董成汶， 陸榮鑑

(南京林業(yè)大學(xué)機械電子工程學(xué)院，江蘇 南京210037)

木材在生產(chǎn)加工過程中會產(chǎn)生大量木屑，濕熱的車間環(huán)境易于細(xì)菌、病毒在木屑中的滋生及繁衍[1-2]。當(dāng)前正值新冠疫情防控期間，車間管理人員要切實做好木工車間消毒清潔工作。消毒液的主要成分是過氧化氫。過氧化氫是一種無機化合物，化學(xué)式為H2O2。純過氧化氫通常是淺藍(lán)色粘稠液體，它可以與水以任何比例混合，成為一種強氧化劑[3]，具有出色的漂白和殺菌作用。過氧化氫作為漂白劑[4]、脫氧劑、氧化劑、消毒劑和交聯(lián)劑，廣泛用于紡織、軍事、化學(xué)、造紙、電子、環(huán)境、醫(yī)療和保健等行業(yè)[5-6]。隨著對過氧化氫研究的不斷深入，其需求不斷增長，應(yīng)用領(lǐng)域也在不斷擴大。醫(yī)用過氧化氫含量約為3%，主要用于創(chuàng)口清洗及消毒[7-8]，但當(dāng)過氧化氫濃度過高時則會對人體和環(huán)境產(chǎn)生各種傷害。高濃度過氧化氫不僅會損傷細(xì)胞大分子、毒害細(xì)胞[9]，而且國內(nèi)外相關(guān)研究表明，過氧化氫具有一定的致癌性[10]，與各種疾病的發(fā)生有密切的聯(lián)系。為了更加安全有效地控制過氧化氫在生產(chǎn)車間的使用，建立一種準(zhǔn)確、快速的過氧化氫檢測方法勢在必行[11-12]。

目前常用的過氧化氫檢測方法主要有以下六種：常規(guī)滴定法[13]、電化學(xué)分析法[14]、分光光度法[15]、熒光/化學(xué)發(fā)光法[16]、折射率法和微波法。本系統(tǒng)采用電化學(xué)分析法。電化學(xué)傳感器在檢測有毒、有害氣體方面因其性能穩(wěn)定、響應(yīng)快速、溫度適用性較寬等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用[17-18]。電化學(xué)分析法不僅比其他檢測技術(shù)經(jīng)濟，而且具有較高的準(zhǔn)確性及重復(fù)性[19]。

1 總體設(shè)計方案

過氧化氫氣體濃度檢測系統(tǒng)由電化學(xué)傳感器模塊[20]、信號處理模塊、電源管理模塊、數(shù)據(jù)處理模塊和通訊及輸出模塊等構(gòu)成[21]。其中信號處理模塊[22]包含減法電路和同相放大電路。通訊及輸出模塊包含液晶顯示、與溫濕度傳感器進行RS485通訊、報警及按鍵電路、模擬輸出等。當(dāng)過氧化氫傳感器感知到外界過氧化氫氣體濃度時，過氧化氫傳感器會輸出相應(yīng)的電信號[23]，信號經(jīng)處理后被單片機采集進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，將轉(zhuǎn)換后的數(shù)據(jù)帶入電壓與濃度函數(shù)計算濃度信息[24]。考慮到實際測量過程中溫濕度對過氧化氫分解速率的影響，加入溫濕度傳感器對電壓與濃度函數(shù)進行溫濕度補償修正。對過氧化氫濃度及環(huán)境溫、濕度信息進行模擬輸出并顯示。如果過氧化氫氣體濃度超過設(shè)定閾值則進行報警警告，方便操作人員實時了解當(dāng)前測試概況。其總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 總體結(jié)構(gòu)框圖

2 檢測系統(tǒng)硬件設(shè)計

2.1 電化學(xué)傳感器模塊

就當(dāng)前國內(nèi)外市場而言，檢測過氧化氫氣體濃度的儀器大多使用電化學(xué)傳感器。電化學(xué)傳感器主要包含電極、過濾器、透氣膜、電解液等[25]。電化學(xué)傳感器模塊是檢測系統(tǒng)與過氧化氫氣體的接口，直接感受過氧化氫氣體濃度這一非電量，并將濃度轉(zhuǎn)化為與之有某種對應(yīng)關(guān)系的電信號。本系統(tǒng)采用的是瑞士著名品牌MEMBRAPOR過氧化氫傳感器，該傳感器具有精度高、體積小、檢測速度快、能夠現(xiàn)場直接檢測和連續(xù)檢測等獨特優(yōu)勢，廣泛用于安全檢測、環(huán)境監(jiān)測、生產(chǎn)過程控制等領(lǐng)域，該傳感器滿足本檢測系統(tǒng)性能需求[26-27]。

驅(qū)動電路采用的是TLC2055運算放大器，TLC2055放大器是一款單電源供電、零漂移的精密運算放大器，同時還具備低功率、低噪聲、低溫漂、高精度等優(yōu)點。過氧化氫傳感器需要合適的偏置電壓來提高傳感器的靈敏度，傳感器偏置電壓的特性決定驅(qū)動電路必須是恒電位驅(qū)動電路，傳感器檢測電路如圖2所示，光化學(xué)傳感器模塊實物如圖3所示。

圖2 傳感器檢測電路圖

圖3 電化學(xué)傳感器模塊實物

2.2 信號處理模塊

信號處理模塊包含減法電路、同相放大電路等。信號處理模塊檢測電化學(xué)傳感器模塊輸出的微弱模擬電壓信號，經(jīng)過減法電路、放大電路等調(diào)整到合適的電壓范圍，方便直接被數(shù)據(jù)處理模塊采集進行后續(xù)分析處理。統(tǒng)一放大器型號有利于降低研發(fā)難度、減少實際生產(chǎn)難度。如果所采用的單片機不具備A/D轉(zhuǎn)換功能，則需在信號處理模塊加入A/D轉(zhuǎn)換功能。

2.2.1 減法電路

外界過氧化氫氣體濃度升高，減法器輸出電壓增大；氣體濃度降低，減法器輸出電壓減小。減法電路的優(yōu)點在于可以直接返回外界過氧化氫濃度變化引起的電壓差而不是當(dāng)前電壓。

2.2.2 同相放大電路

由后續(xù)測試可知，傳感器返回的信號電壓在1.25～1.5 V之間變化，經(jīng)過減法電路轉(zhuǎn)化成0～0.25 V。本測試系統(tǒng)需要信號經(jīng)過放大后達(dá)到0～5 V的變化區(qū)間，所以此放大電路的放大倍數(shù)是20倍。

2.3 電源管理模塊

電源管理模塊包含兩部分：穩(wěn)壓電路和電池充電電路。穩(wěn)定的供電電路設(shè)計，是過氧化氫氣體濃度檢測系統(tǒng)正常工作的前提條件。在實際測試過程中，當(dāng)遇到環(huán)境問題、測試條件較差等情況無法提供外接電源時，可以通過電池給測試系統(tǒng)供電完成過氧化氫濃度測試。電池選用的是可充電式鋰電池，供電電壓3.7 V。

2.4 數(shù)據(jù)處理模塊

本檢測系統(tǒng)利用PIC16F1829芯片豐富的資源搭配其外圍調(diào)理電路來實現(xiàn)過氧化氫檢測系統(tǒng)的多項功能。PIC16F1829芯片在此檢測系統(tǒng)中主要實現(xiàn)以下四個功能：(1)將放大電路輸送的電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換(ADC)，模擬信號轉(zhuǎn)成數(shù)字信號；(2)對數(shù)字信號進行模擬輸出；(3)與溫濕度傳感器通訊來獲取溫濕度數(shù)據(jù)；(4)將數(shù)字信號經(jīng)過函數(shù)運算后轉(zhuǎn)成濃度輸出到OLED顯示屏。

2.5 輸出模塊

通訊及輸出模塊包含液晶顯示、模擬輸出、與溫濕度傳感器進行RS485通訊和報警電路等。液晶顯示屏顯示過氧化氫濃度及環(huán)境溫、濕度信息，方便操作人員直觀地掌握實時數(shù)據(jù)。模擬輸出可以將數(shù)據(jù)線性輸出為0～5 V的模擬電壓，供后續(xù)處理。當(dāng)空間內(nèi)過氧化氫濃度太高超出程序預(yù)先設(shè)定的閾值，系統(tǒng)蜂鳴器發(fā)出報警，提醒操作者關(guān)注當(dāng)前過氧化氫濃度，及時采取適當(dāng)措施以避免危險事件發(fā)生。報警電路中包含按鍵電路，按鍵電路的存在可以使操作人員根據(jù)實際需求手動調(diào)整過氧化氫濃度閾值。

PIC單片機與溫濕度傳感器通訊，獲取當(dāng)前環(huán)境下的溫、濕度信息，從而對測量數(shù)據(jù)進行溫濕度補償[28]?？紤]到過氧化氫在空氣中的揮發(fā)會產(chǎn)生大量水分，造成環(huán)境濕度顯著增加。當(dāng)過氧化氫濃度過高時，此問題更突出，甚至?xí)斐蓽貪穸葌鞲衅鞯臐穸攘砍踢_(dá)到飽和，檢測系統(tǒng)不能正常工作。為解決此問題，本團隊從溫濕度傳感器廠家定制了一個專用于測量過氧化氫揮發(fā)環(huán)境下的溫濕度傳感器，一個特殊防過氧化氫腐蝕的薄層覆蓋在傳感器探頭上，外面鐵質(zhì)外殼相比普通的塑料外殼同樣能提高傳感器工作的穩(wěn)定性。溫濕度傳感器如圖4所示。

圖4 溫濕度傳感器實物圖

3 檢測系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)主程序主要實現(xiàn)以下功能：檢測當(dāng)前環(huán)境下過氧化氫氣體濃度，顯示檢測的濃度并對數(shù)字信號進行模擬輸出，通過與設(shè)定的濃度閥值進行對比來選擇是否產(chǎn)生報警信號。同時單片機通過信號傳輸芯片將數(shù)據(jù)傳送到外部監(jiān)測系統(tǒng)。

利用模塊化編程思想[29-31]，根據(jù)系統(tǒng)功能作用的不同劃分為不同的子模塊，然后根據(jù)各模塊要實現(xiàn)的目標(biāo)功能完成各子模塊的代碼編寫。主程序中完成對各子模塊程序的調(diào)用。模塊化編寫使得軟件的移植性較好，可讀性較強，同時也便于后期對系統(tǒng)軟件的維護與更新。系統(tǒng)軟件主要包含以下子模塊：系統(tǒng)初始化模塊、A/D轉(zhuǎn)換模塊、標(biāo)定程序模塊、液晶顯示模塊、RS485通訊模塊和報警模塊等。在編寫軟件時必不可少的還要用到延時子程序、中斷處理子程序、數(shù)據(jù)存儲子程序等。過氧化氫氣體濃度檢測系統(tǒng)控制軟件采用MPLAB集成開發(fā)環(huán)境編寫，控制代碼采用C語言編寫，主要編寫流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

根據(jù)過氧化氫傳感器輸出的信號電壓和溫濕度傳感器測量的溫濕度數(shù)據(jù)計算過氧化氫濃度是系統(tǒng)軟件編寫的核心，通過溫濕度補償可以有效地減少氣體濃度測量的誤差。實驗記錄不同過氧化氫氣體濃度與對應(yīng)的電壓、溫度和濕度的關(guān)系，將數(shù)據(jù)導(dǎo)入分析軟件中進行擬合，求出在不同溫度和濕度條件下濃度與電壓的函數(shù)關(guān)系。根據(jù)此函數(shù)關(guān)系，可以在系統(tǒng)控制軟件部分寫出不同電壓信號對應(yīng)的過氧化氫濃度的顯示代碼。利用實驗室空調(diào)控制實驗溫度，過氧化氫分解產(chǎn)生的水會增大濕度，信號電壓隨著外界過氧化氫濃度的增大而增大。過氧化氫檢測系統(tǒng)采用的電化學(xué)傳感器輸出信號與氣體濃度之間為線性關(guān)系，所以在曲線擬合中選擇多元線性擬合，電壓信號為自變量x1，濕度為自變量x2，溫度為自變量x3，過氧化氫氣體濃度為因變量y?？紤]到過氧化氫對濕度較敏感，在濕度大于60%RS和濕度小于60%RS的情況下濃度數(shù)據(jù)相差較大，所以在曲線擬合時選擇分段擬合。環(huán)境濕度小于等于60%RS擬合結(jié)果如公式(1)所示：

y=112.527x1-0.328x2-20.658x3+473.678

(1)

其中R2=0.991 98。

環(huán)境濕度大于60%RS擬合結(jié)果如公式(2)所示：

y=65.665x1+3.161x2-34.399x3+692.524

(2)

其中R2=0.993 68。

4 分析與測試

經(jīng)過軟件、硬件部分的調(diào)試，最后實現(xiàn)了過氧化氫氣體濃度檢測系統(tǒng)的設(shè)計功能。實驗測試在蘇州某公司生物實驗室內(nèi)進行，測試開始時室溫22 ℃，被測對象為以噴霧形式釋放濃度8%的過氧化氫液體。測試開始前對系統(tǒng)硬件及軟件進行異常排查，排查無誤后開始測試。過氧化氫氣體濃度為零時，系統(tǒng)沒有任何反應(yīng)；過氧化氫釋放達(dá)一定濃度時，系統(tǒng)開始響應(yīng)，計算過氧化氫氣體濃度；過氧化氫氣體濃度達(dá)到最高閾值時，系統(tǒng)蜂鳴器發(fā)出警報；過氧化氫氣體濃度降低到閾值以下時，蜂鳴器不再發(fā)出警報。檢測過程中，過氧化氫檢測系統(tǒng)能夠迅速對外界濃度變化做出響應(yīng)，且當(dāng)過氧化氫氣體濃度超出警報閾值時，蜂鳴器能夠立即發(fā)出警報警示操作人員，同時操作人員可以通過按動按鍵手動調(diào)整報警閥值。

檢測裝置測試的同時，使用芬蘭進口標(biāo)準(zhǔn)維薩拉過氧化氫檢測儀器進行系統(tǒng)誤差測試。在相同的實驗環(huán)境下測量當(dāng)前環(huán)境下不同濃度的過氧化氫氣體，待濃度數(shù)值穩(wěn)定后，每隔30s記錄數(shù)據(jù)。取實驗數(shù)據(jù)中過氧化氫濃度為50 PPM、100 PPM、150 PPM、200 PPM和250 PPM時的數(shù)據(jù)帶入計算誤差，結(jié)果如表1所示。比較測試結(jié)果可知，檢測濃度與標(biāo)準(zhǔn)濃度誤差小于7%，在誤差允許范圍內(nèi)，檢測系統(tǒng)工作性能穩(wěn)定。

表1 誤差分析表

5 結(jié)論

本文設(shè)計的過氧化氫氣體濃度檢測系統(tǒng)可以實現(xiàn)氣體濃度的測量，液晶屏顯示，數(shù)據(jù)通訊，設(shè)置閾值及超閾值報警等功能。與其他電化學(xué)氣體傳感器測量電路相比，采用PIC16F1829芯片進行數(shù)據(jù)處理，在兼顧電路設(shè)計難度的同時，也提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性與檢測精度。

在現(xiàn)有的實驗條件下，通過對本設(shè)計氣體檢測儀測試，結(jié)果表明本方案軟、硬件設(shè)計合理，測量誤差、量程及閾值報警等功能均滿足設(shè)計要求。設(shè)計的檢測儀體積小巧輕便、儀器操作簡單等特點能夠?qū)崿F(xiàn)特殊環(huán)境下氣體檢測和預(yù)警功能，使工業(yè)生產(chǎn)更安全有效地進行，儀器既可以單獨攜帶完成過氧化氫濃度檢測，也可以安裝在其他中大型設(shè)備上協(xié)同完成濃度測量。系統(tǒng)不僅可以檢測空氣中過氧化氫含量，讓醫(yī)護人員及時掌握室內(nèi)消毒水濃度，也可以解決其他需要檢測過氧化氫濃度的需求，具有較強實用性和應(yīng)用前景，能滿足實際檢測需求。