CN107085079A - 一种人工嗅觉装置以及有机污染物控制设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种人工嗅觉装置，涉及空气污染物监测的环境保护技术领域，其包括采样单元、嗅觉传感器阵列检测单元、信号处理及模式识别分析单元与集成控制单元。该人工嗅觉装置可以实现从样品采集、测试、分析建模到综合污染结果的快速检测过程，其结构设计合理，操作方便，工作效率高，能准确地监测喷涂挥发性有机污染物的污染程度，可以克服现有VOCs检测装置检测成分单一，成本高等缺陷，应用范围广泛。本发明还提供了一种有机污染物控制设备，其包括上述人工嗅觉装置，其可以通过人工嗅觉装置快速检测喷涂过程有机污染物的浓度，及时进行数据分析，并在检测到浓度超标时对有机污染物进行清除，保证作业环境的安全可靠。

Description

一种人工嗅觉装置以及有机污染物控制设备

技术领域

本发明涉及空气污染物监测的环境保护技术领域，具体而言，涉及一种人工嗅觉装置以及有机污染物控制设备。

背景技术

近年来，我国空气质量恶化严重，区域性的雾霾天气和臭氧污染事件频繁发生，挥发性有机物(volatile organic compounds，VOCs)长期的大量排放是主要因素之一。据统计，城市中的VOCs主要来源于固定污染源废气排放，约占整个人为排放源的55.5％。由于存在涂装工序的企业产品结构的多元化，涂装材料种类、形态各异，涂装过程中采用的工艺也各异，造成VOCs的排放环节和排放特征也各有不同，现在还缺乏对涂装企业(特别是中小涂装企业，如金属制品业)VOCs污染有效的监测手段，导致大多数存在涂装工序的企业VOCs排放得不到有效控制。

VOCs测定有两种常见的方法，一种是基于气相色谱的离线检测方法，另一种是基于电化学传感器的在线监测方法。

气相色谱的离线检测方法，其仪器设备价格昂贵，测试成本高，需要专业人员操作，无法满足现场检测的要求，并且离线方法时效性差，无法及时反映气体浓度变化情况，在采样、样品储存、运输过程易导致样品损失和交叉污染，测试过程繁琐、成本较高。

在线监测的传感器方法仅测定VOCs总量并不能完全反映涂装污染物的排放情况。

发明内容

本发明的目的在于提供一种人工嗅觉装置，该人工嗅觉装置适用于能够全程在线喷涂VOCs监测，其能够快速准确的监测出挥发性有机物中各种有害气体，并精确计算挥发性有机物中的各种有害气体的含量。

本发明的另一目的在于提供一种有机污染物控制设备，其包括上述人工嗅觉装置，该有机污染物控制设备可以通过人工嗅觉装置快速检测喷涂过程VOCs有机污染物的浓度，及时进行数据分析，并在检测到浓度超标时对有机污染物进行清除，保证作业环境的安全可靠。

本发明是这样实现的：

一种人工嗅觉装置，包括采样单元、嗅觉传感器阵列检测单元、信号处理及模式识别分析单元与集成控制单元；采样单元的出气端与嗅觉传感器阵列检测单元的进气端连通，信号处理及模式识别分析单元分别与嗅觉传感器阵列检测单元和集成控制单元电连接。

进一步地，在本发明其它较佳实施例中，采样单元包括用于对气体样本进行处理的冷凝器、过滤器和干燥器，冷凝器的进气端设置有供气体样本进入的进气管，冷凝器的出气端连通至过滤器的进气端，过滤器的出气端连通至干燥器的进气端，干燥器的出气端连通至嗅觉传感器阵列检测单元的进气端。

进一步地，在本发明其它较佳实施例中，干燥器与嗅觉传感器阵列检测单元之间还设置有抽气泵和流量计。

进一步地，在本发明其它较佳实施例中，嗅觉传感器阵列检测单元包括：试验箱，试验箱内设置有Y型进气管和两个进气室；Y型进气管的一端延伸至试验箱的外侧并与进气通道连通，并通过进气通道与采样单元连通；Y型进气管的远离进气通道的两端分别与两个进气室连通，Y型进气管与两个进气室的两个连接端均设置有电磁阀；进气室内设置有多个容纳室，每个容纳室内设置有单个传感器，多个传感器并联设置并组成传感器阵列，多个传感器之间电连接；每个容纳室与Y型进气管通过气体输送管连通，容纳室远离连接端的一侧开设有废气排气口，废气排气口处设置有用以将废弃排出到试验箱外的排气管。

进一步地，在本发明其它较佳实施例中，Y型进气管包括干管和两个支管，干管与进气通道连接，两个支管分别与两个进气室连接，进气通道的轴线与干管的轴线呈锐角或钝角。

进一步地，在本发明其它较佳实施例中，气体输送管的数量为多个，每个容纳室均通过一个独立的气体输送管与支管连通。

进一步地，在本发明其它较佳实施例中，气体输送管靠近支管的口径大于气体输送管靠近容纳室的口径。

进一步地，在本发明其它较佳实施例中，传感器阵列与数据采集卡连接，数据采集卡与信号处理及模式识别分析单元连接。

进一步地，在本发明其它较佳实施例中，还包括用于控制箱体温度的温控器，温控器与试验箱电连接。

一种有机污染物控制设备，包括有机污染物清除装置、分析控制系统和上述人工嗅觉装置，分析控制系统分别与有机污染物清除装置和人工嗅觉装置电连接。

本发明的有益效果是：

本发明提供了一种人工嗅觉装置，包括采样单元、嗅觉传感器阵列检测单元、信号处理及模式识别分析单元与集成控制单元。其中，采样单元的出气端与嗅觉传感器阵列检测单元的进气端连通，信号处理及模式识别分析单元分别与嗅觉传感器阵列检测单元和集成控制单元电连接。该人工嗅觉装置可以对气体样本进行实时采集，并将采集到的气体样品送至嗅觉传感器阵列检测单元，嗅觉传感器阵列检测单元识别信号后将信号传递至信号处理及模式识别分析单元进行分析并计算有机污染物的浓度，从而实现从样品采集、测试、分析建模到综合污染结果的快速检测过程，其结构设计合理，操作方便，工作效率高，能准确地监测喷涂挥发性有机污染物的污染程度，可以克服现有VOCs检测装置检测成分单一，成本高等缺陷，应用范围广泛。

本发明还提供了一种有机污染物控制设备，其包括上述人工嗅觉装置，该有机污染物控制设备可以通过人工嗅觉装置快速检测喷涂过程VOCs有机污染物的浓度，及时进行数据分析，并在检测到浓度超标时对有机污染物进行清除，保证作业环境的安全可靠。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式的技术方案，下面将对实施方式中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1是本发明实施例所提供的一种人工嗅觉装置的组成示意图；

图2是本发明实施例所提供的一种人工嗅觉装置的嗅觉传感器阵列检测设备的结构示意图；

图3是本发明实施例所提供的一种人工嗅觉装置的嗅觉传感器阵列检测设备的组成示意图；

图4是本发明实施例所提供的一种人工嗅觉装置的采样单元的结构示意图。

图标：10-人工嗅觉装置；100-嗅觉传感器阵列检测设备；110-进气通道；120-试验箱；130-排气管；140-工作电源；150-数据采集卡；170-抽吸装置；180-温控器；121-Y型进气管；122-进气室；120-试验箱；123-电磁阀；124-容纳室；125-气体输送管；200-采样单元；210-冷凝器；220-过滤器；230-干燥器；240-进气管；250-出液管道；260-抽气泵；270-流量计；300-信号处理及模式识别分析单元；400-集成控制单元。

具体实施方式

为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

实施例，请参阅图1至图4所示，

本实施例提供了一种人工嗅觉装置10，参照图1所示，包括嗅觉传感器阵列检测设备100、采样单元200、信号处理及模式识别分析单元300与集成控制单元400。其中，采样单元200的出气端与嗅觉传感器阵列检测设备100的进气端连通，信号处理及模式识别分析单元300分别与嗅觉传感器阵列检测设备100和集成控制单元400电连接。

如图2所示，嗅觉传感器阵列检测设备100，包括进气通道110、试验箱120、排气管130、工作电源140和数据采集卡150。

其中，试验箱120的结构不做具体限制，优选地，在本实施例中，试验箱120内设置有Y型进气管121和两个进气室122。

Y型进气管121包括干管(图中未标记)和两个支管(图中未标记)。其中，干管远离支管的一端与进气通道110连接，并通过进气通道110与采样单元200连通。两个支管远离干管的两端分别与两个进气室122连通。

考虑到进气方便，优选地，进气通道110设置在试验箱120外。挥发性有机废气从进气通道110进入后，通过干管，再进入两个支管后，再进入两个进气室122。

需要说明的是，在本实施例中，在进气通道110中设置有节气门(图未示)以控制进入气体的流量和流速。优选地，为了防止空气中的悬浮物堵塞进气通道110，在本实施例中，在进气通道110的远离Y型进气管121的端口还设置有防尘罩(图未示)。

为了更好地模仿气流入人鼻，优选地，在本实施例中，进气通道110的轴线与干管的轴线呈锐角或钝角。该设置还能够起到帮助流体加速的作用。

请参阅图2，在本实施例中，Y型进气管121与两个进气室122的两个连接端(图中未标注)均设置有电磁阀123。电磁阀123的设置有利于根据实际需要来同时开启两个进气室122或者只开启其中一个进气室122。开启两个进气室122时，有利于更加准确地监测挥发性有机气体中的有害气体的种类和含量，可计算有害气体的平均值。当需要连续测试不同发挥性有机气体中的有害气体时，无需等到测试完第一份样品后通入新鲜空气，等待一段时间后再进行监测另一份样品，可通过先后开启两个进气室122来进行测量。能够节省监测时间，提供监测效率。

请参阅图2，进气室122内设置有多个容纳室124，每个容纳室124内设置有单个传感器(图未示)，多个传感器组成传感器阵列。

具体地，在本实施例中，传感器阵列包括个7个TGS系列传感器、1个PID光离子传感器、以及2个电化学传感器。阵列中每个传感器对不同的气体有不同的响应。这些嗅觉传感器分别对一氧化碳、二氧化硫、一氧化氮、二氧化氮、氯化氢、硫化氢、氨气、磷化氢、环氧乙烷、氯气、甲苯、二甲苯、苯乙烯、甲基异丁基酮等具有敏感性，这些传感器在选择性和灵敏度方面均能满足对VOCs挥发性气体检测的要求。

传感器阵列的选择性是通过综合来自多个交叉敏感的传感器信号得到的。传感器阵列测量由多种成分组成的VOCs，可得到一个多维响应向量，用模式识别方法对之进行判断，以确定VOCs的类别或污染程度。

在本实施例中，多个传感器电连接，以便能够将反馈信息统一输送到数据采集卡150。多个传感器的设置方式不做具体限制，考虑到监测的准确性，优选地，多个传感器并联设置。

请参阅图2，在本实施例中，每个容纳室124与Y型进气管121通过独立的气体输送管125连通。该设置有利于准确测量挥发性有机气体中每种有害气体的含量。

需要说明的是，为了更好地模仿气流入人鼻，支管的轴线与气体输送管125的轴线的夹角成锐角或钝角。且为了让气体快速接触到传感器，优选地，气体输送管125靠近Y型进气管121的口径大于气体输送管125靠近传感器的口径。为了更好地模仿气流入人鼻，优选地，进气室122与进气通道110的最短的距离为30～50mm。

请参阅图2，容纳室124远离连接端的一侧开设有废气排气口(图中未标注)，废气排气口与排气管130连通，以方便废气排出试验箱120。

优选地，在本实施例中，还设置有抽吸装置170，抽吸装置170的设置方式不做具体限制，优选地，抽吸装置170设置在排气管130远离废气排气口的一端。抽吸装置170的设置有利于提高气体进入试验箱120以及排出试验箱120的速率，从而提高的检测速度。

如图2和图3所示，在本实施例中，还包括用于控制箱体温度的温控器180。在本实施例中，温控器180与试验箱120电连接，传感器阵列分别与工作电源140和数据采集卡150连接，数据采集卡150与连接信号处理及模式识别分析单元300，信号处理及模式识别分析单元300可以及时地对收集来的信息进行处理。

信号处理及模式识别分析单元300通过计算机软件编程可以实现对传感器信号的特征提取，特征数据的主成分分析、线性判别分析、人工神经网络等模式识别分析功能。信号处理及模式识别分析单元300与集成控制单元400电连接，集成控制单元400对喷涂过程产生的VOCs污染物进行监测，在污染物超标状态下保护动作，实现与VOCs处理系统的安全连锁控制。

需要说明的是，在本实施例中，数据采集卡150为A/D采集卡，作为更优选的方案，数据采集卡150可采用美国国家仪器(NI)公司的16位多功能数据A/D采集卡，A/D采集卡能够将调理电路输出的模拟量电信号转换为计算机可以处理的数字量。

请参阅图4，本实施例中的采样单元200包括用于对气体样本进行处理的冷凝器210、过滤器220和干燥器230。冷凝器210的进气端设置有供气体样本进入的进气管240，冷凝器210的出气端连通至过滤器220的进气端，过滤器220的出气端连通至干燥器230的进气端，干燥器230的出气端连通至嗅觉传感器阵列检测设备100中的进气通道110。

采集来的空气样本，首先在冷凝器210中冷凝，其中的水气冷凝成液体，并由冷凝器210的出液管道250排出。空气样本中的水分不仅会造成测试精度的降低，还会和空气样本中的酸性气体结合，从而对设备造成腐蚀，对空气样本进行除水十分必要。

除去水分后的空气样本由冷凝器210的出气端进入到过滤器220中，过滤器220主要对空气样本中的固体粉尘进行清除，固体粉尘容易吸附在传感器上，造成传感器的灵敏度下降，需要针对性地进行清除。

除去固体粉尘后的空气样本将由过滤器220的出气端进入到干燥器230中进行干燥，以进一步除去空气样本中的水分。本实施例的采样单元200通过冷凝器210、过滤器220和干燥器230对空气样本进行连续处理之后，空气样本中的干扰物质得到了有效的清除，有效提高测量的精度。

本实施例中，在干燥器230与嗅觉传感器阵列检测设备100之间还设置有抽气泵260和流量计270。抽气泵260可以让整个采样单元200处于负压状态，加速空气样本在采样单元200中的流动，提高整个采样单元200的采样效率。流量计270则可以对进入到嗅觉传感器阵列检测设备100的空气流量进行实施检测和控制，便于对检测过程的管控。

进一步地，本实施例还提供了一种有机污染物控制设备，包括有机污染物清除装置、分析控制系统和上述人工嗅觉装置10。分析控制系统分别与有机污染物清除装置和人工嗅觉装置10电连接。由人工嗅觉装置10采集来的有机污染物的浓度信息将直接传送至分析控制系统，分析控制系统对浓度值进行判断，当有机污染物的浓度超过阈值时，分析控制系统将控制有机污染物清除装置的运行，从而将有机污染物的浓度降低到阈值以下，以保证工作环境的安全。

综上所述，本发明提供了一种人工嗅觉装置，包括采样单元、嗅觉传感器阵列检测单元、信号处理及模式识别分析单元与集成控制单元。其中，采样单元的出气端与嗅觉传感器阵列检测单元的进气端连通，信号处理及模式识别分析单元分别与嗅觉传感器阵列检测单元和集成控制单元电连接。该人工嗅觉装置可以对气体样本进行实时采集，并将采集到的气体样品送至嗅觉传感器阵列检测单元，嗅觉传感器阵列检测单元识别信号后将信号传递至信号处理及模式识别分析单元进行分析并计算有机污染物的浓度，从而实现从样品采集、测试、分析建模到综合污染结果的快速检测过程，其结构设计合理，操作方便，工作效率高，能准确地监测喷涂挥发性有机污染物的污染程度，可以克服现有VOCs检测装置检测成分单一，成本高等缺陷，应用范围广泛。

本发明还提供了一种有机污染物控制设备，其包括上述人工嗅觉装置，该有机污染物控制设备可以通过人工嗅觉装置快速检测喷涂过程VOCs有机污染物的浓度，及时进行数据分析，并在检测到浓度超标时对有机污染物进行清除，保证作业环境的安全可靠。

以上所述仅为本发明的优选实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种人工嗅觉装置，其特征在于，包括采样单元、嗅觉传感器阵列检测单元、信号处理及模式识别分析单元与集成控制单元；所述采样单元的出气端与所述嗅觉传感器阵列检测单元的进气端连通，所述信号处理及模式识别分析单元分别与所述嗅觉传感器阵列检测单元和所述集成控制单元电连接。

2.根据权利要求1所述的人工嗅觉装置，其特征在于，所述采样单元包括用于对气体样本进行处理的冷凝器、过滤器和干燥器，所述冷凝器的进气端设置有供气体样本进入的进气管，所述冷凝器的出气端连通至所述过滤器的进气端，所述过滤器的出气端连通至所述干燥器的进气端，所述干燥器的出气端连通至所述嗅觉传感器阵列检测单元的进气端。

3.根据权利要求2所述的人工嗅觉装置，其特征在于，所述干燥器与所述嗅觉传感器阵列检测单元之间还设置有抽气泵和流量计。

4.根据权利要求1所述的人工嗅觉装置，其特征在于，所述嗅觉传感器阵列检测单元包括：

试验箱，所述试验箱内设置有Y型进气管和两个进气室；所述Y型进气管的一端延伸至所述试验箱的外侧并与进气通道连通，并通过所述进气通道与所述采样单元连通；

所述Y型进气管的远离所述进气通道的两端分别与两个所述进气室连通，所述Y型进气管与两个所述进气室的两个连接端均设置有电磁阀；

所述进气室内设置有多个容纳室，每个所述容纳室内设置有单个传感器，多个所述传感器并联设置并组成传感器阵列，多个所述传感器之间电连接；

每个所述容纳室与所述Y型进气管通过气体输送管连通，所述容纳室远离所述连接端的一侧开设有废气排气口，所述废气排气口处设置有用以将废弃排出到所述试验箱外的排气管。

5.根据权利要求4所述的人工嗅觉装置，其特征在于，所述Y型进气管包括干管和两个支管，所述干管与所述进气通道连接，两个所述支管分别与两个所述进气室连接，所述进气通道的轴线与所述干管的轴线呈锐角或钝角。

6.根据权利要求5所述的人工嗅觉装置，其特征在于，所述气体输送管的数量为多个，每个所述容纳室均通过一个独立的所述气体输送管与所述支管连通。

7.根据权利要求6所述的人工嗅觉装置，其特征在于，所述气体输送管靠近所述支管的口径大于所述气体输送管靠近所述容纳室的口径。

8.根据权利要求4所述的人工嗅觉装置，其特征在于，所述传感器阵列与数据采集卡连接，所述数据采集卡与所述信号处理及模式识别分析单元连接。

9.根据权利要求4所述的人工嗅觉装置，其特征在于，还包括用于控制箱体温度的温控器，所述温控器与所述试验箱电连接。

10.一种有机污染物控制设备，其特征在于，包括有机污染物清除装置、分析控制系统和包括如权利要求1～9任一项所述的人工嗅觉装置，所述分析控制系统分别与所述有机污染物清除装置和所述人工嗅觉装置电连接。