南京工业大学分析仪器课程设计报告,亲测完美

南京工业大学自动化与电气工程学院课程设计报告（20XX—20XX学年第一学期）课程名称：分析仪器课程设计班级：学号：姓名：任课教师：一、课程设计时间201X.XX.XX——201X.XX.XX二、课程设计地点D楼XXX三、指导老师XXX四、课程设计题目1．新型数字红外传感器单组分分析系统设计2．QD-500 mcu 80c196测控系统3．在PC机上编写接收QD-500数据的软件4．翻译LDS激光原位分析仪的英文资料以及查找资料的中文说明五、课程设计内容一．新型数字红外传感器单组分分析系统设计目的：采用S_Model数字红外传感器实时检测某化学成分(CH4) 及其含量；并利用c8051F120及其他功能芯片构建分析仪的测控系统。

要求设计分析系统中的完整分析流路，该流路包括样气处理及分析流路，样气旁路流路，零点标准气的标定流路。

设计该分析系统中测控系统的电原理图和完成测控系统的PCB电路板设计。

设计要求：1.分析系统的概述（包括系统的作用，功能，特点）分析仪器主要是在工业流程中，对物化过程中的物质成分或物理状态进行连续检测和构成控制系统的主要装备。

在线分析仪器用于化工、石油、煤炭、钢铁等行业生产过程和环境保护中，对生产过程中的最终产品和过程样品的组分含量进行分析，其测量结果可作对过程控制的重要参数。

由于控制目标要求的组分可能为多个。

因此采用多检测器组合为一台分析仪器，通过嵌入式测控系统达到对同一待测样品的组分分析。

计算机控制系统在过程控制领域的广泛应用，提高了生产的自动化和信息化水平，促进了生产效率和经济效益的提高。

在化工、石油、制药、环保等方面，控制的最终目标是质量指标，即产品的组成成分及其含量指标。

因此直接质量控制（DQC）是进一步提高经济效益，实现绿色环保、绿色生产的必然途径。

目前在过程控制中，主要仍采取间接控制，由常规仪表所测的温度、压力、流量等参数，间接实现对过程及最终产品的质量目标控制。

在线单一组分分析仪器则具有快速连续测量的特点，通过多台分析检测器的组合可实现对过程控制中若干重要组分的检测，其检测信息与常规检测参数一起作为反馈量进入闭环控制系统，可达到直接质量控制的目标。

采用S_Model数字红外传感器实时检测某化学成分(CH4) 及其含量,能够起到环境污染控制，废气检测，气体过程控制，气体指数控制，防爆安全等功能。

它的主要特性及优点是：气体传感器使用红外探测技术（NDIR），高端校准气体传感器，内置电子电路，数字输出，满足EN 50 194标准，可调报警门限，输出总线端口(Modbus 协议)，小型、便于集成，使用寿命大于10年。

它的特性为：检测最低限到ppm级，高精度，宽动态范围，稳定可靠的红外光源，适用于长时间的在线检测，没有损耗件，不会有产品再投入。

用于气体检测的传感器模块：使用非分散式红外辐射技术并且集成稳定的红外光源，配置高可靠性能的光电探测器，此传感器达到长效的稳定性能。

此传感器是市场上唯一一个满足欧洲50 194 标准的低成本传感器。

它含有数字输出，以及可以用于自编译的诊断功能。

2.红外检测器的分析检测原理，半导体光源与发射波长的关系，CH4检测对波长的要求红外检测器的分析检测原理:由于各种物质的分子本身都固有一个特定的振动和转动额率，只有在红外光谱的频率与分子本身的特定额率相一致时，这种分子才能吸收红外光谱辐射能。

大多数气态物质在红外区域内都具有特征吸收谱线，即显著吸收某些特定波长的红外线；而那些无极性、双分子及单原子分子气体则没有吸收谱线。

由于气体物质的特征吸收谱线总是存在一定的频带宽带，因此红外线分析仪只能用于具有显著特征吸收谱线且混合组分中待测组分与其他组分的吸收谱线无明显交叉的情形。

红外吸收检测原理检测器利用了朗伯—比耳定律，即不同的气体对特定的波长的光有吸收，吸收的强度和气体的浓度成正比，这一原理进行气体浓度的检测。

红外微流检测器利用红外线对气体分析，基于待测分析的组分浓度不同，吸收的辐射能不同，剩下的辐射能能够使得检测器里面的温度升高不同，动片薄片两边所受的压力不同，两气室间会因压差变化在管道中形成微流，产生一个电容检测器的电信号，这样可以间接测量出待分析组分的浓度。

传感器通过样品池与参比池的红外线光谱信号转变为电信号。

这样就要求过程分析中入射样品的红外光源具有特定的频带宽度，其检测的电信号要求良好、稳定的特性，当存在背景组分交叉干扰时有良好的消除干扰性能。

具有如下的特点：一体化结构，体积小，光路合理；系列化，可通过改变滤光片，气体滤光器气室所充的参比气体，及红外微流传感器的接收气体，实现对不同组分含量的分析检测；可组合化，单双光路的选择，实现混合样品中两个组分含量的检测，或单组分及背景气中干扰组分的同时测量；微流传感器的使用，提高了检测的稳定性和可靠性红外线分析器，按结构和测量原理可分为两种类型，即“正式”和“负式”两类。

“负式”红外线分析器，它的特点是进入测量气室的混合气体中待测组分的浓度越大，则测量元件输出的信号越小，即待测组分的浓度与输出信号成反比的关系。

由于这种形式的仪表灵敏度较低，因而近十几年来负式结构应用在减少。

现在常用的红外线分析器“正式”占多数。

它的特点是进入测量气室的混合气体中待测组分的浓度越大，则测量元件输出的信号也越大，即待测组分的浓度与输出信号成正比的关系。

其关系服从朗伯-比耳定律公式：通常检测器测出信号为透射率T：显然，当C和d较小时，T与C近似为正比关系。

半导体光源与发射波长的关系：半导体光电器件的工作波长是和制作器件所用的半导体材料的种类相关的。

半导体材料中存在着导带和价带，导带上面可以让电子自由运动，而价带下面可以让空穴自由运动，导带和价带之间隔着一条禁带，当电子吸收了光的能量从价带跳跃到导带中去时，就把光的能量变成了电，而带有电能的电子从导带跳回价带，又可以把电的能量变成光，这时材料禁带的宽度就决定了光电器件的工作波长。

材料科学的发展使我们能采用能带工程对半导体材料的能带进行各种精巧的裁剪，使之能满足我们的各种需要并为我们做更多的事情，也能使半导体光电器件的工作波长突破材料禁带宽度的限制扩展到更宽的范围。

由普朗克辐射定律的公式 215(1)T C T C E e λλλ=- 其中：1C ，2C 为黑体常数，1C =3.7444210./W m Cm μ⨯，2C =14380.m μ℃ 可得温度影响波长，不同温度下的最大点不一样，发出的波长不一样。

CH4检测对波长的要求：当红外光通过待测气体时,被测气体分子就要对特定波长(CH 4中红外区特定吸收波长为2.4μm 、3. 4μm 、7.9μm)的红外光有较强吸收作用,其吸收关系服从朗伯—比尔(Lambert-Beer)吸收定律，出射光强为式中 I 为出射光强; I 0为入射光强;μ为被测气体的吸收系数;C 为被测气体体积分数;L 为辐射通过被测气体介质的光程。

因此要求对不同组分气体分析时，进入样品池的红外频谱要窄一些，且应包含该物质的吸收谱线。

同时在结果处理时，对干扰组分对待测组分的影响要有良好的排除。

3. 单组分分析流路结构图及其说明。

流路含取样器，预处理器，按实验的分析系统配接流量计，调节阀，样气旁路。

并说明各部分的作用。

单组分分析流路结构图分析流路：对于分析仪器来说，要求过程分析中的进样气检测电信号稳定，背景组分交叉干扰可以有良好的消除干扰性能，分析流路与传统测控系统类似，主要包括装置预处理和检测回路。

预处理主要用于去尘、除杂、脱水、稳流、净化样品等，检测回路也即旁路主要用于大部分组分回流，循环处理。

一般分析流路设计过程中包括如下流程：装置预处理脱水放空流量计稳流净化回装置分析传感器旁路分析流路中包含了样气进气口、开关球阀、钢瓶（零点气、量程气）、气体过滤器、压力表、放空流量计、干燥剂、精细过滤器、样气流量计、放散器、二位一通切换阀等等。

其中取样器包含了钢瓶（以及进样钢瓶）、开关球阀、二位一通切换阀等，提供了样品的采样通道。

预处理部分包括了气体过滤器、干燥剂、精细过滤器等。

取样器作用：完成被测气体的取样及第一级粗过滤，温控器可以对整个过滤腔进行温度调节。

预处理的作用：预处理装置的作用与功能:保证过程分析仪器的长期在线运行;保证仪器分析检测的精确与可靠。

新型数字红外传感器预处理装置的主要职能:去尘,除杂,脱水, 稳流,净化样品,保持样品性质。

旁路作用：主要作用是稳定进入气体分析仪的流量，减少取样到分析仪器的时间，实现实时测量工作气体组分含量变化，可以解决因管路太长造成的延迟。

放散流量计：压力表显示气体的压力，间接得到流速的变化趋势，可以达到稳流目的，调节进气的流速，提供稳压的气体。

监视、调整、放散多余的样品流量。

气路控件阀件：工作-校对切换阀：用于切换工作流量气或样品标准气。

样品流量调节阀：用于调节进入分析仪的流量。

气泵循环工作调节阀：用于调节抽气泵的输出流量。

干燥剂：对样气中的水分处理，若有水分进入传感器内，可能腐蚀仪器还会对气体的浓度造成影响，使得测量不准确，因此一般进行检测时都会进行预处理，相应的干燥、过滤净化等减少水分的进入。

过滤器：过滤器由内外两部分组成，气体由内部到外部渗透，过滤器内部由结构紧密的纤维组成，过滤面积大，在通过过滤表面时，气体中的粒子受重力的作用降至过滤器的玻璃容器中，当流体达到饱和状态时，过滤器仍能保持良好的效能，结合紧密的微细纤维起到阻滞样气内杂质粒子的作用。

精细过滤器承担样气进入仪器前的最后一级精过滤任务，同时监视前处理的净化效率。

特点是过滤面积大，直观，更换过滤器方便。

4. 分析系统操作对测控系统的功能要求。

S_Model 数字红外传感器与测控系统间检测结果的传送方式，即对测控系统的要求。

分析系统操作对测控系统的功能要求针对新型数字红外传感器，测控系统应承担分析检测器检测信号的处理、数字化、仪器操作与控制，在线下的自动检测、自动标定，与计算机系统间的信息通讯等功能。

研究测控平台必须能对各种不同分析检测器组合下的测控系统均能予以支持，为此必须对以上功能加以分析，从而构建其硬件平台。

该硬件为模块化设计，各模块具有独立结构，可适应不同检测器组合情形下的选择要求。

对现代化计算机提出了要求，现代化仪器应该做到：数字化：仪器所分析检测的组分信号以数字形式进行数据处理、数据显示和数据通信。

智能化：对仪器的在线分析过程进行自动操作控制，故障的自诊断、标准样品的自动标定，并逐步将智能处理技术融入到复杂的预处理和在线分析过程中。

网络化：适应过程计算机控制系要求的局域网、公用网等传输模式。

这些功能都要在过程分析仪器的测控系统中实现，系统在完成的同时，还应具有可靠性高、实时性和可嵌入式等特点。

对于测控系统中的测控平台，要求模块化、C语言编程、实时中断处理，多任务结构等便于产品的更新换代。