探索气体传感器远程在线计量 赋能新质生产力创新发展——“气体检测物联网关键节点远程计量校准装置”
河南省计量测试科学研究院
一、案例概况
（一）背景摘要
气体传感器作为传感器技术领域的一大分类，是指将待测气体分子和敏感材料之间发生化学或物理反应，所产生的化学或物理量变化转变为有效可测量的信号（如电信号、光信号、声信号等），从而实现对气体种类和浓度测量的装置或器件。气体传感器有很多种类，按照功能可分为，气体分析仪和气体报警器；按照外观可分为，固定式报警器和便携式报警器；按照检测气体种类可分为，可燃气体报警器、有毒有害气体报警器和复合式气体报警器；按照使用环境可分为，工业用报警器和家用报警器；按照采样方式，可分为泵吸式报警器和扩散式报警器；按照原理，可分为催化燃烧型报警器、电化学型报警器、半导体型报警器、热导型报警器、红外线吸收型报警器。光学型报警器等。
随着物联网技术的快速发展，气体传感器作为物联网感知层的重要仪器，是构成物联网的核心基础设备。目前广泛应用于矿产开发、石油化工、环境监测等物联网在线监测与控制领域，当气体传感器检测到空气中有目标气体扩散时，会通过声、光指示对应的正常、报警和故障状态，以提醒工作采取安全措施，联动驱动排风、切断、喷淋系统，从而达到防止发生爆炸、火灾、中毒事故，保护企业财产和人员安全的目的。
本研究的目的是期望解决气体传感器量值传递中存在的以下问题。
（1）相邻检定周期内，气体传感器量值发生漂移时，无法及时发现和确认的问题。
在实际应用中，各种气体传感器在一定时间内都会发生不同程度的示值漂移，同时，气体传感器一般长期处于相对恶劣的环境(高温、高气体浓度、高粉尘)中。这对气体传感器的测量精度和稳定性都有较大影响，一旦不能正常工作，势必会造成严重的安全隐患，甚至导致财产和人身事故。因此，定期确认传感器工作状态是否稳定，量值是否可靠，是气体传感器产业链上下游共同关注的关键问题。
按照JJG 693-2011 《可燃气体报警器检定规程》、JJG 365-2008 《电化学氧测定仪检定规程》、JJG 915-2008 《一氧化碳检测报警器检定规程》等相关检定规程或校准规范，气体报警器的检定/校准周期一般为1年。而在这一年内，如何确认气体传感器的实际工作状态，就是一个亟需解决的问题。
（2）在线连续监测的需求，与实际计量工作方法的冲突。
目前气体探测器的期间核查大多采用离线周期检验，需要将气体传感器从用户的物联网监测和检测节点上进行拆卸。随着产业整体技术水平的提升和产品本身物联网化的发展趋势，气体传感器已形成集成化、系统化的物联网连续监测的能力，由气体传感器构成的物联网关键节点上，均要求气体传感器具有连续监测的能力，以保证整个物联网的正常运行。由于在线测量无法搬动，更有部分气体传感器工作在物联网的关键感知节点上而导致无法移动，以上情况均增加了量值传递和溯源的难度，从而提升了关键节点的计量校准要求。而传统的拆卸检验的期间核查计量工作方式，会使得气体传感器从用户物联网中离线，给用户带来极大不便。气体传感器从物联网中离线期间，会导致用户无法监测、检测目标环境及目标气体，形成安全隐患，并极易导致用户出现经济损失的情况。
随着气体探测器和分析仪的数量与日俱增，气体传感器产业和使用气体传感器的各行业对于仪器在线期间核查的需求已迫在眉睫。因此，实现对气体传感器量值的在线远程计量校准检测就显得尤为必要。
（3）气体传感器工作工况环境复杂，存在安全风险。
处于气体检测物联网关键节点上的气体传感器，工作的工况环境较为复杂，在临近气体传感器进行期间核查和计量校准的时间节点时，继续开展工作，需要承担必要的安全风险。这就需要研究开发一种通过物联网技术实现期间核查和计量校准的装置，开展远程的期间核查和计量校准，降低安全风险和隐患。
因此，本项目应运而生。
（二）案例简介
为保证气体检测物联网关键节点量值的准确可靠，通过采用通信技术、大数据计算及网络可视技术，以智能仪器设备为终端，研制了一套气体检测物联网关键节点远程计量校准装置。该装置具有原位自动对接、校准用气体选择与流量控制，零点测试及校准、量程测试及校准、在线连续监测等功能，可实现对物联网关键节点气体传感器的在线核查及校准。
（1）该装置可实现对气体传感器的在线实时监控、核查及校准。结合软硬件，制定了气体传感器物联网关键节点校准方法，以En值判定法为基础，开发了传感器数据有效性判别算法，根据结果偏离程度由装置向物联网集中控制系统(集控中心)发出分级警告，同时启动核查或标定工作，实现对关键节点气体传感器工作状态的实时核查与校准。
（2）该装置可实现与传感器探头的自动对接和定量通气。依据校准装置与气体探测器的应用实际，模拟校准装置安装位置，采用旋转机械臂通气方式，通过精密步进电机和质量流量控制器，在50cm的极限安装范围内，步距角及步距角精度对应步距距离分别不超过2.0cm和0.1cm，流量控制精度不超过±1%FS，可有效解决恶劣工况环境下人工无法现场操作的问题。
二、案例具体做法
（一）案例详情
本项目利用物联网通信技术、大数据计算及网络可视技术为工具，以智能仪器设备为终端，开发物联网在线计量设备，实现对物联网中关键探测节点的气体传感器进行在线期间核查与计量校准，同时降低开展期间核查和计量校准工作时的安全风险。
（1）利用物联网通信技术，实现对气体传感器在线数据的采集、分析。
物联网通信技术，主要是指基于蓝牙、NFC、WIFI、LORa等无线通信技术，应用一种或组合应用多种技术，实现物联网数据的无线、远距离传输分享。本项目组开展了试验测试，从实际带宽、传输距离、传输延时等方面对物联网各通信技术进行研究、选型，确认适合本项目的无线数据传输技术。同时，利用物联网通信技术，实现对气体检测物联网关键节点上气体传感器的远程计量。
（2）利用大数据计算及网络可视技术为工具，开发物联网计量操作方法和对应工作站软件。
大数据计算即利用获取的试验数据，对数据进行多维度、多角度分析，获得试验数据的多参数结果，助力研究开展、帮助本项目装置的研发。通过大数据计算，可能会获得对试验数据全新的认知，有助于项目组在装置研制过程中对装置的改进改良和对工作站软件使用需求的设定。
（3）开发智能终端，实现对气体传感器的标定、校准等操作，同时在不影响气体探测器正常运行的情况下，实现物联网在线计量方法应用。
气体检测物联网关键节点远程计量校准装置整体展示形态如图1所示，各部位展示形态如图2、图3所示。
图1
图2
图3
（二）具体成效
随着物联网技术的快速发展，气体传感器作为物联网感知层的重要仪器，广泛应用于石油化工、矿产开发、公共安全、环境监测等在线监测与控制领域，对于物联网中的某些关键节点，特别是处于相对恶劣环境(高温、高气体浓度、高粉尘)中的气体传感器，较高频次的核查和校准是保证其数据准确可靠的最有效途径。
本装置可实现对气体传感器的实时在线监控、核查及校准，实现对气体传感器实时感知、动态监测和智能校准，可最大程度保障气体传感器物联网系统的准确运行，从而避免恶性生产或安全事故的发生。
同时，本装置可为气体传感器在实际工况下的全寿命周期运行状态提供丰富的测量数据，从而为气体传感器生产企业的研发及终端用户的合理规范使用提供数据支撑。
本装置广泛应用于化工、环保领域的气体检测物联网关键节点，具有较大的经济效益，毕竟，安全是无价的！！！
三、案例创新点
（一）案例实施的创新点
（1） 联结方式
通过“国家气体传感器产业计量测试中心”平台，汇集产业内相关企业组成计量伙伴关系。以产业计量服务为导向，搭建交流合作平台，开展科研合作和技术交流，集智攻关解决企业计量需求，带动中小企业创新发展。
（2）服务方式
通过“早介入、全参与、定制化”的计量服务模式融入产业链，深入了解企业从研发到售后的全过程，梳理产业链计量薄弱环节和计量配套需求，为企业制定合理的计量服务内容。
（二）推广价值
通过实施中小企业计量伙伴计划，我院精准把握本地产业特点，并结合产业相关企业的实际情况，从产品设计之初就与企业紧密合作。提供了全链条计量服务，涵盖了从产品研发、生产到市场应用的全过程。此模式不仅有助于提升企业的计量能力，更能促进企业产品质量的提升，推动产业发展。通过以上举措，国家气体传感器产业计量测试中心将有效破解产业发展中的计量技术难题，助力智能传感器产业实现高质量发展，进一步提升行业的整体竞争力和创新能力。该项目2023年获第七届中国（国际）传感器创新创业大赛全国二等奖。
（三）体会感受
计量伙伴是在互惠互利、共同发展的目标下建立起来的一种关系，国家气体传感器产业计量测试中心作为服务产业的计量测试平台，目标是为产业提供全溯源链、全寿命周期、全产业链的计量技术服务体系，要用前瞻性的思维，通过“早介入、全参与、定制化”的方式融入产业发展，在带动企业计量能力建设的同时，为企业在节约成本、科技攻关、成果转化方向提供全方位支持。