RBT-6000-ZLG/B二氧化硫气体探测器工作原理

在实践中对有害气体检测的方法比较多 ,气体的性质、种类、浓度、检测的目的不同 ,所选用的检测方法、分析方法也不同 ,我们所检测的有害气体 ,是工业生产中燃料燃烧过程排放的废气中所含的ＳＯ2体积浓度和质量浓度 ,我们选用的是电解法检测有害气体 ,传感器选用的是电化学传感器。

一、检测原理及存在问题电化学传感器结构,该传感器工作原理是在电解液中放置两个电极 (工作电极ＷＥ和对应电极ＣＥ) ,在两个电极之间加上足够的电压 ,使所测气体进行氧化还原反应 ,被测ＳＯ2 气体经过气体透过膜 ,在电解液中溶解 ,在电极间发生下述氧化反应工作电极 :ＳＯ2 + 2Ｈ2 Ｏ→Ｈ2 ＳＯ4 + 2Ｈ++ 2ｅ-对应电极 :12 Ｏ2 + 2Ｈ++ 2ｅ- →Ｈ2 Ｏ反应中有电流流动 ,通过测量气体电解时所产生的电流 ,以推知气体含ＳＯ2 的浓度。在检测中存在以下几个问题。

(1)由于电流流动 ,使ＷＥ电极电位发生了变化 ,导致传感器输出信号不稳定 ;

(2 )恒电位仪负载特性不好 ,将导致电位不能准确控制 ;

(3)传感器内部可等效为由若干个电容、电阻构成 ,这些等效的电容、电阻是随机变化的 ;

(4)传感器输出的信号是 μＡ级微弱的电流信号 ,若处理不好 ,干扰信号极易潜入 ,也将影响系统的稳定性能及精度。以上原因必将影响控制系统的正常工作。

二、解决方法及实践为了解决信号稳定问题 ,在传感器上设置一个没有电流的第三电极即参考电极ＲＥ ,ＲＥ电极的主要作用是控制ＷＥ电极的电位 ,使ＷＥ电极的电位处于某一选定值 ,通过外部电路的作用 ,使ＷＥ电极和ＲＥ电极间保持一个恒电位。即所谓的“恒电位仪电路”。最佳的负载特性可以通过实验来确定 ,通过调节等效反应电阻和溶液电阻 ,可调节通过ＷＥ电极的电流 ,确定最大电流 ,得到最佳的负载特性。

为了解决ＳＯ2 反应时电极间的等效电阻、电容变化 ,可在Ｉ/Ｖ转换器中加入 0 3μＦ电容 ,输入端加入 10 0Ω电阻。为了防止在弱信号传输过程中 ,受外界干扰信号的扰动 ,需将这一部分电路与传感器组成一体 ,即所谓的“变送器”。　　ＳＯ2 在线检测前置电路。ＲＥ是传感器参考极 ,ＣＥ为对应极 ,ＷＥ为工作极 ,Ｒ2 、Ｒ1、Ｃ1、ＩＣ1、Ｒ3、Ｒ4 、Ｗ2 、ＬＭ 336构成恒电位仪电路 ,其中Ｒ1、Ｒ2 、Ｃ1为低通滤波 ,其参数由截止频率ω0 决定 ,基准电压为 5 0ｍＶ ,当反应过程中Ｗ、Ｃ两极间电压发生变化 ,该电路起到自动调节作用 ,ＩＣ2 主要起到Ｉ/Ｖ转换作用 ,ＩＣ3起放大作用 ,放大倍数≤ 10倍 ,从传感器输出的电流信号设计为 0～ 5 0 0 μＡ电流 ,经过前置放大后得到 4 0 96ｍＶ电压送入Ａ/Ｄ转换器中。若不考虑传感器内部等效电阻、电容 ,令ＷＥ端输出电流为ｉｉ,ＩＣ3输出电压为Ｕ0 基准电压为ＵＰ,传递函为Ｕ0 (Ｓ ) =Ｒ8+Ｗ3Ｒ7ＵＢ -Ｒ11(Ｒ8+Ｗ3) +Ｒ7(Ｒ8+Ｗ3) -Ｒ7Ｒ55Ｒ7Ｒ11· Ｒ101+ＳＣＲ10ｉ (ｓ ) ,若基准电压为零则Ｗ (Ｓ ) =Ｒ10 [(Ｒ11+Ｒ7) (Ｒ8+Ｗ3) -Ｒ7Ｒ11]Ｒ7Ｒ11(1+ＳＣＲ10 ) 。输入信号为一阶阶跃响应信号ｉ =ｉ0 (1-ｅ-ｋｔ) ,当干气ＳＯ2 浓度发生变化时 ,传感器输出信号ｉ(ｓ)随之变化 ,ｉ0为稳定时的值 ,此值在 0～ 5 0 0 μＡ间变化。Ｕ0 与输入气体浓度的关系式为Ｕ0 =(输入气体浓度 / 5 0 0 0× 10 - 6 )× 4 0 96ｍＶ。 5 0 0 0× 10 - 6 为气体传感器所能测到的假定满量程的浓度 ,4 0 96ｍＶ为运放的满量程输出。实测数据如表 1:表 1输入标气的浓度Ｖ显示10 0 0× 10 -60 81910 0 52 0 0 0× 10 -61 6 382 0 0 430 0 0× 10 -62 4 5 930 0 94 0 0 0× 10 -63 2 794 0 125 0 0 0× 10 -64 10 0 5 0 2 0　　相对误差 :ｒＡ1=ΔＸ1Ａ1× 10 0 % =0 5 %ｒＡ2 =ΔＸ2Ａ2× 10 0 % =0 2 %ｒＡ3=ΔＸ3Ａ3× 10 0 % =0 3%ｒＡ4 =ΔＸ4 Ａ4× 10 0 % =0 3%ｒＡ5=ΔＸ5Ａ5× 10 0 % =0 4 5 %　　式中Δｘ为实际显示值和输入标气浓度值之差 ;Ａ为输入标气浓度值 ,平均相对误差为 0 34%。误差在允许范围内。仿真实验如下 :从图 3中可见 ,此系统是稳定的。

三、系统设计及软件实现我们所设计的系统为“电解法烟道气二氧化硫在线检测系统” ,该检测系统由如下几个方面构成。首先在烟道中抽出湿烟气 ,经除尘、除水后 ,调到一定流量进入传感器中 ,由ＯＰ— 0 7运放构成的Ｉ/Ｖ转换器和前置放大器将电化学传感器输出的微弱信号放大并送入转换精度较高的ＭＡＸ186 12位Ａ/Ｄ转换器中 ,89Ｃ5 4单片机起主控制作用和对传感器进行标定作用 ,控制实现向外层计算机输送数据、显示、光电隔离后控制电磁阀等功能 ,外层计算机记录、保存和换算检测数椐 ,并将检测到的数据打印 ,通过网络传输到环保有关部门。部分软件流程图见图 4。四、结束语以上是我们对利用电解法检测二氧化硫有害气体的分析及实践 ,实践证明此设计是可行的利用电解法检测二氧化硫有害气体

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