气体传感器标定系统

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技术领域\n本发明涉及标定气体传感器的系统以确保传感器提供准确的读 出，所述的气体传感器用在检测或者分析潜在危险环境的检测仪器和 气体分析仪(本说明书中术语“检测器”用于涵盖这两种类型的设备) 中。\n背景技术\n公知便携式气体检测器含有电化学气体传感器用于监测潜在的 危险环境，例如矿井、隧道、下水道及其它封闭的环境。这种检测器 一般是在其中气体通过扩散从环境进入与检测器内的传感器发生接触 的类型。检测器内的电子电路把每个传感器发出的输出信号转换成受 检测的气体量的读数。单位气体量的传感器输出可以随着时间变化， 并且因此需要周期地标定以保证检测器读出准确。安全规程要求在每 次把检测器带到潜在危险的环境中的场合测试检测器内的传感器并且 按照制造厂商的提议进行标定，并且这确实是良好的商业行为，但是 往往出于成本和时间的原因不被遵守。\n当前，通过从压缩气瓶以预定的流速经过通向夹持在检测器上的 罩上的不加紧固的管路，流过已知的固定成分的标定气体，标定这种 检测器内的传感器。进入检测器的标定气体取代检测器内的环境空气， 使传感器所暴露的环境完全由标定气体组成。过量的标定气体流出所 述的罩并且排放到大气中从而该操作过程浪费昂贵的标定气体。另外 标定需要的气体可能是危险的，并且如果相当的量被排出，标定应当 在受控制的环境中进行。典型地使用约0.5升/分钟的高流速，因为低 流速易于产生气流造成的误差从而不正确地设定控制气流的阀。\n让标定气体流动直到传感器的输出达到稳态。因为标定气体具有 已知的成份，可以对检测器内的、把每个传感器的输出信号转换成检 测的气体量的读数的电路的增益进行调节，以提供正确的读数。\n公知的标定操作过程不是直接的，并且正确地设定阀以达到正确 的气体流速和调节检测器中的设定是需要训练的技术工作，因此迄今 都只是周期性地，典型地每3至6个月通过把检测器送到原生产厂商 或者指定的维修代理进行标定。这要求保持库存备用的检测器，或者 高价地请人现场进行标定。出于这些原因标定成本高昂并且因此往往 不象规程所要求地那样经常进行。\n美国专利申请US-A-2554153说明了一种自动气体传感器标定设 备，所述的设备把传感器暴露于两个不同浓度的气体进行标定。如果 气体源中检测出错误，就提早终止标定以节省标定的时间。所述的标 定设备按照设备预设的规范完全地控制标定测量并且把测量的标定值 储存在设备的存储器内。\n美国专利申请US-A-5655847说明了一种气体传感器标定系统， 其中用泵把气体抽进标定系统，在此用活塞-汽缸装置计量出标定气 体。\n本发明提出另一种，较快速并且更高成本效率的标定气体传感器 的方法，该方法可以以最少的训练快速地在现场进行。这使之实际地 和经济地适用于进行危险环境的人员在每次他们要进入这样环境时进 行标定，从而提高了安全性。\n发明内容\n根据本发明，提供标定气体检测器内的至少一个传感器的设备， 所述的检测器具有与该传感器或者每个传感器流体连通的气体入口， 所述的设备包含一个机壳，所述的机壳包括：\na)表面，用于贴靠在检测器上；\nb)托架，用于以这样的方式相对于机壳固定气体检测器：检测 器包含气体入口的区域贴靠在机壳的表面上以在所述表面和检测器之 间形成密封的气体界面；\nc)连接器，用于把加压的标定气体源连接到设备上；\nd)导管，用于从连接器向检测器与设备的机壳之间的界面运送 标定气体；\ne)托架内的电连接件，用于在设备与固定在托架内的检测器之 间形成电气连接；以及\nf)导管内的流速控制器，用于以预定的量向界面提供标定气体， 所述流速控制器包括电操作阀，可以用经电气连接从检测器接收的信 号控制该阀以发起和终止标定气体经过导管的流动。\n因为所有的进行标定所需要的部件都提供在单个的机壳内，压缩 的标定气体连接器与用于贴靠在检测器上的表面之间的距离可以保持 得最小，例如小于10厘米，更优选地小于5厘米，从而必须被标定气 体取代的设备内的气体空间量保持到最小，以节省标定气体和加速标 定。\n检测器优选地包括标定电路以自动地根据标定气体的成分标定 检测器的输出。\n所述设备和检测器各自包括电连接件，以形成检测器与所述设备 之间的电气连接，从而可以按照保持在检测器内的指示控制标定设备 的工作，例如标定气体向检测器的流动。为此目的，所述设备包括可 电子控制的阀，以按照从检测器接收的信号发起和终止标定气体经导 管的流动。以此方式，可以自动地进行标定，同时提供足够的标定气 体使检测器内的传感器发出的信号达到稳态。因为标定完全地在检测 器的控制下，不需要专业人员(甚至任何人员)进行标定。\n检测器贴靠的表面优选地由顺性的密封包绕，以形成包绕检测器 与所述机壳之间界面的不透气密封。\n可以通过弹簧加载臂，或者某种把检测器迫在标定设备上的其它 机械装置把检测器压在所述机壳的表面上。\n本发明还提供一种标定气体检测器内的至少一个传感器的方法， 所述的检测器具有与该传感器或者每个传感器流体连通的气体入口， 该方法使用包含一个机壳的设备，所述的机壳含有：\na)表面，用于靠在检测器上以形成该表面与检测器之间的密封 的气体界面；\nb)加压的标定气体源，所述的标定气体源含有至少一个传感器 对之响应的气体的已知浓度；和\nc)导管，用于向检测器与机壳之间的界面运送标定气体，\n该方法包含：\ni把气体检测器迫在所述机壳的表面上，使得检测器包含气体入 口的区域贴靠在该机壳的表面上；\nii让标定气体以预定的速度从所述的源流到密封的气体界面，和\niii标定检测器内的至少一个传感器，使得检测器提供与标定气体 内已知气体浓度相应的读数，\n其中，检测器发起标定气体向密封的气体界面的流动，自动地标 定检测器内至少一个传感器，并且在标定后停止标定气体流动。\n根据该方法，检测器可以发起标定气体向密封的气体界面的流 动，自动地标定检测器内至少一个传感器，并且在标定后停止标定气 体流动。\n如果标定过程没有在预定的时间，例如1分钟内完成，或者至少 一个传感器在标定过程中发出的信号落在预定的范围之外，检测器有 利地产生出错信号。\n本发明还提供检测器。\n通过减少压缩的标定气体源与检测器之间的气体空间的容量，和 通过在标定设备和检测器之间形成气密密封，预定的标定气体流速可 以低达0.1升/分钟±20％，并且使传感器能够快速地达到均衡值，这降 低了昂贵的标定气体的消耗。还有，因为检测器可以在它检测到传感 器输出已经达到稳态后立即停止标定气体流动，每次标定需要较少的 标定气体。\n通过把向气瓶的连接和对传感器的出口包括到标定设备的单一 机壳中，可以减少标定气体源与传感器本身之间的气体通道的长度， 这转而意味着传感器标定可以比以往更快地进行，并且因为标定受检 测器控制，不需要昂贵的人员进行标定。\n附图说明\n下面参照附图以举例的方式说明根据本发明的标定设备，在附图 中：\n图1是根据本发明的标定设备的透视图；\n图2是不同配置的图1所示标定设备的透视图；\n图3是图1和图2所示的标定设备与检测器一起的透视图；\n图4是图2所示配置的设备的剖视图；\n图5是电路示意图，示出标定设备与正在进行标定的传感器之间 的连接；以及\n图6是逻辑图，示出使用本发明的设备的标定过程。\n具体实施方式\n先参见图1至3，设备包含机壳10，所述机壳10含有加压的标 定气体的气瓶12，该瓶装有检测器对之敏感或者可能对之敏感的气体 混合物，例如，在惰性载体例如氮气中的氧、一氧化碳、易燃气体及 硫化氢。气体以已知的预定浓度存在。机壳包括端面板14，可以把该 端面板滑出(见图2)同时用臂16连接在主机壳10上。如以下将更 加详细地说明，臂16由弹簧20加载以把端面板14迫向主机壳。然而， 它可以借助于闩锁机构锁定在适当位置，所述的闩锁机构可以通过操 作闩锁18松开。从而在把端面板14拉出时，它被固定在图2所示的 打开位置。但是，当操作闩锁18时，松开闩锁机构，并且由弹簧20 (见图4)把端面板拉向主机壳体。\n可以把检测器22放在主机壳体10与端面板14之间的空间内。 检测器包括含有入口(未示出)的面(未示出)，在正常的检测工作 中，所述的入口让气体从受监测的大气通过扩散到达检测器22内的传 感器。松开栓销18时，它被端面板14和弹簧20迫向主机壳10；主 机壳的端面24(检测器被迫在其上)由顺性的密封26包绕，使得检 测器的含有气体扩散入口(未示出)的面以气密的方式对主机壳的端 面24密封。端面24包括入口孔28和将结合图4较详细地说明的气体 流出孔30。\n现在参见图4，示出气瓶12通过公知的配件连接到含有压力/流 量控制器34的导管32，该控制器34产生标定气体的恒定流量，例如 以每分钟0.1升的速度。所述导管还含有电磁阀36，该电磁阀36响应 于从检测器内的微处理器21(见图5)接收的电信号开启和关闭所述 导管。导管32终止于上述的入口孔28。\n在标定的过程中，已经在检测器内的气体，例如空气，被经出口 孔30通过的标定气体取代。排气导管38把这样的气体排到大气中或 者安全处理装置中。\n臂16还含有电连接件40(只示出一个)，该连接件40与检测器 22内的对应连接件(未示出)接合。检测器22包括控制标定设备进 行的标定的微处理器21(见图5)。经连接件40从检测器22馈送信 号以开启和关闭电磁阀36。还设有微动开关42，该微动开关42具有 摇杆41，在被臂16上的接触面(land)(不可见)向上压时摇杆41 闭合开关触点。该接触面位于所述臂上，使得当端面板14与面24的 距离相当于检测器22的宽度时，该接触面压着摇杆41(并且从而闭 合微动开关)。这意味着当检测器处于适当的位置并且压着端面24时 微动开关闭合，但是在其它的情况下微动开关开路。从而微动开关可 以检测已经把检测器正确地安装在标定设备内。\n当把检测器22放在端面板14与主机壳的端面24之间的空间44 中时，闩锁18松开，从而让弹簧20能够沿左手方向(如图4所示) 迫促端面板14，从而把检测器22压在主机壳的端面24上。正常地让 气体从大气扩散进检测器以抵达检测器内的传感器的检测器的气体入 口(未示出)对端面24受到密封，从而绕检测器的检测器气体入口和 端面24形成气密密封。从而孔28和30与检测器的气体入口流体连通。 从而沿导管32供应的气体可以通入检测器的入口并且抵达检测器内 的传感器。类似地，从检测器排出的气体可以经孔30排放到大气中。\n图5一方面，示出在微动开关42与电磁阀36之间的连接，另一 方面，示出检测器22内的微处理器21当检测器已经安装进端面板 14与端面24之间的空间44内时，如前所述，微动开关闭合，这使正 电压V从干线23经过触点40加到微处理器上，从而指出传感器已经 正确地安装在空间44内并且臂16已经收回。然后微处理器可以经触 点40把控制信号传送到电磁阀36，并且控制标定过程。然而，首先 在屏幕(未示出)上询问使用者是否希望发起标定行程。使用者通过 按主机壳上的按钮46发起标定行程。一旦激活开关46，就通过检测 器22内的微处理器21完成整个标定操作过程。\n标定操作过程如下(参见图6)：\n1.从主机壳10拉开端面板14并且锁定在打开的位置(方框1)；\n2.把检测器22放在空间44内，然后松开闩锁以把端面板14迫 向主机壳并且从而把检测器迫在面24上(方框2)；\n3.通过接触面闭合微动开关44，指示出正确地安装了检测器(方 框3)；如果不是这样，报告出错信号(方框4)；\n4.一旦使用者通过按按钮46批准标定后，微处理器21经触点40 向电磁阀36发送信号以打开电磁阀36从而让标定气体从气瓶12流经 流量控制阀34，以大约每分钟0.1升的流速，经导管32并且经孔28 流入检测器22的入口(方框5)。\n5.当发起标定时微处理器内的计时器开始计时；(方框6)\n6检测器22内的传感器从而可以记录和响应供应的气体。标定 气体含有已知浓度的各种待检测的气体，例如氧气、一氧化碳、硫化 氢和易燃气体，例如丁烷。从检测器22内排出的气体可以经孔30和 导管38逸出到大气中。一般地占用约30秒的时间达到稳态的读数。\n7.微处理器从传感器“读取”信号(方框7)。然后微处理器 进行循环(方框7、8和9)；如果第一次进行该循环，或者如果传感 器发出的信号不是相同(在一预定容差内)于上轮循环的信号(方框8)， 就询问计时器(方框9)。如果从发起标定起经历的时间不足60秒， 就再从传感器读取信号(方框7)。重复进行循环直到传感器发出的 信号达到稳态读出或者经历了60秒钟。\n8.如果超过了60秒并且没有检测到传感器发出的的稳态读出， 就产生出错信号，并且标定失败(方框10)；\n9.如果在60秒内没有检测到传感器发出的稳态读出，微处理器 询问从传感器发出的信号的幅度(方框11)；如果幅度落在预定的范围 之外，就产生出错信号，并且标定失败(方框10)；\n10.如果标定没有失败，检测器内的微处理器通过调节检测器的 增益以产生正好相应于标定气体的已知成分的读数，标定传感器(方框 12)。\n11.然后从标定设备上取走检测器22(方框13)。\n出错信号(方框10)可以由传感器失效(指出需要更换传感器) 引起，也可以由于检测器内的过滤器不干净引起。因此，如果产生出 错信号，首先清洗或更换过滤器，并且重新开始标定。如果在重新标 定时，检测器还是失败，这就是指出一或多个传感器应当被更换。如 果更换传感器后，检测器还是产生出错信号，这就指出故障在于检测 器本身。\n标定气体的流速越快，标定气体就越快地达到稳态。而且，在低 流速的标定气体时，传感器发出的最终的稳态信号的幅度将取决于流 速。然而在较高的流速(约每分钟0.3至0.5升或以上)，传感器发出 的最终的稳态信号的幅度将在很大程度上与流速无关。现有技术一般 地使用0.5升/分钟的流速并且避免使用低达每分钟0.1升的流速，因 为，如果标定气体的流速在低流速下受到改变，稳态响应信号的幅度 就会变化，并且因此会不可靠。另一方面，希望尽可能地使用低的标 定气体流速，首先这更加接近于气体检测器的正常工作，从而气体扩 散到检测器还不是用泵送入检测器，其次，流速越低，用的标定气体 越少。我们发现通过减少导管32的长度并且把检测器夹紧在机壳10 的端面上，并且通过把全部标定装备设在单个机壳中，即使在每分钟 0.1升的流速也可以为气体传感器标定得到可靠的读出。\n可以看出可以在约一分钟内简单地完成标定，而且不需要专门的 人员培训，并且可以由进入危险区域前的人员承担。从而这种标定可 以取代不准确的检测器“测试”，后者不过是表明传感器在工作而不 表明它们能够提供准确的读数。不再需要把检测器送走去标定，也不 需要安排受过培训的标定人员专访。还有，标定设备的安排使得能够 使用低流速的标定气体而不受气流的影响。因此本发明提供了在进入 危险区域前测试和标定气体检测器的价廉且安全的系统。\n因为整个标定过程由检测器而不是由标定设备控制，标定数据保 存在微处理器内，并且从而每个传感器的标定数据储存在检测器本身 内，并且例如可以检测出传感器的不正确功能并可以产生指出该传感 器应当更换的信号。另外，通过从检测器控制标定设备，将相对简单 和低成本地制造标定设备。检测器将一般地已经具有用于其正常工作 的微处理器，从而向微处理器内增加控制标定的软件和记录标定数据 不会再使检测器更昂贵。\n还可以把所述设备做得对便携充分地轻，并且足够地紧凑以使之 易于存放。从而可以把它方便地用于最方便标定的位置。