[發(fā)明專利]一種基于弛豫鐵電單晶紅外熱釋電探測器的VOCs監(jiān)測控制系統(tǒng)

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201710977535.8
• 申請日: 2017-10-19
• 公開（公告）號: CN107843571A
• 公開（公告）日: 2018-03-27
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 羅豪甦;張浩;李悅;陳建偉;李曉兵;徐海清;王西安;狄文寧;林迪
• 申請（專利權(quán)）人: 中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: G01N21/3504
• 分類號: G01N21/3504;G01J5/34
• 代理公司: 上海瀚橋?qū)＠硎聞?wù)所(普通合伙)31261
• 代理人: 姚佳雯,張力允

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及環(huán)保監(jiān)測技術(shù)領(lǐng)域，具體而言涉及一種基于弛豫鐵電單晶紅外熱釋電探測器的VOCs監(jiān)測控制系統(tǒng)。

背景技術(shù)

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，揮發(fā)性有機(jī)物（VOCs）排放日益增多。環(huán)保部門開始將VOC列為治理對象，出臺一系列排放標(biāo)準(zhǔn)來限制VOCs的排放，改善環(huán)境質(zhì)量。因此，為了能夠檢測排放氣體中VOCs濃度，開發(fā)一種VOCs監(jiān)測系統(tǒng)是十分重要的。

目前，市場檢測VOCs的技術(shù)手段主要采用PID（光離子探測器）技術(shù)，而PID技術(shù)有4個(gè)缺點(diǎn)：1、探測的氣體光電離勢能要低于光源輻射光子能量。2、光源需要經(jīng)常清洗，儀表需要經(jīng)常標(biāo)定以保證準(zhǔn)確性。3、紫外燈的窗口材料易潮解、易碎；4、人工測量的弊端：人體處于毒害氣體的環(huán)境，存在人身危險(xiǎn)的可能性。

另外，非分光紅外（NDIR）氣體分析技術(shù)作為一種紅外光學(xué)氣體探測技術(shù)已經(jīng)發(fā)展了80多年，每一種極性氣體分子對紅外光都有特定的吸收峰，因此研究人員根據(jù)氣體的紅外吸收特性，可以作為一種技術(shù)手段對氣體的濃度進(jìn)行監(jiān)測。NDIR技術(shù)是一種基于氣體吸收理論的方法。不同的氣體在紅外波段都有自己的特征吸收帶，通過在特征吸收帶對紅外能量的吸收，可以反映出氣體濃度的大小。紅外光源發(fā)出的紅外輻射經(jīng)過一定濃度的待測的氣體吸收之后，與氣體濃度程正比的光譜強(qiáng)度會發(fā)生變化，根據(jù)光譜強(qiáng)度的變化可以根據(jù)朗伯-比爾定律反演出待測氣體的濃度。NDIR的優(yōu)勢是靈敏度高、使用壽命長、維護(hù)工作量少并且安全可靠。利用NDIR技術(shù)，并結(jié)合弛豫鐵電單晶紅外熱釋電探測器開發(fā)的監(jiān)測系統(tǒng)相比PID技術(shù)開發(fā)的檢測儀有一定的優(yōu)勢，但是，非分光紅外（NDIR）氣體分析技術(shù)依舊未解決人工現(xiàn)場監(jiān)測的成本高、危險(xiǎn)性高、施工難度大的問題。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是針對PID監(jiān)測技術(shù)和人工現(xiàn)場測量兩個(gè)方面存在的缺點(diǎn)和不便之處進(jìn)行改正和優(yōu)化，提供一種穩(wěn)定可靠、成本低的VOCs監(jiān)測控制系統(tǒng)，從而能夠?qū)ΡO(jiān)測數(shù)據(jù)更加便捷地處理，數(shù)據(jù)管理更加方便、操作控制界面簡潔直觀。

本發(fā)明一種基于弛豫鐵電單晶紅外熱釋電探測器的VOCs監(jiān)測控制系統(tǒng)通過如下技術(shù)方法實(shí)現(xiàn)上述目的：本發(fā)明包括上位機(jī)控制模塊、無線數(shù)據(jù)傳輸模塊、下位機(jī)信號采集控制模塊以及VOCs監(jiān)測控制器模塊。上位機(jī)控制模塊用于控制無線數(shù)據(jù)傳輸模塊工作從而控制下位機(jī)信號采集控制模塊工作。無線數(shù)據(jù)傳輸模塊用于連通所述上位機(jī)控制模塊和下位機(jī)信號采集控制模塊。下位機(jī)信號采集控制模塊控制紅外光源的閃爍，并用于光電信號轉(zhuǎn)換以及信號采集。VOCs監(jiān)測控制器模塊包括弛豫鐵電單晶紅外熱釋電探測器、所述紅外光源、氣室。

本發(fā)明利用無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)建立了一套遠(yuǎn)程無線VOCs監(jiān)控的系統(tǒng)，解決了傳統(tǒng)人工現(xiàn)場監(jiān)測的成本高、危險(xiǎn)性高、施工難度大的問題。

可以是，通過無線數(shù)據(jù)傳輸技術(shù)，將上位機(jī)和下位機(jī)連接起來，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制以及數(shù)據(jù)收發(fā)功能。所述上位機(jī)控制模塊可包括顯示和存儲數(shù)據(jù)功能。所述無線數(shù)據(jù)傳輸模塊可包括協(xié)調(diào)器和執(zhí)行終端，協(xié)調(diào)器和執(zhí)行終端是通過IEEE 802.15.4網(wǎng)絡(luò)協(xié)議進(jìn)行無線連接。所述下位機(jī)信號采集控制模塊可包括紅外光源控制以及氣體探測模塊，實(shí)現(xiàn)光電信號轉(zhuǎn)換以及信號采集功能。所述VOCs監(jiān)測控制器模塊可以是弛豫鐵電單晶紅外熱釋電探測器、紅外光源（IR715EN）、氣室這三個(gè)部分構(gòu)成的紅外光學(xué)探測器模塊。

優(yōu)選地，本發(fā)明基于弛豫鐵電單晶紅外熱釋電探測器的VOCs監(jiān)測控制系統(tǒng)還包括用于阻抗匹配、放大濾波信號處理電路。

較佳為，所述信號處理電路可包括AD708芯片以及相應(yīng)的電阻、電容元件，信號處理電路構(gòu)成一個(gè)濾波的上限截止頻率為10Hz的7階低通濾波電路，并構(gòu)成阻抗匹配電路以防止所述弛豫鐵電單晶紅外熱釋電探測器發(fā)熱導(dǎo)致不能正常工作。

所述信號處理電路采用AD708芯片以及對應(yīng)的阻容元件構(gòu)成具有低通濾波和阻抗匹配功能電路以防止所述弛豫鐵電單晶紅外熱釋電探測器的發(fā)熱。

由于采用弛豫鐵電單晶制備的紅外探測器輸出阻抗較諸如MSP430F149等的微處理器大，兩者之間阻抗不匹配，產(chǎn)生的信號回波造成探測器發(fā)熱，導(dǎo)致探測器不能正常工作，所以采用上述信號處理電路在進(jìn)行低通濾波的同時(shí)增大了MSP430F149的阻抗，能夠有效防止探測器發(fā)熱問題。

所述上位機(jī)控制模塊可以以波形圖標(biāo)形式實(shí)時(shí)顯示監(jiān)測結(jié)果的動(dòng)態(tài)變化和設(shè)置保存數(shù)據(jù)保存路徑。

較佳為，所述下位機(jī)信號采集控制模塊輸出電平為3.3V，頻率為5Hz，占空比為30%的脈沖波控制場效應(yīng)管BS170的導(dǎo)通和關(guān)斷使得所述紅外光源閃爍。