0 引言

在工業(yè)生產(chǎn)中，電力、煤炭以及石油化工行業(yè)產(chǎn)生大量的易燃、易爆、有毒有害的氣體，對(duì)這些有害氣體進(jìn)行及時(shí)且精確的監(jiān)測(cè)和預(yù)報(bào)是許多企業(yè)安全生產(chǎn)中的重要一環(huán)[1]。由于這些氣體在多數(shù)情況下成分復(fù)雜，對(duì)某種單一的氣體進(jìn)行監(jiān)測(cè)有著很多的局限性，所以越來(lái)越多的行業(yè)和部門需要多通道的在線檢測(cè)儀器。

在線檢測(cè)技術(shù)的主要應(yīng)用是在線氣體檢測(cè)儀和水質(zhì)檢測(cè)儀。其中在線氣體檢測(cè)技術(shù)應(yīng)用范圍廣、發(fā)展快，技術(shù)也比較成熟，主要應(yīng)用在流程工業(yè)、環(huán)境檢測(cè)和其他領(lǐng)域。現(xiàn)隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展及科技的進(jìn)步，已開發(fā)了許多在線監(jiān)測(cè)儀設(shè)備，并且在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、信號(hào)處理、干擾補(bǔ)償和嵌入式系統(tǒng)方面縮小了與國(guó)際檢測(cè)儀器水平的差距。但在功能、自動(dòng)化水平、可靠性、精度等方面與國(guó)外技術(shù)仍有較大的差距，特別是在高端技術(shù)產(chǎn)品上的差距更大。以新型數(shù)字式傳感器組成的檢測(cè)儀器、有毒易爆類氣體檢測(cè)儀器還不常見，不少舊產(chǎn)品的技術(shù)更新緩慢。所以為在分析檢測(cè)儀領(lǐng)域彌補(bǔ)與國(guó)外的差距，研發(fā)新一代的智能化多通道在線氣體檢測(cè)儀成為必要的任務(wù)。

1 在線氣體檢測(cè)儀設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)與思路

1.1 在線紅外光譜檢測(cè)技術(shù)的應(yīng)用

在各種在線光譜分析技術(shù)中，對(duì)中紅外(2.5~15 μm)的光譜分析最為成熟，這也是目前應(yīng)用最廣泛的在線氣體分析技術(shù)。中紅外光譜是在線光譜分析最常用的波段，例如非分光氣體分析儀(NDIR)常選擇的特征波長(zhǎng)為1~15 μm。各種氣體的吸收光譜比較復(fù)雜，其中CO為4.66 μm，CO2為4.27 μm，CH4為3.33 μm，SO2為7.30 μm等。非分光紅外氣體分析技術(shù)是在線分析應(yīng)用最廣、最成熟的技術(shù)，已經(jīng)開發(fā)出了多種紅外氣體分析儀。

1.2 S-Module傳感器簡(jiǎn)介

S-Module采用半導(dǎo)體光源，能發(fā)出4.26~9.67 μm波長(zhǎng)范圍的紅外光，基本包含了常見氣體的特征吸收帶。除此之外，該光源具有功耗低、熱穩(wěn)定性好和抗氧化能力強(qiáng)的特點(diǎn)。S-Module的檢測(cè)原理如圖1所示。

如圖1所示，S-Module氣室部分的基本結(jié)構(gòu)包括光學(xué)系統(tǒng)、電路測(cè)量系統(tǒng)、信號(hào)放大系統(tǒng)和模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。在工作時(shí)，左側(cè)光源發(fā)出紅外光，通過(guò)窗口透明玻璃射入氣室，同時(shí)將待測(cè)氣體通入氣室，氣體吸收特定波長(zhǎng)的紅外光，氣室內(nèi)部設(shè)置了參考和測(cè)量通道，分別對(duì)應(yīng)著相應(yīng)的檢測(cè)裝置，其中參考測(cè)量通道通入零氣，用于對(duì)傳感器的零點(diǎn)標(biāo)定。而測(cè)量通道通入檢測(cè)氣體，其電壓值與氣體濃度值呈線性關(guān)系，因?yàn)闇y(cè)量裝置輸出的電壓信號(hào)只有毫伏級(jí)別，因此，還必須對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)放大。

1.3 整體設(shè)計(jì)思路

根據(jù)總體的功能要求，對(duì)檢測(cè)儀的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，基于模塊化的設(shè)計(jì)原理，可將整個(gè)檢測(cè)平臺(tái)分為氣體主控制器、傳感器、信號(hào)調(diào)理、通信、控制以及人機(jī)交互6個(gè)模塊，如圖2。

如圖2所示的檢測(cè)儀各模塊間的流程框圖，氣體經(jīng)預(yù)處理裝置通入傳感器中，傳感器采集氣體濃度值，進(jìn)行信號(hào)調(diào)理后送入主控制器中，主控制器對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并進(jìn)行通信和控制操作。同時(shí)，為方便用戶從設(shè)備獲取需要的信息以及直接發(fā)送指令操作儀器，增加了人機(jī)交互模塊。

2 在線檢測(cè)儀的硬件電路設(shè)計(jì)

2.1 硬件總體框架

根據(jù)儀器的功能設(shè)計(jì)要求，結(jié)合氣體檢測(cè)與計(jì)算機(jī)技術(shù)，選用性能強(qiáng)大的工業(yè)級(jí)芯片STM32F407作為檢測(cè)儀信號(hào)分析和處理的核心，配合S-Module和預(yù)留的模擬傳感器等檢測(cè)設(shè)備設(shè)計(jì)外圍電路。硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。

為確保系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，添加了JTAG調(diào)試接口模塊。在傳感器信號(hào)處理模塊，為了保證數(shù)字傳感器信號(hào)采樣的穩(wěn)定性和精確度，降低外界環(huán)境對(duì)儀器的影響，特別設(shè)計(jì)了溫控模塊和壓力檢測(cè)模塊。

2.2 主控制器的選擇

檢測(cè)儀主要應(yīng)用于石油、化工等流程工業(yè)，復(fù)雜的工作環(huán)境要求系統(tǒng)有著較高的穩(wěn)定性和可靠性，選擇一款性能強(qiáng)大、抗干擾能力強(qiáng)的工業(yè)級(jí)芯片至關(guān)重要。儀器以ST公司研發(fā)的工業(yè)級(jí)芯片STM32F407ZGT6為核心，該芯片兼具低功耗、低成本、高性能和易開發(fā)的特點(diǎn)。

2.3 主要外圍電路

為了滿足多樣化的測(cè)量需求，項(xiàng)目平臺(tái)預(yù)留設(shè)計(jì)了模擬式傳感器輸入模塊。在現(xiàn)代工業(yè)中，用來(lái)測(cè)量氣體濃度的模擬傳感器的輸出信號(hào)大多是毫伏級(jí)別的，所以要將該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大后再送入主芯片對(duì)其A/D采樣，同時(shí)考慮到工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的復(fù)雜環(huán)境及各種電磁干擾，設(shè)計(jì)精密的信號(hào)放大電路至關(guān)重要。模擬傳感器信號(hào)放大電路如圖4所示。

輸出電壓信號(hào)Um送給后端的ADC(模/數(shù)轉(zhuǎn)換)模塊，經(jīng)過(guò)A/D轉(zhuǎn)換后輸出數(shù)字量，從而可以很方便地將采集到的氣體信息數(shù)據(jù)通過(guò)串口發(fā)送給主控制器，并進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。

在工業(yè)生產(chǎn)中，液晶屏幕因?yàn)槟茱@示檢測(cè)到的氣體的濃度值以及直觀、實(shí)時(shí)、方便的特性，受到越來(lái)越多的工程人員的歡迎。液晶模塊選用GL25U070AT8048T-00彩色液晶屏，采用9 V電壓供電，GLCD采用SPI（16位模式）通信接口，運(yùn)行于CPU中的GUI圖形庫(kù)和GLCD通過(guò)指令交互。模塊接口電路如圖5。

3 在線氣體檢測(cè)儀的軟件驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

3.1 驅(qū)動(dòng)程序總體規(guī)劃

對(duì)于在線氣體檢測(cè)儀這樣的嵌入式平臺(tái)，其可定制的特點(diǎn)限定了驅(qū)動(dòng)程序也必須定制，因此，在儀器設(shè)備研發(fā)過(guò)程中必須針對(duì)性地開發(fā)不同的模塊軟件驅(qū)動(dòng)程序。在線氣體檢測(cè)儀系統(tǒng)整體驅(qū)動(dòng)構(gòu)架如圖6。

3.2 A/D采集模塊

根據(jù)硬件設(shè)計(jì)并結(jié)合芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)，選用ADC3的第9、第14通道分別作為模擬傳感器和壓力傳感器的采集通道。圖7為ADC采樣計(jì)算過(guò)程的流程圖。

本系統(tǒng)DC將采集到的數(shù)據(jù)首先存放在16位的數(shù)據(jù)寄存器ADC_DR中，但是寄存器的存儲(chǔ)空間有限，當(dāng)進(jìn)行多個(gè)通道進(jìn)行采樣時(shí)，使用DMA（直接內(nèi)存讀?。┡cADC聯(lián)合使用的方法，這樣能很好地避免采集數(shù)據(jù)丟失的問題。

3.3 S-Module傳感器信號(hào)采集模塊

數(shù)字型氣體傳感器采用單線串口的通信形式，其詳細(xì)的數(shù)據(jù)輸出流程圖如圖8所示。首先初始化主控制器芯片的串口，并設(shè)置串口5的工作方式和波特率，為防止返回的數(shù)據(jù)中包含已發(fā)送的數(shù)據(jù)命令，之后要關(guān)閉串口的接收模式之后開始發(fā)送字節(jié)，等待串口的中斷標(biāo)志變?yōu)?，表示命令發(fā)送完成，再打開串口，并將收到的數(shù)據(jù)發(fā)送到已定義的數(shù)組中。當(dāng)發(fā)送完成后，將定義在數(shù)組里的數(shù)值換算成濃度值進(jìn)行液晶顯示或其他數(shù)據(jù)輸出。

4 測(cè)試分析和總結(jié)

4.1 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)裝置主要包括：工業(yè)樣氣預(yù)處理裝置、在線氣體檢測(cè)儀、數(shù)據(jù)信息處理平臺(tái)。其中預(yù)處理模塊是氣體濃度檢測(cè)中的重要一環(huán)，工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)氣體中混有的固體顆粒物和水蒸氣都會(huì)影響采樣的精度，所以在氣體通道上分別設(shè)置了固體顆粒過(guò)濾和水蒸氣過(guò)濾裝置。為了更好地控制通入氣體的流量，還加入了流量計(jì)。同時(shí)，預(yù)處理裝置還可輸送零氣和標(biāo)準(zhǔn)氣完成儀器的標(biāo)定工作。圖9為氣體預(yù)處理裝置工作示意圖。

4.2 準(zhǔn)確性測(cè)試

先后通入不同濃度的CH4氣體，記錄采集的氣體濃度數(shù)據(jù)，完成之后，繼續(xù)通入CH4的同時(shí)，通入不同濃度的CO2氣體，記錄混合狀態(tài)下的成分氣體濃度。具體的濃度數(shù)據(jù)信息見表1。

從表1可知，單通道傳感器測(cè)量結(jié)果相對(duì)誤差最大值不超過(guò)0.4%，多通道混合氣體測(cè)量結(jié)果相對(duì)偏差最大不超過(guò)0.9%。結(jié)果表明，該氣體檢測(cè)儀具有良好的分析測(cè)量精度，滿足二級(jí)工業(yè)用表的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

4.3 電流輸出測(cè)試

針對(duì)4~20 mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流輸出模塊進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析，儀器工作時(shí)先將檢測(cè)到的氣體濃度值轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的輸入電壓，再經(jīng)過(guò)AD5420轉(zhuǎn)換成用于輸出的模擬電流。實(shí)驗(yàn)選用的外部負(fù)載阻值為235.5 Ω，通入濃度為2.63%的CO2，數(shù)據(jù)如表2所示。

從表2可以看出，氣體檢測(cè)儀的相對(duì)誤差范圍為0.07%~0.33%，滿足儀器的性能指標(biāo)要求。

5 總結(jié)

伴隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對(duì)節(jié)能、環(huán)保、質(zhì)量和安全的重視，在線氣體檢測(cè)儀器發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，同時(shí)也對(duì)其性能提出了更高的要求。本文針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境設(shè)計(jì)了一款在線多通道的氣體檢測(cè)儀，選用新型的數(shù)字紅外傳感器作為主要的檢測(cè)手段，以工業(yè)級(jí)主芯片STM32F407作為數(shù)據(jù)處理和控制的核心，設(shè)計(jì)整個(gè)儀器平臺(tái)，同時(shí)通過(guò)模擬真實(shí)的工業(yè)環(huán)境驗(yàn)證分析儀器的可靠性。雖然工業(yè)在線氣體檢測(cè)儀已經(jīng)能初步實(shí)現(xiàn)需要的功能，但想要將該平臺(tái)大規(guī)模推廣到工業(yè)生產(chǎn)中，還需要用嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)儀器設(shè)備進(jìn)行測(cè)試。由于研發(fā)時(shí)間有限，設(shè)計(jì)中自然存在許多不足之處，有待后續(xù)對(duì)其進(jìn)行修正和改進(jìn)。