（控制科学与工程专业论文）新型大气污染气体监测系统的难点问题研究.pdf

摘要 摘要 随着生活水平的提高和对环境问题及健康问题的日益重视，大气品质状况 受到越来越多的关注，国内的一些国际化大都市，城市环境质量的标准需要和 世界其他发达国家接轨。建立性能价格比高的环境大气质量自动监测系统打破 以传统手工操作的格局，采用现代化的方法，能迅速、准确地提供详实的大气最 新信息，真正实现检测环境不出家门的质的飞跃。本论文主要介绍综合采用先进 的电化学气体传感器技术，全球移动通信系统( g p r s ) ，计算机技术和现代微电 子技术等先进技术组成的一种可靠性高、多功能、使用方便、隐藏性好的分布 式网络型大气监测系统。相对于其他监测系统本系统的主要优点是用高性价比 的电化学气体传感器，组成种新的高精度，低价位，体积小的大气监测系统 覆盖范围广、无需组网也可不设监控中心、采用模块化设计，无论是系统容量 还是系统的功能均有良好的可扩展性。文章首先系统的介绍了空气品质的研究 现状、主要污染物及其危害，国家的环境标准以及传感器的相关基础知识，简 单扼要的介绍了我国的环境监测网络和有害气体的采集方法，然后通过对电化 学传感器的研究得出其输出模型，比较详细地介绍了电化学传感器产品数据通 信接口的设计，并且介绍了空气品质监测系统的软硬件构成及设计方法。 关键词：空气品质，监控，电化学传感器，g p r s a b s t t a c t a b s t r a c t t h e i n s p e c t i o n o nt h ea i ri sf u n d a m e n t a lt ot h ee n v i r o n m e n t p r o t e c t i o n ，a sw e l la so n eo ft h ei m p o r t a n tp r e c o n d i t i o n ，t h et r a d i t i o n a l p r o t e c t i o n m e a s u r e sa r eo b s e r v e so n e y e s ，a n a l y s i s ，j u d g m e n t a n d e v a l u a t i o nb a s e do nt h eh a n d w o r k s ，w h i c ha r et i m e w a s t e da n db i g1 0 a d s ， e r r o ri ns o m ee x t e n t s oi ti sq u i t en e e dt oh a v ee f f i c i e n ti n s p e c t i v e m e a s u r e sm a d eu s eo fm o d e r ns c i e n t i f i ct e c h n o l o g ya n d m a n a g e m e n tt os e r v e t h ep e o p l ew i t hb e t t e ra i ra n dm e e tt h ed e m a n do ft h ed e v e l o p m e n to ft h e s o c i a l e s t a b l i s h m e n to fa8 u t oi n s p e c t i v es y s t e mo fah i g hq p ，w i t h m o d e r nm e a s u r e s ，o f f e r i n gaq u i c k l y ，r e l i a h l ea n dp a r t i c u l a rd a t a0 nt h e q u a l i t y o ft h e a t m o s p h e r e w i l l c h a n g e t h es t a t eo ft h et r a d i t i o n a l h a n d w o r k ，a n db eal e a pi nt h em o n i t o tm e a s u r e s ，w i t h o u to u t d o o rw o r m n g s c o m p a r e dw it ho t h e r sm o n it o rs y s t e m s ，t h es y s t e mh a ss o m ea d v a n t a g e s ：t h e i n s p e c t i v es y s t e mo ft h ea i r ，w i t hh i g hp r e c i s i o n ，l o wp r i c e ，s l i mv o l u m e ， i s c o m p r i s e d o f h i g hq p e l e c t r o c h e m i c a l g a ss e n s o r s t h es y s t e m w l d e c o v e r e d ，n e e dn o tt h eo r g a n i z e dn e te v e nt h ei n s p e c t i v ec e n t e r s i t i sm o d u l a rd e s i g n e d ，w i t hf i n ee x p a n s i b i l i t yb o t hi nt h es y s t e mc a p a c i t y v o l u m ea n dt h ef u n c t i o n s f i r s t ，w ei n t r o d u c e dt h ea c t u a lr e s e a r c hs t a t e o fa i rq u a l i t yd a t a ，f i n dam e t h o da n dh u m i d i t yc o m p e n s a t i o na n dp r o p o s e d c o n c e p t a n da l g o r i t h mi n d e xo fa i r q u a l i t y a tl a s t ，w ei n t r o d u c e dt h e h a r d w a r ea n ds o f t w a r eo ft h ea i r q u a l i t yd e t e c t i n ga n dc o n t r o l l i n gs y s t e m k e y w o r d s ：a i rq u a l i t y ，d e t e c ta n dc o n t r o l ，e l e c t r o - c h e m i c a lg a ss e n s o r s g p r s i i 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，同意如下各 项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本：学校有权保存学位论 文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、扫描、数字化或其它手段保存论文； 学校有权提供目录检索以及提供本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权 按有关规定向国家有关部门或者机构送交论文的复印件和电子版：在不以赢利为 目的的前提下。学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名：彳辫 例j 年1 月f 月 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名： 昌刁 二、纠 勺僻弓月f 日 学位论文作者签名：i 芽 伊年弓月1 日 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名：褡 纺年飞月1 日 同济大学硕士学位论文 1 1 引言 第一章绪论 该课题是西门子自动化教研室自主设立开发的大气污染气体监测系统项目。 随着生活水平的提高和对环境问题及健康问题的日益重视，大气品质状况受 到越来越多的关注，国内的一些国际化大都市，城市环境质量的标准需要和世界 其他发达国家接轨。大气品质作为城市环境质量的重要组成部分，大气环境的质 量好坏直接影响到了在这个城市中生活的人群的生存环境和健康状况，有必要在 这样的大城市建立符合国际规范的大气监测系统。目前国际上通用的大气检测设 备都是采用光电、光谱分析、红外原理的气体传感器，价格昂贵，维护条件费用 高，在大城市要建立规范召勺大气污染监j l l i l 网络需要上千个终端作为测试点，系统 构建、运行、维护费用极高，在目前的国情下用此类高规格的传感器设备建立符 合国际标准、规范的监测网络很难实现。 目前国内大部分城市采用的大气污染监测系统存在着一些问题：国内一些城 市的大气污染测试设备采用光电、红外原理的气体传感器，测试精度高，价格过 于昂贵，维护成本和条件要求高。由于建立测试基站所需投资大，使得系统的测 试终端较少，无法满足对一个城市整体实现大气污染气体监控的需要。数据传输 方式单一，一般采用有线网络数据传输方式，终端设备安装受数据传输网络的地 域限制，缺乏灵活性、机动性。 应用电化学气体传感器技术和g p r s 无线传输技术实现多点测试、无线传输、 高性能、低成本的大气污染气体监测网络。研究电化学原理气体传感器在气体浓 度测量中的应用，包括测量电路的设计、气体交叉敏感性及标定、相关的数据处 理分析。研究g p r s 数据无线传输协议及无线通信模块的电路开发应用。项目完 成后可以对国内对电化学传感器的应用技术以及g p r s 无线传输技术的应用有促 进作用。 研制具有自主知识产权、符合国情的大气污染气体监测系统。研究的成果可 以直接为国家环境保护事业服务，增强人们对大气环境保护监测的技术能力和手 段，尤其是针对一些大气污染严重的大城市可建立规范的大气污染监测网络系 统。 国外从3 0 年代开始研究开发气体传感器至今已经走过了半个多世纪，品 种到达了效百种。过去研究开发的气体传感器主要用于家庭中常用的煤气、液化 石油气、天然气以及矿并中的瓦斯气体的检阅和报警，并取得了很大的成绩，基 同济大学坷i 士学位论文 本上满足了市场的需要。 气体传感气体传感器种类多，分类方法目前尚无统一标准。根据气敏特性来 分类，主要分为半导体式、固体电解质式，电化学式，接触燃烧式，光学式、热 导式等。电化学气体传感器又分为原电池式，定电位式、离子电极式与电量式气 体传感器。原电池式气体传感器通过检测电流来检测气体的浓度，市售的检测缺 氧的仪器几乎都配有这种传感器，近年来，又开发了检测酸性气体和毒性气体的 原电池式传感器。定电位式传感器是通过测量电解时流过的电流来检测气体的浓 度，和原电池式不同的是它需要由外界施加特定电压，它除了能检测c o 、n o 、 n 0 2 、s 0 2 等气体外还能检测血液中的氧浓度。电量式气体传感器是通过被测 气体与电解质反应产生的电流来检测气体的浓度。离于电极式气体传感器出现得 较早，通过测量离子极化电流来检测气体的浓度。电化学气体传感器主要特点就 灵敏度高，选择性好，体积小，价格低，维护要求低，被广泛应用于环保领域。 近年来国内采用的大气污染气体监测系统都普遍存在一些问题： 1 气体检测终端多采用高精度的光电传感器，设备体积大，维护要求高，不利 于大面积监控网络终端的构建。 2 数据传输方式单一，多采用有线传输方式，数据采集终端放置受传输网络覆 盖区域的限制。 本大气综合监测系统是综合先进的电化学气体传感器技术，全球移动通信系 统( g p r s ) ，计算机技术和现代微电子等先进技术组成的一套可靠性高、多功能、 使用方便、隐蔽性好的分布式网络型大气监测系统。系统前端为配备英国著名 c i t y 公司的高精度电化学传感器的大气监测设备，该设备提供基站所在地的大 气各项污染指数的数据和信息并由法国w a v e 公司的w l s m o 系列模块以短消息 的形式经电信g p r s 网络发送到后端的监测中心。系统后端是配备信息处理和监 控能力的数据中心，都能接收和存储前端的检测信息。并对其用神经网络算法进 行数据处理，以提高检测精度；同时还能对各个时段，各个区域的终端检测数据 进行显示。 整个监控系统主要分三大部分，污染气体检测终端，无线数据接收和发送系 统，数据库管理系统。主要的研究内容有气体检测终端的电路设计及单片机控制 系统的软件设计，无线数据传输系统的电路设计及协议编制，数据库和无线数据 传输系统、与检测终端的数据接口，数据库设计及建构。 采用的关键技术： 1 采用电化学原理气体传感技术对污染气体的浓度进行测量，使得数据采集终 端可以保持小的体积，便于携带、安置，价格低廉，便于更换。 2 终端后端的数据采集电路利用低信噪比的信号放大器与数字电位计实现对信 旦童查兰堡：! 兰篁笙苎 一一一 号的调整放大，实现对传感器的定标时候所需的信号幅值的调整。 3 采用g p r s 无线数据传输技术，需要通过对模块发送标准的a t 命令，来控制 模块的工作状态和数据传输，需要编制专用的无线通信协议，保证数据传输的同 步性、正确性和可靠性。4 。数据库技术，实现对采集数据的分类管理、调用及 处理。 系统前端是配备英国著名c i t y 公司的高精度电化学气体传感器。它提供 g p r s 基站大气各项污染指数的数据和信息，并经由g p r s 网络以短信息的形式发 送到后端( 监测中心) ，同时又接收后端的处理和存储指令。系统后端是配备信 息处理和监控中心；它们都能接收前端的检测信息，并对前端进行处理和存储。 与其他现有大气监测系统相比，本系统有以下特点： l 、用高性价比的电化学气体传感器，组成一种新的高精度，低价位，体积小的 大气监测系统 2 、覆盖范围广、无需组网也可不设监控中心 3 、采用模块化设计，无论是系统容量还是系统的功能均有良好的可扩展性。 1 2 系统组成 1 2 1 硬件部分 整个硬件系统由三部分组成，大气监测系统。g p r s 数据交换系统和监测中 心。大气检测系统由电化学原理气体健感器，数据采集板，微处理器系统组成。 前端传感器把测到气体浓度的信号传送给数据采集板，整流滤波放大后传送给单 片机的数据存储器，再转发后端的g p r s 发射系统，作为短消息发送给g p r s 移动 交换中心。g p r s 数据中心将收到的数据信息暂存并转发给监测中心的g p r s 接收 设备。监控中心的服务器将接收到的数据整理存储，发现超标异常的数据，发出 报警，并在显示或者打印设备输出报警信号及测量到的超标数据及其表格或者图 形。 气体传感器选用了英国著名的c i t y 技术公司电化学气体传感器，其精度高 于所有同类其他品牌的电化学气体传感器，能满足国家大气检测标准的精度要 求。与商精度的红外光谱分析传感器相比具有显著的价格优势。电化学气体传感 器是利用电导率的测量来探测气体浓度的一种化学传感器。电子电导传感器包括 具有和电压有关的电导性肖特基二极管传感器和以电容量为传感器信号的电容 传感器，测量方式通常以交流电测量方式，其信号是由与频率相关的复电导的变 化所产生的。输出的电信号通常在两个电阻触点之间确定，其量值由表面或者边 缘上负氧之间相互精湛的电子电荷转移反应和分子减少来确定的。 同济大学硕士学位论文 1 2 2 软件部分 监测数据中心由以下五个子系统构成：用户管理子系统，基站管理子系统， 接收存储数据子系统，数据修正子系统，数据查询分析子系统。 l 、用户管理子系统 在本监测数据中心系统中般不允许用户通过其他工具启动对数据库的访 问，仅通过监测数据中心系统应用程序完成对数据库的访问，其身份认证通过用 户管理子系统实现。 2 、基站管理子系统 本子系统记录基站的基本信息如编号，站名，建立时间，位置，传感器数量， 传感器类型等，实现对整个大气有害气体监测系统的管理，可以方便的增加，减 少基站或者改变基站位置，为更合理的构建系统提供了方便。该子系统只能由管 理员进行操作。 3 、接收存储数据予系统 本子系统是整个系统的基础，由它完成将通过g p r s 接收终端接收到的短消 息形式的数据信息解码，并存入数据库中同时对超标数据进行报警。应用 c + + b u i l d e r 开发，利用v b 所带的控件m s c o m m 方便、简单、快捷的实现通过串 口与g p r s 接收终端的通信。采用p i ) um o d e 来发送和接收短消息信息。选用a d o 控件实现数据库的访问。将临时数组中的信息存入相应的数据库表中。 4 、数据修正子系统 采用一定算法对数据信息进一步处理，尽量排除各种原因产生的错误。对数 据修正的同时并不改变原始数据，而是另行保存，提供数据质量。 5 、数据查询分析子系统 本子系统利用c + + b u i l d e r 的a d o 控件进行数据库访问，使有关用户充分利 用所存数据信息，对大气质量进行评价分析。用户可以通过该系统随意查询所需 数据，完成对所查询数据的排序、对比等任务。并可以以列表形式和图形方式观 察数据，并打印之。 1 3 环境标准参数的说明 根据中华人民共和国环境保护法和中华人民共和国大气污染防治法， 为改善环境空气质量，防止生态破坏，创造清洁适宜的环境，保护人体健康，特 制订本标准。本标准从1 9 9 6 年1 0 月1 日起实施，同时代替g b 3 0 9 5 - - 8 2 。 1 、主题内容与适用范围 本标准规定了环境空气质量功能区划分、标准分级、污染物项目、取值时间 同济大学硕士学位论文 及浓度限值，采样与分析方法及数据统计的有效性规定。本标准适用于全国范围 的环境空气质量评价。 2 、引用标准 表1 1g i 用标准 g b t1 5 2 6 2空气质量二氧化硫的测定甲醛吸收苯胺分光光度法 g b8 9 7 0空气质量二氧化硫的测定四氯汞盐苯胺分光光度法 g b t1 5 4 3 2环境空气总悬浮颗粒物测定重量法 g b6 9 2 1空气质量大气飘尘浓度测定方法 g b t1 5 4 3 6环境空气氮氧化物的测定s a l t z m a n 法 g b t1 5 4 3 5环境空气二氧化氮的测定s a l t z i i l a n 法 g b t1 5 4 3 7环境空气臭氧的测定靛蓝二磺酸钠分光光度法 g b t1 5 4 3 8环境空气臭氧的测定紫外光度法 g b9 8 0 1空气质量一氧化碳的测定非分散红外法 g b8 9 7 1空气质量 苯并 a 芘的测定乙酰化滤纸层析荧光分光光度法 g b t1 5 4 3 9环境空气 苯并 a 芘的测定高效液相色谱法 g b t1 5 2 6 4空气质量铅的测定火焰原子吸收分光光度法 g b t1 5 4 3 4环境空气氟化物的测定滤膜氟离子选择电极法 g b t1 5 4 3 3环境空气 氰化物的测定石灰滤纸氟离子选择电极法 3 、定义 1 总悬浮颗粒物( t o t a ls u s p e n d e dp a r t i c i c u l a r ，t s p ) ：指能悬浮在空气 中，空气动力学当量直径i 0 0 微米的颗粒物。 2 可吸入颗粒物( p a r t i c u l a rm a t t e rl e s st h a nl oum ，p ) ：指悬浮在 空气中，空气动力学当量直径1 0 微米的颗粒物。 氮氧化物( 以n 0 。计) ：指空气中主要以氧化氮和二氧化氮形式存在的氮 的氧化物。 铅( p b ) ：指存在于总悬浮颗粒物中的铅及其化合物。 苯并( a ) 芘( b a l p ) ：指存在于可吸入颗粒物中的苯并 a 芘。 氟化物( 以f 计) ：以气态及颗粒态形式存在的无机氟化物。 年平均：指任何一年的日平均浓度的算术均值。 季平均：指任何一季的日平均浓度的算术均值。 月平均：指任何一月的日平均浓度的算术均值。 日平均：指任何一日的平均浓度。 文 出lf；民t&。；m 旦堕查兰堡苎兰垡丝苎一 1 1 一小时平均：指任何一小时的平均浓度。 1 2 植物生长季平均：指任何一个植物生长季月平均浓度的算术均值。 1 3 环境空气：指人群、植物、动物和建筑物所暴露的室外空气。 1 4 标准状态：指温度为2 7 3 k ，压力为i 0 1 3 2 5 k p a 时的状态。 4 环境空气质量功能区的分类和标准分级 ( 1 ) 环境空气质量功能区分类 一类区为自然保护区、风景名胜区和其它需要特殊保护的地区。 二类区为城镇规划中确定的居住区、商业交通居民混合区、文化区、一般工 业区和农村地区。 三类区为特定工业区。 ( 2 ) 环境空气质量标准分级 环境空气质量标准分为三级，一类区执行一级标准，二类区执行二级标准， 三类区执行三级标准。 5 浓度限值 本标准规定了各项污染物不允许超过的浓度限值，见表1 2 。 表1 2 各项污染物的浓度限值 浓度限值 污染物名称取值时间 一级标二级标三级标 浓度单位 准准准 二氧化硫 年平均 0 0 20 0 60 1 0 毫克立方米 日平均 o 0 50 1 5o 2 5 s o ：( 标准状态) 1 小时平均 0 1 5o 5 00 7 0 总悬浮颗粒 年平均 o 0 80 2 00 3 0 物 目平均 o 1 2o 3 0o 5 0 t s p 可吸入颗粒 年平均 0 0 4o 1 0o 1 5 物 日平均 0 0 50 1 50 2 5 p m t o 氮氧化物 年平均 0 0 5o 0 50 1 0 日平均 o 1 00 1 0o 1 5 n o x l 小时平均 0 1 5o 1 5o 3 0 二氧化氮 年平均 0 ，0 40 0 4o 0 8 日平均 o 0 8o 0 8o 1 2 n 0 2 l 小时平均 0 1 2o 1 2o 2 4 一氧化碳日平均 4 0 04 0 06 0 0 c oi 小时平均1 0 0 01 0 0 02 0 0 0 6 同济火学硕士学位论文 臭氧 1 小时平均 o 1 2o 1 6o 2 0 o j 铅季平均 1 5 0微克立方米 p b年平均1 o o( 标准状态) 苯并 a 芘 臼平均 o 0 l b a p 氟化物日平均7 f1 小时平均 2 0 月平均 1 8 3 0 微克( 平方分米 植物生长季平 均 1 2 2 0 日) 注： 适用于城市地区； 适用于牧业区和以牧业为主的半农半牧区，蚕桑区： 适用于农业和林业区 6 监测 6 1 采样 环境空气监测中的采样点、采样环境、采样高度及采样频率的要求，按环境 监测技术规范( 大气部分) 执彳于。 6 2 分析方法 各项污染物分析方法，见表1 3 。 表1 3 各项污染物分析方法 污染物名称分析方法 来源 ( 1 ) 甲醛吸收副玫瑰苯胺分光光度法 二氧化硫 ( 2 ) 四氯汞盐副玫瑰苯胺分光光度法 g b t1 5 2 6 2 9 4 ( 3 ) 紫外荧光法 g b8 9 7 0 8 8 总悬浮颗粒物 重量法 g b t1 5 4 3 2 - - 9 5 可吸入颗粒物重量法g b6 9 2 1 8 6 氮氧化物( 1 ) s a l t z m a n 法 ( 以n o 。计)( 2 ) 化学发光法 g b t1 5 4 3 6 9 5 ( 1 ) s a l t z m a n 法 二氧化氮 g b t1 5 4 3 5 - - 9 5 ( 2 ) 化学发光法 ( 1 ) 靛蓝二磺酸钠分光光度法 臭氧( 2 ) 紫外光度法 g b t1 5 4 3 7 9 5 ( 3 ) 化学发光法 g b t1 5 4 3 8 - - 9 5 一氧化碳非分散红外法 g b9 8 0 l 一8 8 劂济大学硕士学位论文 ( 1 ) 乙酰化滤纸层析荧光分光光度法 g b9 8 7 l 一8 8 苯并 a 芘 g b t 15 4 3 9 - 9 5 ( 2 ) 高效液相色谱法 铅火焰原子吸收分光光度法 g b t15 2 6 4 - 9 4 氟化物( 1 ) 滤膜氟离子选择电极法 g b t15 4 3 4 - 9 5 ( 以f 计)( 2 ) 石灰滤纸氟离子选择电极法 g b t 15 4 3 3 - 9 5 注：分别暂用国际标准i s 0 c d l 0 4 9 8 、i s 0 7 9 9 6 ，i s 0 1 0 3 1 3 ，待国家标准 发布后，执行国家标准：用于日平均和l 小时平均标准；用于月平均和植物 生长季平均标准。 7 数据统计的有效性规定 各项污染物数据统计的有效性规定，见表i 4 表1 4 各项污染物数据统计的有效性规定 每年至少有分布均匀的1 4 4 个日均值 s o 。，n o x ，n 0 2年平均 每月至少有分布均匀的1 2 个日均值 每年至少有分布均匀的6 0 个日均值 t s p ，p m l o ，p b年平均 每月至少有分布均匀的5 个日均值 s 也，n o x ，n 仉，c o日平均每日至少有1 8 小时的采样时间 t s p ，附mb ( a ) p ，p b日平均每日至少有1 2 小时的采样时间 s o “n o x ，n o “c o ，0 31 小时平均每小时至少有4 5 分钟的采样时间 每季至少有分布均匀的1 5 个日均值 p b季平均 每月至少有分布均匀的5 个日均值 f 月平均每月至少采样1 5 日以上 植物生长季平均每一个生长季至少有7 0 个月平均值 日平均每日至少有1 2 小时的采样时间 l 小时平均每小时至少有4 5 分种的采样时间 1 4 空气污染监测概念的介绍 1 4 1 空气污染物的分类 空气污染源可分为自然的和人为的两类。人为的污染源中，又分为固定的和 流动的两种。污染物分为一次污染物和二次污染物。 1 4 2 空气污染监测的目的 ( 1 ) 污染源监测：( 2 ) 环境污染监测；( 3 ) 特定目的监测 同济大学硕士学位论文 1 4 3 监测点位的布置 监测点位的选择，是空气监测的重要组成部分。由于污染物排入空气后，将 受到排放方式、污染物性质、气象因素、地形条件等诸多因素的影响，其时空分 布是非常复杂且多变的。因此只有了解了空气污染物排放的类型、大小和分布， 污染物的排放规律和性质，影响污染物迁移、扩散的环境条件( 地形、地物等等) 及气象因素( 风向、风速、大气湍流等等) ，才能根据预定的目的正确选择监测点。 1 4 4 空气污染物的采样方法 ( 1 ) 直接采样法；( 2 ) 富集采样法等方法。 1 4 5 空气中常见污染物的测定方法 ( 1 ) 含硫化合物：包括二氧化硫、硫酸盐化速率、硫化氢。 二氧化硫的测定用分光光度法、紫外荧光法。硫酸盐化速率的测定用碱片法。 硫化氢的测定用亚甲基蓝分光光度法。 ( 2 ) 无机含氮化合物和氧化剂： 无机含氮化合物的测定中，氧化氮用盐酸萘乙二胺分光光度法和化学发光 法。氨的测定用纳氏试剂分光光度法或次氯酸钠一水杨酸分光光度法。 光化学氧化荆和臭氧的分析方法有：硼酸碘化钾分光光度法、化学发光法、 紫外光度法。 ( 3 ) 无机含卤素化合物：包括氟化物、氯、氯化氢。 氟化物的测定用滤膜法或石灰滤纸法。氯的测定用甲基橙分光光度法。氯化 氢的测定常用硫氰酸汞比色法和离子色谱法。 ( 4 ) 含碳化合物：包括一氧化碳和总烃及非甲烷烃。 一氧化碳的测定有非分散红外吸收法、气相色谱法、定电位电解法、汞置换 法。 总烃及非甲烷烃的测定主要是气相色谱法。 ( 5 ) 颗粒物：包括总悬浮颗粒物( t s p ) 、可吸入颗粒物( i p ) 、灰尘自然沉降量。 它们的测定均采用重量法。 1 4 6 固定污染源的监测 烟道、烟囱、通风道等在燃料燃烧过程中产生了各种有害物质，这些有害物 质即包含固态的烟尘和粉尘，也包含气态和气溶胶态的各种有害物质。采样方法： 等速采样法。烟气中的有害气体：主要有二氧化硫、二氧化氮、硫化氢等。 烟气中的成分分析常用方法：奥氏气体分析器法、半自动气体分析器、非分 剧济大学硕士学位论文 散红外气体分析仪、气相色谱法、燃烧热效率测定仪等。 1 4 7 流动污染源的监测 流动污染源通常指汽车( 包括汽油车和柴油车) 、火车、轮船、飞机等排气源。 ( 1 ) 汽油车怠速一氧化碳，碳氧化合物的测定，使用不分光红外线一氧化碳、碳 氢化合物气体分析仪测定。 ( 2 ) 汽车排气中氮氧化物的测定，用盐酸萘乙二胺分光光度法。 ( 3 ) 柴油车自由加速烟度的测定，用滤纸式烟度计。 1 4 。8 空气降水的监测 ( 1 ) 空气中水汽凝结产物如雨、雪、雹等，都称为降水。一般认为不被污染 的天然降水略显酸性其p h 值为5 6 5 。 ( 2 ) 监测项目为：电导率、p h 、钾离子、钙离子、镁离子、氨根离子、硫酸 根离子、亚硝酸根离子、硝酸根离子、氯离子等。 ( 3 ) 测定方法： 电导率的测定用铂黑或铂电极： p h 的测定用电极法； 硫酸根离予、亚硝酸根离子、硝酸根离子、氯离子的测定用离子色谱法； 钾离子的测定用原子吸收分光光度法： 钙离子、镁离子的钡9 定用原子吸收法。 1 5 本章小结 本章首先引出当前对大气品质的需求在不断的提高，然后简要的说明了符合 目前中国国情的空气品质监测系统的主要的软硬件结构，对大气监测系统的整体 概念做了一个简单的介绍。并对环境参数和主要污染源做了比较详细的说明。 1 0 堕塑查兰堡! ! 兰焦堡兰 一一第二章传感器基本知识及相关电路设计说明 2 1 传感器基本知识及分类 一、传感器的定义 国家标准g b 7 6 6 5 8 7 对传感器下的定义是：“能感受规定的被测量并按照 一定的规律转换成可用信号的器件或装黄，通常由敏感元件和转换元件组成”。 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将检测感受到的信息， 按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、 处理、存储、显示、记录和控制等要求。它是实现自动检测和自动控制的首要 环节。 二、传感器的分类 目前对传感器尚无一个统一的分类方法，但比较常用的有如下三种： 1 、按传感器的物理量分类，可分为位移、力、速度、温度、流量、气体成份等 传感器。 2 、按传感器工作原理分类，可分为电阻、电容、电感、电压、霍尔、光电、 光栅、热电偶等传感器。 3 、按传感器输出信号的性质分类，可分为：输出为开关量( “1 ”和”o ”或 “开”和“关”) 的开关型传感器；输出为模拟型传感器；输出为脉冲或代码 的数字型传感器。 三、传感器的静态特性 传感器的静态特性是指对静态的输入信号，传感器的输出量与输入量之间 所具有相互关系。因为这时输入量和输出量都和时问无关，所以它们之间的关 系，即传感器的静态特性可用个不含时间变量的代数方程，或以输入量作横 坐标，把与其对应的输出量作纵坐标而画出的特性曲线来描述。表征传感器静 态特性的主要参数有：线性度、灵敏度、分辨力和迟滞等。 四、传感器的动态特性 所谓动态特性，是指传感器在输入变化时，它的输出的特性。在实际工作 中，传感器的动态特性常用它对某些标准输入信号的响应来表示。这是因为传 同济丈学硕士学位论文 感器对标准输入信号的响应容易用实验方法求得，并且它对标准输入信号的响 应与它对任意输入信号的响应之间存在一定的关系，往往知道了前者就能推定 后者。最常用的标准输入信号有阶跃信号和正弦信号两种，所以传感器的动态 特性也常用阶跃响应和频率响应来表示。 五、传感器的线性度 通常情况下，传感器的实际静态特性输出是条曲线而非直线。在实际工作 中，为使仪表具有均匀刻度的读数常用一条拟合直线近似地代表实际的特性 曲线、线性度( 非线性误差) 就是这个近似程度的一个性能指标。 拟台直线的选取有多种方法。如将零输入和满量程输出点相连的理论直线 作为拟合直线；或将与特性曲线上各点偏差的平方和为最小的理论直线作为拟 合赢线，此拟合直线称为晟小二乘法拟合直线。 六、传感器的灵敏度 灵敏度是指传感器在稳态工作情况下输出量变化a y 对输入量变化x 的比 值。 它是输出输入特性曲线的斜率。如果传感器的输出和输入之间显线性 关系，则灵敏度s 是一个常数。否则，它将随输入量的变化而变化。 灵敏度的量纲是输出、输入量的量纲之比。例如，某位移传感器，在位移 变化i m m 时，输出电压变化为2 0 0 m v ，则其灵敏度应表示为2 0 0 m v m m 。 当传感器的输出、输入量的量纲相同时，灵敏度可理解为放大倍数。 提高灵敏度，可得到较高的测量精度。但灵敏度愈高，测量范围愈窄，稳 定性也往往愈差。 七、传感器的分辨力 分辨力是指传感器可能感受到的被测量的最小交化的能力。也就是说，如 果输入量从某一非零值缓慢地变化。当输入变化值未超过某一数值时，传感器 的输出不会发生变化，即传感器对此输入量的变化是分辨不出来的。只有当输 入量的变化超过分辨力时，其输出才会发生变化。 通常传感器在满量程范围内各点的分辨力并不相同，因此常用满量程中能 使输出量产生阶跃变化的输入量中的最大变化值作为衡量分辨力的指标。上述 指标若用满量程的百分比表示，则称为分辨率。 八、电阻式传感器 电阻式传感器是将被测量，如位移、形变、力、加速度、湿度、温度等这 同济大学硕士学位论文 些物理量转换成电阻值这样的一种器件。主要有电阻应变式、压阻式、热电阻、 热敏、气敏、湿敏等电阻式传感器件。 九、电阻应变式传感器 传感器中的电阻应变片具有金属的应变效应，即在外力作用下产生机械形 变，从而使电阻值随之发生相应的变化。电阻应变片主要有金属和半导体两类， 金属应变片有金属丝式、箔式、薄膜式之分。半导体应变片具有灵敏度高( 通 常是丝式、箔式的几十倍) 、横向效应小等优点。 十、压阻式传感器 压阻式传感器是根据半导体材料的压阻效应在半导体材料的基片上经扩散 电阻而制成的器件。其基片可直接作为测量传感元件，扩散电阻在基片内接成 电桥形式。当基片受到外力作用而产生形变时，各电阻值将发生变化，电桥就 会产生相应的不平衡输出。 用作压阻式传感器的基片( 或称膜片) 材料主要为硅片和锗片，硅片为敏 感材料而制成的硅压阻传感器越来越受到人们的重视，尤其是以测量压力和速 度的固态压阻式传感器应用最为普遍。 十一、热电阻传感器 热电阻传感器主要是利用电阻值随温度变化而变化这特性来测量温度及 与温度有关的参数。在温度检测精度要求比较高的场合，这种传感器比较适用。 目前较为广泛的热电阻材料为铂、铜、镍等，它们具有电阻温度系数大、线性 好、性能稳定、使用温度范围宽、加工容易等特点。用于测量一2 0 0 。c + 5 0 0 + c 范围内的温度。 十二、传感器的迟滞特性 迟滞特性表征传感器在正向( 输入量增大) 和反向( 输入量减小) 行程间 输出输入特性曲线不一致的程度，通常用这两条曲线之间的最大差值m a x 与满量程输出f s 的百分比表示。 迟滞可由传感器内部元件存在能量的吸收造成。 2 2 气敏传感器的分类介绍 气敏传感器一般是按照气敏特性来划分的，种类也比较多，这里介绍一些 目前技术上比较成熟以及应用得比较多的几种类型的气敏传感器 3 1 。 i 目济大学硕士学位论文 ( 1 ) 金属氧化物半导体传感器 金属氧化物半导体传感器是目前世界上生产和应用得最多的一种气敏传感 器，当它们暴露在挥发性有机物( v o c ) 的环境下，其电阻值会发生改变。最常 见的氧化物材料有锡、锌、钛、钨和铱等，通过在这些氧化物半导体内添加少 量的p t 、p d 、a u 等贵重金属催化剂以及改善制作工艺和调节工作温度可以在 定程度上提高传感器的灵敏度和选择性。金属氧化物半导体传感器一般需在 2 0 0 4 0 0 的温度下工作，所以传感器内一般集成有加热器。 ( 2 ) 导电型聚合物半导体传感器 导电型聚合物的电阻会随着挥发性有机物的不同而改变，常用的导电聚合 物有：聚吡咯、噻吩、吲哚以及呋喃等。为了在传感器中使用这类聚合物，采 用微加工工艺技术来制造间隔只有1 0 2 0 微米的电极，采用在电极之间循环加 电的方法来电聚合导电聚合物。导电型聚合物半导体传感器是在常温下工作的， 因此不需要加热器，比较容易制造。由于电子界面直接明了，适合用在手提式 仪器上。导电型聚合物半导体传感器的灵敏度可达1 0 - 7 ，它的主要缺点是：活 化物质的电聚合化过程比较困难和耗时，所以不同批量之间生产的产品会有 些偏差，同时响应也会随时间而漂移4 。 ( 3 ) 固体电解质传感器 固体电解质传感器是产量仅次于金属氧化物半导体传感器的一类气敏元 件，它实际上就是一种以离子导体为电解质的化学电池。根据待测挥发性有机 物的派生的离子是否和固体电解质中的移动离子或固定离子相同，一般可把固 体电解质传感器分为三类：( a ) 材料中吸附的待测挥发性有机物派生的离子与 电解质中的移动离子相同的传感器，如氧气传感器：( b ) 材料中吸附的待测挥 发性有机物派生的离子与电解质中的固定离子相同的传感器，如用于测量氧气 的有固体电解质s r f 2 h 和p t 电极组成的传感器；( c ) 材料中吸附的待测挥发性 有机物派生的离子与电解质中的移动离子以及固定离子均不相同的传感器，这 类圆体电解质传感器必须要借助于其它辅助材料，性能优良的c o 、n o 、n 0 2 、s 0 2 和s 0 3 传感器一般都属于这一类。 ( 4 ) 压电型传感器( 又称为质量型传感器) 压电型传感器典型的有两种：( a ) 石英晶体微平衡( q u a r t zc r y s t a l m i c r o b a t a n c e ，q c m ) 型传感器；( b ) 声表面波( s u r f a c ea c o u s t i cw a v e ，s a w ) 型传感器。它们都是利用吸附被测挥发性有机物的分子而导致其敏感元件的共 同济大学硕士学位论文 振频率发生变化的原理来制造的。q c m 传感器和s a w 传感器主要有以下的不同点： ( a ) 声表面波只是在设备的表层传播，而不通过其内部；( b ) s a w 传感器是在 极高的频率下工作的，工作频率的变化也更大。通常，s a w 传感器是在数百个 m h z 频率下工作的，而大部分q c m 是在1 0 m h z 频率条件下工作的；( c ) 由于表面 体积的增大会导致信噪比会下降，所以在某些情况下，s a w 传感器的灵敏度要比 q c m 的低一些，但一般来都说比金属氧化物半导体传感器的灵敏度高多了，可达 1 0 一9 。q c m 传感器和s a w 传感器的主要缺点是：它们比导电型传感器需要更复杂 的电子设计，而且还需要其它的辅助设备如频率检测器，随着活性膜的老化， 共振频率会发生漂移。 ( 5 ) 金属氧化物硅场效应半导体型传感器 金属氧化物硅场效应半导体( m e t a lo x i d es i l i c o nf i e l de f f e c t t r a n s i s t o r ，m o s f e t ) 型传感器是一种非电阻型半导体传感器。它的工作原理 是：当被测挥发性有机物的分子和金属氧化物接触时，在金属内会发生反应， 反应产物能扩散穿过一个m o s f e t 的闸门，从而使得它的电性质发生变化。采用 不同的金属氧化物以及工作温度，可以使传感器的灵敏度和选择性达到最优。 这类传感器的主要优点是灵敏度高，但是制作工艺比较复杂，成本高，至今只 是用在少量的传感器系统上，比如用于检测氢气和硅烷气等可燃性气体。 ( 6 ) 光学传感器 光学传感器是一种两侧或底部涂有化学活性材料的玻璃光学纤维。被测挥 发性有机物会对光纤内传输的光进行某种形式的调制，从而使传输光的振幅、 相位、频率或偏振光等某些特性发生相应的变化。通过对被调制过的光的检测， 就可以对挥发性有机物进行测定。光学传感器的优点是灵敏度高、体积小、几 何形状适应性好，缺点是容易受到环境的干扰。 2 3 空气监测传感器说明及采集电路 2 3 1a 3 c 0 电化学传藤器 本监测系统采用的是英国著名的c i t y 技术公司电化学气体传感器，对几种 有害气体都采用相应的传感器测量。a 3 c o 区别于一般的电化学传感器的是它引 入了一个辅助极，下面给出传感器的外形图以及工作原理图 5 1 ： 同济大学碗：l 学位论文 图2 1 传感器外形图 传感器附加了一个辅助极，可以有效的克服气体的交叉敏感性，典型的例 子就是一氧化碳传感器对氢气有发生响应。如果被测气体中含有氢气就很滩对 c o 进行精确测量，使用辅助极的传感器，c o 和h 2 与传感器的敏感极都发生反 应，而辅助参考电极没有和反应气体接触，只与氢气发生反应。一旦每个电极 上的反应比率是已知的，可以通过敏感极信号与辅助极信号相减来获得一个氢 气的补偿信号，这个减法可以通过模拟电路或者相应的软件算法来实现。 1 k 圈2 2 传感器工作原理图 1 6 同济大学硕士学位论文 大部分电化学气体传感器的基线信号随温度呈指数级增加，大约温度每提 高1 0 摄氏度信号幅值增加一倍，对于大部分传感器应用来说温度相关效应的影 响并不是很大的问题，但是对于低浓度气体测量，例如臭氧或者一氧化碳的监 控，温度基线信号漂移都会严重影响到测量的精确性。由于敏感极和辅助参考 极信号对于温度的变化都有类似的反应，而辅助极并没有暴露在反应气体中， 敏感极信号减去辅助极信号作为最后的测量信号，正好消除了传感器温度基线 信号的漂移对测量结果的影响。 2 3 2 a 3 s t f 和a 3 n d h 电化学传感器 工作原理与a 3 c o 相似，这里不在做多余叙述。 2 4 传感器信号的处理放大电路 2 4 1 保证工作电压区间 由于该传感器为电流型传感器，敏感极和计数极之间要发生反应，敏感极 的电动势有自己工作电压区间，其值必须要控制在一定的范围之内。当传感器 对被测气体进行测量时，电流随气体浓度的增加而增加，会引起计数极和敏感 极的电动势的增加，当电动势超过所允许的范围之后，传感器