甲烷濃度、池液pH值與沼氣檢漏報警一體化測試儀

摘要：本文從應用出發，提出一種采用紅外甲烷測量與電極PH測量結合的一體化測定儀方案，討論并設計出一體化測定儀的總體結構，研究了紅外甲烷測量濃度測量原理及采用相關傳感器的性能。重點研究pH值測量原理，設計出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轉換功能的單片機進行數據處理，給出主程序原理框圖。

關鍵詞：甲烷濃度 pH值 沼氣制取

0 引言

利用秸稈制取沼氣，其附產物還可作為有機肥料，因此，這是一個解決秸稈焚燒，提高綜合應用的有效方案之一，而在沼氣生產中甲烷濃度和池液的pH值是最重要的參數，通過對這些參數的檢測，可確定更換生產原料、調整池液的pH值的時間，從而達到最大產能。目前甲烷檢測方法主要有熱催化法、熱導檢測法、光學甲烷檢測法、氣敏半導體檢測法、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、熱導檢測法分別在低濃度和中高濃度的區階有較高的靈敏度，全量程甲烷濃度測量時，可以將熱傳導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，性能穩定性也差，而且使用前需要標定，且易產生漂移。基于紅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，由于電極產生的電荷量較小，引起的電位差也較小，因此，設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。總體方案如框圖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、數據調理與轉換、通信等部分組成。傳感器采集甲烷濃度數據后，將其轉換成數字量或模擬量，通過接口傳送給主控CPU。由主控CPU設置其作為濃度檢測或檢漏報警測量傳感器，進行濃度檢測時，以百分含量形式顯示出來；報警測量時，以%LEL濃度顯示，當濃度達到設定值時，發出聲光報警；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值信號經偏置放大轉換后送中央處理器進行處理、存儲與顯示。測量過程中，同時采集測量環境下的溫度信號，用以對所測數據進行修正。pH值測量前，需使用標準液進行標定，本設計中采用1點校正的方式編程。

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生的光程差，引起干涉條紋移動來實現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 熱導式

熱導式是利用甲烷與空氣熱導率之差來實現甲烷濃度的測定。

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 氣敏半導體式

氣敏半導體的種類較多，如氧化錫、氧化鋅等燒結型金屬氧化物。這一原理是利用氣敏半導體被加熱到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生電離，在氣體介質中的兩個電極之間便有電流產生。測量空氣介質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計

每種氣體分子都有自己的吸收（或輻射）譜特征，即當光源的發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，進而使吸收后的光強發生變化，因此，建立光強與對應氣體濃度關系數學模型后，通過檢測氣體透射光強或反射光強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換為分子的振動和轉動能量，使分子振動能級和轉動能級從基態到激發態的躍遷，且吸收的強弱與甲烷氣體濃度正相關，可建立測量的數學模型，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傳感器進行甲烷氣體濃度的測量，它是一種應用上述原理，將紅外吸收氣體檢測技術與微型機械加工、精良電路設計緊密結合，制作出的小巧、性能卓越的紅外氣體傳感器，可廣泛應用于火災探測，爆炸性氣體檢測等。其工作電壓為4.5V～5.5V DC，環境壓力為86kPa～106 kPa，測量后的濃度信號轉換成數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，當溶液中化合物發生離解時，可分解成兩種或更多的帶電粒子（離子），即當分子獲得電子時帶負電荷，亦稱負離子，失去電子時帶正電荷，亦稱正離子。溶液中的正、負離子相對數目決定了溶液的酸堿性。如果正離子多于負離子，溶液就是酸性溶液。反之，如果負離子多于正離子，溶液就為堿性溶液。一般情況下，如純水等穩定的化合物中正、負離子數目相等，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值不同而發生變化。將其與標準顏色進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，也無法進行自動測量。

使用pH電極作為傳感器可以對pH值進行在線連續自動測量，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。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。

本設計使用E201型pH電極，其中緩沖溶液的濃度穩定在pH值為7.0的狀態，當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，就會產生約59.2mV的電勢。由上述知pH值為7.0時的電勢差為0；當pH值大于7.0 時，電極產生正電壓；當溶液的pH值小于7.0時，電極產生負電壓。

4.2 pH值的測量電路分析

本系統的pH值測量采用儀表放大器AD8572。采用單電源5V供電，設計中，采用1.75V的偏置電壓，進行輸入采樣，其pH值測量電路圖2所示。

5 單片機的選用與AD轉換的實現

本設計中有兩種信號需要進行AD轉換，即pH值與溫度信號，常規方案是采用單片機加AD轉換器模式，另一種為選擇帶有AD功能的單片機實現，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12C5A60S2，這是宏晶科技新一代高性能8位單片機，內部集成MAX810復位專用電路，2路PWM，8路高速10位A/D轉換（250K/S），這樣可保證測量精度，又可提高設備的可靠性。設計中，將模擬量分兩路直接輸入給STC單片機的AD端口進行轉換、處理、存儲與顯示。

6 系統軟件的設計

本設計中甲烷濃度由傳感器直接測量，并通過I2C總線傳給單片機進行存儲與顯示。pH值通過采集電極信號和溫度信號經AD轉換處理后進行處理、存儲與顯示，主程序為初始化、功能設置、顯示及傳送等，甲烷濃度讀取和pH值測量等通過子程序實現。主程序流程框圖如圖3所示。

7 結論

本文在研究多種傳感器及其信息采集方法的基礎上，設計了池液pH值、甲烷濃度及泄漏報警等多參數測量系統，并采用軟件算法實現對傳感器測量值的非線性修正。設備具有體積小、重量輕、系統性能穩定等特點，可以在甲烷生產與使用設備的作業過程中，進行對甲烷濃度的在線測量，對pH值進行間歇測量，也可由通信接口接入控制器局域網進行數據采集，實現智能化管理與控制，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，在電氣控制領域有較深入的研究，被多所院校聘為專業建設指導委員會專家。