基于NDIR傳感器的卷煙煙氣CO濃度檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

楊曉亮 ，顏秋男 ，朱 震 ，劉 勇 ，洪深求

（1.安徽省煙草質(zhì)量監(jiān)督檢測(cè)站，安徽 合肥 230022；2.中國(guó)科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，安徽 合肥 230031）

CO是卷煙煙氣中的主要化學(xué)成分，是許多煙草成分(如淀粉、纖維素、糖、羧酸、脂、氨基酸等)通過(guò)熱分解和燃燒而形成的[1]。CO作為卷煙煙氣中的常規(guī)有害成分，其含量以毫克(mg)/支表示。目前，在煙草行業(yè)中對(duì)卷煙煙氣中一氧化碳含量的測(cè)定主要采用基于非分光紅外法的CO氣體濃度分析儀。該類設(shè)備體積大，價(jià)格昂貴。

本文介紹一種卷煙煙氣的CO濃度檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)。采用了高精度、快速響應(yīng)、基于非分光紅外法原理的傳感器模塊，配合控制電路和人機(jī)交互界面進(jìn)行控制。裝置成本遠(yuǎn)低于CO分析儀，且體積小巧，操作簡(jiǎn)單，在試驗(yàn)中取得了良好的效果。

1 非分光紅外法測(cè)量氣體濃度原理

許多氣體(如 CO、CO2、CH4等)會(huì)對(duì)紅外光進(jìn)行有選擇的吸收。當(dāng)紅外光通過(guò)被測(cè)氣體時(shí)，光子作用于氣體分子，氣體分子吸收光子的能量，從低能級(jí)躍遷至高能級(jí)，并且只吸收那些能量剛好可以使它們完成能級(jí)躍遷的光子[2]。宏觀表現(xiàn)為紅外光的強(qiáng)度在通過(guò)被測(cè)氣體后，其光譜的特定頻率會(huì)有一定量的衰減。光強(qiáng)衰減程度反應(yīng)了氣體濃度的大小，而不同的氣體分子結(jié)構(gòu)導(dǎo)致上述現(xiàn)象在不同頻率的紅外光譜上產(chǎn)生[3]。

通過(guò)分析特定頻率紅外光通過(guò)被測(cè)氣體后光強(qiáng)的衰減程度就可以得知該被測(cè)氣體的種類和濃度水平。相比傳統(tǒng)的電化學(xué)法和化學(xué)傳感器法，采用非分光紅外法測(cè)量氣體濃度具有測(cè)量范圍寬、靈敏度高、使用壽命長(zhǎng)、安全可靠、適用于在線測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)[4]。

2 Gascard NG紅外氣體傳感器

Gascard NG紅外氣體傳感器由愛(ài)丁堡儀器公司設(shè)計(jì)，其光學(xué)部分包括：1個(gè)穩(wěn)定的紅外光源，1個(gè)氣體樣品室（以下簡(jiǎn)稱氣室），2個(gè)紅外濾光片和1個(gè)與之匹配的雙像元探測(cè)器傳感器探頭。光學(xué)部分與信號(hào)處理電路集成在一塊電路板上，方便進(jìn)行系統(tǒng)集成。該傳感器具有測(cè)量范圍寬、長(zhǎng)期穩(wěn)定、精度高、卓越的重復(fù)性和可靠性等特點(diǎn)[5]。該模塊具有壓力和溫度自動(dòng)校準(zhǔn)功能，通過(guò)對(duì)氣體樣品室內(nèi)溫度和壓力進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量，保證氣體濃度讀數(shù)的真實(shí)性和可靠性，且提供模擬量輸出和RS232通信接口。本裝置設(shè)計(jì)所選用的Gascard NG紅外氣體傳感器參數(shù)如表1所示。

表1 Gascard NG紅外氣體傳感器參數(shù)

3 檢測(cè)裝置設(shè)計(jì)

3.1 總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，裝置由煙氣采樣和控制電路兩個(gè)主要部分構(gòu)成。煙氣采樣部分包括集氣袋、過(guò)濾裝置、氣體流量計(jì)、Gascard NG紅外氣體傳感器模塊集成的氣室、微型真空氣泵和廢氣處理排放單元。首先，使用集氣袋收集一定量的卷煙煙氣；微型真空氣泵產(chǎn)生負(fù)壓將煙氣從集氣袋中吸出，經(jīng)過(guò)過(guò)濾裝置濾除煙氣中的粒相物、焦油和水分，再通過(guò)氣體流量計(jì)進(jìn)入氣室；煙氣在氣室中由傳感器進(jìn)行分析，最后通過(guò)廢氣處理單元處理后排入大氣。

圖1 裝置總體結(jié)構(gòu)圖

控制電路部分的功能：(1)與Gascard NG紅外氣體傳感器進(jìn)行通信，接收到檢測(cè)結(jié)果數(shù)據(jù)后在人機(jī)交互界面進(jìn)行顯示；(2)通過(guò)人機(jī)交互界面的控制按鈕對(duì)裝置進(jìn)行功能控制，如控制微型真空氣泵的啟動(dòng)或停止，從而決定是否進(jìn)行氣體采樣；(3)向傳感器發(fā)送指令，控制進(jìn)行參數(shù)校準(zhǔn)、調(diào)零等功能。

3.2 硬件設(shè)計(jì)

硬件設(shè)計(jì)主要是以STM32F103RET6微控制器為核心的數(shù)字電路設(shè)計(jì)。該款微控制器屬于意法半導(dǎo)體公司(ST Microelectronics)的 STM32系列產(chǎn)品，具有 32位 Cortex-M3內(nèi)核，時(shí)鐘頻率最高可達(dá)72 MHz，指令速度接近80 MIPS；擁有 512 KB程序存儲(chǔ)器(Flash)和 64 KB隨機(jī)存儲(chǔ)器（RAM）[6]。同時(shí)還集成了多種功能模塊，包括多個(gè)定時(shí)器(TIM)、多功能串行接口(USART、I2C、SPI)、12位ADC和DAC、看門狗定時(shí)器、USB和CAN總線接口等。

圖2 控制電路框圖

圖2為檢測(cè)裝置硬件電路總體設(shè)計(jì)框圖，微控制器通過(guò)USART1接口與Gascard NG紅外氣體傳感器進(jìn)行通信，完成指令下發(fā)和數(shù)據(jù)接收任務(wù)。選擇基于脈寬調(diào)制調(diào)速技術(shù)的微型真空氣泵，將定時(shí)器TIM2配置為PWM輸出模式，控制氣泵內(nèi)無(wú)刷電機(jī)轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)氣體采樣速率在一定范圍內(nèi)可調(diào)。選用帶有串行接口的工業(yè)彩色觸摸屏作為人機(jī)交互界面載體，顯示測(cè)量數(shù)據(jù)并接收來(lái)自用戶的控制指令。微控制器具體硬件連接如圖3所示。

圖3 微控制器STM32F103RET6硬件連接圖

STM32F103RET6微控制器使用JTAG接口作為程序下載、調(diào)試的通道。由于JTAG各端口在芯片內(nèi)部已經(jīng)連接上拉電阻，所以只需將JTAG插座引腳直接連接至微控制器相應(yīng)引腳即可。微控制器的復(fù)位引腳為下拉復(fù)位，即以復(fù)位引腳上檢測(cè)到的電平下降沿作為復(fù)位信號(hào)。按下按鈕K1時(shí)，硬件系統(tǒng)復(fù)位；否則由電阻R8拉至高電平。JTAG接口及復(fù)位電路如圖4所示。

圖4 JTAG接口和復(fù)位按鈕原理圖

裝置采用24 V直流電源供電，Gascard NG紅外氣體傳感器和微型真空氣泵直接使用24 V直流電源驅(qū)動(dòng)。圖5所示電路原理圖中，LM2576為單片開(kāi)關(guān)型降壓穩(wěn)壓芯片，可保證3 A的輸出電流；AMS1117-3.3為固定輸出電壓3.3 V的低壓降線性穩(wěn)壓器。先將24 V直流電降壓至5 V直流作為串口觸摸顯示屏的工作電源；再將5 V直流電通過(guò)AMS1117-3.3 V穩(wěn)壓至3.3 V作為微控制器及其他數(shù)字電路芯片的電源。

圖5 電源模塊原理圖

使用STM32F103RET6微控制器內(nèi)置的2個(gè)串行同步/異步收發(fā)器USART1和USART2。其引腳通過(guò)MAX3232芯片完成串口電平轉(zhuǎn)換后分別與Gascard NG紅外氣體傳感器和串口觸摸顯示屏進(jìn)行連接[7]，如圖6所示。

配置芯片PB6端口為微型真空泵電源使能控制端口，PA1為PWM信號(hào)輸出端口，如圖7所示。通過(guò)這兩個(gè)端口可以實(shí)現(xiàn)真空泵的啟動(dòng)、停止、調(diào)速功能。

3.3 軟件設(shè)計(jì)

圖6 通信模塊原理圖

圖7 真空泵控制模塊原理圖

嵌入式程序使用C語(yǔ)言在Keil軟件編譯環(huán)境下設(shè)計(jì)完成。程序核心功能為通過(guò)串口USART1接收來(lái)自傳感器發(fā)出的數(shù)據(jù)包，對(duì)該數(shù)據(jù)包進(jìn)行解析并將解析后獲得的測(cè)量數(shù)據(jù)通過(guò)串口USART2發(fā)送至觸摸屏進(jìn)行顯示；根據(jù)觸摸屏回傳的按鍵鍵值判斷用戶期望執(zhí)行的功能，調(diào)用相關(guān)子函數(shù)發(fā)送指令至傳感器，執(zhí)行調(diào)零、參數(shù)校準(zhǔn)等操作。主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

Gascard NG紅外氣體傳感器經(jīng)過(guò)上電、初始化、預(yù)熱等過(guò)程后，自動(dòng)通過(guò)串口向外發(fā)送包含氣體濃度、溫度、壓力等參數(shù)的數(shù)據(jù)包。傳感器接收數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)如表2。數(shù)據(jù)以ASCII字符格式發(fā)送，數(shù)據(jù)幀以大寫字母“N”為幀首，以回車字符＜CR＞后緊跟換行字符＜LF＞為幀尾，數(shù)據(jù)域以空格字符＜SPACE＞為間隔。Conc1參數(shù)表示被測(cè)氣體濃度數(shù)值；Conc2～Conc5參數(shù)無(wú)意義；Current Temperature和Current Pressure表示當(dāng)前氣室內(nèi)瞬時(shí)溫度和氣壓。

表2 接收數(shù)據(jù)幀結(jié)構(gòu)

4 傳感器參數(shù)校準(zhǔn)

參數(shù)校準(zhǔn)主要是指Gascard NG紅外氣體傳感器根據(jù)內(nèi)部溫度和壓力校準(zhǔn)參數(shù)對(duì)溫度和壓力的變化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。根據(jù)非分光紅外傳感器的原理，測(cè)量結(jié)果反應(yīng)的是光路中氣體分子的密度，也可以認(rèn)為是氣室中樣品氣體的摩爾數(shù)。Gascard NG紅外氣體傳感器的光學(xué)探頭配有溫度傳感器，連接氣室出口的氣管通過(guò)一個(gè)三通與壓力傳感芯片連通，可感知?dú)馐覂?nèi)壓力。通過(guò)對(duì)溫度和壓力的實(shí)時(shí)測(cè)量并結(jié)合傳感器內(nèi)部保存的校準(zhǔn)參數(shù)對(duì)溫度和壓力的變化進(jìn)行自動(dòng)補(bǔ)償。

進(jìn)行溫度和壓力參數(shù)校準(zhǔn)前傳感器至少需要預(yù)熱30 min，使其處于穩(wěn)定工作狀態(tài)。零點(diǎn)標(biāo)定氣體使用氮?dú)?，滿量程標(biāo)定氣體濃度為傳感器滿量程濃度值的80%～100%，公差小于2%。調(diào)節(jié)樣品氣瓶調(diào)壓器，使氣路中氣體流量以1 L/min的速度通過(guò)傳感器氣室。

待測(cè)量值穩(wěn)定后，發(fā)送調(diào)零指令或者滿量程指令，傳感器會(huì)自動(dòng)進(jìn)行內(nèi)部參數(shù)校準(zhǔn)，也可以通過(guò)電路板上的按鍵進(jìn)行手動(dòng)調(diào)整。Gascard NG紅外氣體傳感器具有雙波長(zhǎng)光學(xué)探頭，通過(guò)信號(hào)比值計(jì)算氣體濃度，儀器穩(wěn)定性高。愛(ài)丁堡儀器公司推薦的校準(zhǔn)周期為12個(gè)月。

5 影響測(cè)量結(jié)果的其他因素

傳感器采用溫度和壓力校準(zhǔn)可以提高測(cè)量準(zhǔn)確性。但是，在實(shí)際使用中還有很多因素會(huì)直接或間接影響測(cè)量結(jié)果，甚至損壞傳感器。

傳感器允許的氣體流速范圍是0.2～3 L/min，最小流速取決于響應(yīng)時(shí)間。氣體流速過(guò)大會(huì)造成氣室內(nèi)氣體壓力升高，影響測(cè)量結(jié)果。同樣，氣路排氣出口不暢也會(huì)使氣路內(nèi)氣體被壓縮，導(dǎo)致測(cè)量結(jié)果不準(zhǔn)確。在氣路入口處設(shè)置過(guò)濾裝置的目的是濾除煙氣中的粒相物、焦油和水分。粒相物和焦油進(jìn)入傳感器氣室內(nèi)部不僅會(huì)影響測(cè)量結(jié)果，而且長(zhǎng)時(shí)間的惡劣環(huán)境還可能造成傳感器光學(xué)器件的徹底損壞。傳感器對(duì)濕度變化不敏感，但是氣體中的水分在一定條件下會(huì)在氣室或氣路內(nèi)產(chǎn)生冷凝現(xiàn)象，同樣會(huì)增加傳感器損壞的可能性。

基于非分光紅外傳感器的卷煙煙氣CO濃度檢測(cè)裝置集光學(xué)氣體傳感器、微控制器為核心的數(shù)字電路設(shè)計(jì)、嵌入式程序設(shè)計(jì)于一體，開(kāi)發(fā)周期短，功能完善，使用靈活，測(cè)量精度滿足要求，在卷煙煙氣CO濃度測(cè)試中獲得良好效果。

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