基于单片机的二氧化硫浓度检测

平顶山学院2011届本科生毕业论文基于单片机烟气二氧化硫浓度计的设计目录1引言12二氧化硫浓度检测原理52.1电化学气体传感器的检测原理52.2 3SF CiTiceL传感器62.2.1 3SF CiTiceL传感器的优点62.2.2 3SF CiTiceL传感器的检测原理72.2.3 3SF CiTiceL传感器的技术说明83检测仪硬件部分的设计与实现103.1烟雾检测系统的工作原理103.2冷凝水对浓度测量的影响113.3气路系统设计113.4检测电路设计123.4.1 3SF CiTiceL传感器的动作电路123.4.2放大器的选择133.4.3电路计算133.5单片机系统设计143.5.1单片机中央处理单元143.5.2 A/D转换器143.5.3外部驱动电路154检测仪软件部分的设计与实现164.1控制软件设计164.2通信应用程序185结论20参考文献21感谢221引言我国能源结构以煤为主，SO2排放量相当大，约占世界排放量的20%。 SO2是一种有害气体，危害人的呼吸系统，影响植物的生长。 SO2是形成酸雨的主要原因，酸雨污染河流，损害生态平衡。 因此，国家制定了大气污染排放标准和环境质量标准，控制了SO2损伤的排放浓度和排放总量。 SO2检测是控制SO2排放的重要环节，随着单片机和传感器技术的快速发展，SO2检测器也趋向于便携性和灵活性。 本文以SO2检测为背景开发了一种低成本的检测器，当然该检测器还能检测其他烟雾中SO2气体的含量，体现了多功能特征。由于SO2是世界性量多、影响面广的大气污染物，因此常常作为测量大气污染程度的主要指标。 大气中的SO2源非常广泛，总之，主要是天然源和人工源。SO2的天然源主要指火山和地热活动、生物腐败过程、土壤风化等过程。 在这些天然源中，有的放出大量的H2S，吸入的空气被SO2氧化，在微生物作用的过程中，硫酸盐还原成有机硫化物，通过大气化学作用，有机硫化物被氧化成SO2。 排放大部分硫化物的天然源是间接排放SO2的天然源。 世界SO2天然源年排放量约为1.48亿吨。 天然源每年排放的SO2量相当多，但由于位于旷野，浓度低，具有自然净化作用，不产生大气SO2污染，不产生酸雨，人工控制困难。SO2的人工源主要是燃料燃烧和工业生产工程。 化石燃料的燃烧过程是排放SO2的最主要人工污染源燃料燃烧是指含硫煤和石油的燃烧，大量煤和石油燃烧时，排放大量SO2、NOX和烟尘等各种人工排放SO2的污染源大多数是通过煤的燃烧排放的。 排放SO2的工业生产过程主要包括火力发电厂、有色冶金工业、钢铁工业、包括石油精炼工业和硫酸工业的化学工业等。 人工污染源集中分布于城市和工矿区，浓度高，形成大气SO2污染是酸雨产生的基本原因，但是可以人工控制。我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数煤炭为主要能源的国家之一。 我国是目前世界上几乎唯一以煤炭为一次能源的经济大国，随着工业和经济的发展，能源需求量不断增加，我国能源生产年平均增长率达到9%。 原煤在能源消费总量中所占的比例与5060年代相比大幅度下降，但至今仍达到70%左右，最近没有根本性的变化。 煤是低品位化石能源，我国煤灰、硫含量高。 煤灰的大部分为25%28%左右，硫成分含量的变化范围较大，不同于0.1%10%，1995年全国商品煤的平均硫含量为1.13%。 我国大多数煤炭直接燃烧，烟尘和SO2等污染物大量排放到环境中。 我国SO2排放量与煤炭消费量有密切关系，19831991年两者的相关系数达到0.96。 随着煤炭排放量的增加，煤炭排放的SO2也在持续增加，1995年中国的SO2排放量达到了2370万吨，超过了欧洲和美国，成为世界第一。我国从80年代开始酸雨污染的观测和调查研究，80年代我国酸雨主要发生在西南地区，酸雨区域面积约为170万平方公里。 到了90年代，酸雨污染扩散到华中、华南、华东和华北，东北部分地区面积约占全国面积的40%。 且我国酸雨为硫酸型，主要是人为排放SO2。 由于SO2排放造成严重的酸雨污染和生态损害，SO2对环境的影响备受关注。SO2对人体的各种系统、器官、组织造成不良影响，大气中的SO2浓度达到4ppm时，气味浓度为812ppm，咳嗽的SO2达到20ppm时，眼睛会流泪。 由于SO2等严重污染，在我们社会引起了很多健康问题。 SO2严重危害植物，环境中SO2浓度超过150ppb的临界浓度会对高等植物造成损害。减少SO2排放量、预防大气SO2污染已经成为我国当前或未来相当长时间的主要社会问题之一，寻找合适的烟气SO2浓度测定方法，开发烟气SO2浓度测定系统，不仅符合我国国家产业政策，也很少符合我国烟气脱硫技术的发展我国是以煤炭为主要一次能源的国家，今后很长一段时间，电力工业以煤炭为主的能源结构不会改变。 火力发电厂以煤炭为主要燃料进行发电，燃烧煤炭和释放大量的SO2，引起大气环境污染，随着设备容量的增加，SO2的排放量也在增加，因此必须加大火力发电厂SO2的排放控制力。 控制SO2排放量的方法很多，主要有燃烧前、燃烧中、燃烧后(烟气脱硫) 3种。 烟气脱硫是世界上唯一一种大规模商业化应用的脱硫方式，技术成熟、运行可靠。 进行烟气脱硫，为了提高脱硫效率，必须正确检测烟气SO2的浓度。 目前，烟气SO2在线监测装置以国外产品为主，价格昂贵，中小锅炉烟气脱硫项目资金紧缺，因此开发出价格低廉、实用性高的烟气SO2浓度测量仪。 我们在调查的基础上，分析了国外产品，针对我国国情，开发了电化学传感器法烟气SO2浓度测定仪，不仅适用于小型锅炉，还适用于大型锅炉的烟气测定。 研制烟气SO2浓度测定仪对控制我国环境污染、保护空气环境质量具有重要意义。大气中的SO2的浓度总是用每立方米的SO2含量来表示，质量体积比(mg/m3)或气体情况下的体积比(1 ppm=1/106； l ppb=l/109 )表示。为了测定SO2的浓度，目前已经提出了许多定性定量分析方法(1)电导法该方法将含有二氧化硫的空气样品在稀酸性过氧化氢溶液中流通一定体积，过氧化氢将二氧化硫氧化为硫酸，测定溶液中离子浓度增加引起的电导率变化，测定该溶液的电导率变化，求出大气中的二氧化硫浓度。 测量范围为01ppm，该方法准确、简便、快速、连续测量，适用于自动测量仪器的测量。 但是，该方法容易受到其他影响电导率的物质，例如H2S、NH3、HCI、CO2等的影响。(2)电量法也称为库仑法，该方法自古以来就用于二氧化硫的测定，但通过使KI电解液流过空气试样，恒流源不断地在阳极产生碘，之后被阴极还原，因此碘的平衡浓度被确立，参比电极不产生电流，空气试样中含有二氧化硫时， 二氧化硫和碘发生反应，碘含量减少，用于输送恒流源供给的电荷的碘量不足，一部分必须通过参比电极，参比电极的电流强度与空气试样中的二氧化硫含量成比例，测定范围为0l0ppm，最低为0.01ppm。 该方法是测量电流大小的方法，比测量液体试剂的量要简单得多。 该方法的选择性和灵敏度受硫化氢、硫醇、有机硫化物等其他含硫化合物的影响，可用化学填充膜过滤器进行分离。(3)离子色谱法大气中的二氧化硫在取样吸收瓶中被碳酸钠碳酸氢钠溶液吸收后，被过氧化氢水氧化转化为硫酸根离子，利用离子交换的原理可定量分析硫酸根离子。 用电导率仪测量相应的酸型阴离子(即硫酸根离子)的电导率，色谱数据站和在线测量电导率信号，进行数据处理，根据峰面积定量，可以计算硫酸根离子的含量。 由硫酸根离子含量计算大气中二氧化硫的浓度。(4)电化学传感器法二氧化硫电化学传感器利用二氧化硫气体分子，在传感器的传感器电极上发生电化学反应，该反应使传感器的输出电信号发生变化。 通过测定该变化值的大小，反映二氧化硫气体浓度的变化，检测二氧化硫浓度。 电化学传感器结构简单，性能稳定，灵敏度高，检测范围广，价格便宜，可实时连续测量等优点备受瞩目。如上所述，以SO2为检测目标的分析方法很多，但适用于燃料燃烧和工艺废气中的高浓度SO2的分析方法有限。 目前在线监测装置的测量方法一般采用紫外吸收法和非色散红外法，这些方法分析灵敏度高，而且这些方法的分析仪器本身稳定性好，抗干扰性强，但仪器结构复杂，维护使用要求高，价格高，而且主要以国外产品为中心，同时测量范围广电化学传感器法具有价格低廉、实用性高的特点，性价比高，不仅适用于拥有大型锅炉的企业，也适用于中小型污染源排放企业，易于普及。2二氧化硫浓度检测的原理本装置检测出的SO2分为2个部分，一部分是冷却后通过配管到达3SF CiTiceL传感器的SO2气体，该部分的气体是3SF CiTiceL传感器能够直接测量的其他部分在冷却水时，溶解在水中的SO2气体的一部分必须用间接的方法测量。 也就是说，测定冷却后的结露水的量，根据SO2在当前温度下的溶解度，计算出溶解于水中的SO2气体的量。 主要部分是用3SF CiTiceL传感器测量的SO2气体，但溶于水的部分较少，有时在应用中可以忽略，因此本文主要介绍了用3SF CiTiceL传感器测量灌溉气体含量的方法。2.1电化学气体传感器的检测原理电化学气体传感器利用电解池的原理，通过氧化或还原反应将空气中的某种化学气体转换成电信号，通过检测电信号的大小得到该气体的浓度，经常用于测定二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等气体浓度。电化学气体传感器是一种化学传感器，根据工作原理，通常分为以下几类(1)保持电极和电解质溶液的界面处于一定电位时，直接氧化或还原气体，将流过外部电路的电流作为传感器的输出。(2)使溶解于电解质溶液并离子化的气体物质的离子作用于离子电极，将由此产生的电动势作为传感器输出。(3)气体和电解质溶液反应产生的电解电流作为传感器输出。(4)不是用电解质溶液，而是用有机电解质、有机凝胶电解质、固体电解质、固体高分子电解质等材料制作传感器。恒定电位电解气体传感器的原理是，将电极和电解质溶液的界面保持在一定的电位来进行电解，通过改变其设定电位，使气体氧化或还原，能够定量地检测各种气体。 对于特定的气体，设定电位由其固有的氧化还原电位决定，但是根据电解时作用于电极的材质和电解质的种类而变化。 通过改变气体电极、电解质水溶液、电极电位等，可以选择被测定气体的种类。 电解电流和气体浓度的关系用下式表示iL=(ZFSD)/C (2-1)其中：iL :极限扩散电流z :电子移动数f :法拉第常数s :气体扩散面积d :气体扩散系数:气体扩散层厚度c :被测定气体浓度如果在同一传感器中z、f、s、d和恒定K=(ZFSD)/ (2-2)有iL=KC (2-3)即，电解电流与被测定气体浓度成正比。 因此，能够根据被测气体电解时产生的电流，推测被测气体的体积分率和质量浓度。三电极传感器是无偏压操作的外置电路，气体SO2在工作电极发生氧化反应，该电路的输出为正。 在工作电极发生还原反应的气体的输出为负。 三电极设计的最大优点是催化电化学反应弱的气体氧化还原反应。2.2 3SF CiTiceL传感器本课题使用英国citic technology公司生产的3SF CiTiceL电化学传感器检测SO2的浓度。 这个传感器是三电极的电化学传感器。2.2.1 3SF CiTiceL传感器的优点以最简单的形式，以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，这两个电极被薄电解液隔离。 扩散到工作电极的气体在电极表面发生氧化或还原反应。 这种反应使该电极和对电极之间的电压差上升或下降。 在电极上连接阻抗时产生电流，通过检测电流的大小来决定当前的气体浓度。为了使以上的传感器正确工作，一个条件是使对电极的电压保持恒定。 但是，实际上各个电极的表面反应会导致电位的偏差。 这种影响最初可能很小，但随着反应气体的增多而增大，传感器能够检测的浓度范围受到很大限制。 可以通过引入具有恒定电压的参考电极来消除这种影响。 传感器中的工作电极与一个固定的潜在参考电极连接(不产生电流)，因此两个电极是稳定的。 对电极是极化的，但对作用电极没有任何作用，对传感器的动作也没有影响。参比电极没有任何反应，可以保持一定的电压。 该信号可以通过测量正负极而得到，也可以通过更正确地测量参比电极与工作电极之间