摘? 要: 介紹了利用單片機(jī)構(gòu)成測(cè)量煙道SO2濃度的在線監(jiān)測(cè)儀的研制情況。該監(jiān)測(cè)儀采用氘燈作光源，旋轉(zhuǎn)光柵式單色儀進(jìn)行分光，光電倍增管作探測(cè)器，控制系統(tǒng)采用STD總線結(jié)構(gòu)雙CPU設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了煙道中SO2含量的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。
關(guān)鍵詞：? 儀器儀表? 在線檢測(cè)? 單片機(jī)? STD總線??
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城市空氣污染的主要來源是工業(yè)排放和機(jī)動(dòng)車尾氣排放的二氧化硫(SO2)、氮氧化物(主要是NO和NO2)和總懸浮物(TSP)等。而城市各類工業(yè)煙囪和生活煙囪是排放SO2的主要污染源。因此，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)煙囪SO2的排放情況，對(duì)于污染物總量控制、消除危害和改善環(huán)境有著重要意義。
本監(jiān)測(cè)儀采用光學(xué)方法，即利用SO2在300nm附近的特征吸收光譜，采用差分光學(xué)吸收濃度反演算法，對(duì)測(cè)量到的吸收光譜進(jìn)行濃度計(jì)算。
1 原理與方法
光譜法測(cè)量污染氣體濃度是利用光在氣體中傳播時(shí)氣體分子對(duì)光的吸收特性。在一定條件下，氣體分子對(duì)光的吸收遵循朗伯-比爾定律。當(dāng)光通過氣體時(shí)，有一部分被吸收，吸光度與氣體分子濃度及氣層厚度的乘積成正比。不同氣體分子對(duì)光的特征吸收是不一樣的。SO2有三個(gè)特征吸收帶，第一吸收帶為430～400nm光譜區(qū)，第二吸收帶為240～330nm光譜區(qū)，第三吸收帶為210～240nm光譜區(qū)。這里選用SO2在300nm附近的紫外特征吸收光譜，如圖1所示。通過測(cè)量煙氣中SO2的特征吸收光譜，利用濃度反演算法，計(jì)算出煙氣中SO2的濃度。
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根據(jù)朗伯-比爾定律，物質(zhì)對(duì)光的吸收度與物質(zhì)的吸收系數(shù)和濃度成正比，即:
A是吸光度，I0是入射光強(qiáng)，I是透射光強(qiáng)，L是吸收池光路長(zhǎng)度，c是樣品的濃度，ε是摩爾吸光系數(shù)，ε與入射光的波長(zhǎng)以及吸光物質(zhì)的性質(zhì)有關(guān)。
在實(shí)際應(yīng)用中為了方便運(yùn)算，將式(1)變換成式(2):
式(2)中，I0(λ)是光源強(qiáng)度，I(λ)是通過長(zhǎng)度為L(zhǎng)的吸收池后的光強(qiáng)度，c是氣體分子的濃度，σ(λ)是氣體分子在波長(zhǎng)λ處的吸收截面，σ(x)可以在實(shí)驗(yàn)室精確測(cè)量，D是氣體分子的光學(xué)密度。所以，氣體分子的濃度c可以通過測(cè)量I0(λ)/I(λ)的比值計(jì)算出。
實(shí)際測(cè)量時(shí)，由于樣品池中存在氣體分子，光源強(qiáng)度I0(λ)比較難以確定，故采用差分吸收的方法來解決這一問題，即測(cè)量特征吸收譜線峰和谷的值，利用相應(yīng)的算法，求出SO2的濃度。
同時(shí)，利用壓差傳感器和溫度探頭測(cè)量煙道中靜壓力、動(dòng)壓力和煙氣的溫度，根據(jù)這些參數(shù)通過公式(3)可以計(jì)算出煙氣的密度、流速和流量，知道流量后再根據(jù)SO2的濃度計(jì)算出污染物的總排放量。
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其中，Q為煙氣流量，S為煙道的截面，V為煙氣的流速，Ba為大氣壓力，Ps為煙氣靜壓力，T為煙氣溫度，Xsw為含濕量。
煙道SO2含量在線監(jiān)測(cè)儀裝置工作原理如圖2。
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煙氣由標(biāo)準(zhǔn)皮托管采樣，通過過濾器去除煙氣中灰塵，再經(jīng)過冷凝器去除煙氣中的水汽，然后送入紫外吸收池。氘燈發(fā)出的寬帶光譜經(jīng)石英透鏡準(zhǔn)直后透過吸收池，被氣體吸收后照射到光譜儀的入射狹縫上，經(jīng)光柵分光，在出射狹縫處由光電倍增管接收光譜信號(hào)，光電倍增管輸出的信號(hào)經(jīng)前置放大器放大后送入高速信號(hào)采集單元。信號(hào)采集和處理單元將該信號(hào)數(shù)字化并存在存儲(chǔ)器中，在數(shù)據(jù)分析和處理中采用硬件和軟件平均濾波技術(shù)，然后由系統(tǒng)總控制單元采用適當(dāng)?shù)乃惴▽?duì)其進(jìn)行處理，得到SO2濃度、煙氣溫度、燃燒率等信息。系統(tǒng)總控制單元除完成數(shù)據(jù)處理工作以外，還擔(dān)負(fù)著包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、LED顯示、PC遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)傳輸和控制等工作。
2 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
考慮到測(cè)量環(huán)境是在工廠企業(yè)，對(duì)于測(cè)量系統(tǒng)的抗干擾性和機(jī)械強(qiáng)度要求較高，在硬件電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí)采用STD總線結(jié)構(gòu)，模塊化設(shè)計(jì)。硬件系統(tǒng)由主控模板、I/O模板、信號(hào)采集處理模板、前置放大模板構(gòu)成，通過STD總線與母板相連接，具有高可靠性、高抗干擾能力和高穩(wěn)定性。
其中，儀器采用特殊的光譜儀，將光柵由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)正弦機(jī)構(gòu)或凸輪進(jìn)行波長(zhǎng)掃描改為勻速電機(jī)直接驅(qū)動(dòng)光柵同心旋轉(zhuǎn)進(jìn)行波長(zhǎng)掃描，從而克服了機(jī)械傳動(dòng)帶來的誤差與不穩(wěn)定性，縮短了測(cè)量周期，完成280～330nm波段SO2吸收光譜的測(cè)量只要10ms，滿足了實(shí)時(shí)測(cè)量光譜的需要。探測(cè)采用側(cè)窗式光電倍增管，靈敏度高，解決了弱光信號(hào)在線實(shí)時(shí)測(cè)量既要求測(cè)量周期短又要求靈敏度高的問題。
2.1 數(shù)據(jù)采集處理模板
根據(jù)吸收光譜光電信號(hào)特征和采樣頻率的要求，設(shè)計(jì)的數(shù)據(jù)采集處理模板組成原理如圖3所示。該模板設(shè)計(jì)是以AT89C52微處理器為核心構(gòu)成STD總線結(jié)構(gòu)的分機(jī)系統(tǒng)，完成對(duì)SO2吸收光譜測(cè)量信號(hào)的采集處理和SO2的濃度計(jì)算，并且對(duì)溫度、壓力和O2的信號(hào)進(jìn)行處理，結(jié)果通過STD總線接口送處理機(jī)模板，通過I/O接口模板輸出、顯示、打印。
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2.2 數(shù)據(jù)采集電路
光電倍增管的輸出信號(hào)經(jīng)過前置放大送到數(shù)據(jù)采集處理模板。經(jīng)程控放大器AD526放大，送入A/D。A/D轉(zhuǎn)換芯片選用MAXIM公司生產(chǎn)的MAX120，其片內(nèi)有跟蹤保持電路(T/H)和低漂移電壓基準(zhǔn)，而且轉(zhuǎn)換速度快、功耗低。采用了標(biāo)準(zhǔn)的微處理器(μP)接口，三態(tài)數(shù)據(jù)輸出可直接與12位數(shù)據(jù)總線連接。訪問數(shù)據(jù)和在線釋放的時(shí)序特性參數(shù)允許在不插入等待狀態(tài)的情況下與大多數(shù)微處理器兼容。
系統(tǒng)設(shè)計(jì)中采用MAX120工作方式2，它是一種獨(dú)立工作方式(MODE=開路，/RD=/CS=DGND)，電路連接圖如圖4所示。在這種方式下，MAX120能直接與FIF0緩沖器相連或通過DMA口直接與存儲(chǔ)器相連，由/CONVST引腳上的下降沿啟動(dòng)一次轉(zhuǎn)換，數(shù)據(jù)輸出端總是開放的。當(dāng)/INT、/BUSY引腳電平的上升沿指示轉(zhuǎn)換結(jié)束時(shí)，數(shù)據(jù)端上的數(shù)據(jù)就得到更新。因?yàn)锳/D的數(shù)據(jù)端總有數(shù)據(jù)，所以用74HC245雙向三態(tài)八總線收發(fā)器進(jìn)行總線隔離。
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在數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換過程中，CPU只負(fù)責(zé)轉(zhuǎn)換電路的啟動(dòng)和檢測(cè)一幀數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換是否結(jié)束，中間無需CPU干預(yù)，使對(duì)CCD一幀數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換由邏輯控制電路自動(dòng)完成。A/D一次采樣工作過程為:①接收光耦同步采集信號(hào);②驅(qū)動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換;③單片機(jī)查詢是否轉(zhuǎn)換完成;④讀出數(shù)據(jù)，存入存儲(chǔ)器。
2.3 數(shù)據(jù)板與STD總線的通訊
數(shù)據(jù)采集模板與STD總線的連接控制使用一片74LS125總線驅(qū)動(dòng)器和兩片74LS373等來實(shí)現(xiàn)。74LS373是透明D型鎖存器，即當(dāng)允許端G是高電平時(shí)，Q輸出數(shù)據(jù)D并被鎖存。當(dāng)輸出控制端(/OE，1腳)接低電平時(shí)(在一般硬件系統(tǒng)中/OE接地)，數(shù)據(jù)輸出，當(dāng)/OE端接高電平時(shí)輸出為高阻態(tài)。由于輸出可提供高阻抗的第三態(tài)，所以在總線系統(tǒng)結(jié)構(gòu)中不需另外加接口和上拉部件，74LS373可以直接連接到總線上并驅(qū)動(dòng)總線。在高阻狀態(tài)下輸出端的狀態(tài)由其它電路的輸出狀態(tài)決定。其8位寄存器的特點(diǎn)是可驅(qū)動(dòng)大電容或低阻抗的負(fù)載，因此，74LS373作為緩沖寄存器、I/O通道、總線驅(qū)動(dòng)器及工作寄存器是完全可以的。地址分配由GAL16V8B編程實(shí)現(xiàn)。
下面介紹應(yīng)用74LS373實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換模板與STD總線數(shù)據(jù)傳輸?shù)倪^程。
A/D——STD:
?、?8031把數(shù)據(jù)輸入373，P1.3=0，同時(shí)使P1.5=0。
?、?STD讀狀態(tài)74LS125，D0=0，則讀373;D0=1，則不執(zhí)行讀操作。
?、?讀數(shù)據(jù)時(shí)，使P1.5=1，8031檢測(cè)到數(shù)據(jù)被取走，返回①。
STD——A/D:
?、?STD把數(shù)據(jù)輸入373 ，并使P1.6=0。
② 8031檢測(cè)P1.6，P1.6=0，8031執(zhí)行讀操作，把數(shù)據(jù)取走，并使P1.6=0;P1.6=1，不執(zhí)行讀操作。
③ STD讀74LS125，D0=0等待;D0=1，返回①。
2.4 氧氣測(cè)量電路
煙道中氧氣含量的測(cè)量是為了知道燃煤的燃燒率，從而控制燃煤的投入量。我們使用HT-OIG型氧氣傳感器，它是采用穩(wěn)定的氧化鋯固體電解質(zhì)材料制作成的一種界限電流式氧敏元件。它具有選擇性好、工作穩(wěn)定、響應(yīng)和恢復(fù)速度快、無需基準(zhǔn)氣體等特點(diǎn)。
根據(jù)氧傳感器的工作原理，設(shè)計(jì)的應(yīng)用電路如圖5所示。其中MC1413是基準(zhǔn)源，為氧傳感器提供輔助的電源。運(yùn)算放大器OP27用來進(jìn)行電流/電壓轉(zhuǎn)換，AD620對(duì)信號(hào)放大調(diào)整。
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3 控制軟件流程???
由于測(cè)量系統(tǒng)中有較多運(yùn)算公式，而且公式中有的系數(shù)很大，有的系數(shù)卻很小，因此本系統(tǒng)軟件在數(shù)值計(jì)算上采用多字節(jié)、浮點(diǎn)數(shù)運(yùn)算。整個(gè)系統(tǒng)軟件是模塊化設(shè)計(jì)，主要由主程序、數(shù)據(jù)采樣子程序、數(shù)據(jù)處理子程序、采集參數(shù)設(shè)定子程序、顯示子程序、打印子程序、標(biāo)定子程序等組成。主程序完成對(duì)整個(gè)系統(tǒng)工作管理任務(wù)，包括初使化程序、鍵盤/顯示管理程序等;數(shù)據(jù)采集子程序配合系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)信號(hào)的采集;數(shù)據(jù)處理子程序包括對(duì)采樣數(shù)據(jù)異常值剔除程序、譜線平移程序、數(shù)值計(jì)算程序;參數(shù)設(shè)定子程序用于輸入采樣參數(shù)(煙道截面積、各種調(diào)整參數(shù));打印子程序和顯示子程序分別用來打印和顯示設(shè)定、測(cè)量、計(jì)算的數(shù)值等。
煙道SO2含量在線監(jiān)測(cè)儀是光機(jī)電一體的高技術(shù)產(chǎn)品。采用國(guó)家環(huán)保局及美國(guó)環(huán)境保護(hù)組織(USEPA)推薦的紫外差分吸收光譜法，建立適合于監(jiān)測(cè)的濃度反演算法，去除其它氣體成份以及光源強(qiáng)度等變化對(duì)測(cè)量的影響，精確得到SO2氣體濃度。采用STD總線結(jié)構(gòu)的自動(dòng)控制系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了煙道排放SO2在線實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)。
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