一種一體式氣體含量檢測系統和電路裝置的製作方法
2024-01-27 16:40:15
本發明涉及氣體測量技術領域，具體涉及一種一體式氣體含量檢測系統和電路裝置。
背景技術：
目前大氣中汙染氣體包括，二氧化氮、二氧化硫、一氧化碳和臭氧等，其濃度監測器均為獨立的氣體監測儀，測量氣體濃度需要單獨使用，不能滿足同時監測的需求；且各氣體監測裝置的測量裝置由於其結構設計不合理使得測量數據不夠準確。
自動監測儀在監測時，通過採樣管先將待測氣體抽入到儀器內，使其與某些物質進行化學反應，或用紫外光照射或利用紫外吸收原理進行測量，比如二氧化氮分析儀工作時，先將二氧化氮轉化為一氧化氮，再讓一氧化氮與過量的臭氧反應，產生激發態的二氧化氮，該激發態的二氧化氮很不穩定，回到躍遷基態，並發射波長範圍為600～3000nm的光，根據的發射光強為確定一氧化氮的濃度，最後由一氧化氮濃度推算出二氧化氮濃度。臭氧分析儀利用紫外吸收法，首先將通入吸收池，然後和紫外線照射，對比被紫外吸收和沒有紫外吸收的光，可以分析中臭氧的濃度。二氧化硫是採用紫外螢光法，儀器一般由樣品池、紫外光源、探測器構成，監測時，二氧化硫通入樣品池，然後用波長190～300nm的紫外光照射，二氧化硫分子吸收紫外光後躍遷至激發態，處於激發態的二氧化硫分子回到基態時，發射出峰值波長在330nm附近的此外螢光，該螢光強度與二氧化硫濃度呈線性關係，進而再推算出二氧化硫濃度。以上儀器均只能測量一種汙染物，儀器維護的工作量大。
中國專利cn105606666a公開了一種基於氣體傳感器的可攜式開關櫃檢測裝置，具體公開了氣路系統取氣轉接口的進氣口與開關櫃的取氣口接通，取氣轉接口的出氣口與微型泵的進氣口之間放置匹配的金屬防塵過濾網後接通，微型泵的出氣口與流量控制閥的進氣口連通，流量控制閥的出氣口與氣敏傳感器陣列腔體的進氣口連通；氣敏傳感器陣列腔體的出氣口與裝置的尾氣排放口的進氣口連通，尾氣排放口的出氣口與進氣轉接口的進氣口連通，進氣轉接口的出氣口與開關櫃的進氣口連通。上述結構由於其氣路設計不合理，具體為氣路系統及相關組件設置不當，致使待測氣體進入氣敏傳感陣列腔體時氣體流量不均勻，相應的氣體傳感器測得的數據不夠準確。
技術實現要素：
因此，本發明的目的是提供一種通過將多種氣體檢測分析儀合理集成於一種可攜式機箱且數據測量更為準確的氣體含量檢測系統。
本發明的另一個目的是在上述檢測系統的基礎上提供一種檢測電路裝置。
本發明的一種便攜一體式氣體含量檢測系統，包括至少兩種以上氣體檢測分析裝置，所述氣體檢測分析裝置的氣路系統通過一個置於氣路出口的負壓組件使校準氣體或待測氣體進入所述檢測系統，氣路系統上設有流量調節器。
進一步地，所述氣體檢測分析裝置包括臭氧分析組件和/或一氧化碳分析組件和/或二氧化硫分析組件和/或氮氧化物分析組件。
進一步地，每個所述氣體檢測分析組件順序設置為一個氣路系統。
進一步地，所述一氧化碳分析組件設於氣體流入方向的第一位置。
進一步地，其中，所述臭氧分析組件和一氧化碳分析組件設為第一氣路系統，所述二氧化硫分析組件和氮氧化物分析組件設為第二氣路系統。
進一步地，所述一氧化碳分析組件具有紅外光源發射體，所述紅外光源發射體發射紅外光順序通過相關輪、濾光片至檢測室，後經所述檢測室兩側設置的多個反射鏡反射經出口進入光電探測器。
進一步地，所述臭氧分析組件具有紫外光發射體，所述紫外光發射體發射紫外光進入檢測室，通過分別設置於檢測室兩側的光電探測器測量紫外光強的衰減量；所述臭氧分析組件的前端通過三通電磁閥控制兩個氣體管路的通斷，其中一個氣體管路上設有臭氧滌除器。
進一步地，所述二氧化硫分析組件具有紫外光發射體，紫外光發射體發射紫外光進入反應室，所述反應室與所述紫外光發射體之間設有光斷續器，待測氣體經滲透管後進入反應室，紫外光出口設有光電探測器或光子計數器。
進一步地，所述滲透管包括具有同軸套設的兩個管路，內部管與外部管之間的氣體偏壓小於內部管的氣體偏壓。
進一步地，所述氮氧化物分析組件具有分別與氮氧化物反應室形成通路的兩個氣體管路，其中一個氣體管路具有將二氧化氮轉化為一氧化氮的鉬爐；所述氮氧化物反應室與臭氧發生組器連通，電子計數器/光電倍增管與氮氧化物反應室連接。
進一步地，所述至少兩種以上氣體檢測分析裝置設於3u機箱內。
本發明提供的一種基於氣體檢測系統的檢測電路裝置，包括：
信號輸入單元，其輸入來自各反應室探測器和/或壓力流量板的採集信號；
運算處理單元，將採集後的信號進行分析、計算得到相關數據；並控制氣路系統中氣路的選擇與通斷，及根據運算數據對氣體進行流量調節；
輸出單元，將所述運算處理單元的運算結果通過顯示模塊顯示。
進一步地，氣體探測器信號採集端通過adc模數轉換接口與mcu連接，實現數位訊號輸入。
進一步地，運算處理單元包括mcu部分和/或擴展的fpga部分，fpga部分與mcu部分實現雙向通信，fpga部分的輸出端通過dac與比較器連接，通過比較器將輸入的探測器電壓進行比較，並返回至fpga部分。
進一步地，壓力流量信號採集通過adc接口和/或spi接口與mcu連接。
進一步地，氣路系統中氣路的通斷通過gpio接口與mcu連接。
進一步地，所述mcu部分通過uart連接新校機擴展板，又通過dac接口控制比例閥。
本發明技術方案，具有如下優點：
本發明實施例提供的一體式氣體含量檢測系統，可以同時測量一氧化碳、臭氧、二氧化硫和氮氧化物濃度，通過合理的氣路系統改進，將上述四種氣體的分析儀整合於一個可攜式3u機箱內，極大程度上減少了系統體積，方便系統移動與測量；將泵體設置於整個氣路系統的末端，能夠保證氣體在氣路通道以一定的流速均勻通過，同時，為了避免殘留的氣體混入正在檢測的管路中的氣體中會對傳感單元的檢測造成幹擾，通過在輪換樣氣檢測模式後，等待一段時間，來使吸入和/或擴散進入待檢測管路中的殘留氣體逐漸稀釋到符合檢測要求的程度再進行正式檢測，在氣路末端增加泵體，同時，根據待測量氣體間的相互穩定關係及各檢測組件的構成，分別將一氧化碳與臭氧，二氧化硫與氮氧化物分為兩支氣路，最大程度上降低了或避免了響應速度變慢，信號質量變差，測量精度下降的問題。
附圖說明
為了更清楚地說明本發明具體實施方式或現有技術中的技術方案，下面將對具體實施方式或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖是本發明的一些實施方式，對於本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。
圖1為本發明的第二種實施方式的系統示意圖；
圖2為一氧化碳分析組件的結構示意圖；
圖3為臭氧分析組件的結構示意圖；
圖4為二氧化硫分析組件的結構示意圖；
圖5為圖4中滲透管的結構示意圖；
圖6為氮氧化物分析組件的結構示意圖；
圖7為本發明第二種實施方式的整體系統的結構框圖。
具體實施方式
下面將結合附圖對本發明的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
在本發明的描述中，需要說明的是，術語「中心」、「上」、「下」、「左」、「右」、「豎直」、「水平」、「內」、「外」等指示的方位或位置關係為基於附圖所示的方位或位置關係，僅是為了便於描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。
在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語「安裝」、「相連」、「連接」應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或一體地連接；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對於本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
此外，下面所描述的本發明不同實施方式中所涉及的技術特徵只要彼此之間未構成衝突就可以相互結合。
實施例1
本發明的一種便攜一體式氣體含量檢測系統，包括臭氧分析組件、一氧化碳分析組件、二氧化硫分析組件和氮氧化物分析組件的至少兩種，本實施例中，包括上述四種氣體檢測分析組件，上述各分析組件組成通過氣路構成整個檢測系統，具體地，上述各分析組件所在的氣路系統通過一個置於氣路出口的負壓組件使氣路入口的校準氣體或待測氣體進入檢測系統，負壓組件為泵體。
上述各檢測分析組件可以以順序串聯的方式將各個部件的氣路連接起來進行逐一測量，由於臭氧容易分解，所以將一氧化碳氣體的測量放在第一個位置進行測量，之後為臭氧、二氧化硫和氮氧化物濃度測量。
實施例2
本實施例的一種便攜一體式氣體含量檢測系統，參見圖1所示，包括一氧化碳分析組件1、臭氧分析組件2、二氧化硫分析組件3和氮氧化物分析組件4，區別在於將氣路系統做了進一步的改進，一氧化碳分析組件和臭氧分析組件設為第一氣路系統8，二氧化硫分析組件和氮氧化物分析組件設為第二氣路系統9。
具體地，系統入口處通過一三通電磁閥控制校準氣體或待測樣氣的輸入，當校準氣體或待測樣氣進入氣路系統後，分為兩支氣路，第一氣路系統8包括沿氣流方向先後設置的一氧化碳分析組件1和臭氧分析組件2，流量計5和比例閥6設於臭氧分析組件2與泵體7之間，臭氧分析組件2通過一三通電磁閥控制臭氧滌除器22的支路及未設有臭氧滌除器的支路的氣路通斷，第二氣路系統9包括沿氣流方向先後設置的二氧化硫分析組件3和氮氧化物分析組件4，流量計5和比例閥6設於二氧化硫分析組件3和氮氧化物分析組件4之間，氮氧化物分析組件4的檢測需要在泵體7產生的負壓條件下進行。
具體地，如圖2所示，一氧化碳分析組件1具有紅外光源發射體11，紅外光源發射體11發射紅外光順序通過相關輪13、濾光片14至檢測室，後經檢測室兩側設置的多個反射鏡反射經出口透光片15進入光電探測器16，一氧化碳在近紅外光譜區的特徵吸收帶的中心波長位置在4.67μm處，為了減小其它氣體的幹擾，在測量光路中，利用窄帶濾光片14，將光譜選擇在相對應的區域。利用紅外輻射在測量室中多次的反射，增加氣體吸收光路的長度。進一步，為了保護儀器，在樣品氣體的進氣口，加裝特氟隆過濾器，提供防塵保護。
相關輪13在直流電機12控制下，可依軸心進行旋轉相關轉輪在，轉速恆定為2200rpm，通過旋轉，可選擇光源進入光室前的通路。相關輪每旋轉一周，紅外輻射依次經過其上的三個部分：首先經過不透光部分，之後經過空白部分，最後經過裝有高濃度co氣槽的部分，在這種工作方式下，紅外輻射在時間上被分成三部分，這三部分紅外輻射被紅外檢測器轉化為三個電信號，暗信號，此時紅外光被相關轉輪上不透光部分全部擋住，檢測信號，此時紅外光通過相關輪上空白部分進入測量室。因此，探測器接收到的紅外輻射與測量光室中的氣體的濃度相對應；參考信號，此時紅外光先穿過相關轉輪上充有高濃度一氧化碳的參考氣室，再進入測量光室。因此探測器接收到的部分是經過參考氣室和測量光室兩部分吸收後的紅外輻射。紅外輻射與透過率相對應。
臭氧分析組件，如圖3所示，臭氧分析組件2通過一三通電磁閥控制兩個氣體管路的通斷，其中一個氣體管路上設有臭氧滌除器22，紫外汞燈發射體23發射紫外光進入檢測室21，通過分別設置於檢測室21兩側的紫外探測器24測量紫外光強的衰減量。
二氧化硫分析組件，如圖4和圖5所示，紫外燈發射紫外光進入反應室33，反應室33與紫外燈31之間設有光斷續器32，待測氣體經滲透管後進入反應室33，紫外光出口設有光電探測器或光子計數器34，本實施例中，鑑於裝置容積的限定，更優地，選擇光子計數器。滲透管35包括具有同軸套設的兩個管路，利用泵的抽吸作用在外部管中形成真空，內部管與外部管之間的氣體偏壓小於內部管的氣體偏壓，含有芳香族hc分子的待分析樣氣進入內部管，內部管材質為聚矽酮，氣體從內部管參透至外部管以去除芳(族)烴化合物分子，除去hc分子後，待分析樣氣直接進入反應室33。
在啟動每個"參考零點"時，光斷續器32放置在紫外燈31和反應室33入口之間40秒。將對應於光電倍增管暗電流的電器零點和前置放大器的偏置電壓計入信號處理過程，這樣可以消除溫度和時間漂移造成的誤差。
如圖6所示，氮氧化物分析組件4具有分別與氮氧化物反應室形成通路的兩個氣體管路，其中一個氣體管路具有將二氧化氮轉化為一氧化氮的鉬爐41；所述氮氧化物反應室44與臭氧發生器組件42連通，電子計數器或光電倍增管45與氮氧化物反應室44連接。其中，鉬爐41為填充有鉬粉的密封容器，另外，利用陶瓷纖維保證這個裝置的絕熱性。
測量分成三個步驟進行：參考周期，樣氣進入預反應室與臭氧混合，樣氣進入反應室之前，其中的no分子被氧化成no2；用光電倍增管檢測這時沒有化學發光情況下的信號，這個信號可被看作是「零氣」測量信號，並作為參考信號；no周期：樣氣直接進入測量室，在其中被臭氧氧化。這是，用光電倍增管測量到的信號與樣氣中的no分子的數目成正比；nox周期：樣氣經過鉬爐，之後在反應室中與臭氧混合。這時用光電倍增管測量到的信號與樣氣中的no和no2(從no還原得到)分子數成正比。
乾燥器423由兩個同心管組成，內部管由滲水聚合材料製成。分子從管子中水含量最高的一側滲透到水含量低的一側，為了保證聚合管外側水的偏壓低，需要將管子放置在真空條件下，並用從管子排出的一部分氣體對其進行吹洗。
臭氧發生器422由兩個同軸的圓柱型電極組成。內部電極包括一個不鏽鋼圓柱，連接到高壓(4.5kv)電路。內部電極為塗有薄金屬塗層的玻璃圓柱，與地連接。這個裝置用兩片ptfe保護，用o型環(密封圈)保證其密封性。在電極間循環的乾燥空氣被氧化，其中一部分轉換成臭氧。
上述系統的各氣體檢測組件的信號採集及壓力流量、比例閥的控制和三通電磁閥的控制由相應的檢測電路裝置，參見圖7所示，該檢測電路包括信號輸入單元，其輸入來自各反應室探測器和/或壓力流量板的採集信號；運算處理單元，將採集後的信號進行分析、計算得到相關數據；並控制氣路系統中氣路的選擇與通斷，及根據運算數據對氣體進行流量調節；輸出單元，將所述運算處理單元的運算結果通過顯示模塊顯示。
本實施例通過兩個電路板通過uart串口連接，其中一個電路板控制一氧化碳和臭氧所在氣路，另一個電路板控制二氧化硫和氮氧化物所在氣路。
臭氧探測部分為波長在為檢測波長在254nm的紫外光信號，因此選用bhk的中心波長254nm的80-1025-01的紫外燈，光強27uw/平方釐米，其供電電源為專門設計的汞燈電源板，此汞燈電源板輸入電壓24v，使用bhk電源模塊68-0020-04(12v輸入，輸出電流20ma，輸出電壓為1100v)輸出固定電壓，選用在相應波段響應比較好的濱松的r1228傳感器，採用正負15v供電，傳感器的檢測信號經放大器放大後送入ad電路進行轉換，然後將轉換後的數位訊號送至mcu進行數據分析和處理；一氧化碳探測部分，根據需要採用helioworks的ek-5372光源，峰值電壓為1.4v，電流1.8a，由co相關輪板為其供電，探測器採用正負15v供電，首先利用方波發生電路和倍壓整流電路產生90-100v電壓為濱松p9696-202的傳感器供電，傳感器的檢測信號經放大器放大後送入ad電路進行轉換，然後將轉換後的數位訊號送至mcu進行數據分析和處理；氣路控制部分，利用電晶體控制24v電源的接通和截止對樣氣和標氣進行選擇；壓力和流量傳感器分別測量氣路中的壓力和流量信號反饋給處理器，因co和o3共用一路氣路，且測量兩種氣體所需流量大小基本相同，所以在此氣路的末端連接壓力流量傳感器板，實時對氣路的壓力和流量進行監測，系統入口處及臭氧分析組件處的三通電磁閥通過gpio接口與mcu連接。
二氧化硫探測部分，so2檢測採用紫外螢光法，需要波長214nm的紫外光，因此選用bhk中心波長213.9nm的89-9020-01的紫外燈，額定工作電壓為160v，額定電流為47.5ma，電源採用東文鋅燈高壓電源模塊dw-p501-2c68，輸入電壓ac220v，輸出最高起輝電壓：ac2000vpp，輸出電壓典型值為ac160v，燈電流35ma～55ma可調，so2探測器採用h10682-210，供電電壓為5v，300nm處的計數靈敏度為3.9x105/(s*pw)，暗計數50/s，過光能量檢測輸出正電平大於3.5v，負電平小於0.5v，輸出信號採用50ω阻抗匹配，得到的信號幅度為2.2v，與主板上的dac晶片輸出的模擬電平比較，得到光電子計數個數，送至fpga處理和分析。主板通過控制電磁鐵的通斷來控制鋅燈的照射與否，以此來檢測暗計數的個數；氮氧化物探測部分，探測部分採用h10682-01，供電電壓為5v，600nm處的計數靈敏度為2.0x105/(s*pw)，暗計數600/s，過光能量檢測輸出正電平大於3.5v，負電平小於0.5v，輸出信號採用50ω阻抗匹配，得到的信號幅度為2.2v，與主板上的dac晶片輸出的模擬電平比較，得到光電子計數個數，送至fpga處理。主板通過控制臭氧發生器的電磁閥開關來檢測暗計數的個數。氣路控制部分，so2和nox雖然共用一路氣路，因為nox需要負壓工作，所以在nox反應室之前用壓力流量板測量so2氣體的流量和壓力，實時對氣路的壓力和流量進行監測，nox直接用泵抽成負壓工作，在nox反應室之前通過限流孔控制流量。根據壓力流量電路板反饋的流量信號大小自動控制比例閥使整個氣路基本維持一個恆定的流量，比例閥採用clippard公司的ev-p-10-2525，供電電壓10v，孔徑0.025inch，最大壓力25psig。
顯然，上述實施例僅僅是為清楚地說明所作的舉例，而並非對實施方式的限定。對於所屬領域的普通技術人員來說，在上述說明的基礎上還可以做出其它不同形式的變化或變動。這裡無需也無法對所有的實施方式予以窮舉。而由此所引伸出的顯而易見的變化或變動仍處於本發明創造的保護範圍之中。