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，對這些有害氣體進(jìn)行及時且精確的監(jiān)測和預(yù)報是許多企業(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,，對某種單一的氣體進(jìn)行監(jiān)測有著很多的局限性，所以越來越多的行業(yè)和部門需要多通道的在線檢測儀器,。

    在線檢測技術(shù)的主要應(yīng)用是在線氣體檢測儀和水質(zhì)檢測儀,。其中在線氣體檢測技術(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)境檢測和其他領(lǐng)域?，F(xiàn)隨著我國經(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)測儀設(shè)備，并且在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計,、信號處理,、干擾補(bǔ)償和嵌入式系統(tǒng)方面縮小了與國際檢測儀器水平的差距。但在功能,、自動化水平,、可靠性、精度等方面與國外技術(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儀器,、有毒易爆類氣體檢測儀器還不常見，不少舊產(chǎn)品的技術(shù)更新緩慢,。所以為在分析檢測儀領(lǐng)域彌補(bǔ)與國外的差距,，研發(fā)新一代的智能化多通道在線氣體檢測儀成為必要的任務(wù)。

1 在線氣體檢測儀設(shè)計的理論基礎(chǔ)與思路

1.1 在線紅外光譜檢測技術(shù)的應(yīng)用

    在各種在線光譜分析技術(shù)中,，對中紅外(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傳感器簡介

    S-Module采用半導(dǎo)體光源,，能發(fā)出4.26~9.67 μm波長范圍的紅外光，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),、電路測量系統(tǒng),、信號放大系統(tǒng)和模數(shù)轉(zhuǎn)換系統(tǒng)。在工作時,，左側(cè)光源發(fā)出紅外光,，通過窗口透明玻璃射入氣室，同時將待測氣體通入氣室,，氣體吸收特定波長的紅外光,，氣室內(nèi)部設(shè)置了參考和測量通道，分別對應(yīng)著相應(yīng)的檢測裝置,，其中參考測量通道通入零氣,，用于對傳感器的零點(diǎn)標(biāo)定,。而測量通道通入檢測氣體，其電壓值與氣體濃度值呈線性關(guān)系,，因為測量裝置輸出的電壓信號只有毫伏級別,，因此，還必須對其進(jìn)行適當(dāng)放大,。

1.3 整體設(shè)計思路

    根據(jù)總體的功能要求,，對檢測儀的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計,，基于模塊化的設(shè)計原理,，可將整個檢測平臺分為氣體主控制器、傳感器,、信號調(diào)理,、通信、控制以及人機(jī)交互6個模塊,，如圖2,。

    如圖2所示的檢測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)行信號調(diào)理后送入主控制器中，主控制器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,，并進(jìn)行通信和控制操作,。同時，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 在線檢測儀的硬件電路設(shè)計

2.1 硬件總體框架

    根據(jù)儀器的功能設(shè)計要求，結(jié)合氣體檢測與計算機(jī)技術(shù),，選用性能強(qiáng)大的工業(yè)級芯片STM32F407作為檢測儀信號分析和處理的核心,，配合S-Module和預(yù)留的模擬傳感器等檢測設(shè)備設(shè)計外圍電路。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。在傳感器信號處理模塊,，為了保證數(shù)字傳感器信號采樣的穩(wěn)定性和精確度,，降低外界環(huán)境對儀器的影響，特別設(shè)計了溫控模塊和壓力檢測模塊,。

2.2 主控制器的選擇

    檢測儀主要應(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)級芯片至關(guān)重要,。儀器以ST公司研發(fā)的工業(yè)級芯片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量需求,，項目平臺預(yù)留設(shè)計了模擬式傳感器輸入模塊,。在現(xiàn)代工業(yè)中，用來測量氣體濃度的模擬傳感器的輸出信號大多是毫伏級別的,，所以要將該信號經(jīng)過放大后再送入主芯片對其A/D采樣,，同時考慮到工業(yè)現(xiàn)場的復(fù)雜環(huán)境及各種電磁干擾，設(shè)計精密的信號放大電路至關(guān)重要,。模擬傳感器信號放大電路如圖4所示,。

    輸出電壓信號Um送給后端的ADC(模/數(shù)轉(zhuǎn)換)模塊，經(jīng)過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,，液晶屏幕因為能顯示檢測到的氣體的濃度值以及直觀,、實時、方便的特性,，受到越來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圖形庫和GLCD通過指令交互。模塊接口電路如圖5,。

3 在線氣體檢測儀的軟件驅(qū)動設(shè)計

3.1 驅(qū)動程序總體規(guī)劃

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

3.2 A/D采集模塊

    根據(jù)硬件設(shè)計并結(jié)合芯片數(shù)據(jù)手冊,，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采樣計算過程的流程圖,。

    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,，但是寄存器的存儲空間有限，當(dāng)進(jìn)行多個通道進(jìn)行采樣時,，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 測試分析和總結(jié)

4.1 實驗裝置

    實驗裝置主要包括：工業(yè)樣氣預(yù)處理裝置,、在線氣體檢測儀、數(shù)據(jù)信息處理平臺,。其中預(yù)處理模塊是氣體濃度檢測中的重要一環(huán),，工業(yè)現(xiàn)場氣體中混有的固體顆粒物和水蒸氣都會影響采樣的精度，所以在氣體通道上分別設(shè)置了固體顆粒過濾和水蒸氣過濾裝置,。為了更好地控制通入氣體的流量,，還加入了流量計。同時,，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,，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,，單通道傳感器測量結(jié)果相對誤差最大值不超過0.4%，多通道混合氣體測量結(jié)果相對偏差最大不超過0.9%,。結(jié)果表明,，該氣體檢測儀具有良好的分析測量精度，滿足二級工業(yè)用表的國家標(biāo)準(zhǔn),。

4.3 電流輸出測試

    針對4~20 mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流輸出模塊進(jìn)行實驗分析,，儀器工作時先將檢測到的氣體濃度值轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的輸入電壓,，再經(jīng)過AD5420轉(zhuǎn)換成用于輸出的模擬電流。實驗選用的外部負(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,，氣體檢測儀的相對誤差范圍為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)對節(jié)能,、環(huán)保,、質(zhì)量和安全的重視，在線氣體檢測儀器發(fā)揮著越來越重要的作用,，同時也對其性能提出了更高的要求,。本文針對生產(chǎn)現(xiàn)場復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境設(shè)計了一款在線多通道的氣體檢測儀，選用新型的數(shù)字紅外傳感器作為主要的檢測手段,，以工業(yè)級主芯片STM32F407作為數(shù)據(jù)處理和控制的核心,，設(shè)計整個儀器平臺，同時通過模擬真實的工業(yè)環(huán)境驗證分析儀器的可靠性,。雖然工業(yè)在線氣體檢測儀已經(jīng)能初步實現(xiàn)需要的功能,，但想要將該平臺大規(guī)模推廣到工業(yè)生產(chǎn)中，還需要用嚴(yán)苛的標(biāo)準(zhǔn)對儀器設(shè)備進(jìn)行測試,。由于研發(fā)時間有限,，設(shè)計中自然存在許多不足之處，有待后續(xù)對其進(jìn)行修正和改進(jìn),。

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