气体成分浓度测量装置和用于测量气体成分浓度的方法

摘要

用于测量气体中气体成分浓度的测量装置包括流产生装置、第一导管、第二导管、和配置为用于感测气体中气体成分浓度的电化学检测器。第一导管和第二导管并行设置，并且流产生装置与第一导管的入口和第二导管的入口相连接。流产生装置设置为用于在每个导管中生成气流。测量装置设置我将第一导管的出口或第二导管的出口交替联接至检测器的入口，其中，第一导管设置有用于吸收或剥离上述气体成分的反应剂。

说明书

技术领域

本发明涉及一种气体成分浓度测量装置，该气体成分浓度测量装置用于测量诸如环境空气的气体中气体成分的浓度。另外，本发明还涉及用于测量这种浓度的方法。

背景技术

为了改善生物的环境质量，暴露于污染物质是一个问题。通常，对于污染物质，已经建立了最大暴露浓度。

在环境空气中，认为诸如NO(一氧化氮)、NO2(二氧化氮)、SO2(二氧化硫)、CO(一氧化碳)的化学物质具有污染性，并且对生物带来健康风险，或作为用于其他类型污染物的指示物。

已有各种方法用于监测这些物质。

例如，对于NO2的监视和测量，被动采样使众所周知的。该采样方法涉及将包括NO2吸收反应剂的扩散管暴露在环境空气中预定时间。在暴露期间，NO2吸收反应剂吸收NO2，在反应剂中生成反应产物。在暴露后，分析NO2吸收反应剂来确定反应产物的存在和数量，作为对暴露期间NO2浓度的测量。一种众所周知的被动采样器是基于三乙醇胺(TEA)作为NO2吸收器的帕姆斯管(Palmes tube)。

被动采样可能涉及低成本，但该方法相对耗时，并需要很长的整合次数。

同时，市场上可买到实时监控装置，这些实时监控装置基于电化学电池。这种电池包括电极和反电极对，其中，电极和反电极由基于电解质的介质分隔开。在电化学电池中存在目标污染物质会影响电化学电池中的电化学势。电化学势通常与目标污染物质的浓度成比例。

在监测污染物质中使用电化学电池在原则上允许用于(几乎)实时检测和分析。然而，众所周知的是，这种类型的电化学电池对被分析气体容积的湿度变化很敏感。另外，对具体气体种类的敏感性可能会受到测量气体中的其他干扰气体种类影响(交叉敏感性)。这种交叉敏感性可作为干扰气体种类和这些种类组合的浓度函数而变化。因而，湿度和交叉敏感性二者对通过这种电化学电池装置进行测量的复现性都具有负面影响。

为了减少交叉敏感性，可通过计算模型进行附加修正。计算模型基于干扰气体种类(及其组合)的测量，该干扰气体种类(及其组合)的测量通常经受类似的交叉敏感性效应。这种类型的修正是计算密集型修正，并且会大大增加这类装置的成本。

本发明的目的在于克服或缓解现有技术的缺点。

发明内容

本发明的目的通过用于测量气体中气体成分水平的测量装置来实现。该测量装置包括气泵、第一流室、第二流室、选择阀和电化学检测器，电化学检测器配置为用于感测气体中的气体成分水平，以及用于生成与气体成分水平相对应的电子感测信号。气泵具有用于接收气体的入口。气泵通过第一出口通道连接至第一流室的入口。气泵通过第二出口通道连接至第二流室的入口。通过这种方式，在使用中，第一流室中的第一气流平行于第二流室中的第二气流。第一流室的出口连接至选择阀的第一入口。第二流室的出口连接至选择阀的第二入口。选择阀通过出口连接至检测器的入口。选择阀配置为将第一流室和第二流室的各自出口中的一个交替连接至检测器的入口，其中，第一流室设置有用于选择性地吸收所述气体成分的吸收物质，并且其中，测量装置包括用于水分的吸收剂，用于水分的吸收剂不吸收气体成分，用于水分的吸附剂布置流室中第一流室和第二流室的下游，在测量装置中，该流室位于选择阀的下游和检测器的上游，其中用于水分的吸附剂设置为用于抑制通过气泵摄入的气体中的水分变化。

气泵例如为风扇或流产生装置，在第一平行流室和第二平行流室或导管中生成气流。在第一流室中设置吸收或去除目标气体成分的反应剂。在实施方式中，流室包括空间，该空间中放置保持反应剂的筒状件。

通过第一室中的反应剂，从通过第一流室的气流去除目标气体成分，而通过第二流室的气流不受影响。

通过交替地联接来自第一流室的气流，即，无目标气体成分的气流，或流经第二流室的、包括一定量目标气体的其他气流，使检测器交替地暴露于包括或不包括目标气体成分的气流中。

气流中的其他成分会大体相同，因为这些成分不受反应剂的影响。

因而，检测器将观察感测信号的变化，感测信号随着包括目标气体成分的气流与不包括目标成分的气流之间的切换而变化。因此，感测信号的变化会与目标气体成分的存在成比例。

根据本发明，不吸收气体成分的、用于水分的吸附剂布置在另一流室中的第一流室和第二流室的下游，并且抑制由气泵摄入的气体中的水分变化，其中，该另一流室在测量装置中位于选择阀的下游和检测器的上游。另外，设置用于水分的吸附剂延迟来自第一气流和第二气流的水分。通过影响水分浓度，减小了检测器的基线漂移，提高检测器的准确性。

另外，通过设置在反应剂的下游，用于水分的吸附剂设置为以比阀门的切换频率(分钟的时间尺度)更大的时间域(一个或多个小时的时间尺度)抑制湿度变化。因此，湿度的变化(由于TEA的亲湿度性和改变环境空气湿度条件)不会干扰微分测量技术。

在实施方式中，变化通过测量暴露于包括目标气体成分的气流与暴露于不包括目标气体成分的气流的检测器信号之间的差异来确定。

根据一方面，本发明还涉及如上所述的一个测量装置，该测量装置还包括控制器件，该控制器件用于控制选择阀，从而在将第一流室和第二流室的相应出口中的一个连接至检测器的入口与将第一流室和第二流室的相应出口中的另一个连接至检测器的入口之间切换。

控制器件设置为使经过第一流室的气流与经过第二流室的气流以限定的方式交替。

根据一方面，本发明还涉及如上所述的测量装置，其中，测量装置包括数据处理器件，该数据处理器件配置为：

—在第一流室和第二流室的相应出口中的所述一个出口连接至检测器的入口期间，记录第一电感测信号，以及在第一流室和第二流室的相应出口中的所述另一出口连接至检测器的入口期间，记录第二电感测信号；

—从第一电感测信号和第二电感测信号确定差异信号，该差异信号对应于第一气流中的气体成分浓度和第二气流中的气体成分浓度的差异。

数据处理器件允许来自第一气流的数据信号可与来自第二气流的数据信号进行对比。

用于水分的吸附剂可包括硅胶、活性炭、沸石、以及各种碳水化合物中的一个或多个。在实施方式中，发现糖类化合物对NO2的应用非常有用。在并行版本中，可以以这样的方式调整，使得潮湿延迟的特性类似于第一流室中的反应剂。

根据一方面，本发明还涉及如上所述的测量装置，其中，用于水分的吸附剂设置在第二流室中。

在这个实施方式中，吸附剂设置为可以以这样的方式调整通过第二流室的气流中的水分浓度，使得潮湿延迟的特性类似于第一流室通过反应剂进行的吸收。

根据一方面，本发明还涉及如上所述的测量装置，其中，用于水分的吸附剂设置在测量装置的第一流室和第二流室中。

根据一方面，本发明还涉及如上所述的测量装置，其中，控制器件设置为用于与数据处理器件的同步操作。

通过使控制器件的操作与数据处理器件的操作同步，促进用于测量装置的差分模式。

根据一方面，本发明还涉及如上所述的测量装置，其中，控制器件设置有定时器。

定时器为控制器件提供用于在第一气流与第二气流之间以预定的时间间隔进行切换的定时。

根据一方面，本发明还涉及如上所述的测量装置，其中，定时器设置为在预先确定的时间使控制器件控制选择阀，从而将第一流室的出口或第二流室的出口连接至检测器的入口，以使得相应的流室与检测器流体连通。

通过将检测器的预定时间选择成大于死亡时间来提高测量精度。

根据一方面，本发明还涉及如上所述的测量装置，其中，当第一流室的出口连接至检测器的入口时，第二流室的出口连接至流出喷嘴。

根据一方面，本发明还涉及如上所述的测量装置，其中，当第二流室的出口连接至检测器的入口时，第一流室的出口连接至流出喷嘴。

根据本发明，这两各气流连续运行，从而避免第一流室和第二流室中任一室中的气体滞留。

根据一方面，本发明还涉及如上所述的测量装置，其中，选择阀包括一个双稳态四通阀。

双稳态四通阀或具有等效功能的双稳态阀的使用为要求功耗低的选择阀提供致动。这种设置具体对通过例如电池或太阳能来驱动的远程应用有益。

根据一方面，本发明还涉及如上所述的测量装置，其中，检测器包括电化学电池，该电化学电池配置为从二氧化氮，NO2；一氧化氮，NO；一氧化碳，CO；二氧化碳，CO2；臭氧，O3；硫化氢，H2S；二氧化硫，SO2中选择的一群气体成分中感测一种气体，并且选择气体成分的反应剂来吸收相应气体成分。

在二氧化氮为目标气体成分的情况下，可选择三乙醇胺(TEA)作为反应剂。

用于CO分离的候选物是Cu(I)-Cl。

对于NO的检测，测量装置可通过提供设置为随着由流产生装置接收气体而将臭氧添加到的气体中的臭氧发生器来进行改进。NO会与臭氧反应生成NO2。

根据一方面，本发明还涉及一种用于测量气体中气体成分水平的方法，包括：

—在入口处接收气流，并且将第一部分中的气流提供给第一流室，作为第一气流，以及将第二部分中的气流提供给第二流室，作为第二气流，以这样方式，在使用期间，第一流室中的第一气流平行于第二流室中的第二气流；

—通过在第一流室中设置用于气体成分的吸收物质来吸收第一气流中的气体成分；

—选择来自第一流室的第一气流和来自第二流室的第二气流中的一个分别作为检测器的进入物，检测器配置为感测气体中气体成分的水平，以及生成与相应气流中气体成分水平相对应的电子感测信号；

—在测量装置中设置用于水分的吸附剂，测量装置在流室中在第一流室和第二流室的下游，流室在第一气流或第二气流的选择部的下游和检测器的上游，其中，用于水分的吸附剂不是用于气体成分的吸收剂，以及用于水分的吸附剂设置为用于抑制接收到的气流中水分的变化。

根据一方面，本发明还涉及如上所述的方法，该方法包括：

—在第一气流流经检测器期间，测量第一电感测信号，以及在第二气流流经检测器期间，测量第二电感测信号。

根据一方面，本发明还涉及如上所述的方法，该方法包括从第一电感测信号和第二电感测信号建立差异信号，其中，差异信号与第一气流中气体成分的浓度与第二气流中气体成分的浓度间的差异相符合。

根据一方面，本发明还涉及如上所述的方法，该方法包括：

—在第二个流室提供用于水分的吸附剂，其中，用于水分的吸附剂不是用于气体成分的反应剂。

根据一方面，本发明还涉及如上所述的方法，其中，所述选择来自第一流室的第一气流和来自第二流室的第二气流中的一个分别作为检测器的进入物受时间器控制。

根据一方面，本发明还涉及如上所述的方法，该方法还包括当来自第一流室的第一气流和来自第二流室的第二气流中的所述一个分别连接至检测器时，选择来自第一流室的第一气流和来自第二流室的第二气流中的另一个分别作为流出喷嘴的进入物。

有利实施方式将在附属权利要求中进行进一步限定。

附图说明

以下将参照附图对本发明进行更详细的解释，附图中示出了本发明的说明性的实施方式。本领域的技术人员应理解的是，在不背离本发明的精神的情况下，可构思和减少本发明的其他替代实施方式和等同实施方式以付诸实践，本发明的范围仅通过所附权利要求来限定。

图1示意性地示出了根据本发明的实施方式的测量装置；

图2示意性地示出了根据本发明的实施方式的测量装置；

图3示意性地示出了根据本发明的实施方式的测量装置；

图4示出了通过根据本发明的测量装置测量环境空气中二氧化氮的、与参考NO2化学发光监测器相比较的图。

具体实施方式

图1示意性地示出了根据本发明的实施方式的测量装置。测量装置包括流产生装置12、第一导管或第一流室C1、第二导管或第二流室C2、选择阀18和电化学检测器20。

流产生装置12具有入口22，入口22用于从气体容积接收气体，该气体可包括一定量的、将通过测量装置检测的污染物质(在下文中称为目标气体成分)。

可包括风扇或气泵的流产生装置12设置成通过第一出口通道将接收到的气体供应至第一导管或第一流室C1的入口24，以及通过第二出口通道将接收到的气体供应至第二导管或第二流室C2的入口26。

流产生装置12可实施为带有单个出口，该单个出口分叉为两个导管，这两个导管联接至相应的导管或流室C1、C2。

可替代地，流产生装置12可具有联接至相应导管或流室的两个出口。

在替代实施方式中，测量装置可包括流产生装置和第二流产生装置，以便具有用于每个导管的独立入口，其中，流产生装置联接至第一导管，第二流产生装置联接至第二导管。

以这种方式，流产生装置12提供位于第一导管C1中的第一气流G1，第一气流G1平行于位于第二导管C2中的第二气流G2。

第一导管C1有出口28，出口28连接至选择阀18的第一入口29。第二导管C2有出口30，出口30连接至选择阀18的第二入口31。

选择阀18包括两个出口，其中，一个出口连接至出口喷嘴34，以及另一出口32连接至检测器20的入口。选择阀18可进行选择以将第一导管C1和第二导管C2中的一个连接至检测器的入口33，同时第一导管C1和第二导管C2中的另一个通过选择阀进行切换，从而具有通过出口喷嘴进入环境空气的开放气流。以这种方式，经过第一导管C1和第二导管C2的气流G1、气流G2是连续的。

在实施方式中，选择阀18包括双稳态四通阀。双稳态阀要求相对较低的功率，这可为远程应用提供优势。

检测器20接收通过选择阀选择的气流，从而感测气体中的气体成分浓度。检测器20生成与气体成分浓度相对应的电感测信号。

根据本发明，第一导管C1设置有用于吸收所述气体成分的反应剂15(即，用于选择性地吸收所述气体成分的吸收物质)。以这种方式，从流经第一导管C1的气流G1中去除目标气体成分。

在实施方式中，反应剂15设置于筒状件14中，筒状件14可容纳于第一导管C1中。

测量装置10的选择阀18交替地将来自第一导管C1的第一气流G1、或经过第二导管C2的另一气流或第二气流G2联接至检测器20，其中，第一气流G1即为不包括目标气体成分的气流，另一气流或第二气流G2包括一定量的目标气体。

因而，检测器20交替地暴露于包括目标气体成分的气流G2，或不包括目标气体成分的气流G1中。气流G1、气流G2中的其他成分会大体相同，因为这些成分不受反应剂15的影响。

因而，检测器20会观察感测信号的变化，感测信号随着包括目标气体成分的第二气流G2与不包括目标成分的第一气流G1之间的切换频率而变化。因此，感测信号的变化会与目标气体的存在成比例。

通过确定来自第二导管C2的、包括目标气体成分的第二气流G2的感测信号与通过第一导管C1中的反应剂15并因而基本不包括目标气体成分的第一气流G1的感测之间的差分信号，差分信号与如气流生成装置12中采样的环境空气中目标气体成分的浓度成比例。另外，由于第一气流G1和第二气流G2不同之处仅在于目标气体成分浓度，所以检测器20会对第一气流和第二气流二者感测相同的基线。

目标气体成分可是二氧化氮NO2、氮氧化物NOx、二氧化硫SO2、一氧化碳CO、二氧化碳CO2、臭氧O3、硫化氢H2S或其他气体种类。

反应剂15基于目标气体成分来选择。对于NO2，反应剂15可包括三乙醇胺。

对于CO的检测，Cu(I)-Cl是吸收这种气体成分的候选材料。

对于NO的检测，测量装置可包括臭氧发生器，臭氧发生器产生臭氧流，臭氧流添加至由气流生成装置12接收的气流中。臭氧会与NO反应以生成NO2，NO2可如上所述检测到。

测量装置10包括控制器CT，控制器CT用于控制选择阀18选择第一气流G1和第二气流G2中的哪个会通过检测器20。控制器CT可包括定时器，定时器用于确定选择阀的切换时间间隔和检测器对于每个气流的暴露时间。

检测器CT连接至数据处理器件D，即，与存储器相联接的处理器，数据处理器件D设置为用于接收来自检测器D的电感测信号。另外，数据处理器件D联接至控制器CT或与控制器CT集成，从而允许所接收的电感测信号同步，并且确定来自第一气流G1的感测信号与来自第二气流G2的感测信号之间的差分信号，其中，相应的第一气流G1或第二气G2通过检测器。

用于目标气体成分的反应剂15也可为用于水分的吸附剂。在这种情况下，与用于目标气体成分的反应剂15接触的第一气流G1的水分含量与并没有暴露在反应剂15中的第二气流G2的水分含量会不同。因此，检测器20会交替暴露于基本不包括水分的第一气流G1和包括水分的第二气流G2。由于基于电化学电池的检测器的功能通常对水分敏感，所以水分浓度的变化会干扰目标气体成分的微分测量。

因此，在实施方式中，测量装置10包括用于水分的吸附剂16，吸附剂16不吸收气体成分、或不与气体成分反应、或不与气体成分相互作用。用于水分的吸附剂16添加至测量装置10的容积中，以防止第一气流G1和第二气流G2的水分含量不同。

在另一实施方式中，用于水分的吸附剂16设置在检测器20的上游的、测量装置10的流容积内。

通过这种方式，去除检测器20上游的水分减少了通过检测器20中电化学介质对水分的摄取，因而对检测器20的操作条件有利。

在另一替代实施方式中，用于水分的吸附剂16设置在测量装置10A的第二导管C2中。请参照图2。在该实施方式中，用于水分的吸附剂16配置为从第二气流G2吸收水分，以便平衡第一气流G1中由用于目标气体成分的反应剂15降低的低水分浓度。

在另一替代实施方式中，测量装置10在第一导管C1和第二导管C2中包括不吸收气体成分的、用于水分的吸附剂16。在这种情况下，每个导管C1、C2中的水分均由吸附剂16捕获至相似程度。

图3示出了根据本发明的实施方式的测量装置10B。

在该实施方式中，测量装置10B包括腔室40，腔室40包括用于水分的吸附剂，该用于水分的吸附剂不吸收气体成分，其中，带有用于水分的吸附剂的腔室40设置在第一导管C1和第二导管C1的下游且在检测器20的上游。在该设置中，用于水分的吸附剂最佳地抑制由气流生成装置12摄入的气体中水分的变化。如图3所示，带有用于水分的吸附剂的腔室40设置在选择阀18的下游以及检测器20的上游。

用于水分的吸附剂可包括硅胶、活性炭、沸石、和碳水化合物中的一种或多种。

通过选择针对相应气体成分的检测器20，测量装置10、测量装置10A、测量装置10B可用于测量/检测各种气体成分，包括二氧化氮NO2、氮氧化物NOx、一氧化碳CO、二氧化硫SO2。第一导管C1中的反应剂15相应地选择为用于所述气体成分的反应剂15。

图4示出了通过根据本发明的测量装置进行的环境空气中二氧化氮浓度的典型测量。

在该图中，用于水分的吸附剂，即，葡萄糖，设置在第二导管，从而在第二导管中获得与第一导管中气流的水分浓度类似的气流。通过第一导管的气流与通过第二导管的气流之间的切换频率为约10分钟。气体流量为约20毫升/分钟。

在该图中，差分信号通过实线示出为时间的函数。虚线示出相同环境下通过NO2化学发光监测器的同时检测结果(图4中指示为NO2监测器)。

图中两个数据集的比较示出测量数据集在很大程度上一致。根据本发明的测量装置达到十亿分之一的精度水平，而无需复杂的修正程序。

在实施方式中，数据处理器件D另外设置成测量检测器20的电化学电池处的温度和湿度(水分)。在电化学电池处测量的温度和湿度值可由数据处理器件D用来验证和/或修正测量装置10、测量装置10A、测量装置10B。

本领域的技术人员应清楚的是，可在本发明的构思内设想其他替代实施方式和等同实施方式。本发明旨在被解释为，因为所有的这些修改和改变落入附加权利要求书的范围内，所以本发明包括所有的这些修改和改变。