一種高精度便攜式氮氧化物氣體測(cè)試儀

錢(qián)璐 趙鵬 魏勇建 張龍飛 張愉 陳煜

西安創(chuàng)研電子科技有限公司，陜西西安 710061

0 前言

近年來(lái)，由于我國(guó)不少地區(qū)紛紛出現(xiàn)霧霾問(wèn)題，各地政府對(duì)大氣污染的重視程度越來(lái)越高，國(guó)家相繼出臺(tái)了各類(lèi)環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和文件，用以控制和解決大氣污染問(wèn)題。

電廠脫硫脫硝工業(yè)排放氣體和發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的氮氧化物（NOx）主要由一氧化氮和二氧化氮組成，它是造成大氣環(huán)境污染的主要成分之一。這種污染物不僅對(duì)大氣環(huán)境污染嚴(yán)重，對(duì)人體健康也有很大危害。因此，有關(guān)部門(mén)經(jīng)常需要對(duì)工業(yè)排放氣體和發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的氮氧化物[1]進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，以控制氮氧化物的排放，緩解大氣污染問(wèn)題。

傳統(tǒng)的氮氧化物檢測(cè)需要專(zhuān)業(yè)的氣體分析儀來(lái)實(shí)現(xiàn)，其檢測(cè)速度慢，操作麻煩，測(cè)量范圍有限，測(cè)量精度不可選擇，且價(jià)格昂貴，體積較大，不便攜帶。因此，需要開(kāi)發(fā)一款易于攜帶，測(cè)試范圍和精度可選擇的高精度氮氧化物濃度測(cè)試儀[2]。

1 整體設(shè)計(jì)方案

高精度便攜式氮氧化物氣體測(cè)試儀[3]主要由對(duì)整機(jī)進(jìn)行控制的主控制器、3 種不同濃度范圍（0～615 mg/m3、615～2,050 mg/m3、2,050～4,100 mg/m3）的氮氧化物傳感器、CAN 通信電路、LCD 觸摸顯示屏和電源單元組成。氮氧化物傳感器的氣體感應(yīng)端放入待測(cè)氣體中，輸出端與CAN 通信電路相連，將檢測(cè)數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺仄?，進(jìn)行數(shù)據(jù)解析、計(jì)算處理和串口通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。LCD 觸摸顯示屏與主控制器相連，用于測(cè)試數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)顯示、工作狀態(tài)控制和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)。LCD觸摸顯示屏上設(shè)置有USB 接口，用于測(cè)試數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。氣體測(cè)試儀[4]整體設(shè)計(jì)方案如圖1 所示。

1.1 主控制器模塊

該測(cè)試儀采用S9KEAZ128 作為主控核心。S9KEAZ128 具有資源豐富，工作效率高，功耗低，支持CAN 通信，強(qiáng)大的中斷功能，可在線調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，適用于氮氧化物氣體測(cè)試的控制。

1.2 氮氧化物傳感器

測(cè)試儀采用3種不同測(cè)試范圍的氮氧化物傳感器，即第一氮氧化物傳感器（型號(hào)為A290NB300）、第二氮氧化物傳感器（型號(hào)為A290NB1000）和第三氮氧化物傳感器（型號(hào)為A290NB2000）。3 種氮氧化物傳感器均為自主研發(fā)設(shè)計(jì)，采用電化學(xué)原理進(jìn)行氮氧化物氣體的檢測(cè)。不同型號(hào)的傳感器測(cè)試濃度范圍和精度不同，實(shí)際測(cè)試過(guò)程中，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的測(cè)量范圍和誤差精度的氮氧化物傳感器。具體型號(hào)和測(cè)試范圍及精度如表1 所示。

1.3 電源模單元

該測(cè)試儀使用24 V 鋰電池模塊和5 V 電源轉(zhuǎn)換電路為整個(gè)系統(tǒng)不同模塊供電。24 V 鋰電池直接為3 種氮氧化物傳感器提供工作電壓，5 V 電源轉(zhuǎn)換電路輸出穩(wěn)定的直流5 V 信號(hào)，為CAN 通信電路、LCD 觸摸顯示屏、主控制器供電。該方案滿足測(cè)試儀對(duì)供電的需求，且可確保測(cè)試儀供電的穩(wěn)定性和安全性。

1.4 LCD 觸摸顯示屏

測(cè)試儀選擇集成的LCD 觸摸顯示屏模塊，用于數(shù)據(jù)顯示、存儲(chǔ)和人機(jī)交互，同時(shí)LCD 觸摸顯示屏上設(shè)置有USB 接口，方便存儲(chǔ)數(shù)據(jù)的導(dǎo)出。該方案滿足便攜式[5]氣體測(cè)試儀的需求，且測(cè)試數(shù)據(jù)顯示清晰，人機(jī)交互操作簡(jiǎn)單。

1.5 CAN 通信電路

測(cè)試儀的CAN 通信電路采用TJA1051 作為CAN數(shù)據(jù)收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)氮氧化物傳感器與主控制器模塊之間的CAN 通信，將采集的測(cè)試數(shù)據(jù)傳送到主控制器，同時(shí)將LCD 觸摸顯示屏發(fā)出的控制命令經(jīng)主控制器的轉(zhuǎn)換后，發(fā)送到氮氧化物傳感器，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。

表1 氮氧化物傳感器型號(hào)與測(cè)量范圍及誤差精度對(duì)應(yīng)關(guān)系

2 硬件部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

該測(cè)試儀采用S9KEAZ128 作為控制器，通過(guò)CAN 通信電路接收傳感器的測(cè)試數(shù)據(jù)和向傳感器發(fā)送控制命令，并實(shí)現(xiàn)與LCD 觸摸顯示屏的通信，將測(cè)試數(shù)據(jù)顯示在LCD 觸摸顯示屏上，同時(shí)可從LCD 觸摸顯示屏上控制傳感器的測(cè)試狀態(tài)。主控制器的硬件電路圖如圖2 所示。

2.1 CAN 通信電路模塊

該測(cè)試儀的CAN 通信電路采用TJA1051 作為CAN 通信數(shù)據(jù)收發(fā)器，實(shí)現(xiàn)氮氧化物傳感器與主控制器模塊之間的CAN 數(shù)據(jù)通信，同時(shí)將LCD 觸摸顯示屏發(fā)出的控制命令經(jīng)主控制器的轉(zhuǎn)換后發(fā)送到氮氧化物傳感器，實(shí)現(xiàn)人機(jī)交互功能。CAN 通信電路模塊硬件電路圖如圖3 所示。

2.2 電源穩(wěn)壓模塊

測(cè)試儀的電源模塊由24 V 鋰電池和電源穩(wěn)壓模塊2 部分組成。24 V 鋰電池為氮氧化物傳感器提供工作電壓，同時(shí)為電源穩(wěn)壓模塊提供輸入電壓。電源穩(wěn)壓模塊采用TPS5420 轉(zhuǎn)換芯片，實(shí)現(xiàn)24 V 直流電壓到5 V 直流電壓的轉(zhuǎn)換，同時(shí)具有穩(wěn)定輸出電壓的功能。電源穩(wěn)壓模塊輸出的5 V 直流電源為CAN 通信電路、LCD 觸摸顯示屏、主控制器供電。電源穩(wěn)壓模塊硬件電路圖如圖4 所示。

3 軟件部分設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

測(cè)試儀的軟件結(jié)構(gòu)主要分為系統(tǒng)初始化模塊、CAN 通信模塊、對(duì)氮氧化物傳感器采集數(shù)據(jù)的處理模塊（數(shù)字信號(hào)解析、計(jì)算和串口通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出）、人機(jī)交互模塊。各模塊程序單獨(dú)調(diào)試正確后再進(jìn)行聯(lián)合調(diào)試。本測(cè)試儀利用電化學(xué)氮氧化物傳感器進(jìn)行氣體濃度測(cè)試，并將濃度數(shù)據(jù)以CAN 數(shù)據(jù)幀的形式輸出。主控制器通過(guò)CAN 通信模塊的軟件配置實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，同時(shí)將CAN 數(shù)據(jù)幀解析并轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)，傳輸?shù)饺藱C(jī)交互模塊進(jìn)行數(shù)據(jù)顯示和控制，符合設(shè)計(jì)要求。

4 測(cè)試流程和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4.1 測(cè)試流程

將第一氮氧化物傳感器、第二氮氧化物傳感器及第三氮氧化物傳感器安裝在待測(cè)氣體排放管道上，固定緊實(shí)，保證不會(huì)因測(cè)試環(huán)境中的其他因素導(dǎo)致傳感器掉落現(xiàn)象，以免影響測(cè)試數(shù)據(jù)；打開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，在LCD觸摸顯示屏上發(fā)送啟動(dòng)第三氮氧化物傳感器指令，等待1 分鐘左右，查看LCD 觸摸顯示屏上的氮氧化物濃度數(shù)據(jù)是否在2,050～4,100 mg/m3范圍內(nèi)，若大于4,100 mg/m3，則測(cè)量氣體中的氮氧化物濃度超出本實(shí)用新型測(cè)量范圍，發(fā)送關(guān)閉第三氮氧化物傳感器指令，停止測(cè)量；若在此范圍內(nèi)，則LCD 觸摸顯示屏上顯示的氮氧化物濃度即為被測(cè)氣體中氮氧化物濃度值；若小于2,050 mg/m3，發(fā)送關(guān)閉第三氮氧化物傳感器指令和打開(kāi)第二氮氧化物傳感器指令，等待1 分鐘左右，查看LCD 觸摸顯示屏上的氮氧化物濃度數(shù)據(jù)是否在615～2,050 mg/m3范圍內(nèi)，若在此范圍內(nèi)，則LCD觸摸顯示屏上顯示的氮氧化物濃度即為被測(cè)氣體中氮氧化物濃度值；若小于615 mg/m3，則發(fā)送關(guān)閉第二氮氧化物傳感器指令和打開(kāi)第一氮氧化物傳感器指令，等待1 分鐘左右，查看LCD 觸摸顯示屏上的氮氧化物濃度數(shù)據(jù)是否在0～615 mg/m3范圍內(nèi)，若在此范圍內(nèi)，則LCD 觸摸顯示屏上顯示的氮氧化物濃度即為被測(cè)氣體中氮氧化物濃度值；否則，該測(cè)試儀測(cè)量范圍和精度不滿足被測(cè)氣體中氮氧化物濃度測(cè)量需求。一般情況下，大部分電廠脫硫脫硝工業(yè)排放氣體[6]和發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的氮氧化物（NOx）濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)均可采用本測(cè)試儀實(shí)現(xiàn)精確測(cè)試。

測(cè)試完成后，在LCD 觸摸顯示屏上點(diǎn)擊關(guān)閉相應(yīng)的氮氧化物傳感器，等待3 分鐘左右，使氮氧化物傳感器恢復(fù)到常溫狀態(tài)，拆除連接在待測(cè)氣體排放管道上的氮氧化物傳感器，同時(shí)，通過(guò)LCD 觸摸顯示屏上的USB 接口將測(cè)試數(shù)據(jù)導(dǎo)入計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，得出測(cè)試結(jié)果。

4.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

分別選用410 mg/m3、1,025 mg/m3、3,075 mg/m3氮氧化物標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2 所示。

表2 測(cè)試數(shù)據(jù)

由表2 可以發(fā)現(xiàn)，分別在3 種標(biāo)準(zhǔn)氣氛環(huán)境下，測(cè)試儀可以達(dá)到相應(yīng)的誤差精度，并且在匹配的誤差精度范圍內(nèi)可以切換測(cè)量3 種濃度范圍的氣體。LCD觸摸顯示屏可以正常顯示測(cè)量數(shù)據(jù)，同時(shí)可以切換測(cè)試范圍，控制氮氧傳感器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)導(dǎo)出，滿足設(shè)計(jì)要求。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文基于電化學(xué)氮氧化物傳感器設(shè)計(jì)了一種高精度便攜式氮氧化物氣體測(cè)試儀。該測(cè)試儀可以實(shí) 現(xiàn)0～615 mg/m3（誤差精度±6.15 mg/m3）、615～2,050 mg/m3（誤差精度±5%）和2,050～4,100 mg/m3（誤差精度±10%）3 種氮氧化物濃度范圍和誤差精度的測(cè)量，可根據(jù)實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景選擇合適的測(cè)量范圍和誤差精度。

相較于其他氮氧化物氣體測(cè)試裝置，本測(cè)試儀操作簡(jiǎn)便，檢測(cè)效率高，同時(shí)具有測(cè)試范圍和精度可選擇，數(shù)據(jù)可實(shí)時(shí)顯示和保存，體積小，便于攜帶，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，成本低等優(yōu)點(diǎn)，適用于電廠脫硫脫硝工業(yè)排放氣體和發(fā)動(dòng)機(jī)尾氣中的氮氧化物（NOx）濃度的實(shí)時(shí)檢測(cè)。