关于工业在线气体检测仪的设计与实现

0 引言

在工业生产中，电力、煤炭以及石油化工行业产生大量的易燃、易爆、有毒有害的气体，对这些有害气体进行及时且精确的监测和预报是许多企业安全生产中的重要一环[1]。由于这些气体在多数情况下成分复杂，对某种单一的气体进行监测有着很多的局限性，所以越来越多的行业和部门需要多通道的在线检测仪器。

在线检测技术的主要应用是在线气体检测仪和水质检测仪。其中在线气体检测技术应用范围广、发展快，技术也比较成熟，主要应用在流程工业、环境检测和其他领域。现随着我国经济的发展及科技的进步，已开发了许多在线监测仪设备，并且在产品结构设计、信号处理、干扰补偿和嵌入式系统方面缩小了与国际检测仪器水平的差距。但在功能、自动化水平、可靠性、精度等方面与国外技术仍有较大的差距，特别是在高端技术产品上的差距更大。以新型数字式传感器组成的检测仪器、有毒易爆类气体检测仪器还不常见，不少旧产品的技术更新缓慢。所以为在分析检测仪领域弥补与国外的差距，研发新一代的智能化多通道在线气体检测仪成为必要的任务。

1 在线气体检测仪设计的理论基础与思路

1.1 在线红外光谱检测技术的应用

在各种在线光谱分析技术中，对中红外(2.5~15 μm)的光谱分析最为成熟，这也是目前应用最广泛的在线气体分析技术。中红外光谱是在线光谱分析最常用的波段，例如非分光气体分析仪(NDIR)常选择的特征波长为1~15 μm。各种气体的吸收光谱比较复杂，其中CO为4.66 μm，CO2为4.27 μm，CH4为3.33 μm，SO2为7.30 μm等。非分光红外气体分析技术是在线分析应用最广、最成熟的技术，已经开发出了多种红外气体分析仪。

1.2 S-Module传感器简介

S-Module采用半导体光源，能发出4.26~9.67 μm波长范围的红外光，基本包含了常见气体的特征吸收带。除此之外，该光源具有功耗低、热稳定性好和抗氧化能力强的特点。S-Module的检测原理如图1所示。

如图1所示，S-Module气室部分的基本结构包括光学系统、电路测量系统、信号放大系统和模数转换系统。在工作时，左侧光源发出红外光，通过窗口透明玻璃射入气室，同时将待测气体通入气室，气体吸收特定波长的红外光，气室内部设置了参考和测量通道，分别对应着相应的检测装置，其中参考测量通道通入零气，用于对传感器的零点标定。而测量通道通入检测气体，其电压值与气体浓度值呈线性关系，因为测量装置输出的电压信号只有毫伏级别，因此，还必须对其进行适当放大。

1.3 整体设计思路

根据总体的功能要求，对检测仪的整体结构进行了设计，基于模块化的设计原理，可将整个检测平台分为气体主控制器、传感器、信号调理、通信、控制以及人机交互6个模块，如图2。

如图2所示的检测仪各模块间的流程框图，气体经预处理装置通入传感器中，传感器采集气体浓度值，进行信号调理后送入主控制器中，主控制器对数据进行处理，并进行通信和控制操作。同时，为方便用户从设备获取需要的信息以及直接发送指令操作仪器，增加了人机交互模块。

2 在线检测仪的硬件电路设计

2.1 硬件总体框架

根据仪器的功能设计要求，结合气体检测与计算机技术，选用性能强大的工业级芯片STM32F407作为检测仪信号分析和处理的核心，配合S-Module和预留的模拟传感器等检测设备设计外围电路。硬件系统框图如图3所示。

为确保系统稳定运行，添加了JTAG调试接口模块。在传感器信号处理模块，为了保证数字传感器信号采样的稳定性和精确度，降低外界环境对仪器的影响，特别设计了温控模块和压力检测模块。

2.2 主控制器的选择

检测仪主要应用于石油、化工等流程工业，复杂的工作环境要求系统有着较高的稳定性和可靠性，选择一款性能强大、抗干扰能力强的工业级芯片至关重要。仪器以ST公司研发的工业级芯片STM32F407ZGT6为核心，该芯片兼具低功耗、低成本、高性能和易开发的特点。

2.3 主要外围电路

为了满足多样化的测量需求，项目平台预留设计了模拟式传感器输入模块。在现代工业中，用来测量气体浓度的模拟传感器的输出信号大多是毫伏级别的，所以要将该信号经过放大后再送入主芯片对其A/D采样，同时考虑到工业现场的复杂环境及各种电磁干扰，设计精密的信号放大电路至关重要。模拟传感器信号放大电路如图4所示。

输出电压信号Um送给后端的ADC(模/数转换)模块，经过A/D转换后输出数字量，从而可以很方便地将采集到的气体信息数据通过串口发送给主控制器，并进行数据的处理。

在工业生产中，液晶屏幕因为能显示检测到的气体的浓度值以及直观、实时、方便的特性，受到越来越多的工程人员的欢迎。液晶模块选用GL25U070AT8048T-00彩色液晶屏，采用9 V电压供电，GLCD采用SPI（16位模式）通信接口，运行于CPU中的GUI图形库和GLCD通过指令交互。模块接口电路如图5。

3 在线气体检测仪的软件驱动设计

3.1 驱动程序总体规划

对于在线气体检测仪这样的嵌入式平台，其可定制的特点限定了驱动程序也必须定制，因此，在仪器设备研发过程中必须针对性地开发不同的模块软件驱动程序。在线气体检测仪系统整体驱动构架如图6。

3.2 A/D采集模块

根据硬件设计并结合芯片数据手册，选用ADC3的第9、第14通道分别作为模拟传感器和压力传感器的采集通道。图7为ADC采样计算过程的流程图。

本系统DC将采集到的数据首先存放在16位的数据寄存器ADC_DR中，但是寄存器的存储空间有限，当进行多个通道进行采样时，使用DMA（直接内存读取）与ADC联合使用的方法，这样能很好地避免采集数据丢失的问题。

3.3 S-Module传感器信号采集模块

数字型气体传感器采用单线串口的通信形式，其详细的数据输出流程图如图8所示。首先初始化主控制器芯片的串口，并设置串口5的工作方式和波特率，为防止返回的数据中包含已发送的数据命令，之后要关闭串口的接收模式之后开始发送字节，等待串口的中断标志变为1，表示命令发送完成，再打开串口，并将收到的数据发送到已定义的数组中。当发送完成后，将定义在数组里的数值换算成浓度值进行液晶显示或其他数据输出。

4 测试分析和总结

4.1 实验装置

实验装置主要包括：工业样气预处理装置、在线气体检测仪、数据信息处理平台。其中预处理模块是气体浓度检测中的重要一环，工业现场气体中混有的固体颗粒物和水蒸气都会影响采样的精度，所以在气体通道上分别设置了固体颗粒过滤和水蒸气过滤装置。为了更好地控制通入气体的流量，还加入了流量计。同时，预处理装置还可输送零气和标准气完成仪器的标定工作。图9为气体预处理装置工作示意图。

4.2 准确性测试

先后通入不同浓度的CH4气体，记录采集的气体浓度数据，完成之后，继续通入CH4的同时，通入不同浓度的CO2气体，记录混合状态下的成分气体浓度。具体的浓度数据信息见表1。

从表1可知，单通道传感器测量结果相对误差最大值不超过0.4%，多通道混合气体测量结果相对偏差最大不超过0.9%。结果表明，该气体检测仪具有良好的分析测量精度，满足二级工业用表的国家标准。

4.3 电流输出测试

针对4~20 mA工业标准电流输出模块进行实验分析，仪器工作时先将检测到的气体浓度值转换为对应的输入电压，再经过AD5420转换成用于输出的模拟电流。实验选用的外部负载阻值为235.5 Ω，通入浓度为2.63%的CO2，数据如表2所示。

从表2可以看出，气体检测仪的相对误差范围为0.07%~0.33%，满足仪器的性能指标要求。

5 总结

伴随着现代工业生产对节能、环保、质量和安全的重视，在线气体检测仪器发挥着越来越重要的作用，同时也对其性能提出了更高的要求。本文针对生产现场复杂的工业环境设计了一款在线多通道的气体检测仪，选用新型的数字红外传感器作为主要的检测手段，以工业级主芯片STM32F407作为数据处理和控制的核心，设计整个仪器平台，同时通过模拟真实的工业环境验证分析仪器的可靠性。虽然工业在线气体检测仪已经能初步实现需要的功能，但想要将该平台大规模推广到工业生产中，还需要用严苛的标准对仪器设备进行测试。由于研发时间有限，设计中自然存在许多不足之处，有待后续对其进行修正和改进。