气体传感器自动标定方法及装置

技术领域

本发明涉及传感器标定技术领域，具体的说，涉及了一种气体传感器自动标定方法及装置。

背景技术

标定主要是指使用标准的计量仪器对所使用仪器的准确度（精度）进行检测是否符合标准，一般大多用于精密度较高的仪器。目前气体传感器标定过程复杂、标定过程控制难度较大、人为干扰因素过多、批量化生产效率低，对产品性能一致性和生产效率都具有一定影响。

现有标定装置存在以下问题和缺点：（1）现有技术为通过质量流量控制器按照质量流量配比方式配比所需浓度值，对质量流量控制器精度依赖程度高；（2）由于对配比所得气体无反馈，或反馈机制不完善导致配比浓度与实际浓度存在偏差；（3）现有配气方式通过置换方式对传感器标定工装配气，速度慢，且不适合批量化生产；（4）浓度稳定后由于需要对气体浓度保持，对传感器标定工装气密性要求较高；（5）没有对传感器标定工装的多个位置进行监控反馈，大体积传感器标定箱的均匀度不能保证；（6）不能给传感器提供定制化的温度点数量及温度点进行设置。

为了解决以上存在的问题，人们一直在寻求一种理想的技术解决方案。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术的不足，从而提供一种气体传感器自动标定方法及装置。

为了实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：

本发明第一方面提供一种气体传感器自动标定方法，所述气体传感器自动标定方法包括以下步骤：

读取标准传感器的点检值，将标准传感器的点检值作为传感器标定工装内目标气体基准浓度值；

读取主采样点的目标气体初始浓度值及目标气体实时浓度值，并根据不同的标定类型选取不同的配气策略进行自动配气：

若标定类型为量程标定，则在所述目标气体基准浓度值与所述目标气体初始浓度值之间的差值大于第一预设浓度阈值时，对目标气体的传输流量进行粗调，在所述目标气体基准浓度值与所述目标气体实时浓度值之间的差值小于等于第一预设浓度阈值时，对目标气体的传输流量进行细调，并在所述目标气体实时浓度值大于所述目标气体基准浓度值时，对氮气的传输流量进行细调；

若标定类型为零点标定，则在所述目标气体基准浓度值与所述目标气体初始浓度值之间的差值大于第二预设浓度阈值时，对氮气的传输流量进行粗调，在所述目标气体基准浓度值与所述目标气体实时浓度值之间的差值小于等于第二预设浓度阈值时，对氮气的传输流量进行细调，并在所述目标气体实时浓度值小于所述目标气体基准浓度值时，对目标气体的传输流量进行细调；

在配气完成后，判断所述目标气体实时浓度值是否等于所述目标气体基准浓度值；若所述目标气体实时浓度值等于所述目标气体基准浓度值，则获取传感器标定工装内各个采样点的目标气体实时浓度值，基于各个采样点的目标气体实时浓度值的一致性判断传感器标定工装内目标气体的均匀度是否合格；若传感器标定工装内目标气体的均匀度合格，则对待标定传感器进行标定。

本发明第二方面提供一种气体传感器自动标定装置，所述气体传感器自动标定装置包括上位机、传感器标定工装和自动标定控制柜，所述自动标定控制柜连接所述传感器标定工装，所述自动标定控制柜执行上述的气体传感器自动标定方法的步骤，在所述传感器标定工装中配备符合所述目标气体基准浓度值的标定环境；

所述上位机分别连接所述自动标定控制柜和所述传感器标定工装，用于向所述自动标定控制柜下发配气指令，以及采集待标定传感器的输出信号。

本发明相对现有技术具有突出的实质性特点和显著的进步，具体的说：

1）本发明提供了一种气体传感器自动标定方法及装置，通过读取标准传感器的点检值，将标准传感器的点检值作为传感器标定工装内目标气体基准浓度值；读取主采样点的目标气体初始浓度值及目标气体实时浓度值，并根据不同的标定类型选取不同的配气策略进行自动配气，从而消除气体传感器标定结果对标准传感器精度依赖，弱化由于标准传感器自身漂移对配气精度的影响，提高传感器标定的准确度；

2）通过各个采样点的目标气体实时浓度值的一致性的比对及驱动搅拌装置动作，以保证传感器标定工装内气体的均匀度，从而降低对传感器标定工装气密依赖性，同时提高批量标定的一致性；

3）读取主采样点的目标气体初始浓度值及目标气体实时浓度值，并根据不同的标定类型选取不同的配气策略进行自动配气，达到配气快速稳定、配气精度高的目的；

4）该气体传感器自动标定方法及装置具备自动温度补偿、自动点检、自动配气和自动标定功能，从而简化标定过程，降低人为因素影响，提高传感器生产自动化程度，从而达到标定过程可控和产品性能提高的目的。

附图说明

图1是本发明的气体传感器自动标定方法的流程图；

图2是本发明的气体传感器自动标定装置的结构示意图；

图3是本发明的自动标定控制柜的结构示意图；

图4是本发明的传感器标定架的结构示意图。

具体实施方式

下面通过具体实施方式，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

实施例1

如附图1所示，所述气体传感器自动标定方法包括以下步骤：

读取标准传感器的点检值，将标准传感器的点检值作为传感器标定工装内目标气体基准浓度值；

读取主采样点的目标气体初始浓度值及目标气体实时浓度值，并根据不同的标定类型选取不同的配气策略进行自动配气：

若标定类型为量程标定，则在所述目标气体基准浓度值与所述目标气体初始浓度值之间的差值大于第一预设浓度阈值时，对目标气体的传输流量进行粗调，在所述目标气体基准浓度值与所述目标气体实时浓度值之间的差值小于等于第一预设浓度阈值时，对目标气体的传输流量进行细调，并在所述目标气体实时浓度值大于所述目标气体基准浓度值时，对氮气的传输流量进行细调；

若标定类型为零点标定，则在所述目标气体基准浓度值与所述目标气体初始浓度值之间的差值大于第二预设浓度阈值时，对氮气的传输流量进行粗调，在所述目标气体基准浓度值与所述目标气体实时浓度值之间的差值小于等于第二预设浓度阈值时，对氮气的传输流量进行细调，并在所述目标气体实时浓度值小于所述目标气体基准浓度值时，对目标气体的传输流量进行细调；

在配气完成后，判断所述目标气体实时浓度值是否等于所述目标气体基准浓度值；若所述目标气体实时浓度值等于所述目标气体基准浓度值，则获取传感器标定工装内各个采样点的目标气体实时浓度值，基于各个采样点的目标气体实时浓度值的一致性判断传感器标定工装内目标气体的均匀度是否合格；若传感器标定工装内目标气体的均匀度合格，则对待标定传感器进行标定。

需要说明的是，在传感器标定工装内目标气体实时浓度值一致性不合格时，驱动搅拌装置动作；在搅拌装置动作后，判断主采样点的目标气体实时浓度值是否等于目标气体基准浓度值，并在主采样点的目标气体实时浓度值等于目标气体基准浓度值时，再次判断传感器标定工装内目标气体的均匀度是否合格，使传感器标定工装内目标气体实时浓度值达到动态平衡。

可以理解，在进行量程标定时，根据不同的量程范围切换不同的电磁阀向所述标准传感器传输至不同的标准气体，以获得不同的目标气体基准浓度值。

需要说明的是，对气体传感器进行标定时，通常将标准传感器与待标定传感器放置在同一标定环境中，预先设定配气浓度值，依据标准传感器的检测值与设定配气浓度值对目标气体浓度进行调节，直至标准传感器的检测值等于设定配气浓度值；一旦标准传感器漂移产生的误差，势必影响标定环境中的实际目标气体浓度值，进而降低标定传感器标定准确度。而，本发明将标准传感器与待标定传感器放置在不同环境中，先采用标准气体对各采样点的标准传感器进行零点和SPAN点点检并记录点检数据，将标准传感器的点检值作为传感器标定工装内目标气体基准浓度值，基于目标气体基准浓度值进行配气，从而消除气体传感器标定结果对标准传感器精度依赖，弱化由于标准传感器自身漂移对配气精度的影响，提高了传感器标定工装内目标气体基准浓度值的精确度，进而提高传感器标定的准确度。

例如，要在传感器标定工装内配比出5000ppm浓度目标气体，现有5000ppm标准气体和标准传感器；先将5000ppm标准气体施加到标准传感器，此时标准传感器反应浓度为5050ppm，一般判定标准传感器反应的5050ppm即为标准气体的5000ppm。因此，把传感器标定工装内目标气体配比到标准传感器反应值为5050ppm（目标气体基准浓度值），即达到配比出标准5000ppm浓度气体的效果；从而避免由于标准传感器自身误差导致配比出来的目标气体浓度值不准，相当于把更高一级的标准直接通过标准传感器传递到需要配比的传感器标定工装内。

需要说明的是，现有配气方式通过置换方式对传感器标定工装配气，速度慢且不适合批量化生产。为了提高标定效率，本发明批量化对待标定传感器进行自动标定，批量标定时，若传感器标定工装内目标气体实时浓度值一致性不合格势必影响批量标定的一致性，此时，本发明通过驱动搅拌装置动作及自动补气，保证传感器标定工装内气体的均匀度，从而提高批量标定的一致性。

由于需要在目标气体浓度稳定后，保持气体浓度，因此通常对传感器标定工装的气密性要求较高，气密性高的传感器标定工装不但对制作工艺要求高，还需要投入较高的设备成本。

而本发明通过在传感器标定工装内设置多个采样点，每个采样点分别通过气泵与一个标准传感器密封连通，实现多路反馈，通过多路标准传感器实时监控传感器标定工装内各个采样点的目标气体实时浓度值，根据各个采样点的目标气体实时浓度值判断传感器标定工装内目标气体的均匀度是否合格；若传感器标定工装内目标气体的均匀度不合格，则实时往传感器标定工装内部补气以调整浓度配比，并改变搅拌装置状态，使传感器标定工装内部目标气体实时浓度值达到动态平衡，保证大体积传感器标定工装内气体的均匀度；从而使得标定过程不必依赖气密性高的传感器标定工装内，降低了对传感器标定工装的气密性要求，同时保证传感器标定准确度。

实施例2

本实施例给出了不同的配气策略的具体实施方式。

需要说明的是，通常使用质量流量控制器按照质量流量配比方式配比所需的设定配气浓度值，因此对质量流量控制器精度依赖程度高；且由于对配比所得目标气体实时浓度值无反馈或反馈机制不完善，导致配比出的目标气体实时浓度值与所需的设定配气浓度值存在偏差。而本发明根据不同的标定类型选取不同的配气策略进行自动配气；在不同的配气策略中，根据所述目标气体基准浓度值、所述目标气体初始浓度值、所述目标气体实时浓度值、第一预设浓度阈值（或者第二预设浓度阈值）之间的关系，在不同阶段配置不同质量流量控制器输出不同的传输流量，从而在保证配气精度的同时，保证配气过程快速稳定。

具体的，将传感器标定工装内目标气体由低浓度配比到高浓度时，用目标气体进行粗调和细调，超过目标气体基准浓度值时用氮气进行细调；将传感器标定工装内目标气体由高浓度配比到低浓度时，用氮气进行粗调和细调，低于目标气体基准浓度值采用目标气体进行细调。

进一步的，对目标气体的传输流量进行粗调时，执行：在所述目标气体初始浓度值小于等于预设浓度值A1时，启动质量流量控制器Ⅰ，将所述质量流量控制器Ⅰ的实时流量调整为B1；在所述目标气体实时浓度值大于预设浓度值A1且小于等于预设浓度值A2时，将所述质量流量控制器Ⅰ的实时流量调整为B2；在所述目标气体实时浓度值大于预设浓度值A2且小于等于预设浓度值A3时，将所述质量流量控制器Ⅰ的实时流量调整为B3；其中，所述预设浓度值A1＜所述预设浓度值A2＜所述预设浓度值A3，实时流量B1＞实时流量B2＞实时流量B3。

进一步的，对目标气体的传输流量进行细调，执行：在所述目标气体实时浓度值大于等于所述预设浓度阈值A3且小于等于预设浓度值A4时，关闭所述质量流量控制器Ⅰ，开启所述质量流量控制器Ⅱ，并将所述质量流量控制器Ⅱ的实时流量调整为C1；在所述目标气体实时浓度值大于预设浓度值A4且小于等于所述目标气体基准浓度值时，将所述质量流量控制器Ⅱ的实时流量调整为C2；其中，所述预设浓度值A3＜所述预设浓度值A4＜所述基准浓度值，实时流量C1＞实时流量B2。

进一步的，对氮气的传输流量进行粗调时，执行：在所述目标气体初始浓度值大于等于预设浓度值A1’时，启动质量流量控制器Ⅰ’，将所述质量流量控制器Ⅰ’的实时流量调整为B1’；在所述目标气体实时浓度值小于预设浓度值A1’且大于等于预设浓度值A2’时，将所述质量流量控制器Ⅰ’的实时流量调整为B2’；在所述目标气体实时浓度值小于预设浓度值A2’且大于等于预设浓度值A3’时，将所述质量流量控制器Ⅰ’的实时流量调整为B3’；其中，所述预设浓度值A1’＞所述预设浓度值A2’＞所述预设浓度值A3’，实时流量B1’＞实时流量B2’＞实时流量B3’。

进一步的，对氮气的传输流量进行细调，执行：在所述目标气体实时浓度值小于所述预设浓度阈值A3’且大于等于预设浓度值A4’时，关闭所述质量流量控制器Ⅰ’，开启所述质量流量控制器Ⅱ’，并将所述质量流量控制器Ⅱ’的实时流量调整为C1’；在所述目标气体实时浓度值小于预设浓度值A4’且大于等于所述目标气体基准浓度值时，将所述质量流量控制器Ⅱ’的实时流量调整为C2’；其中，所述预设浓度值A3’＞所述预设浓度值A4’＞所述基准浓度值，实时流量C1’＞实时流量B2’。

可以理解，所述质量流量控制器Ⅰ为大量程质量流量控制器，设置在目标气体气瓶与传感器标定工装之间，以对目标气体的传输流量进行粗调；所述质量流量控制器Ⅱ为小量程质量流量控制器，设置在目标气体气瓶与传感器标定工装之间，以对目标气体的传输流量进行细调。所述质量流量控制器Ⅰ’为大量程质量流量控制器，设置在氮气气瓶与传感器标定工装之间，以对氮气的传输流量进行粗调；所述质量流量控制器Ⅱ＇为小量程质量流量控制器，设置在氮气气瓶与传感器标定工装之间，以对氮气的传输流量进行细调。通过粗调和精调两套质量流量控制器MFC，粗调质量流量控制器MFC可以实现配气快速靠近目标气体基准浓度值附近；达到目标气体基准浓度值附近后用精调质量流量控制器MFC使气体浓度快速稳定，从而在达到快速稳定的同时又能保证配气精度。

实施例3

本实施例与上述实施例的区别在于，对待标定传感器进行标定之前，还执行：配置温度曲线，基于所述温度曲线自定义温度补偿点数量和温度点；

读取自定义的温度补偿点数量和温度点，调整传感器标定工装内的环境温度，对待标定传感器进行温度补偿。

需要说明的是，现有标定方法并未考虑温度补偿，不能给传感器提供定制化的温度点数量及温度点进行设置，而在实际应用中温度又会影响传感器检测精度。而本发明根据设置的温度曲线在标定过程中，对传感器进行温度补偿，使得本发明在具备自动点检、自动配气和自动标定功能的同时还具备自动温度补偿功能，从而进一步提高传感器标定的准确度。

实施例4

本实施例给出了一种气体传感器自动标定装置的具体实施方式，所述气体传感器自动标定装置包括上位机、传感器标定工装和自动标定控制柜，所述自动标定控制柜连接所述传感器标定工装，所述自动标定控制柜执行上述的气体传感器自动标定方法的步骤，在所述传感器标定工装中配备符合所述目标气体基准浓度值的标定环境；

所述上位机分别连接所述自动标定控制柜和所述传感器标定工装，用于向所述自动标定控制柜下发配气指令，以及采集待标定传感器的输出信号。

如附图3所示，所述自动标定控制柜包括柜体以及设置在所述柜体内的标准气体传输通道、目标气体传输通道和氮气传输通道，还包括配气控制器、标准传感器组和气泵；

所述标准气体传输通道的进气端密封连通标气气瓶，所述标准气体传输通道的出气端密封连通所述标准传感器组；所述目标气体传输通道的进气端密封连通目标气体气瓶，所述目标气体传输通道的出气端密封连通所述传感器标定工装；所述氮气传输通道的进气端密封连通氮气气瓶，所述氮气传输通道的出气端密封连通所述传感器标定工装；

所述标准气体传输通道的进气端与出气端之间设置点检电磁阀，所述目标气体传输通道的进气端与出气端之间设置目标气体配气阀、质量流量控制器Ⅰ和质量流量控制器Ⅱ，所述氮气传输通道的进气端与出气端之间设置氮气配气阀、质量流量控制器Ⅰ’和质量流量控制器Ⅱ’；

所述气泵的进气端密封连通所述传感器标定工装内的各个采样点，所述气泵的出气端密封连通所述标准传感器组，以检测各个采样点的目标气体实时浓度值；

所述配气控制器分别连接所述标准传感器组和所述点检电磁阀，以采用标准气体对标准传感器进行点检，获得标准传感器的点检值；

所述配气控制器还分别连接所述气泵、所述目标气体配气阀、所述质量流量控制器Ⅰ、所述质量流量控制器Ⅱ、所述氮气配气阀、所述质量流量控制器Ⅰ’和所述质量流量控制器Ⅱ’，以向传感器标定工装内输入氮气和目标气体，并获取各个采样点的目标气体实时浓度值。

可以理解，所述自动标定控制柜包含4个MFC，所述质量流量控制器Ⅰ和所述质量流量控制器Ⅰ’用于粗调，所述质量流量控制器Ⅱ和所述质量流量控制器Ⅱ’用于细调。当所述目标气体初始浓度值距离所述目标气体基准浓度值较远时，用粗调快速达到目标气体基准浓度值附近；当目标气体实时浓度值达到目标气体基准浓度值附近时，开启小流量质量流量控制器MFC进行精调，既可以保证配气速度又可以保证配气精度。

所述标准传感器在标定过程中作为反馈控制器，气泵将不同采样点的气体抽出取样，送入到反馈传感器，以监测各采样点的目标气体实时浓度值，主采样点的目标气体实时浓度值给自动配气提供基准，各个采样点的目标气体实时浓度值为目标气体均匀度判断提供参考依据；在不同的量程范围的标定时，所述点检电磁阀控制不同浓度的标准气体气瓶给气。

需要说明的是，所述自动标定控制柜通过自动点检功能，对各采样点的标准传感器进行零点和SPAN点点检并记录点检数据，消除标准传感器漂移产生的误差，根据点检值下发配气命令，以实现传感器标定工装内自动配气。

其中，所述标气气瓶用于点检标准传感器，本发明设置主标气气瓶和备用标气气瓶，主标气气瓶和备用标气气瓶分别通过配气电磁阀与质量流量控制器Ⅰ/质量流量控制器Ⅱ连通，实现主备自动切换；目标气体气瓶（纯气气瓶）用于配制所需浓度气体，主目标气体气瓶和备用目标气体气瓶分别通过配气电磁阀与质量流量控制器Ⅰ’/质量流量控制器Ⅱ’连通，实现主备自动切换。所述目标气体配气阀和所述氮气配气阀用于控制配气，通过控制对应电磁阀控制相应的气瓶给气；具体的，主标气气瓶、备用标气气瓶、主目标气体气瓶和备用目标气体气瓶分别对应一个电磁阀。

具体的，所述配气控制器可通过触摸液晶屏进行参数设置，进行流量/浓度/等数据监测、曲线显示及配气/标定命令下发。

可以理解，所述上位机的主要功能为实现整个自动标定流程控制，实时监测各系统数据；以及通过RS232接口与自动标定控制柜通讯，下发配气指令，监测各质量流量控制器实时传输流量，监测所述传感器标定工装内各采样点的目标气体实时浓度值；以及采用485通讯方式与传感器标定工装通讯，下发标定/校准命令，收集处理标定工装上挂载的传感器数据；以及通过以太网口对传感器标定工装进行温度控制/采集。

具体的，所述上位机设置三级权限：初级权限为生产人员权限，只有一个按键操作，操作简单，减小出错概率；中级权限为操作员权限，可以设置待标定传感器标定信息以及流程定制；高级权限为管理员权限，可以修改自动标定系统参数。

进一步的，所述传感器标定工装为具备温度调节功能的高低温箱，所述高低温箱内置传感器标定架，如附图4所示；所述传感器标定架配置待标定传感器集中单元，所述待标定传感器集中单元通过传感器标定架与上位机通讯，进行待标定传感器信息读取及校准命令分发。具体的，所述待标定传感器集中单元用于将若干待标定传感器通讯集中，每个集中单元都有一个地址，通过RS485通讯方式与传感器标定架相连；通过待标定传感器集中单元将传感器集中后安装到传感器标定架，所述传感器标定架采用MODBUS协议与每一个集中单元通讯，收集每只待标定传感器数据以上传上位机，并将上位机命令分发给每只待标定传感器。

需要说明的是，该气体传感器自动标定装置还具备故障自诊断，系统运行过程中不同故障会有不同的提示音，根据提示音快速定位故障点，排除故障。

最后应当说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。