基于红外传感器的气体浓度测量系统设计.pdf

天津大学
硕士学位论文
基于红外传感器的气体浓度测量系统设计
姓名:肖心通
申请学位级别:硕士
专业:测试计量技术及仪器
指导教师:吴斌
201105
摘要本文以逦D勘昶澹治隽撕焱夤馄孜赵砗屠什槐榷桑关键词:红外吸收随着科学技术的快速发展,越来越多的领域需要对气体浓度进行快速、准确、在线地测量。传统的气体浓度测量方法,如气敏传感器、气相色谱法等无法满足上述需求。本文研究了一种基于红外传感器的新型气体浓度测量系统,利用红外建立了红外漳P筒⑶蟪隽伺ǘ燃扑惴椒ǎ妨⒘薔瓺舶糟测量系统的总体设计方案。在系统的设计和开发中,主要包括三个部分。庋Р糠帧6怨庋低乘婕暗墓庠础⑻讲馄鳌⑵业炔考辛颂致和比较,选择了合适的部件,设计了系统光路,完成了光学系统的设计和安装。上,实现了功能硬件模块化设计,包括:光源驱动、信号处理、~;弧⒖刂啤显示、温控几个功能模块,并针对干扰因素进行了系统抗干扰设计。砑糠帧;赑单片机和语言,结合硬件电路的信号特征和功能要求,编写了主程序、数据采集子程序、数据处理子程序和显示输出子程序,并进行了调试。在设计好系统三个部分之后,对系统的各功能模块进行了调试,完成了系统后进行了误差理论分析。实验结果表明,系统可以达到预期性能指标,实现对气吸收光谱原理,可以实现对气体浓度的在线、非接触测量,同时具有气体选择性好、稳定性好、灵敏度高、响应速度快等优势。布糠帧=岷瞎庠春吞讲馄鞯男藕盘卣鳎谟布缏饭δ芊治龅幕标定的理论推导,实现了系统的初步实验验证,提出了切实可行的实验方法,最体浓度的快速、准确、在线测量。测量系统テ
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第一章绪论引言气体浓度测量是环境保护、工业生产、医疗监护、安全防护等领域内必不可少的重要环节,在煤炭、石化、冶金、电力、农业、医疗等行业都有着广泛的应用,它对于防止环境污染、保证生产安全、提高产品质量、降低能源消耗都十分重要。如:煤矿中爆炸气体浓度的检测,大气中有毒气体浓度的检测,变压器中绝缘气体浓度的检测等。所以快速准确地测量气体浓度已经成为现代生产生活的随着科技的发展,传统的气体浓度测量方法,如:气敏传感器、气相色谱法,在许多场合已经不能满足应用要求。气敏传感器是利用气敏物质和待测气体发生一定的物质交换从而导致其电学性质的变化。气敏物质包括电解质、半导体氧化物和高分子聚合物等。发生变化的电学性质包括电阻、电容和晶振频率等。气敏物质和待测气体之间的作用主要是物理吸附和化学吸附。物理吸附指的是气体分子在气敏物质表面因电负性引力缀土而产生的吸附;化学吸附指的是气体分子在气敏物质表面产生一种氧化还原反应【俊F舸ǜ衅鹘峁辜虻ィ从λ俣瓤欤逖≡裥圆睿矣于输入和输出呈复杂的非线性关系,只能用于简单的气体泄漏检测,无法对气体浓度进行定量测量。气相色谱法是色谱法的一种。它是利用气体的各组分沿色谱柱运动时,组分在柱内固定相字与流动相仄间反复多次进行分配,其多次分配差异的积累就将各组分分开【俊3S闷嗌追治霾捎玫纳璞溉缤疾所示【。为高压气瓶,负责供给载气;<跹狗В栽仄屑跹梗为净化器,对载气进行纯化脱水;之后载气到达控制压力和流速的稳压阀伤胱W恿髁计⒂山到达色谱柱Mü妊狗的控制,待载气流速稳定后,把待分析气体注入进样器ü诜掷牒螅仄治銎宓牟煌分先后流出色谱柱爰觳馄,产生一个信号。该信号由放大器放大后被记录下来,就得到了色谱图上各组分气体浓度随时间变化的曲线。气相色谱法分离检测器温度稳定性要求高,很难做到在线检测,实时性差,限制了它的应用。一项要求,引起了广泛重视。效能高,对气体选择性高,灵敏度高,因此得到了广泛应用。但它对载气流速,
。度在一定范围内时,该气体的特征吸收光谱强度与气体浓度呈函数关系。将包含某气体特征吸收波长的红外光照射到充有一定浓度该气体的气室时,气体对特征波长的红外辐射有一定的吸收,吸光度和气体浓度之间的关系满足朗伯一比尔定律,该定律将在下一章进行详细介绍。与传统的气体浓度测量方法相比,利用红外光谱吸收原理不但具有测量精度高、范围宽、响应快、灵敏度高、气体选择性高等优势,而且能实现定量、连续、在线、非接触测量和自动控制,是未来气体浓度测量的主流发展方向。型。分光型测量系统的核心在于分光系统,它分离出高品质单色光照射到气体上,该光的波长与待测气体特征吸收波长一致,因此测量精度较高;非分光型测量系统没有分光系统,它的光源是把连续谱的光辐射全部照射到气体上,并采