CN107328847A - 一种VOCs气体检测系统及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种VOCs气体检测系统及检测方法。该系统包括VOCs气体检测仪和上位机，所述VOCs气体检测仪包括机箱、进样模块、检测模块和控制模块；所述进样模块、检测模块和控制模块均安装在机箱内部；所述检测模块包括气室和气体检测传感器；所述进样模块放包括阀和泵；所述控制模块包括主控板和电源模块。该系统利用PID传感器对待测环境中的VOCs气体浓度进行检测，通过对传感器的输出进行合理分析，确定待测气体浓度大小，实现对VOCs气体的现场在线测量，并结合上位机软件，实现对检测数据的实时显示和保存功能。整个检测过程简单易操作，实时性好，不需要预浓缩处理就能进行低浓度检测，且仪器安装简单、合理，具有良好的抗压性和抗震性。

Description

一种VOCs气体检测系统及检测方法

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，具体是一种VOCs气体检测系统及检测方法。

背景技术

VOCs是挥发性有机化合物(volatile organic compounds)的英文缩写。普通意义上的VOCs就是指挥发性有机物；但是环保意义上的定义是指活泼的一类挥发性有机物，即会产生危害的挥发性有机物。挥发性有机物通常是指在常压下沸点低于260℃或者是温室饱和蒸气压大于71Pa的有机物。VOCs气体种类繁多，来源广泛，对人体呼吸、消化、心血管、内分泌及神经系统都会造成不同程度的伤害，其中芳香族化合物如苯、甲苯、苯乙烯等还能使人体产生畸变、癌变。随着社会各界对挥发性有机化合物防治监测认识的不断加深，近些年国家也制订和出台了部分挥发性有机物的排放标准以及与之相对应配套的分析方法。

VOCs气体检测方法多种多样，挥发性有机物的监测主要有离线分析和在线监测两种方式。离线分析方法主要有吸附剂采样-高效液相色谱分析技术、罐采样-气相色谱/质谱联用分析技术等。离线的分析方法可多点同时采样，进行挥发性有机物区域分布规律的研究，但时间分辨率低，人为因素影响较大，采样过程复杂，难以满足对大气化学变化过程研究的需要。在线监测方法主要有在线气相色谱技术和质子转移质谱技术等，共同的特点是时间分辨率高，避免了样品保存等带来的干扰。在线监测技术中也存在各种误差来源，需要对监测的过程实施严格的质量控制与质量保证。其中最准确也是最常用的方法是气相色谱-质谱法。就分析方法而言，气相色谱-质谱法包括了采样、预浓缩、分离和检测四个步骤。就气相色谱-质谱法来看，该测定法虽然客观精确，但分析时间较长，仪器笨重不易携带，且大多是利用现场采样或者现场气体浓缩技术再把样品带到实验室中进行浓缩、分离与检测，不适合实时性要求较高的检测和现场在线检测，且检测过程复杂、耗费大量人力物力。而且现有VOCs气体检测方面存在仪器体积笨重、不易携带、检测过程复杂、耗时较长且不易实现在线检测的问题。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种VOCs气体检测系统及检测方法。该系统利用PID传感器对待测环境中的VOCs气体浓度进行检测，通过对传感器的输出进行合理分析，确定待测气体浓度大小，实现对VOCs气体的现场在线测量，并结合上位机软件，实现对检测数据的实时显示和保存功能。整个检测过程简单易操作，实时性好，不需要预浓缩处理就能进行低浓度检测，且仪器安装简单、合理，具有良好的抗压性和抗震性。

本发明解决所述系统技术问题的技术方案是，提供一种VOCs气体检测系统，包括VOCs气体检测仪和上位机，其特征在于所述VOCs气体检测仪包括机箱、进样模块、检测模块和控制模块；所述进样模块、检测模块和控制模块均安装在机箱内部；

所述机箱的后面板上设置有电源开关、电源接口、清洗进气口、待测气体进气口和排气口；

所述检测模块包括气室和气体检测传感器；所述气体检测传感器固定在气室内部，有一个气室进气口和一个气室出气口；

所述进样模块放包括阀和泵；所述清洗进气口与阀的一个进气阀口连接，待测气体进气口与阀的另一个进气阀口连接；阀的出气阀口与气室的气室进气口连接；气室的气室出气口与泵的进气泵口连接；泵的出气泵口和排气口连接，形成气路；

所述控制模块包括主控板和电源模块；所述主控板与上位机连接；所述电源模块通过电源接口连接与外部电源连接，为系统供电；所述电源模块分别与阀、泵和主控板通过导线连接。

本发明解决所述方法技术问题的技术方案是，提供一种VOCs气体检测方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，并未按下上位机的开始测量按键，VOCs气体检测仪开始进行清洗，主控板控制阀和泵动作，阀打开连接清洗进气口的进气阀口和出气阀口；同时，泵工作，将清洗进气口处的洁净空气或者氮气抽入气路，对气路进行清洗，将气路中残余的其他气体吹洗干净，单片机开始对气体检测传感器输出的信号进行采集，并对采集到的数据分别进行去极值平均滤波处理，将得到的平均值作为气体检测传感器输出的实际数据传输到上位机，由上位机接收和显示；清洗过程使得气体检测传感器达到稳定工作状态，即输出曲线平稳；

第二步，按下上位机的开始测量按键，上位机向主控板发送指令，主控板接收到上位机指令，控制阀动作，关闭连接清洗进气口的进气阀口，打开连接待测气体进气口的进气阀口和出气阀口，将待测气体进气口处的待测气体抽入气路，开始检测；待测气体进入气路之后，被气室中的气体检测传感器电离，产生模拟电压输出信号；产生的模拟电压输出信号通过信号调理电路进行电平匹配，被单片机采集，并由单片机对采集到的信号进行去极值平均滤波处理和上位传输；测量过程中，VOCs气体检测仪实时向上位机发送检测数据，上位机接收到VOCs气体检测仪发送的信号之后，对得到的信号进行处理、显示和保存；

第三步，按下上位机的停止测量按键，将测量得到的数据进行保存，并同时向VOCs气体检测仪发送指令；主控板接收到上位机指令，控制阀和泵动作，关闭连接待测气体进气口的进气阀口，打开连接清洗进气口的进气阀口和出气阀口，将清洗进气口处的洁净空气或者氮气抽入气路，对气路进行清洗；清洗完成之后，关闭泵和阀，结束检测。

与现有技术相比，本发明有益效果在于：

(1)本系统能够对被测环境中的VOCs气体进行快速现场在线检测，测量结果客观准确精度高，系统重复性、实时性和线性度均良好，并可用于持续在线监测和多点检测，且可以对测量得到的数据进行显示和保存。

(2)本系统应用领域广泛，操作简单，响应迅速，检测用时短，检测限低，不需要利用色谱或质谱等检测方法就能进行ppb级浓度检测。

(3)体积小巧，便于携带，安装简单、合理，并且支持无线数据传输，可在多个节点安装，进行节点式检测，具有良好的抗压性和抗震性。

附图说明

图1为本发明VOCs气体检测系统及检测方法一种实施例的系统工作原理图；

图2为本发明VOCs气体检测系统及检测方法一种实施例的VOCs气体检测仪整体结构俯视示意图；

图3为本发明VOCs气体检测系统及检测方法一种实施例的VOCs气体检测仪后视示意图；

图4为本发明VOCs气体检测系统及检测方法一种实施例的VOCs气体检测仪主控板的电路图；(图中：1、电源开关；2、电源接口；3、清洗进气口；4待测气体进气口；5、排气口；6、泵；7、阀；8、电源模块；9、机箱；10、主控板；11、气室；12、单片机；13、信号调理电路；14、传感器接线端子；15、阀及泵接线端子；16、光耦控制电路；17、PC机；18、智能手机；19、无线传输模块)

具体实施方式

下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

本发明提供了一种VOCs气体检测系统(简称系统，参见图1-4)，包括VOCs气体检测仪和上位机，其特征在于所述VOCs气体检测仪包括机箱9、进样模块、检测模块和控制模块；所述进样模块、检测模块和控制模块均安装在机箱9内部；待测气体通过进样模块进入检测模块进行检测；检测过程中，控制模块控制进样模块和检测模块动作以完成检测；

所述机箱9由1.5mm厚的不锈钢板和铝板拼接而成，外形尺寸为长100mm、宽100mm和高50mm；机箱9的后面板上设置有电源开关1、电源接口2、清洗进气口3、待测气体进气口4和排气口5；所述清洗进气口3外接氮气气瓶或洁净空气气瓶，用于清洗气室11，将气室和气路中的杂气吹掉；所述排气口5用于检测产生的废气的排出，可以外接收集气瓶对检测产生的废气进行收集；

所述检测模块放置在机箱9左侧，包括气室11和气体检测传感器；所述气体检测传感器固定在气室11内部；所述气体检测传感器以10.6eV的PID传感器为检测元件；所述气室11用于保证气密性，有一个气室进气口和一个气室出气口；

所述进样模块放置在机箱9右侧，包括阀7和泵6；所述阀7为三通电磁阀，工作电压为直流12V，有两个进气阀口和一个出气阀口，且此三通阀可以根据需要更换为多通阀；所述泵6为隔膜泵，工作电压为直流12V，有一个进气泵口和一个出气泵口，工作时，流速控制为150ml/min，采用泵吸式工作方式；所述清洗进气口3与阀7的一个进气阀口连接，待测气体进气口4与阀7的另一个进气阀口连接；阀7的出气阀口与气室11的气室进气口连接；气室11的气室出气口与泵6的进气泵口连接；泵6的出气泵口和排气口5连接，形成气路；所述气路均由聚四氟乙烯软管和不锈钢接头进行连接，保证气密性；

所述控制模块包括主控板10和电源模块8；主控板10放置在机箱9左侧，电源模块8放置在机箱9右侧；所述主控板10与上位机连接；所述主控板10包括单片机12、信号调理电路13、传感器接线端子14、阀及泵接线端子15和光耦控制电路16；所述单片机12通过信号调理电路13与传感器接线端子14连接，信号调理电路13用于实现对输出入单片机信号的电平匹配；所述单片机12通过光耦控制电路16与阀及泵接线端子15，用于实现主控板10对阀7和泵6的控制；所述气体检测传感器通过传感器接线端子14与主控板10导线连接；所述阀7和泵6通过阀及泵接线端子15与主控板10导线连接；所述单片机12与无线传输模块19连接；所述电源模块8为输入交流220V输出直流12V和直流5V的开关电源，通过导线与电源接口2连接，通过电源接口2将电源模块8与外部电源连接，为系统供电；所述电源模块8分别与阀7、泵6和主控板10通过导线连接；直流5V电源输出给主控板10供电，直流12V输出给阀7和泵6供电；气体检测传感器的电源由主控板10提供。

所述单片机12的型号是C8051F020。

所述信号调理电路13采用三片双路运算放大器芯片LM358进行信号放大和电平匹配。同时，在单片机12的8路ADC输入通道中预留两路与传感器接线端子14直连的通道。

所述光耦控制电路16采用两片四路光耦芯片PS2502-4进行控制，且加入手自动控制切换和工作状态指示灯，通过拨动开关或光耦的通断，控制三极管的通断，实现对阀7和泵6的控制。

所述上位机是装有上位机软件的PC机17或装有数据终端app的智能手机18；所述主控板10与PC机17有线连接，或者主控板10通过无线传输模块19与智能手机18无线连接；PC机17的上位机软件利用LabVIEW进行开发，智能手机18端的数据终端app利用java语言进行开发。

VOCs气体检测仪布局时，将易产生电磁干扰的进样模块和电源模块8放置在机箱一侧，将主控板10和检测模块放置在机箱另一侧，并用厚度为1mm金属屏蔽隔板与右侧隔开，避免气室11内的气体检测传感器受到干扰。具体为所述检测模块放置在机箱9左侧，进样模块放置在机箱9右侧，主控板10放置在机箱9左侧，电源模块8放置在机箱9右侧。

传感器接线端子14和阀及泵接线端子15均预留出8路通道，方便增加传感器数量和更换多通阀。

所述气体检测传感器可根据检测气体的不同，增加气体检测传感器的类型和数量，形成气体检测传感器阵列。所述气室可根据需要更换为适用于气体检测传感器阵列的气室。

所述上位机软件可对采集到的数据进行实时处理、显示和保存，且上位机软件内置气体库，包含多种气体校正系数，可以根据需要进行自定义。

系统搭建完成后，用5ppm异丁烯标准气通过外标法进行标定。

本发明同时提供了一种VOCs气体检测方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，上电并打开上位机软件，连接好上位机和VOCs气体检测仪，并对上位机端口进行配置。上电后，主控板10开始运行，运行时先对单片机12所用的看门狗程序、通讯端口、定时器和ADC等寄存器进行初始化。初始化后，并未按下上位机的开始测量按键，VOCs气体检测仪开始进行清洗，主控板10控制阀7和泵6动作，阀7打开连接清洗进气口3的进气阀口和出气阀口。同时，泵6工作，将清洗进气口3处的洁净空气或者氮气抽入气路，对气路进行清洗，将气路中残余的其他气体吹洗干净，并打开单片机12的ADC，开始对气体检测传感器输出的信号进行采集，并对采集到的数据分别进行去极值平均滤波处理，将得到的平均值作为气体检测传感器输出的实际数据传输到上位机，由上位机接收和显示。清洗过程可以使气体检测传感器达到稳定工作状态，即输出曲线平稳，该过程需要3～5min。

第二步，按下上位机的开始测量按键。上位机软件由测量按键和停止按键两个按键的状态决定是否执行主体程序，只有开始测量键处于按下状态且停止测量按键处于未按下状态时，才执行主体程序。在主体程序执行过程中，上位机向VOCs气体检测仪发送指令“S”。主控板10接收到上位机指令，控制阀7动作，关闭连接清洗进气口3的进气阀口，打开连接待测气体进气口4的进气阀口和出气阀口，将待测气体进气口4处的待测气体抽入气路，开始检测。待测气体进入气路之后，立刻被气室11中的气体检测传感器电离，产生模拟电压输出信号。产生的模拟电压输出信号通过信号调理电路13进行电平匹配，被单片机12采集。并由单片机12对采集到的信号进行去极值平均滤波处理和上位传输。测量过程中，VOCs气体检测仪实时向上位机发送检测数据，上位机接收到VOCs气体检测仪发送的数据信号之后，对得到的数据进行处理、实时显示和保存，同时显示到波形图表中，实现实时监测。

第三步，按下上位机的停止测量按键，上位机软件将测量得到的数据和图像进行保存，并同时向VOCs气体检测仪发送指令“P”。为避免气路中残存的待测气体对气体检测传感器造成污染，主控板10接收到上位机指令后，控制阀7和泵6动作，关闭连接待测气体进气口4的进气阀口，打开连接清洗进气口3的进气阀口和出气阀口，将清洗进气口3处的洁净空气或者氮气抽入气路，对气路进行10min的清洗。清洗完成之后，泵6和阀7均被关闭，防止待测气体进入气路。结束检测。

2016年11月29日，在天津环科院经过鉴定，对浓度为500ppb的异丁烯进行检测，检测结果准确，重复性好。

本发明VOCs气体检测系统及检测方法的工作原理和工作流程是：

检测时，主控板10上单片机12接收到PC机17或智能手机18发送的信号，向光耦控制电路16发送控制信号，控制光耦芯片的通断，并通过阀及泵接线端子15输出，使阀7接通待测气体进气口4的一路，同时，使泵6工作。泵6将待测气体抽入气室11，被气室11中的气体检测传感器检测，PID传感器将产生输出信号，产生的输出信号被主控板10采集。传感器的输出信号线接在传感器接线端子14上，产生的输出信号经过信号调理电路13进行电平匹配后被单片机12通过自带的12位ADC进行采集。同时，单片机12对采集的得到的数据进行去极值平均滤波处理，并将得到的平均值作为传感器输出的实际数据输出到串口，继而通过有线连接传输到PC机17或者通过无线传输模块19传输到智能手机18，实现在线监测。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (10)

1.一种VOCs气体检测系统，包括VOCs气体检测仪和上位机，其特征在于所述VOCs气体检测仪包括机箱、进样模块、检测模块和控制模块；所述进样模块、检测模块和控制模块均安装在机箱内部；

所述机箱的后面板上设置有电源开关、电源接口、清洗进气口、待测气体进气口和排气口；

所述检测模块包括气室和气体检测传感器；所述气体检测传感器固定在气室内部，有一个气室进气口和一个气室出气口；

所述进样模块放包括阀和泵；所述清洗进气口与阀的一个进气阀口连接，待测气体进气口与阀的另一个进气阀口连接；阀的出气阀口与气室的气室进气口连接；气室的气室出气口与泵的进气泵口连接；泵的出气泵口和排气口连接，形成气路；

所述控制模块包括主控板和电源模块；所述主控板与上位机连接；所述电源模块通过电源接口连接与外部电源连接，为系统供电；所述电源模块分别与阀、泵和主控板通过导线连接。

2.根据权利要求1所述的VOCs气体检测系统，其特征在于进样模块和电源模块放置在机箱一侧，主控板和检测模块放置在机箱另一侧，并用屏蔽隔板与隔开。

3.根据权利要求1所述的VOCs气体检测系统，其特征在于所述阀为三通电磁阀，工作电压为直流12V，有两个进气阀口和一个出气阀口；所述泵为隔膜泵，工作电压为直流12V，有一个进气泵口和一个出气泵口，工作时，流速控制为150ml/min，采用泵吸式工作方式。

4.根据权利要求1所述的VOCs气体检测系统，其特征在于；所述气体检测传感器以10.6eV的PID传感器为检测元件。

5.根据权利要求1所述的VOCs气体检测系统，其特征在于所述气路均由聚四氟乙烯软管和不锈钢接头进行连接。

6.根据权利要求1所述的VOCs气体检测系统，其特征在于所述电源模块8为输入交流220V输出直流12V和直流5V的开关电源；直流5V电源输出给主控板供电，直流12V输出给阀和泵供电；气体检测传感器的电源由主控板提供。

7.根据权利要求1所述的VOCs气体检测系统，其特征在于所述上位机是装有上位机软件的PC机或装有数据终端app的智能手机；所述主控板与PC机有线连接，主控板通过无线传输模块与智能手机无线连接。

8.根据权利要求1所述的VOCs气体检测系统，其特征在于所述主控板包括单片机、信号调理电路、传感器接线端子、阀及泵接线端子和光耦控制电路；所述单片机通过信号调理电路与传感器接线端子连接；所述单片机通过光耦控制电路与阀及泵接线端子；所述气体检测传感器通过传感器接线端子与主控板导线连接；所述阀和泵通过阀及泵接线端子与主控板导线连接；所述单片机与无线传输模块连接。

9.根据权利要求8所述的VOCs气体检测系统，其特征在于所述单片机的型号是C8051F020；所述信号调理电路采用三片双路运算放大器芯片LM358；所述光耦控制电路采用两片四路光耦芯片PS2502-4。

10.一种VOCs气体检测方法，其特征在于包括以下步骤：

第一步，并未按下上位机的开始测量按键，VOCs气体检测仪开始进行清洗，主控板控制阀和泵动作，阀打开连接清洗进气口的进气阀口和出气阀口；同时，泵工作，将清洗进气口处的洁净空气或者氮气抽入气路，对气路进行清洗，将气路中残余的其他气体吹洗干净，单片机开始对气体检测传感器输出的信号进行采集，并对采集到的数据分别进行去极值平均滤波处理，将得到的平均值作为气体检测传感器输出的实际数据传输到上位机，由上位机接收和显示；清洗过程使得气体检测传感器达到稳定工作状态，即输出曲线平稳；

第二步，按下上位机的开始测量按键，上位机向主控板发送指令，主控板接收到上位机指令，控制阀动作，关闭连接清洗进气口的进气阀口，打开连接待测气体进气口的进气阀口和出气阀口，将待测气体进气口处的待测气体抽入气路，开始检测；待测气体进入气路之后，被气室中的气体检测传感器电离，产生模拟电压输出信号；产生的模拟电压输出信号通过信号调理电路进行电平匹配，被单片机采集，并由单片机对采集到的信号进行去极值平均滤波处理和上位传输；测量过程中，VOCs气体检测仪实时向上位机发送检测数据，上位机接收到VOCs气体检测仪发送的信号之后，对得到的信号进行处理、显示和保存；

第三步，按下上位机的停止测量按键，将测量得到的数据进行保存，并同时向VOCs气体检测仪发送指令；主控板接收到上位机指令，控制阀和泵动作，关闭连接待测气体进气口的进气阀口，打开连接清洗进气口的进气阀口和出气阀口，将清洗进气口处的洁净空气或者氮气抽入气路，对气路进行清洗；清洗完成之后，关闭泵和阀，结束检测。