一氧化碳浓度检测装置及方法与流程

本发明涉及气体检测技术领域，具体涉及一种一氧化碳浓度检测装置和一氧化碳浓度测定方法。

背景技术：

一氧化碳是主要大气气态污染物之一，也是环境空气检测的必测项之一。目前环境空气在线监测设备主要采用非分散红外法进行一氧化碳检测，如thermo公司的48i型一氧化碳分析仪和api公司的t300型一氧化碳分析仪。具体实现方式包括单光路双通道方式、双光路单通道方式、双通道双光路方式，以及气体滤波相关检测等。上述方法均需要较长的吸收气室光程，一般在5m以上，存在响应慢、零点和量程漂移大、体积大的缺点。另外，目前的环境空气一氧化碳在线分析仪主要放置在固定式环境空气监测站和移动式环境空气监测站中，需要有复杂的配套设施保证正常运行，不适合现场快速使用。

技术实现要素：

本发明针对上述存在的技术问题，提出了结构简单、响应快、检测精度高的一氧化碳浓度检测的装置和方法。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种一氧化碳浓度检测装置，包括入气口，所述入气口连接支路选通组件，所述支路选通组件分别连接出第一入气支路和第二入气支路，第二入气支路上设置有一氧化碳过滤器；进一步包括光度计和数据处理器，支路选通组件的出口连接至光度计，所述光度计包括光源；所述数据处理器获取光度计采集的光度信息并计算一氧化碳浓度。

优选的，处理器包括：

数据采集单元：用于采集光度计测量的光度信息；

定标系数计算单元：用于基于标准一氧化碳气体的光度信息计算光度计定标系数，所述标准一氧化碳气体为已知浓度的一氧化碳气体；

一氧化碳浓度计算单元：用于基于待测气体的光度信息和定标系数计算单元计算的定标系数，计算一氧化碳浓度。

优选的，光度计进一步包括气室和探测器，所述探测器采用硅光电二极管，所述气室采用怀特型长光程气室。

优选的，一氧化碳浓度测定装置进一步包括气泵，所述气泵连接至光度计的出口。

优选的，一氧化碳浓度测定装置进一步包括毛细血管稳流器，设置在光度计出口和气泵之间的气路上。

优选的，一氧化碳浓度测定装置进一步包括设置在支路选通组件与光度计之间气路上的湿度平衡管。

优选的，光度计上设置有加热器，用于为光度计气室加热。

优选的，湿度平衡管采用膜式渗透管。

优选的，支路选通组件为三通电磁阀。

优选的，第一支路上设置有压力平衡调节阀。

一种一氧化碳浓度检测方法，基于上述的一氧化碳浓度检测装置，包括以下步骤：

选择已知浓度ck的一氧化碳气体作为标准气体，将标准气体经第一入气支路通入光度计，处理器采集第一光强信号ik1，进一步将氮气经第一入气支路通过光度计，处理器采集第二光强信号ik0；

基于第一光强信号和第二光强信号，计算定标系数k，

将待测环境空气经第一支路通过光度计，处理器采集第三光强度信号i，将待测环境空气经第二支路通过光度计，处理器采集第四光强度信号i0；

计算一氧化碳浓度：

该方法也可以采用如下的步骤实施。

选择已知浓度ck的一氧化碳气体作为标准气体，将标准气体经第一入气支路通入光度计，处理器采集第一光强信号ik，进一步将标准气体经第二入气支路通过光度计，处理器采集第五光强信号i'k0；

基于第一光强信号和第五光强信号，计算定标系数k，

将待测环境空气经第一支路通过光度计，处理器采集第三光强度信号i，将待测环境空气经第二支路通过光度计，处理器采集第四光强度信号i0；

计算一氧化碳浓度：

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

(1)采用交替通入背景气和样气的方式，使得对光源波动不敏感，稳定性更好；减少了零点和量程漂移，大大降低校准的频次。

(2)可以在较短的光程条件下得到更高的灵敏度，体积小、重量轻，方便携带；功耗低，可以采用锂电池供电，没有其他配套设施的需求。能够实现随时随地检测的目的。为轻量化便携式环境空气一氧化碳分析仪。

(3)采用模块化设计，可以通过气体吸收池长度的调节来灵活调节检测的动态范围和灵敏度。

附图说明

图1为本发明一氧化碳浓度检测装置结构图；

图2为一氧化碳特征吸收光谱示意图；

图3为处理器结构示意图；

图4为本发明第一种一氧化碳浓度测定方法流程图；

图5为本发明第二种一氧化碳浓度侧待定方法流程图。

100-一氧化碳浓度检测装置，101-第二支路，102-第一支路，103-一氧化碳过滤器，104-三通电磁阀，105-湿度平衡器，106-光度计，1061-光源，1062-气室，1063-探测器，107-光度计入口，108-光度计出口，109-温度传感器，110-压力传感器，111-毛细血管稳流器，112-气泵，113-压力调节阀，114-加热器。

具体实施方式

以下，结合附图对本发明的具体实施方式进行进一步的描述。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。

本发明首先提供一种一氧化碳浓度测定装置，可用于一氧化碳浓度的测定。

一种一氧化碳浓度检测装置100，结构参考图1，包括入气口，入气口连接入气管路，用于接入环境空气。入气管路设置有支路选通组件，支路选通组件具有至少一个入气口和至少两个出气口。支路选通组件的出气口连接第一入气支路102和第二入气支路101，第二入气支路101上设置有一氧化碳过滤器103，可通过化学反应消除一氧化碳，如选用钯金催化剂等。进一步包括光度计106和数据处理器，支路选通组件的出口连接至光度计入口107。其中，支路选通组件用于控制第一支路102或第二支路101与光度计106的接通，且同时，仅有一路支路的气体接入光度计106。本实施例中，支路选通组件采用三通电磁阀104，其可放置在气路一分二的位置或二合一的位置，采用ptfe阀体。通过三通电磁阀104的控制，使得通过一氧化碳过滤器(第二入气支路101)和没通过一氧化碳过滤器一氧化碳(第一入气支路102)的气路交替连通。

第一支路102上设置有压力调节阀，用于调节通入气体的压力，避免一氧化碳浓度检测装置中的压力过大。

上述气路中的气管采用不吸附一氧化碳的材料，例如，可以选用ptfe材料或fpa材料，以减小对一氧化碳的吸附损失。第二入气支路101上的一氧化碳过滤器103中装有与一氧化碳反应的颗粒，能够仅消除掉一氧化碳成分，而不影响样气中的其他成分。

图2所示为一氧化碳在可见光谱段的特征吸收光谱，特征吸收的峰值在4.7μm左右，所以可以选取波长为4.5μm～4.8μm之间的光度计进行环境空气一氧化碳的检测，这样可以获得最大的信噪比，同时具有最小的干扰，提高检测精度。

对本发明一氧化碳浓度检测装置采用的光度计106进行如下设计。光度计106的结构至少包括光源、气室和探测器。光度计的波长选择中心波长为4.6μm，带宽不大于0.3μm。可以选择不同波长类型的光源，例如宽波段光源或窄波段光源。具体是实施方案如下。例如，可选的方案为：选择红外光谱段的宽波段光源，在光源输出端或探测器端加入中心波长为4.6μm，带宽不超过0.3μm的窄带滤光片。光度计106上设置有加热器114，用于为光度计106的气室加热。加热是为了做温控，非分散红外方法对温度比较敏感，需要将气室加热到一个高于环境的温度，比如50℃，然后稳定住，这样可以避免环境温度变化的干扰。

数据处理器与光度计106进行信号通信，获取光度计106采集的光度信息，并计算生成一氧化碳浓度。处理器具体包括：

数据采集单元：用于采集光度计测量的光度信息；

定标系数计算单元：用于基于标准一氧化碳气体的光度信息计算光度计定标系数，标准一氧化碳气体为已知浓度的一氧化碳气体；

一氧化碳浓度计算单元：用于基于待测气体的光度信息和定标系数计算单元计算的定标系数，计算一氧化碳浓度。

为了保证更精确的测量精度，一氧化碳浓度测定装置进一步包括温度传感器109和压力传感器110，温度传感器109和压力传感器110连接至光度计106，用于测量光度计106内的温度和压力，用于计算一氧化碳浓度。这种一氧化碳浓度的计算方法与本发明提供的方法属于冗余算法，属于现有技术中已知的计算方法，此处不再赘述。

为了保证气体通过测定仪的流畅性，一氧化碳浓度测定装置进一步包括气泵112，气泵112为整个气体路提供动力，连接至光度计出口108。气泵112采用的为薄膜泵，在光度计106出口和气泵112之间的气路上设置毛细血管稳流器111，毛细血管稳流器111可以稳定控制气路中流量，确保流量稳定，减小流量波动。

为了进一步降低气体湿度对测量精度的影响，一氧化碳浓度检测装置进一步包括设置在支路选通组件与光度计106之间气路上的湿度平衡管105。上述湿度平衡管106为一种膜式渗透管，只能通过水分子氢氧基交换使的管壁内外的湿度达到平衡状态，不能透气，因此其它气体不受影响，可以保持管内和管外的湿度平衡。本实施例选择的为博纯公司的纳芬管。

上述一氧化碳浓度测定装置具有市电接口和锂电池接口，可采用市电供电，也可采用锂电池供电，使得可以随时随地使用。由于可采用锂电池供电，可进一步提高仪器的便携性，不受供电条件的使用限制。

本发明进一步提供一氧化碳浓度测定方法，该测定方法可以采取如下两种方式来实施。以下两种实施方式均需要用到一氧化碳标准气体，所不同的是，一种是采用一氧化碳标准气体来计算光度计的定标系数，另一种是采用一氧化碳标准气体和氮气相结合的方式来计算光度计的定标系数。本实施例采用的一氧化碳标准气体为瓶装一氧化碳标准气体，为一氧化碳和氮气的混合气，即在氮气中加入了一定量的一氧化碳。

一种一氧化碳浓度测定方法，采用上述的一氧化碳浓度检测装置，该方法可以采用如下两种实施方式进行实施。

第一种实施方式，流程参考图4，包括以下步骤。

(1)计算定标系数

选择已知浓度ck的一氧化碳作为标准气体，通过支路选通组件控制第一入气支路接通，将标准气体经第一入气支路通入光度计，处理器采集第一光强信号ik1，进一步将氮气经第一入气支路通过光度计，处理器采集第二光强信号ik0；

基于第一光强信号和第二光强信号，标准气体的浓度与光强信号的关系，计算定标系数k，

气体的浓度与光强信号的关系为：

推算获得定标系数：

(2)计算一氧化碳浓度

将待测环境空气经第一支路通过光度计，处理器采集第三光强度信号i，将待测环境空气经第二支路通过光度计，处理器采集第四光强度信号i0，经过第二支路的气体，为去除一氧化碳之后的气体；

计算一氧化碳浓度：

第二种实施方式，流程参考图5，包括以下步骤。

(1)计算定标系数

选择已知浓度ck的一氧化碳作为标准气体，将标准气体经第一入气支路通入光度计，处理器采集第一光强信号ik，进一步将标准气体经第二入气支路通过光度计，处理器采集第五光强信号i'k0；

基于第一光强信号和第五光强信号，标准气体的浓度与光强信号的关系，计算定标系数k，

气体的浓度与光强信号的关系为：

推算获得定标系数：

(2)计算一氧化碳浓度

将待测环境空气经第一支路通过光度计，处理器采集第三光强度信号i，将待测环境空气经第二支路通过光度计，处理器采集第四光强度信号i0；

计算一氧化碳浓度：

本发明提供的一氧化碳浓度测定装置，体积小、重量轻，方便携带；功耗低，可以采用锂电池供电。本发明提供的一氧化碳浓度测定方法是基于光度法进行的直接的一氧化碳浓度的测定方法，不需要进行一氧化碳到一氧化碳的气体工序转换，不需要进行复杂的气体预样处理，方法简单高效，测量结果精确。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。