TWI749477B - 用於校正濕度感測器之系統、方法及程式 - Google Patents

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Abstract

一種用於校正濕度感測器的系統包括處理單元(341)。處理單元(341)包括獲得LCKT(345)的參考資料、獲得LCKT(346)的受試者資料和計算LCKT(347)的關係。在將已知濃度的水蒸氣注入到分析儀中之後，獲得LCKT(345)的參考資料獲得參考資料。獲得LCKT(346)的受試者資料測量指示被測的該分析儀的受試者感測器元件的輸出響應的時間變化之受試者資料。計算LCKT(347)的關係比較受試者資料與參考資料，並且計算受試者感測器元件的輸出響應與已知濃度之間的關係。

Description

用於校正濕度感測器之系統、方法及程式
本發明關於用於實現濕度感測器的現場校正的系統、方法和程式。
在製造容易與水反應的半導體和材料的處理中，如非專利文獻(NPL)1所述，使用濕度分析儀來控制處理氣體中的痕量濕度，並且需要現場校正以實現可靠性。通常，在痕量濕度的輸出響應藉由保持感測器單元中的濕度濃度幾個小時(NPL2)來達到足夠平衡的情況下執行校正。
然而，儘管這種靜態校正方法能夠進行準確的校正，但是由於校正系統龐大且校正需要長達十個小時的時間，因此難以將靜態校正方法應用於現場校正。另外，由於較早的校正系統需要大量的校正氣體，因此難以將其應用於使用不存在現有校正系統的特殊氣體的處理中，或者不容易獲得大量的校正氣體。 [引文清單] [非專利文獻]
[NPL 1]：H. Abe et al.: Sens. Actu. A 128, 202-208 (2006)。 [NPL 2]：H. Abe et al.: Sens. Actu. A 136, 723-729 (2014)。
[技術問題]
鑑於上述問題，本發明的目的是提供一種用於校正濕度感測器的系統、方法和程式，其可以在短時間內執行並且適用於現場校正。 [解決問題的方法]
本發明的第一態樣在於一種用於校正包含處理單元的濕度感測器的系統。關於第一態樣的處理單元包括：(a)被配置以獲得參考資料的邏輯電路，該參考資料在將具有已知濃度的水蒸氣注入分析儀之後，獲得指示濕度濃度的時間變化的邏輯電路，(b)被配置以進行測量指示被測的該分析儀的受試者感測器元件的輸出響應的時間變化的受試者資料的邏輯電路，在與獲取參考資料相同的條件下獲取受試者資料，(c)配置以相同持續時間以獲得參考資料的情況下，將受試者資料與參考資料進行比較的邏輯電路，以從注入已知濃度的水蒸氣的時刻開始測量該持續時間，用於計算受試者感測器元件的輸出響應與已知濃度之間的關係。
本發明的第二態樣在於一種用於校正濕度感測器的方法，該方法包括：(a)在將具有已知濃度的水蒸氣注入校正系統的分析儀中之後，獲得指示濕度濃度的時間變化的參考資料，(b)測量指示被測的該分析儀的受試者感測器元件的輸出響應的時間變化的受試者資料，在與獲得參考資料相同的條件下獲得受試者資料，(c)以獲得參考資料的相同的持續時間將受試者資料與參考資料進行比較，從注入已知濃度的水蒸氣的時刻開始測量持續時間，並(d)計算受試者感測器元件的輸出響應與已知濃度之間的關係。
本發明的第三態樣在於一種非暫態計算機可讀儲存媒體，其儲存用於校正濕度感測器的系統的校正程式，該校正程式使系統中的處理單元藉由一系列指令來執行用於校正的處理。關於第三態樣的一系列指令包括(a)在將具有已知濃度的水蒸氣注入到校正系統的分析儀中之後，獲得指示濕度濃度的時間變化的參考資料，(b)測量指示在測試中分析儀的受試者感測器元件的輸出響應的時間變化的受試者資料，在獲得了參考資料相同條件下獲得了受試者資料，(c)以相同的持續時間上獲得了在參考資料將受試者資料與參考資料進行了比較，從注入具有已知濃度的水蒸氣的時刻開始測量持續時間，並且(d)計算受試者感測器元件的輸出響應與已知濃度之間的關係。 [發明的有益效果]
根據本發明，可以提供用於校正濕度感測器的系統、方法和程式，其可以在短時間內執行並且適用於現場校正。
(示例性例子) 在描述本發明的第一和第二實施例之前，參照圖3，圖4，圖5A和圖5B，我們將介紹靜態校正系統的示例性例子，該示例導致了本發明的第一和第二實施例。
如圖4所示，屬於示例性例子的靜態校正系統包括第一質量流量控制器(MFC)55a、第二MFC 55b、第三MFC 55c、第四MFC 55d、第五MFC 54、第一自動壓力調節器(APR)52、第二APR 53以用於實現穿過第四MFC 55d的濕氣體管線，穿過第一MFC 55a的第一乾燥氣體管線和穿過第三MFC 55d的第二乾燥氣體管線。第二乾燥氣體管線和濕氣體管線被連接以穿過第二MFC 55c和第三MFC 55d實現第一混合氣體管線。第一乾燥氣體管線和第一混合氣體管線被連接以穿過第五MFC 54實現第二混合氣體管線。第一混合氣體管線穿過第一APR 52被分支到排氣管線。
排氣管線和第二混合氣體管線被壓力控制管線穿過第二APR 53旁通。藉由控制穿過飽和器51的濕氣體管線和飽和氣體管線之間的流量比，校正感測器56周圍的濕度濃度可以透過飽和器51和第一和第二乾燥氣體管線以及第一混合氣管線被改變。飽和器51是包含純水的1/4英寸的不銹鋼管，並且藉由利用帕耳帖(Peltier)裝置控制溫度來引入恆定濃度的飽和水蒸氣。
圖5是使用圖4所示的系統逐步改變濕度濃度時的感測器響應的示例。圖5示出了當評估為霜點(FP)的濕度濃度從-76攝氏度到-17攝氏度的階躍變化時，在十小時內作為球SAW感測器的輸出響應的衰減α[GREEK]的時間變化。從圖5所示的資料，可以獲得FP和衰減α之間的關係的校正曲線。雖然圖4所示的系統能夠進行準確的校正，它太大以致於無法應用於現場校正。
在圖6A中，藉由圖4中的空心圓表示的靜態校正系統獲得的FP和球SAW感測器的衰減α之間的關係。在圖6A中，我們發現用虛線表示的關係可以表示為由下式給出的衰減α的函數。
Figure 02_image001
其中A、B、C和D是係數，它們是每個感測器的特性。
也就是說，球SAW感測器的校正意味著確定係數A、B、C和D。當FP高於-25攝氏度時，FP可以近似地與衰減α近似線性，而忽略了等式(1)的指數項為
Figure 02_image003
因此，可以藉由在高濃度範圍內的資料的最小平方擬合來確定係數A和係數B。此外，等式(1)可以轉換為
Figure 02_image005
表示等式(1)的指數項為線性函數。圖6B示出了衰減α與等式左側的值之間的關係。等式(3)使用低FP範圍內的資料。
因此，係數C和係數D可以藉由最小平方擬合確定。藉由使用係數A、係數B、係數C和係數D，我們可以獲得感測器的校正曲線，如下所示：
Figure 02_image007
-第一實施例- 現在，將在下面參考圖式描述本發明的實施例。在以下圖式的描述中，相同或相似的圖式標記被分配給相同或相似的部分。然而，圖式是示意性的，並且應當注意以下事實：厚度與平面圖尺寸之間的關係，裝置的構造等與實際資料不同。因此，應藉由考慮以下描述來判斷特定的厚度和尺寸。
而且，即使在相互圖式之間，自然也包括相互尺寸之間的關係和比率不同的部分。而且，如下所述的實施例例示了體現本發明的技術思想的設備和方法，並且在本發明的技術思想中，構成部件的材料、形狀、結構、佈置等不限於此以下。
在下面的描述中，“水平”方向或“垂直”方向僅是為了便於解釋而分配的，並且不限製本發明的技術精神。因此，例如，當紙張平面旋轉90度時，“水平”方向改變為“垂直”方向，而“垂直”方向改變為“水平”方向。當紙張平面旋轉180度時，“左側”變為“右側”，而“右側”變為“左側”。因此，在申請專利範圍規定的技術範圍內，可以對本發明的技術思想進行各種改變。
(系統配置) 如圖1A所示，根據本發明的第一實施例的校正系統包括：背景氣體流過的第一管道45a、安裝在第一管道45a和第二管道45b之間的流量計33、安裝在第二管道45b和第三管道45c之間的入口32、用於將恆定體積的校正氣體注入到入口32的注入器31以及穿過第三管道45c安裝在入口32的下游的快速響應濕度感測器35，其用作“引入管”。
如圖1A所示，根據第一實施例的校正系統還包括連接至濕度感測器35的處理單元341、連接至處理單元341的基準資料記憶體342以及連接至處理單元341的受試者資料記憶體343。濕度感測器35、處理單元341、參考資料記憶體342和受試者資料記憶體343實現濕度分析儀34。
圖1B所示的水蒸氣產生器36包括水蒸氣產生器36在水上方的頂部空間中的背景氣體中產生飽和水蒸氣，水容納在水蒸氣產生器36的下部。在水蒸氣產生器36的上部安裝溫度計37。溫度計37測量被水蒸氣飽和的背景氣體的溫度。在使用圖1A所示的校正系統進行校正之前，假定注入器31的尖端插入水蒸氣產生器36中。並且，藉由注入器31，從水蒸氣產生器36中採樣飽和水蒸氣。
之後，將背景氣體引入圖1A所示的第一管道45a中。當背景氣體的流量由流量計33控制或測量時，背景氣體以受控的流量穿過第一管道45a流動。並且，當飽和水蒸氣被注入器31噴射到入口32中時，水蒸氣藉由擴散和漂移而穿過第三管道45c被輸送至濕度感測器35，並且藉由濕度感測器35獲得了輸出響應。
如圖1C所示，處理單元341包括參考資料獲得邏輯電路(LCKT)345、受試者資料獲得邏輯電路(LCKT)346、關係計算邏輯電路(LCKT)347以及被配置以控制參考資料獲得LCKT 345、受試者資料獲得LCKT 346和關係計算LCKT 347的操作時間順序之控制電路。
參考資料獲得LCKT 345獲得參考資料，該參考資料在將具有已知濃度的水蒸氣注入到校正系統的分析儀中之後，指示濕度濃度的時間記憶。受試者資料獲得LCKT 346測量表示被測的該分析儀的受試者感測器元件的輸出響應的時間變化的受試者資料，在與獲得參考資料的相同的條件下獲得受試者資料。
關係計算LCKT 347將受試者資料與參考資料進行比較，以相同的持續時間來獲取參考資料，該持續時間是從注入已知濃度的水蒸氣的時刻開始測量的。並且關係計算LCKT 347還計算受試者感測器元件的輸出響應與已知濃度之間的關係。參考資料記憶體342儲存藉由參考資料獲得LCKT 345獲得的參考資料。受試者資料記憶體343儲存由受試者資料獲得LCKT 346獲得的受試者資料。
濕度感測器35由圖3所示的球SAW感測器實現，由於濕度濃度的改變，輸出響應的時間變化。如圖3所示，在實施濕度感測器35的球SAW感測器中，在特定條件下，SAW被感測器電極21激發。SAW在壓電球2周圍產生自然準直的射束22，從而可以實現沿著球的赤道的多次往返。因為塗覆在SAW的傳播路徑上的感測膜23由於水的吸附而改變了黏彈性，所以可以藉由SAW的衰減α來評估濕度的濃度。
處理單元341可以是例如計算機系統的中央處理單元(CPU)。參考資料獲得LCKT 345、受試者資料獲得LCKT 346和關係計算LCKT 347可以藉由佈置在通用半導體積體電路中的功能邏輯電路來實現。例如，處理器可以包括諸如現場可程式化門陣列(FPGA)之類的可程式化邏輯設備(PLD)。
FPGA是設計用於在製造後由客戶或設計人員配置的積體電路。通常使用類似於專用積體電路(ASIC)的硬體描述語言(HDL)來指定FPGA配置。類似於FPGA的配置，處理單元341可以包含參考資料獲得LCKT 345、受試者資料獲得LCKT 346和關係計算LCKT 347作為可程式化邏輯塊的陣列。
即，類似於軟體，可以藉由創建子組件，然後創建實例化子組件，來模組化地設計參考資料獲取LCKT 345，受試者資料獲取LCKT 346和關係計算LCKT 347的電子硬體。在處理單元341容納在PC中的情況下，輸出單元349可以內置在PC中，或者可以與PC一體地構成。同時，在處理單元341與混合IC或模組合併的情況下，也可以將處理單元341組裝在濕度分析儀34的內部。可替代地，參考資料獲得LCKT 345、受試者資料獲取LCKT 346和關係計算LCKT 347可以藉由軟體程式的體系結構來實現。
儘管未示出，但是以與通常的計算機系統類似的方式，一組暫存器，高速緩衝記憶體和作為主記憶體的主記憶體(資料記憶體)、以及程式記憶體被連接到或內置在處理單元341中根據本發明的第一實施例。主記憶體直接連接到由計算機系統實現的校正系統的處理單元341。暫存器組在處理單元341內部。暫存器包含算術和邏輯單元執行當前指令所需的資訊。
從技術上說，暫存器是所有形式的計算機儲存中最快的，它是積體在CPU矽晶片上的開關電晶體，並可以用作電子“正反器”。高速緩存記憶體是處理單元341用來增加性能或“吞吐量”的一種特殊類型的內部記憶體。主記憶體中的某些資訊在高速緩存記憶體中重複，這比處理器暫存器稍慢一些，但容量要大得多，但比主記憶體快一些，但要小得多。
儘管省略了圖示，但是主記憶體包含當前資料和當前正在運行的指令，並且直接連接到資料匯流排348a、資料匯流排348b。算術LCKT 345、算術LCKT 346和算術LCKT 347可以非常快速地在暫存器組與主記憶體中的位置(也稱為“記憶體位址”)之間傳輸資訊。
程式記憶體可以由半導體記憶體、磁碟、光碟、磁光碟、磁帶等組成。因此，用於驅動控制參考資料獲得LCKT 345，受試者資料獲得LCKT 346和關係計算LCKT 347的校正程式如圖3所示。如圖1所示，根據第一實施例，只需要將LCKT 345、LCKT 346、LCKT 347校正濕度感測器，就可以將其儲存在實現濕度分析儀34的計算機系統的程式記憶體(未示出)中。同時，可以將諸如校正所需的各種輸入/輸出資料和參數，計算中的資料等儲存在諸如SRAM的資料記憶體中。
根據本發明的第一實施例的處理單元341可以由諸如PC的計算機系統配置，並且因此，省略了PC的圖示。然而，處理單元341可以進一步包括輸入單元，諸如PC鍵盤、滑鼠和光筆。具體地，點擊滑鼠以顯示在輸出單元349上的操作員註釋，從而可以輸入測量條件或感測器規格。此外，作為另一輸出單元，除了圖1C所示的輸出單元349以外，還可以設置印表機裝置等。
根據第一實施例的校正系統，其有效性使得可以實現短至十分鐘的測量時間，而與示例性示例有關的靜態校正需要十小時。由於關於第一實施例的校正系統由少量的簡單組件實現，因此可以減小校正系統的規模，並將校正系統應用於現場校正。此外，由於根據第一實施例的校正系統使用飽和水蒸氣作為校正氣體，因此容易在現場進行高精度校正氣體的製備而無需詳細控制。
(動態校正系統) 作為圖1B所示的水蒸氣產生器36，我們使用用於氣體分析的採樣氣囊，其內表面被鈍化，如圖7所示。用氮氣吹洗氣袋後，將純淨水注入氣袋中，並在空調器控制的室溫下使氣袋充滿水蒸氣。如在圖1A和1B中所示的注入器31，我們使用了氣密注射器，藉由它我們可以使用注射器的刻度來控制注射量。使用作為注入器31的氣密注射器從氣囊提取飽和水蒸氣，並注入到設置在與第三管道45c連接的作為濕度感測器35的球SAW感測器的上游170mm處的入口32中。使用質量流量控制器作為流量計33控制流過第一管道45a、第二管道45b和第三管道45c的氮氣。
我們在第一實施例的系統中安裝了球SAW感測器作為濕度感測器35，並藉由注入飽和水蒸氣來測量響應。注入量為1 ml，且背景氣體的流量為100 ml・min-1 。在測量時，室溫為21.6攝氏度。響應時間被評估為在注入飽和水蒸氣之後觀察到FP增加10%至90%的時間內。
圖8A示出了由於使用濕度感測器35測量的飽和水蒸氣的注入而導致的FP的時間變化。FP在注入之後立即增加，然後逐漸減小。減少大約花費了十分鐘，並且被認為代表了吸附在管道表面的水逐漸解吸的處理。
峰的展開圖在圖8B中示出。從-70到10攝氏度的FP變化的10%至90%所需的響應時間僅為0.64 s。由於響應時間小於一秒，因此可以認為在關於第一實施例的動態校正處理的任何情況下，感測膜內的濕度濃度與大氣中的濕度濃度之間的平衡迅速達到，其花了十分鐘。這種快速平衡是第一實施例的動態校正處理的有效性的基礎。
(動態校正方法) 首先，為了獲得用於第一實施例的動態校正方法的參考資料，我們安裝由球SAW感測器實現的參考感測器元件作為圖1A所示的濕度感測器35。在圖2所示的處理的步驟11中，參考資料獲得LCKT 345獲得參考資料，其指示在將具有已知濃度的水蒸氣注入被測的該分析儀之後，濕度濃度的時間變化。
參考感測器元件已經藉由與示例性例子有關的靜態校正方法進行了校正，該示例性例子已經在圖4中示出。校正系統可以是與第一實施例有關的動態校正系統。然後，校正系統藉由注入飽和水蒸氣來測量衰減α的時間變化。FP的時間變化可以藉由在等式(4)中每次替換衰減α來獲得。參考資料獲得LCKT 345將獲得的參考資料儲存到參考資料記憶體342中。
參考資料的測量結果在圖9A和圖9B中示出，背景氣體流量為10ml·min-1 ，飽和水蒸氣注入量為1ml，室溫為21攝氏度。從注入飽和水蒸氣之後的衰減α的時間變化，如圖9A所示，FP的時間變化是使用藉由等式(4)得到的校正曲線獲得的，如圖9B所示。由於峰的上升部分迅速變化，因此不將上升部分用於校正，並且將實線所示的曲線的逐漸減小的部分用作參考資料。
接下來，將參考感測器元件替換為要校正的受試者感測器元件。如圖2所示的步驟12中，受試者資料獲得LCKT 346測量指示被測的該分析儀的受試者感測器元件的輸出響應的時間變化的受試者資料，在與獲得參考資料相同的條件下獲得受試者資料。例如，在與測量參考資料的條件相同的條件下，測量衰減α的時間變化十分鐘。受試者感測器元件由球SAW感測器實現。受試者資料獲取LCKT 346將所獲取的受試者資料儲存到受試者資料記憶體343中。新感測器-或受試者濕度感測器-在與參考資料的測量相同的條件下的衰減α由圖10A中的實線表示。
在圖2所示的處理的步驟13中，關係計算LCKT 347從參考資料記憶體342中讀出參考資料，並且此外，關係計算LCKT 347從受試者資料記憶體343中讀出受試者資料。此後，關係計算LCKT 347比較受試者資料。利用參考資料，以相同的持續時間獲得參考資料，從注入已知濃度的水蒸氣的時刻開始測量持續時間。
而且，在圖2所示的處理的步驟14中，關係計算LCKT 347進一步計算受試者感測器元件的輸出響應與已知濃度之間的關係。
使用相同持續時間的虛線曲線所示的參考資料，我們在右縱坐標處獲得了FP。圖10B示出了在高濃度範圍內的衰減α和FP之間的關係，如實心圓所示。
由於圖10B所示的關係幾乎是線性的，藉由最小平方擬合確定校正曲線的係數A和校正曲線的係數B為A=1.188和B=-94.41。另一方面，圖10C示出了在空心圓圈所示的低濃度範圍中衰減α與由等式(3)左側表示的函數表達式獲得的值之間的關係。由於圖10C所示的關係C也是線性的，藉由最小平方擬合確定係數C和係數D為C=-0.1983和D=11.88。
在圖2所示的處理的步驟15中，關係計算LCKT 347進一步定義校正資料。也就是說，藉由動態校正方法獲得的新感測器元件的校正曲線由下式給出：
Figure 02_image009
得出受試者感測器元件的校正曲線，作為相同持續時間下參考資料的衰減α和FP之間的關係。
關係計算LCKT 347還向輸出單元349發送定義的校正資料。可替代地，儘管省略了校正資料記憶體的示意圖，可以將定義的校正資料儲存在校正資料記憶體中。
最後，藉由靜態校正方法再次校正受試者感測器元件。藉由靜態校正方法獲得的同一受試者感測器元件的校正曲線由下式給出：
Figure 02_image011
並且，將獲得的校正曲線與藉由第一實施例的動態校正方法獲得的校正曲線進行比較。
在圖11，使用等式(5)動態校正曲線的結果被表示為實線，使用等式(6)靜態校正曲線的結果被表示為虛線。這兩條曲線看起來幾乎相同。
圖12示出了藉由將衰減α代入每個校正曲線而計算出的設定FP與測量FP之間的誤差。橫坐標表示設定FP，縱坐標表示測定的FP。如果沒有錯誤，則應在虛線所示的45度線上繪製測得的FP。實心圓表示藉由動態校正獲得的結果，空心圓表示藉由靜態校正獲得的結果。在從-59到-17攝氏度的FP範圍內，靜態和動態校正方法的均方根(root-mean-square；RMS)誤差分別為0.88攝氏度和2.12攝氏度。
在FP範圍從-59到-17攝氏度的範圍內，動態校正的RMS誤差為2.12攝氏度，用於粗略估計感測器的狀況是可以接受的。由於該誤差被認為是使用等式(4)獲得作為參考資料的校正曲線中誤差的累積，作為標準氣體注入的飽和水蒸氣的注入量的誤差以及溫度和大氣壓的細微差異，其可以藉由改善系統組件來減少。
根據第一實施例的動態校正方法，其有效性使得可以實現短至十分鐘的測量時間，而與示例性例子有關的靜態校正需要十小時。因此，可以將動態校正方法應用於現場校正。此外，由於根據第一實施例的動態校正方法使用飽和水蒸氣作為校正氣體，因此容易在現場進行高精度校正氣體的製備而無需詳細控制。
(校正程式) 例如，根據本發明的第一實施例的校正程式被儲存在非暫態計算機可讀儲存媒體中，並且使得處理單元341的程式記憶體讀取記錄在外部記錄媒體中的內容，從而相關的校正程式可以執行本發明的校正的一系列處理。
即，使第一實施例的校正系統中的處理單元341執行校正處理的校正程式包括用於執行校正處理的一系列指令。該系列指令可以包括對參考資料獲得LCKT 345的指令，使得在將已知濃度的水蒸氣注入到校正系統的分析儀中之後，參考資料獲得LCKT 345獲得指示濕度濃度的時間變化的參考資料。
該系列指令還包括對受試者資料獲得LCKT 346的指令，使得受試者資料獲得LCKT 346測量指示被測的該分析儀的受試者感測器元件的輸出響應的時間變化的受試者資料，在與獲得參考資料相同的條件下獲得受試者資料。
該系列指令還包括用於關係計算LCKT 347的指令，以便將受試者資料與參考資料進行比較，並以相同的持續時間獲取參考資料，該持續時間從注入具有已知濃度的水蒸氣的時刻被測量。該系列指令還進一步包括用於關係計算LCKT 347的指令，使得關係計算LCKT 347計算受試者感測器元件的輸出響應與已知濃度之間的關係。
在此，“非暫態計算機可讀儲存媒體”是指可以記錄程式的媒體。非暫態計算機可讀儲存媒體包括例如計算機的外部儲存設備、半導體記憶體、磁碟、光碟、磁光碟、磁帶等。具體地，在“非暫態計算機可讀儲存媒體”中包括軟碟、CD-ROM、MO碟、開卷式磁帶等。
例如，處理單元341的受試者可以被配置以在其中構建軟碟設備和光碟設備，或者使軟碟設備和光碟設備從外部連接到軟碟設備和光碟設備。從其插入口將軟碟插入到軟碟驅動器中，並且從其插入口將CD-ROM插入到光碟驅動器中，並對其進行預定的讀取操作，從而這些外部記錄媒體中儲存的程式可以安裝到實現處理單元341的程式記憶體中。
此外，預定的驅動裝置連接到處理單元341，由此，例如，ROM和磁帶裝置可以用作外部記錄媒體。此外，代替使用外部記錄媒體，可以經由諸如網際網路的資訊處理網路將校正程式儲存在程式記憶體中。
根據第一實施例的校正程式，其有效性使得可以實現短至十分鐘的測量時間，而對於示例性示例的靜態校正則需要十小時。因此，可以將校正程式應用於現場校正。而且，在沒有詳細控制的情況下很容易在現場製備高精度校正氣體。
-第二實施例- 如圖13所示，關於本發明第二實施例的校正系統包括背景氣體流過的第一管道44a、安裝在第一管道44a和第二管道44b之間的流量計33。第二管道44b分支成具有第一閥41的第一分支管44e，並且第二管道44b的另一分支經由第二閥43連接到第三管道44c。
第三管道44c被分支成具有第三閥42的第二分支管44f，並且第三管道44c的另一分支連接至濕度分析儀34，因此第三管道44c用作濕度的“引入管”。在關於第二實施例的校正系統中，分析儀34還包括安裝在第一分支管44e和第二分支管44f之間的入口32和用於將恆定體積的校正氣體注入到入口32的注入器31。
藉由在入口32的上游和下游分支管道，並使用第一閥41、第二閥43和第三閥42切換流路，可以採用允許線上更換和維護入口32的配置，因為濕度分析儀34穿過第三管道44c安裝在入口32的下游。
在圖1B中示出的水蒸氣產生器36包括水蒸氣產生器36在第一實施例的說明中，在水的頂部空間中的背景氣體中產生飽和水蒸氣，水被包含在水蒸氣產生器36的下部中。在使用圖13的校正系統進行校正之前，假定注入器31的尖端插入水蒸氣產生器36中。並且，藉由注入器31，從水蒸氣產生器36採樣飽和水蒸氣。
之後，將背景氣體引入圖13所示的第一管道44a中，當背景氣體的流量由流量計33控制或測量時，背景氣體以受控的流量流過第一管道44a。並且，當飽和水蒸氣被注入器31噴射到入口32時，水蒸氣藉由擴散和漂移而穿過第三管道44c被輸送到濕度分析儀34，並且藉由濕度分析儀34獲得了輸出響應。
濕度分析儀34由如圖3所示的球SAW感測器實現，作為第一實施例的濕度感測器35，並且由於濕度濃度的變化，輸出響應的時間變化。儘管省略了圖示，但是類似於在第一實施例中說明的配置，濕度分析儀34還包括處理單元341、基準資料記憶體342和受試者資料記憶體343實現濕度分析儀34。
並且，處理單元341包括在第一實施例中說明的參考資料獲得LCKT 345、受試者資料獲得LCKT 346和關係計算LCKT 347。由於關於第二實施例的校正系統包括簡單的組件，因此可以減小校正系統的尺寸，並將校正系統應用於現場校正。此外，由於第二實施例的校正系統使用飽和水蒸氣作為校正氣體，因此，在不進行詳細控制的情況下，容易在現場製備高精度的校正氣體。
根據第二實施例的校正系統，其有效性使得可以實現短至十分鐘的測量時間，而與示例性示例有關的靜態校正需要十小時。由於關於第二實施例的校正系統由少量的簡單組件實現，因此可以減小校正系統的規模，並將校正系統應用於現場校正。此外，由於第二實施例的校正系統使用飽和水蒸氣作為校正氣體，因此，在不進行詳細控制的情況下，容易在現場製備高精度的校正氣體。
當注入水濃度為CW 且注入量為VS 時，總注入水含量VW 為 VW =CW VW ………(7)
另一方面，與背景氣體一起以F0 流量通過的情況下，注入到管道中的水蒸氣在向管壁表面吸附/從管壁解吸的同時，在流動方向上擴散並到達感測器，因此感測器周圍的濕度濃度隨時間變化。由於濃度積分Ic是響應曲線Cm (t)的時間積分的乘積 Ic=∫Cm (t)dt               ………(8)， 並且，氣體流量F0 等於VW ，濃度積分Ic為 Ic=VW /F0 ………(9)。
在圖3所示的球SAW波感測器與第二實施例的校正系統連接的條件下，飽和水蒸氣被注入到校正系統中。使用質量流量控制器將背景氣體的流量更改為5、10、20、50和100 mL/min。圖14A示出了根據球SAW感測器的輸出響應計算出的濕度濃度的時間變化。每個輸出響應在偏移2000 ppmv後被製圖。由室溫下23℃的飽和水蒸氣壓計算出注入的校正氣體的濕度濃度為CW =28100 ppmv。
當氣體流量為10 mL/min時，總濕度含量從等式(7)為0.0281 mL。式中的濃度積分Ic的理論值從等式(9)開始為2810ppm min。2810 ppm min的值幾乎等於由等式(8)從響應曲線獲得的Ic=2694 ppm min。圖14B示出了在每種流量下進行類似測量的結果。用空心圓表示的所有流量下的測量值幾乎與實線表示的理論值一致。因此，示出了根據第二實施例的校正系統的操作遵循理論預測。
因此，可以執行與根據第一實施例的動態校正方法類似的用於校正濕度感測器的方法。即，第二實施例的動態校正方法包括以下步驟：在將已知濃度的水蒸氣注入到校正系統的分析儀中之後，參考資料獲得LCKT 345獲得表示濕度濃度的時間變化的參考資料。並且，根據第二實施例的動態校正方法包括以下步驟：受試者資料獲得LCKT 346測量指示被測的該分析儀的受試者感測器元件的響應的時間變化的受試者資料，在獲得參考資料的相同條件下獲得受試者資料。
此外，根據第二實施例的動態校正方法包括以下步驟：關係計算LCKT 347以相同的持續時間來獲取參考資料，將受試者資料與參考資料進行比較，該持續時間從注入具有已知濃度的水蒸氣的時刻被測量。此外，根據第二實施例的動態校正方法包括以下步驟：關係計算LCKT 347計算受試者感測器元件的響應與已知濃度之間的關係。
根據第二實施例的動態校正方法，其有效性使得可以實現短至十分鐘的測量時間，而與示例性示例有關的靜態校正需要十小時。因此，可以將動態校正方法應用於現場校正。此外，由於根據第二實施例的動態校正方法使用飽和水蒸氣作為校正氣體，因此容易在現場進行高精度校正氣體的製備而無需詳細控制。
根據第二實施例的校正程式，其有效性使得可以實現短至十分鐘的測量時間，而與示例性示例有關的靜態校正需要十小時。因此，可以將校正程式應用於現場校正。而且，在沒有詳細控制的情況下很容易在現場製備高精度校正氣體。
動態校正方法可以由處理單元341藉由與第二實施例有關的校正程式來執行，該校正程式與與第一實施例有關的校正程式基本相同。因此，省略了校正程式的重複說明。並且，用於執行動態校正方法的一系列指令應儲存在非暫態計算機可讀儲存媒體中。
-其他實施例- 在接受本公開的教導之後，對於本領域技術人員而言，各種不脫離其範圍的修改將變得可能。本發明不僅可以應用於使用球SAW感測器的濕度分析儀的現場校正，而且可以應用於其他濕度分析儀的現場校正。它也對應用於使用沒有適用校正系統的特殊氣體的處理之濕度分析儀的校正方法有效。
而且，關於第一和第二實施例的校正方法不僅可以容易地應用於濕度分析儀，而且可以容易地應用於其他氣體如乙醇、酸和醛的分析儀。
這樣，本發明固有地包括各種實施例，在此不再描述。因此，根據上述說明，本發明的技術範圍僅由申請專利範圍來限定。
31:注入器 32:入口 33:流量計 34:分析儀 35:濕度感測器 36:水蒸氣產生器 41:第一閥 42:第三閥 43:第二閥 44a:第一管道 44b:第二管道 44c:第三管道 44e:第一分支管 44f:第二分支管 45a:第一管道 45b:第二管道 45c:第三管道 341:處理單元 342:參考資料記憶體 343:受試者資料記憶體 345:參考資料獲得邏輯電路 346:受試者資料獲得邏輯電路 347:關係計算邏輯電路 348a:資料匯流排 348b:資料匯流排 349:輸出單元
[圖1A]圖1A是本發明的第一實施例的動態校正系統的概念圖。 [圖1B]圖1B是用於圖1A所示的動態校正系統的飽和水蒸氣產生器的概念圖； [圖1C]圖1C是實現圖1A所示的動態校正系統的處理單元的邏輯結構的示例； [圖2]圖2是示出第一實施例的動態校正方法的處理流程的流程圖的例子； [圖3]圖3是球SAW感測器的例子的示意圖； [圖4]圖4是示出示例性例子的靜態校正系統的概要的示意圖； [圖5]圖5是表示使用與說明例有關的靜態校正系統使濕度濃度逐步變化時的感測器響應的例子的圖。 [圖6A]圖6A是示出作為示例的靜態校正系統獲得的，作為球SAW感測器的衰減α[GREEK]的輸出響應與等效於霜點(frost point；FP)的濕度濃度之間的關係的圖。 [圖6B]圖6B是表示低濃度範圍內的衰減α與FP之間的關係的圖。 [圖7]圖7是表示用於飽和水蒸氣產生器的氣袋和作為注射器的氣密注射器的照片。 [圖8A]圖8A是表示藉由球SAW痕量濕度分析儀測定的FP的時間變化的圖。 [圖8B]圖8B是將圖8A中的時間範圍從15秒擴大到20秒的圖； [圖9A]圖9A是示出在注入飽和水蒸氣之後SAW的衰減的時間變化的圖； [圖9B]圖9B是示出參考資料的圖，該參考資料示出使用藉由靜態校正確定的校正曲線計算出的FP的時間變化； [圖10A]圖10A是示出受試者感測器元件的參考資料和輸出響應的圖； [圖10B]圖10B是表示高濃度範圍中的衰減α與FP之間的關係的圖； [圖10C]圖10C是表示低濃度範圍中的衰減α與FP之間的關係的圖； [圖11]圖11是表示藉由第一實施例的動態校正方法和說明例的靜態校正方法得到的校正曲線的圖； [圖12]圖12是示出了使用根據第一實施例的動態校正方法確定的設定FP和測量FP之間的關係以及藉由根據示例性示例的靜態校正方法獲得的較早校正曲線的圖； [圖13]圖13是本發明的第二實施例的校正系統的概念圖； [圖14A]圖14A是表示藉由注入第二實施例的校正系統得到的飽和水蒸氣而引起的濕度濃度的時間變化的圖；和； [圖14B]圖14B是示出藉由第二實施例的校正系統得到的背景氣體的積分濃度與流量之間的關係的圖。
35:濕度感測器
341:處理單元
342:參考資料記憶體
343:受試者資料記憶體
344:控制電路
345:參考資料獲得邏輯電路
346:受試者資料獲得邏輯電路
347:關係計算邏輯電路
348a:資料匯流排
348b:資料匯流排
349:輸出單元

Claims (7)

  1. 一種用於校正濕度感測器之系統，包含處理單元，該處理單元包括：邏輯電路，被配置以在將具有已知濃度的水蒸氣注入到分析儀中之後，獲得指示濕度濃度的時間變化的參考資料；邏輯電路，被配置以測量指示被測的該分析儀的受試者感測器元件在多個測量時間的輸出響應的複數個值的受試者資料，該受試者資料在與獲得該參考資料相同的條件下被獲得；以及邏輯電路，被配置以用與獲得該考資料相同的持續時間來比較在該多個測量時間的該受試者資料與該參考資料，該持續時間從具有該已知濃度的該水蒸氣被注入的時刻被測量，用於計算該受試者感測器元件的該輸出響應和該已知濃度之間的關係。
  2. 根據請求項1之系統，更包含：注入器，被配置以注入恆定體積的該校正氣體；入口，被配置以接收該注入器的尖端；流量計，被配置以控制背景氣體的流量；濕度感測器，被配置以接受該受試者感測器元件，該濕度感測器的輸出被連接至該處理單元；第一管道，用於將該背景氣體引入至該流量計；第二管道，將該流量計與該入口連接，被配置以使該背景氣體以該流量計控制的流量流動；以及 第三管道，將該入口與該濕度感測器連接，該第三管道被配置以將該背景氣體和該校正氣體引入該濕度感測器。
  3. 根據請求項2之系統，更包含：飽和水蒸氣產生器，被配置以產生校正氣體，其被該背景氣體中的水蒸氣飽和，其中，在當該尖端被插入該入口的時刻之前，該注入器的該尖端被插入該飽和水蒸氣產生器，以便以該恆定的體積採樣該校正氣體。
  4. 根據請求項3之系統，其中該受試者感測器元件是球表面聲波(Surface acoustic wave；SAW)感測器。
  5. 一種用於校正濕度感測器之方法，包括：在將具有已知濃度的水蒸氣注入到校正系統的分析儀中之後，獲得指示濕度濃度的時間變化的參考資料；測量指示被測的該分析儀的受試者感測器元件在多個測量時間的輸出響應的複數個值的受試者資料，該受試者資料在與獲得該參考資料相同的條件下被獲得；用與獲得該參考資料相同的持續時間來比較在該多個測量時間的該受試者資料與該參考資料，該持續時間從具有該已知濃度的該水蒸氣被注入的時刻被測量；以及計算該受試者感測器元件的該輸出響應和該已知濃度之間的關係。
  6. 根據請求項5之方法，還包括：將該注入器的尖端插入飽和水蒸氣產生器中，以便以恆定的體積採樣校正氣體；和將該注入器的該尖端插入被配置以將該校正氣體引入至該受試者感測器元件之該系統的入口。
  7. 一種非暫態計算機可讀儲存媒體，其儲存用於校正濕度感測器的系統的校正程式，該校正程式使該系統中的處理單元藉由用於執行校正的一系列指令來執行用於校正的處理，包含：在將具有已知濃度的水蒸氣注入到校正系統的分析儀中之後，獲得指示濕度濃度的時間變化的參考資料；測量指示被測的該分析儀的受試者感測器元件在多個測量時間的的輸出響應的複數個值的受試者資料，該受試者資料在與獲得該參考資料相同的條件下被獲得；用與獲得該參考資料相同的持續時間來比較在該多個測量時間的該受試者資料與該參考資料，該持續時間從具有該已知濃度的該水蒸氣被注入的時刻被測量；以及計算該受試者感測器元件的該輸出響應和該已知濃度之間的關係。
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