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1、烟道二氧化硫浓度智能监测仪设计班级： 07表1 学号： 姓名： 指导教师： 2010年12月24日总体设计二氧化硫作为主要的大气污染物之一，对环境造成严重的危害。面煤、石油等燃料的燃烧过程是排放二氧化硫的最主要的人工污染源，因此对烟气二氧化硫浓度的检测，有十分重要的意义。本课题分析了目前有关二氧化硫浓度检测的方法及国内外烟气二氧化硫浓度检测仪的情况，以二氧化硫电化学传感器为基础，研制出一种低成本、高精度的能适应较恶劣环境的烟气二氧化硫浓度检测仪。本课题详细地给出了传感器的检测原理、检测仪的总体结构、硬件设计、软件的实现及通讯接口的设计。本检测仪在硬件上由气路部分和电路部分组成。根据传感器的特点
2、，采用双传感器气路结构，并且在气路上采用自然降温和利用气水分离器实现快速除水。系统的硬件电路设计包括二氧化硫浓度、温度、湿度检测电路；泵、阀驱动电路；通讯接口电路以及波特率、地址设置电路。以AT89C52单片机为控制器，把二氧化硫传感器的微弱电流信号，经过IV转换、前置放大器，转换成电压信号，再经过多量程、高精度的AD转换器，把二氧化硫浓度信号以数据的形式存入单片机中。在软件设计部分，充分利用了C语言丰富的库函数和强大的数据处理能力。软件主要由控制程序、数据处理和通信程序组成。本文研究了16位的循环冗余校验码CRCCCITT在数据通信中的应用，给出了基于模2运算的查表法，实验证明：在保证了系统
3、通信可靠性的基础上，大大提高了计算速度。本课题的重点是：恒电位仪及二氧化硫信号处理电路的设计，通讯接口的设计以及系统软件的实现。本检测仪适用于烟气脱硫工程的浓度检测和其它较高浓度的二氧化硫检测，其研制的成功有较大的应用价值。关键词：二氧化硫检测 电化学 恒电位仪前言一、二氧化硫成分对大气环境的影响1、二氧化硫的来源S02是全球性量大、影响面广的大气污染物，故常常以它作为衡量大气污染程度的主要指标。大气中的S02来源十分广泛，概括来说，主要是天然源和人工源。S02的天然源主要是指火山和地热活动、生物腐烂过程、土壤风化等过程。在这些天然源中，有的是释放出大量的H2S，进入空气被氧化成S02；有的是
4、微生物作用过程将硫酸盐还原成有机硫化物，通过大气化学作用再将有机硫化物氧化成S02几乎所有排放硫化物的天然源，都是间接排放S02的天然源。全球s02天然源每年排放S02量约为148亿吨。尽管天然源每年排放的S02量十分可观，但是由于它地处旷野、浓度低和自然净化作用，所以不会形成大气s02污染，不会产生酸雨现象，并且人工难以控制。S02的人工源主要是燃料燃烧和工业生产工程。化石燃料燃烧过程是排放S02的最主要的人工污染源：燃料燃烧系指含硫煤炭和石油的燃烧，大量的煤炭和石油燃烧时，排放出数量可观的S02、NOx及烟尘等；在各种人工排放S02的污染源中，大部分是由煤炭燃烧排放的。排放S02的工业生产
5、过程，主要有热电厂、有色冶金工业、钢铁工业、石油炼制工业和包括硫酸工业在内的化学工业等。人工污染源集中分布在城市及工矿区，浓度高，能形成大气S02污染，是产生酸雨的基本原因，但是人工可以控制。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一。我国排放的S02 90来源于燃煤。我国是当今世界上几乎唯一以煤为初级能源的经济大国，随着工业和经济的发展，能源的需求量不断增加，我国能源生产的年平均增长率高达9。原煤占能源消耗总量的比例与5060年代相比，有较大幅度的下降，但至今仍高达70左右。并且近期内不会有根本性交化。煤炭是一种低品位的化石能源，我国煤炭中灰分、硫分含量较
6、高。大部分煤炭灰分在2528左右；硫分含量变化范围较大，从0110不等，1995年全国商品煤的平均含硫量为113。我国煤炭大多都直接燃烧，因此造成烟尘和S02等污染物大量排放到环境中。我国的S02排放量与煤炭消耗量有着密切关系，19831991年两者的相关系数达到O96。随着燃煤量的增加，燃煤排放的S02也不断增长，1995年我国S02排放达到2370万吨，已超过欧洲和美国，居世界第一位。2、二氧化硫的危害我国从80年代开始对酸雨污染进行观测和调查研究，在80年代，我国的酸雨主要发生在西南地区，酸雨区面积约为170万平方公里。到了90年代，酸雨污染扩展到华中、华南、华东与华北，东北的部分地区，
7、面积已占全国面积的40左右。而且我国的酸雨是硫酸型的，主要是由人为排放S02造成的。S02排放造成了严重的酸雨污染和生态损害，因而s02的环境影响受到了极大的关注。S02对人体的各种系统、器官、组织会产生不利的影响，当大气中的S02浓度达至lJ4ppm时，就会被闻到；浓度在812ppm时会引发咳嗽；S02达至U20ppm后，眼睛就流眼泪。由于S02等的严重污染，在我们社会中引发许多健康问题。S02还会对植物带来严重的危害，当环境的S02浓度大于150ppb的临界浓度时，就会对高等植物产生伤害。减少S02的排放量，防治大气S02污染，已成为我国当今乃至未来相当长时期内的主要社会问题之一，因此寻找
8、合适的烟气S02浓度检测方法，研制烟气S02浓度检测系统，不但符合我国国家产业政策，而且对于我国烟气脱硫技术的发展也有不小的促进作用。3、二氧化硫浓度检测理论与方法大气中S02的浓度经常以每立方米空气中的S02含量来表示，可以用质量体积比(mgm3)或者气态时的体积比(1 ppm=l106；l ppb-=l109)来表示。为了测量S02的浓度，目前已经提出了许多定性定量的分析方法：（1）电导法该方法是将一定体积含二氧化硫的空气样品通入到稀酸性过氧化氢溶液中，过氧化氢将二氧化硫氧化成硫酸，由于溶液中离子浓度增加引起电导率的变化。通过测定其溶液电导率的变化，求出大气中二氧化硫的浓度。测量范围Olp
9、pm，此方法准确、简便、快速、可以连续测量，适用于自动化仪器测定。但这种方法容易受到其他对电导率有影响的物质如H2s，NI-13，HCI，C02等的影响。(2)电量法又称库仑法，该方法很早就用于测定二氧化硫，其原理是通过将空气试样通入KI电解液，恒流源连续不断地在阳极上产生元素碘，随后又在阴极上被还原，因此建立了元素碘的平衡浓度，参比电极没有电流产生，当空气试样中含有二氧化硫时，二氧化硫与碘发生反应，使碘的含量减少，这样用来输送恒流源所供电荷的碘量就不够用了，部分不得不通过参比电极，参比电极的电流强度正比于空气试样中的二氧化硫含量，测量范围010ppm，最低为O01ppm。这种方法是测量电流的
10、大小，比测量液体试剂的量容易得多。这种方法选择性和灵敏度会受到其他含硫化合物如硫化氢、硫醇、有机硫化物的影响，可以采用化学填充膜过滤器来分离。(3)离子色谱法大气中的二氧化硫在采样吸收瓶中被碳酸钠一碳酸氢钠溶液吸收后，经双氧水氧化转变成硫酸根离子，利用离子交换的原理，可对硫酸根离子进行定量分析。用电导检测器测量被转变为相应酸型阴离子(aP硫酸根离子)的电导值，经与色谱数据工作站联机检测电导信号并进行数据处理，根据峰面积定量，从而可计算硫酸根离子的含量。通过硫酸根离子的含量可算出大气中二氧化硫的浓度。（4）分光光度法又称比色法，目前已经有多种用于大气中微量二氧化硫分析的定量分光光度法。虽然测定时
11、所用试剂种类很多，操作繁琐，但因其灵敏、可靠，所以成为国内外环境监测中测定二氧化硫的标准方法，唯一干扰的是氮氧化物。国际上常用的方法为过氧化氢高氯酸吸收，高氯酸钡沉淀，过量钡与钍试剂生成有色络合物而测定。我国通常测定大气中二氧化硫的分光光度法是基于二氧化硫被四氯汞钾或者甲醛吸收，在盐酸副品红(PRA)(盐酸副玫瑰苯胺)溶液中生成红紫色络合物，用分光光度法测量该络合物体系在一定波长(显示溶液磷酸含量少、红紫色548nm；显示溶液磷酸含量多、蓝紫色575nm；甲醛吸收、紫红色577nm)的吸收。由于四氯汞钾吸收存在汞污染，近年来提出采用一些非汞物质作吸收剂，诸如乙醇胺、吗啡琳、氢氧化钠、三乙醇胺、
12、过氧化氢等。分光光度法的结果与分离二氧化硫的酸度、显色剂的用量、显色稳定时间、温度有关，因而重复性不好。(5)光谱吸收法红外吸收检测技术是根据大气分子吸收红外辐射的光谱特征：吸收随波长迅速变化，而且在某些波长处有极大值，谱线位置和强度分布与吸收分子的种类和数量有关。通常利用S02在红外区域(730pm附近)的光吸收进行浓度测量。当一束恒定的730Itm的红外光通过含有S02的污染气体时，被S02吸收，通过测量光强衰减量，即可得至0S02浓度。紫外吸收是通过测量样品分子对紫外光(2803lOnm)的吸收来获得二氧化硫浓度的。(6)紫外荧光法根据物质分子吸收光谱和荧光光谱能级跃迁机理，具有吸收光子
13、能力的物质在特定波长光(如紫外光)照射下，可在瞬间发射出荧光。二氧化硫分子受紫外光照射后，处于激发态的二氧化硫分子返回基态时发出荧光，其荧光强度与二氧化硫浓度呈线性关系，从而可测出二氧化硫浓度。紫外荧光法测二氧化硫气体浓度具有灵敏度高、抗干扰性强、分析速度快等优点，并且能够实现自动连续监测，具有广泛的应用前景。(7)电化学传感器法二氧化硫电化学传感器，是利用二氧化硫气体分子在传感器的敏感电极上发生电化学反应，这种反应导致传感器的输出电信号发生改变。通过测量这种改变值的大小来反映二氧化硫气体浓度的变化，以此来检测二氧化硫浓度。电化学传感器以其结构简单、性能稳定、灵敏度较高、检测范围宽、价格低廉以
14、及可实时连续测定等优势一直引人瞩目综上所述，以S02为检测目标的分析方法较多，然而适用于燃料燃烧或工艺尾气中高浓度S02的分析方法却十分有限。目前在线监测装置的测量方法中比较普遍的有紫外吸收法和非分散红外法，这些方法分析灵敏度较高，而且就这些方法的分析仪器本身来讲，稳定性好，抗干扰性强，但是仪器结构复杂，维护使用要求高，价格昂贵，而且主要以国外产品为主，同时检测范围一般不宽，对高浓度S02测定受到限制。电化学传感器法具有低价位、高实用性的特点，有较高的性价比，不仅可用于拥有大型锅炉的企业，而且也适用于中小型污染源排放企业，易于推广普及。4、课题的来源与意义我国是一个以煤为主要一次能源的国家，在
15、今后较长时间内，电力工业以煤炭为主的能源结构不会改变。热电厂以煤作为主要燃料进行发电，煤燃烧和释放出大量S02，造成大气环境污染，随着装机容量的递增，S02的排放量也在不断增加，所以必须加大热电厂S02的排放控制力度。控制S02排放量方法很多，主要途径有3个：燃烧前、燃烧中、燃烧后(烟气脱硫)。烟气脱硫是世界上唯一大规模商业化应用的脱硫方式，技术成熟，运行可靠。要进行烟气脱硫，要得到较高的脱硫效率，必须要准确检测烟气S02的浓度。县前烟气S02在线监测装置以国外产品为主，且价位较高，在中小型锅炉的烟气脱硫项目中。就显得有些资金不足，因此我们研制一种低价位高实用性的烟气S02浓度检测仪。我们在调
16、查了解的基础上。分析了国外产品，针对我国国情，决定研制电化学传感器法烟气S02浓度检测仪，使其不仅适合中小型锅炉，同样适用于大型锅炉的烟气检测。研制烟气S02浓度检测仪，对我国控制环境污染，保护空气环境质量有重要的意义。5、本课题完成的主要工作本文主要在烟气S02浓度检测仪的研制方面做了如下研究工作；(1)对电化学SO。传感器的检测原理进行了研究。(2)对烟气S0：浓度检测仪的气路部分和电路部分进行了研究。(3)通过单片机控制气泵、气阀、水阀、温度传感器、湿度传感器、气体传感器，完成了对烟气S02浓度检测的智能化控制。(4)基于电化学SO：传感器研制出了烟气检测仪。相关的图片资料见附录II。二
17、氧化硫浓度检测的原理1、电化学气体传感器检测原理电化学气体传感器是利用电解池原理，将空气中某种化学气体通过氧化或还原反应将浓度转化为电信号，通过检测电信号的大小得到相应气体的浓度，常用于测量二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等气体浓度。电化学式气体传感器是一种化学传感器，按照工作原理，一般分为下面几种类型(1)在保持电极和电解质溶液的界面为某个恒电位时，将气体直接氧化或还原，并将流过外电路的电流作为传感器的输出。(2)将溶解于电解质溶液并离子化的气态物质的离子作用于离子电极，把由此产生的电动势作为传感器输出。(3)将气体与电解质溶液反应而产生的电解电流作为传感器输出。(4)不用电解质溶液，而用有机电
18、解质、有机凝胶电解质、固体电解质、固体聚合物电解质等材料制作传感器。下面主要介绍以下几种常用类型的气体传感器的原理：(1)定电位电解气体传感器的原理：使电极与电解质溶液的界面保持一定电位进行电解，通过改变其设定电位，有选择的使气体进行氧化或还原，从而能定量检测各种气体。对特定气体来说，设定电位由其固有的氧化还原电位决定，但又随着电解时作用于电极的材质、电解质的种类不同面变化。通过改变气体电极、电解质水溶液、电极电位等，可选择被测气体种类。电解电流和气体浓度之间的关系如下式表示：iL=(ZFSD)C (2-1)其中：iL：极限扩散电流；Z：电子转移数；F：法拉第常数；S；气体扩散面积；D：气体扩
19、散系数；：气体扩散层厚度C：被测气体浓度；在同一传感器中，Z、F、S、D及6是一定的，则可令K=(ZFSD)于是有 iL=KC即电解电流与被测气体浓度之间成正比。因此，通过被测气体电解时所产生的电流可推知被测气体的体积分数和质量浓度。(2)伽伐尼电池式气体传感器的原理：伽伐尼电池式气体传感器与上述恒电位电解式一样，通过测量电解电流来检测气体浓度。但由于传感器本身就是电池，所以不需要由外界施加电压。该传感器的电解电流与气体浓度的关系式也符合式(21)。(3)离子电极式气体传感器的工作原理是：气态物质溶解于电解质溶液并离解，离解生成的离子作用于离子电极产生电动势，将此电动势测出以代表气体浓度。这种
20、方式的传感器是由工作电极、对比电极、内部溶液和隔膜等构成的。2、3SF CiTiceL传感器在本课题中，我们选用英国CityTechnology公司生产的3SFCiTiceL电化学传感器来检测S02的浓度，该传感器是三电极的电化学传感器。（1）1从双电极传感器到三电极传感器按最简单的形式，一个按电化学原理工作的传感器至少需要两个电极：工作电极和对电极，这两个电极通过一层稀薄的电解液隔开。扩散到工作电极的气体在电极表面发生氧化或还原反应。这个反应会导致该电极和对电极间的电压差升高或降低。在电极上连接一个阻抗可以产生电流，通过检测电流的大小来确定目前气体的浓度。为了让上述传感器能精确工作，其中一个
21、条件就是对电极的电压应该保持恒量。然而实际上每个电极的表面反应都会导致电势的偏差。这种影响可能一开始比较小，但是会随着反应气体的增多而增大，并且严重地限制了传感器能够检测的浓度范围。这种影响可以通过引入带有恒定电压的参比电极来消除。传感器里工作电极与一个固定的潜在参比电极连接(不产生电流)，这样两个电极都能保持稳定。对电极仍会极化，但不对工作电极产生任何作用，也不会影响传感器工作。参比电极不会发生任何反应，因此能够保持恒定的电压。这种信号能通过对正负极进行测量得到，还能通过对参比电极和工作电极间进行更精确的测量得到。按照这种安排，工作电极的电势变化与反应气体在电极上产生的电流之间是独立的。为了
22、实现正确的操作，参比电极必须保持一个恒定的电势，所以确保没有电流流过该电极是很重要的。为了测量到工作电极和参比电极之间的电势差，仅仅在它们之间加一个过载阻抗是不可取的，因为这样做会在参比电极上产生电流，所以需要使用一个定电位反馈控制电路(即恒电位仪)这将在后面一部分得到解决。（2）3SF CiTiceL传感器的检测原理3SF CiTiceL传感器是一种新型的定电位电解化学气体传感器，它基于伽伐尼电池基本原理，具有体积较小、重量轻、线性度好、性能稳定等特点。它由浸没在液体电解液中的三个电极构成，其结构如图2-l所示图2-1传感器结构示意图3SF CiTiceL传感器由三个电极构成，三个电极分别为
23、：T作电极(Sensing Electrode)、参比电极(Reference Electrode)、对电极(Counter Electrode)City Technology公司的电化学毒气传感器(包括3SF CiTiceL传感器)是微燃料元件，不必保养而可以保持长期的稳定性。传感器设计的重点是气体扩散通过障碍(Capillary DiflusionBarrier)，它限制了气体迸入工作电极。电极能对到达它表面的所有目标气体进行反应，并且仍然有储备的电化学活动。这种高活动储备保证CiTiceL产品的长使用寿命和温度稳定性。在设计任何电化学气体传感器时，很重要的一点是，通过气体扩散通过障碍限制
24、速率，而其它各阶段速率应该有显著的增加。所以，为保证传感器电化学反应的速度，必须使用具有高催化作用的电极材料。所有CiTieeLs产品具有高度活跃电极，并且给传感器非常高的能量储备，这就保证了传感器的长期稳定性。发生在二氧化硫传感器(3SFCiTieeL传感器)的电极反应：在工作电极上发生如下氧化反应；S02+2H20=S042-+4H+2e对电极上02发生如下还原反应：02+4H+4e-=2H20所以，其总反应为：2S02+02+2H20=2H2S04从对电极发生的反应来看，氧气显然是当前反应发生的必需气体，通常通过传感器的前部，或通过传感器的两边扩散(通常几千ppm已经足够了)。传感器持续
25、暴露在绝氧样品气体中可能导致信号不稳定，不管氧气进入的途径怎样，不要将3SF CiTiceL传感器与树脂一起放置或完全地浸没在绝氧气体中。在特定情况下，如果传感器必须经常地暴露于高浓度电解质中，例如废气分析，应当保证氧气从另外的通道进入对电极。电化学毒气传感器在工作电极和对电极上分别发生氧化与还原反应。相应气体进入传感器后被氧化或者被还原，在另一电极发生与之对应的逆反应，这样在外部电路上就会形成电流。由于气体进入传感器的速度由气体扩散通过障碍控制，所以产生的电流与传感器外的当前气体浓度成比例，并能直接测量当前毒气含量。通过被钡0气体氧化还原反应时所产生的电流可推知被测气体的体积分数和质量浓度。
26、（3）3SF CiTiceL传感器的技术说明3SF CiTiceL传感器的外形如图22所示：3SF CiTiceL传感器是专门的烟道S02气体监测用的传感器，它的相关技术参数如下：正常监测范围：0-2000ppm最大过载浓度：5000ppm使用寿命：空气中2年输出信号：010 4-0029Appm精度：lppm温度范围：200C一+50。C压力范围：空气压力4-10响应时间(t90)：30秒相对湿度范围：15to 90非结露标准基线范围(纯空气中)：相当于0 4-2ppm最大的零点移动(+200C to+40。C)：相当于5ppm长时间的输出漂移：2信号失真月建议的负载电阻：lO欧姆偏置电压：
27、不需要可重复性：信号的1输出线性度：线性为了使传感器处于“准备工作”的状态，3SFCiTieeL传感器供货时，在工作电极与参比电极之间有一短连接(用一导线直接连接起来)。传感器在储藏过程中必须保留此短连接，而且只有当准备使用传感器的时候，才能去掉这个短连接。在仪器不供电时，如果工作电极和参比电极不再短连接，一旦再次使用，传感器就需要很长的一段“启动时间”。在传感器电路设计中，可以通过一个结型场效应管来实现短连接和断开的功能(继电器功Og)，当电路不供电时，这个结型场效应管可以保持工作电极和参比电极短路。为使传感器正确的工作，3SF CiTiceL传感器的对电极和参比电极需要很少量的氧气供应。这
28、些氧气经常是由采样来的气流供应的，通过空气扩散到传感器的前端，或者通过传感器的周围和后端扩散到传感器的前端(通常几千ppm的氧气就足够了)。如果传感器没有后端氧气供应通路，持续暴露在厌氧性的采样气体中，则传感器就会失灵。3SF CiTiecL传感器一定不能被完全地放入到树脂中或整个地浸入到厌氧性的气体混合物中。最初校准和再校准的时间间隔长短取决于许多因素，通常包括传感器的使用温度、湿度、压力，被暴露于何种气体，及被暴露于气体的时间长短。但3SFCiTiceL传感器能在较长时间内提供非常稳定的信号，使用3SF CiTiceL传感器只需要定期校准，如每年一次。如对传感器使用要求极高或用于安全应用，
29、则校准工作可能相对频繁些。3SF CiTiceL传感器只能断续监测目标气体，一般不适合连续监测用，特别是涉及到高气体浓度、高湿度或高温度时。为达到连续监测的目的，可以用两个(甚至三个)传感器循环使用的方法，使得各个传感器最多只在半数时间内暴露于气体中，另一半时问则可在新鲜空气里得到恢复，当然也可以通过其它方法解决。3SF CiTiceL传感器必须通过恒电位电路控制，因而要求电源供应。事实上传感器仍不需要电源供应，因为它能通过氧化作用或减少目标气体直接产生输出电流，但电路放大器需要消耗部分电流。不过这部分电流可以在必要的情况下被减少到非常低的水平。以上是传感器设计的原理和使用时需要注意的一些问题
30、，我们在检测仪的设计中充分考虑了这些，为研制出可靠、稳定的仪器提供了保证。3、传感器的相关电路设计（1）恒电位仪电路恒电位仪是电化学、电分析测试中最基本的仪器。恒电电路也是许多专用电化学测试仪器的核心。恒电位是一个把工作电极和参比电极之间的电位控制在某一固定电位和所选电位的装置。有几种可能的结构，图23给出了最简单的一种，利用它概述了有关原理。图23中电解池被近似化为一种溶液电阻与双层电容串联的极为简单的等效电路。可以看到这一装置只是一个简单的电压跟随器，它将参考电极和工作电极的输出电压保持在程序设定的电位El。处于接地电位的工作电极相对参比电极有一个El的电位。因此输入电压在电池中被倒了相。
31、但在这一回路中没有给出测量通过电解池电流的装置，而在图2-4中，我们给出了一种更好的设计。暂时忽略放大器2和3，与图23中的电流回路比较立即可以看到放大器l在倒相加法器结构中是控制放大器。此电路用来保持累加点S处于虚地，这样可设定电压El和E2，使其在参比电极和接地之间进行倒相、累加和控制。工作电极的电位由放大器3保持在虚地状态，这样工作电极相对参比电极的电位为+(El+E2)，在这种恒电位仪中没有符号转化。在电化学系统中反馈电路含有参比电极，恒电位仪的输入电流不能大到足以极化这一电极。在此，通过在反馈回路中包括一个电压跟随器(放大器2)作为阻抗匹配单元，利用运算放大器的高输入阻抗特性就做到了
32、这一点。这样参比电极上所通过的电流只能归之于运算放大器的输入阻抗和输入偏流一般商品参比电极在其设计中有陶瓷栓塞，这样参比电极的电阻可以很容易地达到1M欧。典型的实际双极运算放大器输入偏流为10-7A数量级，这使电位偏差01v。参比电极和非倒相输入间的高阻抗使这一部分电路对电源的交流噪声极为敏感，它无法从信号中分离出来。为了减小这一点，参比电极的引线应是屏蔽的，且将电压跟随器尽可能靠近电极。放大器3用来实现电流到电压的转换，用来测定流过电池的电流，并以电压形式显现出来，输出Eout，简单地表示为乘积iRcp全部电解池电流都流过反馈电阻RcF。运算放大器应选用具有极为低的输入偏流，因为这是测量中误
33、差的主要来源，尤其小电流更是如此。用放大器3实现的电流电压转换器一般是一种低频装置，在高频时它不稳定。在此，有两个方面需要加以考虑：首先，电流电压转换器在控制放大器的反馈回路中是一有源装置，有必要仔细地设计接地方法；其次，实际运算放大器的输入阻抗中含有其输入端间的杂散电容和电感。这些将引起可能导致振荡的相移。测量电流的另一种电路是在控制放大器的反馈回路中放置一电阻器，并且用差分放大器测量它两端的电压，见图25。电压跟随器用作阻抗变换器，并能防止电解池电流对地进行分流。如果这些是FET运算放大器，Rf就可能大到IMfl，Rf两端产生的电位由差分放大器测量。当Rl=R2=R3=P-4时，则电解池的
34、电流为E。lRf。要注意选择Rf使其不超出恒电位仪的输出电压限。对理想的差分放大器，E。t只与(ElE2)有关，而与相对于地的输入电位的绝对值无关。（2）3SF CiTiceL传感器的工作电路上文中提到3SF CiTiceL传感器工作时由外电路在工作电极和参比电极之间施加一个恒电位差，使工作电极上保持一个恒定的电位。近代电子器件的发展，自动控制电位已有专有仪器，恒电位仪实验室使用起来很方便。七十年代应用运算放大器线路来自动控制电极电位，给电化学分析创造了有利条件，恒电位仪自动调整的是工作电极和参比电极之间的电位。1）传感器外部电路设计3SF CiTieeL传感器外部电路设计如图26：图2-6就
35、是3SF CiTiceL传感器的外部电路设计，工作电极处于浮地状态。Rl、R2、R3、cl、与ICl构成了恒电位仪电路，可以看出它和图2-4中的恒电位仪电路很相似。因为3SF CiTiceL传感器工作时，在工作电极和参比电极之间并不需要电压，所以我们的恒电位仪是为了把电压恒定在零伏，因此就不需要外部电压输入(E1与E2)。同时在图2-4中运算放大器2用作跟随器，目的是作为阻抗匹配单元，使参比电极上没有电流(当然在实际中，不可能没有电流，在这里我们只是把这个电流限制到极小)流过，由图2-6可以看出，由于没有外部电压输入，ICl本身就可以作为阻抗匹配单元，使参比电极上的电流只由ICI的输入阻抗和输
36、入偏流决定，近似为零电流，所以我们省去了图2-4中的运算放大器2。图2-6中恒电位仪的Rl、R2和cl为低通滤波电路。当反应过程中，工作电极和参比电极之间电压发生变化，该恒电位仪电路器起自动调节作用。 由于传感器提供的是电流信号，用运算放大器IC2组成了电流到电压的转换电路，同图24相比，多了一个电阻Rload，Rload是一个小电阻。在任何情况下，在电阻Rload上产生的电压应该限制在10毫伏以内，否则传感器的性能会受到影响。如图2-6的电路中，对3SF CiTiceL传感器来说，虽然电阻RI。鲥可以减少到零，但是一个限定很小的值可以在电路噪声和响应时间上获得更好的平衡。S02在3SF Ci
37、TiceL的工作电极上被氧化，所以上图电路的输出V。ut是正电压。对电极的作用是为完成电化学反应提供通路，而且在电路中，它相对工作电极和参比电极的电压并不是固定的。在没有气体反应时，电解池中只有很小的电流，参比电极的电压也只是比对电极高几毫伏。但检测到S02气体时，电解池电流迅速上升，此时对电极被极化成负电压(相对于参比电压)。随着电解池电流很快的稳定下来，对电极的极化速度也会变慢，而且继续漂移，即使这时传感器的输出信号已经稳定下来。这种情况十分正常，事实上，对电极与参比电极最大的极化电压差或许只有300400毫伏。图2-6的电路，就是控制3SF CiTiceL传感器工作的电路，并且把传感器输
38、出的电流信号(与当前S02浓度呈线性关系)转化成需要的电压信号。2）放大器的选择电路中各级放大器存在噪声时，均会使总的噪声系数增加；第一级放大器对总噪声系数影响最大，提高第一级增益可以减少后级对噪声的影响。所以低噪声设计的关键是设法减少第一级的噪声系数，尽量提高第一级功率增益。直流放大器的漂移以及探测器和电路中的噪声将是影响测量精度、灵敏度的重要因素，根据传感器的噪声和阻抗特性设计好前置放大器，特别是第一级放大器是信号通道中低噪声放大的关键。放大器ICl的作用主要是使参比电极上没有电流，所以需要极低输入失调电压、极低输入失调电流和高输入阻抗的运算放大器。放大器IC2起到了一个电流转换为电压的作
39、用，实际上就是作为一个互阻抗放大器，作为电路中的第一级放大器。对输入失调电流指标要求不高，但传感器输出的电流信号十分微弱(“A级信号)，温漂和噪声的影响不容忽略。OP07和OP27都是低失调低温漂的精密运算放大器，都具有低失调电压、低失调电流、低漂移、高输入阻抗、高开环增益、高共模抑制比等特性，但在具体指标上有一些区别，OP07的失调电流比OP27低，但OP27的电压噪声和温漂系数特别小，比OP07小得多。通过对一些运放的性能比较，放大器ICI选用OP07C，放大器IC2选用OP27E。表2一l列出了ANALOG DEVICES公司的OP07C和OP27E的一些主要性能指标：3）电路计算测量的
40、S02浓度用C(ppm)表示，传感器的输出电流用I(pA)表示，图2-6电路输出电压用Vou(“V)表示。则I=C*O1Vout=I*Rg=01*C*Rg经放大器IC2转化输出的电压信号，经过调零电路和放大电路后，送入AD转换器，由单片机对信号进行处理，计算出相应的S02含量。检测仪硬件部分的设计与实现烟气S02检测仪主要由两部分组成，即气路系统和电路系统。气路系统完成烟气的采样、过滤、输送等功能；电路系统完成气电转换、信号放大、模数转换、数据处理、通讯和仪器工作状态控制等功能。1、烟气检测系统的工作原理当需要检测烟气时，上位机发出检测S02气体浓度命令，检测仪CPU收到命令后，发出指令打开从
41、采样枪到分析仪储气室的电磁阀，启动采样泵，让烟气从采样枪经烟尘过滤器过滤以后进入气水分离器，经气水分离后进入储气室。如果此时烟气温度过高则在此降温，通过自然降温的方法，启动风扇加快空气流动降温，降温后的烟气可能会冷凝一部分水(在此需定期除水)，接着烟气进入到分析仪(S02)的传感器室，在此测量相对湿度，如相对湿度过高，则在此升高温度，直到相对湿度达到要求，经过大约半分钟的稳定后，放大器输出的信号作为有效信号，经AD转换将数据采集到单片机，单片机通过对数据进行处理得到烟气中S02的浓度。然后，通过串行接口，把数据传输给上位机。由上位机显示、处理数据，并保存处理结果。同时放大器输出有效信号可以通过
42、电压电流转换，转换成标准的4mA20mA的电流输出信号。当然，在检测烟气前，要对检测仪进行标定，其过程与烟气检测大致相同，只是用某种标准的样气代替烟气，CPU将标准样气的测量值与实际值做一比较计算出修正系数，存入非易失性存储器中，在以后的检测过程中CPU对每一种气体的测量值自动给予修正。保证测量获得的数据最接近实际情况。检测仪的系统结构图如图31所示：系统结构图说明了系统的主要组成部分，下面的章节中会详细地介绍各部分的功能和作用。2、冷凝水对浓度测量的影响煤和石油燃烧后产生的含有S02的烟气都含有lO15的水蒸汽，采用喷水增湿活化措施的脱硫技术，或采用半干法和湿法脱硫技术，都会增加烟气中的水蒸
43、汽含量。由于S02易溶于水，如果在烟气的采样点和烟气进入终端分析仪器前出现了水蒸汽凝结，将部分地吸收样气中的S02，从而大大影响测量的精度。人们通常采用采样管线伴热的方法防止水蒸汽凝结，或用渗透反冲技术的脱水型采样装置，或用高倍稀释法来减小烟气中水蒸汽的影响。在实际测量过程中必须采取相应措施，在这里，如图32，采用气水分离器快速除水，在S02基本还未溶解的情况下，快速除水，以减小冷凝水对测量浓度的影响，这样经过处理后，冷凝水的影响可以忽略不计。3、气路系统设计检测仪的气路系统由烟尘过滤器、采样枪、气水分离器组成。仪器内部由抽气泵、储气室、传感器气室等组成。两部分共同构成仪器的气路系统。其结构见
44、图3-2：必需保证最低的流速以确保校准正确，这也意味着3SF CiTiceL传感器的反应速度与气体漫过传感器结构的速度相当，并且和样本气体扩散入传感器的速度相当。最低流速的要求取决于不同CiTiceL类型，3SF CiTiceL传感器需要的最低流速是400毫升分钟。因为3SF CiTiceL传感器的反应机制消耗目标气体，这意味集中的目标气体在传感器周围会被立刻耗尽。设定最低流速，这样即使把传感器暴露于稳定的目标气体中，也有足够的流速保证被消耗的气体能被立即补充。这就模拟了样本扩散入传感器的情形，即有大量的目标气体通过扩散来立即补充消耗掉的气体。所以在测量过程中，使用泵要满足400毫升分钟的最低
45、流速要求。烟尘过滤器置于采样枪的头部，国外产品多采用不锈钢金属烧结头，国内产品多采用微孔不锈钢网，其功能是滤除采样气体中的烟尘。采样枪均使用直径为68毫米的不锈钢管。气水分离器的原理its均为抽取的烟气从传送管道到达气水分离器，由于空间的变化，烟气产生散射，另外由于质量、温度等原因，使烟气中大部分水份存留下来，烟气被继续抽走，在经疏水膜分离后，被送到储气室。储气室中有温度测量，根据此处的温度决定是否需要降温。在经降温后，可能会有水析出，在此的电磁阀3是设计用来放掉析出的水的。3SF CiTiceL传感器能断续监测目标气体，一般不适合连续监测用，特别是涉及到高气体浓度、高湿度或高温度时，而且在允
46、许使用的时间内，传感器的灵敏度也有一个最佳范围，所以间歇的使用传感器，可以保持传感器的精度和提高使用寿命。为达到连续监测的目的，设计用两个传感器循环使用的方法，使得每个传感器在半数时间内暴露于气体中，另一半时间则可在新鲜空气里得到恢复。所以采用如图32的双传感器结构。本课题设计的气路是采样检测，检测S02浓度时，电磁阀l开(所有电磁阀都是常闭的)，电磁阀2关闭，让烟气通过，而此时不能抽进空气，电磁阀4和5只能有一个是打开的(假设此时电磁阀4开)，只让其中一个传感器暴露于目标气体中。在进行一定时间的浓度检测后，打开电磁阀2，关掉电磁阀1，用空气来清洗传感器。清洗完后，关掉电磁阀4，并再次关掉电磁
47、阀2，打开电磁阀l、5，使用另一个传感器。传感器切换流程图如图33。4、检测电路设计我们要测量S02的浓度，必须要满足3SF CiTiceL传感器需要的测量条件，气体的湿度、温度、压力的要求。而这些都需要相应的传感器或其它可行的方法来满足，在这一节中，我们就去讨论相关的设计。并且在下一节中，分析了有关单片机系统的设计。（1）二氧化硫浓度信号处理电路由于传感器工作时有一定的基本电流，使得被测气体的浓度为零时输出电压不为零，为了较好的设计整个系统，考虑在电路中加入调零电路。传感器输出的信号是衅级微弱的电流信号，若处理不好，干扰信号极易潜入，也将影响系统的稳定性能及精度。所以设计一个性能良好的前置放
48、大电路和基准电源也是输出信号稳定的一个重要因素，为了防止在弱信号传输过程中，受外界干扰信号的扰动，需将这一部分电路与传感器组成一体。根据参考文献中的调零电路设计，设计适合放大电路的调零电路调零及放大电路如图34所示。由R7、R8。、W2、Dl、D2构成从一12V至+12V的可调基准电压源，以满足调零电路的需要。因为3SF CiTiceL传感器输出的V。t为正电压，所以Uo为负电压。因此我们在输入到AD转换器前，又加了一反相器(由R9、R10、Rll、IC4构成)。此电路属于信号处理的第二级放大电路，放大器Ic3、IC4选用运算放大器OP07，在此电路中，设置的放大倍数为lO。（2）相对湿度的测量湿度是指空气中含有湿空气