CN104267146B - 一种气体监测仪及系统 - Google Patents

Abstract

本发明适用于环境监测领域，提供一种气体监测仪及系统，包括底座，所述底座上设置有前气仓和主气仓，所述前气仓和主气仓之间设置有缓冲板，所述缓冲板上分布有通孔，所述前气仓的头端还开设有漏斗形进气口，所述主气仓尾端还设有出气口，且在所述出气口与所述缓冲板间还设有导流槽，所述主气仓上还安装有气体传感器。本发明采用焦耳-汤姆逊效应致冷，无需干燥剂可方便除去气体中的水分，防止水分在气体传感器表面凝结；另外前气仓设置在主气室之前，构成一个缓冲，去除气泵带来的气流脉冲，减少传感器噪音输出；此外，气体传感器直接浸入待测气体中，构成最直接最短的接触路径，有利于提高监测仪的响应速度。

Description

一种气体监测仪及系统

技术领域

本发明属于环境监测领域，尤其涉及一种气体监测仪及系统。

背景技术

环境问题，特别是大气污染问题，是现阶段的一个广为关注的问题。中国现阶段的特点是工业生产突飞猛进，基础建设日新月异。随之而来的问题是环境问题日益突出。据董小林等在《陕西省关中区域中心城市大气污染经济损失分析》中计算，早在2002年，陕西省关中区域因为大气污染造成的损失就为当年GDP的0.99％。另外，在2013年，由国内外环境领域专家组成的工作小组，以及亚洲开发银行的专业团队联合完成的报告《迈向环境可持续的未来--中华人民共和国国家环境分析》显示，中国的空气污染每年造成的经济损失，仅基于疾病成本的估算，就相当于国内生产总值的1.2％；基于支付意愿估算则高达3.8％。环境的监测和治理已经迫在眉睫。

参照申请号为201410657991.0的对比专利，其公开了一个多种气体检测仪，是一种对环境进行监测的仪器，一般都有一个气仓(即对比专利中所述的检测盒)，用以安装各种传感器(即对比专利中所述的多个电化学气体传感器)；同时还有一个连接气仓和待测气体的气路(即对比专利中所述的进气管)，对待测气体进行采样以及预处理，经监测后排出。现在的气体传感器测量技术，要求待测气体没有较多的粉尘或者水汽，因为粉尘容易覆盖堵塞传感器表面，水汽容易凝结，影响传感器的电子性能。因此，现有的监测仪器，通常在气路中利用过滤装置(即对比专利中设置在进气管进气口的过滤器)来去除粉尘，利用干燥装置来去除水分。对于在线监测仪器，这样的现有技术方案还不成熟，需要频繁更换干燥剂。

同时，安装传感器的气仓，对于整个系统的响应时间(反应速度)，以及测量数据可靠性，都至为关键。通常环境监测仪器的气路和气仓设计，配合传感器使用，其响应时间(信号达到最大值的90％)一般在30秒左右。这一响应时间过长，不利于需要快速反馈控制的应用，特别是对有毒气体的反馈控制。另一方面，因为气路中普遍使用空气泵，而空气泵一般会产生连续的气流脉冲。这个气流脉冲不利于传感器的探测，最好是能从设计上去除此类脉冲，以降低传感器的输出噪声。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种气体监测仪及系统，旨在解决现有气体监测仪在气路上需要设置干燥剂以及传感器的响应速度过慢等技术问题。

一方面，所述气体监测仪包括底座，所述底座上设置有前气仓和主气仓，所述前气仓和主气仓之间设置有缓冲板，所述缓冲板上分布有通孔，所述前气仓的头端还开设有漏斗形进气口，所述主气仓尾端还设有出气口，且在所述出气口与所述缓冲板间还设有导流槽，所述主气仓上还安装有气体传感器。

进一步的，所述前气仓与缓冲板由耐腐蚀耐锈蚀的金属材料制成。

进一步的，采用耐腐蚀耐锈蚀的塑料制成。

进一步的，所述缓冲板上的通孔不均匀分布。

进一步的，所述前气仓为半球状，且前气仓和主气仓内表面经光滑处理。

进一步的，所述前气仓、缓冲板、主气仓底部逐渐降低。

进一步的，所述前气仓、主气仓顶部还设有盖板。

另一方面，所述气体监测系统，包括所述的气体监测仪，所述气体监测仪的漏斗形进气口还连接有进气管道，出气口连接有出气管道，所述进气管道上依次设置有过滤器、气泵，所述出气管道上设有流量传感器。

进一步的，所述气体监测仪与气泵之间，以及气体监测仪与流量传感器之间均设置有电磁阀。

进一步的，所述进气管道的进口处以及出气管道的出口处，连接有标准进出气接口。

本发明的有益效果是：本发明设计的气仓利用焦耳-汤姆逊效应致冷，使用抽气泵为前气仓供气，压缩气体经过漏斗形进气口进入前气仓，由于漏斗形进气口的节流限气作用，可以达到增压的效果，在进气口处形成一个相对高压，气体进入前气仓后很快扩散，达到均匀恒定压力，根据焦耳-汤姆逊效应迅速制冷，气体中的水汽凝结，然后通过导流槽排出，这样无需设置干燥剂即可达到除去气体中水分的目的；另一方面，前气仓设置在主气室之前，构成一个缓冲，去除气泵带来的气流(气压)脉冲，减少传感器噪音输出；第三，气体传感器直接浸入待测气体中，构成最直接最短的接触路径，有利于提高监测仪的响应速度。

附图说明

图1是本发明实施例提供的气体监测仪的结构原理图；

图2是本发明实施例提供的缓冲板的结构图；

图3是本发明实施例提供的气体监测系统的结构图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

首先介绍焦耳-汤姆逊效应。在1852年，焦耳和汤姆逊完成了一个节流膨胀实验，证实了实际气体在膨胀时所发生的温度变化现象。这一现象后来被命名为焦耳-汤姆逊效应(Joule-Thomsoneffect)，简称焦-汤效应(J-T效应)。在工程上，利用这一自然物理现象的工程过程，通常被叫做节流过程。节流过程和另外一种叫做绝热膨胀过程，是工业上最为常用的两种获得低温的方法。

节流过程前后气体的焓值(总热量)不变，熵值(总混乱度)增加。描述焦-汤效应一般用焦-汤系数μ_JT。定义焦-汤系数μ_JT为：

$u_{JT}={\left(\frac{\∂T}{\∂P}\right)}_H=\frac{V}{C_P}(aT-1)$

其中，V为气体体积；C_p为该气体的等压热容；α为该气体的热膨胀系数。μ_JT的国际单位是K/Pa，通常用℃/bar。

从上式可以看出，若焦-汤系数μ_JT为正，在气体压力降低时，也就是为负，所以也一定为负，此种情况时，气体经节流过程，气体温度降低。

经实验和以上公式计算，大多数的气体，包括空气，在常温下焦-汤系数μ_JT为正值。所以，他们在经节流过程之后，都有温度下降的致冷效应。

而本发明采用焦耳-汤姆逊效应致冷，以达到除去气体中水分的目的。为了说明本发明所述的技术方案，下面通过具体实施例来进行说明。

图1示出了本发明实施例提供的气体监测仪的结构原理图，为了便于说明仅示出了与本发明实施例相关的部分。

本实施例提供的气体监测仪包括底座1，所述底座上设置有前气仓2和主气仓3，所述前气仓2和主气仓3之间设置有缓冲板4，如图2所示，所述缓冲板4上分布有通孔41，所述前气仓2的头端还开设有漏斗形进气口21，所述主气仓3尾端还设有出气口31，且在所述出气口31与所述缓冲板4间还设有导流槽5，所述主气仓3上还安装有气体传感器6。优选的，所述前气仓、主气仓顶部还设有盖板，所述盖板通过螺丝固定。

工作时，通过抽气泵为前气仓供气，压缩气体经过漏斗形进气口进入前气仓，由于漏斗形进气口的节流限气作用，在进气口处形成一个相对高压，气体进入前气仓后很快扩散，达到均匀恒定压力，根据焦耳-汤姆逊效应迅速制冷，气体中的水汽凝结，然后通过导流槽排出，防止水汽在传感器表面的凝结，这样无需设置干燥剂即可达到除去气体中水分的目的；然后前气仓中的气体经过缓冲板上的通孔均匀进入主气仓，主气仓上的气体传感器直接与检测气体接触，有利于提高监测仪的响应速度。另外，本实施例中，前气仓设置在主气室之前，形成一个气体缓冲结构，避免气泵气体直接冲击到气体传感器，可以去除气泵带来的气流(气压)脉冲，减少传感器噪音输出。

本实施例中，所述前气仓2与缓冲板4优选由耐腐蚀耐锈蚀的金属材料制成，比如不锈钢，便于水汽的凝结。漏斗形前进气口和前气仓为一体成型。漏斗形进气口配合空气泵的流量，为待测气体提供一个增压。同时，待测气体经过这个漏斗形进气口时，由于孔径的限制，产生一个节流效应。这样进气口前端气体导管和前气仓存在气压压差，并根据漏斗形进气口的节流效果，实现了焦耳-汤普逊效应。前气室中的待测气体温度降低，其中水汽凝结，经导流槽排从出气口排出。另外优选的，所述主气仓与底座一体成型，采用耐腐蚀耐锈蚀的塑料制成，比如采用PTFE材料。由于主气室中没有致冷效应，并且塑料导热性能不佳，避免了剩余水汽的凝结。

进一步作为一种优选实施方式，如图2所示，所述缓冲板7上的通孔41不均匀分布，便于待测气体通过以及消除气流死角。同时在前气仓中，不均匀分布的气流经不均匀分布的通孔补偿之后进入主气室中，并形成均匀分布的气流，一致流动。

作为一种优选结构，所述前气仓为半球状，且前气仓和主气仓内表面经光滑处理。经过光滑处理，可以减少气体吸附，提高监测仪器对于气体的响应速度。同时前气仓和主气仓没有气流死角，同样有利于提高响应速度。另外，前气仓、缓冲板、主气仓底部逐渐降低，防止冷凝水滞留，保持主气仓干燥。

本发明实施例还提供了一种气体监测系统，如图3所示，包括所述气体监测仪100，所述气体监测仪的漏斗形进气口还连接有进气管道200，出气口连接有出气管道300，所述进气管道200上依次设置有过滤器101、气泵102，所述出气管道200上设有流量传感器201。

各部件连接的管道可以是PTEE管或者不锈钢管。所述过滤器负责粉尘的过滤，采用可更替滤芯。气泵采用电磁干扰小的直流泵，例如微型隔膜泵。同时尽量保持气泵和气体监测仪之间的距离，进一步降低气泵的电磁干扰，以及机械震动和气流脉冲的影响。流量传感器用于监测气路中的气流，以判断气路的工作状态，警报气路堵塞，或者气泵失效。另外，优选的，所述气体监测仪与气泵之间，以及气体监测仪与流量传感器之间均设置有电磁阀400，电磁阀400可以控制进出气的流量。

此外，优选的，所述进气管道的进口处以及出气管道的出口处，连接有标准进出气接口500。标准进出气接口方便外接校正设备和外接测试气体。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气体监测仪，其特征在于，所述气体监测仪包括底座，所述底座上设置有前气仓和主气仓，所述前气仓和主气仓之间设置有缓冲板，所述缓冲板上分布有通孔，所述前气仓的头端还开设有漏斗形进气口，所述主气仓尾端还设有出气口，且在所述出气口与所述缓冲板间还设有导流槽，所述主气仓上还安装有气体传感器。

2.如权利要求1所述气体监测仪，其特征在于，所述前气仓与缓冲板由耐腐蚀耐锈蚀的金属材料制成。

3.如权利要求2所述气体监测仪，其特征在于，主气仓与底座一体成型，采用耐腐蚀耐锈蚀的塑料制成。

4.如权利要求3所述气体监测仪，其特征在于，所述缓冲板上的通孔不均匀分布。

5.如权利要求1-4任一项所述气体监测仪，其特征在于，所述前气仓为半球状，且前气仓和主气仓内表面经光滑处理。

6.如权利要求5所述气体监测仪，其特征在于，所述前气仓、缓冲板、主气仓底部逐渐降低。

7.如权利要求6所述气体监测仪，其特征在于，所述前气仓、主气仓顶部还设有盖板。

8.一种气体监测系统，其特征在于，所述系统包括如权利要求1-7任一项所述的气体监测仪，所述气体监测仪的漏斗形进气口还连接有进气管道，出气口连接有出气管道，所述进气管道上依次设置有过滤器、气泵，所述出气管道上设有流量传感器。

9.如权利要求8所述气体监测系统，其特征在于，所述气体监测仪与气泵之间，以及气体监测仪与流量传感器之间均设置有电磁阀。

10.如权利要求9所述气体监测系统，其特征在于，所述进气管道的进口处以及出气管道的出口处，连接有标准进出气接口。