CN110031155A - 一种实验室气体泄漏检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种实验室气体泄漏检测装置及方法。该装置包括控制装置和采集装置，所述控制装置包括微处理器和信号采集卡，所述采集装置包括第一气室和封闭的第二气室，所述第一气室内设有第一气体传感器阵列，所述第一气室上设有第一进气孔和出气孔，所述出气孔连接有尾气处理装置，所述第二气室内设有第二气体传感器阵列，所述第二气室内充有温度为25℃、标准大气压的空气，所述微处理器通过信号采集卡与第一气体传感器阵列和第二气体传感器阵列电连接。本发明能够快速准确的检测实验室泄漏的有毒有害气体，保障实验室中操作人员的人身安全。

Description

一种实验室气体泄漏检测装置及方法

技术领域

本发明涉及气体泄漏检测技术领域，尤其涉及一种实验室气体泄漏检测装置及方法。

背景技术

实验室中化学实验所用到的试剂通常会挥发出一些气体，其中部分是有毒有害的，如苯、二甲苯、甲醛、甲醇等。上述气体在常温下通常为无色的透明气体，并具有强烈的芳香气味。上述气体会引起人体中枢神经系统等部分中毒，引起急性或者慢性中毒，重者会出现头痛、恶心、呕吐、神志模糊、知觉丧失、昏迷、抽搐等，严重者会因为中枢系统麻痹而死亡，即便吸入少量毒害气体也可导致头晕、心跳过速、头痛、神志不清等特征。例如，摄入过多甲苯会导致胃痛、呕吐、头昏、抽搐、神志不清、心率加快等症状，严重的还会死亡。上述有毒有害气体均具有较强的挥发性，在空气中易于扩散，从而导致毒害性的广泛性扩散，严重危及实验室环境中操作人员的人身安全。因此如何快速、准确的对上述有毒有害气体进行快速预警，对于保障实验室中操作人员的人身安全具有重要的意义。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提供了一种实验室气体泄漏检测装置及方法，其能够快速准确的检测实验室泄漏的有毒有害气体，保障实验室中操作人员的人身安全。

为了解决上述问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

本发明的一种实验室气体泄漏检测装置，包括控制装置和采集装置，所述控制装置包括微处理器和信号采集卡，所述采集装置包括第一气室和封闭的第二气室，所述第一气室内设有第一气体传感器阵列，所述第一气室上设有第一进气孔和出气孔，所述出气孔连接有尾气处理装置，所述第二气室内设有第二气体传感器阵列，所述第二气室内充有温度为25℃、标准大气压的空气，所述微处理器通过信号采集卡与第一气体传感器阵列和第二气体传感器阵列电连接。

在本技术方案中，实验室内的气体从第一进气孔进入第一气室，第一气体传感器阵列用于检测有毒有害气体，信号采集卡采集第一气体传感器阵列检测到的信号并发送到微处理器，微处理器分析后得到实验室内泄漏的有毒有害气体类型和浓度。尾气处理装置对产生的废气进行处理，使其完全被吸收，避免排放到空气中形成污染。

为了提高检测精度，还设置了第二气体传感器阵列检测的信号作为参考信号。第二气体传感器阵列工作环境是封闭的，其工作环境为温度25℃、标准大气压的空气，提供基准响应参考。

作为优选，所述第一气体传感器阵列和第二气体传感器阵列结构相同，包括传感器接口电路板、传感器敏感膜和多个气体传感器，所述传感器敏感膜盖在传感器接口电路板上并与传感器接口电路板形成空腔，所述气体传感器设置在空腔内并与传感器接口电路板连接，所述控制装置还包括用于检测传感器敏感膜阻抗的阻抗谱检测仪，所述阻抗谱检测仪与微处理器电连接。

传感器敏感膜可以去除空气中灰尘、杂质颗粒、水蒸气等干扰因素。同时，该敏感膜在吸收了水蒸气之后，检测其自身的阻抗变化，与空气湿度建立起关联性，根据其阻抗变化感知空气湿度，为传感器阵列的检测提供湿度校正信息。

作为优选，所述多个气体传感器包括MQ-135传感器、ME3-C7H8传感器、ME4-C6H6传感器、ME-C8H10传感器、ME2-CH2O传感器、MQK3传感器。

MQ-135传感器用于检测氨气、硫化物、苯系蒸汽；ME3-C7H8传感器用于检测甲苯，ME4-C6H6传感器用于检测苯，ME-C8H10传感器用于检测对二甲苯，ME2-CH2O传感器用于检测甲醛，MQK3传感器用于检测乙醇。

作为优选，所述采集装置还包括惰性气体气源、第一气泵和第二气泵，所述第一气室上还设有第二进气孔，所述第一气泵的出气口与第一进气孔连接，所述惰性气体气源与第二气泵的进气口连接，所述第二气泵的出气口与第二进气孔连接，所述微处理器分别与第一气泵和第二气泵电连接。

先控制第一气泵将惰性气体充入气室内进行清洗，使得第一气体传感器阵列的响应基线恢复到0的位置，避免传感器响应基线漂移所引起的误差，然后控制第一气泵停止工作，控制第二气泵将外界气体充入气室内供第一气体传感器阵列检测。

本发明的一种实验室气体泄漏检测方法，用于上述的一种实验室气体泄漏检测装置，包括以下步骤：

S1：采集第一气体传感器阵列的检测数据，第二气体传感器阵列的检测数据，将第一气体传感器阵列中的每个气体传感器的响应值与第二气体传感器阵列中的相同气体传感器的响应值进行处理，得到第一气体传感器阵列中的每个气体传感器对应的传感器响应动量比RAT；

计算第一气体传感器阵列中某个气体传感器对应的传感器响应动量比RAT的公式如下：

其中，RES11为第一气体传感器阵列的该气体传感器的响应值，RES01为第二气体传感器阵列的相同气体传感器的响应值，

RAT＝0表示该气体传感器处于零状态，

0＜RAT≤0.25表示该气体传感器处于低不确定状态，

0.25＜RAT≤0.55表示该气体传感器处于确定状态，

0.55＜RAT≤0.8表示该气体传感器处于高不确定状态，

0.8＜RAT≤1表示该气体传感器处于异常状态；

S2：统计处于低不确定状态和高不确定状态的气体传感器数量，如果处于低不确定状态和高不确定状态的气体传感器数量占第一气体传感器阵列中所有气体传感器数量的比例超过50％，则执行步骤S1重新检测，否则执行步骤S3：

S3：统计处于异常状态的气体传感器数量，如果处于异常状态的气体传感器数量占第一气体传感器阵列中所有气体传感器数量的比例超过20％，则判断第一气体传感器阵列出现故障，否则执行步骤S4；

S4：统计处于确定状态的气体传感器，处于确定状态的气体传感器所检测的气体类型就是实验室泄漏的气体类型。

作为优选，所述一种实验室气体泄漏检测方法还包括以下步骤：

S5：计算每个处于确定状态的气体传感器所检测到的泄漏气体浓度；

计算某个处于确定状态的气体传感器所检测到的泄漏气体浓度的方法如下：

将该处于确定状态的气体传感器检测的数据输入如下公式：

其中，对于具有n分量的x的诱导函数如下：

其中，V(x)为非线性对称势函数，φ(t)为诱导信号，其自相关函数为：α是周期性信号强度，f₀是缺省频率，D是诱导信号强度，μ_n是变量x_n的势能参考量，λ是初始相位，系统势能高度为

由公式(1)、公式(2)推导出：

在α＝D＝0的条件下，系统在处有两个稳态，在零噪声状态下，系统跃迁临界值约为在噪声的作用下，即使α小于系统跃迁临界值，质点仍可在两个稳态之间跃迁，跃迁的置信系数T_x为：

根据公式(3)，以诱导信号强度D为横坐标，置信系数T_x为纵坐标建立直角坐标系，绘制置信系数曲线，确定置信系数曲线中的最大值，将置信系数曲线上位于最大值左右两侧的纵坐标数值为最大值90％的点作为辅助特征点，这两个辅助特征点的分别向X轴做垂线，将这两个垂线、两个辅助特征点连线及X轴包络的矩形面积作为特征值，并计算出该特征值，根据该特征值从预先设置的该气体传感器对应的特征值-气体浓度表中查找出对应的气体浓度，从而得到该气体传感器检测到的对应泄漏气体的气体浓度。

本发明的有益效果是：能够快速准确的检测实验室泄漏的有毒有害气体，保障实验室中操作人员的人身安全。

附图说明

图1是实施例的结构示意图；

图2是气体传感器阵列的局部结构示意图；

图3是传感器接口电路板的结构示意图；

图4是一种置信系数曲线示意图。

图中：1、微处理器，2、信号采集卡，3、第一气室，4、第二气室，5、第一气体传感器阵列，6、第二气体传感器阵列，7、尾气处理装置，8、传感器接口电路板，9、传感器敏感膜，10、气体传感器，11、阻抗谱检测仪，12、惰性气体气源，13、第一气泵，14、第二气泵。

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：本实施例的一种实验室气体泄漏检测装置，如图1、图2、图3所示，包括控制装置和采集装置，控制装置包括微处理器1和信号采集卡2，采集装置包括第一气室3、封闭的第二气室4、惰性气体气源12、第一气泵13和第二气泵14，第一气室3内设有第一气体传感器阵列5，第一气室3上设有第一进气孔、第二进气孔和出气孔，出气孔连接有尾气处理装置7，第一气泵13的出气口与第一进气孔连接，惰性气体气源12与第二气泵14的进气口连接，第二气泵14的出气口与第二进气孔连接，第二气室4内设有第二气体传感器阵列6，第二气室4内充有温度为25℃、标准大气压的空气，微处理器1通过信号采集卡3与第一气体传感器阵列5和第二气体传感器阵列6电连接，微处理器1还分别与第一气泵13和第二气泵14电连接。

第一气体传感器阵列5和第二气体传感器阵列6结构相同，包括传感器接口电路板8、传感器敏感膜9和六个气体传感器10，传感器敏感膜9盖在传感器接口电路板8上并与传感器接口电路板8形成空腔，气体传感器10设置在空腔内并与传感器接口电路板8连接，控制装置还包括用于检测传感器敏感膜9阻抗的阻抗谱检测仪11，阻抗谱检测仪11与微处理器1电连接。

六个气体传感器10包括MQ-135传感器、ME3-C7H8传感器、ME4-C6H6传感器、ME-C8H10传感器、ME2-CH2O传感器、MQK3传感器。MQ-135传感器用于检测氨气、硫化物、苯系蒸汽；ME3-C7H8传感器用于检测甲苯，ME4-C6H6传感器用于检测苯，ME-C8H10传感器用于检测对二甲苯，ME2-CH2O传感器用于检测甲醛，MQK3传感器用于检测乙醇。

在本方案中，传感器敏感膜可以去除空气中灰尘、杂质颗粒、水蒸气等干扰因素。同时，该敏感膜在吸收了水蒸气之后，检测其自身的阻抗变化，与空气湿度建立起关联性，根据其阻抗变化感知空气湿度，为传感器阵列的检测提供湿度校正信息。

先控制第一气泵将惰性气体充入第一气室内进行清洗，使得第一气体传感器阵列的响应基线恢复到0的位置，避免传感器响应基线漂移所引起的误差，然后控制第一气泵停止工作，控制第二气泵将外界气体充入第一气室内供第一气体传感器阵列检测。

第一气体传感器阵列用于检测有毒有害气体，信号采集卡采集第一气体传感器阵列检测到的信号并发送到微处理器，微处理器分析后得到实验室内泄漏的有毒有害气体类型和浓度。尾气处理装置对产生的废气进行处理，使其完全被吸收，避免排放到空气中形成污染。

为了提高检测精度，还设置了第二气体传感器阵列检测的信号作为参考信号。第二气体传感器阵列工作环境是封闭的，其工作环境为温度25℃、标准大气压的空气，提供基准响应参考。

本实施例的一种实验室气体泄漏检测方法，用于上述的一种实验室气体泄漏检测装置，包括以下步骤：

S1：采集第一气体传感器阵列的检测数据，第二气体传感器阵列的检测数据，将第一气体传感器阵列中的每个气体传感器的响应值与第二气体传感器阵列中的相同气体传感器的响应值进行处理，得到第一气体传感器阵列中的每个气体传感器对应的传感器响应动量比RAT；

计算第一气体传感器阵列中某个气体传感器对应的传感器响应动量比RAT的公式如下：

其中，RES11为第一气体传感器阵列的该气体传感器的响应值，RES01为第二气体传感器阵列的相同气体传感器的响应值，

RAT＝0表示该气体传感器处于零状态，

0＜RAT≤0.25表示该气体传感器处于低不确定状态，

0.25＜RAT≤0.55表示该气体传感器处于确定状态，

0.55＜RAT≤0.8表示该气体传感器处于高不确定状态，

0.8＜RAT≤1表示该气体传感器处于异常状态；

S2：统计处于低不确定状态和高不确定状态的气体传感器数量，如果处于低不确定状态和高不确定状态的气体传感器数量占第一气体传感器阵列中所有气体传感器数量的比例超过50％，则执行步骤S1重新检测，否则执行步骤S3：

S3：统计处于异常状态的气体传感器数量，如果处于异常状态的气体传感器数量占第一气体传感器阵列中所有气体传感器数量的比例超过20％，则判断第一气体传感器阵列出现故障，否则执行步骤S4；

S4：统计处于确定状态的气体传感器，处于确定状态的气体传感器所检测的气体类型就是实验室泄漏的气体类型；

S5：计算每个处于确定状态的气体传感器所检测到的泄漏气体浓度；

计算某个处于确定状态的气体传感器所检测到的泄漏气体浓度的方法如下：

将该处于确定状态的气体传感器检测的数据输入如下公式：

其中，对于具有n分量的x的诱导函数如下：

其中，V(x)为非线性对称势函数，φ(t)为诱导信号，其自相关函数为：α是周期性信号强度，f₀是缺省频率，D是诱导信号强度，μ_n是变量x_n的势能参考量(每一个x分量对应有一个μ)，λ是初始相位(取值为0.45～0.6)，系统势能高度为

由公式(1)、公式(2)推导出：

在α＝D＝0的条件下，系统在处有两个稳态，在零噪声状态下，系统跃迁临界值约为在噪声的作用下，即使α小于系统跃迁临界值，质点仍可在两个稳态之间跃迁，跃迁的置信系数T_x为：

根据公式(3)，以诱导信号强度D为横坐标，置信系数T_x为纵坐标建立直角坐标系，绘制置信系数曲线，确定置信系数曲线中的最大值，将置信系数曲线上位于最大值左右两侧的纵坐标数值为最大值90％的点作为辅助特征点，这两个辅助特征点的分别向X轴做垂线，将这两个垂线、两个辅助特征点连线及X轴包络的矩形面积作为特征值，并计算出该特征值，根据该特征值从预先设置的该气体传感器对应的特征值-气体浓度表中查找出对应的气体浓度，从而得到该气体传感器检测到的对应泄漏气体的气体浓度。例如MQ-135传感器在某次检测中对应的置信系数曲线如图4所示。

Claims (6)

1.一种实验室气体泄漏检测装置，其特征在于，包括控制装置和采集装置，所述控制装置包括微处理器(1)和信号采集卡(2)，所述采集装置包括第一气室(3)和封闭的第二气室(4)，所述第一气室(3)内设有第一气体传感器阵列(5)，所述第一气室(3)上设有第一进气孔和出气孔，所述出气孔连接有尾气处理装置(10)，所述第二气室(4)内设有第二气体传感器阵列(6)，所述第二气室(4)内充有温度为25℃、标准大气压的空气，所述微处理器(1)通过信号采集卡(2)与第一气体传感器阵列(5)和第二气体传感器阵列(6)电连接。

2.根据权利要求1所述的一种实验室气体泄漏检测装置，其特征在于，所述第一气体传感器阵列(5)和第二气体传感器阵列(6)结构相同，包括传感器接口电路板(8)、传感器敏感膜(9)和多个气体传感器(10)，所述传感器敏感膜(9)盖在传感器接口电路板(8)上并与传感器接口电路板(8)形成空腔，所述气体传感器(10)设置在空腔内并与传感器接口电路板(8)连接，所述控制装置还包括用于检测传感器敏感膜(9)阻抗的阻抗谱检测仪(11)，所述阻抗谱检测仪(11)与微处理器(1)电连接。

3.根据权利要求2所述的一种实验室气体泄漏检测装置，其特征在于，所述多个气体传感器(10)包括MQ-135传感器、ME3-C7H8传感器、ME4-C6H6传感器、ME-C8H10传感器、ME2-CH2O传感器、MQK3传感器。

4.根据权利要求1所述的一种实验室气体泄漏检测装置，其特征在于，所述采集装置还包括惰性气体气源(12)、第一气泵(13)和第二气泵(14)，所述第一气室(3)上还设有第二进气孔，所述第一气泵(13)的出气口与第一进气孔连接，所述惰性气体气源(12)与第二气泵(14)的进气口连接，所述第二气泵(14)的出气口与第二进气孔连接，所述微处理器(1)分别与第一气泵(13)和第二气泵(14)电连接。

5.一种实验室气体泄漏检测方法，用于权利要求1所述的一种实验室气体泄漏检测装置，其特征在于，包括以下步骤：

S1：采集第一气体传感器阵列的检测数据，第二气体传感器阵列的检测数据，将第一气体传感器阵列中的每个气体传感器的响应值与第二气体传感器阵列中的相同气体传感器的响应值进行处理，得到第一气体传感器阵列中的每个气体传感器对应的传感器响应动量比RAT；

计算第一气体传感器阵列中某个气体传感器对应的传感器响应动量比RAT的公式如下：

其中，RES11为第一气体传感器阵列的该气体传感器的响应值，RES01为第二气体传感器阵列的相同气体传感器的响应值，

RAT＝0表示该气体传感器处于零状态，

0＜RAT≤0.25表示该气体传感器处于低不确定状态，

0.25＜RAT≤0.55表示该气体传感器处于确定状态，

0.55＜RAT≤0.8表示该气体传感器处于高不确定状态，

0.8＜RAT≤1表示该气体传感器处于异常状态；

S2：统计处于低不确定状态和高不确定状态的气体传感器数量，如果处于低不确定状态和高不确定状态的气体传感器数量占第一气体传感器阵列中所有气体传感器数量的比例超过50％，则执行步骤S1重新检测，否则执行步骤S3：

S3：统计处于异常状态的气体传感器数量，如果处于异常状态的气体传感器数量占第一气体传感器阵列中所有气体传感器数量的比例超过20％，则判断第一气体传感器阵列出现故障，否则执行步骤S4；

S4：统计处于确定状态的气体传感器，处于确定状态的气体传感器所检测的气体类型就是实验室泄漏的气体类型。

6.根据权利要求5所述的一种实验室气体泄漏检测方法，其特征在于，还包括以下步骤：

S5：计算每个处于确定状态的气体传感器所检测到的泄漏气体浓度；

计算某个处于确定状态的气体传感器所检测到的泄漏气体浓度的方法如下：

将该处于确定状态的气体传感器检测的数据输入如下公式：

其中，对于具有n分量的x的诱导函数如下：

其中，V(x)为非线性对称势函数，φ(t)为诱导信号，其自相关函数为：α是周期性信号强度，f₀是缺省频率，D是诱导信号强度，μ_n是变量x_n的势能参考量，λ是初始相位，系统势能高度为

由公式(1)、公式(2)推导出：

在α＝D＝0的条件下，系统在处有两个稳态，在零噪声状态下，系统跃迁临界值约为在噪声的作用下，即使α小于系统跃迁临界值，质点仍可在两个稳态之间跃迁，跃迁的置信系数T_x为：

根据公式(3)，以诱导信号强度D为横坐标，置信系数T_x为纵坐标建立直角坐标系，绘制置信系数曲线，确定置信系数曲线中的最大值，将置信系数曲线上位于最大值左右两侧的纵坐标数值为最大值90％的点作为辅助特征点，这两个辅助特征点的分别向X轴做垂线，将这两个垂线、两个辅助特征点连线及X轴包络的矩形面积作为特征值，并计算出该特征值，根据该特征值从预先设置的该气体传感器对应的特征值-气体浓度表中查找出对应的气体浓度，从而得到该气体传感器检测到的对应泄漏气体的气体浓度。