胡涵旭， 許云帆， 李益明， 楊昊青， 卜雄洙

(南京理工大學(xué) 機械工程學(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產(chǎn)安全， 因此對這些有毒有害的氣體進行實時監(jiān)測相當(dāng)重要[1-4]. 氣體檢測在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)檢測原理的檢測方法. 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， 通過測量干涉條紋來計算被測氣體濃度， 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紅外光具有特定吸收譜線的原理， 通過吸收強度來計算氣體濃度， 該方法選擇性好， 可遙測， 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間內(nèi)散熱效率不同來計算氣體濃度， 該方法對低濃度氣體響應(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， 操作簡單等優(yōu)點[8-11]， 可以實現(xiàn)實時監(jiān)測硫化氫(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， 從而實現(xiàn)對人身健康與公共財產(chǎn)的保護.

1 總體方案設(shè)計

系統(tǒng)方案如圖 1 所示， 以STM32L151RBT6為主控芯片， 負(fù)責(zé)檢測儀的數(shù)據(jù)采集、 數(shù)據(jù)處理、 系統(tǒng)控制、 聲光報警等功能. 該單片機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12 b ADC、 2個12 b DAC、 51個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， 可滿足多組分氣體檢測儀的設(shè)計需求.

圖 1 系統(tǒng)設(shè)計方案

對應(yīng)氣體傳感器接觸待測氣體后， 產(chǎn)生的濃度信號經(jīng)調(diào)理電路轉(zhuǎn)化為電壓值由STM32L151的ADC采集做后續(xù)運算處理， 同時由主控芯片控制顯示屏、 按鍵等子模塊. 測得的濃度信息可通過串口傳輸至上位機進行讀取與存儲.

2 系統(tǒng)硬件設(shè)計

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是一個超低功耗單片機芯片， 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方法也不相同. 常用的氣體檢測方法有電化學(xué)法、 催化燃燒法、 氣敏器件檢測法、 氣體光吸收法、 氣體光學(xué)折射率法等. 出于檢測儀的檢測范圍與便攜性以及成本， 采用電化學(xué)法來檢測一氧化碳、 氧氣和硫化氫氣體， 采用催化燃燒法來檢測甲烷氣體.

電化學(xué)法的反應(yīng)原理是待測氣體在電解質(zhì)溶液中進行氧化還原反應(yīng)， 產(chǎn)生與待測氣體濃度成正比的電流信號. 待測氣體在工作電極上進行氧化還原反應(yīng)， 與對電極形成回路， 產(chǎn)生與待測氣體濃度成正比的電流信號， 且整個反應(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量敏感單元和補償單元的電壓差來檢測氣體濃度變化. 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ΔV. 將該信號經(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)字信號進行處理.

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端與運放U1A構(gòu)成電化學(xué)通路， 確保W端與E端等電勢， 因此W端輸出微弱電流， 且電流大小與待測氣體濃度大小成正比. 運放U1B將W端輸出的微弱電流轉(zhuǎn)換為電壓， 運放U1C將電壓信號進一步放大并輸出進行后續(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原理[14-15]， 如圖 4 所示. 傳感器的兩個臂上分別是涂有催化劑的敏感單元和起到溫濕度補償?shù)难a償單元. 當(dāng)環(huán)境中有甲烷時， 在催化劑的作用下發(fā)生無焰燃燒， 溫度升高， 進而敏感單元阻值增大， 電橋輸出發(fā)生變化， 經(jīng)運放AD620進行差分放大后輸出與甲烷濃度成正比的電壓信號.

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

2.3 人機交互模塊

便攜式氣體檢測儀要求操作簡單易上手， 其中， 輸入模塊由3個獨立按鍵構(gòu)成， 可以實現(xiàn)測量氣體選擇、 設(shè)定上下限、 設(shè)定報警限、 設(shè)定系統(tǒng)參數(shù)、 初始化校準(zhǔn)等功能.

檢測儀輸出由顯示模塊實時顯示， 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.

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

通信模塊采用串口與上位機進行通訊. 采用CH340轉(zhuǎn)為TTL電平信號實現(xiàn)與上位機LabVIEW的通訊.

3 系統(tǒng)總體軟件設(shè)計

系統(tǒng)下位機軟件利用C語言在Keil uVision5中編寫并下載到STM32L151RBT6中運行. 系統(tǒng)上位機軟件采用NI公司的LabVIEW圖形化編輯軟件編寫. 上位機通過串口與下位機進行通訊， 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)存儲功能等.

3.1 系統(tǒng)下位機軟件設(shè)計

便攜式多組分氣體檢測儀開機進行系統(tǒng)初始化， 接著檢測傳感器是否工作正常， 無異常進入檢測模式， 由ADC采集硫化氫、 一氧化碳、 甲烷、 氧氣的濃度信號并進行數(shù)據(jù)處理， 同時將檢測結(jié)果顯示到LCD屏幕上. 當(dāng)氣體濃度超過設(shè)定警報限時， 觸發(fā)聲光報警. 當(dāng)有按鍵按下時， 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)計方案Fig.5 System overall software design scheme

3.2 系統(tǒng)上位機軟件設(shè)計

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

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

4 實驗系統(tǒng)測試

4.1 檢測儀標(biāo)定

便攜式多組分氣體檢測儀在實驗前要進行初始化標(biāo)定， 首先， 將檢測儀開機預(yù)熱30 min后放入標(biāo)氣箱， 用流量計向標(biāo)氣箱內(nèi)通入濃度為 99.999% 的純氮氣， 待各氣體濃度顯示值穩(wěn)定后， 將檢測儀中4種氣體的顯示值調(diào)為零作為零點.

調(diào)零之后對檢測儀進行濃度校準(zhǔn)實驗. 將檢測儀開機預(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. 待對應(yīng)氣體傳感器示數(shù)穩(wěn)定后， 調(diào)檢測儀顯示值為通入的標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度值， 且為保證校準(zhǔn)實驗的準(zhǔn)確性， 每種氣體標(biāo)定需重復(fù)實驗3次. 因為一氧化碳?xì)怏w和硫化氫氣體均為有毒氣體， 因此在實驗中一定要保證標(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)定試驗需在通風(fēng)， 無明火的環(huán)境中進行， 標(biāo)定完成一種氣體后， 應(yīng)通入足夠氮氣沖刷標(biāo)氣箱， 保證待測氣體散盡后再進行另一種氣體的標(biāo)定.

4.2 測量范圍及誤差分析

該便攜式多組分氣體檢測儀的測量范圍及靈敏度如表 1 所示.

表 1 測量范圍及靈敏度

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

(1)

除此之外， 還需考慮對應(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， 即可得到各氣體對應(yīng)傳感器的濃度測量不確定度， 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儀測試誤差均在量程之內(nèi)， 對于氣體濃度的測試結(jié)果均符合國標(biāo)要求.

5 結(jié) 論

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