雙通道非分散紅外SO2在線檢測系統設計

劉志鋒，羅學科，李文，劉鵬

(北方工業大學 機械與材料工程學院，北京 100144)

工業生產鋼鐵冶煉、火力發電等都會伴隨燃料燃燒排放含SO2的污染煙氣，污染煙氣溶于空氣中的水中形成酸雨、酸霧導致空氣質量惡化、大氣能見度降低[1]，同時影響人體呼吸系統，損害身體健康，嚴重影響人類正常生活和生態平衡[2-4]。目前SO2氣體檢測常用方法主要分為物理法和化學法。化學法采用分光光度法，利用甲醛、四氯汞鹽對SO2的吸收特性進行檢測，雖然此檢測方法精度較高，但測試條件要求嚴格，測定過程繁瑣，操作不當會影響結果的準確性。物理法包括紫外熒光法、差分吸收光譜分析法和非分散紅外吸收法等。其中，紫外熒光法不能保證光源在波長為220 nm處恒定，差分吸收光譜分析法建設成本高，而非分散紅外吸收法結合冷凝干燥預處理系統有著穩定性好、分辨率高、響應時間迅速、維護成本低等優勢，因而更適應市場需要。邱健等[5]基于復雜可編程邏輯器件實現了對紫外熒光信號的拾取，但是該方法對光密性要求高。溫維麗等[6]設計了基于非分散紅外的煙氣分析儀，測定結果準確性得到很大提升，但在預處理去水除塵上有待改進。喬支衛等[7]對基于不同原理的低濃度SO2分析儀性能進行研究，測得基于非分散紅外吸收光譜法的SO2檢測系統零點漂移≤0.55%，響應時間為67 s，線性誤差≤0.51%，重復性誤差≤0.63%，發現該檢測系統的響應時間過長，其他檢測誤差也相對偏高，已經達不到技術迅速更新的設備檢測需求。

本設計針對上述文獻中的不足做出改進，由經優化的預處理氣路結構、內壁為鋁合金材質的高密性檢測氣室和低功耗嵌入式系統等組成，擁有響應時間短、檢測精度高等優勢。流量設計為1.0 L/min，采用單光源雙通道設計降低雙路檢測光源強度不一致、裝配誤差干擾等影響，從而實現長期較好的穩定性，相比光譜儀器測量既節約了成本又能夠去濕除塵，滿足檢測精度和響應時間的要求。

1 檢測理論

每種氣體都有吸收紅外輻射能量的特定波段[8]。紅外光源在大氣中穿過時吸收氣體致使光強減弱，在光敏元件的感應下會被轉化為相應電信號的變化，這個吸收變化服從朗伯比爾定律[9-10]，如式(1)所示。

I(λ)=I0(λ)e(-αλcl)，

(1)

式中，αλ為特定波長的吸收系數，c為檢測氣體體積分數，l為光程，I0、I分別為入射與出射光強度。故待測濃度可表示為式(2)，對于被測氣體，αλ是確定的量，因此SO2氣體體積分數可通過分別檢測I0、I的信號值計算得出。

(2)

設計采用熱電堆探測器，紅外光源穿過并吸收氣體致使波長能量減弱引起探測元熱電偶電壓的微弱變化，熱電偶串聯產生被檢測到的熱電電壓[11]。通過處理電壓信號值便可得到紅外光源吸收SO2的情況，從而計算其濃度值，由朗伯比爾定律知，探測器檢測通道端與參考通道端兩路電壓控制輸出信號可分別表示為式(3)和式(4)。

Us=E1Ise(-αλcl)，

(3)

Ur=E2Ir，

(4)

式中，Us、Ur分別表示測量通道輸出電壓值、參考通道輸出電壓值，E1、E2分別表示雙通道不同濾片通過紅外光源的傳輸系數。設計波段在7.30、3.98 μm作為測量通道和參考通道。因為測量的待測氣體體積分數比較低，吸光度αλcl遠小于1,故式(3)可據泰勒展開式近似為：

Us=E1Is(1-αλcl)，

(5)

式(5)與式(4)相減有：

Us-Ur=E1Is(1-αλcl)-E2Ir，

(6)

由差分放大運算原理整理得到體積分數表達式(7)。

(7)

在固定環境下，式中只有(Us-Ur)為變量，其余均為已知參數，SO2體積分數表達式轉變為線性函數表示。

2 系統設計方案

基于非分散紅外吸收原理的檢測系統解決了現有檢測設備體積大、系統功耗大、建設成本高的問題[12]。在此基礎上，從提高系統的穩定性和可行性、縮短響應時間出發，提出系統總體設計方案。參照國家計量檢測規程對系統的設計方案展開研究，氣體通過伴熱管線經預處理流程控制操作，以1.0 L/min的流量通入檢測氣室進行非分散紅外吸收檢測，檢測信號經電路處理后實現SO2體積分數測定。因此，需要從硬件電路、氣室結構、檢測流程控制等方面進行設計。

2.1 硬件電路設計

在采集SO2信號時，因為單獨測量空載探測器信號在3 V附近并且干擾波動較大，不易于信號的處理，因此設計差分積分放大電路，將檢測信號控制在毫伏范圍并對其進行放大濾波處理。電路設計既能把差分信號放大到采樣電路能夠采樣的量級，又能在干擾中尋找到軌跡信號并提取出來[13]?？紤]到電路設計中的運算放大器需要具有高收益和失調電壓與漂移，因此采用性能良好的AD620作為運放芯片。

硬件電路整體設計包括信號采集模塊、信號調理模塊、電源模塊、中央處理器模塊、溫度補償模塊、數據收發模塊，原理圖如圖1所示。

設計采用555定時器模塊為紅外光源調制5 V電壓及10 Hz輻頻信號，PB2405穩壓模塊為雙通道探測器提供穩定工作電壓以精確接收采集信號，放大整流后由高精密芯片ADuCM360模塊進行數據處理，再經接收/發送(RXD/TXD)端口傳輸到收發器 ADM2587，由收發器完成與上位機的通信。

2.2 氣室結構設計

氣室是對凈化的煙氣進行紅外吸收與信號檢測的采集單元。經預處理凈化的煙氣通過伴熱管道以1 L/min的流量由輸入端口輸入，探測器檢測通道接收相應波段紅外衰減光強信號，與參考通道未經紅外吸收的光強信號進行差分，得到SO2氣體紅外吸收部分對應的電壓信號，至輸出端口輸出完成一次信號采集。如圖2所示為氣室結構，檢測氣室設計內嵌鋁合金材質防止氣體腐蝕以及降低材料對光傳播的影響，并根據紅外光源與探測器尺寸優化檢測氣室內徑。為保證穩定的吸收介質長度，設計氣室檢測長度為10 cm。

1,10—屏蔽蓋；2—紅外光源；3,11—生料帶；4,7—密封圈；5—輸入端；6—輸出端；8—檢測通道；9—探測器；12—參考通道；13—檢測氣室。

2.3 檢測流程控制設計

如圖3所示，待測氣體分別由電磁閥與采樣泵控制，通過濾室與Nafion管吸附雜質、去水除濕，干燥凈化后送入氣室進行氣體信號采集。檢測流程主要分為以下幾個步驟，具體流程如圖4所示。

圖3 氣路流程控制

圖4 檢測流程圖

(1)清理流程，此步驟是為了排出氣路中滯留物質，防止上次殘留氣體與粉塵對本次檢測造成不必要的干擾，降低檢測誤差；

(2)系統預熱，控制開啟紅外光源，使氣室在一定時間建立熱平衡；

(3)零氣數據采集，此步驟是為了確定吸光度的零參考點；

(4)探測器數據采集，此過程使探測器前端的熱電堆產生變化進行數據采集；

(5)氣體檢測，此步驟是通入空氣進入氣室參與檢測，為系統濃度分析做準備；

(6)排空流程，此過程是在數據采集完成后實現廢氣排出，對氣室及管路進行清潔。

3 實驗分析

通過國家標準物質網查詢選用標準值為99.9%、不確定度為0.1%的高純SO2和標準值為99.999%、不確定度為0.02%的高純氮氣作為氣體檢測標準氣體。高純氮氣作為檢測零氣，使用四川中測貝格科技有限公司的氣體稀釋裝置配制成不同體積分數標準氣體，以標準HJ/T 76—2017[14]為測試依據，主要對系統的零點漂移、響應時間、線性誤差和重復性誤差進行研究。

3.1 零點漂移

控制電磁閥以1.0 L/min的流量通入零氣，等待數值穩定后，校準儀器至零點，記錄零點電壓值記為Z01，24 h后記錄穩定示值Z11，之后重復上述步驟3次記錄相應時間穩定示值Z0i，Z1i(i=1,2,3)，記錄電壓值如表1所示。

表1 零點電壓測量

最大偏差值ΔZmax與漂移值Zd計算方法如式(8)和式(9)所示，其中R為滿量程值。根據計算得到零點漂移結果為0.4%。

ΔZmax=Z1i-Z0i，

(8)

(9)

3.2 響應時間

響應時間分為兩個部分，分別是通入標準氣體到數值開始變化的預處理氣路傳輸時間和等待示值上升到標準氣體90%標稱濃度值的檢測時間?？紤]到管道殘余物質清理、氣體流經伴熱管線、HTS E21雙通道氣體分析熱電堆探測器響應時間以及信號處理等所需要的時間，在系統運行穩定后以1.0 L/min的流量通入零氣進行零點標定，待讀數穩定后通入標準SO2氣體，同時開始計時，重復測定6次并記錄所用時間，測定記錄如表2所示。

表2 系統檢測時間測定

依據6次測量結果，取檢測均值，得到系統氣體檢測響應時間約為3.86 s。

3.3 線性誤差

線性度是檢驗不同濃度SO2氣體與標準氣體檢測的線性準確性，線性誤差越小，系統檢測值越穩定，對不同量程的氣體檢測越準確。分別通入20%、40%、60%、80%滿量程的SO2氣體，等待示值穩定，每隔2 min記錄一組數據，連續采集3次，計算各自均值與標準氣體檢測值的偏差。

如圖5所示，在濃度檢測范圍內線性誤差控制在-0.3%～0.3%，誤差檢測變化小，在線性誤差檢測限值范圍內，可以精確穩定地測量煙氣中氣體體積分數。

圖5 線性度誤差

3.4 重復性

在同一工況下，對滿量程60%的SO2標準氣體連續測量12次，計算測量數據的相對標準偏差δ，測量值如表3所示。

表3 滿量程60%標準SO2氣體電壓值

(10)

由式(10)可知重復性誤差δ為0.52%。計算1～7次測量數據重復性誤差為0.62%，數據重復性誤差較大，這是由于系統溫度需要時間來穩定，因此數據呈現先微小波動后穩定的趨勢。

4 結論

本文設計了基于非分散紅外吸收原理的SO2氣體體積分數在線檢測系統，通過實驗驗證，系統的零點漂移為0.4%，響應時間為3.86 s，線性誤差為0.3%，重復性誤差為0.52%。檢測流程控制優化設計有效提高了檢測效率，設計高密性檢測氣室降低了材質對檢測結果的影響，雙通道探測器實現了對被測氣體吸收的信號補償，系統響應迅速，長期穩定性強。