一種便攜式氣體體積計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐伊岑

（無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，無錫，214153）

一種便攜式氣體體積計(jì)量系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

徐伊岑

（無錫商業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，無錫，214153）

為了在實(shí)驗(yàn)室中計(jì)量厭氧發(fā)酵時(shí)產(chǎn)生的沼氣體積，設(shè)計(jì)了一種便攜式氣體體積計(jì)量系統(tǒng)，并分析了系統(tǒng)的構(gòu)成及運(yùn)行流程，給出了主要硬件及軟件設(shè)計(jì)方法。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)合理，使用方便，滿足實(shí)驗(yàn)室測量氣體體積的需要。

厭氧發(fā)酵；氣體體積計(jì)量；便攜式

在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)[1]時(shí)，常需要測量產(chǎn)生的沼氣的體積，商業(yè)上使用的氣體計(jì)量儀表體積較大，其零件對沼氣的濕度和腐蝕性敏感，不適宜在實(shí)驗(yàn)室使用，而通常采用的簡單的液體置換方法需要手動(dòng)回填，且在多個(gè)發(fā)酵罐同時(shí)工作的情況下，還需定時(shí)檢視，使得工作量增大。

針對以上問題，本文提出了一種便攜式氣體體積計(jì)量系統(tǒng)，給出了主要硬件及軟件的設(shè)計(jì)思路，以期在節(jié)省成本的同時(shí)，達(dá)到預(yù)定的效果，為類似系統(tǒng)的開發(fā)提供參考。

一、便攜式氣體體積計(jì)量系統(tǒng)組成及工作原理

本文中的便攜式氣體體積計(jì)量系統(tǒng)主要由內(nèi)外容器A、液位傳感器B、控制器C和電磁閥D四個(gè)部分組成，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)工作原理示意圖

系統(tǒng)未工作時(shí)，供氣閥和電磁閥D關(guān)閉，內(nèi)外容器的液體柱齊平；工作時(shí)氣體進(jìn)入內(nèi)容器擠壓液體，從而在內(nèi)外容器隔層之間形成一個(gè)液體柱。當(dāng)收集到100 ml的氣體時(shí)，液面的高度在外容器達(dá)到最大，使得由電子電路控制的液面?zhèn)鞲衅鞅患せ畎l(fā)出信號。電磁閥被激活的時(shí)間大約為12 s，使氣體排放，與此同時(shí)，控制器進(jìn)行計(jì)數(shù)，氣體排放完，系統(tǒng)恢復(fù)正常，準(zhǔn)備接收更多氣體。

二、硬件設(shè)計(jì)

（一）氣體收集容器

氣體收集容器包括內(nèi)、外容器，由兩個(gè)材料為聚4-甲基戊烯的量筒組成，直徑分別為47 mm、71 mm，高度均為180 mm[2]。小直徑量筒放置在大直徑量筒內(nèi)部，形成了內(nèi)、外兩個(gè)容器室，其中內(nèi)容器用于收集生成的氣體。

（二）液位傳感器

選用霍尼韋爾LLE系列光電液位傳感器提供準(zhǔn)確、可靠的液位測量。加強(qiáng)型新的光電液位傳感器內(nèi)含光電觸發(fā)電路，其輸出一個(gè)開關(guān)信號，指示有/無液位。一個(gè)發(fā)光二極管（LED）和光接受三極管被包含在傳感器前端的半球頂內(nèi)，根據(jù)光的內(nèi)部反射原理，當(dāng)無液體時(shí)，絕大多數(shù)LED光都會被光電接收器接收到，當(dāng)液位覆蓋球表面時(shí)，圓球頂與液體截面的折射系數(shù)發(fā)生變化，光電接收器接收到LED光將會減少，因此輸出將會發(fā)生變化，開/關(guān)輸出信號能直接與PLC相連。傳感元件被密封在聚砜鑄模圓球內(nèi)，外殼為聚砜、鍍鎳黃銅或不銹鋼，能用于測量多種液體。傳感器能承受362psi的壓力及85C的使用溫度（高溫型為125C），聚砜（polysulfone）鑄模圓環(huán)是一種理想的熱塑材料，能抵抗諸如酸液、堿液、鹽液、洗潔精和碳?xì)溆偷那忠u，滿足耐腐蝕性的要求。

（三）電磁閥

選用AIRTAC2V250-25電磁閥。

（四）控制器

在設(shè)計(jì)控制器時(shí)，主要考慮以下幾點(diǎn)：

（1）根據(jù)液位傳感器通斷信號對電磁閥進(jìn)行控制，同時(shí)進(jìn)行計(jì)數(shù)并將其顯示出來；

（2）考慮對輸入電壓進(jìn)行監(jiān)視；

（3）設(shè)計(jì)多路輸入輸出接口，可對液位傳感器、電磁閥進(jìn)行擴(kuò)展以提高測量精度；

（4）有輸入電源、電磁閥通斷兩個(gè)指示燈；

（5）計(jì)數(shù)復(fù)位、電磁閥導(dǎo)通兩個(gè)按鍵；

（6）輸入電源監(jiān)視（AD轉(zhuǎn)換）并通過電源指示燈進(jìn)行閃爍提示。

電源設(shè)計(jì)為：系統(tǒng)提供＋9V～12.6V，電磁閥需要＋12V，控制板、計(jì)數(shù)器、液位傳感器需要＋5V。

接口設(shè)計(jì)為：兩路液位傳感器脈沖信號（5VTTL電平），兩路電磁閥導(dǎo)通信號（12V），計(jì)數(shù)器脈沖信號（5VTTL電平），復(fù)位信號（5VTTL電平），電磁閥導(dǎo)通信號（5VTTL電平），兩個(gè)指示燈（輸入電源、電磁閥導(dǎo)通）。

主控芯片采用美國Atmel公司2002年推出的AVR高檔單片機(jī)ATmega8。ATmega8是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器，由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega8的數(shù)據(jù)吞吐率高達(dá)1 MIPS/ MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾，為許多嵌入式控制應(yīng)用提供了靈活而低成本的解決方案。

（五）鋰電池

為防止突發(fā)情況的發(fā)生,設(shè)計(jì)了電源和鋰電池兩種方式供電模式。由于電磁閥功率較高（4 W），電流較大（350 mA），常規(guī)電池?zé)o法提供這么大的電流，只能采用鎳鉻或鋰電池，而鋰離子電池的能量密度很高，它的容量是同重量的鎳氫電池的1.5～2倍，具有很低的自放電率,且?guī)缀鯖]有記憶效應(yīng)[3],本系統(tǒng)采用三節(jié)18650鋰電池串聯(lián)，提供約8小時(shí)的續(xù)航能力。由于工作電流比較大且考慮是電池供電，為不浪費(fèi)電池功率故引入開關(guān)電源的DC/DC模塊。

整個(gè)系統(tǒng)的控制結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)框圖

三、軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)工作原理，可以繪制出主程序流程圖，如圖3所示。

四、控制器的測試

控制器是整個(gè)系統(tǒng)的核心部分，為此需要對所設(shè)計(jì)的控制器進(jìn)行實(shí)際的測試。

測量電源輸出電壓，確保其在8～15V范圍內(nèi)；將焊接好的控制板置于測試臺上，電源的負(fù)輸出接入控制板負(fù)輸入線，電源正輸出接入控制板正輸入；不接各種外部設(shè)備；接通測試臺上總電源開關(guān)后，電源指示燈亮，同時(shí)用手觸摸各集成電路不能有較發(fā)熱現(xiàn)象，表示運(yùn)行正常，進(jìn)入下一步；加載測試程序（僅一次）間隔短接液位傳感器輸入接口，用示波器觀察CPU引腳，短接時(shí)該腳為低電平，斷開時(shí)為高電平，否則檢查控制板上液位傳感器電平轉(zhuǎn)換部分及CPU，重新開始；短接復(fù)位端口，觀察計(jì)數(shù)器是否復(fù)位，否則檢查CPU，重新開始；短接液位傳感器輸入接口，觀察電磁閥是否導(dǎo)通，計(jì)數(shù)器是否工作，否則檢查CPU，重新開始；大約5秒以后，電源指示燈以一秒交替亮滅表示AD轉(zhuǎn)換正常，觀測一段時(shí)間后進(jìn)入下一步，否則檢查控制板上的CPU，重新開始。

圖4分別給出了控制器不工作、復(fù)位和正常計(jì)數(shù)三種情況的測試結(jié)果，測試結(jié)果表明控制器能夠可靠穩(wěn)定地工作。

圖3 主程序流程圖

圖4 不同狀態(tài)下控制器的輸出

五、結(jié)論

針對實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行厭氧發(fā)酵實(shí)驗(yàn)時(shí)測量產(chǎn)生的沼氣的體積問題，本文設(shè)計(jì)了一種便攜式氣體體積計(jì)量系統(tǒng)，給出了主要的硬件和軟件設(shè)計(jì)思路，并對控制器進(jìn)行了實(shí)際測試。試驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)符合實(shí)驗(yàn)室氣體體積測量要求，工作過程可靠有效。隨著進(jìn)一步的研究與開發(fā)，此系統(tǒng)在科研實(shí)驗(yàn)和實(shí)際工程中，具有廣闊的應(yīng)用前景。

[1]李秋燕，吳樹彪，龐昌樂，董仁杰.兩相厭氧發(fā)酵過程監(jiān)控系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J].云南農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2012（3）:418-423.

[2]I.Angelidaki,L.Ellegaard,B.K.Ahring.Compact automateddisplacementgasmeteringsystemfor measurement of low gas rates from laboratory fermentors [J].Biotechnology and Bioengineering,1992（39）:351-353.

[3]李國曉.電動(dòng)汽車電池組快速充電研究[J].甘肅聯(lián)合大學(xué)學(xué)報(bào)，2011（1）:62-65.

（編輯：林鋼）

A Design of a Portable Gas Volume Metering System

XU Yi-cen
（School of Mechanical and Electrical Engineering,Wuxi Institute of Commerce,Wuxi 214153,China）

Inordertomeasurethevolumeofbiogasgeneratedfromanaerobicfermentationinlaboratory,thispaperdesignsaportablegasvolumemeteringsystemandanalyzesitscompositionandworkingprocess.Inaddition,mainhardwareandsoftwaredesignmethodsaregiven.Theexperienceresultsshowthatthesystemisproperlystructuredandeasy touse;itisabletomeettheneedofmeasuringthevolumeofgasinlaboratory.

anaerobic fermentation;gas volume measuring;portable

TP 368.4

A

1671-4806（2014）03-0106-03

2014-02-12

徐伊岑（1982—），女，湖南長沙人，講師，研究方向?yàn)橛?jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。