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二氧化碳气体检测方法

日期:2020-04-03 00:03
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摘要: 摘要 二氧化碳气体检测方法 二氧化碳气体检测方法 二氧化碳气体检测方法 二氧化碳气体检测方法是: 二氧化碳气体检测方法选用红外吸取型 CO2 气体传感器(二氧化碳传感器)(设计了一种 CO2 气体检测方法, 详细阐述了其结构和工作原理。试验表明: 利用本方法检测 CO2 的分辨力为 0. 001% , 与气相色谱仪测量值的差值在 3% 以内。具有测量范围宽、灵敏度高、响应时间快、选择性好、抗干扰能力强等优点, 且简单易用、快速直读、价格低廉, 具有较好的应用前景。 随着人类社会的进步和科学技术的发展, 人们的生...

摘要  二氧化碳气体检测方法  二氧化碳气体检测方法  二氧化碳气体检测方法

二氧化碳气体检测方法是:

二氧化碳气体检测方法选用红外吸取型 CO2 气体传感器(二氧化碳传感器)(设计了一种 CO2 气体检测方法, 详细阐述了其结构和工作原理。试验表明: 利用本方法检测 CO2 的分辨力为 0. 001% , 与气相色谱仪测量值的差值在 3% 以内。具有测量范围宽、灵敏度高、响应时间快、选择性好、抗干扰能力强等优点, 且简单易用、快速直读、价格低廉, 具有较好的应用前景。

随着人类社会的进步和科学技术的发展, 人们的生活水平得到了迅速提高, 工业生产规模也迅速扩大, 但同时导致了 CO2 的排放成倍增长, 如, 温室效应, 土地荒漠化程度加速等, 严重影响并破坏着人类的生存环境。另外, CO2 是作物光合作用的主要原料, 其含量合适与否直接影响作物的生长。近年来, 随着人们环保意识的增强, 科学技术的进步, 如何快速检测 CO2 的含量, 削减 CO2 的排放, 已成为各级政府和广大有识之士特别关注的问题, 因此, 研究并设计CO2 检测电路具有十分重要的意义。

目前, 检测 CO 2 的方法主要有化学法、电化学法、气相色谱法、容量滴定法等, 这些方法普遍存在着价格贵、普适性差等问题, 且测量精度还较低。而传感器法具有安全可靠、快速直读、可连续监测等优点。目前, 各种检测用的CO2 传感器主要有固体电解质式、钛酸钡复合氧化物电容式、电导变化型厚膜式等, 这些传感器存在对气体的选择性差、易出现误报、需要频繁校准、使用寿命较短等不足。而红外吸取型 CO2 传感器具有测量范围宽、灵敏度高、响应时间快、选择性好、抗干扰能力强等特点。为此, 此设计采用红外吸取型 CO 2 传感器, 整个电路设计力求简单易用、快速直读、价格低廉。 
1  检测电路的工作原理 
a、红外吸取型 CO2 气体传感器的工作原理〔1〕
红外吸取型 CO2 气体传感器是基于气体的吸取光谱随物质的不同而存在差异的原理制成的。不同气体分子化学结构不同, 对不同波长的红外辐射的吸取程度就不同, 因此, 不同波长的红外辐射依次照射到样品物质时, 某些波长的辐射能被样品物质选择吸取而变弱, 产生红外吸取光谱,故当知道某种物质的红外吸取光谱时, 便能从中获得该物质在红外区的吸取峰。同一种物质不同体积分数时, 在同一吸取峰位置有不同的吸取强度, 吸取强度与体积分数成指数关系。因此, 通过检测气体对光的波长和强度的影响,便可以确定气体的体积分数。 
根据比尔朗伯定律, 输出光强度 I、输入光强度 I0 和气体体积分数 C 之间的关系为 
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式中 am  为摩尔分子吸取系数; C 为待测气体体积分数; L为光和气体的作用长度 ( 传感长度 )。对上式进行变换得

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通过检测相关数据就可以得知气体的体积分数 C。红外 CO2 传感器探头结构如图 1 所示。是由红外光源、测量气室、可调干涉滤光镜、光探测器、光调制电路、放大系统等组成。红外光源采用镍铬丝, 其通电加热后可发出 3~ 10 m 的红外线, 其中, 包含了 4. 26  m 处 CO 2的强吸取峰。在气室中, CO2 吸取光源发出特定波长的光,经探测器检测则可显示出 CO2 对红外线的吸取情况。干涉滤光镜是可调的, 调节它可改变其通过的光波波段,改变探测器探测到信号的强弱。红外探测器为薄膜电容,吸取了红外能量后, 气体温度升高, 导致室内压力增大, 电容两极间的距离就要改变, 电容值随之改变。 CO2 气体的体积分数愈大,电容值改变也就愈大。
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图 1 CO2 传感器探头结构

b、 检测电路的设计原理
检测电路设计的原理框图如图 2所示。

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检测电路原理框图

检测电路由红外 CO 2 传感器、数字滤波电路、放大电路、稳流电路、单片机系统、温度补偿等组成。设计的基本原理是红外 CO2 传感器将检测到的 CO2 气体体积分数转换成相应的电信号, 输出的电信号分别经过滤波、放大处理, 输入到单片机系统, 并经温度和气压补偿等处理后, 由单片机系统输出送显示装置显示其测量值。

c、  检测电路的设计
按照上述设计原理, 设计的 CO2  检测电路如图 3 所示。工作原理是: 首先, 由红外传感器将探测到 CO2 气体的体积分数转换成电信号, 滤波电路提取电信号并输出到放大电路, 经过单片机系统处理后输出, 再由 74AC138 送入显示电路, 以实现对 CO2 气体体积分数的检测。

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滤波电路中既引入了负反馈, 又引入了正反馈。当信号频率趋于零时, 由于 C1 的电抗趋于无穷大, 因而, 正反馈很弱; 当信号频率趋于无穷大时, C2 的电抗趋于零。这样, 就保证了当信号频率在趋于零和无穷大之间的任何一个值, 滤波电路都可以正常提取相应的电信号。

放大电路的作用是将滤波电路输出的信号放大到一定的程度, 以便驱动负载。R 6 和 C4 串联构成校正网络用来对电路进行相位补偿。单片机系统主要由 M C14433 和8031构成, M C14433是一种双积分 A /D 转换芯片, 与 8031单片机如图 3 方式连接。M C14433 的转换结果 Q - Q 接8031的 P1. 0- P1. 3, 选通输出脉冲 DS1- D S4 接 8031 的P1. 4- P1. 7。转换结果标志 EOC, 一方面接至更新转换控制信号输入线 DU, 另一方面, 接至 8031的中断输入线 INT1,表明单片机既可采用中断方式读入 A /D 转换的结果, 也可以采用查询方式。*后的结果送入 74A C138, 并驱动数码管显示具体数值。
2  检测处理程序流程
检测处理程序流程框图如图 4 所示。采用 M CS系列汇编语言编程, 由于有硬件设计的保证, 使得整个系统既可以工作在循环查询的方式, 也可工作在中断管理的方式。

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图 4  检测处理程序流程图

 

3  实 验

a、  检测电路测试标定

首先, 配制标准气体, 在 10支 100mL 注射器内, 分别 注入体积分数为 1% 的 CO2 标准气体 1, 2, 4, 8, 10, 15, 18, 22, 25, 30mL, 再用 M F- 2型标准气体稀释装置稀释 ( 取纯 氮气作为零体积分数气体 ) 至 100 mL, 即得体积分数为

0. 01% , 0. 02% , 0. 04% , 0. 08% , 0. 10% , 0. 15% , 0. 18% , 0. 22% , 0. 25% , 0. 30% 的 CO2 气体并注入到标准气体配 置箱内。然后, 将本检测电路的传感器探头放置于配置箱 中, 逐一测试, 据此对检测电路进行标定。

b、  测试结果对比

用本检测电路装置和实验室使用的气相色谱仪在同种 条件下同时测量 CO2 气体体积分数, 并进行比较, 其结果 如表 1所示。

测量数据对比表  
序 号  气相色谱仪法  本电路装置法  差值率  C 2 - C 1   ×100
                                                               C1 

            C 1 ( % )         C 2( % )                  %

1 0. 020 0. 020   0.  000 
2 0. 040 0. 041   2.  500 
3 0. 060 0. 059   1.  667 
4 0. 080 0. 082   2.  500 
5 0. 100 0. 102   2.  000 
6 0. 120 0. 122   1.  667 
7 0. 180 0. 177  - 1.  667 
8 0. 020 0. 223   1.  364 

故测量结果表明: 本测试电路的分辨力为 0. 001% , 与气 相色谱仪测量的差值均在 3% 以内, 说明本测试电路的分 辨力和测量准确度是比较高的。该检测方法已成功运用于 延安市花卉示范园, 效果良好。实践证明: 本检测电路操作 简单、数值显示、体积小、便于携带、价格低廉、连续快速检 测, 可随时检测室内、外各种场合 CO2 气体的含量, 很适合 在设施养殖、栽培等场合使用。

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