挥发性有机气体在线监测系统（PID）的电气研究

张浩文

（深圳安志生态环境有限公司，深圳 518000）

1 绪论

1.1 研究的背景及意义

近些年，全国的空气污染问题集中爆发，颗粒物、烟尘、挥发性有机物等大气污染物导致我国多地出现空气污染，尤其以北方大部分地区最为严重，不仅对人们的身体健康和生存环境造成了严重的影响，而且妨碍了人们的工作和生活。因此，治理空气污染问题成为生态环境部门的重要任务。

在空气污染中，除了无机废气外，还有大量的有机废气。其中，挥发性有机化合物（Volatile Organic Compounds，简称“VOCs”）通常是指在101 325Pa标准大气压下，任何沸点低于或等于523.15K（250℃）的有机化合物。VOCs是一种复合性的组分气体，是我国大气环境中最主要的污染物之一。虽然VOCs在所有空气污染物中所占比例并不高，但由于VOCs的有机特性，会严重影响人类身体健康；同时，VOCs也是造成空气中PM2.5的重点前体物，是光化学烟雾等复合大气污染的组成部分。工业生产中，VOCs的来源涉及石油化工、涂料、电子、涂装、印刷、皮革等多种制造行业。而在这些制造行业中，VOCs的排放又体现出排放浓度高、废气排放量大、污染物种类多、持续时间长、环境影响大等特点，因此VOCs是空气污染治理的重中之重。

VOCs导致的大气污染已引起了我国政府的高度重视。2010年，国务院办公厅发布《关于推进大气污染联防联控工作改善区域空气质量指导意见的通知》（国办发〔2010〕33号），强调了VOCs污染防治的重要性。自此，我国正式开始了针对挥发性有机物大气污染的管控之路。

开展VOCs大气污染的监测（尤其是在线监测）是环境保护监管的手段之一，对于VOCs在线监测设备和技术的研究尤为重要。近些年，我国开始在上海、天津、深圳等城市开展VOCs在线监测的试点工作，而欧美发达国家早已将VOCs在线监测系统作为大气环境监管方式的一种而广泛应用。相比之下，我国在VOCs在线监测设备的技术研发以及应用范围上，与发达国家还有较大的差距。因此，提高VOCs在线监测设备的技术有重要意义。本文旨在解析VOCs在线监测系统（PID）的电路构成，设计并组装以光离子传感器和STM32F103芯片为核心的PID光离子法监测系统。

1.2 VOCs气体检测技术

VOCs监测是对固定排放源挥发性有机物实施有效管控的重要手段。固定源VOCs在线监测，依据监测的内容大致可分为两类，一类是对VOCs排放总量的监测；另一类是对VOCs组分的监测。常见的测量分析技术有以下三种：

（1）氢火焰离子化检测（FID）。检测原理是被测VOCs气体在氢气和空气混合燃烧的高温状态下发生化学电离，VOCs组分在高温条件下形成正负离子，正负离子流被收集输出，转化为微弱电信号，再经放大器放大，成为可测量有一定强度的电信号。

FID设备不对被测气体产生选择性，但其测量曲线线性较好。但此类设备有一定的局限性：体积大、重量沉，还需要另外配备一个氢气瓶。另外，由于FID检测原理的不同，其设备构成复杂、价格较高、维护繁琐，在工业领域的应用并不广泛。

（2）气相色谱检测。是一种色谱柱分离技术，通常使用惰性气体作为检测的流动相，固定相则是采用惰性固体作为载体，表面涂上薄薄的液体或聚合物，置入色谱柱内。当VOCs气体样品与固定相载体发生相互接触，被分离的物质随惰性气体流动，待测的VOCs气体组分被吸附剂吸附或被定影液溶解，反复吸附或溶解之后，不同的组分物质因保留时间的不同在色谱柱上呈现分离现象。此测定方法具有选择性好、灵敏度高、分析速度快等特点，能满足VOCs检测的基本要求。但该检测需要使用标准品试剂进行定性，检测方式较繁琐，且需要气相色谱仪，检测成本高昂，不适合大范围使用和推广。

（3）光离子化检测（PID）。检测原理是VOCs气体通过采样管路进入检测器内的离子化腔室，紫外灯将该气体离子化为正负离子形成电流信号，微弱的电流信号转化为电压信号并放大。若预先对已知浓度的标准气体和检测电压之间的近似线性关系进行多点浓度标定，拟合成函数曲线，则上述电压值可对应气体浓度，得到被测气体的浓度值。与FID相比，此法对氢气等辅助气体没有任何要求，且有灵敏度高（可检测亿分之一浓度）、响应速度快（响应时间在3s左右）、体积小、重量轻等优点，因此常被应用于现场在线监测和便携式仪器，也适合环境监测部门的应急监测、危险气体预警和室内环境监测等。但此法也有缺点：气体分子是被紫外灯电离，所以能被识别的气体电离能不会超过紫外灯提供的能量，因此该法对一些短链烷烃类组分响应极低[1]。

总体来说，上述检测方式，气相色谱检测和FID技术的VOCs监测技术由于设备体积大、造价高，后期维护麻烦（需要专业人员进行维护），很难形成大气污染防治的网格化监管布局，难以在市场上有效推广，对企业有很大的资金压力。而PID法VOCs检测设备，与其他检测方法相比，具有携带方便、体积小巧、量程广（1ppb到6000ppm）、精度高、响应速度快、能够连续测量、显示实时数据、安全性高等优点。这些优点使得PID法VOCs检测设备在大气环境质量的污染监管中将会发挥更大的作用。

1.3 研究的主要内容

从VOCs气体检测仪器的理论研究和实际应用出发，重点根据PID光离子检测原理阐述该类设备电气设计方案。主要内容：1）介绍VOCs在线监测的基本原理，解析VOCs污染源在线监测设备（PID）的系统组成、基本电子器件、单元模块，并了解其工作原理和要实现的功能，选择控制方案。2）基于对电气控制电路工作原理的理解，分析控制器（单片机）所要实现的功能作用，讲解控制系统框图和各单元控制方案。对系统的主要电气控制电路的核心电路单元和软件进行阐述，包括单片机最小系统电路、键盘接口电路、声光报警电路等。3）搭建、组装设备并进行调试，检验仪器是否能满足测试要求，总结所完成的主要工作。

2 在线式VOCs检测仪的基本理论

本文设计的VOCs在线气体检测仪硬件系统，以德国生产的气体传感器、采样泵、转子流量计及单片机为核心部件。该系统能实时不断监测空气中的各种有机气体浓度并显示，并能根据设定的阈值在浓度超标时及时报警。为挥发性有机物的排放源企业的治理和排放起到监测和预防作用，为生态环境部门对大气质量环境起到监督和管理的作用。

2.1 PID光离子检测法

气体分子在强电场下会电离，光电离检测器（PID）通电后紫外光射入测试腔，被测气体进入腔室时，电离能小于紫外线轰击能量的气体分子会被电离，产生带不同电荷的两个基团，带电基团受电极电场吸引，定向移动形成电流，微弱的电流信号经运放电路被数据处理器识别。已由标准气体浓度进行过标定的PID检测设备具备数据分析能力，从而通过检测电压就可以确定VOCs浓度。分裂的基团经过电极后又重新结合成气体分子，被抽出测试腔。而空气中的主要成分（氮气、氧气等无机成分）的电离能大于紫外光源所提供的能量，不能被电离，自然也不会对测量产生干扰。

2.2 PID法VOCs在线监测系统的组成

（1）采样和预处理单元：由取样探头、取样管路、过滤器和取样泵等组成。被取样的气体通过过滤器过滤掉粉尘及去除水分后，送到气体控制器单元。

（2）气体控制器单元：由气路切换用的电磁阀和气体流量计等部件组成。

（3）分析处理单元：由PID光离子化检测器和外围的小型数据处理器组成。

（4）数据处理及控制单元：包括数据采集处理、数据存储、数据显示及查询、报警电路等软件与硬件控制系统。

（5）其他组成：包括仪器所需的设备机柜、安装固定装置和平台等。

2.2.1 采样和预处理单元

待测气体从采样口由取样泵抽入，探头内含有杂质过滤器，可以过滤掉绝大部分的固体颗粒物杂质，过滤后的待测气体由伴热管线加热，再通过冷却器冷凝，除去气体中的水分，冷凝水通过小管被及时抽出。预处理好的气体就可送至分析单元进行分析。

2.2.2 气体控制器单元

无论是标定还是实时测量，都需要保证通过分析单元的气体流量一定。气体控制器可由转子流量计实现。

2.2.3 分析处理单元

分析处理单元的主要部件是VOCs检测传感器，此部分是整个气体监测的核心组成，包括紫外灯、高灵敏度低噪声检测电路和微型电离室。紫外灯用于将待测气体分子电离成带电基团，电极电路再将气体的离子态浓度大小转变为可输出的电信号强度。现采用4PID-100传感器：量程达到100ppm、精度5ppb、灵敏度＞15mV/ppm、可检测挥发性气体和电离能小于等于10.6eV的气体、工作电压为3.3V±0.3V、输出电压为2.0±0.5V。

以上特性表明，PID传感器的线性好、精度高、工作稳定，其性能满足工厂VOCs气体检测的基本要求，适宜大部分工厂环境，适合作为VOCs在线监测的应用推广。

2.2.4 数据处理及控制单元

数据处理及控制单元是在线监测设备执行测量全过程的控制核心，设备硬件部分都受其控制。控制单元的好坏直接影响到整个系统的运行以及性能优劣。工业上常用的控制方式为：微处理器（单片机）和可编程逻辑控制器（PLC控制器）。两者都是不错的控制选择方案，但本设计是要对VOCs气体浓度进行连续检测。对比之下，PLC更适用于单项工程和重复性少的项目。考虑到系统所要实现的功能、工作环境和成本因素，选用单片机作为主控制器较为合适。仪器工作框图如图1所示。

图1 工作框图

3 VOCs气体检测仪的控制模块设计

在对VOCs气体检测仪控制对象分析的基础上，利用单片机对控制系统进行设计，得到符合要求的控制系统。

3.1 单片机的选型

VOCs在线气体监测系统需要一块微控制器芯片对采集到的数据进行处理并通过液晶屏显示出来，还要外接报警电路和储存电路以实现其监测功能，这就要求芯片不仅要有强大的计算能力，还要有丰富的I/O端口。设计采用意法半导体STM32F103增强型微控制器作为主控制器。STM32F103芯片使用的是基于ARM 32位的Cortex-M3 CPU，工作频率最高可达到72MHz，内置512K字节的闪存和64K字节的SRAM，芯片有充裕的增强I/O端口，3个12位的ADC，而且支持引脚复用和重映射功能，具有低功耗、高性能、低成本和丰富的片上资源等众多优点，广泛应用于各种场合。

3.2 STM32最小系统

单片机最小系统，也被称为最小应用系统，对于STM32F103单片机来说，最小系统包括单片机、电源电路、复位电路和时钟电路。

3.2.1 电源电路

在这里我们也用最小的调整次数nk去保证在新一轮的仿真中解算器不会增加缓冲器的数量.在式(17)～式(20)中，下限已经固定，所以我们仅仅压缩这些调整值向其均值逼近即可降低缓冲器调整值的大小.

稳定的电源是单片机正常工作的基础，由于STM32F103单片机工作电压为2.0～3.6V，传感器的正常工作电压为3.3V±0.3V，选择3.3V作为芯片电路的供电电压。直流电源将市电220V转化为12V，再经过降压型直流电源变换器芯片XL2596输出5V电压，如图2所示。输出的电压要供给单片机使用还需要进一步降压，故通过使用AMS1117-3.3V芯片将变整流滤波输出的5V直流电压转化成至3.3V工作电压。

图2 12V降为5V电路图

AMS1117-3.3V芯片是一个电压调整器，固定输出3.3V的稳压精度为1%，片内提供过载过热保护，适用于电池电源设备或小型计算机系统。为了提高电路的稳定性，在AMS1117-3.3V芯片电压的输入输出端都增加了电容器，电源电路原理图如图3所示。

图3 5V降为3.3V电路图

图3是三端稳压电路，从左至右依次是输入、接地、输出。输入端的两个电容C2和C3的作用是将输入电压整流，由前述可知输入电压已经是+5V直流电了，C2和C3的作用就是防止断电后出现电压倒置，因此通常输入电容的容量应大于输出电容。输出端的两个电容C4和C5作用是将输出电压滤波，能够抑制自激振荡，避免输出振荡波形[2]。

3.2.2 复位电路

对于一个单片机系统而言，复位电路必不可少。复位电路可以让所有元器件恢复到初始状态，使系统重新开始工作。对于STM32，只要能够给RESET引脚加上低电平电压单片机即可实现复位，主流的系统复位的方式有上电复位和按键手动复位。本设计采用手动复位方式，需要时可以手动复位重启。此复位电路一般由复位按键、电阻、电容组成，将电阻和电容串联，大小选用典型值10kΩ和0.1μF。电路稳态时电容两端电压为3.3V，复位按键接在RESET引脚和地线之间，并联在电容上即可实现。

3.2.3 时钟电路

最小系统中另一个必不可少的是时钟电路，此电路关系到单片机是否能正常工作，在STM32F103中，有5个时钟源，分别为HSI、HSE、LSI、LSE、PLL。为了保证工作稳定，需要用外部晶振。只需要布置外部高速时钟（HSE）和外部低速时钟（LSE）两个外部晶振，一个是HES晶振，一般用来做PLL信号频率加倍功用，大小是8兆赫兹，另一个也就是单片机经常使用的低频率的晶振，32.768kHz晶振，用于为单片机提供时钟。图4为时钟电路，图4（a）为高速外部时钟图、图4（b）为低速外部时钟。

图4 时钟电路

3.3 气体采样电路

气体传感器只能将气体浓度转化为电压大小（模拟量），但是由于单片机并不能直接处理模拟信号，所以需要有模数转换模块，传感器输出的模拟电压量通过一个简单的电容滤波电路就能接入模数转换接口。

前面已经提到，STM32的单片机都自带模数转换通道，这些ADC可以直接使用。STM32F103单片机中有3个12位的ADC，12位能够响应最小的电压变化量，由上述传感器元件的灵敏度可知，当监测到的气体中的VOC浓度变化为1ppm时，相应的传感器变化量大于15mV。如此一来，单片机的模数转换通道完全能够满足精确度，并在浓度变化仅有1ppm时也能给出响应，在传感器线性良好的工作区内甚至可以达到0.5ppm的精度。

本设计中，气体传感器输出的是较大的电压信号，浓度达到量程100ppm时有最大2.5V的电压信号，芯片的ADC参考电压可调，通过 外接引脚设置，也就是说当VCC和VDDA同时接入3.3V稳压源后，参考电压最大为3.3V，最小为2.4V。这种情况下选择2.5V的电压作为基准电压。如图5所示，Pin1、Pin3分别是电源输入、接地脚，Pin2是电压信号输出口，由于前述已提到传感器能输出较大的电压信号，故传感器信号不需要再额外成倍放大，经过运放稳压，增强带载能力即可。

图5 气体采样电路

3.4 按键电路

按键作为输入设备是单片机系统的重要组成部分，也是最常用的人机交互方案之一。设备开/关机、复位（此处电路不包含复位键，复位键单独设立）、查看数据、设置报警值、气体标定等所有功能的转换，基本都需要借助人机交互界面实现。键盘可以根据需要设计成矩阵式键盘或独立键盘。考虑到STM32单片机I/O口充裕以及减少浪费，选用4个独立式功能按键来实现输入模块。四个按键分别是功能模式键（MODE）、向上键（UP）、向下键（DOWN）和确认键（ENTER）。

由于STM32端口直接作为输入口，没有内置上拉电阻，所以加入四个上拉电阻（一般选用10kΩ大小）S1到S4，系统上电后，若没有按键被按下，则四个I/O口通过上拉电阻连到高电平，输入处理器的即为高电平；相反若有按键被按下，对应的I/O口就会接地，输入被拉低为低电平，从而CPU就能判断是否有按键被按下以及确定按下的是哪一个按键。

3.5 串口通信模块

单片机处理得到的浓度等数据信息，不仅要在液晶屏上显示，还需显示在电脑屏幕上。这就需要与PC端进行通信。

串行通信接口作为单片机与其他设备传送信息的标准接口，是实现气体实时浓度在其他终端显示的重要通讯接口。STM32F103内置了3个通用同步/异步收发器（USART1、USART2和USART3），和2个通用异步收发器（UART4和UART5）。但由于笔记本电脑通常不带串口，要通过USB总线实现与电脑的通信，可通过各种USB转串口芯片，将电脑端的USB接口转为RS232串口，这样就可以与STM32上的USART1接口通过一根USB线进行通信。

现采用CH340芯片实现接口转换。CH340芯片由5V电压供电，V3引脚接0.01μF电源退耦电容。芯片内部有电源上电复位，由于具有USB的上拉电阻，所以CH340的5脚和6脚（D+和D-）可以直接接入USB端口。芯片需要时钟信号，加入一个外部振荡器在7和8引脚间，频率大小为12MHz即可。

3.6 报警模块

报警电路不像其他电路只要上电就一直工作或待机，这部分电路只有在检测到当前VOCs气体浓度超过设定值时才开始工作。浓度超标时单片机给通用口低电平，PNP三极管基极低电平，集射两级导通，使蜂鸣器开始工作；发光二极管端口低电平开始工作，可通过程序使端口高低电平交替，并采用一定的延时，实现二极管的交替闪烁。电路图如图6所示。

图6 声光报警电路

报警分为声报警和光报警，考虑到功能上可以实现一级预警（光报警）和二级预警（声光报警），也为防止互相干扰，蜂鸣器和二极管接入不同的端口，由软件控制。当然，如需功率更大的报警装置，可使用更高电压更大功率的蜂鸣器和发光二极管，通过继电器来实现弱电控制强电。当被检测气体浓度超标时，系统自动报警。

3.7 软件（VOCs在线监测排放浓度评估系统）

根据VOCs在线监测功能需求编制了相应的系统软件，其设计为：系统24h不间断工作，气体采集模块的传感器探头采集待测气体所含的VOCs浓度、并将浓度信号送入单片机进行处理，并将浓度值送LCD液晶显示。当浓度值超出预设阈值时自动切断报警；否则，启动电路正常工作。该系统不仅能显示浓度，而且能生成报表。主程序流程图和功能界面图如图7和图8所示。

图7 主程序流程

图8 用户界面

4 系统组装及调试

4.1 系统的组装

系统的硬件按照设计进行系统搭建和组装。市电通过三线接入进线端子，需经过浪涌保护器和空气开关组成的保护电路，送入直流电源、继电器和强电接线端子，采样气泵、抽水泵和继电器直接接入220V，采样气泵由于长时间高转速工作，为方便检修和故障排查，需单独设置一个空气开关。继电器控制信号由单片机控制模块接入，输出控制声光报警。直流电源将220V交流电转化为12V直流电，送入弱电接线端子，此12V直流电压再供给传感器稳压电路和单片机电源电路。

4.2 系统的调试

系统的硬件平台搭建好后，需进行系统调试。系统调试就是要看系统是否能实现预期功能，硬件调试分为电源电路调试和STM32F103最小系统电路调试两大部分，为了保证检测数据质量的准确性，调试还须包含仪器的标定。

4.2.1 电源电路调试

由于系统是220V接入，如果未检查线路就进行上电操作，轻则会损坏芯片或元器件，重则可能烧坏整个系统甚至造成人员受伤。为避免危险和不必要的损失，系统通电前需要对线路板进行接线检查，过程繁琐但十分必要。检查主要从以下方面入手：1）首先检查接入电缆，不同接线端子对应不同颜色线缆，用万用表测量各线路确保不会短路。2）其次检查弱电部分，此部分要注意接线，用万用表测量防止短路，否则可能烧坏元器件导致设备不能正常工作。

系统中有四种不同电源的电压：220V交流电和+12V、+5V、+3.3V直流电。在完全通电前，可以先通电测试这些电源芯片是否能稳压输出。稳定的电压是系统正常运行的基础。

4.2.2 单片机最小系统电路调试

STM32F103芯片是系统的主控制器，芯片组成的最小系统如果不能正常工作，将影响整个设计。最小系统包括电源电路、时钟电路和复位电路。电源电路检查后，只需用示波器测试时钟是否稳定。时钟稳定，单片机才能正常工作。

4.2.3 PID标定

PID标定是保证检测数据准确性的一项重要工作。包括零点标定和量程标定。

零点标定：可使用纯氮气或纯空气标定仪器的量程零点。

量程标定：使用异丁烯标准气体进行0～100%的全量程标定。异丁烯（C4H8）的分子量56，将ppm换算成mg/m3，换算公式为：

式中：A是要得到的浓度（mg/m3）值；M为相对分子质量；E为ppm数。

所以100ppm的异丁烯换算后为250mg/m3。

由于PID检测器的量程是0～100ppm，标定时选择空白气体以及浓度为10ppm、20ppm、50ppm、70ppm和100ppm的异丁烯标准气体分别通入仪器，记录该标准气体的浓度值的对应AD值，输入该浓度值就可完成对仪器的标定。且标定的次数越多，以后测得的数据会越准确。标定浓度与对应的AD值记录如下表所示。

标气浓度标定校准表

4.2.4 测试

分别通以50ppm的标准气体和超过量程浓度为415.2mg/m3（≥125mg/m3）的混合VOCs气体，结果为通入50ppm的标准气体，其测试结果显示为50.8ppm；通入超过量程的标准气体，其结果为监测设备开始声光报警。

4.2.5 测试误差及标准限值

50ppm的标准气体经测试结果为50.8ppm。根据《挥发性有机化合物光离子化检测仪校准规范》（JJF 1172—2007）要求，示值误差△e=（A-As）/R×100%，应小于±10%FS（FS为全量程）。计算本仪器的示值误差为：

故该设备示值误差的测试结果符合《挥发性有机化合物光离子化检测仪校准规范》（JJF 1172—2007）要求。

测试结果表明，设计采用以PID光离子传感器和STM32F103芯片为核心的监测系统基本可满足光离子化检测器（PID）的技术要求。

5 结语

（1）通过研究VOCs气体在线监测系统（PID）的构成及电气原理，包括电器元件应用和控制模块硬件、设计硬件电路和结构，以期完成对VOCs气体浓度的采集、数据精确显示和超标报警。

（2）利用PID检测原理和单片机控制，查阅相关资料和手册，阐述了采用4PID-100传感器和STM32F103作为控制器搭建气体监测系统的设计方案，该系统能够检测电离能小于10.6eV的气体浓度并显示。通过量程标定与气体测试，显示的气体浓度与实际标定的气体浓度相差较小，其示值误差的测试结果符合《挥发性有机化合物光离子化检测仪校准规范》（JJF 1172—2007）要求。

（3）对VOCs在线监测系统（PID）进行电路解析，希望能为PID电路设计者及研发生产人员一定的帮助，以提高我国VOCs在线监测设备的技术水平。