電化學氣體傳感器從上世紀70年代末發明出來到現在,全世界的使用量大約為500萬只,廣泛應用在各行各業中,例如工業安全、大氣質量監測、煙氣分析、醫療、城市地下管網、建筑物暖通空調和地下車庫空氣質量監測、工業過程控制、核工業等領域,不一而足。只要是用得到氣體或有氣體產生的地方,都會用到該氣體傳感器。
本文章詳細介紹了一下電化學氣體傳感器5個技術參數,分別為量程范圍、靈敏度、響應時間、恢復時間和歸零時間、分辨率等。
定義:能夠保證傳感器規格書所列各項參數的最高氣體濃度。
問:量程范圍有多寬?
答:不同的氣體傳感器都有各自的量程范圍,低至1PPM(PPM為百萬分之一),高至100%VOL(體積比)。1PPM量程的傳感器多是測量特毒的毒氣,100%VOL量程的多是測量高濃氧氣。醫療氧傳感器的量程比較特殊,例如:200,000%mbar,這個單位的意思是在大約2個標準大氣壓下,傳感器最高能測到100%VOL,計算式為2,000 mbar * 100% VOL=200,000 %mbar。(1標準大氣壓=1013mbar)。%mbar濃度單位的使用,在水下作業的場合和壓力艙內也會用到。
問:輸出和氣體濃度是什么關系?
答:有的EC傳感器是電流源,即輸出電流和被測氣體濃度成正比;有的是電壓源,即輸出電壓和氣體濃度成正比。這種成正比的關系在儀表行業稱為線性,即被測氣體濃度和輸出電流或電壓成線性關系。
問:什么是過載量程?
答:有些傳感器的規格書上除了量程,還有一個參數叫過載量程(OVERLOAD RANGE)。這個參數是告訴用戶:在這個濃度下,傳感器可以短時間(幾分鐘)測量而傳感器不會永久性損壞,但性能無法符合規格書上所列參數。如果超過過載量程,會造成傳感器永久損壞。
定義:被測氣體改變一個單位濃度,例如1PPM,傳感器所獲得的輸出電流或電壓的改變量。
問:靈敏度單位是什么?
答:對毒氣傳感器來說,最常見的單位是nA/PPM或uA/PPM。對常量氧傳感器來說,其單位是uA@20.9%VOL O2,意思是在空氣中,輸出的電流是多少微安。對微量氧傳感器來說,其單位是mV@20.9%VOL O2,當然,微量氧傳感器放在空氣中測試是很不科學的,因為微量氧傳感器是測PPM級O2的,長時間暴露在空氣中,會讓它很快失效。對醫療氧氣傳感器來說,其單位是mV@20.9%VOL O2,醫療氧氣傳感器的最大量程都是100%VOL。
問:同一個型號的傳感器靈敏度誤差有多大?
答:具體需要看靈敏度后面的誤差范圍,以盛密科技的一氧化碳傳感器4CO-500S為例,其靈敏度是70±15nA/PPM。其中"±15nA"就是傳感器的個體差異。
問:靈敏度會變化嗎?在什么情況下會變化?
答:EC傳感器的靈敏度是會變化的,影響靈敏度的因素包括:溫度、濕度、壓力、流速、壽命、干擾氣體。以上參數,在規格書所定義的范圍內變化是不會影響傳感器壽命的,但如果超過了這些范圍,傳感器可能會受到不可逆的破壞。
不過,傳感器在出廠的時候,個體差異要盡量的小。表征這個差異最好的參數是CPK。下圖就是盛密科技出產的4H2S-100靈敏度的CPK。一般說來,CPK=1.33就相當于3sigma的水平了,下圖中的CPK已經超過1.33了。
定義:傳感器信號從零點上升到通氣平衡點一定百分比,所需的時間成為響應時間,通常用T90來描述。從零點上升到平衡信號值的50%所需要的時間稱為T50,從零點上升到90%所需的時間稱為T90,從零點上升到97%所需的時間成為T97。
問:為什么響應時間很重要?
答:因為氣體傳感器主要是保護人身安全的。當氧氣或毒氣超過對人體有害的范圍,人員必須撤離該環境,撤離時間越短越好。因此,傳感器響應時間越短,
就留給撤離人員越多的時間。
問:如何確定零點,如何確定平衡點呢?
答:對于常規氣體傳感器,當它暴露在空氣中,3分鐘之內讀數變化不超過一個分辨率,即認為是平衡了。具體地說,對O2傳感器來說,讀數變化不超過±0.1%,即認為是平衡了;對CO傳感器來說,讀數變化不超過1PPM,即認為平衡了;對H2S傳感器來說,讀數變化不超過0.1PPM,即認為平衡了。有很多吸附性和腐蝕性的氣體比較特殊,它們通氣后的輸出電流很難走平,但這也是正常的現象,這是由氣體本身的物理化學性質所決定的,不可改變。例如4NH3-100傳感器的平衡曲線就是這樣的。
問:有的傳感器通氣后讀數會一直上升,如何確定平衡點呢?
答:對于吸附性強的氣體,其傳感器的T90計算和CO、H2S常規氣體是不一樣的。例如,在NH3傳感器的規格書上T90后面會跟上一句<60s calculated from 5 min. exposure time。它的意思是說,通氣5分鐘,即認為是平衡,然后用5分鐘時候的靈敏度還計算T90時間。這里的通氣5分鐘也是有技術條件的:
A. NH3氣體流速為500±100ml/min;
B. 管路和流量計是特氟龍材質或不銹鋼的;
C. NH3濃度在量程范圍之內;
D. 流動的NH3氣體和傳感器之間不能有任何薄膜或鋼網的阻擋。
常見有吸附性的氣體包括:HF、HCl、NH3、SO2、Cl2、ETO、H2S(吸附性從高到低排列)。常見的沒有吸附性的氣體包括:O2、H2、CH4、CO、CO2等等。
恢復時間定義:恢復時間是表述傳感器從標準氣體恢復到零點氣體時,信號回復快慢的一個參數。常用的是RT90,它的意思是,從傳感器通氣平衡狀態恢復到10%信號所花的時間。例如,CO標準氣是500PPM,當傳感器信號從500PPM回到50PPM(500PPM*10%=50PPM)的這段時間,就是RT90了。
歸零時間定義:歸零時間是表述從傳感器通氣平衡狀態恢復到3個分辨率的讀數所需要的時間。例如,CO傳感器的分辨率是1PPM,標準氣是500PPM,當傳感器信號從500PPM回到3PPM的這段時間,就是歸零時間了。
問:用不同濃度的標準氣體測試EC傳感器,RT90時間和歸零時間會不一樣嗎?
答:是會不一樣的。濃度越高,RT90時間和歸零時間越長。
問:不同的溫度下,EC傳感器的響應時間和恢復時間一樣嗎?
答:不一樣。溫度越高,響應時間和恢復時間越短,溫度越低響應時間和恢復時間越長。
問:所有的EC傳感器在規格書上都寫了RT90和歸零時間嗎?
答:幾乎所有的傳感器規格書上都會有響應時間T90,例如盛密科技的4NH3-100,T90時間就寫的是90秒,這意味著盛密出廠的傳感器T90都會小于90秒。關于回零時間,諾聯芯會按照客戶的要求,給予客戶傳感器的響應曲線,這樣客戶就能夠自行計算回零時間了。
問:毒氣傳感器和氧氣傳感器RT時間的計算方法一樣嗎?
答:不一樣。毒氣傳感器從零氣往上升計算T90,從平衡標準氣下降計算RT90和歸零時間。而氧氣傳感器是從空氣20.9%VOL下降到報警點18.0%VOL,算出平衡的時間,然后再計算T90。
定義:分辨率是描述傳感器能夠分辨的最小的氣體濃度改變量的參數。分辨率和靈敏度和噪聲相關,類似電子技術里面的一個參數——信噪比。計算公式是:
分辨率=3 X 信號標準差/靈敏度
問:如何計算信號標準差?
答:在傳感器信號被放大之后,會送入模數轉換器ADC。系統噪聲需要用標準差(STDEV)來衡量,STDEV可以通過Office Excel里的STDEV()函數來計算。例如,上面信號的STDEV值計算之后為1.03CTS。CTS就是ADC的值,下圖是12bit ADC輸出的CTS。
問:如何計算靈敏度?
答:將傳感器和電路板系統的零點CTS平均值和通氣平衡后的CTS平均值相減,取絕對值,再除以通氣濃度即可得到。例如,零點CTS平均值為1952CTS,500PPM通氣平衡后的CTS平均值為3452CTS。問該系統的靈敏度是多少?
計算公式:|1952-3452|/500 = 3CTS/PPM
通過上面兩問和解答,我們就可以計算出來系統的分辨率了:
3*STDEV/靈敏度=3*1.03/3=1.03PPM
問:傳感器的分辨率和精度有什么關系?
答:并無直接關系。傳感器的分辨率是由上面的公式計算所得。傳感器本身并無精度的概念,所以傳感器的規格書上也沒有精度的參數定義。精度是描述儀器、儀表讀數和氣體真實值之間的差值,也叫準確度,表示方法有±xPPM@100PPM,±5%Reading或±10%F.S.諸如此類。
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