CN102053070A - 一种便携式可移动多组分气体分析仪 - Google Patents

Abstract

本发明的便携式可移动多组分气体分析仪，包括中红外多组分气体分析仪和可移动分析模块。中红外多组分气体分析仪包括傅立叶中红外光谱仪、长光程气体池、微型采样泵、功率电路、电磁阀、进气管、排气管。可移动分析模块包括：与中红外多组分气体分析仪集成在一起的微型计算机、装于微型计算机上的无线上网卡、接入互联网的便携计算机；该微型计算机装有光谱分析软件、交互DLL程序和因特网服务程序。该便携式可移动多组分气体分析仪具备远距离、非现场测控能力，除适用于一般的气体光谱定量分析，尤其适于毒性污染严重，不便于人员停留的环境，在反恐和应急检测中尤能体现优势。

Description

一种便携式可移动多组分气体分析仪

技术领域

本发明属于红外光谱定量分析技术领域，并涉及一种便携式可移动多组分气体分析仪。

技术背景

随着环境污染，气候变暖，恐怖活动这些全球性事件的加剧，越来越多的场合要求对现场的环境气体能实时测量和分析。现有的应用红外光谱进行气体定量分析的仪器，根据测量使用的波长通道来分，可分为有限通道的专用型分析仪和多波长连续通道的通用型分析仪。专用型气体分析仪，由于选用的波长通道有限且分布离散，分析的气体种类一般不超过十种；而通用型分析仪，由于在较宽的波长范围内采用了连续通道测量，所以可分析的气体种类多达几十种至上百种。

国内外市场上成熟的通用型气体分析仪如MKS(美国)，CICP(美国)等品牌均不具备远程操控能力。对环境气体分析时，需要检验人员进入目标环境以操作仪器，在一些毒性气体污染严重的场合，检验人员即便佩戴防护器具，也很难保证长期作业的安全性。GASMET(芬兰)的某些气体分析仪虽然配备了蓝牙通讯，但蓝牙的有效通讯距离十分有限，一般在数十米以内，这实质上并不能确保毒气弥散场合的安全性，同时蓝牙软件的开发较为复杂，且仅能运行于支持蓝牙设备的仪器上，这些增加了分析仪软硬件的成本，且不便于系统后续的维护和升级。

发明内容

本发明是一种具可移动分析能力的多组分气体分析仪，检验人员只要使用任何正常通讯手机自带的WAP(Wireless Application Protocol)浏览器或联网便携计算机上的网页浏览器即可对远端的气体分析仪测控，而无需在手机或便携计算机上安装额外软件。手机网络覆盖全球，使得便携式可移动多组分气体分析仪的使用摆脱了空间距离上的限制，检验人员可在远离现场的安全场所，长时间测控远端的气体分析仪并及时获得气体分析数据，而这是目前国内外市场上现有气体分析仪尚未做到的。

根据本发明的一个方面，提供了一种便携式可移动多组分气体分析仪，其特征在于包括：

中红外多组分气体分析仪，用于进行基于傅立叶变换的红外光谱气体定量分析，

可移动分析模块，用于实现对所述中红外多组分气体分析仪的无线网络远程操控。

根据本发明的一个进一步的方面，所述中红外多组分气体分析仪包括：

长光程气体池；

红外傅立叶光谱仪；

跨接在所述中红外傅立叶光谱仪和所述长光程气体池之间的波纹管，用于保证由中红外傅立叶光谱仪出射的红外干涉光能出入长光程气体池并保证测量光谱气路的密封性。

根据本发明的一个进一步的方面，所述可移动分析模块进一步包括：

微型计算机，其包括

光谱分析软件模块，用于控制中红外傅立叶光谱仪的运行，并负责存储气体定量分析数据，

IS服务程序模块，用于使接入互联网的一个便携计算机和/或一个手机能与所述微型计算机交换数据和指令，进而控制中红外傅立叶光谱仪的运行，并实时获取由所述光谱分析软件模块生成的气体分析数据；

交互DLL程序模块，用于负责IS服务程序和光谱分析软件模块之间的通讯。

本发明属于中红外(4000cm^-1～900cm^-1)多波长连续通道的通用型气体分析仪，可分析气体种类达五十余种。

附图说明

图1A-1C显示了根据本发明的一个实施例的便携式可移动多组分气体分析仪组成结构。

图2显示了根据本发明的一个实施例的便携式可移动多组分气体分析仪测控流程。

图3显示了根据本发明的一个实施例的便携式可移动多组分气体分析仪光谱定量分析时序图。

图4显示了根据本发明的一个实施例的便携式可移动多组分气体分析仪的手机端测控界面示例照片。

图5显示了根据本发明的一个实施例的便携式可移动多组分气体分析仪便携计算机端测控界面截图。

具体实施方式

本发明的目的在于提供一种便携式可移动多组分气体分析仪，该仪器基于傅立叶红外光谱气体定量分析原理和无线网络远程操控的优点，使得对毒气污染严重场合的远距离、非现场、长期性的监测成为可能，这种仪器既适用于普通环境下的气体分析检测，亦适用于应急和反恐等恶劣环境的检测。

根据本发明的便携式可移动多组分气体分析仪的一个实施例的组成结构，其中红外多组分气体分析仪和可移动分析模块，其中图1A、1B和1C显示了所述中红外多组分气体分析仪的一个实施例，其包括：基座(1)、微型计算机(3)、密封壳体(4)、通信线缆(5)、中红外傅立叶光谱仪(6)、波纹管(7)、长光程气体池(8)、进气管(9)、电磁阀(10)、第一控制线缆(11)、排气管(12)、微型采样泵(13)、功率电路(14)、第二控制线缆(15)、减震橡胶垫(16)、便携把手(17)。其中：

基座(1)用于支撑整个仪器重量，其上固定有微型计算机(3)、功率电路(14)、减震橡胶垫(16)。

微型计算机(3)固定于基座(1)上，所述微型计算机包括：光谱分析软件模块(201)、交互DLL程序模块(202)和IS服务程序模块(203)

密封壳体(4)与基座(1)通过诸如螺丝固紧，用于保证微型计算机(3)、中红外傅立叶光谱仪(6)、长光程气体池(8)、微型采样泵(13)、功率电路(14)在长期工作中不受外界气体腐蚀和粉尘的污染。

通信线缆(5)负责中红外傅立叶光谱仪(6)与微型计算机(3)之间的数据传输。

中红外傅立叶光谱仪(6)安装于减震橡胶垫(16)上，减缓外界振动对光谱仪测量的影响。

波纹管(7)跨接在中红外傅立叶光谱仪(6)和长光程气体池(8)之间，保证由中红外傅立叶光谱仪(6)出射的红外干涉光能出入长光程气体池(8)，同时保证了测量光谱气路的密封性。

长光程气体池(8)置于中红外傅立叶光谱仪(6)上，与中红外傅立叶光谱仪(6)之间的光路由波纹管(7)密封。

根据一个具体实施例，进气管(9)用特氟龙制成，其上连有电磁阀(10)，并与长光程气体池(8)连接。

电磁阀(10)装于进气管(9)上。

控制线缆(11)一端连于功率电路(14)上，另一端连于电磁阀(10)上，控制电磁阀(10)的开关。

根据一个具体实施例，排气管(12)用特氟龙制成并连接长光程气体池(8)和微型采样泵(13)。

微型采样泵(13)在电磁阀(10)关闭时，可将长光程气体池(8)内抽到真空态；在电磁阀(10)开启时，可将外部环境气体通过进气管(9)连续抽进长光程气体池(8)内，并通过排气管(12)，使长光程气体池(8)内气体与外部环境气体连通起来。

功率电路(14)固定于基座(1)上，接收微型计算机(3)通过控制线缆(15)传送的指令，去控制微型采样泵(13)的运转和电磁阀(10)的开关状态。

控制线缆(15)联通微型计算机(3)和功率电路(14)。

减震橡胶垫(16)固定于基座(1)上，其上固定有中红外傅立叶光谱仪(6)；

便携把手(17)安装于密封壳体(4)两侧，方便仪器整体的搬移；

如图1A和1C所示，根据本发明的一个实施例的所述可移动分析模块包括：无线上网卡(2)和微型计算机(3)。

无线上网卡(2)可安装于微型计算机(3)上，并为微型计算机(3)、接入互联网的便携计算机(18)、手机(19)提供数据和指令的无线传输。

在如图2所示的根据本发明的实施例中，微型计算机(3)内装有光谱分析软件模块(201)、交DLL程序模块(202)和IS服务程序模块(203)。

接入互联网的便携计算机(18)通过无线网络与微型计算机(3)交换数据和指令。

手机(19)(可以是GSM，CDMA，或3G手机)通过GSM，CDMA，或3G网络与微型计算机(3)交换数据和指令；

光谱分析软件模块(201)用于控制中红外傅立叶光谱仪(6)的运行，并负责存储气体定量分析数据。

交互DLL程序模块(202)，负责IS服务程序和光谱分析软件模块(201)之间的通讯。

根据本发明的一个实施例，IS服务程序模块(203)由动态网页语言和WML(Wireless Markup Language)语言混合编写。借助动态网页语言，接入互联网的便携计算机(18)可通过网页浏览器与微型计算机(3)交换数据和指令，进而控制中红外傅立叶光谱仪(6)的运行，并实时获取由光谱分析软件生成的气体分析数据；借助WML语言，手机(19)可通过WAP浏览器与微型计算机(3)交换数据和指令，进而控制中红外傅立叶光谱仪(6)的运行，并实时获取由光谱分析软件生成的气体分析数据。

根据本发明的一个实施例的便携式可移动多组分气体分析仪的操作方式包括测量分析方式和控制方式。

在测量分析方式下，测量和分析过程在中红外傅立叶光谱仪(6)和微型计算机(3)上进行。由于所述便携式可移动多组分气体分析仪基于傅立叶变换红外光谱原理，其定量依据为比尔吸收定律，即被测气体的吸光度A与校准摩尔吸光系数a、气体池有效吸收光程L之间的关系

A＝aCL+ε                                                 (1)

其中ε为光谱残差，理想分析情况下，为光谱测量的随机噪声。

对m组分气体在n个波长通道处的吸收，有矩阵形式的比尔定律：

${\left[\begin{array}{c}{A}_1\\ A_2\\ ...\\ A_n\end{array}\right]}_{n\×1}={\left[\begin{array}{cccc}{a}_{11}& a_{12}& .& a_{1m}\\ a_{21}& .& .& .\\ .& .& .& .\\ a_{n1}& .& .& a_{\mathrm{nm}}\end{array}\right]}_{n\×m}\·{\left[\begin{array}{c}{C}_1\\ C_2\\ ...\\ C_m\end{array}\right]}_{m\×1}\·L+{\left[\begin{array}{c}{\mathrm{\ϵ}}_1\\ {\mathrm{\ϵ}}_2\\ ...\\ {\mathrm{\ϵ}}_n\end{array}\right]}_{n\×1}---\left(2\right)$

式中，A_l(i＝1，2，..n)-第i波数处的吸光度值，由光谱仪测量获得；a_y(i＝1，2，..n；j＝1，2，..m)-第j组分在第i波数处的摩尔吸光系数，由事先建立的气体参考谱图库提供；v_l-第i波数，C_J(j＝1，2，..m)-第j组分的浓度值，L-气体有效吸收光程，ε_l-第i个波数处的光谱残差。

当光谱残差RMS(Root Mean Square)值趋向最小时

$\mathrm{RMS}=\sqrt{\mathrm{\Σ}{\mathrm{\ϵ}}_i^2/(n-1)}\⇒\min ---\left(3\right)$

可获得m组分气体浓度的最小二乘解：

C＝(a^Ta)^-1(a^TA)/L                                                (4)

气体的定量分析，最终目的是获得连续的时间-浓度数据，一种连续的光谱采集和浓度定量时序关系如图3，若t₀时刻进行真空背景光谱的采集，从(t₀+Δ)时刻开始采集环境气体的背景光谱，以后每隔Δ时刻，采集环境气体的光谱Bg_i(i＝1，2，3...)，用当前时刻的Bg_i与t₀时刻采集得真空背景光谱Bg₀作比值，并对比值的倒数求对数，得当前时刻的吸光度值A_i，将A_i经适当光谱平滑和基线校正之后，按式(2)-(4)求解，可得当前时刻的m组分气体浓度值C_1l，C_2l，C_3l，…C_ml。

控制方式决定着便携式可移动多组分气体分析仪的工作次序。如图2所示，交DLL程序模块(202)与IS服务程序模块(203)驻留于远端的微型计算机(3)的内存中，实时检测手机(19)或便携计算机(18)通过网络发送的指令，无线上网卡(2)收到指令后，传递给IS服务程序模块(203)，IS服务程序模块(203)再通过交互DLL程序模块(202)控制光谱分析软件模块(201)的运行方式，或通过交互DLL程序模块(202)提取光谱分析结果数据，并将数据结果通过网络发送给手机(19)或联网的便携计算机(18)，检验人员再通过手机(19)的WAP浏览器或联网便携计算机(18)的网页浏览器即可看到气体分析结果。

图4给出了手机上运行的示例测控界面，通过手机WAP浏览器可以对远端的分析仪进行仪器设置，启动分析，查看分析，重启系统；并查看气体分析结果。图5给出了便携计算机上通过网页浏览器对远端分析仪进行测控的示例界面的截图，该界面提供了分析气体组分列表区、时间-浓度曲线区、和控制功能区，检验人员可通过网页浏览器实时查看远端气体分析结果。

应当理解的是，在以上叙述和说明中对本发明所进行的描述只是说明而非限定性的，且在不脱离如所附权利要求书所限定的本发明的前提下，可以对上述实施例进行各种改变、变形、和/或修正。

Claims (9)

1.便携式可移动多组分气体分析仪，其特征在于包括：

中红外多组分气体分析仪，用于进行基于傅立叶变换红外光谱的气体定量分析，

可移动分析模块，用于实现对所述中红外多组分气体分析仪的无线远程操控。

2.如权利要求1所述的便携式可移动多组分气体分析仪，其特征在于所述中红外多组分气体分析仪包括：

长光程气体池(8)；

红外傅立叶光谱仪(6)

跨接在所述中红外傅立叶光谱仪(6)和所述长光程气体池(8)之间的波纹管(7)，用于保证由中红外傅立叶光谱仪(6)出射的红外干涉光能出入长光程气体池(8)，同时保证了测量光路的气密性。

3.如权利要求2所述的便携式可移动多组分气体分析仪，其特征在于所述可移动分析模块进一步包括：

微型计算机(3)，其包括

光谱分析软件模块(201)，用于控制中红外傅立叶光谱仪(6)的运行，并负责存储气体定量分析数据，

互联网服务程序模块(203)，用于使接入互联网的一个便携计算机(18)和/或一个手机(19)能与所述微型计算机(3)交换数据和指令，进而控制中红外傅立叶光谱仪(6)的运行，并实时获取由所述光谱分析软件模块(201)生成的气体分析数据；

交互DLL程序模块(202)，用于进行所述互联网服务程序和光谱分析软件模块(201)之间的通讯。

4.如权利要求3所述的便携式可移动多组分气体分析仪，其特征在于所述互联网服务程序模块(203)由动态网页语言和WML语言混合编写，其中，

借助所述动态网页语言，所述便携计算机(18)可通过网页浏览器与所述微型计算机(3)交换数据和指令，进而控制中红外傅立叶光谱仪(6)的运行，并实时获取由光谱分析软件生成的气体分析数据；

借助所述WML语言，所述手机(19)可通过WAP浏览器与微型计算机(3)交换数据和指令，进而控制中红外傅立叶光谱仪(6)的运行，并实时获取由光谱分析软件生成的气体分析数据。

5.如权利要求4所述的便携式可移动多组分气体分析仪，其特征在于所述可移动分析模块进一步包括：

一个无线上网卡(2)，用于进行所述IS服务程序模块(203)与所述便携计算机(18)和/或所述手机(19)直接的通讯。

6.如权利要求1-5中任何一项所述的便携式可移动多组分气体分析仪，其特征在于所述中红外多组分气体分析仪进一步包括：

一个基座(1)，所述微型计算机(3)被固定在所述基座上；

波纹管(7)，其跨接在中红外傅立叶光谱仪(6)和长光程气体池(8)之间，用于保证由中红外傅立叶光谱仪(6)出射的红外干涉光能出入长光程气体池(8)，同时保证了测量光路的气密性；

一个进气管(9)，其与长光程气体池(8)连接；

连在所述进气管(9)上的一个电磁阀(10)；

第一控制线缆(11)，用于连接一个功率电路(14)和所述电磁阀(10)，从而控制电磁阀(10)的开关

第二控制线缆(15)，用于联通微型计算机(3)和所述功率电路(14)；

所述功率电路(14)，其固定于基座(1)上，用于接收微型计算机(3)通过第二控制线缆(15)传送的指令，从而控制一个微型采样泵(13)的运转和电磁阀(10)的开关状态；

所述微型采样泵(13)，用于在电磁阀(10)关闭时将长光程气体池(8)内抽到真空态，且在电磁阀(10)开启时将外部环境气体通过进气管(9)连续抽进长光程气体池(8)内，并使长光程气体池(8)内气体与外部环境气体连通起来；

固定在所述基座(1)上的一个密封壳体(4)，用于保证所述微型计算机(3)、中红外傅立叶光谱仪(6)、长光程气体池(8)、微型采样泵(13)、功率电路(14)不受外界气体腐蚀和粉尘的污染。

7.如权利要求6所述的便携式可移动多组分气体分析仪，其特征在于所述可移动分析模块进一步包括：

排气管(12)，用于连接长光程气体池(8)和微型采样泵(13)；

减震橡胶垫(16)，它固定于基座(1)上，该减震橡胶垫上固定有中红外傅立叶光谱仪(6)；

安装于密封壳体(4)两侧的便携把手(17)，方便仪器整体的搬移。

8.如权利要求1-5中任何一项所述的便携式可移动多组分气体分析仪，其特征在于所述互联网服务程序模块(203)由动态网页语言和WML语言混合编写，其中

借助所述动态网页语言，接入互联网的便携计算机(18)可通过网页浏览器与微型计算机(3)交换数据和指令，进而控制中红外傅立叶光谱仪(6)的运行，并实时获取由光谱分析软件生成的气体分析数据；

借助所述WML语言，手机(19)可通过WAP浏览器与微型计算机(3)交换数据和指令，进而控制中红外傅立叶光谱仪(6)的运行，并实时获取由光谱分析软件生成的气体分析数据。

9.根据权利要求8所述的便携式可移动多组分气体分析仪，其中所述动态网页语言可以是ASP(Active Server Pages)、PHP(Hypertext Preprocessor)、JSP(Java Server Pages)、ASP.NET(Active Server Page.NET)语言。

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