一種可攜式微量氣體檢測系統的製作方法
2023-06-07 11:11:56
一種可攜式微量氣體檢測系統的製作方法
【專利摘要】本實用新型公開一種可攜式微量氣體檢測系統，其包括採樣模塊、檢測模塊、設備主控。採樣模塊包括：富集管，其用於在預定的富集時間內進行氣體樣本採集與富集；加熱絲，其位於該富集管內用於加熱該富集管內的氣體樣本，以通過升溫的手段釋放在該富集管內濃縮的氣體樣本。檢測模塊包括：傳感腔，其入口通過第一管路與該富集管的出口相通；單向閥，其安裝在該第一管路上；傳感器陣列，其位於該傳感腔內用於在該單向閥開啟時檢測該富集管採樣的氣體樣本。設備主控用於根據該富集時間控制該加熱絲的加熱時間、該單向閥的開啟與關閉、該傳感器陣列的運行，並接收該傳感器陣列的檢測信號進行數據採集與處理。
【專利說明】一種可攜式微量氣體檢測系統
【技術領域】
[0001]本實用新型涉及一種體檢測系統，特別是一種可攜式微量氣體檢測系統。
【背景技術】
[0002]氣體檢測設備被廣泛應用於大氣汙染控制、食品質量評估、爆炸物報警、毒氣監測、生化戰劑預警、醫療診斷等領域。
[0003]氣體組分的檢測一般分為下述幾種方法:1)色譜儀，精度及靈敏度高，但是設備體積龐大需要純淨載氣，適合實驗室應用。氣體組分檢測通過現場取樣，實驗室進行離線分析的過程進行。2)光學方法，設備精度較高，需要穩定的外部環境。3)半導體及電化學方法，可以針對性地測試某些氣體組分，可測試的氣體對象濃度一般在幾十個ppm以下，對測試環境的需求較低，惡劣工況下也能保證可靠工作。
[0004]在越來越多的氣體檢測應用場合中，現場取樣，而後在實驗室條件下進行色譜分析的效率已經不能滿足檢測需要，尤其在高危場合例如毒氣洩漏監測、戰場生化戰劑檢測等情形下，更需要高檢測能力、實時快速、便攜輕量化的氣體檢測設備，實時提供危險報警信號，而光學檢測方法例如光幹涉法、差分吸收光譜法等難以適應這些惡劣的現場條件，難以保證穩定可靠地工作。
[0005]針對上述問題，設計了一種可攜式微量氣體檢測系統，其包括檢測模塊、設備主控；該檢測模塊包括傳感腔、傳感器陣列，該傳感器陣列位於該傳感腔內用於檢測該傳感腔內的氣體樣本；該設備主控用於根據一個預定時間控制該傳感器陣列的運行，並接收該傳感器陣列的檢測信號進行數據採集與處理。然而，最終處理得到的數據偏差很大，檢測效果不是很理想。研宄人員經研宄設計，在可攜式微量氣體檢測系統的硬體上再進行改良設計，尤其是針對數據採樣這一部分。
實用新型內容
[0006]針對現有的方案的不足，本實用新型提出一種可攜式微量氣體檢測系統，其不但適用於半導體及電化學檢測方式，實現緊湊的設備結構、可靠的工作流程，高集成度的進樣單元，滿足工業現場便攜、實時的檢測需求，而且檢測精度較高。
[0007]本實用新型是這樣實現的，一種可攜式微量氣體檢測系統，其包括檢測模塊、設備主控；該檢測模塊包括傳感腔、傳感器陣列，該傳感器陣列位於該傳感腔內用於檢測該傳感腔內的氣體樣本；該設備主控用於根據一個預定時間控制該傳感器陣列的運行，並接收該傳感器陣列的檢測信號進行數據採集與處理；
[0008]其中:該可攜式微量氣體檢測系統還包括採樣模塊，該採樣模塊包括用於採樣與富集氣體樣本的富集管、位於該富集管內用於加熱該富集管內的氣體樣本的加熱絲；
[0009]該檢測模塊還包括單向閥，該傳感腔的入口通過第一管路與該富集管的出口相通，該單向閥安裝在該第一管路上，位於該傳感腔內的該傳感器陣列在該單向閥開啟時檢測該富集管採樣的氣體樣本。
[0010]作為上述方案的進一步改進，該可攜式微量氣體檢測系統還包括人機交換模塊，該人機交換模塊與該設備主控連接用於顯示處理後的數據信息。
[0011]作為上述方案的進一步改進，該可攜式微量氣體檢測系統還包括非失憶性存儲器；該非失憶性存儲器與該設備主控連接用於存儲處理後的數據信息。
[0012]作為上述方案的進一步改進，該傳感腔的出口通過第二管路與該富集管的外腔的入口相通，該富集管的外腔的出口作為該可攜式微量氣體檢測系統的氣路出口。優選地，該可攜式微量氣體檢測系統還包括泵，該泵設置在該第二管路上。再優選地，該可攜式微量氣體檢測系統還包括兩位三通電磁閥、活性碳管，該兩位三通電磁閥的入口經由該泵與該傳感腔的出口相通，該兩位三通電磁閥的一個出口經由該活性碳管與該傳感腔的入口相通，該兩位三通電磁閥的另一個出口與該富集管的外腔的入口相通。
[0013]作為上述方案的進一步改進，該富集管設置有進樣口，該進樣口內設置有防塵裝置。
[0014]與現有技術相比，本實用新型改變原有的採樣方式，設計了採樣模塊，採用富集管進行氣體樣本採集與富集，位於該富集管內的加熱絲加熱該富集管內的氣體樣本，以通過升溫的手段釋放在該富集管內濃縮的氣體樣本，從而提高檢測精確度。另一方面，可氣路恢復，進行清洗管路、清洗傳感器腔、活化富集管等後處理。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0015]圖1為本實用新型較佳實施方式提供的可攜式微量氣體檢測系統的功能模塊示意圖。
[0016]圖2是圖1中可攜式微量氣體檢測系統的氣路結構圖。
[0017]圖3是圖1中可攜式微量氣體檢測系統的工作流程圖。
[0018]圖4是圖1中可攜式微量氣體檢測系統的實體設備的爆炸圖。
【具體實施方式】
[0019]為了使本實用新型的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，並不用於限定本實用新型。
[0020]請一併參閱圖1及圖2，本實用新型的較佳實施方式提供的可攜式微量氣體檢測系統主要包括採樣模塊、檢測模塊、設備主控1、附加功能模塊、電源管理模塊12。採樣模塊對氣體進行採樣，檢測模塊對收集的氣體樣本進行檢測，設備主控控制該採用模塊與該檢測模塊的運行，並對檢測模塊的檢測數據進行收集與處理。該附加功能模塊實現該可攜式微量氣體檢測系統的清洗管路、清洗傳感器、活化富集管等等處理功能。電源管理模塊12管控該可攜式微量氣體檢測系統的電能。
[0021]採樣模塊包括富集管103、加熱絲5、防塵裝置102。富集管103用於在預定的富集時間內進行氣體樣本採集與富集，在本實施方式中，富集管103設置有進樣口 101，氣體樣本從進樣口 101進入整個系統的氣路，進樣口 101可配置防塵裝置102，防塵裝置102能避免灰塵顆粒進入氣路影響富集管103的富集效能。
[0022]加熱絲5位於該富集管103內用於加熱該富集管103內的氣體樣本，以通過升溫的手段釋放在該富集管103內濃縮的氣體樣本。加熱絲5的加熱時間如下文所述由設備主控I進行控制。
[0023]檢測模塊包括傳感腔104、單向閥6、傳感器陣列3。傳感腔104的入口通過第一管路與富集管103的出口相通，單向閥6安裝在該第一管路上用於控制傳感腔104與富集管103之間是否相通。單向閥6的開啟與關閉如下文所述由設備主控I進行控制。傳感器陣列3位於該傳感腔104內用於在該單向閥6開啟時檢測該富集管103採樣的氣體樣本，並將採樣數據傳送給設備主控I。
[0024]富集時間可以是設備主控I原有的預定時間，當該預定時間一到，設備主控I就啟動傳感器陣列3進行檢測，至於單向閥6的開啟，可以是在預定時間到達的時候人為開啟，也可以由設備主控I控制單向閥6運行。
[0025]附加功能模塊包括泵7、兩位三通電磁閥8、活性碳管107。兩位三通電磁閥8的入口經由該泵7與該傳感腔104的出口相通，該兩位三通電磁閥8的一個出口經由該活性碳管107與該傳感腔104的入口相通，該兩位三通電磁閥8的另一個出口與該富集管103的外腔105的入口相通，外腔105的出口作為該可攜式微量氣體檢測系統的氣路出口 106。
[0026]泵7是氣體流動的驅動源，兩位三通電磁閥8配合單向閥6控制氣體流向。當兩位三通電磁閥8處於位置a，單向閥6開啟的情形下，氣路流向為:富集管103-傳感腔104-泵7-兩位三通電磁閥8-富集管外腔105-氣路出口 106，該通路為傳感器工作階段的氣體流向，氣體在流經兩位三通電磁閥8後重新進入富集管外腔105的作用在於快速冷卻富集管103快速恢復富集管103的富集效能。當電磁閥處於位置b，單向閥6關閉的情形下，氣路流向為:傳感腔104-泵7-兩位三通電磁閥8-活性炭管107-傳感腔104，該通路為清洗通路，用於傳感器歸零。當然，在其他實施方式中，清洗通路可以不設置，僅設置氣路恢復通道，如傳感腔104的出口通過第二管路與該富集管103的外腔105的入口相通，實現該可攜式微量氣體檢測系統的初步氣路恢復，當然了，最好設置動力源，如增加泵7，該泵7設置在該第二管路上。泵7的開啟與關閉，兩位三通電磁閥8的流向切換可以人為實施，也可以由設備主控I控制實現。
[0027]設備主控I可由嵌入式晶片(如ARM、單片機、DSP等)承擔，它負責的主要任務有:1)處理可攜式微量氣體檢測系統的工作流程與運行邏輯，如加熱絲5的加熱時間、單向閥6的開啟、傳感器陣列3的啟動等；2)對總線上掛載的設備請求進行仲裁與響應；3)接收傳感器陣列3中傳感器的測試信號(也稱之為檢測信號)並進行處理與校準；4)承擔外部通訊功能。
[0028]在本實施方式中，在設備主控I與傳感器陣列3之間還增設傳感器信號測試模塊2，傳感器信號測試模塊2專門負責傳感器陣列3的信號測量，測量的指令由設備主控11通過設備總線4發送，傳感器信號測試模塊2返回設備主控I的傳感數據一般為頻率值或相位值。由傳感器信號測試模塊2先進行數據的首次處理，然後由設備主控I進行二次處理，分擔設備主控I的工作。當然，在其他實施方式中，傳感器信號測試模塊2也可以不設置，所有的數據處理工作都交給設備主控I來實現。
[0029]氣路的控制同樣由設備主控I負責，主要的控制對象包括富集管加熱絲5、單向閥6、泵7及兩位三通電磁閥8，依照氣路控制邏輯，完成樣本採樣、樣本前處理、樣本後處理及管路恢復等任務階段。
[0030]為了補償外界環境波動造成的傳感器假響應，一方面在傳感器陣列3中可配置一路參比傳感器通道，補償溫溼度、氣體流速等造成傳感器假響應的物理量，另一方面還可設置傳感腔加熱裝置9及溫度採樣傳感器10形成傳感器腔的溫度閉環控制，將傳感器溫度穩定在一定的水平上避免波動。
[0031]該可攜式微量氣體檢測系統為了操作更人性化、更友好，還設置有人機互動模塊Ilo人機互動模塊11實現包括界面顯示、鍵盤輸入、聲光報警等在內的功能，掛載在設備總線4上，由設備主控I負責處理人機互動模塊11的請求、響應與輸出。電源管理模塊12負責控制設備功耗，提升設備的電池續航能力。為了方便永久性存儲數據，該可攜式微量氣體檢測系統還設置有非失憶性存儲器13。非易失性存儲器13用於存儲測試結果，供用戶追溯一定時間範圍內的測試數據。
[0032]該可攜式微量氣體檢測系統的氣路原理如圖2所示，氣體樣本從設備進樣口 101進入設備氣路，進樣口 101配置了防塵裝置102避免灰塵顆粒進入氣路影響富集管103的富集效能，在樣本採集階段，包括目標檢測對象在內的氣體組分在富集管103處濃縮，提高樣本濃度增加傳感器陣列3的響應，樣本富集時間依據設備主控I預設的工作模式而定，採樣階段越長，越能提高對低濃度氣體組分的檢出能力。傳感器陣列3的組成一般為壓電聲波傳感器(例如QCM、SAW、Lamb或FBAR傳感器)或電化學傳感器，每個傳感器針對性地對某種或某一類組分產生電學響應，設備主控I的主控晶片依據模式識別方法判定組分及組分濃度。
[0033]本實施方式的可攜式微量氣體檢測系統的工作流程如圖3所示，設備開機首先完成自檢，分別監測通訊、電池、傳感器、傳感器腔溫度是否正常，通過則開始設備預熱，將傳感器腔的溫度加熱至預定溫度範圍，隨後進入測試循環。
[0034]每個測試循環主要包括下述幾個階段:1)樣本採集與富集，根據設備主控I的設定時間進行樣本採樣，由富集管103實現樣本濃縮。2)樣本釋放，用加熱絲5升溫的手段釋放在富集管103內濃縮的樣本，並送入傳感腔104由壓電或電化學傳感器傳感。3)數據採集與處理，由傳感器信號測試模塊2負責測試和讀取傳感器陣列3的信號，送至設備主控1，設備主控I的主控晶片接收這些數據並做二次處理，具體的處理內容包括傳感器信號量(頻率、相位、電壓、電流等)至目標組分濃度量的映射、校準、模式識別等。4)根據獲得的組分濃度結果判斷是否需要對用戶作出直觀提示(比如聲音報警、指示燈閃爍等)。5)氣路恢復，進行清洗管路、清洗傳感器腔、活化富集管等後處理。
[0035]該可攜式微量氣體檢測系統在實物設計上可如圖4所示，設計前蓋201、顯示屏202、主控電路板203、傳感器信號測試電路板204、氣路205、後蓋206、鍵盤207、電池208。可設計前蓋201與後蓋206，一起組成收容腔用來收容該可攜式微量氣體檢測系統的所有部件。人機互動模塊11的界面顯示可通過設計顯示屏202來實現，鍵盤輸入可通過設計鍵盤207來實現，顯示屏202、鍵盤207均可安裝在前蓋201上。設備主控I的主控晶片及其輔助電路可設置在主控電路板203，傳感器信號測試模塊2、傳感器陣列3等等可以設置在傳感器信號測試電路板204上。氣路205可實現傳感腔104、富集管103、活性炭管107、兩位三通電磁閥8、泵7等等之間的連通。電池208的設計更是不用說了，該可攜式微量氣體檢測系統的功能實現必須要用到電源。
[0036]以上所述僅為本實用新型的較佳實施例而已，並不用以限制本實用新型，凡在本實用新型的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本實用新型的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種可攜式微量氣體檢測系統，其包括檢測模塊、設備主控；該檢測模塊包括傳感腔、傳感器陣列，該傳感器陣列位於該傳感腔內用於檢測該傳感腔內的氣體樣本；該設備主控用於根據一個預定時間控制該傳感器陣列的運行，並接收該傳感器陣列的檢測信號進行數據採集與處理； 其特徵在於:該可攜式微量氣體檢測系統還包括採樣模塊，該採樣模塊包括用於採樣與富集氣體樣本的富集管、位於該富集管內用於加熱該富集管內的氣體樣本的加熱絲； 該檢測模塊還包括單向閥，該傳感腔的入口通過第一管路與該富集管的出口相通，該單向閥安裝在該第一管路上，位於該傳感腔內的該傳感器陣列在該單向閥開啟時檢測該富集管採樣的氣體樣本。
2.如權利要求1所述的可攜式微量氣體檢測系統，其特徵在於:該可攜式微量氣體檢測系統還包括人機交換模塊，該人機交換模塊與該設備主控連接用於顯示處理後的數據信息。
3.如權利要求1或2所述的可攜式微量氣體檢測系統，其特徵在於:該可攜式微量氣體檢測系統還包括非失憶性存儲器；該非失憶性存儲器與該設備主控連接用於存儲處理後的數據信息。
4.如權利要求1所述的可攜式微量氣體檢測系統，其特徵在於:該傳感腔的出口通過第二管路與該富集管的外腔的入口相通，該富集管的外腔的出口作為該可攜式微量氣體檢測系統的氣路出口。
5.如權利要求4所述的可攜式微量氣體檢測系統，其特徵在於:該可攜式微量氣體檢測系統還包括泵，該泵設置在該第二管路上。
6.如權利要求5所述的可攜式微量氣體檢測系統，其特徵在於:該可攜式微量氣體檢測系統還包括兩位三通電磁閥、活性碳管，該兩位三通電磁閥的入口經由該泵與該傳感腔的出口相通，該兩位三通電磁閥的一個出口經由該活性碳管與該傳感腔的入口相通，該兩位三通電磁閥的另一個出口與該富集管的外腔的入口相通。
7.如權利要求1所述的可攜式微量氣體檢測系統，其特徵在於:該富集管設置有進樣口，該進樣口內設置有防塵裝置。
【文檔編號】G01N1/24GK204255932SQ201420778308
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月10日 優先權日:2014年12月10日
【發明者】周連群, 姚佳, 李傳宇, 郭智慧, 吳中毅, 袁剛, 範梅生 申請人:中國科學院蘇州生物醫學工程技術研究所