CN207439947U

CN207439947U - 有毒无机气体现场快速检测系统

Info

Publication number: CN207439947U
Application number: CN201721555258.3U
Authority: CN
Inventors: 冯亮; 孟虎; 李慧
Original assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Current assignee: Dalian Institute of Chemical Physics of CAS
Priority date: 2017-11-20
Filing date: 2017-11-20
Publication date: 2018-06-01
Anticipated expiration: 2027-11-20

Abstract

本实用新型涉及一种有毒无机气体现场快速检测系统，包括微型空气泵连接反应检测模块，采集待测气体，并通过固定流速泵入反应检测模块，与反应检测模块中比色阵列传感器膜上的指示剂反应；处理器连接比色阵列传感器成像装置，控制比色阵列传感器成像装置对检测模块中的比色阵列传感器上带颜色的检测点进行取像；调速器连接处理器，接收处理器发送的控制信号，另一端连接微型空气泵，控制微型空气泵的流速。本实用新型检测仪体积小，不容易受外界因素的干扰，可同时检测多种有毒无机气体，能够充分满足多种有毒无机气体现场快速检测预警；可以得到待测有毒气体的定性信息，并通过对颜色的数字化处理，进行半定量检测；成本低廉，功耗低，可便携。

Description

有毒无机气体现场快速检测系统

技术领域

本实用新型涉及气体检测技术领域，具体地说是一种有毒无机气体现场快速检测系统。

背景技术

随着经济的发展，现代工业的进步，化学化工等领域得以迅速发展，为国民经济的提升做出了巨大贡献。然而，很多化学化工产品在合成过程中，需要用到有毒的无机气体，如氯气、氟气、硫化氢、氟化氢、二氧化硫等；同时，一些气体还常被用作生产过程中的冷凝剂，如液氨；在我们的科研工作中，也或多或少的会接触和用到有毒无机气体。这些有毒无机气体在储存、运输和使用过程中有可能发生意外泄漏，不仅会污染环境、影响生态平衡，更有甚者会导致爆炸、火灾、中毒等灾害性事故。

很显然，对这些有毒无机气体泄漏进行早期检测和及时预警是十分必要的，定时定期对所处钢瓶和管线进行排查，将事故防患于未然，是重中之重。与此同时，我们也应注意到，在抢救事故和疏散群众的过程中，及时知道所处位置的有毒气体浓度，以便迅速划定安全区域，同样不容忽视。

由于所涉及到的有毒无机气体种类繁多，在未确定为何种有毒无机气体时，检测人员往往需要携带多种气体传感器进入现场，依次检测，费时费力，并且可能会因此而浪费宝贵的抢救时间；同时，由于所涉及的气体为无机气体，常规的小型气相色谱难以较好地进行分离检测，而一般的气体传感器往往选择性差，且对大多数有毒无机气体几乎没有响应，较难进行全方位的排查。因此，亟需开发一款集成一体化的检测设备，用于储存、运输和使用过程中此类有毒无机气体的现场快速预警与检测，并且在救灾中用于安全区域的及时划定。

实用新型内容

针对现有技术的不足，本实用新型提供一种有毒无机气体现场快速检测系统，充分满足多种有毒无机气体现场快速检测预警。

本实用新型为实现上述目的所采用的技术方案是：

一种有毒无机气体现场快速检测系统，包括

微型空气泵连接反应检测模块，采集待测气体，并通过固定流速泵入反应检测模块，与反应检测模块中比色阵列传感器膜上的指示剂反应；

处理器连接比色阵列传感器成像装置，控制比色阵列传感器成像装置对检测模块中的比色阵列传感器上带颜色的检测点进行取像；

调速器连接处理器，接收处理器发送的控制信号，另一端连接微型空气泵，控制微型空气泵的流速。

所述反应检测模块为内置有固载指示剂的基质，且四周密闭仅留有进气口和出气口的密闭腔室。

所述比色阵列传感器成像装置包括：

微型CMOS摄像头1固定在顶板2上，镜头筒3通过螺钉与顶板2相连接，微距镜头4、广角镜头5装于镜头筒3中，螺杆6通过螺杆卡套8固定在壳体9上，两个导向杆7分别固定在壳体9两侧，白色LED补光板12装于底板13内，中间板11、底板13与壳体9通过螺钉连成一体，镜头筒3与顶板2通过螺杆6置于壳体9内。

所述白色LED补光板12由数个LED灯珠或LED面光源组成。

所述比色阵列传感器包括反应试剂盒、比色阵列传感器膜，比色阵列传感器膜上固载有可与待测分析物发生反应的指示剂。

锂电池通过电压转化模块连接系统，为系统供电。

触摸屏连接处理器，用于显示待测气体的浓度值。

所述微型空气泵的流量为0mL/min～1000mL/min。

本实用新型具有以下有益效果及优点：

1.本实用新型检测仪体积小，不容易受外界因素的干扰，可同时检测多种有毒无机气体，能够充分满足多种有毒无机气体现场快速检测预警；

2.本实用新型检测仪可以得到待测有毒气体的定性信息，并通过对颜色的数字化处理，进行半定量检测；

3.本实用新型反应检测模块引入了可抛型比色阵列传感的概念，摒弃传统理念，将强化学作用力引入到反应模块的设计中，提升检测仪的检测灵敏度；

4.本实用新型成本低廉，功耗低，可便携；

5.本实用新型的反应检测模块中的传感器膜能稳定保存半年以上，对抗湿度和温度变化干扰的能力强。

附图说明

图1是本实用新型的系统结构图；

图2是本实用新型的处理器控制框图；

图3是本实用新型的比色阵列传感器成像装置结构图；

图4是本实用新型的比色阵列传感器成像装置与扫描仪成像对比图；

图5是本实用新型的利用比色阵列传感器成像装置对通入100ppm SO₂气体的溴甲酚绿比色传感器每隔一分钟进行一次取像，并用Photoshop软件对图像的RGB值进行提取的结果图；

图6是本实用新型的系统对浓度为300ppm的NH₃检测中传感器的颜色变化图；

图7是本实用新型的系统浓度为100ppm的SO₂检测中传感器的颜色变化图；

图8是本实用新型的系统对浓度为1-10ppm的Cl₂检测中传感器的颜色变化图和颜色变化的RGB差值图；

图9是本实用新型的系统通过对浓度为100ppm的SO₂气体的检测，考察用于检测SO₂气体的传感器的可重复利用性的颜色变化的RGB差值图；

图10是本实用新型的系统对SO₂、Cl₂、H₂S、NO₂、HF、F₂、HNO₃、NH₃等8中气体进行检测得到的聚类分析图；

其中1为微型CMOS摄像头、2为顶板、3为镜头筒、4为微距镜头、5为广角镜头、6为螺杆、7为导向杆、8为螺杆卡套、9为壳体、10为比色阵列传感器、11为中间板、12为白色LED补光板、13为底板、14为主板、15为触摸屏、16为微型空气泵、17为电压转化模块、18为锂电池、19为手柄、20为后壳体、21为反应检测模块、22为调速器、23为比色阵列传感器成像装置、24为前壳体。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本实用新型做进一步的详细说明。

实施例1：

如图1所示为本实用新型的系统结构图。

系统由前壳体24、主板14、触摸屏15、微型空气泵16、电压转化模块17、锂电池18、手柄19、后壳体20、反应检测模块21、调速器22以及比色阵列传感器成像装置23组成。

待测气体由微型空气泵16以固定的流速抽至反应检测模块21内，并与比色阵列传感器膜发生反应，其颜色变化由摄像头进行捕捉，并经一定的算法转换成浓度值在触摸屏15中显示。

主板14以及触摸屏15固定在前壳体24上，微型空气泵16、电压转化模块17固定在底板13上，锂电池18装于手柄19中，反应检测模块21以及调速器22固定在后壳体20上。

微型空气泵16的流量为500mL/min。

电压转化模块17将锂电池18的输出电压转化成其它用电部件所需的工作电压。

反应检测模块21包括带手柄的反应试剂盒、比色阵列传感器膜、白色LED补光板以及微型CMOS摄像头。

待测气体由微型空气泵16以固定的流速抽至反应检测模块21内，与模块中比色阵列传感器膜上的指示剂发生反应，主板14控制摄像头对检测模块中的比色传感器阵列进行取像。

对图像进行提取阵列中所有指示剂颜色的RGB值，获得传感器内指示剂颜色的RGB值，并将指示剂颜色的初始RGB值与通入气体后的进行差减，从而得到指示剂的颜色变化值△R、△G以及△B，利用公式计算得到通入不同浓度气体后指示剂的颜色变化值，并通过与之前所做的指纹图库与线性公式计算得出待测气体及其浓度值在触摸屏15中显示。然后与指纹图库中的数据进行比对，从而得到待测气体及其浓度值在触摸屏15中显示。该部分为现有技术，本实用新型在此不做保护。

如图2所示是本实用新型的处理器控制框图。

处理器接收触摸屏的外部输入指令，处理器只通过电平信号控制调速器是否通电工作还是断电不工作。

锂电池连接电压转化模块，通过电压转化模块后，电压转化模块可将锂电池的输出电压转化成其它用电部件所需的工作电压，为触摸屏、处理器、调速器和微型空气泵供电。

如图3所示是本实用新型的比色阵列传感器成像装置结构图。

所述装置由微型CMOS摄像头1、顶板2、镜头筒3、微距镜头4、广角镜头5、螺杆6、导向杆7、螺杆卡套8、壳体9、中间板11、白色LED补光板12以及底板13组成。

微型CMOS摄像头1固定在顶板2上，微距镜头4、广角镜头5装于镜头筒3中，镜头筒3通过螺钉与顶板2相连接，螺杆6通过螺杆卡套8固定在壳体9上，两个导向杆7分别固定在壳体9两侧，白色LED补光板12装于底板13内，中间板11、底板13与壳体9通过螺钉连成一体，镜头筒3与顶板2通过螺杆6置于壳体9内。

微距镜头4的放大率为1:1～1:10，广角镜头5的广角度为0.2～0.7。

螺杆6长度为20mm～60mm。

壳体9高度为30mm～80mm。

比色阵列传感器包括带手柄的反应试剂盒、比色阵列传感器膜，比色阵列传感器膜上固载有可与待测分析物发生反应的指示剂。

白色LED补光板12由数个LED灯珠或LED面光源制作而成。

应用例1：

取制备好的由36中指示剂制备得到的6*6的传感器阵列，分别用扫描仪和比色阵列传感器成像装置对其进行取像，其图像见图4，从图4中可以看出，比色阵列传感器成像装置与扫描仪获得的图像基本一样，说明该成像设备完全可以替代扫描仪用于比色传感器的取像。

应用例2：

称取指示溴甲酚绿4mg，放入1.5mL离心管中，然后向离心管中加入1mL溶胶凝胶溶液(溶胶凝胶的制备方法为：四乙氧基硅烷：正辛烷三乙氧基硅烷：乙二醇甲醚：丙二醇甲醚醋酸酯：乙腈：0.1M盐酸：吐温20：水以0.5：0.6：3.5：1.4：0.45：0.35：0.03：1体积比混合得10mL溶液，常温下水解16小时，得溶胶凝胶溶液)，超声溶解后向其中加入浓度为0.2M的六亚甲基四胺30微升，震荡混匀，用移液枪吸取指示剂溶液2微升滴涂在0.45微米的聚氯乙烯膜上，待有机溶剂挥发完全后将其放入避光的密闭容器中，氮气环境保护下室温避光保存、备用。取固载有指示剂的膜，将其裁切成与小盒底的内径大小一致并放入小盒的底中，扣好盖，将小盒四边热封好，最终得到了制备好的SO2气体传感器。取制备好的传感器连接到气体管路中并向其中通入流速为300mL/min，相对湿度30％，浓度分别为100ppm的SO2气体10min，在此过程中用比色阵列传感器成像装置进行取像，每隔一分钟取一次像，对获得的图像用Photoshop软件进行取色，获得随SO2气体的通入传感器中的指示剂颜色的RGB值，并将指示剂颜色的初始RGB值与其进行差减，从而得到指示剂的颜色变化值△R、△G以及△B，利用公式计算得到随时间变化指示剂颜色值得变化情况，其结果如图5所示，结果显示，利用比色阵列传感器成像装置能够很好的获取随SO2气体的通入指示剂的颜色变化情况。

应用例3：

称取指示剂溴甲酚紫2mg，放入1.5mL离心管中，然后向离心管中加入1mL溶胶凝胶溶液(溶胶凝胶的制备方法为：辛烷三乙氧基硅烷：(3-巯基丙基)三甲氧基硅烷：乙二醇甲醚：丙二醇甲醚醋酸酯：二氯乙烷：0.1M盐酸：十六烷基三甲基溴化铵：水以0.5：0.6：3.5：1.4：0.45：0.35：0.03：1体积比混合得10mL溶液，常温下水解24小时，得溶胶凝胶溶液))，超声溶解后向其中加入浓度为0.1M的氢氧化钾20微升，震荡混匀，用移液枪吸取指示剂溶液2微升滴涂在whatman 41号滤纸上，待有机溶剂挥发完全后将滤纸放入避光的密闭容器中，氮气环境保护下室温避光保存、备用。取固载有指示剂的滤纸，将其裁切成与小盒的底内径大小一样后放入小盒的底中，扣好盖后将四边通过热封的方法封好，最终得到了制备好的传感器。取制备好的传感器连接到气体管路中并向其中通入流速为300mL/min，湿度30％，浓度分别为12.5，18.75，25，32.5，38.75ppm的SO₂气体3min，并用比色阵列传感器成像装置对通入SO₂气体前后的传感器进行取色，对获得的图像用Photoshop软件进行取色，获得传感器内指示剂颜色的RGB值，并将指示剂颜色的初始RGB值与通入SO₂后的进行差减，从而得到指示剂的颜色变化值△R、△G以及△B，利用公式计算得到通入不同浓度SO₂气体后指示剂的颜色变化值，其中，ED为欧几里得距离(euclideanmetric)，其结果如图5所示，结果显示，指示剂甲基红与溴甲酚紫的混合物对浓度在12.5-38.75ppm之间的SO₂气体具有很好的线性关系，其中R²＝0.998，线性方程为y＝1.2813x-0.2337，其中R²为拟合系数，x表示SO₂的浓度，y表示对通入SO₂气体前后的传感器进行取色，并对其进行差减得到的△R、△G以及△B，然后利用公式计算得到的值。从上述实验结果可以看出，该成像设备可以用于以比色传感器为基础的有毒气体的检测。

实施例2

取实施例1中的无机有毒气体现场快速检测系统，将用于气体检测的由36种指示剂制备得到的6×6的阵列传感器插入检测仪插口中，通过检测仪获取阵列传感器的初始图片，然后打开空气泵，通过管路将浓度为300ppm的NH3从气袋中以300mL/min的流速泵入阵列传感器中，使得NH3与传感器中的指示剂进行反应，3min后再次用检测设备对其进行取像，通过测试仪中的后台程序对所获得的传感器与NH3反应前后的图像进行对比，从得到传感器与NH3反应后的颜色变化情况。上述实验重复5次，5次NH3气体检测的颜色变化情况如图6所示，从图6中可以看出，该检测仪能够快速的对NH3进行检测，且对浓度为300ppm的NH3的检测效果明显。另外，通过重复实验可以看出，重复性很好，说明该检测系统的稳定性很好。

实施例3.

取实施例1的无机有毒气体现场快速检测系统，将用于气体检测的由36种指示剂制备得到的6×6的阵列传感器插入检测系统插口中，通过检测系统获取阵列传感器的初始图片，然后打开空气泵，通过管路将浓度为100ppm的SO2从气袋中以300mL/min的流速泵入阵列传感器中，使得SO2与传感器中的指示剂进行反应，3min后再次用检测系统对其进行取像，通过测试系统中的后台程序对所获得的传感器与SO2反应前后的图像进行对比，从得到传感器与SO2反应后的颜色变化情况。上述实验重复5次，5次SO2气体检测的颜色变化情况如图7所示。

从图7中可以看出，该检测系统能够快速的对SO2进行检测，且对浓度为100ppm的SO2的检测效果明显。另外，通过重复实验可以看出，重复性很好，说明该检测系统的稳定性很好。

实施例4

取实施例1所得无机有毒气体现场快速检测系统，将用于气体检测的由36种指示剂制备得到的6×6的阵列传感器插入检测系统插口中，通过检测系统获取阵列传感器的初始图片，然后打开空气泵，通过管路将浓度为1、2、3、4、5、6、7、8、9、10ppm的Cl₂从气袋中以300mL/min的流速泵入阵列传感器中，使得Cl₂与传感器中的指示剂进行反应，3min后再次用检测系统对其进行取像，通过测试系统中的后台程序对所获得的传感器与Cl₂反应前后的图像进行对，并提取其颜色变化的RGB值，从得到传感器与Cl₂反应后的颜色变化情况。

从图8中可以看出制备的阵列传感器对Cl₂的检测下线为1ppm，且随着浓度的增加响应值增加到10ppm左右趋于平衡，其颜色变化情况及颜色变化值如图8所示。

实施例5

取实施例1所得无机有毒气体现场快速检测系统，将用于气体检测的由36种指示剂制备得到的6×6的阵列传感器插入检测系统插口中，通过检测系统获取阵列传感器的初始图片，然后打开空气泵，通过管路将浓度为100ppm的SO₂从气袋中以300mL/min的流速泵入阵列传感器中，使得SO₂与传感器中的指示剂进行反应，10min后将SO₂气体转换成空气，通入空气20min后再次换成SO₂气体，如此循环，共循环4次，在通气的过程中通过检测系统对阵列传感器进行取像，每隔一分钟取一次像，通过测试系统中的后台程序对所获得的传感器与SO₂反应前后的图像进行对比，从得到传感器与SO₂反应后的颜色变化的R GB值。

从图9中可以看出，随着SO₂气体的通入，指示剂的颜色迅速发生变化，且很快达到平衡(约3min)，当改通入空气后指示剂的颜色又回到了其初始颜色，且如此循环通入SO₂和空气的过程中指示剂的响应情况基本保持一样，且在通入空气过程中很快能回到指示剂颜色的初始值，说明该传感器在测定SO₂的过程中具有可重复利用性。

实施例6

取实施例1所得无机有毒气体现场快速检测系统，将其用于气体检测的由36种指示剂制备得到的6×6的阵列传感器插入检测系统插口中，通过检测系统获取阵列传感器的初始图片，然后打开气泵，通过管路将一定浓度的SO2、Cl2、H2S、NO2、HF、F2、HNO3、NH3等有毒气体和纯净的空气中的一种从气袋中以300mL/min的流速泵入阵列传感器中，使得气体与传感器中的指示剂进行反应，3min后通过检测系统获取传感器与气体反应后的图片，通过测试系统中的后台程序对所获得的传感器与气体反应前后的图像进行对比，从而得到传感器与气体反应后的颜色变化的RGB值。每种气体重生上述实验五次，对所获得的所有实验数据导入聚类分析软件，其分析结果如图10所示，从图10中可以看出，该检测仪可以对上述8种有毒气体进行区分。

Claims

1.一种有毒无机气体现场快速检测系统，其特征在于：包括

2.根据权利要求1所述的有毒无机气体现场快速检测系统，其特征在于：所述反应检测模块为内置有固载指示剂的基质，且四周密闭仅留有进气口和出气口的密闭腔室。

3.根据权利要求1所述的有毒无机气体现场快速检测系统，其特征在于：所述比色阵列传感器成像装置包括：

微型CMOS摄像头(1)固定在顶板(2)上，镜头筒(3)通过螺钉与顶板(2)相连接，微距镜头(4)、广角镜头(5)装于镜头筒(3)中，螺杆(6)通过螺杆卡套(8)固定在壳体(9)上，两个导向杆(7)分别固定在壳体(9)两侧，白色LED补光板(12)装于底板(13)内，中间板(11)、底板(13)与壳体(9)通过螺钉连成一体，镜头筒(3)与顶板(2)通过螺杆(6)置于壳体(9)内。

4.根据权利要求3所述的有毒无机气体现场快速检测系统，其特征在于：所述白色LED补光板(12)由数个LED灯珠或LED面光源组成。

5.根据权利要求1或3所述的有毒无机气体现场快速检测系统，其特征在于：所述比色阵列传感器包括反应试剂盒、比色阵列传感器膜，比色阵列传感器膜上固载有可与待测分析物发生反应的指示剂。

6.根据权利要求1所述的有毒无机气体现场快速检测系统，其特征在于：锂电池通过电压转化模块连接系统，为系统供电。

7.根据权利要求1所述的有毒无机气体现场快速检测系统，其特征在于：触摸屏连接处理器，用于显示待测气体的浓度值。

8.根据权利要求1所述的有毒无机气体现场快速检测系统，其特征在于：所述微型空气泵的流量为0mL/min～1000mL/min。