(鄭州輕工業(yè)學(xué)院電氣信息工程學(xué)院1,河南 鄭州 450002;河南職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電系2,河南 鄭州 450046)
糧倉殺蟲常用磷化鋁熏蒸,熏蒸中需檢測(cè)PH3氣體濃度。目前,PH3氣體濃度檢測(cè)方式主要是倉外抽氣泵定時(shí)抽氣體檢測(cè)。受采集時(shí)間及位置所限,該方式不能準(zhǔn)確反映糧倉內(nèi)不同點(diǎn)位的實(shí)時(shí)PH3濃度值。而大多糧倉采用經(jīng)驗(yàn)公式控制投藥量,控制不夠精準(zhǔn)。此外,國內(nèi)相關(guān)產(chǎn)品傳感器長期暴露在被測(cè)氣體環(huán)境中,壽命較短,更換成本很高,少有可按需設(shè)定指標(biāo)、自動(dòng)檢測(cè)濃度和自動(dòng)控制濃度的設(shè)備[1-2]。
本項(xiàng)目的檢測(cè)儀在投藥裝置開啟后,可根據(jù)需求檢測(cè)熏蒸后任意時(shí)間點(diǎn)和位置的PH3和O2濃度,并根據(jù)自建藥量庫科學(xué)控制投藥量;同時(shí),采用自動(dòng)隔離裝置按需開啟采集終端,可延長傳感器壽命。該測(cè)試儀配合現(xiàn)有投藥裝置可節(jié)省用藥量,延長傳感器壽命,提高安全系數(shù),大大降低生產(chǎn)成本及人工維護(hù)費(fèi)用。
測(cè)試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。該檢測(cè)儀主要由氣體隔離模塊、自增益濃度檢測(cè)終端、微控制器、上位機(jī)通信模塊、特殊外殼和傳感器等組成。
圖1 測(cè)試儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖
隔離模塊采用微型充氣泵(可根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)條件取舍)、微型電磁閥配合微控制器,合理控制吸氣及關(guān)閉狀態(tài),并結(jié)合密封技術(shù)有效隔離傳感器與被測(cè)氣體環(huán)境,快速檢測(cè)的同時(shí)延長了傳感器壽命。濃度檢測(cè)終端采用微電流采集技術(shù)采集傳感器輸出的有效電流信號(hào),并送入微控制器進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。同時(shí),根據(jù)采集到的氣體濃度值,建立科學(xué)的投藥量濃度數(shù)據(jù)庫,為上位機(jī)提供科學(xué)的投藥數(shù)據(jù)及人工維護(hù)參考數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)科學(xué)投藥。針對(duì)測(cè)試及安裝使用環(huán)境特殊性,測(cè)試儀外殼開模定制,滿足耐腐蝕性、密封性、實(shí)用性等多種需求。
傳統(tǒng)的環(huán)流熏蒸系統(tǒng)通常采用實(shí)時(shí)在線采集,這使得傳感器長期處于PH3氣體環(huán)境中,通常一年就需更換2次,成本較高。為延長傳感器壽命,設(shè)計(jì)了氣體隔離模塊,如圖2所示。
圖2 氣體隔離模塊
采用微型氣泵抽吸PH3,響應(yīng)時(shí)間較短。當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)安裝不方便時(shí)可不用氣泵,延長采集時(shí)間即可。24 V微型電磁閥與微控制器之間采用光耦開關(guān)隔離,以提高抗干擾性。當(dāng)需要采集氣體數(shù)據(jù)時(shí),由微控制器發(fā)出指令控制吸氣及關(guān)閉狀態(tài),并結(jié)合密封技術(shù),有效隔離傳感器與被測(cè)氣體環(huán)境。
為了提高采集精度并應(yīng)對(duì)投藥過量造成濃度過大影響傳感器有效壽命,PH3氣體傳感器采用瑞典MEMBRAPOR公司的PH3/C-2000。經(jīng)試驗(yàn)測(cè)試,若實(shí)際使用環(huán)境濃度始終較低,可選擇加恒電位電路進(jìn)一步增大其輸出電流。本測(cè)試儀實(shí)際使用時(shí)主要工作在100~600×10-6環(huán)境下,工作電極電流達(dá)到微安級(jí),因此未接恒電位電路到對(duì)電極和參比電極處。O2傳感器采用德國ITG公司的I-06,輸出為毫伏級(jí)電壓信號(hào),測(cè)量范圍為0~100%,分級(jí)三級(jí)精度,最小±0.1%。
實(shí)際環(huán)境中的PH3氣體濃度變化范圍較大:冬季未加藥時(shí)低至0~5×10-6,春季加藥后可升至100~1 500×10-6。因此,考慮傳感器輸出值的范圍約為0~180 μA,分辨力為100 nA,采用如圖3所示的I/V轉(zhuǎn)換電路,實(shí)現(xiàn)電流信號(hào)到電壓信號(hào)的轉(zhuǎn)換。
圖3 I/V轉(zhuǎn)換電路
采樣電阻采用高精度的金屬膜電阻。由于輸入電流值變化范圍較大,該電阻阻值不宜過大,此處選用10 kΩ。運(yùn)放采用OPA128,其典型Ib=75 fA、Uos=500 μV。C1為反饋電容,用于抵消輸入電容的影響,提高響應(yīng)時(shí)間;同時(shí),與反饋電阻R3一起提供一定的時(shí)間常數(shù)。
測(cè)試發(fā)現(xiàn),接放大單元后輸出值不穩(wěn)定,故在輸出端加一級(jí)跟隨器。同時(shí),使用TLC2264的一組運(yùn)放,其典型Ib=1 pA、Uos=300 μV。經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換電路后得到的電壓信號(hào)范圍約為0~1.8 V,分辨力為1 mV。為此,設(shè)計(jì)了自動(dòng)增益放大單元,如圖4所示。
圖4 自動(dòng)增益放大電路
采用CD4052作為模擬開關(guān),地址端接至微控制器I/O口,以控制自動(dòng)增益放大電路的反饋電阻通道,實(shí)現(xiàn)增益值根據(jù)采樣的電壓數(shù)值自動(dòng)切換。R6、R9、R10、R14為金屬膜反饋電阻,R5為保護(hù)電阻,防止輸入過壓而導(dǎo)致運(yùn)放損壞。自動(dòng)增益放大電路還結(jié)合了TLC2264的一組運(yùn)放。
根據(jù)輸入電壓值,增益值暫定4個(gè)檔位:①0~240 mV,增益×10;②241~700 mV,增益×3.3;③701~1 100 mV,增益×2.2;④1.1~1.8 V,增益×1。
實(shí)測(cè)結(jié)果表明,自動(dòng)增益放大電路的檔位自動(dòng)切換效果完全符合需求。由于測(cè)試環(huán)境濃度約為0~1 000×10-6,檔位①~③亦可滿足精度要求,檔位④未啟用。為了進(jìn)一步減小輸出信號(hào)波動(dòng),利用TLC2264的兩組運(yùn)放構(gòu)成跟隨器和反向器,保證最終進(jìn)入控制器A/D口的信號(hào)符合要求。對(duì)于環(huán)境濃度范圍寬、精度要求高的場(chǎng)所,可考慮在此基礎(chǔ)上改變或增加增益分配通道、配置高精度A/D轉(zhuǎn)換模塊等進(jìn)行改進(jìn)。
為保證有效微弱信號(hào)的準(zhǔn)確采集,接口部位采用優(yōu)質(zhì)BNC 插座,絕緣部分是特富龍。BNC 插座的外皮強(qiáng)制在地電位,盡量減小輸入端漏電[3-4]。O2傳感器輸出電壓變化范圍不大,直接放大50倍后送入A/D口即可。
主控制器部分采用Atmaga16單片機(jī),它具有集成度高、外圍設(shè)備豐富、功耗低等特點(diǎn)。主控制器及通信模塊電路圖如圖5所示。
圖5 主控制器及通信模塊電路
傳感器信號(hào)經(jīng)轉(zhuǎn)換放大后送至Atmaga16的A/D口PA0和PA2,其中PA0主要用于預(yù)留測(cè)試用,PA2口的輸入數(shù)據(jù)為實(shí)際使用端口。PB3和PB4控制增益單元的放大比例,即根據(jù)PA2口采集到的數(shù)據(jù)自動(dòng)切換4個(gè)檔位中的最優(yōu)值。PB2控制工作指示燈,對(duì)系統(tǒng)故障、通信狀態(tài)提供相應(yīng)指示。為保證采集精度,根據(jù)A/D口采集到的電壓值,先采用平均值及最小二乘法算法優(yōu)化數(shù)據(jù),然后對(duì)比存儲(chǔ)區(qū)的標(biāo)準(zhǔn)濃度模庫表,即可得到實(shí)際的濃度值[5]。
通信模塊采用MAX485,其電路接口簡(jiǎn)單,與控制器連接時(shí)占用2個(gè)管腳(PD0和PD1)。每個(gè)測(cè)試儀預(yù)留485接口,方便每個(gè)房間及整個(gè)倉庫構(gòu)成485總線網(wǎng)絡(luò)與上位機(jī)通信。當(dāng)接收到上位機(jī)發(fā)送的采集命令時(shí)即開始采集;采集完成后將測(cè)試儀位置及濃度信息通過485總線上傳至上位機(jī);上傳成功后待機(jī),并回到接收允許狀態(tài),等待下一次采集命令[6]。
系統(tǒng)軟件部分主要采用中斷模式工作,看門狗開啟模式。系統(tǒng)軟件流程簡(jiǎn)要說明如下。
系統(tǒng)上電進(jìn)入測(cè)試時(shí)先自動(dòng)進(jìn)入待機(jī)狀態(tài),串口接收處于激活狀態(tài),等待上位機(jī)采集命令的發(fā)送。當(dāng)成功接收到遠(yuǎn)程上位機(jī)發(fā)送的采集命令時(shí),即進(jìn)入采集子模塊。然后分析采集到的數(shù)據(jù)是否超限,若超限,進(jìn)入增益通道修改模塊,并自動(dòng)切換合適的增益。最后把采集到的數(shù)值與濃度藥量自建藥量數(shù)據(jù)庫作對(duì)比校準(zhǔn),并把相關(guān)信息上傳給上位機(jī)[7-8]。自此完成一次成功接收命令、自動(dòng)采集、分析處理、上傳有效數(shù)據(jù)的完整過程。
軟件流程圖如圖6所示。
圖6 系統(tǒng)軟件流程圖
考慮對(duì)熏蒸時(shí)糧庫多點(diǎn)、多層不同位置進(jìn)行有效的氣體濃度檢測(cè),可以給糧倉熏蒸管理系統(tǒng)提供更加科學(xué)有效的檢測(cè)數(shù)據(jù)。針對(duì)此項(xiàng)需求,對(duì)測(cè)試點(diǎn)分布及測(cè)試終端外形進(jìn)行了分析設(shè)計(jì)。安裝時(shí)將5個(gè)氣體取樣探頭分別置于糧倉的4個(gè)角和中間部位,深度為距糧面1 m、2 m、4 m、5 m、3 m。此外,考慮PH3氣體對(duì)金屬類物質(zhì)具有腐蝕性的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了如圖7所示的外殼結(jié)構(gòu)。
圖7 外殼結(jié)構(gòu)示意圖
除考慮實(shí)現(xiàn)按需采集外,增加了對(duì)儀器氣密性、隔離裝置分布、進(jìn)氣口、插埋尖頭等細(xì)節(jié)的處理。這不僅可以防止PH3氣體對(duì)電路板的腐蝕,而且滿足傳感器快速充分響應(yīng)、按需采集、延長壽命的要求。設(shè)備安裝后,需經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)后再使用。
實(shí)際測(cè)量時(shí)采用膜下環(huán)流熏蒸,在糧面鋪設(shè)環(huán)流回風(fēng)管道,使PH3在糧堆內(nèi)均勻分布,減少整倉環(huán)流中易出現(xiàn)的“死角現(xiàn)象”。有效氣體達(dá)到基本平衡后,熏蒸28 d后,最低平均濃度與最高平均濃度比為0.82以上,糧堆內(nèi)各點(diǎn)PH3濃度曲線平滑,呈平穩(wěn)下降趨勢(shì)。現(xiàn)場(chǎng)24#倉庫安裝投藥后一月內(nèi)實(shí)測(cè)PH3濃度數(shù)據(jù)如圖8所示。
圖8 24#倉庫實(shí)測(cè)濃度
將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與DST- 01D氣體檢測(cè)儀檢測(cè)結(jié)果相比較,相關(guān)性可達(dá)0.98以上。這說明該檢測(cè)終端測(cè)試數(shù)值準(zhǔn)確可靠,滿足系統(tǒng)要求。測(cè)試期間系統(tǒng)工作穩(wěn)定,用戶反映良好。
本文所述檢測(cè)終端實(shí)時(shí)測(cè)試數(shù)值準(zhǔn)確可靠,配合現(xiàn)有投藥裝置,可科學(xué)地控制投藥量,有效地延長傳感器壽命,提高安全系數(shù),大大降低了生產(chǎn)成本及人工成本。
終端投入使用時(shí)可在原有熏蒸及糧情監(jiān)控系統(tǒng)上直接安裝,無需對(duì)現(xiàn)有監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行大規(guī)模改造。該終端組網(wǎng)簡(jiǎn)便,改造成本低,升級(jí)擴(kuò)展靈活,可大大降低現(xiàn)有熏蒸系統(tǒng)維系成本,非常適合應(yīng)用于糧庫的糧情檢測(cè)系統(tǒng)。
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