CN101603945B

CN101603945B - 便携式光离子化气体检测仪

Info

Publication number: CN101603945B
Application number: CN200910074907A
Authority: CN
Inventors: 刘俊; 梁庭; 薛晨阳; 熊继军; 张文栋; 孙瑞霞; 殷亚飞
Original assignee: North University of China
Current assignee: North University of China
Priority date: 2009-07-13
Filing date: 2009-07-13
Publication date: 2012-10-03
Anticipated expiration: 2029-07-13
Also published as: CN101603945A

Abstract

本发明涉及气体检测装置，具体是一种便携式光离子化气体检测仪。解决了现有光离子化气体检测器存在的检测准确度、灵敏度不高等问题，该检测仪包括无极紫外灯、内置有偏置电极板和收集电极板的离子化室，离子化室固定有进气端盖，离子化室上开有出气口，离子化室内的电极板平行、正对设置，与无极紫外灯的光线出射方向平行，离子化室内偏置电极板的数量为两块，两偏置电极板的间距与无极紫外灯光学窗口等高，收集电极板置于两偏置电极板间的中间位置；进气端盖上开设有进气窗口，进气窗口处设有金属微尘滤网和双层微孔滤膜。本发明结构简单、合理，体积小巧，便于携带，检测数据准确，灵敏度高，满足作业现场的实时、连续检测要求，应用范围广泛。

Description

便携式光离子化气体检测仪

技术领域

本发明涉及气体检测装置，具体是一种便携式光离子化气体检测仪。

背景技术

现代有机化工、石油炼制等工业的发展为人类提供了越来越多的新型材料、新型产品，但同时也带来了越来越多的有毒有害物质。除了我们在工业安全中常见的无机气体，如一氧化碳、硫化氢、氮氧化物等等以外，毒性更大、危害更大的有机物质也开始引起人们的广泛注意。如果长时间工作在含有这些物质(蒸气、挥发物)的环境中，便会对工人造成终身的危害。还有，各类应急事故发生时，迅速确认泄漏点、确认污染范围、确认事故发展趋势都是进行事故处理的首要条件。因此，对有机化合物进行现场低浓度、连续的监测，应当成为各级安全、消防、劳卫、环境等部门保护工人健康、设备安全的必要手段。目前，检测有机化合物浓度的方法有多种，如经典的化学分析法，包括气量法、铜试剂法、乙酰化法、比色法、毛细电泳法、库仑法、检测管法和个人计量法等；其中，检测管法具有检测快速、方便等优点，但是由于存在着准确度低(误差在20％左右)，而且只能采用“点”的采样方法，一次只能给出一个点的瞬时值而不是一个连续值，这样，由于空气流动和气体分布的变化，就无法给出一个平均浓度值，其数据代表性较差，获取结果的时间较长，测量成本较高，只能作为定性、半定量分析，电化学仪器易受各种因素干扰，稳定性差，寿命短。仪器分析法包括傅立叶红外法、色质联机法、分光光度法、荧光法、传感器法等；其中，色质联机法可以给出总挥发性有机化合物中各个组分的种类和浓度，结果可靠准确，但存在采样和检测过程复杂的缺点，同时，它也采用“点”的采样方法，数据代表性较差。总的来说，化学分析方法和仪器分析法具有监测准确度高，监测范围宽等优点，但是由于需要专用试剂和专用仪器，存在着操作繁琐、耗时长、价格昂贵等问题，仅适宜实验室使用，不适合作业现场的实时连续检测。

因此，为适应作业现场的实时连续检测要求，光离子化气体检测器成为当前检测有机化合物浓度的重要仪器。光离子化气体检测器应用真空紫外灯对由外界进入离子化室内的被测气体进行照射，使被测气体离子化(即光电离)，被测气体离子在离子化室内偏置电极板、收集电极板间的电场作用下，由收集电极板收集，形成离子电流，该离子电流大小与被测气体的浓度有关，因此，检测器的检测准确度在很大程度上受到离子化室内的离子收集效率影响；根据电离理论，离子化室内的离子收集效率与离子化室内的偏置电极板、收集电极板间的距离、电极板的面积、以及加在电极板上的偏置电压有关系。

现有光离子化气体检测器的离子化室内设置两个电极板：一个偏置电极板、一个收集电极板，两个电极板之间的距离直接影响着离子化室的离子收集效率；原因在于：真空紫外灯的直径大约为6-7mm，若两个电极板间的距离过小，仅3-4mm，那么，真空紫外灯发出的紫外光就会得不到充分的利用，能够被离子化的气体分子就会相应的减少，进而影响了离子化室内收集电极板的离子收集效率，影响检测灵敏度和准确度；同样，若为充分利用真空紫外灯发出的紫外光，而加大两电极板间的距离，为保证离子化室内收集电极板的离子收集效率，实现高准确度、高灵敏度的目的，则需加大两电极板间的电压，因此，必然增加检测器的体积和电源开销，提高检测器的成本。

发明内容

本发明为了解决现有光离子化气体检测器存在的检测准确度和灵敏度不高、体积大、成本高等问题，提供了一种便携式光离子化气体检测仪。

本发明是采用如下技术方案实现的：便携式光离子化气体检测仪，包括无极紫外灯、与无极紫外灯光学窗口正对固定的内置有偏置电极板和收集电极板的离子化室、以及控制电路，离子化室与无极紫外灯光学窗口的正对侧固定有进气端盖，离子化室靠无极紫外灯侧的室壁上开有出气口，离子化室内的偏置电极板和收集电极板平行、正对设置，并与无极紫外灯的光线出射方向平行(即偏置电极板和收集电极板间的电场方向与无极紫外灯的光线出射方向垂直)，所述控制电路包含单片机、电源电路、无极紫外灯的驱动电路、输出端与偏置电极板相连的偏置电路、微弱信号检测电路、与单片机相连的液晶显示屏，微弱信号检测电路的输入端与收集电极板相连，输出端与单片机信号采集端相连，离子化室内偏置电极板的数量为两块，且两偏置电极板的间距与无极紫外灯光学窗口等高，收集电极板置于两偏置电极板间的中间位置，偏置电极板和收集电极板的宽度与无极紫外灯光学窗口等宽；进气端盖为上开设有进气窗口的盖体，且盖体上进气窗口处由外向内设有金属微尘滤网和双层微孔滤膜。

本检测仪属气体扩散式气体检测仪，即被测气体以气体扩散方式经由进气端盖向离子化室内扩散，由进气端盖上的金属微尘滤网和双层微孔滤膜除湿、过滤后，进入离子化室内，由出气口排出；在离子化室内，被测气体受无极紫外灯照射，离子化，被测气体离子在离子化室内偏置电极板、收集电极板间的电场作用下，由收集电极板收集，形成离子电流，经由微弱信号检测电路放大、调理为电压信号，送入单片机，由单片机在相关软件支持下，换算处理得到被测气体的浓度值，最后经由液晶显示屏显示。

与现有技术相比，本发明在离子化室内增设一块偏置电极板，在离子化室内形成三极板结构，并使两偏置电极板的间距与无极紫外灯光学窗口等高，收集电极板置于两偏置电极板间的中间位置，这样，使得无极紫外灯发出的紫外光得到了充分的利用，缩短了偏置电极板和收集电极板间的距离，因此，只要加上适当的偏置电压(300V)就可以达到很高的离子收集效率，不但提高了检测仪的检测准确度和灵敏度；而且无需大电源提供偏置电压，使得检测仪的整体体积也会相应地缩小，从而达到了小型化的目的，便于携带。所述电源电路、无极紫外灯的驱动电路、偏置电路、微弱信号检测电路为现有公知电路。

本发明结构简单、合理，体积小巧，重量轻，便于携带，检测数据准确，灵敏度高，满足作业现场的实时、连续检测要求，应用范围广泛，适用于：有机气体浓度检测，灾区事故泄漏检测，事故区域确认，泄漏物确认，使用、生产、存储、运输各类有机化合物企业的安全卫生检测工作，环保行业的应急事故、工业卫生咨询、公安检查、防化等各个领域。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明控制电路的原理方框图；

图3为本发明无极紫外灯驱动电路的电路原理图；

图4为本发明声光报警电路的电路原理图；

图5为本发明电源电路的电路原理图。

图中：1-无极紫外灯；2、3-偏置电极板；4-收集电极板；5-离子化室；6-出气口；7-进气窗口；8-盖体；9-金属微尘滤网；10-微孔滤膜。

具体实施方式

如图1、2所示，便携式光离子化气体检测仪，包括无极紫外灯1、与无极紫外灯1光学窗口正对固定的内置有偏置电极板2和收集电极板4的离子化室5、以及控制电路，离子化室5与无极紫外灯1光学窗口的正对侧固定有进气端盖，离子化室5靠无极紫外灯1侧的室壁上开有出气口6，离子化室5内的偏置电极板2和收集电极板4平行、正对设置，并与无极紫外灯1的光线出射方向平行(即偏置电极板2和收集电极板4间的电场方向与无极紫外灯1的光线出射方向垂直)，所述控制电路包含单片机、电源电路、无极紫外灯的驱动电路、输出端与偏置电极板相连的偏置电路、微弱信号检测电路、与单片机相连的液晶显示屏，微弱信号检测电路的输入端与收集电极板相连，输出端与单片机信号采集端相连，离子化室5内偏置电极板的数量为两块，且两偏置电极板2、3的间距与无极紫外灯1光学窗口等高，收集电极板4置于两偏置电极板2、3间的中间位置，偏置电极板2、3和收集电极板4的宽度与无极紫外灯1光学窗口等宽；进气端盖为上开设有进气窗口7的盖体8，且盖体8上进气窗口7处由外向内设有金属微尘滤网9和双层微孔滤膜10。

控制电路还包括与单片机相连的声光报警电路、用于与上位机通讯的通讯接口电路；如图4所示，所述声光报警电路包括集电极与电源电路相连的三极管Q3、Q4，三极管Q3、Q4的发射极分别串联有指示灯Lamp、扬声器BELL，三极管Q3、Q4的基极分别经电阻R1、R4与单片机的信号输出端S1、S2相连；如单片机换算处理得到的被测气体浓度值超过报警值，则单片机会由信号输出端S1、S2输出宽脉冲信号，使三极管Q3，Q4导通，指示灯Lamp点亮，扬声器BELL报警。所述用于与上位机通讯的通讯接口电路为与单片机串口连接的MAX232芯片，该芯片是美信公司专门为RS-232标准串口设计的接口电路。

具体实施时，考虑到，无极紫外灯的直径大约为6-7mm，偏置电极板和收集电极板间的距离为2-3mm；控制电路的单片机采用高集成度混合型芯片C8051F040，金属微尘滤网的厚度为0.5mm，微孔滤膜的厚度1mm，用于滤除粉尘、水分；离子化室和进气端盖采用聚四氟乙烯材料制成，该材料具有优良的化学稳定性、耐腐蚀性、密封性、高润滑不粘性、电绝缘性和良好的抗老化耐力，能在+250℃至-180℃的温度下长期工作，除熔融金属钠和液氟外，能耐其它一切化学药品，在王水中煮沸也不起变化；除此之外，它不吸潮，不燃，对氧、紫外线均极稳定，具有优异的耐候性。偏置电极板和收集电极板选用纯不锈钢片，该材料具有良好的抗氧化性和化学稳定性，并且在紫外光的辐射下具有高的逸出功和低的光电效率。

本发明所述检测仪可采用电池或者外接电源提供+5V电压，如图5所示，电源电路采用芯片MAX1658和MAX660，稳定、可靠、体积小、干扰小、噪声低、功耗小；芯片MAX1658是低失调电压、低静态电流的线性稳压器，可以在双模式下工作，预置输出为3.3V，加外部电阻器可设置1.25V～16V的可调输出，输入电压范围为2.7V～16.5V，有限流保护、反向电流保护和热过保护等功能；芯片MAX1658的引脚SHDN/、IN接至电源，引脚SET接GND，引脚OUT经10uF电容接地，输出预置的3.3V电压，给单片机C8051F040供电；芯片MAX660是一种电荷泵电压反转器，外接两个小电容，将输入的正电压转换成相应的负电压，即VOUT＝-VIN，将+5V电压转换成了-5V电压，为微弱信号检测电路提供-5V的工作电压。

本发明采用内冲氪气的无极紫外灯，所产生的光子能量为10.6eV，波长116.9nm，在驱动电路激发下，灯内稀有气体辉光放电，功耗低，光强稳定。如图3所示，所述无极紫外灯驱动电路包括两个同型号、同特性NPN三极管Q1和Q2、变压器T，三极管Q1或Q2的导通决定了电源电路的输出电流选择流入变压器T原线圈中的子线圈T1、T2的哪一个。两子线圈T1、T2中的电流方向是相反的，线圈T1、T2、T3、T4匝数比为1∶1∶1∶150，同时在副线圈T4和反馈线圈T3产生相反的电压。反馈线圈T3连接三极管Q1和Q2的基极，决定了三极管Q1、Q2的导通；三极管Q1的基极同时通过电阻R1连接电源电路输出端，所以如果反馈线圈T3没有电流，三极管Q1导通。当三极管Q1导通，从子线圈T1中通过的电流在反馈线圈T3中产生反馈电流使三极管Q1闭合，并且使三极管Q2导通。当三极管Q2导通，电流通过子线圈T2经过反馈线圈T3后，电流反向使三极管Q2闭合，并且使三极管Q1导通。因此三极管Q1、Q2交替导通，相位相差180°，使两个子线圈中的电流改变，从而在T2副线圈产生交流电激发紫外灯。三极管Q1、Q2集电极之间的电容C1决定三极管Q1、Q2导通(闭合)的频率，进一步控制振荡频率；方波的占空比和频率可以通过电阻R1、电容C1控制，占空比越大，能量越大，从而可以控制无极紫外灯的能量。

Claims

1.一种便携式光离子化气体检测仪，包括无极紫外灯(1)、与无极紫外灯(1)光学窗口正对固定的内置有偏置电极板(2)和收集电极板(4)的离子化室(5)、以及控制电路，离子化室(5)与无极紫外灯(1)光学窗口的正对侧固定有进气端盖，离子化室(5)靠无极紫外灯(1)侧的室壁上开有出气口(6)，离子化室(5)内的偏置电极板(2)和收集电极板(4)平行、正对设置，并与无极紫外灯(1)的光线出射方向平行，所述控制电路包含单片机、电源电路、无极紫外灯的驱动电路、输出端与偏置电极板相连的偏置电路、微弱信号检测电路、与单片机相连的液晶显示屏，微弱信号检测电路的输入端与收集电极板相连，输出端与单片机信号采集端相连，其特征在于：离子化室(5)内偏置电极板的数量为两块，且两偏置电极板(2、3)的间距与无极紫外灯(1)光学窗口等高，收集电极板(4)置于两偏置电极板(2、3)间的中间位置，偏置电极板(2、3)和收集电极板(4)的宽度与无极紫外灯(1)光学窗口等宽；进气端盖为其上开设有进气窗口(7)的盖体(8)，且盖体(8)上进气窗口(7)处由外向内设有金属微尘滤网(9)和双层微孔滤膜(10)。