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1 系統(tǒng)概況
XDB-WQ04船舶尾氣監(jiān)測系統(tǒng)，核心檢測器件以紅外氣體傳感器、電化學氣體傳感器為主，氣體通過預處理系統(tǒng)、氣體采集系統(tǒng)、傳感器信號處理與采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與存儲系統(tǒng)、信號傳輸系統(tǒng)、電源控制與轉換系統(tǒng)等組成。該儀器用于固定源檢測，在盡短時間里判斷出污染物的濃度，為及時、正確的處理、處置污染事故和制定恢復措施提供科學的決策依據(jù)。
1.1 設計方案簡介
船舶尾氣監(jiān)測系統(tǒng)是用于檢測SO2、NO2、CO2、NO氣體濃度，應用于因突發(fā)性因數(shù)造成的環(huán)境污染事故，為及時、正確的處理、處置污染事故和制定恢復措施提供科學的決策依據(jù)。
綜合考慮所要實現(xiàn)的功能及儀器體積、功耗等因素，檢測儀采用一體化設計，最大程度上集成了所需要的各個部件。
船舶尾氣監(jiān)測系統(tǒng)主要由供電模塊，氣路系統(tǒng)，主控系統(tǒng)，尾氣傳感模塊組，通訊模塊以及存儲部分組成。
1.2 氣體檢測傳感器工作原理
檢測原理：
1、氣體電化學傳感器檢測原理
電化學傳感器通過與被測氣體發(fā)生化學反應并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號來工作，其原理如下圖所示：
圖：電化學傳感器原理圖
電化學毒氣傳感器是一種微燃料電池元件，不必保養(yǎng)而可以有長期的穩(wěn)定性。它是在原有的氧氣傳感器的基礎上改進而得，它可以直接反映出氣體濃度而不必通過分壓來反映。
從電化學概念上來說，傳感器包括兩個電極—感應電極和負電極，它們被一層電解質(zhì)薄膜分離開來，它們被一個塑料殼密封起來，只留有一個小孔允許氣體進入感應電極，傳感器內(nèi)的電極通過引腳被連接到所應用的設備上。引腳還可以與外部的電阻電路相連，這樣當有電流通過是就可以測出電勢差。擴散進入傳感器的氣體在感應電極表面發(fā)生氧化或還原反應，在另一電極發(fā)生與之相對的逆反應，在外部電路上形成電流。由于氣體進入傳感器的速度由柵孔控制，所以產(chǎn)生的電流與傳感器外氣體濃度成比例，就可以直接測量當前毒氣含量了。
其主要特征設計部件是氣體擴散柵欄，它可以限制進入感應電極的氣流，使所有目標氣體都可以到達電極表面與之反應，并且具有持續(xù)的化學活性，使得傳感器具有長使用壽命和良好的溫度穩(wěn)定性。
例如：一氧化碳傳感器的電極發(fā)上發(fā)生的反應是:
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
類似的反應也發(fā)生在能被氧化或還原的所有其它毒氣。
2、氣體紅外傳感器檢測原理
眾所周知，1、很多材料能吸收紅外輻射（由于分子內(nèi)振動）。 2、對任何一種材料，它的吸收能力隨波長（它的吸收光譜）變化而變化。 3、不同材料有不同的吸收光譜。 紅外氣體傳感器運作的基本原理是依靠對以上事實的發(fā)現(xiàn)。表1中顯示了典型的紅外光譜，包括一氧化碳、丙烷、己烷和二氧化碳。
表： 吸收光譜
船舶尾氣監(jiān)測系統(tǒng)技術參數(shù)
一、 系統(tǒng)組成
※1、主要監(jiān)測指標: 二氧化硫（原理為定電位電解法）、二氧化氮（原理為定電位電解法）、一氧化氮（原理為定電位電解法）、二氧化碳（原理為非色散紅外法）。
※2、其它指標：溫度（原理為電阻或熱電偶式）、相對濕度（原理為電阻式或電容式濕敏法）；
3、設備功能：正常工況下采用4G信號將所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器。海上無4G信號時設備采用LORA與巡邏艇的接收端進行數(shù)據(jù)通信，并由接收端將數(shù)據(jù)轉發(fā)至服務器。GPS用于定位設備工作位置。配備TF卡進行數(shù)據(jù)存儲。
4、設備為一體式設計，檢測參數(shù)抗交叉干擾能力強。
5、采樣系統(tǒng)：由采樣頭、預處理、1L/min無刷隔膜氣泵、過濾器等組成。
6、數(shù)據(jù)傳輸：兼容性好，內(nèi)置標準自定義協(xié)議與服務器或船載無線通信設備進行通信。
二、 性能特點
※1、一體化設計可同時監(jiān)測二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮、二氧化碳、溫度、濕度；
2、內(nèi)置4G、LORA模塊，可實現(xiàn)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸；
※3、內(nèi)置無刷氣泵并可通過PWM控制氣體流量；
※4、采用進口高靈敏度的傳感器，響應速度快，分辨率高，線性好，檢測下限需達要求技術指標；
※5、提供主電、備電雙接口；可自動切換確保傳感器實時處于準備監(jiān)測工作狀態(tài)；
6、應用單片機技術和網(wǎng)絡通訊技術相結合，內(nèi)置TF數(shù)據(jù)卡存儲功能，要求數(shù)據(jù)存儲為.csv文件；并可以通過USB接口將數(shù)據(jù)轉存至計算機，利用excel等軟件即可查看數(shù)據(jù)；
7、系統(tǒng)要求性能穩(wěn)定、精確度高、操作方便、易于維護，具有工作狀態(tài)提醒等功能。
三、儀器性能指標
指標：（1）監(jiān)測指標：二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮、二氧化碳、溫度、濕度。
XDB-WQ04船舶尾氣監(jiān)測系統(tǒng)，核心檢測器件以紅外氣體傳感器、電化學氣體傳感器為主，氣體通過預處理系統(tǒng)、氣體采集系統(tǒng)、傳感器信號處理與采集系統(tǒng)、數(shù)據(jù)處理與存儲系統(tǒng)、信號傳輸系統(tǒng)、電源控制與轉換系統(tǒng)等組成。該儀器用于固定源檢測，在盡短時間里判斷出污染物的濃度，為及時、正確的處理、處置污染事故和制定恢復措施提供科學的決策依據(jù)。
1.1 設計方案簡介
船舶尾氣監(jiān)測系統(tǒng)是用于檢測SO2、NO2、CO2、NO氣體濃度，應用于因突發(fā)性因數(shù)造成的環(huán)境污染事故，為及時、正確的處理、處置污染事故和制定恢復措施提供科學的決策依據(jù)。
綜合考慮所要實現(xiàn)的功能及儀器體積、功耗等因素，檢測儀采用一體化設計，最大程度上集成了所需要的各個部件。
船舶尾氣監(jiān)測系統(tǒng)主要由供電模塊，氣路系統(tǒng)，主控系統(tǒng)，尾氣傳感模塊組，通訊模塊以及存儲部分組成。
1.2 氣體檢測傳感器工作原理
檢測原理：
1、氣體電化學傳感器檢測原理
電化學傳感器通過與被測氣體發(fā)生化學反應并產(chǎn)生與氣體濃度成正比的電信號來工作，其原理如下圖所示：
圖：電化學傳感器原理圖
電化學毒氣傳感器是一種微燃料電池元件，不必保養(yǎng)而可以有長期的穩(wěn)定性。它是在原有的氧氣傳感器的基礎上改進而得，它可以直接反映出氣體濃度而不必通過分壓來反映。
從電化學概念上來說，傳感器包括兩個電極—感應電極和負電極，它們被一層電解質(zhì)薄膜分離開來，它們被一個塑料殼密封起來，只留有一個小孔允許氣體進入感應電極，傳感器內(nèi)的電極通過引腳被連接到所應用的設備上。引腳還可以與外部的電阻電路相連，這樣當有電流通過是就可以測出電勢差。擴散進入傳感器的氣體在感應電極表面發(fā)生氧化或還原反應，在另一電極發(fā)生與之相對的逆反應，在外部電路上形成電流。由于氣體進入傳感器的速度由柵孔控制，所以產(chǎn)生的電流與傳感器外氣體濃度成比例，就可以直接測量當前毒氣含量了。
其主要特征設計部件是氣體擴散柵欄，它可以限制進入感應電極的氣流，使所有目標氣體都可以到達電極表面與之反應，并且具有持續(xù)的化學活性，使得傳感器具有長使用壽命和良好的溫度穩(wěn)定性。
例如：一氧化碳傳感器的電極發(fā)上發(fā)生的反應是:
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
類似的反應也發(fā)生在能被氧化或還原的所有其它毒氣。
2、氣體紅外傳感器檢測原理
眾所周知，1、很多材料能吸收紅外輻射（由于分子內(nèi)振動）。 2、對任何一種材料，它的吸收能力隨波長（它的吸收光譜）變化而變化。 3、不同材料有不同的吸收光譜。 紅外氣體傳感器運作的基本原理是依靠對以上事實的發(fā)現(xiàn)。表1中顯示了典型的紅外光譜，包括一氧化碳、丙烷、己烷和二氧化碳。
表： 吸收光譜
船舶尾氣監(jiān)測系統(tǒng)技術參數(shù)
一、 系統(tǒng)組成
※1、主要監(jiān)測指標: 二氧化硫（原理為定電位電解法）、二氧化氮（原理為定電位電解法）、一氧化氮（原理為定電位電解法）、二氧化碳（原理為非色散紅外法）。
※2、其它指標：溫度（原理為電阻或熱電偶式）、相對濕度（原理為電阻式或電容式濕敏法）；
3、設備功能：正常工況下采用4G信號將所采集的數(shù)據(jù)發(fā)送至服務器。海上無4G信號時設備采用LORA與巡邏艇的接收端進行數(shù)據(jù)通信，并由接收端將數(shù)據(jù)轉發(fā)至服務器。GPS用于定位設備工作位置。配備TF卡進行數(shù)據(jù)存儲。
4、設備為一體式設計，檢測參數(shù)抗交叉干擾能力強。
5、采樣系統(tǒng)：由采樣頭、預處理、1L/min無刷隔膜氣泵、過濾器等組成。
6、數(shù)據(jù)傳輸：兼容性好，內(nèi)置標準自定義協(xié)議與服務器或船載無線通信設備進行通信。
二、 性能特點
※1、一體化設計可同時監(jiān)測二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮、二氧化碳、溫度、濕度；
2、內(nèi)置4G、LORA模塊，可實現(xiàn)實時監(jiān)測數(shù)據(jù)的傳輸；
※3、內(nèi)置無刷氣泵并可通過PWM控制氣體流量；
※4、采用進口高靈敏度的傳感器，響應速度快，分辨率高，線性好，檢測下限需達要求技術指標；
※5、提供主電、備電雙接口；可自動切換確保傳感器實時處于準備監(jiān)測工作狀態(tài)；
6、應用單片機技術和網(wǎng)絡通訊技術相結合，內(nèi)置TF數(shù)據(jù)卡存儲功能，要求數(shù)據(jù)存儲為.csv文件；并可以通過USB接口將數(shù)據(jù)轉存至計算機，利用excel等軟件即可查看數(shù)據(jù)；
7、系統(tǒng)要求性能穩(wěn)定、精確度高、操作方便、易于維護，具有工作狀態(tài)提醒等功能。
三、儀器性能指標
指標：（1）監(jiān)測指標：二氧化硫、二氧化氮、一氧化氮、二氧化碳、溫度、濕度。
| 序號 | 指標名稱 | 監(jiān)測技術方法 | 主要技術參數(shù) | 必須滿足項 |
| 1 | 二氧化硫 | 泵吸式，電化學法 | 測量范圍：0 - 2 PPM；精度：±5% FS | |
| 2 | 二氧化氮 | 泵吸式，電化學法 | 測量范圍：0 - 2 PPM；精度：±5% FS | |
| 3 | 一氧化氮 | 泵吸式，電化學法 | 測量范圍：0 - 2 PPM；精度：±5% FS | |
| 4 | 二氧化碳 | 泵吸式，NDIR法 | 測量范圍：0 - 5000 PPM；精度： ±3%FS | 采用雙通道檢測，需具有參考光路 |