一種嗅覺模擬儀器和特定物質氣（嗅）味等級現場分析方法
【專利摘要】本發(fā)明一種嗅覺模擬儀器和特定物質氣（嗅）味等級現場分析方法，特點之一，測試箱集成了氣敏傳感器陣列恒溫工作室、計算機和自動進樣系統；特點之二，250毫升樣品瓶和25毫升被測樣品使氣—液比達9:1；特點之三，并聯電阻絲各半周纏繞產生45瓦功率使樣品和頂空揮發(fā)氣加熱到80℃僅需8分鐘，恒溫30分鐘；特點之四，以25毫升100ppm乙醇水溶液在250毫升樣品瓶內產生標準參考氣，據此及時對氣敏傳感器校正；特點之五，頂空采樣流量500毫升/分鐘，采樣時間30秒，氣敏傳感器響應信號經低通濾波和降維預處理；特點之六，建立數據庫，嗅覺模擬儀器對特定物質—膠粘劑、石油蠟、皮革、甘油、食用植物油氣（嗅）味進行現場檢測、等級預測和識別。
【專利說明】一種嗅覺模擬儀器和特定物質氣(嗅)味等級現場分析方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明一一種嗅覺模擬儀器和特定物質氣(嗅)味等級現場分析方法，涉及計算機、精密測量、自動控制、精密機械、分析化學、應用數學領域，主要解決膠粘劑、石油蠟、皮革、甘油、食用植物油這些特定物質的氣(嗅)味等級現場分析問題，包括被測樣品及頂空揮發(fā)氣精密高溫恒溫、大容量頂空揮發(fā)氣產生、最佳液一氣比、大流量精密自動頂空采樣、信號預處理、特征選擇與提取、氣(嗅)味定量分析問題。
【背景技術】
[0002]本發(fā)明的應用對象主要為膠粘劑、石油蠟、皮革、甘油、食用植物油(芝麻油除外)、部分香料香精，稱之為淡氣(嗅)味物質。這些物質的共同特點是，(I)在自然狀態(tài)下無氣味或氣味微弱；(2)氣(嗅)味質量等級或分為O、1、2、3、4級或分為1、2、3、4級；一般地，等級數越小，氣(嗅)味越弱；(3)氣(嗅)味質量等級目前靠人的感官(嗅覺)決定。
[0003]本發(fā)明一一種嗅覺模擬儀器和特定物質氣(嗅)味等級現場分析方法主要用于膠粘劑、石油蠟、皮革、甘油、食用植物油這些呈微弱氣味物質的氣(嗅)味質量與關鍵成分濃度預測、以及識別(包括產地和工藝判斷)。
[0004]石油蠟是一種廣泛用于各行各業(yè)的石油副產品。石油蠟可以按多種方法進行分類。熔點在45-60°C之間且25°C時針入度低于20(0.1mm)的石油蠟被稱為硬蠟，熔點低于45°C的稱為軟蠟。我國全精煉蠟、半精煉蠟、粗石蠟基本屬于硬蠟范圍，主要有52、54、56、58、60、62、64、66、68、70等牌號。根據精制程度，石油蠟分為粗石蠟、半精煉蠟、全精煉蠟和食品蠟。精制程度越深，其顏色越淺，產品質量越好，生產成本越高。根據外觀形態(tài)，石油蠟分為液體蠟和固體蠟。含油量大于6%的石油蠟稱為含油蠟。
[0005]石油蠟嗅味由原油性質和精制深度有關的呈味雜質所致。呈味雜質主要來源于原油芳烴殘留；含硫、含氮和含氧化合物；溶劑殘留(酚及其縮合物、甲苯和酮類)；高溫氧化或裂解生成物以及混入的輕質煤油餾分等。食品、藥品及其包裝用蠟若有氣味不僅影響味道，而且嚴重危害人體健康，所以，很多石油蠟產品，尤其是食品和藥品用蠟，嗅味強度是其中一項重要質量指標。
[0006]我國現行石油化工行業(yè)標準SH/T0414-2004《石油蠟嗅味試驗法》等同采用美國試驗與材料協會標準ASTM D1833-1987(1999)《石油蠟嗅味試驗法》(英文版)。石油蠟嗅味強度等級依次為:0級一無嗅味；1級一嗅味輕微；2級一嗅味中等；3級一嗅味強；4級一嗅味很強，如表I所示。
[0007]石油蠟嗅評試樣(樣品)制備過程是，用表面光潔度好的刀具或其它容易擦干凈的 表I，石油蠟嗅味等級與描述
【權利要求】
1.一種嗅覺模擬儀器，其特征是，包括測試箱和頂空揮發(fā)氣發(fā)生裝置；用戶自備潔凈空氣和顯示器；實現對膠粘劑、石油蠟、皮革、甘油、食用植物油的氣(嗅)味現場檢測和等級評定； 所述的測試箱包括氣敏傳感器陣列恒溫工作室、精密自動進樣系統、計算機?’氣敏傳感器陣列恒溫工作室內固定著16個TGS-8型氣敏傳感器組成的氣敏傳感器陣列，位于測試箱右上方；精密自動進樣系統包括自動進樣升降單元和自動頂空進樣單元，位于測試箱右下方；計算機包括主板、數據采集卡、直流穩(wěn)壓電源、控制模塊、硬盤、網卡和顯卡，位于測試箱左側； 所述的頂空揮發(fā)氣發(fā)生裝置包括玻璃樣品瓶、電阻加熱絲、導熱層、隔熱層、溫度傳感器、杯蓋、硅橡膠密封片、電纜；頂空揮發(fā)氣發(fā)生裝置與測試箱通過電纜相連接；玻璃樣品瓶容積250毫升，液態(tài)或固態(tài)樣品量20~25毫升，但皮革樣品為100毫米X65毫米，產生:225~230毫升頂空揮發(fā)氣；樣品及其頂空揮發(fā)氣在80±0.1°C狀態(tài)下恒溫20~30分鐘； 氣敏傳感器陣列恒溫工作室通過氣體管道與精密自動進樣系統相連接；氣敏傳感器陣列恒溫工作室和精密自動進樣系統通過電路與計算機相連接；頂空采樣時，在精密自動進樣系統作用下，玻璃樣品瓶內的頂空揮發(fā)氣以500毫升/分鐘的流量進入氣敏傳感器陣列恒溫工作室，頂空采樣時間30秒，氣敏傳感器陣列因此產生敏感響應，經低通濾波和降維預處理后，計算機現場給出被測物質氣(嗅)味質量等級、關鍵成分含量及類別。
2.根據權利要求1所述的嗅覺模擬儀器，其特征是，設定40°C、IOOppm的25毫升乙醇水溶液在250毫升玻璃樣品瓶內產生的頂空揮發(fā)氣為標準參考氣；標準測試條件是，頂空采樣流量500毫升/分鐘，頂空采樣時間30秒；一個氣敏傳感器i第一次使用時在標準測試條件下對標準參考氣的初始穩(wěn)態(tài)電壓響應值V^haml(O)被記錄下來；經過一段時間后，這個氣敏傳感器對標準參考氣的穩(wěn)態(tài)電壓響應ViIthaml (t)與ViIthaml (O)的相對誤差P 1-rth_= I Vi^ethanol (O) -Vi^ethanol (t) I /Vi^ethanol (O)超過5.0%時應予更換；新的氣敏傳感器選擇標準是其與同型號舊的氣敏傳感器對標準參考氣的穩(wěn)態(tài)電壓響應相對誤差不超過5.0%。
3.根據權利要求1所述的嗅覺模擬儀器，其特征是，每三天，依各個氣敏傳感器在標準測試條件下對標準參考氣的響應變化進行一次標定和修正；設第i個氣敏傳感器在標準測試條件下對標準參考氣的第一次和當前的穩(wěn)態(tài)電壓響應分別是Vhthamjl (O)和Vhthaml (t)，相對誤差為
4.根據權利要求1所述的嗅覺模擬儀器，其中所述的頂空揮發(fā)氣發(fā)生裝置的玻璃樣品瓶凈容積250毫升，一次性使用。
5.根據權利要求1所述的嗅覺模擬儀器，其中所述的頂空揮發(fā)氣發(fā)生裝置的導熱層厚度3毫米；一根芯直徑0.2~0.25毫米的電阻加熱絲沿導熱層半周以5毫米間距來回纏繞，兩根電阻加熱絲沿導熱層圓周因此形成并聯；加熱直流電壓36V，加熱功率40~45W ;液態(tài)或固態(tài)樣品及其頂空揮發(fā)氣在8分鐘內從常溫升到80°C，并在80±0.1°C狀態(tài)下恒溫20~30分鐘；恒溫過程是制熱過程。
6.根據權利要求1所述的嗅覺模擬儀器，其特征是，計算機主板、數據采集卡、控制模塊、氣敏傳感器陣列恒溫工作室和精密自動進樣系統集成在一個測試箱內，信號傳輸與控制線路短，環(huán)境噪聲干擾小，儀器體積小。
7.根據權利要求1所述的嗅覺模擬儀器，其特征是，膠粘劑、石油蠟、皮革、甘油、食用植物油的氣(嗅)味強度微弱，氣敏傳感器響應小，信噪比因之也較小；對氣敏傳感器響應信號進行快速Fourier變換(Fast Fourier Transform, FFT)低通濾波；對濾波后的氣敏傳感器響應信號選擇穩(wěn)態(tài)最大值、積分值、平均微分值作為特征分量；然后用主成分分析方法進行特征提取，作為被測樣品氣(嗅)味的數字化表示。
8.根據權利要求1所述的嗅覺模擬儀器，其特征是，用多個神經網絡模塊對多種物質氣(嗅)味進行定量分析；一個神經網絡模塊的結構為單輸出單隱層的，負責確定一種指定物質的氣(嗅)味等級；神經網絡模塊數與物質類別數一一對應。
9.采用權利要求1的嗅覺模擬儀器對多種膠粘劑、石油蠟、皮革、甘油、食用植物油進行氣(嗅)味等級分析方法，其特征是，包括以下步驟: (1)開機；儀器預熱30分鐘，在自動頂空進樣單元的抽吸作用下，環(huán)境空氣以6000毫升/分鐘的流量流經氣敏傳感器陣列；計算機將第30分鐘末氣敏傳感器陣列對環(huán)境空氣的電壓響應記為初始狀態(tài)； (2)樣品準備與恒溫；操作人員先將被測樣品移入玻璃樣品瓶內，然后將玻璃樣品瓶放入頂空揮發(fā)氣發(fā)生裝置的導熱套內，蓋上硅橡膠密封片，擰緊杯蓋，按下確認鍵；恒溫計時開始，被測樣品開始被加熱；被測樣品在8分鐘內從室溫升到80°C，并在80±0.1°C狀態(tài)下精確恒溫20~30分鐘； (3)環(huán)境空氣初步恢復；在自動頂空進樣單元的的抽吸作用下，環(huán)境空氣以6000毫升/分鐘的流量流經氣敏傳感器陣列恒溫工作室，氣敏傳感器陣列因之初步恢復到初始狀態(tài)；歷時215秒； (4)潔凈空氣精密標定；潔凈空氣以500毫升/分鐘的流量流經氣敏傳感器陣列恒溫工作室，歷時40秒，氣敏傳感器陣列得以精確恢復到初始狀態(tài)；操作人員將頂空揮發(fā)氣發(fā)生裝置固定在自動進樣升降單元上； (5)平衡；氣敏傳感器陣列恒溫工作室內的氣體處于靜止狀態(tài)，歷時5秒鐘；自平衡開始時刻起，自動進樣升降單元在3秒鐘內使頂空揮發(fā)氣發(fā)生裝置上升20毫米； (6)頂空采樣；自動頂空進樣單元將玻璃樣品瓶內的頂空揮發(fā)氣以500毫升/分鐘的流量吸入氣敏傳感器陣列恒溫工作室，使之迅速掠過氣敏傳感器敏感膜表面，然后排放到大氣中，歷時30秒； (7)過渡；頂空采樣結束后，在氣體流量500毫升/分鐘不變的條件下，自動進樣升降單元在3秒鐘內使頂空揮發(fā)氣發(fā)生裝置下降20毫米；隨著頂空揮發(fā)氣發(fā)生裝置的下降，頂空揮發(fā)氣流量逐漸變小，環(huán)境空氣流量逐漸增大；整個過渡過程歷時5秒鐘，隨后進入流量為6000毫升/分鐘的環(huán)境空氣初步恢復環(huán)節(jié)； (8)數據記錄；在頂空揮發(fā)氣流經氣敏傳感器陣列過程中，各個氣敏傳感器產生敏感響應，計算機通過16位高精度數據采集卡得到16條響應曲線；自頂空采樣開始時刻起至頂空采樣結束時止，即數據記錄時間長度為30秒；這16條響應曲線記錄在一個臨時文件里； (9)數據預處理；記錄下來的16條響應曲線經過FFT低通濾波處理；選擇低通濾波后各條響應曲線的最大響應值、積分值和平均斜率作為特征分量；由此，一個被測樣品轉化為一個16X3=48維的測量樣本；然后經主成分分析方法降至16維特征向量；48維測量樣本和16維特征向量均保存在計算機硬盤的數據文件中； (10)被測樣品氣(嗅)味等級預測與識別；在頂空采樣結束10秒之內，對應的神經網絡模塊預測被測樣品氣(嗅)味強度，并通過顯示器顯示出來； (11)重復步驟⑵~(10)，實現多個樣品氣(嗅)味等級評定； 步驟(2)~(7)是樣品檢測循環(huán)，步驟(8)~(10)是數據分析與預測循環(huán)的一部分；一個完整的測試與分析 周期為295秒。
【文檔編號】G01N27/00GK103472094SQ201310315482
【公開日】2013年12月25日 申請日期:2013年7月24日 優(yōu)先權日:2013年7月24日
【發(fā)明者】高大啟, 王吉, 蔡超前 申請人:華東理工大學