专利名称：一种快速检测空气中二氧化氯气体浓度的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及相对封闭空间环境中公共卫生安全空气中杀菌消毒气体的检测技术领域，具体涉及一种快速检测空气中气体二氧化氯浓度的装置。
背景技术：
目前世界上主要传染病中，经空气传播的占各种传播疾病的首位。从最危险的生化武器一呼吸性炭疽热到新生的SARS、禽流感等传染病，以及流行性脑脊髓膜炎、流行性腮腺炎、病毒性肺炎、流行性感冒、普通感冒、急性咽炎、肺结核、猩红热、军团病、百日咳、白喉、麻疹、天花、水痘等都是由空气传播和可通过空气传播的，这些传染病一旦暴发，将引发严重后果。因此，空气消毒是预防控制传染源，防止交叉感染的重要措施。尤其是对人员相对集中的如医院、图书馆等较大空间环境的公共场所进行空气预防性消毒和终末消毒显得尤为重要，有效的空气消毒能在一定时间内杀灭空气悬浮颗粒上沾染的病原微生物，可以·在疾病预防控制过程中起到关键作用。二氧化氯作为一种强氧化剂和高效消毒剂，在水处理、医疗、食品行业中已经得到了广泛的应用。近些年，二氧化氯由于其出色的杀菌消毒效果，已经被应用于反恐领域，对遭受生物和化学武器袭击或者污染的场所进行有效的清洗。相对于液体二氧化氯，气体二氧化氯由于其优异的高效广谱杀菌性能和较低的有毒副产物，用于空气消毒是一项易于大面积使用的新型控制、防治技术，特别适用于对大面积空间环境中微生物的杀菌消毒。气体二氧化氯除了在医院、图书馆等公共卫生领域应用于空间环境微生物的杀菌消毒外，还可广泛应用于大棚蔬菜、水果的杀菌，以取代传统农药杀虫剂，提高果蔬的食品安全性，同时在粮食存储仓库的除霉防霉，森林和农作物病虫的防治等许多领域也具有极其广阔的应用前景。然而，当空气中的二氧化氯浓度过高时，除对人体器官有强烈刺激作用外，还有一定的爆炸危险性。因此，为了保障生产和使用过程中人们的生命和财产安全，对空气中二氧化氯气体的浓度必须进行严格监测与控制。目前，对于空气中二氧化氯气体及其浓度的检测设备还没有更好的方法，现有少量的文献报道也大多是采取用大气采样器采集合有二氧化氯气体的空气溶于吸收剂水中，通过分光光度法测定吸收水样中二氧化氯的浓度然后还原到空气中的二氧化氯浓度。这种方法的优点是测试值相对比较准确，其缺点一是只适合空气中高浓度的二氧化氯检测，对于低浓度的二氧化氯检测无能为力；二是不能实现快速现场检测，这样不能及时控制相关空间环境空气中的二氧化氯气体，检测方法存在滞后性，不能满足实际应用。
发明内容
快速检测空气中二氧化氯气体浓度的装置，包括气路、化学发光反应器、光信号探测器、信号记录仪以及信号处理装置，气路包括进气气路和排气气路，进气气路和排气气路分别和化学发光反应器连通，光信号探测器用于探测化学发光反应器内发生化学反应时的光信号强度并向化学发光反应器外部的信号记录仪发送信号，信号记录仪通过接口与信号处理装置连接，信号处理装置用于计算空气中二氧化氯气体的浓度。优选的，进气气路包括空气气路、氮气和硫化氢气路，其中空气气路包括依次连接的进气口，第一流量计、第一针型阀以及位于化学发光反应器内部的第一气体出口，氮气和硫化氢气路包括高压氮气瓶、高压硫化氢气瓶、第二、第三、第四针型阀、第二流量计及第二气体出口，两个气瓶通过管路分别与第二、第三针型阀连接后与第二流量计连接，第二流量计与第四针型阀连接，第四针型阀通过管路连接化学发光反应器内部的第二气体出口，第一和第二气体出口处于同一轴线，间距3mm。优选的，排气气路包括依次连通的位于化学发光反应器内部的气体排出口，第五针型阀、缓冲室、第六针型阀以及真空泵。优选的，化学发光反应器包括封闭的反应器主体、电子真空压力表和凸透镜以及聚光孔，凸透镜位于反应室主体内部的一端，聚光孔设置在设有石英凸透镜一侧的反应器主体的侧壁上，凸透镜和聚光孔的位置相对应。优选的，光信号探测器设置在聚光孔的外侧。·优选的，第一、第四和第五针型阀为单向阀。优选的，反化学发光反应器主体由不透明的硬聚氯乙烯(UPVC)管件制成，凸透镜为石英材质，反应器主体与气路的管路使用带有螺纹的隔板接头连接，光信号探测器为紫外光传感器。优选的，首先利用N2对化学光反应器内的空气进行置换，去除其中影响化学发光反应的杂质气体；再利用真空泵调节反应室内负压，使之达到实验所需要压强；使ClO2气体与过量的H2S气体通入反应室主体内，两种气体发生化学发光反应；反应所产生的光信号经石英凸透镜汇聚后，透过聚光孔被光信号探测器采集，并将不同时刻所采集到的光信号传输给信号记录仪；将信号记录仪中的数据导入电脑中，绘制出不同时刻的光信号随时间变化曲线，曲线下积分面积代表化学发光过程中所产生的光信号总强度Ια，拟合出不同
ClO2气体浓度c与光信号总强度Ia之间的线性关系式=1CL = f Icl(^ = Kc+ C Ia表示整
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个反应的总的化学发光强度；κ表示测试条件常数或作为灵敏度的度量；(3为待测物(102浓度；c为积分常数。本发明快速检测空气中二氧化氯气体浓度的设备适用于对60_140mg/L浓度范围内的二氧化氯浓度进行检测，无需先采集含有二氧化氯气体的空气再进行检测可以实现快速现场检测。
图I为本发明的快速检测空气中二氧化氯气体浓度的装置的示意图
具体实施例方式根据气体二氧化氯(ClO2)与硫化氢(H2S)化学发光反应的特点，用于检测空气中ClO2气体浓度的装置，具体的就是通过检测ClO2与H2S化学发光反应所产生的光信号强度来测定ClO2浓度。如图I所示，本装置包括气路、化学发光反应器和光信号探测器、信号记录仪以及信号处理装置(未示出)。气路部分又可分为进气气路(2、3、4、5、6、7、9、14、15、16、17)和排气气路(18、19、20、21)。进气气路和排气气路分别和化学发光反应器连通。进气气路包括空气气路、氮气和硫化氢气路，氮气和硫化氢气路包括容积为5升的高压氮气瓶2、容积为3升的高压H2S气瓶3、第二、第三、第四针型阀(4、5、7)、流量计6以及第二气体出口 9。高压氮气瓶2和高压H2S气瓶通过管路分别与第二、第三针型阀(4，5)连接后与第二流量计6连接，第二流量计6与第四针型阀7连接，第四针型阀7通过管路连接设置于化学发光反应器内部的第二气体出口 9。空气气路包括依次连接的进气口 17，第一流量计16、第一针型阀15以及位于所述化学发光反应器内部的第一气体出口 14。各个针型阀用于调节进入反应室内的气体流速，两个流量计分别控制进入反应器气体流量。第一气体出口 9和第二气体出口 14处于同一轴线，间距3_，以利于光化学反应的瞬时进行。排气气路包括依次连通的气体排出口 22、第五针型阀18、缓冲室19、第六针型阀20以及真空泵21。气体排出口 22设置于化学发光反应器内部，真空泵21、第五针型阀18、第六针型阀20和缓冲室19用于维持反应器内的压强稳定，同时排出废气。化学发光反应器包括封闭的反应室主体I、电子真空压力表8和凸透镜10以及聚光孔13。凸透镜10位于反应器主体I内部的一端，聚光孔13设置在设有石英凸透镜一侧·的反应器主体的侧壁上，凸透镜10和聚光孔13的位置相对应。凸透镜采用石英材质。由于化学发光的信号较为微弱，增加石英凸透镜有助于提高传感器的收光率，增强光信号强度。光信号探测器12光信号探测器12设置在聚光孔13的外侧，用于探测反应器内发生化学反应时的光信号强度并向化学发光反应器外部的信号记录仪11发送信号。信号记录仪11用于信号的采集和记录，信号记录仪11通过接口与信号处理装置连接，信号处理装置可以为电脑，用于处理数据，计算二氧化氯的浓度。首先利用N2对化学发光反应器内的空气进行置换，去除其中可能影响化学发光反应的杂质气体。再利用真空泵21调节化学发光反应器内负压，使之达到实验所需要压强。在化学发光反应器内具有一定负压条件下，调节第二、第三、第四针型阀(4、5、7)与流量计6的阀门对气体流速进行双重调节，以获得较为稳定的进气速率。当化学发光反应器压强、进气流速稳定的情况下，将ClO2气体与过量的H2S气体通入化学发光反应器内，两种气体发生化学发光反应。反应所产生的光信号经石英凸透镜汇聚后，透过聚光孔13被光探测器12采集，将不同时刻所采集到的光信号传输给信号记录仪11。将信号记录仪11中的数据导入电脑中，利用OriginProS. O绘制出不同时刻的光信号随时间变化曲线，曲线下积分面积代表化学发光过程中所产生的光信号总强度Ια。便可拟合出不同ClO2气体浓度C与光信号
总强度Ia之间的线性关系式ICL = f IcxMA=Kc+C Ia表示整个反应的总的化学发光
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强度；κ表示测试条件常数，也可作为灵敏度的度量；C为待测物ClO2浓度；c为积分常数。此式所反映的关系是Cio2气体和H2S气体化学发光反应的光信号强度正比于反应物ClO2气体浓度，可以定量检测Cio2气体浓度。根据ClO2和H2S化学反应特性，反应室的结构具备以下几个特性I)气密性ClO2和H2S化学发光反应只有在负压下进行并产生发光现象。为了保证化学发光反应能够在较为稳定的负压下进行，本发明在化学发光反应器的气路的管路均使用隔板接头与反应器主体进行螺纹连接，第一、第四和第五针型阀(7、15、18)为气体单向阀，同时在石英凸透镜与反应器主体的结合处设置了橡胶垫圈。使用真空泵21调节化学发光反应器内压强至O. 05MPa,关闭第一、第四和第五针型阀(7、15、18)，观察数显真空压力表8在30s内基本稳定在0.05MPa示数上没有变化，直到2min后，指针才归零。据此，可以认为化学发光反应器的气密性足以保证在反应过程中压强的稳定。2)光密性由于光探测器12所采集的为光信号，为了避免外界光线的干扰，同时为了增加光探测器12的吸收光效率，化学发光反应器必须具有可靠的光密性。本发明的反应器主体I部分由不透明的硬聚氯乙烯(UPVC)管件加工制成。将光探测器12放入反应器主体I后部设有的沉槽中，圆形的探测器正对聚光孔13，接收从石英凸透镜中透射出的光信号。3)耐腐蚀性ClO2具有很强的氧化性，因此本发明反应器主体的材料选用不与ClO2发生反应的·UPVC,具有很好的耐腐蚀性。4)温度理论上，提高反应温度会增加反应速率和反应效率，但是由于气体ClO2具有分解爆炸危险性，出于装置安全性的考虑，本发明的化学发光反应器中没有增添加热装置。经实验证实，在常温下ClO2与H2S的气相化学发光反应仍可进行。5)传感器由于ClO2与H2S化学发光反应所产生的最大发光波长约为328nm,所以光探测器采用德国OSRAM公司的SH1530-R紫外光传感器作为光信号的采集装置。SH1530-R紫外光传感器具有体积小、检测紫外光灵敏、低功耗、寿命长的特点，其主要响应区域基本上覆盖了长波紫外线(400nm-315nm)和中波紫外线(315nm_280nm)的波段范围，满足了测试要求。6)信号记录仪由于化学发光反应十分迅速，并且不是连续反应，所以整个发光反应过程一般只能维持几秒(s)甚至几百毫秒(ms)，因此信号记录仪11需要设置适合的信号采集时长和采集频率。再将不同时刻的光信号强度，对反应时间进行积分，就得到一定时间内的光信号总强度。信号采集时长不宜过长，一方面是由于发光过程时间较短，另一方面是由于随着采集时间的增加，传感器的温度升高，所产生得本底信号也会增强，影响输出结果精度。信号记录仪11的信号采集频率可调范围在4-lOOOHz之间，通过RS232接口与电脑相连，对数据采集、保存以及处理。7)其它为了提高ClO2和H2S两种气体的混合效率，第二气体出口 9和第一气体出口 14在反应器主体I内同轴放置，并且相距距离约为3mm，尽可能的使两种气体充分混合并完全反应。在反应器主体I后部用内衬硅胶垫的法兰固定石英凸透镜，用于将化学发光反应器内的光信号进行汇聚，并通过直径约为7_的聚光孔13进行信号采集。本发明选用石英材质凸透镜是由于ClO2与H2S的气相化学发光反应所产生的光子波长范围在250-460nm之间，最大发射波长在328nm左右，靠近紫外光区。相比其他材质透镜，石英材质对于紫外光的透射率达到了 99%，对光信号的影响较弱。以上对本发明的具体描述旨在说明具体实施方案的实现方式，不能理解为是对本发明的限制。本领域普通技术人员在本发明的教导下，可以在详述的实施方案的基础上做出各种变体，这些变体均应包含在本发明的构思之内。·
权利要求
1.快速检测空气中二氧化氯气体浓度的装置，包括气路、化学发光反应器、光信号探測器、信号记录仪以及信号处理装置，气路包括进气气路和排气气路，进气气路和排气气路分别和化学发光反应器连通，光信号探測器用于探测化学发光反应器内发生化学反应时的光信号强度并向化学发光反应器外部的信号记录仪发送信号，信号记录仪通过接ロ与信号处理装置连接，信号处理装置用于计算空气中ニ氧化氯气体的浓度。
2.如权利要求I所述的装置，其特征在于所述进气气路包括空气气路、氮气和硫化氢气路，其中空气气路包括依次连通的进气ロ(17)，第一流量计(16)、第一针型阀(15)以及位于所述化学发光反应器内部的第一气体出ロ(14)，所述氮气和硫化氢气路包括高压氮气瓶(2)、高压硫化氢气瓶(3)、第二、第三、第四针型阀(4，5，7)、第二流量计(6)及第ニ气体出口(9)，所述高压氮气瓶(2)和高压硫化氢气瓶(3)通过管路分别与第二、第三针型阀(4,5)连接后与第二流量计(6)连接，第二流量计(6)与第四针型阀(7)连接，第四针型阀(7)通过管路连接设置于所述化学发光反应器内部的第二气体出口(9)，所述第一和第二气体出口(9、14)处于同一轴线，间距3mm。
3.根据权利要求2的装置，其特征在于所述排气气路包括依次连通的位于所述化学发光反应器内部的气体排出ロ(22)，第五针型阀(18)、缓冲室(19)、第六针型阀(20)以及真空泵(21)。
4.根据权利要求I或2所述的装置，其特征在于所述化学发光反应器包括封闭的反应器主体⑴、电子真空压カ表⑶、凸透镜(10)以及聚光孔(13)，凸透镜(10)位于反应器主体(I)内部的一端，聚光孔(13)设置在设有石英凸透镜ー侧的反应器主体的侧壁上，凸透镜(10)和聚光孔(13)的位置相对应。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述光信号探測器(12)设置在聚光孔(13)的外侧。
6.根据权利要求4所述的装置，所述第一、第四和第五针型阀(15，7，18)为单向阀。
7.根据权利要求5的装置，其特征在干所述反化学发光反应器主体(I)由不透明的硬聚氯こ烯管件制成，凸透镜(10)为石英材质，所述光信号探測器(12)为紫外光传感器。
8.根据权利要求5或6或7所述的装置，其特征在于首先利用N2对化学光反应器内的空气进行置換，去除其中影响化学发光反应的杂质气体；再利用真空泵调节化学发光反应器内负压，使之达到实验所需要压强；使ClO2气体与过量的H2S气体通入反应室主体(I)内，两种气体发生化学发光反应；反应所产生的光信号经石英凸透镜汇聚后，透过聚光孔(13)被光信号探測器(12)采集，并将不同时刻所采集到的光信号传输给信号记录仪(11)；将信号记录仪(11)中的数据导入信号处理装置中，绘制出不同时刻的光信号随时间变化曲线，曲线下积分面积代表化学发光过程中所产生的光信号总强度Ia，拟合出不同ClO2气体浓度c与光信号总强度Ia之间的线性关系式Icx = flcル> = Kc + C，Ia表示整个反应的总的化学发光强度；K表示测试条件常数或作为灵敏度的度量；c为待测物ClO2浓度；C为积分常数。
全文摘要
本发明公开了一种快速检测空气中二氧化氯气体浓度的装置，包括气路、化学发光反应器、光信号探测器、信号记录仪以及信号处理装置，气路包括进气气路和排气气路，进气气路和排气气路分别和化学发光反应器连通，光信号探测器用于探测化学发光反应器内发生化学反应时的光信号强度并向化学发光反应器外部的信号记录仪发送信号，信号记录仪通过接口与信号处理装置连接，以计算空气中二氧化氯气体的浓度。本发明快速检测空气中二氧化氯气体浓度的设备适用于对60～140mg/L浓度范围内的二氧化氯浓度进行检测，无需先采集含有二氧化氯气体的空气再进行检测可以实现快速现场检测。
文档编号G01N21/76GK102788785SQ201210308829
公开日2012年11月21日 申请日期2012年8月28日 优先权日2012年8月28日
发明者尉存娟, 崔超, 晋日亚, 胡双启 申请人:中北大学