CN113917076B - 有机溶剂气体浓度检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种有机溶剂气体浓度检测方法，本发明采用催化燃烧式可燃气体传感器B1、和氧化物半导体式气体传感器B2同进行浓度检测，在进行浓度检测时，首先计算B1、B2在在不同温度条件下的温度补偿系数，用于后续温度补偿；其次，计算出B1、B2在不同有机溶剂气体环境下的相对灵敏度，用于选定每一种有机溶剂气体的主检传感器和校准传感器，并根据主检传感器和校准传感器的值输出校准浓度值；最后结合校准浓度值和温度补偿系数得到实际浓度值。该方法中不仅利用催化传感器、半导体传感器共同作用，对浓度信息进行校准，还结合温度系数进行温度补偿，从而使输出的数据计量准确，且本发明成本低廉，使用寿命长。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体浓度检测方法，尤其涉及一种有机溶剂气体浓度检测方法。
背景技术
而有机溶剂主要应用于在医药、冶金、燃气、石油化工等行业，有机溶剂气体是指挥发性有机化合物，对人体健康有巨大影响的气体，包括苯乙烯、丙二醇、、甲酚、甲苯、乙苯、二甲苯、甲醛等气体，这些气体存在安全隐患，所以需要对其进行检测。
但目前对气体浓度的检测，主要是使用催化传感器、或半导体传感器、以及行业内检测效果最好的光离子PID传感器进行检测，存在以下问题：
（1）一般只能检测可燃性气体的浓度，而对于非可燃性有机溶剂气体，则不能检测。
（2）光离子PID传感器，但成本高，寿命短。催化传感器检测有很多有机溶剂气体响应很差，达不到理想的检测效果；半导体传感器检测不能满足计量测试的要求。检测单一气体浓度准确，但现场物质成份偏多出现干扰时，只能用于定性检测。
我们通过长期多次对有机溶剂气体测试发现，各种有机溶剂气体对催化和半导体传感器的响应度不一致，本发明同时使用半导体和催化传感器检测，通对比例算法确认现场境有机溶剂气体浓度，可通过国家计量检验，符合标准，且成本低兼，使用寿命长。
名词解释：
用于探测有机溶剂气体浓度的气体浓度传感器，一般为以下两种：
催化燃烧式可燃气体传感器和氧化物半导体式气体传感器。
催化燃烧式可燃气体传感器是利用催化燃烧的热效应原理，由检测元件和补偿元件配对构成测量电桥，在一定温度条件下，可燃气体在检测元件载体表面及催化剂的作用下发生无焰燃烧，载体温度就升高，通过它内部的铂丝电阻也相应升高，从而使平衡电桥失去平衡，输出一个与可燃气体浓度成正比的电信号。通过测量铂丝的电阻变化的大小，就知道可燃性气体的浓度。主要用于可燃性气体的检测，具有输出信号线性好，指数可靠，价格便宜，不会与其他非可燃性气体发生交叉感染。
氧化物半导体式气体传感器：
氧化物半导体式气体传感器是利用被测气体的吸附作用改变半导体的电导率，通过电流变化的比较来激发报警电路的机器。由于半导体式传感器测量时受环境影响较大，输出线形不稳定。金属氧化物半导体式传感器，因其反应十分灵敏，故广泛使用的领域为测量气体的微漏现象。本发明中采用TO-5 金属封装。
目前已知的气体浓度传感器，其可探测多种探测有机溶剂气体浓度。单片机在已知有机溶剂气体的种类时，调用对用的浓度计算公式，根据气体浓度传感器反馈的浓度信息，即可计算出对应的浓度值。催化燃烧式可燃气体传感器和氧化物半导体式气体传感器不同，其对应的浓度计算公式也不同，但都可以通过单片机进行调用和计算。
本发明中，催化燃烧式可燃气体传感器、氧化物半导体式气体传感器两者搭配使用，主要用于各种可燃性气体及各种可燃空气污染物的检测(如VOC、氨气、硫化氢等。
发明内容
本发明的目的就在于提供一种解决上述问题，能实现有机溶剂气体浓度的精确检测、成本低廉、使用寿命长、测量方法简单的有机溶剂气体浓度检测方法。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种有机溶剂气体浓度检测方法，包括以下步骤：
（1）构建一检测装置；
所述检测装置包括单片机、温度传感器、气体浓度传感器单元和和供电单元，所述温度传感器输出端连接单片机，所述气体浓度传感器单元包括用于探测有机溶剂气体浓度的催化燃烧式可燃气体传感器B1和氧化物半导体式气体传感器B2，二者分别经一放大电路连接单片机；
（2）计算B1、B2在不同温度条件下的温度补偿系数；
（3）计算B1在不同有机溶剂气体环境下的相对灵敏度，包括（31）-（33）；
（31）将B1在甲烷气体环境中的响应度作为催化传感器的基准响应度，灵敏度值为1；
（32）选取一种有机溶剂气体，将B1置于其气体环境中获取当前响应度，并根据下式计算B1在当前有机溶剂气体环境下的相对灵敏度；
相对灵敏度=当前响应度/基准响应度
（33）选择其他有机溶剂气体，按照步骤（32）的方法，得到B1在不同有机溶剂气体环境下的相对灵敏度；
（4）计算B2在不同有机溶剂气体环境下的相对灵敏度；
（41）将B2在酒精气体环境中的响应度作为催化传感器的基准响应度，灵敏度值为1；
（42）按照步骤（32）、（33）中计算B1在不同有机溶剂气体环境下的相对灵敏度的方法，得到B2在不同有机溶剂气体环境下的相对灵敏度；
（5）测量有机溶剂气体浓度；
（51）选取一待测有机溶剂气体，标记为A气体，对比其在B1、B2中的相对灵敏度值，相对灵敏度值高的传感器作为主检传感器，另一个为校准传感器；
（52）将检测装置置于A气体中，单片机获取当前温度传感器的温度值、主检传感器、校准传感器的初始浓度值，并将A气体对应主检传感器的初始浓度值标记为C1，对应校准传感器的初始浓度值标记为C2，并确定一校准范围（C2-10%LEL，C2+10%LEL）；
（53）判断C1的值，若C1位于校准范围内，则输出C1值作为校准浓度值，否则输出（C2+C1）/2作为校准浓度值；
（54）查找该校准浓度值对应的温度补偿系数，进行温度补偿，输出实际浓度值。
作为优选：所述步骤（2）中，计算B1在不同温度条件下的温度补偿系数；具体为：
（21）以B1在20℃下的响应电压为基准响应电压，定义基准响应电压对应的温度系数为100%，
（22）确定一温度范围，在温度范围内选取N个温度值，按顺序标记为T1-TN；
（23）改变当前温度至T1，获取B1在当前温度下的当前响应电压，根据下式计算当前温度下的温度补偿系数；
温度补偿系数=当前响应电压/基准响应电压*100%
（24）依次改变温度T2-TN；获取B1在所有温度值下的温度补偿系数，构建成B1的温度补偿系数表；
（25）B2在不同温度条件下的温度补偿系数的计算方法，与B1相同。
作为优选：步骤（54）具体为，根据下式计算实际浓度值；
校准温度值/温度补偿系数=实际浓度值。
作为优选：还包括步骤（6），所述单片机连接一显示器，并通过显示器实时显示计算得到的实际浓度值。
作为优选：B1和B2在使用前进行零点标定，具体为：将检测装置置于20℃环境中，上电老化24H后，将此时B1、B2工作电压值标定为其零点。
作为优选：所述零点标定为：所述单片机内置多种有机溶剂气体对应于B1和B2的的浓度计算公式，单片机在已知有机溶剂气体种类时，调用对应的浓度计算公式，并显示其对应B1和B2的初始浓度值。
作为优选：所述有机溶剂气体包括VOC气体、氨气和硫化氢。
本发明中：
（1）首先采用温度传感器对不同环境温度进行测量，且以催化燃烧式可燃气体传感器B1、氧化物半导体式气体传感器B2在20℃下的响应电压为基准响应电压，定义基准响应电压对应的温度系数为100%，计算两传感器在其他温度下对应的温度补偿系数，构建温度补偿系数表；所述温度补偿系数用于后期对浓度数据进行温度补偿，保证浓度数据的准确性。
（2）采用催化燃烧式可燃气体传感器B1、氧化物半导体式气体传感器B2共同进行浓度检测，将催化燃烧式可燃气体传感器B1在甲烷中的响应度，及氧化物半导体式气体传感器B2在酒精中的响应度做为基准，经过大量的测试，计算出各种有机溶剂的相对灵敏度。该方法可在进行已知的某种有机溶剂气体浓度测量时，准确快速的确定主检传感器、和校准传感器，从而保证数据的准确性。
（3）当要进行某种有机溶剂气体的浓度探测时，两个探测器均计算出初始浓度值，以主检传感器对应的浓度值为C1,校准传感器对应的浓度值为C2；再按照本发明方法，输出校准浓度值，例如校准浓度值根据实际情况，为C1，或C1、C2的均值。这样可以避免现场物质成份偏多出现对浓度结果的干扰，保证校准浓度值的准确度。
（4）再将校准浓度值结合温度补偿系数，进行进一步温度补偿，得到实际浓度值。
与现有技术相比，本发明的优点在于：采用催化燃烧式可燃气体传感器B1、和氧化物半导体式气体传感器B2同进行浓度检测，在进行浓度检测时，首先计算B1、B2在在不同温度条件下的温度补偿系数，用于后续温度补偿；其次，计算出B1、B2在不同有机溶剂气体环境下的相对灵敏度，用于选定每一种有机溶剂气体的主检传感器和校准传感器，并根据主检传感器和校准传感器的值输出校准浓度值；最后结合校准浓度值和温度补偿系数得到实际浓度值。
该方法中不仅利用催化传感器、半导体传感器共同作用，对浓度信息进行校准，还结合温度系数进行温度补偿，从而使输出的数据计量准确，且本发明成本低廉，使用寿命长。
附图说明
图1为本发明流程图；
图2为本发明中检测装置结构示意图；
图3为多种机溶剂气体及其对应编号示意图；
图4为实施例4中步骤（2）得到的温度补偿系数；
图5为B1的相对灵敏度表；
图6为B2的相对灵敏对表。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明作进一步说明。
实施例1：参见图1-图3，一种有机溶剂气体浓度检测方法，包括以下步骤：
（1）构建一检测装置；
所述检测装置包括单片机、温度传感器、气体浓度传感器单元和和供电单元，所述温度传感器输出端连接单片机，所述气体浓度传感器单元包括用于探测有机溶剂气体浓度的催化燃烧式可燃气体传感器B1和氧化物半导体式气体传感器B2，二者分别经一放大电路连接单片机；
（2）计算B1、B2在不同温度条件下的温度补偿系数；
（3）计算B1在不同有机溶剂气体环境下的相对灵敏度，包括（31）-（33）；
（31）将B1在甲烷气体环境中的响应度作为催化传感器的基准响应度，灵敏度值为1；
（32）选取一种有机溶剂气体，将B1置于其气体环境中获取当前响应度，并根据下式计算B1在当前有机溶剂气体环境下的相对灵敏度；
相对灵敏度=当前响应度/基准响应度
（33）选择其他有机溶剂气体，按照步骤（32）的方法，得到B1在不同有机溶剂气体环境下的相对灵敏度；
（4）计算B2在不同有机溶剂气体环境下的相对灵敏度；
（41）将B2在酒精气体环境中的响应度作为催化传感器的基准响应度，灵敏度值为1；
（42）按照步骤（32）、（33）中计算B1在不同有机溶剂气体环境下的相对灵敏度的方法，得到B2在不同有机溶剂气体环境下的相对灵敏度；
（5）测量有机溶剂气体浓度；
（51）选取一待测有机溶剂气体，标记为A气体，对比其在B1、B2中的相对灵敏度值，相对灵敏度值高的传感器作为主检传感器，另一个为校准传感器；
（52）将检测装置置于A气体中，单片机获取当前温度传感器的温度值、主检传感器、校准传感器的初始浓度值，并将A气体对应主检传感器的初始浓度值标记为C1，对应校准传感器的初始浓度值标记为C2，并确定一校准范围（C2-10%LEL，C2+10%LEL）；
（53）判断C1的值，若C1位于校准范围内，则输出C1值作为校准浓度值，否则输出（C2+C1）/2作为校准浓度值；
（54）查找该校准浓度值对应的温度补偿系数，进行温度补偿，输出实际浓度值，具体为根据下式计算实际浓度值；
校准温度值/温度补偿系数=实际浓度值。
本实施例中：所述步骤（2）中，计算B1在不同温度条件下的温度补偿系数；具体为：
（21）以B1在20℃下的响应电压为基准响应电压，定义基准响应电压对应的温度系数为100%，
（22）确定一温度范围，在温度范围内选取N个温度值，按顺序标记为T1-TN；
（23）改变当前温度至T1，获取B1在当前温度下的当前响应电压，根据下式计算当前温度下的温度补偿系数；
温度补偿系数=当前响应电压/基准响应电压*100%
（24）依次改变温度T2-TN；获取B1在所有温度值下的温度补偿系数，构建成B1的温度补偿系数表；
（25）B2在不同温度条件下的温度补偿系数的计算方法，与B1相同。
在实际浓度检测中，本发明可检测多种机溶剂气体浓度，只要预先在单片机中预存其浓度计算公式，且检测时，已知时什么气体即可，例如，我们将多种机溶剂气体进行编号，参见图3，对应图3的编号，我们在单片机中预置用B1、B2进行浓度探测时对应的浓度计算公式，实际测量时，假设测量二氧化硫的浓度，则调用编号20对应的浓度计算公式，输出对应的浓度值。
实施例2：参见图1-图3，在实施例1的基础上，我们进一步限定，还包括步骤（6），所述单片机连接一显示器，并通过显示器实时显示计算得到的实际浓度值。其余与实施例1相同。
实施例3：参见图1-图3，在实施例1或2的基础上，我们限定，B1和B2在使用前进行零点标定，具体为：将检测装置置于20℃环境中，上电老化24H后，将此时B1、B2工作电压值标定为其零点。
所述零点标定为：所述单片机内置多种有机溶剂气体对应于B1和B2的的浓度计算公式，单片机在已知有机溶剂气体种类时，调用对应的浓度计算公式，并显示其对应B1和B2的初始浓度值。
所述有机溶剂气体包括VOC气体、氨气和硫化氢。
其余与实施例1相同。
实施例4：参见图4，本发明步骤（2）中计算B1、B2在不同温度条件下的温度补偿系数，本实施例给出一种具体的计算方法如下：
第一步：先计算B1在不同温度条件下的温度补偿系数，包括步骤（21）-（24）；
（21）以B1在20℃下的响应电压为基准响应电压，定义基准响应电压对应的温度系数为100%，20℃时，催化燃烧式可燃气体传感器B1的响应电压为1433，其对应的温度系数为100%；
（22）确定一温度范围-50℃~70℃，在该温度范围内每间隔10℃选取1个温度值，共选取N=13个温度值；依次标记T1-T13；其中，T1对应-50℃，T2对应-40℃……T13对应70℃；
（23）改变当前温度至T1=-50℃，获取B1在当前温度下的当前响应电压为1535，根据公式：温度补偿系数=当前响应电压/基准响应电压*100%，计算当前温度下的温度补偿系数；
那么-50℃时，温度补偿系数=1535/1433*100%=107.1%；
（24）依次改变温度T2-TN；获取B1在所有温度值下的温度补偿系数，构建成B1的温度补偿系数表；
按照步骤（23）的公式，我们可知：
-40℃时，温度补偿系数=1535/1433*100%=107.1%；
-30℃时，温度补偿系数=1526/1433*100%=106.5%；
-20℃时，温度补偿系数=1530/1433*100%=106.8%；
依次类推，我们可以得到从-50℃~70℃，每个温度值对应的温度补偿系数；并将它构建成温度补偿系数表，参见图4第五列。
第二步：包括步骤（25）计算B2在不同温度条件下的温度补偿系数，其计算方法，与B1相同，具体为：
以氧化物半导体式气体传感器B2在20℃下的响应电压为基准响应电压，定义基准响应电压对应的温度系数为100%，20℃时，氧化物半导体式气体传感器B2的响应电压为1826，其对应的温度系数为100%；
确定一温度范围-50℃~70℃，在该温度范围内每间隔10℃选取1个温度值，共选取N=13个温度值；依次标记T1-T13；其中，T1对应-50℃，T2对应-40℃……T13对应70℃；
改变当前温度至T1=-50℃，获取B2在当前温度下的当前响应电压为984，那么-50℃时，温度补偿系数=984/1826*100%=53.9%；
依次改变温度T2-TN；获取B2在所有温度值下的温度补偿系数，构建成B1的温度补偿系数表；
按照步骤（23）的公式，我们可知：
-40℃时，温度补偿系数=1282/1826*100%=70.2%；
-20℃时，温度补偿系数=1660/1826*100%=90.0%；
依次类推，我们可以得到从-50℃~70℃，每个温度值对应的温度补偿系数；并将它构建成温度补偿系数表，参见图4第四列。
图4中，第一列为温度值，也就是T1-TN，第二列为氧化物半导体式气体传感器B2在当前温度下的当前响应电压；第三列为催化燃烧式可燃气体传感器B1在当前温度下的当前响应电压，第四列为氧化物半导体式气体传感器B2在当前温度下的温度补偿系数，第五列为催化燃烧式可燃气体传感器B1在当前温度下的温度补偿系数。
参见图5，计算B1在不同有机溶剂气体环境下的相对灵敏度，包括（31）-（33）；
（31）将B1在甲烷气体环境中的响应度作为催化传感器的基准响应度，灵敏度值为1；如图5中编号1，B1在甲烷中的相对灵敏度为1；
（32）选取一种有机溶剂气体，将B1置于其气体环境中获取当前响应度，并根据下式计算B1在当前有机溶剂气体环境下的相对灵敏度；
相对灵敏度=当前响应度/基准响应度
最终，B1在当前酒精气体环境下的相对灵敏度的0.65；
（33）选择其他有机溶剂气体，得到B1在不同有机溶剂气体环境下的相对灵敏度，比如图5中编号3到编号18中有机溶剂气体的相对灵敏度；
（4）计算B2在不同有机溶剂气体环境下的相对灵敏度；
（41）参见图5编号2所在的一行，将B2在酒精气体环境中的响应度作为催化传感器的基准响应度，灵敏度值为1；
（42）计算B2在不同有机溶剂气体环境下的相对灵敏度，其方法和步骤（32）、（33）中计算B1在不同有机溶剂气体环境下的相对灵敏度的方法，结果具体参见表6。
本实施例其余部分，与实施例1、2或3相同。
实施例5：参见图1-图6，基于实施例1-4，经过步骤（1）-（4）后，我们可计算一些单一气体的浓度：
具体为：选取甲醇作为待测有机溶剂气体，标记为A气体，对比它在B1、B2中的相对灵敏度值分别为0.69和0.89，那么以B2作为主检传感器，将检测装置置于未知浓度的甲醇气体环境中、单片机获取当前温度传感器的温度值、主检传感器、校准传感器的初始浓度值，此时温度为40℃，主检传感器显示的初始浓度值为C1=72.5%LEL，校准传感器显示的初始浓度值为C2=69.5%LEL，C1刚好位于（C2-10%LEL，C2+10%LEL）的范围中，所以输出C1=72.5%LEL作为校准浓度值。
又因为现场环境温度为40℃时，B2对应的温度系数109.4%，将校准浓度值=72.5%LEL，温度系数=109.4%带入公式：校准温度值/温度补偿系数=实际浓度值中，则得到72.5%LEL/1.094=66.2%LEL。最终计算得到实际浓度值为66.2%LEL。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种有机溶剂气体浓度检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）构建一检测装置；
所述检测装置包括单片机、温度传感器、气体浓度传感器单元和和供电单元，所述温度传感器输出端连接单片机，所述气体浓度传感器单元包括用于探测有机溶剂气体浓度的催化燃烧式可燃气体传感器B1和氧化物半导体式气体传感器B2，二者分别经一放大电路连接单片机；
（2）计算B1、B2在不同温度条件下的温度补偿系数；
（3）计算B1在不同有机溶剂气体环境下的相对灵敏度，包括（31）-（33）；
（31）将B1在甲烷气体环境中的响应度作为催化传感器的基准响应度，灵敏度值为1；
（32）选取一种有机溶剂气体，将B1置于其气体环境中获取当前响应度，并根据下式计算B1在当前有机溶剂气体环境下的相对灵敏度；
相对灵敏度=当前响应度/基准响应度
（33）选择其他有机溶剂气体，按照步骤（32）的方法，得到B1在不同有机溶剂气体环境下的相对灵敏度；
（4）计算B2在不同有机溶剂气体环境下的相对灵敏度；
（41）将B2在酒精气体环境中的响应度作为催化传感器的基准响应度，灵敏度值为1；
（42）按照步骤（32）、（33）中计算B1在不同有机溶剂气体环境下的相对灵敏度的方法，得到B2在不同有机溶剂气体环境下的相对灵敏度；
（5）测量有机溶剂气体浓度；
（51）选取一待测有机溶剂气体，标记为A气体，对比其在B1、B2中的相对灵敏度值，相对灵敏度值高的传感器作为主检传感器，另一个为校准传感器；
（52）将检测装置置于A气体中，单片机获取当前温度传感器的温度值、主检传感器、校准传感器的初始浓度值，并将A气体对应主检传感器的初始浓度值标记为C1，对应校准传感器的初始浓度值标记为C2，并确定一校准范围（C2-10%LEL，C2+10%LEL）；
（53）判断C1的值，若C1位于校准范围内，则输出C1值作为校准浓度值，否则输出（C2+C1）/2作为校准浓度值；
（54）查找该校准浓度值对应的温度补偿系数，进行温度补偿，输出实际浓度值。
2.根据权利要求1所述的有机溶剂气体浓度检测方法，其特征在于：所述步骤（2）中，计算B1在不同温度条件下的温度补偿系数；具体为：
（21）以B1在20℃下的响应电压为基准响应电压，定义基准响应电压对应的温度系数为100%，
（22）确定一温度范围，在温度范围内选取N个温度值，按顺序标记为T1-TN；
（23）改变当前温度至T1，获取B1在当前温度下的当前响应电压，根据下式计算当前温度下的温度补偿系数；
温度补偿系数=当前响应电压/基准响应电压*100%
（24）依次改变温度T2-TN；获取B1在所有温度值下的温度补偿系数，构建成B1的温度补偿系数表；
（25）B2在不同温度条件下的温度补偿系数的计算方法，与B1相同。
3.根据权利要求1所述的有机溶剂气体浓度检测方法，其特征在于：步骤（54）具体为，根据下式计算实际浓度值；
校准温度值/温度补偿系数=实际浓度值。
4.根据权利要求1所述的有机溶剂气体浓度检测方法，其特征在于：还包括步骤（6），所述单片机连接一显示器，并通过显示器实时显示计算得到的实际浓度值。
5.根据权利要求1所述的有机溶剂气体浓度检测方法，其特征在于：B1和B2在使用前进行零点标定，具体为：将检测装置置于20℃环境中，上电老化24H后，将此时B1、B2工作电压值标定为其零点。
6.根据权利要求5所述的有机溶剂气体浓度检测方法，其特征在于：所述零点标定为：所述单片机内置多种有机溶剂气体对应于B1和B2的的浓度计算公式，单片机在已知有机溶剂气体种类时，调用对应的浓度计算公式，并显示其对应B1和B2的初始浓度值。
7.根据权利要求1所述的有机溶剂气体浓度检测方法，其特征在于：所述有机溶剂气体包括VOC气体、氨气和硫化氢。
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