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氣體傳感器常用術語講解(上)
2024.01.17
1. 量程范圍(RANGE)
       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,高至100%vol。1ppm量程的傳感器是測量特毒的毒氣,100%vol量程的是測量高濃氧氣。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

2,000mbar*100%vol=200,000%mbar(1標準大氣壓=1013mbar)

       問:輸出和氣體濃度是什么關系?

       答:EC傳感器有的是電流源,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。

       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。

       常見單位:
       ? VOL%:指混合氣體的濃度體積比。在檢測二氧化碳、氧氣時使用該單位;
       ? LEL%:指可燃氣體爆炸下限的百分比。即可燃氣體與空氣混合時,遇到最小點火能量,發生爆炸的最低濃度。                   ? UEL%:可燃性氣體與空氣混合,著火導致爆炸產生的最高濃度值。
       ? PPM:PPM是英文part per million的縮寫,表示百萬分之幾,體積濃度(ppm),表示一百萬體積的空氣中所含污染物的體積數。PPB: PPM是英文part per billion的縮寫,氣體濃度的10億分之一。※1ppm=1000ppb
       ? 氣體摩爾體積:單位物質的量的氣體所占的體積,符號為Vm,常用單位L/mol 或m3/mol。在標準狀況下(0℃,101KP的狀態),1mol任何氣體所占體積都約為22.4L。我們國家的標準規范也都是采用質量濃度單位(如:mg/m3)表示。
2.靈敏度(SENSITIVITY)
       定義:被測氣體改變一個單位濃度,傳感器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,我不贊成微量氧傳感器放在空氣中測試,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: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。

3. 響應時間(Response Time)
       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70%所需的時間稱為T70,從零點上升到90%所需的時間稱為T90。

       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;對分辨率為10ppm的H2傳感器來說,讀數變化不超過10ppm,即認為平衡了。

       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:

       ? NH3氣體流速為500±100ml/min;

       ? 管路和流量計是特氟龍材質或不銹鋼的;

       ? NH3濃度在量程范圍之內;

       ? 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:H2S、CL2、SO2、NH3、HCL、HF、F2等等。常見的沒有吸附性的氣體包括:O2、H2、CH4、CO、CO2等等。


4. 恢復時間(Recovery Time)和歸零時間
       恢復時間定義:恢復時間是表述傳感器從標準氣體回復到零點氣體時,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。擴散的模式符合菲克定理。

       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:到目前為止,少數傳感器有歸零時間。

       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下降到純N2計算T90,這主要是從工業人員安全考慮。

5. 分辨率(Resolution)
       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 60秒信號標準差/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。

       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,3ppm通氣平衡后的CTS平均值為2139CTS。問該系統的靈敏度是多少?


       計算公式:|2139-1952|/3 = 62.3 CTS/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*1.7/62.3=0.08ppm

       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,也叫準確性,表示方法有±xppm@100ppm,±5%Reading,±5%rel或±10%F.S.。

6. 重復性(Repeatability)
       定義:在同一天之內,每小時通氣一次同樣濃度的標準氣,獲得6次通氣平衡的讀數,然后計算6次讀數的標準差。該標準差越接近于零,說明傳感器的重新性越好。下圖是電化學傳感器的6次重復性實驗曲線。

       問:重復性在規格書上有定義嗎?

       答:絕大多數傳感器在規格書上都不寫該參數,但傳感器在研發驗證的時候是一定要做此實驗的。儀器儀表在做認證的時候,也是一定要做此實驗的。

       問:重復性和長期穩定性之間有什么關系?

       答:重現性是考察傳感器一天之內的穩定性,長期穩定性是考察28天的穩定性。重復性不好的傳感器長期穩定性也不會很好,因為傳感器的讀數在一天之內都不夠確定,如何能相信它在長期之內獲得準確的讀數呢?

       問:一天之內氣溫有變化,那怎么知道是溫漂還是重現性不良呢?

       答:建議重現性測試在一個一天溫度變化不超過5℃的房間內進行,因為在5℃之內,傳感器的靈敏度幾乎是沒有變化的。這樣就可以排除傳感器因為溫漂而產生誤差的可能性了。


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