电化学气体检测装置及气体检测方法与流程

1.本发明涉及气体检测领域，尤其涉及电化学气体检测装置及气体检测方法。


背景技术：

2.全球气候变暖问题作为人类迄今面临的最重大的环境问题，其主要原因是人类活动产生的温室气体的排放。温室气体主要包括水蒸气(h2o)、二氧化碳(co2)、臭氧(o3)、甲烷(ch4)、氧化亚氮(n2o)、全氟碳化物(pfcs)、氢氟碳化物(hfcs)、含氯氟烃(hcfcs)及六氟化硫(sf6)等。
3.检测大气中痕量的n2o温室气体主要采用的方法有：量子级联激光分析系统(quantum cascade laser analysis system，qclas)、激光光腔衰荡吸收光谱法(cavity ring-down laser absorption spectroscopy,crlas)、气体滤波相干红外光谱法(gas filter correlation，gfc)和非色散红外法(non-dispersive infrared，ndir)。但是前两者使用的设备价格十分昂贵；gfc稳定性好，但无法检测ppb级别的n2o，还存在相干滤波气室气体泄漏的技术问题、co2交叉干扰的问题；ndir价格便宜、结构简单，但也无法检测ppb级别的n2o，其分辨率不高、温度漂移大、长期稳定性不好。
4.目前市场上还没有用电化学气体传感器直接测量n2o的方法，其原因是n2o的化学性质很稳定，不容易在常温被氧化或者还原。各大电化学传感器的厂家都没有电化学原理的n2o传感器，客户迫不得已，只能用昂贵的光学仪器测量ppb级别的n2o浓度。
5.因此，有必要提供一种新的n2o气体检测装置及气体检测方法以解决上述问题。


技术实现要素：

6.鉴于以上现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种检测大气中n2o含量的气体检测装置，摒弃昂贵的光学方法，采用廉价的纯电化学和化学催化的方法来检测大气中ppb级别的n2o气体浓度。
7.为实现上述发明目的，本发明采用如下技术方案：一种电化学气体检测装置，用于检测大气中氧化亚氮(n2o)的含量，包括催化装置、冷却装置、计算单元、与所述计算单元电性连接的第一co(一氧化碳)传感器以及与所述计算单元电性连接的第二co(一氧化碳)传感器。
8.作为本发明的进一步改进，所述第一co传感器的出气口连接所述催化装置的进气口，所述催化装置的出气口连接所述冷却装置的进气口，所述冷却装置的出气口连接所述第二co传感器的进气口。
9.作为本发明的进一步改进，所述第一co传感器和所述第二co传感器均为电化学co传感器。
10.作为本发明的进一步改进，所述第一co传感器和所述第二co传感器均具有ppb级的分辨率。
11.作为本发明的进一步改进，所述第一co传感器和所述第二co传感器分别包括电
极、过滤器、透气膜、电解液、电极引出线以及壳体。
12.作为本发明的进一步改进，所述电极包括工作电极、对电极和参比电极。
13.为实现上述发明目的，本发明还采用如下技术方案：一种气体检测方法，包括上述电化学气体检测装置，还包括以下步骤：
14.s1：被测气体进入第一co传感器，第一co传感器检测出被测气体中的co浓度c1并将c1传输到计算单元；
15.s2：被测气体由第一co传感器进入催化装置，在催化剂和高温作用下，被测气体中的n2o和co反应生成n2和co2；
16.s3：反应后的被测气体由催化装置进入冷却装置，将被测气体冷却至室温；
17.s4：冷却后的被测气体由冷却装置进入第二co传感器，第二co传感器检测出此时被测气体中的co浓度c2并将c2传输到计算单元；
18.s5：被测气体排出到大气，计算单元根据已知的c1和c2计算出目标值，即被测气体中n2o的浓度c
n2o
。
19.作为本发明的进一步改进，步骤s2中，所述催化剂为颗粒状的金属或金属氧化物催化剂。
20.作为本发明的进一步改进，所述催化剂为负载有铁离子的分子筛颗粒、铜簇、α-mno2纳米棒中的一种或多种。
21.作为本发明的进一步改进，步骤s5中，所述被测气体中n2o的浓度c
n2o
＝c1-c2。
22.相较于现有技术，本发明的电化学气体检测装置及气体检测方法的有益效果在于：
23.(1)完全摒弃了昂贵的光学方法，而采用廉价的纯电化学和化学催化的方法来检测大气中ppb级别的n2o气体浓度，与现有技术相比大大降低了成本；
24.(2)电化学co传感器的最大特点是，电流与co浓度完全成正比，输出信号与气体浓度呈良好的线性关系，所以信号处理和显示非常方便；
25.(3)大气中含有300～400ppb浓度的co，而大气中n2o的浓度比co的浓度低，所以大气环境为还原n2o提供了还原剂。
附图说明
26.图1为本发明一实施例提供的电化学气体检测装置的结构示意图和被测气体流向示意图。
具体实施方式
27.下面将结合附图详细地对本发明示例性具体实施方式进行说明。如果存在若干具体实施方式，在不冲突的情况下，这些实施方式中的特征可以相互组合。当描述涉及附图时，除非另有说明，不同附图中相同的数字表示相同或相似的要素。以下示例性具体实施方式中所描述的内容并不代表与本发明相一致的所有实施方式；相反，它们仅是与本发明的权利要求书中所记载的、与本发明的一些方面相一致的装置、产品和/或方法的例子。
28.在本发明中使用的术语是仅仅出于描述具体实施方式的目的，而非旨在限制本发明的保护范围。在本发明的说明书和权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”或“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。
29.应当理解，本发明的说明书以及权利要求书中所使用的，例如“第一”、“第二”以及类似的词语，并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分特征的命名。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。除非另行指出，本发明中出现的“前”、“后”、“上”、“下”等类似词语只是为了便于说明，而并非限于某一特定位置或者一种空间定向。“包括”或者“包含”等类似词语是一种开放式的表述方式，意指出现在“包括”或者“包含”前面的元件涵盖出现在“包括”或者“包含”后面的元件及其等同物，这并不排除出现在“包括”或者“包含”前面的元件还可以包含其他元件。本发明中如果出现“若干”，其含义是指两个以及两个以上。
30.请参阅图1所示，本发明揭示了一种电化学气体检测装置，用于检测大气中氧化亚氮(n2o)的含量，包括催化装置、冷却装置、计算单元、与计算单元电性连接的第一co(一氧化碳)传感器以及与计算单元电性连接的第二co(一氧化碳)传感器。第一co传感器的出气口通过管路连接催化装置的进气口，催化装置的出气口通过管路连接冷却装置的进气口，冷却装置的出气口通过管路连接第二co传感器的进气口。计算单元主要进行各种信息数据的处理，本发明中的计算单元为数控技术领域常见的计算单元，本发明中不再赘述。
31.进一步地，第一co传感器和第二co传感器均为电化学co传感器且均具有ppb级的分辨率。第一co传感器和第二co传感器分别包括电极、过滤器、透气膜、电解液、电极引出线以及壳体。其中，电极包括工作电极、对电极和参比电极。
32.本具体实施例中的冷却装置采用一段不锈钢管，被测气体从不锈钢管中经过，使用风扇冷却不锈钢管进而间接冷却被测气体。可选地，在本发明的一些实施例中，也可以采用其他常用的气体冷却装置，例如冷凝管等。
33.电化学气体检测装置中的第一co传感器和第二co传感器均分别与计算单元电性连接，将采集到的电信号输出至计算单元，计算单元将收到的电信号转化为数据信息，再根据设定好的计算程序进行计算，并最终输出检测结果。
34.本发明还提供了基于上述电化学气体检测装置的气体检测方法，包括以下步骤：
35.s1：被测气体进入第一co传感器，第一co传感器检测出被测气体中的co浓度c1并将c1传输到计算单元；
36.s2：被测气体由第一co传感器进入催化装置，在催化剂和高温作用下，被测气体中的n2o和co反应生成n2和co2；
37.s3：反应后的被测气体由催化装置进入冷却装置，将被测气体冷却至室温；
38.s4：冷却后的被测气体由冷却装置进入第二co传感器，第二co传感器检测出此时被测气体中的co浓度c2并将c2传输到计算单元；
39.s5：被测气体排出到大气，计算单元根据已知的c1和c2计算出目标值，即被测气体中n2o的浓度c
n2o
。
40.被测气体即为大气空气，本发明的电化学气体检测装置主要用于检测大气中的n2o含量。
41.在上述实施例的基础上，步骤s2中所采用的催化剂为颗粒状的金属或金属氧化物催化剂，进一步地，步骤s2中所采用的催化剂为负载有铁离子的分子筛颗粒、铜簇、α-mno2纳米棒中的一种或多种。
42.本领域技术人员可以理解的是，化学传感器的工作原理是：化学传感器的传导系统接受识别系统响应信号，并通过电极、光纤或质量敏感元件将响应信号以电压、电流或光强度等的变化形式，传送到电子系统进行放大或进行转换输出，最终使识别系统的响应信号转变为人们所能用作分析的信号，检测出样品中待测物的量。
43.本领域技术人员可以理解的是，电化学co传感器采用密闭结构设计，通常与报警器配套使用，以定电位电解为基本原理，其化学反应式为：
44.工作电极：co2+h2o
→
co2+2h
+
+2e-45.对电极：1/2o2+2h
+
+2e-→
h2o
46.总反应：2co+o2→
2co247.这个氧化还原的可逆反应在工作电极与对电极之间始终发生着，并在电极间产生电位差。但是由于在两个电极上发生的反应都会使电极极化，这使得极间电位难以维持恒定，因而也限制了对一氧化碳气体浓度可检测的范围。为了维持极间电位的恒定，引入一个参比电极，在三电极电化学气体传感器中，其输出端所反应出的是参比电极和工作电极之间的电位变化，由于参比电极不参与氧化或还原反应，因此它可以使极间的电位维持恒定(即恒电位)，此时电位的变化就同一氧化碳浓度的变化直接有关。当气体传感器产生输出电流时，其大小与气体的浓度成正比。通过电极引出线用外部电路测量传感器输出电流的大小，便可检测出一氧化碳的浓度，并且有很宽的线性测量范围。
48.步骤s2中，本具体实施例中的催化装置采用高温的石英管，石英管中填充有颗粒状的化学催化剂，当然，也可以采用其他耐高温的管材和其他形状的催化剂，颗粒状的催化剂增大了被测气体与催化剂的接触面积，使反应更加完全。
49.为了使大气中的co和n2o反应生成co2和n2，同时避免co和o2发生反应，大气中含有大量的o2，进而对co的反应量产生干扰。因此需要采用特殊的催化剂来促进co和n2o反应且阻止co和o2发生反应。co和o2反应生成co2的条件是燃烧，我们经过大量的实验得出，在高温条件下采用金属或金属氧化物催化剂不仅可以促进co和n2o的反应，而且可以阻止co和o2的反应，进一步地，其中负载有铁离子的分子筛颗粒、铜簇和α-mno2纳米棒这几种催化剂的效果最佳。
50.第一co传感器检测出大气中原本的co浓度c1，第二co传感器检测出co与n2o反应后剩余的co浓度c2。因为一个co分子会还原一个n2o分钟，所以co浓度的减少量就是大气中n2o的浓度，即c
n2o
＝c1-c2。
51.本发明的实质在于，采用电化学co传感器和催化装置相结合，形成一种新的n2o检测装置，实现了低成本检测大气中ppb级别的n2o气体浓度，使用特殊的催化剂来使大气中原本的co与n2o反应，且避免了其他反应的干扰，保留检测过程中未与n2o反应的co，间接地测量原始大气中的n2o浓度。
52.综上，相较于现有技术，本发明的电化学气体检测装置及气体检测方法具有以下优势：
53.(1)完全摒弃了昂贵的光学方法，而采用廉价的纯电化学和化学催化的方法来检测大气中ppb级别的n2o气体浓度，与现有技术相比大大降低了成本；
54.(2)电化学co传感器的最大特点是，电流与co浓度完全成正比，输出信号与气体浓度呈良好的线性关系，所以信号处理和显示非常方便；
55.(3)大气中含有300～400ppb浓度的co，而大气中n2o的浓度比co的浓度低，所以大气环境为还原n2o提供了还原剂。
56.以上实施方式仅用于说明本发明而并非限制本发明所描述的技术方案，对本说明书的理解应该以所属技术领域的技术人员为基础，尽管本说明书参照上述的实施例对本发明已进行了详细的说明，但是，本领域的普通技术人员应当理解，所属技术领域的技术人员仍然可以对本发明进行修改或者等同替换，而一切不脱离本发明的精神和范围的技术方案及其改进，均应涵盖在本发明的权利要求范围内。