電化學(xué)氣體傳感器的常見技術(shù)參數(shù)小知識(shí)

電化學(xué)氣體傳感器從上世紀(jì)70年代末發(fā)明出來到現(xiàn)在，全世界的使用量大約為500萬(wàn)只，廣泛應(yīng)用在各行各業(yè)中，例如工業(yè)安全、大氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、煙氣分析、醫(yī)療、城市地下管網(wǎng)、建筑物暖通空調(diào)和地下車庫(kù)空氣質(zhì)量監(jiān)測(cè)、工業(yè)過程控制、核工業(yè)等領(lǐng)域，不一而足。只要是用得到氣體或有氣體產(chǎn)生的地方，都會(huì)用到該氣體傳感器。

本文章詳細(xì)介紹了一下電化學(xué)氣體傳感器5個(gè)技術(shù)參數(shù)，分別為量程范圍、靈敏度、響應(yīng)時(shí)間、恢復(fù)時(shí)間和歸零時(shí)間、分辨率等。

1、量程范圍

定義：能夠保證傳感器規(guī)格書所列各項(xiàng)參數(shù)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(wàn)分之一)，高至100%VOL(體積比)。1PPM量程的傳感器多是測(cè)量特毒的毒氣，100%VOL量程的多是測(cè)量高濃氧氣。醫(yī)療氧傳感器的量程比較特殊，例如：200,000%mbar，這個(gè)單位的意思是在大約2個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，傳感器最高能測(cè)到100%VOL，計(jì)算式為2,000 mbar * 100% VOL=200,000 %mbar。(1標(biāo)準(zhǔn)大氣壓=1013mbar)。%mbar濃度單位的使用，在水下作業(yè)的場(chǎng)合和壓力艙內(nèi)也會(huì)用到。

問：輸出和氣體濃度是什么關(guān)系？

答：有的EC傳感器是電流源，即輸出電流和被測(cè)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(guān)系在儀表行業(yè)稱為線性，即被測(cè)氣體濃度和輸出電流或電壓成線性關(guān)系。

問：什么是過載量程?

答：有些傳感器的規(guī)格書上除了量程，還有一個(gè)參數(shù)叫過載量程(OVERLOAD RANGE)。這個(gè)參數(shù)是告訴用戶：在這個(gè)濃度下，傳感器可以短時(shí)間(幾分鐘)測(cè)量而傳感器不會(huì)永久性損壞，但性能無(wú)法符合規(guī)格書上所列參數(shù)。如果超過過載量程，會(huì)造成傳感器永久損壞。

2.靈敏度

定義：被測(cè)氣體改變一個(gè)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(duì)毒氣傳感器來說，最常見的單位是nA/PPM或uA/PPM。對(duì)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(duì)微量氧傳感器來說，其單位是mV@20.9%VOL O2，當(dāng)然，微量氧傳感器放在空氣中測(cè)試是很不科學(xué)的，因?yàn)槲⒘垦鮽鞲衅魇菧y(cè)PPM級(jí)O2的，長(zhǎng)時(shí)間暴露在空氣中，會(huì)讓它很快失效。對(duì)醫(yī)療氧氣傳感器來說，其單位是mV@20.9%VOL O2，醫(yī)療氧氣傳感器的最大量程都是100%VOL。

問：同一個(gè)型號(hào)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(gè)體差異。

問：靈敏度會(huì)變化嗎？在什么情況下會(huì)變化？

答：EC傳感器的靈敏度是會(huì)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(shù)，在規(guī)格書所定義的范圍內(nèi)變化是不會(huì)影響傳感器壽命的，但如果超過了這些范圍，傳感器可能會(huì)受到不可逆的破壞。

不過，傳感器在出廠的時(shí)候，個(gè)體差異要盡量的小。表征這個(gè)差異最好的參數(shù)是CPK。下圖就是盛密科技出產(chǎn)的4H2S-100靈敏度的CPK。一般說來，CPK=1.33就相當(dāng)于3sigma的水平了，下圖中的CPK已經(jīng)超過1.33了。

3.響應(yīng)時(shí)間

定義：傳感器信號(hào)從零點(diǎn)上升到通氣平衡點(diǎn)一定百分比，所需的時(shí)間成為響應(yīng)時(shí)間，通常用T90來描述。從零點(diǎn)上升到平衡信號(hào)值的50%所需要的時(shí)間稱為T50，從零點(diǎn)上升到90%所需的時(shí)間稱為T90，從零點(diǎn)上升到97%所需的時(shí)間成為T97。

問：為什么響應(yīng)時(shí)間很重要？

答：因?yàn)闅怏w傳感器主要是保護(hù)人身安全的。當(dāng)氧氣或毒氣超過對(duì)人體有害的范圍，人員必須撤離該環(huán)境，撤離時(shí)間越短越好。因此，傳感器響應(yīng)時(shí)間越短，
就留給撤離人員越多的時(shí)間。

問：如何確定零點(diǎn)，如何確定平衡點(diǎn)呢？

答：對(duì)于常規(guī)氣體傳感器，當(dāng)它暴露在空氣中，3分鐘之內(nèi)讀數(shù)變化不超過一個(gè)分辨率，即認(rèn)為是平衡了。具體地說，對(duì)O2傳感器來說，讀數(shù)變化不超過±0.1%，即認(rèn)為是平衡了；對(duì)CO傳感器來說，讀數(shù)變化不超過1PPM，即認(rèn)為平衡了；對(duì)H2S傳感器來說，讀數(shù)變化不超過0.1PPM，即認(rèn)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(xiàn)象，這是由氣體本身的物理化學(xué)性質(zhì)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(shù)會(huì)一直上升，如何確定平衡點(diǎn)呢？

答：對(duì)于吸附性強(qiáng)的氣體，其傳感器的T90計(jì)算和CO、H2S常規(guī)氣體是不一樣的。例如，在NH3傳感器的規(guī)格書上T90后面會(huì)跟上一句<60s calculated from 5 min. exposure time。它的意思是說，通氣5分鐘，即認(rèn)為是平衡，然后用5分鐘時(shí)候的靈敏度還計(jì)算T90時(shí)間。這里的通氣5分鐘也是有技術(shù)條件的：

A. NH3氣體流速為500±100ml/min；

B. 管路和流量計(jì)是特氟龍材質(zhì)或不銹鋼的；

C. NH3濃度在量程范圍之內(nèi)；

D. 流動(dòng)的NH3氣體和傳感器之間不能有任何薄膜或鋼網(wǎng)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。

4.恢復(fù)時(shí)間和歸零時(shí)間

恢復(fù)時(shí)間定義：恢復(fù)時(shí)間是表述傳感器從標(biāo)準(zhǔn)氣體恢復(fù)到零點(diǎn)氣體時(shí)，信號(hào)回復(fù)快慢的一個(gè)參數(shù)。常用的是RT90，它的意思是，從傳感器通氣平衡狀態(tài)恢復(fù)到10%信號(hào)所花的時(shí)間。例如，CO標(biāo)準(zhǔn)氣是500PPM，當(dāng)傳感器信號(hào)從500PPM回到50PPM(500PPM*10%=50PPM)的這段時(shí)間，就是RT90了。
歸零時(shí)間定義：歸零時(shí)間是表述從傳感器通氣平衡狀態(tài)恢復(fù)到3個(gè)分辨率的讀數(shù)所需要的時(shí)間。例如，CO傳感器的分辨率是1PPM，標(biāo)準(zhǔn)氣是500PPM，當(dāng)傳感器信號(hào)從500PPM回到3PPM的這段時(shí)間，就是歸零時(shí)間了。

問：用不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體測(cè)試EC傳感器，RT90時(shí)間和歸零時(shí)間會(huì)不一樣嗎？

答：是會(huì)不一樣的。濃度越高，RT90時(shí)間和歸零時(shí)間越長(zhǎng)。

問：不同的溫度下，EC傳感器的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間一樣嗎？

答：不一樣。溫度越高，響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間越短，溫度越低響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間越長(zhǎng)。

問：所有的EC傳感器在規(guī)格書上都寫了RT90和歸零時(shí)間嗎？

答：幾乎所有的傳感器規(guī)格書上都會(huì)有響應(yīng)時(shí)間T90，例如盛密科技的4NH3-100，T90時(shí)間就寫的是90秒，這意味著盛密出廠的傳感器T90都會(huì)小于90秒。關(guān)于回零時(shí)間，諾聯(lián)芯會(huì)按照客戶的要求，給予客戶傳感器的響應(yīng)曲線，這樣客戶就能夠自行計(jì)算回零時(shí)間了。

問：毒氣傳感器和氧氣傳感器RT時(shí)間的計(jì)算方法一樣嗎？

答：不一樣。毒氣傳感器從零氣往上升計(jì)算T90，從平衡標(biāo)準(zhǔn)氣下降計(jì)算RT90和歸零時(shí)間。而氧氣傳感器是從空氣20.9%VOL下降到報(bào)警點(diǎn)18.0%VOL，算出平衡的時(shí)間，然后再計(jì)算T90。

5、分辨率

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(shù)。分辨率和靈敏度和噪聲相關(guān)，類似電子技術(shù)里面的一個(gè)參數(shù)——信噪比。計(jì)算公式是：
分辨率=3 X 信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差/靈敏度

問：如何計(jì)算信號(hào)標(biāo)準(zhǔn)差？

答：在傳感器信號(hào)被放大之后，會(huì)送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器ADC。系統(tǒng)噪聲需要用標(biāo)準(zhǔn)差(STDEV)來衡量，STDEV可以通過Office Excel里的STDEV()函數(shù)來計(jì)算。例如，上面信號(hào)的STDEV值計(jì)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(jì)算靈敏度？

答：將傳感器和電路板系統(tǒng)的零點(diǎn)CTS平均值和通氣平衡后的CTS平均值相減，取絕對(duì)值，再除以通氣濃度即可得到。例如，零點(diǎn)CTS平均值為1952CTS，500PPM通氣平衡后的CTS平均值為3452CTS。問該系統(tǒng)的靈敏度是多少？

計(jì)算公式：|1952-3452|/500 = 3CTS/PPM

通過上面兩問和解答，我們就可以計(jì)算出來系統(tǒng)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(guān)系？

答：并無(wú)直接關(guān)系。傳感器的分辨率是由上面的公式計(jì)算所得。傳感器本身并無(wú)精度的概念，所以傳感器的規(guī)格書上也沒有精度的參數(shù)定義。精度是描述儀器、儀表讀數(shù)和氣體真實(shí)值之間的差值，也叫準(zhǔn)確度，表示方法有±xPPM@100PPM，±5%Reading或±10%F.S.諸如此類。

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