CN208255120U - 一种用于连续在线观测痕量气汞的监测系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于连续在线观测痕量气汞的监测系统，包括两个电磁隔膜泵、两个循环隔膜气泵、汞捕集阱、纳米复合物粒子薄膜传感器和主控电路，系统进气口、第一电磁隔膜泵、汞捕集阱、第一循环隔膜气泵、第二电磁隔膜泵和系统出气口依次相连，第一电磁隔膜泵通过管路和纳米复合物粒子薄膜传感器的进气口相连，纳米复合物粒子薄膜传感器的出气口通过管路和第二循环隔膜气泵相连，第二循环隔膜气泵通过管路和第二电磁隔膜泵相连，纳米复合物粒子薄膜传感器的传感信号输出端和主控电路相连。本实用新型采用气体循环法，通过纳米复合物粒子薄膜传感器检测汞捕集阱释放的汞气，响应信号强、响应速度快，能在线连续观测痕量气汞的浓度变化。

Description

一种用于连续在线观测痕量气汞的监测系统

技术领域

本实用新型涉及汞气痕量观测技术领域，尤其涉及一种用于连续在线观测痕量气汞的监测系统及监测方法，主用应用于地下流体分析及地震短临预测，也可用于大气中汞气含量的分析。

背景技术

断裂带记录了与地震密切相关的岩石和流体特性，同时也富含地震的孕育与发生信息，流体的运移与其发生的不均匀性渗透能够在断层上产生巨大的局部主应力，使断层失稳从而引发地震。大量的模拟试验与实际地震表明，汞(Hg)元素在揭示断裂带流体与地震孕育发生的关系中发挥了重要作用。下地壳与上地幔的汞，在流体的携带或者压力梯度作用下沿着断裂或岩石裂隙向地表迁移，在断裂带上方形成的岩石、土壤和地下水中汞浓度异常，地震活动前后断层带附近汞含量的变化幅度很大(比正常起伏范围大十几甚至上百倍)。因此，近二十年来，汞观测在地球化学分析及地震监测预报领域受到了广泛的重视。

目前国内外地球化学分析痕量气汞的方法主要是原子吸收法和原子荧光光谱法，这两种方法是普遍应用于地球化学分析中的实验室分析方法，这些仪器一般为国外进口，由于价格昂贵，且附属部件多，不适用于野外大规模长期观测或灵活多变的现场分析。近年来，国内也开始研制一些不同原理的测汞方法，如金汞齐法，利用汞在常温环境中极易与金形成金汞齐合金，不同汞含量的金汞齐的电阻存在差异，利用该原理设计测量痕量气汞浓度的传感器可以有效避免光学法测量时干扰气体的影响，比较适用于野外长期观测。但是目前这种检测方法所使用的传感器信号响应较弱，且在实际应用中存在吸附平衡时间过长、薄膜结构具有记忆性的缺陷，且检测仪器易受环境温度、湿度影响，稳定性较差，不能满足快速、在线连续、长期观测的需要。

发明内容

本实用新型为了解决上述技术问题，提供一种用于连续在线观测痕量气汞的监测系统，其传感信号响应较强，响应速度快，能在线连续观测痕量气汞的浓度变化，灵敏度高，稳定性好，不易受环境温度、湿度影响，适用环境广泛。

本实用新型的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本实用新型包括第一电磁隔膜泵、汞捕集阱、第一循环隔膜气泵、第二电磁隔膜泵、第二循环隔膜气泵、纳米复合物粒子薄膜传感器和主控电路，系统进气口、第一电磁隔膜泵、汞捕集阱、第一循环隔膜气泵、第二电磁隔膜泵和系统出气口依次通过管路相连，第一电磁隔膜泵通过管路和纳米复合物粒子薄膜传感器的进气口相连，纳米复合物粒子薄膜传感器的出气口通过管路和所述的第二循环隔膜气泵相连，第二循环隔膜气泵通过管路和第二电磁隔膜泵相连，纳米复合物粒子薄膜传感器的传感信号输出端和所述的主控电路相连。主控电路分别控制第一电磁隔膜泵、第二电磁隔膜泵、第一循环隔膜气泵和第二循环隔膜气泵的启停及汞捕集阱是否通电加热。测试时，样气进入系统进气口，经第一电磁隔膜泵进入汞捕集阱，汞捕集阱吸附样气中的汞气，样气中的其他气体流过第一循环隔膜气泵和第二电磁隔膜泵，并从系统出气口流出；接着主控电路控制汞捕集阱通电加热，使吸附在汞捕集阱中的汞成为汞气释放出来，汞气经第一电磁隔膜泵和稳流装置流入纳米复合物粒子薄膜传感器，纳米复合物粒子薄膜传感器检测出汞浓度并以传感信号输送给主控电路，人们通过主控电路上的显示屏即可观测到样气中汞浓度值，剩余的气体从纳米复合物粒子薄膜传感器的出气口流出，再经气体流量计、第二循环隔膜气泵和第二电磁隔膜泵，最后从系统出气口流出。测量气路采用气体循环法，噪声干扰小，提高仪器的稳定性，缩短传感器的吸附平衡速率。汞捕集阱利用金汞齐原理捕集气体中的汞，采用纳米复合物粒子薄膜传感器作为测汞传感器，大幅度提高气敏材料的灵敏性和响应速度。本技术方案传感信号响应较强，响应速度快，能在线连续观测痕量气汞的浓度变化，灵敏度高，稳定性好，不易受环境温度、湿度影响，适用环境广泛。

作为优选，所述的第二电磁隔膜泵和第二循环隔膜气泵之间设有净化管，第二电磁隔膜泵通过管路和净化管相连，净化管通过管路和第二循环隔膜气泵相连。净化管内含除湿剂，一般为无水硫酸铜或变色硅胶，用于吸附循环气路中的水蒸汽，避免湿度过大影响传感器的检测灵敏度。

作为优选，所述的第二循环隔膜气泵和纳米复合物粒子薄膜传感器的出气口之间的连接管路上设有气体流量计，所述的纳米复合物粒子薄膜传感器的进气口和第一电磁隔膜泵之间的连接管路上设有稳流装置。稳流装置和气体流量计联合控制循环气路流量，以确保测量时传感器的稳定性。

作为优选，所述的汞捕集阱包括双球泡形石英管、设于双球泡形石英管内部的金阱和缠绕在双球泡形石英管外周的电热丝，金阱包括金丝饼和金砂柱，双球泡之间及双球泡的两端各设有一个金丝饼，形成三层金丝饼层，每个球泡中各设有多个金砂柱，形成两层金砂柱层。金丝饼由直径为0.1mm且含金量为99.999％的金丝缠绕成金丝球后再压制而成；所述的金砂柱为表面浸镀0.2nm厚金膜的石英柱，金砂柱的直径为60～80目，金砂柱的高度为2mm。本技术方案可以最大面积地吸附气体中的汞气，提高金阱的富集效率，同时采用金砂柱降低了汞捕集阱的成本。

作为优选，所述的纳米复合物粒子薄膜传感器包括两侧分别设有进气口和出气口的壳体及设于壳体中的薄膜栅板，薄膜栅板将壳体分隔成两部分，所述的进气口、出气口分别位于薄膜栅板的两侧，薄膜栅板上的栅格呈长条状，薄膜栅板的材质为微晶材质，薄膜栅板的表面镀有一层银核金壳纳米粒子薄膜层，薄膜栅板的两侧各设有和银核金壳纳米粒子薄膜层相连的电极，两个电极上引出的导线分别和所述的主控电路相连。通过含银化合物、含金化合物以及有机溶剂水热反应生成银核金壳纳米粉末，再经过真空镀膜以及热处理，形成栅板表面的银核金壳纳米粒子薄膜层，制成测汞的银负载金纳米粒子薄膜，大幅度提高气敏材料的灵敏性和响应速度。当汞气穿过栅格密度极高的栅板时，与栅板表面的银核金壳纳米粒子摩擦，汞与金壳反应导致栅板薄膜层的电阻发生变化，通过电极引出传感响应信号输送给主控电路。

作为优选，所述的主控电路包括传感信号采集单元、信号处理单元、中央处理单元、显示单元、驱动单元和通信单元，所述的纳米复合物粒子薄膜传感器的传感信号输出端和传感信号采集单元的输入端相连，传感信号采集单元的输出端和信号处理单元相连，信号处理单元、显示单元、驱动单元及通信单元分别和中央处理单元相连。纳米复合物粒子薄膜传感器输出的反映汞浓度的传感信号输送给传感信号采集单元，经传感信号采集单元和信号处理单元的处理，再输送给中央处理单元，再送显示单元显示，人们从显示屏上可直观地观测到样气中的汞浓度值。中央处理单元中设置有测汞程序，根据程序设定，会发出相应控制信号给驱动单元，再由驱动单元发出控制信号分别控制第一电磁隔膜泵、第二电磁隔膜泵、第一循环隔膜气泵和第二循环隔膜气泵的启停及汞捕集阱是否通电加热。通过通信单元实现系统的远程操作。

作为优选，所述的传感信号采集单元包括依次相连的交流激励电路、桥式检测电路、信号放大电路、同步解调电路、DAC跟踪电路和ADC采集电路，交流激励电路的输入端和所述的纳米复合物粒子薄膜传感器的传感信号输出端相连，ADC采集电路的输出端和所述的信号处理单元的输入端相连。传感信号输送给传感信号采集单元中的交流激励电路，交流激励电路为桥式检测电路和同步解调电路提供固定电压的正弦波信号，消除了传感器测量信号的直流误差；桥式检测电路的作用是将传感器的含汞量信号转化成正比例输出的交流电压；信号放大电路的作用是放大微弱的传感器交流信号；同步解调电路用于消除传感器交流信号中直流误差；DAC跟踪电路用于实时跟踪传感器测值电压变化以扩展测量范围；ADC采集电路的作用是将传感器测量的直流电压信号转换成数字信号，用于DSP数据分析处理得出汞浓度值。

本实用新型的有益效果是：通过气体循环法检测地球逸出气汞浓度，通过表面镀有银核金壳纳米粒子薄膜层的薄膜栅板检测汞捕集阱释放的汞气，采用交流激励电路采集薄膜栅板输出的传感响应信号，传感信号响应较强、响应速度快，能在线连续观测痕量气汞的浓度变化，灵敏度高，稳定性好，不易受环境温度、湿度影响，适用环境广泛，适用于地球化学痕量气汞以及地震地下流体前兆预测的长期观测，满足野外长期定点观测的需要。

附图说明

图1是本实用新型的一种系统连接结构框图。

图2是本实用新型中汞捕集阱的一种结构示意图。

图3是本实用新型中纳米复合物粒子薄膜传感器的一种结构示意图。

图4是本实用新型中主控电路的一种电路原理连接结构框图。

图5是本实用新型中传感信号采集单元的一种电路原理连接结构框图。

图中1.第一电磁隔膜泵，2.第二电磁隔膜泵，3.汞捕集阱，4.净化管，5.气体流量计，6.纳米复合物粒子薄膜传感器，7.稳流装置，8.系统进气口，9.系统出气口，10.传感信号采集单元，11.第一循环隔膜气泵，12.第二循环隔膜气泵，13.信号处理单元，14.中央处理单元，15.显示单元，16.驱动单元，17.通信单元，18.交流激励电路，19.桥式检测电路，20.信号放大电路，21.同步解调电路，22.DAC跟踪电路，23.ADC采集电路，24.存储单元，31.双球泡形石英管，32.电热丝，33.金丝饼，34.金砂柱，61.进气口，62.出气口，63.壳体，64.薄膜栅板。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步具体的说明。

实施例：本实施例的用于连续在线观测痕量气汞的监测系统，图1所示，包括第一电磁隔膜泵1、汞捕集阱3、第一循环隔膜气泵11、第二电磁隔膜泵2、净化管4、第二循环隔膜气泵12、气体流量计5、纳米复合物粒子薄膜传感器6、稳流装置7和主控电路，系统进气口8、第一电磁隔膜泵、汞捕集阱、第一循环隔膜气泵、第二电磁隔膜泵和系统出气口9依次通过管路相连，净化管的一端和第二电磁隔膜泵相连，净化管、第二循环隔膜气泵、气体流量计、纳米复合物粒子薄膜传感器和稳流装置依次相连，稳流装置的一端和第一电磁隔膜泵相连，气体流量计连接纳米复合物粒子薄膜传感器的出气口，纳米复合物粒子薄膜传感器的进气口连接稳流装置，纳米复合物粒子薄膜传感器的传感信号输出端和主控电路相连，主控电路还和第一电磁隔膜泵、第二电磁隔膜泵、第一循环隔膜气泵、第二循环隔膜气泵及汞捕集阱的控制端相连。

图2所示，汞捕集阱3包括双球泡形石英管31、安装于双球泡形石英管内部的金阱和密集缠绕在双球泡形石英管外周的电热丝32，金阱包括金丝饼33和金砂柱34。双球泡之间及双球泡的两端各有一个金丝饼，形成三层金丝饼层，金丝饼的大小和球泡两端开口孔径大小一致，金丝饼由直径为0.1mm且含金量为99.999％的金丝缠绕成金丝球后再压制而成。每个球泡中各安装有多个金砂柱，形成两层金砂柱层，金砂柱为表面浸镀0.2nm厚金膜的石英柱，金砂柱的直径为60～80目，金砂柱的高度为2mm。控制电热丝通断电的控制端和主控电路相连。

如图3所示，纳米复合物粒子薄膜传感器6包括两端分别开有进气口61和出气口62的壳体63及安装在壳体中的薄膜栅板64，壳体为呈长方形的聚四氟乙烯盒，薄膜栅板位于壳体中间，将壳体分隔成两部分并分隔开进气口和出气口，薄膜栅板上的栅格呈长条状，栅格间距为0.15mm，栅格宽度为0.7mm，薄膜栅板的材质为微晶材质，薄膜栅板的表面通过真空镀膜法镀制有一层厚度为的银核金壳纳米粒子薄膜层，薄膜栅板的两侧各装有和银核金壳纳米粒子薄膜层相连的电极，两个电极上引出的导线分别和主控电路相连。本实施例中的银核金壳纳米材料，通过硝酸银、氯金酸以及有机溶剂葡萄糖、乙醇水热反应生成银核金壳纳米粉末。制备纳米粉末时，水热反应条件为200～300℃，加热时间为360～480min，水热反应后自然冷却至室温，用9000r/min离心10min分离粉体，并于60℃干燥480min，完成银核金壳纳米粉末的制备。

如图4、图5所示，主控电路包括传感信号采集单元10、信号处理单元13、中央处理单元14、显示单元15、存储单元24、驱动单元16、通信单元17；中央处理单元、显示单元和存储单元可由电脑实现，采用LCD触碰显示屏，带有键盘和鼠标。传感信号采集单元10包括依次相连的交流激励电路18、桥式检测电路19、信号放大电路20、同步解调电路21、DAC跟踪电路22和ADC采集电路23。纳米复合物粒子薄膜传感器的传感信号输出端和交流激励电路的输入端相连，ADC采集电路的输出端和信号处理单元的输入端相连，信号处理单元的输出端和中央处理单元相连，显示单元、驱动单元及通信单元分别和中央处理单元相连，驱动单元的输出端分别和第一电磁隔膜泵、第二电磁隔膜泵、第一循环隔膜气泵、第二循环隔膜气泵的控制端及汞捕集阱电热丝的控制端相连。

工作过程：中央处理单元通过驱动单元分别控制第一电磁隔膜泵、第二电磁隔膜泵、第一循环隔膜气泵及第二循环隔膜气泵的启停，中央处理单元通过驱动单元控制汞捕集阱上电热丝的通断电；测试时，样气进入系统进气口，经第一电磁隔膜泵进入汞捕集阱，汞捕集阱中的金阱在100℃下能富集吸附样气中的汞气，样气中的其他气体流过第一循环隔膜气泵和第二电磁隔膜泵，并从系统出气口流出；接着中央处理单元通过驱动单元控制汞捕集阱上电热丝通电启动加热，使吸附在汞捕集阱中的汞成为汞气释放出来，汞气经第一电磁隔膜泵和稳流装置流入纳米复合物粒子薄膜传感器，穿过纳米复合物粒子薄膜传感器中薄膜栅板上的栅格时，与薄膜栅板表面的银核金壳纳米粒子薄膜层发生摩擦，汞与金壳反应导致薄膜栅板的电阻发生变化，通过两个电极获取电阻变化的传感信号输送给传感信号采集单元，剩余的气体从纳米复合物粒子薄膜传感器的出气口流出，再经气体流量计、第二循环隔膜气泵、净化管和第二电磁隔膜泵，最后从系统出气口流出；薄膜栅板的电阻变化信号反应了流过薄膜栅板的气体中的汞的浓度，通过两个电极获取电阻变化的传感信号输送给传感信号采集单元，经传感信号采集单元、信号处理单元依次处理后，送中央处理单元进行分析、存储和显示，人们通过显示屏即可观测到汞浓度值。

中央处理单元采用单元集成控制，信号处理单元处理传感信号采集单元输出的信号，并同步采集温度、气压数据。存储单元存储检测数据以及运行数据，通过中央处理单元控制大容量数据存储单元的读写，采用SPI总线模式传输数据，传输速率高，数据存储格式按照地震观测行业的要求对数据包进行命名。通信单元用于实现系统的远程操作，包括四种通信模式：第一种为遵循行业特殊通讯协议，可与台网数据管理系统实现自动握手；第二种为基于电脑PC端的客户端软件，可进行数据访问、仪器控制、数据分析与下载以及远程升级；第三种通过网页登陆，进行数据下载与仪器管理；第四种为FTP数据下载。此外通信单元能够通过网络实现自动对时，保证系统的长期稳定自动观测。

Claims (7)

1.一种用于连续在线观测痕量气汞的监测系统，其特征在于包括第一电磁隔膜泵、汞捕集阱、第一循环隔膜气泵、第二电磁隔膜泵、第二循环隔膜气泵、纳米复合物粒子薄膜传感器和主控电路，系统进气口、第一电磁隔膜泵、汞捕集阱、第一循环隔膜气泵、第二电磁隔膜泵和系统出气口依次通过管路相连，第一电磁隔膜泵通过管路和纳米复合物粒子薄膜传感器的进气口相连，纳米复合物粒子薄膜传感器的出气口通过管路和所述的第二循环隔膜气泵相连，第二循环隔膜气泵通过管路和第二电磁隔膜泵相连，纳米复合物粒子薄膜传感器的传感信号输出端和所述的主控电路相连。

2.根据权利要求1所述的一种用于连续在线观测痕量气汞的监测系统，其特征在于所述的第二电磁隔膜泵和第二循环隔膜气泵之间设有净化管，第二电磁隔膜泵通过管路和净化管相连，净化管通过管路和第二循环隔膜气泵相连。

3.根据权利要求1所述的一种用于连续在线观测痕量气汞的监测系统，其特征在于所述的第二循环隔膜气泵和纳米复合物粒子薄膜传感器的出气口之间的连接管路上设有气体流量计，所述的纳米复合物粒子薄膜传感器的进气口和第一电磁隔膜泵之间的连接管路上设有稳流装置。

4.根据权利要求1所述的一种用于连续在线观测痕量气汞的监测系统，其特征在于所述的汞捕集阱包括双球泡形石英管、设于双球泡形石英管内部的金阱和缠绕在双球泡形石英管外周的电热丝，金阱包括金丝饼和金砂柱，双球泡之间及双球泡的两端各设有一个金丝饼，形成三层金丝饼层，每个球泡中各设有多个金砂柱，形成两层金砂柱层。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的一种用于连续在线观测痕量气汞的监测系统，其特征在于所述的纳米复合物粒子薄膜传感器包括两侧分别设有进气口和出气口的壳体及设于壳体中的薄膜栅板，薄膜栅板将壳体分隔成两部分，所述的进气口、出气口分别位于薄膜栅板的两侧，薄膜栅板上的栅格呈长条状，薄膜栅板的材质为微晶材质，薄膜栅板的表面镀有一层银核金壳纳米粒子薄膜层，薄膜栅板的两侧各设有和银核金壳纳米粒子薄膜层相连的电极，两个电极上引出的导线分别和所述的主控电路相连。

6.根据权利要求1所述的一种用于连续在线观测痕量气汞的监测系统，其特征在于所述的主控电路包括传感信号采集单元、信号处理单元、中央处理单元、显示单元、驱动单元和通信单元，所述的纳米复合物粒子薄膜传感器的传感信号输出端和传感信号采集单元的输入端相连，传感信号采集单元的输出端和信号处理单元相连，信号处理单元、显示单元、驱动单元及通信单元分别和中央处理单元相连。

7.根据权利要求6所述的一种用于连续在线观测痕量气汞的监测系统，其特征在于所述的传感信号采集单元包括依次相连的交流激励电路、桥式检测电路、信号放大电路、同步解调电路、DAC跟踪电路和ADC采集电路，交流激励电路的输入端和所述的纳米复合物粒子薄膜传感器的传感信号输出端相连，ADC采集电路的输出端和所述的信号处理单元的输入端相连。