自增益環流熏蒸系統氣體濃度檢測終端

(鄭州輕工業學院電氣信息工程學院1,河南 鄭州 450002；河南職業技術學院機電系2,河南 鄭州 450046)

0 引言

糧倉殺蟲常用磷化鋁熏蒸，熏蒸中需檢測PH3氣體濃度。目前,PH3氣體濃度檢測方式主要是倉外抽氣泵定時抽氣體檢測。受采集時間及位置所限，該方式不能準確反映糧倉內不同點位的實時PH3濃度值。而大多糧倉采用經驗公式控制投藥量，控制不夠精準。此外，國內相關產品傳感器長期暴露在被測氣體環境中，壽命較短，更換成本很高，少有可按需設定指標、自動檢測濃度和自動控制濃度的設備[1-2]。

本項目的檢測儀在投藥裝置開啟后，可根據需求檢測熏蒸后任意時間點和位置的PH3和O2濃度，并根據自建藥量庫科學控制投藥量；同時，采用自動隔離裝置按需開啟采集終端，可延長傳感器壽命。該測試儀配合現有投藥裝置可節省用藥量，延長傳感器壽命，提高安全系數，大大降低生產成本及人工維護費用。

1 系統硬件設計

測試儀系統結構如圖1所示。該檢測儀主要由氣體隔離模塊、自增益濃度檢測終端、微控制器、上位機通信模塊、特殊外殼和傳感器等組成。

圖1 測試儀系統結構圖

隔離模塊采用微型充氣泵(可根據現場條件取舍)、微型電磁閥配合微控制器，合理控制吸氣及關閉狀態，并結合密封技術有效隔離傳感器與被測氣體環境，快速檢測的同時延長了傳感器壽命。濃度檢測終端采用微電流采集技術采集傳感器輸出的有效電流信號，并送入微控制器進行數據處理。同時，根據采集到的氣體濃度值，建立科學的投藥量濃度數據庫，為上位機提供科學的投藥數據及人工維護參考數據，實現全自動科學投藥。針對測試及安裝使用環境特殊性，測試儀外殼開模定制，滿足耐腐蝕性、密封性、實用性等多種需求。

1.1 氣體隔離模塊

傳統的環流熏蒸系統通常采用實時在線采集，這使得傳感器長期處于PH3氣體環境中，通常一年就需更換2次，成本較高。為延長傳感器壽命，設計了氣體隔離模塊，如圖2所示。

圖2 氣體隔離模塊

采用微型氣泵抽吸PH3，響應時間較短。當現場安裝不方便時可不用氣泵，延長采集時間即可。24 V微型電磁閥與微控制器之間采用光耦開關隔離，以提高抗干擾性。當需要采集氣體數據時，由微控制器發出指令控制吸氣及關閉狀態，并結合密封技術，有效隔離傳感器與被測氣體環境。

1.2 氣體傳感器

為了提高采集精度并應對投藥過量造成濃度過大影響傳感器有效壽命，PH3氣體傳感器采用瑞典MEMBRAPOR公司的PH3/C-2000。經試驗測試，若實際使用環境濃度始終較低，可選擇加恒電位電路進一步增大其輸出電流。本測試儀實際使用時主要工作在100～600×10-6環境下，工作電極電流達到微安級，因此未接恒電位電路到對電極和參比電極處。O2傳感器采用德國ITG公司的I-06，輸出為毫伏級電壓信號，測量范圍為0～100%，分級三級精度，最小±0.1%。

1.3 自增益濃度檢測模塊

實際環境中的PH3氣體濃度變化范圍較大：冬季未加藥時低至0～5×10-6，春季加藥后可升至100～1 500×10-6。因此，考慮傳感器輸出值的范圍約為0～180 μA，分辨力為100 nA，采用如圖3所示的I/V轉換電路，實現電流信號到電壓信號的轉換。

圖3 I/V轉換電路

采樣電阻采用高精度的金屬膜電阻。由于輸入電流值變化范圍較大，該電阻阻值不宜過大，此處選用10 kΩ。運放采用OPA128，其典型Ib=75 fA、Uos=500 μV。C1為反饋電容，用于抵消輸入電容的影響，提高響應時間；同時，與反饋電阻R3一起提供一定的時間常數。

測試發現，接放大單元后輸出值不穩定，故在輸出端加一級跟隨器。同時，使用TLC2264的一組運放，其典型Ib=1 pA、Uos=300 μV。經I/V轉換電路后得到的電壓信號范圍約為0～1.8 V，分辨力為1 mV。為此，設計了自動增益放大單元，如圖4所示。

圖4 自動增益放大電路

采用CD4052作為模擬開關，地址端接至微控制器I/O口，以控制自動增益放大電路的反饋電阻通道，實現增益值根據采樣的電壓數值自動切換。R6、R9、R10、R14為金屬膜反饋電阻，R5為保護電阻，防止輸入過壓而導致運放損壞。自動增益放大電路還結合了TLC2264的一組運放。

根據輸入電壓值，增益值暫定4個檔位:①0～240 mV，增益×10；②241～700 mV，增益×3.3；③701～1 100 mV，增益×2.2；④1.1～1.8 V，增益×1。

實測結果表明，自動增益放大電路的檔位自動切換效果完全符合需求。由于測試環境濃度約為0～1 000×10-6，檔位①～③亦可滿足精度要求，檔位④未啟用。為了進一步減小輸出信號波動，利用TLC2264的兩組運放構成跟隨器和反向器，保證最終進入控制器A/D口的信號符合要求。對于環境濃度范圍寬、精度要求高的場所，可考慮在此基礎上改變或增加增益分配通道、配置高精度A/D轉換模塊等進行改進。

為保證有效微弱信號的準確采集，接口部位采用優質BNC 插座，絕緣部分是特富龍。BNC 插座的外皮強制在地電位，盡量減小輸入端漏電[3-4]。O2傳感器輸出電壓變化范圍不大，直接放大50倍后送入A/D口即可。

1.4 主控制器及通信模塊

主控制器部分采用Atmaga16單片機，它具有集成度高、外圍設備豐富、功耗低等特點。主控制器及通信模塊電路圖如圖5所示。

圖5 主控制器及通信模塊電路

傳感器信號經轉換放大后送至Atmaga16的A/D口PA0和PA2，其中PA0主要用于預留測試用，PA2口的輸入數據為實際使用端口。PB3和PB4控制增益單元的放大比例，即根據PA2口采集到的數據自動切換4個檔位中的最優值。PB2控制工作指示燈，對系統故障、通信狀態提供相應指示。為保證采集精度，根據A/D口采集到的電壓值，先采用平均值及最小二乘法算法優化數據，然后對比存儲區的標準濃度模庫表，即可得到實際的濃度值[5]。

通信模塊采用MAX485，其電路接口簡單，與控制器連接時占用2個管腳(PD0和PD1)。每個測試儀預留485接口，方便每個房間及整個倉庫構成485總線網絡與上位機通信。當接收到上位機發送的采集命令時即開始采集；采集完成后將測試儀位置及濃度信息通過485總線上傳至上位機；上傳成功后待機，并回到接收允許狀態，等待下一次采集命令[6]。

2 軟件部分

系統軟件部分主要采用中斷模式工作，看門狗開啟模式。系統軟件流程簡要說明如下。

系統上電進入測試時先自動進入待機狀態，串口接收處于激活狀態，等待上位機采集命令的發送。當成功接收到遠程上位機發送的采集命令時，即進入采集子模塊。然后分析采集到的數據是否超限，若超限，進入增益通道修改模塊，并自動切換合適的增益。最后把采集到的數值與濃度藥量自建藥量數據庫作對比校準，并把相關信息上傳給上位機[7-8]。自此完成一次成功接收命令、自動采集、分析處理、上傳有效數據的完整過程。

軟件流程圖如圖6所示。

圖6 系統軟件流程圖

3 安裝點及特殊外殼設計

考慮對熏蒸時糧庫多點、多層不同位置進行有效的氣體濃度檢測，可以給糧倉熏蒸管理系統提供更加科學有效的檢測數據。針對此項需求，對測試點分布及測試終端外形進行了分析設計。安裝時將5個氣體取樣探頭分別置于糧倉的4個角和中間部位，深度為距糧面1 m、2 m、4 m、5 m、3 m。此外，考慮PH3氣體對金屬類物質具有腐蝕性的特點，設計了如圖7所示的外殼結構。

圖7 外殼結構示意圖

除考慮實現按需采集外，增加了對儀器氣密性、隔離裝置分布、進氣口、插埋尖頭等細節的處理。這不僅可以防止PH3氣體對電路板的腐蝕，而且滿足傳感器快速充分響應、按需采集、延長壽命的要求。設備安裝后，需經現場校準后再使用。

4 實測結果

實際測量時采用膜下環流熏蒸，在糧面鋪設環流回風管道，使PH3在糧堆內均勻分布，減少整倉環流中易出現的“死角現象”。有效氣體達到基本平衡后，熏蒸28 d后,最低平均濃度與最高平均濃度比為0.82以上，糧堆內各點PH3濃度曲線平滑，呈平穩下降趨勢。現場24#倉庫安裝投藥后一月內實測PH3濃度數據如圖8所示。

圖8 24#倉庫實測濃度

將實測數據與DST- 01D氣體檢測儀檢測結果相比較，相關性可達0.98以上。這說明該檢測終端測試數值準確可靠，滿足系統要求。測試期間系統工作穩定，用戶反映良好。

5 結束語

本文所述檢測終端實時測試數值準確可靠，配合現有投藥裝置，可科學地控制投藥量，有效地延長傳感器壽命，提高安全系數，大大降低了生產成本及人工成本。

終端投入使用時可在原有熏蒸及糧情監控系統上直接安裝，無需對現有監控系統進行大規模改造。該終端組網簡便，改造成本低，升級擴展靈活，可大大降低現有熏蒸系統維系成本，非常適合應用于糧庫的糧情檢測系統。

[1] 王小堅.磷化鋁熏蒸技術改進的探討[J].黑龍江糧食,2005(1):31-32.

[2] 羅永昶，張新生，沈克鋒.自制磷化鋁熏蒸施藥箱實驗與應用[J].糧油倉儲科技通訊，2005(3):38-39.

[3] 王衛勛.微電流檢測方法[D].西安:西安理工大學,2007.

[4] 余小平，庹先國，奚大順，等.寬量程fA級電離室電流測量[J].核電子學與探測技,2011,31(10):1181-1185.

[5] 蘭吉昌.AVR單片機系統開發經典實例[M].北京:化學工業出版社，2011：125-135.

[6] 周興華.手把手教你學AVR單片機C程序設計[M].北京:北京航空航天大學出版社,2009：221-262.

[7] 甄彤,鮑圣潔,吳建軍.儲糧熏蒸專家系統的知識表示與知識庫的建立[J].河南工業大學學報：自然科學版,2009，30(6):79-83.

[8] 吳建軍,陳衛東, 甄彤.基于.NET組件的糧情測控開放式軟件平臺的設計與實現[J].河南工業大學學報:自然科學版,2007(5):61-64.