孫 里，王曉榮，趙玲寶，邵林莉，莫小凡，吳 棋

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

0 引言

目前，氣相色譜儀相對(duì)比較成熟，國(guó)內(nèi)外也有很多的生產(chǎn)廠家。與國(guó)外產(chǎn)品相比，國(guó)內(nèi)的光離子化氣相色譜儀(GC-PID)存在著較多的同質(zhì)性[1-2]。國(guó)外產(chǎn)品具有相對(duì)較好的性能，但價(jià)格昂貴。隨著國(guó)家對(duì)環(huán)境監(jiān)管的日趨嚴(yán)格，面向揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)在線監(jiān)測(cè)的氣相色譜儀需求量越來(lái)越大，而目前國(guó)內(nèi)在線式的GC-PID產(chǎn)品較少，尤其是高性能的在線式GC-PID更少[3]。針對(duì)環(huán)保領(lǐng)域?qū)O低濃度VOCs在線監(jiān)測(cè)的需求，本課題基于嵌入式領(lǐng)域高性能芯片STM32F767擬對(duì)高性能在線式GC-PID的關(guān)鍵技術(shù)展開(kāi)研究，包括光離子化檢測(cè)器(PID)光源驅(qū)動(dòng)、高精度溫度控制、信號(hào)采集與人機(jī)交互等，以期形成一個(gè)完整的GC-PID系統(tǒng)。

1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

色譜儀開(kāi)始工作后，吹掃氣將管道中的其他成分氣體排出，載氣攜帶樣氣通入管道，所有氣體通入管道前都會(huì)經(jīng)過(guò)預(yù)處理設(shè)備，排出氣體中的水蒸氣、雜質(zhì)等干擾實(shí)驗(yàn)結(jié)果的成分。氣體進(jìn)入色譜柱后，混合組分會(huì)進(jìn)行分離，分別進(jìn)入光離子化檢測(cè)器，在檢測(cè)器中離子化為微電流信號(hào)。經(jīng)過(guò)放大器放大后的電信號(hào)經(jīng)過(guò)濾波處理，由微控制器采集后傳輸給上位機(jī)，上位機(jī)會(huì)將數(shù)據(jù)以譜圖的方式展現(xiàn)出來(lái)并對(duì)其進(jìn)行定性和定量分析，色譜儀工作流程如圖1所示。

圖1 氣相色譜儀工作流程

GC-PID的柱箱和檢測(cè)器等對(duì)溫度都有要求，所以本儀器提供了溫度控制模塊。氣路方面采用EPC(electronic pressure control)對(duì)氣流進(jìn)行數(shù)字化控制，以獲得最佳流速比，提高色譜儀自動(dòng)化程度。上位機(jī)方面對(duì)比國(guó)內(nèi)外色譜儀的人機(jī)交互界面，滿足基本功能的同時(shí)致力于提升用戶的使用體驗(yàn)，儀器的主要功能模塊如圖2所示。

圖2 儀器功能

2 硬件設(shè)計(jì)

本GC-PID采用STM32F767微處理器作為主控芯片，這是一款搭載32位RISC內(nèi)核Cortex-M7的高性能芯片，工作頻率高達(dá)216 MHz，支持SPI、I2C、USART等通訊接口，擁有ADC、DAC等模擬功能，外設(shè)資源豐富滿足設(shè)計(jì)要求。PID檢測(cè)器的光源選用真空直流放電紫外燈，該燈能量合適，性能穩(wěn)定。信號(hào)檢測(cè)模塊選用運(yùn)算放大器AD549JH，該放大器特別適用于低輸入電流和低輸入偏置電壓的場(chǎng)合。為了屏蔽機(jī)箱內(nèi)部的信號(hào)干擾，測(cè)溫模塊選用鎧裝鉑電阻Pt00，確保溫度測(cè)量的準(zhǔn)確性。上位機(jī)選用SK19GA工控一體機(jī)，且支持觸摸。電源模塊則根據(jù)各模塊電路的不同需求而設(shè)計(jì)。GC-PID整體的硬件框架如圖3所示。

圖3 硬件框架

2.1 光源驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)

根據(jù)真空直流放電紫外燈的數(shù)據(jù)手冊(cè)，該燈需要250 V的直流電壓且電流不超過(guò)2 mA，設(shè)計(jì)了相應(yīng)的外圍驅(qū)動(dòng)電路。光源驅(qū)動(dòng)電路采用Royer架構(gòu)電路，該電路是1個(gè)自激推挽式DC-AC升壓變換電路，由阻尼電感，續(xù)流二極管，2個(gè)NPN三極管，2個(gè)基極電阻，1個(gè)諧振電容及有3個(gè)繞組的變壓器構(gòu)成。7 V的直流電壓經(jīng)過(guò)該電路后在圖中的變壓器次級(jí)按照特定的頻率進(jìn)行簡(jiǎn)諧振蕩，再經(jīng)過(guò)倍壓整流電路輸出紫外燈所需的工作電壓，紫外燈兩端的電壓及流過(guò)的電流可根據(jù)與之串聯(lián)的電阻的不同選型來(lái)調(diào)節(jié)，光源驅(qū)動(dòng)電路如圖4。

圖4 光源驅(qū)動(dòng)電路

2.2 信號(hào)檢測(cè)電路設(shè)計(jì)

電離點(diǎn)位不高于光能量的化合物進(jìn)入PID檢測(cè)器后發(fā)生光電離，產(chǎn)生極微弱的離子流，PID離子室的本底電流約為10-14A，一旦待測(cè)物通入檢測(cè)器，離子流會(huì)增大但也很微弱。該離子流經(jīng)過(guò)放大器的高阻值、高精密電阻，轉(zhuǎn)化成能被數(shù)據(jù)處理單元采集的電壓信號(hào)，該電壓信號(hào)與放大器的輸入阻值成正比，且可以通過(guò)控制繼電器U17、U18和U19的通斷來(lái)選擇放大的倍數(shù)。由于放大器的輸入電流極其微弱，選用了具有極低輸入偏置電流的單片電路靜電計(jì)型運(yùn)算放大器AD549JH，該型號(hào)的運(yùn)算放大器最大的偏置電流為250 fA，滿足設(shè)計(jì)要求，檢測(cè)電路如圖5所示。

圖5 檢測(cè)電路

為了消除檢測(cè)電路中輸入電阻的基流，采用如圖6所示的基流補(bǔ)償電路，該電路的輸出范圍為-7～7 V且大小可調(diào)。實(shí)際中，我們一般會(huì)在進(jìn)樣前調(diào)節(jié)可調(diào)電阻U20以提供一個(gè)反向補(bǔ)償電壓進(jìn)行基流補(bǔ)償，將信號(hào)的基線調(diào)節(jié)至0。

圖6 基流補(bǔ)償電路

2.3 恒溫電路設(shè)計(jì)

考慮到隨溫度的升高，PID檢測(cè)器的響應(yīng)值下降且紫外燈的使用壽命會(huì)縮短以及色譜柱對(duì)溫度的要求[4-5]，設(shè)計(jì)了如圖7所示的溫控電路。選用工業(yè)中常用的鉑電阻測(cè)溫方案，用查表法或內(nèi)插法計(jì)算溫度[6]。將鉑電阻接入惠斯登電橋，且采用三線制接法，避免由于引入導(dǎo)線電阻使得測(cè)量精度變低的問(wèn)題。溫度的變化會(huì)使電橋產(chǎn)生mV級(jí)的壓差，我們采用高精度儀表放大器AD620對(duì)該電壓進(jìn)行放大，有效抑制共模干擾且放大倍數(shù)可調(diào)。主控芯片通過(guò)輸出PWM波控制光耦MOC3063的通斷來(lái)控制后端加熱棒的加熱狀態(tài)以達(dá)到控溫的效果。

(a)測(cè)溫電路

(b)加熱電路圖7 溫控電路

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 FreeRTOS線程劃分

GC-PID下位機(jī)軟件主要處理的任務(wù)有數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸，EPC氣路控制，溫度控制，與上位機(jī)通訊等。任務(wù)較多，功能復(fù)雜，需要合理規(guī)劃各任務(wù)間的調(diào)度關(guān)系。為了提高軟件的實(shí)時(shí)性能，降低任務(wù)間的耦合，軟件移植了實(shí)時(shí)嵌入式操作系統(tǒng)FreeRTOS。該操作系統(tǒng)提供任務(wù)管理、時(shí)間管理、信號(hào)量、消息隊(duì)列、內(nèi)存管理等功能且內(nèi)核同時(shí)支持優(yōu)先級(jí)調(diào)度算法和輪換調(diào)度算法。FreeRTOS是1個(gè)可裁剪的小型RTOS系統(tǒng)，免費(fèi)、可移植性高，能有效節(jié)約儀器開(kāi)發(fā)成本。FreeRTOS用戶會(huì)給每個(gè)任務(wù)線程分配1個(gè)優(yōu)先級(jí)，任務(wù)調(diào)度器就可以根據(jù)此優(yōu)先級(jí)來(lái)決定任務(wù)線程的調(diào)度順序，線程設(shè)計(jì)如圖8所示。

圖8 下位機(jī)軟件線程設(shè)計(jì)框架

3.2 人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)

GC-PID上位機(jī)軟件主要功能有將測(cè)得的色譜數(shù)據(jù)通過(guò)譜圖的方式展現(xiàn)出來(lái)并對(duì)其進(jìn)行定性和定量分析，對(duì)歷史數(shù)據(jù)和告警數(shù)據(jù)進(jìn)行保存，提供接口讓使用人員設(shè)置溫度控制和氣路控制的參數(shù)等。上位機(jī)軟件選用WPF(windows presentation foundation)進(jìn)行開(kāi)發(fā)，WPF是微軟推出的基于Windows的用戶界面框架，最大的優(yōu)勢(shì)在于圖形界面和代碼獨(dú)立開(kāi)發(fā)，用統(tǒng)一的XAML標(biāo)簽語(yǔ)言進(jìn)行UI設(shè)計(jì)，簡(jiǎn)化圖形界面開(kāi)發(fā)，用C#完成后端代碼實(shí)現(xiàn)，顯著縮短開(kāi)發(fā)周期，界面設(shè)計(jì)框架如圖9所示。

圖9 上位機(jī)界面設(shè)計(jì)框架

4 實(shí)驗(yàn)分析

色譜儀的檢測(cè)指標(biāo)包括靈敏度、基線噪聲、基線漂移、重復(fù)性、檢測(cè)限等。靈敏度(S)指變化為Δm的物質(zhì)的量通過(guò)檢測(cè)器時(shí)該物質(zhì)的響應(yīng)值變化率為ΔR，如式(1)所示：

S=ΔR/Δm=A/m

(1)

式中：A為色譜峰面積，μV·s；m為質(zhì)量，g。

基線噪聲(N)是系統(tǒng)由于各種因素引起的基線波動(dòng)，且是最小檢測(cè)限(MDL)的影響因子之一。最小檢測(cè)限是指檢測(cè)器產(chǎn)生2倍于基線噪聲時(shí)，單位時(shí)間內(nèi)進(jìn)入檢測(cè)器的組分的量，如式(2)所示：

MDL=2N/S=2Nm/A

(2)

式中：N為基線噪聲,μV;MDL為最小檢測(cè)限，g/s。

檢測(cè)器的靈敏度越大越好，但在實(shí)際中，儀器噪聲會(huì)隨靈敏度的增大而增大，導(dǎo)致信噪比下降，而最小檢測(cè)限能直接反映靈敏度和噪聲的變化關(guān)系。綜上所述，在實(shí)驗(yàn)中選用最小檢測(cè)限作為本儀器的重要性能指標(biāo)之一。

實(shí)驗(yàn)條件：(1)紫外燈電流為2.0 mA，電壓為250 V；(2)柱溫為60 ℃；(3)進(jìn)樣口流量為40 mL/min，柱流量為2 mL/min，檢測(cè)器流量為20 mL/min。按照該實(shí)驗(yàn)條件，待儀器運(yùn)行穩(wěn)定，測(cè)得30 min GC-PID的基線噪聲為50 μV，基線漂移為90 μV/30 min，基線噪聲如圖10所示。

圖10 GC-PID基線噪聲圖

按照上述實(shí)驗(yàn)條件，基線穩(wěn)定后，通入1 μL濃度為100 ppm(1 ppm=10-6)的苯/二氯甲烷，GC-PID的色譜圖如圖11所示，2.4 min左右出峰的是苯，重復(fù)實(shí)驗(yàn)6次，6次苯的平均峰面積為82 074.1 μV·s，相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.012，最小檢測(cè)限為5.9×10-12g/s。

圖11 GC-PID色譜圖

國(guó)內(nèi)最新的氣相色譜儀檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)是JJG700-2016，但其中并沒(méi)有涉及GC-PID的檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，參照GC-FID(火焰離子化氣相色譜儀)的標(biāo)準(zhǔn)對(duì)GC-PID進(jìn)行分析。對(duì)比結(jié)果如表1所示，最小檢測(cè)限比GC-FID高一個(gè)數(shù)量級(jí)。由實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和比較結(jié)果可知，本GC-PID性能穩(wěn)定，重復(fù)性好，最小檢測(cè)限低。

表1 GC-PID與GC-FID性能比較

5 結(jié)束語(yǔ)

本課題研究的GC-PID是對(duì)嵌入式高性能芯片STM32F767的實(shí)際應(yīng)用，并提供了GC-PID具體的硬件設(shè)計(jì)方案和上、下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)方案。通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試該色譜儀的噪聲、最小檢測(cè)限、重復(fù)性等重要指標(biāo)。實(shí)驗(yàn)表明，該GC-PID具有以下特點(diǎn)：

(1)滿足環(huán)保領(lǐng)域?qū)O低濃度VOCs在線監(jiān)測(cè)的需求，在進(jìn)樣、溫度流量控制、信號(hào)采集等方面自動(dòng)化程度高；

(2)擁有實(shí)用、友好的人機(jī)交互界面,對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析并生成和保存分析報(bào)告；

(3)性能穩(wěn)定，重復(fù)性好；

(4)精準(zhǔn)的痕量分析，最小檢測(cè)限精度可達(dá)1×10-12g/s。