CN203965393U - 一种氟利昂气体检测报警仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型属于分析检测技术领域，具体涉及一种氟利昂气体检测报警仪。本实用新型公开了一种氟利昂气体检测报警装置，其包括检测分析系统、气路系统、控制系统和供电系统，检测分析系统、气路系统、控制系统相互连接，供电系统给三者供电。本实用新型所述氟里昂气体监测报警仪具有分离效果好、测量准确、抗干扰能力强、重复性好等特点，对F-1301、F-11、F-12和F-22既能定性分析又能定量分析，采用的技术原理先进，设计合理，使用维护方便，标准化、通用化程度高。

Description

一种氟利昂气体检测报警仪

技术领域

本实用新型属于分析检测技术领域，具体涉及一种氟利昂气体检测报警仪。

背景技术

氟利昂也称为氟氯烃（CFCs)，是完全由人类制造的几种氟氯代甲烷和氟氯代乙烷，最常见的是一氟三氯甲烷（F-11）、二氟二氯甲烷（F-12）、三氟三氯乙烷(F-113）、三氟一溴甲烷(F-1301)。氟利昂在室温下为气体或易挥发液体，化学性质稳定，不具可燃性和极低毒性，广泛用于制冷剂、灭火剂、清洗剂和气雾推进剂等。氟利昂排放到大气中以后相当稳定，在对流层中几乎不会降解，使它们在对流层大气中的浓度急剧上升。氟利昂在对流层大气中为化学惰性气体，但在平流层中受到紫外光照射，光解释放出氯原子，和臭氧反应生成C10分子，循环催化损耗臭氧。此外，氟利昂还是很强的温室效应气体。根据蒙特利尔公约及其补充条约，氟利昂的生产均已停止，但使用还未停止。

目前，国内监测氟利昂的设备如制冷剂泄漏探测仪，一般以半导体为探头，分析总氟利昂，不能定性；在一些使用多种氟利昂（如制冷剂、灭火剂）环境中，这类制冷剂泄漏探测仪不能实时报告那种氟利昂泄漏，需要后续逐一排查程序，耗时耗力；国外氟利昂监测大都采用气相色谱法或气相色谱-电子捕获检测（GC-ECD）法，而气相色谱仪器体积笨重、价格昂贵且不适合便携式检测，同时在气相色谱分析法中，色谱柱常采用毛细管柱和多孔硅胶填充柱，但由于一般检测大气样品中氟利昂种类繁多，市场上的色谱柱产品对较短周期内分离检测F-1301、F-12、F-11效果都不理想。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题在于提供一种便携式的氟利昂气体检测报警装置，以克服现有技术的不足。

本实用新型公开了一种氟利昂气体检测报警仪，其包括检测分析系统、气路系统、控制系统和供电系统，检测分析系统、气路系统、控制系统相互连接，供电系统给三者供电；其特征在于所述气路系统分为样品气气路和载气气路，其中所述样品气气路为样品气由气泵进入三通，一路经过气阻、电磁阀1、电磁阀2、脱氢管进入所述卤素传感器，一路经过气阻接入十通阀；所述载气气路为载气经过电子压力控制器稳压后，进入三通，一路经过气阻接入十通阀用于分析，一路经过气阻接入十通阀用于载气反吹；所述检测分析系统由电子捕获检测器单元和卤素传感器单元组成，其中所述电子捕获检测器单元包括电子捕获检测器包括定量管、色谱预柱、色谱主柱和电子捕获检测器，所述定量管、色谱预柱和色谱主柱分别通过气管接入十通阀而连接，色谱主柱通过气管接入电子捕获检测器；所述色谱主柱包含载体、柱管和固定液，所述柱管长度≥1600mm；所述载体为80～100目DG-2；所述固定液为Apiezon L固定液，其涂渍量为3.2%-4.0%。

在一些优选实施例中，所述氟利昂色谱柱长度优选为1600mm；

在一些优选实施例中，所述Apiezon L涂渍量为3.2%；

在一些优选实施例中，所述柱管为不锈钢管，其外径φ3mm，壁厚0.5mm。

在一些优选实施例中，所述控制系统主要由ARM、MCU、数据采集、泵阀控制、通信组成，集成于集成电路板上；所述ARM采用200MHz主频的ARM920T内核的EP9315处理器；所述MCU为8位单片机PIC16F886，其通过RS-232接口与ARM通信；所述数据采集由AD7794芯片完成模拟量采集，其通过SPI接口与MCU通信；所述泵阀控制由MCU控制，由大功率管TIP122通断电流，根据气路时序要求，进行动态控制；所述通信由MCU、ARM完成，MCU上传数据给ARM，ARM连接十通阀与电子压力控制器，由ARM控制十通阀切换，设定电子压力控制器的压力值。

所述氟利昂气体检测报警装置的检测方法，包括下列步骤：

载气连接到氮气瓶减压阀上，打开氮气瓶主阀并调节减压阀分压表输出压力为0.3Mpa;

接通电源，仪器自动启动，进入预热状态，半个小时后进入监测状态；

本实用新型所述氟里昂气体监测报警仪采用双检测器设计，具有分离效果好、测量准确、抗干扰能力强、重复性好等特点，对F-1301、F-11、F-12和F-22既能定性分析又能定量分析，采用的技术原理先进，设计合理，使用维护方便，标准化、通用化程度高；自行研制了色谱分离柱，利用多种氟里昂在色谱分离柱中分配系数或吸附能力的差别将其分离，实现了对多种氟里昂鉴别；采用色谱预柱和色谱主柱双分离柱设计，保证了数据准确，延长了色谱分离柱的使用寿命；线路板采取高绝缘阻抗设计，排除了元器件噪音干扰，采取微电流探测技术，实现了纳安级微电流探测，提高了仪器的灵敏度；采用自动调零技术，实时调整基线，仪器基线值稳定，不随时间漂移，没有累计偏差，降低了测量误差，提高了仪器稳定性，保证了数据的重现性。

附图说明

图1为本实用新型的结构示意图。

图2为本实用新型的气路流程图。

图3为本实用新型的电路控制系统框图。

图4为本实用新型的软件流程图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本实用新型作进一步的阐述，应理解，这些实施例仅用于说明本实用新型而不用于限制本实用新型的范围。此外应理解，在阅读了本实用新型讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本实用新型作各种改动或修改，这些等价同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本实用新型术语“电子捕获检测器”、“ECD检测器”、“ECD”和“电子检测器”为同义技术术语，可等同替换。

实施例1氟利昂色谱柱的制备

色谱柱的制作流程具体实施

(1)材料：不锈钢管（外径φ3mm，壁厚0.5mm）、DG-2(80-100目)、ApiezonL（阿皮松－L）、丙酮

(2)色谱柱管体制作：截取外径φ3mm，壁厚0.5mm的不锈钢管长度1600mm一根，断口平齐园整，无毛刺，无收口或扩口，将管料绕成螺旋状的色谱柱管色谱柱内径mm。

(3)清洗：将色谱柱管体浸泡在工业清洁剂与纯水混合液中，用超声波清洗器清洗约半小时，然后用超声波清洗机清洗40分钟，用纯净水淋洗干净后再放入烘箱烘干。用压缩空气吹净管壁中杂质。

(4)色谱填料处理：DG-2(80-100目)，经过筛处理，称取10g；丙酮20ml，称取阿皮松L，溶解于丙酮中，搅拌完；完全溶解，将10g DG-2倒入烧杯，搅拌使丙酮完全覆盖DG—2；在通风厨内晾干备用。

(5)填充色谱柱：将少许石英棉塞入色谱柱管体，再用卷成棒状的长6～8mm的铜丝网卷(尽量卷紧)塞入色谱柱管体，此端用塑料管接通玻璃过滤球，再接通真空泵，另一端用过渡接头接漏斗，开动真空泵，将填料（涂渍的DG-2，须经过筛处理）加入漏斗吸入柱管中，此时须用振荡器不断敲振柱管各部分，使填料在管内尽量均匀填满，然后用少许石英棉塞入管口，再用钢丝网卷(长6～8mm)塞入管口，注意铜丝网卷不能太用力塞，以防压碎柱管口部的载体。

(6)老化：填充好的色谱柱放入烘箱内，柱内通氮气，氮气压力设定0.2～0.25MPa，烘箱温度设定150℃，老化时间7～8小时，自然冷却后关闭氮气。

色谱柱制作条件和结果

监测氟里昂分析周期越短越有利，采用80～100目DG-2（硅胶）加3.2%Apiezon L（高分子饱和烃混合物）固定液的分离柱，分离柱的材料为不锈钢管（外径mm，壁厚0.5mm），柱长1600mm，老化温度150℃是色谱柱的最佳选择。

实施例2氟利昂色谱柱的分离验证试验

分析条件：ECD检测器，柱温70℃，载气为高纯氮，柱前压为0.2MPa；

标准气：F-1301（24ppm）、F-12（52ppm）、F-11（25ppm）混标；

打开仪器电源，高纯氮柱前压调节为0.2MPa，将柱温设定为70℃，柱温恒定后稳定2h，进标准气分析。

分离效果：

	信号峰	F-1301	F-12	F-11
					出峰时间（s）		73	95	232
峰面积	1016	351	284	2115

实施例1所制备柱与市售柱，对标准气进行检查，结果如下表：

实施例3氟利昂气体检测报警装置

一种氟利昂气体检测报警装置，320mm×410mm×220(L×H×W)其包括检测分析系统、气路系统、控制系统和供电系统，检测分析系统、气路系统、控制

系统相互连接，供电系统给三者供电；（图1）

3.1气路系统设计

气路系统分为2路，1路是样品气，另1路是载气（高纯氮），主要由采样泵、三通、样品气阻、氮气气阻、压力控制器、十通阀等组成。气路系统流程图见图2。

A、样品气由气泵进入三通块，一路经过气阻、电磁阀及脱氢管进入卤素传感器，该传感器的响应代表了样品气中F22的浓度信息；一路接入十通阀。

注：样品气与氮气反吹依靠电磁阀1和电磁阀2的同步切换分时进入脱氢管，电磁阀为两位三通阀，同时动作。

B、载气（通常为高纯氮）经过压力控制器稳压后，进入三通块，一路用于分析，一路用于反吹。

C、当十通阀处于图中虚线位置时：是采样过程，样品气充满定量管。

1）样品气→十通阀→定量管→样品气放空1

2）氮气分析→十通阀→色谱预柱→十通阀→氮气反吹→电磁阀2

3）氮气反吹→十通阀→色谱主柱→ECD→分析放空

当十通阀处于图中实线位置时：是分析过程，样品气直接放空。

1）样品气→十通阀→样品放空1

2）氮气分析→十通阀→定量管→十通阀→色谱预柱→十通阀↓

                               分析放空←ECD←色谱主柱

3）氮气反吹→十通阀→氮气反吹→电磁阀2

色谱分离柱是仪器区分多种氟里昂的基础，市场上的产品对几种氟里昂的分离效果都不理想，必须自行研制能够满足要求的色谱分离柱。研制组经过反复论证、实验，最终选用80～100目DG-2（硅胶）作为载体，加Apiezon L（高分子饱和烃混合物）固定液，通过浸渍、填充、老化等工艺制作成型，将信号峰、F-1301、F-12、F-11的有效分离。考虑到样品气体种类多、成分复杂，设计了色谱预柱和色谱主柱双分离柱，将高分子、高沸点的有机物留在预柱中，防止其进入色谱主柱污染主柱，载气反吹将杂质清除，保证了数据准确，延长了色谱分离柱的使用寿命。

3.2控制系统的设计

控制系统主要有ARM上位机、MCU（微程序控制器）、数据采集、泵阀控制、通信、基线自动调零组成，集成于线路板。如图3所示。

①ARM上位机

上位机功能由ARM系统完成，ARM采用200MHz主频的ARM920T内核的EP9315处理器，该系统运行Win CE小型操作系统，低功耗，高性能，具备32M FLASH和32M SDRAM存储器，USB、100M以太网口、串行接口、TFT接口等。为存储大容量数据，特别在系统内加载了一片4G的CF卡存储器。仪器的人机界面在ARM上完成，下位机（MCU）通过串行接口将数据上传给ARM系统，ARM系统经过运算、绘制曲线等方式填充数据库，用以查询。

②MCU部分

测控板MCU采用Microchip公司的8位单片机PIC16F886，该单片机担负测控与信息上传的任务。

模拟量采集——ECD信号、恒温箱温度、箱内气压、卤素传感信号。

开关量控制——样品泵、卤素阀、风扇、十通阀、加热器。

信息上传——将采集并处理后的数据实时上传ARM系统。

③数据采集

本仪器主要采集4路模拟量，分别是ECD信号、恒温箱温度、箱内气压、卤素传感信号，这些模拟量通过ANALOG DEVICE公司的AD7794芯片完成，该芯片为24位6通道全差分A/D转换器，增益与噪声性能优良，适合本电路模拟量采集，该芯片通过SPI接口与MCU通信，MCU可获得AD转换数据。

④泵阀控制

仪器气路中的样品泵、卤素阀由MCU控制，由大功率管TIP122通断电流，根据气路时序要求，进行动态控制。

⑤通信部分

通信部分由MCU、ARM完成，MCU上传数据给ARM，ARM连接十通阀与电子压力控制器。由ARM控制十通阀切换，设定电子压力控制器的压力值。ARM具有向外通信的一个串口。

仪器采用气相色谱的技术监测空气中氟里昂浓度，气相色谱有一个基线的参数，该参数的意义为：纯载气通过检测器时，检测器电路所探测出来的电流值，即基础电流值，称之为基线；带有微量样品气的载气经过检测器时，由于样品气的存在，电流值改变了，就是在基线的基础上，出现样品的特色峰，这些特色峰的面积或高度即代表了样品气中某种成分的浓度，这就是色谱出峰图。基线值是该方法的一个最重要的参数，基线不稳，出峰就不稳，浓度计算则偏差巨大。因此，保持基线稳定是保证测量数据精确的基础。

本实用新型应用12位D/A转换器，通过MCU的控制作用，形成了一个闭环控制系统，实时调整基线，稳定基线的高低。其原理如下：MCU检测到当前的基线值，与设定值比较，所得差值经过运算后送入D/A转换器，D/A转换器的输出控制电子检测器的电场强弱，从而控制了电流的大小，达到控制基线的目的。编制基线修正软件，由软件判断平衡的偏差，进而控制D/A输出的增减，这样的循环过程一直持续到最终迭加结果在规定的误差范围内为止。经过基线自动调零的作用，该仪器基线值比较稳定，长期稳定度为小于1mV/24h，并且不随时间漂移，没有累计偏差。

ECD中，最后形成的可以测量的就是自由电子定向移动产生的微弱电流，通常该电流值的量级为几纳安至几十纳安（nA），探测出这样小的电流，采用常规电路几乎无法达到，外界的干扰及电路中器件的噪声就已经将这个信号淹没了。本实用新型电路采用超低偏置电流运算放大器，其偏置电流为fA（10-15）级，即流入该运放的电流极低，不会影响nA级电流的采样。另外，线路板的绝缘阻抗并不高，一般为兆欧级，几十个MΩ左右，因此微弱电流也会通过线路板泄露。电路上，凡是有被测电流经过的回路，都采用聚四氟乙烯的接线柱（绝缘阻抗可达GΩ级连接，焊接采用搭焊的方式进行，尽量避免被测电流被旁路泄露掉。整个电路板用高品质三防漆涂刷，在防潮，防盐雾，防腐蚀的同时，还可以增大有效阻抗，提高电路检测的精度。

3.3恒温控制设计

仪器恒温箱内装有色谱柱、相关气路及电子检测器，这些器件需要在恒定的温度下才会发挥效用，因此需要测温控温。整个恒温箱由保温层进行保温，采用双加热棒在两个方向进行加热，确保恒温箱内部温度的一致性。温控电路实现了电力线与测量控制线路的隔离，既保证了控温精度又安全可靠，同时提供超温保护电路和温控故障报警信号，确保仪器的可靠性和安全性。测温传感器为PT100型温度传感器，精度A级（±0.1℃）。恒温箱加热器由两个24V加热棒并联组成，微程序控制器（MCU）通过控制大功率管TIP122的通断来改变加在加热棒上的功率，从而控制加热程度，达到控温目的。

MCU、A/D（模拟信号/数字信号）、PT100、加热器四者共同组成一个闭环系统，MCU通过A/D转换器测得PT100信号（温度信息），然后与温度设定值比较，驱动大功率管，采用PID算法进行闭环控制。

3.4供电系统，参见见图3

仪器额定220VAC供电，供电电压范围85～265VAC，频率50±0.1Hz。外接220V电源经仪器内部电源滤波器后向24V军用开关电源供电，该电源输出功率为200W，用以提供仪器内部的电路使用。

恒温箱（色谱箱）内的加热件、十通阀电机、样品泵、卤素阀、风扇等直接由24V电源供电。

测控电路板和电源逆变板也由24V电源供电，电源经板内DC/DC模块转换为板上电路需要使用的5V、3.3V、±15V等电源。

3.5软件的设计

氟里昂气体监测报警仪的软件是以实现其技术指标和使用功能而设计。软件的编制和设计流程图见图4。

本实用新型的范围不受所述具体实施方案的限制，所述实施方案只作为阐明本实用新型各个方面的单个例子，本实用新型范围内还包括功能等同的方法和组分。实际上，除了本文所述的内容外，本领域技术人员参照上文的描述和附图可以容易地掌握对本实用新型的多种改进。所述改进也落入所附权利要求书的范围之内。上文提及的每篇参考文献皆全文列入本文作为参考。

Claims (10)

1.一种氟利昂气体检测报警仪，其包括检测分析系统、气路系统、控制系统和供电系统，检测分析系统、气路系统、控制系统相互连接，供电系统给三者供电；其特征在于所述气路系统分为样品气气路和载气气路，其中所述样品气气路为样品气由气泵进入三通，一路经过气阻、电磁阀1、电磁阀2、脱氢管进入所述卤素传感器，一路经过气阻接入十通阀；所述载气气路为载气经过电子压力控制器稳压后，进入三通，一路经过气阻接入十通阀用于分析，一路经过气阻接入十通阀用于载气反吹；所述检测分析系统由电子捕获检测器单元和卤素传感器单元组成，其中所述电子捕获检测器单元包括电子捕获检测器包括定量管、色谱预柱、色谱主柱和电子捕获检测器，所述定量管、色谱预柱和色谱主柱分别通过气管接入十通阀而连接，色谱主柱通过气管接入电子捕获检测器；所述色谱主柱包含载体、柱管和固定液，所述柱管长度≥1600mm；所述载体为80～100目DG-2；所述固定液为Apiezon L固定液，其涂渍量为3.2%-4.0%。

2.如权利要求1所述氟利昂气体检测报警仪，其特征在于所述柱管长度为1600mm。

3.如权利要求1所述氟利昂气体检测报警仪，其特征在于所述Apiezon L固定液的涂渍量为3.2%。

4.如权利要求1所述氟利昂气体检测报警仪，其特征在于所述柱管为不锈钢管，其外径φ3mm，壁厚0.5mm。

5.如权利要求1所述氟利昂气体检测报警仪，其特征在于所述控制系统主要由ARM、MCU、数据采集、泵阀控制、通信组成，集成于集成电路板上；所述ARM采用200MHz主频的ARM920T内核的EP9315处理器；所述MCU为8位单片机PIC16F886，其通过RS-232接口与ARM通信；所述数据采集由AD7794芯片完成模拟量采集，其通过SPI接口与MCU通信；所述泵阀控制由MCU控制，由大功率管TIP122通断电流，根据气路时序要求，进行动态控制；所述通信由MCU、ARM完成，MCU上传数据给ARM，ARM连接十通阀与电子压力控制器，由ARM控制十通阀切换，设定电子压力控制器的压力值。

6.如权利要求1所述氟利昂气体检测报警仪，其特征在于其还包含恒温箱，箱内装有色谱柱、相关气路和电子捕获检测器。

7.如权利要求5所述氟利昂气体检测报警仪，其特征在于所述控制系统中12位D/A转换器和MCU形成了一个闭环控制系统，D/A转换器的输出控制电子捕获检测器的电场强弱，实时调整基线。

8.如权利要求5所述氟利昂气体检测报警仪，其特征在于所述集成电路板电路采用超低偏置电流运算放大器，其偏置电流为fA级。

9.如权利要求5所述氟利昂气体检测报警仪，其特征在于所述集成电路板电路中有被测电流经过的回路，都采用聚四氟乙烯的接线柱连接，焊接采用搭焊的方式。

10.如权利要求5所述氟利昂气体检测报警仪，其特征在于所述集成电路板用高品质三防漆涂刷。