煤炭是我國國民經(jīng)濟(jì)的基本能源和重要原料，煤炭燃燒后會(huì)產(chǎn)生大量的SO2氣體，SO2氣體是大氣中酸雨形成的主要原因，它是一種有害的空氣污染物，其檢測(cè)分析技術(shù)歷來受到人們的重視。傳統(tǒng)的硫分析采用庫侖滴定法、艾士卡法等分析方法。庫侖滴定法不是國際通行的全硫測(cè)定方法，不能用于國際煤炭貿(mào)易結(jié)算；艾士卡法大量使用化學(xué)試劑，如：鹽酸、氯化鋇、硝酸銀等，操作繁瑣，實(shí)驗(yàn)時(shí)間長。因此這些方法均不能滿足快速、安全、準(zhǔn)確的檢測(cè)要求[1]。為此，本文設(shè)計(jì)一款自動(dòng)紅外光譜吸收式硫分析儀，用于精確快速檢測(cè)煤炭等物質(zhì)中硫含量。

1 紅外氣體分析原理
    熱釋電紅外光譜定量分析的依據(jù)是朗伯-比爾定律，氣體吸收單色光的程度與該氣體的濃度成正比，將氣體濃度的變化轉(zhuǎn)換為電信號(hào)的變化。
  
    煤中的硫在富氧條件下的高溫加熱,生產(chǎn)并逸出SO2氣體。生成的顆粒和水汽被高氯酸鎂和濾芯吸附從氣流中排除。然后氣流進(jìn)入紅外檢測(cè)池，其中SO2吸收紅外光源中相應(yīng)光譜，分別經(jīng)窄帶濾光片和薄膜熱釋電傳感器得到與被測(cè)SO2濃度相應(yīng)信號(hào)，通過進(jìn)行積分和計(jì)算，換算出試樣中的硫含量[2]。儀器使用前需要標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)標(biāo)定，煤樣中的硫含量根據(jù)預(yù)先的標(biāo)定系數(shù)由軟件設(shè)置計(jì)算。
2 系統(tǒng)構(gòu)成和硬件設(shè)計(jì)
2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)由STM32單片機(jī)控制系統(tǒng)、PC端軟件系統(tǒng)、自動(dòng)控制裝置、高溫爐、紅外分析池、氣體供給、凈化與控制裝置等部分構(gòu)成，其中每部分有其對(duì)應(yīng)的硬件電路和軟件模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 硬件電路模塊
    硬件電路部分由紅外光源電路、熱釋電傳感器電路、信號(hào)放大濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、溫度檢測(cè)與控制電路、自動(dòng)送樣控制電路及RS232通信電路等組成，如圖2所示。
2.3 紅外分析池
    紅外分析池部分由紅外光源、鍍膜氣室、濾光組件、兩組雙通道熱釋電探測(cè)器等組成。通過STM32控制產(chǎn)生脈沖調(diào)制電信號(hào)驅(qū)動(dòng)紅外光源,氣室采用圓柱形長腔體，發(fā)射的紅外光被氣體吸收后，通過濾光片照射到雙通道熱釋電探測(cè)器PY-ITV上。紅外池對(duì)于每種氣體都具有參考測(cè)量和氣體測(cè)量兩種通道，其中對(duì)于SO2氣體來說，其測(cè)量通道的電壓變化反映的是氣體濃度的變化情況，而參考通道則具有參考和補(bǔ)償?shù)淖饔?。本設(shè)計(jì)中SO2測(cè)量通道采用7.40 μm濾光，參考通道采用7.00 μm濾光。采用雙通道是避免紅外光源變化或老化，以及環(huán)境溫度變化時(shí)導(dǎo)致探測(cè)通道測(cè)得的信號(hào)值有所變化；采用雙通道參考比較，可以得到相對(duì)穩(wěn)定值，不受外界環(huán)境以及光源的影響[3]。
2.4 信號(hào)檢測(cè)放大電路
    薄膜熱釋電傳感器吸收紅外輻射后，由讀出電路轉(zhuǎn)換成微弱電壓信號(hào)，其信號(hào)頻率與脈沖調(diào)制的光源頻率有關(guān)，需進(jìn)行低噪聲放大處理。經(jīng)放大濾波電路處理，得到比較穩(wěn)定的模擬信號(hào)，如圖3所示，再經(jīng)過TI公司的ADS1242轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)輸入STM32進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
2.5 紅外光源模塊
    在紅外分析過程中，光源的穩(wěn)定性決定了分析結(jié)果的精確程度。為了提高光源的輸出的穩(wěn)定性，本設(shè)計(jì)采用高精度參考電壓發(fā)生器LT1019-5為紅外發(fā)光器件供電，使其光強(qiáng)恒定。
　    紅外光源發(fā)出的紅外光需要調(diào)制成一定頻率的紅外光，以適合傳感器的接受，用于SO2氣體分析。熱釋電傳感器只對(duì)紅外輻射的變化有反應(yīng)，需對(duì)光源進(jìn)行調(diào)制，使其按一定頻率在發(fā)光和不發(fā)光的兩個(gè)狀態(tài)切換。本系統(tǒng)采用了一種集成電調(diào)制紅外光源器件PYT-39，該光源采用導(dǎo)電不定型碳多層鍍膜技術(shù)，熱容量很低，因此升降溫速度很快，其調(diào)制頻率設(shè)定為4 Hz。
2.6 爐溫控制模塊設(shè)計(jì)
　爐溫控制模塊包括溫度檢測(cè)與溫度控制兩個(gè)部分。溫度檢測(cè)部分使用S分度熱電偶測(cè)量爐溫，并利用LM35D測(cè)量環(huán)境溫度，實(shí)現(xiàn)對(duì)熱電偶的冷端補(bǔ)償，如圖4所示。

    溫度控制部分利用STM32輸出PWM信號(hào)，控制D/A芯片驅(qū)動(dòng)交流調(diào)壓模塊DTY-H220D75E對(duì)圓柱形硅碳管和高溫爐進(jìn)行控溫。在測(cè)試過程中，爐溫穩(wěn)定地保持在(1 300±3)℃。儀器具備自動(dòng)降溫功能，通過設(shè)定參數(shù),當(dāng)?shù)却龑?shí)驗(yàn)時(shí)間達(dá)到一定時(shí)，爐溫自動(dòng)下降到500℃，這樣可以保護(hù)硅碳管，以減低其老化速度。

3.2 軟件設(shè)計(jì)模塊
    軟件部分由STM32的嵌入式軟件和PC端紅外分析軟件構(gòu)成。嵌入式軟件存儲(chǔ)在STM32單片機(jī)的Flash存儲(chǔ)器中，用于完成各硬件模塊的初始化、儀器的自檢、中斷響應(yīng)、采集和發(fā)送氣體濃度數(shù)據(jù)等任務(wù)。PC端分析軟件用VC++編寫，能顯示、打印、重算、保存和查詢分析數(shù)據(jù)結(jié)果，具有統(tǒng)計(jì)功能，可幫用戶輕松獲得結(jié)果的平均值、極差、標(biāo)準(zhǔn)偏差、相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差等重要數(shù)據(jù)，并具有智能故障提示等功能[4]。
    儀器在運(yùn)行過程中，PC端分析軟件根據(jù)所采集的電壓信號(hào)數(shù)據(jù)，帶入式(5)，按照時(shí)間進(jìn)行積分運(yùn)算，即可得到單位時(shí)間內(nèi)氣體的濃度測(cè)量數(shù)據(jù)，根據(jù)SO2的濃度換算出煤炭中硫含量。
4 測(cè)試結(jié)果及精度分析
    采用所設(shè)計(jì)的紅外硫分析儀校準(zhǔn)后分別對(duì)國家標(biāo)準(zhǔn)煤樣ZBM095、ZBM097和ZBM103進(jìn)行10次測(cè)試，其干基全硫含量測(cè)試結(jié)果如表1和表2所示。

    對(duì)于全硫含量，這三種標(biāo)煤的不確定度分別為0.04、0.04和0.08。從表1可知，三種標(biāo)樣絕對(duì)誤差均小于標(biāo)煤的不確定度，其準(zhǔn)確度符合要求。從表2可知，這三種標(biāo)樣測(cè)量最大誤差分別為0.03、0.04、0.07，低于國家標(biāo)準(zhǔn) GB/T 25214-2010所規(guī)定的0.05、0.05和0.1指標(biāo)，其重復(fù)性符合國家標(biāo)準(zhǔn)要求。
    經(jīng)過多種標(biāo)準(zhǔn)煤樣的測(cè)試驗(yàn)證，所設(shè)計(jì)的紅外硫分析儀測(cè)定煤樣具有很高的精密度和準(zhǔn)確度，完全符合國標(biāo)GB/T 25214-2010重復(fù)性和再現(xiàn)性的要求，滿足實(shí)際生產(chǎn)檢驗(yàn)需要，且操作簡(jiǎn)便，分析速度快。另外，由于薄膜熱釋電傳感器具有較寬的光譜帶，因此只須更換紅外池中窄帶濾光片，即可將該儀器用于分析多種氣體，具有較好的參考價(jià)值和發(fā)展前景[5]。
參考文獻(xiàn)
[1] GB/T 25214-2010煤中全硫測(cè)定紅外光譜法[S].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2011.
[2] GB/T 25214-2010 煤中煤中碳和氫的測(cè)定方法[S]. 北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2008.
[3] 方文沐,杜惠敏,李天榮.燃料分析技術(shù)問答[M].北京:中國電力出版社,2005.
[4] 劉輝,馬凌云,何東陸,等.自動(dòng)測(cè)硫儀的研制[J]. 工礦自動(dòng)化,2008,24(2):118-120.
[5] 王汝琳,王詠濤.紅外檢測(cè)技術(shù)[M]. 北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2006.