CN108732226B - 硫醚类气体检测装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了硫醚类气体检测装置及方法，其中，硫醚类气体检测装置包括气仓、检测模块、多个传感器和标定模块，通过对所述多个传感器进行标定，获得硫醚类气体对硫醚传感器的标定曲线；同时，获得硫醚传感器、氨气传感器、硫化氢传感器和硫醇传感器对硫醚类气体的响应恢复曲线；根据所述响应恢复曲线得出每个传感器分别对于硫醚类气体的响应恢复表达式，进而获得样气是否为硫醚类气体的判别公式，当判断样气为硫醚类气体时，根据所述标定曲线输出样气中硫醚类气体的浓度值。本发明，通过使用多组传感器，能有效解决其他气体对硫醚类气体的交叉干扰问题，准确定性识别硫醚类气体并定量计算其浓度。

Description

硫醚类气体检测装置及方法
技术领域
本发明涉及环境监测及安全生产领域，具体涉及硫醚类气体检测装置及方法。
背景技术
电化学传感器广泛应用于环境监测与安全生产等领域，具有检测气体种类多、浓度范围宽、体积小、价格低、测量精度较高、可用于现场检测等优点。
但是，在检测混有如氨气、硫化氢、硫醇等气体的硫醚类气体时，硫醚传感器会对氨气、硫化氢、硫醇等干扰气体响应，而导致读数误差(偏高或者偏低)，甚至，在现有的对硫醚类气体的检测方法中，仅通过对传感器标定，标定后通入待检测的硫醚类气体的样气，根据硫醚传感器的响应信号对比标定曲线获得该样气的浓度，由于传感器对其他干扰气体响应，在对样气的检测过程中，仅仅通过硫醚传感器无法判断该样气是否为硫醚类气体，另外，对于传统的检测方法(采用硫醚传感器检测样气，并根据传感器标定结果得到检测浓度值)，也无法量化干扰气体对检测结果的影响，即不能定性、定量的分析干扰气体对检测结果的影响，进而无法准确地检测硫醚类气体的浓度。
有鉴于此，急需对现有的气体检测装置、方法改进，解决干扰气体影响检测结果的问题，准确、定性的检测硫醚类气体的浓度。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是现有的气体检测装置、方法所存在的无法准确、定性的检测混合气体浓度、检测精准度低的问题。
为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供硫醚类气体检测装置，包括气仓、检测模块以及与所述气仓连通的进气通道和出气通道，还包括：
多个传感器，呈阵列式地布置在所述气仓内，所述多个传感器包括硫醚传感器、氨气传感器、硫化氢传感器和硫醇传感器；
标定模块，利用向所述气仓内分别通入不同浓度的硫醚类气体、NH3、H2S和CH4S气体对所述多个传感器进行标定，获得硫醚类气体对硫醚传感器的标定曲线；同时，获得硫醚传感器、氨气传感器、硫化氢传感器和硫醇传感器对硫醚类气体的响应恢复曲线；根据所述响应恢复曲线得出每个传感器分别对于硫醚类气体的响应恢复表达式；
所述检测模块，采集通入所述气仓内的样气中，硫醚传感器、氨气传感器、硫化氢传感器及甲硫醇传感器的测量值，并根据所述判别公式和所述响应恢复表达式判断样气是否为硫醚类气体，当判断样气为硫醚类气体时，根据所述标定曲线输出样气中硫醚类气体的浓度值；
所述判别公式为：
Figure BDA0001614923220000021
且
Figure BDA0001614923220000022
其中，a、b、c为定值，a、b、c值的取值范围为：0.6<a<1,12≤b<20,2.5<c<3,c(NH3)、c(H2S)和c(CH4S)分别为氨气传感器、硫化氢传感器及甲硫醇传感器检测到的样气中NH3、H2S和CH4S气体的浓度测量值。
在上述方案中，
所述进气通道包括第一、第二进气通道，所述进气通道内设有第一电磁阀，用于控制气体通过所述第一进气通道或所述第二进气通道进入所述气仓；
所述出气通道包括第一、第二出气通道，所述出气通道内设有第二电磁阀，用于控制气体从所述气仓通过所述第一出气通道或所述第二出气通道排出，所述第二出气通道的末端连接有吸气泵。
在上述方案中，所述检测模块上设有用于控制所述第一、第二电磁阀和所述吸气泵工作的控制模块。
本发明还提供了硫醚类气体检方法，包括以下步骤：
利用不同浓度的硫醚类气体、NH3、H2S和CH4S气体分别对硫醚传感器、氨气传感器、硫化氢传感器和硫醇传感器进行标定，获得硫醚类气体对硫醚传感器的标定曲线；同时获得硫醚传感器、氨气传感器、硫化氢传感器和硫醇传感器对硫醚类气体的响应恢复曲线；
采集样气中硫醚传感器、氨气传感器、硫化氢传感器及甲硫醇传感器的测量值，并根据所述响应恢复表达式和判别公式判断样气是否为硫醚类气体，当判断样气为硫醚类气体时，根据所述标定曲线输出样气中硫醚类气体的浓度值；
所述判别公式为：
Figure BDA0001614923220000031
且
Figure BDA0001614923220000032
其中，a、b、c为定值，a、b、c值的取值范围为：0.6<a<1,12≤b<20,2.5<c<3，c(NH3)、c(H2S)和c(CH4S)分别为氨气传感器、硫化氢传感器及甲硫醇传感器分别对样气中NH3、H2S和CH4S气体的浓度测量值。
在上述方案中，所述判别公式根据对多种不同浓度的硫醚类气体多次测试的结果统计得出。
在上述方案中，
硫醚传感器对硫醚类气体的响应恢复表达式为：
y＝-1*10^(-11)x6+1*10^(-8)x5-5*10^(-6)x4+0.001x3-0.090x2+4.029x+3.788
硫醇传感器对硫醚类气体的响应恢复表达式为：
y＝-1*10^(-11)x6+1*10^(-8)x5-4*10^(-6)x4+0.000x3-0.074x2+3.477x+1.228
氨气传感器对硫醚类气体的响应恢复表达式为：
y＝-3*10^(-14)x6+1*10^(-10)x5-8*10^(-8)x4+3*10^(-11)E-05x3-0.003x2+0.264x+0.111
硫化氢传感器对硫醚类气体的响应恢复表达式为：
y＝-2*10^(-11)x6+2*10^(-8)x5-8*10^(-6)x4+0.001x3-0.096x2+3.375x+0.495。
在上述方案中，标定过程中采用质量流量计分别配比不同浓度的硫醚类气体、NH3、H2S和CH4S气体对硫醚传感器、氨气传感器、硫化氢传感器和硫醇传感器标定。
与现有技术相比，本发明，通过氨气传感器、硫化氢传感器、硫醇传感器和硫醚传感器采集样气数据，通过检测模块处理数据，由此排出氨气、硫化氢硫醇对硫醚传感器的影响，并输出样气中硫醚类气体的浓度值。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明中各传感器对硫醚类气体响应恢复曲线图。
具体实施方式
本发明提供了硫醚类气体检测装置及方法，通过多种传感器检测样气，通过标定模块采集多个传感器的数据，通过检测模块对标定模块采集的数据进行计算，根据计算结果判断样气是否为硫醚类气体，并输出其浓度值，由此实现对样气中硫醚类气体准确、定性的检测，检测精度高。
如图1所示，硫醚类气体检测装置，包括气仓1、标定模块、检测模块以及与气仓1连通的进气通道和出气通道。气仓1内呈阵列式地布置有多个传感器，包括硫醚传感器、氨气传感器、硫化氢传感器和硫醇传感器；
标定模块根据通入气仓1内不同浓度的硫醚类气体、NH3、H2S和CH4S气体对气仓1内的多个传感器进行标定，获得硫醚类气体对硫醚传感器的标定曲线；同时，获得硫醚传感器、氨气传感器、硫化氢传感器和硫醇传感器对硫醚类气体的响应恢复曲线；根据该响应恢复曲线得出每个传感器分别对于硫醚类气体的响应恢复表达式
检测模块用于采集通入气仓1内的样气中，硫醚传感器、氨气传感器、硫化氢传感器及甲硫醇传感器的测量值，并根据相应恢复曲线和上述判别公式判断样气是否为硫醚类气体。具体的，气仓1内的各传感器采集数据，得到对通入样气的响应恢复曲线，并将每一个传感器的响应恢复曲线与各对硫醚类气体的响应恢复曲线比对，以此作为判断该通入的样气是否为硫醚类气体的条件一，气仓1内的各传感器得到多样气的测量值，并根据判别公式判断该样气是否为硫醚类气体，以此作为判断该通入的样气是否为硫醚类气体的条件二，当同时满足条件一和条件二时，认为该样气为硫醚类气体，如否则认为该该样气为非硫醚类气体，当判断样气为硫醚类气体时，检测模块根据标定曲线输出样气中硫醚类气体的浓度值，当判断样气为非硫醚类气体时，检测模块不输出数值。
判别公式为：
Figure BDA0001614923220000051
且
Figure BDA0001614923220000052
其中，a、b、c的取值范围为：0.6<a<1,12≤b<20,2.5<c<3,c(NH3)、c(H2S)和c(CH4S)分别为氨气传感器、硫化氢传感器及甲硫醇传感器检测到的样气中NH3、H2S和CH4S气体的浓度测量值。
判别公式通过对硫醚类气体的样气大量的试验统计获得。
如图2所示，在标定后获得不同传感器对硫醚类气体的响应恢复曲线图，根据该响应恢复曲线图可获得如下响应恢复表达式；
硫醚传感器对硫醚类气体的响应恢复表达式为：
y＝-1*10^(-11)x6+1*10^(-8)x5-5*10^(-6)x4+0.001x3-0.090x2+4.029x+3.788
硫醇传感器对硫醚类气体的响应恢复表达式为：
y＝-1*10^(-11)x6+1*10^(-8)x5-4*10^(-6)x4+0.000x3-0.074x2+3.477x+1.228
氨气传感器对硫醚类气体的响应恢复表达式为：
y＝-3*10^(-14)x6+1*10^(-10)x5-8*10^(-8)x4+3*10^(-11)E-05x3-0.003x2+0.264x+0.111
硫化氢传感器对硫醚类气体的响应恢复表达式为：
y＝-2*10^(-11)x6+2*10^(-8)x5-8*10^(-6)x4+0.001x3-0.096x2+3.375x+0.495。
如图1所示，本发明提供的硫醚类气体检测装置中，进气通道2包括与之连通的第一进气通道3和第二进气通道4，进气通道的内部，与第一进气通道3、第二进气通道4的连接处设有第一电磁阀5，用于控制气体通过第一进气通道3或第二进气通道4进入气仓1。出气通道6包括与之连通的第一出气通道7和第二出气通道8，出气通道6内部，与第一出气通道7和第二出气通道8的连接处设有第二电磁阀9，用于控制气仓1内气体通过第一出气通道7或第二出气通道8排出。第二出气通道8的末端连接有吸气泵10，用于抽取气体，使之通过第二出气通道8排出。检测模块上设有控制模块，控制模块用于控制第一电磁阀5、第二电磁阀9和吸气泵10工作的控制模块、处理传感器信号并输出硫醚类气体浓度的检测模块。通过检测模块可使气仓1与进气通道2和出气通道6形成不同的气体通路，分别用于标定传感器、检测样气的浓度，各通路不影响，检测精度、效率高。
具体的，第一电磁阀5和第二电磁阀9均选取三通电磁阀。传感器包括如下表(传感器呈阵列式地组成表)所示的氨气传感器、硫化氢传感器、硫醇传感器和硫醚传感器。
Figure BDA0001614923220000061
(传感器呈阵列式地组成表)
本发明还提供了基于传感器呈阵列式地模式识别的硫醚类气体检测方法，采用上述基于传感器呈阵列式地模式识别的硫醚类气体检测装置对待测样气进行检测，其检测方法包括以下步骤：
利用不同浓度的硫醚类气体、NH3、H2S和CH4S气体分别对硫醚传感器、氨气传感器、硫化氢传感器和硫醇传感器进行标定，获得硫醚类气体对硫醚传感器的标定曲线；同时获得硫醚传感器、氨气传感器、硫化氢传感器和硫醇传感器对硫醚类气体的响应恢复曲线；
根据响应恢复曲线得出硫醚传感器、氨气传感器、硫化氢传感器和硫醇传感器分别对于硫醚类气体的响应恢复表达式；
采集样气中硫醚传感器、氨气传感器、硫化氢传感器及甲硫醇传感器的测量值，并根据判别公式和响应恢复曲线判断该样气是否为硫醚类气体，若传感器的测量结果同时符合判别公式公式和响应恢复曲线，则判断样气为硫醚类气体，否则判断样气为非硫醚类气体，当判断样气为硫醚类气体后，根据标定曲线输出样气中硫醚类气体的浓度值，当判断样气为非硫醚类气体后，检测模块不输出硫醚类气体的浓度值；
判别公式为：
Figure BDA0001614923220000071
且
Figure BDA0001614923220000072
其中，a、b、c为选取的定值，c(NH3)、c(H2S)和c(CH4S)分别为氨气传感器、硫化氢传感器及甲硫醇传感器分别对气仓1内通入的样气中NH3、H2S和CH4S气体的浓度测量值；
本发明对样气的检测可简化为三个步骤：
步骤一、通过检测模块部分向气仓1通入氮气，使气仓1内各传感器在固定流速的氮气中初始化达到稳定状态；
步骤二、通过检测模块分对通入气仓1内的样气进行待测，使各传感器采集气体信号，各传感器对样气响应一段时间后停止通入样气；
步骤三、通过检测模块分向气仓1通入氮气，以清洗各传感器，使传感器的输出信号再次达到稳定的初值状态。
在标定过程中，将已知浓度且成分单一的硫醚类气体通过质量流量剂与氮气混合获得不同浓度的配比，通过质量流量计混合出的用于标定传感器的标定气体，由于标定气体放入采样袋后，会因存储时间和曝光程度而使标定气体的恶臭值发生变化，为了避免此影响，实际检测时，可以直接将质量流量计配比出的标定气体通入第一进气通道3，由于经过质量流量计排出的标定气体具有固定的流速，因此，不需要额外的动力设施驱动标定气体流动，通过控制第一电磁阀5和第二电磁阀9，使标定气体通过进气通道2进入气仓1，并通过第一出气通道7通排出。
在样气检测的过程中，样气通过采样设施采回，并放入采样袋中待测。此时，样气检测的过程需要有动力设施驱动气体流动，为此，在第二出气通道8的末端设置有吸气泵10，用于抽取样气，使样气匀速通过气仓1。由实验可知，气体的流速对传感器感应气体有非常明显的影响，一方面，气体流速不同，单位时间内被传感器感知的气体分子数目不同，另一方面，流速不同相当于对传感器有不同的冷却作用。因此，样气检测的过程需要为传感器提供稳定的流速，否则传感器采集的信号失真较大。样气检测过程中，通过检测模块控制第一电磁阀5和第二电磁阀9，使样气通过第一进气通道3进入气仓1，通过吸气泵10由第二出气通道8排出。
在标定前以及完成样气检测后，需要通入氮气以清洗传感器，使传感器输出信号达到稳定初值。优选的，通过第二进气通道4向气仓1内通入氮气，并使氮气通过第一出气通道7排出，以清理气仓1。
优选的，硫醚类传感器的电信号经过A/D转换为数字信号，再通过计算机程序处理，计算机程序采用Labview软件编写。
与现有技术相比，本发明，通过氨气传感器、硫化氢传感器、硫醇传感器和硫醚传感器采集样气数据，通过检测模块处理数据，由此排出氨气、硫化氢硫醇对硫醚传感器的影响，并输出样气中硫醚类气体的浓度值。
本发明并不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下做出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.硫醚类气体检测装置，包括气仓、检测模块以及与所述气仓连通的进气通道和出气通道，其特征在于，还包括：
多个传感器，呈阵列式地布置在所述气仓内，所述多个传感器包括硫醚传感器、氨气传感器、硫化氢传感器和硫醇传感器；
标定模块，利用向所述气仓内分别通入不同浓度的硫醚类气体、NH3、H2S和CH4S气体对所述多个传感器进行标定，获得硫醚类气体对硫醚传感器的标定曲线；同时，获得硫醚传感器、氨气传感器、硫化氢传感器和硫醇传感器对硫醚类气体的响应恢复曲线；根据所述响应恢复曲线得出每个传感器分别对于硫醚类气体的响应恢复表达式；
所述检测模块，采集通入所述气仓内的样气中，硫醚传感器、氨气传感器、硫化氢传感器及硫醇传感器的测量值，并根据判别公式和所述响应恢复表达式判断样气是否为硫醚类气体，当判断样气为硫醚类气体时，根据所述标定曲线输出样气中硫醚类气体的浓度值；
所述判别公式为：
Figure FDA0002422682960000011
且
Figure FDA0002422682960000012
其中，a、b、c为定值，a、b、c值的取值范围为：0.6<a<1,12≤b<20,2.5<c<3,c(NH3)、c(H2S)和c(CH4S)分别为氨气传感器、硫化氢传感器及硫醇传感器检测到的样气中NH3、H2S和CH4S气体的浓度测量值。
2.根据权利要求1所述的硫醚类气体检测装置，其特征在于，
所述进气通道包括第一、第二进气通道，所述进气通道内设有第一电磁阀，用于控制气体通过所述第一进气通道或所述第二进气通道进入所述气仓；
所述出气通道包括第一、第二出气通道，所述出气通道内设有第二电磁阀，用于控制气体从所述气仓通过所述第一出气通道或所述第二出气通道排出，所述第二出气通道的末端连接有吸气泵。
3.根据权利要求2所述的硫醚类气体检测装置，其特征在于，所述检测模块上设有用于控制所述第一、第二电磁阀和所述吸气泵工作的控制模块。
4.硫醚类气体的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
利用不同浓度的硫醚类气体、NH3、H2S和CH4S气体分别对硫醚传感器、氨气传感器、硫化氢传感器和硫醇传感器进行标定，获得硫醚类气体对硫醚传感器的标定曲线；同时获得硫醚传感器、氨气传感器、硫化氢传感器和硫醇传感器对硫醚类气体的响应恢复曲线；
根据所述响应恢复曲线得出硫醚传感器、氨气传感器、硫化氢传感器和硫醇传感器分别对于硫醚类气体的响应恢复表达式；
采集样气中硫醚传感器、氨气传感器、硫化氢传感器及硫醇传感器的测量值，并根据所述响应恢复表达式和判别公式判断样气是否为硫醚类气体，当判断样气为硫醚类气体时，根据所述标定曲线输出样气中硫醚类气体的浓度值；
所述判别公式为：
Figure FDA0002422682960000021
且
Figure FDA0002422682960000022
其中，a、b、c为定值，a、b、c值的取值范围为：0.6<a<1,12≤b<20,2.5<c<3，c(NH3)、c(H2S)和c(CH4S)分别为氨气传感器、硫化氢传感器及硫醇传感器分别对样气中NH3、H2S和CH4S气体的浓度测量值。
5.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于，所述判别公式根据对多种不同浓度的硫醚类气体多次测试的结果统计得出。
6.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于，
硫醚传感器对硫醚类气体的响应恢复表达式为：
y＝-1*10-11x6+1*10-8x5-5*10-6x4+0.001x3-0.090x2+4.029x+3.788
硫醇传感器对硫醚类气体的响应恢复表达式为：
y＝-1*10-11x6+1*10-8x5-4*10-6x4+0.001x3-0.074x2+3.477x+1.228
氨气传感器对硫醚类气体的响应恢复表达式为：
y＝-3*10-14x6+1*10-10x5-8*10-8x4+3*10-11E-0.5x3-0.003x2+0.264x+0.111
硫化氢传感器对硫醚类气体的响应恢复表达式为：
y＝-2*10-11x6+2*10-8x5-8*10-6x4+0.001x3-0.096x2+3.375x+0.495。
7.根据权利要求4所述的检测方法，其特征在于，标定过程中采用质量流量计分别配比不同浓度的硫醚类气体、NH3、H2S和CH4S气体对硫醚传感器、氨气传感器、硫化氢传感器和硫醇传感器标定。
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