专利名称：一氧化碳气体标定装置及标定方法
技术领域：
本发明涉及一种一氧化碳气体的标定装置及标定方法，可对任何浓度的一氧化碳进行标定。
背景技术：
煤气中对人体最有害的成分是一氧化碳，对环境中一氧化碳浓度准确快速的测定是安全生产的前提。一氧化碳检测仪是一种能准确快速测定环境中一氧化碳浓度的仪器， 并在浓度达到预先设定的报警值时发出声光报警来提醒操作人员及时进行处理，从而避免事故的发生，因此一氧化碳检测仪在使用中保持良好的工作状态是至关重要的。一氧化碳检测仪的核心部件是一氧化气体碳传感器，一氧化气体碳传感器的精度和灵敏度直接影响着检测仪的工作状态。因此，一氧化碳气体传感器在使用之前都要进行标定，标定时又需要用到不同浓度的一氧化碳标准气体，常用的标定方法有一是，直接购买一氧化碳标准气体进行标定，这种方法成本较高，需要购买大量不同浓度的标准气；二是，通过气体标定台进行标定，将标定台分别连接至一氧化碳气罐和盛有其他稳定气体的气罐(如氮气、二氧化碳等)，通过控制两种气体的流量达到标定任何浓度一氧化碳的目的，当标定台内的一氧化碳浓度值达到标定值时，则关闭两端气罐阀门。当标定值增大时，开启一氧化碳气罐阀门，达到标定值时关闭；当标定值减小时，则开启稳定气体气罐阀门，对标定台内的一氧化碳进行稀释，达到标定值时关闭。这种标定方法的不足之处在于
1、气罐体积比较大，运输、携带不方便，而且一氧化碳属于易燃易爆气体，运输过程中存在危险性；
2、操作、使用不方便，达到标定值时需要手动关闭阀门，无法达到自动控制；
3、罐装一氧化碳和其他稳定气体成本偏高。
发明内容
针对现有一氧化碳气体标定的不足，本发明的目的是提供一种结构简单、低成本、 高精度、易操作、可实现自动控制的一氧化碳气体标定装置；本发明的另一目的是提供该标定装置的标定方法，简便、快速标定任何浓度的一氧化碳。为实现上述目的，本发明一氧化碳气体标定装置采用的技术方案是具有一个箱体，箱体从左至右依次是以隔板相隔的一氧化碳制气室、标定室、二氧化碳制气室；标定室前侧面上是LCD显示屏和控制键盘，标定室内有一氧化碳传感器和控制电路板；一氧化碳制气室内的最上部是盛有甲酸的分液漏斗，分液漏斗的下部设有手动阀门和第二电磁阀， 分液漏斗的下口是甲酸流通口，甲酸流通口伸入密闭的盛有浓硫酸的反应瓶中，反应瓶置于盛有水的加热瓶中，加热瓶底部设有温度传感器和第二电热丝；反应瓶通过玻璃导气管连通标定室左上方的一氧化碳进气口，导气管上设有第一电磁阀；所述二氧化碳制气室中设有加热箱，加热箱中设置第一电热丝并放置碳酸氢钠固体粉末，加热箱通过导管连通标定室右侧上方的二氧化碳进气口，导管中间设置第三电磁阀；所述控制电路板上设有单片机、信号放大器和A/D转换器，一氧化碳传感器连接至信号放大器输入端，信号放大器输出端连接A/D转换器；温度传感器、A/D转换器的输出端、控制键盘、LCD显示屏和第一、第二、 第三电磁阀、分别连接单片机的不同I/O端口 ；第一、第二电热丝和单片机之间分别串接第一、第二电磁开关。上述一氧化碳气体标定装置的标定方法采用的技术方案包括如下步骤1)通电启动后，通过控制键盘设置需要标定的一氧化碳浓度标定值；一氧化碳传感器将标定室内的实时浓度值输入至单片机，单片机内部计算程序首先输出至LCD显示屏显示，然后内部控制程序不停地对实时浓度值和标定值进行比较；2)当标定室内实时浓度值小于标定值时， 单片机开启控制甲酸流通口的第二电磁阀和控制一氧化碳进气口的第一电磁阀，使甲酸经分液漏斗进入反应瓶中，和反应瓶中的浓硫酸发生反应产生一氧化碳气体，一氧化碳气体通过导气管和一氧化碳进气口向标定室内不停导入；3)当标定室实时浓度值大于标定值时，单片机先开启控制二氧化碳进气口的第三电磁阀，后控制电磁开关导通第一电热丝，由电热丝加热碳酸氢钠固体粉末反应生成二氧化碳气体，二氧化碳气体通过导管和二氧化碳进气口向标定室内不停导入；4)当标定室内浓度值达到标定值时，单片机则关闭每个所述电磁开关和所述电磁阀，在LCD显示屏上显示，标定过程结束。本发明的有益效果如下
1、本发明的一氧化碳气源采用甲酸经浓硫酸脱水生成，非一氧化碳稳定气源采用二氧化碳，通过加热碳酸氢钠(俗称小苏打)固体粉末制成，成本低廉，反应装置简单。2、本发明的一氧化碳发生装置和二氧化碳发生装置的启动和停止均由电控制，可加入电磁开关，实现单片机对装置的自动控制。3、本发明的标定室内气体通路采用S型，有利于室内的气体充分混合，提高检测和标定精度。4、本发明的一氧化碳气源生成速率可调，通过调节阀门可以很方便的控制参加反应的甲酸流量，从而达到控制反应速率的目的。5、本发明装置体积小，易于携带，可以标定任何浓度的一氧化碳，在大多数场合满足用户的需要。
图1是本发明的整体结构图； 图2是图1中标定室9的结构图； 图3是本发明的电路控制原理图； 图4是本发明的标定方法流程图中1.进水口 ；2.分液漏斗；3.瓶口 ；4.导气管；5.电磁阀；6. —氧化碳进气口 ； 7.稳压孔；8. 二氧化碳进气口 ；9.标定室；10. 二氧化碳制气室；11.吸水槽；12.进料口 ； 13.铁管；14. IXD显示屏；15.加热箱；16.电热丝；17.控制键盘；18.排料口 ；19. 一氧化碳制气室；20.电磁阀；21.手动阀门；22.加热瓶；23.反应瓶；24.电热丝；25.玻璃管； 26.控制电路板；27. —氧化碳传感器；28.增大标定值按键；29.减小标定值按键；30.电源开关按钮；31.挡板；32.电磁阀；33. 二氧化碳出气口 ；34.导管；35.温度传感器；36.甲酸流通口 ；37.信号放大器；38 .A/D转换器；39.单片机；40、41.电磁开关。
具体实施例方式参见图1，本发明主要由箱体、一氧化碳发生装置、二氧化碳发生装置、标定室9、 一氧化碳传感器27、控制电路板沈、控制键盘17和IXD显示屏14组成，图1为拿掉箱体的前侧面板和上面板后的结构视图。箱体分为3个腔室，从左至右依次以隔板相隔，左侧是一氧化碳制气室19、中间是标定室9，右侧是二氧化碳制气室10，这3个腔室互相之间有隔板相隔。其中，一氧化碳发生装置位于一氧化碳制气室19内，一氧化碳传感器27和控制电路板沈位于标定室9内，二氧化碳发生装置位于二氧化碳制气室内10，IXD显示屏14和控制键盘17设于标定室9前侧面上。一氧化碳发生装置主要包括分液漏斗2、反应瓶23、加热瓶22、温度传感器35和电热丝M。一氧化碳发生装置的最上部是分液漏斗2，分液漏斗2中盛有甲酸，由于甲酸具有挥发性，分液漏斗2上的瓶口 3塞有橡皮塞，瓶口 3通过一氧化碳制气室19上方的圆孔延伸到箱体外边，当甲酸量不足时，可拔出橡皮塞向分液漏斗2中加入甲酸。分液漏斗2的下部设有手动阀门21和电磁阀20。手动阀门21的作用是可以控制反应速率，电磁阀20连接单片机，由单片机39控制，其作用是可以控制甲酸反应的发生和停止。分液漏斗2的下口是甲酸流通口 36，伸入反应瓶23中，并连接密闭的反应瓶23，反应瓶23中盛有浓硫酸，将反应瓶23放置在加热瓶22中，加热瓶22中盛有水，加热瓶22放置在一氧化碳制气室19 下面板上。一氧化碳制气室19的上面板设有进水口 1，玻璃管25上端连通进水口 1，下端连通于加热瓶22中，当加热瓶22中的水消耗完时可通过该进水口 1向瓶中加水。加热瓶 22底部设置有温度传感器35和电热丝M，温度传感器35连接单片机。电热丝M电源加入了电磁开关，电磁开关连接至单片机的I/O 口，通过加热甲酸和浓硫酸的混合液产生一氧化碳，为标定提供一氧化碳气源，由单片机自动控制反应的启动与停止。反应瓶23具有良好的密闭性，其瓶口塞有橡皮塞，瓶颈右侧开有出气口，出气口连接玻璃导气管4 一端，导气管4另一端连接标定室9左上方开的一氧化碳进气口 6，反应生成的一氧化碳通过导气管4进入标定室9。在导气管4上设置电磁阀5，电磁阀5连接单片机39，由单片机39自动控制。一氧化碳制气室19的前侧板采用透明玻璃材料制成，方便用户观察室内甲酸和水的使用情况，以便甲酸和水消耗完时及时添加。一氧化碳制气室19上方面板采用卡槽式方法固定，便于安装和拆卸，其作用是方便装置内部的检查和维护。随着反应的进行，反应瓶23中浓硫酸会逐渐的被稀释，吸水能力也会变弱，当浓度过低影响到反应速度时，可拆开上面板向反应瓶23内添加浓硫酸。二氧化碳制气室10中设有加热箱15和电热丝16，加热箱15放置在二氧化碳制气室10的下面板上，在加热箱15中设置电热丝16并放置碳酸氢钠，采用电热丝16加热碳酸氢钠固体粉末的方法反应生成二氧化碳。加热温度可达到200多度，所以加热箱15底部采用绝热材料。电热丝16的供电电路加入电磁开关，电磁开关连接至单片机391/0 口，通过单片机39控制I/O 口的状态可以实现对加热装置的自动控制。在二氧化碳制气室10上方面板上设有进料口 12，进料口 12通过铁管13连接至加热箱15，当碳酸氢钠消耗完时，可通过该进料口 12向加热箱15内加入反应原料。在进料口 12上设置有阀门，不使用时保持阀门关闭。同时，在加热箱15底部设有与外界连通的排料口 18，将反应生成的碳酸钠粉末排出去。在加热箱15上表面上开有二氧化碳出气口 33，该二氧化碳出气口 33通过导管34连接至标定室9右侧上方的二氧化碳进气口 8，在导管34 中间设置电磁阀32，电磁阀32连接单片机39，由单片机39自动控制。反应生成的二氧化碳通过导管34进入标定室9内。由于反应有水生成，高温状态下会形成水蒸气，为防止水蒸气进入标定室9内，在导管34中部设置了吸水槽11，吸水槽11与导管34相通，在吸水槽 11里面放置氧化钙粉末，氧化钙吸水性很强，可以吸收导管中的水蒸气。参见图2，为了防止标定室9内压强过大，在标定室9上面板上设置了一个稳压孔 7，通过和外界交换气流来保持标定室9内和外界气压相等。标定室9前侧面板上的控制键盘17包括三个功能键增大标定值按钮观、减小标定值按钮29、电源开关按钮30。用户可通过按键设置需要标定的浓度值，增大标定值按键观和减小标定值按键四来设定自己需要的浓度值。设置的标定值会在LCD显示屏14上显示出来，同时，标定室9内的实时浓度值也会在在标定值的下方显示出来。标定室9容积为20*5*10cm，室内共有控制电路板沈、 一氧化碳传感器27和9块挡板31，控制电路板沈固定于面板内侧并且在控制电路板沈上安装了单片机，9块挡板31将标定室9内部空间围成相通的S型结构，这种结构设置有助于室内的气体充分混合，可以提高传感器检测精度和本装置标定的精度。每两块挡板之间间隔2cm，为了便于清晰的展现内部结构，图2中只画出了 6块挡板。一氧化碳传感器27位于最前一块挡板31的下方位置处，该最前一块挡板31距离标定室前侧面板为2cm。参见图3，一氧化碳传感器27连接至信号放大器37输入端，信号放大器37输出端连接A/D转换器38。温度传感器35、A/D转换器38的输出端、控制键盘17、IXD显示屏14、 电磁阀5、20、32和电磁开关40、41分别连接至单片机39的I/O 口。电热丝16和单片机39 之间串接电磁开关40，控制电热丝16的电源导通和切断，电热丝M和单片机39之间串接电磁开关41，电磁开关41控制电热丝M的电源导通和切断。电磁阀5控制一氧化碳进气口 6的开启与闭合，电磁阀32控制二氧化碳进气口 8的开启与闭合，电磁阀20控制甲酸流通口 36的开启与闭合。信号放大器37、A/D转换器38和单片机39，均位于控制电路板沈上。参见图4，本发明的标定装置在标定时，具体过程如下
由于一氧化碳是易燃易爆气体，在实际工作中，用户要将本发明装置远离火源和高温环境。同时，由于一氧化碳制取采用加热混合液体的方法，本发明装置不能倒置。常用的一氧化碳检测仪的检测范围通常在(T999ppm，本发明的标定范围理论上可达到0 99%。本发明所用的一氧化碳传感器27为电化学式结构，分辨率可达0. lppm。向一氧化碳制气室和二氧化碳制气室分别加入制气所需要的原料，反应瓶23中加入浓硫酸，分液漏斗2中加入甲酸，加热箱15中加入碳酸氢钠固体粉末。装置通电启动后，通过控制键盘17设置需要标定的一氧化碳浓度值，单片机39会有20秒的延迟时间等待用户设置标定值，设置完成后，装置开始工作。首先，一氧化碳传感器27将标定室9内的实时浓度转化为电流信号，该信号经信号放大器37放大为电压信号，然后经A/D转换器38 电路转换为数字量输入至单片机39，单片机39内部计算程序首先将接收到的数字量转化为一氧化碳浓度值输出至LCD显示屏14显示出来，然后控制程序不停对标定室9内的实时浓度值和标定值进行比较。当标定室9内浓度值小于标定值时，单片机39则通过控制相应的I/O 口状态开启控制甲酸流通口 36的电磁阀20和控制一氧化碳进气口 6的电磁阀5，从而开启动一氧化碳气源发生装置，甲酸经分液漏斗2进入反应瓶23，和反应瓶23中的浓硫酸发生反应产生一氧化碳气体，一氧化碳气体通过导气管4和一氧化碳进气口 6向标定室9内不停的导入。一氧化碳气体制取方法采用甲酸经浓硫酸脱水生成，在常温状态下，反应较慢，随着温度的升高反应速率逐渐加快，最佳反应温度在80度左右，本发明装置通过对加热瓶22 的水加热来给该反应进行加热。一氧化碳制取过程是这样的将98%浓度的浓硫酸倒入反应瓶23中，高浓度甲酸装入分液漏斗2中，为保证反应安全，通过手动调节分液漏斗2下边的手动阀门21控制甲酸流量，使甲酸逐滴滴入反应瓶中，根据反应需要可适当调大，加热瓶内加入适量水，通过电热丝M加热，反应瓶23中甲酸经过加热脱水生成一氧化碳。当反应进行时，温度传感器35将加热瓶22中水的实时温度转化为电流信号，然后经放大电路和A/D转换电路最终转换为数字量输入至单片机39，单片机39通过内部控制程序将反应温度维持在80度左右。当温度低于80度时，单片机39控制电磁开关41导通电热丝M电源，对加热瓶22中的水加热，温度大于80度时，则控制电磁开关41切断电源。当标定室9实时浓度值大于标定值时，单片机39则开启控制二氧化碳进气口 8的电磁阀32，然后控制电磁开关40导通加热箱15内电热丝16电源，从而启动二氧化碳发生装置，由电热丝16加热碳酸氢钠固体粉末反应生成二氧化碳气体，二氧化碳气体通过导管 34和二氧化碳进气口 8向标定室9内不停的导入。当标定室9内浓度值达到标定值时，单片机39则关闭所有电磁开关和电磁阀，并在IXD显示屏14上显示“0K”，标定过程结束。
权利要求
1.一种一氧化碳气体标定装置，具有一个箱体，其特征是箱体从左至右依次是以隔板相隔的一氧化碳制气室(19)、标定室(9)、二氧化碳制气室(10);所述标定室(9 )内有一氧化碳传感器(27 )和控制电路板(26 )，前侧面上是IXD显示屏 (14)和控制键盘(17)；所述一氧化碳制气室(19)内的最上部是盛有甲酸的分液漏斗(2)，分液漏斗(2)下部设有手动阀门(21)和第二电磁阀(20 )，分液漏斗(2 )的下口是甲酸流通口( 36 )，甲酸流通口( 36)伸入密闭的盛有浓硫酸的反应瓶(23)中，反应瓶(23)置于盛有水的加热瓶(22)中， 加热瓶(22)底部设有温度传感器(35)和第二电热丝(24);反应瓶(23)通过玻璃导气管(4) 连通标定室(9 )左上方的一氧化碳进气口( 6 )，导气管(4)上设有第一电磁阀(5 )；所述二氧化碳制气室(10)中设有加热箱(15)，加热箱(15)中设置第一电热丝(16)并放置碳酸氢钠固体粉末，加热箱(15)通过导管(34)连通标定室(9)右侧上方的二氧化碳进气口(8)，导管(34)中间设置第三电磁阀(32)；所述控制电路板(26)上设有单片机(39)、信号放大器(37)和A/D转换器(3)，一氧化碳传感器(27)连接至信号放大器(37)输入端，信号放大器(37)输出端连接A/D转换器 (38)；所述温度传感器(35)、A/D转换器(38)输出端、控制键盘(17)、LCD显示屏(14)和第一、第二、第三电磁阀(5、20、32)分别连接单片机(39)的不同I/O端口 ；第一、第二电热丝 (16、24)和单片机(39)之间分别串接第一、第二电磁开关(40、41)。
2.根据权利要求1所述的一氧化碳气体标定装置，其特征是所述标定室(9)内设有将标定室(9)内部空间围成相通的S型结构的9块挡板(31)。
3.根据权利要求1所述的一氧化碳气体标定装置，其特征是所述一氧化碳制气室 (19)上面板上设有进水口( 1)，加热瓶(22)和进水口( 1)之间连通玻璃管(25)；所述二氧化碳制气室(10)上方面板上设有进料口(12)，进料口(12)和加热箱(15)之间连接铁管(13)。
4.根据权利要求1所述的一氧化碳气体标定装置，其特征是所述导管(34)中部设有与其相通的吸水槽(11)，吸水槽(11)中放置氧化钙粉末。
5.根据权利要求1所述的一氧化碳气体标定装置，其特征是控制键盘(17)包括增大标定值按钮(28 )、减小标定值按钮(29 )和电源开关按钮(30 )。
6.一种权利要求1所述标定装置的标定方法，其特征是包括如下步骤1)通过控制键盘(17)设置需要标定的一氧化碳浓度标定值，一氧化碳传感器(27)将标定室(9)内的实时浓度值输入至单片机(39)，单片机(39)内部计算程序首先输出至LCD 显示屏(14)显示，然后内部控制程序不停地对实时浓度值和标定值进行比较；2)当标定室(9)内实时浓度值小于标定值时，单片机(39)开启控制甲酸流通口(36)的第二电磁阀(20)和控制一氧化碳进气口(6)的第一电磁阀(5)，使甲酸经分液漏斗(2)进入反应瓶(23)中和浓硫酸反应产生一氧化碳气体，一氧化碳气体通过导气管(4)和一氧化碳进气口(6)向标定室(9)内不停导入；3)当标定室(9)实时浓度值大于标定值时，单片机(39)先开启控制二氧化碳进气口 (8)的第三电磁阀(32)，后控制电磁开关(40)导通第一电热丝(16)，由电热丝(16)加热碳酸氢钠固体粉末反应生成二氧化碳气体，二氧化碳气体通过导管(34)和二氧化碳进气口 (8)向标定室(9)内不停导入；4)当标定室(9)内浓度值达到标定值时，单片机(39)则关闭每个所述电磁开关和所述电磁阀，在LCD显示屏(14)上显示，标定过程结束。
7.根据权利要求6所述的标定方法，其特征是温度传感器(35)将加热瓶(22)中水的实时温度输入至单片机(39)，当温度低于80度时，单片机(39)控制第二电磁开关(41)导通第二电热丝(24)电源对水加热，温度大于80度时则切断电源。
全文摘要
本发明公开一种一氧化碳气体标定装置及标定方法，箱体从左至右依次是以隔板相隔的一氧化碳制气室、标定室、二氧化碳制气室；标定室内有一氧化碳传感器和控制电路板；一氧化碳制气室内的最上部是盛有甲酸的分液漏斗，甲酸经分液漏斗进入反应瓶中，和反应瓶中的浓硫酸发生反应产生的一氧化碳气体被导入标定室，二氧化碳制气室中设有加热箱，加热箱中设置电热丝并放置碳酸氢钠固体粉末，由电热丝加热碳酸氢钠固体粉末反应生成的二氧化碳气体被导入标定室，由控制电路板是的单片机控制气体的浓度实现标定，反应装置简单，成本低廉，提高检测和标定精度，可以标定任何浓度的一氧化碳。
文档编号G01N33/00GK102323380SQ20111014441
公开日2012年1月18日 申请日期2011年5月31日 优先权日2011年5月31日
发明者张荣标, 杨宁, 杨爽, 王中鑫 申请人:江苏大学