工業(yè)園區(qū)大氣污染物高精度在線監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)

劉江霞，元紅妍，范寶德

(1.煙臺大學(xué)工程實(shí)訓(xùn)中心，山東煙臺 264005；2.煙臺大學(xué)計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院，山東煙臺 264005)

0 引言

隨著我國生態(tài)環(huán)境保護(hù)和污染防治的不斷加強(qiáng)，環(huán)境質(zhì)量得到明顯改善，形成了具有中國特色的大氣污染防治理論與管理模式，構(gòu)建了系統(tǒng)科學(xué)的大氣污染綜合防控體系[1]。為了完善國家大氣污染物排放標(biāo)準(zhǔn)，生態(tài)環(huán)境部陸續(xù)發(fā)布了《惡臭污染物排放標(biāo)準(zhǔn)(征求意見稿)》和《揮發(fā)性有機(jī)物無組織排放控制標(biāo)準(zhǔn)》，規(guī)定了企業(yè)廠區(qū)內(nèi)及周邊污染監(jiān)控的具體要求。

企業(yè)內(nèi)部及周邊主要的大氣污染物有惡臭污染物、揮發(fā)性有機(jī)物(VOCs)等，其中NH3和H2S是惡臭物質(zhì)的主要無機(jī)成分[2-3]，VOCs包括非甲烷烴類、含氧有機(jī)物、含氯有機(jī)物、含氮有機(jī)物、含硫有機(jī)物等，是形成臭氧(O3)和細(xì)顆粒物(PM2.5)污染的重要前體物[4-6]。因此，為了監(jiān)測企業(yè)周邊的空氣質(zhì)量，防止有毒氣體泄漏帶來的生產(chǎn)安全問題[7]，本文設(shè)計(jì)了一套高精度的、同時(shí)檢測多種大氣污染物的在線監(jiān)測系統(tǒng)，重點(diǎn)監(jiān)控工業(yè)園區(qū)的H2S、NH3、VOCs濃度，可實(shí)現(xiàn)空氣質(zhì)量密集網(wǎng)格化布點(diǎn)監(jiān)測[8]，預(yù)防和減輕工業(yè)區(qū)惡臭污染引起的矛盾[9]，為空氣質(zhì)量治理和相關(guān)的決策提供數(shù)據(jù)支持[10]。

1 監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

本系統(tǒng)可實(shí)時(shí)監(jiān)測工業(yè)園區(qū)大氣環(huán)境中的H2S、NH3和VOCs的濃度，并提供RS485通信接口實(shí)現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程傳送。由于通常情況下工業(yè)園區(qū)環(huán)境中的有毒有害氣體的濃度比較低，因此傳感器、前置放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路的選型都考慮了高精度檢測的具體要求，其中H2S和NH3傳感器選用了高靈敏度的電化學(xué)傳感器H2S-B4和3E100SE，VOCs傳感器選用了高精度的光離子傳感器PID-TECH，傳感器的性能參數(shù)如表1所示。

表1 傳感器性能參數(shù)

監(jiān)測系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示，以STM32F103VET6最小系統(tǒng)電路為核心，主要由電源電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、RS485接口電路、RS232接口電路、液晶顯示電路、RTC電路、繼電器輸出及報(bào)警電路、傳感器及前置放大電路等組成。

監(jiān)控系統(tǒng)擴(kuò)展了24位高精度A/D轉(zhuǎn)換電路，使用高精密運(yùn)放設(shè)計(jì)了3種傳感器的前置放大電路，實(shí)現(xiàn)高精度的氣體濃度檢測；設(shè)計(jì)了隔離的RS232接口電路，通過RS232接口與PC機(jī)通信，實(shí)現(xiàn)了基于PC機(jī)的系統(tǒng)校準(zhǔn)功能；設(shè)計(jì)了隔離的RS485接口電路，并在軟件設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)了國標(biāo)數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，可以通過RS485接口實(shí)現(xiàn)監(jiān)測數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)傳或者連接數(shù)采儀將采集數(shù)據(jù)上傳到監(jiān)控平臺；設(shè)計(jì)了液晶顯示電路，便于監(jiān)測數(shù)據(jù)的本地瀏覽；設(shè)計(jì)了繼電器輸出及報(bào)警電路來控制外置的聲光報(bào)警器，實(shí)現(xiàn)濃度超標(biāo)后的本地報(bào)警功能。

2 系統(tǒng)的電路設(shè)計(jì)

2.1 A/D轉(zhuǎn)換電路

為了實(shí)現(xiàn)ppb級高精度的氣體濃度檢測，設(shè)計(jì)了基于AD7190芯片的24位A/D轉(zhuǎn)換電路，可實(shí)現(xiàn)4路單極性模擬量信號的A/D轉(zhuǎn)換，電路原理圖如圖2所示。

AD7190是低噪聲、全模擬前端、用于高精度測量的A/D轉(zhuǎn)換芯片，4路模擬量輸入通道設(shè)計(jì)有低通濾波電路，濾除輸入信號中的高頻干擾，采用SPI接口與STM32芯片通信。REF5030是低溫漂(最大3 ppm/℃)、高精度(線性度0.05%)、低噪聲(3 μV/V)的參考電壓芯片，具有良好的負(fù)載調(diào)節(jié)能力，為A/D轉(zhuǎn)換電路提供高精度的參考電壓。

2.2 傳感器及放大電路

為了實(shí)現(xiàn)高精度和高靈敏度的氣體濃度檢測，放大電路使用了高精密的、rail-to-rail輸出的OPA2335集成運(yùn)放芯片，具有最高5 μV的輸入偏置電壓和最大200 pA的輸入偏置電流，具有極低的溫漂和時(shí)漂。VOCs傳感器選用了量程為20 ppm的PID-TECH傳感器，由于在其量程范圍內(nèi)的輸出電壓為0～2.5 V，因此其前置放大電路設(shè)計(jì)為電壓跟隨器，放大器的輸出信號進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器的通道4實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。VOCs傳感器的放大電路如圖3所示。

H2S和NH3傳感器的放大電路原理圖如圖4所示。H2S檢測選用了高分辨率四電極電化學(xué)傳感器H2S-B4，與三電極電化學(xué)傳感器相比，四電極傳感器有一個(gè)輔助電極(圖4中SN1的4號腳)，用來補(bǔ)償零點(diǎn)電流，使輸出信號具有更好的響應(yīng)時(shí)間和抗干擾特性。在電路設(shè)計(jì)中，分別為H2S-B4傳感器的工作電極(圖4中SN1的2號腳)和輔助電極設(shè)計(jì)了放大電路，分別對工作電極和輔助電極的微弱電流信號進(jìn)行放大，使用A/D轉(zhuǎn)換器的通道1和通道2采集2路放大電路的輸出數(shù)據(jù)。使用過程中，需要使用輔助電極放大電路的輸出電壓對工作電極放大電路的輸出電壓進(jìn)行校正，使用校正后的工作電極電壓計(jì)算H2S濃度。校正后的輸出靈敏度為

(1)

式中：S為系統(tǒng)輸出靈敏度，mV/ppm；VWE為校正后的工作電極放大電路輸出電壓，mV；VWE1為通入標(biāo)氣時(shí)工作電極放大電路的輸出電壓，mV；VWE0為通入零氣時(shí)工作電極放大電路的輸出電壓，mV；VAE1為通入標(biāo)氣時(shí)輔助電極放大電路的輸出電壓，mV；VAE0為通入零氣時(shí)輔助電極放大電路的輸出電壓，mV；n為溫度補(bǔ)償系數(shù)；C0為通入標(biāo)氣的濃度，ppm。

NH3檢測選用了三電極電化學(xué)傳感器3E100SE，采用與H2S-B4傳感器一致的四引腳的7-Series封裝形式。3E100SE傳感器的放大電路與H2S-B4傳感器的放大電路結(jié)構(gòu)一致，由于3E100SE傳感器沒有輔助電極，因此其放大電路原理圖不包含圖4中的虛線范圍內(nèi)的電路部分。3E100SE傳感器工作電極的輸出電流經(jīng)過放大電路后，通過A/D轉(zhuǎn)換器的通道3實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)采集。

2.3 隔離的RS485電路

監(jiān)測系統(tǒng)設(shè)計(jì)有隔離的RS485通信接口，采集的數(shù)據(jù)除了通過本地液晶屏顯示外，還可以通過RS485接口實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)遠(yuǎn)傳?？梢詫⒉杉瘮?shù)據(jù)傳送到企業(yè)監(jiān)控主機(jī)，也可以連接環(huán)保數(shù)據(jù)采集傳輸儀將采集數(shù)據(jù)上傳至環(huán)保部門的監(jiān)控平臺。隔離的RS485電路如圖5所示，使用了光耦進(jìn)行數(shù)據(jù)隔離，并在端口設(shè)置了TVS二極管，實(shí)現(xiàn)了RS485通信接口的隔離和靜電防護(hù)能力。數(shù)據(jù)隔離采用了高速光耦TLP109，性能滿足系統(tǒng)9 600 bps的速度要求。使用傳送方向自動識別的RS485收發(fā)器芯片MAX13487實(shí)現(xiàn)RS485的信號傳送。

3 監(jiān)測系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

監(jiān)測系統(tǒng)的軟件工作流程如圖6所示。首先對STM32芯片進(jìn)行初始化，主要完成系統(tǒng)時(shí)鐘、GPIO端口、串口、SPI接口等的初始化功能。通過SPI接口初始化A/D轉(zhuǎn)換芯片，控制A/D芯片的4個(gè)通道進(jìn)行模擬量數(shù)據(jù)采集，并將檢測數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算后送到液晶屏顯示。系統(tǒng)設(shè)置了校準(zhǔn)和正常運(yùn)行2種工作模式，工作模式通過按鍵切換。在正常運(yùn)行模式下，獲取的氣體濃度數(shù)據(jù)以國標(biāo)協(xié)議格式通過RS485接口發(fā)送出去，如果氣體濃度超標(biāo)，則需要通過GPIO引腳控制繼電器輸出，控制外置的聲光報(bào)警裝置。在校準(zhǔn)模式下，監(jiān)測系統(tǒng)通過RS232接口與PC機(jī)連接，執(zhí)行傳感器校準(zhǔn)子程序，實(shí)現(xiàn)對3種傳感器的標(biāo)定功能。

傳感器的校準(zhǔn)子程序流程如圖7所示。進(jìn)入校準(zhǔn)子程序后，由PC機(jī)通過串口發(fā)送校準(zhǔn)命令，STM32首先判斷校準(zhǔn)命令是否正確或是否等待超時(shí)，如果指令無效則退出校準(zhǔn)子程序。如果指令有效，則需要根據(jù)指令內(nèi)容判斷執(zhí)行哪個(gè)傳感器的校準(zhǔn)過程。進(jìn)入具體的校準(zhǔn)程序后，STM32向PC機(jī)發(fā)送所校準(zhǔn)傳感器的采集數(shù)據(jù)，根據(jù)通入標(biāo)氣的濃度由人工將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)輸入到PC機(jī)中，PC機(jī)通過串口將校準(zhǔn)數(shù)據(jù)發(fā)送給STM32。STM32接收到校準(zhǔn)數(shù)據(jù)后進(jìn)行保存，完成傳感器的校準(zhǔn)。

4 系統(tǒng)測試

監(jiān)測系統(tǒng)的實(shí)物如圖8所示，3個(gè)傳感器位于放大電路板的背面，放大電路板與氣室之間通過皮墊密封和絕緣，待測氣體通過氣泵從氣體入口進(jìn)入氣室，并由出口通過管道排出。

監(jiān)測系統(tǒng)對3類污染氣體的檢測范圍為：H2S為0～10 ppm、NH3為0～100 ppm、VOCs為0～20 ppm。使用標(biāo)氣對系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)后，對系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試。使用氣體動態(tài)校準(zhǔn)儀將純潔空氣和標(biāo)氣進(jìn)行混合，通過參數(shù)設(shè)置控制氣體動態(tài)校準(zhǔn)儀的流量閥，得到被測氣體的各種配氣濃度，將混合氣體通過氣泵送入氣室，并對系統(tǒng)進(jìn)行了測試，測試結(jié)果如表2所示。

由實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果可以發(fā)現(xiàn)，本系統(tǒng)對H2S、NH3、VOCs濃度檢測的相對誤差絕對值的最大值分別為1.57%、1.52%、1.37%，檢測精度滿足工業(yè)園區(qū)大氣污染檢測的要求，達(dá)到了系統(tǒng)設(shè)計(jì)的預(yù)期目標(biāo)。

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了高精度的工業(yè)園區(qū)大氣污染物在線監(jiān)測系統(tǒng)，分別對大氣中的H2S、NH3、VOCs濃度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測和上傳。通過選用高精度的傳感器、運(yùn)放芯片、參考電源芯片以及A/D轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)對污染物濃度的高精度檢測。測試表明，系統(tǒng)的檢測精度滿足設(shè)計(jì)要求，為工業(yè)園區(qū)的大氣質(zhì)量檢測提供一種可行的方案。

表2 測試結(jié)果