CN1687765A - 便携式气体检测仪 - Google Patents
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Abstract
一种便携式气体检测仪,其特征在于:设有气体富集装置(1),缓冲气囊(2)以及测量气室(3),待测气体依次通过富集装置(1)、缓冲气囊(2)后进入测量气室(3),待测气体通过富集装置(1)后其浓度提高到原来的10~100倍;气敏传感器阵列及其信号接口布置在测量气室(3)的密封腔(33)内,气敏传感器阵列由4个并联的金属氧化物传感器和4个并联的碳纳米管传感器组成。同现有技术比较,本发明具有如下优点:仪器的检测下限比传感器本身的下限低1~2个数量级;密闭的测量气室降低了温度、湿度、空气流动等因素对传感器的影响,动态检测技术充分利用了传感器的敏感区,提高了响应信号的信息含量,仪器适用于现场检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的便携式气体检测仪。
背景技术
气体检测技术在工农业、环境监测、日常生活等领域起着越来越重要的作用,目前环保部门主要采用气相色谱仪作为气体检测仪器,有时也应用精确的生物和化学分析来进行有效的检测,虽然检测精度和灵敏度都很高,但是仪器贵重,成本高,而且检测耗时长,无法进行现场检测,具有很大的局限性。自从上个世纪八十年代起,人工嗅觉-电子鼻技术迅速发展,电子鼻主要由气敏传感器阵列和模式识别系统构成,能定性甚至定量的识别一种或多种气体。目前,一些欧美国家出现了商品化的电子鼻,但这些仪器体积大,价格昂贵,无法满足现场检测以及便携式等要求。中国专利CN02111963.5提供一种便携式智能电子鼻及其制备方法,由于没有设置富集装置,测量下限较高,检测气体单一,不能同时对混合气体进行检测。
发明内容
本发明的目的在于提供一种待测气体检测下限低、能测量有机混合气体、体积小、重量轻的便携式气体检测仪。
一种便携式气体检测仪,包括气敏传感器阵列,控制电路,信号调理-采集-处理电路,键盘,打印,显示,通讯接口,其特征在于:设有气体富集装置1,缓冲气囊2以及测量气室(3),待测气体依次通过富集装置1、缓冲气囊2后进入测量气室3,待测气体通过富集装置1后其浓度提高到原来的10~100倍;气敏传感器阵列及其信号接口布置在测量气室3的密封腔33内,气敏传感器阵列由4个并联的金属氧化物传感器和4个并联的碳纳米管传感器组成;富集装置1由进气阀11、受控制电路控制的温度控制器12、加热器13、装有吸附剂的吸附管14、气泵15、出气阀16组成;测量气室3由进气口31、干燥器32、立方体状的密封腔33、排气口34组成,碳纳米管传感器阵列及信号接口33a和金属氧化物传感器阵列及信号接口33b对称地布置在密封腔33内侧;金属氧化物传感器阵列由该传感器自身加热电阻进行周期性加热,加热电压为方波状,其占空比可调。
经过富集后的气体进入测量气室,气敏传感器阵列产生原始响应信号,经过预处理、采样、优化后,通过模式识别算法得到气体的组成和各成分的浓度信息。传感器阵列由4个并联的金属氧化物和4个并联的碳纳米管传感器组成,对待测气体来说,传感器阵列具有一定的冗余度,这种冗余度对于因个别传感器的老化而降低仪器鉴别率具有防范作用,提高了仪器的可靠性。
对金属氧化物传感器,采用了动态测量技术:在测量过程中,通过控制传感器的加热电压,使传感器的工作温度在其对混合气体的灵敏区间内进行连续变化,随着传感器工作温度的变化和被测气体浓度的不同,气体分子的吸附脱附处于不同的动态平衡当中,从而产生不同的响应值。只要控制好采样频率和工作温度变化曲线,则每一个传感器都能得到含有数倍于传统的稳态检测方法所得到的信息的周期性连续变化曲线,也就是说,每一个传感器的作用等同于一组不同灵敏度的传感器。动态测量的响应信号如图4所示,其中横坐标为采样时间,纵坐标为传感器响应幅度,四条曲线分别是传感器阵列4个传感器(S1,S2,S3,S4)对混合气体的响应。
碳纳米管气敏传感器对气体响应的大小与气体的浓度在一定范围内呈线性关系,这是精确定量的基础。碳纳米管气敏传感器的典型响应曲线如图5所示,D点表示反应起始,E点表示反应平衡点,D、E的电流差与气体浓度呈近似线性关系。
图1是本检测仪的结构示意图,该仪器包含富集系统1,缓冲气囊2,测量气室3,控制电路、信号调理采集、处理电路4,键盘5,显示6,打印7,通讯接口8。
富集系统如图2所示,由进气阀门11、温度控制器12、加热装置13、吸附管14、气泵15、出气阀16组成。本仪器选择TENAX-G作为吸附剂,采用主动采样和热解吸方法来实现气体富集。采样时,待测气体通过吸附管,毒性有机气体被吸附性很强的材料吸附,水蒸汽等干扰气体则被滤过;富集后将吸附管迅速加热到预定温度,并用氮气或洁净空气作为载气将吸附管内的气体迅速排到缓冲气囊。通过控制吸附材料量、采样流速、采样时间、采样温度、解吸温度等参数,可以将毒性有机气体浓度提高10~100倍,这也意味着仪器的检测下限为传感器检测下限(1ppm)的1%~10%(10~100ppb)。如果待测浓度高于传感器的检测下限,待测气体可以直接通过气囊注入测量气室,而省去富集过程。
测量气室如图3所示,由进气口31、干燥箱32、内侧含有碳纳米管传感器阵列及信号接口33a、金属氧化物传感器阵列及信号接口33b、有效容积33c的密封室33、排气口34组成。干燥器吸收进气中的水蒸汽,去除湿度对传感器的影响;碳纳米管传感器阵列由4个浙江大学生物传感器国家专业实验室提供的碳纳米管气敏传感器构成,金属氧化物气敏传感器阵列由4个商用的MQ系列SnO2传感器构成,两个阵列对称地固定在气室的内侧;信号接口为传感器提供工作电压、控制信号,并取得传感器的响应信号。
控制电路、信号调理-采集-处理电路4为现有技术。控制电路功能包括:控制富集装置1的气阀、采样时间、解吸温度、解吸载气量,控制金属氧化物传感器的动态加热周期,控制碳纳米管传感器的扫描电压,控制键盘5、显示6、打印7、通讯接口8为辅助模块。信号调理电路进行传感器信号的预处理,如放大、模拟滤波;信号采集,即模数转换;信号处理,如数字滤波、去基线漂移、模式识别。键盘5、显示6、打印7模块作为人机接口,输入控制命令、显示或打印仪器自身状态和测试结果(气体种类、浓度)信息。通讯接口8负责与PC机通讯,实现扩展功能,如测试结果存储和分析、仪器校准与检测、模式下载等。单片微处理器芯片是该电路中的核心单元,产生所需控制信息,对传感器阵列响应信号进行预处理和模式识别运算,得到待测气体的成分和浓度信息。
同现有技术比较,本发明具有如下优点:1)设有富集装置,使仪器的检测下限大大低于了传感器本身的检测下限,测量精确度提高1~2个数量级,适合测量要求较高的场合;2)设有一个密闭的测量气室,内部集成了两个传感器阵列,营造了一个相对稳定、气体流动状况好的环境,大大降低了温度、湿度、空气流动等因素对传感器的影响,提高了检测的稳定性、重复性和鉴别率;3)对金属氧化物传感器采用了动态检测技术,充分利用了传感器的敏感区,提高了响应信号的信息含量,在使用少量传感器的条件下,利用有效的信号处理可以检测更多种类的气体;4)以廉价的普通气敏传感器阵列组成高效的气体检测仪,体积小,成本低,同时可以通过配置不同的传感器阵列组合以适应不同测量要求,可应用于环保、食品、化妆品、化工、医药、安全等诸多领域;本仪器适用于现场检测,既可应用于自动监测场合,也可构建成监测网络;
附图说明
图1为便携式气体检测仪的结构示意图。
图2为富集装置结构示意图。
图3为测量气室结构示意图。
图4为4个SnO2传感器对同种气体的动态响应信号曲线图。
图5为单个碳纳米管传感器对气体的响应信号曲线图。
图6为仪器检测过程工作流程图。
具体实施方式
实施例1:
一种便携式气体检测仪,设有气体富集装置1,缓冲气囊2以及测量气室3,待测气体依次通过富集装置1、缓冲气囊2后进入测量气室3,待测气体通过富集装置1后其浓度提高到原来的10倍;气敏传感器阵列及其信号接口布置在测量气室3的密封腔33内,气敏传感器阵列由4个并联的 金属氧化物传感器和4个并联的碳纳米管传感器组成;富集装置1由进气阀11、受控制电路控制的温度控制器12、加热器13、装有吸附剂的吸附管14、气泵15、出气阀16组成;测量气室3由进气口31、干燥器32、立方体状的密封腔33、排气口34组成,碳纳米管传感器阵列及信号接口33a和金属氧化物传感器阵列及信号接口33b对称地布置在密封腔33内侧;金属氧化物传感器阵列由该传感器自身加热电阻进行周期性加热,加热电压为方波状,其占空比可调。
金属氧化物传感器采用市售的SnO2传感器,工作温度控制在180~300℃,碳纳米管传感器由浙江大学生物传感器国家专业实验室提供;以TENAX-G作为吸附剂,以0.2升/分的速度主动采样15分钟,采样温度控制在25℃,在200℃下热解吸,实现气体富集;单片机MSP430F449实现调理后的传感器信号采集、预处理、模式识别,并控制显示、键盘输入、打印机输出以及采气、热解吸等过程,测量气室的有效容积约为20ml,具有很好的密闭性。分别配制0.5ppm甲醛、苯、甲苯、二甲苯的样本气体,将上述样本气体混合气经过富集10倍后浓度为5ppm,送入气室,传感器响应信号经过调理和预处理后被单片机数字化。
检测过程如图6所示,仪器启动、自检P1,判断仪器是否正常P2,如果仪器故障则报警,显示故障类型P3,否则通过启动气体采样P4,判断采气是否结束P5,如果采气未结束则监测并校准气体流速P6并返回P5,如果采气结束则通过结束采气、启动加热P7,持续检测解吸温度是否到P8,直至达到解吸温度后依次通过结束加热、启动解吸P9,待测气体注入气室P10,启动传感器信号采样P11,直至气体成分和浓度信息计算、显示、打印P12。
对一种甲醛、苯、甲苯、二甲苯混合气的测试结果如图4所示,图中S1、S2、S3、S4分别为4个金属氧化物传感器对混合气体的响应曲线。图5为单个碳纳米管传感器对混合气体的响应曲线。
实施例2:
一种便携式气体检测仪,待测气体依次通过富集装置1、缓冲气囊2后进入测量气室3,待测气体通过富集装置1后其浓度提高到原来的100倍;金属氧化物传感器采用市售的SnO2传感器,工作温度控制在300~420℃,碳纳米管传感器由浙江大学生物传感器国家专业实验室提供;以TENAX-G作为吸附剂,以0.2升/分的速度主动采样15分钟,采样温度控制在25℃,在200℃下热解吸,实现气体富集;单片机MSP430F449实现调理后的传感器信号采集、预处理、模式识别,并控制显示、键盘输入、打印机输出以及采气、热解吸等过程,测量气室的有效容积约为20ml,具有很好的密闭性。分别配制0.1ppm甲醛、苯、甲苯、二甲苯的样本气体,将上述样本气体混合气经过富集100倍后浓度为10ppm,送入气室,传感器响应信号经过调理和预处理后被单片机数字化。其余与实施例1相同。
Claims (4)
1.一种便携式气体检测仪,包括气敏传感器阵列,控制电路,信号调理-采集-处理电路,键盘,打印,显示,通讯接口,其特征在于:设有气体富集装置(1),缓冲气囊(2)以及测量气室(3),待测气体依次通过富集装置(1)、缓冲气囊(2)后进入测量气室(3),待测气体通过富集装置(1)后其浓度提高到原来的10~100倍;气敏传感器阵列及其信号接口布置在测量气室(3)的密封腔(33)内,气敏传感器阵列由4个并联的金属氧化物传感器和4个并联的碳纳米管传感器组成。
2.根据权利1所述的便携式气体检测仪,其特征在于:富集装置(1)由进气阀(11)、受控制电路控制的温度控制器(12)、加热器(13)、装有吸附剂的吸附管(14)、气泵(15)、出气阀(16)组成。
3.根据权利1所述的便携式气体检测仪,其特征在于:测量气室(3)由进气口(31)、干燥器(32)、立方体状的密封腔(33)、排气口(34)组成,碳纳米管传感器阵列及信号接口(33a)和金属氧化物传感器阵列及信号接口(33b)对称地布置在密封腔(33)内侧。
4.根据权利1所述的便携式气体检测仪,其特征在于:金属氧化物传感器阵列由该传感器自身加热电阻进行周期性加热,加热电压为方波状,其占空比可调。
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