精品 毕业论文 毕业设计基于NDIR的CO浓度探测器研制.docx
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精品毕业论文毕业设计基于NDIR的CO浓度探测器研制
毕业论文
题目
基于NDIR的CO浓度探测器研制
院(系)别
专业
级别
学号
姓名
指导老师
华侨大学教务处
摘要
本论文的内容为基于NDIR的CO浓度探测器研制的硬件部分,具体内容可分为CO浓度探测器的现状、发展趋势和分类,基于NDIR的CO浓度探测器的原理,探测器的硬件设计,基于实验室条件下探测器的制作,以及探测器的性能调试。
论文从CO浓度探测器的现状、发展趋势和分类开始,详细介绍了CO探测器的各个方面,探讨了研制CO浓度探测器的意义与基于NDIR的CO浓度探测器的实现原理。
论文介绍了基于NDIR的CO浓度探测器中的红外光源与红外探测器的选择,并详细介绍了红外光源与红外探测器的选择理由以及性能。
基于NDIR的CO浓度探测器的核心器件为MIRL17-900红外光源与TPS2534红外探测器。
在这两个核心器件的基础上,论文介绍了配套的光源调制,实验气室,后续放大滤波电路的设计与制作,以及扩展电路的设计。
论文中所制作的硬件部分均在实验室条件下完成,各个硬件在现有的制作条件下尽可能的达到理想效果。
论文中还具体阐述了硬件制作过程和制作过程中的注意事项。
制作的硬件系统经过测试与调试,根据实验中所阐述的方法制作出来的基于NDIR的CO浓度探测器符合实验要求,达到了预期目的。
基于NDIR的CO浓度探测器硬件部分研制的实现证明了在实验室条件下也可以研制出CO浓度探测器,并且在这个基础上可以继续完善,使之成为一个可以在实际生产生活中广泛应用的产品。
关键词:
TPS2534,MIRL17-900,NDIR,CO
ABSTRACT
ThispaperbasedonthecontentofNDIRconcentrationofCOdetectordevelopedhardware,theconcretecontentcanbedividedintotheconcentrationofCOdetector'ssituation,developmenttrendandclassificationbasedontheNDIR,theprincipleofconcentrationofCOdetector,theprobe'shardwaredesign,basedonthelaboratoryconditionofproduction,anddetectorprobetheperformancetest.
TheconcentrationofCOdetectorpapersfromthecurrentsituation,developmenttrendandclassificationstart,introducesCOdetectoreachaspect,discussesthesignificanceoftheconcentrationofCOdetectordevelopedbasedonNDIRwiththerealizationoftheprincipleofconcentrationofCOdetector.ThispaperintroducestheNDIRconcentrationofCOdetectorbasedontheinfraredlightsourceandinfrareddetectorchoice,andintroducestheinfraredlightsourceandinfrareddetectorreasonsforchoiceandperformance.BasedontheNDIRconcentrationofCOdetectorforMIRL17coredevicewithinfraredlightTPS2534-900infrareddetectors.Inthesetwocoredevicebasis,thispaperintroducesamatchinglamp-housemodulating,experimentalgaschamber,thesubsequentamplificationfiltercircuitdesignandproduction,andexpansioncircuitdesign.
Thepapermadeinthelaboratoryhardwarecomponentsarecomplete,undertheconditionofdifferenthardwareintheexistingproductionconditionsasfaraspossibletoachievetheidealeffect.Paperalsoelaboratedspecificallyhardwaremanufactureprocessandmanufactureprocessinprecautions.Makinghardwaresystemaftertestinganddebugging,elaboratetheaccordingtoexperimentthemethodofmakingbasedontheNDIRouttheconcentrationofCOdetectorconformstoexperimentalrequirements,theexpectedpurposeisreached.
BasedontheNDIRconcentrationofCOdetectortherealizationofhardwarecomponentsindevelopedprovedlaboratoryconditionscanalsodevelopedtheconcentrationofCOdetector,andonthisbasiscancontinueperfectingtobecomealivinginpracticalproductionextensiveapplicationofproducts.
Keywords:
TPS2534,MIRL17-900,NDIR,CO
第一章绪论
1.1气体探测器现状及发展趋势
1.1.1气体探测器现状
探测工作场所的可燃气体和有毒气体从而来监控现场空气状况,从而来保证工作现场的安全可以追诉到隋代甚至更早,将鸡或鸟放到密闭的空间,观察它的的健康状况,从而确保现场的安全状况。
这是采煤工人和探险人员一度采用的“高科技”方法。
如今广大的工人和公众不必依赖敏感的鸟类,现代气体监控仪表要先进的多。
气体探测和监控是当前比较热门的技术,已经在工业生产、医学诊断、环境监测、国防等领域得到了广泛应用。
我国在上世纪50年代已有相关方面的研究,与发达国家相比,在时间上并没有绝对的差距(一般国际上气体探测器起始于上世纪50年代的电化学传感器产生),不过国际上最早的气体探测器起始于上世纪20年代的催化燃烧气体传感器产生。
气体探测器市场发展的最大推动力是国际上对爆炸性气体环境控制和有毒气体排放和污染物排放方面的严格立法,法规的建立降低由于在狭窄空间内危险气体的存在所造成的事故数量,同时使得人们对家庭中出现的有害气体污染和爆炸性气体的危险的关心程度大幅度增强,这就使得气体探测器有了广泛的市场,如今气体探测器已经广泛的运用到了工业、环保、国防等诸多领域。
仅以用于安全保护家用燃气泄漏报警器为例,日本早在1980年1月开始实行安装城市煤气、液化石油气报警器法规,1986年5月日本通产省又实施了安全器具普及促进基本方针。
美国已有7个州11个城市通过立法,规定家庭、公寓等都要安装CO报警器。
目前我国已有黑龙江省、山西省、哈尔滨市、青岛市等发布文件。
随着城市燃气化的扩大、政府立法和人民安全保护意识的提高,城市家庭安装气体报警器必将很快推广普及,一氧化碳、氢气敏元件探测器的需求量将会急剧增加。
随着石油化学工业的发展,易燃、易爆、有毒气体的种类和应用范围都得到了增加。
这些气体在生产、运输、使用过程中一旦发生泄漏,将会引发中毒、火灾甚至爆炸事故,严重危害人民的生命和财产安全。
由于气体本身存在的扩散性,发生泄漏之后,在外部风力和内部浓度梯度的作用下,气体会沿地表面扩散,在事故现场形成燃烧爆炸或毒害危险区,扩大危害区域。
例如,1995年7月,四川省成都市化工总厂液氯车间发生氯气泄漏,当场造成3人死亡,6人受伤,仅约一小时左右,市区范围数十平方公里范围内都能闻到刺激性的氯气味。
因此,这类事故具有突发性强、扩散迅速、救援难度大、危害范围广等特点。
一旦发生气体泄漏事故,必须尽快采取相应措施进行处置,才能将事故损失降低到最低水平。
及时可靠地探测空气中某些气体的含量,及时采取有效措施进行补救,采取正确的处置方法,减少泄漏引发的事故,是避免造成重大财产和人员伤亡的必要条件。
这就对气体的探测和监测设备提出了较高的要求。
气体探测器近年来得到了很大的发展。
气体探测器的发展应用越来越广泛。
1.1.2气体探测器发展趋势
(1)气体传感器向低功耗、多功能、集成化方向发展
目前,气体传感器的发展趋势集中表现为提高灵敏度和工作性能,降低功耗和成本,缩小尺寸,简化电路,与应用整机相结合,这也是气体传感器一直追求的目标。
如日本费加罗公司推出了探测(0.1~10)×10-6硫化氢低功耗气体传感器,英国CITY公司推出MICROceL™微型传感器,美国IST提供了寿命达10年以上的气体传感器,美国FirstAlert公司推出了生物模拟型(光化反应型)低功耗CO气体传感器等。
(2)气体传感器向智能化方向发展
增强可靠性,实现元件和应用电路集成化,多功能化,发展MEMS技术,发展现场适用的变送器和智能型传感器。
如美国GeneralMonitors公司在传感器中嵌入微处理器,使气体传感器具有控制校准和监视故障状况功能,实现了智能化;还有前已涉及的美国IST公司的具有微处理器的“MegaGas”传感器实现了智能化、多功能化。
深圳特安电子有限公司的ESD3000系列产品就采用的智能传感器技术,在传感器部门埋入微处理智能芯片,实现传感器的的智能化、多功能化和标准化。
(3)气体探测器技术与现代通讯技术和数字技术结合
现代通讯技术和数字技术的发展,带动了气体报警器技术的发展。
现场一次仪表和二次仪表的通讯,二次仪表和其他仪表的通讯应用了485、Modbus和Hart的数字通讯技术,提高仪表的智能化程度。
特安公司的ESC3000/ESD3000系列产品带有485、Modbus和Hart的数字通讯技术,是国内第一款具有Hart的数字通讯技术的气体探测器产品。
(4)产品的输出控制模块化
产品的输出控制单独模块化处理,和二次仪表之间使用现代通讯技术来管理和控制,智能管理和编组,实现智能化和多功能化。
特安公司推出的ESC500型总线产品和日本新宇宙公司一款产品就具有此项功能。
这一功能特别适合智能大厦的气体安全控制,上海金茂大厦气体控制就采用了此项目技术。
(5)现代电子技术的结合
随着现代电子技术和产业的发展,一些新的产品和技术被应用到气体探测器上,如彩色液晶显示屏,多层板和SMT技术等。
(6)多合一产品,集成化产品
随着用户对安全工作越来越重视,市场出现二合一、四和一产品,如英思科公司的四合一的便携产品,深圳特安公司的二合一的固定式产品。
国家即将出台的新的法规规定石油化工企业探测有毒气体现场必须配备声光报警器,北京华德和深圳特安都有外置防爆声光报警器配备的气体探测器,深圳特安推出的一款ESD3000型的产品,把声光报警器集成到气体探测器内部,节省空间,降底故障率,这是将来的一个趋势。
(7)气体探测器标准规范化,和国际标准接轨
中华人民共和国国标GB15322-2003已于2003年12月1日起实施,老的标准执行到2004年7月30日止。
GB15322-2003《可燃气体探测器》是在原国标GB15322-94《可燃气体探测器技术要求及试验方法》的基础上,结合了多年实施情况和我国可燃气体探测器的生产现状,参考了1999年版欧洲标准EN50054、EN50055、EN50056、EN50057和EN50058,制定了新标准的技术要求。
国家标准和国际标准的接轨,推动中国产品向国际靠拢,为中国产品走向世界奠定基础。
(8)产品的规范化,规模化
2006开始,公安部加强了对气体探测器产品的管制,取缔了一些无牌无证的生产、销售单位。
公安部消防产品型式认可中心(CCCF)定期在网站上公布合格企业名单,从最初的上千家单位,到目前为止,只有106家合格单位。
一些小的企业,三无企业被淘汰出时常,规范了市场秩序,逐渐现成了一些规模化的企业。
深圳特安电子有限公司目前是国内最大的一家可燃、有毒气体探测器设计、制造和销售的单位。
(9)产品的国际化
气体探测器产品的国际化,世界市场销售的产品,有相当部分都是在中国生产的。
华瑞(RAE)和英思科(Idsci)在中国上海设厂,梅思安(MSA)在无锡设厂,美国通用探测国际公司(GM)和无锡格林通合作,霍利韦尔公司和深圳特安进行ODM合作。
国内一些公司通过和外资企业的合作、合并促进了我国气体探测器的发展,是我国气体探测器达到国际水准。
但是在这一过程中,一些原有的国内企业在合并中完全被外资控制,失去原有的品牌,让中国气体探测器产业控制在外资手中,这值得深思。
国内厂商也开始走向国际市场,取得国际认证(CE认证和UL认证)。
深圳特安电子有限公司是国内最早的一家走向世界的单位,国内第一家取得CE、UL认证的工厂,产品远销售欧美,南美洲,中亚,西亚。
1.2CO浓度探测的意义
CO是一种有毒的可燃可爆炸性气体。
它给工业安全生产带来巨大危害,在煤矿井下,CO是引起瓦斯爆炸的主要气体之一。
在化工生产中CO是一种有毒的危及工人生命安全的副产品。
CO也是钢铁冶金工业生产中的有毒气体,在冶金企业的焦炉、高炉、铁合金矿热炉等冶炼生产中都有大量CO产生。
在火灾的早期预测预报中,CO也被确定为监测的最重要气体之一;在日常生活中,CO是智能家居系统、大气环境污染监测等重要的参数指标。
为了实现对CO的探测,装设可燃气体探测器,及时发现事故隐患、尽早采取补救措施是非常必要的。
保证工业安全生产、工作和生活环境的空气质量而进行的有害气体浓度探测是非常复杂而重要的课题。
以往采用探测管、电化学式和载体催化元件等方法,有测量精度低、容易中毒老化、探测范围小、寿命短等缺点。
采用红外技术探测CO不但克服了以往探测方法的不足,而且还具有选择性好、连续分析、响应速度快等优点。
这些优点除了适用于地面气体探测外,更能适用于矿井气体的探测环境,因此将红外技术应用于矿井CO的探测是具有重要的意义和良好的应用前景。
在工业生产、环境保护、环境监测、日常生活、医疗卫生和防疫及军事等领域需要监测CO气体浓度。
工业铝电解等产生大量的CO气体。
目前随着城市煤气、天然气使用的迅速发展,城市鼓励液化气小区取代传统的家用液化气纲瓶以及城市里加油站的日益增多,这些因素都可能有大量CO出现,因而对CO气体的探测显得日益重要。
在气体的生产、输送、储存和使用过程中,违反操作规程或设备密封质量不好,都有可能发生可燃气体泄露现象,进而酿成火灾或爆炸事故,给国家和人民的生命财产造成损失。
实时、准确地测出这些场合CO气体的浓度,对有效防止CO中毒,火灾的早期预测预报、保障工业安全生产等方面具有十分重要的意义。
CO是一种有毒易燃易爆性气体,常温下无色、无臭、难溶于水,但易溶于氨水。
由于相对密度约低于空气,故能均匀地扩散于探测环境中。
在受CO的人们慢性中毒时完全意识不到它的存在,CO的这一特性更增加了它的危害性。
CO随着空气豪无知觉的吸入人体肺部后,由于CO与血红蛋白的亲合能力比氧气和血红蛋白的亲和力大约高250-300倍,形成碳氧血红蛋白(COHb)。
而且它们结合后不易分离,它们的解离速度只有氧和血红蛋白的1/3600。
因而造成血红蛋白更能与CO结合而不容易与氧气结合,使输送到人体各组织器官的血液供养不足。
甚至还能夺走人体内的氧气,导致组织低氧症,使人体脑及全身组织缺氧窒息而中毒。
它主要对人体的中枢神经、心血管和血液系统三方面造成毒害。
如果血液中50%的血红蛋白与CO结合,即可引起心机坏死,当空气中CO的含量达0.1%(体积比)时,就会引起中毒,导致低氧症,甚至引起心机坏死。
低浓度长期暴露或反复发生轻度急性中毒可引起判断力障碍、手指感觉障碍、记忆减退、无力等症状。
CO记性中毒主要造成精神衰弱,智力和精神障碍,植物神经功能衰乱等,同时还会造成心血管等疾患及心脑、肾等器官的损害。
因此,CO是一种危害极大的空气污染物。
在煤矿井下、化工厂、铁刚冶金等行业中往往都有大量的CO生成,日常生活的天然煤气也含有大量的CO。
特别是当井下发生煤层气泄露、特殊煤层地质条件下,可能使矿井CO气体涌出局部积聚而超标。
从矿井中涌出的CO气体,使得井下CO浓度局部过高,这也需要对浓度作正确的探测。
因而探测CO对维护工业安全生产、预防中毒和保障工人生命安全具有重要的意义。
1.3CO探测传感器的分类
目前主要有以下四种CO探测传感器:
电化学传感器、催化可燃气体传感器、固态传感器和红外传感器。
1.3.1电化学气体传感器
电化学式气体传感器主要有化学原理电池式、定电位电解式、电量式、离子电极式四种类型。
其中以化学原电池和定电位电解式的应用最为广泛。
在石油化工生产系统中,电化学传感器是使用最普遍的CO传感器。
在CO自动监测系统中,电化学传感器占三分之二,而便携式探测仪则几乎全部为电化学式。
电化学气体传感器的典型装置是由阴极和阳极组成的,阴极是探测电极,阳极和阴极之间充有一层薄的电解质,当气体与传感器电解液接触时,在探测电极表面发生氧化还原反应,反应产生的电流大小与气体浓度成正比。
定电位式是通过测量电解时流过的电流来探测气体的浓度,它是在工作电极和参考电极之间加一特定电压,当敏感元件接触到环境中扩散的CO气体时,CO气体通过敏感元件透气膜扩散进入到具有恒定电位的工作电极上,在电极催化剂作用下与电解液中的水发生氧化反应,其电化学元件电池中发生电化学反应如下:
工作极上:
对极上:
总反应:
在工作电极上所释放的电子产生的电流与CO气体浓度成正比。
定电位式是目前在市场上应用最为广泛的一种电化学式气体传感器。
电化学式气体传感器的主要不足是:
除了与待测的气体发生化学反应外,而且对其他杂质气体也会发生反应,因而在有干扰气体存在的地方这类传感器的应用就受到一定的限制,电化学气体传感器需要定期标定,在使用1至3年后需要更换。
使用电解溶液的传感器需要定期填充电解液。
1.3.2催化可燃气体传感器
催化可燃气体传感器探测元件是由经金属氧化物催化处理,(用氧化铝载体覆盖,上面涂以铂铝等催化剂)的铂丝螺线圈制成。
可然性气体分子在金属线圈表面燃烧,引起温度升高,使铂线线圈阻值改变。
CO在铂丝上燃烧产生的热量,使铂丝阻值上升,瓦斯浓度越高,燃烧产生的热量越大,铂丝阻值也越高,从而使原来平衡的电桥变得不平衡。
铂线圈电阻改变的大小和气体浓度成比例,相应的得到一个与气体浓度成比例的电信号。
这类传感器的缺点是:
有些化学品会使传感器的催化剂中毒,致使传感器失效。
例如,硅化物、硫化物和氯等就能使催化剂中毒。
不宜探测高浓度可燃气体,可燃气体浓度越高,在探测元件上燃烧产生的热量也越高,当热量超过一定限度后,就会烧坏探测元件。
易受高浓度CO和硫化物的侵蚀,使用一段时间后,零点产生漂移,灵敏度下降,因此每隔一段时间就要用标准气体进行零点和灵敏度的校正。
不能排除其他杂质的干扰气体与探测元件发生反应,因而选择性差。
1.3.3固态传感器
固态传感器的工作敏感元件是由一种或几种过渡金属氧化物组成的,金属氧化物通常为SnO、SnO2、Fe2O3三类材料。
这些金属氧化物通过制备和加工成珠状或薄片型传感器,将加热置入传感器中使它保持在最佳探测温度上。
工作原理是当加热器将感测材料升到高温,氧气会被吸附在感测材料表面,然后从感测材料的导带捕获两个电子而形成氧离子,造成感测材料的电阻值上升,而当还原性气体,如CO吸附在感测材料的导带,便造成电阻值下降,电阻值的变化与气体体积分数具有函数关系,当探测气体出现时,金属氧化物将气体电离成带电的离子或复合物,从而导致电子的转移。
由置入金属氧化物中的偏置电极可测出传感器电导率的变化,传感器电导率的变化与气体浓度成比例。
固态金属氧化物传感器的缺点是:
它的选择性很差,对可能造成误触发报警的干扰和背景气体敏感,易受其他还原性气体等挥发性有机物的干扰,误警概率明显高于其他技术。
需要一直处于工作状态,否则固态金属氧化物传感器将氧化而进入“睡眠”状态,因而不能用于气体泄漏的探测,固态金属氧化物传感器提供的是非线性输出,与具有线性输出的电化学传感器相比,不易标定。
1.3.4红外传感器
红外吸收式气体传感器的探测原理是基于朗伯—比尔定律。
当有红外光照射气体分子时,被测气体分子就会吸收自己相应波长(特征吸收频率)的红外光。
气体的特征吸收频率的红外光是由分子种类决定的。
气体吸收红外光能量的多少与气体浓度相关,因而可以通过测定红外光被吸收能量的多少来测定气体浓度。
通过分析红外光被气体吸收频率(吸收带)和能量多少来确定它的成分和浓度。
红外吸收气体传感器具有灵敏度和准确性高的优点。
相比于催化燃烧型,它的反应速度极快。
没有消耗件,后期维护费用远远低于其他方法。
红外吸收气体的传感器结构简单,适用于工作区空气质量探测,可探测高浓度的CO、CO2气体和碳氢化合物气体等。
传感器元件、光学器件等不与气体直接接触,不受气体本身影响。
没有传感器老化、疲劳或烧坏等问题,容易实现满足防爆要求的结构,这在煤矿、井下等要求防爆的场合特别适用,不受铅、硫等有毒物质的影响,没有催化燃烧型的中毒现象,有很高的稳定性和可靠性。
准确度不受氢化合物气流速度的影响,不会因探测气体浓度过高而导致误测量的现象。
同时它内部无化学反应发生,在测量中不需要氧气和空气,适用于缺氧地区(低于10%),甚至可应用于惰性气体环境中浓度探测,尤其适用于对某一频带红外线有较强吸收能力的碳氢化合物,如甲烷、乙烷、丙烷等。
采用防尘罩、防溅罩和镜面加热等技术,使之更能适应十分恶劣的探测环境。
红外吸收式气体传感器可以探测多种气体,而具有灵敏度高、气体选择性好、可靠性好、相应速度快等优点。
红外吸收气体传感器与计算机结合,可以实现连续测试分析气体。
实现自动校正、自动运行的功能。
1.4基于NDIR红外分析现状
NDIR为英文NondispersiveInfared的缩写,意为非分光红外。
基于NDIR红外分析技术作为一种快速准确的气体分析技术在实际应用中十分普遍。
国外NDIR仪器占有率在70%左右,国内NDIR气体分析仪的主要厂家大都采用国际上20世纪80年代初的红外气体分析方法,如采用镍锘丝作为红外光源、电机机械调制红外光、采用薄膜电容微音器或InSb等作为传感器等。
由于采用电
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