張華杰，陳海永，蘭淑靜2，武傳偉，王 棟，侯賢祥，王海超

(1.漢威科技集團(tuán)股份有限公司，鄭州 450001;2.信息工程大學(xué)基礎(chǔ)部,鄭州 450001)

0 引言

VOC是指除了一氧化碳，二氧化碳，碳酸，金屬碳化物，碳酸鹽以及碳酸銨外，任何參與大氣中光化學(xué)反應(yīng)的含碳化合物[2]。TVOC是揮發(fā)性有機(jī)物(VOC)的總體構(gòu)成，是指室溫下飽和蒸氣壓超過(guò)133.32 Pa的有機(jī)物，其沸點(diǎn)范圍是50～250 ℃，常溫下以蒸發(fā)的形式存在于空氣中，具有刺激性或特殊的氣味性，會(huì)影響皮膚和黏膜，對(duì)人體產(chǎn)生急性損害[7]。世界衛(wèi)生組織、美國(guó)國(guó)家科學(xué)院等機(jī)構(gòu)一直強(qiáng)調(diào)TVOC是一類重要的空氣污染物。環(huán)境空氣中的TVOC不僅能直接對(duì)人體健康造成危害[1]，還會(huì)相互作用，引起光化學(xué)污染，對(duì)人體健康和環(huán)境的不良影響已受到人們的普遍關(guān)注[2]。

目前檢測(cè)環(huán)境空氣中的TVOC通常采用氣相色譜法，但也有采用傅里葉變換紅外光譜法、熒光光譜法、離子色譜法和反射干涉光譜法等[10]。最為常見(jiàn)的是實(shí)驗(yàn)室檢測(cè)分析方法，用以Tenax-TA作為吸附劑的VOC吸附管收集一定體積的空氣樣品，拿回實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行解析處理，然后采用氣相色譜或質(zhì)譜儀器等進(jìn)行檢測(cè)分析[7]。此方法檢測(cè)過(guò)程復(fù)雜、專業(yè)性要求和檢測(cè)成本比較高，也不適合突發(fā)情況下的快速檢測(cè)。

市場(chǎng)對(duì)用于現(xiàn)場(chǎng)分析測(cè)量環(huán)境空氣中TVOC含量的需求越來(lái)越多，而環(huán)境空氣中的TVOC含量處于痕量級(jí)，市場(chǎng)上現(xiàn)有監(jiān)測(cè)TVOC含量的傳統(tǒng)設(shè)備大多是采用傳感器技術(shù)的方式實(shí)現(xiàn)，但由于受限于傳感器的靈敏度和檢測(cè)限，導(dǎo)致其未能實(shí)現(xiàn)商品化、產(chǎn)品化，另外其使用環(huán)境也不適用于現(xiàn)場(chǎng)快速分析測(cè)量。而本文提出的利用熱解吸技術(shù)進(jìn)行TVOC含量的在線痕量檢測(cè)，不僅靈敏度高，檢測(cè)線低，而且成本比較低，具有很大的實(shí)際推廣價(jià)值，可大面積應(yīng)用于大氣污染監(jiān)測(cè)、工業(yè)廢氣監(jiān)測(cè)以及對(duì)居民居住環(huán)境質(zhì)量的監(jiān)測(cè)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)及原理

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

環(huán)境空氣TVOC在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的系統(tǒng)氣路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖如圖1所示，主要由樣品進(jìn)樣口、精密過(guò)濾器、采樣泵、電磁四通閥、熱解吸管、PID傳感器、流量傳感器和樣氣排空口等組成，具有氣路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)需額外提供載氣，環(huán)境空氣即可作為載氣等特點(diǎn)。

1 樣品進(jìn)樣口；2 精密過(guò)濾器；3 采樣泵；4 電磁四通閥；5 熱解吸管；6 PID傳感器；7 流量傳感器；8 樣氣排空口。

精密過(guò)濾器具有對(duì)樣品氣進(jìn)行預(yù)處理功能，主要用于過(guò)濾環(huán)境空氣和待測(cè)氣體中的顆?；覊m和水汽，以防小顆粒物或水汽進(jìn)入到氣路中影響熱解吸管性能，降低相關(guān)部件的壽命。

電磁四通閥主要是實(shí)現(xiàn)基線采集和樣氣采集，富集和進(jìn)樣等氣路的切換。樣品氣采樣采用泵吸式原理，采樣泵為派克漢尼汾公司的4.5 V隔膜式低噪音空氣泵，和流量傳感器共同控制樣品氣的精確進(jìn)樣。

1.2 系統(tǒng)原理

PID傳感器由紫外燈光源和離子化室組成。 紫外燈光源能夠發(fā)射出具有一定能量 (通常用9.5、1 0.0、10.2、10.9和11.7 eV) 的光子，通過(guò)離子化室直接照射在被測(cè)物質(zhì)蒸汽分子上時(shí) , 分子吸收能量高于其電離能的光子 , 就會(huì)發(fā)生光離子化作用[11]，通過(guò)檢測(cè)被電離物質(zhì)的電流大小，即可知道被測(cè)物質(zhì)在空氣中的含量[8-9]。

熱解吸管是一種填充有特定吸附劑的采樣管，在具體使用時(shí)一般分為吸附和熱解吸兩個(gè)過(guò)程。吸附過(guò)程是用采樣泵吸入樣品氣通過(guò)該采樣管時(shí)，被測(cè)定的某些揮發(fā)性物質(zhì)就會(huì)被熱解吸管內(nèi)填充的吸附劑選擇性的吸附，從而達(dá)到富集氣體樣品中目標(biāo)物的目的[3]；熱解吸過(guò)程就是將吸附了待檢測(cè)物質(zhì)的采樣管加熱，使被吸附的物質(zhì)解吸出來(lái)[3]，并由載氣將目標(biāo)物帶出熱解吸管的過(guò)程。

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

該環(huán)境空氣TVOC在線檢測(cè)裝置主要由電源模塊、主控模塊、自動(dòng)采樣及氣路切換模塊(氣體采集模塊、氣體信號(hào)檢測(cè)模塊)、溫控模塊、數(shù)據(jù)傳輸模塊和人機(jī)交互模塊等組成，其系統(tǒng)硬件原理框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件原理框圖

2.1 加熱電路

加熱模塊采用可控硅過(guò)零調(diào)功的方式，過(guò)零調(diào)功方式就是通過(guò)在給定的時(shí)間內(nèi)改變加在負(fù)載上的交流正弦波個(gè)數(shù)來(lái)調(diào)節(jié)功率的一種控制方法。由于可控硅是在電壓(電流)過(guò)零時(shí)觸發(fā)導(dǎo)通的，導(dǎo)通時(shí)的波形是完整的正弦波或半波[12]，所以說(shuō)不僅不產(chǎn)生高次諧波，其負(fù)載浪涌電流和電流變化率也都很小，而且不影響電網(wǎng)電壓，不干擾通訊設(shè)備。另外采用了觸發(fā)電流僅為5 mA的過(guò)零雙向可控硅型光耦MOC3063，集光電隔離、過(guò)零檢測(cè)、過(guò)零觸發(fā)等功能于一身，避免了輸入輸出通道同時(shí)控制雙向可控硅觸發(fā)的缺陷，簡(jiǎn)化了輸出通道隔離驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)。

在計(jì)劃經(jīng)濟(jì)的影響下，企業(yè)采用傳統(tǒng)的成本管理模式，而企業(yè)往往只關(guān)注內(nèi)部生產(chǎn)和管理活動(dòng)，不關(guān)注企業(yè)的外部環(huán)境，僅限于生產(chǎn)過(guò)程中對(duì)成本的核算和分析，在這種忽略預(yù)測(cè)和決策的情況下，很難充分發(fā)揮成本管理應(yīng)該有的作用。

設(shè)計(jì)的加熱電路如圖3所示，其工作原理是：主控器件STM32F407根據(jù)用戶設(shè)置的情況控制I/O口輸出高低電平，當(dāng)在I/0口輸出低電平時(shí)，使光電隔離器件MOC3063導(dǎo)通，同時(shí)觸發(fā)雙向可控硅導(dǎo)通，進(jìn)而對(duì)相關(guān)部件進(jìn)行加熱；當(dāng)在I/O口輸出高電平時(shí)，使光電隔離器件MOC3063截止，進(jìn)而關(guān)閉雙向可控硅，即可實(shí)現(xiàn)停止加熱功能。

圖3 加熱電路

2.2 溫度檢測(cè)電路

溫控控制包含三路溫度控制，一路用于控制熱解吸管的溫度，一路用于控制電磁四通閥的溫度，最后一路用于控制管線的溫度。溫控模塊主要包括熱解吸管、閥、管線加熱模塊和熱解吸管、閥、管線溫度檢測(cè)模塊。設(shè)計(jì)的溫度檢測(cè)電路如圖4所示。

圖4 溫度采集電路

溫度檢測(cè)模塊采用三線制PT100鉑電阻將溫度信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，使用精密儀用放大器AD620進(jìn)行信號(hào)放大，選用了采用Σ-Δ調(diào)制技術(shù)的24位多通道AD7793器件實(shí)現(xiàn)模數(shù)轉(zhuǎn)換。AD7793器件集成有高精度恒流源、濾波器等，具有自校準(zhǔn)、系統(tǒng)校準(zhǔn)功能，可以消除零點(diǎn)、滿量程誤差及溫度漂移的影響[4]。為了防止PT100由于自發(fā)熱而影響測(cè)量精度，所以激勵(lì)電流源通常選為數(shù)百微安，在此設(shè)定為210微安，最終溫控精度達(dá)到正負(fù)0.1 ℃。

其工作原理是：采用恒流源對(duì)PT100鉑電阻施加恒穩(wěn)電流，PT100兩端的差分信號(hào)經(jīng)儀用放大器INA122放大濾波后，直接輸入A/D轉(zhuǎn)化器AD7793中。

2.3 自動(dòng)采樣電路

自動(dòng)采樣及氣路切換模塊主要包括氣體采集模塊、氣體信號(hào)檢測(cè)模塊和氣路控制模塊等。氣路控制模塊主要是通過(guò)控制電磁四通閥的開(kāi)啟和關(guān)閉實(shí)現(xiàn)氣路的切換。氣體采集模塊主要是通過(guò)控制采樣泵的開(kāi)啟時(shí)間和采集流量傳感器的流量值實(shí)現(xiàn)樣品氣的精確采樣。氣體信號(hào)檢測(cè)模塊主要是通過(guò)PID傳感器將環(huán)境空氣的TVOC濃度值轉(zhuǎn)換為電壓值，然后由采用Σ-Δ調(diào)制技術(shù)的24位多通道AD7793器件進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換達(dá)到對(duì)氣體信號(hào)進(jìn)行檢測(cè)的功能。

開(kāi)啟制冷模塊使其降溫到設(shè)定值，控制電磁四通閥使其處于樣品氣采樣狀態(tài)，樣品氣在采樣泵的抽取下，進(jìn)入到熱解吸管中，然后通過(guò)流量傳感器和PID傳感器后排出，可通過(guò)采集樣品氣路流量傳感器的流量值和設(shè)定采樣泵的開(kāi)啟時(shí)間來(lái)精確控制樣品氣的采樣量；開(kāi)啟加熱模塊使其快速升溫到設(shè)定值，控制電磁四通閥使其處于進(jìn)樣狀態(tài)，在高溫條件下，通過(guò)外界空氣作為載氣將熱解吸管中的待測(cè)揮發(fā)性組分帶入到PID傳感器中，進(jìn)而通過(guò)峰行算法計(jì)算出TVOC的含量。

設(shè)計(jì)的閥泵控制電路如圖5所示，其工作原理是：主控器件響應(yīng)用戶的參數(shù)設(shè)置和操作，在I/O口輸出一個(gè)高電平，使光耦LTV816不導(dǎo)通，光耦輸出高電平使Q1導(dǎo)通和MOS管IRF640導(dǎo)通，閥或泵就啟動(dòng)工作；在I/O口輸出一個(gè)低電平，使光耦導(dǎo)通，光耦輸出低電平使Q2導(dǎo)通，MOS管IRF640截止，閥或泵停止工作。

圖5 閥泵控制電路

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

該環(huán)境空氣TVOC在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的嵌入式軟件采用FreeRtos操作系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計(jì)[5]，其系統(tǒng)工作流程如圖6所示。

圖6 系統(tǒng)工作流程圖

即是：開(kāi)機(jī)上電后，首先進(jìn)行泵、閥、ADC、GPIO口等外設(shè)的系統(tǒng)初始化工作，其次是設(shè)備自檢工作(設(shè)備供電電壓自檢、流量傳感器自檢等)，自檢通過(guò)后進(jìn)入到待機(jī)狀態(tài)，然后可通過(guò)面板上的兩個(gè)磁棒結(jié)合顯示屏的提示信息選擇進(jìn)入循環(huán)監(jiān)測(cè)狀態(tài)、校準(zhǔn)狀態(tài)或歷史數(shù)據(jù)查看狀態(tài)。由于該環(huán)境空氣TVOC在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)是在線式設(shè)備，所以如果在待機(jī)界面超過(guò)60秒沒(méi)有操作，則會(huì)自動(dòng)進(jìn)入循環(huán)監(jiān)測(cè)狀態(tài)。調(diào)試狀態(tài)是針對(duì)開(kāi)發(fā)人員進(jìn)行設(shè)計(jì)的，進(jìn)行入調(diào)試狀態(tài)后可手工設(shè)置PID參數(shù)等信息。

該環(huán)境空氣TVOC在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)由于有循環(huán)監(jiān)測(cè)狀態(tài)、校準(zhǔn)狀態(tài)、歷史數(shù)據(jù)查看狀態(tài)等多個(gè)狀態(tài)，這里就以循環(huán)監(jiān)測(cè)流程圖進(jìn)行說(shuō)明一下，其他狀態(tài)的流程圖就不再詳細(xì)闡述。設(shè)計(jì)的循環(huán)監(jiān)測(cè)流程圖如圖7所示。

圖7 循環(huán)監(jiān)測(cè)流程圖

循環(huán)檢測(cè)流程的主要工作過(guò)程如下：

1)富集：采樣泵3、電磁四通閥4和流量傳感器7上電，樣品氣由樣品進(jìn)樣口1進(jìn)入，經(jīng)精密過(guò)濾器2將氣體中的顆粒和水分去除，得到潔凈的空氣或者樣品氣。再由采樣泵3吸入樣品氣依次通過(guò)電磁四通閥4(1和3通、2和4通)、熱解吸管5、PID傳感器6、流量傳感器7和樣氣排空口8后排空，此時(shí)環(huán)境空氣中的待測(cè)揮發(fā)性有機(jī)物(TVOC)就會(huì)被熱解吸管吸附。通過(guò)控制采樣泵的開(kāi)啟時(shí)間和采集流量傳感器的流量值可實(shí)現(xiàn)樣品氣的精確采集。

2)加熱：電磁四通閥4斷電(1和4通、2和3通)，采樣泵3上電、PID傳感器6上電、流量傳感器7上電，開(kāi)啟熱解吸管、閥和管線的加熱模塊使其快速升溫并穩(wěn)定到設(shè)定值。

3)解吸：采樣泵3、電磁四通閥4、PID傳感器6和流量傳感器7上電，采樣泵3通過(guò)樣品氣進(jìn)樣口1抽取外界環(huán)境空氣，經(jīng)精密過(guò)濾器2處理后作為載氣依次通過(guò)電磁四通閥4(1和3通、2和4通)、熱解吸管5、PID傳感器6、流量傳感器7和樣氣排空口8后排空，吸附了揮發(fā)性有機(jī)物的解析管由于快速加熱，在高溫下被吸附的物質(zhì)快速解吸出來(lái)，并由環(huán)境空氣作為載氣帶入PID傳感器氣室中進(jìn)行檢測(cè)，通過(guò)峰行算法計(jì)算出TVOC的含量。

4)制冷：采樣泵3、電磁四通閥4、PID傳感器6和流量傳感器7斷電，開(kāi)啟熱解吸管、閥和管線的制冷模塊使其快速降溫到設(shè)定值。

4 系統(tǒng)測(cè)試及結(jié)果分析

4.1 系統(tǒng)測(cè)試

為了驗(yàn)證整套系統(tǒng)設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，依次通入氣體濃度為滿量程的20%、50%和80%的標(biāo)準(zhǔn)氣體[6]，這里采用的標(biāo)氣濃度是40.1 ppm。記錄相關(guān)濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體通入該系統(tǒng)后的穩(wěn)定顯示值，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度連續(xù)測(cè)量3次。記錄的準(zhǔn)確性測(cè)試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 準(zhǔn)確性測(cè)試數(shù)據(jù)表

為了驗(yàn)證整套系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重復(fù)性，在正常工作條件下，通入滿量程20%的標(biāo)準(zhǔn)氣體，連續(xù)測(cè)試6次，記錄的重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù)表

為了驗(yàn)證整套系統(tǒng)設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性，將該系統(tǒng)放置于高低溫試驗(yàn)箱內(nèi)，使其處于正常工作狀態(tài)，以不大于1 ℃/min的升溫或降溫速率使高低溫試驗(yàn)箱升溫到50 ℃或降溫到-20 ℃，穩(wěn)定2小時(shí)后觀察記錄該系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)，試驗(yàn)結(jié)束后以不大于1 ℃/min的變化速率至室溫狀態(tài)，恢復(fù)2小時(shí)后通入20%的標(biāo)氣進(jìn)行性能指標(biāo)測(cè)試，記錄的穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)如表3所示。

表3 高低溫試驗(yàn)數(shù)據(jù)表

為了驗(yàn)證整套系統(tǒng)設(shè)計(jì)的檢測(cè)線，在正常工作條件下，分別通入14 ppb、20 ppb和56 ppb的標(biāo)準(zhǔn)氣體，連續(xù)測(cè)試4次，記錄的檢測(cè)線測(cè)試數(shù)據(jù)如表4所示。

表4 檢測(cè)線測(cè)試數(shù)據(jù)表

4.2 結(jié)果分析

由于該系統(tǒng)涉及的性能指標(biāo)比較多，在此只列舉了準(zhǔn)確性、重復(fù)性、穩(wěn)定性和檢測(cè)線的測(cè)試數(shù)據(jù)表，根據(jù)表1、表2、表3和表4的記錄數(shù)據(jù)分別對(duì)其進(jìn)行了結(jié)果分析，分析結(jié)果如表5所示。

表5 數(shù)據(jù)分析結(jié)果表

根據(jù)表5的分析結(jié)果可知，示值誤差小于正負(fù)5%，重復(fù)性小于正負(fù)3%，最低檢測(cè)線為1 ppb，系統(tǒng)穩(wěn)定性良好。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了環(huán)境空氣TVOC在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，該系統(tǒng)利用熱解吸和PID傳感器相結(jié)合的技術(shù)實(shí)現(xiàn)了對(duì)環(huán)境空氣TVOC含量的痕量檢測(cè)，利用STM32F407處理器實(shí)現(xiàn)氣路的控制、信號(hào)處理和溫度控制，其計(jì)算結(jié)果通過(guò)GPRS無(wú)線傳輸?shù)筋A(yù)警及監(jiān)測(cè)服務(wù)器上。實(shí)際測(cè)量結(jié)果表明，該系統(tǒng)具有穩(wěn)定性高、檢測(cè)線低、靈敏度高，無(wú)需人員在環(huán)境現(xiàn)場(chǎng)即可實(shí)現(xiàn)對(duì)某一地區(qū)環(huán)境空氣TVOC含量的快速分析和檢測(cè)等優(yōu)點(diǎn)。另外該系統(tǒng)也具有很大的實(shí)際推廣價(jià)值。