CN115326899A - 气体检测装置及气体浓度检测方法 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种气体检测装置及气体浓度检测方法，该气体检测装置包括：微检测室，微检测室体积固定，微检测室设有进气口；动力源，与微检测室连接；出气口，与动力源连接；气体扩散阻力件设于微检测室内；工作电极与气体扩散阻力件连接，工作电极上设有催化材料，用于检测待测气体浓度响应值和/或消耗待测气体。本申请的气体检测装置的体积较小，结构设计简单。在对气体进行浓度检测时，所需要的气体量较少。可根据具体实验需求，采用上述不同结构特征的气体检测装置进行单一气体浓度或混合气体浓度的测量。

Description

气体检测装置及气体浓度检测方法

技术领域

本申请涉及气体浓度检测技术领域，具体而言，涉及气体检测装置及气体浓度检测方法。

背景技术

目前通用商品化电流型电化学气体传感器一般利用待测气体的稳态响应电流与气体浓度间的关系进行气体浓度测量，应用于固定式及便携式气体分析仪表，其测量采样方式通常有两种。一种是扩散方式，即将传感器置于待测环境中，待测气体通过气体扩散方式进入传感器/检测器；另一种方式是通气方式，即将待测气体通过气泵连续通入传感器。上述两种方式中，由于传感器响应时间较慢，获得稳态响应电流所需时间较长，并且在进行测量时，所需的气体量较大，当待测气体量较少的情况下，上述两种适于进行浓度检测。

发明内容

本申请的目的是提供一种气体检测装置及气体浓度检测方法，气体检测装置结构简单，体积小，可以根据实验需求，实现混合气体中多种气体成分的分别检测。

第一方面，本申请提供一种气体检测装置，包括：

微检测室，所述微检测室体积固定，所述微检测室设有进气口；

动力源，与所述微检测室连接；

出气口，与所述动力源连接；

气体扩散阻力件，设于所述微检测室内；以及

工作电极，与所述气体扩散阻力件连接，所述工作电极上设有催化材料，用于检测待测气体浓度响应值和/或消耗待测气体。

于一实施例中，所述气体扩散阻力件至少为一个；所述工作电极至少为一个。

于一实施例中，所述气体检测装置还包括：至少一个独立检测单元，设于所述微检测室内；

每个所述独立检测单元内设有一个所述气体扩散阻力件以及对应连接的所述工作电极。

于一实施例中，所述工作电极为消耗型检测电极或非消耗性检测电极中的一种。

于一实施例中，所述动力源为气泵。

第二方面，本申请提供一种气体浓度检测方法，包括：

向微检测室内通入待测气体；

在预设测量时间窗口内，工作电极检测所述待测气体的响应值；

根据所述响应值，获取所述待测气体对应的浓度。

于一实施例中，所述在预设测量时间窗口内，所述工作电极检测所述待测气体的响应值，包括：

当所述微检测室内通入待测单一气体时，获取预设测量时间窗口内，所述工作电极检测到的所述待测单一气体对应的电流值；

对所述电流值进行处理，获得所述工作电极检测的所述待测单一气体的响应值。

于一实施例中，所述在预设测量时间窗口内，所述工作电极检测所述待测气体的响应值，包括：

获取预设测量时间窗口内所述工作电极检测的不含待测气体的零点气体消耗的电量值，作为第一电量值；

获取相同预设测量时间窗口内，所述工作电极检测的待测气体消耗的电量值，作为第二电量值；

对所述第二电量值与所述第一电量值的差值进行处理，获得所述工作电极检测的待测单一气体的响应值。

于一实施例中，所述在预设测量时间窗口内，所述工作电极检测所述待测气体的响应值，包括：

当所述微检测室内通入待测混合气体，且所述微检测室内无气体过滤装置，获取所述工作电极检测的混合气体对应的电量值，作为电量值一；

当所述为检测室内存在气体过滤装置，获取所述工作电极检测的待测混合气体的电量值，作为电量值二；

对所述电量值二与所述电量值一的差值进行处理，获得待测气体在所述微检测室内完全反应的响应值。

于一实施例中，所述在预设测量时间窗口内，所述工作电极检测所述待测气体的响应值，包括：

向所述微检测室内通入待测混合气体；

获取第一预设采样时间窗口内，所述工作电极检测到的所述混合气体的电量值；

获取第二预设采样时间窗口内，所述工作电极检测到的所述混合气体的电量值；

获取第三预设采样时间窗口内，所述工作电极检测到的所述混合气体的电量值；

根据所述第一预设采样时间窗口内的所述混合气体的电量值、所述第二预设采样时间窗口内的所述混合气体的电量值，以及所述第三预设采样时间窗口内的所述混合气体的电量值，获得所述混合气体中不同气体成分的响应值。

本申请与现有技术相比的有益效果是：本申请的气体检测装置的体积较小，结构设计简单。在对气体进行浓度检测时，所需要的气体量较少。可根据具体实验需求，采用上述不同结构特征的气体检测装置进行单一气体浓度或混合气体浓度的测量。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，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相关的附图。

图1为本申请第一实施例提供的气体检测装置的结构示意图；

图2为本申请第二实施例提供的气体检测装置的结构示意图；

图3为本申请第三实施例提供的气体检测装置的结构示意图；

图4为本申请第四实施例提供的气体检测装置的结构示意图；

图5为本申请第五实施例提供的气体检测装置的结构示意图；

图6为本申请一实施例提供的气体浓度检测方法的流程图。

图标：

1-气体检测装置；100-微检测室；110-进气口；120-独立检测单元；200-动力源；300-出气口；400-气体扩散阻力件；500-工作电极；600-固定体积微气室；700-微反应室。

具体实施方式

下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。同时，在本申请的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

下面将结合附图对本申请的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参照图1，一种气体检测装置1，包括：微检测室100、动力源200、气体扩散阻力件400以及工作电极500，其中，微检测室100上设有进气口110，动力源200与微检测室100连接；出气口300与动力源200连接，动力源可以为气泵，气体扩散阻力件400设于微检测室100内，工作电极500与气体扩散阻力件400连接，工作电极500上设有催化材料，用于检测待测气体浓度响应值和/消耗待测气体。工作电极500在进行待测气体浓度检测的同时，也在消耗待测气体，从而导致微检测室100内的气体浓度发生变化。

于一实施例中，请参照图2，气体扩散阻力件400至少为一个，工作电极500至少为一个。例如，本实施例中，微检测室100内设置三个气体扩散阻力件400，每个气体扩散阻力件400上均连接工作电极500。三个气体扩散阻力件400的扩散阻力可以相同也可以不相同扩散，气体扩散阻力件400、工作电极500的电位以及工作电极500上的催化材料相互独立，在设计时一般只变化一个因子，例如调整气体扩散阻力件400时，工作电极500的电位和催化材料的类型不改变；调整工作电极500的电位时，气体扩散阻力件400和催化材料的类型不改变；或者，调整催化材料类型时，气体扩散阻力件400和工作电极500的电位不改变。当然，上述三种因素也可以同时调整改变。

于一实施例中，请参照图3，微检测室100内设有至少一个独立检测单元120，每个独立检测单元120内设有一个气体扩散阻力件400以及对应连接的工作电极500。每个独立检测单元120可分别检测不同的气体。本实施例中，独立检测单元120设为三个。

于一实施例中，如图3中所示，以三个工作电极500为例，三个工作电极500中有一个为非消耗型检测电极，即该工作电极500仅用于检测待测气体浓度响应变化值，而不消耗待测气体，另外两个工作电极500为消耗型检测电极，即这两个工作电极500用于消耗待测的特定气体，但不用于检测待测气体浓度响应变化值，使混合气体中的某种组分以确定的反应速度在这两个工作电极500上被消耗，从而导致微检测室100中该组分的气体浓度值发生改变，进而使非消耗型检测电极检测该组分的气体浓度响应变化值。

于一实施例中，请参照图4，气体检测装置1内还设有固定体积微气室600，固定体积微气室600与微检测室100通过气体管路并联连接。本实施例中，将微检测室100和固定体积微气室600分开，利用动力源200组合成一循环气路，测量时通过气泵驱动气体在循环气路中流动，气体在气体检测装置1内被工作电极500被消耗，导致气体浓度值降低，工作电极500的电流变化规律同耗尽式工作模式下的电流变化规律相同。

于一实施例中，请参照图5，气体检测装置1内还设有微反应室700；微反应室700分别通过管路连接固定体积微气室600和动力源200。将微检测室100、动力源200和固定体积微气室600构成循环气路，微检测室100在检测待测气体浓度的过程中不消耗待测气体，混合气体通过微反应室700时气体浓度发生改变。在微反应室700内，气体消耗的速度与气体的浓度成正比。

请参照图6，其为本申请一实施例提供的气体浓度检测方法，可以应用于图1-图5中所示的气体检测装置1。由于气体检测装置1由固定体积的微检测室100及其置于微检测室100的电化学检测工作电极500组成，检测时工作电极500消耗待测气体导致气室中气体浓度发生变化，在一定时间范围呈现指数衰减曲线，曲线形态与气体浓度、气室体积、工作电极500对气体的催化反应活性、气体的扩散特性等有关，通过对所获得的曲线进行解析分析计算出混合气体中的多种待测气体浓度。基于上述原理，该方法具体包括步骤S610-步骤S630。

步骤S610：向微检测室100内通入待测气体。

本步骤中，可以通过采样装置(例如注射器)向微检测室100内通入待测气体，待测气体可以是单一气体或者混合气体。

步骤S620：在预设测量时间窗口内，工作电极500检测待测气体的响应值。

本步骤中，工作电极500检测时，气体检测装置1一致处于工作状态，测量时，待测气体通入微检测室100时，在预设测量时间窗口内，全程记录工作电极500的响应电流值。

步骤S630：根据响应值，获取待测气体对应的浓度。

于一实施例中，当检测的气体为单一成分，且没有干扰气体，采用图1所示的气体检测装置1进行气体浓度检测，微检测室100内的工作电极500为一个。

向微检测室100内通入待测单一气体时，获取预设测量时间窗口内，工作电极500检测到的待测单一气体对应的电流值；对电流值进行处理，获得工作电极500检测的待测单一气体的响应值；根据响应值，获取待测气体对应的浓度。

具体步骤如下：在预设测量时间窗口内全程记录工作电极响应曲线，在预设的测量时间窗口内，选取两段数据分析时间窗口，如第一时间窗口(从T-τ到T)和第二时间窗口(从t_i到t_i+τ)，待测气体中的一种或多种气体成分可以在工作电极500上反应。根据这两段时间窗口内工作电极500检测到的响应电流值差值可计算待测气体浓度。在微检测室100体积固定的条件下，工作电极500上的响应电流一般满足关系公式(1)：

I_t＝I₀e^-kt+I_b (1)

其中I_t为时间t时的响应电流，I₀为初始反应电流，正比于待测气体浓度，I_b为工作电极500的基线电流，k为特征常数，影响其大小的因子有气室体积，工作电极500对气体的催化反应活性、气体的扩散特性等。

在分析周期末端选择一段时间窗口(如τ)，在第一时间窗口(从T-τ到T)内对检测到的电流信号进行积分(S_b)，得到公式(2)。选择时间窗口τ对信号进行积分处理的目的是为了提高信号信噪比。

在分析测试的第二时间窗口(t_i到t_i+τ)，对第二时间窗口内检测到的电流信号进行积分，得到公式(3)。

由(3)-(2)得到公式(4)：

其中K为特征常数，可定义为在该分析条件下工作电极500对待测气体的响应灵敏度。因K为与待测气体在该气体检测装置1条件下的特征常数，其大小的因子有气室体积、工作电极500对气体的催化反应活性、气体的扩散特性，与待测气体浓度无关等，故在积分窗口固定的条件下，(4)式中的积分项的值为常数，与气体浓度无关。

(4)式中的灵敏度K可以用已知浓度的标准气体进行事先标定，在测量时将(4)式作为响应方程直接计算气体浓度，得到公式(5)。

本实施例的气体浓度检测方法的优点在于检测需气体体积较小，可以自动扣除基线电流的干扰，提高了测量结果的选择性与准确性。

于一实施例中，当检测的气体为单一成分，且没有干扰气体，采用图1所示的气体检测装置1进行气体浓度检测，微检测室100内的工作电极500为一个，并采用耗尽式工作模式进行检测。

当微检测室100体积较小时，选择合适的分析周期T，在该分析测量周期末端，待测气体可被消耗99.9％以上，则可以通过以下电量分析的方法直接测量气体浓度。具体包括：

获取预设测量时间窗口范围内工作电极500检测的不含待测气体的零点气体消耗的电量值，作为第一电量值。例如，将不含待测气体的零点气体通入微检测室，在0～T测量时间窗口内对电流积分，所得电量记为Q₀。

获取相同预设测量时间窗口内，工作电极500检测的待测气体消耗的电量值，作为第二电量值。例如，将待测气体的气体通入微检测室，在0～T范围内对电流信号积分，所得电量记为Q。

以第二电量值与所述第一电量值的差值，作为工作电极500检测的待测单一气体的响应值，得到公式(6)。

其中：P-微反应室中气体压力

V-微反应室气体体积

T-绝对温度

R-气体常数

F-法拉第常数

N-反应电子数

Q-待测气体消耗电量

Q_0-零点气体消耗电量

C-气体浓度

则

由该式可见此时气体检测装置1的响应与工作电极500的催化活性无关，即工作电极500电催化活性的变化对测量结果没有影响，只要微检测室100的体积V在寿命周期内保持不变，(7)式中的

为一稳定常数，该常数可通过计算获得，也可通过已知浓度的气体标定确定，气体浓度C可以变成得到公式(8)。

C＝常数×(Q-Q₀)T (8)

这是一个高稳定性的测量方法，可以在不知工作电极500灵敏度的情况直接测量测量气体浓度，其缺点是满足条件完全消耗待测气体所需的时间可能较长。

于一实施例中，当检测的气体为混合气体，且存在干扰气体的情况，采用图1所示的气体检测装置1进行气体浓度检测，在气体检测装置1的结构的基础上可以增加一个至少包括两个通道的气体过滤装置，其中一路气体直通，没有过滤功能，另一路气路中包括可选择性完全过滤或按一定分配比例过滤待测气体的过滤材料，该过滤材料可以为化学反应试剂、或吸附材料，也可以为催化分解材料。微检测室100内的工作电极500为一个，并采用耗尽式工作模式进行检测。

具体地，向微检测室100内通入待测混合气体，在无任何气体过滤装置或过滤材料的情况下，获取工作电极500检测的混合气体对应的电量值作为电量值一。当微检测室100设有气体过滤装置或过滤材料的情况下，获取混合气体经过气体过滤装置或过滤材料时，工作电极500检测到的电量值作为电量值二，电量值一与电量值二的差值则表示待测气体在微检测室100内完全反应所消耗的电量值。根据电量值以及响应值，获得待测气体浓度。因此，采用上述方式，可以检测混合气体中待测气体的浓度。

于一实施例中，当检测的气体为混合气体，且至少测量两种气体成分时，例如气体A和气体B。它们在微检测室100中的反应式独立，彼此不相互影响。采用图1所示的气体检测装置1进行气体浓度检测，微检测室100内的工作电极500为一个。

获取第一预设采样时间窗口内，工作电极500检测到的混合气体的电量值；

获取第二预设采样时间窗口内，工作电极500检测到的混合气体的电量值。

获取第三预设采样时间窗口内，工作电极500检测到的混合气体的电量值。

具体步骤如下：在确定分析周期(T)内全程记录工作电极500响应曲线，在微检测室100体积固定的条件下，工作电极500上的响应电流一般满足关系，公式(9)：

其中I_t为时间t时的响应电流，I₀为初始反应电流，正比于待测气体浓度，Ib为工作电极500的基线电流，k为特征常数，影响其大小的因子有气室体积、工作电极500对气体的催化反应活性、气体的扩散特性，与待测气体浓度无关等。

在分析周期末端选择第一预设采样时间窗口(从T-τ到T)，在时间T-τ及T之间对工作电极500检测到的电流信号进行积分(Sb)，得到公式(10)，得到公式(11)。

在分析测试任意时间段选择两个时间窗口，如第二预设采样时间窗口：(从t_i到t_i+τ)及第三预设采样时间窗口(从t_j到t_j+τ)，分别对第二预设采样时间窗口和第三预设采样时间窗口内检测到的电流信号进行积分，得到公式(11)、公式(12)。

由(11)-(10)，(12)-(10)得公式(13)、公式(14)。

其中

为特征常数，可定义为在所述分析条件(对应积分区间(t_i，t_i+τ)及(t_j,t_j+τ))下工作电极500对待测气体A、气体B的响应灵敏度，该灵敏度可用已知浓度的标准气体标定获得。因

公式(13)，(14)组成的方程组有唯一解，据此可计算出气体A的浓度和气体B的浓度。

取不同的积分区间，理论上可写出无数个独立方程，只要已知每个独立积分区间对应气体的响应灵敏度(可标定)，理论上一条响应曲线就能解析计算出混合气体中所有活性气体的浓度。当然每个气体的响应灵敏度差异应该可区分。

于一实施例中，当检测的气体为混合气体，且至少测量两种气体成分时，微检测室100内的工作电极500为多个。

例如，采用图2所示的气体检测装置1，微检测室100内设有三个工作电极500，每个工作电极500采用不同的电极催化材料。或者，每个工作电极500采用相同的电极催化材料，但工作电极500与气体接触的扩散通道阻力不同。或者，每个工作电极500采用相同的电极催化材料，但工作电极500控制的电极电位不同。

于一实施例中，当检测的气体为混合气体，且至少测量两种气体成分时，微检测室100内设有三个独立检测单元120，每个独立检测单元120内设置一个工作电极500。

本申请的气体检测装置1的体积较小，结构设计简单。在对气体进行浓度检测时，所需要的气体量较少。可根据具体实验需求，采用上述不同结构特征的气体检测装置1进行单一气体浓度或混合气体浓度的测量。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例中的特征可以相互结合。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气体检测装置，其特征在于，包括：

微检测室，所述微检测室体积固定，所述微检测室设有进气口；

动力源，与所述微检测室连接；

出气口，与所述动力源连接；

气体扩散阻力件，设于所述微检测室内；以及

工作电极，与所述气体扩散阻力件连接，所述工作电极上设有催化材料，用于检测待测气体浓度响应值和/或消耗待测气体。

2.根据权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，所述气体扩散阻力件至少为一个；所述工作电极至少为一个。

3.根据权利要求2所述的气体检测装置，其特征在于，气体检测装置还包括：至少一个独立检测单元，设于所述微检测室内；

每个所述独立检测单元内设有一个所述气体扩散阻力件以及对应连接的所述工作电极。

4.根据权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，所述工作电极为消耗型检测电极或非消耗性检测电极中的一种。

5.根据权利要求1所述的气体检测装置，其特征在于，所述动力源为气泵。

6.一种气体浓度检测方法，其特征在于，包括：

向微检测室内通入待测气体；

在预设测量时间窗口内，工作电极检测所述待测气体的响应值；

根据所述响应值，获取所述待测气体对应的浓度。

7.根据权利要求6所述的气体浓度检测方法，其特征在于，所述在预设测量时间窗口内，所述工作电极检测所述待测气体的响应值，包括：

当所述微检测室内通入待测单一气体时，获取预设测量时间窗口内，所述工作电极检测到的所述待测单一气体对应的电流值；

对所述电流值进行处理，获得所述工作电极检测的所述待测单一气体的响应值。

8.根据权利要求6所述的气体浓度检测方法，其特征在于，所述在预设测量时间窗口内，所述工作电极检测所述待测气体的响应值，包括：

获取预设测量时间窗口内所述工作电极检测的不含待测气体的零点气体消耗的电量值，作为第一电量值；

获取相同预设测量时间窗口内，所述工作电极检测的待测气体消耗的电量值，作为第二电量值；

对所述第二电量值与所述第一电量值的差值进行处理，获得所述工作电极检测的待测单一气体的响应值。

9.根据权利要求6所述的气体浓度检测方法，其特征在于，所述在预设测量时间窗口内，所述工作电极检测所述待测气体的响应值，包括：

当所述微检测室内通入待测混合气体，且所述微检测室内无气体过滤装置，获取所述工作电极检测的混合气体对应的电量值，作为电量值一；

当所述微检测室内存在气体过滤装置，获取所述工作电极检测的待测混合气体的电量值，作为电量值二；

对所述电量值二与所述电量值一的差值进行处理，获得待测气体在所述微检测室内完全反应的响应值。

10.根据权利要求6所述的气体浓度检测方法，其特征在于，所述在预设测量时间窗口内，所述工作电极检测所述待测气体的响应值，包括：

向所述微检测室内通入待测混合气体；

获取第一预设采样时间窗口内，所述工作电极检测到的所述混合气体的电量值；

获取第二预设采样时间窗口内，所述工作电极检测到的所述混合气体的电量值；

获取第三预设采样时间窗口内，所述工作电极检测到的所述混合气体的电量值；

根据所述第一预设采样时间窗口内的所述混合气体的电量值、所述第二预设采样时间窗口内的所述混合气体的电量值，以及所述第三预设采样时间窗口内的所述混合气体的电量值，获得所述混合气体中不同气体成分的响应值。

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