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1 系統概況
XDB-WQ04船舶尾氣監測系統，核心檢測器件以紅外氣體傳感器、電化(huà)學氣體傳感器爲主，氣體通(tōng)過預處理(lǐ)系統、氣體采集系統、傳感器信号處理(lǐ)與采集系統、數據處理(lǐ)與存儲系統、信号傳輸系統、電源控制與轉換系統等組成。該儀器用(yòng)于固定源檢測，在盡短時(shí)間裏判斷出污染物(wù)的(de)濃度，爲及時(shí)、正确的(de)處理(lǐ)、處置污染事故和(hé)制定恢複措施提供科學的(de)決策依據。
1.1 設計方案簡介
船舶尾氣監測系統是用(yòng)于檢測SO2、NO2、CO2、NO氣體濃度，應用(yòng)于因突發性因數造成的(de)環境污染事故，爲及時(shí)、正确的(de)處理(lǐ)、處置污染事故和(hé)制定恢複措施提供科學的(de)決策依據。
綜合考慮所要實現的(de)功能及儀器體積、功耗等因素，檢測儀采用(yòng)一體化(huà)設計，最大(dà)程度上集成了(le)所需要的(de)各個(gè)部件。
船舶尾氣監測系統主要由供電模塊，氣路系統，主控系統，尾氣傳感模塊組，通(tōng)訊模塊以及存儲部分(fēn)組成。
1.2 氣體檢測傳感器工作原理(lǐ)
檢測原理(lǐ)：
1、氣體電化(huà)學傳感器檢測原理(lǐ)
電化(huà)學傳感器通(tōng)過與被測氣體發生化(huà)學反應并産生與氣體濃度成正比的(de)電信号來(lái)工作，其原理(lǐ)如下(xià)圖所示：
圖：電化(huà)學傳感器原理(lǐ)圖
電化(huà)學毒氣傳感器是一種微燃料電池元件，不必保養而可(kě)以有長(cháng)期的(de)穩定性。它是在原有的(de)氧氣傳感器的(de)基礎上改進而得(de)，它可(kě)以直接反映出氣體濃度而不必通(tōng)過分(fēn)壓來(lái)反映。
從電化(huà)學概念上來(lái)說，傳感器包括兩個(gè)電極—感應電極和(hé)負電極，它們被一層電解質薄膜分(fēn)離開來(lái)，它們被一個(gè)塑料殼密封起來(lái)，隻留有一個(gè)小孔允許氣體進入感應電極，傳感器内的(de)電極通(tōng)過引腳被連接到所應用(yòng)的(de)設備上。引腳還(hái)可(kě)以與外部的(de)電阻電路相連，這(zhè)樣當有電流通(tōng)過是就可(kě)以測出電勢差。擴散進入傳感器的(de)氣體在感應電極表面發生氧化(huà)或還(hái)原反應，在另一電極發生與之相對(duì)的(de)逆反應，在外部電路上形成電流。由于氣體進入傳感器的(de)速度由栅孔控制，所以産生的(de)電流與傳感器外氣體濃度成比例，就可(kě)以直接測量當前毒氣含量了(le)。
其主要特征設計部件是氣體擴散栅欄，它可(kě)以限制進入感應電極的(de)氣流，使所有目标氣體都可(kě)以到達電極表面與之反應，并且具有持續的(de)化(huà)學活性，使得(de)傳感器具有長(cháng)使用(yòng)壽命和(hé)良好的(de)溫度穩定性。
例如：一氧化(huà)碳傳感器的(de)電極發上發生的(de)反應是:
感應電極: CO + H2O→CO2 + 2H+ + 2e-
逆電極: ½O2 + 2H+ + 2e- →H2O
總反應方程式: CO + ½O2 →CO2
類似的(de)反應也(yě)發生在能被氧化(huà)或還(hái)原的(de)所有其它毒氣。
2、氣體紅外傳感器檢測原理(lǐ)
衆所周知，1、很多(duō)材料能吸收紅外輻射（由于分(fēn)子内振動）。 2、對(duì)任何一種材料，它的(de)吸收能力随波長(cháng)（它的(de)吸收光(guāng)譜）變化(huà)而變化(huà)。 3、不同材料有不同的(de)吸收光(guāng)譜。 紅外氣體傳感器運作的(de)基本原理(lǐ)是依靠對(duì)以上事實的(de)發現。表1中顯示了(le)典型的(de)紅外光(guāng)譜，包括一氧化(huà)碳、丙烷、己烷和(hé)二氧化(huà)碳。
表： 吸收光(guāng)譜
船舶尾氣監測系統技術參數
一、 系統組成
※1、主要監測指标: 二氧化(huà)硫（原理(lǐ)爲定電位電解法）、二氧化(huà)氮（原理(lǐ)爲定電位電解法）、一氧化(huà)氮（原理(lǐ)爲定電位電解法）、二氧化(huà)碳（原理(lǐ)爲非色散紅外法）。
※2、其它指标：溫度（原理(lǐ)爲電阻或熱(rè)電偶式）、相對(duì)濕度（原理(lǐ)爲電阻式或電容式濕敏法）；
3、設備功能：正常工況下(xià)采用(yòng)4G信号将所采集的(de)數據發送至服務器。海上無4G信号時(shí)設備采用(yòng)LORA與巡邏艇的(de)接收端進行數據通(tōng)信，并由接收端将數據轉發至服務器。GPS用(yòng)于定位設備工作位置。配備TF卡進行數據存儲。
4、設備爲一體式設計，檢測參數抗交叉幹擾能力強。
5、采樣系統：由采樣頭、預處理(lǐ)、1L/min無刷隔膜氣泵、過濾器等組成。
6、數據傳輸：兼容性好，内置标準自定義協議(yì)與服務器或船載無線通(tōng)信設備進行通(tōng)信。
二、 性能特點
※1、一體化(huà)設計可(kě)同時(shí)監測二氧化(huà)硫、二氧化(huà)氮、一氧化(huà)氮、二氧化(huà)碳、溫度、濕度；
2、内置4G、LORA模塊，可(kě)實現實時(shí)監測數據的(de)傳輸；
※3、内置無刷氣泵并可(kě)通(tōng)過PWM控制氣體流量；
※4、采用(yòng)進口高(gāo)靈敏度的(de)傳感器，響應速度快(kuài)，分(fēn)辨率高(gāo)，線性好，檢測下(xià)限需達要求技術指标；
※5、提供主電、備電雙接口；可(kě)自動切換确保傳感器實時(shí)處于準備監測工作狀态；
6、應用(yòng)單片機技術和(hé)網絡通(tōng)訊技術相結合，内置TF數據卡存儲功能，要求數據存儲爲.csv文件；并可(kě)以通(tōng)過USB接口将數據轉存至計算(suàn)機，利用(yòng)excel等軟件即可(kě)查看數據；
7、系統要求性能穩定、精确度高(gāo)、操作方便、易于維護，具有工作狀态提醒等功能。
三、儀器性能指标
指标：（1）監測指标：二氧化(huà)硫、二氧化(huà)氮、一氧化(huà)氮、二氧化(huà)碳、溫度、濕度。
XDB-WQ04船舶尾氣監測系統，核心檢測器件以紅外氣體傳感器、電化(huà)學氣體傳感器爲主，氣體通(tōng)過預處理(lǐ)系統、氣體采集系統、傳感器信号處理(lǐ)與采集系統、數據處理(lǐ)與存儲系統、信号傳輸系統、電源控制與轉換系統等組成。該儀器用(yòng)于固定源檢測，在盡短時(shí)間裏判斷出污染物(wù)的(de)濃度，爲及時(shí)、正确的(de)處理(lǐ)、處置污染事故和(hé)制定恢複措施提供科學的(de)決策依據。
1.1 設計方案簡介
船舶尾氣監測系統是用(yòng)于檢測SO2、NO2、CO2、NO氣體濃度，應用(yòng)于因突發性因數造成的(de)環境污染事故，爲及時(shí)、正确的(de)處理(lǐ)、處置污染事故和(hé)制定恢複措施提供科學的(de)決策依據。
綜合考慮所要實現的(de)功能及儀器體積、功耗等因素，檢測儀采用(yòng)一體化(huà)設計，最大(dà)程度上集成了(le)所需要的(de)各個(gè)部件。
船舶尾氣監測系統主要由供電模塊，氣路系統，主控系統，尾氣傳感模塊組，通(tōng)訊模塊以及存儲部分(fēn)組成。
1.2 氣體檢測傳感器工作原理(lǐ)
檢測原理(lǐ)：
1、氣體電化(huà)學傳感器檢測原理(lǐ)
電化(huà)學傳感器通(tōng)過與被測氣體發生化(huà)學反應并産生與氣體濃度成正比的(de)電信号來(lái)工作，其原理(lǐ)如下(xià)圖所示：
圖：電化(huà)學傳感器原理(lǐ)圖
電化(huà)學毒氣傳感器是一種微燃料電池元件，不必保養而可(kě)以有長(cháng)期的(de)穩定性。它是在原有的(de)氧氣傳感器的(de)基礎上改進而得(de)，它可(kě)以直接反映出氣體濃度而不必通(tōng)過分(fēn)壓來(lái)反映。
從電化(huà)學概念上來(lái)說，傳感器包括兩個(gè)電極—感應電極和(hé)負電極，它們被一層電解質薄膜分(fēn)離開來(lái)，它們被一個(gè)塑料殼密封起來(lái)，隻留有一個(gè)小孔允許氣體進入感應電極，傳感器内的(de)電極通(tōng)過引腳被連接到所應用(yòng)的(de)設備上。引腳還(hái)可(kě)以與外部的(de)電阻電路相連，這(zhè)樣當有電流通(tōng)過是就可(kě)以測出電勢差。擴散進入傳感器的(de)氣體在感應電極表面發生氧化(huà)或還(hái)原反應，在另一電極發生與之相對(duì)的(de)逆反應，在外部電路上形成電流。由于氣體進入傳感器的(de)速度由栅孔控制，所以産生的(de)電流與傳感器外氣體濃度成比例，就可(kě)以直接測量當前毒氣含量了(le)。
其主要特征設計部件是氣體擴散栅欄，它可(kě)以限制進入感應電極的(de)氣流，使所有目标氣體都可(kě)以到達電極表面與之反應，并且具有持續的(de)化(huà)學活性，使得(de)傳感器具有長(cháng)使用(yòng)壽命和(hé)良好的(de)溫度穩定性。
例如：一氧化(huà)碳傳感器的(de)電極發上發生的(de)反應是:
感應電極: CO + H2O→CO2 + 2H+ + 2e-
逆電極: ½O2 + 2H+ + 2e- →H2O
總反應方程式: CO + ½O2 →CO2
類似的(de)反應也(yě)發生在能被氧化(huà)或還(hái)原的(de)所有其它毒氣。
2、氣體紅外傳感器檢測原理(lǐ)
衆所周知，1、很多(duō)材料能吸收紅外輻射（由于分(fēn)子内振動）。 2、對(duì)任何一種材料，它的(de)吸收能力随波長(cháng)（它的(de)吸收光(guāng)譜）變化(huà)而變化(huà)。 3、不同材料有不同的(de)吸收光(guāng)譜。 紅外氣體傳感器運作的(de)基本原理(lǐ)是依靠對(duì)以上事實的(de)發現。表1中顯示了(le)典型的(de)紅外光(guāng)譜，包括一氧化(huà)碳、丙烷、己烷和(hé)二氧化(huà)碳。
表： 吸收光(guāng)譜
船舶尾氣監測系統技術參數
一、 系統組成
※1、主要監測指标: 二氧化(huà)硫（原理(lǐ)爲定電位電解法）、二氧化(huà)氮（原理(lǐ)爲定電位電解法）、一氧化(huà)氮（原理(lǐ)爲定電位電解法）、二氧化(huà)碳（原理(lǐ)爲非色散紅外法）。
※2、其它指标：溫度（原理(lǐ)爲電阻或熱(rè)電偶式）、相對(duì)濕度（原理(lǐ)爲電阻式或電容式濕敏法）；
3、設備功能：正常工況下(xià)采用(yòng)4G信号将所采集的(de)數據發送至服務器。海上無4G信号時(shí)設備采用(yòng)LORA與巡邏艇的(de)接收端進行數據通(tōng)信，并由接收端将數據轉發至服務器。GPS用(yòng)于定位設備工作位置。配備TF卡進行數據存儲。
4、設備爲一體式設計，檢測參數抗交叉幹擾能力強。
5、采樣系統：由采樣頭、預處理(lǐ)、1L/min無刷隔膜氣泵、過濾器等組成。
6、數據傳輸：兼容性好，内置标準自定義協議(yì)與服務器或船載無線通(tōng)信設備進行通(tōng)信。
二、 性能特點
※1、一體化(huà)設計可(kě)同時(shí)監測二氧化(huà)硫、二氧化(huà)氮、一氧化(huà)氮、二氧化(huà)碳、溫度、濕度；
2、内置4G、LORA模塊，可(kě)實現實時(shí)監測數據的(de)傳輸；
※3、内置無刷氣泵并可(kě)通(tōng)過PWM控制氣體流量；
※4、采用(yòng)進口高(gāo)靈敏度的(de)傳感器，響應速度快(kuài)，分(fēn)辨率高(gāo)，線性好，檢測下(xià)限需達要求技術指标；
※5、提供主電、備電雙接口；可(kě)自動切換确保傳感器實時(shí)處于準備監測工作狀态；
6、應用(yòng)單片機技術和(hé)網絡通(tōng)訊技術相結合，内置TF數據卡存儲功能，要求數據存儲爲.csv文件；并可(kě)以通(tōng)過USB接口将數據轉存至計算(suàn)機，利用(yòng)excel等軟件即可(kě)查看數據；
7、系統要求性能穩定、精确度高(gāo)、操作方便、易于維護，具有工作狀态提醒等功能。
三、儀器性能指标
指标：（1）監測指标：二氧化(huà)硫、二氧化(huà)氮、一氧化(huà)氮、二氧化(huà)碳、溫度、濕度。
| 序号 | 指标名稱 | 監測技術方法 | 主要技術參數 | 必須滿足項 |
| 1 | 二氧化(huà)硫 | 泵吸式，電化(huà)學法 | 測量範圍：0 - 2 PPM；精度：±5% FS | |
| 2 | 二氧化(huà)氮 | 泵吸式，電化(huà)學法 | 測量範圍：0 - 2 PPM；精度：±5% FS | |
| 3 | 一氧化(huà)氮 | 泵吸式，電化(huà)學法 | 測量範圍：0 - 2 PPM；精度：±5% FS | |
| 4 | 二氧化(huà)碳 | 泵吸式，NDIR法 | 測量範圍：0 - 5000 PPM；精度： ±3%FS | 采用(yòng)雙通(tōng)道檢測，需具有參考光(guāng)路 |