劉志鋒，羅學(xué)科，李文，劉鵬

(北方工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144)

工業(yè)生產(chǎn)鋼鐵冶煉、火力發(fā)電等都會伴隨燃料燃燒排放含SO2的污染煙氣，污染煙氣溶于空氣中的水中形成酸雨、酸霧導(dǎo)致空氣質(zhì)量惡化、大氣能見度降低[1]，同時影響人體呼吸系統(tǒng)，損害身體健康，嚴(yán)重影響人類正常生活和生態(tài)平衡[2-4]。目前SO2氣體檢測常用方法主要分為物理法和化學(xué)法?；瘜W(xué)法采用分光光度法，利用甲醛、四氯汞鹽對SO2的吸收特性進(jìn)行檢測，雖然此檢測方法精度較高，但測試條件要求嚴(yán)格，測定過程繁瑣，操作不當(dāng)會影響結(jié)果的準(zhǔn)確性。物理法包括紫外熒光法、差分吸收光譜分析法和非分散紅外吸收法等。其中，紫外熒光法不能保證光源在波長為220 nm處恒定，差分吸收光譜分析法建設(shè)成本高，而非分散紅外吸收法結(jié)合冷凝干燥預(yù)處理系統(tǒng)有著穩(wěn)定性好、分辨率高、響應(yīng)時間迅速、維護(hù)成本低等優(yōu)勢，因而更適應(yīng)市場需要。邱健等[5]基于復(fù)雜可編程邏輯器件實現(xiàn)了對紫外熒光信號的拾取，但是該方法對光密性要求高。溫維麗等[6]設(shè)計了基于非分散紅外的煙氣分析儀，測定結(jié)果準(zhǔn)確性得到很大提升，但在預(yù)處理去水除塵上有待改進(jìn)。喬支衛(wèi)等[7]對基于不同原理的低濃度SO2分析儀性能進(jìn)行研究，測得基于非分散紅外吸收光譜法的SO2檢測系統(tǒng)零點漂移≤0.55%，響應(yīng)時間為67 s，線性誤差≤0.51%，重復(fù)性誤差≤0.63%，發(fā)現(xiàn)該檢測系統(tǒng)的響應(yīng)時間過長，其他檢測誤差也相對偏高，已經(jīng)達(dá)不到技術(shù)迅速更新的設(shè)備檢測需求。

本設(shè)計針對上述文獻(xiàn)中的不足做出改進(jìn)，由經(jīng)優(yōu)化的預(yù)處理氣路結(jié)構(gòu)、內(nèi)壁為鋁合金材質(zhì)的高密性檢測氣室和低功耗嵌入式系統(tǒng)等組成，擁有響應(yīng)時間短、檢測精度高等優(yōu)勢。流量設(shè)計為1.0 L/min，采用單光源雙通道設(shè)計降低雙路檢測光源強(qiáng)度不一致、裝配誤差干擾等影響，從而實現(xiàn)長期較好的穩(wěn)定性，相比光譜儀器測量既節(jié)約了成本又能夠去濕除塵，滿足檢測精度和響應(yīng)時間的要求。

1 檢測理論

每種氣體都有吸收紅外輻射能量的特定波段[8]。紅外光源在大氣中穿過時吸收氣體致使光強(qiáng)減弱，在光敏元件的感應(yīng)下會被轉(zhuǎn)化為相應(yīng)電信號的變化，這個吸收變化服從朗伯比爾定律[9-10]，如式(1)所示。

I(λ)=I0(λ)e(-αλcl)，

(1)

式中，αλ為特定波長的吸收系數(shù)，c為檢測氣體體積分?jǐn)?shù)，l為光程，I0、I分別為入射與出射光強(qiáng)度。故待測濃度可表示為式(2)，對于被測氣體，αλ是確定的量，因此SO2氣體體積分?jǐn)?shù)可通過分別檢測I0、I的信號值計算得出。

(2)

設(shè)計采用熱電堆探測器，紅外光源穿過并吸收氣體致使波長能量減弱引起探測元熱電偶電壓的微弱變化，熱電偶串聯(lián)產(chǎn)生被檢測到的熱電電壓[11]。通過處理電壓信號值便可得到紅外光源吸收SO2的情況，從而計算其濃度值，由朗伯比爾定律知，探測器檢測通道端與參考通道端兩路電壓控制輸出信號可分別表示為式(3)和式(4)。

Us=E1Ise(-αλcl)，

(3)

Ur=E2Ir，

(4)

式中，Us、Ur分別表示測量通道輸出電壓值、參考通道輸出電壓值，E1、E2分別表示雙通道不同濾片通過紅外光源的傳輸系數(shù)。設(shè)計波段在7.30、3.98 μm作為測量通道和參考通道。因為測量的待測氣體體積分?jǐn)?shù)比較低，吸光度αλcl遠(yuǎn)小于1,故式(3)可據(jù)泰勒展開式近似為：

Us=E1Is(1-αλcl)，

(5)

式(5)與式(4)相減有：

Us-Ur=E1Is(1-αλcl)-E2Ir，

(6)

由差分放大運(yùn)算原理整理得到體積分?jǐn)?shù)表達(dá)式(7)。

(7)

在固定環(huán)境下，式中只有(Us-Ur)為變量，其余均為已知參數(shù)，SO2體積分?jǐn)?shù)表達(dá)式轉(zhuǎn)變?yōu)榫€性函數(shù)表示。

2 系統(tǒng)設(shè)計方案

基于非分散紅外吸收原理的檢測系統(tǒng)解決了現(xiàn)有檢測設(shè)備體積大、系統(tǒng)功耗大、建設(shè)成本高的問題[12]。在此基礎(chǔ)上，從提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可行性、縮短響應(yīng)時間出發(fā)，提出系統(tǒng)總體設(shè)計方案。參照國家計量檢測規(guī)程對系統(tǒng)的設(shè)計方案展開研究，氣體通過伴熱管線經(jīng)預(yù)處理流程控制操作，以1.0 L/min的流量通入檢測氣室進(jìn)行非分散紅外吸收檢測，檢測信號經(jīng)電路處理后實現(xiàn)SO2體積分?jǐn)?shù)測定。因此，需要從硬件電路、氣室結(jié)構(gòu)、檢測流程控制等方面進(jìn)行設(shè)計。

2.1 硬件電路設(shè)計

在采集SO2信號時，因為單獨測量空載探測器信號在3 V附近并且干擾波動較大，不易于信號的處理，因此設(shè)計差分積分放大電路，將檢測信號控制在毫伏范圍并對其進(jìn)行放大濾波處理。電路設(shè)計既能把差分信號放大到采樣電路能夠采樣的量級，又能在干擾中尋找到軌跡信號并提取出來[13]。考慮到電路設(shè)計中的運(yùn)算放大器需要具有高收益和失調(diào)電壓與漂移，因此采用性能良好的AD620作為運(yùn)放芯片。

硬件電路整體設(shè)計包括信號采集模塊、信號調(diào)理模塊、電源模塊、中央處理器模塊、溫度補(bǔ)償模塊、數(shù)據(jù)收發(fā)模塊，原理圖如圖1所示。

設(shè)計采用555定時器模塊為紅外光源調(diào)制5 V電壓及10 Hz輻頻信號，PB2405穩(wěn)壓模塊為雙通道探測器提供穩(wěn)定工作電壓以精確接收采集信號，放大整流后由高精密芯片ADuCM360模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，再經(jīng)接收/發(fā)送(RXD/TXD)端口傳輸?shù)绞瞻l(fā)器 ADM2587，由收發(fā)器完成與上位機(jī)的通信。

2.2 氣室結(jié)構(gòu)設(shè)計

氣室是對凈化的煙氣進(jìn)行紅外吸收與信號檢測的采集單元。經(jīng)預(yù)處理凈化的煙氣通過伴熱管道以1 L/min的流量由輸入端口輸入，探測器檢測通道接收相應(yīng)波段紅外衰減光強(qiáng)信號，與參考通道未經(jīng)紅外吸收的光強(qiáng)信號進(jìn)行差分，得到SO2氣體紅外吸收部分對應(yīng)的電壓信號，至輸出端口輸出完成一次信號采集。如圖2所示為氣室結(jié)構(gòu)，檢測氣室設(shè)計內(nèi)嵌鋁合金材質(zhì)防止氣體腐蝕以及降低材料對光傳播的影響，并根據(jù)紅外光源與探測器尺寸優(yōu)化檢測氣室內(nèi)徑。為保證穩(wěn)定的吸收介質(zhì)長度，設(shè)計氣室檢測長度為10 cm。

1,10—屏蔽蓋；2—紅外光源；3,11—生料帶；4,7—密封圈；5—輸入端；6—輸出端；8—檢測通道；9—探測器；12—參考通道；13—檢測氣室。

2.3 檢測流程控制設(shè)計

如圖3所示，待測氣體分別由電磁閥與采樣泵控制，通過濾室與Nafion管吸附雜質(zhì)、去水除濕，干燥凈化后送入氣室進(jìn)行氣體信號采集。檢測流程主要分為以下幾個步驟，具體流程如圖4所示。

圖3 氣路流程控制

圖4 檢測流程圖

(1)清理流程，此步驟是為了排出氣路中滯留物質(zhì)，防止上次殘留氣體與粉塵對本次檢測造成不必要的干擾，降低檢測誤差；

(2)系統(tǒng)預(yù)熱，控制開啟紅外光源，使氣室在一定時間建立熱平衡；

(3)零氣數(shù)據(jù)采集，此步驟是為了確定吸光度的零參考點；

(4)探測器數(shù)據(jù)采集，此過程使探測器前端的熱電堆產(chǎn)生變化進(jìn)行數(shù)據(jù)采集；

(5)氣體檢測，此步驟是通入空氣進(jìn)入氣室參與檢測，為系統(tǒng)濃度分析做準(zhǔn)備；

(6)排空流程，此過程是在數(shù)據(jù)采集完成后實現(xiàn)廢氣排出，對氣室及管路進(jìn)行清潔。

3 實驗分析

通過國家標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)網(wǎng)查詢選用標(biāo)準(zhǔn)值為99.9%、不確定度為0.1%的高純SO2和標(biāo)準(zhǔn)值為99.999%、不確定度為0.02%的高純氮氣作為氣體檢測標(biāo)準(zhǔn)氣體。高純氮氣作為檢測零氣，使用四川中測貝格科技有限公司的氣體稀釋裝置配制成不同體積分?jǐn)?shù)標(biāo)準(zhǔn)氣體，以標(biāo)準(zhǔn)HJ/T 76—2017[14]為測試依據(jù)，主要對系統(tǒng)的零點漂移、響應(yīng)時間、線性誤差和重復(fù)性誤差進(jìn)行研究。

3.1 零點漂移

控制電磁閥以1.0 L/min的流量通入零氣，等待數(shù)值穩(wěn)定后，校準(zhǔn)儀器至零點，記錄零點電壓值記為Z01，24 h后記錄穩(wěn)定示值Z11，之后重復(fù)上述步驟3次記錄相應(yīng)時間穩(wěn)定示值Z0i，Z1i(i=1,2,3)，記錄電壓值如表1所示。

表1 零點電壓測量

最大偏差值ΔZmax與漂移值Zd計算方法如式(8)和式(9)所示，其中R為滿量程值。根據(jù)計算得到零點漂移結(jié)果為0.4%。

ΔZmax=Z1i-Z0i，

(8)

(9)

3.2 響應(yīng)時間

響應(yīng)時間分為兩個部分，分別是通入標(biāo)準(zhǔn)氣體到數(shù)值開始變化的預(yù)處理氣路傳輸時間和等待示值上升到標(biāo)準(zhǔn)氣體90%標(biāo)稱濃度值的檢測時間?？紤]到管道殘余物質(zhì)清理、氣體流經(jīng)伴熱管線、HTS E21雙通道氣體分析熱電堆探測器響應(yīng)時間以及信號處理等所需要的時間，在系統(tǒng)運(yùn)行穩(wěn)定后以1.0 L/min的流量通入零氣進(jìn)行零點標(biāo)定，待讀數(shù)穩(wěn)定后通入標(biāo)準(zhǔn)SO2氣體，同時開始計時，重復(fù)測定6次并記錄所用時間，測定記錄如表2所示。

表2 系統(tǒng)檢測時間測定

依據(jù)6次測量結(jié)果，取檢測均值，得到系統(tǒng)氣體檢測響應(yīng)時間約為3.86 s。

3.3 線性誤差

線性度是檢驗不同濃度SO2氣體與標(biāo)準(zhǔn)氣體檢測的線性準(zhǔn)確性，線性誤差越小，系統(tǒng)檢測值越穩(wěn)定，對不同量程的氣體檢測越準(zhǔn)確。分別通入20%、40%、60%、80%滿量程的SO2氣體，等待示值穩(wěn)定，每隔2 min記錄一組數(shù)據(jù)，連續(xù)采集3次，計算各自均值與標(biāo)準(zhǔn)氣體檢測值的偏差。

如圖5所示，在濃度檢測范圍內(nèi)線性誤差控制在-0.3%～0.3%，誤差檢測變化小，在線性誤差檢測限值范圍內(nèi)，可以精確穩(wěn)定地測量煙氣中氣體體積分?jǐn)?shù)。

圖5 線性度誤差

3.4 重復(fù)性

在同一工況下，對滿量程60%的SO2標(biāo)準(zhǔn)氣體連續(xù)測量12次，計算測量數(shù)據(jù)的相對標(biāo)準(zhǔn)偏差δ，測量值如表3所示。

表3 滿量程60%標(biāo)準(zhǔn)SO2氣體電壓值

(10)

由式(10)可知重復(fù)性誤差δ為0.52%。計算1～7次測量數(shù)據(jù)重復(fù)性誤差為0.62%，數(shù)據(jù)重復(fù)性誤差較大，這是由于系統(tǒng)溫度需要時間來穩(wěn)定，因此數(shù)據(jù)呈現(xiàn)先微小波動后穩(wěn)定的趨勢。

4 結(jié)論

本文設(shè)計了基于非分散紅外吸收原理的SO2氣體體積分?jǐn)?shù)在線檢測系統(tǒng)，通過實驗驗證，系統(tǒng)的零點漂移為0.4%，響應(yīng)時間為3.86 s，線性誤差為0.3%，重復(fù)性誤差為0.52%。檢測流程控制優(yōu)化設(shè)計有效提高了檢測效率，設(shè)計高密性檢測氣室降低了材質(zhì)對檢測結(jié)果的影響，雙通道探測器實現(xiàn)了對被測氣體吸收的信號補(bǔ)償，系統(tǒng)響應(yīng)迅速，長期穩(wěn)定性強(qiáng)。