專利名稱：一種便攜式氣態(tài)烴測定儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種便攜式氣態(tài)烴測定儀，屬于烴類氣體化學(xué)分析設(shè)備，專利分類號C10G。
背景技術(shù)：
目前國內(nèi)外對于氣態(tài)烴的測試主要有三種方法(1).氣相色譜—?dú)浠鹧?FID)檢測器分析；其結(jié)構(gòu)和原理如圖1和圖2所示，被分析的氣體樣品經(jīng)進(jìn)樣口(3)注入，然后由載氣(1)帶入色譜分離柱(4)。被測物質(zhì)經(jīng)色譜柱分離后，進(jìn)入氫火焰(FID)檢測器(5)，與燃燒用的氫氣(9)混合經(jīng)噴嘴(11)一道流出，經(jīng)點(diǎn)火器(14)點(diǎn)火后，在噴嘴上燃燒，(10)提供助燃用的空氣。由于在火焰附近存在著由收集極(13)和極化極(12)間所造成的靜電場，當(dāng)被測氣體樣品進(jìn)入氫—氧火焰時(shí)，燃燒過程中生成的離子，在電場作用下作定向移動而形成離子流，經(jīng)直流微電流放大器(7)放大，然后把信號送至顯示器(8)顯示。
(2).激光吸收光譜測定；其結(jié)構(gòu)和原理如圖3所示，被分析的氣體樣品經(jīng)進(jìn)樣口(3)注入，進(jìn)入吸收氣室(17)，由于甲烷氣體對He、Ne激光(15)3.39μm發(fā)射波長光譜的吸收作用，導(dǎo)致激光強(qiáng)度減弱，通過檢測器(5)測量激光強(qiáng)度的變化，經(jīng)放大器(7)放大，然后把信號送至顯示器(8)顯示甲烷氣體的含量。
(3).氣敏元件檢測器檢測。
其結(jié)構(gòu)和原理如圖4所示，氣敏元件檢測器(5)主要由燒結(jié)狀的二氧化錫組成，當(dāng)還原性氣體樣品(3)被吸附到傳感器的表面時(shí)，它能通過電導(dǎo)率的上升檢測氣體，經(jīng)直流放大器(7)放大，然后把信號送至顯示器(8)顯示還原性氣體的含量。
以上三種方法中，氣敏元件檢測器檢測，選擇性較差，所有還原性氣體如烴類、一氧化碳、氫氣等都同時(shí)被檢測，靈敏度較低，F(xiàn)IGARO公司的產(chǎn)品對甲烷的最低檢出限也只有500ppm(0.5×10-3)，這種方法只能用于煤氣泄漏報(bào)警；挪威研制出的MEDUSA系統(tǒng)，在現(xiàn)場用激光吸收光譜測定氣相中的甲烷，靈敏度達(dá)到3×10-11，但只能檢測甲烷，檢測參數(shù)單一、體積大(直徑0.8m×4m)、重量重(2600kg)、功耗大(4kw)、售價(jià)高(每臺40多萬美元)；美國德克薩斯農(nóng)工大學(xué)研制的嗅測系統(tǒng)(Sniffer)，用氣相色譜儀進(jìn)行現(xiàn)場測定，靈敏度對C1-C4為10-10升氣/升水，但需要高純氮作載氣、使用氫氣燃燒的氫火焰檢測器，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，氫氣燃燒受環(huán)境因素影響較大，操作困難，使用直流微電流放大器，使得溫度漂移不易消除，穩(wěn)定性受到影響，嗅測系統(tǒng)售價(jià)40萬美元，價(jià)格昂貴。
技術(shù)內(nèi)容本發(fā)明的目的在于提供一種便攜式氣態(tài)烴測定儀，具有體積小、重量輕、便于攜帶，與現(xiàn)有技術(shù)相比，還有功耗小，價(jià)格便宜，最低檢出限低，檢測參數(shù)多，穩(wěn)定性好的特點(diǎn)。
本發(fā)明的技術(shù)方案是一種便攜式氣態(tài)烴測定儀，包括，載氣、進(jìn)樣口、排放口、被分析的氣體樣品、還包括裝有活性碳和分子篩的凈化器、穩(wěn)壓閥、針閥、充填著吸著劑和分配劑的色譜分離柱、氣體傳感容器、流量計(jì)、脈沖選通放大電路、顯視器、便于攜帶的機(jī)殼、電源、開關(guān)、指示燈等零件，組裝而成。
所述的載氣是空氣，經(jīng)過凈化器、穩(wěn)壓閥、針閥后，載著從進(jìn)樣口進(jìn)入的被分析的氣體樣品，進(jìn)入色譜分離柱，在色譜分離柱中，通過柱管把各種氣體按時(shí)間先后加以分離，依次到達(dá)氣體傳感器，氣體傳感器的阻值發(fā)生脈沖式的變化，阻值變化，通過脈沖選通放大電路的運(yùn)算、放大后，顯示在機(jī)殼面板的顯視器上；通過氣體傳感器的載氣和氣體樣品的混合氣經(jīng)流量計(jì)、排放口排出。
所述的氣體傳感容器設(shè)有一狹窄的圓弧空腔將圓型片狀的氣敏元件密封在容器內(nèi)部。所述的氣體傳感容器是用黃銅材料制成的。
所述的氣敏元件由微晶玻璃基片、金叉指測量電極、氧化物半導(dǎo)體(摻鈀的二氧化錫)、組成；其中，微晶玻璃基片的厚度0.5mm；用真空鍍膜的方法在微晶玻璃基片上鍍上金叉指電極，將金絲熔融焊接在金叉指電極上，作為引線；金叉指電極的制法是在微晶玻璃基片上首先鍍上一層鉻，再鍍上一層金鉻合金，最后鍍上一層金，金的厚度為2000(方電阻0.5歐姆)；使用的氧化物半導(dǎo)體SnO2粉體，是用納米技術(shù)制成超細(xì)SnO2粉體，粒度20nm-30nm；用溶膠—凝膠法，在鍍上金叉指電極之后，在微晶玻璃基片表面沉積薄膜；所述的用溶膠—凝膠法(sol-gel)SnO2制備薄膜是指用sol--gel方法制備摻鈀SnO2薄膜的原材料是SnCl2·H2O和PdCl2。PdCl2與SnCl2間的摩爾比為(3-10)％，先在SnCl2水溶液中滴入氨水制成膠體溶液，經(jīng)沉淀、清洗、過濾后，把沉淀物溶于有機(jī)溶劑中待用。再將PdCl2溶解在水、冰乙酸及有機(jī)溶劑中，然后把兩者按化學(xué)計(jì)量比混合、攪拌24h成濃度為0.5mol的清晰透明的溶膠，基片選用微晶玻璃薄片。將清洗、烘干的基片置于勻膠機(jī)上，取用適量的溶膠滴涂在鍍上金叉指電極的基片上，以3000-5000r/m速度勻膠，得到SnO2濕膜，再經(jīng)500-800℃高溫爐中保溫1-4h的熱處理，便得到SnO2薄膜，為增加厚度可重復(fù)上述工藝。
所述的脈沖選通放大電路是當(dāng)被測氣體進(jìn)入氣體傳感器(5)，氣體傳感器的阻值將發(fā)生脈沖式的變化，這時(shí)的阻值變化，通過IC1運(yùn)算放大器(23)被變換成與阻值變化量成正比的電壓。該電壓由IC2運(yùn)算放大器(24)倒相，顯示在面板式儀表上。與此同時(shí)，IC1的輸出由IC3運(yùn)算放大器(25)放大后，經(jīng)電容C(26)和電阻R(27)進(jìn)行微分，并根據(jù)此信號對IC2的輸出值進(jìn)行取樣和存儲。(見圖9)。
本發(fā)明的一種便攜式氣態(tài)烴測定儀與國外同類儀器相比，體積為0.017M3，比挪威的MEDUSA系統(tǒng)的2.01M3小100多倍；重量只有4.5千克，比挪威的MEDUSA系統(tǒng)的2600千克少570倍；可以攜帶。功耗小于10W，比挪威的MEDUSA系統(tǒng)的4000W小400倍；檢測限比挪威的MEDUSA系統(tǒng)的低3倍；預(yù)售價(jià)比挪威的MEDUSA系統(tǒng)的低300倍；本發(fā)明的測定儀的主要技術(shù)指標(biāo)見表1，與國內(nèi)外氣態(tài)烴現(xiàn)場測定系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)比較見表2。
表1便攜式氣態(tài)烴現(xiàn)場測定儀主要技術(shù)指標(biāo)

表2 國內(nèi)外氣態(tài)烴現(xiàn)場測定系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)比較


圖1是現(xiàn)有技術(shù)的氣相色譜FID測定裝置方框2是現(xiàn)有技術(shù)的氣相色譜測定裝置FID檢測器圖3是現(xiàn)有技術(shù)的激光吸收光譜甲烷測定裝置圖4是現(xiàn)有技術(shù)的氣敏傳感還原性氣體測定裝置圖5是本發(fā)明的一種便攜式氣態(tài)烴測定儀結(jié)構(gòu)流程方框6是本發(fā)明的一種便攜式氣態(tài)烴測定儀氣體傳感器原理7是本發(fā)明的一種便攜式氣態(tài)烴測定儀氣體傳感器氣流示意8是本發(fā)明的一種便攜式氣態(tài)烴測定儀氣體傳感器氣敏元件截面9是本發(fā)明的一種便攜式氣態(tài)烴測定儀脈沖選通放大器原理示意10是本發(fā)明的一種便攜式氣態(tài)烴測定儀氣敏元件金叉指電極平面11是本發(fā)明的一種便攜式氣態(tài)烴測定儀的操作面盤示意12是本發(fā)明的一種便攜式氣態(tài)烴測定儀的外觀示意13是圖11中P-P面的向視圖即測定儀的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作詳細(xì)的描述，一種便攜式氣態(tài)烴測定儀，，包括，載氣1、進(jìn)樣口3、排放口6、被分析的氣體樣品、還包括裝有活性碳和分子篩的凈化器2、穩(wěn)壓閥33、針閥34、充填著吸著劑和分配劑的色譜分離柱4、氣體傳感容器5、流量計(jì)35、脈沖選通放大電路7、顯視器8、便于攜帶的機(jī)殼41、電源、開關(guān)40、指示燈42等另件組裝而成，(參見圖5、圖11、圖12、圖13)。
所述的載氣1是空氣，經(jīng)過凈化器2、穩(wěn)壓閥33、針閥34后，載著從進(jìn)樣口3進(jìn)入的被分析的氣體樣品，進(jìn)入色譜分離柱4；在色譜分離柱4的細(xì)管中，充填著吸著劑和分配劑。測量時(shí)，運(yùn)載氣體通過分離柱管，當(dāng)一定量的被測氣體一點(diǎn)點(diǎn)通過分離柱管時(shí)，被測氣體中的各種成分被分離柱管中的吸著劑所吸附，吸附的程度與氣體成分的種類和濃度有關(guān)。因此，各種氣體成分通過柱管時(shí)，將產(chǎn)生時(shí)間上的差異，利用這種時(shí)間上的差異，在分離柱管出口處能把每一種成分分離出來。
在分離柱管的出口處設(shè)置有傳感器5，由于它在氣體被分離的出口處，而且被包含在運(yùn)載氣體之中，所以通過傳感器5就能獲得對每種被測氣體成分具有不同峰值的輸出特性曲線。
把空氣作為載流氣體1，以15ml/min的流速流入。這時(shí)從進(jìn)樣口3注入微量的試驗(yàn)氣體，則通過分離柱管把各種氣體按時(shí)間先后加以分離，依次到達(dá)氣體傳感器5。于是根據(jù)分離后分別到達(dá)的不同氣體，氣體傳感器5的阻值將會發(fā)生脈沖式的變化。
這時(shí)的阻值變化，通過脈沖選通放大電路7的運(yùn)算、放大后，顯示在機(jī)殼面板的顯視器8上。
通過氣體傳感器的載氣和氣體樣品的混合氣經(jīng)流量計(jì)、排放口排出。
所述的氣體傳感容器5設(shè)有狹窄的圓弧空腔將圓型片狀的氣敏元件19密封在容器18內(nèi)部，氣體樣品在運(yùn)載氣體(空氣)的帶領(lǐng)下，沖擊氣敏元件氧化物半導(dǎo)體的圓心部位，使得被測氣體在氣敏元件表面形成湍流，并且當(dāng)被測氣體經(jīng)過氣敏元件與容器之間狹窄的通道時(shí)，幾乎是摩擦著氣態(tài)烴氣敏元件19的表面過去的，使被測氣體與氣敏元件19有最大的接觸。因而使氣敏元件19對被測氣體的吸附效率大大提高，吸附效率達(dá)95％以上。
氣體傳感容器5由耐較高溫度的黃銅、材料制成。能使在較高溫度條件下工作的氣敏元件處于較穩(wěn)定的工作狀態(tài)。
本裝置使用的氧化物半導(dǎo)體SnO2是一種廣譜型的氣敏材料，SnO2粉體的粒徑大小、顆粒的形狀、均勻性、穩(wěn)定性都直接影響著以后制成的氣敏元件的靈敏度、功耗、選擇性、響應(yīng)恢復(fù)特性及穩(wěn)定性等重要參數(shù)。如粉體顆粒越小，則粉體的單位比表面積越大，活性越高，由此制成元件靈敏度就越高，功耗就越低，響應(yīng)恢復(fù)時(shí)間就越短。
所述的氣敏元件19由微晶玻璃基片22、金叉指測量電極21、(鉻層29、金鉻合金層30、金層31)、氧化物半導(dǎo)體20(摻鈀的二氧化錫)組成；(圖8所示)使用的氧化物半導(dǎo)體SnO2粉體20，是用納米技術(shù)制成超細(xì)SnO2粉體，粒度20nm-30nm；微晶玻璃基片的厚度0.5mm，切割成直徑8mm的圓形薄片，把基片用洗潔劑浸泡30分鐘后，清洗干凈，用去離子水沖洗，然后用硫酸重鉻酸鉀洗液浸泡72小時(shí)，用去離子水沖洗干凈后，用無水乙醇脫水，烘干備用。
用真空鍍膜的方法在微晶玻璃基片22上鍍上金叉指電極21(圖10所示)，將金絲熔融焊接在金叉指電極21上，作為引線。在鍍上金叉指電極之后，在微晶玻璃基片表面22用溶膠—凝膠法沉積薄膜。
金叉指電極21制備a).在微晶玻璃基片22上首先鍍上一層鉻29，再鍍上一層金鉻合金30，最后鍍上一層金31，金的厚度為2000(方電阻0.5歐姆)；b).作為引線的金絲熔融焊接在金叉指電極21上。
通常采用的鉑絲埋在鉑漿料里作為引線，接觸電阻，可靠性差。直接在微晶玻璃基片22上鍍金附著力也很差，而鉻與微晶玻璃基片22有很好的附著力，在金31與鉻29之間鍍上一層金鉻合金30以后大大改善了金電極在基片上的附著力，也改善了敏感薄膜與金屬電極的接觸特性，敏感元件的穩(wěn)定性、響應(yīng)特性、以及可靠性都得到提高。
所述的用溶膠—凝膠法(sol-gel)SnO2制備薄膜是指用sol--gel方法制備摻鈀SnO2薄膜的原材料是SnCl2·H2O和PdCl2。PdCl2與SnCl2間的摩爾比為(3-10)％，先在SnCl2水溶液中滴入氨水制成膠體溶液，經(jīng)沉淀、清洗、過濾后，把沉淀物溶于有機(jī)溶劑中待用。再將PdCl2溶解在水、冰乙酸及有機(jī)溶劑中，然后把兩者按化學(xué)計(jì)量比混合、攪拌24h成濃度為0.5mol的清晰透明的溶膠，基片選用微晶玻璃薄片22。將清洗、烘干的基片置于勻膠機(jī)上，取用適量的溶膠滴涂在鍍上金叉指電極的基片22上，以3000-5000r/m速度勻膠，得到SnO2濕膜，再經(jīng)500-800℃高溫爐中保溫1-4h的熱處理，便得到SnO2薄膜，為增加厚度可重復(fù)上述工藝。
所述的脈沖選通放大電路是，當(dāng)被測氣體進(jìn)入氣體傳感器(5)，氣體傳感器的阻值將發(fā)生脈沖式的變化，這時(shí)的阻值變化，通過IC1運(yùn)算放大器(23)被變換成與阻值變化量成正比的電壓。該電壓由IC2運(yùn)算放大器(24)倒相，顯示在面板式儀表上。與此同時(shí)，IC1的輸出由IC3運(yùn)算放大器(25)放大后，經(jīng)電容C(26)和電阻R(27)進(jìn)行微分，并根據(jù)此信號對IC2的輸出值進(jìn)行取樣和存儲。
這部分的電路可以較好地改善整機(jī)的穩(wěn)定性指標(biāo)。由于本裝置是利用氣體敏感元件吸附氣態(tài)烴以后的阻值變化來測定微量氣態(tài)烴的，因此，儀器的零點(diǎn)漂移主要由氣體傳感器的阻值穩(wěn)定性來決定。溫度變化引起的阻值變化是儀器的主要漂移來源。此外，環(huán)境中溫度的變化引起的阻值變化也是儀器零點(diǎn)漂移的原因之一。經(jīng)過觀測，發(fā)現(xiàn)溫度引起的漂移一般是變化緩慢的直流信號，而氣態(tài)烴的測量信號是大約0.12HZ的超低頻信號。抓住這有用和無用信號之間的微小差別，通過脈沖選通放大器濾除直流的漂移信號，就可以使整機(jī)的零點(diǎn)漂移得到控制。
綜上所述，本發(fā)明的一種便攜式氣態(tài)烴測定儀與國外同類儀器相比在靈敏度、檢測參數(shù)、重量、體積、功耗、售價(jià)等方面明顯領(lǐng)先。(看附表1、附表2)因此，本發(fā)明實(shí)現(xiàn)了發(fā)明目的，具有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)，具有創(chuàng)造性。本發(fā)明的權(quán)利要求敘述在權(quán)利要求書中。
權(quán)利要求
1.一種便攜式氣態(tài)烴測定儀，包括，載氣、進(jìn)樣口、排放口、被分析的氣體樣品、其特征在于，還包括裝有活性碳和分子篩的凈化器、穩(wěn)壓閥、針閥、充填著吸著劑和分配劑的色譜分離柱、氣體傳感容器、流量計(jì)、脈沖選通放大電路、顯視器、便于攜帶的機(jī)殼、電源、開關(guān)、指示燈等零件，組裝而成。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種便攜式氣態(tài)烴測定儀，其特征在于，所述的載氣是空氣，經(jīng)過凈化器、穩(wěn)壓閥、針閥后，載著從進(jìn)樣口進(jìn)入的被分析的氣體樣品，進(jìn)入色譜分離柱，在色譜分離柱中，通過柱管把各種氣體按時(shí)間先后加以分離，依次到達(dá)氣體傳感器，氣體傳感器的阻值發(fā)生脈沖式的變化，阻值變化，通過脈沖選通放大電路的運(yùn)算、放大后，顯示在機(jī)殼面板的顯視器上；通過氣體傳感器的載氣和氣體樣品的混合氣經(jīng)流量計(jì)、排放口排出。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種便攜式氣態(tài)烴測定儀，其特征在于，所述的氣體傳感容器中，設(shè)有一狹窄的圓弧空腔將圓型片狀的氣敏元件密封在容器內(nèi)部；所述的氣體傳感容器是用黃銅材料制成的。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種便攜式氣態(tài)烴測定儀，其特征在于，所述的氣敏元件由微晶玻璃基片、金叉指測量電極、氧化物半導(dǎo)體(摻鈀的二氧化錫)、組成；其中，微晶玻璃基片的厚度0.5mm；用真空鍍膜的方法在微晶玻璃基片上鍍上金叉指電極，將金絲熔融焊接在金叉指電極上，作為引線；金叉指電極的制法是在微晶玻璃基片上首先鍍上一層鉻，再鍍上一層金鉻合金，最后鍍上一層金，金的厚度為2000(方電阻0.5歐姆)；使用的氧化物半導(dǎo)體SnO2粉體，是用納米技術(shù)制成超細(xì)SnO2粉體，粒度20nm-30nm；用溶膠-凝膠法，在鍍上金叉指電極之后，在微晶玻璃基片表面沉積薄膜；
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種便攜式氣態(tài)烴測定儀，其特征在于，所述的用溶膠-凝膠法(sol-gel)SnO2制備薄膜是指用sol--gel方法制備摻鈀SnO2薄膜的原材料是SnCl2·H2O和PdCl2.PdCl2與SnCl2間的摩爾比為(3-10)％，先在SnCl2水溶液中滴入氨水制成膠體溶液，經(jīng)沉淀、清洗、過濾后，把沉淀物溶于有機(jī)溶劑中待用；再將PdCl2溶解在水、冰乙酸及有機(jī)溶劑中，然后把兩者按化學(xué)計(jì)量比混合、攪拌24h成濃度為0.5mol的清晰透明的溶膠，基片選用微晶玻璃薄片；將清洗、烘干的基片置于勻膠機(jī)上，取用適量的溶膠滴涂在鍍上金叉指電極的基片上，以3000-5000r/m速度勻膠，得到SnO2濕膜，再經(jīng)500-800℃高溫爐中保溫1-4h的熱處理，便得到SnO2薄膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的一種便攜式氣態(tài)烴測定儀，其特征在于，所述的脈沖選通放大電路是當(dāng)被測氣體進(jìn)入氣體傳感器(5)，氣體傳感器的阻值將發(fā)生脈沖式的變化，這時(shí)的阻值變化，通過IC1運(yùn)算放大器(23)被變換成與阻值變化量成正比的電壓，該電壓由IC2運(yùn)算放大器(24)倒相，顯示在面板式儀表上；與此同時(shí)，IC1的輸出由IC3運(yùn)算放大器(25)放大后，經(jīng)電容C(26)和電阻R(27)進(jìn)行微分，并根據(jù)此信號對IC2的輸出值進(jìn)行取樣和存儲。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種便攜式氣態(tài)烴測定儀，屬于烴類氣體化學(xué)分析設(shè)備，專利分類號C10G。由被分析的氣體樣品、凈化器、進(jìn)樣口、載氣、色譜分離柱，氣體傳感裝置，脈沖選通放大電路、顯視器組成。所述的運(yùn)載氣體是空氣；裝置的體積為0.017M
文檔編號G01N30/00GK1588051SQ20041007812
公開日2005年3月2日 申請日期2004年9月17日 優(yōu)先權(quán)日2004年9月17日
發(fā)明者孫春巖, 王維熙, 牛濱華 申請人:中國地質(zhì)大學(xué)(北京)