CN108828055A - 一种光离子检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种光离子检测系统，包括：一个紫外灯光源，用于提供紫外线辐射；一个测量气室，用于测量来自外部环境气体的挥发性有机化合物，并使用一种或多种类型的校准气体进行校准测量；一个或多个校准气室，用于分别存储所述一种或多种类型的校准气体；多个气泵模块，其中所述气泵模块控制在所述测量气室与所述一个或多个校准气室之间传送所述一种或多种类型的校准气体；和一个测量电路，用于接收测量气室内一种或多种校准气体由于紫外辐射离子化而产生的电信号。本发明公开的可显著减少检测挥发性有机化合物时的人工成本和系统停机时间，无需手动操作即可实现自动校准。
Description
技术领域
本发明涉及光离子检测技术领域，具体涉及一种光离子检测系统。
背景技术
光离子检测器(PID)通常用于检测挥发性有机化合物(VOC)。它利用紫外光(UV)来电离气体分子，并测量由自由电子和离子引起的电流信号。PID系统具有极高灵敏度，可以检测出极低浓度如十亿分之几(ppb)的多种有机化合物和其他有害化学物质。PID系统使用寿命相对较长，不需要频繁更换。然而，由于PID系统对外部因素如大气压和环境温度敏感，需要进行常规校准以保持测量精度。例如，当将PID系统从一个地方移动至另一个地方，或温度变化超出一定范围时，需执行校准。PID校准应由经过适当培训的人员执行，且需要校准气体。当系统安装在难以触及的位置(如天花板之上)或危险区域(如地下储罐内)时，校准PID系统尤其需要耗费大量人力。因此，市场急需带自动校准功能的PID系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种光离子检测系统，用以解决现有光离子检测器校准不便的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案为
一种光离子检测系统，包括：
一个紫外灯光源，用于提供紫外线辐射；
一个测量气室，用于测量来自外部环境气体的挥发性有机化合物，并使用一种或多种类型的校准气体进行校准测量，其中，所述校准测量用于校准所述系统；
一个或多个校准气室，用于分别存储所述一种或多种类型的校准气体，其中，所述一种或多种类型的校准气体以自动方式被传送到所述测量气室；
多个气泵模块，其中所述气泵模块控制在所述测量气室与所述一个或多个校准气室之间传送所述一种或多种类型的校准气体；和
一个测量电路，用于接收测量气室内一种或多种校准气体由于紫外辐射离子化而产生的电信号。
优选的，所述一种或多种类型的校准气体中的一种是清洁空气。
优选的，所述一种或多种类型的校准气体中的一种，从所述一个或多个校准气室中的一个传送到所述测量气室中，用于校准测量。
优选的，在执行所述校准测量后，将所述一种或多种类型的校准气体中的一种，传送回所述一个或多个校准气室中的一个。
一种光离子检测系统，包括：
一个紫外灯光源，用于提供紫外线辐射；
一个测量气室，用于对来自外部环境的气体进行目标测量；
一个或多个校准气室，用于使用一种或多种类型的校准气体来执行校准测量，其中，所述校准测量被用于校准所述系统；
多个气泵模块；和
一个测量电路，用于接收测量气室内来自外部环境的气体，由于紫外辐射电离而产生的电信号，或接收一个或多个校准气室中的一种或多种类型的校准气体由于紫外辐射电离而产生的电信号。
优选的，所述一种或多种类型的校准气体中的一种是清洁空气。
优选的，所述紫外辐射被分成多个紫外线光束。
优选的，所述目标测量和校准测量同时在所述测量气室和所述一个或多个校准气室中进行。
优选的，所述目标测量和校准测量在不同的时间进行。
一种光离子检测系统，包括
一个紫外灯光源，用于提供紫外线辐射；
一个测量气室，用于对来自外部环境的气体进行测量；
多个校准气室，用于使用多种类型的校准气体来执行多个校准测量，其中，所述校准测量被用于校准所述系统；
多个气泵模块；
一个测量电路，用于接收测量气室内来自外部环境的气体由于紫外辐射电离而产生的电信号，或接收一个多个校准气室中的一种或多种类型的校准气体由于紫外辐射电离而产生的电信号；和
一个对准机制，用于测量气室和多个校准气室中的一个与紫外灯光源逐一对准。
优选的，所述一种或多种类型的校准气体中的一种是清洁空气。
优选的，还包括一个马达，所述马达旋转所述测量气室和所述多个校准气室以与所述紫外灯光源逐一对齐。
本发明具有如下优点：
本发明公开的一种能够执行自动校准的光离子检测系统(PID)，可显著减少检测挥发性有机化合物时的人工成本和系统停机时间。在本发明中，除了配置传统的检测气室外，还将一个或多个校准气室添加到光离子检测系统中。每个校准气室均填充有校准气体，例如异丁烯或清洁空气，用于进行校准检测。无需手动操作即可实现自动校准。
附图说明
图1是基于现有技术的PID系统结构图。
图2示出了PID系统的响应曲线。
图3是根据本发明的一个实施例的PID系统结构图。
图4是根据本发明的一个实施例的另一个PID系统结构图。
图5是根据本发明的一个实施例的PID系统数据处理单元框图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示，基于现有技术的PID系统100有一个测量气室101、电极102和103、一个紫外灯光源104、一个紫外灯光窗105、一个气泵模块106、一个控制器107和一个灰尘过滤器108。气泵模块106由控制器107控制。灰尘过滤器108用于从待测气体中除去灰尘颗粒。箭头显示不同时间的气流方向。在测量开始前，气泵模块106将气体吸入气室101。此后，紫外灯光源104被打开，气室内的气体分子被电离，并经由电极102和103进行电信号监测。当执行挥发性有机化合物的测量时，来自外部环境的空气被泵入气室101。当执行校准程序时，则将校准气体注入气室101。执行手动程序将气室连接到不相连的气缸中并防止气体泄漏。当气室内充满校准气体后，打开紫外灯光源104。紫外灯光源在气室101内产生紫外辐射。气室101内的气体分子吸收紫外线光能量并发生电离，从而产生自由电子和带正电荷的离子。一些离子和电子被电极102和103捕获。被捕获的离子和电子所产生的电信号可被测量电路检测到。气体浓度越大，所产生的离子和电子越多，电信号越大。测量电路可对信号进行放大以用于进一步处理。
在气室101内，只有一小部分气体分子被电离。紫外灯光源关闭后，离子重新捕获自由电子并恢复原始状态。因此，PID系统或挥发性有机化合物的测量对于受测试气体并无破坏性。
如图2示意性所示，该曲线代表了气室内的气体浓度与检测到的电信号之间的关系。当气室内充满干净空气时，该曲线具有与零气体浓度相对应的零电压读数。随着浓度值的增加，输出电压也会增加。该曲线反映的是理想状况。实际上，当环境变化时，相同气体浓度的PID系统输出值可能会改变。例如，当海拔、温度或其他环境因素改变时，响应曲线可能会改变。
因此，需要在第一次测量之前，对PID系统的响应曲线进行校准，并在之后进行周期性校准。校准过程通常涉及电离，并对一种或多种已知校准气体的响应进行测量，从而确定响应曲线的各个点。目前的PID系统需要经过适当培训的人员使用一种校准气体填充气室并手动执行校准。校准过程完成后，校准气体被排出。可以使用多种类型的校准气体以获得更好的测量精度。PID系统的校准通常包括零点校准和一个或多个量程校准。零点校准确定响应曲线的零点，即输出电压和气体浓度都为零读数的点。一个或多个量程校准确定响应曲线的附加点。在实际应用中，清洁空气通常用于零点校准。一些已知的气体，如异丁烯等，则被用作量程校准。
在本发明的一个实施例中，一套PID系统包括了一个测量气室和一个或多个校准气室。一个或多个校准气室提供一种或多种类型的校准气体，如异丁烯和清洁空气。可随时使用一种或多种类型的校准气体，而无需执行任何手动程序。由此，PID系统实现自动校准。由于对挥发性有机化合物测量的非破坏特性，可以重复使用校准气体，无需在紫外灯光源的使用寿命内更换。
本发明公布了一种可以执行自动校准的PID系统，PID系统测量样本气体以检测挥发性有机化合物。PID系统包括一个测量气室和一个或多个校准气室。一个或多个校准气室分别容纳不同类型的校准气体。在一个实施例中，挥发性有机化合物的测量和校准测量在相同气室内进行，但由一个或多个气泵模块控制，并在不同时间内完成。在另一个实施例中，挥发性有机化合物的测量和校准测量在不同气室中完成，可以同时进行或分别进行。这些实施例将在以下部分公开。
图3是根据本发明的一个实施例改进的PID系统300示例，其中所有测量均在不同时间内于相同气室中进行，并由一个或多个气泵模块控制。在一个实施例中，每个气泵模块可以包括一个气泵或一个风扇，用于将气体吸入一个气室，以及/或用于从气室中释放气体，并使用一个阀门控制测量操作过程中的气流。每个气泵或风扇都可以是双向的，以保证气流出入，如果设计为单向，则至少需要两个气泵或风扇，一侧为气流出的方向，一侧为气流入的方向。系统300包括一个测量气室301、校准气室302、一个紫外灯光源303、电极304和305、气泵模块306和307，以及控制器308。紫外灯光源303固定在测量气室301底部，紫外线灯光照射在测量气室301内，校准气室302经管路连接至测量气室301内，连接管路上设有气泵模块307，测量气室301通过管路连接样本空气所处环境，管路上设有气泵模块306；控制器308与气泵模块306、气泵模块307分别连接。电极304和电极305分别设置在测量气室301内。
箭头示出了不同时间内的气流方向。出于简化考虑，图中未示出通过电极监测电信号的测量电路以及通常与气室配套使用的气泵模块细节。在测量期间，样本空气或校准气体经由气泵模块306或307被吸入气室301中。样本空气从外部环境中获取。校准气体来自用作储存容器的气室302。在紫外线辐射下，电极之间的气体分子被电离，然后进行测量以检测挥发性有机化合物或校准系统。校准测量完成后，将校准气体泵回校准气室302并存储在室中以进行下一次校准测量。校准气体可以是异丁烯或清洁空气。同样出于简化考虑，图示中仅绘出了一个校准气室。请注意，PID系统可以具有两个或更多个校准气室以提供两种或更多种类型的标定气体。当校准中使用清洁空气时，可以确认响应曲线的零点。当校准中使用已知气体时，可以确定跨度点。
控制器308可被设置用于调节气泵模块，并在气室301和302之间传输校准气体。由此，校准过程无需手动程序。
在另一个实施例中，测量在不同气室内进行。例如，校准气体分别在校准气室中电离和测量，来自外部环境的空气则在测量气室中电离及测量。测量可以同时或在不同时间内进行。相应的，该实施例有两种设计。
在一个实施例中，测量气室和一个或多个校准气室中的气体被同时电离及测量。用半反射膜涂覆的反射镜和反射器可以将来自紫外灯光源的紫外光分成多束，并将光束分别引导至相应气室。校准气室的测量结果被用于测量气室的校准。
在另一个实施例中，测量气室和一个或多个校准气室中的气体在不同时间内被电离和测量。每次只对一个气室进行测量。图4示了此类PID系统的一个例子。该系统有两个主要组件，气室组件400和辐射源组件407。例如，气室组件400具有三个气室，包括气室401、气室402和气室403。辐射源组件407具有紫外灯光源408。气室组件400能够通过气室的切换，使得各个气室分别与辐射源组件407相对应。气室401为测量气室，用于检测目标位置处的挥发性有机化合物。气室401有两个电极404和405，以及一个气泵模块409。气室401通过管路连接外部环境的空气，气泵模块409安装在该管路上，在测量之前，来自外部环境的空气可以通过气泵模块409被吸入气室401中，由辐射源组件407进行辐射使待检气体电离。测量结束后，气室401中的空气可通过气泵模块409排出。同样出于简化考虑，图中未示出测量电路和气泵模块的细节。气室402和403是校准气室，被设置用于校准测量。校准气室可容纳不同类型的校准气体。例如，气室402和403可以分别填充清洁空气和异丁烯，并且将它们的开口密封住。每个校准气室包含两个电极，如气室401内的电极404和405。请注意，PID系统可具有超过两个的校准室，从而提供更多的标定气体和校准测量。
三个气室401、402和403以圆形路径设置在气室组件400上。马达406安装在气室组件400的中心处。当马达406旋转时，带动气室组件400一起旋转。对准机制或程序可以驱动马达来精确地旋转气室组件。气室组件400每次旋转都可使一个气室与紫外灯光源408对齐。可采用各种成熟技术和传感器来进行微调对准。当需要校准测量时，将气室402或403旋转至面对紫外灯光源408。当测量来自外部环境的空气时，旋转气室401以面对紫外灯光源。旋转停止并完成对准后，致动器可向前推动组件407，让对准的气体室更加靠近紫外灯光源408并暴露在更强的紫外线辐射下。可打开紫外灯光源408，将紫外光照射气室并开始测量。在此也无需手动工作。校准过程可自动化进行，且可将PID系统设置为周期性地或基于时间表来执行自校准。
图5是PID系统控制和数据处理单元的示例性框图。微控制器500经由软件程序对PID系统进行控制。微控制器500管理校准过程，并使用校准结果来调整挥发性有机化合物的测量数据。数据存储模块501用于存储包括零点和跨度点的校准数据，同时也存储测量结果。一次校准完成后，在存储模块501处更新零点和跨度点。通信模块502可以包括一个网络接口。通过通信模块502，用户可以通过网络远程访问PID系统以执行或观察校准或预定测量。数据采集模块503连接测量电路，该测量电路检测和放大来自气室内电极的电信号。这些信号作为测量数据，被发送到微控制器500以进行进一步处理。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。
Claims (12)
1.一种光离子检测系统，其特征在于，包括：
一个紫外灯光源，用于提供紫外线辐射；
一个测量气室，用于测量来自外部环境气体的挥发性有机化合物，并使用一种或多种类型的校准气体进行校准测量，其中，所述校准测量用于校准所述系统；
一个或多个校准气室，用于分别存储所述一种或多种类型的校准气体，其中，所述一种或多种类型的校准气体以自动方式被传送到所述测量气室；
多个气泵模块，其中所述气泵模块控制在所述测量气室与所述一个或多个校准气室之间传送所述一种或多种类型的校准气体；和
一个测量电路，用于接收测量气室内一种或多种校准气体由于紫外辐射离子化而产生的电信号。
2.根据权利要求1所述的一种光离子检测系统，其特征在于，所述一种或多种类型的校准气体中的一种是清洁空气。
3.根据权利要求1所述的一种光离子检测系统，其特征在于，所述一种或多种类型的校准气体中的一种，从所述一个或多个校准气室中的一个传送到所述测量气室中，用于校准测量。
4.根据权利要求3所述的一种光离子检测系统，其特征在于，在执行所述校准测量后，将所述一种或多种类型的校准气体中的一种，传送回所述一个或多个校准气室中的一个。
5.一种光离子检测系统，其特征在于，包括：
一个紫外灯光源，用于提供紫外线辐射；
一个测量气室，用于对来自外部环境的气体进行目标测量；
一个或多个校准气室，用于使用一种或多种类型的校准气体来执行校准测量，其中，所述校准测量被用于校准所述系统；
多个气泵模块；和
一个测量电路，用于接收测量气室内来自外部环境的气体，由于紫外辐射电离而产生的电信号，或接收一个或多个校准气室中的一种或多种类型的校准气体由于紫外辐射电离而产生的电信号。
6.根据权利要求5所述的一种光离子检测系统，其特征在于，所述一种或多种类型的校准气体中的一种是清洁空气。
7.根据权利要求5所述的一种光离子检测系统，其特征在于，所述紫外辐射被分成多个紫外线光束。
8.根据权利要求5所述的一种光离子检测系统，其特征在于，所述目标测量和校准测量同时在所述测量气室和所述一个或多个校准气室中进行。
9.根据权利要求5所述的一种光离子检测系统，其特征在于，所述目标测量和校准测量在不同的时间进行。
10.一种光离子检测系统，其特征在于，包括
一个紫外灯光源，用于提供紫外线辐射；
一个测量气室，用于对来自外部环境的气体进行测量；
多个校准气室，用于使用多种类型的校准气体来执行多个校准测量，其中，所述校准测量被用于校准所述系统；
多个气泵模块；
一个测量电路，用于接收测量气室内来自外部环境的气体由于紫外辐射电离而产生的电信号，或接收一个多个校准气室中的一种或多种类型的校准气体由于紫外辐射电离而产生的电信号；和
一个对准机制，用于测量气室和多个校准气室中的一个与紫外灯光源逐一对准。
11.根据权利要求10所述的一种光离子检测系统，其特征在于，所述一种或多种类型的校准气体中的一种是清洁空气。
12.根据权利要求10所述的一种光离子检测系统，其特征在于，还包括一个马达，所述马达旋转所述测量气室和所述多个校准气室以与所述紫外灯光源逐一对齐。
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