CN104458845B - 一种便携式微量气体检测系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种便携式微量气体检测系统，其包括采样模块、检测模块、设备主控。采样模块包括：富集管，其用于在预定的富集时间内进行气体样本采集与富集；加热丝，其位于该富集管内用于加热该富集管内的气体样本，以通过升温的手段释放在该富集管内浓缩的气体样本。检测模块包括：传感腔，其入口通过第一管路与该富集管的出口相通；单向阀，其安装在该第一管路上；传感器阵列，其位于该传感腔内用于在该单向阀开启时检测该富集管采样的气体样本。设备主控用于根据该富集时间控制该加热丝的加热时间、该单向阀的开启与关闭、该传感器阵列的运行，并接收该传感器阵列的检测信号进行数据采集与处理。

Description

一种便携式微量气体检测系统

技术领域

本发明涉及一种体检测系统，特别是一种便携式微量气体检测系统。

背景技术

气体检测设备被广泛应用于大气污染控制、食品质量评估、爆炸物报警、毒气监测、生化战剂预警、医疗诊断等领域。

气体组分的检测一般分为下述几种方法：1)色谱仪，精度及灵敏度高，但是设备体积庞大需要纯净载气，适合实验室应用。气体组分检测通过现场取样，实验室进行离线分析的过程进行。2)光学方法，设备精度较高，需要稳定的外部环境。3)半导体及电化学方法，可以针对性地测试某些气体组分，可测试的气体对象浓度一般在几十个ppm以下，对测试环境的需求较低，恶劣工况下也能保证可靠工作。

在越来越多的气体检测应用场合中，现场取样，而后在实验室条件下进行色谱分析的效率已经不能满足检测需要，尤其在高危场合例如毒气泄漏监测、战场生化战剂检测等情形下，更需要高检测能力、实时快速、便携轻量化的气体检测设备，实时提供危险报警信号，而光学检测方法例如光干涉法、差分吸收光谱法等难以适应这些恶劣的现场条件，难以保证稳定可靠地工作。

发明内容

针对现有的方案的不足，本发明提出一种便携式微量气体检测系统，其适用于半导体及电化学检测方式，实现紧凑的设备结构、可靠的工作流程，高集成度的进样单元，满足工业现场便携、实时的检测需求。

本发明是这样实现的，一种便携式微量气体检测系统，其包括：

采样模块，其包括：富集管，其用于在预定的富集时间内进行气体样本采集与富集；及加热丝，其位于该富集管内用于加热该富集管内的气体样本，以通过升温的手段释放在该富集管内浓缩的气体样本；

检测模块，其包括：传感腔，其入口通过第一管路与该富集管的出口相通；单向阀，其安装在该第一管路上；及

传感器阵列，其位于该传感腔内用于在该单向阀开启时检测该富集管采样的气体样本；及

设备主控，其用于根据该富集时间控制该加热丝的加热时间、该单向阀的开启与关闭、该传感器阵列的运行，并接收该传感器阵列的检测信号进行数据采集与处理；

其中，该传感腔的出口通过第二管路与该富集管的外腔的入口相通，该富集管的外腔的出口作为该便携式微量气体检测系统的气路出口；该便携式微量气体检测系统还包括泵，该泵设置在该第二管路上；该便携式微量气体检测系统还包括两位三通电磁阀、活性碳管，该两位三通电磁阀的入口经由该泵与该传感腔的出口相通，该两位三通电磁阀的一个出口经由该活性碳管与该传感腔的入口相通，该两位三通电磁阀的另一个出口与该富集管的外腔的入口相通；该传感器阵列中配置一路参比传感器通道，用于补偿温湿度、气体流速造成传感器假响应的物理量。

作为上述方案的进一步改进，该便携式微量气体检测系统还包括人机交换模块，该人机交换模块与该设备主控连接用于显示处理后的数据信息。

作为上述方案的进一步改进，该便携式微量气体检测系统还包括非失忆性存储器；该非失忆性存储器与该设备主控连接用于存储处理后的数据信息。

作为上述方案的进一步改进，该便携式微量气体检测系统还包括传感器信号测试模块；该传感器信号测试模块与该设备主控连接用于分担该设备主控的工作。

作为上述方案的进一步改进，该传感器阵列还设置传感腔加热装置及温度采样传感器，该传感腔加热装置、该温度采样传感器、该设备主控形成该传感器腔的温度闭环控制。

作为上述方案的进一步改进，该富集管设置有进样口，该进样口内设置有防尘装置。

与现有技术相比，本发明的每个测试循环主要包括下述几个优势段：

1)样本采集与富集，设备主控1可设定时间进行样本采样，由富集管103实现样本浓缩；

2)样本释放，可用加热丝5升温的手段释放在富集管103内浓缩的样本，并送入传感腔104由压电或电化学传感器传感；

3)数据采集与处理，可由传感器信号测试模块2负责测试和读取传感器阵列3的信号，送至设备主控1，设备主控1的主控芯片接收这些数据并做二次处理，具体的处理内容包括传感器信号量(频率、相位、电压、电流等)至目标组分浓度量的映射、校准、模式识别等；

4)可根据获得的组分浓度结果判断是否需要对用户作出直观提示(比如声音报警、指示灯闪烁等)；

5)可气路恢复，进行清洗管路、清洗传感器腔、活化富集管等后处理。

附图说明

图1为本发明较佳实施方式提供的便携式微量气体检测系统的功能模块示意图。

图2是图1中便携式微量气体检测系统的气路结构图。

图3是图1中便携式微量气体检测系统的工作流程图。

图4是图1中便携式微量气体检测系统的实体设备的爆炸图。

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，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

请一并参阅图1及图2，本发明的较佳实施方式提供的便携式微量气体检测系统主要包括采样模块、检测模块、设备主控1、附加功能模块、电源管理模块12。采样模块对气体进行采样，检测模块对收集的气体样本进行检测，设备主控控制该采用模块与该检测模块的运行，并对检测模块的检测数据进行收集与处理。该附加功能模块实现该便携式微量气体检测系统的清洗管路、清洗传感器、活化富集管等等处理功能。电源管理模块12管控该便携式微量气体检测系统的电能。

采样模块包括富集管103、加热丝5、防尘装置102。富集管103用于在预定的富集时间内进行气体样本采集与富集，在本实施方式中，富集管103设置有进样口101，气体样本从进样口101进入整个系统的气路，进样口101可配置防尘装置102，防尘装置102能避免灰尘颗粒进入气路影响富集管103的富集效能。

加热丝5位于该富集管103内用于加热该富集管103内的气体样本，以通过升温的手段释放在该富集管103内浓缩的气体样本。加热丝5的加热时间如下文所述由设备主控1进行控制。

检测模块包括传感腔104、单向阀6、传感器阵列3。传感腔104的入口通过第一管路与富集管103的出口相通，单向阀6安装在该第一管路上用于控制传感腔104与富集管103之间是否相通。单向阀6的开启与关闭如下文所述由设备主控1进行控制。传感器阵列3位于该传感腔104内用于在该单向阀6开启时检测该富集管103采样的气体样本，并将采样数据传送给设备主控1。

附加功能模块包括泵7、两位三通电磁阀8、活性碳管107。两位三通电磁阀8的入口经由该泵7与该传感腔104的出口相通，该两位三通电磁阀8的一个出口经由该活性碳管107与该传感腔104的入口相通，该两位三通电磁阀8的另一个出口与该富集管103的外腔105的入口相通，外腔105的出口作为该便携式微量气体检测系统的气路出口106。

泵7是气体流动的驱动源，两位三通电磁阀8配合单向阀6控制气体流向。当两位三通电磁阀8处于位置a，单向阀6开启的情形下，气路流向为：富集管103-传感腔104-泵7-两位三通电磁阀8-富集管外腔105-气路出口106，该通路为传感器工作阶段的气体流向，气体在流经两位三通电磁阀8后重新进入富集管外腔105的作用在于快速冷却富集管103快速恢复富集管103的富集效能。当电磁阀处于位置b，单向阀6关闭的情形下，气路流向为：传感腔104-泵7-两位三通电磁阀8-活性炭管107-传感腔104，该通路为清洗通路，用于传感器归零。当然，在其他实施方式中，清洗通路可以不设置，仅设置气路恢复通道，如传感腔104的出口通过第二管路与该富集管103的外腔105的入口相通，实现该便携式微量气体检测系统的初步气路恢复，当然了，最好设置动力源，如增加泵7，该泵7设置在该第二管路上。

设备主控1可由嵌入式芯片(如ARM、单片机、DSP等)承担，它负责的主要任务有：1)处理便携式微量气体检测系统的工作流程与运行逻辑，如加热丝5的加热时间、单向阀6的开启、传感器阵列3的启动等；2)对总线上挂载的设备请求进行仲裁与响应；3)接收传感器阵列3中传感器的测试信号(也称之为检测信号)并进行处理与校准；4)承担外部通讯功能。

在本实施方式中，在设备主控1与传感器阵列3之间还增设传感器信号测试模块2，传感器信号测试模块2专门负责传感器阵列3的信号测量，测量的指令由设备主控11通过设备总线4发送，传感器信号测试模块2返回设备主控1的传感数据一般为频率值或相位值。由传感器信号测试模块2先进行数据的首次处理，然后由设备主控1进行二次处理，分担设备主控1的工作。当然，在其他实施方式中，传感器信号测试模块2也可以不设置，所有的数据处理工作都交给设备主控1来实现。

气路的控制同样由设备主控1负责，主要的控制对象包括富集管加热丝5、单向阀6、泵7及两位三通电磁阀8，依照气路控制逻辑，完成样本采样、样本前处理、样本后处理及管路恢复等任务阶段。

为了补偿外界环境波动造成的传感器假响应，一方面在传感器阵列3中配置一路参比传感器通道，补偿温湿度、气体流速等造成传感器假响应的物理量，另一方面设置传感腔加热装置9及温度采样传感器10形成传感器腔的温度闭环控制，将传感器温度稳定在一定的水平上避免波动。

该便携式微量气体检测系统为了操作更人性化、更友好，还设置有人机交互模块11。人机交互模块11实现包括界面显示、键盘输入、声光报警等在内的功能，挂载在设备总线4上，由设备主控1负责处理人机交互模块11的请求、响应与输出。电源管理模块12负责控制设备功耗，提升设备的电池续航能力。为了方便永久性存储数据，该便携式微量气体检测系统还设置有非失忆性存储器13。非易失性存储器13用于存储测试结果，供用户追溯一定时间范围内的测试数据。

该便携式微量气体检测系统的气路原理如图2所示，气体样本从设备进样口101进入设备气路，进样口101配置了防尘装置102避免灰尘颗粒进入气路影响富集管103的富集效能，在样本采集阶段，包括目标检测对象在内的气体组分在富集管103处浓缩，提高样本浓度增加传感器阵列3的响应，样本富集时间依据设备主控1预设的工作模式而定，采样阶段越长，越能提高对低浓度气体组分的检出能力。传感器阵列3的组成一般为压电声波传感器(例如QCM、SAW、Lamb或FBAR传感器)或电化学传感器，每个传感器针对性地对某种或某一类组分产生电学响应，设备主控1的主控芯片依据模式识别方法判定组分及组分浓度。

本实施方式的便携式微量气体检测系统的工作流程如图3所示，设备开机首先完成自检，分别监测通讯、电池、传感器、传感器腔温度是否正常，通过则开始设备预热，将传感器腔的温度加热至预定温度范围，随后进入测试循环。

每个测试循环主要包括下述几个阶段：1)样本采集与富集，根据设备主控1的设定时间进行样本采样，由富集管103实现样本浓缩。2)样本释放，用加热丝5升温的手段释放在富集管103内浓缩的样本，并送入传感腔104由压电或电化学传感器传感。3)数据采集与处理，由传感器信号测试模块2负责测试和读取传感器阵列3的信号，送至设备主控1，设备主控1的主控芯片接收这些数据并做二次处理，具体的处理内容包括传感器信号量(频率、相位、电压、电流等)至目标组分浓度量的映射、校准、模式识别等。4)根据获得的组分浓度结果判断是否需要对用户作出直观提示(比如声音报警、指示灯闪烁等)。5)气路恢复，进行清洗管路、清洗传感器腔、活化富集管等后处理。

该便携式微量气体检测系统在实物设计上可如图4所示，设计前盖201、显示屏202、主控电路板203、传感器信号测试电路板204、气路205、后盖206、键盘207、电池208。可设计前盖201与后盖206，一起组成收容腔用来收容该便携式微量气体检测系统的所有部件。人机交互模块11的界面显示可通过设计显示屏202来实现，键盘输入可通过设计键盘207来实现，显示屏202、键盘207均可安装在前盖201上。设备主控1的主控芯片及其辅助电路可设置在主控电路板203，传感器信号测试模块2、传感器阵列3等等可以设置在传感器信号测试电路板204上。气路205可实现传感腔104、富集管103、活性炭管107、两位三通电磁阀8、泵7等等之间的连通。电池208的设计更是不用说了，该便携式微量气体检测系统的功能实现必须要用到电源。

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 (6)

1.一种便携式微量气体检测系统，其特征在于：其包括：

采样模块，其包括：

富集管，其用于在预定的富集时间内进行气体样本采集与富集；及

加热丝，其位于该富集管内用于加热该富集管内的气体样本，以通过升温的手段释放在该富集管内浓缩的气体样本；

检测模块，其包括：

传感腔，其入口通过第一管路与该富集管的出口相通；

单向阀，其安装在该第一管路上；及

传感器阵列，其位于该传感腔内用于在该单向阀开启时检测该富集管采样的气体样本；及

设备主控，其用于根据该富集时间控制该加热丝的加热时间、该单向阀的开启与关闭、该传感器阵列的运行，并接收该传感器阵列的检测信号进行数据采集与处理；

其中，该传感腔的出口通过第二管路与该富集管的外腔的入口相通，该富集管的外腔的出口作为该便携式微量气体检测系统的气路出口；该便携式微量气体检测系统还包括泵，该泵设置在该第二管路上；该便携式微量气体检测系统还包括两位三通电磁阀、活性碳管，该两位三通电磁阀的入口经由该泵与该传感腔的出口相通，该两位三通电磁阀的一个出口经由该活性碳管与该传感腔的入口相通，该两位三通电磁阀的另一个出口与该富集管的外腔的入口相通；该传感器阵列中配置一路参比传感器通道，用于补偿温湿度、气体流速造成传感器假响应的物理量。

2.如权利要求1所述的便携式微量气体检测系统，其特征在于：该便携式微量气体检测系统还包括人机交换模块，该人机交换模块与该设备主控连接用于显示处理后的数据信息。

3.如权利要求1或2所述的便携式微量气体检测系统，其特征在于：该便携式微量气体检测系统还包括非失忆性存储器；该非失忆性存储器与该设备主控连接用于存储处理后的数据信息。

4.如权利要求1或2所述的便携式微量气体检测系统，其特征在于：该便携式微量气体检测系统还包括传感器信号测试模块；该传感器信号测试模块与该设备主控连接用于分担该设备主控的工作。

5.如权利要求1所述的便携式微量气体检测系统，其特征在于：该传感器阵列还设置传感腔加热装置及温度采样传感器，该传感腔加热装置、该温度采样传感器、该设备主控形成该传感器腔的温度闭环控制。

6.如权利要求1所述的便携式微量气体检测系统，其特征在于：该富集管设置有进样口，该进样口内设置有防尘装置。