双通道非分散红外SO2在线检测系统设计

刘志锋，罗学科，李文，刘鹏

(北方工业大学 机械与材料工程学院，北京 100144)

工业生产钢铁冶炼、火力发电等都会伴随燃料燃烧排放含SO2的污染烟气，污染烟气溶于空气中的水中形成酸雨、酸雾导致空气质量恶化、大气能见度降低[1]，同时影响人体呼吸系统，损害身体健康，严重影响人类正常生活和生态平衡[2-4]。目前SO2气体检测常用方法主要分为物理法和化学法。化学法采用分光光度法，利用甲醛、四氯汞盐对SO2的吸收特性进行检测，虽然此检测方法精度较高，但测试条件要求严格，测定过程繁琐，操作不当会影响结果的准确性。物理法包括紫外荧光法、差分吸收光谱分析法和非分散红外吸收法等。其中，紫外荧光法不能保证光源在波长为220 nm处恒定，差分吸收光谱分析法建设成本高，而非分散红外吸收法结合冷凝干燥预处理系统有着稳定性好、分辨率高、响应时间迅速、维护成本低等优势，因而更适应市场需要。邱健等[5]基于复杂可编程逻辑器件实现了对紫外荧光信号的拾取，但是该方法对光密性要求高。温维丽等[6]设计了基于非分散红外的烟气分析仪，测定结果准确性得到很大提升，但在预处理去水除尘上有待改进。乔支卫等[7]对基于不同原理的低浓度SO2分析仪性能进行研究，测得基于非分散红外吸收光谱法的SO2检测系统零点漂移≤0.55%，响应时间为67 s，线性误差≤0.51%，重复性误差≤0.63%，发现该检测系统的响应时间过长，其他检测误差也相对偏高，已经达不到技术迅速更新的设备检测需求。

本设计针对上述文献中的不足做出改进，由经优化的预处理气路结构、内壁为铝合金材质的高密性检测气室和低功耗嵌入式系统等组成，拥有响应时间短、检测精度高等优势。流量设计为1.0 L/min，采用单光源双通道设计降低双路检测光源强度不一致、装配误差干扰等影响，从而实现长期较好的稳定性，相比光谱仪器测量既节约了成本又能够去湿除尘，满足检测精度和响应时间的要求。

1 检测理论

每种气体都有吸收红外辐射能量的特定波段[8]。红外光源在大气中穿过时吸收气体致使光强减弱，在光敏元件的感应下会被转化为相应电信号的变化，这个吸收变化服从朗伯比尔定律[9-10]，如式(1)所示。

I(λ)=I0(λ)e(-αλcl)，

(1)

式中，αλ为特定波长的吸收系数，c为检测气体体积分数，l为光程，I0、I分别为入射与出射光强度。故待测浓度可表示为式(2)，对于被测气体，αλ是确定的量，因此SO2气体体积分数可通过分别检测I0、I的信号值计算得出。

(2)

设计采用热电堆探测器，红外光源穿过并吸收气体致使波长能量减弱引起探测元热电偶电压的微弱变化，热电偶串联产生被检测到的热电电压[11]。通过处理电压信号值便可得到红外光源吸收SO2的情况，从而计算其浓度值，由朗伯比尔定律知，探测器检测通道端与参考通道端两路电压控制输出信号可分别表示为式(3)和式(4)。

Us=E1Ise(-αλcl)，

(3)

Ur=E2Ir，

(4)

式中，Us、Ur分别表示测量通道输出电压值、参考通道输出电压值，E1、E2分别表示双通道不同滤片通过红外光源的传输系数。设计波段在7.30、3.98 μm作为测量通道和参考通道。因为测量的待测气体体积分数比较低，吸光度αλcl远小于1,故式(3)可据泰勒展开式近似为：

Us=E1Is(1-αλcl)，

(5)

式(5)与式(4)相减有：

Us-Ur=E1Is(1-αλcl)-E2Ir，

(6)

由差分放大运算原理整理得到体积分数表达式(7)。

(7)

在固定环境下，式中只有(Us-Ur)为变量，其余均为已知参数，SO2体积分数表达式转变为线性函数表示。

2 系统设计方案

基于非分散红外吸收原理的检测系统解决了现有检测设备体积大、系统功耗大、建设成本高的问题[12]。在此基础上，从提高系统的稳定性和可行性、缩短响应时间出发，提出系统总体设计方案。参照国家计量检测规程对系统的设计方案展开研究，气体通过伴热管线经预处理流程控制操作，以1.0 L/min的流量通入检测气室进行非分散红外吸收检测，检测信号经电路处理后实现SO2体积分数测定。因此，需要从硬件电路、气室结构、检测流程控制等方面进行设计。

2.1 硬件电路设计

在采集SO2信号时，因为单独测量空载探测器信号在3 V附近并且干扰波动较大，不易于信号的处理，因此设计差分积分放大电路，将检测信号控制在毫伏范围并对其进行放大滤波处理。电路设计既能把差分信号放大到采样电路能够采样的量级，又能在干扰中寻找到轨迹信号并提取出来[13]。考虑到电路设计中的运算放大器需要具有高收益和失调电压与漂移，因此采用性能良好的AD620作为运放芯片。

硬件电路整体设计包括信号采集模块、信号调理模块、电源模块、中央处理器模块、温度补偿模块、数据收发模块，原理图如图1所示。

设计采用555定时器模块为红外光源调制5 V电压及10 Hz辐频信号，PB2405稳压模块为双通道探测器提供稳定工作电压以精确接收采集信号，放大整流后由高精密芯片ADuCM360模块进行数据处理，再经接收/发送(RXD/TXD)端口传输到收发器 ADM2587，由收发器完成与上位机的通信。

2.2 气室结构设计

气室是对净化的烟气进行红外吸收与信号检测的采集单元。经预处理净化的烟气通过伴热管道以1 L/min的流量由输入端口输入，探测器检测通道接收相应波段红外衰减光强信号，与参考通道未经红外吸收的光强信号进行差分，得到SO2气体红外吸收部分对应的电压信号，至输出端口输出完成一次信号采集。如图2所示为气室结构，检测气室设计内嵌铝合金材质防止气体腐蚀以及降低材料对光传播的影响，并根据红外光源与探测器尺寸优化检测气室内径。为保证稳定的吸收介质长度，设计气室检测长度为10 cm。

1,10—屏蔽盖；2—红外光源；3,11—生料带；4,7—密封圈；5—输入端；6—输出端；8—检测通道；9—探测器；12—参考通道；13—检测气室。

2.3 检测流程控制设计

如图3所示，待测气体分别由电磁阀与采样泵控制，通过滤室与Nafion管吸附杂质、去水除湿，干燥净化后送入气室进行气体信号采集。检测流程主要分为以下几个步骤，具体流程如图4所示。

图3 气路流程控制

图4 检测流程图

(1)清理流程，此步骤是为了排出气路中滞留物质，防止上次残留气体与粉尘对本次检测造成不必要的干扰，降低检测误差；

(2)系统预热，控制开启红外光源，使气室在一定时间建立热平衡；

(3)零气数据采集，此步骤是为了确定吸光度的零参考点；

(4)探测器数据采集，此过程使探测器前端的热电堆产生变化进行数据采集；

(5)气体检测，此步骤是通入空气进入气室参与检测，为系统浓度分析做准备；

(6)排空流程，此过程是在数据采集完成后实现废气排出，对气室及管路进行清洁。

3 实验分析

通过国家标准物质网查询选用标准值为99.9%、不确定度为0.1%的高纯SO2和标准值为99.999%、不确定度为0.02%的高纯氮气作为气体检测标准气体。高纯氮气作为检测零气，使用四川中测贝格科技有限公司的气体稀释装置配制成不同体积分数标准气体，以标准HJ/T 76—2017[14]为测试依据，主要对系统的零点漂移、响应时间、线性误差和重复性误差进行研究。

3.1 零点漂移

控制电磁阀以1.0 L/min的流量通入零气，等待数值稳定后，校准仪器至零点，记录零点电压值记为Z01，24 h后记录稳定示值Z11，之后重复上述步骤3次记录相应时间稳定示值Z0i，Z1i(i=1,2,3)，记录电压值如表1所示。

表1 零点电压测量

最大偏差值ΔZmax与漂移值Zd计算方法如式(8)和式(9)所示，其中R为满量程值。根据计算得到零点漂移结果为0.4%。

ΔZmax=Z1i-Z0i，

(8)

(9)

3.2 响应时间

响应时间分为两个部分，分别是通入标准气体到数值开始变化的预处理气路传输时间和等待示值上升到标准气体90%标称浓度值的检测时间。考虑到管道残余物质清理、气体流经伴热管线、HTS E21双通道气体分析热电堆探测器响应时间以及信号处理等所需要的时间，在系统运行稳定后以1.0 L/min的流量通入零气进行零点标定，待读数稳定后通入标准SO2气体，同时开始计时，重复测定6次并记录所用时间，测定记录如表2所示。

表2 系统检测时间测定

依据6次测量结果，取检测均值，得到系统气体检测响应时间约为3.86 s。

3.3 线性误差

线性度是检验不同浓度SO2气体与标准气体检测的线性准确性，线性误差越小，系统检测值越稳定，对不同量程的气体检测越准确。分别通入20%、40%、60%、80%满量程的SO2气体，等待示值稳定，每隔2 min记录一组数据，连续采集3次，计算各自均值与标准气体检测值的偏差。

如图5所示，在浓度检测范围内线性误差控制在-0.3%～0.3%，误差检测变化小，在线性误差检测限值范围内，可以精确稳定地测量烟气中气体体积分数。

图5 线性度误差

3.4 重复性

在同一工况下，对满量程60%的SO2标准气体连续测量12次，计算测量数据的相对标准偏差δ，测量值如表3所示。

表3 满量程60%标准SO2气体电压值

(10)

由式(10)可知重复性误差δ为0.52%。计算1～7次测量数据重复性误差为0.62%，数据重复性误差较大，这是由于系统温度需要时间来稳定，因此数据呈现先微小波动后稳定的趋势。

4 结论

本文设计了基于非分散红外吸收原理的SO2气体体积分数在线检测系统，通过实验验证，系统的零点漂移为0.4%，响应时间为3.86 s，线性误差为0.3%，重复性误差为0.52%。检测流程控制优化设计有效提高了检测效率，设计高密性检测气室降低了材质对检测结果的影响，双通道探测器实现了对被测气体吸收的信号补偿，系统响应迅速，长期稳定性强。