（检测技术与自动化装置专业论文）铝电解槽阳极气体成分在线检测的研究.pdf

北方工业大学学位论文铝瑰解槽阳掇气体成分禚线检潮的研究攘妥应蠲c 0 2 气敏粥瓷型传惑器结合擎片辊数据采集系统采溺定铝电解耩阳极气体成分，进一步计算铝电解槽电流效率，是一种新的电流效率的测定方法。本文设计了以新型纳米电予陶瓷电容型c 0 2 气敏元佟为传感器，以m s p 4 3 0 f 1 4 9 为核心昭攀片橇系统； 鞋上位钒数据处理静铝魄解槽阳极气体成分在线检铡系统。rc 0 2 气敏陶瓷电容烈传感器将纳米理论和半导化理论7 1 入了传感器的研制过程中，这穆传感爨逶过气钵蔽覆吸难，及程拳导终螽凌豹霾赛层产垒煞燕赛效应，使餐不弱浓度c 0 2 气体产生不同的电容值。这种传感器的原料由纳米级b a t i 0 3 和c u o 粉末组成，制作过程是将两种粉末充分混合，然后压制成半径8 m m ，厚o 6 m m 的圆片，5 0 0 。c 下烧绩5 ，l 、跨惹，瑟瑟设鬟霉电锻电羧，弓l 塞p 专线。单片机系统以一个真正的在系统可编程全智能数据采集系统- - t i 公司2 0 0 0 年推出的f l a s h 型超低功耗1 6 位单片机为核心。系统凳为：数据采燕子系统：数搌存储子系统；数疆土健子系统；数据显示子系统等霆个郝分。设诗孛还针对铝电簿工照的特点考虑了系统的抗干扰性。系统的驱动程序用c 语言编写。系统在调试后，可以实现通过传感器采集数据，并计算出与之对应魄c 0 2 的浓度傻，然后进行结果的存储、摄示。这个系统还胃戳将采集戆数缀发送弱p c 祝进行分析。x 庙，一本文以c + + b u i l d e r5 0 作为开发工具，编制了上位机数据接收和处理软件，界面友好，实现? 数据接收、缳存、显示；还可娃画出懿线来分橱数攒。关键词t单片撬；电容型镗感嚣 c 0 2痍；在线捡溅；铝电解。北穷王监大学学靛论文p*_p_wm_h_h_“_一一r e s e a r c ho no n l i n ed e t e c t i o no f a n o d eg a sc o m p o s i t i o ni na l u m i n u me l e c t r o l y s i sc e l ta b s t r a c tq i nj i a n m i n ，z e n gs h u i p i n gu s i n ge 娆a i r - s e n s i t i v ee l e c t r o n i c * e e r a m i cs e n s o ra n dd a t ac o l l e c t i o ns y s t e mo fm i c r o - c o n t r o l l e rt om e a s u r ea n o d eg a sc o m p o s i t i o n ，a n dc a l c u l a t i n gt h ec u r r e n te f f i c i e n c yi na l u m i n u me l e c t r o l y s i si san e wm e t h o d 。w h i c hc a nr e a l i z eo n l i n ed e t e r m i n a t i o no ft h ec l l l t e n te f f i c i e n c yi na l u m i n u mp r o d u c t i o n ，t h ep a p e rb r o n g h tf o r w a r da no n l i n ed e t e c t i o ns y s t e mo ft h ea n o d eg a sc o m p o s i t i o ni na l u m i n u me l e c t r o l y s i s t h es y s t e mm a i n l yc o n s i s t so ft h ee l e c t r o n i c - c e r a m i cc a p a c i t i v e - t y p es e n s o rf o rc 0 2 ，t h es i n g l ee h i t , s y s t e mw i t ht h em s p 4 3 0 f t 4 9c p ua n dt h ed a t ap r o c e s s i n gs o f t w a r eo np c 。t h ee l e c t r o n i c - c e r a m i cc a p a c i t i v e - t y p es e n s o rf o rc 0 2i sb a s e do rt h en a n o m e t e ra n ds e m i c o n d u c t o rt h e o r i e s ，a c c o r d i n gt ot h em e c h a n i s mo f t h eg a ss u r f a c ea b s o r b i n ga c t i o n sa n dt h em e c h a n i s mo f g r a i nb o u n d a r ye f f e c to f s e m i c o n d u c t o r s ，t h ec a p a c i t a n c eo f t h es e n s o rc a nb ec h a n g e dw i t ht h ev a r i a t i o no fc o zc o n c e n t r a t i o n t h i ss e n s o ri sm a d ef r o mb a t i 如a n dc u op o w d e r 疆嚣翱霪翻嚣凇g r s a e t h ep r o c e s so f m a n u f a c t u r ei sd e s c r i b e d 墨寒m i x i n gb a t i 0 3a n dc u op o w d e ra d e q u a t e l y , t h e np r e s s i n gt h em i x t u r ei n t ow a f e rw i t ht h i c k n e s s0 。6 r a ma n dr a d i u s8 m m , m a df i n a l l ys i n t e r i n gt h ew a f e ra t5 f o r5h o u r s t h ea ge l e c t r o d ea n dp td o w n - l e a dw e r es e tt ot h es e n s o r t h em i c r o - c o n t r o l l e rs y s t e mu s e dm s p 4 3 0 f 1 4 9o ft ic o m p a n ya sc p u ，w h i c hh a sa ni n - s y s t e mp r o g r a m m a b l ea n di n t e l l i g e n td a t aa c q u i s i t i o ns y s t e m ，t h es y s t e mh a sf o u rp a r t s ，w h i c h 粼d a t ac o l l e c t i n gs u b s y s t e m ，d a t as t o r a g es u b s y s t e m ，d a t ad i s p l a y i n gs u b s y s t e ma n dd a t au p l o a d i n gs u b s y s t e m t h es y s t e m sa n t i i n t e r f e r e n c eh a sa l s ob e e nc o n s i d e r e df o rt h es p e c i a le a s e so fa | - e t e c t r o t y s i si n d u s t r y t h ed r i v e rp r o g r a mo fs y s t e mi sc o m p i l e d 姆c北方工业大学学位论文l a n g u a g e 。a f t e rb e i n gd e b u g g e d ，t h es y s t e mc a l lc o l l e c ts p o td a t au s i n gs e n s o ra n dc a l c u l a t et h ec o n t e n to fc 0 2 t h em e a s u r e dr e s u l t sc a nb es t o r e da n dd i s p l a y e d t h es y s t e mc a na l s ou p l o a dt h ed a t at op ci no r d e rt oa n a l y z ed a t ac o n v e n i e n t l y p cs o f t w a r ew a sp r o g r a m m e dw i t hc + + b u i l d e r 5 。0f o rf u r t h e rd e a l i n gw i t ht h ed a t a t h ei n t e r f a c eo fs o f t w a r ei sf r i e n d l y ；t h er e c e i v e dd a t ac a nb es t o r e da n dd i s p l a y e d ；t h er e l a t i v ec u l v eb a s e do nr e c e i v e dd a t ac a l lb ec o n v e n i e n t l ys h o w no nt h es c r e e n k e y w o r d s ：m i c r o c o n t r o l l e r , c a p a c i t i v e t y p es e n s o r ，c 0 2g a sc o n c e n t r a t i o n ，o n l i n ed e t e c t a l u m i n u me l e c t r o l y s i s北方工业大学学俄论文独创性声明本人声鲷瑟呈交戆学整论文楚本人在导耀攒警下迸霉瓣疆究工 睾致敬褥豹碜 究戒果。据我所知，除了文中特别加以桥注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北方工业大学或其他教商机构的学位戏证书而使雳过豹孝葶精。与我一嗣工作静同恚辩本研究氍骰逡豹任悸贡觳沟已在论文中 乍了黉确豹说明并表示谢意。学位论文作者签名；泰建妖签字日期：勿移年，月，日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解北方工业大学有关保圈、使用学镶论文的规定，有权保馨并两鏊家露关部门或瓿构送交论文静复印释巍磁纛，允许论文被查阕和疆麓。本久授权北方工业大学可以将学位论文的全部内容或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缡印或扫描等复制手段保秽、汇编学位论文。( 保密豹学佼论文在解密后适耀本授权书)学位论文作者签名：；姑戍导师煞名：l 。1 。甲签字目麓：m 年月，曩签字目麓：8 ；冬参月磅霹学位论文作者毕业后去向：工作单位；北京市广播电影电视设备制造厂电话：0 1 0 6 5 8 9 5 6 11逶添圭| 羹缝：j 京市裁麓甄联辑餐1 2 譬郏缓：1 0 0 0 2 4北方工救大学学位论文繁，l 章缀论1 。1 锈电解槽醒撮气体成分东线检测的意义现代铝工业生产，主要采取冰晶瓣辅化铝熔盐电解法。直流电流通入电解横。在阳极和阴极上起电化学反应。阴极上的电解产物是铝液，阳极上是一氧化碳和= 嘏化碳气体。冰晶石一氧化铝熔盐电解生产粥的工艺过程，耗电量大，电费占吨铝成本的4 0 左右，降低电耗是铝厂提高经济效擞的关键。所以，高电流效率是铝电解生产墩健化的凇则f l 】。由此可以看出，电流效率是粥峨解的个重要指标，它涉及到铝电解槽的产量萼电耗，露这二者黠铝生产豹成本都鸯罄豢接麴影睫。透扰，每一个电解锈厂酃希蘩麓镑壤薅及对鏊了簿每一令毫簿稽豹泡滚效搴。掰菇舞嚣准穗溺定毫黎穰麓瓷流效率就成为了广大工程技术夫员重纛要释巍鞠勰决熟阏麓。隧蓑键电簿工监匏不龄发展，测定惫瀛效率瀚方法遣在不断遣发展，究蛰。穗麓，对予工监铝邀解稽瞬对电瀛靛率静灏璧超越还没有得到圆满的解决，本课题就- - ) l k 锚电解槽瞬时电流效率的测量问题进行了些探讨和研究，并提出了一种通过在线检测锚电解槽阳极气体成分来测定瞬时电流效率的方法。1 , 1 1 锚电解生产简介自冰晶石一氧化铝熔盐电解法生产锻至今一蕾多年来，该法一直是工业大规模生产键懿主要方法。疆在稽容量、窭动控铡秘蓐l ：豫等方疆取霉缀大靛发震霸交纯。褥嬲遮卡年来，鸢予诗箕撬羧寒嚣发蓑，蓑攒设幸 雯热合理彝太墅蘧。舞取褥良捋懿按术帮经济撑栎。溪蕊攘帮大电流容量槽开始广泛搜臻，在嚣等袈模下，壤多了禳数爨，降低了搜淡和生产成本，提高了生产率f 2 ，3 挪。计辣椒控制技术的普及，已实现槽电压蠢渤控潮、阳极效应预报、中间下料槽的自动u 打巍下料、电流、电压自动显示，打印撤液、统计和监控生产工艺等。点式氧化铝加料系统的擞用保证了氧化铝下料的精度。电解脯漆加剂的_ 陂用，以及阳极配方和阳极工艺荣件、母线及槽结构和铝电解槽的控制技术瓣方面都樽到了有效的改进1 5 q o 】。镪电解稽是一个多变量耦合、对变酾犬滞瑶的工业过程髂系，其自身内郝复杂驰物联张学过程及各耱磬赛条箨嚣箨鼗麓予捷，决定了邀察楼运行过程孛焱多熬参数稿变鳖北方工业大学学位论文靛不确定蛀窝不可连续铡定毪，茏其怒生产过程孛穰蠹兹耪乎蜇与筵量平鬻救怨豹不酝变诧及茭穗互影响覆程互裁约，形成了复杂多变鳃稽嚣特征蟊冷穰、燕稽、阳缀瘸变黎不稳定横等。这绘实际生产操槔、穗援管理维护以及过程蓝控繁寒了摄拳授本难题。隧赣7 0 年代后期智能控制的飞速发展，铿能控制专家系统、自适应控制系拣和模糨控倦技术在铝电解槽控制中得到广泛应用，并照取得了较好的经济效果【1 1 h l 。1 1 2 电流效率的测定方法大体上测定工业铝电解槽的电流效举有四种方法1 1 5 】：1 ) 简易盘存法；蠡存法是根摇鬟电察横在菜一对潮内敬锯产釜等于在该蹲阕建获次从禳蠹墩爨豹鹬蘩豹蕊零黛上稽蠹在产锾量予灏定蓠爨黥莲壤，然嚣蓉爨法趋筹定霪，壤掇该时期肉黪恕爨，计算出电滚效率。2 ) 加铜稀释法：稀释法的原理是向槽内铝液中添加少嫩浆种金属，待其均匀溶解在铝液中之聪，取样分析测定铝中该金属的含量，进而计簿出槽内铝液数量。遄于作稀释剂的金属，应具备下列条件；a ) 它不存在于原料中；b ) 它能够完全溶解在韬液魂，霹不溶解程邀解潢萋；砖它不存在予霖辩孛；d ) 它怒够完全溶解在镫滚疼，丽不溶解在毫瓣痿墨；嚣蓠，工业上广泛应雳的稀释裁燕键或镊，它销基本上其套上述条俸。热镳裕释法测定电流效率有两种方法：a ) 加铜擞存法；b ) 加铜回归法。3 ) 放射性同位素稀释法；放射性同位素稀释法测定电流效率的原理是向铝液中添加少量的比铝更正电憔的元豢的放射性同位素，待其溶化均匀混禽腊敷出铝样，测定其放射性比活度，进而推算槽斑锻餐。稀释法豹理论依据是：在放射性浏诬索稀释嚣后，俸系串豹总放射性潴度不变。在测定勰瓣，接痰韬滚要取窭一部分，爨褥横肉裁佘熬薮袈缝活麦裁藏少了，这因素2北方工照大学学僚论文溪考虑裂。这静方法测定电流效率凌蠢薄秘途径：毪) 剩瓣盘存法；麓刊翅溷蛸法。4 ) 气体分析法。气体分橱法醵嚣理裁建裂震键宅勰攘粥稷气体巾二戴纯碳静含量与毫滚效率之闻靛荚系，溅凑辍极气体中二氧伍谈瓣会爨，甄瑟诗舅懑铝彀解疆奄流效率熬蕊。这耱方法简便弱行，越来越受到广大工程技零入爨的青辣。本深熬也是成辩这种方法皋滋行电流效率的测定。这耱方演戆蕊零窭袋纛是，瓣援一次气露是t 0 0 黪二氧憩虢，塞予掰缀产物鞭二氧化碳所越的逆反应，擞戚了一氯他羰气体：爿f 2 q + 1 5 c * 2 a l + 1 5 c 0 2( 式1 1 )2 a t + 3 c 0 2 = 名毛岛+ 3 c 0( 式 2 )擞栗电滚效率是r l ，铝凝失狳数楚| 一纾，爨2 垂一蹿如+ 3 蠢一咎) c q = l 一箨狰2 9 + 3 0 一搿) ( 心( 式1 1 3 )二次阳檄气体中的二飘化碳分子数= 1 5 - 3 ( 1 蚜)二次鬻掇气薅孛夔一戴纯骧势子数一3 0 一军骥戴，c 魏程e 毽+ ( 粉) 混合气体孛聪占戆髂积霹分魄数夯攀联溪吸禽量粳愚；n c o ：。掣x 1 0 0 ，4 )于是得到溅论关系式( p e a r s o n w a d d i n g t o n 公式) 警= 半x 1 0 0 瑚+ 兰：( 式1 5 )获理论上分轿，该式麓不完蔫静，嗣为一部分c 礴可能躐镟滏起反斑两黛戚c o ，姣瑟馊褥c 联含爨缓少：c o ：+ c = 2 c 0( 式1 6 )部分c o 埘能被a 1 ( 溶解的) 述原了，使c o 含璺减少：3北方工溉大学学位论文3 c 0 + 2 a i = 奠乏琶+ 3 c( 式1 7 )北努，蠢一部分电滚还殴曩终一肇方式损失了，燕不完全敖亳，毫子嚣奄等替。这些困豢都会影噙该关系式懿可靠性。关于p 嚣方程静修正闻蘧下西作一奔绣。研究发现，阳极气体中c o 的产生除二次反应外还可能由于水煤气反应和b o u d o u a r d眨威产生，另外c o 会进一步被a l 还原，实髓室测定表明有3 的阳极气体迸麒成了c ，碳氯化合物在自焙槽上可占阳极气体总鬣的6 7 。取样时漏入空气的影响雉以准确估计，水的影响可导致阳极气体中禽o 5 h f ，鉴于这些因素研究者们从自己的窳测结粜臻到p w 方程豹修正式。这爨投绘密繇嚣燹院根据工业锈魄解糖上熬测定结栗给出熬下魏半经验公式f 1 棚：帮酾) = 妻枣+ c o s 乎磅+ 爱( 式1 8 )二k = 3 5 ，蓝式可在毫滚效率7 0 - - 9 0 范露蠹应恁。上述的遥种方法中，简易盘存法遗予测定长期平均电流效率，这种方法简肇翁行，可以同时在若干台槽上进行测定，假却滗法测定瞬时电流效率，无法及时了解槠况，也溅法在实验室中应用；加铜稀释法和放射性同位索稀释法可以测定短期的电流效率，但也不能测定瞬时电流效率，而且对铝的旗鼹还有影响，也无法同时在若干台槽上间时测定；气体分析法适于测定瞬时电流效率从而w 以及时了解槽况，且对于铝无污染，还可以网避在若于槽上进行翱定。强藏嚣内辨瓣实验室逶雩亍科研对，氇都透过这搴牵方法来测定镶奄鳃稽魏毫流效率。逶过上述癸褥莓毁看窭，气搭努赘法有蔷英恁寿法无法篦攘蓊饶骜。燕魏秘便捷戆疲爝这秘方法迮是广大辩揍太员一囊在搽索戆黼题。盘手簧感技零戆限裁，娃及隈缀气体的特性使人们很难在现场测定出阳擞气体审二氧化碳的含量，只能在现场聚集气体后程宓验室进行分析。本文作者在鸯i 、剜了大爨国内外资料的基础上，找到了一种新型的_ =裁化碳气体敏感元件【1 7 】，并将它应用剥了阳极气体分析中，同时把单片机技术也成用到。r 熟中，提出了个通过在线分析阳檄气体中= 氧化碳浓度从而测定铝电解槽瞬时电流效率的方法。并制作了相应的智能测魑仪器。这种方法以阳极气体分析法为熬础，继承了它的侥势，丽且由于薪静传感器及锗携检测系统静痉强，又可虢实现在线捡溯，阑戴，其骞兜翡魏痘蘑蓑爨。4北方工波大学学位论文1 2 二氧诧碳气体捡溅技寒豹发糕与葵位气钵摇 较，二氧托酸气髂拣攮嚣稳定，更难于遘行速择鞋魏稔溅。薅恩长斓以来，二氧亿碳被褫为无害气体捺入大气，不进行整测程控裁。毽随着王渡技术黪发展，人们逐渐认识到在火法冶金，电冶众等冶金生产过程中，二氧化碳在某种糨度一t 能作为高温多相反应，燃烧效率，以及道程监测参数等方面的气体表征。特别魑 妇予排入大气层的二氧化碳愈来愈多【1 8 1 9 】，地球温度的逐渐升高，才使人们对二氧化碳气体的检测和控制逐渐重视起来。近些年求对予二氧化碳传感器的研制和开发憩魑成为了热点，同时瞧提出了一些新的技术和方法f 2 0 吨7 】。其中，w c m a s k e t l 等利用氧化镪传感嚣寒捡溅c o ：，毽致造嚣魏氧纯镑蕊戆器嚣法对毫浓度熬c o ：逶毒亍捡铡；m t e r e s ag o m e s等烈麓匿荚瑟薅嚣寝平鹜来羧溺c 0 2 ，髓工蕊十分复象无法在瑟劣筇凌下瘦潮。舞井鼗比较先避薛方法大帮是簧霹诋滚庹c 0 2 检测麓，不逶合应霜蘩本谭题中。下蔼穗毯静灏蠹外应用眈较成熬煞检测方法黼攀辩缡翔下；1 2 1 化学法化学法是人们研究比较早的检测二飙化碳浓度的方法之一，该方法也称为嶷式气体分析器法【2 甜。这种方法的原理是利用啵收液吸收混合气体中的某一部分，根据吸收前后体积的变化，计算该成份在混合气体中所占的百分数。这种方法测定范围广，对于混合气体中待颡l 气体组分没有浓度限制，儇糟度比较低，丽且不适于在线检测，这瓣方法多鼹在实验室蠹进行分辑实验。l 怠2 红羚分橱法赶癸检测愿瑾可努轰主确式鞠被韵式。1 ) 主动式利用红乡 辐射源对被测耱体进行辐射，被溅物对红矫是的吸收，反射和投射后红外光发生的变化，此变化与被测物的有关参数有关，由此来实现对待测组分的检测。2 ) 被动式被测物就是红外辐射源，利用其辐射特性检测红外辐射能实现温燃检测或把物体多个点辐射能大小转换成热象图，或利用气体辐射在红外波段有固有的谱线完成气体分析。遴过豢遵分缨，毒疆知道瘟藤錾夕 法胃爨慰二蓑往碳气葬送雩亍准确有效缝分褥帮测5j e 方工业大学学位论文鬣，露娃结擒篱单，葵襄枣，重量辍，凌耗鼹，酶壶速痉竣，可靠夔囊。瞧蹙，这秘方法对于鬣舍气蒋中转爨气薅缓分酶浓度是有隈铡趣，当待溅气薅缍努豹浓度遐菇辩，藏会使褥测董结果出瑷较大蕊德差，扶蕊导数粼基兹失默。露置应鬟这释方法裁成懿分褥仪器非常精密，对于应用现场的要求也徽礴，在比较恶劣的环境下不能保证疵用_ l i 乏法测得的结果是准确的。所以，虽然这种方法w 以应用于在线检测，但要求测爨环境对于测挝仪器的干扰要足够的小。1 2 3 热传导法糖种物质组分的导热能力是有一定麓肄的，对于多组分气体，由于组分禽爨的不嗣，混合气体导热能力将会发生变纯。掇撼混合气绱导热能力瑟差异，就可以实现气体缮分靛含薰分辑瑟键。对予绶照之鬻无摇互捧蒋藤多种缀分鲸蠛合气体，它翡燕罨率可运议的认为怒备德分热譬率鹃平均毽。五= 婊( 式1 9 )i = l式中a 混合气体的热导率谚：混合气体中第i 组分的体j i 分数置：混合气体中的第i 组分的热导攀竣符灏锺分为i = l ，宅弱热导攀灸是警冀德蕴分熬熬每率运辍稳等蹲，由予蘸+ 磊+ 磊+ = l ，甏上式可餐袍搀五= 磊嚷+ 焉镌十线+ )= 识+ 如( 1 一识)= 丑：+ “一a 2 溉所以蘸：鱼量”是一五拄( 式1 1 0 )翡方王建大学学瞧论文可楚，黑要灏爨溅台气薅熬热搏攀，帮霹求褥铸涎缝努静棼羧努数。鑫然，攘上逡漾遴努爨德溺缀黪禽蘩拜于，努矮潢是嚣争蘩耱：冀，澹会气髂孛滁特测缒努羚，蒸余轰鳃分躲熬翠搴必矮穗露壤卡分接邋；箕二，符涎爨分戆热露率与冀佘缀分酶燕导率要寄骥显差测，熬嬲越大，浏溪越灵簸。这秘方法，气体选繇蠖磐，不受缀分浓瘦隈裂，适予王程艨攒。褪列缎争 濂榉，澍检测环蟪的要求比较蕊，在恶溺环蟪下测量糟发很难僳证。因此，对予镪电解横这样濑复杂琴鼗应溺这秘方浚避孬在翁羧测怒不台逶豁。1 2 。4 固体电解质法这释方法楚糕臻菜耱鬻钵窀鳞矮枣季辩只瓣慕一辫气搏爨蠢气鼗锋蘑转砖魏蒙璇聚避好羧溅戆。覆箨邀簿囊爨蕊蓉器潋蒸硷濑聚璎楚鸷，选择熬努等筑蠡蠢弓| 夫注释，鼹羧广泛开发磷褒最多豹= 戴键疆蒋感嚣。蠢缀磷瓷嚣发窭懿主要c 0 2 固傣魄瓣蒺气簸传慧黎裂予袤l ，l 。液1 1 研究汗发虢主要c 0 2 瓣体电解磁气体传感器特住辟越1 2 。5 举辱镩法这秘方法是科囊半嚣体气敏嚣襻冈气搭按皴，造戒半学髂然麓发生交能，一潦鼗稳测特定气体的成分及浓度舯。半导体气体馋感器的分类如裘t 2 所到，大体上分_ 淹电阻式鞠嚣疑隰蕊。毫貔式半罨体气薅佟憋嚣麓爝襞缘锈、襞筵锌等鑫耩氧纯麓辩辩蒜稼熬敏感元件，利用其阻值的糍化来检测气体的浓度。气敏元件有多孔质烧结体、脬膜、以及辩魏蓬程骄澄熬薄骥等a 释菲宠辍拽举簿侮传感爨。辗攥气钵豹暇鼯帮爱废，秘愆率母体浆翡熬遁鼗，嚣气钵逡行奏臻或溺接羧测。?北方王弛大学学位论文衾_ | i 嚣霉i 纯秘半导体型黄感器，敲1 9 6 8 每实骧蔻箍毽生产，迸a 实蹋纯狳段潋寒，已鸯较大豁茨鼹，残灸匿蘸煎赛上生产赘觳大，疲簿嚣最广熬气敏元辞。但它主要髑寒裣测露燃经帮还愿性气体。敬茬蠹予c 0 2 纯学瞧蒺稳定，被歆为矮子c 侥徐溅蘧不可能的。煮到近年才有报告表暧，添加碱傲瓶化物的s n 0 2 对c 0 2 有一定的敏感髋，魑由于敏感性与所用的材料性质及器件微观结构紧密相关，设计这种传感器十分圜雉。照然用它可以检测c 0 2 气体。但选择性很激，嶷叉灵敏度高，多种气体共存时，桐飘干扰很大。几乎无法保证测定结果的准确。表1 2 半导体气体传惑器的分类1 珏il主要豹麓理特性传感嚣举例工箨滠度代表蠖被测气体l 瞧表露控裁型氡证褥、氯偬锌室涅垂5 0可爨缝气体ll 爨俘控麓鍪l a i - x s r x 7 0 0 以上淫耩，氯气非表面电位氧化银室温硫，醇电二极管整流特性铂，硫化镉，铂瓶化钛室温2 0 0氢气，c o ，酒精附晶体管特性铂栅m o s 场散j 豌管1 5 0氢气，硫化甄式这曼奔绥一下半导薅邀饔墼健感器，箕暴臻楚羧撵毫容魏交琵覆浚诗。奉课题就是刹薅了一耱薪墅煞拳零落鬯骞鍪c 0 2 稼感器来避雩亍鬻援气律藏努蘸梭溅。它不溺与传统黪半导体电容型健感器，它是零g 愆豫耱不溺类型敬氧往勃半零律叛羧末状瀛含，在定的传感器单元体积中弓l 入大量p - n 结。这种结合面形成一定的阻挡层厚度，褥隧挡臌的厚度可看作是一种电容，并且篡电窬德随所吸附c 0 2 量而变化的原理制成的。这种传感器很适合于在线检测。半导体电容式传感器与其他传艨器比较起来其敏感元件是由具有稳定物璃、化学、热性藏的复合氧化物屯子陶瓷材料制威，结构简单，剩于小型化、集成化，瑟敏度颡选撵性好，测试范圈较广，是一静缀裔发矮嚣途瓣c 0 2 按感器。瑟置，这秘方式不瓣予骚髂电解震、金蘑鬟往耪半导体等袋雳与赢滤测试毒关蓬号娃莲懿气蕊簧感瓣，它采鼹8北方工业大学学位论文与交漉溺谜有关熬绩号整理，不爨受测试环蠛翡影嫡，麓褥裂离夔簧臻魄，增耀落容易，逶用予离灵壤度熬努辑。衰1 3 气体传感器豹各释检溅对象气体酗分类榆测对蒙气体应用场所爆炸性气体液化石油气、城市用煤气家庭甲烷、可燃性煤气煤矿、办事处有毒气体c o ( 不究垒燃烧的煤气)煤气灶等( 特殊场所)硫化氯、瞄素、氮气等办事处嚣境气蒋氧气、c o z ( 糖正缺氧)家庭，办公室汞蒸气( 调节滠瘦龟予霰备，汽车大气海絷( s o x 、n 晚等)漫室工业气体氨气( 控黼燃烧)发动祝，锅炉c o ( 防止不完全燃烧)发动机，锅炉水蒸气( 食晶加工)电饮灶其它呼出气体中的酒精，烟等半导体法在气体梭测中有着其它方法焉法比拟豹优势，半导体气体传感嚣幽予其霄灵敏疫亵、镌盎对翔谈、使躅寿翕长黪成本低等魏点，受是褥嚣广泛羲应臻。表1 , 3 缭寤了嚣蓠蓬蠡癸对予半导落气体抟惑器驰应臻清嚣。夏瑟看塞，半零髂气体传感器鲢盛薅菹毽还楚穗当戆广泛。1 2 6 其它方法除上述方法外，还有许多其他的方法。例如：利用光纤进行c 0 2 浓度的柃测f 3 4 蝉。另外人们还应用复合氧化物、沸石、嘲定化液膜等制成c 0 2 传感器都取得了棚当不错的效果。以上所介绍的方法虽然都静自商赭其它方法无法比拟的优势，但同时也存在着缺陷，有的对检测环境要求太高，无法猩恶劣环境下工作；有的对待测气体浓度肖限制等镰e 通过分辑和总结本文箨者发现觳半鼯体电骞型传感器应用型铝电解横骝檄气髂分瓣孛不失淹一释努缒选择。9j e 方工北大学学位论文i 。3 摹片撬鼓术夔瘟爨爱嵌入式较、襞件设计方法革冀瓤是楚镦型诗算惑主要帮分繇集中在个芯片上懿荸蕊片蹶墼诗算机。单片掇激箕趣，j 、型亿、毫可靠往稻嵩缝徐魄瓣特点，广泛应舔于各令领域。健健绫静电子技术产生了一场巨变。单片机主要应用予过程控制，可以分为四个层次3 5 】：一髓窳电产品，单片机在家电产品中的应用使得原产龋的性能大为提高；二是一般控制类，主翳魑简单的j 遣程控制、仪器仪表和常规外部设铸控制；兰是数据控制类，主要是数据累熊和处理殿多机通信等。四是高技术应用，例如智能机器入、神经网络计算机等。雎片机魁2 0 鼗纪8 0 年代初引入我国的。经过2 0 多年的发展，单片机品种不断增多，功能不断增强，盛怒范圈不颧扩大，耱痤麴舞发按术也有了校大发曩。健缓魏单冀祝热6 8 h c 0 5 、8 0 5 1等奁中蟹魏发展都超过了卡五年；蘧潜移动透蕊、鼹缮袭拳、多攥蒋技术等惑释疆产晶寝掰的强蓑广泛， 6 整、3 2 控肇片钒瞧帮褥餮了长足熬发震。谋题孛辫使臻鹩攀冀枫怒羹强德娥仪器公司在2 0 0 0 年开发静m s p 4 3 0 f 1 4 9 。该萃片枫在设计上打破鬻强采耀了全新观念。其突出优点是低电源魄聪、趟低功耗、多种功能。由于其功能遮逡超过其它系列单片机的功能，又称其为混合烈单片机。m s p 4 3 0 f 1 4 9 中的各个模块都怒党仝独立遮行的，每个模块都可以在主c p u 休h 民状态下运行，当需要主c p u 工作时任何一个模块都可以通过中断唤醒c p u 从而使嫌统以最低功耗进行。这一点是这一款单片机最突出的优点，也是与其它单片机最大的隧剃。两且，m s p 4 3 0 f 1 4 9 在工业级远行环境下，也可戳缀好翡工箨。篓于瑷主原霞，京备耱要求授糕凌耗瓣工盐场台，这藏攀跨钒笼疑怒个嚣零好戆选择。罄片瓿静开发技术更是疆掰月肆，在敲终开发上，由茳壤语言骧稷、c 滔言缡稷，转海在实嚏搽作系统( r t o s ) 之上虢程。在硬件设诗上，由分立元律程徽糖癀髓蕊片转向照加集成化的设计模式c p u + p l d + a d d a 。c p u 即m c u 或m p u ，p l d 即w 犏程逻辑器件。p l d 芯片可以在燕统编獠i s p ( i ns y s t e mp r o g r a m m i n g ) ，硬件融经软化，随时可以进行修改p “。1 3 1 硬件设计隧着超丈规模高速集成电路v h s i c ( v e a “yh i 蚺鼬戡通i n t e g r a t e dc i r c u i t ) 的发展，专禳祭藏毫鼹a s i c ( a p p l i c a t i o ns p e c i a li n t e g r a t e dc i r c u i t ) 竣诗已搜冀上系统s o cl o北方工蛾大学学位论文( s y s t e mo nac h i p ) 戆设诗与毒l 选正在躐毫经成为凌实。裁强翦蔼言，嵌入式磁耀硬警竣诗采溺满是要求懿攀片穰是毽怒逡强，采舔c p u + p l d - i - a d 国a 模式怒竣餐黥选择。现在额型酶单片枫内部已集藏了越来越多的部件，这些部件包括一般常焉的电路，例如：定时器，比较器，a d 转换器，d a 转换器，串行通信接口，w a t c h d o g 电路，l c d 控制器等。有的单片机为了构成控制网络或形成局部网，内部含有局部网络控制模块c a n 。例如，i n f i n e o n 公司的c 5 0 5 c ，c 5 1 5 c ，c 1 6 7 c r ，c 1 6 7 c s 3 2 f m ，8 1 c 9 0 ：m o t o r o l a 公司的6 8 h c 0 8 a z 系列等。现在内髓f l a s h 的单片机也有带j t a g 或类似接翻的产品，支持在线程序下载，只需简单的下载开发工具，大大方便了程序的开发和现场的修改。在线修改是电子设计的孳命，怒今后主要的发展方向驺钉。1 3 2 软终嚣发擎片极生产厂家不断增多，擎冀狡麓耱联窭不穷。擎片秘广泛选择是当今产鹣开发的个重要环节。每个单片枫系列的指令系统不离，与指令系统对应的汇编助记符就不同。汇编语言的不兼容性使得在一种单片机上编制的程序，在另一种单片机上不能运行，单片机重新选型后程序必须重新编制。汇编语言的难记、难读及易搞混，即使自融编制的程序过一段时间修改时，往往臻重读很大部分，经过长时间回忆才能找到问题所在。修改别人的汇编程序，若程序的注释说明不详细、程序的思路不清晰、子程序使用不够多，此时还不如自己重新编制。建c 语言编程是单片枫软徉开发的必然趋势。c 语言是一种编译鍪! 程序设计谣言，宅豢矮了多蘩裹缓语言静特点，共暴餐汇缓疆言瓣功戆。c 语言套功戆睾富瓣露逶数、运筹速度茯、编译效率离、可移穰健好，褥基胃戳直接实现对系统硬终豹控制。c 语害怒一种结构化程序设计语言，支持当前獠序设计中广泛采用的自顼向下结构化裰侉设计技术。采用c 语言编译器可以自动完成变量存储单元的分配，编程者专注于皮用软件部分的设计即可，大大加快了软件的开发速度。采用c 语言可以很容易地进行单片机程序的移植工作，有利于产品中单片机的擞新选型。c 语言的可读性，可以轻松地借鉴前人的开发经验，提高自己的软件设计水平。对于c 语言生成代码的时空效率，般来讲，程序代码长度增加2 0 ，程序执行速度约减慢2 0 。这在片内程序存储器不断扩大、藩攘频率不断提赢静今天，露不怒主婺考虑的阉题。在非常注重代弼效黎鹣沥会北方工姚大学学位论文埘激怒戳c 语言走主，汇编语言为辚。= 【：= 编语言掌握到只要可班读蠖程序，农时闻簧求魄较严疆瓣模块中遂牙程疼熬袋化帮霹。程霹移疆淫方覆，摹片凝c 语言罄簿会a n s ic 标准，差别主要是有关片内资源醵不丽瓣鬣及使建，这可以通过采尾不同瓣头文俘，缀过少量的加工就可以实现。随着国内荤片机开发工具研制水平的提高，现在的举片机仿真器普遍支持c 语言程序调试，为单片机编程使用c 语言提供了便利的条件。1 4 阳极气体成分在线检测法的可行性分析阳极气体中的主要成分是一氧化碳和二氧化碳气体。阳极气体成分的检测就鼹利用仪器仪表对阳极气体中二氧化碳的浓度进行测定，进而算得瞬时电流效率的值。在选择佟感器时要考虑到一氧化碳气体豹于扰，只蠢气体选择性好，灵敏度高，性质稳定鹣传感嚣戈“能应矮爨其孛。本文中簸提出瓣方浚憝逶过饺爱一彝囊垄半导薅电容黧鼹感嚣褥二戴纯碳气体浓度售号转鬣二或鸯容债弩，然瑶在透行信号处瑾，霹露籍攀片毒筵投零澎耀别其中，以实现模，数转换、要示、存储、数据上传等功能。对于阳极气体成分的在线检测，首先臻考虑到铝电解槽这个特殊环境，一怒骤保证所使用的传感器在环境温度很高时，测嫩的稳定性、一致性。同时还要考虑传感器能否对高浓度的c 0 2 气体进行测量。方案中所应用的传感器可以在高温下正常工作，而且该元件在很大的c 0 2 浓度( 0 9 5 ) 范围内均能表现出优异的敏感特性 1 7 】，且受c o 的干扰很小。比较适合用于阳极气体成分豹在线检测。1 2北方工弛大学学位论文第2 章佟感器的设计毫容式传感器是将被测 电薰转换戏激器量变亿夔一狰传感嚣。萁特点憝：缡擒筵荤、性能可靠，能在比较恶劣的环境下工作。主要用于位移、振动、液位、成分禽蹙等方面的测量。本课题中采用的是一种新粼半导体电容型c 0 2 传感器。下面对予此传感器的设计进行介绍。2 1 半导体电容型c 0 2 气体传艨器敏感原理传统电容型传感器以如下的计算公戏为旗础：c 2 岛占，么石( 式2 1 )如：粪空中懿夯奄常数8 ，：套激枣芎麓熬奔龟零鼗a ：电极的有效面积d ；电介质的有效厚度式中，为恒定值，作为电容型传感器主要基于占，、a 、d 的变化达到检测目的。课题中所设计并制作的传感器就是通过改变电容器电介质的有效厚度来进行阳极气体中c 0 2 浓度的检测的。磺究表明，可把半导体特性相反的瓴化携界萄出现的阻挡层或m o s 晶体管的照挡状态喾霞一静电容，被检嚣物质与半导体躐金蓠毫强之阕蠹予电气作用露产生载浚孑浓浚熬交往，馒辍穗层夔宽度发生交纯，露瓣摆滋戆宽度发生交纯稳当予逡容豹浮发发生炎像，疑丽弓l 起电容的变纯来进行检测。邋年来，利用p n 型半导体的络含界面所形成的阻挡层的厚度变化作成c 0 2 或n o 。传感器也被提出来了。由于p n 结合界面存在大量电荷，耗尽层是一种电密。半释体表面对气体的吸附伴随电气的相飘作用，当半导体中的载流子浓度发生变化时，耗尽朦的宽度也就是电容的电介质的有效厚度d 随气体的浓度而变。这样，元件的电容就随气体的浓度而变化。课题中所设计的传感嚣就是根据这种原理制成的。制作传感器的溅料中，c u o 可视为p 型金藩氧化物半撩锩，b a t i 0 3 可视为n 型金属氧纯物半鼯髂。懑遂嚣耪耪末按一定戆魄裁均驾漫会势烧绥廷，c u o 鑫粒弱b a t i 0 3 曩粒会在藻赛憝影1 3北方工业大学学位论文戏器矮p - - n 结，当箕表露掰吸瓣的c 0 2 分予不嚣时，囊其结合赛嚣所形成豹激撼鼷熬簿发瞧发生交伍，这群藏导致了毫骞器弱恕签疆戆变亿。2 2 半导体电容型c 侥气体传感器的设计传感器的设计主要包括原料的选择、传感器的尺寸等方面，下面对于课题中所使用的传感器的设计进行介绍。首先是制作传感器的材料的选择，由上一节可知，可把半导体特性相反的氧化物界颟凇现的阻挡层或m o s 晶体管的阻挡状态看作一种电容。但并不是任何两种半导体特瞧鞠爱豹氧让物混合就可以对c 0 2 气体遴行检测。有入蓄经总结了在b a t i 0 3 基复合氧纯魏中导入2 c 0 2 鼓豹邀容交绽翅褒2 ，l 掰示。由表可躲，在含b a t i 0 3 基懿溉会戴纯物电容元俘中，雩l 入c 。2 气体，霹餐奄容在工作温度4 0 0 - - 8 0 0 k 范围内增加或降低，因此可由电容的变化检测c 0 2 浓度。c 0 2 的检测特性随与b a t i 0 3 混合的氧化物不同肖很大差异。探讨过的氧化物中，由于混合了c u o 的系列显示有较高的灵敏度，所以选此系列传感器较为合适，作为c 0 2 传感器有较高的实用可能性。因此，在传感器的设计中，用b a t i 0 3 和c u o 粉体作为原料。表2 1b a t i 0 3 一基复含瓶化物电容元件对c 0 2 的敏感特性线牲上黻氧纯镌8 1 )分电誉数注2 )王露滋度捷3 )灵敏疫8 书浓疫蛙5 )c a o1 9 。6 4 9 0 00 8 9 18m g o2 2 2 l8 6 70 3 2 9l ol a 2 0 31 1 2 87 6 60 4 5 18n d 2 0 31 1 2 75 5 00 6 4 16y 2 0 31 0 ，2 17 5 90 7 9 41 0c 0 0 22 2 0 96 6 l0 4 1 08p b o6 6 9 45 0 1o 7 l l6北方工业大学学位论文n i o4 7 8 l5 5 50 ，4 4 l2 0c u o 0 受毹4 5 62 ，s 夸2矗z r 0 2 7 4 56 4 20 7 4 0t 0c 0 3 侥“6 t 7 1 9 35 2 8o 3 6 26f e 2 0 32 7 1 73 4 10 6 7 82b b 协2 7 8 34 4 50 8 2 42v 2 0 31 9 8 6一1 0 0 00s i 魄1 3 4 211 0 0 00淀1 ) ；b a t i 0 3 ：金震氧耗蘩= l ：l 露尔魄；注孕：空气孛3 0 0 c 嚣b a t i 0 3 - - 綦复合金藤氧健妨懿奔窀零鼗；注3 ) ：最佳c 0 2 检灏温度没4 ) ：复合金属氧化物在2 c 0 2 中的电容鸟在空气中相应的电容比值定义为2 c 0 2的灵敏度：涟5 ) ：该浓度以下灵敏度与c 0 2 浓腱成线性关系淀6 ) b a t i 0 3 ：c 0 3 0 4 = 3 ：1 摩尔比柽传感器的材料选好后，就要根撼俦感器与被测量间的函数关系的一些参数嗣掰袋髑的介矮及工终条转等设计蒙慰，来确定采薅秘耱工撂方式和臻构形式、以及传感器瓣进稳母懿转换蘸瑾等瑟霹。怼予零渫题中嚣使籍斡薪鐾半导俸电器漤c 0 2 簧感器戆死薅尺寸设诗主爨是在缮鉴静入设计经验的基础上，爵擦撂锯电孵撩这个其体豹环境来进行酌。首先是对传感器的整体形状的设计，我们知道，电容式传感器可以用任何灏激的电样器作为传感器，但最常用的是平行械电容器和圆柱形电容器作为传感器。猩谶计中，为了减少加工工艺的复杂性，以及加工麟的元件的易测性，传感器设计为圆被形的电容器。i i i i 个电极之间的介质为圆片，髓个电极也为圆形，并和介质圆片为同心。然籍是介囊强冀魏簿瘦及瑟嚣拳经静设计。黠予电容墅蕊惑器豹分震溪凌，毽沦土懑出互童蕈毫坜强度寒凌定，露对予功率不大游交滚逛容式莛蓥器，建交奔蔽鹣蹰时辩蔗1 5北方工业大学学位论文强度来确定。对于课题中所使用的新型半导体电容传感器介质厚度是根据前人的设计结果【1 7 1 来进行设定的，我们将介质厚度设定为0 6 m m 。而圆片的半径则要有一定的限制，为了尽可能的减少边缘效应，要使介质圆片的半径尽量大于圆形电极的半径，设计中将介质圆片的半径定为8 m m 。接下来是金属电极的设计。它包括电极厚度的设计、电极形状及尺寸的设计以及电极材料的选择等。由于电极板在电容传感器中的主要作用是形成电场，所以在保证极板连续、能在全部有效介质中形成电场的前提下，从减少电容传感器的比率体积和重量、节约金属、降低成本等方面考虑，应该选用最薄的极板，除此之外，对于金属极板电容传感器，为了改善自愈特性，从而提高可靠性，也需较薄的金属极板。但为了保证传感器有适当的性能和制造工艺上的方便，有时还要保证电极板的一定厚度，在设计时，要综合考虑。电极的形状设计为圆形，半径设定为3 m m ，使其小于介质圆片的半径，这样可以使圆形电极所形成的电场中的介质完全是b a t i 0 3 和c u o 的混合材料，从而可以保证有较高的敏感性。对于金属电极材料的选择要遵循以下原则：首先电阻率要小；对介质的化学和电化学性质的老化和催化作用要小；还要机械性能好，压延性好，柔韧、机械强度高：密度小；容易焊接；价格合理等等。在课题中金属电极的材料使用的是目前应用非常广泛的金属银。2 3 传感器的加工工艺在研制过程中，借鉴前人的研究成果1 7 1 了解到，原料粉体的粒度对元件的气敏特性有很大的影响，所以在研制过程中，对于原料我们采用纳米级粉体。纳米微粒和纳米固体是应用于传感器最有前途的材料，具有重大的理论意义和十分诱人的工业前景。其一，理论计算表明【3 9 】纳米级粒子