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探讨半导体式气体检测仪湿度补偿校正装置

编辑:永利电玩城????来源:未知????发布时间:2020-03-24 09:23????浏览量:
1背景
随着经济的发展,可燃气体检测仪(以下简称检测仪)应用越来越广泛,从民用厨房燃气报警到化工石油铸造电子等行业安全生产都需要可燃气体探测器保驾护航。按工作原理来分,目前市场上使用最多的检测仪是催化燃烧式检测仪,其次为半导体检测仪。催化燃烧式检测仪在气体选择性、稳定性、响应线性和使用寿命上具有一定的优势,而半导体式检测仪具有制造成本低、响应时间快、灵敏度高的优点,尤其是检测低浓度可燃气体[1]。但是由于半导体检测仪线性较差,受温湿度影响较大,所以适用范围受约束。在计量半导体气体检测仪时,由于其局限性,很难测量出具有线性的示值,也就难以满足客户按照JJG693—2011出具合格的永利电玩城官方网站报告。
 半导体气体传感器的组成
影响半导体气体检测仪的性能除半导体材料本身外,气体含氧量、湿度、气体流速、温度的影响也不容忽略。半导体气体传感器主要有四部分组成如图1所示,从上到下分别为半导体材料、叉指电极、绝缘层、加热电极及底座,在半导体材料表面,被测气体与氧气和水分子发生氧化还原反应,释放或吸取电子从而改变半导体材料的电阻值,通过叉指电极将电流信号传输到信号处理模块,模拟出气体浓度值[3]。在气体检测仪校准工作中,忽略表1中的影响因素,可能导致计量结果的偏差。目前市场上的气体检测仪大多进行了温度补偿,尤其是半导体气体检测仪,但是湿度补偿却较少,一是因为厂家搭建湿度补偿装置成本较高,二是很难控制气体湿度,而被忽略的气体自身湿度却是造成半导体气体传感器线性较差的重要原因[4]。因此研究不同湿度气体条件下半导体气体检测仪的测量结果,并对结果进行分析,通过实验结果可拟出湿度补偿曲线,为提高半导体气体检测仪的线性提供参考。
 
2气体检测仪湿度补偿校正装置
2.1配气系统
按照JJG693—2011,采用动态配气系统MF-5B,配制空气中甲烷100μmol/mol标准气体,稀释气为干燥高纯空气(氧气浓度20.9%),被稀释气为空气中甲烷1000μmol/mol标准气体,所配标气相对扩展不确定度Urel=0.91%,k=2。配气系统输出的标准气体直接充入储气袋内,储气袋为新考思莫施生产的可交换湿度储气袋,容量为20L。
 
2.2气体检测仪湿度补偿校正装置
标准气体收集在新考思莫施生产的可交换湿度储气袋内,该储气袋内能够使袋内外水分子进行交换至平衡,储气袋材质采用选择透过性薄膜,气袋内外湿度交换3小时后能够达到所需要的湿度,由恒定流量抽气泵(流量为250ml/min)将标气抽出输送到检测仪传感器上,储气袋及检测仪均放在高低温湿热试验箱内(型号KHLSDJ41F),通过控制湿热试验箱湿度控制标准气体的湿度,设计图如图2所示。
 气体检测仪湿度补偿校正装置设计图
2.3操作过程
首先将配气系统输出流量设置为1L/min,配气系统开启后,待流量稳定5min后,计时向储气袋内冲入10min即10L标准气体(100μmol/mol空气中甲烷)。储气袋只充10L标气,有利于袋内外气体湿度快速交换,又能满足供气充足。按照图2连接气袋-泵-检测仪,检测仪为24V直流供电,泵为电池供电,湿度交换稳定后再开启,连接后放入湿热试验箱内,选择温度为25℃±2℃,60%±2%湿度条件作为基准点环境,校正检测仪零点和100μmol/mol甲烷标准点。
 
3实验结果
配制的100μmol/mol甲烷气体经过3小时湿度交换以后,控制温度均为恒温25℃±2℃,分别控制相对湿度为20%±2%、40%±2%、60%±2%、80%±2%、90%±2%,测试三种型号的半导体可燃气体检测仪,测试前将传感器固定在相同的防尘罩内,检测仪测量范围0~1000μmol/mol。型号A、B、C三种仪器首先在温度为25℃±2℃,60%±2%湿度条件下校正仪器零点和100μmol/mol标准点。在每个湿度点,检测仪通入100μmol/mol空气中甲烷,测量3次,取其平均值为测量值。在不同湿度下检测仪甲烷的浓度值(μmol/mol)见表2,其曲线图见图3。
 不同湿度下监测仪甲烷浓度值
从图3可以看出,湿度从20%~60%,浓度值整体呈上升趋势,但上升趋势不大,按照JJG693—2011可燃气体检定规程要求,型号C检测仪在湿度为20%时浓度值最小为87μmol/mol,其示值误差为-1.3%FS(不大于±5%FS);湿度从60%~90%区间内,甲烷浓度值变化较大,下降趋势明显,型号A检测仪在湿度为90%时浓度值最小为54μmol/mol,其示值误差为-4.6%FS(不大于±5%FS),虽然在不同湿度下都满足检定规程要求,但是在高湿度环境下,示值误差较大。究其原因,主要因为半导体气体传感器氧化还原反应中需要水分子参与,水分子过少影响电子转移速率,灵敏度降低,水分子过多,覆盖在半导体表面,阻止气体参与反应,也使得灵敏度降低[5],从此次试验研究可以看出,低湿度环境气体对检测仪灵敏度影响较小(示值误差最大为-1.3%FS),而高湿度环境气体对检测仪灵敏度影响较大(示值误差最大为-4.6%FS)。根据图4的数据,可以将检测仪在湿度60%以后,分多段计算补偿系数,输入补偿曲线,减少高湿度条件下的示值误差。
 
4结束语
气体检测仪湿度补偿校正装置通过控制标准气体湿度,同时也给与检测仪相同环境湿度,能够正真模拟检测仪实际现场环境,为检测仪提供湿度补偿曲线,优化气体检测仪在不同湿度条件下的线性。该装置还可用于光学分析原理和催化燃烧式气体检测仪的湿度补偿校正。

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