CN107884454A - 一种集成式一氧化碳和二氧化氮气体检测仪 - Google Patents
一种集成式一氧化碳和二氧化氮气体检测仪 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供了一种集成式一氧化碳和二氧化氮气体检测仪，包括：单片机，集成式CO、NO2气敏传感器，显示模块和复位电路；所述一氧化碳气敏传感器，二氧化氮气敏传感器，显示模块和复位电路均与所述单片机信号连接。本发明利用集成式CO、NO2气敏传感器，并利用单片机进行操控，该器件能够同时对一氧化碳和二氧化氮的浓度进行实时检测，实现对醇基燃料燃烧的尾气实时监测，起到监测醇基燃料燃烧的功能。
Description
技术领域
本发明涉及气敏传感器技术领域，特别是涉及一种集成式一氧化碳和二氧化氮气体检测仪。
背景技术
醇基燃料是与液化石油气相似的，一种可替代液化石油气作为民用燃料，具有来源丰富、环保、生产易得且热效率高等优势。但是由于配方及工艺问题，在实际应用当中经常伴随着燃烧不充分产生一氧化碳和二氧化氮等有毒有害气体，检测燃烧产物中一氧化碳及二氧化氮可以对醇基燃料燃烧情况进行有效监控，从而从根源上改进原料配方及燃烧工艺。现有醇基燃料燃烧尾气监测主要依靠将气体抽取到外部进行检测，无法直接在醇基燃料燃烧过程中进行实时监测，传统方法在气体转移的过程中受环境以及实验设备和实验操作人员的实验方法的影响，因尾气温度较高，与环境中气体发生反应，导致检测结果有一定偏差。因此研制醇基燃料锅炉系统捆绑式在线尾气检测仪十分必要，在线尾气检测仪最重要的部分为气敏传感器。
气敏传感器是传感器系统中一个非常重要的分支，通过气敏元件感测到周围的环境中一种或者多种的目标气体的浓度以及种类，这些目标气体的浓度和种类会使气敏元件中的电阻阻值发生一定的变化，这种变化就是传感器中电信号的变化，通过电信号进行数字模拟转化可以达到对目标气体的监控、检测、分析和报警的功能。
目前现有技术都是针对单一性气体检测的气敏传感器，气敏元件为单一涂层，缺少针对多种气体集成化的气敏传感器，但是实际状态下醇基燃料的燃烧尾气不是单一组分，而是含有多种成分，经检测其主要成分为一氧化碳和二氧化氮，故本领域需要一种能够对上述两种气体进行在线同时监测的检测仪。
发明内容
针对醇基燃料的燃烧状态分析得出其尾气中含有大量的CO以及NO2气体，本发明将一氧化碳气敏涂层及二氧化氮气敏涂层制备于同一支陶瓷管表面，利用分段监控气体反应前后阻抗值变化的方法，设计了一种集成式一氧化碳和二氧化氮气体检测仪，能够有效的对醇基燃料燃烧的尾气实时监测和报警，起到监测醇基燃料燃烧的功能。
本发明提供了一种集成式一氧化碳和二氧化氮气体检测仪，包括：单片机，集成式CO、NO2气敏传感器，显示模块和复位电路；所述集成式CO、NO2气敏传感器，显示模块和复位电路均与所述单片机信号连接。
本发明利用集成式CO、NO2气敏传感器，并利用单片机进行操控，该器件能够同时对一氧化碳和二氧化氮的浓度进行实时检测，实现对醇基燃料燃烧的尾气实时监测，起到监测醇基燃料燃烧的功能。
进一步地，所述集成式一氧化碳和二氧化氮气体检测仪还包括声光报警模块，所述声光报警模块与所述单片机信号连接。
进一步地，所述集成式一氧化碳和二氧化氮气体检测仪还包括按键模块，所述按键模块与所述单片机相连。
进一步地，所述集成式一氧化碳和二氧化氮气体检测仪还包括语音播报模块，所述语音播报模块与所述单片机相连。
进一步地，所述单片机还连接有语音控制电路、气体流量控制电路和负载控制电路。
进一步地，所述集成式CO、NO2气敏传感器具有SnO2掺杂BaTiO3的一氧化碳气敏元件和WO3掺杂SnO2的二氧化氮气敏元件，所述一氧化碳气敏元件和二氧化氮气敏元件集成在同一支陶瓷管上。
进一步地，所述一氧化碳气敏元件为BaTiO3、SnO2、In2O3、Ag2O按照1:10:2:2的质量比烧结在陶瓷管左侧的表面上形成的旁热式气敏烧结元件。
进一步地，所述二氧化氮气敏元件为SnO2、WO3、Pt、Ru按照8:2:1.3:1的质量比烧结在陶瓷管右侧表面上形成的旁热式气敏烧结元件。
进一步地，所述液晶显示模块采用LCD1602A液晶显示屏。
进一步地，所述单片机为具有CMOS 8位微控制器和可编程Flash存储器的STC89C51单片机。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明实施例的一种集成式一氧化碳和二氧化氮气体检测仪的结构框图；
图2是本发明实施例的一种旁热式气敏烧结元件的结构示意图。
1单片机
2CO、NO2气敏传感器
3复位电路
4负载控制电路
5语音控制电路
6气体流量控制电路
7按键模块
8声光报警模块
9液晶显示模块
10语音播报模块
11一氧化碳气敏涂层
12二氧化氮气敏涂层
13陶瓷管
14加热电阻丝
15导电引线
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
本发明实施例提供了一种集成式一氧化碳和二氧化氮气体检测仪，如图1所示，包括：单片机1，集成式CO、NO2气敏传感器2，复位电路3和液晶显示模块9；所述集成式CO、NO2气敏传感器2，复位电路3和液晶显示模块9均与所述单片机1信号连接。优选的，所述液晶显示模块9采用LCD1602A液晶显示屏，LCD1602A是一种工业字符型的液晶显示屏，液晶模块内部的字符发生存储器存储了160个不同的点阵字符图形，CO及NO2示数都是通过指令编程来具体实现。所述单片机1为具有CMOS 8位微控制器和可编程Flash存储器的STC89C51单片机，使用时，通过复位电路，在STC89C51单片机的RST引脚引入高电平并保持2个机器周期，单片机内部就执行复位操作。本发明将一氧化碳气敏材料与二氧化氮气敏材料制备于同一支陶瓷管表面的两侧制得集成式CO、NO2气敏传感器，并利用单片机进行操控，该器件能够同时对一氧化碳和二氧化氮的浓度进行实时检测，实现对醇基燃料燃烧的尾气实时监测，起到监测醇基燃料燃烧的功能。
在本发明实施例的一个方面，所述集成式一氧化碳和二氧化氮气体检测仪还包括声光报警模块8，所述声光报警模块8与所述单片机1信号连接，实现在CO或NO2的浓度超标时，检测仪具有声光报警的功能。
在本发明实施例的一个方面，所述集成式一氧化碳和二氧化氮气体检测仪还包括按键模块7，所述按键模块7与所述单片机1相连，通过按键模块实现对单片机的开关、复位等功能的控制。
在本发明实施例的一个方面，所述单片机1还连接有负载控制电路4，语音控制电路5和气体流量控制电路6，负载控制电路的连接保证了单片机正常稳定地运行，语音控制电路的连接实现了语音播报一氧化碳及二氧化碳实时浓度的功能，气体流量控制电路实现了控制尾气进气量的功能。
在本发明实施例的一个方面，所述集成式一氧化碳二氧化氮气敏传感器2中左侧部分一氧化碳气敏元件为BaTiO3、SnO2、In2O3、Ag2O按照1:10:2:2的质量比烧结在陶瓷管左侧表面上形成的旁热式气敏烧结元件。
其中，制备SnO2纳米粒子具体过程为：准确称取5.0g SnCl4于玛瑙研钵中研磨20min至无颗粒状固体。转移至50mL烧杯，逐滴加入50mL的2mol/L氨水并搅拌，待形成溶胶后继续滴加氨水至溶胶与氨水明显分层，调节pH＝2时停止滴加，静置10min后过滤，收集滤渣并干燥。烘干后研磨至粉末，转移至马弗炉煅烧2h，目标温度500℃，升温速率为5℃/min，煅烧后得到白色SnO2粉末。
一氧化碳气敏元件制备的具体过程是：采用Φ为1mm，d为5mm的高铝陶瓷管，在浆料涂覆前需对陶瓷管件预处理，首先将陶瓷管放入蒸馏水的烧杯中，使用超声清洗机清洗30min，晾干后放入无水乙醇中，继续超声清洗20min，清洗后自然晾干。如图2所示，使用镍铬合金丝在陶瓷管13的两端分别做出四根15mm的导电引线15。将BaTiO3、SnO2、In2O3、Ag2O按照1:10:2:2的质量比进行准确称量，放入50mL烧杯中，加入适量蒸馏水，调制成浆料。将陶瓷管左侧部分浸入浆料中，浸渍提拉法在浆料中反复提拉3次，转移至干燥箱进行干燥10min。取出后自然冷却，转移至马弗炉煅烧2h，目标温度500℃，升温速率为5℃/min，2h后取出得到旁热式气敏烧结元件。表面一氧化碳气敏涂层11光滑无薄膜破裂，同时将20mm加热电阻丝14插入陶瓷管13中，并通电老化24h后，可通电测试各项性能。
在本发明实施例的一个方面，所述集成式一氧化碳二氧化氮气敏传感器2中右侧部分二氧化氮气敏元件为SnO2、WO3、Pt、Ru按照8:2:1.3:1的质量比烧结在陶瓷管右侧表面上形成的旁热式气敏烧结元件。
其中，制备WO3纳米粒子具体过程为：准确称取5.0g水二水合钨酸钠于玛瑙研钵中研磨20min至无颗粒状固体。转移至50mL烧杯，加入10mL蒸馏水，再加入1g柠檬酸溶解。逐滴加入50mL 2mol/L的HCl溶液，待形成溶胶后继续滴加HCl溶液至溶胶与HCl溶液明显分层，然后逐滴加入50mL 2mol/L氨水并搅拌，调节pH＝2时停止滴加，静置10min后过滤，收集滤渣并干燥。烘干后研磨至粉末，转移至马弗炉煅烧2h，目标温度500℃，升温速率为5℃/min，煅烧后得到淡黄色WO3粉末。
二氧化氮气敏元件制备的具体过程是：采用Φ为1mm，d为5mm的高铝陶瓷管，在浆料涂覆前需对陶瓷管件预处理，首先将陶瓷管放入蒸馏水的烧杯中，使用超声清洗机清洗30min，晾干后放入无水乙醇中，继续超声清洗20min，清洗后自然晾干。如图2所示，使用镍铬合金丝在陶瓷管13的两端分别做出四根15mm的导电引线15。SnO2、WO3、Pt、Ru按照8:2:1.3:1的质量比混合，马弗炉煅烧1h，目标温度为600℃，升温速率为5℃/min，1h后取出得到二氧化氮气敏涂层材料，放入50mL烧杯中，加入5mL蒸馏水，调制成浆料。将陶瓷管13的右侧浸入浆料中，浸渍提拉法在浆料中反复提拉2次。放置在空气中自然晾干，放入干燥箱进行干燥10min。取出后自然冷却。之后转移至马弗炉煅烧2h，目标温度500℃，升温速率为5℃/min，2h后取出得到二氧化氮旁热式气敏烧结元件。表面二氧化氮气敏涂层12光滑无薄膜破裂，同时将20mm加热电阻丝15插入陶瓷管13中，并通电老化24h后，可通电测试各项性能。
本发明原理为，SnO2和WO3同为宽禁带n型半导体氧化物，此类氧化物的工作机理相同。当传感器中的半导体被加热到稳定的状态，在气体接触半导体表面而被吸附时，被吸附的分子首先在表面物理性自由扩散，失去运动能量的一部分分子被蒸发掉，另一部分残留分子产生热分解而化学性吸附在吸附处，从而引起表面电阻值的变化，而且不同的气体和不同的浓度所引起的电阻值的变化也不同。大气环境下氧的含量不变，即气敏元件在预热后在大气环境下氧气吸附量恒定，当一氧化碳气敏元件遇到CO等还原性气体时，气敏元件表面载流粒子的数量增多，电阻下降。而当二氧化氮气敏元件遇到NO2等气体会使气敏元件表面的载流粒子数量减少，就会导致电阻的增大；电阻率变化最终导致了检测仪示数的变化，并显示出来。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (10)
1.一种集成式一氧化碳和二氧化氮气体检测仪，其特征在于，包括：
单片机，集成式CO、NO2气敏传感器，显示模块和复位电路；
所述集成式CO、NO2气敏传感器，显示模块和复位电路均与所述单片机信号连接。
2.如权利要求1所述的一种集成式一氧化碳和二氧化氮气体检测仪，其特征在于，还包括声光报警模块，所述声光报警模块与所述单片机信号连接。
3.如权利要求1所述的一种集成式一氧化碳和二氧化氮气体检测仪，其特征在于，还包括按键模块，所述按键模块与所述单片机相连。
4.如权利要求1所述的一种集成式一氧化碳和二氧化氮气体检测仪，其特征在于，还包括语音播报模块，所述语音播报模块与所述单片机相连。
5.如权利要求1所述的一种集成式一氧化碳和二氧化氮气体检测仪，其特征在于，所述单片机还连接有语音控制电路、气体流量控制电路和负载控制电路。
6.如权利要求1所述的一种集成式一氧化碳和二氧化氮气体检测仪，其特征在于，所述集成式CO、NO2气敏传感器具有SnO2掺杂BaTiO3的一氧化碳气敏元件和WO3掺杂SnO2的二氧化氮气敏元件，所述一氧化碳气敏元件和二氧化氮气敏元件集成在同一支陶瓷管上。
7.如权利要求6所述的一种集成式一氧化碳和二氧化氮气体检测仪，其特征在于，所述一氧化碳气敏元件为BaTiO3、SnO2、In2O3、Ag2O按照1:10:2:2的质量比烧结在陶瓷管左侧的表面上形成的旁热式气敏烧结元件。
8.如权利要求6所述的一种集成式一氧化碳和二氧化氮气体检测仪，其特征在于，所述二氧化氮气敏元件为SnO2、WO3、Pt、Ru按照8:2:1.3:1的质量比烧结在陶瓷管右侧表面上形成的旁热式气敏烧结元件。
9.如权利要求1所述的一种集成式一氧化碳和二氧化氮气体检测仪，其特征在于，所述液晶显示模块采用LCD1602A液晶显示屏。
10.如权利要求1-9中任一项所述的一种集成式一氧化碳和二氧化氮气体检测仪，其特征在于，所述单片机为具有CMOS 8位微控制器和可编程Flash存储器的STC89C51单片机。
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