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CN105866331A - 一种动态、静态配气两用的气体传感器测试系统 - Google Patents

一种动态、静态配气两用的气体传感器测试系统 Download PDF

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CN105866331A
CN105866331A CN201610184150.1A CN201610184150A CN105866331A CN 105866331 A CN105866331 A CN 105866331A CN 201610184150 A CN201610184150 A CN 201610184150A CN 105866331 A CN105866331 A CN 105866331A
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CN
China
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gas
test
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dynamic
sensor
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CN201610184150.1A
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Inventor
郑雁公
陈志芸
简家文
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Ningbo University
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Ningbo University
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Abstract

本发明涉及一种动态、静态配气两用的气体传感器测试系统，属于气敏传感器测试技术领域。该系统包括：测试腔体，测试腔体主体为不锈钢腔体；密封舱口，其有两个且分别设置于测试腔体两端，且每个密封舱口匹配设置有密封舱门；进气管道，设置于其中一密封舱口上；出气管道，设置于另一密封舱口上；温湿度传感器，其设置于测试腔体内；液体注射窗口，设置于安装有出气管道的密封舱门上，用于向测试腔体内部注射液体；加热平台，设置于测试腔体内，液体注射窗口与加热平台相配合，用于对注射进来的液体进行加热，使之汽化。该系统可以实现动态气体环境和静态气体环境的模拟，实现对气体传感器在不同气体环境中的性能标定和测试。

Description

一种动态、静态配气两用的气体传感器测试系统
技术领域
本发明涉及一种对动态气体或静态液体蒸汽下两用的气体传感器响应性能测试系统，属于气敏传感器测试技术领域。
背景技术
随着工业的发展，带来了SO2，NOx等环境污染问题，以及CO，CH4，H2S等常用燃料因泄漏引发的中毒，爆炸等灾害性问题，在对这些问题解决中，需采用气体传感器对这些气体进行检测和监控。为了标定气体传感器的气敏特性及其影响因素，研制一套可以采用不同方式并在多种环境参数下气体传感器测试系统具有重要意义。
气体传感器测试系统主要由气体配置部分和性能测试部分所构成。根据气体的测试方式又分为静态测试和动态测试。静态测试通常是指在密闭的气态环境中导入一定浓度的待测气体或有机蒸汽，主要用于环境气体传感器的气体环境模拟，如中国专利申请文件(公开号：CN104155416A)公开的一种可控湿度的静态气敏测试装置及方法以及中国专利(公开号：CN201289490Y)公开的一种气敏特性静态测试系统测试室密封装置，均是静态测试装置。
动态测试是指由气瓶将待测气体通过管道，在一定压力条件下吹入测试腔内，其中气体浓度由质量流量计通过调节各气体的流量进行控制，该系统有利于对流动的气体成份进行测试，如中国专利申请文件(公开号CN102495110A)公开的一种气体传感器测试系统以及(公开号：CN105021777A)公开的一种多功能气体传感器测试系统。
目前所研制的气体传感器测试系统都只是单一的采用动态或静态气敏测试方法，但是在气体传感器研制过程中，需要根据应用情况模拟不同的气体环境，包括相对静态的气体和流动的气体环境，这些环境因素都会最终影响对气体传感器性能的标定。因此设计一种可以同时在动态和静态气体环境下对传感器进行测试的系统，对气敏传感器的实验和检测都具有十分重要的意义。
发明内容
本发明的目的是针对现有的技术存在上述问题，提供了一种可以在不同的气体环境中对传感器进行测试的两用的气体传感器测试系统。
本发明的目的可通过下列技术方案来实现：一种动态、静态配气两用的气体传感器测试系统，包括
测试腔体，所述的测试腔体主体为内部抛光处理的不锈钢腔体；
密封舱口，其有两个且分别设置于测试腔体两端，且每个密封舱口匹配设置有密封舱门；
进气管道，其设置于其中一密封舱口上；
出气管道，其设置于另一密封舱口上；
温湿度传感器，其设置于测试腔体内，且用于监测腔体内部环境温度和湿度；
液体注射窗口，其设置于安装有出气管道的密封舱门上，且用于向测试腔体内部注射液体；
加热平台，其设置于测试腔体内，液体注射窗口与加热平台相配合，用于对注射进来的液体进行加热，使之汽化。
在上述动态、静态配气两用的气体传感器测试系统中，作为优选，所述的测试腔体内还设有传感器底座，用于放置和固定温湿度传感器。
在上述动、静配气两用的气体传感器测试系统中，作为优选，所述的测试腔体上还安装有压力表，用于显示测试腔体内压力情况。
在上述动态、静态配气两用的气体传感器测试系统中，作为优选，所述的测试腔体还安装有密封的航空接头，用于连接测试腔体内部的器件和外部的采集仪器与激励电源。
在上述动态、静态配气两用的气体传感器测试系统中，作为优选，动，静进气管道和出气管道上均设有截止阀；
且静态进气管道上设有干燥管，干燥管内装有干燥剂，用于干燥进入测试腔体的气体；
出气管道上设有真空泵，用于更换测试腔内气体。
在上述动态、静态配气两用的气体传感器测试系统中，作为优选，所述的密封舱门主体由法兰盘构成，舱门内侧设有密封槽，所述的密封槽内装有密封圈。
在上述动态、静态配气两用的气体传感器测试系统中，作为优选，所述测试腔体的上还安装有观察窗口，用于观察测试腔体内部情况。进一步优选，所述的观察窗口为280mm*190mm的长方形石英玻璃法兰，位于测试腔体的上端。
在上述动态、静态配气两用的气体传感器测试系统中，作为优选，所述的液体注射窗口上设有可密封的液体注射小孔，通过液体注射小孔使用微量进样器向测试腔体内注射液体。进一步优选，所述的液体注射窗口是直接为130mm的圆形石英玻璃法兰，位于靠近出气管道的密封舱门。
在上述动态、静态配气两用的气体传感器测试系统中，作为优选，所述的加热平台包括平台，平台内插有加热电阻，加热电阻通过导线与航空接头和外部激励电源连接，通过电压调节加热电阻温度，加热区间从室温到300℃任意调节，平台高度和液体注射窗口上的液体注射小孔中心等高。
在上述动态、静态配气两用的气体传感器测试系统中，所述的动、静态配气两用的气体传感器测试系统还包括动态气体供给单元，动态气体供给单元向测试腔体供气，动态气体供给单元具包括：
用于提供待测气体和载气的气体钢瓶；
用于控制气体钢瓶中的气体进入管路的减压阀；
用于控制气体流量的质量流量计，由计算机通过相应的软件及通讯接口控制质量流量计改变各管路中的气体流量比例，来控制混合后气体的浓度；
用于控制各管路通断的截止阀；
以及用于依次连接气体钢瓶、减压阀、质量流量计、截止阀与测试腔体的气管。
在上述动态、静态配气两用的气体传感器测试系统中，所述的动、静态配气两用的气体传感器测试系统还包括测试单元，测试单元包括数据采集器，数据采集器的数据信号输入端通过航空接头与传感器底座相连，进而与传感器相连，而输出端与计算机的数据信号输入端连接，由计算机完成数据的自动化采集与处理。
本发明传感器测试系统中的动态气体供给单元用于为测试腔体提供浓度可供、流速稳定的待测气体及载气，并保证可以在不同气体之间快速切换。
所述的测试腔体用于固定、连接传感器，为气体传感器的测量提供具有一定体积稳定的气体模拟环境，其中测试腔体由内部抛光的不锈钢腔体构成，减少气体内部吸附，并采用真空泵对测试腔体进行抽真空换气，避免了静态测试中气体的累积，有利于实现低浓度气体的静态测试；进气管道上装有干燥管，在静态测试操作过程中，可以对进入测试腔的空气进行脱水干燥，有效的解决了静态测试下空气湿度不可控的问题。
所述的测试单元，为气体传感器提供激励电源，采集并处理传感器输出的电信号。通过LabVIEW软件控制质量流量计和采集传感器的测试数据，在动态测试情况下，可以控制气体浓度自动快速切换。同时，也使传感器的测试数据直观的反应在电脑显示界面上，有利于对测试结果的观察和分析。
因此，本发明的测试系统可以实现动态气体环境和静态气体环境的模拟，实现对气体传感器在不同气体环境中的性能标定和测试。
附图说明
图1是本发明动态、静态配气两用的气体传感器测试系统的示意图。
图2是本发明测试系统中测试腔体的立体图。
图3是本发明测试系统中测试腔体另一视角的立体图。
附图标记说明：
1、测试腔体；2、密封舱口；3、进气管道；4、出气管道；5、温湿度传感器；6、液体注射窗口；7、加热平台；8、压力表；9航空接头；10、截止阀；11、干燥管；12、真空泵；13、观察窗口；14、激励电源；15、气体钢瓶；16、减压阀；17、质量流量计；18、数据采集器；19、计算机；20、传感器底座；21、气管；22、三柄把手；23、液体注射小孔。
具体实施方式
以下是本发明的具体实施例并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。
如图1、图2和图3所示，一种动态、静态配气两用的气体传感器测试系统，包括
测试腔体1，所述的测试腔体主体为不锈钢腔体，内部进行抛光处理，减少气体内部吸附；
密封舱口2，其有两个且分别设置于测试腔体1两端，且每个密封舱口匹配设置有密封舱门；
静态进气管道3，其设置于其中一密封舱口2上；
出气管道4，其设置于另一密封舱口2上；
温湿度传感器5，其设置于测试腔体1内，且用于监测腔体内部环境温度和湿度；
液体注射窗口6，其设置于安装有出气管道3的密封舱门上，且用于向测试腔体1内部注射液体；
加热平台7，其设置于测试腔体1内，液体注射窗口6与加热平台7相配合，用于对注射进来的液体进行加热，使之汽化。所述的加热平台7包括平台，平台内插有加热电阻，加热电阻通过导线与航空接头9和外部激励电源14连接，通过电压调节加热电阻温度，加热区间从室温到300℃任意调节，平台高度和液体注射窗口上的液体注射小孔23的中心等高。
所述的测试腔体用于固定、连接传感器，为温湿度传感器的测量提供具有一定体积稳定的气体模拟环境。
作为优选，所述的测试腔体内还设有传感器底座20，用于放置和固定温湿度传感器。进一步优选，所述的传感器底座20为焊有传感器底座阵列的PCB板。
作为优选，所述的测试腔体1上还安装有压力表8，用于显示测试腔体1内压力情况。
作为优选，所述的测试腔体还安装有航空接头9，所述的测试腔体还安装有密封的航空接头，用于连接测试腔体1内部的器件和外部的采集仪器与激励电源14。
作为优选，进气管道3和出气管道4上均设有截止阀10；
且进气管道3上设有干燥管11，干燥管内装有干燥剂，用于干燥进入测试腔体1的气体；
出气管道4上设有真空泵12，用于更换测试腔内气体。
在进气管道上设置的干燥管，在静态测试操作过程中，可以对进入测试腔的空气进行脱水干燥，有效的解决了静态测试下空气湿度不可控的问题。出气管道上设置的真空泵对测试腔体进行抽真空换气，避免了静态测试中气体的累积，有利于实现低浓度气体的静态测试。
作为优选，所述的密封舱门主体由法兰盘构成，舱门内侧设有密封槽，所述的密封槽内装有密封圈。通过三柄把手22左右旋转来关闭和打开密封舱门。
作为优选，所述测试腔体的上还安装有观察窗口13，用于观察测试腔体内部情况。进一步优选，所述的观察窗口为280mm*190mm的长方形石英玻璃法兰，位于测试腔体1的上端。
作为优选，所述的液体注射窗口6上设有可密封的液体注射小孔23，通过液体注射小孔使用微量进样器向测试腔体内注射液体。进一步优选，所述的液体注射窗口是直接为130mm的圆形石英玻璃法兰，位于靠近出气管道的密封舱门。
在上述动态、静态配气两用的气体传感器测试系统中，所述的两用的气体传感器测试系统还包括动态气体供给单元，动态气体供给单元向测试腔体供气，动态气体供给单元包括：
用于提供待测气体和载气的气体钢瓶15；
用于控制气体钢瓶中的气体进入管路的减压阀16；
用于控制气体流量的质量流量计17，由计算机19通过相应的软件及通讯接口来控制质量流量计17改变各管路中的气体流量比例，控制混合后气体的浓度；
用于控制各管路通断的截止阀10；
以及用于依次连接气体钢瓶15、减压阀16、质量流量计17、截止阀10与测试腔体1的气管21。
动态气体供给单元用于为测试腔体提供浓度可控、流速稳定的待测气体及载气，并保证可以在不同气体之间快速切换。
在上述动态、静态配气两用的气体传感器测试系统中，所述的两用的气体传感器测试系统还包括测试单元，测试单元包括数据采集器18，数据采集器18的数据信号输入端通过航空接头9与传感器底座20相连，进而与气体传感器相连，而输出端与计算机19的数据信号输入端连接，由计算机19完成数据的自动化采集与处理。
通过LabVIEW软件控制质量流量计和采集传感器的测试数据，在动态测试情况下，可以控制气体浓度自动快速切换。同时，也使传感器的测试数据直观的反应在电脑显示界面上，有利于对测试结果的观察和分析。
实施例1
本发明动态、静态两用的气体测试系统在静态液体蒸汽下的测试。
静态混合气体配气实现方式如下：
根据气体状态方程PV＝nRT (1)
其中P为气体压强，V为气体体积，n为气体分子的摩尔数，R为气体常数，T为气体温度。对于一定浓度的气体体积为：
V＝Cppm×VC (2)
其中Cppm为气体浓度，VC为测试腔的体积。
对于有机液体，其体积VC和摩尔数n之间的关系为：
VL＝m/ρ＝nM/ρ (3)
其中M为分子量，ρ为有机液体质量密度，m为有机液体的质量。
因此得到有机液体体积VC和其气化后的浓度Cppm之间的关系式为：
VL＝P Cppm VCM/ρRT (4)
根据静态测试的实际情况，在本实施例中，气体压强P取101kPa，R为8.031，温度T为298.15K，测试腔体积为73.4L。以测试乙醇气体为例，乙醇的分子量M为46，无水乙醇液体的质量密度为0.791g/cm3
根据公式，可以得到目标气体不同浓度下，所需注射进测试腔的液体体积，乙醇气体浓度及其对应的液体体积如下表1所示：
表1本实施例中乙醇气体浓度Cppm和其对应的液体体积VL
气体浓度Cppm 乙醇液体体积VL
1ppm 0.175μL
2ppm 0.350μL
3ppm 0.525μL
4ppm 0.700μL
5ppm 0.875μL
6ppm 1.050μL
将待测的气体传感器安装在测试腔体内的传感器底座20上，其输出信号通过导线和测试腔体1上的航空接头9引出连接到外面的数据采集器18，而数据采集器18的数据输出端和计算机19的数据信号输入端连接，由计算机19完成数据的采集和存储。
将测试腔1两端的密封舱门旋紧，使其密封关闭，并关闭出气管道4和进气管道3上的截止阀10，并且将连接干燥管11的三通阀转向空气端。通过激励电源14给加热平台7提供10V电压，使其加热到100℃以上。激励电源14同时给安装在传感器底座20上的气体传感器提供一定的加热电压，使其达到一定工作温度。
通过电脑上LabVIEW软件观察传感器信号的变化，当传感器电阻平稳后，根据公式计算达到目标气体浓度所需的液体体积，用微量进样器抽取一定量体积的液体，通过液体注射窗口6上的小孔，将液体注射到加热平台7上，使注入的液体快速蒸发气化，并在测试腔体1内扩散混合。在液体注射过程中，由测试单元记录和观察传感器的信号变化。
当传感器目标气体浓度测试完成后，需要对测试腔体1内气体进行更换。同时打开进气管道3上的截止阀10和出气管道4上的截止阀10，打开真空泵12快速更换测试腔体1内的气体，使空气经过进气管道3和干燥管11充满测试腔体1。
如此交替，即可完成气体传感器在静态环境下对目标气体的性能测试。
实施例2
本发明动态、静态两用的气体传感器在动态气体下的测试。
将待测的气体传感器安装在测试腔体内的传感器底座20上，其输出信号通过导线和测试腔体1上的航空接头9引出连接到外面的数据采集器18，而数据采集器18的数据输出端和计算机19的数据信号输入端连接，由计算机19完成数据的采集和存储。
将测试腔1两端的密封舱门通过三柄把手22旋紧，使其密封关闭，并关闭进气管道3上的截止阀10，打开出气管道4上的截止阀10。打开动态气体供给单元中的截止阀10，同时打开动态气体供给单元中的减压阀16并调节压力，使气体钢瓶15中的气体以一定压力通入气管中。通过激励电源14给安装在传感器底座20上的气体传感器提供一定的加热电压，使其达到一定工作温度。
由计算机19通过LabVIEW软件设置质量流量计17上的控制电压，自动控制质量流量计17达到改变各个气管中的气体流量，配比通入测试腔体1内的气体浓度，流过测试腔体后并由出气管道4流出。在测试腔体1内形成流动的气体环境。在测试过程中，记录与观察方法与上述静态测试方法相似，最后由测试单元记录和观察传感器的信号变化。
如此，即可完成传感器在动态气体环境下的性能测试。
本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种动态、静态配气两用的气体传感器测试系统，包括测试腔体，所述的测试腔体主体为不锈钢腔体；
密封舱口，其有两个且分别设置于测试腔体两端，且每个密封舱口匹配设置有密封舱门；
进气管道，其设置于其中一密封舱口上；
出气管道，其设置于另一密封舱口上；
温湿度传感器，其设置于测试腔体内，且用于监测腔体内部环境温度和湿度；
液体注射窗口，其设置于安装有出气管道的密封舱门上，且用于向测试腔体内部注射液体；
加热平台，其设置于测试腔体内，液体注射窗口与加热平台相配合，用于对注射进来的液体进行加热，使之汽化。
2.根据权利要求1所述的动态、静态配气两用的气体传感器测试系统，其特征在于，所述的测试腔体内还设有传感器底座，用于放置和固定温湿度传感器。
3.根据权利要求1所述的动态、静态配气两用的气体传感器测试系统，其特征在于，所述的测试腔体上还安装有压力表，用于显示测试腔体内压力情况。
4.根据权利要求3所述的动态、静态配气两用的气体传感器测试系统，其特征在于，所述的测试腔体还安装有航空接头，用于连接测试腔体内部的器件和外部的采集仪器及电源。
5.根据权利要求4所述的动态、静态配气两用的气体传感器测试系统，其特征在于，动、静态进气管道和出气管道上均设有截止阀；
且静态进气管道上设有干燥管，干燥管内装有干燥剂，用于干燥进入测试腔体的气体；
出气管道上设有真空泵，用于更换测试腔内气体。
6.根据权利要求5所述的动态、静态配气两用的气体传感器测试系统，其特征在于，所述的密封舱门主体由法兰盘构成，舱门内侧设有密封槽，所述的密封槽内装有密封圈。
7.根据权利要求6所述的动态、静态配气两用的气体传感器测试系统，其特征在于，所述测试腔体的上还安装有观察窗口，用于观察测试腔体内部情况；所述的液体注射窗口上设有液体注射小孔，通过液体注射小孔向测试腔体内注射液体。
8.根据权利要求7所述的动态、静态配气两用的气体传感器测试系统，其特征在于，所述的加热平台包括平台，平台内插有加热电阻，加热电阻通过导线与航空接头和外部激励电源连接，通过电压调节加热电阻温度，加热区间从室温到300℃任意调节，平台高度和液体注射窗口上的液体注射小孔中心等高。
9.根据权利要求1所述的动态、静态配气两用的气体传感器测试系统，其特征在于，所述的动、静态配气两用的气体传感器测试系统还包括动态气体供给单元，动态气体供给单元向测试腔体供气，动态气体供给单元具包括：
用于提供待测气体和载气的气体钢瓶；
用于控制气体钢瓶中的气体进入管路的减压阀；
用于控制气体流量的质量流量计，由计算机通过相应的软件及通讯接口来控制质量流量计改变各管路中的气体流量比例，控制混合后气体的浓度；
用于控制各管路通断的截止阀；
以及用于依次连接气体钢瓶、减压阀、质量流量计、截止阀与测试腔体的气管。
10.根据权利要求9所述的动态、静态配气两用的气体传感器测试系统，其特征在于，所述的两用的气体传感器测试系统还包括测试单元，测试单元包括数据采集器，数据采集器的数据信号输入端通过航空接头与传感器底座相连，进而与传感器相连，输出端与计算机的数据信号输入端连接，由计算机完成数据的自动化采集与处理。
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