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，對這些有害氣體進行及時且精確的監(jiān)測和預報是許多企業(yè)安全生產(chǎn)中的重要一環(huán)^[1]。由于這些氣體在多數(shù)情況下成分復雜，對某種單一的氣體進行監(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。

    在線檢測技術的主要應用是在線氣體檢測儀和水質檢測儀。其中在線氣體檢測技術應用范圍廣、發(fā)展快，技術也比較成熟，主要應用在流程工業(yè)、環(huán)境檢測和其他領域?，F(xiàn)隨著我國經(jīng)濟的發(fā)展及科技的進步，已開發(fā)了許多在線監(jiān)測儀設備，并且在產(chǎn)品結構設計、信號處理、干擾補償和嵌入式系統(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仍有較大的差距，特別是在高端技術產(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)品的技術更新緩慢。所以為在分析檢測儀領域彌補與國外的差距，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。

1 在線氣體檢測儀設計的理論基礎與思路

1.1 在線紅外光譜檢測技術的應用

    在各種在線光譜分析技術中，對中紅外(2.5~15 μm)的光譜分析最為成熟，這也是目前應用最廣泛的在線氣體分析技術。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是在線分析應用最廣、最成熟的技術，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的特點。S-Module的檢測原理如圖1所示。

    如圖1所示，S-Module氣室部分的基本結構包括光學系統(tǒng)、電路測量系統(tǒng)、信號放大系統(tǒng)和模數(shù)轉換系統(tǒng)。在工作時，左側光源發(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，氣室內部設置了參考和測量通道，分別對應著相應的檢測裝置，其中參考測量通道通入零氣，用于對傳感器的零點標定。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，還必須對其進行適當放大。

1.3 整體設計思路

    根據(jù)總體的功能要求，對檢測儀的整體結構進行了設計，基于模塊化的設計原理，可將整個檢測平臺分為氣體主控制器、傳感器、信號調理、通信、控制以及人機交互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)預處理裝置通入傳感器中，傳感器采集氣體濃度值，進行信號調理后送入主控制器中，主控制器對數(shù)據(jù)進行處理，并進行通信和控制操作。同時，為方便用戶從設備獲取需要的信息以及直接發(fā)送指令操作儀器，增加了人機交互模塊。

2 在線檢測儀的硬件電路設計

2.1 硬件總體框架

    根據(jù)儀器的功能設計要求，結合氣體檢測與計算機技術，選用性能強大的工業(yè)級芯片STM32F407作為檢測儀信號分析和處理的核心，配合S-Module和預留的模擬傳感器等檢測設備設計外圍電路。硬件系統(tǒng)框圖如圖3所示。

    為確保系統(tǒng)穩(wěn)定運行，添加了JTAG調試接口模塊。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

    檢測儀主要應用于石油、化工等流程工業(yè)，復雜的工作環(huán)境要求系統(tǒng)有著較高的穩(wěn)定性和可靠性，選擇一款性能強大、抗干擾能力強的工業(yè)級芯片至關重要。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。

2.3 主要外圍電路

    為了滿足多樣化的測量需求，項目平臺預留設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)場的復雜環(huán)境及各種電磁干擾，設計精密的信號放大電路至關重要。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)轉換)模塊，經(jīng)過A/D轉換后輸出數(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動設計

3.1 驅動程序總體規(guī)劃

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

3.2 A/D采集模塊

    根據(jù)硬件設計并結合芯片數(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，當進行多個通道進行采樣時，使用DMA（直接內存讀?。┡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)值換算成濃度值進行液晶顯示或其他數(shù)據(jù)輸出。

4 測試分析和總結

4.1 實驗裝置

    實驗裝置主要包括：工業(yè)樣氣預處理裝置、在線氣體檢測儀、數(shù)據(jù)信息處理平臺。其中預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，預處理裝置還可輸送零氣和標準氣完成儀器的標定工作。圖9為氣體預處理裝置工作示意圖。

4.2 準確性測試

    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果相對誤差最大值不超過0.4%，多通道混合氣體測量結果相對偏差最大不超過0.9%。結果表明，該氣體檢測儀具有良好的分析測量精度，滿足二級工業(yè)用表的國家標準。

4.3 電流輸出測試

    針對4~20 mA工業(yè)標準電流輸出模塊進行實驗分析，儀器工作時先將檢測到的氣體濃度值轉換為對應的輸入電壓，再經(jīng)過AD5420轉換成用于輸出的模擬電流。實驗選用的外部負載阻值為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要求。

5 總結

    伴隨著現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)對節(jié)能、環(huán)保、質量和安全的重視，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)場復雜的工業(yè)環(huán)境設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，還需要用嚴苛的標準對儀器設備進行測試。由于研發(fā)時間有限，設計中自然存在許多不足之處，有待后續(xù)對其進行修正和改進。

參考文獻

[1] 岳文，程明霄，陸春宇，等.基于STM32的多組分紅外分析系統(tǒng)[J].儀表技術與傳感器，2013(9)：107-110.

[2] 肖維安.儀器分析中的電子計算機技術的重要性[J].化工管理，2014(8)：161.

[3] 李春霞，賀孝珍.智能化儀器儀表可靠性技術研究及應用[J].自動化與儀器儀表，2007(5)：29-31.

[4] 王穩(wěn)穩(wěn)，程明霄，顧雪梅，等.基于新型數(shù)字傳感器的智能在線分析儀設計[J].儀表技術與傳感器，2013(4)：107-110.

[5] 楊柳.基于紅外光譜的煤礦新型瓦斯傳感器的設計[J].微型機與應用，2012(15)：82-84.

[6] 郝桂青.鉑電阻溫度傳感器實現(xiàn)線性測溫方案的研究[J].自動化儀表，2011(11)：84-86.

[7] Analog Device Inc.AD5420 datasheet[Z].2015.