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基于单片机的二氧化硫浓度检测.docx
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目 录
1 绪 论 ................................................................1............
2 二氧化硫浓度检测的原理 ................................................6............
2.1 电化学气体传感器检测原理...........................................6............
2.2 3SF CiTiceL传感器 ..................................................8............
2.2.1 3SF CiTiceL传感器优点.........................................8............
2.2.2 3SF CiTiceL传感器的检测原理 ..................................9............
2.2.3 3SF CiTiceL传感器的技术说明 .................................1.0............
3 检测仪硬件部分的设计与实现...........................................1.3............
3.1 烟气检测系统的工作原理 ...........................................1.3............
3.2 冷凝水对浓度测量的影响 ...........................................1.4............
3.3 气路系统设计.....................................................1..4............
3.4 检测电路设计.....................................................1..5............
3.4.1 3SF CiTiceL传感器的工作电路 .................................1.5............
3.4.2 放大器的选择 ................................................1.7............
3.4.3 电路计算 ...................................................1.7............
3.5 单片机系统设计...................................................1..8............
3.5.1 单片机中央处理单元 .........................................1.8............
3.5.2 A/D 转换器 .................................................1.9............
3.5.3 外部驱动电路 ................................................1.9............
4 检测仪软件部分的设计与实现...........................................2.0............
4.1 控制软件设计.....................................................2..0............
4.2 通信应用程序.....................................................2..2............
5 结论 ................................................................2.4............
参考文献 ...............................................................2.6............
致 谢....................................................................2.8............
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1 绪 论
众所周知,我国的能源结构以煤为主, SO 的排放量相当大,约占全世界排放量
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的20%左右。SO 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SO
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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SO 伤的排放浓度和排放总量。SO 检测是控制SO 排放
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的一个重要环节,随着单片机和传感器技术的迅速发展, SO 检测仪也趋于便携、灵
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活。本文就以SO 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
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以检测其他烟气中SO 气体的含量,体现了多功能的特点。
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SO 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
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的主要指标。大气中的 SO 来源十分广泛,概括来说,主要是天然源和人工源。
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SO 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
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些天然源中,有的是释放出大量的 H S,进入空气被氧化成 SO ;有的是微生物作用
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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 SO 。几
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乎所有排放硫化物的天然源,都是间接排放 SO 的天然源。全球 SO 天然源每年排放
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SO 量约为 1.48 亿吨。尽管天然源每年排放的 SO 量十分可观,但是由于它地处旷
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野、浓度低和自然净化作用,所以不会形成大气 SO 污染,不会产生酸雨现象,并且
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人工难以控制。
SO 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 SO 的
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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 SO 、NO 及烟尘等;在各种人工排放 SO 的污染源中,大部
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分是由煤炭燃烧排放的。排放 SO 的工业生产过程,主要有热电厂、有色冶金工业、
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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 SO 污染,是产生酸雨的基本原因,但是人工可
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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 SO 等污染物大量排放到环境中。我国的 SO 排放量与煤炭消耗量有
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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 SO 也不断增长,1995 年我国 SO 排放达到 2370 万吨,已超过欧洲和美国,
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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 SO 造成的。SO 排放造成了严重的酸雨
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污染和生态损害,因而 SO 的环境影响受到了极大的关注。
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SO 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 SO 浓度达
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到 4ppm 时,就会被闻到;浓度在 8~12ppm 时会引发咳嗽;SO 达到 20ppm 后,
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眼睛就流眼泪。由于 SO 等的严重污染,在我们社会中引发许多健康问题。SO 还会
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对植物带来严重的危害,当环境的 SO 浓度大于 150ppb 的临界浓度时,就会对高等
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植物产生伤害。
减少 SO 的排放量,防治大气 SO 污染,已成为我国当今乃至未来相当长时期内
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的主要社会问题之一,因此寻找合适的烟气 SO 浓度检测方法,研制烟气 SO 浓度检
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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
SO ,造成大气环境污染,随着装机容量的递增,SO 的排放量也在不断增加,所以
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必须加大热电厂 SO 的排放控制力度。控制 SO 排放量方法很多,主要途径有 3 个:
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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 SO 的浓度。目前烟气 SO 在线监测装置以国外产品为主,且价位较高,
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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 SO 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
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国国情,决定研制电化学传感器法烟气 SO 浓度检测仪,使其不仅适合中小型锅炉,
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同样适用于大型锅炉的烟气检测。研制烟气 SO 浓度检测仪,对我国控制环境污染,
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保护空气环境质量有重要的意义。
大气中 SO 的浓度经常以每立方米空气中的 SO 含量来表示,可以用质量体积比
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(mg/m )或者气态时的体积比(1 ppm=1/10 ;l ppb=l/10 )来表示。
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为了测量 SO 的浓度,目前已经提出了许多定性定量的分析方法:
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(1)电导法
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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 H S,NH ,HCI,CO 等的影响。
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(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
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