虞益龍

(江蘇聯(lián)合職業(yè)技術(shù)學(xué)院常州劉國鈞分院，江蘇 常州 213025)

一氧化碳是無色、無臭、無味的氣體，故易于忽略而致中毒。一氧化碳中毒的原因是因為一氧化碳進入人體之后會和血液中的血紅蛋白結(jié)合，進而排擠血紅蛋白與氧氣的結(jié)合，從而出現(xiàn)缺氧，這就是一氧中毒。常見于家庭居室通風(fēng)差的情況下，煤爐產(chǎn)生的煤氣或液化氣管道漏氣或工業(yè)生產(chǎn)煤氣以及礦井中的一氧化碳吸入而致中毒。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 系統(tǒng)硬件總體框圖設(shè)計

一氧化碳檢測儀是一種用于公共場所及室內(nèi)具有檢測及超限報警功能的儀器。其設(shè)計方案基于AVR單片機、A/D轉(zhuǎn)換器、時鐘芯片、顯示模塊、聲光振報警、無線通訊、繼電器模塊、外圍擴展數(shù)據(jù)存儲、ME3-CO 型電化學(xué)傳感器；硬件結(jié)構(gòu)框如圖1所示。

圖1 一氧化碳檢測儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖2 ME 3 型電化學(xué)傳感器實物圖

1.2 一氧化碳氣體傳感器

一氧化碳電化學(xué)傳感器，采用煒盛電子科技公司生產(chǎn)的ME3-CO型電化學(xué)傳感器如圖2所示。ME3 型電化學(xué)氣體傳感器一般均有三個引腳，分別為工作電極、對電極和參考電極。

1.3 一氧化碳氣體傳感器電路設(shè)計

一氧化碳電化學(xué)傳感器信號調(diào)理電路如圖 3所示，從圖中可以看出U10B運算放大AD5552構(gòu)成電流—電壓轉(zhuǎn)換電路，U10A運算放大器AD5552構(gòu)成一個差分輸入放大器，用于工作電極和參比電極之間電位與所需工作偏執(zhí)電位的比較建立恒壓電路。

圖 3 一氧化碳電化學(xué)傳感器信號調(diào)理電路

2 一氧化碳氣體檢測儀軟件設(shè)計

2.1 主程序流程圖設(shè)計

系統(tǒng)主程序流程圖如圖4所示。

2.2 數(shù)字濾波子程序設(shè)計

氣體傳感器在對氣體濃度采樣時會遇到尖脈沖干擾的現(xiàn)象，需要對數(shù)據(jù)進行數(shù)字濾波，具體的方式為：先對 N個采樣數(shù)據(jù)進行比較，去掉其中的最大值和最小值，然后計算余下 N-2 個數(shù)據(jù)的算術(shù)平均值，最后將算術(shù)平均值送至寄存器。該檢測儀 N 取 10，即調(diào)用 A/D 轉(zhuǎn)換連續(xù)進行10 次采樣。

3 系統(tǒng)調(diào)試

一氧化碳電化學(xué)傳感器是三極型傳感器，一氧化碳氣體從透氣孔擴散進入傳感器內(nèi)部，經(jīng)過過濾器和透氣膜到工作電極，在工作電極表面催化劑的作用下發(fā)生氧化反應(yīng)，在反應(yīng)過程中釋放了 H+和e-，通過電解液轉(zhuǎn)移到同在電解液中的對電極上，在對電極上，H+和 e-又與電解液中的氧氣分子結(jié)合，發(fā)生還原反應(yīng)。整個過程反應(yīng)方程式如式（1）、（2）所示。

整理得到式（3）

圖4 主程序流程圖

單純從反應(yīng)方式中可以看出，一氧化碳在傳感器內(nèi)進行了一系列氧化還原反應(yīng)，傳感器內(nèi)部并無資源消耗，但是電解液的儲存期限和催化劑的活性是有期限的，因此電化學(xué)傳感器壽命也是有限的，一般為 2～3 年。因為在工作電極和對電極上進行氧化還原反應(yīng)，一定會造成電極極化，促使電極間電位不穩(wěn)定，從而造成對一氧化碳可測量范圍的誤差，因此引入?yún)⒖茧姌O不參加氧化還原反應(yīng)，從而使電極間電位恒定。

4 檢測儀性能實驗

4.1 誤差實驗

分別用三種不同濃度標準氣體進行誤差的實驗，數(shù)值穩(wěn)定后記錄，數(shù)據(jù)表明誤差均在合理范圍內(nèi)，實驗結(jié)果如表1所示。

表1 一氧化碳氣體（p p m）誤差實驗數(shù)據(jù)表

表2 響應(yīng)時間實驗數(shù)據(jù)表

4.2 響應(yīng)時間實驗

進行響應(yīng)時間實驗之前要用純氮氣吹一氧化碳氣體傳感器進氣孔，持續(xù)一段時間，以保證其不受環(huán)境因素影響。待數(shù)值穩(wěn)定后，通入一定濃度的標準樣氣，并開始計時，待數(shù)值達到標準樣氣濃度的 90%，記錄所需時間，即為響應(yīng)時間，實驗數(shù)據(jù)如表2所示。

從實驗結(jié)果中可以看出，設(shè)計的一氧化碳氣體檢測儀的各項性能指標均符合設(shè)計要求，通過表1可以看出一氧化碳相對誤差均在 5%以下，符合設(shè)計要求和國家標注。由表2可以看出檢測儀對一氧化碳的響應(yīng)時間均小于 30 秒，符合設(shè)計要求和國家標準。檢測儀在控制誤差和響應(yīng)時間上得到了提高。

5 結(jié)語

對一氧化碳檢測儀樣機進行了誤差實驗和響應(yīng)時間實驗，并得出了誤差和響應(yīng)時間等相關(guān)實驗數(shù)據(jù)，通過對實驗數(shù)據(jù)的分析證明了一氧化碳檢測儀各項參數(shù)指標均符合設(shè)計要求。

[1]S Y 6503-2000 可燃氣體檢測報警使用規(guī)范[S].

[2]胡會利.李寧.電化學(xué)測量 [M].北京:國防工業(yè)出版社,2007

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