胡涵旭， 許云帆， 李益明， 楊昊青， 卜雄洙

(南京理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院， 江蘇 南京 210094)

0 引 言

在煤炭采礦， 化工制造， 室內(nèi)家裝等行業(yè)中， 有著或多或少的有毒有害氣體， 危害大眾生命健康和財(cái)產(chǎn)安全， 因此對(duì)這些有毒有害的氣體進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)相當(dāng)重要[1-4]. 氣體檢測(cè)在20世紀(jì)90年代開始迅速發(fā)展， 出現(xiàn)了很多新的方法和原理， 從本質(zhì)來分類主要包括物理方法與化學(xué)方法. 物理方法主要包括光干涉法、 紅外吸收法、 熱導(dǎo)法等； 化學(xué)方法比較常用的就是電化學(xué)法. 催化燃燒法是基于物理和化學(xué)檢測(cè)原理的檢測(cè)方法. 其中， 光干涉法是通過光穿過不同氣體介質(zhì)產(chǎn)生干涉條紋， 通過測(cè)量干涉條紋來計(jì)算被測(cè)氣體濃度， 該方法儀器體積較大， 不滿足小型化需求[5]. 紅外吸收法是通過氣體對(duì)紅外光具有特定吸收譜線的原理， 通過吸收強(qiáng)度來計(jì)算氣體濃度， 該方法選擇性好， 可遙測(cè)， 但成本較高， 結(jié)構(gòu)復(fù)雜[6]. 熱導(dǎo)法是通過氣體單位時(shí)間內(nèi)散熱效率不同來計(jì)算氣體濃度， 該方法對(duì)低濃度氣體響應(yīng)較慢， 受環(huán)境影響大， 選擇性差[7].

便攜式多組分氣體檢測(cè)儀是安全生產(chǎn)領(lǐng)域必不可缺的設(shè)備， 其具有易攜帶， 低功耗， 單電源， 可充電， 操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)[8-11]， 可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)硫化氫(H2S)、 一氧化碳(CO)、 氧氣(O2)和甲烷(CH4) 4種氣體濃度的功能， 可廣泛應(yīng)用于安全生產(chǎn)、 日常生活等多方面多領(lǐng)域， 從而實(shí)現(xiàn)對(duì)人身健康與公共財(cái)產(chǎn)的保護(hù).

1 總體方案設(shè)計(jì)

系統(tǒng)方案如圖 1 所示， 以STM32L151RBT6為主控芯片， 負(fù)責(zé)檢測(cè)儀的數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)處理、 系統(tǒng)控制、 聲光報(bào)警等功能. 該單片機(jī)具有超低功耗的工作模式， 工作電壓在1.65 V～3.6 V之間， 工作頻率32 MHz、 1個(gè)12 b ADC、 2個(gè)12 b DAC、 51個(gè)GPIO引腳， 最大可承受電壓為5 V. STM32L151RBT6具有低功耗、 小體積、 高速度的特點(diǎn)， 可滿足多組分氣體檢測(cè)儀的設(shè)計(jì)需求.

圖 1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案

對(duì)應(yīng)氣體傳感器接觸待測(cè)氣體后， 產(chǎn)生的濃度信號(hào)經(jīng)調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為電壓值由STM32L151的ADC采集做后續(xù)運(yùn)算處理， 同時(shí)由主控芯片控制顯示屏、 按鍵等子模塊. 測(cè)得的濃度信息可通過串口傳輸至上位機(jī)進(jìn)行讀取與存儲(chǔ).

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)硬件部分包括微控制器及外圍電路模塊、 氣體傳感器調(diào)理電路模塊、 人機(jī)交互模塊、 通信模塊等.

2.1 微控制器及外圍電路模塊

STM32L151是一個(gè)超低功耗單片機(jī)芯片， 其最小系統(tǒng)主要包括3.3 V電源、 8 M晶振電路、 復(fù)位電路、 按鍵模塊、 顯示模塊和USB通信模塊.

2.2 氣體傳感器調(diào)理電路模塊

由于氣體性質(zhì)的差異， 不同氣體所需的檢測(cè)方法也不相同. 常用的氣體檢測(cè)方法有電化學(xué)法、 催化燃燒法、 氣敏器件檢測(cè)法、 氣體光吸收法、 氣體光學(xué)折射率法等. 出于檢測(cè)儀的檢測(cè)范圍與便攜性以及成本， 采用電化學(xué)法來檢測(cè)一氧化碳、 氧氣和硫化氫氣體， 采用催化燃燒法來檢測(cè)甲烷氣體.

電化學(xué)法的反應(yīng)原理是待測(cè)氣體在電解質(zhì)溶液中進(jìn)行氧化還原反應(yīng)， 產(chǎn)生與待測(cè)氣體濃度成正比的電流信號(hào). 待測(cè)氣體在工作電極上進(jìn)行氧化還原反應(yīng)， 與對(duì)電極形成回路， 產(chǎn)生與待測(cè)氣體濃度成正比的電流信號(hào)， 且整個(gè)反應(yīng)過程不需要提供電源. 為了保證工作電極的電位穩(wěn)定， 引入沒有電流通過的參比電極給工作電極提供一個(gè)穩(wěn)定的電位.

催化燃燒法的反應(yīng)原理是利用惠斯通電橋法測(cè)量敏感單元和補(bǔ)償單元的電壓差來檢測(cè)氣體濃度變化. 可燃?xì)怏w在催化劑的作用下， 在敏感單元表面發(fā)生無焰燃燒， 由于敏感單元由正溫度系數(shù)的鉑絲構(gòu)成， 因而鉑絲電阻增大， 電橋不平衡， 產(chǎn)生與可燃?xì)怏w濃度成正比的電壓信號(hào)ΔV. 將該信號(hào)經(jīng)模擬放大和AD轉(zhuǎn)換后轉(zhuǎn)化為包含可燃?xì)怏w濃度信息的數(shù)字信號(hào)進(jìn)行處理.

2.2.1 氧氣傳感器及調(diào)理電路

氧氣傳感器調(diào)理電路是最簡(jiǎn)單的電化學(xué)傳感器電路， 如圖 2 所示.

圖 2 氧氣電化學(xué)調(diào)理電路Fig.2 Oxygen electrochemical conditioning circuit

氧氣傳感器有感應(yīng)電極和負(fù)電極兩個(gè)電極. 氧氣氣體在感應(yīng)電極產(chǎn)生化學(xué)反應(yīng)， 在兩電極之間產(chǎn)生一個(gè)電流， 電流大小與氣體濃度成正比. 通過在兩電極之間的負(fù)載電阻， 將電流值轉(zhuǎn)化為電壓值， 經(jīng)放大電路放大后由單片機(jī)ADC采集并做后續(xù)處理.

2.2.2 一氧化碳和硫化氫傳感器及調(diào)理電路

一氧化碳和硫化氫氣體傳感器是三電極電化學(xué)傳感器， 三電極分別是參比電極(R)、 工作電極(W)、 對(duì)電極(C)， 如圖 3 所示.

圖 3 硫化氫、 一氧化碳電化學(xué)調(diào)理電路Fig.3 Hydrogen sulfide and carbon monoxideelectrochemical conditioning circuit

三電極電化學(xué)傳感器的工作原理是待測(cè)氣體與工作電極產(chǎn)生作用， 參比電極提供反饋， 通過改變對(duì)電極上的電壓保持W引腳電壓恒定[12-13].

電化學(xué)傳感器的R端和C端與運(yùn)放U1A構(gòu)成電化學(xué)通路， 確保W端與E端等電勢(shì)， 因此W端輸出微弱電流， 且電流大小與待測(cè)氣體濃度大小成正比. 運(yùn)放U1B將W端輸出的微弱電流轉(zhuǎn)換為電壓， 運(yùn)放U1C將電壓信號(hào)進(jìn)一步放大并輸出進(jìn)行后續(xù)處理.

2.2.3 甲烷傳感器及調(diào)理電路

甲烷氣體傳感器采用催化燃燒為檢測(cè)原理[14-15]， 如圖 4 所示. 傳感器的兩個(gè)臂上分別是涂有催化劑的敏感單元和起到溫濕度補(bǔ)償?shù)难a(bǔ)償單元. 當(dāng)環(huán)境中有甲烷時(shí)， 在催化劑的作用下發(fā)生無焰燃燒， 溫度升高， 進(jìn)而敏感單元阻值增大， 電橋輸出發(fā)生變化， 經(jīng)運(yùn)放AD620進(jìn)行差分放大后輸出與甲烷濃度成正比的電壓信號(hào).

圖 4 甲烷催化燃燒調(diào)理電路圖Fig.4 Methane catalytic combustion conditioning circuit diagram

2.3 人機(jī)交互模塊

便攜式氣體檢測(cè)儀要求操作簡(jiǎn)單易上手， 其中， 輸入模塊由3個(gè)獨(dú)立按鍵構(gòu)成， 可以實(shí)現(xiàn)測(cè)量氣體選擇、 設(shè)定上下限、 設(shè)定報(bào)警限、 設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)、 初始化校準(zhǔn)等功能.

檢測(cè)儀輸出由顯示模塊實(shí)時(shí)顯示， 采用繪晶科技LCD顯示模塊， 工作電壓3.3 V， 總功耗60 mA， 可采用8 b并行或4線串行通訊方式， 支持自由編寫圖形或漢字功能.

聲光報(bào)警模塊是檢測(cè)儀的重要模塊， 當(dāng)待測(cè)氣體濃度超過設(shè)定報(bào)警限時(shí)， 檢測(cè)儀通過蜂鳴器發(fā)出提示音和LED燈閃爍來引起操作人員注意， 起到對(duì)人身安全進(jìn)行防護(hù)的功能.

通信模塊采用串口與上位機(jī)進(jìn)行通訊. 采用CH340轉(zhuǎn)為TTL電平信號(hào)實(shí)現(xiàn)與上位機(jī)LabVIEW的通訊.

3 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)下位機(jī)軟件利用C語言在Keil uVision5中編寫并下載到STM32L151RBT6中運(yùn)行. 系統(tǒng)上位機(jī)軟件采用NI公司的LabVIEW圖形化編輯軟件編寫. 上位機(jī)通過串口與下位機(jī)進(jìn)行通訊， 顯示相應(yīng)的數(shù)據(jù)， 如氣體濃度、 濃度高低閾值與數(shù)據(jù)存儲(chǔ)功能等.

3.1 系統(tǒng)下位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

便攜式多組分氣體檢測(cè)儀開機(jī)進(jìn)行系統(tǒng)初始化， 接著檢測(cè)傳感器是否工作正常， 無異常進(jìn)入檢測(cè)模式， 由ADC采集硫化氫、 一氧化碳、 甲烷、 氧氣的濃度信號(hào)并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理， 同時(shí)將檢測(cè)結(jié)果顯示到LCD屏幕上. 當(dāng)氣體濃度超過設(shè)定警報(bào)限時(shí)， 觸發(fā)聲光報(bào)警. 當(dāng)有按鍵按下時(shí)， 執(zhí)行復(fù)位、 選擇、 通訊等功能， 如圖 5 所示.

圖 5 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計(jì)方案Fig.5 System overall software design scheme

3.2 系統(tǒng)上位機(jī)軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)上位機(jī)采用NI公司開發(fā)的LabVIEW圖形化編輯軟件[16]進(jìn)行開發(fā)， 上位機(jī)采用基于NI-VISA的串口與下位機(jī)進(jìn)行通信， 通過VISA配置函數(shù)將上位機(jī)與下位機(jī)配對(duì)， 之后再將通過串口通信模塊收到的數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析， 最終在上位機(jī)界面端實(shí)現(xiàn)對(duì)待測(cè)氣體濃度顯示、 超出設(shè)定濃度上限報(bào)警及數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能， 其監(jiān)控界面如圖 6 所示.

圖 6 上位機(jī)監(jiān)控界面Fig.6 Host computer monitoring interface

4 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)測(cè)試

4.1 檢測(cè)儀標(biāo)定

便攜式多組分氣體檢測(cè)儀在實(shí)驗(yàn)前要進(jìn)行初始化標(biāo)定， 首先， 將檢測(cè)儀開機(jī)預(yù)熱30 min后放入標(biāo)氣箱， 用流量計(jì)向標(biāo)氣箱內(nèi)通入濃度為 99.999% 的純氮?dú)猓?待各氣體濃度顯示值穩(wěn)定后， 將檢測(cè)儀中4種氣體的顯示值調(diào)為零作為零點(diǎn).

調(diào)零之后對(duì)檢測(cè)儀進(jìn)行濃度校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn). 將檢測(cè)儀開機(jī)預(yù)熱30 min后放入標(biāo)氣箱中， 接下來分別通入事先配置好的濃度為21%的氧氣、 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為50×10-6的硫化氫、 質(zhì)量分?jǐn)?shù)為200×10-6的一氧化碳和1%的甲烷氣體作為校準(zhǔn)的標(biāo)準(zhǔn)氣體. 待對(duì)應(yīng)氣體傳感器示數(shù)穩(wěn)定后， 調(diào)檢測(cè)儀顯示值為通入的標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度值， 且為保證校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)的準(zhǔn)確性， 每種氣體標(biāo)定需重復(fù)實(shí)驗(yàn)3次. 因?yàn)橐谎趸細(xì)怏w和硫化氫氣體均為有毒氣體， 因此在實(shí)驗(yàn)中一定要保證標(biāo)氣箱與氣瓶接口的密封性， 保證不發(fā)生漏氣現(xiàn)象. 標(biāo)定試驗(yàn)需在通風(fēng)， 無明火的環(huán)境中進(jìn)行， 標(biāo)定完成一種氣體后， 應(yīng)通入足夠氮?dú)鉀_刷標(biāo)氣箱， 保證待測(cè)氣體散盡后再進(jìn)行另一種氣體的標(biāo)定.

4.2 測(cè)量范圍及誤差分析

該便攜式多組分氣體檢測(cè)儀的測(cè)量范圍及靈敏度如表 1 所示.

表 1 測(cè)量范圍及靈敏度

對(duì)4合1多組分氣體檢測(cè)儀標(biāo)定后， 分別通入事先配置好的不同濃度標(biāo)準(zhǔn)的氣體， 每種氣體在其對(duì)應(yīng)濃度下重復(fù)5次測(cè)量， 得到各傳感器重復(fù)性測(cè)量的不確定度

(1)

除此之外， 還需考慮對(duì)應(yīng)氣體的紅外氣體分析儀的不確定度

(2)

將上述不確定度分別合成， 即可得到各氣體對(duì)應(yīng)傳感器的濃度測(cè)量不確定度， 取包含因子k=3， 則各氣體傳感器的展伸不確定度為

(3)

由測(cè)試結(jié)果和氣體紅外分析儀的不確定度分析可得， 該便攜式多組分氣體檢測(cè)儀測(cè)試誤差均在量程之內(nèi)， 對(duì)于氣體濃度的測(cè)試結(jié)果均符合國(guó)標(biāo)要求.

5 結(jié) 論

便攜式多組分氣體檢測(cè)儀實(shí)現(xiàn)了同時(shí)測(cè)量4種氣體濃度的功能， 測(cè)量精度較高， 均滿足國(guó)標(biāo)要求， 且測(cè)量數(shù)據(jù)可通過串口傳輸至上位機(jī)存儲(chǔ)， 增加了檢測(cè)儀的拓展功能， 同時(shí)該檢測(cè)儀實(shí)現(xiàn)低功耗， 小型化的需求， 電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單穩(wěn)定， 成本低， 滿足日常生活與工業(yè)生產(chǎn)上的應(yīng)用.