CN109115871B - 手持式元素汞快速检测设备及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种手持式元素汞快速检测设备及检测方法。检测设备包括入气口、气体预处理器、气体分离器、第一电磁阀、流量控制器、汞传感器、尾气净化器、第二电磁阀和排气口依次相连构成的检测气路以及第一电磁阀、流量控制器、汞传感器、尾气净化器和第二电磁阀依次相连构成的闭合循环的净化气路，汞传感器为集富集和检测于一体的汞传感器，流量控制器、汞传感器、第一电磁阀及第二电磁阀分别和主控电路相连。主控电路控制第一、第二电磁阀的导通方向，实现检测气路和净化气路的切换；汞传感器对元素汞进行富集和检测，并将检测到的信号输送给主控电路。本发明能精确、快速地检测出气体中的元素汞浓度，便于手持和携带，检测时间短，检测效率高。

Description

手持式元素汞快速检测设备及检测方法

技术领域

本发明涉及一种元素汞检测设备，尤其涉及一种手持式元素汞快速检测设备及检测方法。

背景技术

汞是唯一主要以气相形式存在于大气的重金属元素。大气在汞的全球生物地球化学循环中起着极其重要的作用。气态总汞约占大气汞的90％以上，其中以气态单质汞为主。气态单质汞具有较低的水溶性和干沉降速率，且化学反应惰性大，是公认的全球性大气污染物之一。人为活动如化石燃烧、城市垃圾燃烧、金属冶炼、水泥制造等以及自然过程如火山与地热活动、地壳运动等均可以向大气释放汞。

目前，应用于实验室及在线连续观测的测汞仪已发展成熟，仪器的工作原理包括冷原子吸收法、冷原子荧光法以及金膜电阻法。但是便携式测汞仪的研究还较少，主要是基于在线分析仪进行的改进，通常是以原子吸收结合塞曼效应作为观测原理，由于受光学测汞灵敏度及稳定性的影响，这类测汞仪在样气预处理中一般会采用金丝富集热释法提高仪器的检测灵敏度和抗干扰性，但是采用的捕汞管一般需要定期更换，且需要富集释放的过程，增加了测量时间，仪器体积也较大，功耗较高，无法实现野外的快速测量。

发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提供一种手持式元素汞快速检测设备及检测方法，通过控制电路自动切换检测气路和净化气路，采用富集和检测集成化的汞传感器，能精确、快速地检测出待测气体中的元素汞浓度，体积小，便于手持和携带，操作方便，检测时间短，检测效率高。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明的手持式元素汞快速检测设备，包括入气口、气体预处理器、气体分离器、流量控制器、汞传感器、尾气净化器、排气口和第一电磁阀、第二电磁阀、主控电路，入气口、气体预处理器、气体分离器、第一电磁阀、流量控制器、汞传感器、尾气净化器、第二电磁阀和排气口依次相连，第二电磁阀通过管路又和第一电磁阀相连，汞传感器为集富集和检测于一体的汞传感器，流量控制器、汞传感器、第一电磁阀及第二电磁阀分别和主控电路相连。入气口、气体预处理器、气体分离器、第一电磁阀、流量控制器、汞传感器、尾气净化器、第二电磁阀和排气口依次相连构成检测气路；第一电磁阀、流量控制器、汞传感器、尾气净化器和第二电磁阀依次相连构成闭合循环的净化气路。主控电路控制第一电磁阀及第二电磁阀的导通方向，实现检测气路和净化气路的切换；主控电路控制流量控制器的动作，以控制检测气路及净化气路的气体流量。检测时，样气流入入气口，经气体预处理器的处理，过滤掉样气中的水蒸汽，并通过吸附消除样气中的酸性气体，接着样气经气体分离器的分离，流经第一电磁阀和流量控制器，流入汞传感器，汞传感器对元素汞进行富集和检测，检测到的元素汞浓度信号输送给主控电路，检测完成后，样气经尾气净化器处理，最后从排气口排出。净化时，汞传感器中的剩余气体在循环净化气路中循环流动，一次次地被尾气净化器吸收和处理，以达到更好的净化效果，从而恢复汞传感器的灵敏度，提高下一次检测的准确性。汞传感器为集富集和检测于一体的汞传感器，既缩小检测设备的体积，又缩短检测时间，提高检测效率。本技术方案通过控制电路自动切换检测气路和净化气路，采用富集和检测集成化的汞传感器，能精确、快速地检测出待测气体中的元素汞浓度，体积小，便于手持和携带，操作方便，检测时间短，检测效率高。

作为优选，所述的汞传感器包括构成密封气室的壳体及设于气室中的石英晶体板，石英晶体板两侧的壳体上分别设有进气口和出气口，石英晶体板将气室分隔成C型气室，石英晶体板的正面镀制有测量电极，测量电极上覆盖有敏感膜，敏感膜是一种只对元素汞具有吸附作用的复合薄膜，石英晶体板的背面设有加热元件，测量电极、加热元件分别和所述的主控电路相连。气室中间的传感元件形成三明治型结构，整个三明治型石英晶振位于C型气室中间，使气室中形成C型气路。根据金汞齐化学反应，利用测量电极表面的敏感膜富集吸附样气中的元素汞，利用石英晶振式传感器的测量原理，根据石英晶体的谐振频率和测量电极表面质量负载变化之间的正比关系测量出元素汞的浓度。通过敏感膜对元素汞进行直接富集测量，既缩小装置体积，又缩短检测时间，提高检测效率。检测完成后，主控电路开启加热元件，使敏感膜发生汞齐分解，吸附的元素汞被释放出来，由尾气净化器吸附和处理，剩余气体从排气口排出。采用C型气室，延长气体在气室中的流动路径，确保气体和敏感膜能充分接触，提高检测灵敏度。

作为优选，所述的石英晶体板的材质为压电石英晶体，所述的敏感膜为金银多孔粉末复合薄膜，表面形成镜面薄膜，所述的测量电极的材质为银铬合金。镜面薄膜有利于吸附元素汞，使敏感膜的灵敏度可达到10^-12g级别。

作为优选，所述的加热元件为分布成平面螺旋图形的电热丝，加热元件的材质为银铬合金。加热元件通过光刻形成平面螺旋图形，使得加热元件利用电磁效应在较低电压下就能达到所需要的加热温度，使敏感膜发生汞齐分解，释放出吸附着的汞元素，恢复敏感膜的吸附性能，提高敏感膜的灵敏度，延长敏感膜的使用寿命。

作为优选，所述的测量电极有两个，测量电极包括一个竖条及与竖条垂直相连的多个横条，两个测量电极的竖条分别位于石英晶体板的左侧和右侧，两个测量电极的横条相对并且交错设置，形成叉指状结构。叉指状结构的测量电极，使得石英晶体的震荡频率损耗最小，且与敏感膜的结合力较好。

作为优选，所述的气体预处理器是一根内含碱性担体的管体，碱性担体为粒径在30～40目的多孔氧化铝担体，孔内负载碱性粒子，管体两端的管口上分别装有一个疏水滤膜。碱性担体用于吸附消除样气中的酸性气体，如SO₂、H₂S等气体，疏水滤膜用于阻挡样气中的水蒸汽，防止气体预处理器内的碱性担体水解。

作为优选，所述的尾气净化器内设有粒径为10目的蜂窝状小球，蜂窝状小球的材质为载碘活性炭。由于汞具有污染性，因此在排气口前端增设尾气净化器，对环境起到保护作用。采用载碘活性炭蜂窝状小球，吸附率可达80％以上。

作为优选，所述的主控电路包括单片机单元、气路控制单元、信号处理单元、显示单元、存储单元和电源单元，气路控制单元、信号处理单元、显示单元及存储单元分别和单片机单元相连，气路控制单元分别和流量控制器、第一电磁阀、第二电磁阀相连，信号处理单元和汞传感器相连，电源单元由可充电锂离子电池供电。

本发明的手持式元素汞快速检测设备的检测方法为：所述的主控电路控制所述的第一电磁阀及第二电磁阀的导通方向，实现检测气路和净化气路的切换；主控电路控制所述的流量控制器的动作，以控制检测气路及净化气路的气体流量；所述的入气口、气体预处理器、气体分离器、第一电磁阀、流量控制器、汞传感器、尾气净化器、第二电磁阀和排气口依次相连构成检测气路，检测时，样气流入入气口，经气体预处理器的处理，过滤掉样气中的水蒸汽，并通过吸附消除样气中的酸性气体，接着样气经气体分离器的分离，流经第一电磁阀和流量控制器，流入汞传感器，汞传感器对元素汞进行富集和检测，检测到的元素汞浓度信号输送给主控电路，检测完成后，样气经尾气净化器处理，最后从排气口排出；所述的第一电磁阀、流量控制器、汞传感器、尾气净化器和第二电磁阀依次相连构成闭合循环的净化气路，使检测完成后汞传感器中的剩余气体在循环净化气路中循环流动，一次次地被尾气净化器吸收和处理，以达到更好的净化效果，从而恢复汞传感器的灵敏度，提高下一次检测的准确性。本技术方案通过控制电路自动切换检测气路和净化气路，采用富集和检测集成化的汞传感器，能精确、快速地检测出待测气体中的元素汞浓度，体积小，便于手持和携带，操作方便，检测时间短，检测效率高。

作为优选，所述的汞传感器包括构成密封气室的壳体及设于气室中的石英晶体板，石英晶体板两侧的壳体上分别设有进气口和出气口，石英晶体板将气室分隔成C型气室，石英晶体板的正面镀制有测量电极，测量电极上覆盖有敏感膜，敏感膜是一种只对汞元素具有吸附作用的复合薄膜，石英晶体板的背面设有加热元件，测量电极、加热元件分别和所述的主控电路相连；所述的检测方法包括：样气从进气口流入汞传感器，流经C型气室，再从出气口流出，流动过程中和石英晶体板充分接触，敏感膜富集吸附样气中的元素汞，使元素汞与样气中的其他组分彻底分离，根据石英晶体板的谐振频率和测量电极表面质量负载变化之间的正比关系获得元素汞的浓度，并通过测量电极输送给所述的主控电路；检测完成后，主控电路发出控制信号启动加热元件，加热元件开始加热，使敏感膜发生汞齐分解，吸附的元素汞被释放出来，由尾气净化器吸附和处理，恢复汞传感器的灵敏度，便于下一次检测。根据金汞齐化学反应，利用测量电极表面的敏感膜富集吸附样气中的元素汞，利用石英晶振式传感器的测量原理，根据石英晶体的谐振频率和测量电极表面质量负载变化之间的正比关系测量出元素汞的浓度。通过敏感膜对元素汞进行直接富集测量，既缩小装置体积，又缩短检测时间，提高检测效率。

本发明的有益效果是：通过控制电路自动切换检测气路和净化气路，采用富集和检测集成化的汞传感器，省略捕汞和释放汞的设备，直接通过汞传感器富集检测，能精确、快速地检测出待测气体中的元素汞浓度，不仅减少了检测时间，而且极大的减小了检测装置的体积和功耗，检测设备体积小，便于手持和携带，操作方便，检测时间短，检测效率高。

附图说明

图1是本发明的一种系统连接结构示意图。

图2是本发明中汞传感器的一种俯视结构示意图。

图3是本发明中石英晶体板的一种截面结构示意图。

图4是本发明中石英晶体板正面的一种结构示意图。

图5是本发明中石英晶体板背面的一种结构示意图。

图6是本发明中主控电路的一种电路原理连接结构框图。

图中1.入气口，2.气体预处理器，3.气体分离器，4.流量控制器，5.汞传感器，6.尾气净化器，7.排气口，8.第一电磁阀，9.第二电磁阀，10.壳体，11.石英晶体板，12.进气口，13.出气口，14.测量电极，15.敏感膜，16.加热元件，17.单片机单元，18.气路控制单元，19.信号处理单元，20.显示单元，21.存储单元，22.电源单元。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的手持式元素汞快速检测设备，如图1所示，包括入气口1、气体预处理器2、气体分离器3、流量控制器4、汞传感器5、尾气净化器6、排气口7和第一电磁阀8、第二电磁阀9、主控电路，入气口、气体预处理器、气体分离器、第一电磁阀、流量控制器、汞传感器、尾气净化器、第二电磁阀和排气口依次相连构成检测气路，第二电磁阀通过管路又和第一电磁阀相连，第一电磁阀、流量控制器、汞传感器、尾气净化器和第二电磁阀依次相连构成闭合循环的净化气路。汞传感器为集富集和检测于一体的汞传感器。

气体预处理器2是一根内含碱性担体的聚四氟乙烯管，管径为20mm，长度为50～100mm，碱性担体为粒径在30～40目的多孔氧化铝担体，孔内负载碱性粒子，用于吸附消除样气中的酸性气体，如SO₂、H₂S等气体，管体两端的管口上分别装有一个疏水滤膜，滤膜孔径为0.3～0.5μm，用于阻挡样气中的水蒸汽，防止气体预处理器内的碱性担体水解。气体分离器3基于气体热力学性质的差异将气体中的不同组分以时序方式分离出来，使得元素汞和其他气体分离开来，增加检测灵敏度。气体分离器是一根长50～80em的分离柱，分离柱材质选用不吸附汞的聚合物分子筛。流量控制器4是带有流量实时监控的流量定量器，为气路提供恒定的气体载力，为保证气体经过汞传感器时汞传感器有较大的吸附率，流量须控制在200～300ml/min，通过10～100Hz方波信号脉宽调制技术(PWM)控制流量调节，同时配合双路脉冲抑制器，使得稳定度≤20ml/min，功耗较小。由于汞具有污染性，因此在排气口前端增设尾气净化器，对环境起到保护作用，尾气净化器6内装有粒径为10目的蜂窝状小球，蜂窝状小球的材质为载碘活性炭，吸附率可达80％以上。

如图2、图3、图4、图5所示，汞传感器5包括构成密封气室的壳体10及垂直安装于气室中间位置的石英晶体板11，壳体材质为聚四氟乙烯，壳体不吸附元素汞。石英晶体板的材质为AT切向压电石英晶体，面积为0.5em²，厚度为0.1～0.3mm，基频为6～10MHz，石英晶体板的顶部、底部和壳体相连，石英晶体板的后侧和壳体相连，石英晶体板的前侧离壳体有一段间距，石英晶体板左右两侧的壳体上分别有进气口12和出气口13，且进气口、出气口靠近壳体的后侧，石英晶体板将气室分隔成C型气室，石英晶体板的正面通过真空电子镀膜法镀制有两个测量电极14，测量电极的材质为银铬合金，测量电极包括一个竖条及与竖条垂直相连的四个横条，两个测量电极的竖条分别位于石英晶体板的左侧和右侧，两个测量电极的横条相对并且交错设置，通过湿法光刻法制成叉指状结构，使得石英晶体的震荡频率损耗最小，且与敏感膜的结合力较好，测量电极厚度为0.5nm，叉指宽度为0.4～0.7mm，叉指间距为0.15～0.2mm，测量电极上通过真空电子镀膜法镀制有敏感膜15，敏感膜是一种只对元素汞具有吸附作用的复合薄膜，复合薄膜的成分为金-银多孔复合材料，表面形成镜面薄膜，敏感膜和测量电极通过薄膜纳米效应结合。敏感膜的材料采用水热法，将氯金酸以及硝酸银通过水热化合反应制备成孔径为0.02～0.05nm的多孔粉末，通过悬涂法将多孔粉末镀制到测量电极上，为使薄膜表面与气体充分接触，易于吸附元素汞，通过300℃热处理形成镜面薄膜，薄膜的灵敏度可达到10^-12g级别。石英晶体板的背面通过真空电子镀膜法镀有加热元件16，加热元件为银铬合金制成的电热丝，电热丝分布成平面螺旋图形，电热丝厚度为0.5nm，宽度为0.6mm，间距为0.3mm，加热元件利用电磁效应在3～4V电压下加热温度达到150℃，使敏感膜发生汞齐分解，加热元件工作约30～40秒，敏感膜表面吸附的元素汞即可分离，敏感膜的灵敏度可恢复95％。

如图6所示，主控电路包括单片机单元17、气路控制单元18、信号处理单元19、显示单元20、存储单元21和电源单元22，显示单元采用液晶触摸屏，气路控制单元、信号处理单元、显示单元及存储单元分别和单片机单元相连，气路控制单元分别和流量控制器、第一电磁阀、第二电磁阀相连，单片机单元控制汞传感器中加热元件的通断电，汞传感器中的测量电极和信号处理单元相连，电源单元由可充电锂离子电池供电。电源单元采用分时休眠方式进行控制管理，降低装置的功耗，锂离子电池工作温度为-20～60℃，最大放电电流8A，充电时间为3小时，工作时间不小于8小时。为提高检测设备的便携性，电源单元为可直接更换的电源模块。为满足设备的供电需求，利用双极性线性稳压器对整个电源单元进行分压管理。主控电路基于ARM嵌入式平台集成控制，包括检测部分和控制部分。检测部分主要是流量控制器的流量检测和汞传感器的元素汞浓度检测，通过模数转换模块与两个模块相连。信号处理单元包括差频整形、频压转换以及模数转换电路，频压转换电路中考虑到温度对传感器晶振的影响较大，采用带有温度补偿能隙基的精密频压转换集成芯片，使得电路线性度较好，输出频率小于0.1Hz时仍有较好的线性，分辨率可达12位。控制部分主要通过I/O接口和气路控制单元、显示单元及存储单元相连。通过气路控制单元控制两个电磁阀的导通方向及流量控制器的开度。显示单元采用液晶触摸屏，不仅实时显示测量数据，而且实现人机互话，向单片机传输操作命令。存储单元采用大容量存储芯片，通过I2C总线与单片机的I/O端口进行数据传输。

上述手持式元素汞快速检测设备的检测方法为：主控电路控制第一电磁阀及第二电磁阀的导通方向，实现检测气路和净化气路的切换；主控电路控制流量控制器的动作，以控制检测气路及净化气路的气体流量；入气口、气体预处理器、气体分离器、第一电磁阀、流量控制器、汞传感器、尾气净化器、第二电磁阀和排气口依次相连构成检测气路，检测时，样气流入入气口，经气体预处理器的处理，过滤掉样气中的水蒸汽，并通过吸附消除样气中的酸性气体，接着样气经气体分离器的分离，流经第一电磁阀和流量控制器，再从进气口流入汞传感器，流经C型气室，再从出气口流出，流动过程中和石英晶体板充分接触，敏感膜富集吸附样气中的元素汞，使元素汞与样气中的其他组分彻底分离，根据石英晶体板的谐振频率和测量电极表面质量负载变化之间的正比关系获得元素汞的浓度，并通过测量电极输送给主控电路的信号处理单元；检测完成后，主控电路发出控制信号启动加热元件，加热元件开始加热，使敏感膜发生汞齐分解，吸附的元素汞被释放出来，由尾气净化器吸附和处理，剩余气体从排气口排出；第一电磁阀、流量控制器、汞传感器、尾气净化器和第二电磁阀依次相连构成闭合循环的净化气路，使检测完成后汞传感器中的剩余气体在循环净化气路中循环流动，一次次地被尾气净化器吸收和处理，以达到更好的净化效果，从而恢复汞传感器的灵敏度，提高下一次检测的准确性。

本发明通过控制电路自动切换检测气路和净化气路，采用富集和检测集成化的汞传感器，采用三明治型石英晶振传感器，省略捕汞和释放汞的设备，直接通过汞传感器富集检测，能精确、快速地检测出待测气体中的元素汞浓度，不仅减少检测时间，提高检测灵敏度，而且极大的减小了检测装置的体积和功耗，检测设备体积小，便于手持和携带，操作方便，检测时间短，检测效率高。

Claims (8)

1.一种手持式元素汞快速检测设备，其特征在于包括入气口、气体预处理器、气体分离器、流量控制器、汞传感器、尾气净化器、排气口和第一电磁阀、第二电磁阀、主控电路，入气口、气体预处理器、气体分离器、第一电磁阀、流量控制器、汞传感器、尾气净化器、第二电磁阀和排气口依次相连，第二电磁阀通过管路又和第一电磁阀相连，汞传感器为集富集和检测于一体的汞传感器，流量控制器、汞传感器、第一电磁阀及第二电磁阀分别和主控电路相连；

汞传感器包括构成密封气室的壳体及设于气室中的石英晶体板，石英晶体板两侧的壳体上分别设有进气口和出气口，石英晶体板将气室分隔成C型气室，石英晶体板的正面镀制有测量电极，测量电极上覆盖有敏感膜，敏感膜是一种只对元素汞具有吸附作用的复合薄膜，石英晶体板的背面设有加热元件，测量电极、加热元件分别和所述的主控电路相连；

所述的石英晶体板的材质为AT切向压电石英晶体，所述的敏感膜为金银多孔粉末复合薄膜，表面形成镜面薄膜，所述的测量电极的材质为银铬合金。

2.根据权利要求1所述的手持式元素汞快速检测设备，其特征在于所述的加热元件为分布成平面螺旋图形的电热丝，加热元件的材质为银铬合金。

3.根据权利要求1所述的手持式元素汞快速检测设备，其特征在于所述的测量电极有两个，测量电极包括一个竖条及与竖条垂直相连的多个横条，两个测量电极的竖条分别位于石英晶体板的左侧和右侧，两个测量电极的横条相对并且交错设置，形成叉指状结构。

4.根据权利要求1所述的手持式元素汞快速检测设备，其特征在于所述的气体预处理器是一根内含碱性担体的管体，碱性担体为粒径在30～40目的多孔氧化铝担体，孔内负载碱性粒子，管体两端的管口上分别装有一个疏水滤膜。

5.根据权利要求1所述的手持式元素汞快速检测设备，其特征在于所述的尾气净化器内设有粒径为10目的蜂窝状小球，蜂窝状小球的材质为载碘活性炭。

6.根据权利要求1所述的手持式元素汞快速检测设备，其特征在于所述的主控电路包括单片机单元、气路控制单元、信号处理单元、显示单元、存储单元和电源单元，气路控制单元、信号处理单元、显示单元及存储单元分别和单片机单元相连，气路控制单元分别和流量控制器、第一电磁阀、第二电磁阀相连，信号处理单元和汞传感器相连，电源单元由可充电锂离子电池供电。

7.一种如权利要求1所述的手持式元素汞快速检测设备的检测方法，其特征在于所述的主控电路控制所述的第一电磁阀及第二电磁阀的导通方向，实现检测气路和净化气路的切换；主控电路控制所述的流量控制器的动作，以控制检测气路及净化气路的气体流量；所述的入气口、气体预处理器、气体分离器、第一电磁阀、流量控制器、汞传感器、尾气净化器、第二电磁阀和排气口依次相连构成检测气路，检测时，样气流入入气口，经气体预处理器的处理，过滤掉样气中的水蒸汽，并通过吸附消除样气中的酸性气体，接着样气经气体分离器的分离，流经第一电磁阀和流量控制器，流入汞传感器，汞传感器对元素汞进行富集和检测，检测到的元素汞浓度信号输送给主控电路，检测完成后，样气经尾气净化器处理，最后从排气口排出；所述的第一电磁阀、流量控制器、汞传感器、尾气净化器和第二电磁阀依次相连构成闭合循环的净化气路，使检测完成后汞传感器中的剩余气体在循环净化气路中循环流动，一次次地被尾气净化器吸收和处理，以达到更好的净化效果，从而恢复汞传感器的灵敏度，提高下一次检测的准确性。

8.根据权利要求7所述的手持式元素汞快速检测设备的检测方法，其特征在于所述的汞传感器包括构成密封气室的壳体及设于气室中的石英晶体板，石英晶体板两侧的壳体上分别设有进气口和出气口，石英晶体板将气室分隔成C型气室，石英晶体板的正面镀制有测量电极，测量电极上覆盖有敏感膜，敏感膜是一种只对汞元素具有吸附作用的复合薄膜，石英晶体板的背面设有加热元件，测量电极、加热元件分别和所述的主控电路相连；所述的检测方法包括：样气从进气口流入汞传感器，流经C型气室，再从出气口流出，流动过程中和石英晶体板充分接触，敏感膜富集吸附样气中的元素汞，使元素汞与样气中的其他组分彻底分离，根据石英晶体板的谐振频率和测量电极表面质量负载变化之间的正比关系获得元素汞的浓度，并通过测量电极输送给所述的主控电路；检测完成后，主控电路发出控制信号启动加热元件，加热元件开始加热，使敏感膜发生汞齐分解，吸附的元素汞被释放出来，由尾气净化器吸附和处理，恢复汞传感器的灵敏度，便于下一次检测。

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