（测试计量技术及仪器专业论文）基于氧化锆传感器的烟气含氧量检测技术.pdf

y1 5 3 0 8 1 8 基于氧化锆传感器的烟气含氧量检测技术 m e a s u r i n gt e c h n o l o g yo f t h eo x y g e n c o n t e n ti nf l u eg a sb a s e do nz i r c o n i a s e n s o r 学科专业：测试计量技术及仪器 研究生：梁向锋 指导教师：孙长库教授 天津大学精密仪器与光电子工程学院 二零零八年八月 中文摘要 分析氧含量在工业生产、医学和环境保护等领域有着十分重要的意义。提高 燃烧效率，合理利用能源，已成为工业生产中的一个重大课题。在石油、发电、 化工等领域，锅炉中烟气氧含量可直接反映燃烧状况，氧含量的测量是非常重要 的。 本文研究的烟气含氧量在线检测技术是基于氧化锆固体电解质测氧的原理， 论文分析了影响氧量测量的各种外在内在因素，得出了烟气氧含量在线测量的实 际刻度方程，氧化锆传感器工作温度的恒定控制是提高测量精度的关键性技术之 一。综合目前比较常见的温度控制算法，提出一种模糊p 1 分段控制的控温方法， 并将该方法应用于本系统的设计中，由此设计了适合于烟气含氧量在线检测的测 控电路，实验证明该方法显著地提高了氧化锆传感器的控温精度和稳定性。 本系统电路设计中采用新型微控制器m s p 4 3 0 系列单片机作为核心，简化了 系统硬件设计工作，提高了系统的抗干扰性与稳定性，并给出了氧电势放大电路、 热电偶温补调理模块、电压电流转换模块以及通讯模块等外围电路的设计与实 现，对其性能做了实验测试，完全满足氧化锆传感器氧含量检测对精度与稳定性 的要求。 关键词：氧化锆模糊一p i 控制氧含量测控电路 a b s t r a c t a n a l y s i so fo x y g e nc o n t e n ti sv e r yi m p o r t a n ti nt h ef i e l do fi n d u s t r i a lp r o d u c t i o n ， m e d i c i n ea n de n v i r o n m e n t a lp r o t e c t i o n h o wt oi m p r o v et h ec o m b u s t i o ne f f i c i e n c y a n du t i l i z ee n e r g ys o u r c e sr a t i o n a l l yh a sb e e nav e r yi m p o r t a n ts u b j e c ti ni n d u s t r i a l p r o d u c t i o n i no i l ，e n e r g y , c h e m i c a la n dm a n yo t h e ra r e a s ，t h eo x y g e nc o n t e n to ft h e f l u ei nb o i l e rc a nd i r e c t l yr e f l e c tt h ec o m b u s t i o nc o n d i t i o n s s oi ti s i m p o r t a n tt o m e a s u r et h eo x y g e nc o n t e n t w i t ha n a l y z i n gz r 0 2o x y g e nc o n t e n tp r i n c i p l ea n dk i n d so fo u t s i d ea n di n t r i n s i c f a c t o r sa f f e c t e dt h em e a s u r e m e n to ft h eo x y g e nc o n t e n t ，w em a k eap r a c t i c a le q u a t i o n t h a tu s e di no n l i n em e a s u r e m e n to f o x y g e nc o n t e n ti nf l u eg a s ，a n dd r a wac o n c l u s i o n t h a tt h ei m p o r t a n tk e yt oi m p r o v em e a s u r ep r e c i s i o no fo x y g e nc o n t e n ti st h es t a b l e c o n t r o lo ft h es e n s o r sw o r kt e m p e r a t u r e ak i n do fp i f u z z yc o n t r o lm e t h o di s p r o v i d e dt oc o n t r o lt h es e n s o r sw o r kt e m p e r a t u r e ，t h ee x p e r i m e n tt e s t i f i e dt h e m e t h o dc a n r e m a r k a b l yi m p r o v ep r e c i s i o na n ds t a b i l i t y o fs e n s o r s w o r k i n g t e m p e r a t u r ec o n t r 0 1 t h ed e s i g nb a s e do nt h em s p 4 3 0m c ur e l e a s e dt h eh a r d w a r ew o r k ，i n c r e a s e dt h e a n t i - j a m m i n ga n ds t a b i l i t yo fs y s t e m ，a n da l s oc o n t a i n e dt h eo x y g e nv o l t a g e m a g n i f y i n gc i r c u i t ，t h et h e r m o c o u p l ec o m p e n s a t i o nc i r c u i t , s t a n d a r dc u r r e n ts i g n a l o u t p u tc i r c u i t ，c o m m u n i c a t i o nc i r c u i t ，e t c e x p e r i m e n tw a s m a d et ot e s tp e r f o r m a n c e o ft h ec i r c u i t ，a n dt h ec i r c u i tf u l f i l l e dt h er e q u e s to f o x y g e nc o n t e n tm e a s u r i n ga b o u t p r e c i s i o na n ds t a b i l i t y k e y w o r d s ：z i r c o n i a ，f u z z y p ic o n t r o l ，o x y g e nc o n t e n t ，m e a s u r i n ga n d c o n t r o l l i n gc i r c u i t 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘堂或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：高娑佝锋 签字日期： 三印舅年罗月r 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解苤鲞盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权苤鲞盘堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：黎佝烽 导师签名 签字日期：2 印男年9 月岁e t 签字日期f 日 第一章绪论 1 1 背景 第一章绪论帚一早殖叱 氧气不但是人类赖以生存的基本物质，同时也是重要的工业气体。检测氧气 在工业控制方面是很重要的。例如，在锅炉燃烧运行中，必须使进入锅炉的空气 量与燃料量保持一个最佳比例。若空气量大，则排烟损失太大：若空气量太小， 则化学未完全燃烧损失就大。因此，为了使锅炉保持最佳燃烧工况，必须使空气 量与燃料量的比例合适，这个比例称为过剩空气系数，数值应在1 2 0 1 3 0 之间。 由于目前直接测量和控制过剩空气系数还很困难，所以只能采用间接的测量方 法：因为烟气中氧气含量与过剩空气系数有确定( 单值) 的函数关系，且受燃料品 种变化影响较小，所以通常用连续测量烟气中氧气含量的方法来了解过剩空气系 数，以判断燃烧状况，控制进入炉膛的空气量，维持最佳配风比，实现优化燃烧， 达到节约能源和减少环境污染的双重效果1 1 1 。 另一方面，随着国家环保力度的不断加大及环保法规的不断完善，污染物排 放控制也日益严格和科学化，这迫切要求在线准确测量出火电厂排放烟气中的污 染物含量。在国家标准火电厂大气污染物排放标准g b l 3 2 2 3 1 9 9 6 中，规定 了火电厂最高允许的s 0 2 排放浓度及烟尘排放浓度，并首次规定了第二时段( 1 9 9 7 年1 月1 日起环评待审批的新、扩、改火电厂) 氮氧化物的最高允许排放浓度。要 求第二时段的电厂必须安装烟气、烟尘连续监测装置，并实行烟气浓度和流量的 双重控制，第一时段的电厂( 1 9 9 2 年8 月1 日至1 9 9 6 年1 2 月3 1 日环评待审批的新、 扩、改火电厂) 应逐步安装烟气连续监测装置。 目前的电站锅炉基本没有污染物的在线监测手段，基于这种现状，污染物排 放费用按照机组容量和煤质情况来征收。这种办法存在着不科学的地方，首先煤 种随时在变，不能以某些时刻的取样为依据；其次不同炉型和运行方式，污染物 ( 特别是n o x ) 的生成量亦不同。另外，采用这种办法也不利于促使电厂通过改进 燃烧方式和技术改造来降低污染物的排放量。 在环境保护监测方面，排放污染气体中氧含量也是一个重要参数，为了监测 排放的气体污染物浓度是否超过规定的排放浓度，需要计算折算浓度，国家环保 第一章绪论 规定中的排放浓度是折算浓度。为了计算折算浓度，需要计算污染气体中的含氧 量，进而通过含氧量计算折算系数。 再如，在化肥工业合成氨生产流程中，通过氧气等气体含量的分析，可对转 换效率进行监控，对提高产量和效益有重要的作用。因此，检测氧气等气体在工 业控制、环境监测、医学以及人们日常生活等方面都非常重要，国内外对发展快 速、灵敏和有效的氧气检测手段的需求十分迫切1 2 j 。 1 2 国内外研究现状 用于氧气探测的传感器有很多种，有测量气体中氧气含量的，有测量溶解氧 含量的，有在大范围内探测的，也有微量氧气测量的，使用的领域也很广，在各 个领域内所使用的仪器也有所区别。目前，用于工业生产过程中氧气浓度含量的 检测仪器大致可分为两大类。一类是根据电化学法制成，如原电池法、固体电解 质法和极谱法等，另一类是根据物理法制成，如热磁式、磁力机械式等。 1 2 1 磁氧式氧量传感器 任何物质处于外磁场中均会被磁化，物质被磁化从微观来看，就是物质的分 子磁矩沿着同一方向排列，物质被磁化的程度可用磁化强度m 表示： m = 脚 ( 1 - 1 ) h 为外磁场强度，尼为介质的磁化率，其值反映了介质本身的磁化特性。尼大 于零的物质称为顺磁性物质，反之为逆磁性物质。在外磁场作用下，顺磁性物质 会被拉向磁场强度大的方向，逆磁性物质则会被推向磁场弱的方向。氧气就是一 种顺磁性物质，而且它的k 值要比其他气体大的多。混合气体的磁化率可以近似 的用迭加法求出，与各种气体磁化率及它们的百分比含量成比例。由于氧气磁化 率比其它气体大的多，可近似认为混合气体的磁化率约等于氧气磁化率与其百分 比含量的乘积，因此在测得混合气体的磁化率后就可以得到氧气的百分比含量 【3 】 o 但要直接测量混合气体的体积磁化率来确定含氧量的多少是很困难的，因为 氧气与其他气体相比，虽然氧的磁化率最大，而其百分比往往很小。为此，工业 上也同其他分析仪器一样，利用有关规律作间接测量。例如，在不均匀磁场中， 顺磁性气体被发热元件加热后，磁化率会显著降低而形成热磁对流效应；又如在 不均匀磁场中，被顺磁性气体包围的物体所受的吸引力，随该气体磁化率的变化 而变化等。根据上述两种方法，可分别制成热磁式和磁力机械式氧气传感器。 ( 一) 热磁式氧传感器 2 第一章绪论 热磁式氧气传感器的工作原理如图1 1 所示【1 3 】。 图1 - 1 热磁式氧气传感器原理 传感器本身是一个中间有通道的环形气室，待测气体进入环形气室后，沿两 侧往上走，最后从出口排出。当无外磁场存在时，中问通道两侧的气流是对称的， 所以中间通道无气体流动。在中间通道的外面均匀地绕以铂电阻丝，铂丝通电后 既起到加热的作用，又起到测量温度变化的感温元件的作用。铂电阻分r 、r 2 两 部分，r l 、r 2 分别作为测量电桥的两个桥臂，与固定电阻r 3 、r 4 组成测量电桥。 铂丝通电加热到2 0 0 - 4 0 0 ，当混合气进入环形后，顺磁性的氧气被左侧强磁场 吸入水平管道内，被加热丝r l 加热，氧的磁化率因温度升高而迅速降低，未被加 热的氧气磁化率高，受磁场吸力较大，被吸入水平管道内置换已被加热的氧气。 这一过程不断进行，就形成了热磁对流，或称磁风。在磁风的作用下，左侧热丝 r ，被气流冷却，阻值降低；气流流经右侧热丝r 2 时，因气流的温度己升高了，冷 却作用不大，r 2 的变化远小于r l 的变化，电桥失去平衡。输出不平衡电压的大小 就表示了分析气体中氧气含量的多少。 热磁式氧气传感器的特点是：结构简单，便于制造和调整；但是当环境温度 升高时，其指示值会下降：大气压变化使气体压力相应改变，指示也会改变；当 被测气体流量变化时也会引起测量误差等等，因此，在实际使用中，需要采用恒 温措施、双桥测量电路、对被测气样进行稳压、稳流等措施，以减4 , n 量误差。 此外，热磁式氧气传感器往往还受到背景气体中导热系数大的气体的影响，所以 在测量之前要把干扰组分除掉。再就是热磁式氧传感器响应时间很长，从0 到满 量程9 0 的时间要1 0 秒左右。 ( - - ) 磁力机械式氧气传感器 第一章绪论 磁力机械式氧气传感器也是利用氧的顺磁性的测量方法。法拉第曾经做过一 个实验，是用丝绳吊一根水平杆，杆的一端是一个空心的玻璃球，当球内充满氧 气时，球就会被磁场所吸引。这就是磁力机械式氧气传感器的雏形。如图1 2 所 示，有一对磁极，其磁场强度目沿水平方向是非均匀的，越向右黼越小。在 磁场中有一石英小球a ，球内密封着n 2 气，体积为以它的体积磁化率为b 。如 果球的周围充满含有氧气的混合气体，其平均磁化率为b ，在这种情况下氧分子 就会被磁场吸引聚集到磁场强度大的地方，这就必然把小球a 挤出去。此时小球 a 受到的力勾 v 匀阿 f = 1 ( 后4 一k b ) 4 ：丢二。d 矿 ( 1 2 ) 图卜2 磁力机械式氧气传感器原理图1 - 3 哑铃式氧气传感器检测室结构 2 6 由上式可知，如果k a ，a ，沩常数，则小球受力f _ t ：5 混合气体的平均 l ， 磁化率k 8 有单值关系。实际使用中的检测结构如图1 3 所示，在一个密闭的气室 1 中装有两对磁极2 和3 ，在气室内形成不均匀磁场。磁极2 和3 的磁场强度梯 度刚好相反。两石英空心小球4 内充以n 2 气，两小球之间有一杆相连形成哑铃形 状，两个小球分别置于两对磁极的中间。哑铃由金属吊带5 固定，哑铃可以绕吊 带转动。当含有氧气的混合气进入检测气室，哑铃的两个小球会受到一个转动力 矩，产生偏转，最后和吊带的扭转反作用力平衡，转角的大小可由平面反射镜6 的反射光束加以检测，通过处理可以得到氧气的含量。 磁力机械式氧气传感器的响应时间与热磁式氧传感器一样也很长，从0 到满 量程9 0 的时间要1 0 秒左右。此外，由于n o 也是一种顺磁性较强的气体，在 背景气体中若含有n o 气体将会严重的影响检测的准确度。还有气流量的变化、 环境温度的变化以及测量装置的振动都会使它产生误差，因此磁力机械式氧气传 4 第一章绪论 感器需要采用恒温、防震和恒定流量的措施，这在一定程度上增加了系统的复杂 性。 1 2 2 电化学式氧传感器 电化学式氧分析仪包括一个阳极，电解液和一个带有限制氧具有一定渗透 率的干阴极，在阴极上氧被还原成氢氧根离子，而其在金属阳极上被氧化。 在阴极上反应：d ，+ 日，d + 4 p 一4 0 h 一 ( 1 3 ) 在阳极上反应：2 只+ 4 鲫一专2 只( 鲫) ，+ 4 e ( 1 - 4 ) 总化学反应式为：只+ 0 ，+ h ：0 专2 p b ( 伽) ， ( 1 5 ) 反应结果使外电路产生电流，且产生的电流和气体中氧含量成正比，这种燃 料电池氧分析仪通过物质的化学过程，由化学能变成电能，再由电能大小来确定 物质含量。它的特点是选择性好，灵敏度高，适合微量氧的连续测定，其最小测 量范围0 10 一；最大测量范围0 - 2 0 0 l0 一。但当对象组成成份比较复杂且各种成 份的化学性质相近时，容易产生干扰。可用于测量制氧系统中产品氮或者氩中微 量氧的测量【引。 1 2 3 光学式氧传感器 目前用于工业氧气浓度检测的仪器都存在很多不足，而在气体检测方法中， 采用光谱吸收检测气体浓度的方法与其他方法相比具有相当高的测量灵敏度，并 且具有很好的气体鉴别能力、快速的响应能力和对温度、湿度等干扰的抵抗能力， 如果能将该方法用于氧气浓度的检测，制造出氧气传感器，这将是很有意义和应 用前景的工作。但目前在国内尚未见到有关将光谱吸收法应用于氧气浓度检测的 研究，这主要是受限于传统光谱吸收法中光源的性制6 1 。 随着半导体激光二极管技术的不断成熟，它不但具有一般激光器的窄线宽、 高强度的特点，还具有价格低廉、容易使用、波长可调的特点，使得它在许多领 域内得到了广泛的应用。如果能够将它用于氧气的浓度检测，应该会达到好的效 果。目前，暨南大学在研究的就有“光纤氧气传感器 的项目，且取得了一定的 成果。 利用半导体激光二极管用于氧气浓度传感还有一个好处，就是今后可以很方 便将研究的结果和光纤技术结合在一起，形成光纤氧传感器。因为光纤具有径细、 量轻、电绝缘性、无感应性、柔软性、带宽等特点，光纤传感器具有很多其他传 感器所不具备的特点：( 1 ) 适合于长距离的在线测量，光纤传输损耗小，可长距离 传输，并且光纤体积小，重量轻，柔软可弯折，化学性质稳定，因而可将传感探 头放入恶劣或危险的环境，由光纤将信号引出，在远距离安全地带进行遥控遥测； 第一章绪论 ( 2 ) 适合于测量可燃易爆气体或工作于易燃环境以及在强电磁干扰环境下测量， 这是光纤传感器优于电类气体传感器的重要特点；( 3 ) 传感单元结构简单，稳定 可靠；( 4 ) 易于组成光纤传感网络，光纤的巨大带宽使得它可以传输巨量信息， 采用多路复用技术，可以使多个光纤传感器共用同一根光纤、同一光源和同一信 号检测设备，大大降低系统成本。目前，国外的一些大学、研究所和公司对光纤 氧气传感器进行了研究，有利用荧光式的，也有吸收式的。 1 2 4 氧化锆固体电解质氧传感器 18 8 9 年能斯特( n e r n s t ) 发现稳定氧化锆在高温下呈现的离子导电现象。从 此氧化锆成为研究和开发应用最普遍的一种固体电解质，它已在高温技术，特别 是高温测试技术上得到广泛应用。由于氧探头与现有测氧仪表( 如磁氧分析器、 电化学式氧量计、气象色谱仪等) 相比，具有结构简单，响应时间短( 0 1s 0 2 s ) ， 测量范围宽( 从p p m 至l j 百分含量) ，使用温度高( 6 0 0 ( 2 1 2 0 0 ( 2 ) ，运行可靠，安装 方便，维护量小等优点，因此在冶金、化工、电力、陶瓷、汽车、环保等工业部 门得到广泛的应用【8 】f l l 】【1 2 】。 尤其近年来，随着我国科学技术的进步，国内发展前景日益广阔，美国、英 国、日本、澳大利亚、德国等发达国家生产的这类仪器随着大量涌进我国，以日 本恒河氧分析仪、h o n e y w e l l 在线式氧化锆氧分析仪、德国安诺泰克氧化锆分析 仪等为代表。目前，国内氧分析仪研制比较滞后，具体表现在：测量精度不高， 传感器工况不稳定，仪器寿命短等特点。因此，研制出能够完全代替进口产品的 高精度、高稳定性、高可靠性氧化锆氧分析仪，将会具有巨大的经济效益和显著 的社会意义。 氧化锆测氧传感器所使用的材料是一种氧化锆固体电解质，是在纯氧化锆中 掺入氧化钇或氧化钙，在高温下烧结成的稳定氧化锆。在7 0 0 以上的高温条件 下，氧化锆是氧离子的良好导体。 下图1 4 为氧探头测氧原理示意图，在氧化锆电解质( z r 0 2 管) 的两侧面分别 烧结上多孔铂( p t ) 电极，在一定温度下，当电解质两侧氧浓度不同时，高浓度 侧( 空气) 的氧分子被吸附在铂电极上，与电子( 4 e ) 结合形成氧离子0 玉，使该电 极带正电，0 2 。离子通过电解质中的氧离子空位迁移到低氧浓度侧的p t 电极上放出 电子，转化成氧分子，使该电极带负电。两个电极的反应式分别为：。 参比侧：d ，+ 4 8 - - 2 0 2 _ 测量侧：2 0 扣一4 e 寸0 2 6 第一章绪论 f k 矿麓虢 一- 1 1 - _ n m l - h n m m i - 一_ - 1 一极 她极鳃：呓揪登鬻唧 一一i n m i u m m m m n lmm i n a a a a u a a l l a e - - j 这样在两个电极间便产生了一定的电动势，氧化锆电解质、p t 电极及两侧不 同氧浓度的气体组成氧探头，即所谓氧化锆浓差电池。两极之间的电动势互由能 斯特公式求得：即 e ：r 丝w 竺1 ( 1 - 6 ) l 4 ，l 段j 式中，r 是理想气体常数， t 是氧电池绝对温度， f 是法拉第常数， 只是参比气体氧浓度百分数，一般为稳定的空气，常取值2 0 6 ， r 是被测气体氧浓度百分数， 如果把氧化锆传感器加热到7 0 0 以上的稳定温度，氧化锆电解质两侧分别 通过被测气体和参比气体，则产生的电动势与氧电池的工作温度和氧电池两侧的 气体浓度有固定的关系。如果知道参比气体的氧浓度，则可以根据氧化锆电解质 两侧的氧电势与氧化锆的工作温度计算出被测气体的氧浓度。 通过以上分析可知，影响氧化锆氧传感器测量精度的重要因素是氧化锆电解 质工作温度的控制精度，如果采取合适的控温算法，使氧化锆传感器工作在稳定 的温度范围内，则氧化锆测氧仪具有非常优越的性能，对被检测气体温度、成分、 洁净度等要求较低，使用范围比较广，是目前常用的氧分析仪表之一。 1 3 本课题的主要研究任务 我国经过多年的产品开发和技术探索，虽然已在氧化锆氧分析仪的研发方面 取得了一定的成就，但由于起步晚，起点低，与国外同类产品相比目前还处于比 较落后的状况，大多以进口国外核心元部件在国内自己组装仿制为主，因此生产 7 第一章绪论 的氧传感器性能处于一个比较低档的水平，在市场上的价格大约是国外产品的五 分之一到三分之一。 如果采用新型的微处理器、先进的控温算法、完善的非线性补偿以及数字滤 波技术，先进的软件设计思想，研制氧化锆氧含量检测系统就能弥补以上各种缺 陷。因此，本课题的主要任务就是，充分利用新型微处理器和集成芯片为核心， 基于氧化锆传感器进行烟气中含氧量检测系统设计开发，利用单片机良好的软硬 件资源以达到增强仪表功能、提高测量精度与开放性的目的。 本论文主要完成以下工作： 1 分析了氧含量测量的背景，研究了目前氧量检测的现状，论证了氧化锆固 体电解质传感器测量烟气含氧量的可行性，为烟气含氧量检测系统的设计奠定基 础。 2 提出氧化锆传感器烟气氧含量检测的整体设计方案，在硬件结构上将仪器 分为：氧化锆传感器模块、恒温控制模块、数据处理模块、显示控制与通信模块 以及4 2 0 m a 电流信号输出模块等，分别细分各个模块的功能，设计各模块的硬 件电路。 3 针对氧化锆传感器烟气氧含量检测的特点，软件设计方面采用基于消息驱 动的机制设计单片机程序，并提出用分段p i 模糊控制算法实现仪器恒温控制功 能，编写各个功能模块子程序，调试系统软件。 4 对整个系统进行软硬件联调，实施软硬件抗干扰措施，并对测量系统硬件 电路进行实验测试，分析测量误差，优化系统性能。 第二章氧化锆传感器的测氧原理 第二章氧化锆传感器的测氧原理 本课题的主要任务是：选择合适的氧传感器，设计可用于烟气含氧量检测的 氧传感器系统，完成烟气中氧含量的在线连续监测。测量系统设计的框图如下： 图2 - 1 氧化锆传感器组成结构示意图 ( 1 ) 氧电池传感器：氧传感器的基本结构组成包括电极、氧化锆固体电解质元 件、加热电炉丝和测温热电偶等，是该测量系统的核心部分。 ( 2 ) 气路系统：它的作用是将待测气体和参比气体送入氧电池的两侧，由于两 种气体浓度差使氧电池产生相应的浓差氧电势。 ( 3 ) 温控系统：它| 的作用是保持浓差氧电池中的温度恒定，使其恒定为指定的 温度( 定值温度) ，包括加热炉丝、可控硅、驱动器以及测温热电偶等部分。 ( 4 ) 检测系统：它的作用是检测传感器输出信号，并进行数字化处理、标度变 换以及算法控制等功能。 ( 5 ) 人机界面：它的作用是显示测量结果，并对仪器进行标定与控制，将测量 结果与上位机进行通信。 由于该测量系统中的氧化锆固体电解质传感器和温度检测控制模块是系统 9 第二章氧化锆传感器的测氧原理 的核心部分，它们的选择与设计关系测量精度和可靠性，所以，下面分别就其功 能模块的原理与设计进行讨论。 2 1 氧化锆固体电解质测氧机理分析 氧化锆探头是利用浓差氧电势来测定氧含量的传感器，其核心的氧化锆管安 置在一个微型电炉内，位于整个探头的顶端，如下图2 2 所示。氧化锆管是由氧 化锆材料掺以一定量的氧化钇或氧化钙经高温烧结后形成的稳定的氧化锆陶瓷 烧结体。由于它的立方晶格中含有氧离子空穴，因此在高温下它是良好的氧离子 导体。因其这一特性，在一定高温下，当锆管两边的氧含量不同时，它便是一个 典型的氧浓差电池。在此电池中，空气是参比气，它与烟气分别位于内外电极。 在实际的氧探头中，空气流经外电极，烟气流经内电极，当烟气氧含量r 小于空 气氧含量p p ( 2 0 6 0 2 ) 时，空气中的氧分子从外电极上夺取4 个电子形成2 个 氧离子，发生如下电极反应： 0 2 q , o ) + 4 e 一一2 0 2 一 ( 2 一1 ) 氧离子在氧化锆管中迅速迁移到烟气边，在内电极上发生相反的电极反应： 2 0 2 一专0 2 ( p o ) + 4 p 一 ( 2 - 2 ) 12 图2 2 氧化锆管结构 卜参入氧化钙的氧化锆材料，2 、3 一铂电极，4 一电极引线 4 由于氧气浓度差导致氧离子从空气边迁移到烟气边，因而产生的电势又导致 氧离子从烟气侧反向迁移到空气侧，当这两种迁移达到平衡后，便在两电极间产 生一个与氧气浓度差有关的电势信号，如下图2 3 所示， 该电势信号符合“能斯特”方程： l o 第二章氧化锆传感器的测氧原理 e = ( 筹) 倒 含氧量高的一侧 3 空气 z r o - o - z r * - 0 - 口c a z ：- o - o - z 广 4 ) e c a * - z r o o - z c - o - 口c a * z 。 i 口c a * - z r - o o - z r + - o dc a + z r + - o 卜式a 口日z 帆z 广盯日胃f 乞 含氧量低的一侧 2 一 烟气 4 m v ( 2 3 ) 图2 3 氧化锆固体电解质浓差电池原理 卜参入氧化钙的氧化锆材料，2 、3 一铂电极，4 一电极引线，5 一氧离子空穴 式中尺、鼢别是理想气体常数和法拉第常数，堤氧化锆管绝对温度( k ) ， 岛是空气氧含量( 2 0 6 0 2 ) ，只是烟气中氧含量。由( 2 3 ) 式可见，在一定的 高温条件下( 一般在7 0 0 ( 2 以上) ，一定的烟气氧含量便会有一对应的电势输出， 在理想状态下，通过检测其电势值便可以得到其在高温区域内对应氧含量。 在理想状态下，当被测烟气与参比气浓度一样时，其输出电势值为0m v , 但在实际应用中，氧化锆管的实际条件和现场情况均不是理想状态。实际上，一 定氧含量锆管输出的电势为理论值和本底电势的和。 2 2 影响因素与实际刻度方程 由能斯特公式可见，氧浓差电池的电动势只决定于温度和固体电解质电极两 边的氧含量，与电池中的其他因素无关。实际上，只有在理想状态下，能斯特公 式才成立，所谓理想状态就是：气体均是理想气体；整个电池处于恒温恒压系统 中；浓差电池是可逆电池；浓差电池中不存在任何附加电动势等。 事实上，任何一个精心设计的氧浓差电池都不可能满足理想状态的条件，电 池中许多复杂的物理和化学因素都将对池电势产生大小不同的影响。例如，氧离 子固体电解质的电子电导、电池中的温度梯度、固体电解质的渗透效应和化学反 应等，都会在浓差电池中产生附加电动势或影响池电势的测量。 在氧化锆氧传感器的实际测量中，由于存在各种干扰因素的影响，特别是测 量微量氧时其影响更为显著，使得能斯特公式不能直接用于氧传感器的测氧计 第二章氧化锆传感器的测氧原理 算。因此，有必要对能斯特方程进行符合实际的适当修正，即进行仪表化处理， 才能进行氧化锆氧传感器的测氧计算。 e ：k 丝l n 墨+ 磊 ( 2 4 ) 4 f 只 ” 式中，k ：( t - 了a t ) ，因采用恒温测氧，瞒常数，强然随氧化锆管老化 程度而变，但标定时功定值，故k 为定值，k 称为斜率修正系数，即将测量时 方程斜率的变化用一个系瓣修正；e o = 磊4 - c ，式中e 0 的意义是温度为耐 无气流冷却效应下的本底电势，而c 则表示气流冷却对本底电势的影响，因此疡就 表示在温度为乃一定流量气流冷却时的本底电势。 这就是能斯特方程用于测量的仪表化方程，不仅形式简单，物理意义明确， 而且更重要的是炉温可保持不变，实现恒温测量，并可提高测量精度和延长传感 器的使用寿命。 2 。3 测温热电偶 由于氧量检测时要对氧化锆传感器进行固定温度7 5 0 0 c 恒温控制，所以需要 对氧化锆导管进行精确的温度检测，温度检测有许多方法，但考虑到实际应用于 高温测量，同时要将温度信号转变成电信号来处理，因此采用热电偶作为检测系 统的一次仪表。热电偶结构简单、容易制造、价格便宜、准确度高、测温范围广， 目前在大量的热工仪表中，热电偶作为温度传感器，已经得到了广泛的使用。 由热电偶测温原理可知热电偶的输出电压： e a 占妒，瓦) = e a by ) - e a b 佤) ( 2 5 ) 热电偶因温度变化产生的热电动势是测量端温度与参考端温度的函数差，而 不是温度差的函数。那么，热电动势就变成测量端温度的单值函数。我们经常使 用的分度表及显示仪表，都是以热电偶参考端温度为o 为先决条件的。一 因此，在使用时必须保证这一条件，否则就不能直接应用分度表。如果参考 端温度是变化韵，引入的测量误差也是变量。由此可见，参考端温度的变化直接 影响测量的准确度。但在实际测温时，因热电偶的长度受到被测介质与环境温度 的影响，不仅其参考端温度难以保持0 ，而且往往是波动的，无法进行参考端 温度的修正。因此，要把变化很大的参考端温度所带来的误差，通过采取一定措 施予以补偿。 在基准接点不为0 c 时，为了使其仍然能够与基准接点为0 时等效，有必要 1 2 第二章氧化锆传感器的测氧原理 对测温接点加上一个与基准接点温度相当的热电动势，使两接点间的温差热电动 势仍保持在基准接点为0 c 时的数值。实际使用中，常常选用集成温度传感器来 测量基准接点的温度，进行冷端热电势补倒旧1 1 2 0 。 本检测系统采用的k y y 度热电偶测温，即工业常用的镍铬一镍硅热电偶，它 属于接点k 型热电偶，它是一种能测量较高温度的廉价热电偶。由于这种合金具 有较好的高温抗氧化性，可适用于氧化性或中性介质中。它可长期测量10 0 0 c 的 高温，短期可测到1 2 0 0 。它不能用于还原性介质中，否则，很快被腐蚀，在此 情况下只能用于5 0 0 以下的温度测量。它比s 型热电偶要便宜很多，且它的重复 性很好，产生的热电势大，约为0 0 4 1 m v c ，因而灵敏度很高，而且它的线性很 好。虽然其测量精度略低，但完全能满足工业测温要求，所以它是工业上最常用 的热电偶。 2 4 本章小结 本章介绍了氧化锆固体电解质的测氧机理，分析了影响测氧的各种因素，并 给出了仪表化的测氧方程式。根据传感器测氧要求温度恒定的特性，介绍了热电 偶测温的优点以及冷端补偿的方式。 第三章传感器检测电路设计 3 1 硬件系统组成 第三章传感器检测电路设计 由设计要求可以将系统分为模拟信号输入模块、温度测量控制模块、人机对 话模块、扩展存储器模块、模拟量输出模块以及串口通信模块等部分，如图3 1 所示的硬件结构框图，充分利用m s p 4 3 0 单片机丰富的片上资源。 氧 化 锆 传 感 器 探 头 r i s c1 6 位c p u m s p 4 3 0 a 蛐d c1 道2 li意i t ，n 谍 n j t a g 系统时 钟模块 1 2位 d a c l 2 u s a r t v i 转换 电路 按键与显示ll 串日通讯 图3 1 硬件结构组成及系统框图 i i c 接 口存 储器 模拟信号输入模块主要是氧化锆电池氧电势的检测，包括电压信号的放大、 滤波以及利用单片机a d c l 2 模块进行数字化处理，进而对氧电势进行计算、转 化，完成氧含量的实时检测。 温控模块包括可控硅控温、光电隔离以及热电偶信号调理，由热电偶调理电 路输出热电势信号到单片机，经过k 型热电偶分度表转化为温度信号，再由事 先编写的模糊控温算法计算出输出加热功率，通过过零触发可控硅控制氧化锆传 感器上的加热丝在固定周期内的导通时间来完成对传感器温度的恒温控制。 人机对话模块包括l e d 显示和键盘，键盘为5 键式按键，显示为4 位7 段 数码管显示。人机对话模块实现包括仪器所有功能模块参数的校准与设定、显示 1 4 型一蝴驰=蚺酏 可硅温二热调=氧调路 第三章传感器检测电路设计 状态的切换和信息的显示。 扩展存储器模块配合单片机内部f l a s h 实现系统重要参数和校正参数的双 机备份，以实现系统的可靠运行。 串口通信模块主要实现与上位机的通信，采用标准的r s 2 3 2 接口。 3 2 硬件电路设计 电路设计过程中所要满足的条件及达到的目的如下：测量对象：各种工业炉 窑烟气；测量元件：氧化锆管 1 、测氧范围：0 - 2 0 6 0 2 或0 1 0 2 、仪器精度：系统测氧基本误差殳2 满量程值 3 、变送器精度：1 0 级( 5 1 o 满量程值) 4 、温控精度：恒温点的7 5 0 - a ：1 5 、响应时间： 5 秒( 达到9 0 的响应) 6 、报警输出：上、下限节点输出，可选“常开”或“常闭”点 7 、模拟量输出信号：4 2 0m a 电流( 负载o q 一5 0 0 q ) 对应氧量0 1 0 0 2 或 者o 2 0 6 0 2 8 、本底修正范围：2 0m v - 一+ 2 0m v 9 、数显形式：l e d 四位数码管显示 1 0 、电源：a c 2 2 0 v 士1 5 l l 、功耗： 妒也， r 3 。哝耽姐尹2 0 k 妒，r 3 + r w 2 = r 4 = 2 0 k ，可知经过卧见的电流几乎相等。 * 播圪 4 ， v n i = - 币杀丽也+ 墨k ( 3 - 5 ) 2 焘 ( 3 - 6 z2 瓦孝i r 乇 = + ，= 圪= k + 圪， ( 3 - 7 ) ( 3 - 8 ) 由上述五个式子联立可得： 器圪+ 志沁+ 吃k = 熹圪+ 彘也易协9 ， 厶飘l ( v , 母- v 6 ) 。 要想实现输入0 - 5 v ，输出4 - 2 0 m a 的电流，则 * 舟4 1 9 第三章传感器检测电路设计 ! f 丝i ：2 0 ( 3 1 2 ) 5 lbj 可得：虼：- 1 2 5 v ，r s = 6 2 5 f l 。 ( 2 ) 电路分析 v i 变换电路主要由比较电路u l ( u 1 为o p 0 7 或普通单运放) 和功率放大q 1 等组成。 u i 正相输入端有两种不同的信号输入。一是传感器的放大信号，二是反馈 电压信号i o r f , 输出电流的大小，是由反馈电阻尺床决定的。u l 的反相输入端和 同相辅入端进行电压信号平衡比较，形成了电路平衡负反馈系统，保证了输出电 流而与输入信号所成正比。当圪变化时，u 1 的输出变化，q l 输出，o 变化，这时1 0 r s 也跟着变化。直n u1 的正反相输入端重新达到平衡。 由于电路平衡负反馈原理，且为电流深度负反馈，使在现场应用的变送器对 其电源电压的波动、q 1 温度特性的变化及外接负载的不同等因素均可得到较好 的补偿。负载并接c 1 防止长线传输时产生高频振荡。 ( 3 ) 负载能力 由于供电电源的限制，负载在5 0 0 欧时，在电阻也、尺厂、r 6 上最大压降为1 0 2 5 v ， 已经接近供电电源，同时三极管上还需要压降，所以负载不可能超过5 0 0 欧。如 果想增加带负载能力，必须增加供电电源。实际调试过程中，将心改为5 0 欧， 当负载电阻为5 0 7 欧时，仍然可以很好测量。注：此电路负载必须_ 5 0 0 f l 。 ( 4 ) 元器件选取 由于电路的工作特点，对元器件的要求不是太严格，但保证以下几点可以使 输出更准确、更稳定：尺、月，和输出零点、满点有关，需要选用温度系数小的 滑动变阻器，否则会影响测量；电m ，、飓，飓、r 彳要精心挑选与标称值相近的 金属膜电阻；r 7 要求温度系数要小。 3 2 4i i c 串口e e p r o m 的读写 1 2 c 串行总线只有两根信号线：一根是双向的数据线s d a ，另一根是时钟线 s c l 。1 2 c 总线支持所有的n m o s 、c m o s 、1 2 c - v 艺制造的器件。所有连接到1 2 c 总线上的设备的串行数据都接到总线的s d a 线上，而各设备的时钟均接到总线的 s c l 上。 1 2 c 总线的s d a 和s c l 都是双向i o 总线，通过上拉电阻接正电源，当总线空闲 时，两根总线均为高电平。连接到总线上的器件的输出级必须是漏极开路( 或集 电极开路) ，任一设备输出的低电平，都将使总线的信号变低，也就是说各设备 的s d a 是“与”的关系，s c l 也是“与”的关系。在1 2 c 总线标准模式下，数据 2 0 第三章传感器检测电路设计 传输速率为10 0 k b s ，在高速模式下可达4 0 0 k b s 。 v c c 图3 - 6i i c 接口配置e e p r o m 电路 3 2 5 串口通讯的实现 r s 2 3 2 是使用最早、应用最多的一种异步串行通信总线，r s 2 3 2 被定义为 一种在低速率串行通讯中增加通讯距离的单