电子与信息工程毕业论文：氧气测定仪的设计.doc

1、本 科 毕 业 设 计氧气测定仪的设计所在学院 专业班级 电子与信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 I摘要十九世纪,随着科技的快速发展,人们的生活越来越优越，但在我们的生活环境变得越来越差了。每一天,下水道排放的废水，烟囱里飘出的废气，工作场所不停止的噪声，这些已经给人们的生活带来了很多困扰，不仅如此，许多工厂里卖弄排出的这类废水废气都有一定的毒性，而这就会多人们的生命造成威胁。很多的毒性气体不是靠人们的感官可以分辨出来的，因此气体探测器的出现就体现了它的必要性。本文对氧化锆氧气探测仪进行了一定的研究，并且在收集参考很大量的国内外资料的基础上，仔细筛选并且设计了系统的设

2、计方案，并且本文对此氧化锆测定仪的每个部件进行了系统的介绍。本文详细地阐述了氧化锆氧气测定仪器的硬件和软件的设计过程。在检测器的这个部分我要重点介绍导流管，加热器，密封技术以及测温电路的设计；在控制器的这个部分以 TMS320LF2407 为核心，着重介绍控制器电路的设计。关键字：氧化锆；测氧仪；氧气检测；IIAbstractNineteenth century, with the rapid technological development, peoples lives more and more superior, but in our living environment has be

3、come increasingly worse. Every day, sewage waste water, coming out of the exhaust chimney, do not stop the noise in the workplace, these peoples lives have been a lot of trouble, not only that, many factories discharge of such effluents show off has a certain toxicity, and this will be more of a thr

4、eat to peoples lives. Many of the toxic gas by the human senses can not tell the difference, so the appearance of gas detectors need to reflect it.In this paper the zirconia oxygen detectors, and do research in collection reference very large amounts of information at home and abroad, and on the bas

5、is of careful screening and the design scheme of the system is designed, and this paper zirconia each detector components of the system is introduced. This paper expatiates on zirconia oxygen measuring instruments of hardware and software design process. In this part of the detectors will I introduc

6、ed diversion tube, heaters, sealing technology and temperature measuring circuit design; In this part of the controller with TMS320LF2407 as the core, emphasizes the circuit design.Keywords：ZrO2 ；Oxygen content analyze ；oxygen testing；III目 录第 1 章 绪论 .11.1 氧化锆氧氧气测定仪的国内外现状 .21.1.2 氧化锆检测器的发展 .41.1.3 氧量

7、变送器的发展 .41.2 制作背景 .4第 2 章 方案 论证 .62.1 原电池式氧探测方法 .62.2 热磁式氧探测方法 .62.3 氧化锆式氧探测方法 .72.4 光纤式氧探测方法 .72.5 可调谐激光式氧探测方法 .8第 3 章 氧 化锆控制器的硬件设计 .103.1 氧化锆智能控制器工作原理 .103.2 TMS320LF2407 性能特点 .103.3 智能控制器 TMS320LF2407 接口电路 .113.3.1 数据选择通道 .143.3.2 前置放大电路 .153.3.3 V/F 转换电路 .153.3.4 显示电路 .16第 4 章 氧化锆分析仪的软件设计 .184.1

8、 DSP 调试及开发工具 .184.2 氧化锆氧量分析仪软件流程及设计 .194.2.1 主程序流程图及设计 .194.2.2 线性化处理子程序流程图及设计 .21总结 .23参考文献 .24致谢 .25附录 1 .261第 1 章 绪论随着工业的发展，能源短缺与环境污染两大难题已日益凸现出来，节能和环保工作也越来越多的受到了人们的关注。在电厂、石油、化工、钢铁工业、玻璃、陶瓷工业、冶金、纺织轻工等领域中，锅炉、加热炉、窑炉等燃气设备每天都要消耗大量的能源，同时也造成了大气污染。因此，在燃料燃烧时，合理组织燃烧，可以达到节约能源，减少污染和延长炉龄的三重效果 8。在工业生产领域中，所用的燃料主

9、要有油、煤、气三种燃料。任何燃料都是通过燃烧而发出热量的，燃烧的效率在这里就十分重要了。燃烧效率反映了燃料中多少能量被有效的转化成为热量。这个过程包括三种基本的因素，既燃料，空气和热量。要使某一种燃料完全被燃烧，同时产生最大值的热量，就必须通入一定量的空气，使燃烧完成后燃料与空气中的氧气恰好耗尽。在燃烧过程中，锅炉的通风过大的时候，然后之后剩余的空气量过大，剩余的氧含量也偏高高，虽然这样可以使得燃料的燃烧率增打，但是过多的气体也会打走大量的热量，影响热能的使用效率，还有由于剩余空气中有大量的氧气存在，这部风氧气与燃烧物中的硫以及燃烧产生的氮气在会在高温作用下下形成硫化合物和氮化合物，当这些化合

10、物气体排放到大气中去的时候就会与空气中的水结合，这样就会变成酸雨，酸雨对环境造成的污染众所周知是非常大的。当锅炉之中通风量过小的时候，燃烧之后的气体的氧气含量过低，虽然这样可以排除过多气体带走热量这个问题，但是这导致燃料无法充分燃烧，这就会使得热能使用效率降低，同时很多无法充分燃烧的燃料的小颗粒随着气体一起排放出去，这样也会对环境造成很大的污染。因此我们想要使得锅炉热效率最大化的同时又要减小污染就必须把多余的空气控制在一定的范围之内，而氧化锆氧量仪的功能就是检测燃烧后气体中的氧气含量，然后调节通风量从而将空气中多余的氧气控制在合理的范围中，以达到经济燃烧的目的，同时也可以减少硫化物氮化物的形成

11、，降低锅炉尾部的腐蚀，从而达到节能、环保及延长炉龄的三重功效。测量气体之中的剩余氧气含量，这样可以在第一时间知道氧含量的变化从而通过设备进行控制通风量，调高燃烧的效率，这是提高燃烧效率最有效的一个方法。氧化锆氧量仪自 50年代末 60 年代初诞生以来,发展很快,由于氧化锆氧分析仪的应用能取得明显的节能和环保效果,所以它越来越成为现代化生产中必不可少的工业仪表。由于国内当前使用的氧量分析仪大多存在测量不准、智能化程度不高等一系列问题3，为此，我们以 DSP 为控制核心研制出一种智能型氧量分析仪，该仪器可在线连续稳定地测量烟气中的氧气浓度，数字显示炉内氧气的百分含量、温度等多种参数，并能输出 4-

12、20mA 线性模拟量信号与其它自控系统相连接。气体探测和监控是是当今社会一个非常热门的话题，他不仅经与我们的生命息息相关，而且在工业生产、医学诊断、环境监测、国防等很多领域得到了广泛应用。在上世纪的五十年代我国就已经在这个方面有着一定的研究，与世界上许多的发达国家相比，并没有绝对时间上的差距（一般国际社会对于气体探测器这一块也是起始于上世纪的五十年代的电化学传感器而产生的） ，但是国际上最早的气体探测器是从上世纪 20 年代的催化燃烧气体传感器的产生而开始的。21.1 氧化锆氧氧气测定仪的国内外现状其实人们在很早的时候就知道了，某以些固体化合物有离子导电的性能，其中氧化锆在一定的温度下有离子导

13、电现象 1。在此后的很长一段时间里，人们对对很多具有离子导电性能的化合物进行了大量的研究，但是进展始终不尽如人意 2。直至一九五七年，K.Kiukkala和 C.Wagner 第一次使用具有离子导电性能的化合物质组装成功了一个原电池，并且成功的从理论上阐明了其原理，从此固体离子导电化合物这个方面的研究和应用才迅速的发展。固体电解质有很多，有氧化物，卤化物，硫化物等等，其中氧化锆是在目前来说研究应用得最最广泛的一种。它不仅可以应用于高温化学，热力学和动力学的研究，而且氧化锆已经在高温技术领域，特别是高温的测试检测技术上得到了极其广泛的应用。氧气探测仪的的氧探头中使用氧化锆固体电解质为其测试的敏感

14、元件用来检测氧浓度的装置。1961 年，J.Weissbart和 R.Ruka 研制成功的第一个氧化锆浓差电池测氧仪 3。在上世纪七十年代初期，出现了商业用的氧化锆氧探头，这个商业氧化锆氧探头引起了多方面的重视，特别是在一些发达国家如西德、日本、美国等国家都对这个商业用的探头进行了很多产品开发的研究工作。一直到到七十年代的中期，氧探头的理论和实践技术才趋于成熟，并且已经研究开发出了多款结构不一的氧探头。在国内外的氧化锆氧量分析仪的众多生产商厂中，首屈一指非日本的富士公司和德国的安诺泰克（ENOTEC）公司莫属，他们技术最为成熟先进，生产出来的探测仪质量又好，客户又多。富士公司生产的的氧化锆分析

15、仪具结构很多很复杂，对于设计师来说他们需要充分的了解每个结构的特点，然后选择其最佳的组合，以期可以发挥出仪表的最强大的功能，这个是很重要的 4。气体探测仪向着低功耗、多功能、集成化方向发展目前，气体探测仪的发展正向着低成本低功耗微型化简单化与其它设备相结合，同时向着高灵敏度，高工作效率方向发展，同时这个也是气体探测仪一直以来所追求的没标。比如像日本的费加罗公司生产并推出了可以检测（0.110）106 硫化氢的低功耗气体探测仪，还有英国的 CITY 公司生产推出的 MICROceL微型传感器探测仪，还有就是美国 IST 所提供的使用寿命可以长达 10 年以上的气体探测仪，美国 FirstAler

16、t 公司生产并推出的生物模拟型低功耗一氧化碳气体探测仪等。气体探测仪向智能化方向发展二十一世纪人们都在追求智能化的设备，所以气体探测仪也必须向着这个方向进行发展。但同时在可靠性方面必须增强，同时可以实现设备内部的元件以及其应用电路向着集成化和多功能化方向发展，同时还需要对 MEMS 技术的深入发展，对于现场适用的变送器和智能型传感器也是大力的发展。比如像美国 GeneralMonitors 公司已经在气体探测仪的传感器中加入了微处理器芯片，这样就使的气体传感器可以随时校准以及有了可以实时监视故障状况的功能，这样就大大的实现了其智能化的程度；还有美国 IST 公司生产的有微型处理器的“MegaG

17、as”气体传感器同样也实现了多功能化和智能化。国内在这个方面也有很大的突破在深圳特安电子有限公司的 ESD3000 系列产品之中技术人员就采用了智能化得传感器技术，在传感器的内部嵌入了微处理器，也使气体探测仪传感器实现了智能化。气体探测技术与现代的通讯技术以及数字技术相结合随着现代科技水平的快速发展，同时也带动了气体探测技术的高速发展。探测现场的一次探测仪与二次探测仪的实时通讯， 二次探测仪再与其他的仪器进行通讯，在通讯过程中其3实应用了很多的数字通讯技术，有 485，Modbus 和 Hart 等，应用了先进的数字通讯技术大大的提高探测仪的智能化的程度。产品的输出控制模块化产品的输出控制单独

18、模块化处理， 和二次仪表之间使用现代通讯技术来管理和控制， 智能管理和编组，实现智能化和多功能化。特安公司推出的 ESC500 型总线产品和日本新宇宙公司一款产品就具有此项功能。 这一功能特别适合智能大厦的气体安全控制， 上海金茂大厦气体控制就采用了此项目技术。现代电子技术的结合随着现代电子技术和产业的发展， 很多新产品和新技术都被应用到气体探测器上去， 如彩色液晶显示屏， 多层板和 SMT 技术等。多合一产品，集成化产品由于现在的用户对于安全的问题越来越重视，所以现在市场上出现了很多组合产品，二合一，四合一产品，比如英思科的四合一便携式的组合产品，深圳特安公司的二合一固定组合产品。国家将会在

19、不久之后推出相关的法律法规，规定在一些企业中进行现场检有毒气体检测的时候必须配备的声、光报警，现在有些企业的外已经安装了的声光报警装置和防爆气体检测器、深圳特安公司去年推出了一个 ESD3000 型的产品，它具有声光报警功能，同时将燃气探测器集成到仪器内部，这样不仅节省空间，还减少故障率，这是在未来的一个趋势。气体探测器标准规范化， 和国际标准接轨。现在国家标准和国际标准的接轨，推动中国产品向国际靠拢，为中国产品走向世界奠定基础。产品的规范化，规模化2006 开始， 公安 部加强了对气体探测器产品的管制， 取缔了一些无牌无证的生产、销售单位。 公安部消防产品型式认可中心（CCCF）定期在网站上

20、公布合格企业名单， 从最初的上千家单位，到目前为止， 只有 106 家合格单位。 一些小的企业， 三无企业被淘汰出时常，规范了市场秩序，逐渐现成了一些规模化的企业。深圳特安电子有限公司目前是国内最大的一家可燃、有毒气体探测器设计、制造和销售的单位。2006 年年初,公安部加强控制气体探测器，对于一些无牌无证禁止生产、销售单位严厉打击。公安部消防产品型式认证中心定期发布在网上的名单,从一开始的成千上万的单位，合格公司到现在的只有 106 合格单位。很多小型企业，三无企业被淘汰，从而规范了市场秩序，逐步形成一定数量的大型企业。深圳特安电子股份有限公司是现在国内最大的一个易燃、有毒气体检测器的设计，

21、制造与销售的单位。产品的国际化。现在在世界市场上畅销的产品有相当一大部分是在中国生产。一些国内和外国公司的合作,通过合作发展生产气体探测仪器，这也使得我国的气体探测达到了国际标准。但在这个过程中，一些现有国内企业被外资且所合并控制，丧失了原有品牌，让中国气体探测器工业控制在国外的双手之中，这是一个值得考虑的问题。国内制造商已经开始进入国际市场,并取得国际认证(CE 认证和 UL 认证)。深圳特安电子有限公司第一个走像世界的单位，是中国第一个成功地获得了 CE、UL 认证的，产品远销欧美、南美、中亚、西亚等地区。近几年氧气测定仪作为一个新型的但在我们生产生活中又必不可少的仪表其发展速度非4常之快

22、，在国内已经有很多仪器仪表类的公司和研究所在从事研究和生产工作。其中性能较好且应用较为广泛的一种其中是 ZO 系列氧化锆氧量仪。而这个系列的氧化锆测量仪最主要分检测器和变送器两部分。1.1.2 氧化锆检测器的发展最初检测器使用的是直插式的氧化锆探头，直插式氧化锆氧分析仪具有结构简单的优势，而且该探头是直接接触被测气体的，所以反映比较灵敏。由于该探头的工作环境比较复杂，经常要受到高温气体，小颗粒粉尘的冲刷所以其寿命是现今一个非常大的问题，这个也给推广方面增加了难度。现在市面上的直插式氧化锆测氧仪检测器主要有自温式氧气探测仪和它温式氧气探测仪两种。顾名思义自温式就是自身带有一个温控的装置，可以在低

23、温环境下工作；而它温式就需要对环境提出一定的要求，它必须在一定的高温下传感器才会导通工作，但是工作温度不稳定会影响氧化锆检测器的应用范围灵敏度 5。现在国内市场上的氧气探测仪基本上市直插式的氧化锆氧气测定仪，因为他的做工比较简单。但是这个探头的的寿命问题一直是它的硬伤，于是就有人提出将锅炉里面的气体用抽气泵抽到外面再进行检测，这样对被测气体处理过之后在进行检测对探头的损害大大降低，这样就可以大大的提高其寿命，但是一系列的处理之后就无法做到其及时性，设备又增加了一个气泵，而且这样还是将设备放在高温高硫高粉尘成的的工作环境之中，这样对该探测仪的适用范围也产生了一直制约。在 20 世纪 80 年有人

24、提出了具有导流结构设计的直插式探测仪，它可以有效地克服了由于被测气体的侵蚀造成的探头寿命减短，也确保了直插式的气体探测仪的敏感度，同时也消除了抽出气体进行检测的响应时间过慢的问题，节省了抽出气体需要的设备。带有导流结构的直插式探测仪的特征是有一个简短的探测器，并且是安装在一个取样的导管里面的。取样管叫导流管，导流管可以根据自己的要求来选择尺寸。它的作用是拦截一部分代表性样本气体使流过气体探测器，这样不仅保证了气体探测器测量的准确度和灵敏度的洗的是不受影响，还避免了探头被气体侵蚀导致寿命减小的问题。这种类型的氧化锆氧分析仪是目前的主要类型的推广 6 。1.1.3 氧量变送器的发展早期的氧量变送器

25、由模拟电路组成，包括高阻抗变换器，温度变换级，倒向器和线性化电路等几部分，将氧电势信号进行反对数运算并线性化，输出标准工业控制信号。由于采用模拟电路，所以结构比较复杂，易损坏，准确度也较低7。进入 80 年代，随着单片机技术的高速发展，以单片计算机为控制核心的数字式变送器逐步取代了老的模拟式变送器，氧量变送器朝着智能化，小型化，模块化方向发展。其不仅可以实现氧电势氧量的快速转换，还能实现氧化锆探头的温度控制，提高检测精度，延长探头的使用寿命。经过软件优化的信号控制器可以对仪表进行自校正，消除放大器的漂移误差，及探头的老化误差，大大提高了仪表的检测精度。本文应用处理速度更快、功能更强的 TMS3

26、20C2407 为核心的控制器，以求达到更好的效果。为了保证高可靠性和安全性，还在变送器里增加了温度故障检测电路，当检测器温度过高或者热电偶出现故障时可以自动报警并切断加热器。51.2 制作背景随着现代科学技术的发展，人们所使用和接触的气体越来越多，需要对这些气体的成分进行分析、监测及报警的领域也日益扩大。在众多的气体监测中，氧气监测应用广泛，得到越来越多的关注。长期以来，人们研究和应用了多种气体检测方法，如气相色谱法，火焰光度法、质谱法等，能够精确地分析氧的浓度。但是这些方法的共同点是成本高、设备复杂，使用和维修都较繁琐，在一些需要在线测量的场合中使用受到很大限制，不宜广泛采用。氧传感器具有

27、结构简单、灵敏度高、使用方便、价格便宜，逐渐成为人们注目的焦点。6第 2 章 方案论证其主要方法主要有以下几种：2.1 原电池式氧探测方法 催化电化学氧气传感器是基于与氧气有关的催化电极测量反应来测定待测气体的氧气浓度。它包括两种类型：一种为电极恒电位电解式，另一种为原电池型氧传感器,两者都是对氧气进行催化还原反应，两种传感器都是以氧有催化还原活性的金属(如 Pt ，Ag，Au 等) 为阴极, 不能极化的金属(如 Pb，Cu ，Cd 等) 为阳极，电解质一般使用碱或酸及其盐类溶液，正极就采用比较容易氧化的金属，负极使用黄金，铂等贵重的金属。氧气溶解在电解液层，然后再到为负极表面还原,而正极的铅

28、进行氧化反应，其方程式可以表达如下：氧气在阴极时被还原，其电极反应方程式为：（2.1）24eOHO同时铅在阳极上发生氧化反应： （2.2）2b+4b+PP当外电路有负载时电流与氧浓度成正比，根据测得的电压值或电流值可求得氧浓度。它不需要外电源，且结构简单，也不需要热源，工作电流小，是一 种比较理想的小型化氧传感器。 但因其使用过程即为 阳极的消耗过程，氧化能力很充足时输出非常平稳， 氧化能力减弱后输出稳定性减弱，因此在其输出稳定 性保持方面还有待改进。2.2 热磁式氧探测方法 氧气是一种具有顺磁性的气体，热磁式氧传感器就是利用氧气的顺磁性研制而成的。所谓顺磁性，就是物质的体积磁化率大于零。氧气

29、的磁化率较于其它气体大(一氧化氮除外，但一氧化氮极易与氧化合为二氧化氮)，故气体的总磁化率可以认为是取决于氧气的含量，我们通 过测量混合气体磁化率便能够确定氧气含量。但是，氧气的磁化率绝对值很小，难于直接测量，利用热磁对流现象，将磁化率的变化转换为热敏元件的电阻值变化进行测量锄。氧气作为顺磁性气体 ，在不均匀磁场中能被磁场所吸引而流向磁场较强处。我们在此处设置加热丝，由于温度升高磁化率下降，未被加热的氧分子将受热氧分子推出，因此形成热磁对流，通过测试此风大小即可得知氧气含量。热磁式氧气传感器可分为外对流式，内对流式和磁力机械式等型式。热磁式氧传感器的优点是技术成熟，结构简单，便于制造和调整，传感器在使用过程中无损耗，采用热磁式原理的测氧设备能够长期连续运行，具有较长的使用寿命。但由于其反应速度慢，测量误差大，容 发生测量环室堵塞和热敏元件腐蚀严重等缺点，使热磁式氧气传感器在火电厂的应用日渐减少，逐渐被氧化锆氧气传感器所取代。