CN114199861A - 检测低浓度含水气体的电子鼻及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例公开了一种检测低浓度含水气体的电子鼻及方法。其中，电子鼻包括：采样器、亲疏水复合气体流通室、抽气设备、图像传感器和处理器；所述亲疏水复合气体流通室的进气口连接所述采样器，所述亲疏水复合气体流通室的出气口连接所述抽气设备；所述亲疏水复合气体流通室的第一侧面用亲水性的玻璃片制成，所述亲疏水复合气体流通室的第二侧面放置有用疏水性基底制成的气体检测试纸；所述图像传感器用于实时采集所述第一侧面的图像并传输至所述处理器，所述处理器根据所述第一侧面的图像进行气体检测。本实施例降低了水蒸气对有效气体检测的干扰，提高待测气体的信噪比。
Description
技术领域
本发明实施例涉及气体检测技术，尤其涉及一种检测低浓度含水气体的电子鼻及方法。
背景技术
电子鼻是利用气体检测试纸的响应图案进行气体检测的电子系统。在检测过程中，首先使待测气体与气体检测试纸接触反应，产生试纸颜色变化，然后读取颜色变化数据，进行待测气体种类及浓度的定性定量分析。
现有技术中，采用上述原理对混合有水蒸气的待测气体进行检测时，如果有效气体的含量太少，会导致颜色变化数据中的有效信号很弱，其强度与水蒸气产生的干扰信号相当，致使检测信号的信噪比下降，无法满足待测气体定性定量分析的要求。
发明内容
本发明实施例提供一种检测低浓度含水气体的电子鼻及方法，采用亲疏水材料构建亲疏水复合气体流通室，分离待测气体中的水蒸气和有效气体，减轻水蒸气对有效气体检测的干扰。
第一方面，本发明实施例提供了一种检测低浓度含水气体的电子鼻，包括：采样器、亲疏水复合气体流通室、抽气设备、图像传感器和处理器；
所述亲疏水复合气体流通室的进气口连接所述采样器，所述亲疏水复合气体流通室的出气口连接所述抽气设备；所述抽气设备用于将混合有水蒸气的待测气体经所述采样器抽至所述亲疏水复合气体流通室；
所述亲疏水复合气体流通室的第一侧面用亲水性的玻璃片制成，所述亲疏水复合气体流通室的第二侧面放置有用疏水性基底制成的气体检测试纸，所述玻璃片与所述气体检测试纸不接触，所述第一侧面与第二侧面相对；
所述玻璃片用于冷凝所述待测气体中的水蒸气；所述抽气设备还用于将冷凝再蒸发后的水蒸气抽离所述亲疏水复合气体流通室；
所述图像传感器用于实时采集所述第一侧面的图像并传输至所述处理器，所述处理器根据所述第一侧面的图像进行气体检测。
第二方面，本发明实施例提供了一种检测低浓度含水气体的方法，使用上述实施例所述的电子鼻对混合有水蒸气的待测气体进行检测，包括：
所述处理器从每张第一侧面的图像中提取颜色信号，根据所述颜色信号的变化量和图像采集时间绘制反应时程曲线；
所述处理器根据所述反应时程曲线的第一个驼峰确定水蒸气的信号，根据所述反应时程曲线的第二个驼峰确定待测气体中有效气体的信号。
本发明实施例采用亲水性玻璃片和疏水性气体检测试纸构成了亲疏水复合气体流通室，通过亲水性玻璃片使待测气体中的水蒸气冷凝，而有效气体与疏水性气体检测试纸反应，实现了水蒸气和有效气体的分离；同时在反应过程中利用靠近玻璃片的抽气设备持续抽气，使冷凝再蒸发后的水蒸气也被抽离亲疏水复合气体流通室，进一步降低了水蒸气对有效气体检测的干扰，提高待测气体的信噪比。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种电子鼻的结构示意图；
图2是图1中亲疏水复合气体流通室沿AA’的剖面图；
图3是本发明实施例提供的另一种电子鼻的结构示意图；
图4是本发明实施例提供的一种检测低浓度含水气体的方法的流程图；
图5是本发明实施例提供的一种反应时程曲线的示意图。
图中：
1-采样器；11-采样器的进气口；12-采样器的出口气；
2-亲疏水复合气体流通室；21-亲疏水复合气体流通室的进气口；22-亲疏水复合气体流通室的进气口；23-玻璃片；24-气体检测试纸；241-气体检测试剂；25-疏水性密封圈；
3-抽气设备；
4-图像传感器；
5-微孔滤膜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施例，都属于本发明所保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
图1是本发明实施例提供的一种电子鼻的结构示意图，用于对混合有水蒸气的待测气体进行检测。如图1所示，所述电子鼻包括：采样器1、亲疏水复合气体流通室2、抽气设备3、图像传感器4和处理器(图中未示出)。
所述亲疏水复合气体流通室2的进气口21连接所述采样器1，所述亲疏水复合气体流通室2的出气口22连接所述抽气设备3；所述抽气设备3用于将混合有水蒸气的待测气体经所述采样1器抽至所述亲疏水复合气体流通室2。可选地，所述抽气设备3为真空泵。
所述亲疏水复合气体流通室2的第一侧面用亲水性的玻璃片23制成，所述亲疏水复合气体流通室2的第二侧面放置有用疏水性基底制成的气体检测试纸24，所述玻璃片23与所述气体检测试纸24不接触，所述第一侧面与第二侧面相对。
所述玻璃片23用于冷凝所述待测气体中的水蒸气；所述抽气设备3还用于将冷凝再蒸发后的水蒸气抽离所述亲疏水复合气体流通室2。
具体来说，所述抽气设备3在抽气时，混合有水蒸气的待测气体经所述采样器1流到所述亲疏水复合气体流通室2。在所述亲疏水复合气体流通室2中，所述待测气体中的水蒸气冷凝在所述玻璃片23上，在水蒸气冷凝再蒸发后被抽离所述亲疏水复合气体流通室2；所述待测气体中的有效气体作用于所述气体检测试纸24。
由于玻璃片23表面是亲水的，因此水蒸气会在玻璃片23的表面上快速冷凝，减少了水蒸气与气体检测试纸24的接触。与此同时，待测气体中的有效气体开始与气体检测试纸24上的气体检测试剂241发生颜色反应。随着抽气设备3持续抽气，冷凝在玻璃片23上的水蒸气将逐渐被气流带离亲疏水复合气体流通室2，而待测气体成中的有效气体也逐渐改变气体检测试剂241的颜色。
可选地，气体检测试纸24为比色传感阵列试纸，第一侧面与第二侧面相互平行，例如，上下相对或左右相对均可，本实施例对此不作限制。
图2是图1中亲疏水复合气体流通室沿AA’的剖面图。如图2所示，可选地，所述亲疏水复合气体流通室2的第一侧面和第二侧面之间通过疏水性密封圈25气密连接；所述亲疏水复合气体流通室2的进气口21和出气口22分别开设在所述玻璃片23的两端。抽气设备3与出气口22连接，因此抽气设备3靠近玻璃片23。
所述图像传感器4与所述处理器连接。所述图像传感器4用于实时采集所述第一侧面的图像并传输至所述处理器，所述处理器根据所述第一侧面的图像进行气体检测。
可选地，所述图像传感器4朝向所述第一侧面，用于实时采集所述第一侧面的图像。当水蒸气冷凝在所述玻璃片23上时，所述第一侧面的图像显示玻璃片23上水蒸气冷凝的颜色；当水蒸气冷凝再蒸发后被抽离所述亲疏水复合气体流通室2之后，待测气体中的有效气体作用于所述气体检测试纸24时，所述第一侧面的图像为透过所述玻璃片23显示的所述气体检测试纸24的颜色。
所述图像传感器4将实时采集到的第一侧面的图像传输至所述处理器后，所述处理器根据所述第一侧面的图像进行气体检测。具体来说，处理器从第一侧面的图像中区分水蒸气的颜色信号和有效气体的颜色信号，利用有效气体的颜色信号完成待测气体的定性定量分析。
本实施例的技术效果是：本实施例采用亲水性玻璃片和疏水性气体检测试纸构成了亲疏水复合气体流通室，通过亲水性玻璃片使待测气体中的水蒸气冷凝，而有效气体与疏水性气体检测试纸反应，实现了水蒸气和有效气体的分离；同时在反应过程中利用靠近玻璃片的抽气设备持续抽气，使冷凝再蒸发后的水蒸气也被抽离亲疏水复合气体流通室，进一步降低了水蒸气对有效气体检测的干扰，提高待测气体的信噪比。
图3是本发明实施例提供的另一种电子鼻的结构示意图。如图3所示，所述采样器1包括进气口11、出气口12和吸附填料13。进气口11用于采集所述待测气体，可选地，进气口11采集的所述待测气体中有效气体的浓度为十亿分之一体积分数级。出气口12气密连接所述亲疏水复合气体流通室2的进气口21。吸附填料13设置于所述采样器1内部，用于富集所述待测气体。
可选地，采样器1为圆柱形采样管，吸附填料13位于圆柱形采样管的中间；吸附填料13包括活性炭、硅胶、Tenax(聚2,6-二苯基对苯醚)、石墨化碳黑等吸附剂中的至少一种。
所述电子鼻设备还包括加热设备(图中未示出)，用于在所述吸附填料13富集所述待测气体后对所述采样器1进行加热，以使所述待测气体从所述吸附填料13上热解吸出来并流到所述亲疏水复合气体流通室2。
当待测气体中地有效气体浓度很低时，图像传感器采集到的图像中信号很弱，无法满足待测气体定性定量分析的要求。因此本实施例增设吸附填料13和加热设备，通过吸附填料13富集待测气体，使待测气体中的有效气体浓度增大；通过加热设备将所述吸附填料13中富集的有效气体加热解吸出来，使其继续在抽气设备3的抽吸作用下流向亲疏水复合气体流通室2。
可选地，在电子鼻运行过程中，所述抽气设备3开启后，控制所述待测气体以100mL/min-1000mL/min的气速流经所述吸附填料13；开启加热设备的同时，所述抽气设备控制从所述吸附填料13上热解吸出来的待测气体以300mL/min-1000mL/min的气速流到所述亲疏水复合气体流通室2。
具体来说，首先开启所述抽气设备3，使包含水蒸气的待测气体以100mL/min-1000mL/min的气速流经吸附填料13，持续10min-120min，实现待测气体的富集浓缩。
然后加热设备对采样管1进行250℃-300℃加热，使富集浓缩在吸附填料13上的待测气体因温度升高而从吸附填料13上解吸出来；同时抽气设备3控制解吸出来的待测气体以300mL/min-1000mL/min的气速流到所述亲疏水符合流通室2。
由于吸附填料13被加热时发生膨胀，挤压采样管1，因此流入吸附填料13的气速较小。本实施例通过抽气设备提高气速，来缩短检测耗时。
可选地，如图3所示，所述电子鼻设备还包括疏水性的微孔滤膜5；所述采样器的出气口12连接所述微孔滤膜5的一侧，所述微孔滤膜的另一侧连接所述亲疏水复合气体流通室2的进气口21。所述待测气体从所述吸附填料13上热解吸出来并流到所述微孔滤膜5，使所述待检测气体冷凝降温。所述微孔滤膜5的温度低于所述采样器1的温度，且高于所述玻璃片23和气体检测试纸24的温度。可选地，所述微孔滤膜5为聚四氟乙烯微孔滤膜或者聚偏氟乙烯微孔滤膜。
具体来说，富集了待测气体的采样管1气密连接微孔滤膜5的进气口(图中未示出)，微孔滤膜5的出气口(图中未示出)气密连亲疏水复合气体流通室2的进气口21。在电子鼻运行过程中，加热解吸出来的待测气体流到微孔滤膜5。由于微孔滤膜5未被直接加热，温度较低，使解吸出的待测气体发生第一次冷凝。冷凝后的待测气体到达温度更低的亲疏水复合气体流通室2中。由于玻璃片23和气体检测试纸24的温度更低，因此待测气体在亲疏水复合气体流通室2中发生第二次冷凝。
如果高温高湿气体直接在气体检测试纸附近集聚冷凝，将会对图像采集设备采集第一侧面的图像产生不良影响。例如，集聚冷凝使第一侧面产生较大的雾气且短时间无法散去，导致一段时间内采集到的图像不清晰；或集聚冷凝产生较大的水滴打湿检测试纸，影响有效气体与检测试纸的反应。本实施例采用微孔滤膜实现了过渡性的逐步冷凝，避免了集聚冷凝带来的不良影响，提高了气体检测的稳定性。
此外，微孔滤膜有较大的表面积，可以使冷凝在其上的待测气体与在抽气设备抽吸作用下流过的空气充分接触，使冷凝的待测气体较快地被气流夹带到气体检测试纸处，保持了待测气体的温度和有效气体浓度，也提高了气体检测的效率。
综上所述，以图3所示的电子鼻为例，在一具体实施方式中，该电子鼻的运行原理如下：
抽气设备3控制包含水蒸气的待测气体从采样管1的进气口11流入采样管1，并以100mL/min-1000mL/min的气速流经吸附填料13，持续10min-120min，实现待测气体的富集浓缩。
加热设备对采样管1进行250℃-300℃加热，同时抽气设备3控制从吸附填料13上热解吸出来的待测气体以300mL/min-1000mL/min的气速流到微孔滤膜5的进气口。由于微孔滤膜5未被直接加热，温度较低，使解吸出的待测气体冷凝。
待测气体经过微孔滤膜5后到达温度更低的亲疏水复合气体流通室2后，玻璃片23进一步冷凝所述待测气体中的水蒸气，气体检测试纸24与待测气体中的有效气体发生反应。同时，抽气设备3将冷凝再蒸发后的水蒸气抽离亲疏水复合气体流通室2。
整个反应过程中图像传感器4实时采集第一侧面的图像。当水蒸气冷凝在玻璃片23上时，第一侧面的图像显示玻璃片23上水蒸气冷凝的颜色；当水蒸气冷凝再蒸发后被抽离亲疏水复合气体流通室2之后，待测气体中的有效气体作用于气体检测试纸24时，第一侧面的图像为透过玻璃片23显示的气体检测试纸24的颜色。
图像传感器4将第一侧面的图像传输至所述处理器。处理器从第一侧面的图像中提取水蒸气的颜色信号和有效气体的颜色信号。水蒸气的信号和有效气体的信号得到区分后，处理器利用有效气体的信号进行气体检测，排除水蒸气对气体检测的大部分干扰，提高气体检测的信噪比。
图4是本发明实施例提供的一种检测低浓度含水气体的方法的流程图，适用于使用上述任一实施例所述的电子鼻对混合有水蒸气的待测气体进行检测情况，本实施例由电子鼻的处理器执行。如图4所示，本实施例提供的方法具体包括：
S10、所述处理器从每张第一侧面的图像中提取颜色信号，根据所述颜色信号的变化量和图像采集时间绘制反应时程曲线。
反应时程曲线是指以图像采集时间为横坐标，以颜色信号的变化量为纵坐标，记录第一侧面的图像的颜色信号随时间的变化过程。反应时程曲线用于区分水蒸气的信号和有效气体的信号。
S20、所述处理器根据所述反应时程曲线的第一个驼峰确定水蒸气的信号，根据所述反应时程曲线的第二个驼峰确定待测气体中有效气体的信号。
图5是本发明实施例提供的一种反应时程曲线的示意图。如图5所示，每条曲线均为一条反应时程曲线，其中横坐标表示时间(单位：秒)，纵坐标表示RGB颜色变化量。对于任一反应时程曲线而言，曲线中包括两个驼峰：检测初期(时间段T1)出现了第一个驼峰，该阶段第一侧面的图像主要包括玻璃片23上的水蒸气冷凝的RGB颜色信号；检测后期(时间段T2)出现了第二个驼峰，该阶段第一侧面的图像主要包括气体检测试剂241的RGB颜色信号。
具体来说，由于水蒸气冷凝再蒸发物理过程较快，而气体检测试剂241与有效气体的化学反应过程较慢，因此通过反应时程曲线可以实现水蒸气冷凝的RGB颜色信号和有效气体的RGB颜色信号在时域上的有效区分，较好地消除了水蒸气对有效气体检测的干扰。
可选地，如果所述气体检测试纸为比色传感阵列试纸，则所述处理器从每张第一侧面的图像中提取颜色信号，根据所述颜色信号的变化量和图像采集时间绘制反应时程曲线，包括如下步骤：
步骤一、确定所述比色传感阵列试纸中每个阵列点位在第一侧面的图像中的目标位置。
所述目标位置用于提取每个阵列点位的RGB颜色信号。可选地，将每个阵列点位的中心区域作为所述目标位置，避免边缘处的信号误差引入的干扰。
步骤二、在每张第一侧面的图像的目标位置提取颜色信号，根据每个目标位置的颜色信号的变化量和图像采集时间绘制每个阵列点位的比色反应时程曲线。
仍以图5为例，显示了一片40阵列比色传感试纸的全阵列比色反应时程曲线。图中较细的40条曲线分别是40个阵列点位处的比色反应时程曲线，每个阵列点位对应一条曲线。纵坐标为每个点位的RGB颜色信号的变化量，对应图中右侧的纵坐标(无量纲，数值0代表无颜色变化，数值255代表颜色由黑色变为白色)。
在比色传感阵列试纸中，不同的阵列点位可以对应不同的有效气体。相应地，任一阵列点位的比色反应时程曲线用于检测该阵列点位对应的有效气体。
步骤三、将同一图像采集时间的多个目标位置的颜色信号的变化量相加，得到全阵列比色反应时程曲线。
仍以图5为例，显示了一片40阵列比色传感试纸的全阵列比色反应时程曲线。图中较粗的一条曲线为全阵列比色反应时程曲线，是40个阵列点位处RGB颜色信号的变化量之和，对应图中左侧纵坐标。通过将40个阵列点位的变换量之和相加，一方面可以检测比色阵列传感试纸对应的所有有效气体的总量；另一方面可以分别增强水蒸气和有效气体的信号，使全阵列比色反应时程曲线的第一驼峰和第二驼峰的更加明显，更有效地区分水蒸气和有效气体的信号。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案。
Claims (10)
1.一种检测低浓度含水气体的电子鼻，其特征在于，包括：采样器、亲疏水复合气体流通室、抽气设备、图像传感器和处理器；
所述亲疏水复合气体流通室的进气口连接所述采样器，所述亲疏水复合气体流通室的出气口连接所述抽气设备；所述抽气设备用于将混合有水蒸气的待测气体经所述采样器抽至所述亲疏水复合气体流通室；
所述亲疏水复合气体流通室的第一侧面用亲水性的玻璃片制成，所述亲疏水复合气体流通室的第二侧面放置有用疏水性基底制成的气体检测试纸，所述玻璃片与所述气体检测试纸不接触，所述第一侧面与第二侧面相对；
所述玻璃片用于冷凝所述待测气体中的水蒸气；所述抽气设备还用于将冷凝再蒸发后的水蒸气抽离所述亲疏水复合气体流通室；
所述图像传感器用于实时采集所述第一侧面的图像并传输至所述处理器，所述处理器根据所述第一侧面的图像进行气体检测。
2.根据权利要求1所述的电子鼻，其特征在于，所述图像传感器朝向所述第一侧面，用于实时采集所述第一侧面的图像；
当水蒸气冷凝在所述玻璃片上时，所述第一侧面的图像显示玻璃片上水蒸气冷凝的颜色；
当水蒸气冷凝再蒸发后被抽离所述亲疏水复合气体流通室之后，待测气体中的有效气体作用于所述气体检测试纸时，所述第一侧面的图像为透过所述玻璃片显示的所述气体检测试纸的颜色。
3.根据权利要求1所述的电子鼻，其特征在于，所述亲疏水复合气体流通室的第一侧面和第二侧面之间通过疏水性密封圈气密连接；
所述亲疏水复合气体流通室的进气口和出气口分别开设在所述玻璃片的两端。
4.根据权利要求1-3任一项所述的电子鼻，其特征在于，还包括加热设备；
所述采样器的进气口用于采集所述待测气体，出气口连接所述亲疏水复合气体流通室的进气口；
所述采样器内设置有吸附填料，所述加热设备用于在所述吸附填料富集所述待测气体后对所述采样器进行加热，以使所述待测气体从所述吸附填料上热解吸出来并流到所述亲疏水复合气体流通室。
5.根据权利要求4所述的电子鼻，其特征在于，
所述抽气设备开启后，控制所述待测气体以100mL/min-1000mL/min的气速流经所述吸附填料；
开启加热设备的同时，所述抽气设备控制从所述吸附填料上热解吸出来的待测气体以300mL/min-1000mL/min的气速流到所述亲疏水复合气体流通室。
6.根据权利要求4所述的电子鼻，其特征在于，还包括疏水性的微孔滤膜；
所述采样器的出气口连接所述微孔滤膜的一侧，所述微孔滤膜的另一侧连接所述亲疏水复合气体流通室的进气口；
所述待测气体从所述吸附填料上热解吸出来并流到所述微孔滤膜，使所述待检测气体冷凝降温；
其中，所述微孔滤膜的温度低于所述采样器的温度，且高于所述玻璃片和气体检测试纸的温度。
7.根据权利要求6所述的电子鼻，其特征在于，所述微孔滤膜为聚四氟乙烯微孔滤膜或者聚偏氟乙烯微孔滤膜。
8.根据权利要求1-3任一项所述的电子鼻，其特征在于，所述气体检测试纸为比色传感阵列试纸；
所述待测气体中有效气体的浓度为十亿分之一体积分数级。
9.一种检测低浓度含水气体的方法，其特征在于，使用权利要求1-7 任一项所述的电子鼻对混合有水蒸气的待测气体进行检测，包括：
所述处理器从每张第一侧面的图像中提取颜色信号，根据所述颜色信号的变化量和图像采集时间绘制反应时程曲线；
所述处理器根据所述反应时程曲线的第一个驼峰确定水蒸气的信号，根据所述反应时程曲线的第二个驼峰确定待测气体中有效气体的信号。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述气体检测试纸为比色传感阵列试纸；
所述处理器从每张第一侧面的图像中提取颜色信号，根据所述颜色信号的变化量和图像采集时间绘制反应时程曲线，包括：
确定所述比色传感阵列试纸中每个阵列点位在第一侧面的图像中的目标位置；
在每张第一侧面的图像的目标位置提取颜色信号，根据每个目标位置的颜色信号的变化量和图像采集时间绘制每个阵列点位的比色反应时程曲线；
将同一图像采集时间的多个目标位置的颜色信号的变化量相加，得到全阵列比色反应时程曲线。
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