高壓環(huán)境下恒電位電化學(xué)氣體傳感器的校準(zhǔn)方法
【專利摘要】一種高壓環(huán)境下恒電位電化學(xué)氣體傳感器的校準(zhǔn)方法。其中，通過測量傳感器在有限個離散環(huán)境壓強下的氣體成分濃度-電解電流響應(yīng)曲線，獲取一定范圍內(nèi)任一固定環(huán)境壓強下傳感器電解電流和氣體成分濃度之間的響應(yīng)曲線，實現(xiàn)對恒電位電化學(xué)氣體傳感器進行高壓下的校準(zhǔn)。
【專利說明】高壓環(huán)境下恒電位電化學(xué)氣體傳感器的校準(zhǔn)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氣體檢測【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種高壓環(huán)境下恒電位電化學(xué)氣體傳感器的校準(zhǔn)方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在隧道、高壓氧艙、潛水加壓艙、失事潛艇等高氣壓環(huán)境中，監(jiān)測環(huán)境中各氣體組分的濃度，如氧、二氧化碳、一氧化碳、甲烷等，直接關(guān)系到在該環(huán)境下作業(yè)的人的生命安全。
[0003]電化學(xué)氣體傳感器依據(jù)化學(xué)能和電能相互轉(zhuǎn)換原理，能夠檢測多種氣體的成分濃度，例如氧氣、一氧化碳、硫化氫、二氧化硫、三氧化硫、一氧化氮、二氧化氮等。恒電位電化學(xué)氣體傳感器將工作電極控制在某一指定電位，當(dāng)被測氣體通過電極時，在該指定電位下進行氧化或還原反應(yīng)，產(chǎn)生的信號電流與氣體成分濃度成正比，故是一種常用的氣體成分濃度測量裝置。目前常見的用于混合氣體成分濃度檢測的恒電位電化學(xué)氣體傳感器都是在常壓下操作使用的，研究表明，環(huán)境靜壓力的升高會導(dǎo)致恒電位電化學(xué)氣體傳感器的響應(yīng)增大、零點漂移。
[0004]有鑒于此，實有必要提供一種校準(zhǔn)方法，以實現(xiàn)高壓環(huán)境下恒電位電化學(xué)氣體傳感器的校準(zhǔn)。
[0005]本領(lǐng)域中，恒電位電化學(xué)氣體傳感器的校準(zhǔn)是指氣體成分濃度與電解電流的響應(yīng)曲線的較準(zhǔn)。

【發(fā)明內(nèi)容】
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[0006]本發(fā)明解決的問題是提供一種校準(zhǔn)方法，以實現(xiàn)高壓環(huán)境下恒電位電化學(xué)氣體傳感器的校準(zhǔn)。
[0007]為解決上述問題，本發(fā)明提供一種高壓環(huán)境下恒電位電化學(xué)氣體傳感器的校準(zhǔn)方法，包括:
[0008]在同一熱力學(xué)溫度下，獲取傳感器對特定氣體的一系列氣體成分濃度對應(yīng)輸出的電解電流，得到不同高壓環(huán)境壓強P1、P2……Pn下的響應(yīng)曲線I=fl (C)、I=f2 (C)……I=fn (C)，其中，P1、P2……Pn為固定值且依次遞增，C為氣體成分濃度，I為電解電流；
[0009]高壓環(huán)境壓強固定時，I=f (C) =Ka.?.(:，其中Ka為常數(shù)，D為擴散系數(shù)且在高壓環(huán)境壓強為固定值時也為常數(shù)，對不同高壓環(huán)境壓強對應(yīng)的響應(yīng)曲線系數(shù)擬合Ka.D，得到響應(yīng)曲線系數(shù)中的擴散系數(shù)在固定溫度下隨環(huán)境壓強變化的規(guī)律Ka -D=g (P)，其中P為環(huán)境壓強，根據(jù)I=Ka.D.C=g (P).C，即可得到該恒電位電化學(xué)傳感器在[Pl，Pn]區(qū)間內(nèi)任一壓強下的響應(yīng)曲線，即達到了對該傳感器在高壓下進行校準(zhǔn)的目的。
[0010]可選地，所述校準(zhǔn)方法采用耐壓腔體實現(xiàn)，所述耐壓腔體具有艙體、進氣閥、排氣閥、氣體采樣口、電連接件和溫壓一體傳感器。
[0011]可選地，獲取不同環(huán)境壓強P1、P2……Pn下的響應(yīng)曲線I=fl (C)、I=f2 (C)……I=fn (C)的方法為:
[0012]向耐壓腔體內(nèi)充入氣體成分濃度已知為Cl的標(biāo)準(zhǔn)氣體，使腔內(nèi)環(huán)境壓強為Px，x=l, 2……n，測量耐壓腔體內(nèi)的熱力學(xué)溫度為固定值時所述恒電位電化學(xué)氣體傳感器所輸出的電解電流Il ；
[0013]向耐壓腔體內(nèi)充入氣體成分濃度已知為C2、C3……Cm的標(biāo)準(zhǔn)氣體，使腔內(nèi)環(huán)境壓強仍為Ρχ，χ=1,2……n，測量耐壓腔體內(nèi)的溫度為固定值時所述恒電位電化學(xué)氣體傳感器輸出的電解電流12、13……Im，m≥3 ；
[0014]根據(jù)已知氣體成分的濃度Cl、C2……Cm，以及上述各自濃度Cl、C2……Cm下恒電位電化學(xué)氣體傳感器所輸出的電解電流11、12……Im，進行線性擬合，獲得該熱力學(xué)溫度固定值對應(yīng)的I=fx (C)；
[0015]X遍歷I, 2......η,即可獲得同一熱力學(xué)溫度，高壓環(huán)境壓強Pl對應(yīng)的I=fl (C)、
高壓環(huán)境壓強P2對應(yīng)的I=f2 (C)……高壓環(huán)境壓強Pn對應(yīng)的I=fn (C)。
[0016]可選地，氣體成分濃度Cl的供氣源為所述特定氣體的零點氣。
[0017]可選地，獲取不同環(huán)境壓強P1、P2……Pn下的響應(yīng)曲線I=fl (C)、I=f2 (C)……I=fn (C)的方法為:
[0018]向耐壓腔體內(nèi)充入氣體成分濃度已知為Cl的標(biāo)準(zhǔn)氣體，使腔內(nèi)環(huán)境壓強為Px，x=l, 2……n，測量耐壓腔體內(nèi)的熱力學(xué)溫度為固定值時所述恒電位電化學(xué)氣體傳感器所輸出的電解電流Il ；
[0019]向所述氣體成分濃度為Cl的耐壓腔體內(nèi)充入氣體成分濃度已知為C’的標(biāo)準(zhǔn)氣體，使耐壓腔體內(nèi)壓力達到Ps，在熱力學(xué)溫度不變的前提下，通過C2=C’ +(Cl-C’ ) -Px/Ps,計算獲得耐壓腔體內(nèi)的氣體成分濃度C2 ;對所述耐壓腔體排氣，使耐壓腔體內(nèi)壓力下降至Px,此時耐壓腔體內(nèi)氣體成分濃度仍為C2，測量耐壓腔體內(nèi)的溫度為固定值時所述恒電位電化學(xué)氣體傳感器所輸出的電解電流12 ；
[0020]......[0021]向所述氣體成分濃度為Ct的耐壓腔體內(nèi)充入氣體成分濃度已知為C”的標(biāo)準(zhǔn)氣體，使耐壓腔體內(nèi)壓力達到Ps，在熱力學(xué)溫度不變的前提下，通過C (t+1)=c”+(ct-c”).ρx/ρs，計算獲得耐壓腔體內(nèi)的氣體成分濃度C (t+1);對所述耐壓腔體排氣，使耐壓腔體內(nèi)壓力下降至Ρχ，此時耐壓腔體內(nèi)氣體成分濃度仍為C (t+1)，測量耐壓腔體內(nèi)的溫度為固定值時所述恒電位電化學(xué)氣體傳感器所輸出的電解電流I (t+1)，2 ≤t≤(m-1)；
[0022]......[0023]根據(jù)氣體成分的濃度Cl、C2……Cm，以及上述各自濃度Cl、C2……Cm下恒電位電化學(xué)氣體傳感器所輸出的電解電流11、12……Im，m≥3，進行線性擬合，獲得該熱力學(xué)溫度固定值對應(yīng)的I=fx (C)；
[0024]X遍歷1，2……n，即可獲得同一 熱力學(xué)溫度，高壓環(huán)境壓強Pl對應(yīng)的I=f1 (C)、高壓環(huán)境壓強P2對應(yīng)的I=f2 (C)……高壓環(huán)境壓強Pn對應(yīng)的I=fn (C)。
[0025]可選地，所述氣體成分濃度C”的供氣源為所述特定氣體的零點氣。
[0026]可選地，氣體成分濃度C1的供氣源為所述特定氣體的零點氣。
[0027]可選地，所述氣體成分濃度C”與所述氣體成分濃度C’相等。[0028]可選地，所述耐壓腔體底部設(shè)置有體積調(diào)節(jié)活塞。
[0029]可選地，所述艙體內(nèi)部設(shè)置有內(nèi)置風(fēng)扇。
[0030]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有以下優(yōu)點:1)本發(fā)明首先在同一熱力學(xué)
溫度，分別獲取恒電位電化學(xué)氣體傳感器在環(huán)境壓強Pl、P2......Pn下,特定氣體成分濃度C
與對應(yīng)的恒電位電化學(xué)氣體傳感器所輸出的電解電流I之間的關(guān)系I=fl(C)、I=f2(C)......1=fn(C)，本步驟是對恒電位電化學(xué)氣體傳感器在幾個離散點的環(huán)境壓強P1、P2……Pn下，進行了氣體成分濃度-電解電流響應(yīng)曲線的校準(zhǔn)；接著根據(jù)恒電位電化學(xué)氣體傳感器的原理，溫度不變時，在每一個固定環(huán)境壓強下，電解電流I與溶解的氣體成分濃度C成正比，SPI=f (C)=Ka *D.C，其中Ka= (N.f.A) / δ，其中，N為每摩爾氣體產(chǎn)生的電子數(shù)，f為法拉第常數(shù)，A為氣體擴散面積，δ為擴散層厚度，上述各參數(shù)值均為常數(shù)，D為氣液界面、氣固界面(部分恒電位電化學(xué)氣體傳感器采用的是固體電解質(zhì))上的擴散系數(shù)且在固定溫度、壓強下為常數(shù)，結(jié)合前述步驟獲得的I=fl (C)、I=f2 (C)……I=fn (C)，對I=f (C)=Ka *D ?C進行線性擬合，即可獲取每個環(huán)境壓強Pl、P2……Pn對應(yīng)的Ka -D的值；然后再利用對于恒電位電化學(xué)氣體傳感器，在環(huán)境壓強P改變時，擴散系數(shù)D是隨環(huán)境壓強變化而變化的,對不同壓強P對應(yīng)的響應(yīng)曲線系數(shù)擬合Ka*D，得到其隨環(huán)境壓強的變化規(guī)律:Ka*D=g (P);根據(jù)I=Ka.D.C=g (P).C，即可得到該恒電位電化學(xué)傳感器在[Pl，Pn]區(qū)間內(nèi)任一壓力下的響應(yīng)曲線，即實現(xiàn)了對[Pl，Pn]范圍內(nèi)的任一環(huán)境壓強P下的恒電位電化學(xué)氣體傳感器的校準(zhǔn)。此處的任一是指[Pl，Pn]區(qū)間內(nèi)的任一連續(xù)點的P值，換言之，落在[Pl，Pn]區(qū)間內(nèi)所有點，而不限于P1、P2……Pn這些離散的點。上述過程通過幾個離散的點環(huán)境壓強下的氣體成分濃度-電解電流響應(yīng)曲線校準(zhǔn)，實現(xiàn)該些離散點最大、最小值范圍內(nèi)所有連續(xù)點環(huán)境壓強下的氣體成分濃度-電解電流響應(yīng)曲線校準(zhǔn)。
[0031]2)可選方案中，所述校準(zhǔn)方法采用耐壓腔體實現(xiàn)，所述耐壓腔體具有艙體、進氣閥、排氣閥、氣體米樣口、電連接件和溫壓一體傳感器，上述耐壓腔體用于模擬恒電位電化學(xué)氣體傳感器所處的高壓環(huán)境，為本校準(zhǔn)方法提供了一種具體的校準(zhǔn)裝置。
[0032]3)可選方案中，對于I)可選方案或2)可選方案中的獲取不同環(huán)境壓強P1、P2……Pn下的響應(yīng)曲線I=fl (C)、I=f2 (C)......1=fn (C)的方法有兩種:
[0033]a)向耐壓腔體內(nèi)充入氣體成分濃度已知為Cl的標(biāo)準(zhǔn)氣體，使腔內(nèi)環(huán)境壓強為Px(x=l，2……n)，測量耐壓腔體內(nèi)的熱力學(xué)溫度T (固定值)時所述恒電位電化學(xué)氣體傳感器所輸出的電解電流Il ;然后改變耐壓腔體內(nèi)已知氣體成分的濃度至已知值C2、C3……Cm(m≤3)，使腔內(nèi)環(huán)境壓強仍為Px(x=l，2……n)，分別測量耐壓腔體內(nèi)的溫度為熱力學(xué)溫度
T時，所述濃度C2、C3......Cm (m ^ 3)下恒電位電化學(xué)氣體傳感器所輸出的電解電流12、
13……Im (m≤3);之后根據(jù)已知氣體成分的濃度Cl、C2……Cm (m≤3)，以及上述各自濃度Cl、C2……Cm下恒電位電化學(xué)氣體傳感器所輸出的電解電流11、12……Im，進行線性擬合，獲得熱力學(xué)溫度T對應(yīng)的I=fx (C);即選取至少三對已知特定氣體成分濃度及其該濃度下恒電位電化學(xué)氣體傳感器所輸出的電解電流，采用線性擬合的方法，獲得熱力學(xué)溫度T對應(yīng)的I=fx(C)，x遍歷1，2……n，即可獲得同一熱力學(xué)溫度T，高壓環(huán)境壓強Pl對應(yīng)的I=fl (C)、高壓環(huán)境壓強P2對應(yīng)的I=f2 (C)……高壓環(huán)境壓強Pn對應(yīng)的I=fn (C)。本方案也稱為直接測量法，適于已知特定氣體成分的濃度值夠多的情況，例如濃度Cl、C2、C3......Cm Cm≤3)已知。可以理解的是，m足夠大,對I=fx (C)的校準(zhǔn)越準(zhǔn)確。[0034]b)向耐壓腔體內(nèi)充入氣體成分濃度已知為Cl的標(biāo)準(zhǔn)氣體，使腔內(nèi)環(huán)境壓強為Px (x=l，2……η)，測量耐壓腔體內(nèi)的熱力學(xué)溫度T (為固定值)時所述恒電位電化學(xué)氣體傳感器所輸出的電解電流Ii;然后在所述氣體成分濃度Cl的耐壓腔體內(nèi)充入已知氣體成分濃度C’的標(biāo)準(zhǔn)氣體，使耐壓腔體內(nèi)壓力達到Ps，在熱力學(xué)溫度T不變的前提下，通過C2=C’ +(Cl-Cj ).Ρχ/Ρ8獲得耐壓腔體內(nèi)的氣體成分濃度C2，對所述耐壓腔體排氣，使耐壓腔體內(nèi)壓力下降至Px，此時耐壓腔體內(nèi)氣體成分濃度仍為C2，測量耐壓腔體內(nèi)的溫度為熱力學(xué)溫度T時,高壓環(huán)境壓強Px下,特定氣體成分濃度C2對應(yīng)的恒電位電化學(xué)氣體傳感器所輸出的電解電流12 ;重復(fù)上述步驟……，之后在所述氣體成分濃度Ct (2≤t≤(m-1))的耐壓腔體內(nèi)充入已知氣體成分濃度C’’的標(biāo)準(zhǔn)氣體，使耐壓腔體內(nèi)壓力達到Ps，在熱力學(xué)溫度T不變的前提下，通過C (t+1) =C’’+(Ct-C’’).Ρχ/Ρ8獲得耐壓腔體內(nèi)的氣體成分濃度C (t+Ι)，對所述耐壓腔體排氣，使耐壓腔體內(nèi)壓力下降至Ρχ，此時耐壓腔體內(nèi)氣體成分濃度仍為C (t+Ι )，測量耐壓腔體內(nèi)的溫度為熱力學(xué)溫度T時，高壓環(huán)境壓強Px下，特定氣體成分濃度C (t+Ι)對應(yīng)的恒電位電化學(xué)氣體傳感器所輸出的電解電流I (t+Ι);重復(fù)上述步驟……，然后根據(jù)氣體成分的濃度C1、C2……Cm (m≤3)，以及上述各自濃度Cl、
C2......Cm下恒電位電化學(xué)氣體傳感器所輸出的電解電流I1、12......1m，進行線性擬合，獲
得熱力學(xué)溫度T對應(yīng)的I=fx(C)。本方案也是選取至少三對可知氣體成分濃度及其該濃度下恒電位電化學(xué)氣體傳感器所輸出的電解電流，采用線性擬合的方法，獲得I=fx (C)，X遍歷1，2……n，即可獲得同一熱力學(xué)溫度T，高壓環(huán)境壓強Pl對應(yīng)的I=f 1(C)、高壓環(huán)境壓強P2對應(yīng)的I=f2 (C)……高壓環(huán)境壓強Pn對應(yīng)的I=fn (C)。與a)方案不同的是，本方案中的特定氣體成分濃度不是已知，而是根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程獲知，也稱為根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程獲知法，適于已知特定氣體成分的濃度值不夠多的情況，例如濃度Cl、C2、C3……Cm Cm≤3)中，只有濃度Cl已知，其它C2、C3……Cm Cm≤3)都是在初始濃度Cl的耐壓腔體內(nèi)不斷充入其它氣體，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計算得來。可以理解的是，本方案相對于a)方案，可以節(jié)省氣體源的數(shù)目，因而成本較低。
[0035]4)可選方案中，對于3)可選方案中a)方案的氣體成分濃度Cl的供氣源為所述特定氣體的零點氣，換言之，該氣體成分濃度Cl為0，該濃度Cl為O的零點氣可以測量恒電位電化學(xué)氣體傳感器的零點電解電流值，即提供了電解電流的基準(zhǔn)，且在首次測量中獲得。
[0036]5)可選方案中，對于3)可選方案中b)方案的氣體成分濃度Cl的供氣源為所述特定氣體的零點氣。換言之，該濃度Cl為0，濃度Cl為O的零點氣可以測量恒電位電化學(xué)氣體傳感器的零點電解電流值，即提供了電解電流的基準(zhǔn)，且電解電流的基準(zhǔn)在首次測量中獲得。對于此種情況，已知氣體成分濃度C’的供氣源為包含所述特定氣體的氣體。
[0037]6)可選方案中，對于3)可選方案中b)方案的所述已知氣體成分濃度C’ ’的供氣源為所述特定氣體的零點氣，即在初始濃度Cl (已知且不為O)的耐壓腔體內(nèi)不斷充入其它不含所述特定氣體的氣體，或初始濃度Cl (已知且為O)的耐壓腔體內(nèi)在充入特定氣體成分濃度C’不為O的氣體后，不斷充入其它不含所述特定氣體的氣體，從而根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程計算獲得其它C2、C3……Cm (m≤3)。此外，已知特定氣體成分濃度C’’由于已知，因而其供氣源也可以為包含所述特定氣體的氣體。
[0038]7)可選方案中，對于3)可選方案中b)方案，所述已知氣體成分濃度C’ ’與已知氣體成分濃度C’相等，如此減少已知氣體的種類，有利于降低成本?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0039]圖1是本發(fā)明的高壓環(huán)境下恒電位電化學(xué)氣體傳感器的校準(zhǔn)方法示意圖；
[0040]圖2是本發(fā)明一個實施例的高壓環(huán)境下恒電位電化學(xué)氧氣傳感器的校準(zhǔn)方法流程圖；
[0041]圖3是圖2中校準(zhǔn)方法所使用的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0042]圖4是本發(fā)明另一個實施例的高壓環(huán)境下恒電位電化學(xué)氧氣傳感器的校準(zhǔn)方法與圖2中校準(zhǔn)方法的區(qū)別之處；
[0043]圖5是本發(fā)明另一個實施例的高壓環(huán)境下恒電位電化學(xué)氧氣傳感器的校準(zhǔn)方法所使用的裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0044]如【背景技術(shù)】中所述，恒電位電化學(xué)氣體傳感器是一種常用的氣體成分濃度測量裝置。目前常見的用于混合氣體成分濃度檢測的恒電位電化學(xué)氣體傳感器都是在常壓下操作使用的，而環(huán)境靜壓力的升高會導(dǎo)致恒電位電化學(xué)氣體傳感器的響應(yīng)增大、零點漂移，因而需要對高壓環(huán)境下的恒電位電化學(xué)氣體傳感器的氣體成分濃度與電解電流的響應(yīng)曲線進行校準(zhǔn)，上述校準(zhǔn)也稱對高壓環(huán)境下的恒電位電化學(xué)氣體傳感器的校準(zhǔn)。針對上述需求，本發(fā)明提供一種校準(zhǔn)方法。具體地，如圖1所示，首先在同一熱力學(xué)溫度，獲取傳感器對特定氣體的一系列氣體成分濃度C對應(yīng)輸出電解電流I，得到不同環(huán)境壓強P1、P2……Pn下的響應(yīng)曲線I=H (C)、I=f2 (C)……I=fn (C)，其中，P1、P2……Pn為固定值且依次遞增，本步驟也稱對恒電位電化學(xué)氣體傳感器在幾個離散點環(huán)境壓強P1、P2……Pn下，進行了氣體成分濃度-電解電流曲線的校準(zhǔn)；接著利用對于恒電位電化學(xué)氣體傳感器，在高壓環(huán)境壓強P固定時，I=f (C) =Ka *D.(:，其中Ka為常數(shù)，D為擴散系數(shù)且在高壓環(huán)境壓強P為固定值時也為常數(shù)，結(jié)合前述步驟獲得的I=f I (C)、I=f2 (C)……I=fn (C)，對I=f (C) =Ka *D.C進行線性擬合，即可獲取每個高壓環(huán)境壓強Pl、P2……Pn對應(yīng)的Ka.D的值；然后再利用對于恒電位電化學(xué)氣體傳感器，在高壓環(huán)境壓強P改變時，響應(yīng)曲線系數(shù)中的擴散系數(shù)D在固定溫度下隨環(huán)境壓強P變化的規(guī)律符合Ka.D=g (P);對不同壓強P對應(yīng)的響應(yīng)曲線系數(shù)的擬合Ka.D，即可根據(jù)I=Ka.D.C=g (P).C，對[Pl，Pn]范圍內(nèi)的任一環(huán)境壓強P下的恒電位電化學(xué)氣體傳感器進行校準(zhǔn)。
[0045]上述過程利用了恒電位電化學(xué)氣體傳感器的性質(zhì):恒電位電化學(xué)氣體傳感器輸出的電解電流為I= (N.f.A.D.C) / δ，其中，N為每摩爾氣體產(chǎn)生的電子數(shù)，f為法拉第常數(shù)，A為氣體擴散面積，δ為擴散層厚度，上述各參數(shù)值均為常數(shù)，D為擴散系數(shù)且在固定高壓環(huán)境壓強下為常數(shù)，即在固定高壓環(huán)境壓強P下，電解電流I與氣體成分濃度C成正比，即I=fn (C)=Ka.D.C，其中Ka為常數(shù)。
[0046]上述過程利用了恒電位電化學(xué)氣體傳感器自身的特性，通過對該氣體傳感器在某幾個離散環(huán)境壓強P1、P2……Pn下的氣體成分濃度-電解電流響應(yīng)曲線進行校準(zhǔn)，實現(xiàn)了PU P2……Pn中最小值到Pl、P2……Pn中最大值范圍內(nèi)任一環(huán)境壓強P下的氣體成分濃度-電解電流響應(yīng)曲線校準(zhǔn)。
[0047]在上述校準(zhǔn)方法中，在同一熱力學(xué)溫度,獲取傳感器對特定氣體的一系列氣體成分濃度C對應(yīng)輸出電解電流I，得到不同環(huán)境壓強Pl、P2……Pn下的響應(yīng)曲線I=fl (C)、I=f2 (C)……I=fn (C)有兩種方法。一種為直接測量法，一種為通過理想氣體狀態(tài)方程獲取法。以下分別進行介紹。
[0048]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實施例做詳細(xì)的說明。
[0049]本實施例中的特定氣體以氧氣為例，即恒電位電化學(xué)氣體傳感器為恒電位電化學(xué)
氧氣傳感器。
[0050]圖2所示為本發(fā)明實施例提供的高壓環(huán)境下恒電位電化學(xué)氧氣傳感器的校準(zhǔn)方法的流程圖。圖3所示為該校準(zhǔn)方法所述使用的校準(zhǔn)裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0051]參照圖3，該裝置包括耐壓腔體13，用于模擬恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11的高壓環(huán)境，恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11輸出所述耐壓腔體13內(nèi)的氧氣成分濃度對應(yīng)的電解電流I，此外，該裝置還包括:
[0052]壓力傳感器12，用于測定所述恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11所處環(huán)境的壓強P。
[0053]所述耐壓腔體13具有艙體(未標(biāo)示)，所述耐壓腔體13上裝有進氣閥15、排氣閥16、氣體采樣口 17、電連接件18和溫壓一體傳感器19的接口 20，所述艙體的密封蓋上設(shè)置有觀察窗21。
[0054]此外，該裝置還包括:所述耐壓腔體13底部設(shè)置的體積調(diào)節(jié)活塞14。換言之，可以采用整個耐壓腔體13的艙體作為恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11的高壓環(huán)境，也可以采用調(diào)節(jié)活塞14所限定的耐壓腔體13的部分艙體作為恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11的高壓環(huán)境。
[0055]參照圖2與圖3所示，以下介紹校準(zhǔn)方法。
[0056]首先執(zhí)行步驟S110，在耐壓腔體13內(nèi)充入已知氧氣成分濃度Cl至高壓環(huán)境壓強P1，測量耐壓腔體內(nèi)的溫度為熱力學(xué)溫度T時，所述濃度Cl下恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11所輸出的電解電流II。
[0057]本實施例中，氧氣成分濃度C的范圍為0-100%。另外，也可以結(jié)合恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11的具體使用條件，選取適合的氧氣成分濃度C的范圍。例如若該恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11用于人體呼吸的測量，氧氣成分濃度C的范圍可以為0-50%。
[0058]在具體實施過程中，先將恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11置于耐壓腔體13，并通過電連接件18對其供電，同時通過上述連接件將其輸出的電信號接出，后通過萬用表或數(shù)據(jù)采集電腦獲取電解電流I。旋轉(zhuǎn)體積調(diào)節(jié)活塞14，以盡量縮小腔體13的體積以達到節(jié)約氣體的目的。關(guān)閉觀察窗21上的門開(未標(biāo)示)，使耐壓腔體13內(nèi)處于密封狀態(tài)。
[0059]本發(fā)明中，由于耐壓腔體13提供了恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11所處的環(huán)境，因而耐壓腔體13內(nèi)的壓強即恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11的高壓環(huán)境壓強。
[0060]本步驟具體地，先將氧氣的零點氣體氮氣的高壓瓶經(jīng)一級減壓后接入進氣閥15，同時打開排氣閥16，通入氮氣進行洗艙I分鐘，直至耐壓腔體13內(nèi)全部為氮氣。之后關(guān)閉排氣閥16，繼續(xù)充入氮氣，直至壓力傳感器12顯示耐壓腔體13內(nèi)的壓強為Pl。記錄此時恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11輸出所述耐壓腔體13內(nèi)的氧氣成分濃度對應(yīng)的電解電流II。由于耐壓腔體13內(nèi)全部為氮氣，因而，氧氣的成分濃度Cl為O。以氧氣成分濃度C為橫坐標(biāo)，電解電流I為縱坐標(biāo)，本步驟在上述坐標(biāo)系中形成一個點(Cl，II)。[0061]本實施例中，為了防止溫度對電解電流I的影響，在記錄電解電流Il時，先靜置直至溫壓一體傳感器19顯示耐壓腔體13內(nèi)的溫度回落至室溫(27°C)。即本實施例中，熱力學(xué)溫度T為300K。
[0062]本實施例中，該Cl濃度氧氣的供氣源為氧氣的零點氣，該零點氣可以測量恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11的零點電解電流值，即在電解電流I首次測量中提供了電解電流I的基準(zhǔn)。其它實施例中，也可以采用已知氧氣成分濃度不為O的Cl濃度的氣體作為電解電流首次測量的供氣源，此時零點電解電流值通過現(xiàn)有其它方式確定。
[0063]接著執(zhí)行步驟S111，改變耐壓腔體13內(nèi)已知氧氣成分的濃度至已知值C2，保持耐壓腔體13內(nèi)壓強Pl不變，測量耐壓腔體內(nèi)的溫度為熱力學(xué)溫度T時，所述濃度C2下恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11所輸出的電解電流12。
[0064]本步驟在具體實施過程中可以為:打開排氣閥16，將已知濃度C2的氧氣的氧氣瓶經(jīng)一級減壓后接入進氣閥15，采用濃度C2的氧氣進行洗艙I分鐘，直至耐壓腔體13內(nèi)全部為濃度C2的氧氣。之后關(guān)閉排氣閥16，繼續(xù)通入濃度C2的氧氣，直至壓力傳感器12顯示耐壓腔體13內(nèi)的壓強為P1。記錄此時恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11輸出所述耐壓腔體13內(nèi)的氧氣成分濃度C2對應(yīng)的電解電流12。由于耐壓腔體13內(nèi)全部為已知成分濃度C2的氧氣。本步驟在由氧氣成分濃度C為橫坐標(biāo)，電解電流I為縱坐標(biāo)構(gòu)成的坐標(biāo)系中形成另一個點(C2，12)。
[0065]本步驟中，為了防止溫度對電解電流I的影響，在記錄電解電流12時，先靜置直至溫壓一體傳感器19顯示耐壓腔體13內(nèi)的溫度回落至室溫(27°C)。
[0066]在具體實施過程中，成分濃度C2例如可以為10%。為了檢驗洗艙徹底程度，可以打開氣體采樣口 17的減壓閥(未圖示)，將耐壓腔體13內(nèi)少量氣體減壓至常壓采樣至氧分析儀上測試，得到與10%濃度對比的參考值。此處使用的氧分析儀的濃度測量精度需達到被校準(zhǔn)恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11精度高一級別。
[0067]然后執(zhí)行步驟S112，改變耐壓腔體13內(nèi)已知氧氣成分的濃度至已知值C3，保持耐壓腔體13內(nèi)壓強Pl不變，測量耐壓腔體內(nèi)的溫度為熱力學(xué)溫度T時，所述濃度C3下恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11所輸出的電解電流13。
[0068]本步驟類似步驟S111，具體地，打開排氣閥16，將濃度C3的氧氣的氧氣瓶經(jīng)一級減壓后接入進氣閥15，采用濃度C3的氧氣進行洗艙I分鐘，直至耐壓腔體13內(nèi)全部為濃度C3的氧氣。之后關(guān)閉排氣閥16，繼續(xù)通入濃度C3的氧氣，直至壓力傳感器12顯示耐壓腔體13內(nèi)的壓強為P1。記錄此時恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11輸出所述耐壓腔體13內(nèi)的氧氣成分濃度C3對應(yīng)的電解電流13。由于耐壓腔體13內(nèi)全部為已知成分濃度C3的氧氣。本步驟在由氧氣成分濃度C為橫坐標(biāo)，電解電流I為縱坐標(biāo)構(gòu)成的坐標(biāo)系中形成第三個點(C3,13)。
[0069]本步驟優(yōu)選在記錄電解電流13時，先靜置直至溫壓一體傳感器19顯示耐壓腔體13內(nèi)的溫度回落至室溫(27°C)。在具體實施過程中，成分濃度C3例如可以為20%，其檢驗洗艙程度方法可以參照步驟SI 11。
[0070]重復(fù)上述步驟多次，在氧氣成分濃度C-電解電流I的坐標(biāo)系中形成多個點(C4，14)、(C5,15)......(Cm, Im)。
[0071]考慮到之后步驟S113中的線性擬合準(zhǔn)確性，上述步驟在由氧氣成分濃度C為橫坐標(biāo)，電解電流I為縱坐標(biāo)構(gòu)成的坐標(biāo)系中形成的點至少為三個。
[0072]隨后執(zhí)行步驟S113，根據(jù)已知氧氣成分的濃度C1、C2……Cm(m≥3)，以及上述各自濃度C1、C2……Cm(m≥3)下恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11所輸出的電解電流I1、12……Im，進行線性擬合，獲得熱力學(xué)溫度T對應(yīng)的I=fl (C)。
[0073]本步驟的線性擬合參照現(xiàn)有的線性擬合方法，例如采用EXCEL中的線性擬合功能，具體方法在此不再贅述。為了減小計算量，優(yōu)選地，m為5，即上述點為五個。
[0074]綜上，步驟S110-S113的作用為:在氧氣成分濃度C-電解電流I的坐標(biāo)系中形成至少三個點，進行線性擬合，獲得熱力學(xué)溫度T對應(yīng)的I=H (C)，即校準(zhǔn)了高壓環(huán)境壓強Pl下的氧氣成分濃度C-電解電流I曲線。
[0075]接著執(zhí)行步驟S114，改變環(huán)境壓強至P2，重復(fù)上述獲得環(huán)境壓強Pl下的I=H(C)步驟，即可獲得熱力學(xué)溫度T對應(yīng)的I=f2 (C)。
[0076]然后執(zhí)行步驟SI 15，改變環(huán)境壓強至P3、P4……Pn，重復(fù)上述獲得環(huán)境壓強Pl下的I=fl (C)步驟，即可獲得熱力學(xué)溫度T對應(yīng)的I=f3 (C)、I=f4 (C)……I=fn (C)。
[0077]上述步驟中，P1、P2……Pn為固定值。
[0078]可以看出，上述步驟S110-S115的目的是，在同一熱力學(xué)溫度T，分別獲取恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11在高壓環(huán)境壓強P為固定值P1、P2……Pn下，氧氣成分濃度C與對應(yīng)
的恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11所輸出的電解電流I之間的關(guān)系I=fl (C)、I=f2 (C)......1=fn (C)。
[0079]接著執(zhí)行步驟S12，在環(huán)境壓強Pl、P2……Pn下，對于恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11，I=f (C)=Ka.D.C，其中Ka為常數(shù)，D為擴散系數(shù)且在環(huán)境壓強P為固定值時也為常數(shù)，對I=f (C) =Ka.D.C進行線性擬合，獲取每個環(huán)境壓強P1、P2……Pn對應(yīng)的Ka.D的值。
[0080]本步驟的原理為:對于恒電位電化學(xué)氣體傳感器，其輸出的電解電流為I=(N.f.A.D.C) / δ，其中，N為每摩爾氣體產(chǎn)生的電子數(shù)，f為法拉第常數(shù)，A為氣體擴散面積，S為擴散層厚度，上述各參數(shù)值均為常數(shù)，D為待測氣體與電解質(zhì)溶液的氣液界面上的擴散系數(shù)且在固定環(huán)境壓強下為常數(shù)。換言之，在固定環(huán)境壓強P下，電解電流I與電解質(zhì)溶液中電解的氣體成分濃度C成正比，即I=f (C) =Ka *D.C，其中Ka為常數(shù)。恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11也滿足上述規(guī)律。
[0081]本步驟在對I=f (C) =Ka.D.C進行線性擬合時，結(jié)合了 S110-S115獲得的I=H(C)、I=f2 (C)……I=fn (C)?？梢岳斫獾氖牵鐖D1所示，對于高壓環(huán)境壓強Pl對應(yīng)的I=fl (C)，結(jié)合I=f (C) =Ka *D.C，可以獲得一個Ka *D的值。對于高壓環(huán)境壓強P2對應(yīng)的I=f2 (C)，結(jié)合I=f (C)=Ka.D.C，可以獲得另一個Ka.D的值。……對于高壓環(huán)境壓強Pn對應(yīng)的I=fn (C)，結(jié)合I=f (C) =Ka.D.C，可以獲得再一個Ka.D的值。換言之，本步驟可以獲得一系列Ka.D的值。
[0082]然后執(zhí)行步驟S13，在高壓環(huán)境壓強P為不同值Pl、P2……Pn下，對于恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11，響應(yīng)曲線系數(shù)中的擴散系數(shù)D在固定溫度下隨環(huán)境壓強P變化的規(guī)律符合Ka.D=g (P)，根據(jù)高壓環(huán)境壓強P1、P2……Pn對應(yīng)的一系列Ka.D的值，對Ka.D=g(P)進行擬合，獲得g (P)。
[0083]本步驟的原理為:對于恒電位電化學(xué)氣體傳感器，當(dāng)高壓環(huán)境壓強P變化時，響應(yīng)曲線系數(shù)中的擴散系數(shù)D在固定溫度下隨環(huán)境壓強P變化的規(guī)律符合Ka.D=g (P)，因而根據(jù)一系列環(huán)境壓強P與對應(yīng)的一系列Ka.D的值，對Ka.D=g (P)進行擬合，即可獲得g(P)。由于氣液、氣固界面氣體溶解的復(fù)雜性，g (P)為一非線性方程。恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11也滿足上述規(guī)律。
[0084]本步驟的擬合參照現(xiàn)有的擬合方法，例如采用EXCEL中的線性擬合功能，具體方法在此不再贅述。考慮到本步驟中的擬合準(zhǔn)確性，η至少為3。
[0085]再接著執(zhí)行步驟S14，根據(jù)I=f (C) =g (P).C，對[Pl，Pn]范圍內(nèi)的任一環(huán)境壓強P下的恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11進行校準(zhǔn)。
[0086]已知g (P)，改變環(huán)境壓強P，即可對P1、P2……Pn中最小值到P1、P2……Pn中最大值范圍內(nèi)任一環(huán)境壓強P下的氣體成分濃度-電解電流響應(yīng)曲線校準(zhǔn)。
[0087]此處的任一是指[Pl，Pn]區(qū)間內(nèi)的任一連續(xù)點的P值，換言之，落在[Pl，Pn]區(qū)間內(nèi)所有點，而不限于Pl、P2……Pn這些離散的點。
[0088]上述步驟中，利用了恒電位電化學(xué)氧氣傳感器自身的特性，通過幾個離散的點環(huán)境壓強下的氣體成分濃度-電解電流響應(yīng)曲線校準(zhǔn)，實現(xiàn)該些離散點最大、最小值范圍內(nèi)所有連續(xù)點環(huán)境壓強下的氣體成分濃度-電解電流響應(yīng)曲線校準(zhǔn)。其它實施例中，由于上述規(guī)律適用于所有恒電位電化學(xué)氣體傳感器，因而，對于其它恒電位電化學(xué)氣體傳感器可以測量的氣體類型，例如一氧化碳、硫化氫、二氧化硫、三氧化硫、一氧化氮、二氧化氮等，不限于氧氣，也可以該特定氣體的成分濃度C在不同高壓環(huán)境P下的測量結(jié)果進行校準(zhǔn)。
[0089]此外，本發(fā)明還提供了恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11的另一種校準(zhǔn)方法。
[0090]與前述方法相比，區(qū)別在于:如圖4所示，不同于步驟S110-S115中采用直接在耐壓腔體13內(nèi)充入已知氣體成分濃度C1、C2……Cm (m ^ 3)的氣體獲取電解電流I的方法，而是采用步驟S210-S215中首次充入已知氣體成分濃度Cl的氣體，然后不斷在Cl成分濃度的氣體中充入已知成分濃度的氣體獲取電解電流I，而充入氣體后的成分濃度利用理想氣體狀態(tài)方程獲取。相應(yīng)地，對于該校準(zhǔn)方法使用的裝置，區(qū)別在于:如圖5所示，所述艙體內(nèi)部設(shè)置有內(nèi)置風(fēng)扇22。
[0091]以下重點介紹兩種校準(zhǔn)方法的區(qū)別之處，具體地，該另一種校準(zhǔn)方法步驟包括:
[0092]首先執(zhí)行步驟S210，在耐壓腔體13內(nèi)充入已知氧氣成分濃度Cl至高壓環(huán)境壓強P1，測量耐壓腔體內(nèi)的溫度為熱力學(xué)溫度T時，所述濃度Cl下恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11所輸出的電 解電流II。
[0093]具體地，先將氧氣的零點氣體氮氣的高壓瓶經(jīng)一級減壓后接入進氣閥15，打開排氣閥16，通入氮氣進行洗艙I分鐘，直至耐壓腔體13內(nèi)全部為氮氣。之后關(guān)閉排氣閥16，進而充入氮氣，至壓力傳感器12顯示耐壓腔體13內(nèi)的壓強為P1。記錄此時恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11輸出所述耐壓腔體13內(nèi)的氧氣成分濃度對應(yīng)的電解電流輸出值II。由于耐壓腔體13內(nèi)全部為氮氣，因而，氧氣的成分濃度Cl為O。以氧氣成分濃度C為橫坐標(biāo)，電解電流I為縱坐標(biāo)，本步驟在上述坐標(biāo)系中形成一個點(Cl，II)。
[0094]上述過程在室溫下操作，即為了防止溫度對電解電流I的影響，在記錄電解電流Il時，先靜置直至溫壓一體傳感器19顯示耐壓腔體13內(nèi)的溫度回落至室溫(27°C)。即本實施例中，熱力學(xué)溫度T為300K。
[0095]與實施例一類似，該Cl濃度氧氣的供氣源為氧氣的零點氣，該零點氣可以測量恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11的零點電解電流值，即在電解電流I的首次測量中提供了電解電流的基準(zhǔn)。其它實施例中，也可以采用已知氧氣成分濃度不為O的Cl濃度的氣體作為電解電流首次測量的供氣源，此時零點電解電流值通過現(xiàn)有其它方式確定。
[0096]接著執(zhí)行步驟S211，在所述氧氣成分濃度Cl的耐壓腔體13內(nèi)充入已知氧氣成分濃度C’的氧氣，使耐壓腔體13內(nèi)壓力達到Ps，在熱力學(xué)溫度T不變的前提下，通過C2=C’ +(Cl-Cj ) -Pl/Ps獲得耐壓腔體13內(nèi)的氧氣成分濃度C2，對所述耐壓腔體13排氣，使耐壓腔體13內(nèi)壓力下降至P1，此時耐壓腔體13內(nèi)氧氣成分濃度仍為C2，測量耐壓腔體內(nèi)的溫度為熱力學(xué)溫度T時,高壓環(huán)境壓強Pl下，氧氣成分濃度C2對應(yīng)的恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11所輸出的電解電流12。
[0097]本實施例中，由于Cl濃度氧氣的供氣源為氧氣的零點氣，氧氣成分濃度C’的氣體的供氣源不為氧氣的零點氣。對于其它實施例中采用已知氧氣成分濃度不為O的Cl濃度的氣體作為電解電流首次測量的供氣源時，本步驟中氧氣成分濃度C’的氣體的供氣源可以為氧氣的零點氣。[0098]本步驟在具體實施過程中可以為:將成分濃度C’的氧氣的氧氣瓶經(jīng)一級減壓后接入進氣閥15，打開內(nèi)置風(fēng)扇22使成分濃度為Cl的氣體與成分濃度為C’的氣體快速混合均勻，直至壓力傳感器12顯示耐壓腔體13內(nèi)的壓強為Ps時停止充入成分濃度C’的氧氣，上述過程中排氣閥16處于關(guān)閉狀態(tài)。靜置直至溫壓一體傳感器19顯示耐壓腔體13內(nèi)的溫度回落至室溫(27°C)。成分濃度為Cl的氣體與成分濃度為C’的氣體混合后形成成分濃度為C2的氣體。之后，打開排氣閥16，對所述耐壓腔體13排氣，使耐壓腔體13內(nèi)壓力下降至P1，此時耐壓腔體13內(nèi)氧氣成分濃度仍為C2。測量耐壓腔體內(nèi)的溫度為熱力學(xué)溫度T時，高壓環(huán)境壓強Pl下，氧氣成分濃度C2對應(yīng)的恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11所輸出的電解電流12。本步驟在以氧氣成分濃度C為橫坐標(biāo)，電解電流I為縱坐標(biāo)構(gòu)成的坐標(biāo)系中形成另一個點(C2，12)。
[0099]可以理解的是，在充入成分濃度為C’的氣體前，耐壓腔體13內(nèi)的氧氣成分濃度為Cl，壓強為P1，體積為V，溫度為T，所有氣體物質(zhì)的量為nl，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程:
[0100]PlV/T=nlR, R 為氣體常量；
[0101]在充入成分濃度為C’的氣體后，由于充入氣體前后體積V及溫度T都未發(fā)生變化，因而耐壓腔體13內(nèi)的氣體成分濃度為C2，壓強為Ps，體積為V，溫度為T，所有氣體物質(zhì)的量為n2，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程:
[0102]PsV/T=n2R, R 為氣體常量。
[0103]聯(lián)立兩式，可以得到:Pl/nl=Ps/n2 ;
[0104]即充入氣體的物質(zhì)的量Λ n=n2_nl=nl.Ps/Pl-nl。
[0105]充入氧氣的物質(zhì)的量C，(n2-nl)=C，(Ps/Pl_l)nl;
[0106]混合氣體成分濃度C2 為:C2=【nl.Cl+C’(Ps/Pl_l)nl】/n2=【Cl+C’(Ps/Pl-1)】/【Ps/Pl】=C，+(Cl-C，).Pl/Ps。
[0107]然后執(zhí)行步驟S212，在所述氧氣成分濃度C2的耐壓腔體13內(nèi)充入已知氧氣成分濃度C’’的氧氣，使耐壓腔體13內(nèi)壓力達到Ps，在熱力學(xué)溫度T不變的前提下，通過C3=C’ ’ +(C2-C’ ’ ).Pl/Ps獲得耐壓腔體13內(nèi)的氧氣成分濃度C3，對所述耐壓腔體13排氣，使耐壓腔體內(nèi)壓力下降至P1，此時耐壓腔體13內(nèi)氧氣成分濃度仍為C3，測量耐壓腔體內(nèi)的溫度為熱力學(xué)溫度T時,高壓環(huán)境壓強Pl下,氧氣成分濃度C3對應(yīng)的恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11所輸出的電解電流13。
[0108]本步驟類似步驟S211，具體地，將成分濃度C’’的氧氣的氧氣瓶經(jīng)一級減壓后接入進氣閥15，打開內(nèi)置風(fēng)扇22使成分濃度為C2的氣體與成分濃度為C’’的氣體快速混合均勻，直至壓力傳感器12顯示耐壓腔體13內(nèi)的壓強為Ps時停止充入成分濃度C’ ’的氧氣，上述過程中排氣閥16處于關(guān)閉狀態(tài)。靜置直至溫壓一體傳感器19顯示耐壓腔體13內(nèi)的溫度回落至室溫(27°C)。成分濃度為C2的氣體與成分濃度為C’’的氣體混合后形成成分濃度為C3的氣體。之后，打開排氣閥16，對所述耐壓腔體13排氣，使耐壓腔體13內(nèi)壓力下降至P1，此時耐壓腔體13內(nèi)氧氣成分濃度仍為C3。測量耐壓腔體內(nèi)的溫度為熱力學(xué)溫度T時，高壓環(huán)境壓強Pl下，氧氣成分濃度C3對應(yīng)的恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11所輸出的電解電流13。本步驟在以氧氣成分濃度C為橫坐標(biāo)，電解電流I為縱坐標(biāo)構(gòu)成的坐標(biāo)系中形成第三個點(C3，13)。
[0109]可以理解的是，在充入成分濃度為C’ ’的氣體前，耐壓腔體13內(nèi)的氧氣成分濃度為C2，壓強為P1，體積為V，溫度為T，所有氣體物質(zhì)的量為n2，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程:
[0110]PlV/T=n2R, R 為氣體常量；
[0111]在充入成分濃度為C’ ’的氣體后，由于充入氣體前后體積V及溫度T都未發(fā)生變化，因而耐壓腔體13內(nèi)的氣體成分濃度為C3，壓強為Ps，體積為V，溫度為T，所有氣體物質(zhì)的量為n3，根據(jù)理想氣體狀態(tài)方程:
[0112]PsV/T=n3R, R 為氣體常量。
[0113]聯(lián)立兩式，可以得到:Pl/n2=Ps/n3 ；
[0114]即充入氣體的物質(zhì)的量Λ η=η3-η2=η2.Ps/Pl - n2。
[0115]充入氧氣的物質(zhì)的量C’’ (n3-n2)=C，，(Ps/Pl_l)n2;
[0116]混合氣體成分濃度C3 為:C3= [n2.C2+C，，(Ps/Pl-1) n2】/n3=【C2+C” (Ps/Pl-1)]/【Ps/Pl】=C，，+(C2-C，，).Pl/Ps。
[0117]本實施例中，已知特定氣體成分濃度C’ ’的供氣源為所述特定氣體的零點氣，即在初始濃度Cl (已知且不為O)的耐壓腔體內(nèi)不斷充入其它不含所述特定氣體的氣體，或在初始濃度Cl (為O)的耐壓腔體內(nèi)先充入其它含所述特定氣體的氣體(已知特定氣體成分濃度C’不為0)，后沖入其它不含所述特定氣體的氣體。所述已知氧氣成分濃度C’ ’與所述已知氧氣成分濃度C’可以相等，也可以不相等，即可以采用一個相同的供氣源，也可以采用不同的供氣源，考慮到節(jié)約成本，優(yōu)選兩者采用一個相同的供氣源。
[0118]重復(fù)上述步驟多次，在氧氣成分濃度C-電解電流I的坐標(biāo)系中形成多個點(C4，14)、(C5,15)......(Cm, Im)。
[0119]考慮到之后步驟S213中的線性擬合準(zhǔn)確性，上述步驟在以氧氣成分濃度C為橫坐標(biāo)，電解電流I為縱坐標(biāo)構(gòu)成的坐標(biāo)系中形成的點至少為三個。
[0120]之后執(zhí)行步驟S213，根據(jù)氧氣成分的濃度C1、C2……Cm(m≥3)，以及上述各自濃度Cl、C2……Cm (m≥3 )下恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11所輸出的電解電流11、12……ImCm≥3)，進行線性擬合，獲得熱力學(xué)溫度T對應(yīng)的I=fl (C)。
[0121]本步驟的線性擬合參照現(xiàn)有的線性擬合方法，例如采用EXCEL中的線性擬合功能，具體方法在此不再贅述。為了減小計算量，優(yōu)選地，m為5，即上述點為五個。[0122]接著執(zhí)行步驟S214，改變環(huán)境壓強至P2，重復(fù)上述獲得環(huán)境壓強Pl下的I=H(C)步驟，即可獲得熱力學(xué)溫度T對應(yīng)的I=f2 (C)。
[0123]然后執(zhí)行步驟S215，改變環(huán)境壓強至P3、P4……Pn，重復(fù)上述獲得環(huán)境壓強Pl下的I=fl (C)步驟，即可獲得熱力學(xué)溫度T對應(yīng)的I=f3 (C)、I=f4 (C)……I=fn (C)。
[0124]可以看出，上述步驟S210-S215的目的是，在同一熱力學(xué)溫度T，分別獲取恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11在高壓環(huán)境壓強P為固定值P1、P2……Pn下，氧氣成分濃度C與對應(yīng)
的恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11所輸出的電解電流I之間的關(guān)系I=fl (C)、I=f2 (C)......1=fn(C)，即每個壓強P1、P2……Pn下，氧氣成分濃度與電解電流之間的相應(yīng)曲線I=fl(C)、I=f2 (C)……I=fn (C)。本步驟實現(xiàn)了對恒電位電化學(xué)氣體傳感器在幾個離散點環(huán)境壓強P1、P2……Pn下，進行了氣體成分濃度-電解電流曲線的校準(zhǔn)。
[0125]雖然本發(fā)明披露如上，但本發(fā)明并非限定于此。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，均可作各種更動與修改，因此本發(fā)明的保護范圍應(yīng)當(dāng)以權(quán)利要求所限定的范圍為 準(zhǔn)。
【權(quán)利要求】
1.一種高壓環(huán)境下恒電位電化學(xué)氣體傳感器的校準(zhǔn)方法，其特征在于，包括: 在同一熱力學(xué)溫度下，獲取傳感器對特定氣體的一系列氣體成分濃度對應(yīng)輸出的電解電流，得到不同高壓環(huán)境壓強P1、P2……Pn下的響應(yīng)曲線I=fl (C)、I=f2 (C)……I=fn(C)，其中，P1、P2……Pn為固定值且依次遞增，C為氣體成分濃度，I為電解電流； 在高壓環(huán)境壓強固定時，I=f (O =Ka *D.(:，其中Ka為常數(shù)，D為擴散系數(shù)且在高壓環(huán)境壓強為固定值時也為常數(shù)，對不同高壓環(huán)境壓強對應(yīng)的響應(yīng)曲線系數(shù)擬合Ka.D，得到響應(yīng)曲線系數(shù)中的擴散系數(shù)在固定溫度下隨環(huán)境壓強變化的規(guī)律Ka -D=g (P)，其中P為環(huán)境壓強，根據(jù)I=Ka.D.C=g (P).C，即可得到該恒電位電化學(xué)傳感器在[Pl，Pn]區(qū)間內(nèi)任一壓強下的響應(yīng)曲線，即達到了對該傳感器在高壓下進行校準(zhǔn)的目的。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的校準(zhǔn)方法，其特征在于，所述校準(zhǔn)方法采用耐壓腔體實現(xiàn)，所述耐壓腔體具有艙體、進氣閥、排氣閥、氣體采樣口、電連接件和溫壓一體傳感器。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的校準(zhǔn)方法，其特征在于，獲取不同環(huán)境壓強P1、P2……Pn下的響應(yīng)曲線I=fl (C)、I=f2 (C)……I=fn (C)的方法為: 向耐壓腔體內(nèi)充入氣體成分濃度已知為Cl的標(biāo)準(zhǔn)氣體，使腔內(nèi)環(huán)境壓強為Px，x=l,2……n，測量耐壓腔體內(nèi)的熱力學(xué)溫度為固定值時所述恒電位電化學(xué)氣體傳感器所輸出的電解電流Il ; 向耐壓腔體內(nèi)充入氣體成分濃度已知為C2、C3……Cm的標(biāo)準(zhǔn)氣體，使腔內(nèi)環(huán)境壓強仍為Px，x=l,2……n，測量耐壓腔體內(nèi)的溫度為固定值時所述恒電位電化學(xué)氣體傳感器輸出的電解電流12、13......1m, m≤3 ; 根據(jù)已知氣體成分的濃度C l、C2……Cm，以及上述各自濃度Cl、C2……Cm下恒電位電化學(xué)氣體傳感器所輸出的電解電 流11、12……Im，進行線性擬合，獲得該熱力學(xué)溫度固定值對應(yīng)的I=fx (C)； X遍歷1，2……n，即可獲得同一熱力學(xué)溫度，高壓環(huán)境壓強Pl對應(yīng)的I=fl (C)、高壓環(huán)境壓強P2對應(yīng)的I=f2 (C)......高壓環(huán)境壓強Pn對應(yīng)的I=fn (C)。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的校準(zhǔn)方法，其特征在于，氣體成分濃度Cl的供氣源為所述特定氣體的零點氣。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的校準(zhǔn)方法，其特征在于，獲取不同環(huán)境壓強P1、P2……Pn下的響應(yīng)曲線I=fl (C)、I=f2 (C)……I=fn (C)的方法為: 向耐壓腔體內(nèi)充入氣體成分濃度已知為Cl的標(biāo)準(zhǔn)氣體，使腔內(nèi)環(huán)境壓強為Px，x=l,2……n，測量耐壓腔體內(nèi)的熱力學(xué)溫度為固定值時所述恒電位電化學(xué)氣體傳感器所輸出的電解電流Il ; 向所述氣體成分濃度為Cl的耐壓腔體內(nèi)充入氣體成分濃度已知為C’的標(biāo)準(zhǔn)氣體，使耐壓腔體內(nèi)壓力達到Ps，在熱力學(xué)溫度不變的前提下，通過C2=C’ +(C1-C’ ).Ρχ/Ρ8，計算獲得耐壓腔體內(nèi)的氣體成分濃度C2;對所述耐壓腔體排氣，使耐壓腔體內(nèi)壓力下降至Ρχ，此時耐壓腔體內(nèi)氣體成分濃度仍為C2，測量耐壓腔體內(nèi)的溫度為固定值時所述恒電位電化學(xué)氣體傳感器所輸出的電解電流12 ； 向所述氣體成分濃度為Ct的 耐壓腔體內(nèi)充入氣體成分濃度已知為C’’的標(biāo)準(zhǔn)氣體，使耐壓腔體內(nèi)壓力達到Ps，在熱力學(xué)溫度不變的前提下，通過C (t+l)=C’’ +(Ct-C’’)-Px/Ps，計算獲得耐壓腔體內(nèi)的氣體成分濃度C (t+1);對所述耐壓腔體排氣，使耐壓腔體內(nèi)壓力下降至Px，此時耐壓腔體內(nèi)氣體成分濃度仍為C (t+Ι)，測量耐壓腔體內(nèi)的溫度為固定值時所述恒電位電化學(xué)氣體傳感器所輸出的電解電流I (t+l)，2≤； 根據(jù)氣體成分的濃度Cl、C2……Cm，以及上述各自濃度Cl、C2……Cm下恒電位電化學(xué)氣體傳感器所輸出的電解電流11、12……Im，m> 3，進行線性擬合，獲得該熱力學(xué)溫度固定值對應(yīng)的I=fx (C)； X遍歷1，2……n，即可獲得同一熱力學(xué)溫度，高壓環(huán)境壓強Pl對應(yīng)的I=fl (C)、高壓環(huán)境壓強P2對應(yīng)的I=f2 (C)......高壓環(huán)境壓強Pn對應(yīng)的I=fn (C)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的校準(zhǔn)方法，其特征在于，所述氣體成分濃度C’’的供氣源為所述特定氣體的零點氣。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的校準(zhǔn)方法，其特征在于，氣體成分濃度Cl的供氣源為所述特定氣體的零點氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的校準(zhǔn)方法，其特征在于，所述氣體成分濃度C’’與所述氣體成分濃度C’相等。
9.根據(jù)權(quán)利要求2所述的校準(zhǔn)方法，其特征在于，所述耐壓腔體底部設(shè)置有體積調(diào)節(jié)活塞。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的校準(zhǔn)方法，其特征在于，所述艙體內(nèi)部設(shè)置有內(nèi)置風(fēng)扇。
【文檔編號】G01N27/26GK103884750SQ201410146034
【公開日】2014年6月25日 申請日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】閆碩, 陳杰, 方以群, 魯剛, 李丹, 黃新宇, 姚健 申請人:中國人民解放軍海軍醫(yī)學(xué)研究所