CN101036050A - 气体检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种包括衬底(10)的比色气体检测器，所述衬底载有材料(12，14)，所述材料(12，14)可以与被监视大气中的气体(目标气体)反应，并且其中所述反应使所述材料改变所述材料吸收或放射辐射的辐射率(色变材料)。所述材料位于所述衬底的至少一个离散区域(12，14)中。通过在各离散区域中提供色变材料，可以减少这种材料的量并且可以在共用衬底上包括不同类型的色变材料以同时检测两种或多种气体。

Description

气体检测系统

技术领域

本发明尤其涉及用于检测有毒气体的检测器，所述检测器具有与所感测的气体或蒸气(或者气体或蒸气系列)(以下称为“目标气体”)反应的材料，并且所述反应导致材料辐射吸收的变化，通常借助可见光谱中颜色改变来证明。

背景技术

已知使用具有纸带的化学试剂盒来检测有毒气体，所述纸带注有特殊的化学材料；所述纸通常是吸收性的并且通过将其浸入该材料的溶液槽中来注入所述化学材料。所述纸带随后被干燥并且安装在盒中。在使用期间，纸带被置于分析器中，所述分析器用于经由纸带从所监视的空气中吸收气体。选择纸带上的化学材料来与目标气体反应并且改变颜色。颜色改变度是在所监视空气中目标气体浓度的量度。分析器检测颜色改变并且通过与已知的气体响应表相比较来计算气体浓度，所述表已经被预先编程到所述分析器中。纸带定期前进以便把没用过的一段纸带送入分析器内的位置，借此使目标气体接触没用过的那段纸带以便进行进一步的测量。纸带系统的一个主要优点在于根据所述纸带的可见颜色变化来看，能够永久地直观记录存在肯定的气体响应。

现有系统引起几个问题。首先，在纸带上所支撑的材料在与目标气体反应期间可能释放气体，其中所述材料暴露于所述目标气体时会改变辐射吸收属性(以下称为“色变材料”)。此散发的气体可能会导致测量不准确。

第二，响应于温度、湿度和/或光，纸带和色变材料可能随时间推移而降级。因此它只有有限的保存期限，用户只能保留有限的库存。

关键在于纸带沿着其长度应当是均匀的以便确保均匀地响应于给定量的目标气体。因此，必须避免纸带中的不一致性。如果纸带还包括厚度变化，例如纸带的纸材料内的“突起块”，那么这可能使分析器被卡住。此外纸带中的“突起块”可能使得流过纸带的气体发生变化，由此进一步使测量不准确，最终可能造成假警报或表明检测系统没有适当操作的警报(故障警报)。

色变材料可能受所监视的大气中除目标气体之外的气体的影响。水蒸汽常常能改变色变材料对目标气体的响应，导致测量不准确。

本发明的目的是克服或缓和一些或所有上述问题，和/或提供一种载有可以用来检测两种或多种气体的色变材料的系统。

发明内容

依照本发明，提供了一种包括衬底的比色气体检测器，该衬底载有材料，所述材料可以与目标气体反应而使得由所述材料所吸收的辐射发生改变，其中所述材料位于所述衬底的一个或多个(优选两个或多个)离散区域中。

把材料限于衬底上离散区域的优点在于只要求较少的色变材料。另外，它使得可利用片状物(sheet)可执行现有技术所无法执行的附加功能，如下所论述。

依照第一实施例，在衬底的一个离散区域中所使用的色变材料不同于在一个或多个其它区域中所使用的材料。例如在一个区域中，色变材料与在另一区域的材料相比，可以是不同的量或剂量。这使得能够检测大范围浓度的气体。使用这种布置，如果在所监视的大气中存在高浓度的目标气体，那么在色变材料低剂量区域中的所有材料可能会改变其颜色并且可能无法区分各个级别浓度的目标气体；另一方面，在高剂量区域中，只有一部分色变材料可能会改变颜色并且据此可以给出目标气体浓度的指示。相反地，如果存在低浓度的目标气体，那么包含低剂量色变材料的区域可能会比高剂量区域给出更好的气体浓度指示。据此，通过使用具有不同量或剂量色变材料的两个或多个离散区域，可以测量高浓度和低浓度的目标气体。

作为替换，可以在不同的离散区域中提供不同的色变材料使得可以同时检测两种或多种目标气体。这种布置还可以用来消除交叉干扰气体的影响，或至少向操作者警告出现了交叉干扰气体，如现在将要描述的。

如果色变材料不仅与目标气体反应而且与在所监视大气中可能存在的一种或多种其它气体反应，那么可以在第一区域中提供用于与所述目标气体和交叉反应气体反应的色变材料，同时在第二区域中提供只与所述交叉反应气体反应的第二色变材料。在这些环境中，交叉反应气体的浓度可以从第二区域中获得并且从已经在第一区域中所测量的色变中减去，由此给出目标气体浓度的指示。

优选地是，把不同的离散区域分组在一起使得它们可以由适当数目的光敏元件来同时读取。从而，第一区域可以是半圆并且第二区域形成相邻的半圆，使得它们一起构成整个圆。作为替换，各个区域可以被形成为在整个衬底上顺次定位的条。

所述衬底可以是被放置在盒中的条或纸带，使得所述条或纸带的顺次区域依照与当前所使用的相同布置被暴露给所监视的大气，如上所述。在这种情况下，衬底可以是透气的，以便使气体采样能够从所监视的区域通过或穿过所述衬底。另外，所述衬底优选是可吸收液体的，使得液体吸收材料易于被该衬底所保持。然而，它不应当过分能吸收，以致色变材料的淀积区域从所期望离散区域迁移；当两个或多个区域彼此邻近定位时这尤为重要的。

如果色变材料中的色变度正用来给出在所监视大气中目标气体的量的指示，那么重要的是应当淀积一致剂量的色变材料，或者作为替换，系统应当能够进行校准。在任何离散区域中所淀积的色变材料量可以被直接测量，例如如果色变材料自身有颜色的话，那么按色度进行测量。然而如果它没有颜色，那么可以在所淀积的墨水中包括颜色标记以便给出在任何离散区域中色变材料量的量度。

这种布置当淀积时还提供了色变材料正被淀积的可见指示，特别是如果所淀积的材料是无色的话。

本发明还涉及一种用于制造如上所定义的比色气体检测器的方法，其中色变材料例如通过至少一个喷墨机被淀积在单个离散区域中。还可以使用其它印刷技术，诸如篡改印刷(tamper printing)、平版胶印刷等。使用墨喷式印刷的优点在于可以按相对较低的资本投资来向衬底施加色变材料，使用户能够准备他们自己的检测器(即载有色变材料的衬底)，由此克服了由于检测器的短储存期限而必须频繁地从供应商订购它们的问题。

依照本发明的第三方面，提供了一种用于检测在所监视的大气中气体的方法，所述方法包括把来自大气的采样与如上所定义的比色气体检测器的一个或多个离散区域相接触，例如借助通过或穿过衬底吸收采样气体。

附图说明

图1到4示出了供在比色气体感测设备中所使用的片或带状物的候选形式。

具体实施方式

首先参照图1，示出了由衬底10所组成的纸带，在衬底10上淀积有一行点12、14；交替的各点由不同的色变材料形成，因此例如点12可以由一种类型的色变材料组成而点14可以由另一类型的色变材料组成，由点中不同的交叉排线来示出。所述点借助喷墨印刷技术来淀积。

就像现有的比色气体检测一样，来自被监视大气的气体可以通过或穿过点12、14来顺次吸收，或者可以通过或穿过相邻的点对12、14来同时吸收。

使用已知的压电印刷喷头来从喷墨机淀积点12、14。

在淀积形成中可以使用的材料例子是从适于带来色变的现有技术中已知的任何材料，并且其中三个例子是：

材料1

水溶液或诸如甲醇之类的有机溶剂，包含：

重量百分数0.1的带黄色的曙红(eosine yellowish)(颜色指标：酸性红87)，其是基于fluoscine的染料，

重量百分数0.3的对四氯磺酸(para-toluenesulphonic acid)，和

重量百分数15的多元醇，诸如甘油，

因为材料的pH值由于酸性而保持很低，所以此材料当被干燥时基本上是透明的或是非常浅的桃红色(染料只在中性或碱性时才示出其颜色)。此材料可以用来借助气体使所述材料更呈碱性由此出现染料的自然色来检测碱性气态成分(诸如氨)的浓度。色变——清澈的到黄色

材料2

除带黄色的曙红由玫瑰苯亚甲基(rose benzal)、荧光桃红(phloxine)、带蓝色的曙红(eosine bluish)或真曙红(erythrosine)来替换之外与材料1相同。对四氯磺酸可以由萘磺酸(naphthalenesulphonic acid)或苯磺酸(benzensulphonic acid)来替换。材料2也用于检测碱性气体。

材料3

溶剂：1.5毫升的浓缩(conc)硝酸；

25毫升的甘油；和

224毫升的甲醇。

活性成分：2.5克的硝酸银

衬底：涂有硅酸(或硅胶)的纸带

此材料可以用于检测诸如砷、磷化氢、乙硼烷之类的金属氢化物。当接触这些材料时，所淀积的材料出现从清澈到灰白/黑色的色变。代替浓缩硝酸，可以使用其它有机或无机酸，例如如在前面材料1和2中所描述的材料1和2中所提及的酸之一。酒精(甲醇)被选为溶剂，这是因为在处理时，比起水基溶液，它使纸带更易于变干，但是也可以使用其它酒精和溶剂，例如乙醇和异丙醇，不过挥发性溶剂是优选的。甘油通过使纸带保持足够湿来增加纸带的吸收能力以使得在引入的氢化物气体和纸带试剂之间发生所期望的反应；可以使用其它甘醇，例如乙二醇、丙二醇和丙撑二醇。然而由于成本原因，使用甲醇和甘油是优选的。

其上淀积有以上材料3的纸带在防光的室温正常储存条件下可以维持白色背景至少六个月。甚至在六个月之后，纸带仍然可以显示氢化物气体的灵敏度(±10％)。

硝酸银活性成分的更一般溶剂是

0.1-5％的酸；

5-20％的甘醇；和

94.9-75％的酒精。

例如，点12可以是材料1的淀积而点14可以是材料3的淀积。利用这种布置，可以检测单个大气中的碱性气体和氢化物。

一旦来自被监视的大气中的采样气体通过或穿过点12、14而被吸收，那么它们被顺次地或同时暴露给可见辐射源，这可以就是周围辐射，并且由点12、14所发送的辐射传递到检测器，所述检测器依照预编程的查找表来测量颜色的改变。由于色变度取决于大气内的气体浓度，所以颜色的改变是目标气体浓度的指示。

如上所述，通过光学方法分析点12、14。可以在纸带上提供索引标记16以便确保使点与光辐射源和检测器正确对准。

点12和14，代替使用不同的化学实体来形成，而可以由相同的实体但是不同的剂量组成。如上所述依照这种方式，可以测量大范围浓度的目标气体。

如上所述，用于制作色变纸带的现有方法涉及使衬底纸带通过包含色变材料液的涂覆槽以便使整个纸带注有所述色变材料；然后长时间干燥所述纸带。依照这种方式，整个纸带都注有色变材料。本发明的布置不仅由于只使用较少量的色变材料而节省色变材料，而且还无需干燥整个纸带，并且此外使可能在使用中释放废气的色变材料的区域更小(此“废气”可能防碍测量目标气体)。另外，由于喷墨淀积而减少了干燥时间以及在衬底上更精确地配制色变材料使本发明的纸带能够比现有技术的纸带更加迅速地制造出来。

在另一实施例中，点12可能对目标气体和交叉干扰气体敏感，例如分别为一氧化碳和水蒸汽。那么点14可以由只对水蒸汽敏感的材料组成，这样可以使用点14来测量大气中水蒸汽的量，并且从通过点12的一氧化碳和水蒸汽的组合测量中减去水蒸汽的影响，给出一氧化碳的整个浓度。代替提供两个独立的点12、14，可以提供单个点18(参见图2)。每个点18由两个半圆20、22组成，分别包含在点12、14中所使用的色变材料，如上所述。图2中布置的优点在于半圆20、22中的色变材料可以同时暴露给来自所监视大气中的气体并且可以同时被测试色变情况，优选使用独立的感光传感器来监测从每个半圆所发送的辐射。

当然，还可代替提供两种不同色变材料的半圆，而使用三种或四种不同的色变材料，在这种情况下点必须被分割为三或四段。所述点可以具有任何形状，例如圆形或正方形，并且可以是任何大小。

在图3中所示出的布置与在图2中所示出的相同，但是代替具有半圆形状，而是使用了两个不同的色变材料条。这种布置与图1和2相比优点在于不必提供索引标记16来把色变材料与进气口对准以便使采样气体能够从所监视的大气与所述色变材料接触，或者把该点与辐射源/传感器对准。

在图4中所示出的布置使用四个点的行，所述四个点横穿纸带轴线来布置。每个点使用不同的色变材料和/或相同色变材料的不同浓度，以便用于检测多种气体的大范围浓度，并且可能的话还允许来自被测量的交叉感测气体或水蒸汽的干扰。代替测量精确的色变，可以通过提供适当的单个区域模式，由模式识别发现气体的浓度和性质。

由单个区域所发送的辐射可以由具有适当过滤器的光电管来检测，以便把到达所述光电管的辐射限制为在色变材料已经与目标气体反应时所发送的辐射。这可以通过使用照相机或摄像机，实现用颜色或灰度形成色变材料区域的图像，并且分析形成所述区域的图像的像素，从而监测并且选择性地还记录颜色改变。

喷墨打印机相对便宜，并且相应地可不必在工厂中制造包含纸带的盒并且把它们运给客户，而由客户自己准备纸带。这意味着可以减少所需要携带的原料量并且纸带不会随过长时间的存储而降级。然后可以在可替换的喷墨盒中提供色变材料。

作为选择，可以把一个或多个喷墨印刷头结合到气体检测设备中，使得色变材料在被暴露给所监视的大气之前立即被淀积并干燥。

第三种可能是在把纸带暴露给所监视的大气之前不干燥所述纸带，这样所述色变材料是湿的；然而这要求在淀积所述色变材料和暴露给所监视的大气之间的时间相对较短，或者要求在淀积和暴露给所监视的大气这期间保持仔细控制的大气。显然，在色变材料对湿度敏感的情况下无法使用这种布置。

如果色变材料在发生读取的前不久现场淀积，那么可以调节所淀积的色变材料量，从而向先前检测的目标气体浓度提供最佳响应。依照这种方式，系统“学习”它将遇到的目标气体的最可能的浓度，并且调节所淀积色变材料的剂量以提供适当的灵敏度。作为选择，可以淀积一致剂量的色变材料但是可以调节所述色变材料暴露给所监视大气的时间以便向目标气体的“得知”浓度提供最佳灵敏度，如根据目标气体浓度的先前读数所评估的。

尽管特别以纸带为例描述了以上说明，然而包含色变材料的离散区域的衬底不一定是纸带，并且可以使用其它形式，例如A4尺寸的纸板。

在一个实施例中，包括色变材料并且同时与所监视大气相接触的衬底的多个离散区域被暴露给相同的大气，而不是彼此相隔离并且暴露给所述大气的单个采样。

Claims (10)

1.一种包括例如片、条或带状之类的衬底的比色气体检测器，所述衬底载有可与被监视大气中的气体(“目标气体”)反应的材料，并且其中所述反应使所述材料改变所述材料所吸收或放射辐射的辐射(“色变材料”)，其中所述材料位于所述衬底的至少一个离散区域中。

2.如权利要求1所述的比色气体检测器，其中所述材料位于至少两个离散区域中。

3.如权利要求2所述的比色气体检测器，其中在一个离散区域中的色变材料的浓度不同于在另一离散区域中的色变材料的浓度，和/或其中在第一离散区域中提供第一色变材料而在另一离散区域中存在不同的第二色变材料，所述第一和另一区域优选彼此邻近。

4.如权利要求3所述的比色气体检测器，其中所述第一色变材料能够与所述目标气体和第二交叉干扰气体反应或者其中所述第二交叉干扰气体的出现可能影响所述第一色变材料与所述目标气体的反应，并且其中所述第二色变材料能够与所述第二交叉干扰气体反应而不能与所述目标气体反应。

5.如权利要求2到4中任何一个所述的比色气体检测器，其中提供依照重复方式布置的多个离散区域。

6.如权利要求2到5中任何一个所述的比色气体检测器，其中所述第一和另一区域都是条。

7.如权利要求1到6中任何一个所述的比色气体检测器，包括索引标记，用于定义所述至少一个离散区域相对于所述标记的位置。

8.如权利要求1到7中任何一个所述的比色气体检测器，其中所述衬底是透气的和/或可吸收液体的。

9.一种用于制作如权利要求1到8中任何一个所述比色气体检测器的方法，其中通过例如喷墨印刷之类的印刷把所述色变材料淀积在单个离散区域中。

10.一种用于检测被监视大气中气体(“目标气体”)的方法，所述方法包括使来自所述大气的采样与如权利要求1到11中任何一个所述的比色气体检测器的至少一个离散区域相接触，例如借助通过或穿过所述至少一个区域吸收所述采样，所述方法选择性地包括测量从所述至少一个区域的辐射透射率和/或辐射反射率，并且选择性地还把所发送和/或反射的辐射与参考值相比较，并且由此推导出所述目标气体浓度的量度。

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