CN109884166B - 兼具检测的电离式传感器及其对对硝基甲苯的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种兼具检测的电离式传感器及其对对硝基甲苯的检测方法，包括铝板电极板和纳米碳管电极板，铝板电极板和纳米碳管电极板的左右两端分别通过左、右端绝缘支板相互隔离且左端绝缘支板的高度大于右端绝缘支板的高度，铝板电极板和纳米碳管电极板的前后两侧分别设有后、前挡板，在左端绝缘支板的内测或前、后挡板的内测设有加热电阻丝，左端绝缘支板、右端绝缘支板、后挡板、前挡板、铝板电极板和纳米碳管电极板围成一密闭腔室，在后挡板上设有待测气体入口，在前挡板上设有待测气体流出口。本发明不仅能够对被测气体的浓度进行准确的检测，而且还能够将气体电离为等离子体，为下一步成分的精确检测提供被测气体永久电离之后的等离子体。

Description

兼具检测的电离式传感器及其对对硝基甲苯的检测方法
技术领域
本发明涉及气体传感器，尤其是一种兼具检测的电离式传感器，以及使用该传感器对对硝基甲苯和空气的混合气进行检测的方法。
背景技术
现有的气体传感器(如授权公告号为CN102081071B的《碳纳米管薄膜微纳米电离式传感器》)，其检测机理是：通过在电极极板之间加载电压，检测电极极板间的电流数据，从而对气体进行判定。这种结构的传感器存在以下缺陷：一是测量的准确性不高，因为所测得的电流数据仅仅只是暂态离子流，并不包含电离式放电电流，当电压取消后，气体又回归原态，因此其测得的数据欠丰富，影响了其测量的准确性；二是这种结构的传感器功能单一，不能够为等离子传感器提供所需的待检测气体的等离子体，因为在实际环境中，只有对检测气体的等离子体进行进一步的检测才能够确定被测气体的成分，例如甲苯和二甲苯，在现有的气体传感器中，它们的电学性质曲线很像，没办法区别，再例如，惰性气体和氮气，其电压曲线也很难区分。
发明内容
本发明的目的是提供一种兼具检测的电离式传感器，不仅能够对被测气体的浓度进行准确的检测，而且还能够将气体电离为等离子体，利用不同气体永久电离之后等离子体的不同，为下一步成分的精确检测提供被测气体永久电离之后的等离子体。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种兼具检测的电离式传感器，包括铝板电极板和纳米碳管电极板，所述纳米碳管电极板由铝基底板和附着其上表面的碳纳米管薄膜构成，所述铝板电极板和纳米碳管电极板的左右两端分别通过左端绝缘支板、右端绝缘支板相互隔离、且左端绝缘支板的高度大于右端绝缘支板的高度，铝板电极板和纳米碳管电极板的前后两侧分别设有后挡板和前挡板，在左端绝缘支板的内测或前、后挡板的内测设有加热电阻丝，所述左端绝缘支板、右端绝缘支板、后挡板、前挡板、铝板电极板和纳米碳管电极板围成一密闭腔室，在所述后挡板上设有待测气体入口，在所述前挡板上设有待测气体流出口。
铝板电极板和纳米碳管电极板之间的夹角为5～45度。
在后挡板和/或前挡板上设有用于导入紫外光的光纤。
一种使用所述的兼具检测的电离式传感器对对硝基甲苯和空气的混合气进行检测的方法，包括如下步骤：
步骤一：气体导入
将铝板电极板和纳米碳管电极板之间的夹角调整为一个预设的角度，利用气泵将待测的对硝基甲苯和空气的混合气从待测气体入口通入所述密闭腔室，从待测气体流出口排出其内原有的残留气体，然后关闭该待测气体流出口，利用气泵继续泵入待测的对硝基甲苯和空气的混合气，将密闭腔室内的气压升至3.5个大气压强，然后关闭待测气体入口，利用加热电阻丝将密闭腔室内的温度加热到85℃并保持；
步骤二：检测数据
开启紫外光源，主波峰365nm，光源功率为1KW，紫外光源出射光由一个光源控制器控制紫外光以1KHz的频率进行开、关切换，变化的紫外光由光纤10导入密闭腔室，同时施加一个线性上升电压Vs，起始电压为100V，结束电压为450V，上升速率为14V/s，在温度、紫外光、上升电压的作用下对硝基甲苯和空气的混合气逐渐加深电离，记录仪记录通过铝板电极板和纳米碳管电极板之间的电流随电压变化的数据曲线i1，当形成稳定的等离子体后，电流数据达到最大值；
步骤三：干扰信号的去除
按照步骤一和二，得到在温度、紫外光、上升电压的作用下空气电离过程中通过铝板电极板和纳米碳管电极板之间的电流随电压变化的数据曲线i2，由i1-i2得到消除背景气体影响的对硝基甲苯电流随电压变化的数据曲线i,和消除背景气体影响的对硝基甲苯电流随电压变化的最大值Imax；
步骤四：数据分析
对硝基甲苯电离时各环节电流存在如下关系：
Figure GDA0003050712620000031
Figure GDA0003050712620000032
其中：
I1:全脱氮电流，x为全脱氮电离系数
I2：半脱氮电流，y为半脱氮电离系数
I3：脱氧电流，z为脱氧电离系数
I4：脱羧电流
I5：全脱氮中缩环电流
I6：去氢电流，m为去氢电离系数
I7：缩环电流，n为半脱氮缩环电离系数
α1是所取的第一个检测点所对应的电流增长速率，
△I11是在第一检测点下I1瞬时值，
△I21为在第一检测点下I2瞬时值；
α2是所取的第二个检测点所对应的电流增长速率，
△I12是在第二检测点下I1瞬时值，
△I22为在第二检测点下I2瞬时值；
测定密闭腔室电流I2,I4,I6,I7，而I3＝0，而根据0.95Imax后续电流的增量0.05Imax减掉半脱氮/脱羧的电流I2，就可以得到缩环反应的电流I5，即：
I5＝Imax-I2
进一步推算得到全脱氮电流I1，
Figure GDA0003050712620000041
再由经由密闭腔室体积和气压指数的换算，从而得到对硝基甲苯的浓度:
Figure GDA0003050712620000042
其中：
M为对硝基甲苯浓度；
V是检测气室体积；
检测时间间隔△t≈1；
由上式(3)推导可得对硝基基本浓度为：
Figure GDA0003050712620000043
与现有技术相比本发明的有益效果是：由于采用上述技术方案，所述铝板电极板和纳米碳管电极板的左右两端分别通过左端绝缘支板、右端绝缘支板相互隔离且左端绝缘支板的高度大于右端绝缘支板的高度，这种结构可以带来以下有益效果：一是可以降低电离所需的电压，因为右端的所述间距最小，最早产生电离，而这个局部电离产生的带电离子，其定向流动产生了极间的电离电流，而较早产生的电离电流对于相邻极间间距位置来说，产生了一定的电流驱动作用，在驱动电流的作用下，相邻间距位置的电离过程变得更加容易，导致更多的电离离子产生，进一步增大了电离电流，较低的电离电压有利于保护传感器免受击穿的伤害，增强了检测稳定性、重复性和寿命；二是提高了检测的准确性，因为其测得的电流数据不仅包含了暂态离子流，而且还包含了电离式放电电流，可以得到不同间距下丰富的电流数据；三是这种结构的传感器，不仅能够对被测气体进行准确的检测，而且还能够为下一步的成分检测提供被测气体永久电离之后的等离子体。
进一步的有益效果是：在后挡板和/或前挡板上设置用于导入紫外光的光纤，能够进一步增强电极之间的电离效果。
使用本发明的传感器对对硝基甲苯和空气的混合气进行检测的方法，通过测得的电流数值，便能够得到对硝基甲苯的浓度，简单，快捷，精确。
附图说明
图1是本发明的结构示意图；
图2是图1的左视图；
图3是被测对硝基甲苯和空气的混合气的电流—电压曲线；
图4是被测空气的电流—电压曲线；
图5是被测对硝基甲苯的电流—电压曲线。
具体实施方式
为了使本发明的技术方案更加清晰，以下结合附图1至5，对本发明进行详细说明。应当理解的是，本说明书中描述的具体实施方式仅仅是为了解释本发明，并不是为了限定本发明的保护范围。
本发明是一种兼具检测的电离式传感器，包括铝板电极板1和纳米碳管电极板，所述纳米碳管电极板由铝基底板2和附着其上表面的碳纳米管薄膜5构成，所述铝板电极板1和纳米碳管电极板的左右两端分别通过左端绝缘支板3、右端绝缘支板4相互隔离、且左端绝缘支板3的高度大于右端绝缘支板4的高度，铝板电极板1和纳米碳管电极板的前后两侧分别设有后挡板6和前挡板7，在左端绝缘支板3的内测或前、后挡板7、6的内测设有加热电阻丝，所述左端绝缘支板3、右端绝缘支板4、后挡板6、前挡板7、铝板电极板1和纳米碳管电极板围成一密闭腔室，在所述后挡板6上设有待测气体入口8，在所述前挡板7上设有待测气体流出口9。
作为优选，铝板电极板1和纳米碳管电极板之间的夹角为5～45度。在后挡板6和/或前挡板7上设有用于导入紫外光的光纤10。
一种使用上述兼具检测的电离式传感器对对硝基甲苯和空气的混合气进行检测的方法，其特征在于包括如下步骤：
步骤一：气体导入
将铝板电极板1和纳米碳管电极板之间的夹角调整为15°角度，利用气泵将待测的对硝基甲苯和空气的混合气从待测气体入口8通入所述密闭腔室，从待测气体流出口9排出其内原有的残留气体，然后关闭该待测气体流出口9，利用气泵继续泵入待测的对硝基甲苯和空气的混合气，将密闭腔室内的气压升至3.5个大气压强，然后关闭待测气体入口8，利用加热电阻丝将密闭腔室内的温度加热到85℃并保持；
步骤二：检测数据
开启紫外光源，主波峰365nm，光源功率为1KW，紫外光源出射光由一个光源控制器控制紫外光以1KHz的频率进行开、关切换，变化的紫外光由光纤10导入密闭腔室，同时施加一个线性上升电压Vs，起始电压为100V，结束电压为450V，上升速率为14V/s，在温度、紫外光、上升电压的作用下对硝基甲苯和空气的混合气逐渐加深电离，记录仪记录通过铝板电极板1和纳米碳管电极板之间的电流随电压变化的数据曲线i1(如图3所示)，当形成稳定的等离子体后，电流数据达到最大值；
步骤三：干扰信号的去除
按照步骤一和二，得到在温度、紫外光、上升电压的作用下空气电离过程中通过铝板电极板1和纳米碳管电极板之间的电流随电压变化的数据曲线i2(如图4所示)，由i1-i2得到消除背景气体影响的对硝基甲苯电流随电压变化的数据曲线i(如图5所示)；
消除背景气体影响的对硝基甲苯电流随电压变化的最大值Imax＝3.4×10-6A；步骤四：数据分析
对硝基甲苯电离时各环节电流存在如下关系：
Figure GDA0003050712620000071
Figure GDA0003050712620000072
其中：
I1:全脱氮电流，x为全脱氮电离系数
I2：半脱氮电流，y为半脱氮电离系数
I3：脱氧电流，z为脱氧电离系数
I4：脱羧电流
I5：全脱氮中缩环电流
I6：去氢电流，m为去氢电离系数m＝0.85
I7：缩环电流，n为半脱氮缩环电离系数n＝0.9
α1是所取的第一个检测点所对应的电流增长速率，α1＝0.355
△I11是在第一检测点下I1瞬时值，△I11＝0.1×10-6A
△I21为在第一检测点下I2瞬时值，△I21＝0.3×10-6A；
α2是所取的第二个检测点所对应的电流增长速率，
△I12是在第二检测点下I1瞬时值，△I12＝0.4×10-6A
△I22为在第二检测点下I2瞬时值，△I22＝0.6×10-6A；
测定密闭腔室电流I2＝0.6×10-6A、I4＝0.5×10-6A、I6＝0.03×10-6A、I7＝0.03×10-6A，而I3＝0，而根据0.95Imax后续电流的增量0.05Imax减掉半脱氮/脱羧的电流I2，就可以得到缩环反应的电流I5，即：
I5＝0.05Imax-I2＝1.6×10-7A
进一步推算得到全脱氮电流I1，
Figure GDA0003050712620000081
再由经由密闭腔室体积和气压指数的换算，从而得到对硝基甲苯的浓度:
Figure GDA0003050712620000082
其中：
M为对硝基甲苯浓度；
V是检测气室体积；
检测时间间隔△t≈1；
由上式(3)推导可得对硝基基本浓度为：
Figure GDA0003050712620000083
在本实施例中，保持固定周期信号参数θ＝0.75、fk＝15Hz、T＝8不变，并使得噪声强度φ取值范围为[0,460]，此时令势垒参数μ＝0.45，并使μ在[0,46]之内进行步进为0.01的变化，同时监控系统输出出入比，当出入比曲线产生特征峰并且峰值为最大值时，即可以确定μ＝6.8，此时各项参数为最优化选择。计算并输出参数最优化配置状态下的输出图形极大值OIRm＝-45.87dB，检索存储于计算机中的气体种类判定库，可知被测气体为对硝基甲苯。

Claims (2)

1.一种用于气体检测的电离式传感器，包括铝板电极板（1）和纳米碳管电极板，所述纳米碳管电极板由铝基底板（2）和附着其上表面的碳纳米管薄膜（5）构成，其特征在于：所述铝板电极板（1）和纳米碳管电极板的左右两端分别通过左端绝缘支板（3）、右端绝缘支板（4）相互隔离、且左端绝缘支板（3）的高度大于右端绝缘支板（4）的高度，铝板电极板（1）和纳米碳管电极板的前后两侧分别设有后挡板（6）和前挡板（7），在左端绝缘支板（3）的内侧，或前挡板（7）与后挡板（6）的内侧设有加热电阻丝，所述左端绝缘支板（3）、右端绝缘支板（4）、后挡板（6）、前挡板（7）、铝板电极板（1）和纳米碳管电极板围成一密闭腔室，在所述后挡板（6）上设有待测气体入口（8），在所述前挡板（7）上设有待测气体流出口（9），铝板电极板（1）和纳米碳管电极板之间的夹角为5～45度。
2.根据权利要求1所述的用于气体检测的电离式传感器，其特征在于：在后挡板（6）和/或前挡板（7）上设有用于导入紫外光的光纤（10）。
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