基于光谱法的甲醛浓度检测系统设计与实现

程望斌,周海燕

(1.湖南理工学院 信息与通信工程学院,湖南 岳阳 414006;2.岳阳职业技术学院 临床医学系,湖南 岳阳 414000)

基于光谱法的甲醛浓度检测系统设计与实现

程望斌1,周海燕2

(1.湖南理工学院 信息与通信工程学院,湖南 岳阳 414006;2.岳阳职业技术学院 临床医学系,湖南 岳阳 414000)

为了快速有效地检测甲醛污染程度,设计了一套甲醛浓度检测系统.该系统是基于酚试剂分光光度法原理,采用光谱法进行甲醛浓度检测.检测系统主要包括前置放大滤波电路、A/D转换电路及数据采集和发送电路.本文对甲醛浓度检测原理和检测方法进行了研究,推导了相关检测公式,并进行了甲醛浓度检测实验.结果表明:通过所设计的系统,可直接测出甲醛分析液的透射光光谱,从而得出相应的甲醛浓度.

甲醛;浓度检测;吸光度;光谱分析

引言

随着各类化学材料在室内装饰、装修上的广泛应用,产生了以甲醛为主要污染物的室内污染.当甲醛含量为0.1mg/m3时,就有异味和不适感.浓度再高可引起恶心、呕吐、咳嗽、胸闷、气喘甚至肺气肿.当含量达到 30mg/m3时,便可致人死亡.居室空气中甲醛的最高容许浓度为 0.08mg/m3.室内空气质量(Indoor Air Quality,即IAQ)与人们的健康生活息息相关,因此需要对空气中的甲醛含量进行准确检测[1].传统的甲醛浓度检测方法主要有[2]:气相色谱分析法、乙酰丙酮分光光度法和酚试剂分光光度法.本文采用的甲醛浓度检测方法是:基于酚试剂分光光度法原理,利用光谱检测系统进行光谱检测和光谱分析,通过检测甲醛分析液的浓度,得到空气中的甲醛含量.

1 光谱检测系统总体结构

光谱检测系统由光学系统、信号采集和信号处理三大部分组成.其中,光学系统包括照射光源、待测分析液和色散装置,信号采集部分由光电探测、放大滤波和模数转换系统组成,信号处理部分由单片机系统、串口通信和显示判断系统组成[3].光谱检测系统总体结构如图1所示.

图1 光谱检测系统结构框图

2 光谱检测系统设计

2.1 色散装置

当一束复合光进入单色仪的入射狭缝,首先由光学准直镜准直成平行光,再通过衍射光栅色散为不同波长的单色光.利用不同波长离开光栅的角度不同,由聚焦反射镜再成像于射出狭缝.当光栅按顺时针方向旋转时,可在狭缝处得到光谱纯度很高的不同波长的单色光束,即单色仪起到了将入射的复合光分解成一系列独立单色光的作用.图2为光栅单色仪原理图.

图2 光栅单色仪原理图

2.2 光电探测器

单色光探测设备中,CCD采集系统只能探测到足够强的光信号,而光电倍增管可以探测到微弱光信号.由于甲醛分析液的透射光谱比较弱,故选用光电倍增管作为光电探测传感器,它可探测并接收到单色仪射出的某一确定波长的单色光,并对其进行放大.光电倍增管系统设计关键是驱动电路的设计.倍增管需要直流供电,倍增极电压相对阴极逐级升高,一般采用电阻链升压来供电.电路形式如图3所示.

图3 光电倍增管的RC偏置电路图

2.3 放大滤波电路

进入放大滤波电路的信号在放大前,利用前级放大器的高频滤波作用滤除信号中的高频噪声.由于光电倍增管的输出电压为毫伏级,采用两级放大电路将信号放大1000倍,变为伏特级的信号,使信号控制在0～5V之间,从而有利于接下来的信号处理.此处采用主放CA3140＋后级OP07,可满足检测要求.

2.4 AD转换电路

从滤波器出来的是放大了的模拟信号,需经AD转换后才能进入单片机并与计算机进行通信.单片机要存贮光电倍增管的信号不是很多,用带有内部数据存储器的单片机可以简化硬件电路,这里选择89C51单片机.由于要用手动单色仪来读取电压值,不需要AD转换器的速度,故用ADC0809就可以了.单片机的晶振为6MHz.

2.5 串口通信电路

直接RS232的数据通信只需要在单片机系统板上设置TTL-RS232电平转换电路,通过普通串行电缆与计算机串行口连接.电平转换芯片采用MAX232.

3 硬件电路系统设计

将光电探测器探测到的微弱信号进行采样,并进行低频信号放大和高频噪声滤波,再接上AD转换电路,这样才能与计算机进行串口通信.故硬件电路的设计主要是放大滤波电路＋AD转换电路＋串口通信电路.电路系统如图4所示.

图4 硬件电路系统总体框图

在图4中,经过甲醛分析液的透射光,被色散系统分光后,投射到光电探测器上,由光电倍增管进行光电转换并送出相应的模拟信息,接着信号被送入前置放大滤波电路进行信号放大和高频滤波,然后进入AD转换模块,把模拟信号转换成数字信号并送入单片机系统存储,与计算机进行串口通信,把数字信号送入计算机,最后由驱动程序将数字信号转换成光谱,显示在计算机上.分析反映吸光度的光谱图,可得各甲醛分析液的浓度和对应的室内污染程度.本文采用的色散装置是WDG30型光栅单色仪,并采用步进电机来控制单色仪波长的调节,使整个系统的精度和自动化水平进一步提高.

4 系统软件设计

系统软件设计了检测程序和控制程序,系统程序流程如图5所示.它具有自检、数据采集、数据计算、数据处理和数字显示等功能.具有把数字信号转换成光谱信号并显示在计算机上,即可显示反映吸收光谱强度的波形图的功能.

图5 系统程序流程

5 甲醛浓度检测实验

5.1 光谱检测实验及结果分析

实验条件[4]:显色温度为25～30℃ ,显色时间为15～60min ,显色剂用量:足量或过量 ,显色液pH值为3～5.甲醛分析液在550nm～660nm之间有比较明显的吸收光谱,因此选用溴钨灯做照射光源.

5.1.1 标准甲醛液分析液实验

(1)标准甲醛分析液光谱实验

在同一检测系统中,分别对不同浓度的标准甲醛分析液进行光谱检测[5].对应光谱图如图6所示.从上到下五条光谱曲线对应的甲醛分析液浓度分别是:2.0 、1.5 、1.0 、0.5 和 0μg/5ml.

(2)标准曲线的绘制

在630nm波长处测定各管溶液的相对吸光度,用光谱图上显示的相对吸光度减去空白试剂(甲醛含量为0μg/5ml的分析液)对应的吸光度,即得各标准甲醛分析液的绝对吸光度.数据见表1.

图6 甲醛分析液光谱

表1 甲醛标准系列吸光度

以甲醛分析液浓度为横坐标(用x表示),绝对吸光度为纵坐标(用y表示),用描点法绘制溶液吸光度与甲醛含量的关系曲线,得关系曲线为直线.

设最佳逼近直线方程为y=ax+b.由最佳逼近曲线的计算方法,可得待定系数分别为

故得最佳逼近直线方程为y=0.421448x+0.05358.

以最佳逼近直线的斜率倒数作为样品测定的计算因子Bg,可得

5.1.2 采样甲醛液分析液实验

(1)采样甲醛分析液的配置

先在检测点获取一定体积的气体样品,按标准甲醛分析液的配置方法可得不同配置的采样甲醛分析液.在同一检测设备上测定采样甲醛分析液的吸光度,并在相同条件下测定空白溶液的吸光度.

(2)实验计算结果

空气中甲醛浓度(单位为mg/m3)为

其中A为采样甲醛液的吸光度,A0为空白溶液的吸光度, ΔA=A-A0为绝对吸光度,计算因子Bg的单位为 μg/吸光度,V0为换算成标准状态下的气体体积(L).因此,要检测出甲醛含量,只需按要求配制采样甲醛分析液,并按实验方法测定采样甲醛分析液的吸光度A和对应空白分析液的吸光度A0.

5.2 光谱检测实例分析

常温下(20℃),用内装5ml吸收液的多孔玻板,以0.5L/min流量,在室内不同角度采气10L,设大气为一个标准大气压.可得采样气体的标准化体积为9.32L.

以我国规定的居室空气中甲醛最高容许浓度0.08 mg/m3作为空气质量好坏的临界值,代入公式(1)中,可得对应的绝对吸光度为

因此,在对采样甲醛分析液进行光谱检测时,只要测定绝对吸光度ΔA,并进行比较,如果其差小于0.314,则被测点甲醛含量在安全范围内;反之,甲醛含量超标.

6 结束语

光谱法检测甲醛浓度,其基本思想方法是:先对标准甲醛分析液进行检测,得到透射光光谱图和最大吸收光谱强度所对应的光谱波长,进而得出光谱强度与甲醛分析液浓度的确定关系;同时,在同一检测系统中,再对采样甲醛分析液进行检测,获得最大吸收光谱强度,代入通过标准甲醛分析液得出的光谱强度与甲醛分析液浓度的关系式中,从而得到室内空气中甲醛的含量.本文设计的光谱检测系统,不仅可以对空气中的甲醛含量进行检测,对食品、耗材等物质中甲醛含量检测同样适用,具有广阔的应用市场和使用价值.

[1]佘 慧,庞志亮.室内装饰装修材料的甲醛污染检测与控制[J].检测与管理,2007,(7):136～137

[2]胡 春.酚试剂分光光度法测定室内空气中的甲醛浓度[J].工程质量,2002,15(11):20～21

[3]程望斌,陈 进,陈 娟,等.光谱检测技术在甲醛浓度检测中的应用[J].牡丹江大学学报,2010,19(9):131～136

[4]杨玉华,李利军,刘延东.酚试剂分光光度法测定空气中甲醛浓度的影响因素[J].化学建材,2005,21(3):9～11

[5]程望斌,黄 鹰.光谱法测定室内空气中甲醛浓度[J].应用光学,2007,28(1):105～108

Design and Implementation of Formaldehyde Concentration Detection Based on Spectroscopic Technology

CHENG Wang-bin1, ZHOU Hai-yan2
(1.College of Information and Communication Engineering,Hunan Institute of Science and Technology,Yueyang 414006 China ;2.Department of Clinical Medicine,Yueyang Vocational Technical College,Yueyang 414000 China )

In order to detective formaldehyde pollution effectively and quickly,a set of system for formaldehyde concentration detection has been designed.Based on the principles of MBTH spectrophotometer,the formaldehyde concentration can be acquired by way of spectroscopic technology.The detection system mainly includes amplify filtering circuit,analogy and digital conversion circuit,data collecting and transmitting circuit.The principles and methods for formaldehyde concentration detection are studied,some detection formulas are deduced,and some experiments are carried out.The research results show that the designed weak light detecting system can probe the transmission spectrum about the formaldehyde liquor,with which the formaldehyde concentration can be educed.

formaldehyde;concentration detection;absorbance;spectroscopic analysis

O657.3

A

1672-5298(2011)01-0055-04

2010-12-03

湖南理工学院校级科研计划资助项目(2009Y13)

程望斌(1979− ),男,湖北崇阳人,硕士,湖南理工学院信息与通信工程学院讲师.主要研究方向:光电子技术、感应无线技术