基于NDIR原理的多組分氣體在線監測系統的設計與實現

葉 剛 趙 靜 陳建偉

1(埃森哲(中國)有限公司先進技術中心 上海 200072)2(中國科學院上海硅酸鹽研究所 上海 201800)

0 引 言

城市管網重大危險源主要指下水道及化糞池等設施中的可燃及有毒有害氣體。由于城市管網環境潮濕、相對封閉，廢水、排污物分解大量易燃易爆、有毒有害氣體如CH4、H2S、CO、SO2等積聚在管網的空間里，如果不能及時抽排處置，一旦濃度超標，就有可能造成爆炸或人員中毒的事故。由于此類危險源處于人口密集城市地區，一旦出現事故極易造成群死群傷，其社會影響極為惡劣，同時還會造成巨大的經濟損失。例如：1985年6月27日，重慶市渝中區大溪溝羅家院地區下水道突然發生大爆炸。強烈的爆炸力炸毀下水道及化糞池271米，81戶居民住房和幾家商店傾刻間化為烏有，26人死亡、91人受傷，局部地區斷電、斷氣，損失嚴重。2002年9月10日，重慶市南岸區農貿市場化糞池爆炸，造成3人死亡、21人受傷。2012年2月9日，廣西南寧市華東路下水道爆炸，3個井蓋炸飛，造成2人受傷。2013年11月22日，中石化青島輸油管線泄漏的原油進入下水道引發爆炸案，造成62人死亡，136人受傷，直接經濟損失7.5億元。2014年7月31日午夜，臺灣高雄煤氣地下管網泄露到下水道發生爆炸，該市前鎮區逾6公里長的數條街道因爆炸而塌陷碎裂，事故造成26人遇難，280人受傷。近幾年城市管網氣體爆炸事故導致的安全問題，對市民生命財產構成嚴重威脅，已引起社會公眾的強烈關注和擔憂。因此，對城市各種地下管網氣體監測的研究已經引起了有關各方的廣泛關注。廣州、北京、重慶等城市管理部門較早意識到了城市管網氣體中潛在的危害，在國內率先開展了對城市管網內易燃易爆有毒有害氣體的監測。為此，國家制定了《GB/T 28888-2012下水道及化糞池氣體監測技術要求》[1]的試行國家標準來規范監測系統的建設。但是，從各地系統建設的工程實踐結果來看，傳統的電化學法傳感器在此類應用環境中存在敏感單元快速失效、設備有效使用周期急劇縮短的問題，為用戶單位帶來了大量的維護和使用成本，使得各地管理部門普遍處于系統有錢建設卻用不起的尷尬境地。所以，急需一種可以在此類使用環境中低成本、長期穩定運行、維護量低的新型傳感器和與之配套的在線監測系統。

1 傳感原理

熱釋電材料是一類具有自發極化，且極化強度隨溫度能發生變化的材料。經過頻率調制的熱輻射到達熱釋電材料表面時，材料溫度的變化會引起極化強度發生變化。宏觀上，此時在熱釋電材料兩電極之間連接導線，可以從回路中測得熱釋電信號。二元三方的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛((1-x)PbMg1/3Nb2/3O3-xPbTiO3，PMN-xPT)弛豫鐵電單晶具有遠遠超過傳統鐵電熱釋電材料(鉭酸鋰單晶、鈦酸鋇陶瓷等)的熱釋電系數[2]，因而可以顯著提高熱釋電紅外探測器的靈敏度，為有毒有害氣體監測報警系統的搭建提供了良好的基礎。此外，相比于電化學探測方法，基于熱釋電效應的氣體探測技術的優勢在于避免了傳感材料長時間工作后的“中毒”現象，從而大大降低了系統的維護成本。

基于非分散紅外(Non-dispersive infrared，NDIR)光譜吸收原理的多組分爆炸及有毒有害性氣體監測報警系統，以Beer-Lambert定律[3]為理論支撐：

I=I0e-kcl

(1)

式中：I為熱輻射經過目標氣體后被PMN-xPT熱釋電探測器接收的輻射強度；I0為熱輻射源經過目標氣體之前的總輻射強度；k為氣體分子吸收系數；c為目標氣體濃度；l為熱輻射從輻射源通過目標氣體到達探測器的有效光程。

存在偶極矩變化的氣體分子往往對特定波長的紅外光產生不同程度的吸收，因此針對目標氣體采用與其紅外吸收特征峰對應的濾光片，再通過測量紅外光通過目標氣體到達熱釋電探測器產生的熱釋電輸出信號來獲得其濃度信息，從而實現對有毒有害氣體的有效監測。

2 總體結構

系統主要由前端監測子站、通信網絡、云中心后臺系統以及用戶監控前臺系統等構成。系統整體結構如圖1所示。采用4G移動通信網絡完成前端監測子站和云中心后臺系統之間的數據傳輸，用戶監控前臺系統通過Internet實現對各個前端監測子站數據的遠程監控和控制。云中心后臺系統根據設定報警規則自動進行數據分析，當發生各種報警和預警狀態后通過自動推送各種報警和預警信息到監控前臺系統的監控終端設備，通知監控人員及時進行處理。

圖1 系統總體結構

3 監控子站

監控子站由多組分氣體濃度分析儀、物聯網網關、超聲波液位計、氣體采樣探頭、真空泵、氣水分離和干燥處理裝置、開關量I/O模塊、控制繼電器、排氣泵、多通道電磁閥、電源管理器和后備電池等設備構成。其系統結構如圖2所示。

圖2 監測子站系統結構圖

氣體采樣探頭內置超聲波液位計的探頭，并通過氣體采樣管路，利用真空泵產生的負壓將管道內部氣體吸入監測子站，并通過氣水分離和干燥處理裝置除去氣體中的水氣，進入多組分氣體濃度分析儀進行各組分氣體濃度的檢測。物聯網網關通過RS232接口采集各組分氣體濃度數據和進氣口的溫濕度數據，并通過移動網絡上傳云中心。當氣體濃度超過一定的閾值，物聯網網關負責向開關量I/O模塊發出指令，通過繼電器控制排氣泵啟動以降低管道內部氣體濃度，當濃度低于設定閾值后關閉排氣泵?？紤]到使用現場可能存在停電可能，所以采用了一個DC12V/7AH的小型鉛酸電池作為后備電源，通過電源管理器進行交直流切換管理。當后備電池的電壓低于設定閾值后，接入到開關量I/O模塊的電源狀態信號自動轉為斷路狀態，物聯網網關通過開關量I/O模塊采集到后備電池處于欠壓狀態時，自動向云中心發出報警信號。

3.1 多組分氣體濃度分析儀的設計

基于非分散紅外光譜吸收原理的多組分氣體濃度分析儀由光源、氣室、帶有濾光片的基于PMN-xPT的熱釋電探測器以及電路集成。根據其基本結構，經調制的光源發出特定頻率的光，經過氣室、穿過濾光片到達熱釋電靈敏元表面，利用電荷放大電路將靈敏元因溫度變化產生的熱釋電電荷轉換為電信號，并對其進行信號采集和處理。

對于某種特定氣體的探測，在采用對應吸收波長的濾光片之外，還設置一個在較寬的范圍內具有平坦透過特性的濾光片(例如CaF2濾光片)，以分別形成探測通道和參比通道。根據Beer-Lambert定律，探測通道的電壓信號與待測氣體濃度的關系為：

ugas=I(e-kcl)Rgas+IRgasCgas

(2)

對于參比通道：

uref=IRrefCref

(3)

式中：ugas、uref分別為探測通道和參比通道的電壓信號；Rgas、Rref分別為探測通道和參比通道的電壓響應率；Cgas、Cref分別為探測通道和參比通道的濾光片的特性參數。

當待測氣體濃度c=0時：

式中：K0是探測器的固有特性，可以近似看作一個常數。

定義系數F：

則有：

從而可以算出待測氣體濃度。

基于上述原理，系統的分析儀表采用一組分氣室的設計方式，分別測量各個組分氣體的濃度。分析儀表的結構如圖3所示。

圖3 氣體分析儀表的結構圖

分析儀表采用多級濾波放大模擬電路將敏感單元微小的電信號轉換為可測量的電壓信號，使用SPI總線的多通道高精度ADC芯片對其進行模數轉換。儀表的主控單元使用了國產的龍芯1C300B的微控制器和RT Thread實時操作系統[4]，在其上開發的嵌入式軟件系統通過FFT處理[5]得到頻域數據，選取調制頻率的信號經卡爾曼濾波[6]后，實現氣體濃度的計算處理，并通過RS232/485和Modbus協議實現和上位機的通信。

3.2 系統網關設計

系統的物聯網網關設備采用美國TI公司的工業級寬溫MCU芯片AM3352BZCZD60[7]，擁有256 Mbit內存，256 Mbit NandFlash，具有2路100 Mbps帶EMC隔離的網絡接口，1路2.4 GHz Wi-Fi接口，1路3 G/4 G移動網絡接口，2路RS485接口，4路RS232接口，內置看門狗電路和高精度RTC時鐘芯片。物聯網網關利用RS232接口實現了和前端的多組分氣體濃度分析儀的通信，完成氣體濃度的數據采集。利用另一路RS232接口實現和超聲波液位計通信，采集管道內部的液位高度數據。利用MQTT協議通過4G移動網絡實現和云中心后臺系統之間的數據傳輸。物聯網關系統采用經過裁剪的小體積嵌入式Linux作為操作系統，協議轉換程序采用C/C++根據多組分氣體濃度分析儀和超聲波液位計的通信協議開發。網關核心邏輯模塊負責和云中心系統通信，并負責協議指令的加解密和認證處理。嵌入式SQLite數據庫保存各種配置參數和各種氣體濃度監測數據，以備上行網絡故障時重傳使用。同時，該物聯網關還運行一個GoAhead嵌入式Web服務器以供網關的參數配置網頁使用。

4 云中心軟件系統設計

云中心軟件系統負責接入城市中分布的數量眾多的監測子站，實現對城市下水管網、公廁和小區化糞池等場合中可燃及有毒有害氣體濃度的實時監測。云中心軟件系統由設備管理、通信、規則引擎、插件管理框架、監控儀表盤展示等多種功能組件構成了一個完整的物聯網平臺。其系統架構如圖4所示。

圖4 云中心物聯網平臺系統結構圖

設備管理組件通過授權管理實現平臺接入設備、租戶、用戶之間關聯關系的管理，并采用ITU的X.509證書[8]實現對前端監測子站設備的接入認證管理。

通信組件主要實現對各個監測子站的數據采集，并負責中心系統的指令向監測子站的下行傳輸。平臺為了滿足一個城市的地下管網和公廁、小區化糞池所設置的大量監測子站接入和可能存在的并發通信，數據接入通信服務組件采用了非阻塞的異步通信模型(NIO)[9]，對于并發通信線程池的管理采用基于事件通知機制的Reactor反應堆線程模型[10]。系統采用了NETTY庫并利用大量的異步并發線程來滿足大容量、高并發的要求。通信組件支持MQTT、HTTP和CoAP等通信協議，作為MQTT的通信Broker可以實現IoT Hub的功能，滿足多個MQTT Client之間的消息訂閱和出版。

云中心接收數據后通過規則引擎實現用戶設定的各種閾值的判定，實時采集數據和報警狀態等信息并通過儀表盤工具進行展示，滿足系統管理人員的實時監控要求。系統規則引擎采用了開源AKKA庫,支持JavaScript的規則自定義，利用AKKA庫支持的Actor模型[11]。通過Actor間異步消息的發送和處理，實現規則鏈的判斷處理。規則引擎主要實現各組分氣體濃度的報警閾值、多組分氣體濃度分析儀進氣口溫濕度報警閾值、下水道和化糞池液位報警閾值、監測子站后備電池電壓不足報警狀態等的過濾管理。通過自定義規則和自定義插件的綁定實現各種報警通知和數據可視化展示的處理。

5 用戶監控前臺系統

平臺采用前后端分離設計，所有前端的系統管理頁面，各種監控儀表盤的預置物聯網可視化組件等都采用AngularJS開發。預置的各種物聯網顯示組件包括：各種曲線圖﹑餅圖﹑直方圖等各種數據可視化顯示組件、高德GIS組件、溫濕度組件等各種儀表盤組件。用戶可以通過平臺提供的監控儀表盤管理器選擇所使用的顯示組件，并自定義監控儀表盤布局，通過顯示組件的數據源對象實現和數據庫的關聯。

系統利用AngularJS開發了同時滿足于手機端應用和PC端應用的用戶監控前臺系統，使用高德地圖插件實現了城市下水道管網和化糞池的監測子站地理位置分布以及各種報警狀態的顯示，并通過曲線圖等形式顯示各個監測子站氣體濃度的實時數據和報警信息。

6 實 驗

由于光源調制頻率會對探測器的響應產生影響[12]，以CH4和SO2氣體為例，采用封裝有對應濾光片且帶有參比通道的熱釋電紅外探測器，測試了其分別在不同調制頻率下的信號幅值，如圖5所示。由于紅外靈敏材料的固有特性熱時間常數(數毫秒～幾秒)的限制，探測器的輸出信號隨著調制頻率的增大而逐漸變小。在低頻范圍，探測器尤其具有出色的響應能力。

圖5 參比通道、CH4測試通道、SO2測試通道的 輸出信號幅值與頻率的關系

選取測試用調制頻率為1.3 Hz，以峰峰值4 V、直流偏置+2 V、占空比0.5的方波對光源供電，分別對CH4和SO2兩種測試通道以及參比通道采集了時域信號，信號輸出呈現穩定的波形，如圖6所示。

圖6 時域下參比通道、CH4測試通道、SO2測試通道 對調制光源的響應

為了將探測器輸出信號與氣體濃度聯系起來，結合Beer-Lambert定律，至少需要三個數據點來獲得計算所需的關鍵參數，為此配置了不同濃度的標準濃度氣體。圖7是時域下探測器對三種不同濃度CH4的響應，從中可以提取信號響應幅值，并利用Beer-Lambert定律對數據進行擬合。

圖7 探測器對不同濃度(0%、0.102 9%、0.516 8%) CH4氣體的時域響應

為方便數據處理，可以將式(6)轉化為以下形式：

以式(7)為模型，將探測器對CH4響應的信號輸出與氣體濃度的關系擬合起來，如圖8所示。通過擬合得到關鍵常數，從而獲得計算公式：

圖8 探測器對不同濃度CH4氣體的響應以及 依據Beer-Lambert定律的非線性擬合

以測試標定氣體并推導出的計算公式為依據，在實際的測試中，可以根據測得的電壓信號獲得CH4的實際濃度信息。

同樣地，探測器對SO2的信號與濃度的關系擬合起來(圖9)，也可以得到以下關系：

圖9 探測器對不同濃度SO2氣體的響應以及 依據Beer-Lambert定律的非線性擬合

在實際場所的應用中，我們同樣以此公式為依據，通過響應信號幅值得到待測氣體中SO2的濃度。

基于上述原理,本文利用各種組分氣體的不同濃度的標準氣體，分別在設定的測量范圍內進行了多次測試實驗，所得到分析儀表的試驗結果如表1所示。

表1 多組分氣體濃度分析儀測試結果

7 結 語

本文設計并實現了多組分氣體在線監測系統。實驗結果表明，基于非分散紅外光譜原理，利用高熱釋電性能的弛豫鐵電單晶材料制備的多組分氣體濃度分析儀完全滿足國家標準《GB/T 28888-2012 下水道及化糞池氣體監測技術要求》中對電化學法分析儀表的性能指標要求，可以以較低的綜合使用成本實現應用替代。通過新型儀表和在線監測系統的結合，可以提高城市管理部門對城市污水管網等設施的實時狀態的感知能力，降低城市管理的成本，具有應用和推廣的價值。