CN101236157A - 环境中气体定量测定的方法及采用该方法的测定装置 - Google Patents

Abstract

环境中气体定量测定的方法及采用该方法的测定装置，所述方法包括采用能与至少一种环境中的气体进行化学反应而引起透射光强度变化的化学试剂制作透光试剂片，在透光试剂片的一侧设置一发光体，对发光体发出并透过透光试剂片的光强度进行检测。所述测定装置包括至少一个能与至少一种环境中的气体进行化学反应并产生透光强度变化的透光试剂片，透光试剂片的一侧设置发光件，至少一光探测器与一信号处理芯片连接，通过对透过化学试剂片的光的强度变化进行测定得到相应的气体浓度的定量值。该方法简单可靠，测定时间短，测定过程操作简单，该测定装置的造价较低，体积小，便于携带，能够满足目前家庭、商务或公共场所中环境有害气体的快速定量测定。

Description

环境中气体定量测定的方法及采用该方法的测定装置

技术领域

本发明属于环境中气体物质的检知和测定技术领域，具体的涉及一种基于透光试剂片与气体反应而引起透光度变化的气体定量测定的方法和采用该方法的测定装置。这种测定方法和测定装置适合于现场实时定量探测空气污染物。

背景技术

随着全球工业化进程的加快，环境污染引起了全世界人的关注。科学调查结果显示环境污染不仅有损人类健康，而且能使人类特别是儿童的智力降低。对于生活在现代城市中的人们来说，室内空气污染的危害尤为严重。这是因为室内空气污染的程度比户外高出很多倍；而80％以上的城市人口，70％多的时间在室内度过；特别是儿童，他们比成年人更容易受到室内空气污染的危害。儿童的身体正在成长发育中，呼吸量按体重比成人高近50％；世界卫生组织宣布：全世界每年有10万人因为室内空气污染而死于哮喘，而其中35％为儿童。据统计，我国儿童哮喘患病率为2％-5％。事实上室内空气污染物对成人也有着相当大的危害，例如，甲醛作为室内空气污然物之一是典型的致癌物质。

引起室内空气污染的主要根源包括：建筑施工中使用防冻剂释放的氨气，室内装修、家具、玩具等释放到室内空气中的有毒有害气体，如甲醛、苯、甲苯，二甲苯等；油漆、内墙涂料中的挥发性有机物以及重金属元素，如铅、汞、镉、铬；室内装修使用的天然石材，造成的氡气污染。目前，室内空气污在我国日益恶化。鉴于室内空气污染的普遍性及其对人类健康的危害性，我国政府对室内空气污染物的定量检测给予了高度重视，制定了相应的室内环境、室内空气质量、住室装饰、建筑工程质量等有关标准，对室内空气中的氨气、甲醛、苯、甲苯，二甲苯等污染物的浓度有明确规定。例如，以1小时的平均浓度计算，氨气不超过0.2mg/m³，甲醛不超过0.1mg/m³、苯不超过0.11mg/m³、甲苯不超过0.2mg/m³，二甲苯不超过0.2mg/m³。这就要求用于室内空气污染物探测的仪器十分灵敏，而且能够现场定量测试。

现场实时定量测定不同场所的室内空气污染物容许人们尽快采取适当措施，减轻或避免室内空气污染物带来的危害。可是，目前市场上非常缺少小型化、低价格、低功耗、多功能、高灵敏度、操作简单、适合于千家万户普通老百姓使用的便捷式室内空气污染物探测器。目前市场上可利用的适合于室内空气污染物探测的仪器设备普遍采用电化学测试方法，这些仪器体积大、价格高、准确性差，功能单一，不适合于普通家庭或可以动式快速定量检测使用。虽然目前市场上也出现了光学式室内空气污染物探测器，但它们多采用检测纸、检测管甚至检测液以及目视比色测试方式，准确性仍然很差。此外，基于反射吸收式的甲醛探测器和甲苯探测器目前已在日本出现。但是这类仪器功能单一，测试时间较长，而且价格昂贵。我们的调研结果显示目前市场上可利用的所有室内空气污染物探测设备具有各种各样的缺点，不适合生活在现代城市中的普通家庭或小独立个体适用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种能够探测空气环境中较低浓度的氨气、甲醛、苯、甲苯、二甲苯等气体的定量测定的方法及采用该方法的测定装置，该方法利用透光试剂片与待测气体反应而引起透射光强度变化的特点，实现了简单，快捷和准确的定量测定效果。该测定装置的体积较小，成本低，便于携带，测定作业的劳动强度低，能够实现普通家庭和单独个体快速定量测定室内等环境中气体的需要。

为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：

一种环境中气体定量测定的方法，其特征在于所述方法包括采用能与至少一种环境中的气体进行化学反应而引起透射光强度变化的化学试剂制作的透光试剂片，在透光试剂片的一侧设置一发光体，对发光体发出并透过透光试剂片的光的强度进行检测，得到对应的环境中该气体的浓度定量值。

具体的讲，所述透光试剂片为包括至少一片多孔薄膜或多孔膜片，能与环境中的气体进行反应的化学试剂设置在多孔薄膜或多孔膜片的孔内。

所述方法还包括采用光电二极管或硅光电池探测透过透光试剂片的光的强度，然后通过信号处理芯片对光电二极管或硅光电池产生的信号进行处理，得到对应的环境中的气体浓度定量值。

所述方法具体包括在一不透光的装置内设置能与至少一种环境中的气体进行化学反应而引起透射光强度变化的透光试剂片，在透光试剂片的一侧设置发光二极管，使待测环境中的气体流过该不透光的装置，采用光电二极管或硅光电池接受并测定透射光的强度，利用一与光电二极管或硅光电池连接的信号处理芯片对信号进行处理，得到对应环境中的气体浓度定量值。

所述环境中的气体包括氨气、甲醛、苯、甲苯、二甲苯、一氧化碳、二氧化氮、硫化氢，所述透光试剂片和发光体为至少各一个。

采用上述环境中气体定量测定的方法的测定装置，其特征在于所述测定装置包括至少一个能与至少一种环境中的气体进行化学反应而引起透射光强度变化的透光试剂片，透光试剂片的一侧设置有发光件，至少一光探测器与一信号处理芯片连接，通过测定透光试剂片的透光强度的变化得到相应的气体浓度的定量值。

具体的讲，所述透光试剂片为多孔薄膜或多孔膜片，多孔薄膜或多孔膜片的孔内设置有能与环境中的气体进行反应的化学试剂。

所述测定装置包括一不透光壳体，所述壳体内设置有至少一种能与某种气体反应的透光试剂片，透光试剂片两侧对应设置发光二极管和光探测器，所述壳体上置有鼓风装置，向透光试剂片快速扩散环境气体。

能与不同种气体反应的透光试剂片排列设置，每种透光试剂片为至少排列间隔设置的两片，待测光线依次透过所述两片透光试剂片。

能与不同种气体反应的透光试剂片排列设置，在发光二极管的对应另一侧设置有反射镜，待测光线透过透光试剂片后，经反射镜反射后再一次透过同一透光试剂片。

当环境空气中含有氨气、甲醛、苯、甲苯、二甲苯等一种或几种气体时，它们与相应的透光试剂片反应，使透光试剂片产生颜色变化。变色后的试剂片吸收光而使透过它的光强度下降。透光试剂片与气体的反应为一气固反应，由于气固反应是一个时间过程，对于给定的气体浓度，透光试剂片颜色的变化随时间的增加而加强。在给定的反应时间内，透光试剂片颜色的变化随着气体浓度的增大而加强。因此该测定方法和测定装置能够通过测量透射光强度在把透光试剂片暴露到空气中开始的一定时间内的变化量，对周围空气中所含氨气、甲醛、苯、甲苯、二甲苯等的浓度进行定量测试。

一般情况下，该测定装置包括：一种及以上发光体、一种及以上透光试剂片和一个及以上光探测器。试剂片由多孔薄膜或多孔膜片构成，多孔薄膜或多孔膜片的孔内含有能与氨气、甲醛、苯、甲苯、二甲苯等至少一种气体反应而产生颜色变化的化学物质。透光试剂片属于一次性使用，使用前在常温常压密封遮光干燥环境下保存。通常将每一种发光二极管和一个光探测器置于相应的透光试剂片两侧，使发光二极管发出的光透过相应的透光试剂片后被光探测器接收。

该探测装置的灵敏度定义为透光试剂片被暴露到一定浓度的气体中后透射光强度在一定时间内的变化量。由于气固反应首先从固体表面开始，然后逐渐扩散进入固体内部进行反应，对于低浓度气体，从固体表面到其内部的完全反应需要较长的时间。为了在短时间内测定气体的浓度，需要提高探测器的灵敏度。通过采用两个相同的透光试剂片同时插入光路中，使两个透光试剂片的四个表面同时暴露到周围空气气氛中，气固反应在四个表面同时进行，因此四个表面同时发生颜色的变化。在此情况下，在一定时间内透射光强度的变化将是使用单个试剂片测得的光强变化的2倍，即测定装置的灵敏度提高了2倍。另一种技术方案是把发光二极管和光探测器固定在透光试剂片的同一侧，一个反射镜被固定在透光试剂片的另一侧。发光二极管发出的光透过透光试剂片后被反射镜反射再一次透过试剂片。光束经两次透过透光试剂片后被光探测器接收。每一次透射光束与透光试剂片的两个表面各作用一次，因此两次透射使测定装置的灵敏度相对于一次透射的情况提高了2倍。

本实用新型的有益效果在于，该环境中气体定量测定的方法简单可靠，测定时间短，测定过程操作简单，该测定装置的造价较低，体积小，便于携带，能够满足目前家庭、商务或公共场所中环境有害气体的快速定量测定。

附图说明

图1是具体实施方式中实施例1的组成示意图；

图2是具体实施方式中实施例2的组成示意图；

图3是具体实施方式中实施例3的组成示意图；

图4是该测定装置对甲苯蒸汽的响应曲线图；

图5是该测定方法和装置测定的透射光强度随时间变化的斜率绝对值与甲苯蒸汽浓度的线性关系图；

图6是该测定装置对同一浓度甲苯蒸汽的响应重复性的比较结果图。

具体实施方式：

实施例1该环境中气体定量测定的方法是采用能与至少一种环境中的气体进行化学反应而引起透射光强度变化的化学试剂制作透光试剂片，透光试剂片为多孔薄膜或多孔膜片，能与环境中的气体进行反应的化学试剂设置在多孔薄膜或多孔膜片的孔内。发光二极管发出的光透过一片透光试剂片后被光电二极管或硅光电池接收。光电二极管或硅光电池的电信号被输入数据采集卡，采集到的数据通过计算机内处理可以实现气体的定量测定。

如图1所示，该气体定量测定装置主要有5个能分别与环境中不同的气体进行化学反应并引起透射光强度变化的透光试剂片3、位于每个透光试剂片的一侧的发光件1和对应另一侧的光探测器2组成，光探测器通过对透过试剂片的光的强度变化进行测定，然后由计算机进行数据处理得到相应的气体浓度的定量值。透光试剂片固定安装在透光试剂片安装支架4上，透光试剂片和安装支架、发光件和光探测器均安装在一个不透光的壳体内。

壳体上设置进气口和出气口，在进气口或出气口安装一个隔膜气泵或一个小型排风扇，使周围空气能够流动进出不透光壳体。使用电源给发光件和隔膜气泵或排风扇供电，光探测器的输出信号经信号处理芯片运算处理后输送到显示器显示待测气体的浓度值。

上述发光件可以采用发光二极管，给发光二极管提供3伏电压，发光二极管发出中心波长为460纳米的蓝光。光电二极管的输出信号经过7至12倍放大后，输入型号为PMD1208LS的数据采集卡，该数据采集卡通过USB与计算机连接。利用计算机对来自数据采集卡的数据进行存储，处理和制图。透光试剂片的制作过程是将面积为1.5平方厘米(1.5厘米×1厘米)，厚度为0.3毫米的玻璃纤维滤膜夹在两个2毫米厚的聚四氟乙烯薄片之间。在两聚四氟乙烯薄片的中央部位开有一个直径6毫米的孔。一滴0.1毫升的五氧化二碘饱和溶液从这个孔滴到玻璃纤维滤膜上，并迅速扩散占据所有暴露的玻璃纤维滤膜面积。整个透光试剂片放入干燥环境下干燥5分钟，然后打开不透光的壳体，把透光试剂片固定在壳体里面，使从发光二极管发出的光穿过这个孔和玻璃纤维滤膜后被光电二极管接收。从壳体的进气口通入给定流量的纯净氮气，采用有机蒸汽扩散方法，低浓度甲苯蒸汽被引入不透光壳体内与透光试剂片反应。首先，将纯甲苯液体装入一个玻璃容器中，玻璃容器口被密封后放入恒温水浴槽保持其温度在19℃至20℃之间。一根口径为4毫米的钢管A从密封口插入玻璃容器内，在玻璃容器内的钢管口固定在甲苯液体的上方而不是插入甲苯液体内。甲苯蒸汽扩散进入钢管A并从另一管口流出。钢管A的另一管口与另一根钢管B相接成“T”型。流量给定的纯净氮气通入钢管B携带从钢管A流出的甲苯蒸汽一起留出钢管B。为了稀释甲苯蒸汽，第三根钢管C与钢管B连接成“T”型，流量给定的纯净氮气通入钢管C对从钢管B流进的甲苯气流进行稀释，稀释后的甲苯蒸汽从测定装置的不透光壳体的进气口进入与透光试剂片反应，在通气过程中，光电二极管的输出信号随时间的变化被计算机纪录。在每一次测试期间，利用日本株式会社GASTEC生产的甲苯气体检知管对流进测定装置壳体内的甲苯蒸汽浓度进行了标定。当含有甲苯蒸汽的氮气流被通入测试盒子里后，甲苯分子与五氧化二碘反应，导致碘的生成。碘显示茶色，对波长为460纳米左右的蓝光具有强烈吸收，因此会导致透过试剂片的光强度下降。在通入甲苯蒸汽后透光试剂片的透射光强度随时间变化。将透光强度随时间的变化绘制成图得到图4，该图4包含三次不同甲苯浓度的测试结果。在每一次测试结束后，使用过的透光试剂片从测定装置的壳体中取出，然后插入新的透光试剂片。

从图4中可以看出透光试剂片的透射光强度在通入甲苯蒸汽之前保持稳定，在通入给定浓度的甲苯蒸汽后，透射光强度随时间线性降低。也就是说对于给定浓度的甲苯蒸汽，光强度作为时间的函数其斜率在开始测量的一定时间内保持不变。从三次测试结果可以看出在给定时间内透射光强度的变化量随着甲苯蒸汽浓度的增大而增加，即斜率的绝对值随着甲苯浓度的增大而增加。

图4显示的斜率的绝对值作为甲苯蒸汽浓度的函数被显示在图5中。从图5中可以看出斜率绝对值随着甲苯蒸汽浓度的增大而线性增加。图6显示了对同一甲苯蒸汽浓度的三次测量结果。从中可以看出对于给定浓度的甲苯蒸汽更换试剂片导致的误差很小，说明探测器具有良好的测试重复性。对氨气、甲醛、苯、二甲苯等的测定可以采用相同的测试方法，但是在制作试剂片时必须更换化学试剂。

实施例2该气体定量测定的方法是采用能与至少一种环境中的气体进行化学反应并引起透射光强度变化的化学试剂制作透光试剂片，透光试剂片为多孔薄膜或多孔膜片，能与环境中的气体进行反应的化学试剂设置在多孔薄膜或多孔膜片的孔内。发光二极管发出的光透过两片透光试剂片后被光电二极管或硅光电池接收。光电二极管或硅光电池的电信号被输入数据采集卡，采集到的数据通过计算机内处理可以实现气体的定量测定。

如图2所示，该气体定量测定的测定装置主要有5对透光试剂片3，位于每组透光试剂片的一侧的发光件1和对应另一侧的光探测器2组成，每一对透光试剂片能与环境中至少一中气体进行化学反应并引起透射光强度变化，光探测器通过对透过任一对透光试剂片的光的强度进行测定，然后由计算机进行数据处理得到相应的气体浓度的定量值。每一对透光试剂片固定安装在透光试剂片安装支架4上，待测光线依次透过所述两片透光试剂片。透光试剂片和安装支架、发光件和光探测器均安装在一个不透光的壳体内。

壳体上设置进气口和出气口，在进气口或出气口安装一个隔膜气泵或一个小型排风扇，使周围空气能够流动进出不透光壳体。使用电源给发光件和隔膜气泵或排风扇供电，光探测器的输出信号经信号处理芯片运算处理后输送到显示器显示待测气体的浓度值。

实施例3该气体定量测定的方法是采用能与至少一种环境中的气体进行化学反应而引起透射光强度变化的化学试剂制作透光试剂片，透光试剂片为多孔薄膜或多孔膜片，能与环境中的气体进行反应的化学试剂设置在多孔薄膜或多孔膜片的孔内。发光二极管发出的光两次透过透光试剂片后被光电二极管或硅光电池接收。光电二极管或硅光电池的电信号被输入数据采集卡，采集到的数据通过计算机内处理可以实现气体的定量测定。

如图3所示，该气体定量测定的测定装置主要有5个能分别与环境中不同的气体进行化学反应而引起透射光强度变化的透光试剂片3、位于每一透光试剂片的同一侧的发光二极管1和光探测器2以及位于透光十几片另一侧的反射镜组成，光探测器通过对透过任一对透光试剂片的光的强度进行测定，然后由计算机进行数据处理得到相应的气体浓度的定量值。透光试剂片固定安装在透光试剂片安装支架4上，在发光二极管的对应另一侧设置有反射镜，待测光线透过同种透光试剂片的一片后，经反射镜反射后透过同一片透光试剂片。透光试剂片和安装支架、发光件和光探测器均安装在一个不透光的壳体内。

Claims (9)

1.一种环境中气体定量测定的方法，其特征在于所述方法包括采用能与至少一种环境中的气体进行化学反应而引起透射光强度变化的化学试剂制作的透光试剂片，在透光试剂片的一侧设置一发光体，对发光体发出并透过透光试剂片的光强度进行检测，得到对应的环境中该气体的浓度的定量值。

2.根据权利要求1所述的环境中气体定量测定的方法，其特征在于所述透光试剂片为包括至少一片多孔薄膜或多孔膜片，能与环境中的气体进行反应的化学试剂设置在多孔薄膜或多孔膜片的孔内。

3.根据权利要求1所述的环境中气体定量测定的方法，其特征在于所述方法还包括采用光电二极管或硅光电池接收透过透光试剂片的光强度，然后通过数字处理芯片对光电二极管或硅光电池产生的信号进行处理，得到对应的环境中的气体浓度定量值。

4.根据权利要求1所述的环境中气体定量测定的方法，其特征在于所述方法具体包括在一不透光的装置内设置能与至少一种环境中的气体进行化学反应而引起透射光强度变化的化学试剂作为透光试剂片，在透光试剂片的一侧设置发光二极管，使待测环境中的气体流过该不透光的装置，采用光电二极管或硅光电池接受并测定透射光的强度，利用一与光电二极管或硅光电池连接的信号处理芯片对信号进行处理，得到对应环境中的气体浓度的定量值。

5.根据权利要求1所述的环境中气体定量测定的方法，其特征在于所述环境中的气体包括氨气、甲醛、苯、甲苯、二甲苯、一氧化碳、二氧化氮、硫化氢，所述透光试剂片和发光体为至少各一个。

6.采用权利要求1所述的环境中气体定量测定的方法的测定装置，其特征在于所述测定装置包括至少一个能与至少一种环境中的气体进行化学反应而引起透射光强度变化的透光试剂片，透光试剂片的一侧设置有发光件，至少一光探测器与一信号处理芯片连接，通过测定透过透光试剂片的光的强度的变化得到相应的气体浓度的定量值。

7.根据权利要求6所述的环境中气体定量测定的测定装置，其特征在于所述测定装置包括一不透光壳体，所述壳体内设置有至少一种能与某种气体进行化学反应而引起透射光强度变化的透光试剂片，透光试剂片旁对应设置发光二极管和光探测器，所述壳体上置有鼓风装置，向透光试剂片快速扩散环境气体。

8.根据权利要求7所述的环境中气体定量测定的测定装置，其特征在于能与不同种气体反应的透光试剂片排列设置，每种透光试剂片为至少排列间隔设置的两片，入射光依次透过所述两片透光试剂片后被光探测器探测。

9.根据权利要求8所述的环境中气体定量测定的测定装置，其特征在于能与不同种气体反应的透光试剂片排列设置，在透光试剂片的一侧设置发光二极管和光探测器，在透光试剂片的另一侧设置一反射镜，发光二极管发出的光透过透光试剂片后被反射镜反射折回再一次透过同一透光试剂片后被光探测器探测。

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