CN202631480U - 一种测量气体中物质浓度的装置 - Google Patents

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Inventor
谢雷
韩杰
沈立军
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Sunvou Medical Electronics Co ltd
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SHANGWO MEDICAL ELECTRONIC WUXI CO Ltd
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Abstract

摘要：一种测量气体中物质浓度的装置，由活塞样品室、三通阀、电化学传感器及缓冲室组成，所述活塞样品室、三通阀、电化学传感器及缓冲室通过管路依此串联连接，其中三通阀一通路接待分析样品；所述活塞样品室用于储存待分析气体及推动气体在管路及传感器中以恒定流速往复流动；所述电化学传感器用于测量响应信号及对待测电化学活性组分进行电解；所述缓冲室用于储存气体。

Description

一种测量气体中物质浓度的装置
技术领域
本发明涉及测量气体中物质浓度的装置。
背景技术
化学传感器测量物质浓度C0的方法是基于响应信号S 0的一个测量方程：
               S = f(C0；k0，k1 … kp-1 )                 (1)
其中，参数kj取决于传感器结构性质、样品组成以及样品与环境的温度、压力、流动状态等。最常用的电化学、半导体及催化型传感器的电流信号S通常满足如下测量方程：
               S = kC0 + k0                                 （2）
其中，参数k0与k分别为一个传感器的零点与灵敏度参数。
传感器在使用过程中其响应信号会受到包括气流速率、压力、温度、湿度以及其它气体组分的影响，且传感器灵敏度也会由于老化、失活、活化或中毒等影响而发生变化，因而传感器的使用一般都要求在与使用条件接近的气流速率、压力、温度、湿度以及气体组分、条件下进行标定，而且标定时间与测量时间尽可能接近以避免上述干扰。
通常标定的做法是利用至少两个浓度已知的标准样品确定方程（2）的适用性及两个参数k0与k。
在实际应用过程中上述标定过程还存在一系列的问题，如：
1、低浓度、高挥发性、高反应活性及高危险性（有毒有害易燃易爆）等标定样品不易配制、储存、携带或使用，存在技术及安全风险；
2、标定样品及标定条件通常很难模拟实际情况，存在可靠与有效性风险；
3、即便标定能够模拟实际情况，但有些使用现场也难以进行标定操作；
4、即便可以现场标定操作，但许多用户也通常忽略进行标定使用。
例如，甲醛、苯等有机挥发物的标定样品就难以获得或使用。即便在应用最为广泛的工业与环境安全监测领域，尤其是煤矿及石油集输等场地，也难以现场标定，而忽视或不当标定所导致的误报或不报的安全事故则时常发生。尤其是民用领域，例如家庭个人用血糖检测及室内燃气泄漏预警等，用户很少进行标定，由此引起的问题也常有报道。
目前解决这一问题的努力主要是提供安全、方便与可靠的自动标定仪。例如，Honeywell最近几年公开了多项传感器标定与自标定方法的专利（US7975525B2，US7661290B2，US2006/0266097A1，US2005/0262924A1，US7401493B2，US7581425B2，US7655186B2，US7071386B2, US6918281， US2006/0042351A1），Drager 最近也公开了几项传感器标定专利（US7704356B2， US7645362B2）， 这些专利的一个共同点就是它们都需要标准气体，只是产生标准气体的方法各有不同。有没有不需要标准气体的标定方法呢？
1987年和1989年City Tech 和Drager在分别公开了不依靠标定样品进行标定的专利（US4829809，US4833909），将一个电化学传感器放在充满样品的密闭容器内，让被测物质电解消耗殆尽后，按库仑电解法确定气体浓度，进而对传感器进行标定。
Industrial Scientific在2000年公开了一项专利（US6055840），描述了一种通过定量调整控制气体扩散通道阻力求解气体浓度的方法, 该方法需要知道待测气体的扩散系数及至少一个气体扩散通道的物理尺寸, 因而实际应用也不方便。
然而，这些还属于实验室研究或分析方法，难以实际应用。目前，气体传感器的标定还一直依赖于使用由标准计量部门提供的标准浓度物质进行标定的方法。
发明内容
本实用新型针对目前技术的不足提出了一种测量气体中物质浓度的装置, 其结构及实施方式可表述如下: 
该装置由活塞样品室、三通阀、电化学传感器及缓冲室组成，所述活塞样品室、三通阀、电化学传感器及缓冲室通过管路依此串联连接，其中三通阀一通路接待分析样品；所述活塞样品室用于储存待分析气体及推动气体在管路及传感器中以恒定流速往复流动；所述电化学传感器用于测量响应信号及对待测电化学活性组分进行电解；所述缓冲室用于暂时储存气体。
通过该装置可实现使待测样品多次往复经过传感器进行分析，样品每经过传感器一次，传感器除获得响应信号外（满足测量方程），还对样品进行电解导致其浓度降低，再次经过传感器时传感器的响应信号会降低，而降低的值可与传感器电解消耗的电量向关联（满足质量方程），这样经过多次往复，由测量、质量联立方程组便可直接求出待测样品浓度。
利用上述分析装置可实现但不限于： 
（1）  直接确定被测物质浓度，而无需在测量前对传感器进行标定。
（2）  确定传感器标定参数，而不需要用标准样品进行标定测量。
（3）  由于使用的是响应信号的差值，可以扣除温度、压力、流量与干扰物质每次测量同等的贡献或扣除信号噪音。因此相比于传统方法使用含有这些贡献的信号测量，具有更高的灵敏度、选择性与稳定性。
附图说明
图1本实用新型装置气路结构示意图；
具体实施方式：
实施方式一：
现结合图1说明本实用新型装置用于气体检测时的实施方法：该装置由活塞样品室、三通阀、电化学传感器及缓冲室组成，所述活塞样品室22、三通阀24、电化学传感器21及缓冲室23通过管路依此串联连接，其中三通阀一通路接待分析样品；所述活塞样品室用于储存待分析流体及推动流体在管路及传感器中以恒定流速往复流动；所述电化学传感器用于测量响应信号及对待测电化学活性组分进行电解；所述缓冲室用于暂时储存流体。
分析测量过程如下所述：
采样：切换三通阀24，拉动活塞22采集待分析样品
第一次分析：切换三通阀24，以固定速度推动样品室活塞使气体经过传感器21、缓冲室23，原缓冲室23中的气体被排出，记录传感器的响应值。
i0= kC0 + k0                                          （3）
第二次分析：以同样速度拉动样品室活塞使样品气经缓冲室23、传感器21回到样品室实现第二次测量。
i1= kC1 + k0                                           （4）
第三次分析：以固定速度推动样品室活塞使气体经过传感器21、缓冲室23，进行第三次测量分析，记录传感器的响应值。
i2= kC2 + k0                                           （5）
上述方程（3）、（4）、（5）中i0、i1、i2是每次测量平台的响应电流，k为传感器灵敏度，k0为传感器底电流，C0、C1、C2分别为样品原始浓度，第2、第3次测量时样品浓度，其未知数有k、k0、C0、C1、C2 五个。
根据法拉第定律，传感器每次测量电解消耗样品导致其浓度变化关系质量方程可表达为：
第二次分析：
nFV(C1-C0) = i0*t                                       （6）
第三次分析：
nFV(C2-C1) = i0*t                                      （7）
其中n为反应电子数，F为法拉第常数、V为样品室体积，t为每次测量时间。
由上所述5个方程联立便可求解包括样品浓度，传感器灵敏度与底电流在内的参数，而无需用标准气体对传感器进行标定。
上述测量可往复进行以获得所需的测量与质量方程组用于求解样品浓度及传感器参数。
由该实施例可见该装置可以用于实现对气体浓度的直接测量，而无需在测量前对传感器进行标定；并且传感器的标定参数（如灵敏度与底电流）也可直接求解出来，由于是在实际测量过程中计算传感器标定参数，因而该方法可以说是一种自标定方法；另外，该方法使用的是传感器两次响应信号的差值，可以扣除温度、压力、流量与干扰物质对每次测量同等的贡献，因此相比于传统方法使用含有这些贡献的信号测量，具有更高的灵敏度、选择性与稳定性。
在该实施例中，可将缓冲室23替换为气体采样袋或可移动活塞的样品室。
活塞样品室也可通过泵、阀与气袋的组合来实现，通过阀门切换泵抽气方向，使待分析气体在样品室与缓冲室之间往复流动。
由于气体样品于液体样品在分析方法上并无本质上的不同，上述实施例中的方法可用于液体样品分析。

Claims (1)

1.一种测量气体中物质浓度的装置，由活塞样品室、三通阀、电化学传感器及缓冲室组成，其特征在于：所述活塞样品室、三通阀、电化学传感器及缓冲室通过管路依此串联连接，其中三通阀一通路接待分析样品；所述活塞样品室用于储存待分析气体及推动气体在管路及传感器中以恒定流速往复流动；所述电化学传感器用于测量响应信号及对待测电化学活性组分进行电解；所述缓冲室用于储存气体。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2013189175A1 (zh) * 2012-06-21 2013-12-27 无锡市尚沃医疗电子股份有限公司 一种测量流体中物质浓度的方法及装置
CN110006800A (zh) * 2019-03-14 2019-07-12 北京航空航天大学 颗粒物气溶胶稀释器及稀释方法

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