化工工程師快速發(fā)論文期刊推薦《科學(xué)世界》是由中國(guó)科學(xué)院主管、科學(xué)出版社主辦的一本綜合性科普月刊，旨在向廣大公眾傳播科學(xué)技術(shù)知識(shí)，倡導(dǎo)科學(xué)方法，激勵(lì)科學(xué)思維，促進(jìn)科學(xué)生活，竭力提高我國(guó)國(guó)民的科學(xué)素養(yǎng)。
　　摘要：本文從應(yīng)用出發(fā)，提出一種采用紅外甲烷測(cè)量與電極PH測(cè)量結(jié)合的一體化測(cè)定儀方案，討論并設(shè)計(jì)出一體化測(cè)定儀的總體結(jié)構(gòu)，研究了紅外甲烷測(cè)量濃度測(cè)量原理及采用相關(guān)傳感器的性能。重點(diǎn)研究pH值測(cè)量原理，設(shè)計(jì)出pH值傳感器測(cè)量電路，提出一種單電源偏置放大測(cè)量pH的方法，采用帶有AD轉(zhuǎn)換功能的單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，給出主程序原理框圖。

　　關(guān)鍵詞：甲烷濃度,pH值,沼氣制取

　　0 引言

　　利用秸稈制取沼氣，其附產(chǎn)物還可作為有機(jī)肥料，因此，這是一個(gè)解決秸稈焚燒，提高綜合應(yīng)用的有效方案之一，而在沼氣生產(chǎn)中甲烷濃度和池液的pH值是最重要的參數(shù)，通過(guò)對(duì)這些參數(shù)的檢測(cè)，可確定更換生產(chǎn)原料、調(diào)整池液的pH值的時(shí)間，從而達(dá)到最大產(chǎn)能。目前甲烷檢測(cè)方法主要有熱催化法、熱導(dǎo)檢測(cè)法、光學(xué)甲烷檢測(cè)法、氣敏半導(dǎo)體檢測(cè)法、基于相干光干涉法、光聲氣體檢測(cè)法和基于紅外吸收的甲烷氣體檢測(cè)法等。其中，熱催化法、熱導(dǎo)檢測(cè)法分別在低濃度和中高濃度的區(qū)階有較高的靈敏度，全量程甲烷濃度測(cè)量時(shí)，可以將熱傳導(dǎo)式甲烷傳感器與催化燃燒式傳感器配合使用以提高測(cè)量精度，盡管這樣，其測(cè)量精度也不高，性能穩(wěn)定性也差，而且使用前需要標(biāo)定，且易產(chǎn)生漂移。基于紅外吸收的甲烷氣體檢測(cè)方案，可得到較高的測(cè)量精度;pH值的測(cè)量一般采用pH電極作為測(cè)量傳感器，由于電極產(chǎn)生的電荷量較小，引起的電位差也較小，因此，設(shè)計(jì)的測(cè)量電路的不同，其測(cè)量精度也不同。本文研究一種采用紅外甲烷測(cè)量與電極pH測(cè)量結(jié)合的一體化測(cè)定儀。

　　1 一體化測(cè)量?jī)x的總體方案

　　本方案將甲烷濃度檢測(cè)與報(bào)警、pH值測(cè)量三種功能集成于一體，形成沼氣組合測(cè)試儀�？傮w方案如框圖1所示。該測(cè)定儀由顯示器、鍵盤、通信接口、CPU、電源、甲烷濃度測(cè)量模塊和池液pH值傳感測(cè)量模塊等組成。其中，甲烷濃度檢測(cè)與報(bào)警測(cè)量模塊采用鄭州煒盛MH-741A傳感器完成，由基于紅外吸收的甲烷氣體檢測(cè)傳感器、數(shù)據(jù)調(diào)理與轉(zhuǎn)換、通信等部分組成。傳感器采集甲烷濃度數(shù)據(jù)后，將其轉(zhuǎn)換成數(shù)字量或模擬量，通過(guò)接口傳送給主控CPU。由主控CPU設(shè)置其作為濃度檢測(cè)或檢漏報(bào)警測(cè)量傳感器，進(jìn)行濃度檢測(cè)時(shí)，以百分含量形式顯示出來(lái);報(bào)警測(cè)量時(shí)，以%LEL濃度顯示，當(dāng)濃度達(dá)到設(shè)定值時(shí)，發(fā)出聲光報(bào)警;池液pH值測(cè)量模塊由池液pH值測(cè)量電路和pH值測(cè)量電極組成。pH值測(cè)量電極采集pH值信號(hào)經(jīng)偏置放大轉(zhuǎn)換后送中央處理器進(jìn)行處理、存儲(chǔ)與顯示。測(cè)量過(guò)程中，同時(shí)采集測(cè)量環(huán)境下的溫度信號(hào)，用以對(duì)所測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。pH值測(cè)量前，需使用標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行標(biāo)定，本設(shè)計(jì)中采用1點(diǎn)校正的方式編程。

　　2 甲烷濃度檢測(cè)儀原理分析

　　甲烷濃度檢測(cè)儀器按其工作原理不同，有下列幾種：

　　2.1 光干涉式

　　光干涉式是利用光波對(duì)空氣和甲烷折射率不同所產(chǎn)生的光程差，引起干涉條紋移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)不同甲烷濃度的測(cè)定。

　　2.2 熱催化式

　　熱催化式是利用甲烷在催化元件上的氧化生熱引起其電阻的變化來(lái)測(cè)定甲烷濃度。

　　2.3 熱導(dǎo)式

　　熱導(dǎo)式是利用甲烷與空氣熱導(dǎo)率之差來(lái)實(shí)現(xiàn)甲烷濃度的測(cè)定。

　　2.4 紅外線式

　　紅外線式是利用甲烷分子能吸收特定波長(zhǎng)的紅外線來(lái)測(cè)定甲烷濃度。

　　2.5 氣敏半導(dǎo)體式

　　氣敏半導(dǎo)體的種類較多，如氧化錫、氧化鋅等燒結(jié)型金屬氧化物。這一原理是利用氣敏半導(dǎo)體被加熱到200℃時(shí)，其表面能夠吸附甲烷而改變其電阻值來(lái)檢測(cè)甲烷濃度。

　　2.6 聲速差式

　　在溫度為220℃、氣壓為101325Pa條件下，聲波在甲烷中的傳播速度為432m/s，而在清潔空氣中為332m/s。比較這兩種速度就可測(cè)定高濃度甲烷。

　　2.7 離子化式

　　氣體在放射性元素的輻射作用下發(fā)生電離，在氣體介質(zhì)中的兩個(gè)電極之間便有電流產(chǎn)生。測(cè)量空氣介質(zhì)和被測(cè)甲烷中的電流大小，便可測(cè)出甲烷濃度。

　　3 甲烷紅外測(cè)量原理與傳感器設(shè)計(jì)

　　每種氣體分子都有自己的吸收(或輻射)譜特征，即當(dāng)光源的發(fā)射譜與氣體吸收譜重疊時(shí)，氣體分子或原子便吸收光能量，供其在能級(jí)之間的躍遷，進(jìn)而使吸收后的光強(qiáng)發(fā)生變化，因此，建立光強(qiáng)與對(duì)應(yīng)氣體濃度關(guān)系數(shù)學(xué)模型后，通過(guò)檢測(cè)氣體透射光強(qiáng)或反射光強(qiáng)的變化便可計(jì)算出該種氣體的濃度。如甲烷氣體在光譜中的吸收峰波長(zhǎng)約為1.66um，當(dāng)其受到紅外光束照射時(shí)，甲烷氣體分子吸收一部分光能量并將其轉(zhuǎn)換為分子的振動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)能量，使分子振動(dòng)能級(jí)和轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)從基態(tài)到激發(fā)態(tài)的躍遷，且吸收的強(qiáng)弱與甲烷氣體濃度正相關(guān)，可建立測(cè)量的數(shù)學(xué)模型，通過(guò)測(cè)量甲烷氣體的紅外光信號(hào)衰減程度，求得甲烷氣體的濃度。

　　本文采用MH-741A傳感器進(jìn)行甲烷氣體濃度的測(cè)量，它是一種應(yīng)用上述原理，將紅外吸收氣體檢測(cè)技術(shù)與微型機(jī)械加工、精良電路設(shè)計(jì)緊密結(jié)合，制作出的小巧、性能卓越的紅外氣體傳感器，可廣泛應(yīng)用于火災(zāi)探測(cè)，爆炸性氣體檢測(cè)等。其工作電壓為4.5V～5.5V DC，環(huán)境壓力為86kPa～106 kPa，測(cè)量后的濃度信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)或模擬信號(hào)共用戶使用。

　　4 pH值的測(cè)量原理與電路分析

　　4.1 pH值的測(cè)量原理

　　pH值是用來(lái)表征溶液酸堿度的度量單位，當(dāng)溶液中化合物發(fā)生離解時(shí)，可分解成兩種或更多的帶電粒子(離子)，即當(dāng)分子獲得電子時(shí)帶負(fù)電荷，亦稱負(fù)離子，失去電子時(shí)帶正電荷，亦稱正離子。溶液中的正、負(fù)離子相對(duì)數(shù)目決定了溶液的酸堿性。如果正離子多于負(fù)離子，溶液就是酸性溶液。反之，如果負(fù)離子多于正離子，溶液就為堿性溶液。一般情況下，如純水等穩(wěn)定的化合物中正、負(fù)離子數(shù)目相等，即電中性。

　　pH值可通過(guò)測(cè)量被測(cè)溶液中的氫離子濃度來(lái)表征。早期多通過(guò)pH試紙進(jìn)行檢測(cè)，將試紙浸入待測(cè)溶液樣本，試紙的顏色隨pH值不同而發(fā)生變化。將其與標(biāo)準(zhǔn)顏色進(jìn)行比較即可測(cè)出被測(cè)溶液的pH值。該方法不能測(cè)量有色溶液，也無(wú)法進(jìn)行自動(dòng)測(cè)量。 　　使用pH電極作為傳感器可以對(duì)pH值進(jìn)行在線連續(xù)自動(dòng)測(cè)量，該傳感器一般有兩個(gè)電極，其中一個(gè)電極為工作極，用來(lái)產(chǎn)生與氫離子濃度成比例的電壓。另一個(gè)電極為參比電極，用來(lái)提供與測(cè)量電極相比較的電勢(shì)。電極封裝在只對(duì)氫離子敏感的特殊玻璃薄壁管內(nèi)。有些pH值電極中集成有電阻型溫度傳感器。用于測(cè)量溶液溫度，以便修正由于溫度變化而引起的pH值的測(cè)量誤差。

　　本設(shè)計(jì)使用E201型pH電極，其中緩沖溶液的濃度穩(wěn)定在pH值為7.0的狀態(tài)，當(dāng)被測(cè)溶液的氫離子濃度與緩沖溶液中的氫離子濃度不同時(shí)，電極的薄玻璃絕緣體兩端就會(huì)產(chǎn)生電勢(shì)差。其大小和被測(cè)溶液的pH值成正比，溶液的pH值每相差一個(gè)單位，就會(huì)產(chǎn)生約59.2mV的電勢(shì)。由上述知pH值為7.0時(shí)的電勢(shì)差為0;當(dāng)pH值大于7.0 時(shí)，電極產(chǎn)生正電壓;當(dāng)溶液的pH值小于7.0時(shí)，電極產(chǎn)生負(fù)電壓。

　　4.2 pH值的測(cè)量電路分析

　　本系統(tǒng)的pH值測(cè)量采用儀表放大器AD8572。采用單電源5V供電，設(shè)計(jì)中，采用1.75V的偏置電壓，進(jìn)行輸入采樣，其pH值測(cè)量電路圖2所示。

　　5 單片機(jī)的選用與AD轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)

　　本設(shè)計(jì)中有兩種信號(hào)需要進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，即pH值與溫度信號(hào)，常規(guī)方案是采用單片機(jī)加AD轉(zhuǎn)換器模式，另一種為選擇帶有AD功能的單片機(jī)實(shí)現(xiàn)，顯然后者有低的成本和高的抗干擾能力。為此，本文選用STC的高性能8位單片機(jī)12C5A60S2，這是宏晶科技新一代高性能8位單片機(jī)，內(nèi)部集成MAX810復(fù)位專用電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉(zhuǎn)換(250K/S)，這樣可保證測(cè)量精度，又可提高設(shè)備的可靠性。設(shè)計(jì)中，將模擬量分兩路直接輸入給STC單片機(jī)的AD端口進(jìn)行轉(zhuǎn)換、處理、存儲(chǔ)與顯示。

　　6 系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)

　　本設(shè)計(jì)中甲烷濃度由傳感器直接測(cè)量，并通過(guò)I2C總線傳給單片機(jī)進(jìn)行存儲(chǔ)與顯示。pH值通過(guò)采集電極信號(hào)和溫度信號(hào)經(jīng)AD轉(zhuǎn)換處理后進(jìn)行處理、存儲(chǔ)與顯示，主程序?yàn)槌跏蓟�、功能設(shè)置、顯示及傳送等，甲烷濃度讀取和pH值測(cè)量等通過(guò)子程序?qū)崿F(xiàn)。主程序流程框圖如圖3所示。

　　7 結(jié)論

　　本文在研究多種傳感器及其信息采集方法的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了池液pH值、甲烷濃度及泄漏報(bào)警等多參數(shù)測(cè)量系統(tǒng)，并采用軟件算法實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器測(cè)量值的非線性修正。設(shè)備具有體積小、重量輕、系統(tǒng)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，可以在甲烷生產(chǎn)與使用設(shè)備的作業(yè)過(guò)程中，進(jìn)行對(duì)甲烷濃度的在線測(cè)量，對(duì)pH值進(jìn)行間歇測(cè)量，也可由通信接口接入控制器局域網(wǎng)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)智能化管理與控制，提高使用方便性。

　　參考文獻(xiàn)：

　　[1]劉星橋，曾毓楠，季峰.基于SOC單片機(jī)的pH值檢測(cè)與控制[J].微計(jì)算機(jī)信息，2008.24：2.

　　[2]張金果，王翠華，寧亞媛，陳巍.WS-2005型pH計(jì)在污水監(jiān)測(cè)中的應(yīng)用[J].微計(jì)算機(jī)信息，2007.23：6-1.

　　[3]FHZDZHS0048 海水 pH值的測(cè)定 pH計(jì)法.

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