实验环境中挥发氯气检测系统和检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及环境安全技术领域，尤其是涉及一种能够快速、准确检测实验室环境 中氯气浓度的实验环境中挥发氯气检测系统和检测方法。
【背景技术】
[0002] 氯气化学式为Cl2，常温常压下为黄绿色，有强烈刺激性气味的有毒气体，密度比 空气大，可溶于水，易压缩，可液化为金黄色液态氯，是氯碱工业的主要产品之一，可用作为 强氧化剂。氯气中混和体积分数为5%以上的氢气时遇强光可能会有爆炸的危险。氯气能 与有机物进行取代反应和加成反应生成多种氯化物。氯气在早期作为造纸、纺织工业的漂 白剂。
[0003]目前对于低浓度氯气检测方法主要依靠仪器分析的方法，如气相色谱法等。上述 检测方法虽然可以准确的检测环境中微量氯气的浓度，但是普遍存在检测周期长、成本昂 贵等不足，而且需要经过专业培训的熟练技术人员操作仪器设备，无法实现环境中微量氯 气的现场准确快速检测。
[0004]因此，目前使用的用于微量氯气的检测系统存在灵敏度低、选择性差、稳定性差或 者不能长期使用的问题。
[0005] 中国专利授权公告号：CN101846610A，授权公告日2010年9月29日，公开了一种 气体检测装置及气体检测系统，其包括石英板、第一电极、第二电极及吸附层，所述石英板 具有相对的第一表面和第二表面，所述第一电极形成于第一表面，所述第二电极形成于第 二表面，所述吸附层形成于第一电极表面，所述吸附层由铱-二氧化铱纳米棒组成，用于吸 附待检测气体，以使气体检测装置的质量发生变化，从而获得待检测气体的浓度。该发明存 在检测速度慢，检测精度低的不足。
【发明内容】
[0006] 本发明是为了克服现有技术中的气体检测方法的检测周期长、成本高、设备昂贵 的不足，提供了一种能够快速、准确检测实验室环境中氯气浓度的实验环境中挥发氯气检 测系统和检测方法。
[0007] 为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
[0008] -种实验环境中挥发氯气检测系统，包括控制器，存储器、底板，设于底板上的横 截面呈矩形的气室、尾气处理装置和支撑架，设于支撑架上的导向结构和横向丝杆；
[0009] 所述气室内壁顶部设有用于超声波发生器和向下吹风的若干个风扇，气室内侧壁 由上至下依次设有至少2层气体敏感膜、用于支撑气体敏感膜的由电热丝构成的金属网、 位于金属网下部并将气室内分隔为上下两部分的水平隔板，气室内底部设有托板、检测头 和沿托板上表面螺旋分布的轨道，检测头上设有MQ-2传感器、MQ-135传感器和氯气传感 器；气体敏感膜上设有若干个通孔，与气体敏感膜位置相对应的气室内壁上设有若干条导 气竖槽；
[0010] 横向丝杆一端与设于支撑架上的第一电机的转轴连接，所述气室上设有用于插入 水平隔板的开口，水平隔板外端设有连接板，检测头下部设有用于带动检测头沿轨道运动 的第二电机，连接板与丝杆螺纹连接，连接板与导向结构滑动连接，位于水平隔板上部和下 部的气室上的进气管和出气管；进气管和出气管上均设有电磁阀；开口和水平隔板之间设 有密封结构；水平隔板上部的进气管上设有流量计；
[0011] 还包括设于托板和气室底部之间的竖向丝杆，竖向丝杆上部与托板螺纹配合，竖 向丝杆下部通过设于气室底部的轴承与气室连接，丝杆下端与设于气室下部内的第三电机 的转轴连接；
[0012] 开口和水平隔板之间设有密封结构；尾气处理装置与气室上部的出气管相连通；
[0013] 控制器分别与超声波发生器、流量计、存储器、各个电扇、各个电磁阀、金属网、第 一电机、第二电机、第三电机、MQ-2传感器、MQ-135传感器和氯气传感器电连接。
[0014] 气体敏感膜用于吸附实验室气体，气体敏感膜具有气体富集作用，可将气体敏感 膜依次在HN03(1 : 1)、丙酮和双蒸水中超声清洗15min，清洗后的电极置于室温下晾干备 用；按一定比例将苹果汁与聚乙二醇溶液混合，用超声振荡均匀得到混合物，用微量注射器 吸取5μL质量分数为5 %Nafion的混合物，滴涂于气体敏感膜表面，室温下晾干待用。
[0015] 超声波发生器用于带动气体敏感膜震动，金属网用于加热气体敏感膜，从而使气 体敏感膜中媳妇的气体被最大程度的放出，各个风扇用于将经过烘烤从气体敏感膜中散发 出来的气体吹向气室下部，便于各个传感器检测；水平隔板用于分隔气室上部和下部，从而 方便气室上部和下部同时进行气体富集和传感器清洗；支撑架、导向结构、横向丝杆和第一 电机用于带动水平隔板水平移动，从而使控制器可通过第一电机控制水平隔板将气室内分 为上下两部分或者使气室恢复为一个整体；托板给轨道提供支撑，轨道给检测头提供移动 至托板不同部位的导向，MQ-2传感器和MQ-135传感器分别用于检测环境信号，氯气传感器 用于检测氯气气体信号；第二电机用于带动检测头沿轨道移动，第三电机用于带动托盘升 降。流量计用于定量控制流经气体敏感膜的实验室气体。
[0016]由于传感器对被检测的目标气体均具有交叉敏感特性，因此本发明采用MQ-2 传感器和MQ-135传感器作为辅助传感器，氯气传感器作为检测氯气气体的主传感器，将 MQ-2传感器、MQ-135传感器和氯气传感器检测的信号进行融合，得到了传感器融合信号 signal(t)，从而既保留了主传感器的检测信息，又保留了主传感器与辅助传感器之间的信 号差异?目息，提尚了检测精度。
[0017] 因此，本发明具有灵敏度高、稳定性好且响应时间短，对氯气具有较好的选择性， 能够检测出浓度更低的微量氯气气体，从而有效的保障人们身体健康的特点。
[0018] 作为优选，还包括设于检测头上的温度传感器和湿度传感器；温度传感器和湿度 传感器均与控制器电连接。温度传感器和湿度传感器分别用于检测温度和湿度，从而使传 感器的校正充分去除环境因素的影响，校正更加准确、可靠。
[0019] 作为优选，所述轨道包括基板、设于基板上表面的两条间隔设置的凹槽，所述凹槽 底面上设有等间隔排列的齿条；所述检测头底部设有两个与凹槽相配合的齿轮；所述第二 电机的转轴与设于两个齿轮之间的连接轴相连接；
[0020] 所述基板上设有第一挡板，与第一挡板相对的第二挡板；第一挡板、第二挡板上设 有对应的导向滑槽；所述齿轮的连接轴两端设有用于插入第一挡板、第二挡板的导向滑槽 的延伸轴；检测头下表面设有与第一挡板、第二挡板上表面滚动接触的若干个滚珠。导向滑 槽、延伸轴和滚珠的设置，使检测头的稳定性更好，摩擦力更小。
[0021] 作为优选，所述支撑架包括开口向下的U形架、设于气室前部和后部的L形架；所 述导向结构为设于U形架和两个L形架之间的两条横梁；所述连接板呈矩形，连接板下部设 有用于穿过两条横梁的2个通孔，连接板上部设有用于与横向丝杆配合的丝杆孔。
[0022] 作为优选，气体敏感膜内设有若干个间隔分布的空腔，空腔内设有伸出气体敏感 膜上下表面之外的碳纳米管；尾气处理装置为酒精灯。空腔和碳纳米管增加了气体敏感膜 对气体的吸附能力。
[0023] -种实验环境中挥发氯气检测系统的检测方法，包括如下步骤：
[0024] (6-1)控制器控制第一电机带动横向丝杆转动，横向丝杆通过连接板带动水平隔 板向气室外水平移动，使水平隔板内端移至与开口相接触位置时，控制器控制第一电机停 止工作；
[0025] (6-2)控制器控制进气管和出气管上的电磁阀均打开，通过进气管向气室内充入 氮气，对MQ-2传感器、MQ-135传感器和氯气传感器清洗5至10分钟；
[0026] (6-3)通过进气管向气室内充入待检测的实验室气体，尾气处理装置处理从出气 管输出的实验室气体；流量计检测实验室气体流量，气体敏感膜吸附气体，当流量达到L后 控制器控制进气管和出气管上的电磁阀关闭；
[0027] (6-4)控制器控制超声波发生器工作、金属网通电，同时控制各个电扇工作，超声 波带动气体敏感膜震动，金属网加热气体敏感膜，气体敏感膜吸附的气体进入气室下部，5 至8分钟后，控制器控制金属网断电，各个电扇停止工作，超声波发生器停止工作；
[0028] (6-5)控制器控制第一电机带动横向丝杆转动，横向丝杆通过连接板带动水平隔 板向气室内水平移动，使水平隔板外端移至与开口相接触位置相接触时，控制器控制第一 电机停止工作；
[0029] (6-6)控制器通过第二电机带动检测头沿轨道移动，并通过第三电机带动托板升 降，MQ-2传感器、MQ-135传感器和氯气传感器检测气体信号，控制器收到氯气传感器的 检测信号SI(t)、MQ-2传感器的检测信号S2(t)，MQ-135传感器的检测信号S3(t);控制 器利用公式signal(t) =Sl2(t) + (Sl(t)-S2(t))2+(Sl(t)-S3(t))2计算传感器融合信号 signal(t)；
[0030] (6-7)存储器中预先存储有随机共振模型和氯气浓度预测模型，将signal(t)输 入随机共振模型中，控制器计算随机共振模型共振时的输出信噪比SNR，
[0031] 将SNR输入氯气浓度预测模型中，得到被检测的实验室气体的氯气浓度。
[0032]由于传感器对被检测的目标气体均具有交叉敏感特性，因此本发明采用MQ-2传 感器和MQ-135传感器作为辅助传感器，氯气传感器作为检测氯气气体的主传感器，MQ