劉江霞，元紅妍，范寶德

(1.煙臺(tái)大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，山東煙臺(tái) 264005；2.煙臺(tái)大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，山東煙臺(tái) 264005)

0 引言

隨著我國(guó)生態(tài)環(huán)境保護(hù)和污染防治的不斷加強(qiáng)，環(huán)境質(zhì)量得到明顯改善，形成了具有中國(guó)特色的大氣污染防治理論與管理模式，構(gòu)建了系統(tǒng)科學(xué)的大氣污染綜合防控體系[1]。為了完善國(guó)家大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，生態(tài)環(huán)境部陸續(xù)發(fā)布了《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)》和《揮發(fā)性有機(jī)物無組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》，規(guī)定了企業(yè)廠區(qū)內(nèi)及周邊污染監(jiān)控的具體要求。

企業(yè)內(nèi)部及周邊主要的大氣污染物有惡臭污染物、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)等，其中NH3和H2S是惡臭物質(zhì)的主要無機(jī)成分[2-3]，VOCs包括非甲烷烴類、含氧有機(jī)物、含氯有機(jī)物、含氮有機(jī)物、含硫有機(jī)物等，是形成臭氧(O3)和細(xì)顆粒物(PM2.5)污染的重要前體物[4-6]。因此，為了監(jiān)測(cè)企業(yè)周邊的空氣質(zhì)量，防止有毒氣體泄漏帶來的生產(chǎn)安全問題[7]，本文設(shè)計(jì)了一套高精度的、同時(shí)檢測(cè)多種大氣污染物的在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，重點(diǎn)監(jiān)控工業(yè)園區(qū)的H2S、NH3、VOCs濃度，可實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量密集網(wǎng)格化布點(diǎn)監(jiān)測(cè)[8]，預(yù)防和減輕工業(yè)區(qū)惡臭污染引起的矛盾[9]，為空氣質(zhì)量治理和相關(guān)的決策提供數(shù)據(jù)支持[10]。

1 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)工業(yè)園區(qū)大氣環(huán)境中的H2S、NH3和VOCs的濃度，并提供RS485通信接口實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送。由于通常情況下工業(yè)園區(qū)環(huán)境中的有毒有害氣體的濃度比較低，因此傳感器、前置放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路的選型都考慮了高精度檢測(cè)的具體要求，其中H2S和NH3傳感器選用了高靈敏度的電化學(xué)傳感器H2S-B4和3E100SE，VOCs傳感器選用了高精度的光離子傳感器PID-TECH，傳感器的性能參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器性能參數(shù)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，以STM32F103VET6最小系統(tǒng)電路為核心，主要由電源電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、RS485接口電路、RS232接口電路、液晶顯示電路、RTC電路、繼電器輸出及報(bào)警電路、傳感器及前置放大電路等組成。

監(jiān)控系統(tǒng)擴(kuò)展了24位高精度A/D轉(zhuǎn)換電路，使用高精密運(yùn)放設(shè)計(jì)了3種傳感器的前置放大電路，實(shí)現(xiàn)高精度的氣體濃度檢測(cè)；設(shè)計(jì)了隔離的RS232接口電路，通過RS232接口與PC機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)了基于PC機(jī)的系統(tǒng)校準(zhǔn)功能；設(shè)計(jì)了隔離的RS485接口電路，并在軟件設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了國(guó)標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，可以通過RS485接口實(shí)現(xiàn)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳或者連接數(shù)采儀將采集數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控平臺(tái)；設(shè)計(jì)了液晶顯示電路，便于監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)的本地瀏覽；設(shè)計(jì)了繼電器輸出及報(bào)警電路來控制外置的聲光報(bào)警器，實(shí)現(xiàn)濃度超標(biāo)后的本地報(bào)警功能。

2 系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

2.1 A/D轉(zhuǎn)換電路

為了實(shí)現(xiàn)ppb級(jí)高精度的氣體濃度檢測(cè)，設(shè)計(jì)了基于AD7190芯片的24位A/D轉(zhuǎn)換電路，可實(shí)現(xiàn)4路單極性模擬量信號(hào)的A/D轉(zhuǎn)換，電路原理圖如圖2所示。

AD7190是低噪聲、全模擬前端、用于高精度測(cè)量的A/D轉(zhuǎn)換芯片，4路模擬量輸入通道設(shè)計(jì)有低通濾波電路，濾除輸入信號(hào)中的高頻干擾，采用SPI接口與STM32芯片通信。REF5030是低溫漂(最大3 ppm/℃)、高精度(線性度0.05%)、低噪聲(3 μV/V)的參考電壓芯片，具有良好的負(fù)載調(diào)節(jié)能力，為A/D轉(zhuǎn)換電路提供高精度的參考電壓。

2.2 傳感器及放大電路

為了實(shí)現(xiàn)高精度和高靈敏度的氣體濃度檢測(cè)，放大電路使用了高精密的、rail-to-rail輸出的OPA2335集成運(yùn)放芯片，具有最高5 μV的輸入偏置電壓和最大200 pA的輸入偏置電流，具有極低的溫漂和時(shí)漂。VOCs傳感器選用了量程為20 ppm的PID-TECH傳感器，由于在其量程范圍內(nèi)的輸出電壓為0～2.5 V，因此其前置放大電路設(shè)計(jì)為電壓跟隨器，放大器的輸出信號(hào)進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器的通道4實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。VOCs傳感器的放大電路如圖3所示。

H2S和NH3傳感器的放大電路原理圖如圖4所示。H2S檢測(cè)選用了高分辨率四電極電化學(xué)傳感器H2S-B4，與三電極電化學(xué)傳感器相比，四電極傳感器有一個(gè)輔助電極(圖4中SN1的4號(hào)腳)，用來補(bǔ)償零點(diǎn)電流，使輸出信號(hào)具有更好的響應(yīng)時(shí)間和抗干擾特性。在電路設(shè)計(jì)中，分別為H2S-B4傳感器的工作電極(圖4中SN1的2號(hào)腳)和輔助電極設(shè)計(jì)了放大電路，分別對(duì)工作電極和輔助電極的微弱電流信號(hào)進(jìn)行放大，使用A/D轉(zhuǎn)換器的通道1和通道2采集2路放大電路的輸出數(shù)據(jù)。使用過程中，需要使用輔助電極放大電路的輸出電壓對(duì)工作電極放大電路的輸出電壓進(jìn)行校正，使用校正后的工作電極電壓計(jì)算H2S濃度。校正后的輸出靈敏度為

(1)

式中：S為系統(tǒng)輸出靈敏度，mV/ppm；VWE為校正后的工作電極放大電路輸出電壓，mV；VWE1為通入標(biāo)氣時(shí)工作電極放大電路的輸出電壓，mV；VWE0為通入零氣時(shí)工作電極放大電路的輸出電壓，mV；VAE1為通入標(biāo)氣時(shí)輔助電極放大電路的輸出電壓，mV；VAE0為通入零氣時(shí)輔助電極放大電路的輸出電壓，mV；n為溫度補(bǔ)償系數(shù)；C0為通入標(biāo)氣的濃度，ppm。

NH3檢測(cè)選用了三電極電化學(xué)傳感器3E100SE，采用與H2S-B4傳感器一致的四引腳的7-Series封裝形式。3E100SE傳感器的放大電路與H2S-B4傳感器的放大電路結(jié)構(gòu)一致，由于3E100SE傳感器沒有輔助電極，因此其放大電路原理圖不包含圖4中的虛線范圍內(nèi)的電路部分。3E100SE傳感器工作電極的輸出電流經(jīng)過放大電路后，通過A/D轉(zhuǎn)換器的通道3實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

2.3 隔離的RS485電路

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)設(shè)計(jì)有隔離的RS485通信接口，采集的數(shù)據(jù)除了通過本地液晶屏顯示外，還可以通過RS485接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳?？梢詫⒉杉瘮?shù)據(jù)傳送到企業(yè)監(jiān)控主機(jī)，也可以連接環(huán)保數(shù)據(jù)采集傳輸儀將采集數(shù)據(jù)上傳至環(huán)保部門的監(jiān)控平臺(tái)。隔離的RS485電路如圖5所示，使用了光耦進(jìn)行數(shù)據(jù)隔離，并在端口設(shè)置了TVS二極管，實(shí)現(xiàn)了RS485通信接口的隔離和靜電防護(hù)能力。數(shù)據(jù)隔離采用了高速光耦TLP109，性能滿足系統(tǒng)9 600 bps的速度要求。使用傳送方向自動(dòng)識(shí)別的RS485收發(fā)器芯片MAX13487實(shí)現(xiàn)RS485的信號(hào)傳送。

3 監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的軟件工作流程如圖6所示。首先對(duì)STM32芯片進(jìn)行初始化，主要完成系統(tǒng)時(shí)鐘、GPIO端口、串口、SPI接口等的初始化功能。通過SPI接口初始化A/D轉(zhuǎn)換芯片，控制A/D芯片的4個(gè)通道進(jìn)行模擬量數(shù)據(jù)采集，并將檢測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后送到液晶屏顯示。系統(tǒng)設(shè)置了校準(zhǔn)和正常運(yùn)行2種工作模式，工作模式通過按鍵切換。在正常運(yùn)行模式下，獲取的氣體濃度數(shù)據(jù)以國(guó)標(biāo)協(xié)議格式通過RS485接口發(fā)送出去，如果氣體濃度超標(biāo)，則需要通過GPIO引腳控制繼電器輸出，控制外置的聲光報(bào)警裝置。在校準(zhǔn)模式下，監(jiān)測(cè)系統(tǒng)通過RS232接口與PC機(jī)連接，執(zhí)行傳感器校準(zhǔn)子程序，實(shí)現(xiàn)對(duì)3種傳感器的標(biāo)定功能。

傳感器的校準(zhǔn)子程序流程如圖7所示。進(jìn)入校準(zhǔn)子程序后，由PC機(jī)通過串口發(fā)送校準(zhǔn)命令，STM32首先判斷校準(zhǔn)命令是否正確或是否等待超時(shí)，如果指令無效則退出校準(zhǔn)子程序。如果指令有效，則需要根據(jù)指令內(nèi)容判斷執(zhí)行哪個(gè)傳感器的校準(zhǔn)過程。進(jìn)入具體的校準(zhǔn)程序后，STM32向PC機(jī)發(fā)送所校準(zhǔn)傳感器的采集數(shù)據(jù)，根據(jù)通入標(biāo)氣的濃度由人工將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸入到PC機(jī)中，PC機(jī)通過串口將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32。STM32接收到校準(zhǔn)數(shù)據(jù)后進(jìn)行保存，完成傳感器的校準(zhǔn)。

4 系統(tǒng)測(cè)試

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的實(shí)物如圖8所示，3個(gè)傳感器位于放大電路板的背面，放大電路板與氣室之間通過皮墊密封和絕緣，待測(cè)氣體通過氣泵從氣體入口進(jìn)入氣室，并由出口通過管道排出。

監(jiān)測(cè)系統(tǒng)對(duì)3類污染氣體的檢測(cè)范圍為：H2S為0～10 ppm、NH3為0～100 ppm、VOCs為0～20 ppm。使用標(biāo)氣對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)后，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)試。使用氣體動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀將純潔空氣和標(biāo)氣進(jìn)行混合，通過參數(shù)設(shè)置控制氣體動(dòng)態(tài)校準(zhǔn)儀的流量閥，得到被測(cè)氣體的各種配氣濃度，將混合氣體通過氣泵送入氣室，并對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

由實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)對(duì)H2S、NH3、VOCs濃度檢測(cè)的相對(duì)誤差絕對(duì)值的最大值分別為1.57%、1.52%、1.37%，檢測(cè)精度滿足工業(yè)園區(qū)大氣污染檢測(cè)的要求，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了高精度的工業(yè)園區(qū)大氣污染物在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，分別對(duì)大氣中的H2S、NH3、VOCs濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)和上傳。通過選用高精度的傳感器、運(yùn)放芯片、參考電源芯片以及A/D轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)對(duì)污染物濃度的高精度檢測(cè)。測(cè)試表明，系統(tǒng)的檢測(cè)精度滿足設(shè)計(jì)要求，為工業(yè)園區(qū)的大氣質(zhì)量檢測(cè)提供一種可行的方案。

表2 測(cè)試結(jié)果