王夢佳，王曉榮，龔飛，孔德鴻

（南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，南京211816）

基于STM32F407與PM1158的焦?fàn)t煤氣氧含量在線分析儀設(shè)計

王夢佳，王曉榮*，龔飛，孔德鴻

（南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，南京211816）

設(shè)計了一種基于STM32F407的焦?fàn)t煤氣氧含量在線分析儀。該分析儀采用數(shù)字型磁力機械式氧傳感器PM1158進行氧含量的測量，它不僅能夠測量常量氧，而且也能夠用于微量氧的檢測，測量精度高、響應(yīng)速度快。傳感器輸出的信號經(jīng)過信號采集電路及調(diào)理電路送入微處理器STM32F407中進行后續(xù)處理。實驗結(jié)果表明，研制的焦?fàn)t煤氣氧含量在線分析儀抗干擾能力強、穩(wěn)定性好，完全符合工業(yè)現(xiàn)場的需求。

在線分析儀；焦?fàn)t煤氣氧含量；STM32F407；磁力機械式氧傳感器

在煉焦領(lǐng)域，焦?fàn)t煤氣回收系統(tǒng)中氧氣含量的多少直接決定了整個生產(chǎn)流程是否能夠安全運行［1］。焦?fàn)t煤氣中含有大量的可燃性氣體，所以必須時刻監(jiān)測助燃物氧氣的含量，保證其穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)［2］。為了保證焦煤氣回收系統(tǒng)的安全運行，設(shè)計了一款具有防爆功能的，且可以在線實時監(jiān)測焦煤氣回收系統(tǒng)中氧氣含量的分析儀。

1　系統(tǒng)總體方案設(shè)計

1.1總體結(jié)構(gòu)

分析儀的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計如圖1所示，主要由氣體預(yù)處理模塊、氧濃度檢測模塊、信號分析及處理模塊3部分組成［3］。

其工作流程為：采樣探頭將被檢測氣體引入預(yù)處理系統(tǒng)，經(jīng)過一系列的去雜處理，氣體以穩(wěn)定的流速流入傳感器。然后傳感器將采集到的信號傳送給MCU中央處理單元，處理器將接收到的信號進行處理。最終信號將以多種方式傳輸出去，如4 mA～20 mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流，485遠程通訊，液晶顯示等。如果檢測到的氧氣濃度超出了規(guī)定范圍，則通過DCS關(guān)閉電捕焦油器。為了保證傳感器精確地檢測焦?fàn)t煤氣中的氧含量，還提供了控溫模塊及壓力補償模塊。由于該分析儀工作在有爆炸性危險的區(qū)域，所以必須將整個分析裝置置于防爆箱中，通過觸摸按鍵對其操控。

圖1　氧分析儀總體結(jié)構(gòu)框圖

1.2預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計

由于焦煤氣的回收都是伴隨著高溫、水蒸氣、焦油、灰塵顆粒等復(fù)雜的情況，而這些情況都會影響到磁力機械式氧傳感器的檢測精度及使用壽命。高溫會使得被檢測氣體的體積磁化率降低，從而會使得檢測到的氧氣的濃度偏高；水蒸氣會溶解樣氣中易溶于水的氣體，進入測量氣室后附在其壁上腐蝕測量池，同時水蒸氣是逆磁性物質(zhì)，也會影響傳感器的測量精度；焦油及灰塵顆粒會堵塞傳感器的進氣口［4-5］。所以設(shè)計可靠性高的預(yù)處理系統(tǒng)是很有必要的，它可以保證氧含量在線分析儀長時間在線檢測的精度及可靠性。針對焦煤氣回收工業(yè)設(shè)計的預(yù)處理裝置如圖2所示。

圖2　焦煤氣預(yù)處理裝置結(jié)構(gòu)

2　硬件電路設(shè)計

根據(jù)總體方案，設(shè)計了模擬傳感器信號調(diào)理電路及數(shù)字傳感器信號調(diào)理電路，從而能夠采集到更精確可靠的信號。還設(shè)計了液晶顯示模塊、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流輸出模塊、485通訊模塊，使得處理后的信號能夠以多種方式向外傳輸。因為要在有爆炸性危險的區(qū)域?qū)ζ溥M行準(zhǔn)確的操作，設(shè)計了觸摸按鍵輸入模塊。除此之外，設(shè)計了用來計時的實時時鐘模塊和用來存儲數(shù)據(jù)的外部存儲模塊。同時為進行標(biāo)定、報警等一系列的操作，設(shè)計了開關(guān)量輸入輸出模塊。為了上述電路能夠在復(fù)雜的有爆炸性危險的區(qū)域正常工作，設(shè)計了可靠的供電模塊。焦煤氣氧含量在線分析平臺硬件電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　分析平臺硬件電路總體結(jié)構(gòu)

2.1氧傳感器電路

分析儀采用由英國SERVOMEX（仕富梅）公司生產(chǎn)的數(shù)字型磁力機械式氧傳感器PM1158。數(shù)字型機械順磁式氧傳感器是依據(jù)氧的強順磁性來測量氧氣的含量，其采用4腳接口模式通訊，引腳定義如表1所示。

表1　傳感器通訊接口引腳定義

由表1可知，1號端口用于接+5V直流電，4號端口接地線，2號與3號端口分別為串口通訊的發(fā)送與接收端，所以這兩個端口的電氣可靠性尤為重要。圖4為氧傳感器串口通訊接口電路。選用TLP181（光電耦合器）將傳感器的發(fā)送與接收端與主芯片的接收和發(fā)送端電氣隔離開，保證了單片機與傳感器之間的信號互相不會干擾，同時還抑制了共模信號，從而保證傳感器與單片機之間能夠可靠的通訊［6］。由于傳感器串口通訊的波特率為192 00 bit/s，為保證其可靠的通訊，這里采用日本東芝半導(dǎo)體公司所推出的中速光耦TLP181，它的工作溫度范圍為-55℃～100℃，完全可以滿足焦化工業(yè)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

圖4　數(shù)字傳感器串口通訊接口電路

2.2傳感器調(diào)理電路

由于氧氣體積磁化率是溫度與壓力的函數(shù)，所以溫度的變化會給測量的結(jié)果帶來巨大的影響，為此設(shè)計了控溫電路，從而可以保證在測量過程中傳感器溫度的恒定［7］。控溫電路包括測溫模塊與加熱模塊，如圖5所示。

測溫電路選用由德國ISTAG公司推出的數(shù)字型溫度傳感器TSic-306作為整個測溫電路的核心，在使用時將該溫度傳感器緊貼在氧傳感器的表面，從而可以實時監(jiān)測氧傳感器表面的溫度，并將檢測到的溫度值傳給主芯片。

為了達到控溫的目的，加熱電路也是必不可少的。將溫度傳感器傳給主芯片的溫度值與設(shè)定好的溫度值做出比較，如果檢測到的溫度值小于設(shè)定的溫度值，那么就需要對傳感器加熱，如果大于設(shè)定值就停止加熱。于是，在加熱電阻與加熱電源之間接上一個固態(tài)繼電器，通過主芯片輸出的PWM波來控制繼電器的導(dǎo)通時間，從而控制加熱電阻的加熱時間，進而達到控溫的目的。當(dāng)主芯片輸出的PWM波為低電平時，三極管Q4導(dǎo)通，同時開啟了固態(tài)繼電器HFS32D_DC輸入端的發(fā)光二極管，從而觸發(fā)了輸出端的光敏三極管，24 V電源開始給加熱電阻供電，為了能夠直觀的感知到加熱電阻是否在工作，還在電路中設(shè)計了發(fā)光二極管D18，當(dāng)加熱電阻工作時，D18就會發(fā)光。這里選用的加熱電阻是由CADDOCK公司推出的無感電阻MP930，在使用時將M930通過導(dǎo)線接在XS1端，同時將M930緊貼在氧傳感器表面。

圖5　控溫測溫模塊

壓力是影響數(shù)字型磁力機械式氧傳感器檢測精度的另一個重要因素，所以采用壓力補償?shù)姆椒▉頊p少測量誤差是很有必要的。具體思想是，采用壓力傳感器來檢測樣氣的壓力，從而可以得到在不同壓力下氧氣的濃度，再根據(jù)非線性擬合的方法得到壓力與氧氣濃度的關(guān)系，進而完成壓力補償。選用由摩托羅拉公司推出的壓力傳感器MPXH6250A_SOP8實時檢測壓力。壓力補償電路如圖6所示，壓力傳感器輸出電壓經(jīng)R28與C35組成的RC濾波后，送入電壓跟隨器，然后通過電壓跟隨器送入主芯片。

圖6　壓力補償電路

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計

根據(jù)系統(tǒng)整體方案，軟件系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計如圖7所示。系統(tǒng)上電后，PM1158氧傳感器立刻開始工作，但由于此時檢測環(huán)境的溫度不在其工作范圍內(nèi)，氧傳感器采集的濃度值并不準(zhǔn)確。因此需要一個預(yù)熱的過程，加熱器不斷工作，主芯片不斷采集當(dāng)前溫度并通過PID算法控制加熱的功率，當(dāng)溫度達到工作設(shè)定溫度值，加熱占空比將置0停止加熱［8］。此時，需對分析儀器進行兩點標(biāo)定。AD不斷采集壓力值送入PM1158作為環(huán)境壓強補償。液晶模塊將實時的顯示濃度、溫度、壓強、量程等數(shù)據(jù)，供用戶查看；并且可以通過按鍵在液晶上進行兩點標(biāo)定、設(shè)置報警值、設(shè)置通訊參數(shù)等操作。

圖7　軟件系統(tǒng)總體架構(gòu)

4　氧分析儀整體性能測試

氧分析儀的整體性能可以歸納為：準(zhǔn)確性、重復(fù)性、穩(wěn)定性。下面分別對這3種性能進行測試實驗，實驗時的具體參數(shù)為：（1）室內(nèi)溫度為20℃；（2）氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；（3）標(biāo)準(zhǔn)樣氣流量控制在60 mL/min；（4）傳感器工作溫度控制在（60±0.1）℃。

進行氧分析儀準(zhǔn)確性測試的實驗步驟：首先上電預(yù)熱5 min左右，接著將分析儀的量程設(shè)為0～5%，然后用濃度為99.99%的氮氣及氧濃度為5%的標(biāo)準(zhǔn)氣對其進行兩點標(biāo)定，最后在上述指標(biāo)的基礎(chǔ)上對5種不同氧濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣進行檢測，測試結(jié)果如表2所示，其中絕對誤差小于0.02%，相對誤差小于1%，表明該分析儀有較好的準(zhǔn)確度且達到了2級表的要求。

表2　氧分析儀準(zhǔn)確性測試數(shù)據(jù)

在焦化工業(yè)中，氧分析儀的穩(wěn)定性往往比測量的準(zhǔn)確度還要重要。實驗時選取5種不同氧濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣，每隔4 h測試一下這5組標(biāo)準(zhǔn)氣的氧濃度，測得的具體數(shù)據(jù)如表3所示，然后通過公式：

計算出以不同氧濃度標(biāo)準(zhǔn)氣為參照時的穩(wěn)定性偏差，式中Xmax表示測得的最大值，Xmin表示測得的最小值，Xb表示標(biāo)準(zhǔn)氣的濃度。計算結(jié)果如表3所示，穩(wěn)定性偏差皆小于1%，證明該分析儀具有較好的穩(wěn)定性，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

重復(fù)性的測量可以判定氧分析儀在短時間內(nèi)測得氧濃度是否一致。實驗時，選取5種不同氧濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣，然后對每種標(biāo)準(zhǔn)氣進行連續(xù)5次的測量，實驗數(shù)據(jù)如表4所示。衡量重復(fù)性的計算公式為

其中n表示測量次數(shù)，Xi表示單次測得的氧濃度值，Xˉ表示n次氧濃度的平均值，Xb表示標(biāo)準(zhǔn)氣的濃度值，則通過式（2）就可以計算出氧分析儀以5種不同標(biāo)準(zhǔn)氣為參照時的不確定度，結(jié)果如表4所示，不確定度皆小于0.2%，從而表明氧分析儀有很好的重復(fù)性。

表3　氧分析儀穩(wěn)定性測試數(shù)據(jù)

表4　氧分析儀重復(fù)性測試數(shù)據(jù)

5　結(jié)束語

本套系統(tǒng)是一款針對焦?fàn)t煤氣回收系統(tǒng)中氧氣含量的監(jiān)控提出的用于工業(yè)爆炸環(huán)境中在線實時氧氣含量監(jiān)測的氣體分析儀器。其以低功耗、穩(wěn)定性強的工業(yè)級芯片STM32F407作為數(shù)據(jù)處理核心，主要采用數(shù)字磁力機械式氧傳感器作為監(jiān)測手段，結(jié)合RS485和工業(yè)毫安電流輸出作為輸出手段，實現(xiàn)了數(shù)字化、智能化、模塊化的分析平臺設(shè)計。

從上述整體性能測試可以得知，研制的焦?fàn)t煤氣氧含量在線分析儀測量精度高、抗干擾能力強、穩(wěn)定性好，完全符合工業(yè)現(xiàn)場的需求。

［1］萬成略，汪莉.可燃性氣體含氧量安全限值的探討［J］.中國安全科學(xué)學(xué)報，1999（1）：48-52.

［2］張翠花，宋泉山.發(fā)展機焦煤氣利用提高經(jīng)濟環(huán)境綜合效益［J］.山西焦煤科技，2006（7）：9-11.

［3］符青靈，王森.在線分析儀表工工作手冊［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013：87-124.

［4］劉爽.煤氣分析儀預(yù)處理系統(tǒng)新設(shè)計方案［J］.科技風(fēng)，2013 （9）：75-75.

［5］翁小平.磁力機械式氧分析儀預(yù)處理系統(tǒng)的改進［J］.自動化儀表，2006，27（12）：46-48.

［6］朱吉江，牛軼霞，于春戰(zhàn).光電隔離器的工作原理和應(yīng)用［J］.微電子技術(shù)，2001（5）：55-57.

［7］歐振興.順磁式氧分析儀的檢測原理和應(yīng)用［J］.廣東化工，2013，40（14）：158-158.

［8］王蕾，文忠.PID控制［J］.自動化儀表，2004，25（4）：1-5.

王夢佳（1990-），女，漢族，江蘇無錫人，南京工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向為嵌入式系統(tǒng)，wangmengjia90@163.com；

王曉榮（1972-），男，漢族，江蘇阜寧人，南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院副教授，研究方向為分析儀器設(shè)計、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計、機電系統(tǒng)綜合控制，wangxiaorong@njtech.edu.cn。

The Design of a Coke Oven Gas Oxygen Content Analyzer Based on STM32F407 and PM1158

WANG Mengjia，WANG Xiaorong*，GONG Fei，KONG Dehong
（College of Electrical Engineering and Control Science，Nanjing University of Technology，Nanjing 211816，China）

The online analyzer based on STM32F407 for oxygen content in coke oven gas is designed.The analyzer measures oxygen content with digital magnetic and mechanical type oxygen sensor PM1158.It can be used not only to measure the constant oxygen，but also to detect trace oxygen with the characteristics of high measurement accura?cy and fast response speed.The output sensor signal，passing through signal acquisition circuit and conditioning cir?cuit is sent to microprocessor STM32F407 for subsequent processing.The experimental results show that the coke oven gas oxygen content on-line analyzer can fully meet the needs of industrial field with strong anti-interference ability and good stability.

on-line analyzer；oxygen content in coke oven gas；STM32F407；magnetic mechanical type oxygen sensor

TH89

A

1005-9490（2016）02-0459-05

EEACC：7230U10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.042

2015-06-05修改日期：2015-08-06