工业园区大气污染物高精度在线监测系统设计

2021-06-03刘江霞元红妍范宝德

仪表技术与传感器 2021年5期

刘江霞，元红妍，范宝德

(1.烟台大学工程实训中心，山东烟台 264005；2.烟台大学计算机与控制工程学院，山东烟台 264005)

0 引言

随着我国生态环境保护和污染防治的不断加强，环境质量得到明显改善，形成了具有中国特色的大气污染防治理论与管理模式，构建了系统科学的大气污染综合防控体系[1]。为了完善国家大气污染物排放标准，生态环境部陆续发布了《恶臭污染物排放标准(征求意见稿)》和《挥发性有机物无组织排放控制标准》，规定了企业厂区内及周边污染监控的具体要求。

企业内部及周边主要的大气污染物有恶臭污染物、挥发性有机物(VOCs)等，其中NH3和H2S是恶臭物质的主要无机成分[2-3]，VOCs包括非甲烷烃类、含氧有机物、含氯有机物、含氮有机物、含硫有机物等，是形成臭氧(O3)和细颗粒物(PM2.5)污染的重要前体物[4-6]。因此，为了监测企业周边的空气质量，防止有毒气体泄漏带来的生产安全问题[7]，本文设计了一套高精度的、同时检测多种大气污染物的在线监测系统，重点监控工业园区的H2S、NH3、VOCs浓度，可实现空气质量密集网格化布点监测[8]，预防和减轻工业区恶臭污染引起的矛盾[9]，为空气质量治理和相关的决策提供数据支持[10]。

1 监测系统的结构

本系统可实时监测工业园区大气环境中的H2S、NH3和VOCs的浓度，并提供RS485通信接口实现采集数据的远程传送。由于通常情况下工业园区环境中的有毒有害气体的浓度比较低，因此传感器、前置放大电路、A/D转换电路的选型都考虑了高精度检测的具体要求，其中H2S和NH3传感器选用了高灵敏度的电化学传感器H2S-B4和3E100SE，VOCs传感器选用了高精度的光离子传感器PID-TECH，传感器的性能参数如表1所示。

表1 传感器性能参数

监测系统结构如图1所示，以STM32F103VET6最小系统电路为核心，主要由电源电路、A/D转换电路、RS485接口电路、RS232接口电路、液晶显示电路、RTC电路、继电器输出及报警电路、传感器及前置放大电路等组成。

监控系统扩展了24位高精度A/D转换电路，使用高精密运放设计了3种传感器的前置放大电路，实现高精度的气体浓度检测；设计了隔离的RS232接口电路，通过RS232接口与PC机通信，实现了基于PC机的系统校准功能；设计了隔离的RS485接口电路，并在软件设计中实现了国标数据传输协议，可以通过RS485接口实现监测数据的远传或者连接数采仪将采集数据上传到监控平台；设计了液晶显示电路，便于监测数据的本地浏览；设计了继电器输出及报警电路来控制外置的声光报警器，实现浓度超标后的本地报警功能。

2 系统的电路设计

2.1 A/D转换电路

为了实现ppb级高精度的气体浓度检测，设计了基于AD7190芯片的24位A/D转换电路，可实现4路单极性模拟量信号的A/D转换，电路原理图如图2所示。

AD7190是低噪声、全模拟前端、用于高精度测量的A/D转换芯片，4路模拟量输入通道设计有低通滤波电路，滤除输入信号中的高频干扰，采用SPI接口与STM32芯片通信。REF5030是低温漂(最大3 ppm/℃)、高精度(线性度0.05%)、低噪声(3 μV/V)的参考电压芯片，具有良好的负载调节能力，为A/D转换电路提供高精度的参考电压。

2.2 传感器及放大电路

为了实现高精度和高灵敏度的气体浓度检测，放大电路使用了高精密的、rail-to-rail输出的OPA2335集成运放芯片，具有最高5 μV的输入偏置电压和最大200 pA的输入偏置电流，具有极低的温漂和时漂。VOCs传感器选用了量程为20 ppm的PID-TECH传感器，由于在其量程范围内的输出电压为0～2.5 V，因此其前置放大电路设计为电压跟随器，放大器的输出信号进入A/D转换器的通道4实现数据采集。VOCs传感器的放大电路如图3所示。

H2S和NH3传感器的放大电路原理图如图4所示。H2S检测选用了高分辨率四电极电化学传感器H2S-B4，与三电极电化学传感器相比，四电极传感器有一个辅助电极(图4中SN1的4号脚)，用来补偿零点电流，使输出信号具有更好的响应时间和抗干扰特性。在电路设计中，分别为H2S-B4传感器的工作电极(图4中SN1的2号脚)和辅助电极设计了放大电路，分别对工作电极和辅助电极的微弱电流信号进行放大，使用A/D转换器的通道1和通道2采集2路放大电路的输出数据。使用过程中，需要使用辅助电极放大电路的输出电压对工作电极放大电路的输出电压进行校正，使用校正后的工作电极电压计算H2S浓度。校正后的输出灵敏度为

(1)

式中：S为系统输出灵敏度，mV/ppm；VWE为校正后的工作电极放大电路输出电压，mV；VWE1为通入标气时工作电极放大电路的输出电压，mV；VWE0为通入零气时工作电极放大电路的输出电压，mV；VAE1为通入标气时辅助电极放大电路的输出电压，mV；VAE0为通入零气时辅助电极放大电路的输出电压，mV；n为温度补偿系数；C0为通入标气的浓度，ppm。

NH3检测选用了三电极电化学传感器3E100SE，采用与H2S-B4传感器一致的四引脚的7-Series封装形式。3E100SE传感器的放大电路与H2S-B4传感器的放大电路结构一致，由于3E100SE传感器没有辅助电极，因此其放大电路原理图不包含图4中的虚线范围内的电路部分。3E100SE传感器工作电极的输出电流经过放大电路后，通过A/D转换器的通道3实现数据采集。

2.3 隔离的RS485电路

监测系统设计有隔离的RS485通信接口，采集的数据除了通过本地液晶屏显示外，还可以通过RS485接口实现数据远传。可以将采集数据传送到企业监控主机，也可以连接环保数据采集传输仪将采集数据上传至环保部门的监控平台。隔离的RS485电路如图5所示，使用了光耦进行数据隔离，并在端口设置了TVS二极管，实现了RS485通信接口的隔离和静电防护能力。数据隔离采用了高速光耦TLP109，性能满足系统9 600 bps的速度要求。使用传送方向自动识别的RS485收发器芯片MAX13487实现RS485的信号传送。

3 监测系统的软件设计

监测系统的软件工作流程如图6所示。首先对STM32芯片进行初始化，主要完成系统时钟、GPIO端口、串口、SPI接口等的初始化功能。通过SPI接口初始化A/D转换芯片，控制A/D芯片的4个通道进行模拟量数据采集，并将检测数据进行计算后送到液晶屏显示。系统设置了校准和正常运行2种工作模式，工作模式通过按键切换。在正常运行模式下，获取的气体浓度数据以国标协议格式通过RS485接口发送出去，如果气体浓度超标，则需要通过GPIO引脚控制继电器输出，控制外置的声光报警装置。在校准模式下，监测系统通过RS232接口与PC机连接，执行传感器校准子程序，实现对3种传感器的标定功能。

传感器的校准子程序流程如图7所示。进入校准子程序后，由PC机通过串口发送校准命令，STM32首先判断校准命令是否正确或是否等待超时，如果指令无效则退出校准子程序。如果指令有效，则需要根据指令内容判断执行哪个传感器的校准过程。进入具体的校准程序后，STM32向PC机发送所校准传感器的采集数据，根据通入标气的浓度由人工将校准数据输入到PC机中，PC机通过串口将校准数据发送给STM32。STM32接收到校准数据后进行保存，完成传感器的校准。

4 系统测试

监测系统的实物如图8所示，3个传感器位于放大电路板的背面，放大电路板与气室之间通过皮垫密封和绝缘，待测气体通过气泵从气体入口进入气室，并由出口通过管道排出。

监测系统对3类污染气体的检测范围为：H2S为0～10 ppm、NH3为0～100 ppm、VOCs为0～20 ppm。使用标气对系统进行校准后，对系统进行了实验测试。使用气体动态校准仪将纯洁空气和标气进行混合，通过参数设置控制气体动态校准仪的流量阀，得到被测气体的各种配气浓度，将混合气体通过气泵送入气室，并对系统进行了测试，测试结果如表2所示。

由实验测试结果可以发现，本系统对H2S、NH3、VOCs浓度检测的相对误差绝对值的最大值分别为1.57%、1.52%、1.37%，检测精度满足工业园区大气污染检测的要求，达到了系统设计的预期目标。