一种主动进气式TVOC检测仪

技术领域

本发明涉及一种气体检测装置，特别是涉及一种主动进气式TVOC检测仪。

背景技术

世界卫生组织(WHO,1989)对总挥发性有机化合物(TVOC)的定义为，熔点低于室温而沸点在50-260℃之间的挥发性有机化合物的总称。随着城市化的不断发展，VOCs的排放量逐渐提高，成为近年来城市大气污染的主要污染物之一。VOCs种类多(最为常见的有300多种)，涉及到的行业和企业数量多，排放条件复杂，监管非常困难，监测、检测已经成为目前制约VOCs治理的一个关键业务。

尤其在石化行业中，VOCs浓度水平较高，其中烷、烯、炔和芳烃各类化合物均有较高浓度，是对大气中VOCs有重要贡献的工业源之一。早期研究在对石化行业中的具体源解析的结果表明，烷类物质主要有正丁烷、2一甲基丁烷、2一甲基戊烷和2,2一二甲基戊烷，这些C4-C7的烷烃是润滑油挥发排放的主要成分。芳烃类物质主要有烷基苯，主要包括正丙苯、邻二甲苯和间甲乙苯、甲苯。烷类和芳烃类物质主要是化工三场生产润滑油和烷基苯所造成的。烯烃类中，顺-2-丁烯和异戊烯的浓度较高，主要为汽油和柴油这类物质挥发形成。此外还有一定的乙炔成分。以上各类VOC的浓度分别在50-1000ppbC左右，以上所列的典型VOCs也占总VOCs的50％以上。

传统的色谱、质谱、或光谱仪器，其精度高，稳定性好，但存在价格高、体积大、维护麻烦，需要稳定的气源、人员定期标定维护等问题，难以被进行密集网格化布点应用。近年来，基于火焰离子化检测器发展的气相色谱仪由于能够对大气中有机组分进行分离，作为标准的分析方法对大气中的VOC进行检测。例如公开号为CN101609072A的《挥发性有机物连续检测仪》，公开号为CN108982728A的《一种环境空气非甲烷总烃在线检测仪器优化与校准方法》等专利文献，但是由于这种基于FID的VOC监测设备操作复杂，运行的过程中需要专业人员操作，频繁校正和人员维护，限制其应用。同时其测试间隔时间较长(通常为1h一个数据)，因此难以被用来进行网格化布点对大气进行测试。

其他基于传感器的VOCs检测仪也被逐渐发展，例如光离子化检测器(PID)，但是基于PID传感器的VOC监测设备寿命通常小于1年，同时PID传感器的成本高昂(如公开号为CN103424465A《智能PID传感器模块》专利文献)。同时而现有基于这种单个传感器的VOC测试设备(公开号为CN105388208A《一种基于PID的空气中VOC检测仪及其实现远程监测的方法》专利文献)难以满足大气中VOC多组分的测试需求，尤其是其对于复杂大气环境中VOC测试的准确性、与标准仪器的一致性难以满足实际要求。

相较而言，传感器具有体积小、操作简单、携带方便、可用于现场监测且价格低廉等优点，作为一种能广泛布点的替代工具开始被重视。但是其仍存在灵敏度和稳定性不高、抗干扰能力弱等问题，导致其可靠性不强。所以研发出稳定性好、并且能够分类监测VOCs的传感器具有很高的实际意义和科学价值。传统TVOC检测仪是基于一个气体传感器而进行的监测(PID、MEMS或电化学原理的传感器)，这些传感器在出厂的时候通常只被一种气体(乙醇或异丁烯)进行标定，并对不同气体有一个修正系数，但是在实测过程中，没有对其进行修正，或无法准确对其进行修正，导致不能够满足空气中复杂环境的应用。另外，在进气结构中温湿度不稳定，或者气流也不稳定的情况下，也会导致修正难度增加。

因此，亟待发展出低成本、快响应、高准确性的VOC检测仪。

发明内容

本发明的目的是针对上述问题，提出一种主动进气式TVOC检测仪，根据源解析结果，主要针对烷烃、烯烃和芳香烃进行传感，以提高传感准确性，并通过结构设置有效降低对于传感器的修正难度，获得低成本、快响应、高准确性的VOC监测装置。

为实现上述目的，本发明提供了一种主动进气式TVOC检测仪，包括外壳和设置在外壳内部的控制电路板，所述控制电路板上设有天线和数据通讯模块，所述外壳上设有至少一组空气流通孔，所述外壳内部设有气室，所述气室分别通过进气通道与排气通道与外壳外侧相连通，所述进气通道或排气通道上设有主动进气单元，所述进气通道与所述空气流通孔相连通，所述控制电路板上还包括至少部分位于所述气室内的传感器阵列模块，所述传感器阵列模块包括至少两种电化学气体传感器。

优选地，所述主动进气式TVOC检测仪还包括温湿度控制模块，所述温湿度控制模块至少部分位于所述气室内。

优选地，所述主动进气式TVOC检测仪还包括数据存储模块。

优选地，外部气流以主动吸入或吹入的方式通过所述至少一组空气流通孔进入所述外壳内部的气室中，且进入气室的气流与所述传感器阵列模块中的传感器有效作用面平行接触。

优选地，所述外壳包括顶壳和底壳，所述空气流通孔位于所述顶壳上。所述控制电路板安装在顶壳内的卡槽上。

优选地，所述主动进气单元为风机或空气泵。

优选地，所述数据通讯模块包括NB-IOT通讯模块、LoRa通讯模块、蓝牙通讯模块、WIFI通讯模块、IPV6通讯模块中的一种。

优选地，所述主动进气式TVOC检测仪还包括与所述控制电路板相连的电池或太阳能供电装置，所述控制电路板的电源输入电压为5～24V。

优选地，所述电化学气体传感器包括烷烃、烯烃、苯、醇类中的至少两种固态电解质传感器。

优选地，所述传感器阵列模块还包括采用氧气传感器、乙醇传感器以及温湿度传感器进行修正。

基于上述技术方案，本发明的优点是：

本发明的主动进气式TVOC检测仪可用于室内外环境空气质量监测评估，其由多路固态聚合物电化学传感器组成，可测量能够发生化学分解的多种气体，具有低功耗、长寿命、较好的精度和稳定性等优点。采用多通道传感器阵列模块可以扩展到更多气体的检测，应用范围得到极大地提升。本发明采用风机或空气泵等形式的主动进气单元相比于扩散进气会更稳定，通过主动进气到气室，气流和温湿度都会更加稳定，能够有效地降低对于传感器的修正难度。

进一步，本发明针对性地采用自主设计的苯类、烷烃类、烯烃类传感器，并引入氧气、醇类传感器进行修正，能够使传感器的读数更加准确。同时对传感器采取低功耗的设计，极大地减少了人员维护、能源消耗。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为主动进气式TVOC检测仪内部结构示意图；

图2为主动进气式TVOC检测仪爆炸示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明提供了一种主动进气式TVOC检测仪，如图1～图2所示，其中示出了本发明的一种优选实施方式。

如图1所示，所述主动进气式TVOC检测仪包括外壳3和设置在外壳内部的控制电路板1，所述控制电路板1上设有天线2和数据通讯模块4，所述外壳3上设有至少一组空气流通孔10，所述外壳3内部设有气室13，所述气室13分别通过进气通道11与排气通道14与外壳3外侧相连通，所述进气通道11或排气通道14上设有主动进气单元12，所述进气通道11与所述空气流通孔10相连通，所述控制电路板1上还包括至少部分位于所述气室13内的传感器阵列模块6，所述传感器阵列模块6包括至少两种电化学气体传感器。

外部气流以主动吸入或吹入的方式通过所述至少一组空气流通孔10进入所述外壳3内部的气室13中，且进入气室13的气流与所述传感器阵列模块6中的传感器有效作用面平行接触。所述气室13分别通过进气通道11与排气通道14与外壳3外侧相连通，形成采样进气的通路。所述进气通道11或排气通道14上设有主动进气单元12，所述主动进气单元为风机或空气泵。采用风机或空气泵等形式的主动进气单元相比于扩散进气会更稳定，通过主动进气到气室13，气流和温湿度都会更加稳定，能够有效地降低对于传感器的修正难度。

如图2所示，所述外壳3包括顶壳8和底壳9，所述空气流通孔10位于所述顶壳8上。所述控制电路板1安装在顶壳8内的卡槽上。控制电路板1是整个检测仪器的核心主控板，采用低功耗设计。主控板可采用stm32l151系列低功耗系列单片机，引脚多，外设全，满足对处理温湿度影响、多传感器校正、控制物联网模块等功能。

本发明中，所述控制电路板1主要硬件使用情况如下：

(1)2路DAC：用于编程调节1路传感器的工作电压，设计合适的压差让传感器更灵敏、更稳定。

(2)6+1路ADC：采集6+1路传感器的输出电压，12位模数转换，保障数据精度。

(3)硬件IIC控制OLED显示：OLED是一块128*64像素的屏幕，用来实时显示系统板上需要显示的数据，如传感器值、温湿度、网络通信状态等。为了降低耗电量，OLED通过开关关断。

(4)GPIO模拟IIC读取温湿度传感器，采用SHT20高精度数字温湿度芯片，可以用于修正传感器数据。

(5)SPI接口：控制LoRa物联网通信模块，LoRa模块采用SX1278，工组频率在433MHz，空旷环境最大传输距离10KM，设置单独的拨动开关，用于控制LoRa通信模块的开启与关闭。

(6)串口IOT：用于控制NB-IOT/GPRS物联网模块的串口。

(7)串口PC：和上位机通信，用于在电脑端调试使用。

(8)串口Demo：备用串口。

(9)两个LED灯：指示数据通信是否正常。

优选地，所述电化学气体传感器包括烷烃、烯烃、苯、醇类中的至少两种固态电解质传感器。所述控制电路板1上，设置了多路传感器读取电路，包含1路偏压可调式传感器电路。多路传感器，可以分辨出不同的气体，相互校正，最终获取比较准确的VOC浓度。另外设置了两路串口，可读取商用、成熟的电路板，作为辅助校正，方便进行外场调试。

在本发明中，传感器电路采用低电压和低功耗设计，调整电路板0V偏压设计，统一反应电流，降低功耗；调整每路传感器的负载电阻，从39欧姆改成10欧姆，增加传感响应速度。由于电化学传感器的放大电路不能间歇供电，因为电化学传感器都有暖机时间(分钟级甚至更长)，电化学传感器更加适用于持续供电。优选地，所述主动进气式TVOC检测仪还包括与所述控制电路板1相连的电池或太阳能供电装置，所述控制电路板1的电源输入电压为5～24V。为了保障检测仪能够持续工作一年，加入了太阳能电池板，及时补充消耗的电量。

由于不同的传感材料、不同偏置电压下对气体的检测灵敏度不同。本实施例中设计10通道检测仪器，得到10路传感数据，进行修正，并且和标准仪器进行比对和学习。利用标准仪器，测出各个干扰量对被测量的影响，得到校准曲线(面)；将各个干扰量的传感器示数近似看做真值，带入上一步得到的校准曲线(面)，对被测量做补偿。

优选地，所述数据通讯模块4包括NB-IOT通讯模块、LoRa通讯模块、蓝牙通讯模块、WIFI通讯模块、IPV6通讯模块中的一种。由于NB-IOT聚焦小数据量、小速率应用，因此NB-IOT设备功耗可以做到非常小，设备续航时间可以从过去的几个月大幅提升到几年。在综合考虑无线通信方案的运营维护成本以及后期使用情况，可优选NB-IOT无线通信方式，来实现检测仪的数据实时传输。

优选地，所述主动进气式TVOC检测仪还包括数据存储模块5。几个模块获得的数据存储在数据存储模块5中，同时通过数据传输模块4传输。

进一步，所述主动进气式TVOC检测仪还包括温湿度控制模块7，所述温湿度控制模块7至少部分位于所述气室13内。优选地，所述传感器阵列模块6还包括采用氧气传感器、乙醇传感器以及温湿度传感器进行修正。

对于温度补偿，从电信号-温度数据中拟合校准曲线，根据校准曲线做温度补偿即可。对于湿度校正，通过采样和拟合校准曲线较好地消除了静差，从硬件着手，对传感器做封装，尽量从源头上抑制传感器内湿度的变化。

所述传感器阵列模块6包括至少两种电化学气体传感器，传感器阵列模块6由多路固态聚合物电化学传感器组成，采用交叉补偿进行校正。将“多对多”问题化解为若干“多对一”问题。例如：将同时补偿甲苯、乙醇和甲烷的问题，拆分为：(1)根据乙醇、甲烷、温度、湿度传感器的输出，对甲苯传感器做补偿；(2)根据甲苯、乙醇、温度、湿度传感器的输出，对乙醇传感器做补偿；(3)根据甲苯、甲烷、温度、湿度传感器的输出，对甲烷传感器做补偿。之后再利用标准仪器，测出各个干扰量对被测量的影响，得到校准曲线(面)；最后将各个干扰量的传感器示数近似看做真值，带入上一步得到的校准曲线(面)，对被测量做补偿。所述主动进气式TVOC检测仪采用传感器阵列对TVOC进行实时检测，更加科学、准确，进一步提高了检测仪的准确度。

使用本发明的主动进气式TVOC检测仪可通过如下步骤进行TVOC监测：

1、通过检测仪的供电模块向TVOC检测仪的控制模块供电，所述控制模块采集传感器阵列模块和/或温湿度控制模块的监测数据；

2、所述控制模块将采集到的数据发送至数据通讯模块4和数据存储模块5；

3、所述数据通讯模块4将数据发送至连接有多个TVOC检测仪的中继站；

4、所述中继站分别向各个TVOC检测仪的控制模块反馈和校验所述中继站接收到的数据信息；

5、所述中继站将经过校验的数据信息发送至TVOC后台，所述TVOC后台经过修正后，再次向所述各个TVOC检测仪的控制模块反馈和/或校验数据信息。

供电模块向主动进气式TVOC检测仪控制电路板1供电，在控制电路板1上有温湿度控制模块7和传感器阵列模块6。几个模块获得的数据存储在数据存储模块5中，同时通过数据传输模块4传输到中继站，中继站每隔一段时间对传输数据进行一次校验，确认数据已经收到，如果未收到数据向控制模块发送需要再次发送数据的指令。并由中继站向PC端发送完整的数据。PC端进一步对数据进行修正，并对控制模块上的算法进行反馈，以完成检测。

本发明的主动进气式TVOC检测仪可用于室内外环境空气质量监测评估，其由多路固态聚合物电化学传感器组成，可测量能够发生化学分解的多种气体，具有低功耗、长寿命、较好的精度和稳定性等优点。采用多通道传感器阵列模块可以扩展到更多气体的检测，应用范围得到极大地提升。本发明采用风机或空气泵等形式的主动进气单元相比于扩散进气会更稳定，通过主动进气到气室，气流和温湿度都会更加稳定，能够有效地降低对于传感器的修正难度。

进一步，本发明针对性地采用自主设计的苯类、烷烃类、烯烃类传感器，并引入氧气、醇类传感器进行修正，能够使传感器的读数更加准确。同时对传感器采取低功耗的设计，极大地减少了人员维护、能源消耗。

最后应当说明的是:以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制；尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者对部分技术特征进行等同替换；而不脱离本发明技术方案的精神，其均应涵盖在本发明请求保护的技术方案范围当中。