一种可控温控压气体监测装置的制作方法

1.本发明涉及气体监测技术领域，特别涉及一种可控温控压气体监测装置。


背景技术：

2.低成本大气检测传感器（指百元至千元量级）由于具有能够大范围布设、维护成本低廉、能耗低等特点，适合在城市（超大城市、城市群等）尺度上监测大气成分（如co2，ch4等）和气体污染物（如o3，no2，so2，co等）及其它环境信息，是国内外研究的热点。
3.对于气体传感器，其信号变化的除了基本的气体浓度变化，还受到环境温度和环境压力等因素的影响。然而，若气体传感器使用环境的温度或压力存在变化，这也会在一定程度上影响气体传感器的监测精度。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本发明提供了一种可控温控压气体监测装置，通过第一温度检测模块、控制模块和加热模块三者的配合，可实现了对腔内温度的控制；与此同时，通过压力检测模块、控制模块和气泵三者的配合，可实现了对腔内压力的控制，可实现了对气体传感器的环境压力值和温度值的控制，从而可有助于为气体传感器提供连续的恒温恒压环境，以此可有利于确保了气体传感器的监测精度。
5.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种可控温控压气体监测装置，包括：进气管、腔体、加热模块、第一温度检测模块、气体传感器、压力检测模块、控制模块和气泵；所述进气管设置于所述腔体外，且其出气口连接于所述腔体的进气口；所述加热模块用于加热所述进气管；所述第一温度检测模块、所述压力检测模块和所述气体传感器均设置于所述腔体内；所述气泵的进气口连接于所述腔体的出气口；所述加热模块、所述第一温度检测模块、所述压力检测模块、所述气体传感器和所述气泵均与所述控制模块通讯连接；所述控制模块能够根据所述第一温度检测模块的温度检测值控制所述加热模块的运行，所述控制模块能够根据所述压力检测模块的压力检测值控制所述气泵的运行。
6.优选地，还包括第二温度检测模块；所述第二温度检测模块用于检测所述进气管的温度，且通讯连接于所述控制模块；所述控制模块能够根据所述第二温度检测模块的温度检测值控制所述加热模块的运行。
7.优选地，还包括：设置于所述腔体内，用于承载所述第一温度检测模块、所述压力检测模块和所述气体传感器的固定板。
8.优选地，所述固定板包括pcb板；所述pcb板分别设有第一插座、第二插座、第三插座和插头；
所述第一插座用于插接所述第一温度检测模块，且所述第一温度检测模块插接在所述第一插座时与所述插头为电连接；所述第二插座用于插接所述压力检测模块，且所述压力检测模块插接在所述第二插座时与所述插头为电连接；所述第三插座用于插接所述气体传感器，且所述气体传感器插接在所述第三插座时与所述插头为电连接；所述插头用于通过信号线与所述控制模块通讯连接。
9.优选地，所述控制模块位于所述腔体外；所述腔体开设有通孔；所述可控温控压气体监测装置还包括：设置于所述腔体的通孔，用于同所述信号线配合的穿线接头。
10.优选地，所述穿线接头包括法兰接头；所述法兰接头的孔壁与用于穿过其的所述信号线的外壁之间设有密封结构。
11.优选地，所述腔体为圆柱形腔体；所述进气管沿轴向缠绕于所述圆柱形腔体的外周壁。
12.优选地，所述腔体和所述进气管的材质包括不锈钢。
13.优选地，所述加热模块包括加热片；所述加热片为用于环绕所述进气管的圆筒形加热片。
14.优选地，还包括壳体；所述腔体、所述加热模块、所述控制模块、部分所述气泵和部分所述进气管均设置于所述壳体内，且所述进气管的进气口和所述气泵的出气口均位于所述壳体外。
15.从上述的技术方案可以看出，本发明提供的可控温控压气体监测装置，通过第一温度检测模块、控制模块和加热模块三者的配合，可实现了对腔内温度的控制；与此同时，通过压力检测模块、控制模块和气泵三者的配合，可实现了对腔内压力的控制，实现了对气体传感器的环境压力值和温度值的控制，从而可有助于为气体传感器提供连续的恒温恒压环境，以此可有利于确保了气体传感器的监测精度。
附图说明
16.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
17.图1为本发明实施例提供的可控温控压气体监测装置示意图；图2为本发明实施例提供的pcb板示意图。
18.其中，1为进气管、2为腔体、3为加热模块、4为固定板、5为第一温度检测模块、6为压力检测模块、7为气体传感器、8为第二温度检测模块、9为控制模块、10为穿线接头、11为气泵、12为pcb板、13为第一插座、14为第二插座、15为第三插座、16为插头、17为壳体。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.本发明实施例提供的可控温控压气体监测装置，如图1所示，包括：进气管1、腔体2、加热模块3、第一温度检测模块5、压力检测模块6、气体传感器7、控制模块9和气泵11；进气管1设置于腔体2外，且其出气口连接于腔体2的进气口；加热模块3用于加热进气管1；第一温度检测模块5、压力检测模块6和气体传感器7均设置于腔体2内；气泵11的进气口连接于腔体2的出气口；加热模块3、第一温度检测模块5、压力检测模块6、气体传感器7和气泵11均与控制模块9通讯连接；控制模块9能够根据第一温度检测模块5的温度检测值控制加热模块3的运行（功率），控制模块9能够根据压力检测模块6的压力检测值控制气泵11的运行（功率）。也就是说，控制模块9能够单独控制腔内温度，能够单独控制腔内压力，和能够同时控制腔内温度和压力。
21.需要说明的是，第一温度检测模块5用于检测腔体2内的温度，压力检测模块6用于检测腔体2内的压力，气泵11用于为腔体2提供主动吸收外界气体的能力，且可选用调速泵；更为具体地，气体从进气管1的进气口进入，经过进气管1时先被加热模块3预热后才进入腔体2内，并再由气泵11抽气将气体从腔体2的出气口排出。也就是说，本方案中气体的监测方式为先外部预热后内部监测。其中，本方案由第一温度检测模块采集腔内气体的温度数据并传输到控制模块9，控制模块9基于温度数据控制加热模块3的加热功率来进行腔内温度的控制；与此同时，本方案还由压力检测模块6采集腔内的压力数据并传输到控制模块9，控制模块9基于压力数据控制气泵11的抽气功率来进行腔内压强的控制，从而有助于实现了对气体传感器7所在环境温度和压强的控制，以此可有利于为气体传感器7创造符合预设值的恒温恒压环境。
22.从上述的技术方案可以看出，本发明实施例提供的可控温控压气体监测装置，通过第一温度检测模块5、控制模块9和加热模块3三者的配合，可实现了对腔内温度的控制；与此同时，通过压力检测模块6、控制模块9和气泵11三者的配合，可实现了对腔内压力的控制，实现了对气体传感器的环境压力值和温度值的控制，从而可有助于为气体传感器7提供符合预设值的恒温恒压环境，以此可有利于确保了气体传感器7的监测精度。
23.进一步地，如图1所示，本发明实施例提供的可控温控压气体监测装置还包括第二温度检测模块8；第二温度检测模块8用于检测进气管1的温度，且通讯连接于控制模块9；控制模块9能够根据第二温度检测模块8的温度检测值控制加热模块3的运行。在本方案中，由于气体的预热是在腔体2外部进行的，而且基于腔体2的构造会造成温度差现象，也就是使得进气管1的温度与腔内的温度出现差别。上述方案如此设计，以便于使得控制模块9先基于第二温度检测模块8的温度检测值，控制加热模块3的加热功率使得气体预热（进气管温度）稳定至预设温度值（目标温度值）附近，然后再根据第一温度检测模块5的温度反馈继续调整加热模块3的加热功率，使得腔内温度直至达到预设温度值，从而有助于实现腔体的快速精准控温。也就是说，本方案通过第二温度检测模块8的反馈，可实现腔体温度的粗调节，再通过第一温度检测模块5的反馈，可实现腔体温度的细调节，以达到快速精准控温的效果。
24.更为具体地，以目标温度值60
°
为例，本方案首先基于第二温度检测模块8反馈和
pid算法快速调节腔体外部温度（即为进气管温度）先稳定至60
°
附近，鉴于实际情况，腔内实际温度与目标温度值60
°
存在一定的偏差，这时可根据第一温度检测模块5的反馈，再微调加热模块3的加热功率，使得腔内实际温度逐渐接近目标温度值60
°
。此外，由上文可知，气体的预热是在腔外进行的，本方案通过在腔体2外设置第二温度检测模块8，能够精准地把握腔外加热情况，避免出现无效加热或者加热温度不稳定等现象。另外，本方案通过在腔内设置第一温度检测模块5，能够通过腔内外温度的对比，实现腔内的精准控温；同时也能够把控腔内温度情况，避免出现无效传热或者腔体破损等现象。
25.再进一步地，为了实现对腔内模块和传感器的有效固定安装；相应地，如图1所示，本发明实施例提供的可控温控压气体监测装置还包括还包括：设置于腔体2内，用于承载并固定第一温度检测模块5、压力检测模块6和气体传感器7的固定板4。
26.具体地，如图2所示，固定板4包括pcb板12；pcb板12分别设有第一插座13、第二插座14、第三插座15和插头16；第一插座13用于插接第一温度检测模块5，且第一温度检测模块5插接在第一插座13时与插头16为电连接；第二插座14用于插接压力检测模块6，且压力检测模块6插接在第二插座14时与插头16为电连接；第三插座15用于插接气体传感器7，且气体传感器7插接在第三插座15时与插头16为电连接；插头16用于通过信号线与控制模块9通讯连接。也就是说，pcb板12设置了各种插座，用于分别为第一温度检测模块5、压力检测模块6和气体传感器7提供基座，然后再将上述三个部件的导线均连接于插头16，便于集中输出采集数据。本方案如此设计，以便于实现了多个部件的集成式设计，从而有助于实现本装置的小型化设计。
27.进一步地，如图1所示，控制模块9位于腔体2外；腔体2开设有通孔；本发明实施例提供的可控温控压气体监测装置还包括：设置于腔体2的通孔，用于同信号线配合的穿线接头10，以确保信号线能够正常走线。
28.再进一步地，穿线接头10包括法兰接头；法兰接头的孔壁与用于穿过其的信号线的外壁之间设有密封结构，以使得腔体2保持密封状态，从而确保气体传感器7的环境压力。当然，该密封结构可为密封垫或密封圈，此处不再赘述。
29.具体地，腔体2为圆柱形腔体；进气管1沿轴向缠绕于圆柱形腔体的外周壁。也就是说，进气管1呈螺旋状缠绕于圆柱形腔体的外周壁。本方案如此设计，不仅增加了进气管1与加热模块3的接触时间，进一步提升管内气体的预热效果，而且还有助于实现了进气管1与腔体2的紧密接触，以便于将加热模块3的余热传递到腔体2内部，从而有利于减缓腔体2温度流失。也就是说，在本方案中，将第一温度检测模块5、压力检测模块6和气体传感器7封装固定在一个腔体2内部，通过加长进气管1的管路，以便增加气体与加热模块3的接触时间，实现管内气体的有效预热；同时又基于第一温度检测模块5和压力检测模块6的检测反馈，以便于实现了对腔内环境温度和环境压力的控制，从而有助于为气体传感器7提供符合预设值的恒温恒压环境。
30.作为优选，腔体2和进气管1的材质包括不锈钢，不仅可使得管内气体的预热效果更好，而且还有助于减缓腔体2温度流失现象。当然，腔体2和进气管1的材质还可包括其它热传导性能比较好的材质，此处不再赘述。
31.在本方案中，加热模块3包括加热片；加热片为用于环绕进气管1的圆筒形加热片。本方案如此设计，可有助于极大提升进气管1的加热效果，从而更好地便于对腔内温度的调节。此外，为了进一步提升圆筒形加热片的加热效果，还可将圆筒形加热片的筒壁设计为波浪形结构。当然，本方案中的加热模块3不局限于加热片的形式，还可选用其它的速热加热器，此处不再赘述。
32.具体地，本发明实施例提供的可控温控压气体监测装置还包括壳体17；腔体2、加热模块3、控制模块9、部分气泵11和部分进气管1均设置于壳体17（也可选用箱体）内，且进气管1的进气口和气泵11的出气口均位于壳体17外。本方案如此设计，以便于使得本装置实现小型盒装式设计，方便携带转移至不同场景中使用，而且还具有低成本、小型化等特点。当然，本方案提供的装置，其整体体积较小，可搭载于汽车、无人机、飞机等各种交通工具进行动态测试，也可放置于固定位置进行稳定测试。
33.下面再结合具体实施例对本方案作进一步介绍：本发明设计了一种具备可实时存储上传数据的低成本小型化传感器环境控温控压装置。
34.该装置首先利用微型电脑进行算法设计及自适应控温控压调节，实现最小成本高精度控温控压。该系统将小型气体传感器、温度传感器（即为第一温度检测模块）和压力传感器（即为压力检测模块）封装固定在一个腔体内部。通过加长进气管路增加气体与加热模块的接触时间，实现进口气体的预热，同时基于双温度检测模块和双pid算法来进行温度调节，进而实现对进入腔体内的气体进行温度控制，从而为传感器创造连续的恒温环境。另外，通过对可调速泵以进行调速来实现装置内压力的控制并给予装置主动吸收外界空气的能力。与此同时，该装置由第一温度检测模块、压力检测模块、第二温度检测模块、气体传感器和控制模块组成了数据存储上传系统，其中控制模块集成了数据采集功能、数据分析功能、数据存储功能、数据输出功能和数据上传功能，将第一温度检测模块、压力检测模块、第二温度检测模块和气体传感器的高频数据存储在当地，利用矫正系数实时矫正原始数据，并利用使用者设定的稳定边界温度和稳定边界压力标记数据质量，最后上传到服务器端。
35.本发明提供了一种低成本小型传感器环境控温控压装置（即为可控温控压气体监测装置），包括被控温控压腔体，腔体外壁上缠绕着大量进气管，空气从进气孔进入，经过足够长的缠绕管路被加热模块预热并进入腔体，并由调速泵抽气，将气体从出气孔排出。由第一温度检测模块和第二温度检测模块采集温度数据，由压力检测模块采集压力数据并传输到控制模块，基于温度数据控制模块控制加热模块来进行温度调节，同时根据压力数据控制模块控制调速泵的抽气能力，以控制气体传感器的环境压力值和温度值。
36.所述的一种低成本小型传感器环境控温控压装置，进气管是一种不锈钢气管，相比于其他类型的管子，不锈钢管集成了耐高温、导热快、易定型等优点。进气管密集地缠绕在腔体外壁，由加热模块提供的热量对管内气体进行预热，然后再进入腔体内部。此外，腔体中可以放置多种多样的气体检测传感器模块用于控温实验。
37.所述的一种低成本小型传感器环境控温控压装置，腔体是一种圆柱形不锈钢腔
体，可以为缠绕气管提供最大限度的曲率，降低管路弯折造成的压力损失。同时实现与缠绕气管紧密接触，将加热模块的余热传递到腔体内部，减缓腔体温度流失。
38.所述的一种低成本小型传感器环境控温控压装置，加热模块是一种速热定制型加热器（如加热片等具备快速加热功能的模块），基于第一温度检测模块和第二温度检测模块的数据，控制模块结合控制算法输出电信号，控制加热模块的功率，实现温度的控制。基于使用者需求，可以选择220v供电，也可以选择24v和12v等不同的供电电源。
39.所述的一种低成本小型传感器环境控温控压装置，固定板是一种pcb模块（见下图2），板载各种插座为第一温度检测模块、压力检测模块和气体传感器提供基座。同时将各个模块的导线集成一个接头集中输出。
40.所述的一种低成本小型传感器环境控温控压装置，第一温度检测模块采集腔体内部空气的温度数据，并将温度数据传输到控制模块，为温度调控提供依据。
41.所述的一种低成本小型传感器环境控温控压装置，压力检测模块采集腔体内部空气的压力数据，并将压力数据传输到控制模块，为压力调控提供依据。
42.所述的一种低成本小型传感器环境控温控压装置，气体传感器是一种低成本、稳定、寿命长的传感器，市场上各类小型和微型传感器模块都可适用。
43.所述的一种低成本小型传感器环境控温控压装置，第二温度检测模块采集进气管的温度数据，并将温度数据传输到控制模块，为温度调控提供依据。
44.所述的一种低成本小型传感器环境控温控压装置，控制模块是一种微型电脑，可以是微型的linux电脑，可以是微型的windows工控机，也可以是单片机。利用第一温度检测模块和第二温度检测模块以及内置算法控制加热模块实现温度调节，利用压力检测模块及内置算法控制调速泵实现压力调节，同时将传感器数据收集存储到当地并利用以太网、wifi、3g、4g等常用联网模块上传到服务器。
45.所述的一种低成本小型传感器环境控温控压装置，穿线接头是一种在真空条件下也能保持密闭状态的法兰接头，其功能在于将固定板集成出来的信号线和电源线集中输出到腔体外部，接入控制模块。
46.所述的一种低成本小型传感器环境控温控压装置，调速泵是一种微型真空泵，基于压力检测模块的数据，控制模块结合控制算法输出电信号，控制调速泵的功率，实现压力的控制。基于腔体的容量和实际管路压降不同，使用者可以定制不同功率的泵。
47.第一实施例（控制模块同时控制了温度和压力）；如图1所示，低成本小型传感器环境控温控压装置包括被控温控压腔体，腔体外壁上缠绕着大量进气管，空气从进气孔进入，经过足够长的缠绕管路被加热模块预热，进入腔体，并由调速泵抽气，从出气孔排出。由温度检测模块采集温度数据，由压力检测模块采集压力数据并传输到控制模块，基于温度数据控制模块控制加热模块来进行温度调节，同时根据压力数据控制模块控制调速泵的抽气能力，以控制气体传感器的环境压力值和温度值。
48.本发明的低成本小型传感器环境控温控压装置的工作原理是：本系统主要分四个部分，1）进气管、腔体和调速泵组成的主动吸收式气体流通系统。2）由加热模块、第一温度检测模块、第二温度检测模块、穿线接头和控制模块组成的温度控制系统。3）由压力检测模块、控制模块、穿线接头和调速泵组成的压力控制系统。4）由大气传感器和控制模块组成的
数据存储上传系统。
49.由进气管、腔体和调速泵组成的主动吸收式气体流通系统，由调速泵在给予腔体恒定的压力的条件同时，会在腔体内部形成正压或者负压条件，此时则利用实际条件（负压条件），则需要在腔体进气管路引入自然空气并铺设预热管路。
50.由加热模块、第一温度检测模块、第二温度检测模块、穿线接头和控制模块组成的温度控制系统。系统应用双温度检测模块和双pid算法应对由腔体特殊构造造成的温度差现象。控制模块先基于第二温度检测模块的温度将系统整体预热稳定到某一低值。再根据第一温度检测模块的温度调整加热模块的温度基线，使其基线达到使用者设置温度点，最后再根据第二温度检测模块精准调控恒温。
51.由压力检测模块、控制模块、穿线接头和调速泵组成的压力控制系统。系统腔体压强值与压力检测模块测量值之前延迟低，使用者可以利用pid算法在调速泵自由控制腔体内部的环境压力。
52.由第一温度检测模块、压力检测模块、第二温度检测模块、大气传感器和控制模块组成的数据存储上传系统。控制模块集成了数据采集功能、数据分析功能、数据存储功能、数据输出功能和数据上传功能。将第一温度检测模块、压力检测模块、第二温度检测模块、大气传感器的高频数据存储在当地，利用矫正系数实时矫正原始数据，并利用使用者设定的稳定边界温度和稳定边界压力标记数据质量，最后上传到服务器端。
53.第二实施例（控制模块只控制了温度）；如图1所示，低成本小型传感器环境控温控压装置包括被控温腔体，腔体外壁上缠绕着大量进气管，空气从进气孔进入，经过足够长的缠绕管路被加热模块预热，进入腔体，并由调速泵抽气，从出气孔排出。由第一温度检测模块和第二温度检测模块采集温度数据，基于温度数据控制模块控制加热模块来进行温度调节。
54.本发明的低成本小型传感器环境控温控压装置的工作原理是：本系统主要分四个部分，1）进气管、腔体和调速泵组成的主动吸收式气体流通系统。2）由加热模块、第一温度检测模块、第二温度检测模块、穿线接头和控制模块组成的温度控制系统。3）由大气传感器和控制模块组成的数据存储上传系统。
55.由进气管、腔体和调速泵组成的主动吸收式气体流通系统，由调速泵在给予腔体恒定的压力的条件同时，会在腔体内部形成正压或者负压条件，此时则利用实际条件（负压条件），则需要在腔体进气管路引入自然空气并铺设预热管路。
56.由加热模块、第一温度检测模块、第二温度检测模块、穿线接头和控制模块组成的温度控制系统。系统应用双温度模块和双pid算法应对由腔体特殊构造造成的温度差现象。控制模块先基于温度模块的温度将系统整体预热稳定到某一低值。再根据温度模块的温度调整加热模块的温度基线，使其基线达到使用者设置温度点，最后再根据第二温度检测模块精准调控恒温。
57.由第一温度检测模块、第二温度检测模块、压力检测模块、大气传感器和控制模块组成的数据存储上传系统。控制模块集成了数据采集功能、数据分析功能、数据存储功能、数据输出功能和数据上传功能。将第一温度检测模块、压力检测模块、第二温度检测模块、大气传感器的高频数据存储在当地，利用矫正系数实时矫正原始数据，并利用使用者设定的稳定边界温度和稳定边界压力标记数据质量，最后上传到服务器端。
58.本发明的优点：1、本发明具备低成本的优势，装置相关的组件价格低廉。
59.2、本发明具备低小型化的优势，整体装置体积小，可搭载于汽车、无人机、飞机等各种交通工具进行动态测试，亦可放置于固定位置进行稳定测试。
60.3、本发明为传感器提供稳定的温度和压力环境，以应对外界环境变化和气候变化。
61.4、本发明可以自由更换内置的小型化传感器，可适用于不同气体或外界成分的检测。
62.本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
63.对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。