发明内容

本发明为了解决上述技术问题，提供一种用于流动观测分析的便携式氦气分析仪及其检测方法，其检测量程宽，灵敏度高，无需使用高纯气体作为载气，体积小，功耗低，特别适用于野外流动观测，携带方便，重量轻，可用于断层、断裂带、地质气藏勘测。

本发明的上述技术问题主要是通过下述技术方案得以解决的：本发明的一种便携式氦气分析仪，包括一个可携带的壳体，壳体上设有显示单元、按键单元、进气口与出气口，壳体内设有三通电磁阀、色谱模块、热导检测器、采气泵、主控电路及为整个便携式氦气分析仪供电的蓄电池；进气口和三通电磁阀的公共口相连，三通电磁阀的第一出气口经色谱模块和热导检测器的测量池进气口相连，三通电磁阀的第二出气口和热导检测器的参比池进气口相连，热导检测器出气口经采气泵和出气口相连，显示单元、按键单元、三通电磁阀、色谱模块、热导检测器、采气泵分别和主控电路电连接。本技术方案无需使用高纯气体作为载气，不仅可以有效检测和分析出氦气的含量，而且体积小、重量轻，携带方便，特别适用于野外检测和分析。

作为优选，所述的色谱模块内部设有波浪形气道，波浪形气道呈若干个连续的蛇形弯曲设置，波浪形气道底部为硅基片，硅基片的背面设有加热电极和控温电极，波浪形气道内填充多孔碳纳米管形成色谱柱，波浪形气道的进气口和所述的三通电磁阀的第一出气口相连，波浪形气道的出气口和所述的热导检测器的测量池进气口相连，加热电极、控温电极分别和所述的主控电路电连接。波浪形气道弯曲成相邻的凹凸结构形成蛇形弯曲，通过改变并延长气流路径以降低色谱柱的长度，色谱柱内多孔碳纳米管增加了色谱柱内表面积，使色谱柱由传统的长度为5m的结构减小为微型色谱模块，成为色谱芯片，芯片面积不超过6cm²。多孔碳纳米管的内部结构为极细微的孔洞，使得气体在经过色谱柱时由于热动力造成不同成分的气体分离，充分分离气体中的氦气与其他组分的气体，增加氦气与其他成分气体的分离时间，可达到5秒间距，使得采样气体中的氦气得到有效分离，并使分离出的氦气最先从色谱模块流入热导检测器。主控电路通过PID控制方式，接受控温电极的反馈并控制加热电极的加热温度。

作为优选，所述的热导检测器包括对称设置的测量池和参比池以及信号处理电路，测量池内设有测量电极，参比池内设有参比电极，所述的测量池进气口设在测量池上，所述的参比池进气口设在参比池上，测量池、参比池均与所述的热导检测器出气口连通，测量电极、参比电极分别和信号处理电路相连，信号处理电路和所述的主控电路电连接。由色谱模块最先分离出的氦气进入测量池，测量电极有变化信号，样本气体进入参比池，参比电极有变化信号，信号处理电路采用恒流源和差压采集电路获取测量电极与参比电极的信号形成电桥输出信号，经差压信号处理，再经A/D转化、降噪等处理后将信号传输至主控电路，经主控电路计算得到待检样本气体中的氦气浓度，并进行显示和存储。

作为优选，所述的测量池和参比池的底部均是单晶硅基底，单晶硅基底上设有通过深刻蚀技术刻蚀形成的梳形气道，测量电极及参比电极位于梳形气道上方，均为通过溅射在高硼硅玻璃上的Pt-Au合金并通过光刻形成的热敏梳状电极。使得气体充分在电极表面流过，从而提高热导检测器的灵敏度。

作为优选，所述的便携式氦气分析仪，包括流量稳定模块，所述的采气泵经流量稳定模块和所述的出气口相连。使得采集的样本气体流量稳定。

作为优选，所述的主控电路包括中央处理单元及分别与中央处理单元相连的驱动单元、数据存储单元，驱动单元分别和所述的三通电磁阀、色谱模块、采气泵相连，所述的热导检测器和中央处理单元相连。通过按键单元对氦气分析仪下达操作指令使得三通电磁阀和采气泵得到有效控制，从而有效控制样本气体采集数量；通过驱动单元控制色谱模块加热温度，确保色谱模块有效分离出样本气体中的氦气成分并使氦气最先进入热导检测器的测量池中；热导检测器的测量电极与参比电极的电量信号，通过采用恒流源和差压采集电路输出为差压信号，信号经A/D转化、降噪等将信号传输至中央处理单元进行计算处理，并在数据存储单元中进行存储，在显示单元中进行显示，形成良好的人机交互。

本发明便携式氦气分析仪的检测方法，包括下列步骤：

①所述的主控电路接收工作人员的操作命令，启动所述的采气泵，控制所述的三通电磁阀切换到连通公共口和第二出气口，气体从所述的进气口流入，经三通电磁阀流入所述的热导检测器的参比池进气口，再从热导检测器出气口流出，最后经所述的采气泵从所述的出气口流出，热导检测器中的信号处理电路捕集参比电极的电阻变化信号；

②所述的主控电路控制所述的色谱模块快速升温，控制三通电磁阀切换到连通公共口和第一出气口，气体从所述的进气口流入，经三通电磁阀流入所述的色谱模块，然后气体的各组分以不同时序从色谱模块排出，再流入所述的热导检测器的测量池进气口，再从热导检测器出气口流出，最后经所述的采气泵从所述的出气口流出，热导检测器中的信号处理电路捕集测量电极的前T秒的电阻变化信号；

③信号处理电路将参比电极的电阻变化信号和测量电极的电阻变化信号进行差压信号处理，输送给主控电路，经主控电路计算得到氦气浓度，显示在液晶屏上，并进行存储。

本发明的有益效果是：色谱模块和热导检测器均为微型芯片级结构，壳体内各部件之间结构紧凑，各器件之间气路连接较短，使得整体体积较小，极大的缩小了仪器的体积，采用蛇形弯曲的色谱柱及通过填充多孔碳纳米管，使色谱柱的体积缩小成芯片大小，充分拉开氦气与其他组分的气体之间的波峰，通过热导检测器的参比电极测量混合气的热敏电阻变化，不仅消除了环境温度、气压、湿度对热敏电阻的影响，同时省去了高纯气体作为载气，本发明检测量程宽，检测灵敏度较高，体积小，功耗低，重量轻，便于携带与运输，适用于各种野外流动观测。