CN107238572A - 一种一体式气体含量检测系统和电路装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种便携一体式气体含量检测系统，包括四种气体检测分析装置，气体检测分析装置的气路系统通过一个置于气路出口的负压组件使校准气体或待测气体进入所述检测系统，气体检测分析装置包括臭氧分析组件和/或一氧化碳分析组件和/或二氧化硫分析组件和/或氮氧化物分析组件。同时，还公开了基于上述检测系统的电路装置。本发明通过合理的气路系统改进，将上述四种气体的分析仪整合于一个便携式3U机柜内，极大程度上减少了系统体积，方便系统移动与测量，同时，由于整体系统的气路及结构的改进，避免了响应速度变慢，信号质量变差，测量精度下降的问题。
Description
技术领域
本发明涉及气体测量技术领域，具体涉及一种一体式气体含量检测系统和电路装置。
背景技术
目前大气中污染气体包括，二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳和臭氧等，其浓度监测器均为独立的气体监测仪，测量气体浓度需要单独使用，不能满足同时监测的需求；且各气体监测装置的测量装置由于其结构设计不合理使得测量数据不够准确。
自动监测仪在监测时，通过采样管先将待测气体抽入到仪器内，使其与某些物质进行化学反应，或用紫外光照射或利用紫外吸收原理进行测量，比如二氧化氮分析仪工作时，先将二氧化氮转化为一氧化氮，再让一氧化氮与过量的臭氧反应，产生激发态的二氧化氮，该激发态的二氧化氮很不稳定，回到跃迁基态，并发射波长范围为600～3000nm的光，根据的发射光强为确定一氧化氮的浓度，最后由一氧化氮浓度推算出二氧化氮浓度。臭氧分析仪利用紫外吸收法，首先将通入吸收池，然后和紫外线照射，对比被紫外吸收和没有紫外吸收的光，可以分析中臭氧的浓度。二氧化硫是采用紫外荧光法，仪器一般由样品池、紫外光源、探测器构成，监测时，二氧化硫通入样品池，然后用波长190～300nm的紫外光照射，二氧化硫分子吸收紫外光后跃迁至激发态，处于激发态的二氧化硫分子回到基态时，发射出峰值波长在330nm附近的此外荧光，该荧光强度与二氧化硫浓度呈线性关系，进而再推算出二氧化硫浓度。以上仪器均只能测量一种污染物，仪器维护的工作量大。
中国专利CN105606666A公开了一种基于气体传感器的便携式开关柜检测装置，具体公开了气路系统取气转接口的进气口与开关柜的取气口接通，取气转接口的出气口与微型泵的进气口之间放置匹配的金属防尘过滤网后接通，微型泵的出气口与流量控制阀的进气口连通，流量控制阀的出气口与气敏传感器阵列腔体的进气口连通；气敏传感器阵列腔体的出气口与装置的尾气排放口的进气口连通，尾气排放口的出气口与进气转接口的进气口连通，进气转接口的出气口与开关柜的进气口连通。上述结构由于其气路设计不合理，具体为气路系统及相关组件设置不当，致使待测气体进入气敏传感阵列腔体时气体流量不均匀，相应的气体传感器测得的数据不够准确。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种通过将多种气体检测分析仪合理集成于一种便携式机箱且数据测量更为准确的气体含量检测系统。
本发明的另一个目的是在上述检测系统的基础上提供一种检测电路装置。
本发明的一种便携一体式气体含量检测系统，包括至少两种以上气体检测分析装置，所述气体检测分析装置的气路系统通过一个置于气路出口的负压组件使校准气体或待测气体进入所述检测系统，气路系统上设有流量调节器。
进一步地，所述气体检测分析装置包括臭氧分析组件和/或一氧化碳分析组件和/或二氧化硫分析组件和/或氮氧化物分析组件。
进一步地，每个所述气体检测分析组件顺序设置为一个气路系统。
进一步地，所述一氧化碳分析组件设于气体流入方向的第一位置。
进一步地，其中，所述臭氧分析组件和一氧化碳分析组件设为第一气路系统，所述二氧化硫分析组件和氮氧化物分析组件设为第二气路系统。
进一步地，所述一氧化碳分析组件具有红外光源发射体，所述红外光源发射体发射红外光顺序通过相关轮、滤光片至检测室，后经所述检测室两侧设置的多个反射镜反射经出口进入光电探测器。
进一步地，所述臭氧分析组件具有紫外光发射体，所述紫外光发射体发射紫外光进入检测室，通过分别设置于检测室两侧的光电探测器测量紫外光强的衰减量；所述臭氧分析组件的前端通过三通电磁阀控制两个气体管路的通断，其中一个气体管路上设有臭氧涤除器。
进一步地，所述二氧化硫分析组件具有紫外光发射体，紫外光发射体发射紫外光进入反应室，所述反应室与所述紫外光发射体之间设有光断续器，待测气体经渗透管后进入反应室，紫外光出口设有光电探测器或光子计数器。
进一步地，所述渗透管包括具有同轴套设的两个管路，内部管与外部管之间的气体偏压小于内部管的气体偏压。
进一步地，所述氮氧化物分析组件具有分别与氮氧化物反应室形成通路的两个气体管路，其中一个气体管路具有将二氧化氮转化为一氧化氮的钼炉；所述氮氧化物反应室与臭氧发生组器连通，电子计数器/光电倍增管与氮氧化物反应室连接。
进一步地，所述至少两种以上气体检测分析装置设于3U机箱内。
本发明提供的一种基于气体检测系统的检测电路装置，包括：
信号输入单元，其输入来自各反应室探测器和/或压力流量板的采集信号；
运算处理单元，将采集后的信号进行分析、计算得到相关数据；并控制气路系统中气路的选择与通断，及根据运算数据对气体进行流量调节；
输出单元，将所述运算处理单元的运算结果通过显示模块显示。
进一步地，气体探测器信号采集端通过ADC模数转换接口与MCU连接，实现数字信号输入。
进一步地，运算处理单元包括MCU部分和/或扩展的FPGA部分，FPGA部分与MCU部分实现双向通信，FPGA部分的输出端通过DAC与比较器连接，通过比较器将输入的探测器电压进行比较，并返回至FPGA部分。
进一步地，压力流量信号采集通过ADC接口和/或SPI接口与MCU连接。
进一步地，气路系统中气路的通断通过GPIO接口与MCU连接。
进一步地，所述MCU部分通过UART连接新校机扩展板，又通过DAC接口控制比例阀。
本发明技术方案，具有如下优点：
本发明实施例提供的一体式气体含量检测系统，可以同时测量一氧化碳、臭氧、二氧化硫和氮氧化物浓度，通过合理的气路系统改进，将上述四种气体的分析仪整合于一个便携式3U机箱内，极大程度上减少了系统体积，方便系统移动与测量；将泵体设置于整个气路系统的末端，能够保证气体在气路通道以一定的流速均匀通过，同时，为了避免残留的气体混入正在检测的管路中的气体中会对传感单元的检测造成干扰，通过在轮换样气检测模式后，等待一段时间，来使吸入和/或扩散进入待检测管路中的残留气体逐渐稀释到符合检测要求的程度再进行正式检测，在气路末端增加泵体，同时，根据待测量气体间的相互稳定关系及各检测组件的构成，分别将一氧化碳与臭氧，二氧化硫与氮氧化物分为两支气路，最大程度上降低了或避免了响应速度变慢，信号质量变差，测量精度下降的问题。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明的第二种实施方式的系统示意图；
图2为一氧化碳分析组件的结构示意图；
图3为臭氧分析组件的结构示意图；
图4为二氧化硫分析组件的结构示意图；
图5为图4中渗透管的结构示意图；
图6为氮氧化物分析组件的结构示意图；
图7为本发明第二种实施方式的整体系统的结构框图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
实施例1
本发明的一种便携一体式气体含量检测系统，包括臭氧分析组件、一氧化碳分析组件、二氧化硫分析组件和氮氧化物分析组件的至少两种，本实施例中，包括上述四种气体检测分析组件，上述各分析组件组成通过气路构成整个检测系统，具体地，上述各分析组件所在的气路系统通过一个置于气路出口的负压组件使气路入口的校准气体或待测气体进入检测系统，负压组件为泵体。
上述各检测分析组件可以以顺序串联的方式将各个部件的气路连接起来进行逐一测量，由于臭氧容易分解，所以将一氧化碳气体的测量放在第一个位置进行测量，之后为臭氧、二氧化硫和氮氧化物浓度测量。
实施例2
本实施例的一种便携一体式气体含量检测系统，参见图1所示，包括一氧化碳分析组件1、臭氧分析组件2、二氧化硫分析组件3和氮氧化物分析组件4，区别在于将气路系统做了进一步的改进，一氧化碳分析组件和臭氧分析组件设为第一气路系统8，二氧化硫分析组件和氮氧化物分析组件设为第二气路系统9。
具体地，系统入口处通过一三通电磁阀控制校准气体或待测样气的输入，当校准气体或待测样气进入气路系统后，分为两支气路，第一气路系统8包括沿气流方向先后设置的一氧化碳分析组件1和臭氧分析组件2，流量计5和比例阀6设于臭氧分析组件2与泵体7之间，臭氧分析组件2通过一三通电磁阀控制臭氧涤除器22的支路及未设有臭氧涤除器的支路的气路通断，第二气路系统9包括沿气流方向先后设置的二氧化硫分析组件3和氮氧化物分析组件4，流量计5和比例阀6设于二氧化硫分析组件3和氮氧化物分析组件4之间，氮氧化物分析组件4的检测需要在泵体7产生的负压条件下进行。
具体地，如图2所示，一氧化碳分析组件1具有红外光源发射体11，红外光源发射体11发射红外光顺序通过相关轮13、滤光片14至检测室，后经检测室两侧设置的多个反射镜反射经出口透光片15进入光电探测器16，一氧化碳在近红外光谱区的特征吸收带的中心波长位置在4.67μm处，为了减小其它气体的干扰，在测量光路中，利用窄带滤光片14，将光谱选择在相对应的区域。利用红外辐射在测量室中多次的反射，增加气体吸收光路的长度。进一步，为了保护仪器，在样品气体的进气口，加装特氟隆过滤器，提供防尘保护。
相关轮13在直流电机12控制下，可依轴心进行旋转相关转轮在，转速恒定为2200rpm，通过旋转，可选择光源进入光室前的通路。相关轮每旋转一周，红外辐射依次经过其上的三个部分：首先经过不透光部分，之后经过空白部分，最后经过装有高浓度CO气槽的部分，在这种工作方式下，红外辐射在时间上被分成三部分，这三部分红外辐射被红外检测器转化为三个电信号，暗信号，此时红外光被相关转轮上不透光部分全部挡住，检测信号，此时红外光通过相关轮上空白部分进入测量室。因此，探测器接收到的红外辐射与测量光室中的气体的浓度相对应；参考信号，此时红外光先穿过相关转轮上充有高浓度一氧化碳的参考气室，再进入测量光室。因此探测器接收到的部分是经过参考气室和测量光室两部分吸收后的红外辐射。红外辐射与透过率相对应。
臭氧分析组件，如图3所示，臭氧分析组件2通过一三通电磁阀控制两个气体管路的通断，其中一个气体管路上设有臭氧涤除器22，紫外汞灯发射体23发射紫外光进入检测室21，通过分别设置于检测室21两侧的紫外探测器24测量紫外光强的衰减量。
二氧化硫分析组件，如图4和图5所示，紫外灯发射紫外光进入反应室33，反应室33与紫外灯31之间设有光断续器32，待测气体经渗透管后进入反应室33，紫外光出口设有光电探测器或光子计数器34，本实施例中，鉴于装置容积的限定，更优地，选择光子计数器。渗透管35包括具有同轴套设的两个管路，利用泵的抽吸作用在外部管中形成真空，内部管与外部管之间的气体偏压小于内部管的气体偏压，含有芳香族HC分子的待分析样气进入内部管，内部管材质为聚硅酮，气体从内部管参透至外部管以去除芳(族)烃化合物分子，除去HC分子后，待分析样气直接进入反应室33。
在启动每个"参考零点"时，光断续器32放置在紫外灯31和反应室33入口之间40秒。将对应于光电倍增管暗电流的电器零点和前置放大器的偏置电压计入信号处理过程，这样可以消除温度和时间漂移造成的误差。
如图6所示，氮氧化物分析组件4具有分别与氮氧化物反应室形成通路的两个气体管路，其中一个气体管路具有将二氧化氮转化为一氧化氮的钼炉41；所述氮氧化物反应室44与臭氧发生器组件42连通，电子计数器或光电倍增管45与氮氧化物反应室44连接。其中，钼炉41为填充有钼粉的密封容器，另外，利用陶瓷纤维保证这个装置的绝热性。
测量分成三个步骤进行：参考周期，样气进入预反应室与臭氧混合，样气进入反应室之前，其中的NO分子被氧化成NO2；用光电倍增管检测这时没有化学发光情况下的信号，这个信号可被看作是“零气”测量信号，并作为参考信号；NO周期：样气直接进入测量室，在其中被臭氧氧化。这是，用光电倍增管测量到的信号与样气中的NO分子的数目成正比；NOx周期：样气经过钼炉，之后在反应室中与臭氧混合。这时用光电倍增管测量到的信号与样气中的NO和NO2(从NO还原得到)分子数成正比。
干燥器423由两个同心管组成，内部管由渗水聚合材料制成。分子从管子中水含量最高的一侧渗透到水含量低的一侧，为了保证聚合管外侧水的偏压低，需要将管子放置在真空条件下，并用从管子排出的一部分气体对其进行吹洗。
臭氧发生器422由两个同轴的圆柱型电极组成。内部电极包括一个不锈钢圆柱，连接到高压(4.5KV)电路。内部电极为涂有薄金属涂层的玻璃圆柱，与地连接。这个装置用两片PTFE保护，用O型环(密封圈)保证其密封性。在电极间循环的干燥空气被氧化，其中一部分转换成臭氧。
上述系统的各气体检测组件的信号采集及压力流量、比例阀的控制和三通电磁阀的控制由相应的检测电路装置，参见图7所示，该检测电路包括信号输入单元，其输入来自各反应室探测器和/或压力流量板的采集信号；运算处理单元，将采集后的信号进行分析、计算得到相关数据；并控制气路系统中气路的选择与通断，及根据运算数据对气体进行流量调节；输出单元，将所述运算处理单元的运算结果通过显示模块显示。
本实施例通过两个电路板通过UART串口连接，其中一个电路板控制一氧化碳和臭氧所在气路，另一个电路板控制二氧化硫和氮氧化物所在气路。
臭氧探测部分为波长在为检测波长在254nm的紫外光信号，因此选用BHK的中心波长254nm的80-1025-01的紫外灯，光强27uw/平方厘米，其供电电源为专门设计的汞灯电源板，此汞灯电源板输入电压24V，使用BHK电源模块68-0020-04(12V输入，输出电流20mA，输出电压为1100V)输出固定电压，选用在相应波段响应比较好的滨松的R1228传感器，采用正负15V供电，传感器的检测信号经放大器放大后送入AD电路进行转换，然后将转换后的数字信号送至MCU进行数据分析和处理；一氧化碳探测部分，根据需要采用HELIOWORKS的EK-5372光源，峰值电压为1.4V，电流1.8A，由CO相关轮板为其供电，探测器采用正负15V供电，首先利用方波发生电路和倍压整流电路产生90-100V电压为滨松P9696-202的传感器供电，传感器的检测信号经放大器放大后送入AD电路进行转换，然后将转换后的数字信号送至MCU进行数据分析和处理；气路控制部分，利用晶体管控制24V电源的接通和截止对样气和标气进行选择；压力和流量传感器分别测量气路中的压力和流量信号反馈给处理器，因CO和O3共用一路气路，且测量两种气体所需流量大小基本相同，所以在此气路的末端连接压力流量传感器板，实时对气路的压力和流量进行监测，系统入口处及臭氧分析组件处的三通电磁阀通过GPIO接口与MCU连接。
二氧化硫探测部分，SO2检测采用紫外荧光法，需要波长214nm的紫外光，因此选用BHK中心波长213.9nm的89-9020-01的紫外灯，额定工作电压为160V，额定电流为47.5mA，电源采用东文锌灯高压电源模块DW-P501-2C68，输入电压AC220V，输出最高起辉电压：AC2000VPP，输出电压典型值为AC160V，灯电流35mA～55mA可调，SO2探测器采用H10682-210，供电电压为5V，300nm处的计数灵敏度为3.9x105/(s*pW)，暗计数50/s，过光能量检测输出正电平大于3.5V，负电平小于0.5V，输出信号采用50Ω阻抗匹配，得到的信号幅度为2.2V，与主板上的DAC芯片输出的模拟电平比较，得到光电子计数个数，送至FPGA处理和分析。主板通过控制电磁铁的通断来控制锌灯的照射与否，以此来检测暗计数的个数；氮氧化物探测部分，探测部分采用H10682-01，供电电压为5V，600nm处的计数灵敏度为2.0x105/(s*pW)，暗计数600/s，过光能量检测输出正电平大于3.5V，负电平小于0.5V，输出信号采用50Ω阻抗匹配，得到的信号幅度为2.2V，与主板上的DAC芯片输出的模拟电平比较，得到光电子计数个数，送至FPGA处理。主板通过控制臭氧发生器的电磁阀开关来检测暗计数的个数。气路控制部分，SO2和NOX虽然共用一路气路，因为NOX需要负压工作，所以在NOX反应室之前用压力流量板测量SO2气体的流量和压力，实时对气路的压力和流量进行监测，NOX直接用泵抽成负压工作，在NOX反应室之前通过限流孔控制流量。根据压力流量电路板反馈的流量信号大小自动控制比例阀使整个气路基本维持一个恒定的流量，比例阀采用CLIPPARD公司的EV-P-10-2525，供电电压10V，孔径0.025inch，最大压力25psig。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (17)
1.一种便携一体式气体含量检测系统，包括至少两种以上气体检测分析装置，其特征在于，所述气体检测分析装置的气路系统通过一个置于气路出口的负压组件使校准气体或待测气体进入所述检测系统。
2.根据权利要求1所述的便携一体式气体含量检测系统，其特征在于，所述气体检测分析装置包括臭氧分析组件(2)和/或一氧化碳分析组件(1)和/或二氧化硫分析组件(3)和/或氮氧化物分析组件(4)。
3.根据权利要求2所述的便携一体式气体含量检测系统，其特征在于，每个所述气体检测分析组件顺序设置为一个气路系统。
4.根据权利要求3所述的便携一体式气体含量检测系统，其特征在于，所述一氧化碳分析组件(2)设于气体流入方向的第一位置。
5.根据权利要求2所述的便携一体式气体含量检测系统，其特征在于，其中，所述臭氧分析组件(2)和一氧化碳分析组件(1)设为第一气路系统(8)，所述二氧化硫分析组件(3)和氮氧化物分析组件(4)设为第二气路系统(9)。
6.根据权利要求2～5任一项所述的便携一体式气体含量检测系统，其特征在于，所述一氧化碳分析组件(1)具有红外光源发射体(11)，所述红外光源发射体发射红外光顺序通过相关轮(13)、滤光片(14)至检测室，后经所述检测室两侧设置的多个反射镜反射经出口进入光电探测器(16)。
7.根据权利要求2～6任一项所述的便携一体式气体含量检测系统，其特征在于，所述臭氧分析组件(2)具有紫外光发射体(23)，所述紫外光发射体(23)发射紫外光进入检测室(21)，通过分别设置于检测室两侧的光电探测器(24)测量紫外光强的衰减量；所述臭氧分析组件的前端通过三通电磁阀(21)控制两个气体管路的通断，其中一个气体管路上设有臭氧涤除器(22)。
8.根据权利要求2～7任一项所述的便携一体式气体含量检测系统，其特征在于，所述二氧化硫分析组件(3)具有紫外光发射体(31)，紫外光发射体(31)发射紫外光进入反应室(33)，所述反应室(33)与所述紫外光发射体(31)之间设有光断续器(35)，待测气体经渗透管(32)后进入反应室(33)，紫外光出口设有光电探测器或光子计数器(34)。
9.根据权利要求8所述的一体式气体含量检测系统，其特征在于，所述渗透管(35)包括具有同轴套设的两个管路，内部管与外部管之间的气体偏压小于内部管的气体偏压。
10.根据权利要求2～9任一项所述的便携一体式气体含量检测系统，其特征在于，所述氮氧化物分析组件(4)具有分别与氮氧化物反应室(44)形成通路的两个气体管路，其中一个气体管路具有将二氧化氮转化为一氧化氮的钼炉(41)；所述氮氧化物反应室(44)与臭氧发生器组件(42)连通，电子计数器或光电倍增管(45)与氮氧化物反应室(44)连接。
11.根据权利要求1～10任一项所述的便携一体式气体含量检测系统，其特征在于，所述至少两种以上气体检测分析装置设于3U机箱内。
12.一种基于气体检测系统的检测电路装置，其特征在于，包括：
信号输入单元，其输入来自各反应室探测器和/或压力流量板的采集信号；
运算处理单元，将采集后的信号进行分析、计算得到相关数据；并控制气路系统中气路的选择与通断，及根据运算数据对气体进行流量调节；
输出单元，将所述运算处理单元的运算结果通过显示模块显示。
13.根据权利要求12所述的基于气体检测系统的检测电路装置，其特征在于，气体探测器信号采集端通过ADC模数转换接口与MCU连接，实现数字信号输入。
14.根据权利要求12所述的基于气体检测系统的检测电路装置，其特征在于，运算处理单元包括MCU部分和/或扩展的FPGA部分，FPGA部分与MCU部分实现双向通信，FPGA部分的输出端通过DAC与比较器连接，通过比较器将输入的探测器电压进行比较，并返回至FPGA部分。
15.根据权利要求12～14任一项所述的基于气体检测系统的检测电路装置，其特征在于，压力流量信号采集通过ADC接口和/或SPI接口与MCU连接。
16.根据权利要求12～15任一项所述的基于气体检测系统的检测电路装置，其特征在于，气路系统中气路的通断通过GPIO接口与MCU连接。
17.根据权利要求12～15任一项所述的基于气体检测系统的检测电路装置，其特征在于，所述MCU部分通过UART连接新校机扩展板，又通过DAC接口控制比例阀。
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