CN2881611Y

CN2881611Y - 一种甲醛气体含量的快速测量装置

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Publication number: CN2881611Y
Application number: CN 200520044282
Authority: CN
Inventors: 肖韶荣; 季鑫源; 王元昊; 冒晓莉; 万长建
Original assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Current assignee: Nanjing University of Information Science and Technology
Priority date: 2005-08-15
Filing date: 2005-08-15
Publication date: 2007-03-21
Anticipated expiration: 2015-08-15

Abstract

本实用新型公开了一种甲醛气体含量的快速测量装置，包括光源、光路部分、信号处理部分，其特征在于：所述的光路部分进一步包括准直器、干涉滤光片、第一直角棱镜、比色皿、第二直角棱镜，依光的传输方向，准直器后设置干涉滤光片，干涉滤光片后设置比色皿，第一直角棱镜位于比色皿的光线出射端，第二直角棱镜位于比色皿的光线入射端；所述的信号处理部分包括光电探测器、信号处理器、微处理器，依电信号从左向右的传输方向，光电探测器的输出接至信号处理器的输入，信号处理器的输出接至微处理器的输入。该测量装置能够对室内空气中的甲醛含量进行现场实时测量，具有空气采样量小、采样时间短、测量效率高、测试灵敏度较高的特点。

Description

一种甲醛气体含量的快速测量装置

技术领域

本实用新型涉及测量仪器，更具体地指一种甲醛气体含量的快速测量装置，它主要用来对室内空气中所含的甲醛含量进行快速测量。

背景技术

室内空气中的甲醛被世界卫生组织(WHO)和美国环境保护局(EPA)列为潜在危险致癌物和重要的环境污染物。在我国空气质量有关标准中甲醛气体含量被列为必测项目。甲醛测量仪是空气质量监测仪器中的一大类。传统的甲醛测量依据的分析方法原理主要有分光光度法、电化学方法、色谱法、荧光法和化学发光法等。

通常采用的是分光光度法，依此设计的测量仪是利用甲醛与某种化学物品反应生成显色物质，进行分光光度测定。这种测量仪在测量时，不受乙醛干扰，测试过程简便、稳定性好、精度较高。但其缺点是样品采集时间较长，样品采集时间的长短依赖于空气中甲醛含量的浓度；而生成稳定显色物所需的时间则依赖于反映过程所处环境温度，环境温度越低，生成显色物的时间越长(约在60分钟左右)。传统的甲醛测量仪在测量时，测量光束仅通过比色皿一次，测量光束与显色物的相互作用距离较短，测试灵敏度较低。一般的测量中，空气取样时间在30分钟以上，在甲醛含量较低的区域，空气采样时间近一小时。因此，传统的甲醛测量仪的工作效率非常低。另外，传统的甲醛测量仪还存在环境杂散光及电路噪声抑制能力较差的缺点。

发明内容

本实用新型的目的是针对传统的甲醛测量仪在测量甲醛时存在测量时间长、测量灵敏度低的缺点，提供一种甲醛气体含量的快速测量装置。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

该甲醛气体含量的快速测量装置包括光源、光路部分、信号处理部分，

所述的光路部分进一步包括准直器、干涉滤光片、第一直角棱镜、比色皿、第二直角棱镜，依光的传输方向，准直器后设置干涉滤光片，干涉滤光片后设置比色皿，第一直角棱镜位于比色皿的光线出射端，第二直角棱镜位于比色皿的光线入射端；所述的信号处理部分包括光电探测器、信号处理器、微处理器，依电信号从左向右的传输方向，光电探测器的输出接至信号处理器的输入，信号处理器的输出接至微处理器的输入。

所述的第二直角棱镜为一沿平行于比色皿并垂直于光束方向移动的直角棱镜。

所述的信号处理器包括驱动电源、相位延迟器、前置放大器、窄带滤波器、相关积分器、采样保持器，驱动电源的输出一路接至到光源，另一路驱动电源输出接至到相位延迟器，相位延迟器的输出与窄带滤波器的输出均接至到相关积分器的两个输入端，相关积分器输出接至到采样保持器的输入端，采样保持器的输出接至到微处理器的输入。

所述的信号处理器包括前置放大器、窄带滤波、整流器，前置放大器的输入与光电探测器的输出相接，前置放大器的输出与窄带滤波、整流器的输入相接，窄带滤波、整流器的输出接至到微处理器的输入。

所述的光源采用发光二极管。

所述的光电探测器采用PIN硅光电二极管。

所述的微处理器中存储有标准样品的吸光度-甲醛含量定标曲线。

所述的光路部分中比色皿置于恒温装置中。

在本实用新型的上述技术方案中，该快速测量装置主要包括了光源、光路部分、信号处理部分，所述的光路部分进一步包括准直器、干涉滤光片、第一直角棱镜、比色皿、第二直角棱镜，准直器将光源发出的光变换成细平行光束，再经过干涉滤波片滤波形成测量光束，测量光束通过比色皿后，被第一直角棱镜反射并平移并沿与原入射方向平行的方向返回，再次通过比色皿，并被第二直角棱镜反射、平移；所述的信号处理部分包括光电探测器、信号处理器、微处理器，光电探测器接收由光路部分输出光波脉冲信号并将其转换为电信号，信号处理器对光电探测器输出的微弱信号进行放大并将其转换为数字信号，微处理器对所接收的数字信号进行数据处理并输出测量结果。该测量装置能够对室内空气中的甲醛含量进行现场实时测量，在测量时，可通过调节第二直角棱镜的位置，可使测量光束通过比色皿的总长度变化，可根据需要灵活设定灵敏度，测量光束通过比色皿的次数越多测试灵敏度越高，可测量的绿色化合物量越小，对应的甲醛含量越小，亦即所需的空气采样量越小，采样所需时间就越短，从而提高了甲醛测量的工作效率；另外，该测量仪还具有对环境杂散光及电路噪声有较强的抑制能力。

附图说明

图1为本实用新型的测量装置方框原理示意图之一。

图2为本实用新型的测理装置方框原理示意图之二。

图3为本实用新型的测理装置方框原理不意图之三。

具体实施方式

本实用新型的测量装置主要根据采用国家标准107，108规定的“酚试剂比色法”测定室内空气甲醛含量。它依据的测量基理是：空气中的甲醛被酚试剂吸收，反应生成嗪，嗪在酸性溶液中被高铁离子氧化生成蓝绿色化合物，用分光光度计比色定量。用系列标准样品定标，获得相应标准样品的吸光度-甲醛含量定标曲线，将测量吸光度与标准曲线比较确定待测空气甲醛含量。

请先参阅图1所示，

实施例1

本实用新型的甲醛气体含量的快速测量装置包括光源10、光路部分20、信号处理部分30。

所述的光路部分20进一步包括准直器21、干涉滤光片22、第一直角棱镜23、比色皿24、第二直角棱镜25，准直器21将光源10发出的光变换成细平行光束，再经过干涉滤波片22滤波形成测量光束，测量光束通过比色皿24后，被第一直角棱镜23反射并平移并沿与原入射方向平行的方向返回，再次通过比色皿24，并被第二直角棱镜25反射、平移。第二直角棱镜25为一相对于比色皿24平行移动的直角棱镜。

再结合图2所示，所述的信号处理部分30包括光电探测器31、信号处理器32、微处理器33。光电探测器31接收由光路部分20输出光波脉冲信号并将其转换为电信号，信号处理器32对光电探测器31输出的微弱信号进行放大并将其转换为数字信号，微处理器33对所接收的数字信号进行数据处理并输出测量结果。

所述的信号处理器32包括驱动电源321、相位延迟器322、前置放大器323、窄带滤波器324、相关积分器325、采样保持器326。驱动电源321一方面为光源10提供供电电源，另一方面将输出的方波信号经相位延迟器322适当延迟后与窄带滤波器324输出的基波正弦信号分别传输到相关积分器325的两个输入端，相关积分器325输出的直流信号，经采样保持器326后送入微处理器33进行数据处理。

所述的光源10采用发光二极管。

所述的光电探测器31采用PIN硅光电二极管。

该测量装置的具体工作过程描述如下，

光源10在驱动电源321的驱动下，发出的红色光束脉冲系列，经准直器21变换成细平行光束，平行光束再干涉滤波片22滤波，获得630nm测量光束，测量光束通过比色皿24后，被第一直角棱镜23反射并平移，测量光束沿与原入射方向平行的方向返回，再次通过比色皿24，随后，被第二直角棱镜25反射并平移，测量光束沿与入射方向平行的方向返回，再次通过比色皿24，以此方式，测量光束经直角棱镜第一直角棱镜23和第二直角棱镜25多次反射后，测量光束多次通过比色皿24，最后输出到光电探测器31，光波脉冲信号在光电探测器31中被转换为电信号，前置放大器323将光电探测器31输出的弱信号放大，并由窄带滤波器324取出基波正弦信号，源自驱动电源321的方波信号经相位延迟器322适当延迟后与窄带滤波器324输出的基波正弦信号分别传输到相关积分器325的两个输入端，相关积分器325输出的直流信号，经采样保持器326送到微处理器33进行数据处理，在微处理器33中预存了校准曲线，该校准曲线是标准样品的吸光度-甲醛含量定标曲线。微处理器33根据采样到的数据与校准曲线比较，可十分方便的给出测量值。相关积分器325对测量光路中引入的杂散光信号及电路中的噪声信号具有很强的抑制作用，提高了测量的灵敏度和准确度，保证测量装置能实现现场实时测量。调节第二直角棱镜25的上下位置，可使测量光束通过比色皿24的总长度增加，可根据需要灵活设定灵敏度。测量光束通过比色皿24的次数越多测试灵敏度越高。因为测量光束多次通过比色皿24后，光束在比色皿24内的作用距离成倍增加，从而有效地降低所需采气量。可测量的绿色化合物量越小，对应的甲醛含量越小，空气采样量越小，采样所需时间就越短。另一方面，为了保证显色时间较短，比色皿24置于恒温装置中，以此降低显色时间，实现快速测定。

实施例2

请再参阅图1、图3所示，

在该实施例中，测量装置同样包括光源10、光路部分20、信号处理部分30。

所述的光路部分20进一步包括准直器21、干涉滤光片22、第一直角棱镜23、比色皿24、第二直角棱镜25，准直器21将光源10发出的光变换成细平行光束，再经过干涉滤波片22滤波形成测量光束，测量光束通过比色皿24后，被第一直角棱镜23反射并平移并沿与原入射方向平行的方向返回，再次通过比色皿24，并被第二直角棱镜25反射、平移。第二直角棱镜25为一相对于比色皿24平行移动的直角棱镜，即垂直于光束方向移动。

所述的信号处理部分30包括光电探测器31、信号处理器32、微处理器33，光电探测器31接收由光路部分20输出光波脉冲信号并将其转换为电信号，信号处理器32对光电探测器31输出的微弱信号进行放大并将其转换为数字信号，微处理器33对所接收的数字信号进行数据处理并输出测量结果。

请再结合图3所示，与实施例1所不同的是，信号处理器32仅包括前置放大器323、窄带滤波、整流器324，窄带滤波、整流器324不但具有滤波的功能，还具有整流的功能。前置放大器323将所接收到的光电探测器31输出的信号放大，并送到窄带滤波、整流器324中进行滤波和整流，经过滤波、整流后的直流信号送到微处理器33进行数据处理。而微处理器33中同样也预存了校准曲线，该校准曲线是标准样品的吸光度-甲醛含量定标曲线，其处理过程同前一实施例，在此就不再赘述了。

下面再介绍一下比色皿中的试剂制备、采样和整个测量装置的系统的标定

(1)吸收液称量0.1g酚试剂(盐酸-3-甲基-2-苯并噻唑酮腙，简称MBTH)加水溶解，倾于100mL具塞量筒中，加水至100mL，得到吸收原液。取吸收原液5mL，加水95mL，混匀，即为吸收液。

(2)显色剂称量1.0g硫酸铁铵，用0.1mol/L盐酸溶液溶解，并稀释至100mL，即得浓度为10g/L的硫酸铁铵溶液。

(3)甲醛标准溶液量取2.8mL含量为36％-38％甲醛溶液，放入1L容量瓶中，加水稀释至刻度。此溶液1mL约含0.8mg甲醛。用0.1000mol/L的Na2S2O3标定其浓度，加水至浓度为1.0μg/mL。

(4)采样将一个内装10mL吸收液的气泡吸收管安装在大气采样器上，设定采样流量Q＝0.5L/min，设定采样时间Δτ＝30min。

用浓度为1.0μg/mL的甲醛标准溶液，按下表配制成标准测量液系列

表：甲醛标准测量液吸光度

标号	0	1	2	3	4	5
标号	0	1	2	3	4	5	标准液体积/mL	0	0.10	0.50	1.00	1.50	2.00
吸收液体积/mL	5.0	4.9	4.5	4.0	3.5	3.0	标准液体积/mL	0	0.10	0.50	1.00	1.50	2.00
吸收液体积/mL	5.0	4.9	4.5	4.0	3.5	3.0	甲醛含量/μg	0	0.1	0.5	1.0	1.5	2.0
吸光度(N＝1)	0	0.046	0.197	0.385	0.576	0.765	甲醛含量/μg	0	0.1	0.5	1.0	1.5	2.0
吸光度(N＝1)	0	0.046	0.197	0.385	0.576	0.765	吸光度(N＝3)	0	0.144	0.597	1.161	1.725	2.298

在各标准测量液中，加入0.4mL 1％硫酸铁铵溶液，混匀、放置15min，用10mm比色皿，以水作参比，将光谱仪分光波长设定为630nm，调节吸收池两个直角棱镜的横向间距d，使光束在池内往返次数N＝3时，测定不同甲醛含量下标准测量液的吸光度列于上表中。注意到显色生成物的吸光度与其浓度呈正比，在甲醛充分反应的情况下，吸光度与甲醛的浓度呈正比，设为下式表示：

A₃＝ξ₃c+ζ₃

(1)

其中A3为吸光度，c为待测浓度。根据测试结果，以最小二乘法求得系数ξ3、ζ3分别为：ξ₃＝1.140、ζ₃＝0.0185。回归方程可写为：

A₃≈1.140c+0.0185

(2)

由此可得测量方程：

c＝0.877A₃-0.0162

(3)

作为比较，令测试光束直接通过比色皿，即N＝1，测得不同甲醛含量时的吸光度亦列于表7.3中。其回归方程为：

A₁≈0.381c+0.0044

(4)

c＝2.625A₁-0.0115

(5)

由此可以得知，在相同的吸光度极限下，使用本实用新型的两个直角棱镜构成的气室后，甲醛气体的浓度检测限为测试光束直接透过比色皿时的三分之一，即检测灵敏度提高了两倍。对同样的甲醛浓度下，前者所需的采样时间可缩短为后者的三分之一，还可缩短显色所需时间，从而可实现快速检测，提高工作效率。进一步提高往返次数N可实现痕迹甲醛检测。

将测得甲醛含量除于采样空气体积(m3)即得空气中甲醛浓度(μg/m3)。在本例的应用中，对用木工板和三合板的板材隔断的区域取样30min，取样体积为15L，取样时的室温为23℃。为消除采样时滞留在吸收液中的空气中其它组分对测量的影响，以未加显色剂的“空白”样品作参比，吸光度为1.06，由式(3)得对应甲醛含量为0.910μg，待测气体甲醛浓度约为0.061mg/m3。令光束直接通过吸收池，即N＝1，测得吸光度为0.349，根据式(5)计算得甲醛含量为0.905μg。注意到，在不改变装置参数下，光束多次通过吸收池和单次通过吸收池时的吸光度检测极限相同，相同吸光度值对应着不同的甲醛含量，光束通过吸收池的次数越多，对应甲醛含量越低，所需的采样气体越少，检测所需时间越短。

本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的实施例仅是用来说明本实用新型，而并非用作为对本实用新型的限定，只要在本实用新型的实质精神范围内，对以上所述实施例的变化、变型都将落在本实用新型的权利要求书范围内。

Claims

1.一种甲醛气体含量的快速测量装置，该测量装置包括光源、光路部分、信号处理部分，其特征在于：所述的光路部分进一步包括准直器、干涉滤光片、第一直角棱镜、比色皿、第二直角棱镜，依光的传输方向，准直器后设置干涉滤光片，干涉滤光片后设置比色皿，第一直角棱镜位于比色皿的光线出射端，第二直角棱镜位于比色皿的光线入射端；所述的信号处理部分包括光电探测器、信号处理器、微处理器，依电信号从左向右的传输方向，光电探测器的输出接至信号处理器的输入，信号处理器的输出接至微处理器的输入。

2.如权利要求1所述的甲醛气体含量的快速测量装置，其特征在于：所述的第二直角棱镜为一沿平行于比色皿并垂直于光束方向移动的直角棱镜。

3.如权利要求1所述的甲醛气体含量的快速测量装置，其特征在于：所述的信号处理器包括驱动电源、相位延迟器、前置放大器、窄带滤波器、相关积分器、采样保持器，驱动电源的输出一路接至到光源，另一路驱动电源输出接至到相位延迟器，相位延迟器的输出与窄带滤波器的输出均接至到相关积分器的两个输入端，相关积分器输出接至到采样保持器的输入端，采样保持器的输出接至到微处理器的输入。

4.如权利要求1所述的甲醛气体含量的快速测量装置，其特征在于：所述的信号处理器包括前置放大器、窄带滤波、整流器，前置放大器的输入与光电探测器的输出相接，前置放大器的输出与窄带滤波、整流器的输入相接，窄带滤波、整流器的输出接至到微处理器的输入。

5.如权利要求1或3或4所述的甲醛气体含量的快速测量装置，其特征在于：所述的光源采用发光二极管。

6.如权利要求1或3或4所述的甲醛气体含量的快速测量装置，其特征在于：所述的光电探测器采用PIN硅光电二极管。

7.如权利要求1或3或4所述的甲醛气体含量的快速测量装置，其特征在于：所述的微处理器中存储有标准样品的吸光度-甲醛含量定标曲线。

8.如权利要求1所述的甲醛气体含量的快速测量装置，其特征在于：所述的光路部分中比色皿置于恒温装置中。