專利名稱：智能式室內(nèi)氣體甲醛濃度測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型設(shè)計一種光度測量裝置，特別是一種室內(nèi)氣體甲醛濃度測量裝置，屬
于分光光度分析裝置。
二背景技術(shù)：
甲醛是一種無色，有強烈剌激性氣味的氣體，已被世界衛(wèi)生組織確定為致癌可疑 物質(zhì)。人們?nèi)粘Ｉ钪泻苋菀捉佑|到甲醛，室內(nèi)裝修是室內(nèi)空氣中甲醛的主要來源。在我 國室內(nèi)空氣質(zhì)量監(jiān)測標(biāo)準(zhǔn)中，甲醛已被列為必測項目?？焖贉?zhǔn)確的檢測環(huán)境中甲醛濃度的 研究，具有重要的實際意義。甲醛監(jiān)測的方法主要有光度比色法、電化學(xué)方法、色譜分析方 法、試驗紙光電光度法等。根據(jù)不同檢測方法，已開發(fā)出多種類型的甲醛檢測儀。隨著現(xiàn)場 分析的需要，還研制出多種不同類型的在線甲醛監(jiān)測儀器。 在空氣質(zhì)量監(jiān)測方法中，光度比色法仍是甲醛測定的主要方法。我國已有多個 基于分光光度法的甲醛測定的標(biāo)準(zhǔn)，如GB-T 18204. 26-2000 :公共場所空氣中甲醛測定方 法，GB/T 16129-1995 :居住區(qū)大氣甲醛衛(wèi)生檢驗標(biāo)準(zhǔn)方法分光光度法。還推出了相應(yīng)儀 器，如吉大小天鵝儀器有限公司有關(guān)產(chǎn)品等。市場上的儀器使用的光源多為紅色LED，一般 波長選定為635nm。對于LED光源，其光譜范圍在20-100nm，隨著檢測環(huán)境溫度的變化，LED 光譜范圍和光譜中心都將變化，這將改變比色液對探測光的吸收特性。目前市場出現(xiàn)的甲 醛測試儀器自動化程度仍不高，還需要大量的人工操作才能完成測量過程，測量一次需要 30-50分鐘。
三
發(fā)明內(nèi)容本實用新型的目的在于提供一種操作簡單、測量時簡短、靈敏度高、能準(zhǔn)確測量室 內(nèi)空氣甲醛濃度的智能裝置。 本實用新型的目的是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的 —種智能式室內(nèi)氣體甲醛濃度測量儀，它包括空氣采樣單元、顯色單元、移液單
元、比色單元和控制單元， 其特征是 空氣采樣單元包括空氣采樣器、過濾器、甲醛吸收管； 移液單元包括第一移液泵、第二移液泵； 顯色單元包括顯色反應(yīng)試管、步進電機、陶瓷加熱片、顯色反應(yīng)溫度控制電路； 比色單元包括比色池、激光二極管、光電探測器、光電信號調(diào)理電路； 所述控制單元包括單片機、達(dá)林頓管陣列和電源模塊； 所述達(dá)林頓管陣列的輸出端分別接空氣采樣器、第一移液泵、第二移液泵、步進電 機，達(dá)林頓管陣列的輸入端連接單片機；顯色反應(yīng)溫度控制電路執(zhí)行端口與陶瓷加熱片連 接，其信號端口與單片機連接；所述光電信號調(diào)理電路與單片機連接。 所述顯色反應(yīng)溫度控制電路采用一個過零檢測模塊，過零檢測模塊與單片機P20口連接，單片機與光電耦合器輸入端連接，光電耦合器的輸出端與可控硅連接，可控硅與陶 瓷加熱片連接，單片機與單線數(shù)字溫度傳感器連接。 所述顯色單元采樣步進電機，步進電機轉(zhuǎn)軸與試管夾連接，試管夾夾住顯色反應(yīng) 試管，顯色反應(yīng)試管置于五面體圍成的顯色室內(nèi)，顯色室一組相對面內(nèi)壁上分別安裝一個 陶瓷加熱片，溫度傳感器安裝在靠近顯色反應(yīng)管的顯色室內(nèi)壁上。 所述比色單元采用折疊多路光路，比色池的光輸入側(cè)設(shè)有第一直角棱鏡，光輸出 側(cè)設(shè)有第二直角棱鏡，將光路折疊后三次通過比色池。 該測量儀還包括顯示模塊和按鍵模塊。 本實用新型的工作原理本實用新型采用GB-T 18204. 26-2000標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，利用空氣采樣器通過吸收管采 集空氣中的甲醛，甲醛被吸收管內(nèi)的酚試劑吸收，反應(yīng)生成嗪，嗪在酸性溶液中被高鐵離子 氧化生成藍(lán)綠色化合物，用波長為635nm的激光比色定量。入射光強為I。，比色池有效長度 為1。，根據(jù)比耳_朗伯定律穿過比色池后光強為I I = I0exp(-k 1。) (1) 消光系數(shù)k與甲醛濃度成正比。在本實用新型中，采用折疊多光路，測量光束穿 過比色池3次，并考慮到比色池內(nèi)外各壁面及光路中光學(xué)元件各表面的反射影B向，以去離 子純凈水為空白樣本，此時空白樣下的透過率為t，將(1)改寫為 I = I。 t exp (-3 k 1。) (2) 引入吸光度A 爿=111午=3 。 (3) 利用已知甲醛濃度的系列標(biāo)準(zhǔn)樣本，按照(3)測定儀器測量曲線 c = aA+b (4) 其中c為待測甲醛濃度，a和b是應(yīng)用最小二乘法獲得的校準(zhǔn)系數(shù)。儀器工作時，
測出吸光度A，根據(jù)(4)計算甲醛濃度。 本實用新型相比現(xiàn)有技術(shù)具有如下優(yōu)點 本實用新型的甲醛濃度測量裝置將空氣采樣、甲醛吸收、移液、顯色反應(yīng)及顯色反 應(yīng)溫度控制、比色池等集于一體，采用低功耗單片機系統(tǒng)控制各環(huán)節(jié)的實施，使儀器打開電 源后，按一鍵即可完成整個測試過程，無需人工操作；將折疊多光路引入到甲醛濃度檢測儀 中，提高檢測靈敏度，減少空氣采樣量，從而縮短測試周期。 本實用新型裝置的采樣時間可根據(jù)現(xiàn)場甲醛氣味的濃烈設(shè)置空氣采樣量，拓寬了 儀器測試量程。 通過將激光管恒溫來控制輸出激光的波長漂移，抑制溫度變化引起半導(dǎo)體激光器 輸出光波長的變化對比色測量的影響。 采用半導(dǎo)體激光作為測量光束，比現(xiàn)有的LED光源的光譜帶寬要窄，更有利于比 本實用新型在光源調(diào)制技術(shù)的基礎(chǔ)上，同時采用了程序判斷法、均值濾波、滑動平 均法對采集的光電信號進行處理，有效地濾除測量中隨機干擾和激光器溫度控制帶來的周 期性光強度漂移影響，使信號平滑穩(wěn)定，無需對比色池進行密封處理。
4[0034] 本實用新型將光源、光電檢測器以及內(nèi)置的氣、液路系統(tǒng)的高度集成，實現(xiàn)了儀器 的便攜化、微型化與智能化，用液晶屏顯示檢測結(jié)果和儀器的狀態(tài)信息，方便人機交互。
四
圖1為實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2a為比色測量模塊結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2b為圖2a的俯視圖。 圖3為測量儀的工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程圖。 圖4為系統(tǒng)檢測狀態(tài)時的流程圖。 圖5為加入數(shù)字濾波前后20組數(shù)據(jù)對比實驗數(shù)據(jù)圖表。 圖6為電機驅(qū)動電路原理圖。 圖7為顯色反應(yīng)溫度控制電路原理圖。 圖8顯色單元結(jié)構(gòu)示意圖。 圖9過零檢測模塊電路。 圖1中1_空氣采樣器，2-過濾器，3-甲醛吸收管，4-第一移液泵，5-顯色反應(yīng)試 管，6-陶瓷加熱片，7-陶瓷加熱片，8-第二移液泵，9-LD恒溫模塊，10-LD調(diào)制及穩(wěn)光強電 路，11-激光二極管LD， 12-第一直角棱鏡，13-第二直角棱鏡，14-比色池，15-帶前置放大 器的光電探測器，16-7路達(dá)林頓管陣列ULN2003， 17-步進電機，18-顯色反應(yīng)溫度控制電 路，19-單片機，20-電源模塊，21-按鍵模塊，22-顯示模塊，23-光電信號調(diào)理電路。 圖2中24-金屬導(dǎo)熱塊，25-絕熱片，26-支承基板，27-第一直角棱鏡的上夾板， 28-第一直角棱鏡的下夾板，29-第二直角棱鏡的上夾板，30-第二直角棱鏡的下夾板，， 31-比色池第一夾板，32-比色池第二夾板，33-彈簧片，34-半導(dǎo)體制冷器(TEC); 圖7-圖8中35-顯色室；36-溫度傳感器；37-轉(zhuǎn)軸；38-試管夾；Rl-限流電阻； R2限流電阻；M-220交流接口 ；T-雙向可控硅。
五具體實施方式如圖1所示，本實用新型的甲醛濃度測量裝置由空氣采樣單元、顯色單元、移液系 統(tǒng)、比色系統(tǒng)和微處理器控制系統(tǒng)等組成。顯色單元的結(jié)構(gòu)如圖8所示。顯色單元采樣步 進電機17，步進電機17的轉(zhuǎn)軸37與試管夾38連接，試管夾38夾住顯色反應(yīng)試管5，顯色 反應(yīng)試管5置于五面體圍成的顯色室35內(nèi)，顯色室35 —組相對面內(nèi)壁上分別安裝一個陶 瓷加熱片6、7，溫度傳感器36安裝在靠近顯色反應(yīng)管5的顯色室內(nèi)壁上。 在甲醛吸收管3中事先放入含有吸收劑的測量溶液，空氣采樣器1采集定量空氣， 空氣中含有的甲醛被吸收在測量溶液中?？諝獠杉Y(jié)束后，第一移液泵4把待測溶液轉(zhuǎn)移 至顯色反應(yīng)試管5中，待測溶液進入顯色反應(yīng)試管5后，單片機19控制步進電機17 (四相步 進電機)工作，來回擺動；儀器開機時即已開啟顯色反應(yīng)溫度控制電路18，陶瓷加熱片6和 陶瓷加熱片7處于加熱狀態(tài)，如圖7所示，顯色反應(yīng)溫度控制電路采用一個過零檢測模塊， 檢測到市電過零點，單片機19的P20 口產(chǎn)生中斷。中斷處理時通過光電耦合器M0C3021控 制雙向可控硅T的導(dǎo)通角來控制陶瓷加熱片6、7的發(fā)熱功率。選用溫度傳感器36(單線數(shù) 字溫度傳感器DS18B20)檢測顯色室35內(nèi)溫度，當(dāng)傳感器檢測到的顯色室35溫度與給定的
5溫度一致時，溫控電路處于恒溫工作狀態(tài)，保溫時間達(dá)到設(shè)定時間時，顯色室停止工作，在 單片機19控制下，顯色完全后，第二移液泵8將顯色反應(yīng)試管5中的待測液體移至比色池 14中。 激光二極管11在LD恒溫模塊9和LD調(diào)制及穩(wěn)光強電路10驅(qū)動下，輸出被調(diào)制 的激光束，經(jīng)第一直角棱鏡12和第二直角棱鏡13約束，在比色池14內(nèi)穿過三次，光電探測 器15及信號調(diào)理電路23接收比色池14的出射光，光電信號經(jīng)調(diào)理后由單片機19采集并 計算出甲醛濃度。 激光二極管11放置在方形金屬導(dǎo)熱塊24通孔內(nèi)，激光管二極管LD的封裝表面與 金屬導(dǎo)熱塊24緊配合，其間隙涂有導(dǎo)熱膠；金屬導(dǎo)熱塊24置于絕熱片25上，并用螺釘緊固 支承基板26上，半導(dǎo)體制冷器34粘貼在金屬導(dǎo)熱塊24上。比色池14置于金屬夾板31、32 內(nèi)，金屬夾板32上焊接一彈簧片33，使比色池插入后一個壁緊貼夾板31，比色池14保持在 穩(wěn)定狀態(tài)。第一直角棱鏡12由上下夾板27、28夾持，并固定在基板上，第二直角棱鏡13由 上下夾板29、30夾持，并固定在基板上。光電探測器15安裝在基板26的另一端接收比色 池14輸出激光，光電探測器15與光電信號處理電路23連接?？諝獠蓸悠?、第一移液泵 4、第二移液泵8和步進電機17分別與達(dá)林頓管陣列16相應(yīng)輸出端連接，達(dá)林頓管陣列16 輸入端、顯色反應(yīng)溫度控制電路及光電信號調(diào)理電路均與單片機19連接，單片機19還與電 源模塊20、按鍵模塊21、顯示模塊22連接。 系統(tǒng)軟件設(shè)計 系統(tǒng)軟件采用模塊化結(jié)構(gòu)程序設(shè)計方法，以MSP430單片機為核心構(gòu)成控制和數(shù) 據(jù)處理系統(tǒng)，系統(tǒng)全部程序采用c語言編寫。 系統(tǒng)整體軟件流程圖 本設(shè)計的軟件部分整體包含五個不同的工作狀態(tài)，狀態(tài)名稱如下 SO :等待界面； Sl :濃度檢測； S2 :沖洗； S3:自我標(biāo)定； S4 :光強輸出； 測量儀的工作狀態(tài)間的轉(zhuǎn)換是通過狀態(tài)函數(shù)法來實現(xiàn)的，其狀態(tài)轉(zhuǎn)換流程如圖3 所示。
程序模塊包括 系統(tǒng)初始化程序； DS18B20溫度采集程序； LCD顯示程序； 時鐘芯片控制程序； 步進電機驅(qū)動程序； 系統(tǒng)中斷程序； 光強采集與處理程序； 通信程序； 檢測結(jié)果保存在單片機FLASH存儲區(qū)，便于以后調(diào)用或發(fā)送上位機。鍵盤和通訊
6都采用中斷方式處理。[0072] 檢測程序流程 圖4為系統(tǒng)檢測狀態(tài)時的流程圖，嚴(yán)格按照酚試劑分光光度法檢測甲醛的操作要求設(shè)計。儀器進入Statel狀態(tài)后，即開始了檢測操作過程。首先，微控制器將初始化，對一些內(nèi)部寄存器進行設(shè)置，包括看門狗、1/0 口的輸入輸出狀態(tài)、定時器設(shè)置、外部中斷設(shè)置等，然后啟動空氣采樣器，并定時。通過定時器控制空氣采樣器的采樣時間，在空氣采樣的同時，開始對顯色反應(yīng)室溫度控制。如果室內(nèi)溫度低于設(shè)計要求溫度，就進行加熱?？諝獠蓸油戤吅螅埔罕脤⒋郎y溶液轉(zhuǎn)移至顯色反應(yīng)試管內(nèi)開始顯色反應(yīng)，直至反應(yīng)完全。最后，待測溶液移入比色池中，進行比色定量。檢測出結(jié)果后，在顯示屏顯示并保存結(jié)果，整個檢測過程結(jié)束。檢測過程結(jié)束后，通過對鍵盤的操作，儀器進入沖洗狀態(tài)，對儀器液路進行沖洗，以避免殘留液體影響下次檢測結(jié)果。[0074] 數(shù)據(jù)濾波算法 本實用新型同時采用程序判斷法、均值濾波、滑動平均法對光電信號進行處理。剔除測量中隨機出現(xiàn)的脈沖性干擾，有效地濾除測量中隨機干擾，使信號平滑穩(wěn)定；圖5是加入數(shù)字濾波前后20組數(shù)據(jù)對比實驗數(shù)據(jù)，兩條曲線分別為光強AD采樣信號和經(jīng)過濾波后的光強AD采樣信號，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和測量精確度明顯提高。[0076] 有關(guān)各工作電機驅(qū)動電路的說明 MSP430F135單片機通過高耐壓、大電流的達(dá)林頓陣列ULN2003芯片的7路達(dá)林頓管分別驅(qū)動四相步進電機、空氣采樣器和兩個移液泵。應(yīng)用時是把負(fù)載的一端接到電源上，另一端接到ULN2003輸出引腳上。MSP430F135的I/O 口通過連接ULN2003的輸入腳完成對這些部件的驅(qū)動，電路簡單可靠。 單片機通過改變I/O 口輸出脈沖，來改變步進電機相位，從而改變步進電機轉(zhuǎn)動方向，以實現(xiàn)步進電機搖擺動作。其輸出對應(yīng)時序如下所示。循環(huán)輸出如下時序步進電機左轉(zhuǎn) A B C D 0 111 10 11 110 1 1110 循環(huán)輸出如下時序步進電機右轉(zhuǎn) A B C D 0 111 1110 110 1 10 11 在每個脈沖之間插入延時，可控制步進電機轉(zhuǎn)動速度?？刂撇竭M電機左轉(zhuǎn)右轉(zhuǎn)的時間即，使顯色反應(yīng)試管5做搖擺動作，達(dá)到加速顯色過程，節(jié)約測量時間的目的。[0091] 剩余三路驅(qū)動兩個移液泵和空氣采樣器，連接關(guān)系如圖6所示，MSP430F135單片機的P5. 7、P5. 6、P5. 5、P2. 2、P2. 3、P2. 4、P2. 5各I/O輸出口分別連接ULN2003達(dá)林頓管陣列的1至8腳。ULN2003達(dá)林頓管陣列的輸出端分別空氣采樣器、第一移液泵、第二移液泵和四相步進電機的四個端部。
權(quán)利要求智能式室內(nèi)氣體甲醛濃度測量儀，它包括空氣采樣單元、顯色單元、移液單元、比色單元和控制單元，其特征是空氣采樣單元包括空氣采樣器、過濾器、甲醛吸收管；移液單元包括第一移液泵、第二移液泵；顯色單元包括顯色反應(yīng)試管、步進電機、陶瓷加熱片、顯色反應(yīng)溫度控制電路；比色單元包括比色池、激光二極管、光電探測器、光電信號調(diào)理電路；所述控制單元包括單片機、達(dá)林頓管陣列和電源模塊；所述達(dá)林頓管陣列的輸出端分別接空氣采樣器、第一移液泵、第二移液泵、步進電機，達(dá)林頓管陣列的輸入端連接單片機；顯色反應(yīng)溫度控制電路執(zhí)行端口與陶瓷加熱片連接，其信號端口與單片機連接；所述光電信號調(diào)理電路與單片機連接。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能式室內(nèi)氣體甲醛濃度測量儀，其特征是所述顯色反應(yīng) 溫度控制電路采用一個過零檢測模塊，過零檢測模塊與單片機P20 口連接，單片機與光電 耦合器輸入端連接，光電耦合器的輸出端與可控硅連接，可控硅與陶瓷加熱片連接，單片機 與單線數(shù)字溫度傳感器連接。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能式室內(nèi)氣體甲醛濃度測量儀，其特征是所述顯色單元 采樣步進電機，步進電機轉(zhuǎn)軸與試管夾連接，試管夾夾住顯色反應(yīng)試管，顯色反應(yīng)試管置于 五面體圍成的顯色室內(nèi)，顯色室一組相對面內(nèi)壁上分別安裝一個陶瓷加熱片，溫度傳感器 安裝在靠近顯色反應(yīng)管的顯色室內(nèi)壁上。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能式室內(nèi)氣體甲醛濃度測量儀，其特征是所述比色單元 采用折疊多路光路，比色池的光輸入側(cè)設(shè)有第一直角棱鏡，光輸出側(cè)設(shè)有第二直角棱鏡，將 光路折疊后三次通過比色池。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的智能式室內(nèi)氣體甲醛濃度測量儀，其特征是該測量儀還包 括顯示模塊和按鍵模塊。
專利摘要本實用新型提供一種操作簡單、測量時簡短、靈敏度高、能準(zhǔn)確測量室內(nèi)空氣甲醛濃度的智能裝置。該智能式室內(nèi)氣體甲醛濃度測量儀包括空氣采樣單元、顯色單元、移液單元、比色單元和控制單元，本實用新型的甲醛濃度測量裝置將空氣采樣、甲醛吸收、移液、顯色反應(yīng)及顯色反應(yīng)溫度控制、比色池等集于一體，采用低功耗單片機系統(tǒng)控制各環(huán)節(jié)的實施，使儀器打開電源后，按一鍵即可完成整個測試過程，無需人工操作；將折疊多光路引入到甲醛濃度檢測儀中，提高檢測靈敏度，減少空氣采樣量，從而縮短測試周期。
文檔編號G05B19/042GK201497702SQ20092023359
公開日2010年6月2日 申請日期2009年8月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年8月12日
發(fā)明者張波, 肖韶榮 申請人:南京信息工程大學(xué)