一氧化碳分析仪关键技术的研究
随着工业的发展,越来越多的工业企业(例如工业锅炉、采暖设备、发电站、火电厂等)在生产过程中不断向大气中排放着污染废气,威胁着人们的身体和生命安全。近几年来,我国汽车产业的蓬勃发展,汽车已经成为越来越多居民代步工具,而汽车排放的废气也成为城市的大气污染物的主要来源[1-4]。
这些废气有一氧化碳,二氧化碳、硫化物、氢氧化合物,氮氧化合物、烟尘及生产性粉尘等等,这些气体一旦排入空气,会污染环境并对人类的身体健康造成严重的影响。其中一氧化碳(CO)无色无臭、比空气较重、有毒性,当空气中的一氧化碳浓度值达到一定的水平,可以直接地威胁到人的生命安全；而长期处在低浓度的一氧化碳气体的环境下,会对人的心血管系统、神经系统产生严重的损害,同时一氧化碳还具有爆炸性。
常用的检测气体的方法主要有三种,分别是电化学法、化学传感法、红外气体吸收光谱法,其中红外气体吸收光谱法与其他几种检测方法相比,在精度、灵敏度、响应时间、测量范围、稳定性、可靠性各方面都有很大的优势。
本文根据红外气体吸收理论和朗伯-比尔定律,分析了一氧化碳分析仪的关键技术,并对一氧化碳分析仪进行了研究与设计。具体研究内容共分为五个部分:
第一部分,详细介绍了一氧化碳几种常见的检测方法:电化学法、电气法(如热传导式和半导体式)、气相色谱法(即层析法)、光学吸收法(如红外吸收法和紫外吸收法)等,阐述了基于这几种检测方法的传感器的原理,并分析了各传感器的优势劣势；讨论了一氧化碳分析仪的发展历史及趋势；说明了一氧化碳分析仪的研究意义；并交代本课题的研究目的。
第二部分,详细地阐述了分子与分子光谱产生原理、朗伯-比尔气体吸收定律,将红外检测法(直接吸收检测法,差分吸收法检测法、谐波检测法)各种检测方法进行比较,分析各种方法的优势劣势,针对国家对一氧化碳分析仪的具体要求,选择气体滤波相关的方法来检测大气中一氧化碳的浓度。在文中对相关原理进行了深入的分析研究。
第三部分,介绍基于气体滤波相关原理的一氧化碳分析仪的主要结构,包括气室的设计要求,滤波片的选择等等。设计了具有时间双光束的参比系统,消除红外光在传输过程中被吸收散射损失光强的影响。根据要求选择了适合用于本系统的红外光源和探测器。由系统气体滤波相关原理推导出气体浓度的表达式。
第四部分,详细设计了系统电路,包括设计了40°的恒温气室,去除水汽影响的作用,促进了气体流动,缩短了传感器的响应时间；设计红外光源恒流供电,保证红外光源在一氧化碳特征吸收处红外光的发射光谱稳定；对探测器进行制冷在零下20℃,提高并稳定探测器探测效率；反应室气压、气体流量检测电路,并传输单片机,为设计温度压力补偿算法提供硬件基础；设计了一氧化碳探测器偏置电路、信号处理电路,放大滤波电路以及参考信号测量信号的解调电路,单片机系统电路及各外围器件电路。
第五部分,根据系统硬件电路的设计,进行软件编写工作。软件部分的编写包括主程序的流程、温度传感器DS18820与单片机的通讯、将采集到的各种信号进行数字滤波来消除脉冲波干扰和周期性干扰、设计基于二维拉格朗日插值法对温度和气压进行补偿。
氧分析仪