一種用於環境中揮發性有機物快速檢測的電子鼻的預處理裝置的製作方法
2023-07-26 12:01:41 1
專利名稱：一種用於環境中揮發性有機物快速檢測的電子鼻的預處理裝置的製作方法
技術領域：
本發明涉及的是一種用於環境中揮發性有機物快速檢測的電子鼻的預處理裝置， 一種能提高電子鼻測試靈敏度的預處理裝置。
背景技術：
苯系物、氯代烴等揮發性有機物是常用的化工原料和有機溶劑，使用量大面廣，揮發性強，性能穩定且具有多種毒性效應。揮發性有機物在生產、使用、儲存和處理處置過程中方法不當很容易引起大氣、土壤和水體等環境汙染，引發生態危害和健康風險。揮發性有機物的檢測通常使用氣相色譜技術。氣相色譜儀能對汙染物組成進行全面分析，對汙染物濃度精確定量，但其儀器設備價格昂貴，測試成本較高，需配備專業人員， 操作複雜，從標準液配製到結果數據分析需要時間長，在大量樣品現場測試時無法滿足快速檢測和在線監測的要求。電子鼻是一種可用於快速檢測揮發性有機氣體或臭氣的可攜式儀器，以傳感器為核心檢測部件。PID等光敏傳感器對揮發性有機物的定量性好，氣敏傳感器對揮發性有機物的定性分析性強，將PID傳感器與各種氣敏傳感器組合成陣列，有可能實現複雜環境樣品中汙染組分的快速定性和特定組分的快速定量檢測。然而，各種光敏和氣敏傳感器受溼度等環境條件影響較大，且幹擾物質較多，針對特定物質的信號響應特異性不強，影響了電子鼻的檢測準確度和精度，有必要開發一種高效、便攜的預處理裝置以提高電子鼻的定量定性分析性能。中國發明專利CN200810010884. 3公開了一種使用PID快速檢測烷烴、烯烴及滷代烴的新方法。該方法的特點是速度快，定量性好，對檢測氣體溼度要求低，缺點是對放電氣體的要求高，且只使用了 PID作為檢測器，定性效果不好。中國發明專利CN200410078125. 2公開了一種色譜柱分離與氣敏傳感器聯用的可攜式氣態烴測定儀。受檢測氣體依次經過淨化器、穩壓閥、針閥後，進入色譜分離柱進行組分分離，再經氣體傳感器測試組分濃度。該方法基於氣相色譜檢測的原理，使用氣敏傳感器代替FID等檢測器，有效減小了設備的體積，增強了設備的便攜性；但是由於仍然使用色譜柱分離系統，因此儀器設備的體積不可能縮小很多，且氣相色譜分析存在的設備價格偏貴和操作複雜的問題也難以根本解決。中國發明專利CN 20111030429.9公開了一種用於土壤、水和空氣等環境中揮發性氯代烴汙染的快速檢測電子鼻系統，特別涉及到對環境中揮發性氯代烯烴和氯代烷烴進行選擇性分析檢測。該專利提出了用PID和氣敏傳感器陣列迅速定性、定量檢測環境中揮發性氯代烯烴和氯代烷烴的電子鼻結構，同時提出了在電子鼻前面加裝氣體乾燥裝置和氣體分離管，以去除水分和幹擾氣體，提高電子鼻檢測靈敏度的概念。但是此專利的重點在於電子鼻結構，對於如何從裝置結構的角度完成水分和幹擾氣體的去除等預處理過程，以及前處理過程運行故障的預警等方面沒有闡述。此外，該專利內容僅適用於揮發性氯代烴的檢測，沒有涉及其它類別的揮發性有機汙染物。
發明內容
本發明的目的在於克服現有技術存在的不足，而提供一種結構緊湊、便攜性好、價格低廉、操作簡單、自動化程度高的用於環境中揮發性有機物快速檢測的電子鼻的預處理裝置。該裝置可服務於所有用於環境中揮發性有機汙染物檢測的電子鼻系統，特別適用於以PID和/或氣敏傳感器陣列為核心部件的電子鼻速測或在線監測；該預處理裝置可有效進行氣體樣品中水分乾燥預處理和幹擾氣體的分離預處理，提高電子鼻的測試靈敏度。本發明的目的是通過如下技術方案來完成的，本發明所述的預處理裝置被設在電子鼻氣室氣路單元的進氣口前，它包括外殼；主要用於連接檢測儀器的氣路和電路接口 ； 主要用於填裝溫溼度傳感器的氣室；主要用於去除環境氣體中水分和幹擾物質的氣體預處理單元，主要用於報警的指示燈和蜂鳴器；主要用於整個裝置控制和信號處理的嵌入式控制系統。所述的氣體預處理單元由除溼單元和純化單元組成；所述的除溼單元為根填充了乾燥劑和水分指示劑的乾燥管，所述的純化單元選用可將幹擾物質從待測組分中分離去除的RAE-SEP氣體分離管。所述的乾燥劑選用無水硫酸鈉、無水硫酸鈣、無水氯化鈣、活性氧化鋁、高氯酸鎂材料中的一種或上述材料的任意組合，或選擇分子篩、滲透膜。本發明所述的溫溼度傳感器單元包括兩隻主要用於檢測環境溫溼度，判定乾燥裝置乾燥性能和壽命終點的溫溼度傳感器；所述的報警設備單元由兩隻主要用於預處理單元溼度去除效率的監控報警的LED指示燈和一個蜂鳴器組成。本發明所述的嵌入式控制系統由嵌入式系統控制核心、觸控與顯示電路、信號傳輸電路、信號存儲電路組成；嵌入式控制系統主要完成模式識別、數據處理、泵閥的控制、以及必要時將數據傳輸至PC工作站。本發明的優點在於整套系統由嵌入式系統控制，功耗低，體積小，重量輕，攜帶方便；通過控制電磁閥來完成採氣、檢測、衝洗等過程的切換，自動化程度高；通過雙重方式確保乾燥裝置的性能，S卩(1)乾燥管後部玻璃管內指示劑的顏色變化；(2)溫溼度傳感器測試得到的乾燥前後的氣體樣品中水分含量和報警裝置；(3)純化單元選用氣體分離管將待測組分與幹擾物質分離，價格低廉，操作簡單，提高了檢測的精度與準確性。
圖1電子鼻預處理裝置結構示意圖； 圖2電子鼻預處理裝置氣路系統示意圖3預處理裝置乾燥單元對溼度的連續去除效果； 圖4預處理裝置純化單元對滷代烴與苯系幹擾物的分離效果； 圖5 土壤真空抽取淨化實驗裝置示意圖； 圖6 土壤真空抽取淨化過程的電子鼻與GC檢測結果比較。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明作詳細的介紹參照附圖1，本發明所述的預處理裝置被設在電子鼻氣室氣路單元的進氣口前，它包括主要用於連接檢測儀器的氣路和電路接口 1、2 ；主要用於填裝溫溼度傳感器的氣室3 ；主要用於去除環境氣體中水分和幹擾物質的氣體預處理單元4，主要用於報警的指示燈和蜂鳴器5 ；主要用於整個裝置的控制和信號處理的嵌入式控制系統6 ；主要用於放置1，2，3，4，5，6的外殼7。本發明所述的氣體預處理單元由除溼單元和純化單元組成。除溼單元為2根填充了乾燥劑和水分指示劑的乾燥管，其中乾燥劑根據其使用對象以及對安全性、再生性的要求可選用包括但不局限於無水硫酸鈉、無水硫酸鈣、無水氯化鈣、活性氧化鋁、高氯酸鎂等材料，亦可選擇分子篩、滲透膜等新技術，以及上述材料的組合；純化單元選用獨特的 RAE-SEP氣體分離管將幹擾物質從待測組分中分離去除，提高檢測的準確度和精度。本發明所述的溫溼度傳感器單元包括兩隻溫溼度傳感器，其中所述傳感器主要用於檢測環境溫溼度，判定乾燥裝置乾燥性能和壽命終點。本發明所述的報警設備單元由兩隻LED指示燈(紅、綠各一隻)和一個蜂鳴器組成， 主要用於預處理單元溼度去除效率的監控報警。本發明所述的嵌入式控制系統由嵌入式系統控制核心、觸控與顯示電路、信號傳輸電路、信號存儲電路組成。嵌入式控制系統主要完成模式識別、數據處理、泵閥的控制、以及必要時將數據傳輸至PC工作站。參照附圖2，系統氣路為兩條，一條為採氣、檢測氣路；另一條為衝洗氣路。每條氣路由待測氣體8、氣室①9、三通閥①10、乾燥管11、指示劑12、分離管13、三通閥②14、氣室 ②15、電子鼻16組成。實施例如下 實施例1、溼度去除效果，
雙口管(規格14. 14)中填充無水氯化鈣9. 64 g，填充密度為0.68 g ^cnT3,兩端用鋼絲圈塞緊，防止乾燥劑隨氣流進入阻塞管路。向乾燥管通入初始溼度為75%的空氣，通氣流量為0.4 1^111^1，溫度301。乾燥管出口的空氣中溼度變化如圖3所示。通氣初期，管路中殘存一部分溼潤空氣，經乾燥後的空氣不斷吹掃，溼度在大約5 min內降至零；運行第 5 - 90 min，乾燥管出口的空氣溼度持續穩定在檢出限以下，即溼度去除率為100% ；第100 -200 min，乾燥管出口的空氣溼度略有上升，但幅度較小，溼度去除率保持在90%以上；200 min後，乾燥管的除溼性能急劇下降，乾燥管出口的空氣溼度逐步增加。綜上，連續通氣條件下乾燥管的壽命能維持約200 min左右，溼度去除率保持在90%以上。若電子鼻採用間歇檢測模式，按照一個採樣周期3 min計算，每個乾燥管可完成約60次檢測。實施例2、幹擾氣體去除效果，
利用中國發明專利CN 20111030429. 9的電子鼻檢測揮發性氯代烴，選用美國RAE公司的RAE-SEP滷代烴分離管去除氣體樣品中的苯系物等幹擾物質。為考察滷代烴分離管對揮發性氯代烴和幹擾物質的分離效果，用標準氣體發生裝置(GASTEC PD-1B)發生固定濃度的甲苯、乙苯、二甲苯、氯苯等常見苯系物與PCE、TCE、CT等常見揮發性有機物的混合氣體，用 GC對通過滷代烴分離管前後的混合氣體組分和濃度進行檢測，如圖4所示。PCE、TCE、CT 等揮發性氯代烴在通過分離管後氣體濃度基本沒有減少，透過率達90%以上。乙苯和二甲苯幾乎被分離管全部截留，透過率只有3%;氯苯和甲苯的透過率雖然比乙苯和二甲苯高， 但也分別低於20%和10%。上述結果表明，RAE-SEP滷代烴分離管可以有效去除苯系物等幹擾物質，選擇性透過PCE、TCE等揮發性氯代烴。
實施例3、土壤真空抽取淨化過程的實時監測，
將預處理裝置與專利CN 20111030429.9電子鼻聯用，用於受揮發性氯代烴汙染土壤的真空抽取淨化進程的實時監測。預處理裝置選用無水氯化鈣作為乾燥劑，溼度指示劑為變色矽膠；選取美國RAE公司生產的RAE-SEP滷代烴分離管去除苯系物等幹擾物質。土壤真空抽取淨化過程如下將5 g汙染土壤樣品放入玻璃柱內，填充高度約5 cm。迅速連接於圖5所示的通氣脫離裝置上。該裝置包括氣泵、加溫裝置、緩衝瓶、恆溫水槽、活性炭和抽氣泵；打開氣泵，通空氣，流量為50 mL·Him10通氣大約1 min待氣流均勻穩定後，用電子鼻和GC同時檢測預處理系統進口和出口的氣體濃度，結果如圖6所示。整個檢測過程中電子鼻與GC的檢測結果吻合度好，說明預處理裝置效果明顯。
權利要求
1.一種用於環境中揮發性有機物快速檢測的電子鼻的預處理裝置，它被設在電子鼻氣室氣路單元的進氣口前，其特徵在於它包括外殼(7)，主要用於連接檢測儀器的氣路和電路接口(1、2)；主要用於填裝溫溼度傳感器的氣室(3)；主要用於去除環境氣體中水分和幹擾物質的氣體預處理單元(4)，主要用於報警的指示燈和蜂鳴器(5);主要用於整個裝置控制和信號處理的嵌入式控制系統(6)。
2.根據權利要求1所述的用於環境中揮發性有機物快速檢測的電子鼻的預處理裝置， 其特徵在於所述的氣體預處理單元(4)由除溼單元和純化單元組成；所述的除溼單元為2 根填充了乾燥劑和水分指示劑的乾燥管，所述的純化單元選用可將幹擾物質從待測組分中分離去除的RAE-SEP氣體分離管。
3.根據權利要求2所述的用於環境中揮發性有機物快速檢測的電子鼻的預處理裝置， 其特徵在於所述的乾燥劑選用無水硫酸鈉、無水硫酸鈣、無水氯化鈣、活性氧化鋁、高氯酸鎂材料中的一種或上述材料的任意組合，或選擇分子篩、滲透膜。
4.根據權利要求1所述的用於環境中揮發性有機物快速檢測的電子鼻的預處理裝置， 其特徵在於所述的溫溼度傳感器單元包括兩隻主要用於檢測環境溫溼度，判定乾燥裝置乾燥性能和壽命終點的溫溼度傳感器；所述的報警設備單元由兩隻主要用於預處理單元溼度去除效率的監控報警的LED指示燈和一個蜂鳴器組成。
5.根據權利要求1所述的用於環境中揮發性有機物快速檢測的電子鼻的預處理裝置， 其特徵在於所述的嵌入式控制系統由嵌入式系統控制核心、觸控與顯示電路、信號傳輸電路、信號存儲電路組成；嵌入式控制系統主要完成模式識別、數據處理、泵閥的控制、以及必要時將數據傳輸至PC工作站。
全文摘要
一種用於環境中揮發性有機物快速檢測的電子鼻的預處理裝置，它被設在電子鼻氣室氣路單元的進氣口前，包括外殼；主要用於連接檢測儀器的氣路和電路接口；主要用於填裝溫溼度傳感器的氣室；主要用於去除環境氣體中水分和幹擾物質的氣體預處理單元，主要用於報警的指示燈和蜂鳴器；主要用於整個裝置控制和信號處理的嵌入式控制系統；所述的氣體預處理單元由除溼單元和純化單元組成；所述的除溼單元為根填充了乾燥劑和水分指示劑的乾燥管，所述的純化單元選用可將幹擾物質從待測組分中分離去除的RAE-SEP氣體分離管；所述的溫溼度傳感器單元包括兩隻主要用於檢測環境溫溼度，判定乾燥裝置乾燥性能和壽命終點的溫溼度傳感器；它具有體積小，重量輕，操作簡便且乾燥管和分離管的使用情況一目了然，與電子鼻系統搭配用於環境中揮發性有機物的快速檢測效果顯著等特點。
文檔編號G01N1/28GK102435481SQ201110394499
公開日2012年5月2日 申請日期2011年12月2日 優先權日2011年12月2日
發明者萬梅, 餘素林, 劉銳, 卜凡陽, 文曉剛, 蔡強, 陳呂軍 申請人:浙江清華長三角研究院