CN101625318A - 智能式室内气体甲醛浓度测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种操作简单、测量时简短、灵敏度高、能准确测量室内空气甲醛浓度的智能装置。该智能式室内气体甲醛浓度测量仪包括空气采样单元、显色单元、移液单元、比色单元和控制单元，本发明的甲醛浓度测量装置将空气采样、甲醛吸收、移液、显色反应及显色反应温度控制、比色池等集于一体，采用低功耗单片机系统控制各环节的实施，使仪器打开电源后，按一键即可完成整个测试过程，无需人工操作；将折叠多光路引入到甲醛浓度检测仪中，提高检测灵敏度，减少空气采样量，从而缩短测试周期。

Description

智能式室内气体甲醛浓度测量仪

一、技术领域

本发明设计一种光度测量装置，特别是一种室内气体甲醛浓度测量装置，属于分光光度分析装置。

二、背景技术

甲醛是一种无色，有强烈刺激性气味的气体，已被世界卫生组织确定为致癌可疑物质。人们日常生活中很容易接触到甲醛，室内装修是室内空气中甲醛的主要来源。在我国室内空气质量监测标准中，甲醛已被列为必测项目。快速准确的检测环境中甲醛浓度的研究，具有重要的实际意义。甲醛监测的方法主要有光度比色法、电化学方法、色谱分析方法、试验纸光电光度法等。根据不同检测方法，已开发出多种类型的甲醛检测仪。随着现场分析的需要，还研制出多种不同类型的在线甲醛监测仪器。

在空气质量监测方法中，光度比色法仍是甲醛测定的主要方法。我国已有多个基于分光光度法的甲醛测定的标准，如GB-T 18204.26-2000：公共场所空气中甲醛测定方法，GB/T 16129-1995：居住区大气甲醛卫生检验标准方法：分光光度法。还推出了相应仪器，如吉大小天鹅仪器有限公司有关产品等。市场上的仪器使用的光源多为红色LED，一般波长选定为635nm。对于LED光源，其光谱范围在20-100nm，随着检测环境温度的变化，LED光谱范围和光谱中心都将变化，这将改变比色液对探测光的吸收特性。目前市场出现的甲醛测试仪器自动化程度仍不高，还需要大量的人工操作才能完成测量过程，测量一次需要30-50分钟。

三、发明内容

本发明的目的在于提供一种操作简单、测量时简短、灵敏度高、能准确测量室内空气甲醛浓度的智能装置。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种智能式室内气体甲醛浓度测量仪，它包括空气采样单元、显色单元、移液单元、比色单元和控制单元，

其特征是：

空气采样单元包括：空气采样器、过滤器、甲醛吸收管；

移液单元包括：第一移液泵、第二移液泵；

显色单元包括：显色反应试管、步进电机、陶瓷加热片、显色反应温度控制电路；

比色单元包括：比色池、激光二极管、光电探测器、光电信号调理电路；

所述控制单元包括：单片机、达林顿管阵列和电源模块；

所述达林顿管阵列的输出端分别接空气采样器、第一移液泵、第二移液泵、步进电机，达林顿管阵列的输入端连接单片机；显色反应温度控制电路执行端口与陶瓷加热片连接，其信号端口与单片机连接；所述光电信号调理电路与单片机连接。

所述显色反应温度控制电路采用一个过零检测模块，过零检测模块与单片机P20连接，单片机与光电耦合器输入端连接，光电耦合器的输出端与可控硅连接，可控硅与陶瓷加热片连接，单片机与单线数字温度传感器连接。

所述显色单元采样步进电机，步进电机转轴与试管夹连接，试管夹夹住显色反应试管，显色反应试管置于五面体围成的显色室内，显色室一组相对面内壁上分别安装一个陶瓷加热片，温度传感器安装在靠近显色反应管的显色室内壁上。

所述比色单元采用折叠多路光路，比色池的光输入侧设有第一直角棱镜，光输出侧设有第二直角棱镜，将光路折叠后三次通过比色池。

该测量仪还包括显示模块和按键模块。

本发明的工作原理：

本发明采用GB-T 18204.26-2000标准规范，利用空气采样器通过吸收管采集空气中的甲醛，甲醛被吸收管内的酚试剂吸收，反应生成嗪，嗪在酸性溶液中被高铁离子氧化生成蓝绿色化合物，用波长为635nm的激光比色定量。入射光强为I₀，比色池有效长度为l₀，根据比耳-朗伯定律穿过比色池后光强为I

I＝I₀exp(-κl₀)                  (1)

消光系数κ与甲醛浓度成正比。在本发明中，采用折叠多光路，测量光束穿过比色池3次，并考虑到比色池内外各壁面及光路中光学元件各表面的反射影响，以去离子纯净水为空白样本，此时空白样下的透过率为τ，将(1)改写为

I＝I₀τexp(-3κl₀)               (2)

引入吸光度A

$A=\ln \frac{I_0\mathrm{\τ}}{I}=3{\mathrm{\κl}}_0---\left(3\right)$

利用已知甲醛浓度的系列标准样本，按照(3)测定仪器测量曲线

c＝aA+b                          (4)

其中c为待测甲醛浓度，a和b是应用最小二乘法获得的校准系数。仪器工作时，测出吸光度A，根据(4)计算甲醛浓度。

本发明相比现有技术具有如下优点

本发明的甲醛浓度测量装置将空气采样、甲醛吸收、移液、显色反应及显色反应温度控制、比色池等集于一体，采用低功耗单片机系统控制各环节的实施，使仪器打开电源后，按一键即可完成整个测试过程，无需人工操作；将折叠多光路引入到甲醛浓度检测仪中，提高检测灵敏度，减少空气采样量，从而缩短测试周期。

本发明装置的采样时间可根据现场甲醛气味的浓烈设置空气采样量，拓宽了仪器测试量程。

通过将激光管恒温来控制输出激光的波长漂移，抑制温度变化引起半导体激光器输出光波长的变化对比色测量的影响。

采用半导体激光作为测量光束，比现有的LED光源的光谱带宽要窄，更有利于比色测量。

本发明在光源调制技术的基础上，同时采用了程序判断法、均值滤波、滑动平均法对采集的光电信号进行处理，有效地滤除测量中随机干扰和激光器温度控制带来的周期性光强度漂移影响，使信号平滑稳定，无需对比色池进行密封处理。

本发明将光源、光电检测器以及内置的气、液路系统的高度集成，实现了仪器的便携化、微型化与智能化，用液晶屏显示检测结果和仪器的状态信息，方便人机交互。

四、附图说明

图1为实施例的结构示意图。

图2a为比色测量模块结构示意图。

图2b为图2a的俯视图。

图3为测量仪的工作状态转换流程图。

图4为系统检测状态时的流程图。

图5为加入数字滤波前后20组数据对比实验数据图表。

图6为电机驱动电路原理图。

图7为显色反应温度控制电路原理图。

图8显色单元结构示意图。

图9过零检测模块电路。

图1中：1-空气采样器，2-过滤器，3-甲醛吸收管，4-第一移液泵，5-显色反应试管，6-陶瓷加热片，7-陶瓷加热片，8-第二移液泵，9-LD恒温模块，10-LD调制及稳光强电路，11-激光二极管LD，12-第一直角棱镜，13-第二直角棱镜，14-比色池，15-带前置放大器的光电探测器，16-7路达林顿管阵列ULN2003，17-步进电机，18-显色反应温度控制电路，19-单片机，20-电源模块，21-按键模块，22-显示模块，23-光电信号调理电路。

图2中：24-金属导热块，25-绝热片，26-支承基板，27-第一直角棱镜的上夹板，28-第一直角棱镜的下夹板，29-第二直角棱镜的上夹板，30-第二直角棱镜的下夹板，，31-比色池第一夹板，32-比色池第二夹板，33-弹簧片，34-半导体制冷器(TEC)；

图7-图8中：35-显色室；36-温度传感器；37-转轴；38-试管夹；R1-限流电阻；R2限流电阻；M-220交流接口；T-双向可控硅。

五、具体实施方式

如图1所示，本发明的甲醛浓度测量装置由空气采样单元、显色单元、移液系统、比色系统和微处理器控制系统等组成。显色单元的结构如图8所示。显色单元采样步进电机17，步进电机17的转轴37与试管夹38连接，试管夹38夹住显色反应试管5，显色反应试管5置于五面体围成的显色室35内，显色室35一组相对面内壁上分别安装一个陶瓷加热片6、7，温度传感器36安装在靠近显色反应管5的显色室内壁上。

在甲醛吸收管3中事先放入含有吸收剂的测量溶液，空气采样器1采集定量空气，空气中含有的甲醛被吸收在测量溶液中。空气采集结束后，第一移液泵4把待测溶液转移至显色反应试管5中，待测溶液进入显色反应试管5后，单片机19控制步进电机17(四相步进电机)工作，来回摆动；仪器开机时即已开启显色反应温度控制电路18，陶瓷加热片6和陶瓷加热片7处于加热状态，如图7所示，显色反应温度控制电路采用一个过零检测模块，检测到市电过零点，单片机19的P20口产生中断。中断处理时通过光电耦合器MOC3021控制双向可控硅T的导通角来控制陶瓷加热片6、7的发热功率。选用温度传感器36(单线数字温度传感器DS18B20)检测显色室35内温度，当传感器检测到的显色室35温度与给定的温度一致时，温控电路处于恒温工作状态，保温时间达到设定时间时，显色室停止工作，在单片机19控制下，显色完全后，第二移液泵8将显色反应试管5中的待测液体移至比色池14中。

激光二极管11在LD恒温模块9和LD调制及稳光强电路10驱动下，输出被调制的激光束，经第一直角棱镜12和第二直角棱镜13约束，在比色池14内穿过三次，光电探测器15及信号调理电路23接收比色池14的出射光，光电信号经调理后由单片机19采集并计算出甲醛浓度。

激光二极管11放置在方形金属导热块24通孔内，激光管二极管LD的封装表面与金属导热块24紧配合，其间隙涂有导热胶；金属导热块24置于绝热片25上，并用螺钉紧固支承基板26上，半导体制冷器34粘贴在金属导热块24上。比色池14置于金属夹板31、32内，金属夹板32上焊接一弹簧片33，使比色池插入后一个壁紧贴夹板31，比色池14保持在稳定状态。第一直角棱镜12由上下夹板27、28夹持，并固定在基板上，第二直角棱镜13由上下夹板29、30夹持，并固定在基板上。光电探测器15安装在基板26的另一端接收比色池14输出激光，光电探测器15与光电信号处理电路23连接。空气采样器1、第一移液泵4、第二移液泵8和步进电机17分别与达林顿管阵列16相应输出端连接，达林顿管阵列16输入端、显色反应温度控制电路及光电信号调理电路均与单片机19连接，单片机19还与电源模块20、按键模块21、显示模块22连接。

系统软件设计

系统软件采用模块化结构程序设计方法，以MSP43O单片机为核心构成控制和数据处理系统，系统全部程序采用c语言编写。

系统整体软件流程图

本设计的软件部分整体包含五个不同的工作状态，状态名称如下：

S0：等待界面；

S1：浓度检测；

S2：冲洗；

S3：自我标定；

S4：光强输出；

测量仪的工作状态间的转换是通过状态函数法来实现的，其状态转换流程如图3所示。

程序模块包括：

系统初始化程序；

DS18B20温度采集程序；

LCD显示程序；

时钟芯片控制程序；

步进电机驱动程序；

系统中断程序；

光强采集与处理程序；

通信程序；

检测结果保存在单片机FLASH存储区，便于以后调用或发送上位机。键盘和通讯都采用中断方式处理。

检测程序流程

图4为系统检测状态时的流程图，严格按照酚试剂分光光度法检测甲醛的操作要求设计。仪器进入State1状态后，即开始了检测操作过程。首先，微控制器将初始化，对一些内部寄存器进行设置，包括看门狗、I/O口的输入输出状态、定时器设置、外部中断设置等，然后启动空气采样器，并定时。通过定时器控制空气采样器的采样时间，在空气采样的同时，开始对显色反应室温度控制。如果室内温度低于设计要求温度，就进行加热。空气采样完毕后，移液泵将待测溶液转移至显色反应试管内开始显色反应，直至反应完全。最后，待测溶液移入比色池中，进行比色定量。检测出结果后，在显示屏显示并保存结果，整个检测过程结束。检测过程结束后，通过对键盘的操作，仪器进入冲洗状态，对仪器液路进行冲洗，以避免残留液体影响下次检测结果。

数据滤波算法

本发明同时采用程序判断法、均值滤波、滑动平均法对光电信号进行处理。剔除测量中随机出现的脉冲性干扰，有效地滤除测量中随机干扰，使信号平滑稳定；图5是加入数字滤波前后20组数据对比实验数据，两条曲线分别为光强AD采样信号和经过滤波后的光强AD采样信号，系统的稳定性和测量精确度明显提高。

有关各工作电机驱动电路的说明

MSP430F135单片机通过高耐压、大电流的达林顿阵列ULN2003芯片的7路达林顿管分别驱动四相步进电机、空气采样器和两个移液泵。应用时是把负载的一端接到电源上，另一端接到ULN2003输出引脚上。MSP430F135的I/O口通过连接ULN2003的输入脚完成对这些部件的驱动，电路简单可靠。

单片机通过改变I/O口输出脉冲，来改变步进电机相位，从而改变步进电机转动方向，以实现步进电机摇摆动作。其输出对应时序如下所示。循环输出如下时序步进电机左转：

A    B    C    D

0    1    1    1

1    0    1    1

1    1    0    1

1    1    1    0

循环输出如下时序步进电机右转

A    B    C    D

0    1    1    1

1    1    1    0

1    1    0    1

1    0    1    1

在每个脉冲之间插入延时，可控制步进电机转动速度。控制步进电机左转右转的时间即，使显色反应试管5做摇摆动作，达到加速显色过程，节约测量时间的目的。

剩余三路驱动两个移液泵和空气采样器，连接关系如图6所示，MSP430F135单片机的P5.7、P5.6、P5.5、P2.2、P2.3、P2.4、P2.5各I/O输出口分别连接ULN2003达林顿管阵列的1至8脚。ULN2003达林顿管阵列的输出端分别空气采样器、第一移液泵、第二移液泵和四相步进电机的四个端部。

Claims (5)

1、智能式室内气体甲醛浓度测量仪，它包括空气采样单元、显色单元、移液单元、比色单元和控制单元，

其特征是：

空气采样单元包括：空气采样器、过滤器、甲醛吸收管；

移液单元包括：第一移液泵、第二移液泵；

显色单元包括：显色反应试管、步进电机、陶瓷加热片、显色反应温度控制电路；

比色单元包括：比色池、激光二极管、光电探测器、光电信号调理电路；

所述控制单元包括：单片机、达林顿管阵列和电源模块；

所述达林顿管阵列的输出端分别接空气采样器、第一移液泵、第二移液泵、步进电机，达林顿管阵列的输入端连接单片机；显色反应温度控制电路执行端口与陶瓷加热片连接，其信号端口与单片机连接；所述光电信号调理电路与单片机连接。

2、根据权利要求1所述的智能式室内气体甲醛浓度测量仪，其特征是：所述显色反应温度控制电路采用一个过零检测模块，过零检测模块与单片机P20口连接，单片机与光电耦合器输入端连接，光电耦合器的输出端与可控硅连接，可控硅与陶瓷加热片连接，单片机与单线数字温度传感器连接。

3、根据权利要求1所述的智能式室内气体甲醛浓度测量仪，其特征是：所述显色单元采样步进电机，步进电机转轴与试管夹连接，试管夹夹住显色反应试管，显色反应试管置于五面体围成的显色室内，显色室一组相对面内壁上分别安装一个陶瓷加热片，温度传感器安装在靠近显色反应管的显色室内壁上。

4、根据权利要求1所述的智能式室内气体甲醛浓度测量仪，其特征是：所述比色单元采用折叠多路光路，比色池的光输入侧设有第一直角棱镜，光输出侧设有第二直角棱镜，将光路折叠后三次通过比色池。

5、根据权利要求1所述的智能式室内气体甲醛浓度测量仪，其特征是：该测量仪还包括显示模块和按键模块。

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