CN1085660A - 分析气样的方法，装置及其应用以及含该装置的测试设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用含有半导体传感器的分析装 置分析气体样品的方法，其特征是将传感器的输出信 号对时间求微分，并用其时间导数作为分析输出信 号。所述分析装置的特点是，传感器的输出被送到一 个微分单元，再将微分单元的输出送到一个数据分析 单元中。本发明还涉及一种测试设备，该设备带有上 述分析装置，并包括一个传送装有待测气体的塑料瓶 的传送装置；以及还涉及如何运用上述分析方法和装 置来分析依次快速传送出来的气体试样。

Description

本发明涉及一种利用包括至少一个半导体传感器的分析装置分析至少一个气体样品的方法，其特征是，使用该传感器的输出信号对时间求微分，并且其时间导数作为分析输出信号;本发明还涉及一种具有至少一个用于传感至少一种监测气体量的半导体传感器的气体样品分析装置，其特征是，该传感器的输出被送到一个微分单元，而该微分单元的输出被送到一个数据分析单元;本发明还涉及一种具有上述分析装置和一个以流水线形式传送其内部分体欲作为分析的气体样品的塑料瓶的传送装置的测试设备;本发明还涉及用于分析快速地依次传送来的气体样品的分析方法和分析装置的使用方法。

半导体气体传感器是公知的，例如由Figaro工程公司（Osaka/日本）生产和大量销售的产品。这种半导体气体传感器能够很容易地基于其小的体积而被直接插入装有气体样品的容器中，或者沿着一个气体样品从容器中流出的流动路线的任意一个地点分析该气体样品。可以通过设置多个这样的半导体气体传感器以及增加计算量来保证检测的可靠性。

目前，智能型半导体传感器，尤其是半导体气体传感器的应答时间间距比较长，即，当它的输入端有一个气体发生阶跃变化时，其输出端信号的变化类似于一个低通滤波器，并且该信号向着对应的终值变化比较缓慢。

这个在使用半导体传感器时未使用加速方法的情况下所存在的问题可以通过本发明的分析方法予以消除。本发明是利用包括至少一个半导体传感器的分析装置分析至少一个气体样品的方法，其特征是，进一步使用该传感器的输出信号对时间求微分，并且其时间导数作为分析输出信号。

因为，通常半导体气体传感器的输出信号随输出阻抗而发生变化，所以可以将输出阻抗随时间的变化这一特性用于分析。

由于半导体气体传感器的时间导数与输出信号所趋于的最大值相关，所以在输入端出现一个短时的气体浓度或材料变化后，可以由上述的导数求得分析信号。

由上述得出的另一点是，当一个半导体气体传感器收集有一个气体成分时，其输出信号趋于一个新的终值，这个气体传感器由于现在的“记忆”被先前测量的结果所掺混，因此需要分析一个进一步的气体样品。这将使一个拟定的气体传感器的工作周期被明显地减慢，因为必须要等到上述的气体分析的影响已经渐渐地消逝才能进行下一个测试。

上述的问题将通过使用本发明的用于分析快速地以流水线作业方式传输来的气体样品的方法来解决，其特征是，设置至少两组，而每一组均具有至少一个半导体传感器的装置，并且连续的气体样品被依次输送给每一组传感器装置，并调整输给每一组装置的时间，以使得其输出信号可以调到一个基值，若没有以上的装置工作周期将会加长。

为了净化有关的输入管道和半导体传感器本身，建议在一个气体样品输送到一个传感器之后，该传感器和配置的气体样品输入管道均需用一种气体进行冲洗，并且该输入管道在测量之后也需用气体冲洗。为此，需要提供一个气体冲洗装置，依据冲洗气体的种类和/或其沿传感器的流动，在传感器中产生一个类似于它对在上述的样品中的一个确定的气体部分的探测的调节那样的行为。因此一个这样的气体传感器需经过冲洗过程，在该时间内是无法用于样品测量的。

根据本发明的方法，建议冲洗气体的种类和/或与用于载运气体样品的气体相同种类的冲洗气体的流动，通过利用从冲洗状态到测量状态的转换或从测量状态到冲洗状态的转换，使这种转换在半导体传感器的输出端只有一个微小的信号变化。因此，“被经历过”一个转换，或更确切地说从测量周期到冲洗周期的转换的传感器不再被转换。

根据本发明的方法，气体样品借助于一种载运气体被输送到传感器，最好使用一种载运气体。并且使用该载运气体作为冲洗气体。

在解释上述半导体传感器，尤其是半导体气体传感器其“记忆”性能时，会产生这样一个问题，即，当一个或多个设定的半导体气体传感器探测一个高的气体压力时，其输出信号增大。对此，一个这样的传感器也需要相当长的时间以使之在其输出值上来回振荡。因此，如果这样一个欲用于作随后检测的半导体传感器未被重新准备好，则测量周期就要相应地延长，直至上述半导体传感器的测量准备重新达到才能作随后的测量。

为了防止这个问题，根据本发明的分析方法，对所设定的半导体传感器组的输出信号需重新检测，确定它们是否超过一个预定阈值。如果超过，则相应的装置组至少在紧接着随后的分析中不于以使用。那末，将使用一个另外的已经作好测量准备的半导体传感器组。

然后，需检验半导体传感器的输出信号的时间导数，它们是否超过预定的阈值，为此半导体传感器输出信号不必等到到达气体样品部分的相应的输出信号电平。

接下来，将气体样品按顺序输送到不同的半导体传感器组，例如，为了间歇地平衡地进行测量，在这种情况下宁可不一定非要一个测量周期测量，可以等到上述的过饱和的测量装置组重新又可以进行测量，这是完全可以根据本发明分析方法通过监测其输出信号确定下来的。在随后的测量周期期间，对其它的装置组无损害地进行操作。该分析方法的特征在于，最好在求微分之前检测该装置组的输出信号，知道该信号是否及何时它们又低于一个预定阈值，并且在此之后该相应的装置组被重新启动用于分析。

下面将结合附图所示的实施例对由权利要求12至21所限定的一个本发明的分析装置作进一步的说明。

在权利要求22中所限定的具有本发明的分析装置的一个本发明的测试设备也将结合随后的实施例进行说明。

利用一个设定的输送装置用于流水线上塑料容器的传输，并且借助于该输送装置，每一个瓶子可以快节奏地被分析装置测试，这与抽样检验不同，它是逐个检验，尤其对食品容器的再使用有关，出于安全的原因，不合格的不可再使用。

本发明将结合由附图所示的，以及其实施例加以说明。其中，

图1是一个根据本发明的工作方法和本发明的具有半导体传感器，尤其是半导体气体传感器的分析站的信号流及其功能块的示意图。

图2a是一个半导体气体传感器在冲洗气体/测试气体周期的响应性能的定性示意图。

图2b是一个半导体气体传感器的匹配性能示意图。

图3是根据本发明的分析站其一个优选的气体样品取样单元的示意方框图。

本发明涉及的是有关借助于气体样品来检验空容器的污染状况的 问题。例如，生产出的塑料瓶为了被重复使用，如，它们在原有装灌物（如矿泉水、鲜果汁等）倒空后的两次使用，这种使用存在着一个很大的不安全性。众所周知，例如在家庭生活中，通常使用一些已经装灌过的容器，例如装灌肥皂水，植物保护药物，发动机润滑油，酸，酒精、汽油等等材料的容器。这些材料被贮存在容器中，通过一个新的原有装灌物的加入，使该容器又一次重新被使用。因此，必须考虑，新装入的装灌物是否会带有一种形成破坏味道的污染物质，或者还需考虑，一种新的装灌物的加入是否会造成对健康有害的污染，如果会造成，则这样的容器不可重新使用。

因此，必须探测，在容器中是否存在，以及存在哪一种剩余污染，以便能够对容器作出相应的选择，即，是对一个新的原有装灌物不能再使用的，还是例如对容器进行一种特殊的净化处理，然后可以毫无顾虑地重新作为装灌容器。

在某种情况下，一个容器的装灌物可能已经受到污染，从而在其上的空气也被污染。本发明能够应用在此情况下，包括在一个已经装灌的容器的情况下进行探测。

迄今令人感兴趣的有关的分析技术是借助于半导体传感器，例如用于气体的红外吸收测量的红外半导体传感器，尤其是借助于直接探测气体样品中的气体组分的半导体气体传感器。用于红外吸收测量为半导体传感器所特有，例如由Kohl传感器工程公司（70w    Barham    Avenue，美国Samta    Rosa）大量销售的产品。这里特别感兴趣的是由Figaro工程公司（Osaka/日本）大量销售的半导体气体传感器。

这种半导体元件使用中一个存在的问题是，它的应答间距慢，如同被作为气体样品的受污染的气体流经过那样，在该传感器的输入端产生一个污染脉冲，或更确切地说产生一个气体部分脉冲。因此使半导体传感器的输出信号产生一个相当缓慢的趋向其最大值的上升，而在此之后又产生一个输出信号相应的缓慢下降。

这个问题也会在其它的测量技术，例如在用半导体红外传感器进行红外吸收测量时会出现。为此，随后的说明也对此有效。

如图1所示，每一组具有至少一个半导体传感器HL的装置组60a，60b及60c，在伴随着之后附带产生的污染后，它们的输出信号趋向于相应的最大值A_max的时间比较长。

现在，为了缩短测量周期时间，当运行着的最大输出信号值A_max变大时，将使用提高输出信号值的措施。因此，如图1中所示的传感器其输出信号不直接作为被测量参数，而是取其时间导数作为被测量参数用于统计分析。

对此，半导体传感器的变量是其阻抗，相当于阻抗变化曲线A。

进一步，为了使其输出值重新达到最大值，传感器的输出信号所需的时间间隔随运行着的最大值A_max的增高而变长。为了使测量周期时间仍然能够不依赖时间间隔而迅速地缩短，根据图1，使用两个或更多个这样的传感器，或更确切地说是传感器组，例如将它们用于循环的，进行随后的气体样品分析。所需的控制可以通过一个控制单元，例如具有一个通过控制输入端G控制流动转换开关59的循环寄存器62的控制单元来进行。最好应鉴测，怎样结合比较单元64，是否会使传感器或确切地说传感器组的输出信号达到一个不允许的高数值，然后其中一个传感器或一个传感器组在一个周期中某一个预定时间t内被断开。因此，至少需有一个预定的半导体传感器的传感器组60a，b，……将被用于随后的气体样品G的顺序探测。

在比较单元64，将传感器的输出信号或更确切地说是其时间导数与一个预定阈值进行比较，以使得将一个用于经预定长度随后的气体样品测量周期的相应的传感器或传感器组设置在现场之外。

如图中虚线所示，在这种情况下，如同具有一个另外的监测用的比较器64，和作为例子所示的传感器组60c，必须保持输出信号数值A按照瞬时的输出信号数值确定的时间间隔，在此期间一个半导体传感器组可设置在现场之外。换言之，当输出信号数值低于比较单元65的固定阈值时，首先使得一个这种传感器组在现场重新可测量。

进一步的问题是，在使用半导体气体传感器或使用另一种辐射半导体传感器，如用于红外吸收测量的传感器时，为了使随后的上述测量起伏为极小值，为此，一方面需要冲洗用于样品气体G的输送管道和其中设置传感器的外壳，另一方面这种半导体传感器受一个冲洗气体的流动作用会带有一个如图1所示的附加的输出信号。这将意味着，当这种半导体传感器被冲洗时，尤其是用气体，最好是用净化的空气冲洗时，它们必须在冲洗之后在现场保持一个与在一个测量周期之后同样长的时间，即，必须将图1中所示的通过预定的半导体传感器组的空气保持加倍的时间。

图2a是关于时间轴t的一个用斜影线表示的冲洗气体流动S，以及用虚线表示的一个半导体气体传感器的输出信号A的变化曲线的定性示意图。在图中可见，伴随着测试气体输送G，输出信号逐渐变为零，用于监测的半导体传感器可以开始一个新的测量周期。但是出于节约时间的原因，倾向于测量周期取决于冲洗周期，并且冲洗周期也取决于测量周期。

根据与图1有关的图2可见，本发明可以是，测试气体流动G和具有流动控制机构的冲洗气体流动S，如图1中由V_G和V_S所示的，他们可以互相调节，以使半导体传感器经历一个基本上连续的恒定的流动。为此，最好由一种载运气体的流动来产生测试气体的流动，该载运气体来源于已经检验容器的气体。最好使用与作为载运气体的同样的气体为冲洗气体，例如最好使用对于二者都适用的经过干燥和净化的空气。若不使用相同的气体进行冲洗和作为载运气体，可以通过测试气体G和冲洗气体S的流动比率的变化，在宽的限度范围内来补偿不同气体种类的影响。

在图2b中表示，采用未被污染的同一种气体作为载运气体和冲洗气体的冲洗周期S，测量周期为G，然后经一个测量周期G载运气体被污染。在对半导体输出信号监测下需进行平衡，通过这种平衡，随后的冲洗气体/载运气体，或更确切地说未被污染的测试气体的周期，在半导体气体传感器输出端基本上没有输出信号或如果有的情况下，会显现一个基本上随时间恒定的输出信号。对此，在上述意义下，连续地测试和冲洗是可能的。

载运气体的使用，将随之需要，例如在图3所示的使一个载运气体箱70与位于一个输送装置72上的容器71的连接，例如可以借助于密封连接件来连接。利用一个气泵76可以同时输送载运气体和贮存在如图中78所示的测量装置的容器内的气体。显然，也可以使用将载运气体作为泵气体的喷水泵来输送气体。

载运气体作为冲洗气体的使用是一种最简单的方式，通过这种方式设置一个可控制的换向阀V_GS，在冲洗阶段使容器与管道跨接。

Claims (24)

1、一种利用包括至少一个半导体传感器的分析装置分析至少一个气体样品的方法，其特征在于，该传感器的输出信号对时间求微分，并且进一步使用其时间导数作为分析输出信号。

2、根据权利要求1所述的用于分析快速地以流水作业方式传输来的气体样品的方法，其特征在于，设置至少两组传感器组，而每一组均具有至少一个传感器装置，并且由每一组传感器装置是顺序地分析连续的气体样品。

3、根据权利要求2所述的方法，其特征在于，设置有多于两组的传感器装置。

4、根据权利要求1至3的任何一个权利要求所述的方法，其特征在于，在一个气体样品输送到一个传感器后，该传感器和所配置的样品输入管道被一种气体冲洗。

5、根据权利要求1至4的任何一个权利要求所述的方法，其特征在于，该气体样品借助于一个载运气体被输送到该传感器。

6、根据权利要求4和5所述的方法，其特征在于，该载运气体及冲洗气体和/或载运气体的流动，及该冲洗气体的流动在该传感器的区域被互相调节，以使得通过从载运气体的供给到冲洗气体的过渡时，该传感器的输出端基本上没有出现信号变化。

7、根据权利要求6所述的方法，其特征在于，该载运气体被用作冲洗气体。

8、根据权利要求3至7的任何一个权利要求所述的方法，其特征在于，检测该装置组的分析输出信号，是否它们超过一个预定的阈值，如果超过，则相应的装置组在一个给定的最好是从超过该阈值时算起的时间间隔内停止工作。

9、根据权利要求8所述的方法，其特征在于，该装置的输出信号最好在求微分之前被检测，是否及何时它们又低于一个预定的阈值，并且在此之后该相应的装置被重新启动用于分析。

10、根据权利要求1至9的任何一个权利要求所述的方法，其特征在于，该半导体传感器是一个直接传感气体样品中的气体组分和其浓度的半导体气体传感器。

11、根据权利要求5所述的方法，其特征在于，选择空气作为载运气体。

12、具有至少一个用于传感至少一种检测气体的量的半导体传感器的气体样品分析装置，其特征在于，该传感器的输出被送到一个微分单元（61），该微分单元（61）的输出（Am）被送到一个数据分析单元。

13、根据权利要求12所述的装置，其特征在于，该装置设置两组传感器，每一组均具有至少一个传感器的装置（60a，60b），和一个将该气体样品分别输送给该装置组的具有一个可控制的流动开关装置（59）的输入管道（G），借助于该开关装置，可以有选择地将该气体样品输送给该装置组，此外还设置有一个脉冲单元（62），它以这样一种方式控制该流动开关装置（59），以使得该装置组交替地接受来自流水作业线的气体样品的气流冲击作用。

14、根据权利要求13所述的装置，其特征在于，设置有多于两个顺序接受气体样品的气流冲击作用的装置组（60a，60b，60c）。

15、根据权利要求13或14所述的装置，其特征在于，冲洗气体（S）输入管道通过可控制的开关装置（59）与气体样品输入管道相连接，并且该脉冲装置（62）在控制一个流动开关装置（59）将一个装置组与一个气体样品（G）的输入管道接通后，控制该开关装置将该装置组与冲洗气体（S）的输入管道接通（S′）。

16、根据权利要求12至15的任何一个权利要求所述的装置，其特征在于，设置有一个载运气体源（70），它与一个用于贮存气体样品的容器（71）和用于输运气体样品（G）的输入管道相连接。

17、根据权利要求15或16所述的装置，其特征在于，控制机构（V_G，V_S）设置在用于气体样品（G）和/或冲洗气体（S）的输入管道上，以调节进入各自的装置组的来自这两个输入管道的气体的流动比率。

18、根据权利要求16或17所述的装置，其特征在于，用于该冲洗气体（S）的输入管道与一个冲洗气体源（70）相连接，该气体源（70）释放同样的气体作为载运气体。

19、根据权利要求14至18任何一个权利要求的所述装置，其特征在于，该装置组（60）的微分单元（61）的输出送到一个阈值传感单元（64），该阈值传感单元的输出作用于脉冲单元（62），并且通过该脉冲单元和流动开关装置（59），假如该装置组的微分单元的至少一个输出超过该阈值时，则在一个预定时间间隔内关断对一个装置组的该气体样品的输入管道。

20、根据权利要求19所述的装置，其特征在于，该装置组的输出送到另外一个阈值传感单元（65），并通过该阈值传感单元（62）和流动开关装置（59），在该装置组的输出低于另一个阈值传感单元的阈值时，重新接通对该关断的装置组的气体样品的输入管道。

21、根据权利要求12至20的任何一个权利要求所述的装置，其特征在于，该半导体传感器是一个直接传感气体样品中气体组分和其浓度的半导体气体传感器。

22、一个测试设备，具有一个如权利要求12至21的任何一个权利要求所述的分析装置和一个以流水作业形式传送其内部气体作为要被分析的气体样品的塑料瓶的输送设备。

23、根据权利要求1至11的任何一个权利要求所述的方法，或更确切地说根据权利要求12至21的任何一个权利要求所述的装置的使用方法，用于分析快速地以流水作业方式传送来的气体样品。

24、根据权利要求23所述的使用方法，用于分析以流水作业方式快速地传送来的在其被装灌饮料之前的塑料瓶。

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