甲烷濃度、池液pH值與沼氣檢漏報警一體化測試儀

摘要：本文從應(yīng)用出發(fā)，提出一種采用紅外甲烷測量與電極PH測量結(jié)合的一體化測定儀方案，討論并設(shè)計出一體化測定儀的總體結(jié)構(gòu)，研究了紅外甲烷測量濃度測量原理及采用相關(guān)傳感器的性能。重點(diǎn)研究pH值測量原理，設(shè)計出pH值傳感器測量電路，提出一種單電源偏置放大測量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)，通過對這些參數(shù)的檢測，可確定更換生產(chǎn)原料、調(diào)整池液的pH值的時間，從而達(dá)到最大產(chǎn)能。目前甲烷檢測方法主要有熱催化法、熱導(dǎo)檢測法、光學(xué)甲烷檢測法、氣敏半導(dǎo)體檢測法、基于相干光干涉法、光聲氣體檢測法和基于紅外吸收的甲烷氣體檢測法等。其中，熱催化法、熱導(dǎo)檢測法分別在低濃度和中高濃度的區(qū)階有較高的靈敏度，全量程甲烷濃度測量時，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量精度，盡管這樣，其測量精度也不高，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?；诩t外吸收的甲烷氣體檢測方案，可得到較高的測量精度；pH值的測量一般采用pH電極作為測量傳感器，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)計的測量電路的不同，其測量精度也不同。本文研究一種采用紅外甲烷測量與電極pH測量結(jié)合的一體化測定儀。

1 一體化測量儀的總體方案

本方案將甲烷濃度檢測與報警、pH值測量三種功能集成于一體，形成沼氣組合測試儀?？傮w方案如框圖1所示。該測定儀由顯示器、鍵盤、通信接口、CPU、電源、甲烷濃度測量模塊和池液pH值傳感測量模塊等組成。其中，甲烷濃度檢測與報警測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，通過接口傳送給主控CPU。由主控CPU設(shè)置其作為濃度檢測或檢漏報警測量傳感器，進(jìn)行濃度檢測時，以百分含量形式顯示出來；報警測量時，以%LEL濃度顯示，當(dāng)濃度達(dá)到設(shè)定值時，發(fā)出聲光報警；池液pH值測量模塊由池液pH值測量電路和pH值測量電極組成。pH值測量電極采集pH值信號經(jīng)偏置放大轉(zhuǎn)換后送中央處理器進(jìn)行處理、存儲與顯示。測量過程中，同時采集測量環(huán)境下的溫度信號，用以對所測數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。pH值測量前，需使用標(biāo)準(zhǔn)液進(jìn)行標(biāo)定，本設(shè)計中采用1點(diǎn)校正的方式編程。

2 甲烷濃度檢測儀原理分析

甲烷濃度檢測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，引起干涉條紋移動來實(shí)現(xiàn)對不同甲烷濃度的測定。

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測定甲烷濃度。

2.3 熱導(dǎo)式

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

2.4 紅外線式

紅外線式是利用甲烷分子能吸收特定波長的紅外線來測定甲烷濃度。

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，其表面能夠吸附甲烷而改變其電阻值來檢測甲烷濃度。

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)中的兩個電極之間便有電流產(chǎn)生。測量空氣介質(zhì)和被測甲烷中的電流大小，便可測出甲烷濃度。

3 甲烷紅外測量原理與傳感器設(shè)計

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，氣體分子或原子便吸收光能量，供其在能級之間的躍遷，進(jìn)而使吸收后的光強(qiáng)發(fā)生變化，因此，建立光強(qiáng)與對應(yīng)氣體濃度關(guān)系數(shù)學(xué)模型后，通過檢測氣體透射光強(qiáng)或反射光強(qiáng)的變化便可計算出該種氣體的濃度。如甲烷氣體在光譜中的吸收峰波長約為1.66um，當(dāng)其受到紅外光束照射時，甲烷氣體分子吸收一部分光能量并將其轉(zhuǎn)換為分子的振動和轉(zhuǎn)動能量，使分子振動能級和轉(zhuǎn)動能級從基態(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)，可建立測量的數(shù)學(xué)模型，通過測量甲烷氣體的紅外光信號衰減程度，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量，它是一種應(yīng)用上述原理，將紅外吸收氣體檢測技術(shù)與微型機(jī)械加工、精良電路設(shè)計緊密結(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，爆炸性氣體檢測等。其工作電壓為4.5V～5.5V DC，環(huán)境壓力為86kPa～106 kPa，測量后的濃度信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號或模擬信號共用戶使用。

4 pH值的測量原理與電路分析

4.1 pH值的測量原理

pH值是用來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，可分解成兩種或更多的帶電粒子（離子），即當(dāng)分子獲得電子時帶負(fù)電荷，亦稱負(fù)離子，失去電子時帶正電荷，亦稱正離子。溶液中的正、負(fù)離子相對數(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值可通過測量被測溶液中的氫離子濃度來表征。早期多通過pH試紙進(jìn)行檢測，將試紙浸入待測溶液樣本，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)行比較即可測出被測溶液的pH值。該方法不能測量有色溶液，也無法進(jìn)行自動測量。

使用pH電極作為傳感器可以對pH值進(jìn)行在線連續(xù)自動測量，該傳感器一般有兩個電極，其中一個電極為工作極，用來產(chǎn)生與氫離子濃度成比例的電壓。另一個電極為參比電極，用來提供與測量電極相比較的電勢。電極封裝在只對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。用于測量溶液溫度，以便修正由于溫度變化而引起的pH值的測量誤差。

本設(shè)計使用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)被測溶液的氫離子濃度與緩沖溶液中的氫離子濃度不同時，電極的薄玻璃絕緣體兩端就會產(chǎn)生電勢差。其大小和被測溶液的pH值成正比，溶液的pH值每相差一個單位，就會產(chǎn)生約59.2mV的電勢。由上述知pH值為7.0時的電勢差為0；當(dāng)pH值大于7.0 時，電極產(chǎn)生正電壓；當(dāng)溶液的pH值小于7.0時，電極產(chǎn)生負(fù)電壓。

4.2 pH值的測量電路分析

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

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

本設(shè)計中有兩種信號需要進(jìn)行AD轉(zhuǎn)換，即pH值與溫度信號，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），這樣可保證測量精度，又可提高設(shè)備的可靠性。設(shè)計中，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、存儲與顯示。

6 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

本設(shè)計中甲烷濃度由傳感器直接測量，并通過I2C總線傳給單片機(jī)進(jìn)行存儲與顯示。pH值通過采集電極信號和溫度信號經(jīng)AD轉(zhuǎn)換處理后進(jìn)行處理、存儲與顯示，主程序為初始化、功能設(shè)置、顯示及傳送等，甲烷濃度讀取和pH值測量等通過子程序?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)計了池液pH值、甲烷濃度及泄漏報警等多參數(shù)測量系統(tǒng)，并采用軟件算法實(shí)現(xiàn)對傳感器測量值的非線性修正。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)過程中，進(jìn)行對甲烷濃度的在線測量，對pH值進(jìn)行間歇測量，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。

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基金項目：

本文為江蘇省教育廳基金項目（編號：JHB2012-84）的研究成果。

作者簡介：

于寶佺（1964-），男，江蘇淮安人，維修電工高級技師，在電氣控制領(lǐng)域有較深入的研究，被多所院校聘為專業(yè)建設(shè)指導(dǎo)委員會專家。