一种氧传感器测量精度校准方法与流程

本发明涉及一种氧传感器测量精度校准方法。

背景技术：

氧传感器用于氧含量的检测，应用于医疗、化工、军事等各领域，目前常用的氧传感器主要分为电化学式氧传感器和氧化锆式氧传感器两种类型。在长期使用过程中，这两种类型的氧传感器受气体中杂质以及自身老化影响，均会导致氧传感器稳定性变差，测量结果发生偏移。常用的解决办法是进行氧传感器校准。目前，常见的校准方法多为单点校准即进行零点修正，一次校准纠正范围有限，进行全量程范围校准时需要进行多次测量，逐一修正，校准效率不高。有些校准方法则需要使用专用校准设备，校准时需要将氧传感器从产品中拆卸后，安装到校准设备中进行校准。为提高氧传感器校准效率，避免校准时拆卸传感器的缺点，本发明设计一种利用串口通信的氧传感原位校准方法，实现对氧感器进行全量程范围内的精度校准。

技术实现要素：

本发明的目的是根据上述现有技术的不足之处，提出一种氧传感器测量精度原位校准方法，可大幅度提升校准效率和氧传感器精度，避免校准时需要拆卸传感器的缺点，可实现对氧感器进行全量程范围内的精度校准。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案如下：

一种氧传感器测量精度校准方法，氧传感器在原设备上的位置不变，通过测量两种标定气体分别通入氧传感器后的实测氧分压值，完成氧分压的零点和线性度常数校准；

氧分压线性度常数校准计算式为：

其中：pa为氧传感器舱体压力值；th和tl为高氧点和低氧点测量时间；oh和ol为高氧点和低氧点氧浓度值；

氧分压零点常数校准计算式为：

t＝k×ol×pa-tl(4)

进一步地，所述的两种标定气体为两种不同浓度的气体。

进一步地，所述的两种标定气体采用空气和纯氧。

进一步地，校准时，由控制器根据校准指令，控制进气装置中的不同阀门，选择对应的不同的标定气体通入氧传感器中。

进一步地，所述进气装置中设置减压机构，使通入氧传感器舱体的气体压力维持在恒定范围。

进一步地，所述控制器通过串口与校准计算机进行信息交互。

进一步地，校准时，包括低氧点氧分压测量、高氧点氧分压测量的步骤。

进一步地，校准时，还包括高氧点氧分压复测、低氧点氧分压复测的步骤。

进一步地，高氧点氧分压复测的步骤在低氧点氧分压复测的步骤之前、高氧点氧分压测量的步骤之后进行。

进一步地，校准时，采用应答方式执行校准步骤，不满足校准约束条件时则校准中止；

校准约束条件包括：

1)低氧点氧分压测量和高氧点氧分压测量步骤中，测量的氧分压值与理论值偏差小于10％；

2)高氧点氧分压复测、低氧点氧分压复测的步骤中，复测的氧分压值与理论值偏差小于5％。

本发明所达到的有益效果：

本发明通过两点校准方法，大幅度提升校准效率和氧传感器精度，同时，使用串口与计算机通信，按照计算机设定校准流程实现氧传感器原位校准，提升校准可靠性，控制器的接入可避免传感器在校准时需要进行产品拆卸。

附图说明

图1氧传感器校准系统结构框图；

图2氧传感器校准流程；

图3校准后复测流程。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

1、氧传感器两点校准方法

氧分压传感器在长期工作过程中出现的测量精度的缓慢漂移，导致测量结果不准确，然而传感器信号输出与氧浓度的线性关系依然存在，本发明利用这一特性，设计氧传感器两点校准方法。

通过测量两种标定气体的实测氧分压，完成氧分压计算的零点和线性度常数的校准。

氧分压线性度常数校准计算见公式(3)：

其中：pa为氧传感器舱体压力值，单位为kpa；th和tl为高氧点和低氧点测量时间，单位为ms；oh和ol为高氧点和低氧点氧浓度值，单位为％；

氧分压零点常数校准计算见公式(4)：

t＝k×ol×pa-tl(4)

2、原位校准

结合图1，使用两点校准方法进行氧传感器时，需要通入两种不同浓度气体，根据实际情况，空气和纯氧两种气体的获取较为容易，因此本发明中选择标定气体为空气和纯氧。整个校准过程中，控制器根据校准流程中相应指令，控制进气装置中阀门打开和关闭，从而选择通入氧传感器中的气体类型。进气装置中设置减压机构，确保进入氧传感器舱体压力维持在恒定范围(约等于标准大气压力)。在校准过程中，无须将氧传感器进行拆卸，实现氧传感器在设备上自动原位校准。

3、利用串口通信的高可靠性校准流程设计

装有氧传感器的产品通过串口与校准计算机进行信息交互，校准计算机发送校准命令，产品反馈校准状态，执行相应阀门控制并发送自校准状态信息。

校准流程主要分为低氧点氧分压测量、高氧点氧分压测量、标定参数计算、参数标定等步骤，校准流程详见图2。为了对校准效果验证，引入高氧点氧分压复测、低氧点氧分压复测环节，复测流程详见图3。其中高氧点氧分压复测在低氧的复测之前，有效利用校准上一环节中高氧点氧分压测量中氧分压传感器气体腔内稳定的纯氧环境，加快传感器稳定时间和减少不必要的控制阀门换气操作。

校准计算机根据校准流程发送校准命令，产品根据校准命令执行相应的操作，并将校准状态反馈至校准计算机。校准过程采用应答方式执行，其中某环节不满足校准约束条件则校准中止，减少不必要的校准步骤执行，节约资源，提升校准可靠性。校准约束条件如下：

1)低氧点氧分压测量和高氧点氧分压测量环节中，测量氧分压值与理论值偏差应小于10％。该项约束可剔除氧传感因长时间使用导致的漂移过大，传感器输出信号与氧浓度的线性关系已不再明显的情况；

2)复测过程中，实测氧分压值与理论值偏差应小于5％。该项约束可有效验证校准所得计算参数是否准确。校准参数不准确需要重新进行校准计算。

实施例1

上述方案中所陈述内容仅是氧传感器原位校准方法的说明，为更直观理解本发明，现就其中效果较好实施例进行如下详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

1、氧传感器两点校准方法实现

两点校准中需要通入两种不同浓度气体，并测量每种通入气体稳定后的测量时间。本发明中选用最为常见的空气和纯氧作为两种标定气体进行校准。其中空气中氧浓度为20.1％，纯氧的氧浓度为100％。通过进气装置，控制校准过程中环境压力为标准大气压力。因此氧分压校准线性度常数计算公式

中pa＝101.3kpa，oh＝100％，ol＝20.1％。在整个校准过程中，仅需要按照要求测量通入纯氧时传感器的测量时间th以及通入空气时传感器的测量时间tl值。

同理，对于氧分压零点常数计算公式t＝k×ol×pa-tl，仅需将计算所得线性度常数和通入空气时传感器的测量时间tl值带入公式计算即可。

2、原位校准

结合图1，在校准过程中氧传感器无须进行拆卸，在整个校准过程中，控制器根据校准步骤进行阀门控制。当控制器接收到计算机发送校准开始命令后，校准开始，控制器将进气装置中阀门1打开，阀门2关闭，空气进入氧传感器所在舱体，经过1分钟稳定后，控制器测量空气下氧传感器测量时间tl值。当接收到校准计算机发送通入纯氧命令后，控制器将进气装置中阀门1关闭，阀门2打开，纯氧进入氧传感器所在舱体，经过1分钟稳定后，控制器测量纯氧下氧传感器测量时间th值。

3、利用串口通信的高可靠性校准流程设计

本发明实例中，选择rs422总线与校准计算机建立通信。

装有氧传感器的产品通过rs422总线与校准计算机进行信息交互，校准计算机通过rs422总线发送校准命令，产品回应校准指令，执行相应阀门控制并发送自校准状态信息，报文周期发送。

校准流程主要分为低氧点氧分压测量、高氧点氧分压测量、标定参数计算、参数标定等步骤。为了对校准后结果验证，引入高氧点氧分压复测、低氧点氧分压复测环节。其中高氧点氧分压复测在低氧的复测之前，有效利用校准上一环节中高氧点氧分压测量中氧分压传感器气体腔内残留纯氧，加快传感器稳定时间和减少不必要的控制阀门换气操作。校准计算机根据校准流程发送校准命令，产品根据校准命令执行相应的操作，并将校准状态反馈至校准计算机，如图2所示，校准流程描述如下。

1)校准计算机发送校准开始命令0x01；

2)产品接收到校准命令后发送0x02，告知校准计算机产品已进入校准状态；

3)校准计算机发送命令0x03，控制器控制阀门通入空气；

4)产品反馈状态0x04，等待空气下氧分压稳定，等待时间设置为1分钟；

5)氧传感器测量稳定后，如果此时氧分压测量值在(20.9±2)kpa范围内，控制器反馈状态0x05，告知校准计算机空气下传感器的测量时间tl已测量完成，否则产品反馈状态0x88，校准不成功；

6)校准计算机发送命令0x06，控制器控制阀门通入纯氧；

7)产品反馈状态0x07，等待纯氧下的氧分压稳定，等待时间设置为1分钟；

8)传感器测量稳定后，如果此时氧分压测量值在(101.3±10)kpa范围内控制器反馈状态0x08，告知校准计算机纯氧条件下的传感器的测量时间th已测量完成，否则产品反馈状态0x88，校准不成功；

9)校准计算机发送命令0x09，告知产品进行参数计算；

10)产品反馈状态0x0a，告知校准计算机正在进行参数计算；

11)产品反馈状态0x0b，申请进行标定；

12)校准计算机发送命令0x0c，告知产品可以进行标定；

13)产品记录标定参数并反馈状态0x0d；

14)如果参数记录成功，则产品反馈状态0x0e，标定成功；否则产品反馈状态0x88，标定不成功。

为验证校准的准确性，可以选择进行气体复测。如图3所示，步骤如下：

1)校准计算机发送命令0x11，告知产品复测纯氧氧分压；

2)产品打开纯氧进气阀门2，关闭阀门1，同时反馈状态0x12，告知校准计算机纯氧氧分压复测开始，正在等待氧分压稳定；

3)1分钟后，校准计算机发送命令0x13，告知产品进行纯氧氧分压测量；

4)计算氧分压，如果氧分压在(101.3±5)kpa范围内，则反馈状态0x14，告知校准计算机纯氧氧分压复测成功；否则反馈状态0x88，告知校准计算机校准不成功；

5)校准计算机发送0x15，告知产品复测空气氧分压；

6)产品打开进气阀门1，关闭阀门2，同时发送0x16，告知校准计算机空气氧分压复测开始，正在等待氧分压稳定；

7)1分钟后，校准计算机发送0x17，告知产品进行空气氧分压测量；

8)计算氧分压，如果氧分压在(20.9±1)kpa范围内，则反馈状态0x18，告知校准计算机空气氧分压复测成功；否则反馈状态0x88，告知校准计算机校准不成功；

注：上述过程中，任意反馈状态为0x88，表明校准不成功，校准流程终止。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。