气体的积分浓度与流速之间关系的图。
具体实施方式
(示例性示例)
在描述本发明的第一实施例和第二实施例之前，参照图3、图4、图5A和图5B，我们将介绍静态校准系统的示例性示例，该示例导致了本发明的第一实施例和第二实施例。
如图4所示，与该示例性示例相关的静态校准系统包括第一质量流量控制器(MFC)55a、第二MFC 55b、第三MFC 55c、第四MFC 55d、第五MFC 54、第一自动压力调节器(APR)52和第二APR 53，以实现穿过第四MFC 55d的湿气体管道、穿过第一MFC 55a的第一干气体管道，以及穿过第三MFC 55d的第二干气体管道。第二干气体管道和湿气体管道连接，以实现穿过第二MFC 55c和第三MFC 55d的第一混合气体管道。第一干气体管道和第一混合气体管道连接，以实现穿过第五MFC 54的第二混合气体管道。第一混合气体管道分支为穿过第一APR 52的排气管道。
排气管道和第二混合气体管道由穿过第二APR 53的压力控制管道旁通。校准传感器56周围的水分浓度可以通过控制穿过饱和器51的湿气体管道与第一干气体管道和第二干气体管道以及第一混合气体管道之间的流量比而进行改变。饱和器51是包含纯水的1/4英寸不锈钢管，并通过用帕尔贴(Peltier)装置控制温度来引入恒定浓度的饱和水蒸气。
图5是使用图4所示系统逐步改变水分浓度时传感器响应的示例。图5的图示出了当评估为霜点(FP)的水分浓度从-76℃逐步变化为-17℃时，作为球SAW传感器的输出响应的衰减α[GREEK]在十小时内的时间变化。根据图5所示的数据，可得到FP和衰减α之间关系的校准曲线。虽然图4所示的系统能够进行准确校准，但其太庞大，因此无法进行现场校准。
在图6A中，通过图4所示的静态校准系统获取的，FP与球SAW传感器的衰减α之间的关系绘制为空心圆。在图6A中，我们发现用虚曲线表示的关系可以表示为由下式给出的衰减α的函数：
[数学式1]
FP＝Aα+B-10Cα+D，........(1)
其中A、B、C和D是系数，它们是每个传感器的特性。
也就是说，球SAW传感器的校准是指系数A、系数B、系数C和系数D的确定。当FP高于-25℃时，FP可近似地与衰减α几乎呈线性，而忽略等式(1)的指数项为
[数学式2]
FP＝Aα+B.........(2)
因此，可以通过对高浓度范围内的数据进行最小二乘拟合而确定系数A和系数B。此外，等式(1)可以转换为
[数学式3]
log10(Aα+B-FP)＝Cα+D，.........(3)
表示等式(1)的指数项为线性函数。图6B示出了衰减α与使用低FP范围内数据的等式(3)左侧值之间的关系。
因此，可以通过最小二乘拟合来确定系数C和系数D。通过使用系数A、系数B、系数C和系数D，我们可以得到传感器的校准曲线，如下式所示：
[数学式4]
FP＝1.279α-182.8-10-0.1776α+21.56....(4)
-第一实施例-
现在，将在下文中参考附图对本发明的实施例进行描述。在对以下附图的描述中，相同或相似的附图标记表示相同或相似的部分。然而，附图为示意性的，并且应当注意，厚度与平面图尺寸的关系、装置的配置等与实际数据不同。因此，具体厚度与尺寸应通过考虑以下描述来判断。
此外，甚至在相互的附图之间，自然也包括相互尺寸之间的关系与比率不同的部分。此外，如下所述的实施例例示了体现本发明技术思路的装置和方法，并且在本发明的技术思路中，配置部件的材料、形状、结构、布置等并不限于下文。
在下文的描述中，“水平”方向或“垂直”方向仅为了便于解释，而并不限制本发明的技术精神。因此，例如，当纸张平面旋转90度时，“水平”方向改变为“垂直”方向，而“垂直”方向改变为“水平”方向。当纸张平面旋转180度时，“左”侧改变为“右”侧，而“右”侧改变为“左”侧。因此，在权利要求书规定的技术范围内，可以对本发明的技术思路进行各种改变。
(系统配置)
如图1A所示，与本发明的第一实施例相关的校准系统包括：背景气体流经的第一管道45a、安装在第一管道45a和第二管道45b之间的流量计33、安装在第二管道45b和第三管道45c之间的入口32、用于将恒定量的校准气体注入入口32的注射器31，以及穿过作为“引入管道”的第三管道45c安装在入口32下游的快速响应水分传感器35。
如图1A所示，与第一实施例相关的校准系统还包括：与水分传感器35连接的处理单元341、与处理单元341连接的参考数据存储器342，以及与处理单元341连接的主体数据存储器343。水分传感器35、处理单元341、参考数据存储器342和主体数据存储器343执行水分分析仪34。
图1B所示的水蒸气生成器36在容纳在水蒸气生成器36下部中的水上方的顶部空间的背景气体中产生饱和水蒸气。在水蒸气生成器36的上部附接有温度计37。温度计37测量被水蒸气饱和的背景气体的温度。在使用图1A所示的校准系统进行校准之前，应将注射器31的尖部插入水蒸气生成器36中。并且，通过注射器31从水蒸气生成器36中采样饱和水蒸气。
随后，将背景气体引入图1A所示的第一管道45a中，并且当背景气体的流量由流量计33控制或测量时，背景气体以受控的流速流过第一管道45a。并且，当通过注射器31将饱和水蒸气注入入口32时，水蒸气通过扩散和漂移穿过第三管道45c输送至水分传感器35，并通过水分传感器35得到输出响应。
如图1C所示，处理单元341包括：参考数据获取逻辑电路(LCKT)345、主体数据获取逻辑电路(LCKT)346、关系计算逻辑电路(LCKT)347，以及配置为控制参考数据获取LCKT345、主体数据获取LCKT 346和关系计算LCKT 347的操作时间顺序的控制电路。
在将具有已知浓度的水蒸气注入校准系统的分析仪后，参考数据获取LCKT 345获取指示水分浓度时间变化的参考数据。主体数据获取LCKT 346测量指示被测分析仪的主体传感器元件输出响应时间变化的主体数据，该主体数据是在与获取参考数据相同的条件下获取的。
关系计算LCKT 347用与获取参考数据相同的持续时间，将主体数据与参考数据进行比较，该持续时间是从注射具有已知浓度的水蒸气的时间开始测量的。并且关系计算LCKT 347还计算主体传感器元件的输出响应与已知浓度之间的关系。参考数据存储器342存储由参考数据获取LCKT 345获取的参考数据。主体数据存储器343存储由主体数据LCKT346获取的主体数据。
水分传感器35由图3所示的球SAW传感器执行，由于水分浓度的变化，输出响应随时间发生变化。如图3所示，在执行水分传感器35的球SAW传感器中，传感器电极21在特定条件下激发SAW。SAW在压电球2周围产生自然准直光束22，从而可以实现沿球的赤道多次往返。因为涂覆在SAW传播路径上的感光膜23由于水的吸附而改变了粘弹性，所以可以通过SAW的衰减α来评估水分的浓度。
处理单元341可以是例如计算机系统的中央处理单元(CPU)。参考数据获取LCKT345、主体数据获取LCKT 346和关系计算LCKT 347可以通过布置在通用半导体集成电路的功能逻辑电路来实现。例如，处理器可包括可编程逻辑器件(PLD)，例如现场可编程门阵列(FPGA)。
FPGA是设计为在制造后由消费者或设计者配置的集成电路。通常使用与用于专用集成电路(ASIC)类似的硬件描述语言(HDL)来指定FPGA配置。与FPGA的配置相似，处理单元341可包含参考数据获取LCKT 345、主体数据获取LCKT 346和关系计算LCKT 347作为可编程逻辑块的阵列。
也就是说，与软件一样，可以通过创建子部件，然后创建更高级别的部件来实例化他们，从而模块化地设计参考数据获取LCKT 345、主体数据获取LCKT 346和关系计算LCKT347的电子硬件。在处理单元341容纳在PC中的情况下，输出单元349可内置于PC中，或者可与PC构成为一体。同时，在处理单元341与混合IC或模块合并的情况下，还可以将处理单元341组装在水分分析仪34内部。可选地，参考数据获取LCKT 345、主体数据获取LCKT 346和关系计算LCKT 347可以通过软件程序的体系结构来实现。
尽管未示出，但以与常用计算机系统类似的方式，将寄存器组、高速缓存存储器和主存储器(数据存储器)作为主存储装置以及程序存储器连接至或内置到根据本发明的第一实施例的处理单元341中。主存储装置与计算机系统实现的校准系统的处理单元341直接连接。寄存器组在处理单元341的内部。寄存器包含需要算术逻辑单元执行当前指令的信息。
寄存器在技术上是所有形式的计算机存储装置中速度最快的，它是集成在CPU硅芯片上的开关晶体管，起着电子“触发器”的作用。高速缓存存储器是处理单元341用于增强性能或“吞吐量”的一种特殊类型的内部存储器。主存储器中的一些信息在高速缓存存储器中复制，速度比处理器寄存器稍慢但容量要比处理器寄存器大得多，速度比主存储器快但容量比主存储器小得多。
虽然省略了图示，但主存储器包含当前的数据和当前正在运行的指令，并且直接与数据总线348a、348b连接。算术LCKT 345、346和347可以非常快速地在寄存器组和主存储装置中的位置(也称为“存储器地址”)之间传送信息。
程序存储器可由半导体存储器、磁盘、光盘、磁光盘、磁带等组成。因此，根据第一实施例，用于驱动控制图1所示参考数据获取LCKT 345、主体数据获取LCKT 346和关系计算LCKT 347，并使LCKT 345、346、347校准水分传感器的校准程序只需要存储在执行水分分析仪34的计算机系统的程序存储器(未示出)中。同时，可以将校准所需的各种输入/输出数据和参数、计算中的数据等存储在诸如SRAM的数据存储器中。
根据本发明第一实施例的处理单元341可以由诸如PC的计算机系统配置，因此省略了PC的图示。然而，处理单元341还可包括诸如PC键盘、鼠标和光笔的输入单元。具体地，鼠标单击显示在输出单元349上的运算符符号，从而可以输入测量条件或传感器规格。此外，作为另一输出单元，可以提供打印机装置等，以及图1C所示的输出单元349。
根据与第一实施例相关的校准系统，其有效性使得测量时间可以短至十分钟，而与示例性示例相关的静态校准需要十小时。由于与第一实施例相关的校准系统由少量的简单部件执行，因此可以精简校准系统的规模，并将该校准系统应用于现场校准。此外，由于与第一实施例相关的校准系统使用饱和水蒸气作为校准气体，因此无需进行详细控制即可在现场轻松制备高精度校准气体。
(动态校准系统)
如图1B所示的水蒸气生成器36，我们使用内表面被钝化的采样气袋进行气体分析，如图7所示。用氮气吹扫气袋后，将纯水注入气袋中，并在由空调控制的室温下用水蒸气饱和气袋。如图1A和图1B所示的注射器31，我们使用气密式注射器，用它我们可以利用注射器的刻度控制注入量。使用用作注射器31的气密式注射器从气袋中提取饱和水蒸气，并将其注入设置在与第三管道45c连接的作为水分传感器35的球SAW传感器上游170mm处的入口32中。使用作为流量计33的质量流量控制器控制流经第一管道45a、第二管道45b和第三管道45c的氮气。
我们在与第一实施例相关的系统中安装了作为水分传感器35的球SAW传感器，并通过注入饱和水蒸气来测量响应。注入量为1ml，并且背景气体的流速为100ml·min-1。测量时，室温为21.6℃。响应时间是指注入饱和水蒸气后FP增加10％至90％的时间。
图8A示出了使用水分传感器35测量的由于注射饱和水蒸气而导致的FP的时间变化。注入后FP立即增加，然后逐渐降低。降低大约花费十分钟时间，并且被认为表示吸附在管道表面上的水逐渐解吸的过程。
图8B中示出了峰的扩大视图。从-70℃到10℃，10％至90％FP变化的响应时间仅为0.64秒。由于响应时间小于一秒，因此可以认为，在与第一实施例相关的动态校准过程的任何情况下，迅速达到感光膜内的水分浓度和大气中的水分浓度之间的平衡，需要十分钟。这种快速平衡是与第一实施例相关的动态校准过程的有效性的基础。
(动态校准方法)
首先，为了获取用于与第一实施例相关的动态校准方法的参考数据，我们安装由球SAW传感器执行的参考传感器元件作为图1A所示的水分传感器35。在图2所示的程序步骤11中，在将具有已知浓度的水蒸气注入被测分析仪后，参考数据获取LCKT 345获取指示水分浓度时间变化的参考数据。
该参考传感器元件已经通过与图4中所示的示例性示例相关的静态校准方法进行了校准。该校准系统可以是与第一实施例相关的动态校准系统。然后，该校准系统通过注入饱和水蒸气来测量衰减α的时间变化。FP的时间变化可以通过在等式(4)中每次替换衰减α来获取。参考数据获取LCKT 345将获取的参考数据存储到参考数据存储器342中。
参考数据的测量结果在图9A和图9B中示出，背景气体流速为10ml·min-1，饱和水蒸气注入量为1ml，室温为21℃。根据如图9A所示注入饱和水蒸气后衰减α的时间变化，使用等式(4)获取的校准曲线获得FP的时间变化，如图9B所示。由于峰的上升部分变化迅速，所以不使用上升部分进行校准，而是将实曲线所示的逐渐下降的部分用作参考数据。
接下来，将参考传感器元件替换为待校准的主体传感器元件。在图2所示的程序步骤12中，主体数据获取LCKT 346测量指示被测分析仪的主体传感器元件输出响应的时间变化的主体数据，该主体数据是在与获取参考数据相同的条件下获取的。例如，在与测量参考数据相同的条件下，测量衰减α的时间变化十分钟。该主体传感器元件由球SAW传感器执行。主体数据获取LCKT 346将获取的主体数据存储到主体数据存储器343中。新传感器—或主体水分传感器—在与测量参考数据相同的条件下的衰减α由图10A中的实曲线表示。
在图2所示的程序步骤13中，关系计算LCKT 347从参考数据存储器342中读出参考数据，并且关系计算LCKT 347还从主体数据存储器343中读出主体数据。此后，关系计算LCKT 347用与获取参考数据相同的持续时间，将主体数据与参考数据进行比较，该持续时间是从注射具有已知浓度的水蒸气的时间开始测量的。
并且，在图2所示的程序步骤14中，关系计算LCKT 347还计算主体传感器元件的输出响应与已知浓度之间的关系。
利用相同持续时间下虚曲线所示的参考数据，我们得到了右纵轴的FP。图10B示出了高浓度范围内衰减α和FP的关系，如实心圆所示。
由于图10B所示的关系几乎是线性的，所以通过最小二乘拟合确定了校准曲线A和B的系数，A＝1.188，B＝-94.41。另一方面，图10C示出了低浓度范围内衰减α与通过等式(3)左侧表示的函数表达式获得的值之间的关系，如空心圆所示。由于图10C所示的关系也是线性的，所以通过最小二乘拟合确定了系数C和系数D为C＝-0.1983、D＝11.88。
在图2所示的程序步骤15中，关系计算LCKT 347进一步定义校准数据。也就是说，通过动态校准方法获得的新传感器元件的校准曲线由下式给出：
[数学式5]
FP＝1.188α-94.41-10-0.1983α+11.88....(5)
主体传感器元件的校准曲线导出为同一持续时间下参考数据的衰减α与FP之间的关系。
关系计算LCKT 347还将所定义的校准数据输送至输出单元349。或者，可将所定义的校准数据存储在校准数据存储器中，但省略了校准数据存储器的图示。
最后，通过静态校准方法再次校准主体传感器元件。通过静态校准方法获得的同一主体传感器元件的校准曲线由下式给出：
[数学式6]
FP＝1.257α-101.3-10-0.1994α+11.86....(6)
并将所获得的校准曲线与通过与第一实施例相关的动态校准方法获得的校准曲线进行比较。
在图11中，使用等式(5)的动态校准曲线的结果由实曲线表示，而使用等式(6)的静态校准曲线的结果由虚曲线表示。这两条曲线看起来几乎相同。
图12示出了通过将衰减α代入每个校准曲线而计算的设定FP与测量FP之间的误差。横坐标表示设定FP，纵坐标表示测量FP。如果没有误差，则应在虚线所示的45度线上绘制测量FP。实心圆表示动态校准得到的结果，空心圆表示静态校准得到的结果。在-59℃至-17℃的FP范围内，静态校准方法和动态校准方法的均方根(RMS)误差分别为0.88℃和2.12℃。
在-59℃至-17℃的FP范围内，动态校准的2.12℃RMS误差用于粗略估计传感器状况是可接受的。由于该误差被认为是使用参考数据所需的公式(4)获得的校准曲线中的误差、注入作为校准气体的饱和水蒸气量的误差，以及温度和大气压力的细微差异的累积，因此可以通过改进系统部件来减小该误差。
根据与第一实施例相关的动态校准方法，其有效性使得测量时间可以短至十分钟，而与示例性示例相关的静态校准需要十小时。因此，可以将动态校准方法应用于现场校准。此外，由于与第一实施例相关的动态校准方法使用饱和水蒸气作为校准气体，因此无需进行详细控制即可在现场轻松制备高精度校准气体。
(校准程序)
例如，根据本发明第一实施例的校准程序存储在非暂时性计算机可读存储介质中，处理单元341的程序存储器读取记录在外部记录介质中的内容，因此所涉及的校准程序可以执行本发明校准的一系列处理。
即，使得与第一实施例相关的校准系统中的处理单元341执行校准处理的校准程序包括用于执行校准程序的一系列指令。该系列指令可包括对参考数据获取LCKT 345的指令，使得在将具有已知浓度的水蒸气注入校准系统的分析仪后，参考数据获取LCKT 345获取指示水分浓度时间变化的参考数据。
该系列指令还包括对主体数据获取LCKT 346的指令，使得主体数据获取LCKT 346测量指示被测分析仪的主体传感器元件的输出响应的时间变化的主体数据，该主体数据是在与获取参考数据相同的条件下获取的。
该系列指令还包括对关系计算LCKT 347的指令，使得关系计算LCKT 347用与获取参考数据相同的持续时间，将主体数据与参考数据进行比较，该持续时间是从注入具有已知浓度的水蒸气的时间开始测量的。该系列指令还包括对关系计算LCKT 347的指令，使得关系计算LCKT 347计算主体传感器元件的输出响应与已知浓度之间关系。
在此，“非暂时性计算机可读存储介质”是指可以记录程序的介质。该非暂时性计算机可读存储介质包括例如，计算机的外部存储装置、半导体存储器、磁盘、光盘、磁光盘、磁带等。具体地，“非暂时性计算机可读存储介质”中可包括软盘、CD-ROM、MO盘、开卷式磁带等。
例如，处理单元341的主体可配置为在其中内置软盘装置和光盘装置，或配置为使软盘装置和光盘装置与其外部连接。将软盘从插入槽插入到软盘驱动器中，将CD-ROM从插入槽插入到光盘驱动器中，二者均进行预定的读取操作，由此，存储在这些外部记录介质中的程序可以安装到执行处理单元341的程序存储器中。
此外，预定驱动装置与处理单元341连接，由此，例如，ROM和磁带装置可用作外部记录介质。此外，可以通过诸如因特网的信息处理网络，而不是使用外部记录介质，将校准程序存储在程序存储器中。
根据与第一实施例相关的校准程序，其有效性使得测量时间可以短至十分钟，而与示例性示例相关的静态校准需要十小时。因此，可以将该校准程序应用于现场校准。此外，无需进行详细控制即可在现场轻松制备高精度校准气体。
-第二实施例-
如图13所示，与本发明的第二实施例相关的校准系统包括：背景气体流经的第一管道44a、安装在第一管道44a和第二管道44b之间的流量计33。第二管道44b分支为具有第一阀门41的第一分支管道44e，并且第二管道44b的另一个分支经由第二阀门43与第三管道44c连接。
第三管道44c分支为具有第三阀门42的第二分支管道44f，并且第三管道44c的另一个分支连接至水分分析仪34，因此第三管道44c用作水分分析仪34的“引入管道”。与第二实施例相关的校准系统还包括：安装在第一分支管道44e和第二分支管道44f之间的入口32，以及用于将恒定量的校准气体注入入口32中的注射器31。
通过在入口32的上游和下游分支管道并使用第一阀门41、第二阀门43和第三阀门42切换流动路径，可以采用允许线上更换和维护入口32的配置，因为水分分析仪34穿过第三管道44c安装在入口32的下游。
第一实施例的说明中图1B所示的水蒸气生成器36在容纳在水蒸气生成器36下部中的水的顶部空间产生背景气体中的饱和水蒸气。在使用图13所示的校准系统进行校准之前，应将注射器31的尖部插入水蒸气生成器36中。并且，通过注射器31从水蒸气生成器36中采样饱和水蒸气。
随后，将背景气体引入图13所示的第一管道44a中，当背景气体的流量由流量计33控制或测量时，背景气体以受控的流速流过第一管道44a。并且，当通过注射器31将饱和水蒸气注入入口32时，水蒸气通过扩散和漂移穿过第三管道44c输送至水分分析仪34，并通过水分分析仪34得到输出响应。
水分分析仪34由作为第一实施例的水分传感器35的图3所示球SAW传感器执行，并且由于水分浓度的变化，输出响应随时间发生变化。尽管省略了图示，但是与第一实施例中所述的配置相似，水分分析仪34还包括处理单元341、参考数据存储器342和主体数据存储器343来执行水分分析仪34。
并且，处理单元341包括第一实施例中所述的参考数据获取LCKT 345、主体数据获取LCKT 346和关系计算LCKT 347。由于与第二实施例相关的校准系统包括简单的部件，因此可以精简校准系统，并将该校准系统应用于现场校准。此外，由于与第二实施例相关的校准系统使用饱和水蒸气作为校准气体，因此无需进行详细控制即可在现场轻松制备高精度校准气体。
根据与第二实施例相关的校准系统，其有效性使得测量时间可以短至十分钟，而与示例性示例相关的静态校准需要十小时。由于与第二实施例相关的校准系统由少量的简单部件执行，因此可以精简校准系统的规模，并将该校准系统应用于现场校准。此外，由于与第二实施例相关的校准系统使用饱和水蒸气作为校准气体，因此无需进行详细控制即可在现场轻松制备高精度校准气体。
当注入的水浓度为CW，且注入量为VS时，总注入水含量VW由下式给出：
Vw＝CwVw.........(7)
另一方面，背景气体以流速F0流经管道的同时注入管道中的水蒸气沿流动方向扩散，并到达传感器，同时吸附到管壁表面/从管壁表面解吸，因此传感器周围的水分浓度随时间而变化。由于浓度积分Ic是响应曲线时间积分的乘积Cm(t)
Ic＝∫Cm(t)dt.........(8)，
并且气体流速F0等于VW，所以浓度积分Ic由下式给出：
Ic＝VW/F0.........(9).
在图3所示的球SAW传感器连接至与第二实施例相关的校准系统的条件下，将饱和水蒸气注入该校准系统中。使用质量流量控制器将背景气体的流速改变为5、10、20、50和100mL/min。图14A示出了根据球SAW传感器的输出响应计算出的水分浓度的时间变化。每个输出响应在偏移2000ppmv后绘制。根据23℃室温下的饱和水蒸气压计算注入的校准气体的水分浓度为CW＝28100ppmv。
当气体流速为10mL/min时，根据等式(7)得到的总水分含量为0.0281mL，并且根据等式(9)得到的浓度积分Ic的理论值为2810ppm min。2810ppm min的值几乎等于根据等式(8)的响应曲线获得的Ic＝2694ppm min。图14B示出了在每种流速下进行相似测量的结果。用空心圆表示的所有流速下的测量值与实曲线表示的理论值几乎一致。因此，示出了与第二实施例相关的校准系统的操作遵循理论预测。
因此，可以执行与第一实施例相关的动态校准方法相似的用于校准水分传感器的方法。也就是说，与第二实施例相关的动态校准方法包括：在将具有已知浓度的水蒸气注入校准系统的分析仪后，参考数据获取LCKT 345获取指示水分浓度时间变化的参考数据的步骤。并且，与第二实施例相关的动态校准方法包括：主体数据获取LCKT 346测量指示被测分析仪的主体传感器元件输出响应时间变化的主体数据的步骤，该主体数据是在与获取参考数据相同的条件下获取的。
此外，与第二实施例相关的动态校准方法包括：关系计算LCKT 347用与获取参考数据相同的持续时间，将主体数据与参考数据进行比较的步骤，该持续时间是从注射具有已知浓度的水蒸气的时间开始测量的。此外，与第二实施例相关的动态校准方法包括：关系计算LCKT 347计算主体传感器元件的响应与已知浓度之间关系的步骤。
根据与第二实施例相关的动态校准方法，其有效性使得测量时间可以短至十分钟，而与示例性示例相关的静态校准需要十小时。因此，可以将该动态校准方法应用于现场校准。此外，由于与第二实施例相关的动态校准方法使用饱和水蒸气作为校准气体，因此无需进行详细控制即可在现场轻松制备高精度校准气体。
根据与第二实施例相关的校准程序，其有效性使得测量时间可以短至十分钟，而与示例性示例相关的静态校准需要十小时。因此，可以将该校准程序应用于现场校准。此外，无需进行详细控制即可在现场轻松制备高精度校准气体。
该动态校准方法可以由处理单元341通过与第二实施例相关的校准程序执行，该校准程序与第一实施例相关的校准程序基本相同。因此，省略了对校准程序的重复说明。并且，用于执行动态校准方法的一系列指令应存储在非暂时性计算机可读存储介质中。
-其他实施例-
在接受本公开的教导后，本领域技术人员在不脱离本公开范围的情况下可以进行各种修改。本发明不仅可以应用于使用球SAW传感器的水分分析仪的现场校准，而且可以应用于其他水分分析仪的现场校准。其作为水分分析仪的校准方法，对于应用于无适用校准系统的特殊气体处理也是有效的。
此外，与第一实施例和第二实施例相关的校准方法可以容易地用于水分分析仪，而且还可容易地应用于诸如乙醇、酸和醛的其他气体的分析仪。
通过这种方式，本发明固有地包括各种实施例，在此不对其进行描述。因此，本发明的技术范围仅由权利要求的描述来规定，这根据上述说明时合适的。

Claims (7)

1.一种用于校准水分传感器的系统，所述系统包括处理单元，所述处理单元包括：
配置为在将具有已知浓度的水蒸气注入分析仪后，获取指示水分浓度的时间变化的参考数据的逻辑电路；
配置为测量指示被测的所述分析仪的主体传感器元件的输出响应的时间变化的主体数据的逻辑电路，所述主体数据是在与获取所述参考数据相同的条件下获取的；以及
配置为用与获取所述参考数据相同的持续时间，将所述主体数据与所述参考数据进行比较的逻辑电路，所述持续时间是从注射具有已知浓度的所述水蒸气的时间开始测量的，用于计算所述主体传感器元件的所述输出响应与所述已知浓度之间的关系。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括：
注射器，被配置为注射恒定量的校准气体；
入口，被配置为接收所述注射器的尖部；
流量计，被配置为控制背景气体的流速；
水分传感器，被配置为接受所述主体传感器元件，所述水分传感器的输出端与所述处理单元连接；
第一管道，用于将所述背景气体引入所述流量计；
第二管道，将所述流量计与所述入口连接，被配置为使所述背景气体以由所述流量计控制的流速流动；以及
第三管道，将所述入口与所述水分传感器连接，被配置为将所述背景气体和所述校准气体引入所述水分传感器。
3.根据权利要求2所述的系统，还包括：
饱和水蒸气生成器，被配置为生成校准气体，所述校准气体被所述背景气体中的水蒸气饱和，
其中，所述注射器的尖部在插入所述入口的时间之前，先插入所述饱和水蒸气生成器中，以便采样具有恒定量的所述校准气体。
4.根据权利要求3所述的系统，其中，所述主体传感器元件为球SAW传感器。
5.一种用于校准水分传感器的方法，包括：
在将具有已知浓度的水蒸气注入校准系统的分析仪后，获取指示水分浓度的时间变化的参考数据；
测量指示被测的所述分析仪的主体传感器元件的输出响应的时间变化的主体数据，所述主体数据是在与获取所述参考数据相同的条件下获取的；
用与获取所述参考数据相同的持续时间，将所述主体数据与所述参考数据进行比较，所述持续时间是从注射具有已知浓度的所述水蒸气的时间开始测量的；以及
计算所述主体传感器元件的所述输出响应与所述已知浓度之间的关系。
6.根据权利要求5所述的方法，还包括：
将所述注射器的尖部插入饱和水蒸气生成器中，以便采样恒定量的校准气体；以及
将所述注射器的尖部插入被配置为将所述校准气体引入所述主体传感器元件的所述系统的入口中。
7.一种非暂时性计算机可读存储介质，存储用于校准水分传感器的系统的校准程序，所述校准程序使所述系统中的处理单元通过用于执行校准的一系列指令来执行校准处理，所述校准程序包括：
在将具有已知浓度的水蒸气注入校准系统的分析仪后，获取指示水分浓度的时间变化的参考数据；
测量指示被测的所述分析仪的主体传感器元件的输出响应的时间变化的主体数据，所述主体数据是在与获取所述参考数据相同的条件下获取的；
用与获取所述参考数据相同的持续时间，将所述主体数据与所述参考数据进行比较，所述持续时间是从注射具有已知浓度的所述水蒸气的时间开始测量的；以及
计算所述主体传感器元件的所述输出响应与所述已知浓度之间的关系。
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