氣體檢測系統的製作方法
2023-07-22 12:59:21
專利名稱：氣體檢測系統的製作方法
技術領域：
本發明尤其涉及用於檢測有毒氣體的檢測器，所述檢測器具有與所感測的氣體或蒸氣(或者氣體或蒸氣系列)(以下稱為「目標氣體」)反應的材料，並且所述反應導致材料輻射吸收的變化，通常藉助可見光譜中顏色改變來證明。
背景技術：
已知使用具有紙帶的化學試劑盒來檢測有毒氣體，所述紙帶注有特殊的化學材料；所述紙通常是吸收性的並且通過將其浸入該材料的溶液槽中來注入所述化學材料。所述紙帶隨後被乾燥並且安裝在盒中。在使用期間，紙帶被置於分析器中，所述分析器用於經由紙帶從所監視的空氣中吸收氣體。選擇紙帶上的化學材料來與目標氣體反應並且改變顏色。顏色改變度是在所監視空氣中目標氣體濃度的量度。分析器檢測顏色改變並且通過與已知的氣體響應表相比較來計算氣體濃度，所述表已經被預先編程到所述分析器中。紙帶定期前進以便把沒用過的一段紙帶送入分析器內的位置，藉此使目標氣體接觸沒用過的那段紙帶以便進行進一步的測量。紙帶系統的一個主要優點在於根據所述紙帶的可見顏色變化來看，能夠永久地直觀記錄存在肯定的氣體響應。
現有系統引起幾個問題。首先，在紙帶上所支撐的材料在與目標氣體反應期間可能釋放氣體，其中所述材料暴露於所述目標氣體時會改變輻射吸收屬性(以下稱為「色變材料」)。此散發的氣體可能會導致測量不準確。
第二，響應於溫度、溼度和/或光，紙帶和色變材料可能隨時間推移而降級。因此它只有有限的保存期限，用戶只能保留有限的庫存。
關鍵在於紙帶沿著其長度應當是均勻的以便確保均勻地響應於給定量的目標氣體。因此，必須避免紙帶中的不一致性。如果紙帶還包括厚度變化，例如紙帶的紙材料內的「突起塊」，那麼這可能使分析器被卡住。此外紙帶中的「突起塊」可能使得流過紙帶的氣體發生變化，由此進一步使測量不準確，最終可能造成假警報或表明檢測系統沒有適當操作的警報(故障警報)。
色變材料可能受所監視的大氣中除目標氣體之外的氣體的影響。水蒸汽常常能改變色變材料對目標氣體的響應，導致測量不準確。
本發明的目的是克服或緩和一些或所有上述問題，和/或提供一種載有可以用來檢測兩種或多種氣體的色變材料的系統。
發明內容
依照本發明，提供了一種包括襯底的比色氣體檢測器，該襯底載有材料，所述材料可以與目標氣體反應而使得由所述材料所吸收的輻射發生改變，其中所述材料位於所述襯底的一個或多個(優選兩個或多個)離散區域中。
把材料限於襯底上離散區域的優點在於只要求較少的色變材料。另外，它使得可利用片狀物(sheet)可執行現有技術所無法執行的附加功能，如下所論述。
依照第一實施例，在襯底的一個離散區域中所使用的色變材料不同於在一個或多個其它區域中所使用的材料。例如在一個區域中，色變材料與在另一區域的材料相比，可以是不同的量或劑量。這使得能夠檢測大範圍濃度的氣體。使用這種布置，如果在所監視的大氣中存在高濃度的目標氣體，那麼在色變材料低劑量區域中的所有材料可能會改變其顏色並且可能無法區分各個級別濃度的目標氣體；另一方面，在高劑量區域中，只有一部分色變材料可能會改變顏色並且據此可以給出目標氣體濃度的指示。相反地，如果存在低濃度的目標氣體，那麼包含低劑量色變材料的區域可能會比高劑量區域給出更好的氣體濃度指示。據此，通過使用具有不同量或劑量色變材料的兩個或多個離散區域，可以測量高濃度和低濃度的目標氣體。
作為替換，可以在不同的離散區域中提供不同的色變材料使得可以同時檢測兩種或多種目標氣體。這種布置還可以用來消除交叉幹擾氣體的影響，或至少向操作者警告出現了交叉幹擾氣體，如現在將要描述的。
如果色變材料不僅與目標氣體反應而且與在所監視大氣中可能存在的一種或多種其它氣體反應，那麼可以在第一區域中提供用於與所述目標氣體和交叉反應氣體反應的色變材料，同時在第二區域中提供只與所述交叉反應氣體反應的第二色變材料。在這些環境中，交叉反應氣體的濃度可以從第二區域中獲得並且從已經在第一區域中所測量的色變中減去，由此給出目標氣體濃度的指示。
優選地是，把不同的離散區域分組在一起使得它們可以由適當數目的光敏元件來同時讀取。從而，第一區域可以是半圓並且第二區域形成相鄰的半圓，使得它們一起構成整個圓。作為替換，各個區域可以被形成為在整個襯底上順次定位的條。
所述襯底可以是被放置在盒中的條或紙帶，使得所述條或紙帶的順次區域依照與當前所使用的相同布置被暴露給所監視的大氣，如上所述。在這種情況下，襯底可以是透氣的，以便使氣體採樣能夠從所監視的區域通過或穿過所述襯底。另外，所述襯底優選是可吸收液體的，使得液體吸收材料易於被該襯底所保持。然而，它不應當過分能吸收，以致色變材料的澱積區域從所期望離散區域遷移；當兩個或多個區域彼此鄰近定位時這尤為重要的。
如果色變材料中的色變度正用來給出在所監視大氣中目標氣體的量的指示，那麼重要的是應當澱積一致劑量的色變材料，或者作為替換，系統應當能夠進行校準。在任何離散區域中所澱積的色變材料量可以被直接測量，例如如果色變材料自身有顏色的話，那麼按色度進行測量。然而如果它沒有顏色，那麼可以在所澱積的墨水中包括顏色標記以便給出在任何離散區域中色變材料量的量度。
這種布置當澱積時還提供了色變材料正被澱積的可見指示，特別是如果所澱積的材料是無色的話。
本發明還涉及一種用於製造如上所定義的比色氣體檢測器的方法，其中色變材料例如通過至少一個噴墨機被澱積在單個離散區域中。還可以使用其它印刷技術，諸如篡改印刷(tamper printing)、平版膠印刷等。使用墨噴式印刷的優點在於可以按相對較低的資本投資來向襯底施加色變材料，使用戶能夠準備他們自己的檢測器(即載有色變材料的襯底)，由此克服了由於檢測器的短儲存期限而必須頻繁地從供應商訂購它們的問題。
依照本發明的第三方面，提供了一種用於檢測在所監視的大氣中氣體的方法，所述方法包括把來自大氣的採樣與如上所定義的比色氣體檢測器的一個或多個離散區域相接觸，例如藉助通過或穿過襯底吸收採樣氣體。
圖1到4示出了供在比色氣體感測設備中所使用的片或帶狀物的候選形式。
具體實施例方式
首先參照圖1，示出了由襯底10所組成的紙帶，在襯底10上澱積有一行點12、14；交替的各點由不同的色變材料形成，因此例如點12可以由一種類型的色變材料組成而點14可以由另一類型的色變材料組成，由點中不同的交叉排線來示出。所述點藉助噴墨印刷技術來澱積。
就像現有的比色氣體檢測一樣，來自被監視大氣的氣體可以通過或穿過點12、14來順次吸收，或者可以通過或穿過相鄰的點對12、14來同時吸收。
使用已知的壓電印刷噴頭來從噴墨機澱積點12、14。
在澱積形成中可以使用的材料例子是從適於帶來色變的現有技術中已知的任何材料，並且其中三個例子是材料1水溶液或諸如甲醇之類的有機溶劑，包含重量百分數0.1的帶黃色的曙紅(eosine yellowish)(顏色指標酸性紅87)，其是基於fluoscine的染料，重量百分數0.3的對四氯磺酸(para-toluenesulphonic acid)，和重量百分數15的多元醇，諸如甘油，因為材料的pH值由於酸性而保持很低，所以此材料當被乾燥時基本上是透明的或是非常淺的桃紅色(染料只在中性或鹼性時才示出其顏色)。此材料可以用來藉助氣體使所述材料更呈鹼性由此出現染料的自然色來檢測鹼性氣態成分(諸如氨)的濃度。色變——清澈的到黃色材料2除帶黃色的曙紅由玫瑰苯亞甲基(rose benzal)、螢光桃紅(phloxine)、帶藍色的曙紅(eosine bluish)或真曙紅(erythrosine)來替換之外與材料1相同。對四氯磺酸可以由萘磺酸(naphthalenesulphonic acid)或苯磺酸(benzensulphonic acid)來替換。材料2也用於檢測鹼性氣體。
材料3溶劑1.5毫升的濃縮(conc)硝酸；25毫升的甘油；和224毫升的甲醇。
活性成分2.5克的硝酸銀襯底塗有矽酸(或矽膠)的紙帶此材料可以用於檢測諸如砷、磷化氫、乙硼烷之類的金屬氫化物。當接觸這些材料時，所澱積的材料出現從清澈到灰白/黑色的色變。代替濃縮硝酸，可以使用其它有機或無機酸，例如如在前面材料1和2中所描述的材料1和2中所提及的酸之一。酒精(甲醇)被選為溶劑，這是因為在處理時，比起水基溶液，它使紙帶更易於變幹，但是也可以使用其它酒精和溶劑，例如乙醇和異丙醇，不過揮發性溶劑是優選的。甘油通過使紙帶保持足夠溼來增加紙帶的吸收能力以使得在引入的氫化物氣體和紙帶試劑之間發生所期望的反應；可以使用其它甘醇，例如乙二醇、丙二醇和丙撐二醇。然而由於成本原因，使用甲醇和甘油是優選的。
其上澱積有以上材料3的紙帶在防光的室溫正常儲存條件下可以維持白色背景至少六個月。甚至在六個月之後，紙帶仍然可以顯示氫化物氣體的靈敏度(±10％)。
硝酸銀活性成分的更一般溶劑是0.1-5％的酸；5-20％的甘醇；和94.9-75％的酒精。
例如，點12可以是材料1的澱積而點14可以是材料3的澱積。利用這種布置，可以檢測單個大氣中的鹼性氣體和氫化物。
一旦來自被監視的大氣中的採樣氣體通過或穿過點12、14而被吸收，那麼它們被順次地或同時暴露給可見輻射源，這可以就是周圍輻射，並且由點12、14所發送的輻射傳遞到檢測器，所述檢測器依照預編程的查找表來測量顏色的改變。由於色變度取決於大氣內的氣體濃度，所以顏色的改變是目標氣體濃度的指示。
如上所述，通過光學方法分析點12、14。可以在紙帶上提供索引標記16以便確保使點與光輻射源和檢測器正確對準。
點12和14，代替使用不同的化學實體來形成，而可以由相同的實體但是不同的劑量組成。如上所述依照這種方式，可以測量大範圍濃度的目標氣體。
如上所述，用於製作色變紙帶的現有方法涉及使襯底紙帶通過包含色變材料液的塗覆槽以便使整個紙帶注有所述色變材料；然後長時間乾燥所述紙帶。依照這種方式，整個紙帶都注有色變材料。本發明的布置不僅由於只使用較少量的色變材料而節省色變材料，而且還無需乾燥整個紙帶，並且此外使可能在使用中釋放廢氣的色變材料的區域更小(此「廢氣」可能防礙測量目標氣體)。另外，由於噴墨澱積而減少了乾燥時間以及在襯底上更精確地配製色變材料使本發明的紙帶能夠比現有技術的紙帶更加迅速地製造出來。
在另一實施例中，點12可能對目標氣體和交叉幹擾氣體敏感，例如分別為一氧化碳和水蒸汽。那麼點14可以由只對水蒸汽敏感的材料組成，這樣可以使用點14來測量大氣中水蒸汽的量，並且從通過點12的一氧化碳和水蒸汽的組合測量中減去水蒸汽的影響，給出一氧化碳的整個濃度。代替提供兩個獨立的點12、14，可以提供單個點18(參見圖2)。每個點18由兩個半圓20、22組成，分別包含在點12、14中所使用的色變材料，如上所述。圖2中布置的優點在於半圓20、22中的色變材料可以同時暴露給來自所監視大氣中的氣體並且可以同時被測試色變情況，優選使用獨立的感光傳感器來監測從每個半圓所發送的輻射。
當然，還可代替提供兩種不同色變材料的半圓，而使用三種或四種不同的色變材料，在這種情況下點必須被分割為三或四段。所述點可以具有任何形狀，例如圓形或正方形，並且可以是任何大小。
在圖3中所示出的布置與在圖2中所示出的相同，但是代替具有半圓形狀，而是使用了兩個不同的色變材料條。這種布置與圖1和2相比優點在於不必提供索引標記16來把色變材料與進氣口對準以便使採樣氣體能夠從所監視的大氣與所述色變材料接觸，或者把該點與輻射源/傳感器對準。
在圖4中所示出的布置使用四個點的行，所述四個點橫穿紙帶軸線來布置。每個點使用不同的色變材料和/或相同色變材料的不同濃度，以便用於檢測多種氣體的大範圍濃度，並且可能的話還允許來自被測量的交叉感測氣體或水蒸汽的幹擾。代替測量精確的色變，可以通過提供適當的單個區域模式，由模式識別發現氣體的濃度和性質。
由單個區域所發送的輻射可以由具有適當過濾器的光電管來檢測，以便把到達所述光電管的輻射限制為在色變材料已經與目標氣體反應時所發送的輻射。這可以通過使用照相機或攝像機，實現用顏色或灰度形成色變材料區域的圖像，並且分析形成所述區域的圖像的像素，從而監測並且選擇性地還記錄顏色改變。
噴墨印表機相對便宜，並且相應地可不必在工廠中製造包含紙帶的盒並且把它們運給客戶，而由客戶自己準備紙帶。這意味著可以減少所需要攜帶的原料量並且紙帶不會隨過長時間的存儲而降級。然後可以在可替換的噴墨盒中提供色變材料。
作為選擇，可以把一個或多個噴墨印刷頭結合到氣體檢測設備中，使得色變材料在被暴露給所監視的大氣之前立即被澱積並乾燥。
第三種可能是在把紙帶暴露給所監視的大氣之前不乾燥所述紙帶，這樣所述色變材料是溼的；然而這要求在澱積所述色變材料和暴露給所監視的大氣之間的時間相對較短，或者要求在澱積和暴露給所監視的大氣這期間保持仔細控制的大氣。顯然，在色變材料對溼度敏感的情況下無法使用這種布置。
如果色變材料在發生讀取的前不久現場澱積，那麼可以調節所澱積的色變材料量，從而向先前檢測的目標氣體濃度提供最佳響應。依照這種方式，系統「學習」它將遇到的目標氣體的最可能的濃度，並且調節所澱積色變材料的劑量以提供適當的靈敏度。作為選擇，可以澱積一致劑量的色變材料但是可以調節所述色變材料暴露給所監視大氣的時間以便向目標氣體的「得知」濃度提供最佳靈敏度，如根據目標氣體濃度的先前讀數所評估的。
儘管特別以紙帶為例描述了以上說明，然而包含色變材料的離散區域的襯底不一定是紙帶，並且可以使用其它形式，例如A4尺寸的紙板。
在一個實施例中，包括色變材料並且同時與所監視大氣相接觸的襯底的多個離散區域被暴露給相同的大氣，而不是彼此相隔離並且暴露給所述大氣的單個採樣。
權利要求
1.一種包括例如片、條或帶狀之類的襯底的比色氣體檢測器，所述襯底載有可與被監視大氣中的氣體(「目標氣體」)反應的材料，並且其中所述反應使所述材料改變所述材料所吸收或放射輻射的輻射(「色變材料」)，其中所述材料位於所述襯底的至少一個離散區域中。
2.如權利要求1所述的比色氣體檢測器，其中所述材料位於至少兩個離散區域中。
3.如權利要求2所述的比色氣體檢測器，其中在一個離散區域中的色變材料的濃度不同於在另一離散區域中的色變材料的濃度，和/或其中在第一離散區域中提供第一色變材料而在另一離散區域中存在不同的第二色變材料，所述第一和另一區域優選彼此鄰近。
4.如權利要求3所述的比色氣體檢測器，其中所述第一色變材料能夠與所述目標氣體和第二交叉幹擾氣體反應或者其中所述第二交叉幹擾氣體的出現可能影響所述第一色變材料與所述目標氣體的反應，並且其中所述第二色變材料能夠與所述第二交叉幹擾氣體反應而不能與所述目標氣體反應。
5.如權利要求2到4中任何一個所述的比色氣體檢測器，其中提供依照重複方式布置的多個離散區域。
6.如權利要求2到5中任何一個所述的比色氣體檢測器，其中所述第一和另一區域都是條。
7.如權利要求1到6中任何一個所述的比色氣體檢測器，包括索引標記，用於定義所述至少一個離散區域相對於所述標記的位置。
8.如權利要求1到7中任何一個所述的比色氣體檢測器，其中所述襯底是透氣的和/或可吸收液體的。
9.一種用於製作如權利要求1到8中任何一個所述比色氣體檢測器的方法，其中通過例如噴墨印刷之類的印刷把所述色變材料澱積在單個離散區域中。
10.一種用於檢測被監視大氣中氣體(「目標氣體」)的方法，所述方法包括使來自所述大氣的採樣與如權利要求1到11中任何一個所述的比色氣體檢測器的至少一個離散區域相接觸，例如藉助通過或穿過所述至少一個區域吸收所述採樣，所述方法選擇性地包括測量從所述至少一個區域的輻射透射率和/或輻射反射率，並且選擇性地還把所發送和/或反射的輻射與參考值相比較，並且由此推導出所述目標氣體濃度的量度。
全文摘要
本發明提供了一種包括襯底(10)的比色氣體檢測器，所述襯底載有材料(12，14)，所述材料(12，14)可以與被監視大氣中的氣體(目標氣體)反應，並且其中所述反應使所述材料改變所述材料吸收或放射輻射的輻射率(色變材料)。所述材料位於所述襯底的至少一個離散區域(12，14)中。通過在各離散區域中提供色變材料，可以減少這種材料的量並且可以在共用襯底上包括不同類型的色變材料以同時檢測兩種或多種氣體。
文檔編號G01N31/22GK101036050SQ200580034053
公開日2007年9月12日 申請日期2005年10月7日 優先權日2004年10月8日
發明者揚·羅賓遜 申請人:霍尼韋爾分析股份公司