基于单片机的二氧化硫浓度检测Word文件下载.docx
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S02是一种有害气体，危害人类的呼吸系统，殃及植物的生长。
而且S02是形成酸雨的主要原因，酸雨污染河流，破坏生态平衡。
为此国家制定了大气污染排放标准和环境质量标准，控制S02伤的排放浓度和排放总量。
S02检测是控制S02排放的一个重要环节，随着单片机和传感器技术的迅速发展，S02检测仪也趋于便携、灵
活。
本文就以S02的检测为背景研制开发了一种低成本的检测仪，当然该检测仪也可以检测其他烟气中S02气体的含量，体现了多功能的特点。
S02是全球性量大、影响面广的大气污染物，故常常以它作为衡量大气污染程度的主要指标。
大气中的S02来源十分广泛，概括来说，主要是天然源和人工源。
S02的天然源主要是指火山和地热活动、生物腐烂过程、土壤风化等过程。
在这些天然源中，有的是释放出大量的H2S，进入空气被氧化成S02;
有的是微生物作用过程将硫酸盐还原成有机硫化物，通过大气化学作用再将有机硫化物氧化成S02。
几
乎所有排放硫化物的天然源，都是间接排放S02的天然源。
全球S02天然源每年排放S02量约为1.48亿吨。
尽管天然源每年排放的S02量十分可观，但是由于它地处旷野、浓度低和自然净化作用，所以不会形成大气S02污染，不会产生酸雨现象，并且人工难以控制。
S02的人工源主要是燃料燃烧和工业生产工程。
化石燃料燃烧过程是排放S02的
最主要的人工污染源;
燃料燃烧系指含硫煤炭和石油的燃烧，大量的煤炭和石油燃烧时，排放出数量可观的S02、N0X及烟尘等；
在各种人工排放S02的污染源中，大部分是由煤炭燃烧排放的。
排放S02的工业生产过程，主要有热电厂、有色冶金工业、钢铁工业、石油炼制工业和包括硫酸工业在内的化学工业等。
人工污染源集中分布在城市及工矿区，浓度高，能形成大气SO2污染，是产生酸雨的基本原因，但是人工可以控制。
我国是世界上最大的煤炭生产和消费国，也是世界上少数几个以煤为主要能源的国家之一。
我国是当今世界上几乎唯一以煤为初级能源的经济大国，随着工业和经济的发展，能源的需求量不断增加，我国能源生产的年平均增长率高达9％。
原煤占能
源消耗总量的比例与50〜60年代相比，有较大幅度的下降，但至今仍高达70%左右，并且近期内不会有根本性变化。
煤炭是一种低品位的化石能源，我国煤炭中灰分、硫分含量较高。
大部分煤炭灰分在25%〜28%左右；
硫分含量变化范围较大，从0.1%〜10%不等，1995年全国商品煤的平均含硫量为1.13%。
我国煤炭大多都直接燃烧，因此造成烟尘和SO2等污染物大量排放到环境中。
我国的SO2排放量与煤炭消耗量有着密切关系，1983〜1991年两者的相关系数达到0.96。
随着燃煤量的增加，燃煤排放的S02也不断增长，1995年我国S02排放达到2370万吨，已超过欧洲和美国，居世界第一位。
我国从80年代开始对酸雨污染进行观测和调查研究，在80年代，我国的酸雨主要发生在西南地区，酸雨区面积约为170万平方公里。
到了90年代，酸雨污染扩展到华中、华南、华东与华北，东北的部分地区，面积已占全国面积的40%左右。
而且我国的酸雨是硫酸型的，主要是由人为排放SO2造成的。
SO2排放造成了严重的酸雨污染和生态损害，因而SO2的环境影响受到了极大的关注。
SO2对人体的各种系统、器官、组织会产生不利的影响，当大气中的SO2浓度达到4ppm时，就会被闻到；
浓度在8〜12ppm时会引发咳嗽；
SO2达到20ppm后,眼睛就流眼泪。
由于SO2等的严重污染，在我们社会中引发许多健康问题。
SO2还会对植物带来严重的危害，当环境的S02浓度大于150ppb的临界浓度时，就会对高等植物产生伤害。
减少S02的排放量，防治大气S02污染，已成为我国当今乃至未来相当长时期内的主要社会问题之一，因此寻找合适的烟气S02浓度检测方法，研制烟气S02浓度检测系统，不但符合我国国家产业政策，而且对于我国烟气脱硫技术的发展也有不小的促进作用。
我国是一个以煤为主要一次能源的国家，在今后较长时间内，电力工业以煤炭为主的能源结构不会改变。
热电厂以煤作为主要燃料进行发电，煤燃烧和释放出大量S02,造成大气环境污染，随着装机容量的递增，S02的排放量也在不断增加，所以
必须加大热电厂S02的排放控制力度。
控制S02排放量方法很多，主要途径有3个:
燃烧前、燃烧中、燃烧后（烟气脱硫）。
烟气脱硫是世界上唯一大规模商业化应用的脱硫方式，技术成熟，运行可靠。
要进行烟气脱硫，要得到较高的脱硫效率，必须要准确检测烟气S02的浓度。
目前烟气S02在线监测装置以国外产品为主，且价位较高，在中小型锅炉的烟气脱硫项目中，就显得有些资金不足，因此我们研制一种低价位高实用性的烟气S02浓度检测仪。
我们在调查了解的基础上，分析了国外产品，针对我国国情，决定研制电化学传感器法烟气S02浓度检测仪，使其不仅适合中小型锅炉，同样适用于大型锅炉的烟气检测。
研制烟气S02浓度检测仪，对我国控制环境污染，保护空气环境质量有重要的意义。
大气中S02的浓度经常以每立方米空气中的S02含量来表示，可以用质量体积比（mg/m3）或者气态时的体积比（1ppm=1/106；
lppb=l/109）来表示。
为了测量S02的浓度，目前已经提出了许多定性定量的分析方法：
（1）电导法
该方法是将一定体积含二氧化硫的空气样品通入到稀酸性过氧化氢溶液中，过氧化氢将二氧化硫氧化成硫酸，由于溶液中离子浓度增加引起电导率的变化，通过测定其溶液电导率的变化，求出大气中二氧化硫的浓度。
测量范围0〜1ppm，此方法准
确、简便、快速、可以连续测量，适用于自动化仪器测定。
但这种方法容易受到其他对电导率有影响的物质如H2S，NH3，HCI，CO2等的影响。
（2）电量法
又称库仑法，该方法很早就用于测定二氧化硫，其原理是通过将空气试样通入KI电解液，恒流源连续不断地在阳极上产生元素碘，随后又在阴极上被还原，因此建立了元素碘的平衡浓度，参比电极没有电流产生，当空气试样中含有二氧化硫时，二氧化硫与碘发生反应，使碘的含量减少，这样用来输送恒流源所供电荷的碘量就不够用了，一部分不得不通过参比电极，参比电极的电流强度正比于空气试样中的二氧化硫含量，测量范围0〜l0ppm，最低为0.01ppm。
这种方法是测量电流的大小，比测量液体试剂的量容易得多。
这种方法选择性和灵敏度会受到其他含硫化合物如硫化氢、硫醇、有机硫化物的影响，可以采用化学填充膜过滤器来分离。
（3）离子色谱法
大气中的二氧化硫在采样吸收瓶中被碳酸钠-碳酸氢钠溶液吸收后，经双氧水氧化转变成硫酸根离子，利用离子交换的原理，可对硫酸根离子进行定量分析。
用电导检测器测量被转变为相应酸型阴离子（即硫酸根离子）的电导值，经与色谱数据工作站联机检测电导信号并进行数据处理，根据峰面积定量，从而可计算硫酸根离子的含量。
通过硫酸根离子的含量可算出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，是利用二氧化硫气体分子在传感器的敏感电极上发生电
化学反应，这种反应导致传感器的输出电信号发生改变。
通过测量这种改变值的大小来反映二氧化硫气体浓度的变化，以此来检测二氧化硫浓度。
电化学传感器以其结构简单、性能稳定、灵敏度较高、检测范围宽、价格低廉以及可实时连续测定等优势一直引人瞩目。
综上所述，以SO2为检测目标的分析方法较多，然而适用于燃料燃烧或工艺尾气中高浓度SO2的分析方法却十分有限。
目前在线监测装置的测量方法中比较普遍的有紫外吸收法和非分散红外法，这些方法分析灵敏度较高，而且就这些方法的分析仪器本身来讲，稳定性好，抗干扰性强，但是仪器结构复杂，维护使用要求高，价格昂贵，而且主要以国外产品为主，同时检测范围一般不宽，对高浓度SO2测定受到限制。
电化学传感器法具有低价位、高实用性的特点，有较高的性价比，不仅可用于拥有大型锅炉的企业，而且也适用于中小型污染源排放企业，易于推广普及。
2二氧化硫浓度检测的原理
本仪器检测的SO2分为两部分，一部分是冷却后通过管道到达3SFCiTiceL传感器的测得SO2气体，这部分气体可由3SFCiTiceL传感器直接测得；
另一部分是冷却除水时，溶在水中的一部分SO2气体，该部分气体要用间接的方法测得，即先测冷却后凝结水的量，然后根据SO2在当前温度下的溶解度，算出溶在水中的SO2气体的量.主要部分还是3SFCiTiceL传感器测出的SO2气体，而溶在水中的部分相对要少得多，在应用中甚至可以忽略不计，所以本文主要介绍如何利用3SFCiTiceL传感器检测溉气体含量。
2.1电化学气体传感器检测原理
电化学气体传感器是利用电解池原理，将空气中某种化学气体通过氧化或还原反应将浓度转化为电信号，通过检测电信号的大小得到相应气体的浓度，常用于测量二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等气体浓度。
电化学式气体传感器是一种化学传感器，按照工作原理，一般分为下面几种类型：
（1）在保持电极和电解质溶液的界面为某个恒电位时，将气体直接氧化或还原，并将流过外电路的电流作为传感器的输出。
（2）将溶解于电解质溶液并离子化的气态物质的离子作用于离子电极，把由此产生
的电动势作为传感器输出。
（3）将气体与电解质溶液反应而产生的电解电流作为传感器输出。
（4）不用电解质溶液，而用有机电解质、有机凝胶电解质、固体电解质、固体聚合物电解质等材料制作传感器。
定电位电解气体传感器的原理：
使电极与电解质溶液的界面保持一定电位进行电解，通过改变其设定电位，有选择的使气体进行氧化或还原，从而能定量检测各种气
体。
对特定气体来说，设定电位由其固有的氧化还原电位决定，但又随着电解时作用
于电极的材质、电解质的种类不同而变化。
通过改变气体电极、电解质水溶液、电极
电位等，可选择被测气体种类。
电解电流和气体浓度之间的关系如下式表示：
iL=[（ZFSD）/S]C
（2-1）
其中：
iL：
极限扩散电流；
Z:
电子转移数；
F:
法拉第常数；
S:
气体扩散面积；
D：
气体扩散系数；
S：
气体扩散层厚度;
C:
被测气体浓度；
在同一传感器中，Z、F、S、D及S是一定的，则可令
于是有iL=KC
K=（ZFSD）/S
（2-2）
（2-3）
即电解电流与被测气体浓度之间成正比。
因此，通过被测气体电解时所产生的电
流可推知被测气体的体积分数和质量浓度。
三电极传感器用的是无偏操作的外接电路，气体SO2在工作电极发生氧化反应的,该电路输出为正。
对于在工作电极发生还原反应的气体输出为负。
三电极设计的最大优点在于催化了电化学反应较弱气体的氧化还原反应。
2.23SFCiTiceL传感器
在本课题中，我们选用英国CityTechnology公司生产的3SFCiTiceL电化学传感器来检测SO2的浓度，该传感器是三电极的电化学传感器。
2.2.13SFCiTiceL传感器优点
按最简单的形式，一个按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，这两个电极通过一层稀薄的电解液隔开。
扩散到工作电极的气体在电极表面发生氧化或还原反应。
这个反应会导致该电极和对电极间的电压差升高或降低。
在电极上连接一个阻抗可以产生电流，通过检测电流的大小来确定目前气体的浓度。
为了让上述传感器能精确工作，其中一个条件就是对电极的电压应该保持恒量。
然而实际上每个电极的表面反应都会导致电势的偏差。
这种影响可能一开始比较小，但是会随着反应气体的增多而增大，并且严重地限制了传感器能够检测的浓度范围。
这种影响可以通过引入带有恒定电压的参比电极来消除。
传感器里工作电极与一个固定的潜在参比电极连接（不产生电流），这样两个电极都能保持稳定。
对电极仍会极化，但不对工作电极产生任何作用，也不会影响传感器工作。
参比电极不会发生任何反应，因此能够保持恒定的电压。
这种信号能通过对正负极进行测量得到，还能通过对参比电极和工作电极间进行更精确的测量得到。
按照这种安排，工作电极的电势变化与反应气体在电极上产生的电流之间是独立的。
为了实现正确的操作，参比电极必须保持一个恒定的电势，所以确保没有电流流过该电极是很重要的。
为了测量到工作电极和参比电极之间的电势差，仅仅在它们之
间加一个过载阻抗是不可取的，因为这样做会在参比电极上产生电流，所以需要使用一个定电位反馈控制电路（即恒电位仪）。
这将在后面一部分得到解决。
2.2.23SFCiTiceL传感器的检测原理
3SFCiTiceL传感器是一种新型的定电位电解化学气体传感器，它基于伽伐尼电池基本原理，具有体积较小、重量轻、线性度好、性能稳定等特点。
它由浸没在液体电解液中的三个电极构成，三个电极分别为：
工作电极（SensingElectrode）、参比电极（ReferenceElectrode）、对电极（CounterElectrode）。
CityTechnology公司的电化学毒气传感器是微燃料元件，不必保养而可以保持长期的稳定性。
传感器设计的重点是气体扩散通过障碍（CapillaryDiffusionBarrier），它限制了气体进入工作电极。
电极能对到达它表面的所有目标气体进行反应，并且仍然有储备的电化学活动。
这种高活动储备保证CiTiceL产品的长使用寿命和温度稳定性。
在设计任何电化学气体传感器时，很重要的一点是，通过气体扩散通过障碍限制速率，而其它各阶段速率应该有显著的增加。
所以，为保证传感器电化学反应的速度，必须使用具有高催化作用的电极材料。
所有CiTiceLs产品具有高度活跃电极，并且给传感器非常高的能量储备，这就保证了传感器的长期稳定性。
发生在二氧化硫传感器（3SFCiTiceL传感器）的电极反应：
在工作电极上发生如下氧化反应：
SO2+2H2O=SO42-+4H++2e2-
对电极上O2发生如下还原反应
O2+4H++4e-=2H2O
所以，其总反应为：
2SO2+O2+2H2O=2H2SO4
（2-4）
从对电极发生的反应来看，氧气显然是当前反应发生的必需气体，通常通过传感器的前部，或通过传感器的两边扩散。
传感器持续暴露在绝氧样品气体中可能导致信号不稳定，不管氧气进入的途径怎样，不要将3SFCiTiceL传感器与树脂一起放置或完全地浸没在绝氧气体中。
在特定情况下，如果传感器必须经常地暴露于高浓度电解质中，例如废气分析，应当保证氧气从另外的通道进入对电极。
电化学毒气传感器在工作电极和对电极上分别发生氧化与还原反应。
相应气体进入传感器后被氧化或者被还原，在另一电极发生与之对应的逆反应，这样在外部电路上就会形成电流。
由于气体进入传感器的速度由气体扩散通过障碍控制，所以产生的电流与传感器外的当前气体浓度成比例，并能直接测量当前毒气含量。
通过被测气体氧化还原反应时所产生的电流可推知被测气体的体积分数和质量浓度。
2.2.33SFCiTiceL传感器的技术说明
3SFCiTiceL传感器是专门的烟道SO2气体监测用的传感器，它的相关技术参数如下：
正常监测范围：
0~2000ppm
最大过载浓度：
5000ppm
使用寿命：
空气中2年
输出信号：
0.10±
0.02卩A/ppm
精度：
1ppm
温度范围：
-20°
C~+50°
C
响应时间（t90）：
＜30秒
相对湿度范围：
15%~90%非结露
标准基线范围（纯空气中）：
相当于0±
2ppm
最大的零点移动（+2~+°
CCC）:
相当于ppm
长时间的输出漂移：
2%信号失真/月
建议的负载电阻:
10欧姆
偏置电压:
不需要
可重复性:
信号的1%
输出线性度:
线性
为了使传感器处于“准备工作”的状态，3SFCiTiceL传感器供货时，在工作电极与参比电极之间有一短连接（用一导线直接连接起来）。
传感器在储藏过程中必须保留此短连接，而且只有当准备使用传感器的时候，才能去掉这个短连接。
在仪器不供电时，如果工作电极和参比电极不再短连接，一旦再次使用，传感器就需要很长的一段“启动时间”。
在传感器电路设计中，可以通过一个结型场效应管来实现短连接和断开的功能，当电路不供电时，这个结型场效应管可以保持工作电极和参比电极短路。
为使传感器正确的工作，3SFCiTiceL传感器的对电极和参比电极需要很少量的氧气供应。
这些氧气经常是由采样来的气流供应的，通过空气扩散到传感器的前端，或者通过传感器的周围和后端扩散到传感器的前端。
如果传感器没有后端氧气供应通路，持续暴露在厌氧性的采样气体中，则传感器就会失灵。
3SFCiTiceL传感器一定不能被完全地放入到树脂中或整个地浸入到厌氧性的气体混合物中。
最初校准和再校准的时间间隔长短取决于许多因素，通常包括传感器的使用温度、湿度、压力，被暴露于何种气体，及被暴露于气体的时间长短。
但3SFCiTiceL传感器能在较长时间内提供非常稳定的信号，使用3SFCiTiceL传感器只需要定期校准，如每年一次。
如对传感器使用要求极高或用于安全应用，则校准工作可能相对频繁些。
3SFCiTiceL传感器只能断续监测目标气体，一般不适合连续监测用，特别是涉及到高气体浓度、高湿度或高温度时。
为达到连续监测的目的，可以用两个传感器循环使用的方法，使得各个传感器最多只在半数时间内暴露于气体中，另一半时间则可在新鲜空气里得到恢复，当然也可以通过其它方法解决。
3SFCiTiceL传感器必须通过恒电位电路控制，因而要求电源供应。
事实上传感器仍不需要电源供应，因为它能通过氧化作用或减少目标气体直接产生输出电流，但电路放大器需要消耗部分电流。
不过这部分电流可以在必要的情况下被减少到非常低的水平。
3检测仪硬件部分的设计与实现
本仪器硬件由检测、控制、通讯等部分组成。
检测部分包括SG传感器、温度传感器、湿度传感器及放大电路。
控制部分核心是AT89C51单片机。
本SO2检测仪提供了两种接口：
一个是数字接口RS485接口，用来与上位机通信，传输相应的SQ含量等数据；
另一个是4.20mA的电流输出，对应于检测到的SO2含量，此信号是由WI转换芯片AD694从放大器输出的电压信号转换而来。
3.1烟气检测系统的工作原理
该仪器总的系统结构如图3-1所示，当需要检测烟气时，上位机发出检测SO2气体浓度命令，检测仪CPU收到命令后，发出指令打开从采样枪到分析仪储气室的电磁阀，启动采样泵，让烟气从采样枪经烟尘过滤器过滤以后进入气水分离器，经气水分离后进入储气室。
如果此时烟气温度过高则在此降温，通过自然降温的方法，启动风扇加快空气流动降温，降温后的烟气可能会冷凝一部分水，接着烟气进入到分析仪（SO2）的传感
器室，在此测量相对湿度，如相对湿度过高，则在此升高温度，直到相对湿度达到要求，经过大约半分钟的稳定后，放大器输出的信号作为有效信号，经A/D转换将数据采集到单片机，单片机通过对数据进行处理得到烟气中SO2的浓度。
然后，通过串行接口，把数据传输给上位机。
由上位机显示、处理数据，并保存处理结果。
同时放大器输出有效信号可以通过电压电流转换，转换成标准的4mA〜20mA的电流输出信号。
图3-1系统结构图
3.2冷凝水对浓度测量的影响
煤和石油燃烧后产生的含有SO2的烟气都含有10%〜15%的水蒸汽，采用喷水增湿活化措施的脱硫技术，或采用半干法和湿法脱硫技术，都会增加烟气中的水蒸汽含量。
由于SO2易溶于水，如果在烟气的采样点和烟气进入终端分析仪器前出现了水蒸汽凝结，将部分地吸收样气中的SO2，从而大大影响测量的精度。
人们通常采用采样管线伴热的方法防止水蒸汽凝结，或用渗透反冲技术的脱水型采样装置，或用高倍稀释法来减小烟气中水蒸汽的影响。
3.3气路系统设计
检测仪的气路系统由烟尘过滤器、采样枪、气水分离器组成。
仪器内部由抽气泵、储气室、传感器气室等组成。
两部分共同构成仪器的气路系统。
必需保证最低的流速以确保校准正确，这也意味着3SFCiTiceL传感器的反应速
度与气体漫过传感器结构的速度相当，并且和样本气体扩散入传感器的速度相当。
最低流速的要求取决于不同CiTiceL类型，3SFCiTiceL传感器需要的最低流速是400毫
升/分钟。
因为3SFCiTiceL传感器的反应机制消耗目标气体，这意味集中的目标气体在传感器周围会被立刻耗尽。
设定最低流速，这样即使把传感器暴露于稳定的目标气体中，也有足够的流速保证被消耗的气体能被立即补充。
这就模拟了样本扩散入传感器的情形，即有大量的目标气体通过扩散来立即补充消耗掉的气体。
所以在测量过程中，使用泵要满足400毫升/分钟的最低流速要求。
烟尘过滤器置于采样枪的头部，国外产品多采用不锈钢金属烧结头，国内产品多
采用微孔不锈钢网，其功能是滤除采样气体中的烟尘。
采样枪均使用直径为6〜8毫
米的不锈钢管。
气从传送管道到达气水分离器，由于空间的变化，烟气产生散射，另外由于质量、温度等原因，使烟气中大部分水份存留下来，烟气被继续抽走，在经疏水膜分离后，被送到储气室。
储气室中有温度测量，根据此处的温度决定是否需要降温。
在经降温后，可能会有水析出，在此的电磁阀3是设计用来放掉析出的水的。
3SFCiTiceL传感器能断续监测目标气体，一般不适合连续监测用，特别是涉及到高气体浓度、高湿度或高温度时，而且在允许使用的时间内，传感器的灵敏度也有一个最佳范围，所以间歇的使用传感器，可以保持传感器的精度和提高使用寿命。
为达到连续监测的目的，设计用两个传感器循环使用的方法，使得每个传感器在半数时间内暴露于气体中，另一半时间则可在新鲜空气里得到恢复。
3.4检测电路设计
3.4.13SFCiTiceL传感器的工作电路
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