烟气净化及自动检测系统的设计

1、毕业论文设计题目：烟气净化与自动检测系统的设计系 别: 专 业: 班 级: 姓 名: 指导教师：摘要介绍了一种基于气体传感器阵列的室内空气品质监控系统。 该系 统应用半导体气体传感器阵列 ,可以对室内主要的有害气体得到连续 的响应输出 ,输出信号由微处理器根据一定算法处理后 ,得到一 个连续、可比拟、可标定的室内空气品质综合指数,并可以对综合指数或某一有害气体的超标做出反响 ,控制换气扇等外部设备改善室内 空气状况 ,声光报警提醒室内人员注意采取相应措施等。该系统能实 时有效地监控室内空气品质 ,有利于提高生活质量和改善安康状况。 关键词 :气体传感器阵列 ; 半导体气体传感器 ;室内空气品质

2、 ; 综合指 数 ; 监控目录1 引言 52. 室内空气品质 63. 系统构成 74. 传感器 94.1 传感器的定义 94.2 传感器的分类 9按工作原理 9按其用途 10按其制造工艺 115. 气体传感器 135.1 气体传感器定义 135.2 有 毒 和 可 燃 性 气 体 检 测 135.燃3 烧 控制135.4 食 品 和 饮 料 加 工1. 35.5 医 疗 诊146. 金属半导体气体传感器阵列 156.1 GGS 3 000 系列气体传感器 156.2气体传感器阵列数学建模 176.3室内空气品质综合指数 176.4实验结果 187红外传感器的C02气体检测217.1检测电路的工

3、作原理 217.1红外吸收型二氧化碳气体传感器的工作原理 217.2 检测电路的设计原理 227.3 检测电路的设计 237.4 检测处理程序流程框图 248. 空气的净化 268.1 自然通风控制方法 268.2 化学控制方法 268.3 生物控制方法 268.4 空气净化26参考文献 28致谢291.引 言 随着人民生活水平的提高和对环境问题及安康问题的日益重视 室内空气品质状况受到越来越多的关注。 室内空气品质的测量与评估 传统上采用分析化学方法和光谱分析方法。 分析化学的方法一般需要 在测量现场采集样气 ,带回实验室进展化学分析得到结果 ,而光谱分析 需要专门的光谱仪 ,设备昂贵 ,操

4、作复杂 ,不便携带 ,而且采样分析速度 慢 ,无法实现实时的空气品质测量。为了克制以上缺点 ,提出了一种基 于气体传感器阵列室内空气品质监控系统的设计与实现。该系统简 单、高效、本钱低 ,能实时有效地监控室内空气品质 ,有利于提高生活质量和改善安康状况 ,适合家庭和办公室应用。2.室内空气品质室内空气品质是 20 世纪 80 年代末在环境科学、卫生学、暖通 空调等学科根底上开展起来的一个科学分支 ,在 90 年代以来得到了 广泛的重视与研究 1 。在美 XX 暖 , 制冷与空调工程师学会 ASHRAE(American Society of Heating Ref rigeratingandA

5、irconditioning Engineers) 标准 6221989R 中,首次提出了可承受的室内空气品质 (acceptable indoorair quality) 和感 受到 的可 承 受 的室内 空 气品 质 (ac2ceptable perceived in door air quality 等概念。其中可承受的室内空 气品质定义如下 :空调房间中绝大多数人没有对室内空气表示不满意 , 并且空气中没有的污染物到达了可能对人体安康产生严重威胁的浓 度;感受到的可承受的室内空气品质定义如下 :空调房间中绝大多数人 没有因为气味或刺激性而表示不满 ,但是由于有些气体 ,如 Rn、CO

6、等 没有气味 ,对人也没有刺激作用 ,不会被人感受到 ,却对人危害很大 ,因 而仅用感受到的室内空气品质是不够的 ,必须同时引入可承受的室内 空气品质2 。因此,空气品质的评价实际上是人为感受与客观有害污 染物浓度的综合评价 3 。 3.系统构成 室内空气品质受到多方面的影响和污染 ,从其性质来讲 ,可分三大类 :第 一大类是化学的 ,主要来自房屋装修、家具、玩具、煤气热水器、杀 虫喷雾剂、化装品、吸烟、厨房的油烟等等 ,其成分主要是挥发性的 有机物如甲醛、甲苯、二甲苯、醋酸乙酯、甲苯二异氰酸酯等等和无 机化合物如 NH3 ,CO ,CO2 等;第二大类是物理的 ,包括不适当的温度、湿度环境、

7、悬浮颗粒（灰尘）、烟雾、核辐射、电磁辐射等等；第 三大类是生物的，主要来自使用地毯不当，毛绒玩具、被褥等，主要有螨 虫及其它细菌等4。本系统主要针对第一类和第二类室内空气污染 进展检测。系统应用半导体气体传感器阵列 ，可以对室内主要的有害 气体得到连续的响应输出，输出信号由微处理器根据一定算法处理后, 得到一个连续、可比拟、可标定的室内空气品质综合指数，并可以对综合指数或某一有害气体的超标做出反响，控制换气扇等外部设备改 善室内空气状况，声光报警提醒室内人员注意采取相应措施等。系统 由气体传感器阵列、温湿度传感器、信号调理电路、A/ D转换器、微控制器（MCU）、L ED数码显示器、RS223

8、2接口、声光报警与控 制接口、执行器（如换气扇）等构成，系统原理框图如图1所示图1室内空气品质监控系统原理示意图1气体传感器阵列2.温湿度传感器3信号调理 4.A/D转换 5.微控制器MCU 6.升官报警与控制接口 7受控电器换气扇8.LED数码显示9.RS-232接口 10.计算机气体传感器阵列与温湿度传感器采集室内空气信息，由信号调理电路处理后经 A/ D 转换送入微控制器进展处理。 在满足程序设定的条件 时 ,采取相应的控制措施 （如开启换气扇 ） 及声光报警 ,直接控制改善或 提醒人员采取改善措施。4. 传感器4.1传感器的定义 传感器是一种物理装置或生物器官，能够探测、感受外界的信号

9、、物 理条件如光、热、湿度或化学组成如烟雾 ，并将探知的信息 传递给其他装置或器官。国家标准GB7665-87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置， 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。4.2传感器的分类 可以用不同的观点对传感器进展分类：它们的转换原理（传感器工作的根本物理或化学效应 ）；它们的用途；它们的输出信号类型以及制 作它们的

10、材料和工艺等。按工作原理可分为物理传感器和化学传感器二大类：传感器工作原理的分类物理传感器应用的是物理效应， 诸如压电效 应，磁致伸缩现象，离化、极化、热电、光电、磁电等效应。被测信 号量的微小变化都将转换成电信号。化学传感器包括那些以化学吸附、电化学反响等现象为因果关系的传 感器，被测信号量的微小变化也将转换成电信号。有些传感器既不能划分到物理类，也不能划分为化学类。大多数传感 器是以物理原理为根底运作的。化学传感器技术问题较多，例如可靠 性问题，规模生产的可能性，价格问题等，解决了这类难题，化学传 感器的应用将会有巨大增长。常见传感器的应用领域和工作原理422按其用途，传感器可分类为：压力

11、敏和力敏传感器位置传感器液面传感器能耗传感器速度传感器热敏传感器加速度传感器射线辐射传感器振动传感器湿敏传感器磁敏传感器 气敏传感器真空度传感器生物传感器等。以其输出信号为标准可将传感器分为:模拟传感器一一将被测量的非电学量转换成模拟电信号。数字传感器一一将被测量的非电学量转换成数字输出信号（包括直接和间接转换）。膺数字传感器一一将被测量的信号量转换成频率信号或短周期 信号的输出（包括直接或间接转换）开关传感器一一当一个被测量的信号到达某个特定的阈值时，传感器相应地输出一个设定的低电平或高电平信号。在外界因素的作用下，所有材料都会作出相应的、具有特征 性的反响。它们中的那些对外界作用最敏感的材

12、料，即那些具有功能特性的材料，被用来制作传感器的敏感元件。从所应用的材料观点出 发可将传感器分成以下几类：(1) 按照其所用材料的类别分：金属聚合物 陶瓷 混合物(2) 按材料的物理性质分：导体 绝缘体 半导体 磁性材料(3) 按材料的晶体构造分：单晶多晶非晶材料与采用新材料严密相关的传感器开发工作，可以归纳为下述三个 方向(1) 在的材料中探索新的现象、效应和反响，然后使它们能在传感 器技术中得到实际使用。(2) 探索新的材料，应用那些的现象、效应和反响来改良传感器技 术。(3) 在研究新型材料的根底上探索新现象、新效应和反响，并在传 感器技术中加以具体实施。现代传感器制造业的进展取决于用于

13、传感器技术的新材料和敏 感元件的开发强度。传感器开发的根本趋势是和半导体以及介质材料 的应用密切关联的。表1.2中给出了一些可用于传感器技术的、能够 转换能量形式的材料。按其制造工艺，可以将传感器区分为:集成传感器 薄膜传感器 厚膜传感器 陶瓷传感器集成传感器是用标准的生产硅基半导体集成电路的工艺技术制 造的。通常还将用于初步处理被测信号的局部电路也集成在同一芯片 上。薄膜传感器那么是通过沉积在介质衬底（基板）上的，相应敏感材 料的薄膜形成的。使用混合工艺时，同样可将局部电路制造在此基板 上。厚膜传感器是利用相应材料的浆料，涂覆在陶瓷基片上制成的， 基片通常是AI2O3制成的，然后进展热处理，

14、使厚膜成形。陶瓷传感器采用标准的陶瓷工艺或其某种变种工艺 （溶胶-凝胶等） 生产。完成适当的预备性操作之后，已成形的元件在高温中进展烧结。厚膜和陶瓷传感器这二种工艺之间有许多共同特性，在某些方面，可以认为厚膜工艺是陶瓷工艺的一种变型。每种工艺技术都有自己的优点和缺乏。由于研究、开发和生产所需的 资本投入较低，以及传感器参数的高稳定性等原因， 采用陶瓷和厚膜 传感器比拟合理5. 气体传感器5.1气体传感器定义气体传感器，是指利用各种化学、物理效应将气体成分、浓度按一定 规律转换成电信号输出的器件。随着社会的开展和科学技术的进步， 气体传感器的开发研究越来越引起人们的重视， 各种气体传感器应运而生

15、。综合气体传感器的应用情况，主要有以下几种用途：5.2有毒和可燃性气体检测有毒和可燃性气体检测是气敏传感器最大的市场。主要应用于石 油、采矿、半导体工业等工矿企业以及家庭中环境检测和控制。在石 油、石化、采矿工业中，硫化氢、一氧化碳、氯气、甲烷和可燃的碳 氢化合物是主要检测气体。 在半导体工业中最主要是检测磷、 砷和硅 烷。家庭中主要是检测煤气和液化气的泄漏以及是否通风。 5.3燃烧控制汽车工业是气体传感器又一重要市场。 采用氧传感器检测和控制发 动机的空燃比， 使燃烧过程最正确化。 在大型工业锅炉燃烧过程中采 用带有气体传感器的控制以提高燃烧效率减少废气排出，节省能源。 气体传感器还可以用来

16、检测汽车或烟囱中排出的废气量。 这些废气包 括二氧化碳、二氧化硫和一氧化碳。5.4食品和饮料加工在食品和饮料加工过程中， 二氧化硫传感器是极有用的器件。 二氧 化硫常用于许多食品和饮料的保存和检测， 使之含有保持特定的味道 和香味所需最小的二氧化硫浓度。 另外，气体传感器还被用来检测葡 萄酒、啤酒、高梁酒的发酵程度以保证产品均匀性和降低本钱。 5.5医疗诊断可用气体传感器进展病人状况诊断测试， 如口臭检测， 血液中二氧 化碳和氧浓度检测等。表 1 例举了气体传感器的主要检测气体和应用场合。- . wordzl.表1吒体僵榻壽的主寒检测气林油应用场合应用场所塌炸性气住繼化石油气.城帀用煤气（发生

17、煤气、天然煤气） 甲烷可燃性煤气冢庭 煤矿 办報一氮化磺C不完全雄疑的煤气） 瞌化氢含硫的有机物 歯熟卤化物U氨气等煤气焙 f 特 办歩处环境厲俸氫塔（訪止快氫）二氧化磺（防止缺氧】 水蒸气调节湿度、防止菇齋）大气污染（50治NOX等'康庭、办公垂电子设备、汽车工业气体氧气（控制锻烧-调节空气溯比1 一氧化碳C防止不託全魅烧） 水議气厳良品加工发动机、锅炉 贯动札锅炉 电炊址苴哋呼出气体的酒精-忆等6. 金属半导体气体传感器阵列6.1 GGS 3 000系列气体传感器由于室内气体污染物的多样化和复杂性，决定了不可能使用单一 气体传感器实现全面的空气品质监测。 本研究采用的气体传感器阵列

18、 是GGS 3 000系列气体传感器，这些传感器均属于金属氧化物半导体 气体传感器，采用SnO2薄膜作为敏感材料，敏感材料的电阻在一定的 工作温度下随被测环境中吸收气体分子的变化而变化，通常复原性气体使电阻减小，而氧化性气体使电阻增大，测量电阻变化的输出信号，可 得到与气体特性对应的关系。研究实验中采用了GGS1000/ 2000/3000其功如表2所示表2GGS 3 000系列产品功能传感器种类功能GGslOOO高C讯敏感(屮烷)，宽带GGS2000敏感CH4冶CO和H1和酒桔敏恳GG53OOO高眯氢化合物G H x敏楂*如甲醉.酒精对氢气.氨敏也它是集成了三种GGS 3 000系列传感器和

19、两个加热器的气体传感器 阵列，图2 (a)和图2 (b)为该传感器阵列构造图。每一个传感器阵列 的输出信号是一个三维向量。该构造用于气体测量分析，不但节约了用于测量的传感器个数，降低了测量本钱，而且多维向量输出便于后面 的数据处理。由于SnO2薄膜的工作特性和温度有关，所以需要对传感器的工作温度进展控制。传感器构造化的铂镀层一方面作为加热器使用，另一方面作为温度传感器使用，利用外部电路选择和控制工作温度，同时 可以补偿外部温度变化，改变传感器灵敏度。传捋聽!传矗器2传賂IP加箱H I也加热片 陶直乩氏00传聘器剖面图() section structure of sensor一隔 JI JR一

20、陶飪藝底加执器20>)传面圏(b) layer structiur of sensor图2 传感器阵列构造图1敏感层 2隔离层 3.铂加热片 4.陶瓷基底 5.传感器1 6传感器27传感器3 8加热器1 9加热器2 10.陶瓷基底 11.隔离层气体传感器工作时，两片Pt500用作加热器，并需根据环境温度 的变化进展一定时间的预热，待传感器敏感电阻工作在一定温度下时 再进展测量。根据Pt500的温度和电阻关系，即可得到Pt500的工作温度。Pt500电阻-温度关系为其中 Rh为加热器的工作电阻，Q; RO为加热器在常温25 C下的电 阻,Q; t h为加热器的工作温度；C ; tO为常温2

21、5 C ；a = 3. 85 X 10 3/ Co6. 2气体传感器阵列数学建模假设传感器阵列由n （n3）个气体传感器组成，被测气体有m 种，浓度分别为x 1 , x 2 , ? x m ,传感器工作温度为B x ,被测环境湿 度为H,那么该气体传感器阵列的输出模型为mRf = Roi + M 9r - Bq） t 2+ kftlHi ,（2）式中 Ri为阵列中第i个传感器的输出电阻；Roi为偏移量，即传感器 在温度趋近于零时的纯洁空气中的输出电阻；Kci是温度补偿系数；80 为传感器标准工作温度；Kij是第i个传感器对第j种污染物的敏感 系数；Khi是湿度补偿系数。从式可以看出，当传感器阵

22、列工作温 度、被测气体环境湿度恒定时，传感器的输出将取决于被测环境中气 体的成分、浓度和传感器对这些气体的敏感系数。6. 3室内空气品质综合指数基于将传感器阵列中的每一个传感器的输出根据其敏感性最强 的污染物的重要性进展加权，得到一个具有纵向可比性，即与同样的 传感器在不同的时间和不同的场合得到的指数的可比性的原理，本研究提出了基于气体传感器阵列的室内空气品质综合指数，这一指数可以通过标定得到其成分与含量的物理浓度意义。其算法为工 Wj （ j?f -i 二 iao 亍*工眄 f JPdrf - J?o J= l/式中 Ri与RO i表示意义与式（2）中一样;Rai为所有敏感污染物浓度到达有害

23、浓度阈值（由室内空气品质标准决定）时每个传感器的阻值;Wi为传感器阵列中每个传感器的权重。室内空气品质综合指数对室内空气品质的描述准确度取决于传感器阵列的维数、传感器阵列所敏感的污染物种类、传感器的输出线性度及阵列中传感器的穿插敏感 性等。6.4实验结果图3 （a）为运用该室内空气品质监控系统测得的实验室内空气品 质在一天内的变化情况。27262524238:瘵B3 憑軽ngrIHM 佣(a)室内空气品质综合指数变化曲线(a) curve of indoor air quality indexing采样时刻(a)室外空气主要污染物体积分数变化曲线(a) curve of outdoor air

24、 pollutant concentration图3室内空气综合指数与室外空气主要污染物在一天内的变化曲线该图测于前几年，同济大学中德学院西门子自动化技术基金教研室,起始时间为上午8时,完毕时间为次日上午8时。被测房间为实 验室，有工作人员在上午8时到22时进展正常的工作。图3 (a)中, 时间坐标的为上午8时，从图中可以看出，曲线的前半段，即从8时到 约 22 时左右的时间段内 , 室内污染物体积分数较高 , 且波动较大 ,而 曲线的后半段 ,22 时到次日 8 时,室内污染物体积分数降低 , 且曲线 平坦, 波动很小。图3 (b) 5 是在美国洛杉矶测得的一天之内室外空 气中 NO ,NO

25、2 ,O3 和 CO 的体积分数变化情况。图中曲线经过了平 滑的处理。 从图中可以看出 ,空气中污染物的第一个顶峰的成分是 CO 和NO,发生在早晨的交通顶峰期，因为CO和NO直接来自汽车尾气 的排放。随后到来的 NO2 和 O3 的顶峰来自日出后的光化学反响。 下午的交通顶峰期污染物浓度的增加相对于早晨而言不明显 , 这是 因为下午的风速及空气对流要远远大于早晨 ,使污染物不易集聚 ,直接 造成了污染物体积分数的下降。图3 测的是甲醛(HCHO)、苯(C6H6)、氨气(NH3)和一氧 化碳 (CO) 等室内空气污染物的体积分数 ,不同于图 3 (b) 测的 NO ,NO2 ,O3 和 CO

26、等室外空气污染物 ,但是在门和窗户都翻开的情 况下 ,室外空气品质极大地影响室内空气品质。结合图3 (b) 分析图 3(a) 知, 早晨的室外污染物体积分数最高 , 翻开门窗后 , 由于受到室外 空气污染物(主要是CO)的影响，室内空气品质综合指数迅速升高。因 为工作人员在室内的活动以及开窗造成的气流对室内污染物扩散的 影响，在8时22时这一有人活动的室内空气较不稳定，波动较大。 随着工作人员的离开和窗子的关闭 ,室内空气进入一个相对平稳的过 程,并且由于室外空气情况的改善而呈缓慢的改善趋势。但由于未开 门窗,室内外的空气流动不佳 ,这一过程进展的较为缓慢 ,而且相对室外 空气的变化要滞后一段

27、时间。7. 红外传感器的C02气体检测7.1检测电路的工作原理 红外吸收型二氧化碳气体传感器的工 作原理1红外吸收型CO2气体传感器是基于气体的吸收光谱随物质的不同 而存在差异的原理制成的。不同气体分子化学构造不同，对不同波长 的红外辐射的吸收程度就不同，因此，不同波长的红外辐射依次照射 到样品物质时，某些波长的辐射能被样品物质选择吸收而变弱，产生红外吸收光谱，故当知道某种物质的红外吸收光谱时， 便能从中获得 该物质在红外区的吸收峰。同一种物质不同浓度时，在同一吸收峰位 置有不同的吸收强度，吸收强度与浓度成正比关系。因此通过检测气 体对光的波长和强度的影响，便可以确定气体的浓度。根据比尔朗伯定

28、律，输出光强度、输入光强度 和气体浓度 之间 的关系为：2 =式中 为摩尔分子吸收系数；C为待测气体浓度；L为光和气体 的作用长度传感长度。对上式进展变换得:通过检测相关数据就可以得知气体的浓度图4二氧化碳传感器探头构造1.光源 2.气室 3干预滤波镜 4.探测器红外二氧化碳传感器探头构造如图 4所示。是由红外光源、测量 气室、可调干预滤光镜、光探测器、光调制电路、放大系统等组成。 红外光源采用镍铬丝，其通电加热后可发出310 am的红外线，其中包含了 4.26 处CO2气体的强吸收峰。在气室中，二氧化碳吸收 光源发出特定波长的光，经探测器检测那么可显示出二氧化碳对红外 线的吸收情况。干预滤光

29、镜是可调的，调节他可改变其通过的光波波 段，从而改变探测器探测到信号的强弱。红外探测器为薄膜电容，吸 收了红外能量后，气体温度升高，导致室内压力增大，电容两极间的 距离就要改变，电容值随之改变。CO2气体的浓度愈大，电容值改变 也就愈大。7.2检测电路的设计原理图5检测电路原理框图1.红外二氧化碳传感器 2.数字滤波3.放大电路4.单片机系统5稳定电路6温度补偿7输岀检测电路设计的原理框图如图 5所示。检测电路由红外二氧化碳传感器、数字滤波电路、放大电路、稳 流电路、单片机系统、温度补偿等组成。设计的根本原理是红外二氧化碳传感器将检测到的二氧化碳气体浓度转换成相应的电信号，输出 的电信号分别经

30、过滤波、放大处理，输入到单片机系统，并经温度和 气压补偿等处理后，由单片机系统输出送显示装置显示其测量值。7.3检测电路的设计图6二氧化碳检测电路图按照上述设计原理，设计的二氧化碳检测电路如图6所示。工作原理是首先由红外传感器将探测到二氧化碳气体的浓度并转换成电信号，滤波电路提取电信号并输出到放大电路， 经过单片机系统处理 后输出，再由74AC138送入显示电路，以实现对二氧化碳气体浓度的 检测。电路中由R1、R2、R3、R4、C1、C2和运放组成滤波电路2 在电路中既引入了负反响，又引入了正反响。当信号频率趋于零时， 由于 C1 的电抗趋于无穷大，因而正反响很弱；当信号频率趋于无穷 大时，

31、C2 的电抗趋于零。这样就保证了当信号频率在趋于零和无穷 大之间的任何一个值，滤波电路都可以正常提取相应的电信号。滤波电路之后的放大电路，其作用是将滤波电路输出的信号放大 到一定的程度，以便驱动负载。R6和C4串联构成校正网络用来对电 路进展相位补偿。单片机系统主要由 MC14433和8031构成，MC14433是一种双积 分A/D转换芯片，与8031单片机如图方式连接。MC14433的转换结 果 Q-Q 接8031的选通输出脉冲 DS1-DS4接8031的 转换结果标志EOC，一方面接至更新转换控制信号输入线 DU，另一方面接至8031的中断输入线INT1，说明单片机既可采用 中断方式读入 A/D 转换的结果，也可以采用查询方式。最后的结果 送入74AC138并驱动数码管显示具体数值34。7.4 检测处理程序流程框图检测处理程序流程框图如图4所示。采用MCS系列汇编语言5 编程，由于有硬件设计的保证， 使得整个系统既可以工作在循环查询 的方式，也可工作在中断管理的方式。该设计已成功运用于 XX 市农科所花卉示 X 园，运行效果良好。实践证明本检测电路操作简单，数值显示，体积小便于携带，非常直 观，连续快速检测，可随时检测室内、外各种场合二氧化碳气体的含8. 空气的净化8.1自然通风控制方法自然通风能