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(gè)離散環(huán)境壓強(qiáng)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(qiáng)下傳感器電解電流和氣體成分濃度之間的響應(yīng)曲線，實(shí)現(xiàn)對(duì)恒電位電化學(xué)氣體傳感器進(jìn)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(shí)，在該指定電位下進(jìn)行氧化或還原反應(yīng)，產(chǎn)生的信號(hào)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(huì)導(dǎo)致恒電位電化學(xué)氣體傳感器的響應(yīng)增大、零點(diǎn)漂移。
[0004]有鑒于此，實(shí)有必要提供一種校準(zhǔn)方法，以實(shí)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(shí)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(duì)特定氣體的一系列氣體成分濃度對(duì)應(yīng)輸出的電解電流，得到不同高壓環(huán)境壓強(qiáng)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(qiáng)固定時(shí)，I=f (C) =Ka.?.(:，其中Ka為常數(shù)，D為擴(kuò)散系數(shù)且在高壓環(huán)境壓強(qiáng)為固定值時(shí)也為常數(shù)，對(duì)不同高壓環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)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(kuò)散系數(shù)在固定溫度下隨環(huán)境壓強(qiáng)變化的規(guī)律Ka -D=g (P)，其中P為環(huán)境壓強(qiáng)，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(qiáng)下的響應(yīng)曲線，即達(dá)到了對(duì)該傳感器在高壓下進(jìn)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(shí)現(xiàn)，所述耐壓腔體具有艙體、進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(qiáng)仍為Ρχ，χ=1,2……n，測量耐壓腔體內(nèi)的溫度為固定值時(shí)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?dú)怏w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(jìn)行線性擬合，獲得該熱力學(xué)溫度固定值對(duì)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(qiáng)Pl對(duì)應(yīng)的I=fl (C)、
高壓環(huán)境壓強(qiáng)P2對(duì)應(yīng)的I=f2 (C)……高壓環(huán)境壓強(qiáng)Pn對(duì)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(diǎn)氣。
[0017]可選地，獲取不同環(huán)境壓強(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(dá)到Ps，在熱力學(xué)溫度不變的前提下，通過C2=C’ +(Cl-C’ ) -Px/Ps,計(jì)算獲得耐壓腔體內(nèi)的氣體成分濃度C2 ;對(duì)所述耐壓腔體排氣，使耐壓腔體內(nèi)壓力下降至Px,此時(shí)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(shí)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(dá)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(jì)算獲得耐壓腔體內(nèi)的氣體成分濃度C (t+1);對(duì)所述耐壓腔體排氣，使耐壓腔體內(nèi)壓力下降至Ρχ，此時(shí)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(shí)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(jìn)行線性擬合，獲得該熱力學(xué)溫度固定值對(duì)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(qiáng)Pl對(duì)應(yīng)的I=f1 (C)、高壓環(huán)境壓強(qiáng)P2對(duì)應(yīng)的I=f2 (C)……高壓環(huán)境壓強(qiáng)Pn對(duì)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(diǎn)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(diǎn)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(diǎn):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(qiáng)Pl、P2......Pn下,特定氣體成分濃度C
與對(duì)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(duì)恒電位電化學(xué)氣體傳感器在幾個(gè)離散點(diǎn)的環(huán)境壓強(qiáng)P1、P2……Pn下，進(jìn)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(shí)，在每一個(gè)固定環(huán)境壓強(qiáng)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(kuò)散面積，δ為擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)且在固定溫度、壓強(qiáng)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(duì)I=f (C)=Ka *D ?C進(jìn)行線性擬合，即可獲取每個(gè)環(huán)境壓強(qiáng)Pl、P2……Pn對(duì)應(yīng)的Ka -D的值；然后再利用對(duì)于恒電位電化學(xué)氣體傳感器，在環(huán)境壓強(qiáng)P改變時(shí)，擴(kuò)散系數(shù)D是隨環(huán)境壓強(qiáng)變化而變化的,對(duì)不同壓強(qiáng)P對(duì)應(yīng)的響應(yīng)曲線系數(shù)擬合Ka*D，得到其隨環(huán)境壓強(qiáng)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(shí)現(xiàn)了對(duì)[Pl，Pn]范圍內(nèi)的任一環(huán)境壓強(qiáng)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(diǎn)的P值，換言之，落在[Pl，Pn]區(qū)間內(nèi)所有點(diǎn)，而不限于P1、P2……Pn這些離散的點(diǎn)。上述過程通過幾個(gè)離散的點(diǎn)環(huán)境壓強(qiáng)下的氣體成分濃度-電解電流響應(yīng)曲線校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)該些離散點(diǎn)最大、最小值范圍內(nèi)所有連續(xù)點(diǎn)環(huán)境壓強(qiáng)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(shí)現(xiàn)，所述耐壓腔體具有艙體、進(jìn)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(duì)于I)可選方案或2)可選方案中的獲取不同環(huán)境壓強(qiáng)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(qiáng)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(shí)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?dú)怏w成分的濃度至已知值C2、C3……Cm(m≤3)，使腔內(nèi)環(huán)境壓強(qiáng)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(shí)，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?dú)怏w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(jìn)行線性擬合，獲得熱力學(xué)溫度T對(duì)應(yīng)的I=fx (C);即選取至少三對(duì)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(duì)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(qiáng)Pl對(duì)應(yīng)的I=fl (C)、高壓環(huán)境壓強(qiáng)P2對(duì)應(yīng)的I=f2 (C)……高壓環(huán)境壓強(qiáng)Pn對(duì)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(duì)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(qiáng)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(shí)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?dú)怏w成分濃度C’的標(biāo)準(zhǔn)氣體，使耐壓腔體內(nèi)壓力達(dá)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(duì)所述耐壓腔體排氣，使耐壓腔體內(nèi)壓力下降至Px，此時(shí)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(shí),高壓環(huán)境壓強(qiáng)Px下,特定氣體成分濃度C2對(duì)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?dú)怏w成分濃度C’’的標(biāo)準(zhǔn)氣體，使耐壓腔體內(nèi)壓力達(dá)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(duì)所述耐壓腔體排氣，使耐壓腔體內(nèi)壓力下降至Ρχ，此時(shí)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(shí)，高壓環(huán)境壓強(qiáng)Px下，特定氣體成分濃度C (t+Ι)對(duì)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(jìn)行線性擬合，獲
得熱力學(xué)溫度T對(duì)應(yīng)的I=fx(C)。本方案也是選取至少三對(duì)可知?dú)怏w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(qiáng)Pl對(duì)應(yīng)的I=f 1(C)、高壓環(huán)境壓強(qiáng)P2對(duì)應(yīng)的I=f2 (C)……高壓環(huán)境壓強(qiáng)Pn對(duì)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(jì)算得來?？梢岳斫獾氖?，本方案相對(duì)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(duì)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(diǎn)氣，換言之，該氣體成分濃度Cl為0，該濃度Cl為O的零點(diǎn)氣可以測量恒電位電化學(xué)氣體傳感器的零點(diǎn)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(duì)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(diǎn)氣。換言之，該濃度Cl為0，濃度Cl為O的零點(diǎn)氣可以測量恒電位電化學(xué)氣體傳感器的零點(diǎn)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(duì)于此種情況，已知?dú)怏w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(duì)于3)可選方案中b)方案的所述已知?dú)怏w成分濃度C’ ’的供氣源為所述特定氣體的零點(diǎn)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(jì)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(duì)于3)可選方案中b)方案，所述已知?dú)怏w成分濃度C’ ’與已知?dú)怏w成分濃度C’相等，如此減少已知?dú)怏w的種類，有利于降低成本。【專利附圖】

【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(gè)實(shí)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(gè)實(shí)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(gè)實(shí)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(shí)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(huì)導(dǎo)致恒電位電化學(xué)氣體傳感器的響應(yīng)增大、零點(diǎn)漂移，因而需要對(duì)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(jìn)行校準(zhǔn)，上述校準(zhǔn)也稱對(duì)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(duì)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(duì)特定氣體的一系列氣體成分濃度C對(duì)應(yīng)輸出電解電流I，得到不同環(huán)境壓強(qiáng)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(duì)恒電位電化學(xué)氣體傳感器在幾個(gè)離散點(diǎn)環(huán)境壓強(qiáng)P1、P2……Pn下，進(jìn)行了氣體成分濃度-電解電流曲線的校準(zhǔn)；接著利用對(duì)于恒電位電化學(xué)氣體傳感器，在高壓環(huán)境壓強(qiáng)P固定時(shí)，I=f (C) =Ka *D.(:，其中Ka為常數(shù)，D為擴(kuò)散系數(shù)且在高壓環(huán)境壓強(qiáng)P為固定值時(shí)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(duì)I=f (C) =Ka *D.C進(jìn)行線性擬合，即可獲取每個(gè)高壓環(huán)境壓強(qiáng)Pl、P2……Pn對(duì)應(yīng)的Ka.D的值；然后再利用對(duì)于恒電位電化學(xué)氣體傳感器，在高壓環(huán)境壓強(qiáng)P改變時(shí)，響應(yīng)曲線系數(shù)中的擴(kuò)散系數(shù)D在固定溫度下隨環(huán)境壓強(qiáng)P變化的規(guī)律符合Ka.D=g (P);對(duì)不同壓強(qiáng)P對(duì)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(duì)[Pl，Pn]范圍內(nèi)的任一環(huán)境壓強(qiáng)P下的恒電位電化學(xué)氣體傳感器進(jìn)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(kuò)散面積，δ為擴(kuò)散層厚度，上述各參數(shù)值均為常數(shù)，D為擴(kuò)散系數(shù)且在固定高壓環(huán)境壓強(qiáng)下為常數(shù)，即在固定高壓環(huán)境壓強(qiáng)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(duì)該氣體傳感器在某幾個(gè)離散環(huán)境壓強(qiáng)P1、P2……Pn下的氣體成分濃度-電解電流響應(yīng)曲線進(jìn)行校準(zhǔn)，實(shí)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(qiáng)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(duì)特定氣體的一系列氣體成分濃度C對(duì)應(yīng)輸出電解電流I，得到不同環(huán)境壓強(qiáng)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(jìn)行介紹。
[0048]為使本發(fā)明的上述目的、特征和優(yōu)點(diǎn)能夠更為明顯易懂，下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例做詳細(xì)的說明。
[0049]本實(shí)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(shí)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?qǐng)D3，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(duì)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(qiáng)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(jìn)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(gè)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?qǐng)D2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(qiáng)P1，測量耐壓腔體內(nèi)的溫度為熱力學(xué)溫度T時(shí)，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(shí)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(shí)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(duì)其供電，同時(shí)通過上述連接件將其輸出的電信號(hào)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(dá)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(qiáng)即恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11的高壓環(huán)境壓強(qiáng)。
[0060]本步驟具體地，先將氧氣的零點(diǎn)氣體氮?dú)獾母邏浩拷?jīng)一級(jí)減壓后接入進(jìn)氣閥15，同時(shí)打開排氣閥16，通入氮?dú)膺M(jìn)行洗艙I分鐘，直至耐壓腔體13內(nèi)全部為氮?dú)?。之后關(guān)閉排氣閥16，繼續(xù)充入氮?dú)?，直至壓力傳感?2顯示耐壓腔體13內(nèi)的壓強(qiáng)為Pl。記錄此時(shí)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(duì)應(yīng)的電解電流II。由于耐壓腔體13內(nèi)全部為氮?dú)?，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(gè)點(diǎn)(Cl，II)。[0061]本實(shí)施例中，為了防止溫度對(duì)電解電流I的影響，在記錄電解電流Il時(shí)，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(shí)施例中，熱力學(xué)溫度T為300K。
[0062]本實(shí)施例中，該Cl濃度氧氣的供氣源為氧氣的零點(diǎn)氣，該零點(diǎn)氣可以測量恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11的零點(diǎn)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(shí)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(shí)零點(diǎn)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(qiáng)Pl不變，測量耐壓腔體內(nèi)的溫度為熱力學(xué)溫度T時(shí)，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(shí)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(jí)減壓后接入進(jìn)氣閥15，采用濃度C2的氧氣進(jìn)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(qiáng)為P1。記錄此時(shí)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(duì)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(gè)點(diǎn)(C2，12)。
[0065]本步驟中，為了防止溫度對(duì)電解電流I的影響，在記錄電解電流12時(shí)，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(shí)施過程中，成分濃度C2例如可以為10%。為了檢驗(yàn)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(duì)比的參考值。此處使用的氧分析儀的濃度測量精度需達(dá)到被校準(zhǔn)恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11精度高一級(jí)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(qiáng)Pl不變，測量耐壓腔體內(nèi)的溫度為熱力學(xué)溫度T時(shí)，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(jí)減壓后接入進(jìn)氣閥15，采用濃度C3的氧氣進(jìn)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(qiáng)為P1。記錄此時(shí)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(duì)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(gè)點(diǎn)(C3,13)。
[0069]本步驟優(yōu)選在記錄電解電流13時(shí)，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(shí)施過程中，成分濃度C3例如可以為20%，其檢驗(yàn)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(gè)點(diǎn)(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(diǎn)至少為三個(gè)。
[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(jìn)行線性擬合，獲得熱力學(xué)溫度T對(duì)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(jì)算量，優(yōu)選地，m為5，即上述點(diǎn)為五個(gè)。
[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(gè)點(diǎn)，進(jìn)行線性擬合，獲得熱力學(xué)溫度T對(duì)應(yīng)的I=H (C)，即校準(zhǔn)了高壓環(huán)境壓強(qiáng)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(qiáng)至P2，重復(fù)上述獲得環(huán)境壓強(qiáng)Pl下的I=H(C)步驟，即可獲得熱力學(xué)溫度T對(duì)應(yīng)的I=f2 (C)。
[0076]然后執(zhí)行步驟SI 15，改變環(huán)境壓強(qiáng)至P3、P4……Pn，重復(fù)上述獲得環(huán)境壓強(qiáng)Pl下的I=fl (C)步驟，即可獲得熱力學(xué)溫度T對(duì)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(qiáng)P為固定值P1、P2……Pn下，氧氣成分濃度C與對(duì)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(qiáng)Pl、P2……Pn下，對(duì)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(kuò)散系數(shù)且在環(huán)境壓強(qiáng)P為固定值時(shí)也為常數(shù)，對(duì)I=f (C) =Ka.D.C進(jìn)行線性擬合，獲取每個(gè)環(huán)境壓強(qiáng)P1、P2……Pn對(duì)應(yīng)的Ka.D的值。
[0080]本步驟的原理為:對(duì)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(kuò)散面積，S為擴(kuò)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(kuò)散系數(shù)且在固定環(huán)境壓強(qiáng)下為常數(shù)。換言之，在固定環(huán)境壓強(qiáng)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(duì)I=f (C) =Ka.D.C進(jìn)行線性擬合時(shí)，結(jié)合了 S110-S115獲得的I=H(C)、I=f2 (C)……I=fn (C)?？梢岳斫獾氖?，如圖1所示，對(duì)于高壓環(huán)境壓強(qiáng)Pl對(duì)應(yīng)的I=fl (C)，結(jié)合I=f (C) =Ka *D.C，可以獲得一個(gè)Ka *D的值。對(duì)于高壓環(huán)境壓強(qiáng)P2對(duì)應(yīng)的I=f2 (C)，結(jié)合I=f (C)=Ka.D.C，可以獲得另一個(gè)Ka.D的值?！瓕?duì)于高壓環(huán)境壓強(qiáng)Pn對(duì)應(yīng)的I=fn (C)，結(jié)合I=f (C) =Ka.D.C，可以獲得再一個(gè)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(qiáng)P為不同值Pl、P2……Pn下，對(duì)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(kuò)散系數(shù)D在固定溫度下隨環(huán)境壓強(qiáng)P變化的規(guī)律符合Ka.D=g (P)，根據(jù)高壓環(huán)境壓強(qiáng)P1、P2……Pn對(duì)應(yīng)的一系列Ka.D的值，對(duì)Ka.D=g(P)進(jìn)行擬合，獲得g (P)。
[0083]本步驟的原理為:對(duì)于恒電位電化學(xué)氣體傳感器，當(dāng)高壓環(huán)境壓強(qiáng)P變化時(shí)，響應(yīng)曲線系數(shù)中的擴(kuò)散系數(shù)D在固定溫度下隨環(huán)境壓強(qiáng)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(qiáng)P與對(duì)應(yīng)的一系列Ka.D的值，對(duì)Ka.D=g (P)進(jìn)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?？紤]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(duì)[Pl，Pn]范圍內(nèi)的任一環(huán)境壓強(qiáng)P下的恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11進(jìn)行校準(zhǔn)。
[0086]已知g (P)，改變環(huán)境壓強(qiáng)P，即可對(duì)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(qiáng)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(diǎn)的P值，換言之，落在[Pl，Pn]區(qū)間內(nèi)所有點(diǎn)，而不限于Pl、P2……Pn這些離散的點(diǎn)。
[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(gè)離散的點(diǎn)環(huán)境壓強(qiáng)下的氣體成分濃度-電解電流響應(yīng)曲線校準(zhǔn)，實(shí)現(xiàn)該些離散點(diǎn)最大、最小值范圍內(nèi)所有連續(xù)點(diǎn)環(huán)境壓強(qiáng)下的氣體成分濃度-電解電流響應(yīng)曲線校準(zhǔn)。其它實(shí)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(duì)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(jìn)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?dú)怏w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?dú)怏w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(duì)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(diǎn)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(qiáng)P1，測量耐壓腔體內(nèi)的溫度為熱力學(xué)溫度T時(shí)，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(diǎn)氣體氮?dú)獾母邏浩拷?jīng)一級(jí)減壓后接入進(jìn)氣閥15，打開排氣閥16，通入氮?dú)膺M(jìn)行洗艙I分鐘，直至耐壓腔體13內(nèi)全部為氮?dú)?。之后關(guān)閉排氣閥16，進(jìn)而充入氮?dú)?，至壓力傳感?2顯示耐壓腔體13內(nèi)的壓強(qiáng)為P1。記錄此時(shí)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(duì)應(yīng)的電解電流輸出值II。由于耐壓腔體13內(nèi)全部為氮?dú)?，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(gè)點(diǎn)(Cl，II)。
[0094]上述過程在室溫下操作，即為了防止溫度對(duì)電解電流I的影響，在記錄電解電流Il時(shí)，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(shí)施例中，熱力學(xué)溫度T為300K。
[0095]與實(shí)施例一類似，該Cl濃度氧氣的供氣源為氧氣的零點(diǎn)氣，該零點(diǎn)氣可以測量恒電位電化學(xué)氧氣傳感器11的零點(diǎn)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(shí)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(shí)零點(diǎn)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(dá)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(duì)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(shí)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(shí),高壓環(huán)境壓強(qiáng)Pl下，氧氣成分濃度C2對(duì)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(shí)施例中，由于Cl濃度氧氣的供氣源為氧氣的零點(diǎn)氣，氧氣成分濃度C’的氣體的供氣源不為氧氣的零點(diǎn)氣。對(duì)于其它實(shí)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(shí)，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(diǎn)氣。[0098]本步驟在具體實(shí)施過程中可以為:將成分濃度C’的氧氣的氧氣瓶經(jīng)一級(jí)減壓后接入進(jìn)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(qiáng)為Ps時(shí)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(duì)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(shí)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(shí)，高壓環(huán)境壓強(qiáng)Pl下，氧氣成分濃度C2對(duì)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(gè)點(diǎn)(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(qiáng)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(qiáng)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(dá)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(duì)所述耐壓腔體13排氣，使耐壓腔體內(nèi)壓力下降至P1，此時(shí)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(shí),高壓環(huán)境壓強(qiáng)Pl下,氧氣成分濃度C3對(duì)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(jí)減壓后接入進(jìn)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(qiáng)為Ps時(shí)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(duì)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(shí)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(shí)，高壓環(huán)境壓強(qiáng)Pl下，氧氣成分濃度C3對(duì)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(gè)點(diǎn)(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(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(diǎn)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(gè)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(gè)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(gè)點(diǎn)(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(diǎn)至少為三個(gè)。
[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(jìn)行線性擬合，獲得熱力學(xué)溫度T對(duì)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(jì)算量，優(yōu)選地，m為5，即上述點(diǎn)為五個(gè)。[0122]接著執(zhí)行步驟S214，改變環(huán)境壓強(qiáng)至P2，重復(fù)上述獲得環(huán)境壓強(qiáng)Pl下的I=H(C)步驟，即可獲得熱力學(xué)溫度T對(duì)應(yīng)的I=f2 (C)。
[0123]然后執(zhí)行步驟S215，改變環(huán)境壓強(qiáng)至P3、P4……Pn，重復(fù)上述獲得環(huán)境壓強(qiáng)Pl下的I=fl (C)步驟，即可獲得熱力學(xué)溫度T對(duì)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(qiáng)P為固定值P1、P2……Pn下，氧氣成分濃度C與對(duì)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(gè)壓強(qiáng)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(shí)現(xiàn)了對(duì)恒電位電化學(xué)氣體傳感器在幾個(gè)離散點(diǎn)環(huán)境壓強(qiáng)P1、P2……Pn下，進(jìn)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(dòng)與修改，因此本發(fā)明的保護(hù)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(duì)特定氣體的一系列氣體成分濃度對(duì)應(yīng)輸出的電解電流，得到不同高壓環(huán)境壓強(qiáng)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(qiáng)固定時(shí)，I=f (O =Ka *D.(:，其中Ka為常數(shù)，D為擴(kuò)散系數(shù)且在高壓環(huán)境壓強(qiáng)為固定值時(shí)也為常數(shù)，對(duì)不同高壓環(huán)境壓強(qiáng)對(duì)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(kuò)散系數(shù)在固定溫度下隨環(huán)境壓強(qiáng)變化的規(guī)律Ka -D=g (P)，其中P為環(huán)境壓強(qiáng)，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(qiáng)下的響應(yīng)曲線，即達(dá)到了對(duì)該傳感器在高壓下進(jìn)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(shí)現(xiàn)，所述耐壓腔體具有艙體、進(jìn)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(qiáng)仍為Px，x=l,2……n，測量耐壓腔體內(nèi)的溫度為固定值時(shí)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?dú)怏w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(jìn)行線性擬合，獲得該熱力學(xué)溫度固定值對(duì)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(qiáng)Pl對(duì)應(yīng)的I=fl (C)、高壓環(huán)境壓強(qiáng)P2對(duì)應(yīng)的I=f2 (C)......高壓環(huán)境壓強(qiáng)Pn對(duì)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(diǎn)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(qiáng)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(qiáng)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(shí)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(dá)到Ps，在熱力學(xué)溫度不變的前提下，通過C2=C’ +(C1-C’ ).Ρχ/Ρ8，計(jì)算獲得耐壓腔體內(nèi)的氣體成分濃度C2;對(duì)所述耐壓腔體排氣，使耐壓腔體內(nèi)壓力下降至Ρχ，此時(shí)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(shí)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(dá)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(jì)算獲得耐壓腔體內(nèi)的氣體成分濃度C (t+1);對(duì)所述耐壓腔體排氣，使耐壓腔體內(nèi)壓力下降至Px，此時(shí)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(shí)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(jìn)行線性擬合，獲得該熱力學(xué)溫度固定值對(duì)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(qiáng)Pl對(duì)應(yīng)的I=fl (C)、高壓環(huán)境壓強(qiáng)P2對(duì)應(yīng)的I=f2 (C)......高壓環(huán)境壓強(qiáng)Pn對(duì)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(diǎn)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(diǎn)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(hào)】G01N27/26GK103884750SQ201410146034
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)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(qǐng)人:中國人民解放軍海軍醫(yī)學(xué)研究所