CN117554444A - 一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明提出一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间的方法及系统，包括：系统自动开始记录传感器的极化状态和AD值；软件实时分析AD值变化，自动识别极化过程的不同阶段；系统通过AD值的变化判断是否有气体进入传感器；一旦检测到气体，系统记录AD值并预测气体浓度；根据极化状态自动调整气体浓度的预测值。本发明通过在极化状态下进行通气检测，该方法显著缩短了传感器的预热时间，提升了检测流程的整体效率，特别是在高吞吐量检测环境中效果显著，在加快响应速度的同时，仍然保持了高测量精度，确保了检测结果的可靠性，在不增加额外硬件配置的情况下改进预测模型，提高了成本效益。
Description
技术领域
本发明涉及环氧乙烷传感器的技术领域，具体涉及一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间方法及系统。
背景技术
环氧乙烷作为一种重要的化工原料，其在医药合成、食品加工、以及塑料制造等领域的广泛应用，带来了显著的工业效益。然而，这种无色、有刺激性气味的液态化学品同时也是一种极具潜在危害的物质，具有易燃、易爆、易自聚和强烈的毒性，不仅对操作人员的健康构成威胁，还可能引发严重的环境污染事件。
在工业应用中，对环氧乙烷的监控至关重要。电化学传感器因其精确的测量能力和稳定的性能，成为环氧乙烷检测的主流技术。这类传感器通过电化学反应的方式，将环氧乙烷的化学信息转化为电信号，从而实现对气体浓度的监测。然而，电化学传感器的一个显著缺点在于其长时间的极化过程。在使用前需要长时间地电极预处理，以确保传感器达到稳定可靠的测量状态。这一过程不仅延长了设备的启动时间，降低了检测的响应速度，还在紧急情况下影响了快速监测与应急措施的实施，存在着明显的安全隐患。
此外，随着传感器使用时间的增长，由于环境因素和传感器老化的影响，其性能可能发生退化，影响测量结果的准确性和可靠性。这一点在没有硬件更新的情况下尤其突出，使得长期运行的安全保障面临挑战。
因此，急需一种能够缩短电化学传感器极化时间、提高响应速度的技术，同时保持或提高传感器的测量精度和稳定性，以应对环氧乙烷带来的安全风险。解决这一技术难题，将对保障人员安全、防范环境风险和提升工业生产效率产生重大影响。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提出一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间方法及系统，通过在极化状态下进行通气检测，该方法显著缩短了传感器的预热时间，提升了检测流程的整体效率，特别是在高吞吐量检测环境中效果显著。
为实现上述目的，本发明提供一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间的方法，包括：
步骤S1：系统自动开始记录传感器的极化状态和AD值；
步骤S2：软件实时分析AD值变化，自动识别极化过程的不同阶段；
步骤S3：系统通过AD值的变化判断是否有气体进入传感器；
步骤S4：一旦检测到气体，系统记录AD值并预测气体浓度；
步骤S5：根据极化状态自动调整气体浓度的预测值。
进一步地，步骤S1包括：
步骤S11：系统自动确认传感器是否已连接；
步骤S12：激活数据记录程序开始跟踪传感器的活动；
步骤S13：初始化极化状态时间跟踪以监控整个极化过程。
进一步地，步骤S2包括：
步骤S21：系统持续监控传感器输出的电流AD值；
步骤S22：确定AD值稳定在高值的初始极化阶段；
步骤S23：识别AD值从高值开始快速下降的过渡阶段；
步骤S24：捕捉AD值从快速下降平滑过渡到缓慢下降的后续阶段。
进一步地，步骤S3包括：
步骤S31：在AD值缓慢下降阶段，继续跟踪AD值变化；
步骤S32：检测AD值是否出现了超出正常范围的上升，表明可能的气体通入；步骤S33：一旦检测到气体通入，记录该事件并开始气体浓度预测准备。
进一步地，步骤S4包括：
步骤S41：在确认气体通入后，收集特定时间内的AD值数据；
步骤S41：采集足够的数据后，启动预测模型进行浓度计算。
进一步地，步骤S5包括：
步骤S51：使用收集的数据点，通过预测模型生成原始气体浓度预测值；
步骤S52：根据极化状态调整预测值，以反映真实气体浓度；
步骤S53：应用调整公式完成气体浓度预测值的最终修正。
进一步地，还包括结果展示与用户反馈，具体如下：
界面实时更新：动态更新用户界面以展示最新的监测和预测数据；
用户反馈采集：收集用户的操作反馈用于优化显示和预测过程；
调整参数：根据用户反馈和系统性能调整显示和预测参数。
进一步地，还包括集成控制与优化反馈，具体如下：
系统集成：将监测和预测程序集成到自动化系统进行控制；
自动调整：根据预测结果自动调整系统操作，优化气体检测流程；
性能反馈：建立系统性能反馈机制，自动优化预测算法和操作参数。
一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间方法的系统，适用于上述的一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间的方法，包括：
传感器接口模块：负责直接与传感器通讯，获取实时数据；
数据处理模块：用于接收传感器数据，并处理这些数据以识别不同的极化阶段；
状态识别模块：分析数据处理模块的输出，识别并标记不同的极化状态；
预测模块：根据状态识别模块的输出启动气体浓度预测算法；
用户界面(UI)模块：向用户展示实时数据、预测结果，接收用户输入；
控制逻辑模块：负责协调上述所有模块的操作和数据流动；
反馈处理模块：管理用户反馈，对预测算法和用户界面进行调整。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明提供了一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间方法及系统，通过在极化状态下进行通气检测，该方法显著缩短了传感器的预热时间，提升了检测流程的整体效率，特别是在高吞吐量检测环境中效果显著。
2.本发明提供了一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间方法及系统，即使在极化状态下，传感器也能快速响应，减少了从启动到测量所需的时间，增强了传感器在紧急情况下的实用性。
3.本发明提供了一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间方法及系统，在加快响应速度的同时，仍然保持了高测量精度，确保了检测结果的可靠性，在不增加额外硬件配置的情况下改进预测模型，提高了成本效益。
4.本发明提供了一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间方法及系统，预测模型的稳定性意味着传感器的性能不会因时间增长而退化，确保了长期使用中的可靠性和一致性。
5.本发明提供了一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间方法及系统，不仅适用于环氧乙烷气体传感器，还能适用于其他多种气体传感器，显示出方法的广泛适用性和灵活性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明步骤流程图；
图2是传感器极化过程中AD值变化情况图。
具体实施方式
下面将结合附图、通过对本发明的优选实施方式的描述，更加清楚、完整地阐述本发明的技术方案。
如图1所示，本发明为：
步骤S1：系统自动开始记录传感器的极化状态和AD值；
步骤S2：软件实时分析AD值变化，自动识别极化过程的不同阶段；
步骤S3：系统通过AD值的变化判断是否有气体进入传感器；
步骤S4：一旦检测到气体，系统记录AD值并预测气体浓度；
步骤S5：根据极化状态自动调整气体浓度的预测值。
具体如下：
1、传感器极化状态和AD值采集
环氧乙烷气体传感器(Ethylene Oxide Electrochemical Gas Sensor)在不通电使用时，对电极上会有电荷积累及一些其他气体吸附在上面，在使用之前通过老化将其反应掉，让传感器进入准备工作状态，一般这个状态称为传感器的极化状态。随着传感器断电的时间越长，再次使用时所需的极化时间也越长，例如断电时间超过7天，需要的极化时间大于12小时，断电2天，需要的极化时间大于5小时。
通过让环氧乙烷气体分子在电极处发生氧化还原反应，将有关气体浓度的信息转换成电信号(表现为电流信号)，根据电信号的强弱获得与气体在环境中存在情况有关信息，将传感器输出的电流信号称为传感器的AD值，采集传感器在极化状态时的AD值用作进一步判断使用，如图2所示。
2、极化状态时，传感器可通气状态判断
极化状态时，传感器AD值先是处于较高值(AD值大于2000)一段时间，时间的长短与传感器断电时间的长短有关，定义该阶段为阶段1，在阶段1时通气，传感器AD值无变化；
阶段1之后AD值发生断层式下降，且该过程较快，在下跌的过程中，示数会出现一个突变(图中用红圈标出)，突变基本都在断层发生后5分钟内出现，定义从开始下降到突变结束为阶段2。由于阶段2下降较快且时间较短，在此阶段通气不易被检测到；
当经历过突变后，传感器AD值将进入缓慢下跌状态，定义该阶段为阶段3，在该阶段可进行通气预测。
因此，传感器极化状态时，为了能进一步的实现通气浓度的预测，首先要检测出阶段3，即突变之后的状态。为了检测突变(断崖发生后5分钟内出现)，使用PolarTimeCount变量进行时间计数。若当前AD值(0.25秒刷新一次)小于初始极化值PolarStartValue(设置为2000)，则PolarTimeCount进行+1操作。当PolarTimeCount大于1200(表明已经过了断崖5分钟)且当前AD小于500且周期采样值PolarTempValue小于470时，发出允许通气进行预测的信号，从而实现极化状态时传感器可通气状态的判断。
其中，PolarTempValue是为了判断传感器极化状态是否有通气设置的变量。PolarTempValue变量为周期采样的变量，每隔7.5秒刷新并记录一下AD值，对应时间为30个采样周期。
3、判断是否有气体通入
通过步骤2中的判断，极化状态时，当传感器被判断可进行通气后，开始持续判断是否有气体通入。未通气时，AD值一直持续缓慢降低，直至当前AD值Ch1_Sensor_Adc上涨超过上次周期采样值PolarTempValue 30时，判断为有气体通入。
4、气体浓度预测
4.1传感器正常检测状态时的浓度预测模型
当环氧乙烷传感器在正常使用状态时，分别向多个环氧乙烷传感器中通入浓度为2.5ppm、5ppm、7.5ppm、10ppm、12.5ppm、15ppm、17.5ppm的环氧乙烷气体，连续采集AD值，采集多组测试数据；
当检测到传感器的AD值大于基准零点时，连续截取60个AD值，选用30、40、50、60位置对应的AD值和该组数据对应的气体浓度，作为模型的输入，训练多元线性回归模型，训练结果为：
SensorAdc_predict＝-1.8921*Adc_record[30]+1.2793*Adc_record[40]+(-2.4026)*Ad c_record[50]+4.2084*Adc_record[60]+42.20917；
Adc_record为存放连续60个AD值的数组，SensorAdc_predict为初步预测结果。
4.2传感器极化状态时的浓度预测模型
在传感器极化状态时，当检测到有气体通入时，Polar_Adc_record数组将记录当前AD值，共计61次，用于预测通入气体的浓度。预测模型回归系数使用传感器正常检测状态时的预测模型系数，因为无论在极化状态还是正常检测状态，相同浓度的反应量是一样的，但是极化状态时，会受到传感器本身极化造成AD值变化的影响，因此极化状态时的预测模型要在正常检测状态时的预测模型基础上进行修改，利用(Polar_Adc_record[i]-PolarStartValue)来表明通气带来的AD变化，将这个差值代入到气体预测模型中。
先置PolarPredictFinish极化预测标记为1，
Polar_Adc_predict＝Adc_coff[0]*(Polar_Adc_record[30]-PolarStartValue)
+Adc_coff[1]*(Polar_Adc_record[40]-PolarStartValue)
+Adc_coff[2]*(Polar_Adc_record[50]-PolarStartValue)
+Adc_coff[3]*(Polar_Adc_record[60]-PolarStartValue)
变量说明：
Polar_Adc_predict是返回的极化状态的预测值。
Adc_coff是线性回归模型系数，Adc_coff＝[-1.8921，1.2793，-2.4026，4.2084]。
Polar_Adc_record是记录通气稳定通入时前15秒AD值的数组。
PolarStartValue是刚检测出通气时记录的AD值，作用类似于零点。
PolarPredictFinish是标记，用于指示极化预测是否完成。当它设置为1时，意味着预测过程已经完成。
5、预测值修正
预测值Polar_Adc_predict，修正公式为：
Polar_Adc_predict＝(1+PolarStartValue/750)*Polar_Adc_predict
对Polar_Adc_predict进行放缩处理，通常情况下，极化状态时，气体浓度上涨的趋势小于正常状态，因此需要进行放大，这里的公式设定由实验经验总结得出。可以看到PolarStartValue越小时，缩放比例越接近1，因为此时受极化影响较小，自然过渡到极化完成状态。
为了验证本发明方法的有效性，分别将10个传感器断电大于7天、7天、5天、3天和2天，利用本发明提出的方法测试需要的极化时间，并记录传感器正常需要的极化时间，测试结果如表1所示，利用本发明的方法极化时间最长不超过1个小时，而常规极化时间要大于5个小时，大大的缩短了极化时间；
表1传感器不同断电时间所需极化时间
| 序号 | 传感器断电时间 | 实际所需极化时间 | 本发明 |
| 1 | 断电超过7天 | 12—36小时 | 小于1小时 |
| 2 | 断电7天 | 大于12小时 | 小于50分钟 |
| 3 | 断电5天 | 大于10小时 | 小于40分钟 |
| 4 | 断电3天 | 大于8小时 | 小于30分钟 |
| 5 | 断电2天 | 大于5小时 | 小于25分钟 |
为了验证极化状态时预测模型的准确性，在传感器极化状态时通入不同浓度的环氧乙烷气体，记录预测模型预测的AD值及响应时间，并在该传感器极化完成后，通入相同浓度的环氧乙烷气体，记录AD值，如表2所示。从对比结果可以看出，在极化状态，传感器依然能够准确的测得通入气体的浓度，满足实际需求，且传感器响应时间不超过30秒。
表2传感器极化状态时通气测试
作为一种具体实施例还包括结果展示与用户反馈，具体如下：
界面实时更新：动态更新用户界面以展示最新的监测和预测数据。
用户反馈采集：收集用户的操作反馈用于优化显示和预测过程。
调整参数：根据用户反馈和系统性能调整显示和预测参数。
作为一种具体实施例还包括集成控制与优化反馈，具体如下：
系统集成：将监测和预测程序集成到自动化系统进行控制。
自动调整：根据预测结果自动调整系统操作，优化气体检测流程。
性能反馈：建立系统性能反馈机制，自动优化预测算法和操作参数。
作为一种具体实施例还包括一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间方法的系统，包括如下：
传感器接口模块：负责直接与传感器通讯，获取实时数据。
数据处理模块：用于接收传感器数据，并处理这些数据以识别不同的极化阶段。
状态识别模块：分析数据处理模块的输出，识别并标记不同的极化状态。
预测模块：根据状态识别模块的输出启动气体浓度预测算法。
用户界面(UI)模块：向用户展示实时数据、预测结果，接收用户输入。
控制逻辑模块：负责协调上述所有模块的操作和数据流动。
反馈处理模块：管理用户反馈，对预测算法和用户界面进行调整。
这个模块化系统的允许灵活地添加、更新或替换各个模块，以便随着技术进步或新需求的出现进行系统的扩展或优化。每个模块都可以独立开发和测试，这有助于提高整个系统的可维护性和可扩展性。
以下是一个具体实施例：
实施环境：化工厂内的环氧乙烷存储区。
自动监测启动：
在存储区安装带有环氧乙烷气体传感器的仪表。
系统上电后，自动检测传感器状态并开始记录其极化状态和AD值。
动态阶段识别：
系统软件实时接收AD值数据流。
根据AD值稳定、快速下降和缓慢下降的特点自动识别极化过程的阶段。
气体通入判断：
监测AD值，当检测到异常上升时，系统判定有气体通入。
气体浓度预测：
在气体通入确认后，系统开始密集采样AD值。
使用预设的预测模型，基于采集的数据计算气体浓度。
预测值修正：
依据当前极化状态，系统自动调整预测模型，修正气体浓度预测值。
考虑传感器的历史数据和环境变量，如温湿度，优化预测准确性。
界面显示与反馈：
界面实时显示传感器AD值、预测的气体浓度、极化状态等关键信息。
操作人员可以通过界面提供反馈，如调整警报阈值或确认警报。
自动化控制集成：
系统与工厂的自动化控制系统集成，实现数据共享和响应机制。
在检测到气体泄漏时，自动化系统可以启动应急程序，如启动通风系统，关闭阀门等。
在该实施例中，系统有效地监测和响应环氧乙烷泄漏，减少了人员的等待时间，并通过预测模型快速提供精确的浓度信息，为现场安全提供了强有力的技术支持。
上述具体实施方式仅仅对本发明的优选实施方式进行描述，而并非对本发明的保护范围进行限定。在不脱离本发明设计构思和精神范畴的前提下，本领域的普通技术人员根据本发明所提供的文字描述、附图对本发明的技术方案所作出的各种变形、替代和改进，均应属于本发明的保护范畴。本发明的保护范围由权利要求确定。
Claims (9)
1.一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间的方法，其特征在于，包括：
步骤S1：系统自动开始记录传感器的极化状态和AD值；
步骤S2：软件实时分析AD值变化，自动识别极化过程的不同阶段；
步骤S3：系统通过AD值的变化判断是否有气体进入传感器；
步骤S4：一旦检测到气体，系统记录AD值并预测气体浓度；
步骤S5：根据极化状态自动调整气体浓度的预测值。
2.根据权利要求1所述的一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间的方法，其特征在于，步骤S1包括：
步骤S11：系统自动确认传感器是否已连接；
步骤S12：激活数据记录程序开始跟踪传感器的活动；
步骤S13：初始化极化状态时间跟踪以监控整个极化过程。
3.根据权利要求1所述的一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间的方法，其特征在于，步骤S2包括：
步骤S21：系统持续监控传感器输出的电流AD值；
步骤S22：确定AD值稳定在高值的初始极化阶段；
步骤S23：识别AD值从高值开始快速下降的过渡阶段；
步骤S24：捕捉AD值从快速下降平滑过渡到缓慢下降的后续阶段。
4.根据权利要求1所述的一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间的方法，其特征在于，步骤S3包括：
步骤S31：在AD值缓慢下降阶段，继续跟踪AD值变化；
步骤S32：检测AD值是否出现了超出正常范围的上升，表明可能的气体通入；
步骤S33：一旦检测到气体通入，记录事件并开始气体浓度预测准备。
5.根据权利要求3所述的一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间的方法，其特征在于，步骤S4包括：
步骤S41：在确认气体通入后，收集特定时间内的AD值数据；
步骤S41：采集足够的数据后，启动预测模型进行浓度计算。
6.根据权利要求1所述的一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间的方法，其特征在于，步骤S5包括：
步骤S51：使用收集的数据点，通过预测模型生成原始气体浓度预测值；
步骤S52：根据极化状态调整预测值，以反映真实气体浓度；
步骤S53：应用调整公式完成气体浓度预测值的最终修正。
7.根据权利要求1所述的一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间的方法，其特征在于，还包括结果展示与用户反馈，具体如下：
界面实时更新：动态更新用户界面以展示最新的监测和预测数据；
用户反馈采集：收集用户的操作反馈用于优化显示和预测过程；
调整参数：根据用户反馈和系统性能调整显示和预测参数。
8.根据权利要求1所述的一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间的方法，其特征在于，还包括集成控制与优化反馈，具体如下：
系统集成：将监测和预测程序集成到自动化系统进行控制；
自动调整：根据预测结果自动调整系统操作，优化气体检测流程；
性能反馈：建立系统性能反馈机制，自动优化预测算法和操作参数。
9.一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间方法的系统，适用于上述权利要求1-8任一项所述的一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间的方法，其特征在于，包括：
传感器接口模块：负责直接与传感器通讯，获取实时数据；
数据处理模块：用于接收传感器数据，并处理这些数据以识别不同的极化阶段；
状态识别模块：分析数据处理模块的输出，识别并标记不同的极化状态；
预测模块：根据状态识别模块的输出启动气体浓度预测算法；
用户界面模块：向用户展示实时数据、预测结果，接收用户输入；
控制逻辑模块：负责协调上述所有模块的操作和数据流动；
反馈处理模块：管理用户反馈，对预测算法和用户界面进行调整。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311563624.XA CN117554444A (zh) | 2023-11-21 | 2023-11-21 | 一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间方法及系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311563624.XA CN117554444A (zh) | 2023-11-21 | 2023-11-21 | 一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间方法及系统 |
Publications (1)
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| CN117554444A true CN117554444A (zh) | 2024-02-13 |
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Family Applications (1)
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| CN202311563624.XA Pending CN117554444A (zh) | 2023-11-21 | 2023-11-21 | 一种缩短环氧乙烷气体传感器极化时间方法及系统 |
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2023
- 2023-11-21 CN CN202311563624.XA patent/CN117554444A/zh active Pending
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