流程工業氣體濃度在線檢測系統的研究

孫 林 陸綺榮 黃媛媛 王 濤

(桂林理工大學機械與控制工程學院1，廣西 桂林 541004;桂林理工大學現代教育技術中心2，廣西 桂林 541004)

0 引言

在自動化測量儀器領域，虛擬儀器技術已成為測試測量行業的發展方向。由美國國家儀器公司提出的“軟件及儀器”思想經過20多年的發展，正逐步替代傳統儀器儀表通用的測量模式。隨著計算機的普及和電子信息技術的快速發展，構成虛擬儀器的軟硬件系統正朝著通用化、模塊化和高速化方向發展［1］。

本文設計開發的流程工業氣體在線檢測設備需要對工業過程中乙醇、CO、CO2、O2、HCl、HF 和 NH3等氣體的參數進行實時監測、存儲和分析。所測數據通過網絡傳輸到各子工作站，實現信息共享［2］。為實現這些功能，不僅需要性能可靠、端口資源豐富的硬件支撐，而且要求操作簡便、具有豐富的信號分析處理算法功能、數據的存儲和傳輸易于實現的軟件平臺。綜合考慮性價比、開發周期和系統功能擴展性等因素，采用虛擬儀器是比較好的選擇［3］。

1 系統硬件結構

1.1 系統功能

本系統采用氣體傳感器、數據采集卡、信號傳輸裝置和PC機來實現流程工業氣體濃度等參數的實時采集、處理、記錄、顯示、存儲、分析以及遠程通信等功能。目前，流程工業中的檢測參數為CO2、乙醇和O2等氣體和環境的溫度。

系統功能框圖如圖1所示。

圖1 系統功能框圖Fig.1 Functional block diagram of system

1.2 硬件結構

系統硬件包括乙醇氣體傳感器、CO2氣體傳感器、溫度傳感器、PCI-6259數據采集卡、SCB-68接線端子盒、交換機和各客戶端計算機等。

系統硬件結構如圖2所示。

圖2 系統硬件框圖Fig.2 Hardware of the system

乙醇氣體傳感器選用MQ-303A，這是一種二氧化錫半導體型酒精氣體傳感器，具有響應快速、功耗低和精度高等特點。該傳感器采用二氧化錫薄膜作為敏感材料，敏感材料的電阻在一定的工作溫度下隨被測環境中吸收氣體分子的變化而變化。通常還原性氣體使電阻減小，而氧化性氣體使電阻增大。

通過測量電阻變化的輸出信號，可得到與氣體特性相對應的氣體濃度值。濃度測量范圍為38.2～1910 mg/m3、使用溫度范圍為 －20～+50℃、加熱電壓范圍為(0.9±0.1)V、回路電壓小于6 V、總功耗小于140 mW。

測量電阻變化的公式為:

式中:RS、RS0為敏感體電阻，Ω;RL為負載電阻，Ω;VL為負載電壓，V;VC為測試回路電壓，V;C0、C1為氣體濃度，mg/m3;α為電阻比。

MQ-303A傳感器電路如圖3所示。

圖3 MQ-303A傳感器電路圖Fig.3 Circuit of MQ-303A sensor

溫度傳感器選用由美國國家半導體公司所生產的LM35A，其輸出電壓與攝氏溫度呈線性關系。供電電壓范圍為－0.2～ +35 V，輸出電壓范圍為 －1.0～+6 V，輸出電流為10 mA，指定溫度范圍為 －55～+150℃、精度為 ±0.4 K。

NI公司的數據采集卡PCI-6259是一款基于PCI總線32路模擬輸入通道、4路模擬輸出通道、48路TTL/CMOS電平的數字I/O端口的高速采集卡。它采用16 bit高速A/D轉換，采樣率達2.8 MS/s，數字時鐘可達10 MHz。測量模式分為差分測量模式(differential mode)、參考地單端測量模式(referenced single-ended mode)和無參考地單端測量模式(non-referenced single-ended mode)3 種方式［4］。模擬輸入通道增益可獨立編程，分為7個等級，輸入范圍分別為±100 mV、±200 mV、±500 mV、±1 V、±2 V、±5 V和±10 V。在±5 V時，量化精度達到160 μV。

模擬輸入信號的采集采用差分信號輸入，根據儀器實際接地系統的不同，選擇不同的差分輸入電路。接地系統采用隔離與非隔離輸出分開，從而保證了測量電信號的準確性和可靠性。PCI-6259采集卡板載緩存空間和計算機內存緩存區域的靈活配置，實現了采樣數據的快速、海量存儲和實時的圖形化顯示［5］。

2 系統軟件設計

該系統基于Windows XP等操作系統，性能優越、可靠。LabVIEW的運行機制是一種帶圖形控制流結構的數據流模式，能夠快捷、可靠地創建多線程應用程序系統［6］。依據模塊劃分，應用程序可分為用戶界面、數據采集和儀器控制3個進程。數據采集流程如圖4所示。

圖4 數據采集流程圖Fig.4 Flowchart of data acquisition

2.1 實時氣體濃度監測界面

實時氣體濃度顯示模塊用于用戶監測氣體濃度參數和控制設備。該面板既要能夠顯示一定量的信息，又要符合現場操作人員的使用習慣。設計界面由氣體濃度監測區實時更新測量的氣體濃度值、系統溫度值和設備的運行狀態3部分組成。實時數據采用表格的形式顯示，同時用曲線形式顯示所監測氣體濃度數據的歷史趨勢。顯示的采樣間隔、曲線刷新周期和濃度范圍都可預先設置。設備設置包括氣體選擇、停止設備和退出系統按鈕，實現對硬件設備的控制。功能設置包括遠程通信和數據存儲按鈕，可實現系統的信息管理和業務功能。

2.2 數據記錄與查看

本模塊將氣體濃度的詳細信息存入本機硬盤，可供用戶調用查看和數據的分析處理。LabVIEW提供了多種數據存儲方式，包括文本文件、電子表格文件、二進制文件、數據記錄文件和波形文件等。本系統采用了電子表格文件的存儲方式，用來將采集到的數據數組(包括濃度值與對應的時間)轉換為ASCII碼并存放在電子表格文件中。用戶采用Excel等電子表格軟件可以快速查看數據。該方法存儲數據數組方便，且所需的硬盤空間相對較小。

2.3 網絡傳輸

網絡傳輸模塊采用LabVIEW的DataSocket技術，實現了網絡計算機之間現場數據的交換。DataSocket克服了傳統TCP/IP傳輸協議需要較為復雜的底層編程、傳輸速率慢等缺點。對于現場數據的傳輸，DataSocket支持 NI-PSP、DSTP、OPC 和 LOOKOUT 等多種協議［7］。本系統采用 DSTP協議進行現場數據傳輸，多臺客戶機可以同時訪問服務器。在使用DataSocket之前，用戶必須在DataSocket Server Manager中建立預定義數據項和進行相應的各種配置，如設置服務器可連接的最大客戶機數、許可組(客戶端的計算機名或IP地址)以及數據項的訪問權限等。配置完成后，啟動DataSocket Server，即可進行遠程數據傳輸。

2.4 數據分析

歷史數據分析是獨立的程序模塊，其處理比較靈活。通過選定不同的參數，可以進行誤差分析，獲得不同特性的歷史數據曲線，從而提高系統的測量精度和靈敏度。本系統對測量中的系統誤差、隨機誤差和粗大誤差進行分析處理，實現了對前級系統的參數調整，完成了對自動控制系統的反饋調整。

3 測試實例

本系統在乙醇氣體在線檢測的應用過程中，實現了數據的海量存儲和現場信息的快速發布。目前市場上的在線氣體分析系統中央分析儀器大多采用工控盒，以單片機或嵌入式處理器為核心完成信號處理，LCD模塊為顯示界面，數據傳輸使用 RS-232接口等［8］。這些測試系統開發周期長、消耗人力資源多、功能模塊的擴展性欠佳。通過使用NI公司提供的PCI-6259高速數據采集系統和LabVIEW軟件平臺可以方便、可靠地完成在線氣體檢測。

以乙醇氣體測量為例，具體的工作過程為:將乙醇氣體傳感器模塊置于氣室內，傳感器模塊上電;然后在PC機打開“氣體濃度檢測系統V1.0(服務器)”軟件，進入系統界面參數設置，設置完成后選擇界面菜單“文件”/“啟動設備”，即開始測量。在功能設置中，可根據需求選擇遠程通信、數據存儲功能。服務器端獲取氣體濃度實時曲線結果如圖5所示。

圖5 氣體濃度實時曲線Fig.5 Real-time curve of gas concentration

系統通過DataSocket技術實現遠程數據傳輸，用戶在客戶端(子站)獲得氣體濃度、溫度等監測數據。

4 結束語

本系統軟件全部采用LabVIEW編寫，硬件采集部分采用NI公司的PCI-6259數據采集卡。數據采集卡驅動使用LabVIEW的NI-DAQmx驅動程序，通過PCI總線插槽與計算機連接，數據傳輸速率快、可靠性高［9］。LabVIEW提供強大、豐富的接口資源和數據處理功能，使軟件界面更人性化，系統功能易定制和升級。硬件部分采用基于半導體激光氣體檢測原理的傳感器和相應電路，可實現對CO、CO2氣體的高速、高靈敏度的在線檢測［10－12］。項目后續工作是實現流程工業中排污特殊氣體HCl、HF、NH3的檢測。

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