1、毕业设计开题报告 电子信息工程 氧气测定仪的设计 一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义 随着社会不断的进步，现代科学科技的不断发展发展，人们所使用和接触到的各种气体越来越多。气体对人们生活的影响也越来越大，但是并不是什么气体都对人们是有益的，许多气体如果不小心被人体吸收，那么对人体将会产生巨大的伤害，甚至死亡。社会新闻已经报道了不少有关于井下作业硫化氢中毒，瓦斯泄漏，氧中毒等等致伤致残乃至致死的事件。所以人们就需要对众多气体的成分进行分析，检测及报警，以减少悲剧的发生，相关的领域也在日益的扩大 完善。而在众多的气体检测中，氧气的检测应用最为广泛，也最受社会的关注。长期以来，专家学
2、者们研究和应用了许多气体的检测方法，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，能满足我们的使用要求。但是这些方法的成本都非常高，设备及其复杂，使用和维修都很繁琐，在一些特定的的场合比如在一些需要在线测量的场合中使用受到很大限制，比较的不方便，所以不适合广泛采用。而氧传感器具有结构简单、灵敏度高、使用方便、价格便宜，逐渐成为人们所关注的焦点 。现代社会所使用的较多及新兴的氧传感器根据应用要求的不同工作原理 也不相同，主要包括原电池式、热磁式、氧化锆式、光纤式和可调谐激光式氧探测方法等等。以氧化锆氧含量传感器为例，它结构简单、灵敏度和分辨率高、测量范围宽、响应较快。以其独特的反
3、应机理，能够测量出高粉尘、高温和混合气体的氧含量，现主要应用于热处理炉的气温控制、工业锅炉的燃烧控制及汽车发动机的空气、 燃料比控制和废气排放控制等方面 。氧化锆氧传感器是采用氧化锆固体电解质组成的对氧敏感的传感器，属于固体离子学中的一个重要应用方面。它利用氧化锆浓差电势来测定被测气体氧含量的，其核心的氧化锆管放置在一个微型的电炉内，在整 个传感器探头的最前端。在一定高温下，当锆管两边的氧浓度不一样的时候整个探头就变成了一个典型的氧浓差电池 。在整个电池里面，空气是参考气体，它与被测气体分别在锆管内外两极。两个电极之间会产生一个与氧气浓度差有关的电势 E，该电势信号符合 Nernst方程 :
4、oaln( )4 PRTE FP 该公式中： R、 F 分别是理想气体常数和法拉第常数， T 是氧化锆管绝对温度 (K)， P0是空气中的氧含量大约 (20 6 )， Pa 是被测气体中氧含量。可见，在一定的高温条件下 (一般在 600以上 )，一定的被测气体 氧含量有一个对应的电势输出，在理想的情况下，就可以通过设备检测其电势值，从而得到被测气体在高温区内的氧含量。氧化锆传感器的定值温度是氧浓差电池的一个重要的参数，从能斯特方程来看，定值的温度决定了传感器上的灵敏度。实际上，定值温度还与传感器的准确性、稳定性和重复性有着最直接的关系，能够直接影响到测定出来的数据，并不是随便学一个定值温度都是
5、传感器合理的定值温度。在氧化锆氧传感器的实际应用中，由于各种各样干扰因素的影响，特别是测量微量的气体时其影响更为显著，从而使得能斯特公式并不能够直接的用于氧传感器的测氧计算。 因此，有必要对能斯特方程进行一定的修才能符合实际的情况，也就是说要进行仪表化处理，才能进行氧化锆氧传感器的测氧计算。将能斯特方程修改为： Oal n +4 OPRTE K EFP 式中： K=(T- T)/T。因采用恒温测氧， T 为常数， T 虽然随氧化锆管老化程度而变。但标定时 T 为定值，故 K 为定值， K 称为斜率修正系数，即将测量时方程斜率的变化用一个系数 K 来修正； E0=E0+C， E0 为当温度为 T
6、 时无气流冷却效应下的本底电势，而 C 则表示气流冷却对高管两端电势的影响 ，因此 E0 就表示在温度为 T一定流量气流冷却时的本底电势。这就是能斯特方程用于测量的仪表化方程，不仅形式简单，物理意义明确，而且更重要的是温度可保持不变，实现恒温测量，并可提高测量精度和延长传感器的使用寿命。 一台氧气测定仪不是只有一个探头就够了，他需要一个完整的控制系统。在氧气测定仪的整个系统中电路是最灵活的部分，它具有放大、转换、传输、适应各种使用要求的特点。一个控制电路主要包括信号放大电路、信号调制解调电路、信号分离电路、信号运算电路、信号转换电路、信号细分与辨向电路、电量测量电路、连续信号控制电路、逻辑与数
7、字控制电路等。 氧气测定仪的控制电路有两个非常重要的点要注意：传感器探头温度的恒定控制和传感器输出弱信号的提取检测 21 世纪是信息快速发展的年代随着我国科学技术的进步，国内发展前景 日益广阔，美国、英国、日本、澳大利亚、德国等发达国家生产的这类仪器随之大量涌进我国，以日本恒河氧分析仪、 Honeywell 在线式氧化锆氧分析仪、德国安诺泰克氧化锫分析仪等为代表。目前，国内氧分析仪研制比较滞后，具体表现在，测量精度不高，传感器工况不稳定仪器寿命短等特点。因此，研制具有高精度、高性能以及高可靠性的氧化锆氧传感器具有显著的经济效益和 社会效益。氧气测定仪是一种新兴的产品，可能在价格上会比较高，所以
8、普及率不是很高。但是在国外这项技术比国内成熟，所以普及率比较高。随着我国不断的发展国内氧气测定仪的弊端一定会被一一克服，普及率也会不断上升，意外也会越来越少，社会也越来越和谐。我相信氧气测定仪的时代会马上到来。 二、研究的基本内容，拟解决的主要问题： 该设计题目是氧气测定仪的设计，以 氧化锆氧含量传感器 为对象，用它对一些气体的氧浓度进行侧定而得出一定的数据，从而达到使用氧含量 传感器减少意外的目的。 有许多的问题需要研究，总结一下有以下几个问题需 要考虑研究： 1 要明白氧气测定仪内部电路的作用，以及了解其工作原理； 2 采用哪种类型的芯片进行电路控制；等等。 三、研究步骤、方法及措施 ：
9、首先从一般的氧气测定仪入手，了解其工作原理和结构组成。接着就是选着哪种氧气探头，控制芯片。 再对一些电路图进行分析研究，是否符合设计要求。注意各个环节是否衔接的合理恰当。 措施：充分发挥实验室里的现有资源，完成设计任务。 四 、 研究工作进度： 1下达任务书： 2010 年 11 月 5 日。 2完成外文翻译、文献综述、开题报告等工作： 2010 年 11 月 15 日 - 2010 年 12 月 15 日。 3硬件设计： 2011 年 1 月 2011 年 2 月。 4软件设计： 2011 年 2 月 - 2011 年 3 月。 6撰写论文： 2011 年 2 月 - 2011 年 5 月。
10、 7论文交稿及答辩： 2011 年 6 月 参考文献 1 罗瑞贤，李英霞，陈霭瑶原电池型氧传感器的研制 J 北京化工学院学报 (自然科学版 )， 1994， 21(4)： 7l 78 2 杨庆柏，厉鹏氧气传感器及其在火电厂的应用 J传感器世界， 2001 9：1921 3 石敏，刘宁 ZrO 基固体电解质氧传感器的研究现状基发展 趋 势 I 合 肥 工 业 大 学 学 报 (自 然 科 学 版 )， 2003， 26(3)： 388393 4 罗志安，肖建中，夏风，梁建超，刘石明平板式二氧化锆氧传感器的研究进展 J传感器技术， 2004， 23(8)： 4 8 5 吴慧可燃性气体对氧化锆氧分析
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