基于STM32F407與PM1158的焦?fàn)t煤氣氧含量在線分析儀設(shè)計(jì)

王夢(mèng)佳，王曉榮，龔飛，孔德鴻

（南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，南京211816）

基于STM32F407與PM1158的焦?fàn)t煤氣氧含量在線分析儀設(shè)計(jì)

王夢(mèng)佳，王曉榮*，龔飛，孔德鴻

（南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院，南京211816）

設(shè)計(jì)了一種基于STM32F407的焦?fàn)t煤氣氧含量在線分析儀。該分析儀采用數(shù)字型磁力機(jī)械式氧傳感器PM1158進(jìn)行氧含量的測(cè)量，它不僅能夠測(cè)量常量氧，而且也能夠用于微量氧的檢測(cè)，測(cè)量精度高、響應(yīng)速度快。傳感器輸出的信號(hào)經(jīng)過(guò)信號(hào)采集電路及調(diào)理電路送入微處理器STM32F407中進(jìn)行后續(xù)處理。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，研制的焦?fàn)t煤氣氧含量在線分析儀抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，完全符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需求。

在線分析儀；焦?fàn)t煤氣氧含量；STM32F407；磁力機(jī)械式氧傳感器

在煉焦領(lǐng)域，焦?fàn)t煤氣回收系統(tǒng)中氧氣含量的多少直接決定了整個(gè)生產(chǎn)流程是否能夠安全運(yùn)行［1］。焦?fàn)t煤氣中含有大量的可燃性氣體，所以必須時(shí)刻監(jiān)測(cè)助燃物氧氣的含量，保證其穩(wěn)定在安全范圍內(nèi)［2］。為了保證焦煤氣回收系統(tǒng)的安全運(yùn)行，設(shè)計(jì)了一款具有防爆功能的，且可以在線實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)焦煤氣回收系統(tǒng)中氧氣含量的分析儀。

1　系統(tǒng)總體方案設(shè)計(jì)

1.1總體結(jié)構(gòu)

分析儀的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖1所示，主要由氣體預(yù)處理模塊、氧濃度檢測(cè)模塊、信號(hào)分析及處理模塊3部分組成［3］。

其工作流程為：采樣探頭將被檢測(cè)氣體引入預(yù)處理系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)一系列的去雜處理，氣體以穩(wěn)定的流速流入傳感器。然后傳感器將采集到的信號(hào)傳送給MCU中央處理單元，處理器將接收到的信號(hào)進(jìn)行處理。最終信號(hào)將以多種方式傳輸出去，如4 mA～20 mA工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流，485遠(yuǎn)程通訊，液晶顯示等。如果檢測(cè)到的氧氣濃度超出了規(guī)定范圍，則通過(guò)DCS關(guān)閉電捕焦油器。為了保證傳感器精確地檢測(cè)焦?fàn)t煤氣中的氧含量，還提供了控溫模塊及壓力補(bǔ)償模塊。由于該分析儀工作在有爆炸性危險(xiǎn)的區(qū)域，所以必須將整個(gè)分析裝置置于防爆箱中，通過(guò)觸摸按鍵對(duì)其操控。

圖1　氧分析儀總體結(jié)構(gòu)框圖

1.2預(yù)處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由于焦煤氣的回收都是伴隨著高溫、水蒸氣、焦油、灰塵顆粒等復(fù)雜的情況，而這些情況都會(huì)影響到磁力機(jī)械式氧傳感器的檢測(cè)精度及使用壽命。高溫會(huì)使得被檢測(cè)氣體的體積磁化率降低，從而會(huì)使得檢測(cè)到的氧氣的濃度偏高；水蒸氣會(huì)溶解樣氣中易溶于水的氣體，進(jìn)入測(cè)量氣室后附在其壁上腐蝕測(cè)量池，同時(shí)水蒸氣是逆磁性物質(zhì)，也會(huì)影響傳感器的測(cè)量精度；焦油及灰塵顆粒會(huì)堵塞傳感器的進(jìn)氣口［4-5］。所以設(shè)計(jì)可靠性高的預(yù)處理系統(tǒng)是很有必要的，它可以保證氧含量在線分析儀長(zhǎng)時(shí)間在線檢測(cè)的精度及可靠性。針對(duì)焦煤氣回收工業(yè)設(shè)計(jì)的預(yù)處理裝置如圖2所示。

圖2　焦煤氣預(yù)處理裝置結(jié)構(gòu)

2　硬件電路設(shè)計(jì)

根據(jù)總體方案，設(shè)計(jì)了模擬傳感器信號(hào)調(diào)理電路及數(shù)字傳感器信號(hào)調(diào)理電路，從而能夠采集到更精確可靠的信號(hào)。還設(shè)計(jì)了液晶顯示模塊、工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)電流輸出模塊、485通訊模塊，使得處理后的信號(hào)能夠以多種方式向外傳輸。因?yàn)橐谟斜ㄐ晕ｋU(xiǎn)的區(qū)域?qū)ζ溥M(jìn)行準(zhǔn)確的操作，設(shè)計(jì)了觸摸按鍵輸入模塊。除此之外，設(shè)計(jì)了用來(lái)計(jì)時(shí)的實(shí)時(shí)時(shí)鐘模塊和用來(lái)存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的外部存儲(chǔ)模塊。同時(shí)為進(jìn)行標(biāo)定、報(bào)警等一系列的操作，設(shè)計(jì)了開(kāi)關(guān)量輸入輸出模塊。為了上述電路能夠在復(fù)雜的有爆炸性危險(xiǎn)的區(qū)域正常工作，設(shè)計(jì)了可靠的供電模塊。焦煤氣氧含量在線分析平臺(tái)硬件電路結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3　分析平臺(tái)硬件電路總體結(jié)構(gòu)

2.1氧傳感器電路

分析儀采用由英國(guó)SERVOMEX（仕富梅）公司生產(chǎn)的數(shù)字型磁力機(jī)械式氧傳感器PM1158。數(shù)字型機(jī)械順磁式氧傳感器是依據(jù)氧的強(qiáng)順磁性來(lái)測(cè)量氧氣的含量，其采用4腳接口模式通訊，引腳定義如表1所示。

表1　傳感器通訊接口引腳定義

由表1可知，1號(hào)端口用于接+5V直流電，4號(hào)端口接地線，2號(hào)與3號(hào)端口分別為串口通訊的發(fā)送與接收端，所以這兩個(gè)端口的電氣可靠性尤為重要。圖4為氧傳感器串口通訊接口電路。選用TLP181（光電耦合器）將傳感器的發(fā)送與接收端與主芯片的接收和發(fā)送端電氣隔離開(kāi)，保證了單片機(jī)與傳感器之間的信號(hào)互相不會(huì)干擾，同時(shí)還抑制了共模信號(hào)，從而保證傳感器與單片機(jī)之間能夠可靠的通訊［6］。由于傳感器串口通訊的波特率為192 00 bit/s，為保證其可靠的通訊，這里采用日本東芝半導(dǎo)體公司所推出的中速光耦TLP181，它的工作溫度范圍為-55℃～100℃，完全可以滿足焦化工業(yè)中數(shù)據(jù)傳輸?shù)男枨蟆?/p>

圖4　數(shù)字傳感器串口通訊接口電路

2.2傳感器調(diào)理電路

由于氧氣體積磁化率是溫度與壓力的函數(shù)，所以溫度的變化會(huì)給測(cè)量的結(jié)果帶來(lái)巨大的影響，為此設(shè)計(jì)了控溫電路，從而可以保證在測(cè)量過(guò)程中傳感器溫度的恒定［7］。控溫電路包括測(cè)溫模塊與加熱模塊，如圖5所示。

測(cè)溫電路選用由德國(guó)ISTAG公司推出的數(shù)字型溫度傳感器TSic-306作為整個(gè)測(cè)溫電路的核心，在使用時(shí)將該溫度傳感器緊貼在氧傳感器的表面，從而可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)氧傳感器表面的溫度，并將檢測(cè)到的溫度值傳給主芯片。

為了達(dá)到控溫的目的，加熱電路也是必不可少的。將溫度傳感器傳給主芯片的溫度值與設(shè)定好的溫度值做出比較，如果檢測(cè)到的溫度值小于設(shè)定的溫度值，那么就需要對(duì)傳感器加熱，如果大于設(shè)定值就停止加熱。于是，在加熱電阻與加熱電源之間接上一個(gè)固態(tài)繼電器，通過(guò)主芯片輸出的PWM波來(lái)控制繼電器的導(dǎo)通時(shí)間，從而控制加熱電阻的加熱時(shí)間，進(jìn)而達(dá)到控溫的目的。當(dāng)主芯片輸出的PWM波為低電平時(shí)，三極管Q4導(dǎo)通，同時(shí)開(kāi)啟了固態(tài)繼電器HFS32D_DC輸入端的發(fā)光二極管，從而觸發(fā)了輸出端的光敏三極管，24 V電源開(kāi)始給加熱電阻供電，為了能夠直觀的感知到加熱電阻是否在工作，還在電路中設(shè)計(jì)了發(fā)光二極管D18，當(dāng)加熱電阻工作時(shí)，D18就會(huì)發(fā)光。這里選用的加熱電阻是由CADDOCK公司推出的無(wú)感電阻MP930，在使用時(shí)將M930通過(guò)導(dǎo)線接在XS1端，同時(shí)將M930緊貼在氧傳感器表面。

圖5　控溫測(cè)溫模塊

壓力是影響數(shù)字型磁力機(jī)械式氧傳感器檢測(cè)精度的另一個(gè)重要因素，所以采用壓力補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)減少測(cè)量誤差是很有必要的。具體思想是，采用壓力傳感器來(lái)檢測(cè)樣氣的壓力，從而可以得到在不同壓力下氧氣的濃度，再根據(jù)非線性擬合的方法得到壓力與氧氣濃度的關(guān)系，進(jìn)而完成壓力補(bǔ)償。選用由摩托羅拉公司推出的壓力傳感器MPXH6250A_SOP8實(shí)時(shí)檢測(cè)壓力。壓力補(bǔ)償電路如圖6所示，壓力傳感器輸出電壓經(jīng)R28與C35組成的RC濾波后，送入電壓跟隨器，然后通過(guò)電壓跟隨器送入主芯片。

圖6　壓力補(bǔ)償電路

3　系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)整體方案，軟件系統(tǒng)的總體架構(gòu)設(shè)計(jì)如圖7所示。系統(tǒng)上電后，PM1158氧傳感器立刻開(kāi)始工作，但由于此時(shí)檢測(cè)環(huán)境的溫度不在其工作范圍內(nèi)，氧傳感器采集的濃度值并不準(zhǔn)確。因此需要一個(gè)預(yù)熱的過(guò)程，加熱器不斷工作，主芯片不斷采集當(dāng)前溫度并通過(guò)PID算法控制加熱的功率，當(dāng)溫度達(dá)到工作設(shè)定溫度值，加熱占空比將置0停止加熱［8］。此時(shí)，需對(duì)分析儀器進(jìn)行兩點(diǎn)標(biāo)定。AD不斷采集壓力值送入PM1158作為環(huán)境壓強(qiáng)補(bǔ)償。液晶模塊將實(shí)時(shí)的顯示濃度、溫度、壓強(qiáng)、量程等數(shù)據(jù)，供用戶查看；并且可以通過(guò)按鍵在液晶上進(jìn)行兩點(diǎn)標(biāo)定、設(shè)置報(bào)警值、設(shè)置通訊參數(shù)等操作。

圖7　軟件系統(tǒng)總體架構(gòu)

4　氧分析儀整體性能測(cè)試

氧分析儀的整體性能可以歸納為：準(zhǔn)確性、重復(fù)性、穩(wěn)定性。下面分別對(duì)這3種性能進(jìn)行測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)時(shí)的具體參數(shù)為：（1）室內(nèi)溫度為20℃；（2）氣壓為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓；（3）標(biāo)準(zhǔn)樣氣流量控制在60 mL/min；（4）傳感器工作溫度控制在（60±0.1）℃。

進(jìn)行氧分析儀準(zhǔn)確性測(cè)試的實(shí)驗(yàn)步驟：首先上電預(yù)熱5 min左右，接著將分析儀的量程設(shè)為0～5%，然后用濃度為99.99%的氮?dú)饧把鯘舛葹?%的標(biāo)準(zhǔn)氣對(duì)其進(jìn)行兩點(diǎn)標(biāo)定，最后在上述指標(biāo)的基礎(chǔ)上對(duì)5種不同氧濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣進(jìn)行檢測(cè)，測(cè)試結(jié)果如表2所示，其中絕對(duì)誤差小于0.02%，相對(duì)誤差小于1%，表明該分析儀有較好的準(zhǔn)確度且達(dá)到了2級(jí)表的要求。

表2　氧分析儀準(zhǔn)確性測(cè)試數(shù)據(jù)

在焦化工業(yè)中，氧分析儀的穩(wěn)定性往往比測(cè)量的準(zhǔn)確度還要重要。實(shí)驗(yàn)時(shí)選取5種不同氧濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣，每隔4 h測(cè)試一下這5組標(biāo)準(zhǔn)氣的氧濃度，測(cè)得的具體數(shù)據(jù)如表3所示，然后通過(guò)公式：

計(jì)算出以不同氧濃度標(biāo)準(zhǔn)氣為參照時(shí)的穩(wěn)定性偏差，式中Xmax表示測(cè)得的最大值，Xmin表示測(cè)得的最小值，Xb表示標(biāo)準(zhǔn)氣的濃度。計(jì)算結(jié)果如表3所示，穩(wěn)定性偏差皆小于1%，證明該分析儀具有較好的穩(wěn)定性，符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

重復(fù)性的測(cè)量可以判定氧分析儀在短時(shí)間內(nèi)測(cè)得氧濃度是否一致。實(shí)驗(yàn)時(shí)，選取5種不同氧濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣，然后對(duì)每種標(biāo)準(zhǔn)氣進(jìn)行連續(xù)5次的測(cè)量，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)如表4所示。衡量重復(fù)性的計(jì)算公式為

其中n表示測(cè)量次數(shù)，Xi表示單次測(cè)得的氧濃度值，Xˉ表示n次氧濃度的平均值，Xb表示標(biāo)準(zhǔn)氣的濃度值，則通過(guò)式（2）就可以計(jì)算出氧分析儀以5種不同標(biāo)準(zhǔn)氣為參照時(shí)的不確定度，結(jié)果如表4所示，不確定度皆小于0.2%，從而表明氧分析儀有很好的重復(fù)性。

表3　氧分析儀穩(wěn)定性測(cè)試數(shù)據(jù)

表4　氧分析儀重復(fù)性測(cè)試數(shù)據(jù)

5　結(jié)束語(yǔ)

本套系統(tǒng)是一款針對(duì)焦?fàn)t煤氣回收系統(tǒng)中氧氣含量的監(jiān)控提出的用于工業(yè)爆炸環(huán)境中在線實(shí)時(shí)氧氣含量監(jiān)測(cè)的氣體分析儀器。其以低功耗、穩(wěn)定性強(qiáng)的工業(yè)級(jí)芯片STM32F407作為數(shù)據(jù)處理核心，主要采用數(shù)字磁力機(jī)械式氧傳感器作為監(jiān)測(cè)手段，結(jié)合RS485和工業(yè)毫安電流輸出作為輸出手段，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化、智能化、模塊化的分析平臺(tái)設(shè)計(jì)。

從上述整體性能測(cè)試可以得知，研制的焦?fàn)t煤氣氧含量在線分析儀測(cè)量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好，完全符合工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的需求。

［1］萬(wàn)成略，汪莉.可燃性氣體含氧量安全限值的探討［J］.中國(guó)安全科學(xué)學(xué)報(bào)，1999（1）：48-52.

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王夢(mèng)佳（1990-），女，漢族，江蘇無(wú)錫人，南京工業(yè)大學(xué)碩士研究生，研究方向?yàn)榍度胧较到y(tǒng)，wangmengjia90@163.com；

王曉榮（1972-），男，漢族，江蘇阜寧人，南京工業(yè)大學(xué)電氣工程與控制科學(xué)學(xué)院副教授，研究方向?yàn)榉治鰞x器設(shè)計(jì)、嵌入式系統(tǒng)設(shè)計(jì)、機(jī)電系統(tǒng)綜合控制，wangxiaorong@njtech.edu.cn。

The Design of a Coke Oven Gas Oxygen Content Analyzer Based on STM32F407 and PM1158

WANG Mengjia，WANG Xiaorong*，GONG Fei，KONG Dehong
（College of Electrical Engineering and Control Science，Nanjing University of Technology，Nanjing 211816，China）

The online analyzer based on STM32F407 for oxygen content in coke oven gas is designed.The analyzer measures oxygen content with digital magnetic and mechanical type oxygen sensor PM1158.It can be used not only to measure the constant oxygen，but also to detect trace oxygen with the characteristics of high measurement accura?cy and fast response speed.The output sensor signal，passing through signal acquisition circuit and conditioning cir?cuit is sent to microprocessor STM32F407 for subsequent processing.The experimental results show that the coke oven gas oxygen content on-line analyzer can fully meet the needs of industrial field with strong anti-interference ability and good stability.

on-line analyzer；oxygen content in coke oven gas；STM32F407；magnetic mechanical type oxygen sensor

TH89

A

1005-9490（2016）02-0459-05

EEACC：7230U10.3969/j.issn.1005-9490.2016.02.042

2015-06-05修改日期：2015-08-06