气体传感器的标定

气体传感器的标定

为了保证传感器的精度和系统的完整性，气体传感器需要被标定。传感器固定安装位置是很重要的，位置必须使标定容易完成。标定的时间间隔依传感器的不同而不同。通常，传感器的制造厂商将建议传感器的标定的时间间隔。然而，在传感器安装后的三十天，按照惯例应频繁的对传感器进行检查。在这个周期内，观察该传感器是否适合新的环境。

同样，厂家并没有在系统的设计中说明传感器性能影响的因素。如果传感器的功能作用能连续大约三十天，说明安装的可信度很高。在这段时间里，任何可能的问题都可确认和修改。经验说明：传感器第一次安装后三十天，按照操作的希望值，完成传感器的各种功能。大多数问题如传感器位置的不适合、其他气体的干扰、密度的降低，在这段时间里将会出现。

在前三十天，传感器应做周检察。而后，制定维修计划包括标定的时间间隔。正常情况下，每月标定足以满足传感器的效率和灵敏度，同时月检察也能保证传感器的精度。

由上，传感器的标定方法和过程被立即确定。标定的过程简单、直接、容易。这种标定是一种简单的安全检查，不象实验室分析仪要求很高的精度。为了某一区域气体的质量和安全，要求气体的监视仪满足简单、可重复和经济。标定的过程将具有一致性和追溯性。标定的过程将在传感器安装的现场完成。

气体传感器的标定包括两步骤：首先是"零点"设置；然后是"量程"的标定。

步骤1："零点"设置

定义气体的零点没有确定的标准。许多分析过程，包括一些特殊的分析过程如EPA方法，都使用纯氮或纯人造气体来建立零点。这是因为这种瓶装氮气和人造气体容易获得。由于这个原因，人们普遍认为使用瓶装氮气和人造气体是传感器零点设置的一种好方法。

不幸的是，这种方法不太准确。通常空气中除了含有氮气和氧气外，还含有微量的其他气体。同样，周围的空气中含有很小百分数的水蒸气。因此，假设该区域的空气是清新的，使用周围的空气作为传感器的零点具有现实和实践意义。这个参考点依建立的不同而不同。因此，区域内传感器的一个好参考点，总是认为该区域的空气清新，如某一办公室区域。这将给出更接近现实的零点，因为它将代表安装周围空气条件。水蒸汽的缺乏可能引起设定零点的数字低于传感器周围空气的零点数既零点漂移。这就是固态型传感器和光电离探测器使用时值得注意的地方。

标定的方法。考虑到所有因素，如传感器的型号和应用条件，应遵循以下建议的标定方法：

A． 根据操作人员的判断，传感器周围的气体是清新的，没有非正常条件存在，这时，仪表的指示接近零（读数），零点设置的过程可以跳过。当出现疑问时，可使用塑料袋来得到一些在传感器周围认为是"清新"的空气。这是一个非常快而容易的过程。这种方法对于区别真报警和误报警是非常有效的。

B． 压缩空气有一优点就是，气体在瓶中容易控制并容易携带。通过设备很容易、方便的得到空气。这种空气中含义少量的氮氢化合物、一氧化碳、二氧化碳和一些其他干扰气体。然而，这种气体的特点是湿度低，解决的办法是在采样系统中使用带有活性碳的过滤器，过滤掉所使用的潮湿气体中不想要的气体和水蒸汽。经过这个过程，才可以使用该气体对各种型号的传感器进行标定。然而，值得注意的是一氧化碳气体并不能通过带有活性碳的过滤器而滤掉。

因此，规则规定：气瓶中的一氧化碳含量必须与周围环境气体的含量相同。此外，使用苏达灰过滤器可以滤出一氧化碳。由于在采样系统管线上使用苏达灰过滤器可以滤出一氧化碳，所以此方法是二氧化碳传感器零点设置的好方法，很容易获得基本的零点。

虽然人造气体通常是非常纯，但是它不能用于固态型传感器和光电离探测器，因为这类传感器要求在采样的气体中含有一些水蒸汽。这个问题解决的简单办法是，在采样系统管线上使用潮湿的薄绵纸。它的作用是使采样流中潮湿，对传感器有足够的水蒸汽。另外可选择使用NAFION管，其描述在第十章"采样系统和设计"图1.说明此概念。

标定气--控制器--NAFION干燥管或加湿材料--到传感器

图1. 增加标定气体的湿度

步骤2. 量程的标定

量程的标定可以是相当容易或非常复杂和昂贵，这取决于该气体的种类和浓度的范围。按照原则，为了到达满意的精度，目标气体与背景环境气体的平衡混合物是最好的标定气体。然而，虽然可以做到，但对操作工的技能要求比正常的要高。实际上，大多数的标定气体是从化学工厂买来的。下面的章节介绍几种量程标定的方法。

A.   预混合标定气体 

预混合标定气体的方法是气体传感器标定的首选和最流行的方法。预混合标定气体可以被压缩和存储在一定压力下的气瓶中。这些瓶子的尺寸可以是任意的，但是在现场标定时，人们喜欢尺寸小而轻的气瓶。这些小而携便的气瓶可分为两类：低压和高压气体设备。

低压气瓶瓶壁薄重量轻通常是不回收和一次性的。高压气瓶是为纯化学危险品设计的。对于标定气体，这些气瓶通常壁很厚，可承受的压力为2000 psi。

为了传感器的标定，使高压气体从高压气瓶中流出，需要一个减压器。它是由压力控制器、压力表、流量限流孔组成。流量限流孔是一种在给定的压力下，允许一定量的空气流量所适合的极小线孔。在操作中，瓶中的高压仅仅降低几个psi ，同时提供定量的气体通过限流孔。流量的速率通常在600-1000 cc/min。各种型号的减压器都可以调节压力控制器，以便调节出想要的流量

图2. 示出了高压和低压瓶设备.

许多气体可以与空气预混合同时在一定的压力下存储, 但是一些气体只能与惰性气体混合，如氮气。而一些混合物仅仅可以放在特殊条件下的瓶中。每种混合气都有它不同的有效期或使用期。关于存储和保存期限的详细内容，可从制造厂商获得。通常高蒸汽压的气体具有低反应如甲烷、一氧化碳、二氧化碳，可以与空气混合存储在高压下。低蒸汽压的气体如液态碳烃溶剂仅仅可以与空气混合存储在低压下。大多数高反应化学物都可以与氮气混合。对于某些传感器如固定型传感器，不论气体的混合物是与空气或氮气混合，对传感器的读数会有很大的影响。
在标定过程中，为了得到适当的读数，有些传感器需要有潮湿度。这种加湿过程步骤同步骤1中传感器零点设置。
为了估计气瓶压缩混合气体的体积，用气瓶的总压力除以大气压力然后乘以气瓶的体积，如下：
Vmax= V*(P/Pa)
这里
Vmax= 混合气体的体积
V = 气瓶的体积
P = 气瓶的压力 
Pa = 大气压力 
例如：给出演示的瓶子体积为440 CC，假定瓶子的压力为1200 psi,在大气压的情况下，估计混合气体的体积为440CC*（1200/14.7）=35.918CC。
如果标定的流量数率为每分钟1000CC，每个传感器的标定需要大约一分钟，那么一个气瓶可标定的时间大约是30分钟。
B．渗透设备
渗透设备是一个密封容器，装有气液相均衡化学物质。气体分子通过渗透容器的边缘或顶盖进行渗透。气体分子的渗透速率取决于物质的渗透率和温度。渗透率是长周期稳定的。与渗透化学物质混合形成的恒定的标定气体，在给出温度后就知道其渗透率。这就需要恒温口径测量器和流量控制器。然而，渗透管连续以恒定速率输送化学物质，随着产生了存储和安全问题。给定气体的渗透率对于应用来说可能是太高或太低。例如，高蒸汽压的气体渗透太快而非常低的蒸汽压气体化学物质所具有的渗透率太低而没有任何用途。 
渗透设备大多数可以在实验室中找到，常常应用于分析仪器上。对于气体监视，传感器标定需要的浓度是典型的高渗透设备。因此它的应用受到了限制。
C．交叉标定
利用交叉标定方法，主要是每个传感器都遭受其他气体的干扰。例如，要标定100% LEL的乙烷气体，通常用50% ELE的甲烷气体来代替实际的乙烷气体。这是因为乙烷在室温时是液态具有低蒸汽压。因此说使用精确的混合气并保持它在高压力下是很困难的。 
换句话说，甲烷具有很高的蒸汽压并非常稳定。此外，它可以与空气混合并保持在很高的压力下。与乙烷混合气相比甲烷可用于更多的标定场合，同时它具有长寿命。50%的乙烷混合气容易得到。因此，可燃气体报警仪的制造商建议使用甲烷作为标定其他气体的代用品。
有两种方法可完成甲烷作为标定其他气体的代用品。第一种方法是用甲烷标定可燃气体报警仪，同时，用所获得的读数乘以手册中的响应因数来代替其他气体的读数。最常用催化型传感器就是如此。催化型传感器是线系输出，因此响应因数的使用符合满刻度量程。例如，当用甲烷标定传感器时，戊烷的输出仅仅是甲烷的一半。因此戊烷的响应因数是0.5。所以当传感器实际检测戊烷而用甲烷标定时，读数乘以0.5以获得戊烷的读数。
第二种方法仍然是使用甲烷作为标定气，但是标定读数为双倍值。例如，使用50%LEL 的甲烷标定气标定100%LEL 戊烷。虽然标定时使用的是甲烷气，但仪器标定后，其读数为戊烷气体的浓度。
许多低量程有害气体传感器可以使用交叉气体标定。同样，红外线探测器对于任何气体都以相同的波长吸收，可以使用交叉标定的方法。交叉标定方法的优点是允许传感器的标定使用一种气体其量程容易获得和处理。 
然而，使用交叉标定的方法也会出现一些问题。一是每个传感器的响应因数有所不同，原因是不可能在制造传感器时使每个传感器都一样。例如，在催化型传感器中，加热器电压在手册中已说明。另外响应因数不能使用。响应特性将随加热器电压的设立的不同而变化。因此，使用实际的目标气体对传感器进行标定作周期的检测是一种好的方法。
稳定非易燃和无毒的各种浓度气体可以从供应商中获得。详细情况请与仪器制造厂商联系。
D. 气体混合
不是所以的标定气体都可用。即使它可用，也有可能在一定的浓度或固定的背景混合气下，该标定气体不可用。然而，许多混合气可通过稀释后，对低浓度量程气体监视器进行标定。例如，50%LEL甲烷其浓度为2.5%或25000PPM。为了混合20%LEL体积为2000CC的气体，应使用下列公式：
Vb=C/Cb*V , Va=(C-Cb)/C*V , Va=V-Vb
这里：
Cb= 在50%时，瓶中的浓度
C = 在20%时，新的浓度
V = 2000CC时，整个体积
Vb= 混合气的体积
Va= 空气或其他稀释后体积
Vb=20/50*2000=800 CC
Va=2000-800=1200 CC
最后用800 CC 混合气与1200CC 空气进行混合得到20%LEL的标定气。
另一个例子是稀释25000PPM 的甲烷标气变成100PPM的混合气。
Vb=100/2500*2000=8 CC
因此
Va=2000-8=1992 CC
用8CC的混合标气与1992CC的空气混合，2000立方厘米100PPM的混合气就获得。
标定工具
为了完成以上的步骤，需要下面的工具：
1． 注射器和针：这是精确测量气体量最经济的方法。医用一次性注射器和针是最实用的，但这种注射器和针的体积很少有超过一百立方厘米的。因此，大体积测量就遇到了麻烦。然而，使用2英寸直径的标准管做一个注射器是很容易的。这就提供了容易和方便的手段制造按一定规定的混合气。对于非常小的体积测量，在化学器皿目录中有小型注射器。 
2． 标定袋：使用在食物包装或存储上的大部分材料是十分惰性材料，另外它可保持食物的味道。因此，食物的存储袋可以被用来保持大量的化学物质，只是它的使用周期相对短一些。值得记住的是气体分子最终通过塑料袋的许多薄层扩散。例如，马铃薯片在它的新型袋中可保鲜很长的时间周期，这是因为新型袋的材料与正常食品储存袋相比气体分子的渗透要小。事实表明：当马铃薯片的包装变成密封的食品储存袋时，在很短的时间里，它丢失了马铃薯片的脆性。在市场上也有了许多商品样袋。最普通的例子是Tedlar袋。它是由聚乙烯氟化物制造，具有很低的气体分子吸收力。然而，这种袋子仍然有渗透性，如果我们主要关心的是渗透性，那么就需要一种大的计量材料。采样袋通常带有阀门和隔膜用于注射。 
压力公式
早期我们描述的预备混合气是以体积关系为基础的。基于这种气体定理，体积相同公式可应用于压力公式。如上所述，800 psi、50%LEL的甲烷与1200 psi空气混合，其结果为2000 psi、20%LEL的甲烷混合气。
预备混合气的工作可能是非常困难的。最好与仪器制造厂商商量，注重最好的标定方法和气体混合的可能性。
下面是一些气体混合的例子：
对于PPM气体混合：
Cppm=Vc/(Vc+Vd)*10000000 PPM
这里：Vc是目标气体积，Vd是稀释体积。例如什么是每百万分浓度。当1CC的CO 加到1000CC的容器
Cppm=1/1000*1000000=1000PPM 
对于%范围的气体混合：
C%= Vc/(Vc+Vd)*100%
在低PPM混合气分母中的Vc可忽略不计。
液态化学混合物的标定。为了标定液态化学混合物，需要知道液体汽化的体积、稀释空气的体积。按照气态方程，一克摩尔分子在摄氏25度、760MM 汞柱或1大气压时，体积为24500CC。这时的温度和压力也称为标准状态。在标准状态下，等式为：
Cppm=24.5*1000000000*(V*D)/(Va*M)
这里V=液体体积，D=液体的密度，Va=稀释空气的体积，M=液体的摩尔重量。
由于使用微型注射器很容易对液体测量，所以等式变成：
V= Cppm* Va*M/（24.5*1000000000*D）
这里的单位为:毫升,立方厘米,克.
例如,苯的摩尔重量M=78.1, 密度D=0.88g/cc。在2000 cc的瓶中需要制成1000PPM混合物，需要苯的量为：
V=1000*2000*78.1/(24.5*1000000000*0.88)
于是:
V=7.2*1/1000=0.0072 cc
在大气污染、工业卫生、有毒医药方面，通常使用的密度单位为每立方米毫克。下列等式表示了在标准状态下它们的关系。
Cppm=C*24.5/M
这里
C= 毫克/立方米
M=摩尔重量
结论，对于气体监视器的标定，精度并不是非常重要的，因为它不是分析性的设备或系统。然而，重要的是记住标定的标准方法。假如过程标准化了，以后的数据也会正常化（如果有必要）。