CN203324220U - 一种多组份气体监测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种多组份气体监测装置,属于气体测量设备的技术领域,包括气体采集器(2)、高压气瓶(4)、气体电磁阀(5)、气体稳流器(6)、电化学气体传感器阵列(7)、气体测量腔(8)、电源控制模块(10)、微处理器(11)、湿度测量模块(12)、温度测量模块(13)、显示模块(14),通过电化学气体传感器阵列测量待测气体组份及浓度后,传感器测量信号通过微处理器处理后显示在显示模块上,微处理器根据待测气体湿度和温度对测量结果进行校正。本装置采用多个低成本电化学气体传感器形成阵列,可以对多组份气体进行监测,避免了传感器的交叉敏感问题,结构简单,尺寸小巧,提高了多组份气体测量精度,可以被大范围应用。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种多组份气体监测装置,适用于复杂气体环境的气体成分分析及浓度测量,属于气体测量设备的技术领域。
背景技术
目前多被采用的气体监测***是单一气体监测***,也就是由单一气敏传感器及相应电路构成。这主要是由目前气敏传感器的测量特征所决定的。气体传感器按照测量原理分,有电化学式气敏传感器、半导体式气敏传感器、热催化式气敏传感器以及光学式气敏传感器。其中采用光学原理进行气体浓度分析的传感器所具有的交叉敏感性最弱,因此也通常被采用进行复杂气体环境的气体组份测量。然而光学式气敏传感器的价格通常较为昂贵,在市场中始终都无法大范围普及,而主要是被应用在研究院所进行高精密气体分析。
然而实际测量环境通常是多组份气体环境,环境中存在多种气体,例如沼气池发酵环境、工业区大气环境等。在这种环境中进行某种气体参数分析,如果仅采用单一气体传感器,那么该传感器会受到其他非待测气体组份的影响。因此实际应用中为了能够精确测量某种气体组份,就需要对采样的气体进行提纯、过滤等操作,这样滤除掉了非待测气体组份后,虽然减小了测量误差,然而新增的组件会增加气体参数分析的成本,同时也不利于气体的在线监测。市场中也常采用光学式气体分析仪,对多组份气体环境进行参数分析。光学式气体分析仪是采用光学原理,如气体吸收频谱等,对气体进行测量。在测量的过程中,不会有交叉干扰,因此不需要对气体进行提纯过滤等操作。然而光学式气体分析设备较为昂贵,无法被大范围使用。综上分析,电化学式气体传感器仍然是气体分析领域内的研究热点。
发明内容
为了克服背景技术中的目前气敏传感器在多组份气体环境中表现出的交叉敏感特性,本实用新型提供了一种低成本,利用电化学式气敏传感器对复杂多组份气体环境进行监测的多组份气体监测装置,测量精度高、适应范围广。
本实用新型具体采用以下技术方案解决上述技术问题:
一种多组份气体监测装置,包括气体采集器、高压气瓶、气体电磁阀、气体稳流器、电化学气体传感器阵列、气体测量腔、电源控制模块、微处理器、湿度测量模块、温度测量模块、显示模块,其中外部待测气体从气体采集器进入;所述气体采集器通过气体管路分别与湿度测量模块、温度测量模块、气体电磁阀的一端连接;所述高压气瓶通过气体管路与气体电磁阀的另一端连接;所述气体电磁阀的一端与气体稳流器的一端连接;所述气体稳流器的另一端与气体测量腔紧密相连;所述电化学气体传感器阵列设置在气体测量腔内部,待测气体通过气体测量腔的废气排放口排出;所述电化学气体传感器阵列分别与电源控制模块的一端、微处理器连接;所述湿度测量模块、温度测量模块、电源控制模块的另一端分别与微处理器连接;所述微处理器与显示模块连接。
作为本实用新型的一种优选技术方案:还包括测量腔体加热器,所述测量腔体加热器位于气体测量腔的表面。
作为本实用新型的一种优选技术方案:所述气体稳流器为内部设有圆孔层的圆柱体。
作为本实用新型的一种优选技术方案:所述气体测量腔为圆柱体。
作为本实用新型的一种优选技术方案:所述气体采集器内部设有反吹电磁阀。
本装置将气体采集器内的气体采集管与外界空气相连,并通过气体采集器内的抽取泵抽取外界待测气体。高压气瓶内充满氮气或纯净空气作为载气,气体电磁阀控制载气输出流量。从气体电磁阀输出的载气与待测气体进行混合,随后被送至气体稳流器。气体稳流器直接与气体测量腔相连,作用是将待测气体及载气进行二次混合,并减小气体冲击对传感器的影响。电化学气体传感器阵列测量待测气体组份及浓度后,待测气体通过废气排放口排放出整个测量装置。传感器测量信号通过微处理器处理后显示在显示模块上。微处理器还可以根据待测气体湿度对测量结果进行校正,并根据待测气体温度控制加热器加热温度。通过显示模块可以对载气流量、加热温度、***开合等进行在线监督及控制。
本实用新型采用上述技术方案能产生如下技术效果:
本装置采用多个低成本电化学气体传感器,并通过研发的标定算法,将电化学气体传感器形成阵列,可以对多组份气体进行监测,避免了传感器的交叉敏感问题。此外,装置采用了易于实现的***架构,构成简单,尺寸小巧,可以被大范围应用。气体稳流器是内部带有圆孔层的圆柱体,小孔在圆柱截面上均匀分布,可以使进入测量腔的气体均匀输送到阵列式传感器表面。用于测量气体的气体测量腔采用圆柱体,可以与气体稳流器紧密相连。测量腔体外的加热器对测量腔进行加热,从而提高了多组份气体测量精度。气体采集器内带有反吹电磁阀,可以防止待测气体回流外泄。
因此,本装置设计了小巧、结构紧凑的气体测量结构,成本低、易于实现,同时测量精度高、适应范围广,可被大范围应用。
附图说明
图1为本实用新型的多组份气体监测装置的结构示意图。
图2为本实用新型的多组份气体监测装置的气体测量腔及稳流器结构示意图。
其中标号解释:1-待测气体、2-气体采集器、3-气体管路、4-高压气瓶、5-气体电磁阀、6-气体稳流器、7-电化学气体传感器阵列、8-气体测量腔、9-测量腔体加热器,10-电源控制模块,11-微处理器,12-湿度测量模块,13-温度测量模块,14-显示模块。
具体实施方式
下面结合说明书附图对本实用新型的具体实施方式进行描述。
如图1所示,一种多组份气体监测装置,包括气体采集器2、高压气瓶4、气体电磁阀5、气体稳流器6、电化学气体传感器阵列7、气体测量腔8、电源控制模块10、微处理器11、湿度测量模块12、温度测量模块13、显示模块14,其中外部待测气体1从气体采集器2进入;所述气体采集器2通过气体管路3分别与湿度测量模块12、温度测量模块13、气体电磁阀5的一端连接;所述高压气瓶4通过气体管路3与气体电磁阀5的另一端连接;所述气体电磁阀5的一端与气体稳流器6的一端连接;所述气体稳流器6的另一端与气体测量腔8紧密相连;所述电化学气体传感器阵列7设置在气体测量腔8内部,待测气体1通过气体测量腔8的废气排放口排出;所述电化学气体传感器阵列7分别与电源控制模块10的一端、微处理器11连接;所述湿度测量模块12、温度测量模块13、电源控制模块10的另一端分别与微处理器11连接;所述微处理器11与显示模块14连接。
对于气体测量腔8,腔壁利用测量腔体加热器9加热,测量腔体加热器9的加热丝将腔表面包裹,目的是提高测量腔内温度,防止低温环境对传感器造成影响,以及降低气温差异对测量造成的影响。
而气体测量腔及稳流器结构如图2所示,气体稳流器6是内部带有圆孔层的圆柱体,小孔在圆柱截面上均匀分布,可以使进入测量腔的气体均匀输送到阵列式传感器表面。用于测量气体的气体测量腔8采用圆柱体,可以与气体稳流器6紧密相连。
本实用新型的具体工作过程如下: 本装置将气体采集器2内的气体采集管与外界空气相连,并通过气体采集器2内的抽取泵抽取外界待测气体1。采集管内带有反吹电磁阀,可以防止待测气体1回流外泄。高压气瓶4内充满氮气或纯净空气作为载气,气体电磁阀5控制载气输出流量。从气体电磁阀5输出的载气与气体采集器2输出的待测气体2进行混合,随后被送至气体稳流器6。气体稳流器6直接与气体测量腔8相连,作用是将待测气体1及载气进行二次混合,并减小气体冲击对传感器的影响。电化学气体传感器阵列7包括多个低成本电化学气体传感器,多个电化学气体传感器测量待测气体组份及浓度后,待测气体通过废气排放口排放出整个测量装置。多个传感器测量信号通过微处理器11处理后显示在显示模块14上。微处理器11还可以根据待测气体湿度对测量结果进行校正,并根据待测气体温度控制加热器加热温度。通过显示模块14可以对载气流量、加热温度、***开合等进行在线监督及控制。其中,微处理器为硬件模块,如可以采用单片机、NXP-LPC2361型处理器或其他的等具有简单数据处理功能的硬件。显示模块可以采用ST7920型的液晶显示屏或其他的显示屏。
对于湿度测量模块12和温度测量模块13的温湿度校正原理为:电化学气体传感器由于采用了化学的原理进行气体测量,在化学反应过程中,化学活性会受到环境湿度、温度的影响。同时水分子在反应界面的沉积也会对化学反应造成影响。因此通过对环境温湿度的测量,并根据传感器厂商提供了温湿度影响参数,对测量进行温湿度补偿,就可以极大减小湿度对测量的影响。此外,由于本发明的监测装置会被应用在各种温度环境中,为了使测量结果保持较好的一致性,需要保证气体传感器工作温度环境的一致。因此通过对环境温度的测量,可以优化微处理器11对气体测量腔加热器9进行控制。其中,湿度测量模块12和温度测量模块13均为硬件模块,可以采用如SHT15型的湿度传感器或温度传感器等部件来实现测量。
电化学气体传感器阵列7是由多个电化学式气体传感器组成,电化学式气体传感器主要是利用待测气体的氧化还原特性,通过电化学反应,测量气体浓度信息。由于污染性气体通常都带有氧化还原特性,因此多组份气体所产生的电化学信号会在传感器端进行叠加,这也是单个电化学气体传感器无法进行多组份气体测量的原因。然而不同的电化学气体传感器会对不同的待测气体表现出不同的化学活性。本实用新型就是利用了电化学传感器的这一特性,通过采用传感器阵列,实现了对多组份气体的测量。发明所采用的电化学传感器分别主要针对不同的待测气体,按照被测环境的需要,如环境中含有CO、H2S、NO等污染性气体,那么就分别采用用于CO、H2S、NO的电化学传感器,这样三种传感器分别对CO、H2S以及NO的敏感度更高,对其他气体敏感度不同程度较低。本实用新型中电化学传感器在采用前,首先进行传感器活性标定,即对不同待测气体的化学活性进行标定,标定值采用相同的参考分量。具体标定过程如下:
CO电化学传感器,在100ppm浓度纯净CO气氛中的传感器输出信号数值为IA,那么该传感器对CO的敏感度就为SA=A/100ppm,同理在100ppm浓度纯净H2S气氛中传感器输出信号数值为IB,那么该传感器对H2S的敏感度为SB=B/100ppm。通过这种方法就可以标定该传感器对不同气体的敏感度。传感器的敏感度标定完后,假设i为某种电化学气体传感器编号,Ii为该传感器对应的输出信号数值,Sik为该传感器对k类气体的敏感度,Ck为k类气体浓度,那么对于多组份气体环境,符合:
I1 = S11C1 + S12C2 + S13C3 +…
即1号传感器的输出信号数值分别为该传感器对C1、C2、C3…等气体浓度对应输出信号的叠加。由于不同种类的气体传感器对不同气体具有不同的化学活性,那么
I2 = S21C1 + S22C2 + S23C3 +…
I3 = S31C1 + S32C2 + S33C3 +…
…
Ii = Si1C1 + Si2C2 + Si3C3 +…
这样根据已知量传感器测量值I1,I2…Ii,以及传感器的敏感度Sik的数值,就可以通过数值分析计算得出多组份气体环境的气体成分及相应浓度信息C。
因此,本装置采用低成本电化学气体传感器,并通过研发的标定算法,将电化学气体传感器形成阵列,可以对多组份气体进行监测,避免了传感器的交叉敏感问题;此外发明的气体监测装置采用了易于实现的架构,构成简单,尺寸小巧,提高了多组份气体测量精度,可以被大范围应用。
上面结合附图对本实用新型的实施方式作了详细说明,但是本实用新型并不限于上述实施方式,在本领域普通技术人员所具备的知识范围内,还可以在不脱离本实用新型宗旨的前提下做出各种变化。
Claims (5)
1.一种多组份气体监测装置,其特征在于:包括气体采集器(2)、高压气瓶(4)、气体电磁阀(5)、气体稳流器(6)、电化学气体传感器阵列(7)、气体测量腔(8)、用于供电的电源控制模块(10)、微处理器(11)、湿度测量模块(12)、温度测量模块(13)、显示模块(14),其中外部待测气体(1)从气体采集器(2)进入;所述气体采集器(2)通过气体管路(3)分别与湿度测量模块(12)、温度测量模块(13)、气体电磁阀(5)的一端连接;所述高压气瓶(4)通过气体管路(3)与气体电磁阀(5)的另一端连接;所述气体电磁阀(5)的一端与气体稳流器(6)的一端连接;所述气体稳流器(6)的另一端与气体测量腔(8)紧密相连;所述电化学气体传感器阵列(7)设置在气体测量腔(8)内部,待测气体通过气体测量腔(8)的废气排放口排出;所述电化学气体传感器阵列(7)分别与电源控制模块(10)的一端、微处理器(11)连接;所述湿度测量模块(12)、温度测量模块(13)、电源控制模块(10)的另一端分别与微处理器(11)连接;所述微处理器(11)与显示模块(14)连接。
2. 根据权利要求1所述的多组份气体监测装置,其特征在于:还包括测量腔体加热器(9),所述测量腔体加热器(9)位于气体测量腔(8)的表面。
3. 根据权利要求1或2所述的多组份气体监测装置,其特征在于:所述气体稳流器(6)为内部设有圆孔层的圆柱体。
4. 根据权利要求1或2所述的多组份气体监测装置,其特征在于:所述气体测量腔(8)为圆柱体。
5. 根据权利要求1或2所述的多组份气体监测装置,其特征在于:所述气体采集器(2)内部设有反吹电磁阀。
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GR01 | Patent grant | ||
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Granted publication date: 20131204 Termination date: 20150621 |
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