電化學(xué)氣體傳感器的常見(jiàn)技術(shù)參數小知識

電化學(xué)氣體傳感器從上世紀70年代末發(fā)明出來(lái)到現在，全世界的使用量大約為500萬(wàn)只，廣泛應用在各行各業(yè)中，例如工業(yè)安全、大氣質(zhì)量監測、煙氣分析、醫療、城市地下管網(wǎng)、建筑物暖通空調和地下車(chē)庫空氣質(zhì)量監測、工業(yè)過(guò)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。

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

1、量程范圍

定義：能夠保證傳感器規格書(shū)所列各項參數的最高氣體濃度。

問(wèn)：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量特毒的毒氣，100%VOL量程的多是測量高濃氧氣。醫療氧傳感器的量程比較特殊，例如：200,000%mbar，這個(gè)單位的意思是在大約2個(gè)標準大氣壓下，傳感器最高能測到100%VOL，計算式為2,000 mbar * 100% VOL=200,000 %mbar。(1標準大氣壓=1013mbar)。%mbar濃度單位的使用，在水下作業(yè)的場(chǎng)合和壓力艙內也會(huì )用到。

問(wèn)：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(chēng)為線(xiàn)性，即被測氣體濃度和輸出電流或電壓成線(xiàn)性關(guān)系。

問(wèn)：什么是過(guò)載量程?

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

2.靈敏度

定義：被測氣體改變一個(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(wèn)：靈敏度單位是什么？

答：對毒氣傳感器來(lái)說(shuō)，最常見(jiàn)的單位是nA/PPM或uA/PPM。對常量氧傳感器來(lái)說(shuō)，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(lái)說(shuō)，其單位是mV@20.9%VOL O2，當然，微量氧傳感器放在空氣中測試是很不科學(xué)的，因為微量氧傳感器是測PPM級O2的，長(cháng)時(shí)間暴露在空氣中，會(huì )讓它很快失效。對醫療氧氣傳感器來(lái)說(shuō)，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(wèn)：同一個(gè)型號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(wèn)：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，在規格書(shū)所定義的范圍內變化是不會(huì )影響傳感器壽命的，但如果超過(guò)了這些范圍，傳感器可能會(huì )受到不可逆的破壞。

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

3.響應時(shí)間

定義：傳感器信號從零點(diǎn)上升到通氣平衡點(diǎn)一定百分比，所需的時(shí)間成為響應時(shí)間，通常用T90來(lái)描述。從零點(diǎn)上升到平衡信號值的50%所需要的時(shí)間稱(chēng)為T(mén)50，從零點(diǎn)上升到90%所需的時(shí)間稱(chēng)為T(mén)90，從零點(diǎn)上升到97%所需的時(shí)間成為T(mén)97。

問(wèn)：為什么響應時(shí)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(guò)對人體有害的范圍，人員必須撤離該環(huán)境，撤離時(shí)間越短越好。因此，傳感器響應時(shí)間越短，
就留給撤離人員越多的時(shí)間。

問(wèn)：如何確定零點(diǎn)，如何確定平衡點(diǎn)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(guò)一個(gè)分辨率，即認為是平衡了。具體地說(shuō)，對O2傳感器來(lái)說(shuō)，讀數變化不超過(guò)±0.1%，即認為是平衡了；對CO傳感器來(lái)說(shuō)，讀數變化不超過(guò)1PPM，即認為平衡了；對H2S傳感器來(lái)說(shuō)，讀數變化不超過(guò)0.1PPM，即認為平衡了。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(xiàn)就是這樣的。

問(wèn)：有的傳感器通氣后讀數會(huì )一直上升，如何確定平衡點(diǎn)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(shū)上T90后面會(huì )跟上一句<60s calculated from 5 min. exposure time。它的意思是說(shuō)，通氣5分鐘，即認為是平衡，然后用5分鐘時(shí)候的靈敏度還計算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. 管路和流量計是特氟龍材質(zhì)或不銹鋼的；

C. NH3濃度在量程范圍之內；

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(jiàn)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(jiàn)的沒(méi)有吸附性的氣體包括：O2、H2、CH4、CO、CO2等等。

4.恢復時(shí)間和歸零時(shí)間

恢復時(shí)間定義：恢復時(shí)間是表述傳感器從標準氣體恢復到零點(diǎn)氣體時(shí)，信號回復快慢的一個(gè)參數。常用的是RT90，它的意思是，從傳感器通氣平衡狀態(tài)恢復到10%信號所花的時(shí)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(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)恢復到3個(gè)分辨率的讀數所需要的時(shí)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(shí)間，就是歸零時(shí)間了。

問(wèn)：用不同濃度的標準氣體測試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(cháng)。

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

答：不一樣。溫度越高，響應時(shí)間和恢復時(shí)間越短，溫度越低響應時(shí)間和恢復時(shí)間越長(cháng)。

問(wèn)：所有的EC傳感器在規格書(shū)上都寫(xiě)了RT90和歸零時(shí)間嗎？

答：幾乎所有的傳感器規格書(shū)上都會(huì )有響應時(shí)間T90，例如盛密科技的4NH3-100，T90時(shí)間就寫(xiě)的是90秒，這意味著(zhù)盛密出廠(chǎng)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(hù)的要求，給予客戶(hù)傳感器的響應曲線(xiàn)，這樣客戶(hù)就能夠自行計算回零時(shí)間了。

問(wèn)：毒氣傳感器和氧氣傳感器RT時(shí)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(shí)間。而氧氣傳感器是從空氣20.9%VOL下降到報警點(diǎn)18.0%VOL，算出平衡的時(shí)間，然后再計算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。分辨率和靈敏度和噪聲相關(guān)，類(lèi)似電子技術(shù)里面的一個(gè)參數——信噪比。計算公式是：
分辨率=3 X 信號標準差/靈敏度

問(wèn)：如何計算信號標準差？

答：在傳感器信號被放大之后，會(huì )送入模數轉換器ADC。系統噪聲需要用標準差(STDEV)來(lái)衡量，STDEV可以通過(guò)Office Excel里的STDEV()函數來(lái)計算。例如，上面信號的STDEV值計算之后為1.03CTS。CTS就是ADC的值，下圖是12bit ADC輸出的CTS。

問(wèn)：如何計算靈敏度？

答：將傳感器和電路板系統的零點(diǎn)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(diǎn)CTS平均值為1952CTS，500PPM通氣平衡后的CTS平均值為3452CTS。問(wèn)該系統的靈敏度是多少？

計算公式：|1952-3452|/500 = 3CTS/PPM

通過(guò)上面兩問(wèn)和解答，我們就可以計算出來(lái)系統的分辨率了：

3*STDEV/靈敏度=3*1.03/3=1.03PPM

問(wèn)：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算所得。傳感器本身并無(wú)精度的概念，所以傳感器的規格書(shū)上也沒(méi)有精度的參數定義。精度是描述儀器、儀表讀數和氣體真實(shí)值之間的差值，也叫準確度，表示方法有±xPPM@100PPM，±5%Reading或±10%F.S.諸如此類(lèi)。

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