0 引言

    在工業生產中，電力、煤炭以及石油化工行業產生大量的易燃、易爆、有毒有害的氣體，對這些有害氣體進行及時且精確的監測和預報是許多企業安全生產中的重要一環^[1]。由于這些氣體在多數情況下成分復雜，對某種單一的氣體進行監測有著很多的局限性，所以越來越多的行業和部門需要多通道的在線檢測儀器。

    在線檢測技術的主要應用是在線氣體檢測儀和水質檢測儀。其中在線氣體檢測技術應用范圍廣、發展快，技術也比較成熟，主要應用在流程工業、環境檢測和其他領域。現隨著我國經濟的發展及科技的進步，已開發了許多在線監測儀設備，并且在產品結構設計、信號處理、干擾補償和嵌入式系統方面縮小了與國際檢測儀器水平的差距。但在功能、自動化水平、可靠性、精度等方面與國外技術仍有較大的差距，特別是在高端技術產品上的差距更大。以新型數字式傳感器組成的檢測儀器、有毒易爆類氣體檢測儀器還不常見，不少舊產品的技術更新緩慢。所以為在分析檢測儀領域彌補與國外的差距，研發新一代的智能化多通道在線氣體檢測儀成為必要的任務。

1 在線氣體檢測儀設計的理論基礎與思路

1.1 在線紅外光譜檢測技術的應用

    在各種在線光譜分析技術中，對中紅外(2.5~15 μm)的光譜分析最為成熟，這也是目前應用最廣泛的在線氣體分析技術。中紅外光譜是在線光譜分析最常用的波段，例如非分光氣體分析儀(NDIR)常選擇的特征波長為1~15 μm。各種氣體的吸收光譜比較復雜，其中CO為4.66 μm，CO₂為4.27 μm，CH₄為3.33 μm，SO₂為7.30 μm等。非分光紅外氣體分析技術是在線分析應用最廣、最成熟的技術，已經開發出了多種紅外氣體分析儀。

1.2 S-Module傳感器簡介

    S-Module采用半導體光源，能發出4.26~9.67 μm波長范圍的紅外光，基本包含了常見氣體的特征吸收帶。除此之外，該光源具有功耗低、熱穩定性好和抗氧化能力強的特點。S-Module的檢測原理如圖1所示。

    如圖1所示，S-Module氣室部分的基本結構包括光學系統、電路測量系統、信號放大系統和模數轉換系統。在工作時，左側光源發出紅外光，通過窗口透明玻璃射入氣室，同時將待測氣體通入氣室，氣體吸收特定波長的紅外光，氣室內部設置了參考和測量通道，分別對應著相應的檢測裝置，其中參考測量通道通入零氣，用于對傳感器的零點標定。而測量通道通入檢測氣體，其電壓值與氣體濃度值呈線性關系，因為測量裝置輸出的電壓信號只有毫伏級別，因此，還必須對其進行適當放大。

1.3 整體設計思路

    根據總體的功能要求，對檢測儀的整體結構進行了設計，基于模塊化的設計原理，可將整個檢測平臺分為氣體主控制器、傳感器、信號調理、通信、控制以及人機交互6個模塊，如圖2。

    如圖2所示的檢測儀各模塊間的流程框圖，氣體經預處理裝置通入傳感器中，傳感器采集氣體濃度值，進行信號調理后送入主控制器中，主控制器對數據進行處理，并進行通信和控制操作。同時，為方便用戶從設備獲取需要的信息以及直接發送指令操作儀器，增加了人機交互模塊。

2 在線檢測儀的硬件電路設計

2.1 硬件總體框架

    根據儀器的功能設計要求，結合氣體檢測與計算機技術，選用性能強大的工業級芯片STM32F407作為檢測儀信號分析和處理的核心，配合S-Module和預留的模擬傳感器等檢測設備設計外圍電路。硬件系統框圖如圖3所示。

    為確保系統穩定運行，添加了JTAG調試接口模塊。在傳感器信號處理模塊，為了保證數字傳感器信號采樣的穩定性和精確度，降低外界環境對儀器的影響，特別設計了溫控模塊和壓力檢測模塊。

2.2 主控制器的選擇

    檢測儀主要應用于石油、化工等流程工業，復雜的工作環境要求系統有著較高的穩定性和可靠性，選擇一款性能強大、抗干擾能力強的工業級芯片至關重要。儀器以ST公司研發的工業級芯片STM32F407ZGT6為核心，該芯片兼具低功耗、低成本、高性能和易開發的特點。

2.3 主要外圍電路

    為了滿足多樣化的測量需求，項目平臺預留設計了模擬式傳感器輸入模塊。在現代工業中，用來測量氣體濃度的模擬傳感器的輸出信號大多是毫伏級別的，所以要將該信號經過放大后再送入主芯片對其A/D采樣，同時考慮到工業現場的復雜環境及各種電磁干擾，設計精密的信號放大電路至關重要。模擬傳感器信號放大電路如圖4所示。

    輸出電壓信號Um送給后端的ADC(模/數轉換)模塊，經過A/D轉換后輸出數字量，從而可以很方便地將采集到的氣體信息數據通過串口發送給主控制器，并進行數據的處理。

    在工業生產中，液晶屏幕因為能顯示檢測到的氣體的濃度值以及直觀、實時、方便的特性，受到越來越多的工程人員的歡迎。液晶模塊選用GL25U070AT8048T-00彩色液晶屏，采用9 V電壓供電，GLCD采用SPI（16位模式）通信接口，運行于CPU中的GUI圖形庫和GLCD通過指令交互。模塊接口電路如圖5。

3 在線氣體檢測儀的軟件驅動設計

3.1 驅動程序總體規劃

    對于在線氣體檢測儀這樣的嵌入式平臺，其可定制的特點限定了驅動程序也必須定制，因此，在儀器設備研發過程中必須針對性地開發不同的模塊軟件驅動程序。在線氣體檢測儀系統整體驅動構架如圖6。

3.2 A/D采集模塊

    根據硬件設計并結合芯片數據手冊，選用ADC3的第9、第14通道分別作為模擬傳感器和壓力傳感器的采集通道。圖7為ADC采樣計算過程的流程圖。

    本系統DC將采集到的數據首先存放在16位的數據寄存器ADC_DR中，但是寄存器的存儲空間有限，當進行多個通道進行采樣時，使用DMA（直接內存讀取）與ADC聯合使用的方法，這樣能很好地避免采集數據丟失的問題。

3.3 S-Module傳感器信號采集模塊

    數字型氣體傳感器采用單線串口的通信形式，其詳細的數據輸出流程圖如圖8所示。首先初始化主控制器芯片的串口，并設置串口5的工作方式和波特率，為防止返回的數據中包含已發送的數據命令，之后要關閉串口的接收模式之后開始發送字節，等待串口的中斷標志變為1，表示命令發送完成，再打開串口，并將收到的數據發送到已定義的數組中。當發送完成后，將定義在數組里的數值換算成濃度值進行液晶顯示或其他數據輸出。

4 測試分析和總結

4.1 實驗裝置

    實驗裝置主要包括：工業樣氣預處理裝置、在線氣體檢測儀、數據信息處理平臺。其中預處理模塊是氣體濃度檢測中的重要一環，工業現場氣體中混有的固體顆粒物和水蒸氣都會影響采樣的精度，所以在氣體通道上分別設置了固體顆粒過濾和水蒸氣過濾裝置。為了更好地控制通入氣體的流量，還加入了流量計。同時，預處理裝置還可輸送零氣和標準氣完成儀器的標定工作。圖9為氣體預處理裝置工作示意圖。

4.2 準確性測試

    先后通入不同濃度的CH₄氣體，記錄采集的氣體濃度數據，完成之后，繼續通入CH₄的同時，通入不同濃度的CO₂氣體，記錄混合狀態下的成分氣體濃度。具體的濃度數據信息見表1。

    從表1可知，單通道傳感器測量結果相對誤差最大值不超過0.4%，多通道混合氣體測量結果相對偏差最大不超過0.9%。結果表明，該氣體檢測儀具有良好的分析測量精度，滿足二級工業用表的國家標準。

4.3 電流輸出測試

    針對4~20 mA工業標準電流輸出模塊進行實驗分析，儀器工作時先將檢測到的氣體濃度值轉換為對應的輸入電壓，再經過AD5420轉換成用于輸出的模擬電流。實驗選用的外部負載阻值為235.5 Ω，通入濃度為2.63%的CO₂，數據如表2所示。

    從表2可以看出，氣體檢測儀的相對誤差范圍為0.07%~0.33%，滿足儀器的性能指標要求。

5 總結

    伴隨著現代工業生產對節能、環保、質量和安全的重視，在線氣體檢測儀器發揮著越來越重要的作用，同時也對其性能提出了更高的要求。本文針對生產現場復雜的工業環境設計了一款在線多通道的氣體檢測儀，選用新型的數字紅外傳感器作為主要的檢測手段，以工業級主芯片STM32F407作為數據處理和控制的核心，設計整個儀器平臺，同時通過模擬真實的工業環境驗證分析儀器的可靠性。雖然工業在線氣體檢測儀已經能初步實現需要的功能，但想要將該平臺大規模推廣到工業生產中，還需要用嚴苛的標準對儀器設備進行測試。由于研發時間有限，設計中自然存在許多不足之處，有待后續對其進行修正和改進。

參考文獻

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