CN202676655U - 一种利用电化学传感器测量气体浓度的装置 - Google Patents
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Abstract
一种利用电化学传感器测量气体浓度的装置，由样品室、毛细管路、电化学传感器、泵及阀门组成，所述样品室，电化学传感器，泵及阀门由管路组成循环气路；所述样品室为细长管路，分析时气体在其中的流动为活塞流，体积大于循环气路总体积的95%，用于储存待分析流体样品；所述电化学传感器封闭于循环流路中，与传感器连通的进出气口为毛细管，毛细管截面面积与长度比小于传感器电极表观面积与气室厚度比的5%，用于测量响应信号及对待测电化学活性组分进行电解；所述泵用于推动流体在循环流路中循环流动，可至少两次通过传感器。
Description
技术领域
本实用新型涉及测量气体中物质浓度的装置。
背景技术
用电化学气体传感器测量气体浓度时，其信号S通常满足如下测量方程：
S = kC0 + k0 （1）
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、湿度以及其它干扰气体组分的影响，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、条件下进行利用至少两个浓度已知的标准样品对传感器进行标定，以确定方程（1）的适用性及两个参数k与k0（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。
在实际应用过程中上述标定过程还存在一系列的问题，如：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；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；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；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
本实用新型将揭示一种利用电化学传感器搭建循环分析气路直接测量气体浓度的装置。
该装置由样品室、毛细管路、电化学传感器、泵及阀门组成，所述样品室，电化学传感器，泵及阀门由管路组成循环气路；所述样品室为细长管路，分析时气体在其中的流动为活塞流，体积大于循环气路总体积的95%，用于储存待分析流体样品；所述电化学传感器封闭于循环流路中，与传感器连通的进出气口为毛细管，毛细管截面面积与长度比小于传感器电极表观面积与气室厚度比的5%，用于测量响应信号及对待测电化学活性组分进行电解；所述泵用于推动流体在循环流路中循环流动，可至少两次通过传感器。
该装置可现场测量传感器零点并计算气体浓度，克服温度、湿度、压力及部分干扰气体对测量的影响，无需对传感器进行标定，可大大提高了测量的稳定性与可靠性。
附图说明
图1是本实用新型的气路结构示意图；
具体实施方式：
应用实施例一
现结合图1说明本实用新型用于气体浓度测量时的具体实施方式：由样品室、毛细管路、电化学传感器、泵及阀门组成，所述样品室17，电化学传感器16，泵15及阀门11,12由管路连接成循环气路；所述样品室为细长管路，分析时气体在其中的流动为活塞流，体积大于循环气路总体积的95%，优选1%，用于储存待分析流体样品；所述电化学传感器封闭于循环流路中，与传感器连通的进出气口为毛细管，毛细管截面面积与长度比小于传感器电极表观面积与气室厚度比的5%，优选1%，用于测量响应信号及对待测电化学活性组分进行电解；所述泵用于推动流体在循环流路中循环流动，可至少两次通过传感器。
实际测量按下述步骤进行：
（1）采样：打开阀门11、12及开启气泵15、19使气体经过阀门11、样品室17、阀门12、气泵19收集到样品室17中，另一路气体经阀门11、气泵15、电化学传感器16、阀门12、气泵19流出。
（2）零点测量：关闭阀门11、12及关闭气泵15、19，静止气体一段时间，此时传感器不断电解耗尽传感器小气室内的活性气体，当时间足够长时，传感器响应电流为零点电流k0。
（3）循环测量：获得零点电流响应后，开启泵15，使气体在样品室17、气泵15、电化学传感器16、样品室17构成的循环气路中进行二次循环分析测量，气体经过传感器时被电解，其每次循环经过传感器时传感器的响应信号满足的测量方程可表达为：
i0= kC0 + k0 （2）
i1= kC1 + k0 （3）
其中i0、i1是二次测量传感器的响应电流，k为传感器灵敏度，k0为传感器底电流，C0、C1分别为样品原始浓度及第2次测量时样品浓度，其未知数有k、C0、C1三个。
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：
nFV(C1-C0) = i0*t （4）
其中n 为反应电子数，F为法拉第常数、V为样品室体积，t为循环周期。
这样通过联立方程（2）、（3）、（4）及直接测量的k0便可求解样品浓度C0及传感器灵敏度k。
由该实施例可见该方法可以用于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；并且传感器的标定参数（如灵敏度与底电流）也可通过该方法直接求解出来，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。
该方法的实现对气路结构及传感器灵敏度也有一定的要求：所述传感器空腔体积应该足够小，传感器气体电极与样品接触面积足够大，与传感器连通的进出气口为毛细管，毛细管截面面积与长度比小于传感器电极表观面积与气室厚度比的5%，这样无强制对流时气体扩散过程可忽略，传感器能在所需时间内完成99%活性组分的电解。所述气体传感器的灵敏度应该合适：不能太大或太小，需要保证在循环分析时气体每次循环导致的浓度梯度变化能够分辨且保证多次循环测试后浓度不会降得太低。
当然与传感器连通的进出气孔可以不用毛细管，而用电磁阀在零点测量时切断传感器与气路的通路。
Claims (1)
1.一种利用电化学传感器测量气体浓度的装置，由样品室、毛细管路、电化学传感器、泵及阀门组成，其特征在于：所述样品室，电化学传感器，泵及阀门由管路组成循环气路；所述样品室为细长管路，分析时气体在其中的流动为活塞流，体积大于循环气路总体积的95%，用于储存待分析流体样品；所述电化学传感器封闭于循环流路中，与传感器连通的进出气口为毛细管，毛细管截面面积与长度比小于传感器电极表观面积与气室厚度比的5%，用于测量响应信号及对待测电化学活性组分进行电解；所述泵用于推动流体在循环流路中循环流动，可至少两次通过传感器。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| 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 |
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2012
- 2012-06-21 CN CN 201220295836 patent/CN202676655U/zh not_active Expired - Lifetime
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