CN116678997A - 一种多功能氢气传感器评价测试装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能氢气传感器评价测试装置及方法，包括密封测试箱、高低温交变湿热试验箱、气体控制模块及测试分析模块。其中密封测试箱和高低温交变湿热试验箱组成了一个套箱，通过两个箱之间的气体交换，使密封测试箱箱体内外完全处在高低温交变湿热试验箱的恒温恒湿环境中；温度和湿度控制分别是由高低温交变湿热试验箱中的温度控制模块和湿度控制模块提供的。本发明将氢气始终控制在密封装置中，保证了实验过程的安全性；采用套箱结构，操作过程简易；通过调控不同的温湿度，配置不同配比的测试(干扰/有毒)气体，可稳定地进行不同氢气浓度下的一个或多个氢气传感器性能评价测试；可进行抗毒化性能评价测试。
Description
技术领域
本发明涉及氢气传感器性能测试领域，具体涉及一种多功能氢气传感器评价测试装置及方法。
背景技术
由于氢气是一种无色、无臭、无味、易燃易爆的气体，且在常温常压下，体积浓度为4.0～75.6％时遇到明火即会发生爆炸，因此常需要用氢气传感器检测其存在并对其浓度进行量化。根据检测原理的不同，氢气传感器可分为催化燃烧型、电化学型、电阻型、光纤型、热导型等。
电化学型与其他类型传感器相比具有灵敏度高、准确性好，且功耗低等优点，受到广泛关注。然而，其传感性能易受温湿度波动影响，并且有毒气体对其干扰影响较大。因此，以下研究影响氢气传感器性能的因素主要包括：(1)温度，由于温度和水合作用会对聚合物电解质膜微观结构以及水分子和氢离子运输产生影响，从而影响质子交换膜燃料电池型型氢气传感器(电化学型)的响应灵敏度(Membranes,2021,11(9):695)；(2)湿度，Nafion膜的几何尺寸及其电学性质(主要是电导率)很大程度上依赖于聚合物的含水量，因此气体相对湿度决定了对质子交换膜燃料电池型(电化学型)传感器在气相中的响应值的大小(Analytica Chimica Acta,1999,385(1):151-162)；(3)有害气体，使用铂等材料作为催化剂的电化学型传感器会被COX和NOX以及含硫化合物等毒化，从而导致传感器响应时间增大、灵敏度和稳定性降低(Sensors and Actuators B:Chemical,2011,157(2):329-352)。
目前，已报道多种氢气传感器评价测试装置。专利CN 102998354 A中介绍了一种固体电解质气体传感器性能测试装置，引入了参比气体输入系统，可控制参比气体，并消除传感器性能测量过程中因参比气体质量波动所导致的测量误差。专利CN 111896602 A中提出了一种氢气品质检测装置及检测方法，既可在线实时监测，又可以用于抽检；专利CN113125638A介绍了一种氢气浓度传感器性能测试装置，将待测氢气浓度传感器通过检测箱体插入到反应腔中，此时待测氢气浓度传感器触发翻板，令反应腔的内部与外部连通，使测试用气体进入到反应腔中，之后待测氢气浓度传感器在反应腔中与测试用气体作反应，完成测试后将待测氢气浓度传感器抽出，此时反应腔的内部与外部不连通，避免了测试用气体流出。
综上所述，目前氢气传感器测试装置仍存在以下问题：缺少可调控氢气传感器测试温度和湿度，以及氢气传感器抗毒化测试的装置。
发明内容
为解决现有技术的问题，本发明提供一种多功能氢气传感器评价测试装置及方法，采用套箱结构，通过调控不同的温湿度，配置不同的测试(干扰/有毒)气体，可稳定地进行不同氢气浓度下的一个或多个氢气传感器性能评价测试，实验过程安全可靠。
本发明的技术方案为：
一种多功能氢气传感器评价测试装置，包括密封测试箱、高低温交变湿热试验箱、气体控制模块、测试分析模块，所述高低温交变湿热试验箱的内部设有密封测试箱，所述气体控制模块和测试分析模块设置于高低温交变湿热试验箱的外部，所述密封测试箱分别与气体控制模块和测试分析模块连接；
所述密封测试箱包括：密封测试箱箱体、密封测试箱箱门；所述密封测试箱箱体的内部设有待测氢气传感器、多孔板、风机，所述密封测试箱箱体的底部设有风机，所述风机的上方设有多孔板，所述多孔板上放置有待测氢气传感器，所述密封测试箱箱体的内侧壁设有多孔板卡槽，所述多孔板卡槽用于放置多孔板，对多孔板提供支撑；所述密封测试箱箱体设有进气口、出气口、压力表；
所述高低温交变湿热试验箱包括高低温交变湿热试验箱箱体、高低温交变湿热试验箱箱门、温度控制模块、湿度控制模块，温度控制模块可调控高低温交变湿热试验箱体内环境的温度，湿度控制模块可调控高低温交变湿热试验箱体内环境的湿度，整体上提供恒温恒湿环境。
将密封测试箱置于高低温交变湿热试验箱中组成一个套箱。该套箱的密封测试箱箱体完全处在高低温交变湿热试验箱的湿热控制(恒温恒湿)环境中，并通过密封测试箱和高低温交变湿热试验箱之间的气体交换，使得密封测试箱中的空气达到目标温湿度；密封测试箱内的温度和湿度控制分别是由高低温交变湿热试验箱中的温度控制模块和湿度控制模块提供的；
所述气体控制模块可用于向密封测试箱提供不同浓度的氢气和其他干扰/有毒气体，用于测试其他干扰/有毒气体对氢气传感器的影响；所述气体控制模块包括减压阀、气体质量流量控制器、气体混合器、真空泵，所述减压阀依次经过气体质量流量控制器、气体混合器与密封测试箱的进气口连接，所述密封测试箱的出气口与真空泵连接；
所述测试分析模块包括电流记录仪和PC端，可进行信号采集和信号处理分析，所述测试分析模块与密封测试箱内的待测氢气传感器连接。
基于以上技术方案，进一步的，所述密封测试箱箱体与密封测试箱箱门之间开合连接。
基于以上技术方案，进一步的，所述密封测试箱箱体、密封测试箱箱门多孔板、多孔板卡槽为聚甲基丙烯酸甲酯材质，实现了测试过程的可视化。
基于以上技术方案，进一步的，所述密封测试箱箱门与密封测试箱箱体之间设有密封圈，密封性能良好。
基于以上技术方案，进一步的，所述密封测试箱内设有可活动的多孔板，放置氢气传感器的同时允许气体流通。
基于以上技术方案，进一步的，所述密封测试箱的进气口和出气口位于密封测试箱箱体的两侧，所述压力表位于密封测试箱箱体的顶部。
基于以上技术方案，进一步的，所述密封测试箱箱体内设有多个不同高度的多孔板卡槽，多孔板还可通过置于不同高度的多孔板卡槽来调整氢气传感器在密封测试箱中的高度，也可将多个氢气传感器放置与不同高度的多孔板上，批量进行氢气传感器的测试。
基于以上技术方案，进一步的，所述高低温交变湿热试验箱箱体与高低温交变湿热试验箱箱门开合连接。
基于以上技术方案，进一步的，所述高低温交变湿热试验箱箱体设有通风孔，当箱体内气体减少时，可从外界不断向箱内补充空气。例如可以在高低温交变湿热试验箱箱体的背面(与箱门相对的面)的底部设有一排通风孔。
基于以上技术方案，进一步的，氢气经过减压阀、气体质量流量器进入气体混合器，其他干扰/有毒气体经过减压阀、气体质量流量器进入气体混合器，氢气与其他干扰/有毒气体在气体混合器中混合，之后通过进气口进入密封测试箱内。
基于以上技术方案，进一步的，待测氢气传感器与测试分析模块之间通过测试线连接；所述密封测试箱箱体嵌装了航空插板，航空插板嵌在密封测试箱的箱体上，连接密封测试箱内外的测试线；测试线从待测氢气传感器连接到航空插板在密封测试箱箱体内的一端，再由航空插板在密封测试箱箱体外的另一端连接到测试端，可将氢气传感器信号由箱体内传输至箱体外的测试分析模块，并保证了信号传输时箱体的气密性。
基于以上技术方案，进一步的，密封测试箱箱体中安装有风机，风机能够增强扰动，使气体均匀分散在密封测试箱中。
基于以上技术方案，进一步的，多条测试线可连接多个不同氢气传感器，可实现多个氢气传感器同时测试。
基于以上技术方案，进一步的，所述密封测试箱箱体与压力表之间还设有稳压装置，可使得实验过程中密封测试箱内的压力稳定在大气压下。
基于以上技术方案，进一步的，所述高低温交变湿热试验箱内的温度控制模块和湿度控制模块，实时监测测试过程的温湿度，并稳定地提供实验所需的温湿度环境。
基于以上技术方案，进一步的，其他干扰/有毒气体为碳氧化物和氮氧化物以及含硫化合物等，气体控制模块可提供氢气和干扰/有毒气体进行不同氢气浓度测试和抗毒化测试，连接有减压阀，气体质量流量控制器，气体混合器连通到密闭测试箱的进气口，密闭测试箱的出气口连接真空泵，后连通到外界大气。
基于以上技术方案，进一步的，氢气和其他干扰/有毒气体依次经过减压阀、气体质量流量控制器、气体混合器连通到密闭测试箱的进气口，密闭测试箱的出气口连接真空泵，之后连通到外界大气。
基于以上技术方案，进一步的，所述密封测试箱的进气口经过阀门Ⅰ与气体控制模块的气体混合器连接；所述密封测试箱的进气口经过阀门Ⅱ与高低温交变湿热试验箱内气体连通；所述密封测试箱的出气口经过阀门Ⅲ与气体控制模块的真空泵连接。
基于以上技术方案，进一步的，所述传感器产生的电信号由测试线连接，经由航空插板，传输到电流记录仪，最后在PC端进行数据分析。
基于以上技术方案，进一步的，所述电流记录仪采集的电信号为电压或电流，将所得电压或电流值与时间和浓度的关系在PC端处理分析后，可以得到该传感器的响应电流最大值(每个氢气浓度下都有一个响应电流最大值)、灵敏度、响应时间和恢复时间等传感器性能指标。
基于以上技术方案，进一步的，所述密封测试箱是体积为8L。
基于以上技术方案，进一步的，所述高低温交变湿热试验箱箱体是450*450*450mm3的正方体。
利用上述的多功能氢气传感器评价测试装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)首先设定高低温交变湿热试验箱的温度和湿度值，通过温度控制模块和湿度模块进行温湿度控制，待高低温交变湿热试验箱达到目标温湿度且稳定后，打开阀门Ⅱ和阀门Ⅲ，通过进气口接通密封测试箱和高低温交变湿热试验箱，通过出气口使密封测试箱和外界大气连通，启动真空泵，此过程将密封测试箱中的气体排到外界大气中，高低温交变湿热试验箱中的达到设定温湿度的空气进入到密封测试箱中，一段时间后，关闭阀门Ⅱ和阀门Ⅲ，关闭真空泵，密封测试箱1中的气体将被完全置换为稳定的设定温湿度的空气。
(2)打开阀门Ⅰ，通过进气口将气体控制模块与密封测试箱连通。气体控制模块提供实验用测试气体的具体操作为：氢气通过减压阀、气体质量流量控制器、气体混合器、进气口后通入到密封测试箱中，通气结束时关闭阀门Ⅰ，通过气体质量流量控制器控制一个稳定的气体流量，控制通气时长，即可在密封测试箱中配置成不同浓度的氢空混合气，此时不向气路通入其他干扰气体/有毒气体。当进行抗毒化测试时，仅需将其他干扰/有毒气体同时通过减压阀、气体质量流量控制器后，将氢气与其他干扰/有毒气体在气体混合器混合，再经阀门Ⅰ、进气口进入密封测试箱，重复上面的操作(通气结束时关闭阀门Ⅰ，通过气体质量流量控制器控制一个稳定的气体流量，控制通气时长)，即可在密封测试箱中配置成含有其他干扰/有毒气体的不同浓度氢空混合气。
(3)待测氢气传感器与配置好的测试气体接触发生物理化学反应，产生的电信号的传输路径为：待测氢气传感器、测试线、嵌在箱体航空插板、测试线，在电流记录仪和PC端进行信号采集和信号处理分析。使用航空插板，保证了整个测试过程中的密封测试箱的密封性。
基于以上技术方案，进一步的，一次测试结束后，重复之前(上述步骤(1)的操作)，打开阀门Ⅱ和阀门Ⅲ，启动真空泵，一段时间后，关闭阀门Ⅱ和阀门Ⅲ，关闭真空泵，密封测试箱1中的气体将恢复到之前的状态，再次被完全置换为稳定的设定温湿度的空气；重复步骤(2)和(3)进行测试。一次测试结束后，可不调整或调整高低温交变湿热试验箱设定的温度和湿度值。
基于以上技术方案，进一步的，测试过程中风机始终保持在启动状态，能够增强气流扰动，使气体始终均匀地分散在密封测试箱中。
基于以上技术方案，进一步的，所述高低温交变湿热试验箱可调控变量包括：温度、湿度，可控温度范围：-40～150℃，可控湿度范围：20～98％RH。
上述多功能氢气传感器评价测试装置在氢气传感器性能测试中的应用。
本发明具有如下优点：
(1)本发明所述的一种多功能氢气传感器评价测试装置，将氢气始终控制在密封装置中，保证了实验过程的安全性；
(2)本发明采用套箱结构，操作过程简单；
(3)可进行不同氢气浓度下的传感器性能测试；
(4)可通过调控不同温湿度的测试气体，评价温湿度对氢气传感器性能的影响；
(5)通入不同配比的测试(干扰/有毒)气体，进行氢气传感器的抗毒化测试；
(6)可同时测试多个氢气传感器。
(7)可稳定地进行一个或多个氢气传感器性能评价测试。
附图说明
图1为本发明的一种多功能氢气传感器评价测试装置的简要结构图；
图2为本发明的一种多功能氢气传感器评价测试装置的结构示意图；
图3为实施例1中氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.5％-4.0％条件下，温度为30℃，湿度为40％RH的氢气传感器传感性能图；
图4为实施例1中氢气传感器评价测试装置测试氢气传感器(温度为30℃，湿度为40％)得到的响应电流与氢气浓度(0.5％～4.0％)之间的线性拟合曲线图；
图5为实施例1中氢气传感器评价测试装置测试氢气传感器在0.5％和1.0％H2/Air(温度为30℃，湿度为40％)条件下，重复三次的传感性能图；
图6是实施例2中氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度为0.5％条件下，对比风机作用氢气传感器传感性能图；
图7是实施例3中氢气传感器评价测试装置在(最低)H2/Air浓度为0.025％和0.05％条件下氢气传感器传感性能图；
图8是实施例4中氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.5％-4.0％条件下，温度为30℃，湿度为60％RH的氢气传感器传感性能图；
图9是实施例4中氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.5％-4.0％条件下，温度为30℃，湿度为80％RH的氢气传感器传感性能图；
图10是实施例4中氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.5％-4.0％条件下，温度为30℃，湿度为90％RH的氢气传感器传感性能图；
图11是实施例5中氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.5％-4.0％条件下，湿度为30％RH，温度为20℃的氢气传感器传感性能图；
图12是实施例5中氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.5％-4.0％条件下，湿度为30％RH，温度为40℃的氢气传感器传感性能图；
图13是实施例5中氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.5％-4.0％条件下，湿度为30％RH，温度为60℃的氢气传感器传感性能图；
图14是实施例5中氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.5％-4.0％条件下，湿度为30％RH，温度为80℃的氢气传感器传感性能图；
图15是实施例6中氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.5％-4.0％条件下，温度为0℃的氢气传感器传感性能图；
图16是实施例6中氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.5％-4.0％条件下，温度为-20℃的氢气传感器传感性能图；
图17是实施例6中氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.5％-4.0％条件下，温度为-40℃的氢气传感器传感性能图；
图18是实施例7中氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.2％-2.0％条件下氢气传感器传感性能图；
图19是实施例7中氢气传感器评价测试装置在含有少量CO的H2/Air浓度范围为0.2％-2.0％条件下氢气传感器传感性能图；
图20是实施例7中氢气传感器评价测试装置测试氢气传感器得到的响应电流与氢气浓度(0.5％-4.0％)之间的线性拟合曲线对比图(有无CO的干扰)；
图21是实施例8中氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.5％-4.0％条件下的两个氢气传感器传感性能图。
图中标号说明：1、密封测试箱；2、高低温交变湿热试验箱；3、气体控制模块；4、测试分析模块；101、待测氢气传感器；102、多孔板；103、不同高度的多孔板卡槽；104、密封测试箱箱门；105、测试线；106、航空插板；107、风机；108、进气口；109、出气口；110、压力表；111、稳压装置；201、温度控制模块；202、湿度控制模块；301、氢气；302、其他干扰/有毒气体；303、减压阀；304、气体质量流量控制器；305、气体混合器；306、真空泵；401、电流记录仪；402、PC端；501、阀门Ⅰ；502、阀门Ⅱ；503、阀门Ⅲ。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1、2所示，一种多功能氢气传感器评价测试装置，包括密封测试箱1、高低温交变湿热试验箱2、气体控制模块3、测试分析模块4，高低温交变湿热试验箱2的内部设有密封测试箱1，气体控制模块3和测试分析模块4设置于高低温交变湿热试验箱2的外部，密封测试箱1分别与气体控制模块3和测试分析模块4连接。
密封测试箱1是进行氢气传感器评价测试的场所，密封测试箱1包括：密封测试箱箱体、待测氢气传感器101、多孔板102、不同高度的多孔板卡槽103、密封测试箱箱门104、测试线105、航空插板106、风机107、进气口108、出气口109、压力表110、稳压装置111。待测氢气传感器101置于密封测试箱箱体内部的中心位置，由多孔板102支撑，多孔板102可通过置于不同高度的多孔板卡槽103来调整氢气传感器101在密封测试箱1中的高度；测试线105从待测氢气传感器101连接到航空插板106在密封测试箱箱体内的一端，再由航空插板106在密封测试箱箱体外的另一端连接到测试分析模块4；航空插板106嵌在密封测试箱1的箱体上，连接密封测试箱1内外的测试线105；密封测试箱1箱体上设有进气口108、出气口109、压力表110，密封测试箱1的进气口108位于密封测试箱箱体的左侧，出气口109位于密封测试箱箱体的右侧，压力表110位于密封测试箱箱体的顶部。密封测试箱箱体与压力表110之间设有稳压装置；密封测试箱箱体的底部安装有风机107，风机107能够增强扰动，使气体均匀分散在密封测试箱1中。
高低温交变湿热试验箱2包括高低温交变湿热试验箱箱体、高低温交变湿热试验箱箱门，温度控制模块201、湿度控制模块202，温度控制模块201可调控高低温交变湿热试验箱内待测气体的温度，湿度控制模块202可调控高低温交变湿热试验箱内待测试气体的湿度，为氢气传感器测试提供恒温恒湿环境。
将密封测试箱1置于高低温交变湿热试验箱2中，构成一个套箱组合。该套箱中的密封测试箱1箱体完全处在高低温交变湿热试验箱2的湿热控制中，并通过密封测试箱1和高低温交变湿热试验箱2之间的气体交换，使得密封测试箱内1的气体达到目标温湿度。高低温交变湿热试验箱箱体背面底部有一排通风孔，当箱体内气体减少时，可从外界不断向箱内补充空气。
气体控制模块3可提供氢气301和其他干扰/有毒气体302，用于测试其他干扰/有毒气体对氢气传感器的影响，包括减压阀303、气体质量流量控制器304、气体混合器305、真空泵306。减压阀303依次经过气体质量流量控制器304、气体混合器305与密封测试箱1的进气口108连接，所述密封测试箱1的出气口109与真空泵306连接。
测试分析模块4，包括电流记录仪401和PC端402，可进行信号采集和信号处理分析，所述测试分析模块4与密封测试箱1内的待测氢气传感器101连接。
所述密封测试箱1是体积为8L，密封测试箱箱体、密封测试箱箱门104、多孔板102、多孔板卡槽103为聚甲基丙烯酸甲酯材质，实现了测试过程的可视化。
所述密封测试箱1的进气口108经过阀门Ⅰ501与气体控制模块3的气体混合器305连接；所述密封测试箱1的进气口108经过阀门Ⅱ502与高低温交变湿热试验箱2内气体连通；所述密封测试箱1的出气口109经过阀门Ⅲ503与气体控制模块3的真空泵306连接。
利用上述多功能氢气传感器评价测试装置的测试方法，包括如下步骤：
首先设定高低温交变湿热试验箱2的温度和湿度值，待达到目标温湿度值且稳定后，打开阀门Ⅱ502和阀门Ⅲ503，通过进气口108接通密封测试箱1和高低温交变湿热试验箱2，通过出气口109使密封测试箱1和外界大气连通，启动真空泵306，此过程将密封测试箱中1中的气体排到外界大气中，高低温交变湿热试验箱2中的达到设定温湿度的空气进入到密封测试箱中，一段时间后，关闭阀门Ⅱ502和阀门Ⅲ503，关闭真空泵306，密封测试箱1中的气体将被完全置换为稳定的设定温湿度的空气。
打开阀门Ⅰ501，通过进气口109将气体控制模块4与密封测试箱1连通。气体控制模块3提供实验用测试气体的，具体操作为：氢气301通过减压阀303、气体质量流量控制器304、气体混合器305、进气口108后通入到密封测试箱1中，通气结束时关闭阀门Ⅰ，通过气体质量流量控制器304控制一个稳定的气体流量，控制通气时长，即可在密封测试箱1中配置成不同浓度的氢空混合气。当进行抗毒化测试时，仅需将其他干扰/有毒气体同时通过减压阀303、气体质量流量控制器304后，氢气与其他干扰气体在气体混合器305混合，再经阀门Ⅰ501、进气口108进入密封测试箱1，重复上面的操作，即可在密封测试箱1中配置成含有其他干扰/有毒气体302的不同浓度氢空混合气。
待测氢气传感器101与配置好的测试气体接触发生物理化学反应，产生的电信号的传输路径为：待测氢气传感器101，测试线105，嵌在箱体航空插板106，测试线105，在电流记录仪401和PC端402，进行信号采集和信号处理分析。
一次测试结束后，重复之前的操作，打开阀门Ⅱ502和阀门Ⅲ503，启动真空泵306，一段时间后，关闭阀门Ⅱ502和阀门Ⅲ503，关闭真空泵306，密封测试箱1中的气体将恢复到之前的状态，再次被完全置换为稳定的设定温湿度的空气。
测试过程中始终保持风机107的启动状态，增强气流扰动，使气体始终均匀地分散在密封测试箱中。
高低温交变湿热试验箱2可调控变量包括：温度、湿度，可控温度范围：-40～150℃，可控湿度范围：20～98％RH。
下面结合实施例对本发明予以进一步说明，但并不因此而限制本发明。
实施例1
设定高低温交变湿热试验箱2温度为30℃，湿度分别设定为40％RH，将多孔板102放置高度为距离密封测试箱1底部60mm处，按照上面描述的操作，待密封测试箱1内外的空气温湿度均达到设定值后，启动风机107，打开纯氢气301瓶，调整减压阀303为0.15MPa，通过氢气质量流量控制器304控制氢气流量为160mL·min-1，打开阀门Ⅰ501，从进气口108将氢气通入密封测试箱1中，通气时长为15s(即密封测试箱1中氢气浓度为0.5％)时，断开阀门Ⅰ501，通气停止。平稳一段时间后，打开阀门Ⅱ502、阀门Ⅲ503和真空泵306，将密封测试箱1中的气体抽空排放到大气的同时，将高低温交变湿热试验箱2中达到设定值温湿度的空气置换到密封测试箱1中。以上过程中传感器接触氢气发生反应，产生的响应电流，置换为纯空气后响应电流值逐渐降低至0。产生的电流经由测试线105，航空插板106，传到电流记录仪401，在PC端402进行数据分析。反复以上的操作，只改变通气时长，即可得到不同氢气浓度的响应曲线。文中氢气浓度均为体积分数。
图3是本发明氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.5％-4.0％条件下，温度为30℃，湿度为40％的氢气传感器传感性能图。响应电流值范围为1.34mA(0.5％H2)-31.9mA(4.0％H2)，响应时间为42-112s，恢复时间为34-66s。
图4是本发明氢气传感器评价测试装置测试氢气传感器(温度为30℃，湿度为40％)得到的响应电流与氢气浓度(0.5％-4.0％)之间的线性拟合曲线，灵敏度约为8.2788mA/％。
图5是本发明氢气传感器评价测试装置测试氢气传感器在0.5％和1.0％H2/Air(温度为30℃，湿度为40％)条件下，重复三次的传感性能图，分别得到几乎相同电流值，说明该待测传感器具有良好的稳定性。
实施例2
不启动高低温交变湿热试验箱2，实验室环境(即温度为25℃，湿度为40％RH)条件下，重复实施例1中的操作，只改变风机107的启动状态和氢气传感器101的位置高度(将多孔板102放置不同高度的多孔板卡槽103上来调整氢气传感器101的位置，将多孔板102放置到最低卡槽103处为高度Ⅰ(距离密封测试箱1底部60mm)，最高卡槽处为高度Ⅱ(距离密封测试箱1底部120mm))，即可得到有无风机启动时氢气传感器101在不同高度处的氢气浓度的响应曲线对比图。
图6是本发明氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.5％条件下，对比风机作用氢气传感器传感性能图。响应电流值分别为2.90±0.05mA(风机启动，高度Ⅰ和Ⅱ)，2.90±0.05mA(风机不启动，高度Ⅰ)，5.20±0.15mA(风机不启动，高度Ⅱ)。说明风机可使密封测试箱内的气体快速均匀扩散，使密封测试箱1内各处氢气浓度保持一致，从而使测试过程更加稳定可靠。
实施例3
不启动高低温交变湿热试验箱2，实验室环境(即温度为25℃，湿度为40％RH)条件下，重复实施例1中的操作，改变通气氢气流量为40mL·min-1，控制通气时长为3s(0.025％H2/Air)和6s(0.05％H2/Air)，在较低浓度仍可得到稳定的氢气浓度的响应曲线。
图7是本发明氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.025％和0.05％条件下氢气传感器传感性能图。响应电流值分别为0.03mA(0.025％H2)和0.06mA(0.05％H2)。
实施例4
设定高低温交变湿热试验箱2温度为30℃，湿度分别设定为60％RH、80％RH和90％RH，重复实施例1中的操作，即可得到在不同湿度下不同氢气浓度的响应曲线。
图8是本发明氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.5％-4.0％条件下，温度为30℃，湿度为60％RH的氢气传感器传感性能图。响应电流值范围为1.83mA(0.5％H2)-34.22mA(4.0％H2)。
图9是本发明氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.5％-4.0％条件下，温度为30℃，湿度为80％RH的氢气传感器传感性能图。响应电流值范围为1.64mA(0.5％H2)-37.69mA(4.0％H2)。
图10是本发明氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.5％-4.0％条件下，温度为30℃，湿度为90％RH的氢气传感器传感性能图。响应电流值范围为2.03mA(0.5％H2)-41.66mA(4.0％H2)。
实施例5
设定高低温交变湿热试验箱2湿度为60％RH，温度分别设定为20℃、40℃、60℃和80℃重复实施例1中的操作，即可得到在不同温度(较低)下不同氢气浓度的响应曲线。
图11是本发明氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.5％-4.0％条件下，湿度为30％RH，温度为20℃的氢气传感器传感性能图。响应电流值范围为0.64mA(0.5％H2)-18.93mA(4.0％H2)。
图12是本发明氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.5％-4.0％条件下，湿度为30％RH，温度为40℃的氢气传感器传感性能图。响应电流值范围为1.48mA(0.5％H2)-42.30mA(4.0％H2)。
图13是本发明氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.5％-4.0％条件下，湿度为30％RH，温度为60℃的氢气传感器传感性能图。响应电流值范围为2.64mA(0.5％H2)-87.00mA(4.0％H2)。
图14是本发明氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.5％-4.0％条件下，湿度为30％RH，温度为80℃的氢气传感器传感性能图。响应电流值范围为9.32mA(0.5％H2)-104.00mA(4.0％H2)。
实施例6
设定高低温交变湿热试验箱2的温度分别为0℃、-20℃、-40℃，重复实施例1中的操作，即可得到在不同温度(较低)下不同氢气浓度的响应曲线。
图15是本发明氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为1.0％-4.0％条件下，温度为0℃的氢气传感器传感性能图。响应电流值范围为1.04mA(0.5％H2)-2.98mA(4.0％H2)。
图16是本发明氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为1.0％-4.0％条件下，温度为-20℃的氢气传感器传感性能图。响应电流值范围为0.12mA(0.5％H2)-1.62mA(4.0％H2)。
图17是本发明氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为1.0％-4.0％条件下，温度为-40℃的氢气传感器传感性能图。响应电流值范围为0.31mA(0.5％H2)-0.91mA(4.0％H2)。
实施例7
不启动高低温交变湿热试验箱2，实验室环境(即温度为25℃，湿度为40％RH)条件下，重复实施例1中的操作，只改变测试用气，从实施例1中的纯氢气气瓶改为含有少量有毒气体CO的气瓶(H2：75％、CO：50ppm、CO2：25％)，改变通气氢气流量为130mL·min-1，控制通气时长为5s(0.133ppm CO+0.2％H2/Air)，以此类推，反复以上的操作，只改变通气时长，即可得到含有毒气体CO的氢气浓度的响应曲线。
图18是本发明氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.2％-2.0％条件下氢气传感器传感性能图。响应电流值范围为0.28mA(0.2％H2)-8.23mA(2.0％H2)。
图19是本发明氢气传感器评价测试装置在含有有少量CO的H2/Air浓度范围为0.2％-2.0％条件下氢气传感器传感性能图。响应电流值范围为0.03mA(0.2％H2)-1.55mA(2.0％H2)。
图20是本发明氢气传感器评价测试装置测试氢气传感器得到的响应电流与氢气浓度(0.5％-4.0％)之间的线性拟合曲线对比图(有无CO的干扰)，灵敏度分别为4.5994mA/％(无CO)和0.9603mA/％(有CO)，灵敏度降低了79.12％。
实施例8
不启动高低温交变湿热试验箱2，实验室环境(即温度为25℃，湿度为40％RH)条件下，重复实施例1中的操作，测试线分别连接两个氢气传感器101，两个氢气传感器101在多孔板102上并排放置，左边为sensorⅠ，右边为sensorⅡ，两个氢气传感器101的响应变化同时传到电流记录仪401，在PC端402进行数据分析测试即可同时得到两个氢气传感器101的氢气浓度的响应曲线。
图21是本发明氢气传感器评价测试装置在H2/Air浓度范围为0.5％-4.0％条件下的两个氢气传感器传感性能图。sensorⅠ响应电流值范围为1.05mA(0.5％H2)-22.0mA(4.0％H2)，sensorⅡ响应电流值范围为1.20mA(0.5％H2)-55.00mA(4.0％H2)。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡是未脱离本发明技术方案的内容，根据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等效变化及修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种多功能氢气传感器评价测试装置，其特征在于，包括密封测试箱(1)、高低温交变湿热试验箱(2)、气体控制模块(3)、测试分析模块(4)，所述高低温交变湿热试验箱(2)的内部设有密封测试箱(1)，所述气体控制模块(3)和测试分析模块(4)设置于高低温交变湿热试验箱(2)的外部，所述密封测试箱(1)分别与气体控制模块(3)和测试分析模块(4)连接；
所述密封测试箱(1)是进行氢气传感器评价测试的场所，密封测试箱(1)包括：密封测试箱箱体、密封测试箱箱门(104)；所述密封测试箱箱体的内部设有待测氢气传感器(101)、多孔板(102)、风机(107)，所述密封测试箱箱体的底部设有风机(107)，所述风机(107)的上方设有多孔板(102)，所述多孔板(102)上放置有待测氢气传感器(101)，所述密封测试箱箱体的内侧壁设有多孔板卡槽(103)，所述多孔板卡槽(103)用于放置多孔板(102)；所述密封测试箱箱体设有进气口(108)、出气口(109)、压力表(110)；
所述高低温交变湿热试验箱(2)包括高低温交变湿热试验箱箱体、高低温交变湿热试验箱箱门、温度控制模块(201)、湿度控制模块(202)，温度控制模块用于调控高低温交变湿热试验箱体内气体的温度，湿度控制模块用于调控高低温交变湿热试验箱体内气体的湿度；
将密封测试箱(1)置于高低温交变湿热试验箱(2)中，构成一个套箱组合，所述密封测试箱(1)箱体完全处在高低温交变湿热试验箱(2)的湿热控制中，并通过密封测试箱(1)和高低温交变湿热试验箱(2)之间的气体交换，使得密封测试箱内(1)的气体达到目标温湿度；
所述气体控制模块(3)可用于向密封测试箱(1)提供氢气(301)和其他干扰/有毒气体(302)，所述气体控制模块(3)包括减压阀(303)、气体质量流量控制器(304)、气体混合器(305)、真空泵(306)，所述减压阀(303)依次经过气体质量流量控制器(304)、气体混合器(305)与密封测试箱(1)的进气口(108)连接，所述密封测试箱(1)的出气口(109)与真空泵(306)连接；
所述测试分析模块(4)包括电流记录仪(401)和PC端(402)，可进行信号采集和信号处理分析，所述测试分析模块(4)与密封测试箱内(1)的待测氢气传感器(101)连接。
2.根据权利要求1所述的多功能氢气传感器评价测试装置，其特征在于，所述密封测试箱箱体、密封测试箱箱门(104)、多孔板(102)、多孔板卡槽(103)的材质为聚甲基丙烯酸甲酯；所述密封测试箱箱门(104)与密封测试箱箱体之间设有密封圈；所述密封测试箱体内设有多个不同高度的多孔板卡槽(103)；
所述密封测试箱(1)的箱体设有航空插板(106)，航空插板连接密封测试箱(1)内外的测试线(105)，所述密封测试箱(1)内的测试线(105)与待测氢气传感器(101)连接，所述密封测试箱(1)外的测试线(105)与PC端(402)连接。
3.根据权利要求1或2所述的多功能氢气传感器评价测试装置其特征在于，所述航空插板(106)嵌在密封测试箱(1)的箱体上；多条测试线(105)与多个氢气传感器(101)连接；所述高低温交变湿热试验箱箱体设有通风孔，用于向箱内补充空气。
4.根据权利要求1所述的多功能氢气传感器评价测试装置，其特征在于，所述密封测试箱(1)的进气口(108)和出气口(109)位于密封测试箱箱体的两侧，所述压力表(110)位于密封测试箱箱体的顶部；
所述密封测试箱箱体与压力表(110)之间还设有稳压装置(111)。
5.根据权利要求1所述的多功能氢气传感器评价测试装置，其特征在于，所述其他干扰/有毒气体(302)为碳氧化物和氮氧化物以及含硫化合物中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的多功能氢气传感器评价测试装置，其特征在于，所述密封测试箱(1)的进气口(108)经过阀门Ⅰ(501)与气体控制模块(3)的气体混合器(305)连接；所述密封测试箱(1)的进气口(108)经过阀门Ⅱ(502)与高低温交变湿热试验箱(2)内气体连通；所述密封测试箱(1)的出气口(109)经过阀门Ⅲ(503)与气体控制模块(3)的真空泵(306)连接。
7.根据权利要求1所述的多功能氢气传感器评价测试装置，其特征在于，待测氢气传感器(1)产生的电信号由测试线(105)传输到电流记录仪(401)，最后在PC端(402)进行数据分析。
8.利用权利要求1-7中任意一项所述的多功能氢气传感器评价测试装置的测试方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)首先设定高低温交变湿热试验箱(2)的温度和湿度值，通过温度控制模块(201)和湿度模块(202)进行温湿度控制，待高低温交变湿热试验箱(2)达到目标温湿度且稳定后，打开阀门Ⅱ(502)和阀门Ⅲ(503)，通过进气口(108)接通密封测试箱(1)和高低温交变湿热试验箱(2)，通过出气口(109)使密封测试箱(1)和外界大气连通，启动真空泵(306)，此过程将密封测试箱中(1)中的气体排到外界大气中，高低温交变湿热试验箱(2)中的达到设定温湿度的空气进入到密封测试箱(1)中，一段时间后，关闭阀门Ⅱ(502)和阀门Ⅲ(503)，关闭真空泵(306)，密封测试箱(1)中的气体将被完全置换为稳定的设定温湿度的空气；
(2)打开阀门Ⅰ(501)，通过进气口(108)将气体控制模块(3)与密封测试箱(1)连通，氢气(301)依次通过减压阀(303)、气体质量流量控制器(304)、气体混合器(305)、进气口(108)后通入到密封测试箱(1)中，通气结束时关闭阀门Ⅰ(501)，通过气体质量流量控制器(304)控制气体流量，控制通气时长，即可在密封测试箱(1)中配置成不同浓度的氢空混合气；当进行抗毒化测试时，仅需将其他干扰/有毒气体同时通过减压阀(303)、气体质量流量控制器(304)后，将氢气与其他干扰气体在气体混合器(305)混合，再经阀门Ⅰ(501)、进气口(108)进入密封测试箱(1)，重复上面的操作，即可在密封测试箱(1)中配置成含有其他干扰/有毒气体(302)的不同浓度氢空混合气；
(3)待测氢气传感器(101)与配置好的测试气体接触，待测氢气传感器(101)产生的电信号经过测试线(105)传输到电流记录仪(401)和PC端(402)，进行信号采集和信号处理分析。
9.根据权利要求8所述的测试方法，其特征在于，一次测试结束后，重复上述步骤(1)的操作，打开阀门Ⅱ(502)和阀门Ⅲ(503)，启动真空泵(306)，一段时间后，关闭阀门Ⅱ(502)和阀门Ⅲ(503)，关闭真空泵(306)，密封测试箱(1)中的气体将恢复到之前的状态，再次被完全置换为稳定的设定温湿度的空气；重复步骤(2)和(3)进行测试；
测试过程中风机(107)始终保持在启动状态。
10.权利要求1-7中任一项所述的多功能氢气传感器评价测试装置在氢气传感器性能测试中的应用。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN117368409A (zh) * | 2023-09-21 | 2024-01-09 | 广州海关技术中心 | 可燃制冷剂传感器可靠性的检测方法及设备 |
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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