專利名稱：便攜式氣體檢測儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種新型的便攜式氣體檢測儀。
背景技術(shù)：
氣體檢測技術(shù)在工農(nóng)業(yè)、環(huán)境監(jiān)測、日常生活等領(lǐng)域起著越來越重要的作用，目前環(huán)保部門主要采用氣相色譜儀作為氣體檢測儀器，有時也應(yīng)用精確的生物和化學(xué)分析來進行有效的檢測，雖然檢測精度和靈敏度都很高，但是儀器貴重，成本高，而且檢測耗時長，無法進行現(xiàn)場檢測，具有很大的局限性。自從上個世紀八十年代起，人工嗅覺-電子鼻技術(shù)迅速發(fā)展，電子鼻主要由氣敏傳感器陣列和模式識別系統(tǒng)構(gòu)成，能定性甚至定量的識別一種或多種氣體。目前，一些歐美國家出現(xiàn)了商品化的電子鼻，但這些儀器體積大，價格昂貴，無法滿足現(xiàn)場檢測以及便攜式等要求。中國專利CN02111963.5提供一種便攜式智能電子鼻及其制備方法，由于沒有設(shè)置富集裝置，測量下限較高，檢測氣體單一，不能同時對混合氣體進行檢測。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種待測氣體檢測下限低、能測量有機混合氣體、體積小、重量輕的便攜式氣體檢測儀。
一種便攜式氣體檢測儀，包括氣敏傳感器陣列，控制電路，信號調(diào)理-采集-處理電路，鍵盤，打印，顯示，通訊接口，其特征在于設(shè)有氣體富集裝置1，緩沖氣囊2以及測量氣室(3)，待測氣體依次通過富集裝置1、緩沖氣囊2后進入測量氣室3，待測氣體通過富集裝置1后其濃度提高到原來的10～100倍；氣敏傳感器陣列及其信號接口布置在測量氣室3的密封腔33內(nèi)，氣敏傳感器陣列由4個并聯(lián)的金屬氧化物傳感器和4個并聯(lián)的碳納米管傳感器組成；富集裝置1由進氣閥11、受控制電路控制的溫度控制器12、加熱器13、裝有吸附劑的吸附管14、氣泵15、出氣閥16組成；測量氣室3由進氣口31、干燥器32、立方體狀的密封腔33、排氣口34組成，碳納米管傳感器陣列及信號接口33a和金屬氧化物傳感器陣列及信號接口33b對稱地布置在密封腔33內(nèi)側(cè)；金屬氧化物傳感器陣列由該傳感器自身加熱電阻進行周期性加熱，加熱電壓為方波狀，其占空比可調(diào)。
經(jīng)過富集后的氣體進入測量氣室，氣敏傳感器陣列產(chǎn)生原始響應(yīng)信號，經(jīng)過預(yù)處理、采樣、優(yōu)化后，通過模式識別算法得到氣體的組成和各成分的濃度信息。傳感器陣列由4個并聯(lián)的金屬氧化物和4個并聯(lián)的碳納米管傳感器組成，對待測氣體來說，傳感器陣列具有一定的冗余度，這種冗余度對于因個別傳感器的老化而降低儀器鑒別率具有防范作用，提高了儀器的可靠性。
對金屬氧化物傳感器，采用了動態(tài)測量技術(shù)在測量過程中，通過控制傳感器的加熱電壓，使傳感器的工作溫度在其對混合氣體的靈敏區(qū)間內(nèi)進行連續(xù)變化，隨著傳感器工作溫度的變化和被測氣體濃度的不同，氣體分子的吸附脫附處于不同的動態(tài)平衡當中，從而產(chǎn)生不同的響應(yīng)值。只要控制好采樣頻率和工作溫度變化曲線，則每一個傳感器都能得到含有數(shù)倍于傳統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)檢測方法所得到的信息的周期性連續(xù)變化曲線，也就是說，每一個傳感器的作用等同于一組不同靈敏度的傳感器。動態(tài)測量的響應(yīng)信號如圖4所示，其中橫坐標為采樣時間，縱坐標為傳感器響應(yīng)幅度，四條曲線分別是傳感器陣列4個傳感器(S1，S2，S3，S4)對混合氣體的響應(yīng)。
碳納米管氣敏傳感器對氣體響應(yīng)的大小與氣體的濃度在一定范圍內(nèi)呈線性關(guān)系，這是精確定量的基礎(chǔ)。碳納米管氣敏傳感器的典型響應(yīng)曲線如圖5所示，D點表示反應(yīng)起始，E點表示反應(yīng)平衡點，D、E的電流差與氣體濃度呈近似線性關(guān)系。
圖1是本檢測儀的結(jié)構(gòu)示意圖，該儀器包含富集系統(tǒng)1，緩沖氣囊2，測量氣室3，控制電路、信號調(diào)理采集、處理電路4，鍵盤5，顯示6，打印7，通訊接口8。
富集系統(tǒng)如圖2所示，由進氣閥門11、溫度控制器12、加熱裝置13、吸附管14、氣泵15、出氣閥16組成。本儀器選擇TENAX-G作為吸附劑，采用主動采樣和熱解吸方法來實現(xiàn)氣體富集。采樣時，待測氣體通過吸附管，毒性有機氣體被吸附性很強的材料吸附，水蒸汽等干擾氣體則被濾過；富集后將吸附管迅速加熱到預(yù)定溫度，并用氮氣或潔凈空氣作為載氣將吸附管內(nèi)的氣體迅速排到緩沖氣囊。通過控制吸附材料量、采樣流速、采樣時間、采樣溫度、解吸溫度等參數(shù)，可以將毒性有機氣體濃度提高10～100倍，這也意味著儀器的檢測下限為傳感器檢測下限(1ppm)的1％～10％(10～100ppb)。如果待測濃度高于傳感器的檢測下限，待測氣體可以直接通過氣囊注入測量氣室，而省去富集過程。
測量氣室如圖3所示，由進氣口31、干燥箱32、內(nèi)側(cè)含有碳納米管傳感器陣列及信號接口33a、金屬氧化物傳感器陣列及信號接口33b、有效容積33c的密封室33、排氣口34組成。干燥器吸收進氣中的水蒸汽，去除濕度對傳感器的影響；碳納米管傳感器陣列由4個浙江大學(xué)生物傳感器國家專業(yè)實驗室提供的碳納米管氣敏傳感器構(gòu)成，金屬氧化物氣敏傳感器陣列由4個商用的MQ系列SnO2傳感器構(gòu)成，兩個陣列對稱地固定在氣室的內(nèi)側(cè)；信號接口為傳感器提供工作電壓、控制信號，并取得傳感器的響應(yīng)信號。
控制電路、信號調(diào)理-采集-處理電路4為現(xiàn)有技術(shù)。控制電路功能包括控制富集裝置1的氣閥、采樣時間、解吸溫度、解吸載氣量，控制金屬氧化物傳感器的動態(tài)加熱周期，控制碳納米管傳感器的掃描電壓，控制鍵盤5、顯示6、打印7、通訊接口8為輔助模塊。信號調(diào)理電路進行傳感器信號的預(yù)處理，如放大、模擬濾波；信號采集，即模數(shù)轉(zhuǎn)換；信號處理，如數(shù)字濾波、去基線漂移、模式識別。鍵盤5、顯示6、打印7模塊作為人機接口，輸入控制命令、顯示或打印儀器自身狀態(tài)和測試結(jié)果(氣體種類、濃度)信息。通訊接口8負責(zé)與PC機通訊，實現(xiàn)擴展功能，如測試結(jié)果存儲和分析、儀器校準與檢測、模式下載等。單片微處理器芯片是該電路中的核心單元，產(chǎn)生所需控制信息，對傳感器陣列響應(yīng)信號進行預(yù)處理和模式識別運算，得到待測氣體的成分和濃度信息。
同現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明具有如下優(yōu)點1)設(shè)有富集裝置，使儀器的檢測下限大大低于了傳感器本身的檢測下限，測量精確度提高1～2個數(shù)量級，適合測量要求較高的場合；2)設(shè)有一個密閉的測量氣室，內(nèi)部集成了兩個傳感器陣列，營造了一個相對穩(wěn)定、氣體流動狀況好的環(huán)境，大大降低了溫度、濕度、空氣流動等因素對傳感器的影響，提高了檢測的穩(wěn)定性、重復(fù)性和鑒別率；3)對金屬氧化物傳感器采用了動態(tài)檢測技術(shù)，充分利用了傳感器的敏感區(qū)，提高了響應(yīng)信號的信息含量，在使用少量傳感器的條件下，利用有效的信號處理可以檢測更多種類的氣體；4)以廉價的普通氣敏傳感器陣列組成高效的氣體檢測儀，體積小，成本低，同時可以通過配置不同的傳感器陣列組合以適應(yīng)不同測量要求，可應(yīng)用于環(huán)保、食品、化妝品、化工、醫(yī)藥、安全等諸多領(lǐng)域；本儀器適用于現(xiàn)場檢測，既可應(yīng)用于自動監(jiān)測場合，也可構(gòu)建成監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)；


圖1為便攜式氣體檢測儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為富集裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為測量氣室結(jié)構(gòu)示意圖。
圖4為4個SnO2傳感器對同種氣體的動態(tài)響應(yīng)信號曲線圖。
圖5為單個碳納米管傳感器對氣體的響應(yīng)信號曲線圖。
圖6為儀器檢測過程工作流程圖。
具體實施例方式
實施例1一種便攜式氣體檢測儀，設(shè)有氣體富集裝置1，緩沖氣囊2以及測量氣室3，待測氣體依次通過富集裝置1、緩沖氣囊2后進入測量氣室3，待測氣體通過富集裝置1后其濃度提高到原來的10倍；氣敏傳感器陣列及其信號接口布置在測量氣室3的密封腔33內(nèi)，氣敏傳感器陣列由4個并聯(lián)的 金屬氧化物傳感器和4個并聯(lián)的碳納米管傳感器組成；富集裝置1由進氣閥11、受控制電路控制的溫度控制器12、加熱器13、裝有吸附劑的吸附管14、氣泵15、出氣閥16組成；測量氣室3由進氣口31、干燥器32、立方體狀的密封腔33、排氣口34組成，碳納米管傳感器陣列及信號接口33a和金屬氧化物傳感器陣列及信號接口33b對稱地布置在密封腔33內(nèi)側(cè)；金屬氧化物傳感器陣列由該傳感器自身加熱電阻進行周期性加熱，加熱電壓為方波狀，其占空比可調(diào)。
金屬氧化物傳感器采用市售的SnO2傳感器，工作溫度控制在180～300℃，碳納米管傳感器由浙江大學(xué)生物傳感器國家專業(yè)實驗室提供；以TENAX-G作為吸附劑，以0.2升/分的速度主動采樣15分鐘，采樣溫度控制在25℃，在200℃下熱解吸，實現(xiàn)氣體富集；單片機MSP430F449實現(xiàn)調(diào)理后的傳感器信號采集、預(yù)處理、模式識別，并控制顯示、鍵盤輸入、打印機輸出以及采氣、熱解吸等過程，測量氣室的有效容積約為20ml，具有很好的密閉性。分別配制0.5ppm甲醛、苯、甲苯、二甲苯的樣本氣體，將上述樣本氣體混合氣經(jīng)過富集10倍后濃度為5ppm，送入氣室，傳感器響應(yīng)信號經(jīng)過調(diào)理和預(yù)處理后被單片機數(shù)字化。
檢測過程如圖6所示，儀器啟動、自檢P1，判斷儀器是否正常P2，如果儀器故障則報警，顯示故障類型P3，否則通過啟動氣體采樣P4，判斷采氣是否結(jié)束P5，如果采氣未結(jié)束則監(jiān)測并校準氣體流速P6并返回P5，如果采氣結(jié)束則通過結(jié)束采氣、啟動加熱P7，持續(xù)檢測解吸溫度是否到P8，直至達到解吸溫度后依次通過結(jié)束加熱、啟動解吸P9，待測氣體注入氣室P10，啟動傳感器信號采樣P11，直至氣體成分和濃度信息計算、顯示、打印P12。
對一種甲醛、苯、甲苯、二甲苯混合氣的測試結(jié)果如圖4所示，圖中S1、S2、S3、S4分別為4個金屬氧化物傳感器對混合氣體的響應(yīng)曲線。圖5為單個碳納米管傳感器對混合氣體的響應(yīng)曲線。
實施例2一種便攜式氣體檢測儀，待測氣體依次通過富集裝置1、緩沖氣囊2后進入測量氣室3，待測氣體通過富集裝置1后其濃度提高到原來的100倍；金屬氧化物傳感器采用市售的SnO2傳感器，工作溫度控制在300～420℃，碳納米管傳感器由浙江大學(xué)生物傳感器國家專業(yè)實驗室提供；以TENAX-G作為吸附劑，以0.2升/分的速度主動采樣15分鐘，采樣溫度控制在25℃，在200℃下熱解吸，實現(xiàn)氣體富集；單片機MSP430F449實現(xiàn)調(diào)理后的傳感器信號采集、預(yù)處理、模式識別，并控制顯示、鍵盤輸入、打印機輸出以及采氣、熱解吸等過程，測量氣室的有效容積約為20ml，具有很好的密閉性。分別配制0.1ppm甲醛、苯、甲苯、二甲苯的樣本氣體，將上述樣本氣體混合氣經(jīng)過富集100倍后濃度為10ppm，送入氣室，傳感器響應(yīng)信號經(jīng)過調(diào)理和預(yù)處理后被單片機數(shù)字化。其余與實施例1相同。
權(quán)利要求
1.一種便攜式氣體檢測儀，包括氣敏傳感器陣列，控制電路，信號調(diào)理-采集-處理電路，鍵盤，打印，顯示，通訊接口，其特征在于設(shè)有氣體富集裝置(1)，緩沖氣囊(2)以及測量氣室(3)，待測氣體依次通過富集裝置(1)、緩沖氣囊(2)后進入測量氣室(3)，待測氣體通過富集裝置(1)后其濃度提高到原來的10～100倍；氣敏傳感器陣列及其信號接口布置在測量氣室(3)的密封腔(33)內(nèi)，氣敏傳感器陣列由4個并聯(lián)的金屬氧化物傳感器和4個并聯(lián)的碳納米管傳感器組成。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的便攜式氣體檢測儀，其特征在于富集裝置(1)由進氣閥(11)、受控制電路控制的溫度控制器(12)、加熱器(13)、裝有吸附劑的吸附管(14)、氣泵(15)、出氣閥(16)組成。
3.根據(jù)權(quán)利1所述的便攜式氣體檢測儀，其特征在于測量氣室(3)由進氣口(31)、干燥器(32)、立方體狀的密封腔(33)、排氣口(34)組成，碳納米管傳感器陣列及信號接口(33a)和金屬氧化物傳感器陣列及信號接口(33b)對稱地布置在密封腔(33)內(nèi)側(cè)。
4.根據(jù)權(quán)利1所述的便攜式氣體檢測儀，其特征在于金屬氧化物傳感器陣列由該傳感器自身加熱電阻進行周期性加熱，加熱電壓為方波狀，其占空比可調(diào)。
全文摘要
一種便攜式氣體檢測儀，其特征在于設(shè)有氣體富集裝置(1)，緩沖氣囊(2)以及測量氣室(3)，待測氣體依次通過富集裝置(1)、緩沖氣囊(2)后進入測量氣室(3)，待測氣體通過富集裝置(1)后其濃度提高到原來的10～100倍；氣敏傳感器陣列及其信號接口布置在測量氣室(3)的密封腔(33)內(nèi)，氣敏傳感器陣列由4個并聯(lián)的金屬氧化物傳感器和4個并聯(lián)的碳納米管傳感器組成。同現(xiàn)有技術(shù)比較，本發(fā)明具有如下優(yōu)點儀器的檢測下限比傳感器本身的下限低1～2個數(shù)量級；密閉的測量氣室降低了溫度、濕度、空氣流動等因素對傳感器的影響，動態(tài)檢測技術(shù)充分利用了傳感器的敏感區(qū)，提高了響應(yīng)信號的信息含量，儀器適用于現(xiàn)場檢測。
文檔編號G01N27/00GK1687765SQ20051004951
公開日2005年10月26日 申請日期2005年3月31日 優(yōu)先權(quán)日2005年3月31日
發(fā)明者陳裕泉, 潘敏, 方向生, 朱丹華 申請人:浙江大學(xué)