環境空氣TVOC在線監測系統的研究與開發

張華杰，陳海永，蘭淑靜2，武傳偉，王 棟，侯賢祥，王海超

(1.漢威科技集團股份有限公司，鄭州 450001;2.信息工程大學基礎部,鄭州 450001)

0 引言

VOC是指除了一氧化碳，二氧化碳，碳酸，金屬碳化物，碳酸鹽以及碳酸銨外，任何參與大氣中光化學反應的含碳化合物[2]。TVOC是揮發性有機物(VOC)的總體構成，是指室溫下飽和蒸氣壓超過133.32 Pa的有機物，其沸點范圍是50～250 ℃，常溫下以蒸發的形式存在于空氣中，具有刺激性或特殊的氣味性，會影響皮膚和黏膜，對人體產生急性損害[7]。世界衛生組織、美國國家科學院等機構一直強調TVOC是一類重要的空氣污染物。環境空氣中的TVOC不僅能直接對人體健康造成危害[1]，還會相互作用，引起光化學污染，對人體健康和環境的不良影響已受到人們的普遍關注[2]。

目前檢測環境空氣中的TVOC通常采用氣相色譜法，但也有采用傅里葉變換紅外光譜法、熒光光譜法、離子色譜法和反射干涉光譜法等[10]。最為常見的是實驗室檢測分析方法，用以Tenax-TA作為吸附劑的VOC吸附管收集一定體積的空氣樣品，拿回實驗室進行解析處理，然后采用氣相色譜或質譜儀器等進行檢測分析[7]。此方法檢測過程復雜、專業性要求和檢測成本比較高，也不適合突發情況下的快速檢測。

市場對用于現場分析測量環境空氣中TVOC含量的需求越來越多，而環境空氣中的TVOC含量處于痕量級，市場上現有監測TVOC含量的傳統設備大多是采用傳感器技術的方式實現，但由于受限于傳感器的靈敏度和檢測限，導致其未能實現商品化、產品化，另外其使用環境也不適用于現場快速分析測量。而本文提出的利用熱解吸技術進行TVOC含量的在線痕量檢測，不僅靈敏度高，檢測線低，而且成本比較低，具有很大的實際推廣價值，可大面積應用于大氣污染監測、工業廢氣監測以及對居民居住環境質量的監測。

1 系統結構及原理

1.1 系統結構

環境空氣TVOC在線監測系統的系統氣路結構設計示意圖如圖1所示，主要由樣品進樣口、精密過濾器、采樣泵、電磁四通閥、熱解吸管、PID傳感器、流量傳感器和樣氣排空口等組成，具有氣路結構簡單、無需額外提供載氣，環境空氣即可作為載氣等特點。

1 樣品進樣口；2 精密過濾器；3 采樣泵；4 電磁四通閥；5 熱解吸管；6 PID傳感器；7 流量傳感器；8 樣氣排空口。

精密過濾器具有對樣品氣進行預處理功能，主要用于過濾環境空氣和待測氣體中的顆粒灰塵和水汽，以防小顆粒物或水汽進入到氣路中影響熱解吸管性能，降低相關部件的壽命。

電磁四通閥主要是實現基線采集和樣氣采集，富集和進樣等氣路的切換。樣品氣采樣采用泵吸式原理，采樣泵為派克漢尼汾公司的4.5 V隔膜式低噪音空氣泵，和流量傳感器共同控制樣品氣的精確進樣。

1.2 系統原理

PID傳感器由紫外燈光源和離子化室組成。 紫外燈光源能夠發射出具有一定能量 (通常用9.5、1 0.0、10.2、10.9和11.7 eV) 的光子，通過離子化室直接照射在被測物質蒸汽分子上時 , 分子吸收能量高于其電離能的光子 , 就會發生光離子化作用[11]，通過檢測被電離物質的電流大小，即可知道被測物質在空氣中的含量[8-9]。

熱解吸管是一種填充有特定吸附劑的采樣管，在具體使用時一般分為吸附和熱解吸兩個過程。吸附過程是用采樣泵吸入樣品氣通過該采樣管時，被測定的某些揮發性物質就會被熱解吸管內填充的吸附劑選擇性的吸附，從而達到富集氣體樣品中目標物的目的[3]；熱解吸過程就是將吸附了待檢測物質的采樣管加熱，使被吸附的物質解吸出來[3]，并由載氣將目標物帶出熱解吸管的過程。

2 系統硬件設計

該環境空氣TVOC在線檢測裝置主要由電源模塊、主控模塊、自動采樣及氣路切換模塊(氣體采集模塊、氣體信號檢測模塊)、溫控模塊、數據傳輸模塊和人機交互模塊等組成，其系統硬件原理框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件原理框圖

2.1 加熱電路

加熱模塊采用可控硅過零調功的方式，過零調功方式就是通過在給定的時間內改變加在負載上的交流正弦波個數來調節功率的一種控制方法。由于可控硅是在電壓(電流)過零時觸發導通的，導通時的波形是完整的正弦波或半波[12]，所以說不僅不產生高次諧波，其負載浪涌電流和電流變化率也都很小，而且不影響電網電壓，不干擾通訊設備。另外采用了觸發電流僅為5 mA的過零雙向可控硅型光耦MOC3063，集光電隔離、過零檢測、過零觸發等功能于一身，避免了輸入輸出通道同時控制雙向可控硅觸發的缺陷，簡化了輸出通道隔離驅動電路的設計。

在計劃經濟的影響下，企業采用傳統的成本管理模式，而企業往往只關注內部生產和管理活動，不關注企業的外部環境，僅限于生產過程中對成本的核算和分析，在這種忽略預測和決策的情況下，很難充分發揮成本管理應該有的作用。

設計的加熱電路如圖3所示，其工作原理是：主控器件STM32F407根據用戶設置的情況控制I/O口輸出高低電平，當在I/0口輸出低電平時，使光電隔離器件MOC3063導通，同時觸發雙向可控硅導通，進而對相關部件進行加熱；當在I/O口輸出高電平時，使光電隔離器件MOC3063截止，進而關閉雙向可控硅，即可實現停止加熱功能。

圖3 加熱電路

2.2 溫度檢測電路

溫控控制包含三路溫度控制，一路用于控制熱解吸管的溫度，一路用于控制電磁四通閥的溫度，最后一路用于控制管線的溫度。溫控模塊主要包括熱解吸管、閥、管線加熱模塊和熱解吸管、閥、管線溫度檢測模塊。設計的溫度檢測電路如圖4所示。

圖4 溫度采集電路

溫度檢測模塊采用三線制PT100鉑電阻將溫度信號轉換為電壓信號，使用精密儀用放大器AD620進行信號放大，選用了采用Σ-Δ調制技術的24位多通道AD7793器件實現模數轉換。AD7793器件集成有高精度恒流源、濾波器等，具有自校準、系統校準功能，可以消除零點、滿量程誤差及溫度漂移的影響[4]。為了防止PT100由于自發熱而影響測量精度，所以激勵電流源通常選為數百微安，在此設定為210微安，最終溫控精度達到正負0.1 ℃。

其工作原理是：采用恒流源對PT100鉑電阻施加恒穩電流，PT100兩端的差分信號經儀用放大器INA122放大濾波后，直接輸入A/D轉化器AD7793中。

2.3 自動采樣電路

自動采樣及氣路切換模塊主要包括氣體采集模塊、氣體信號檢測模塊和氣路控制模塊等。氣路控制模塊主要是通過控制電磁四通閥的開啟和關閉實現氣路的切換。氣體采集模塊主要是通過控制采樣泵的開啟時間和采集流量傳感器的流量值實現樣品氣的精確采樣。氣體信號檢測模塊主要是通過PID傳感器將環境空氣的TVOC濃度值轉換為電壓值，然后由采用Σ-Δ調制技術的24位多通道AD7793器件進行模數轉換達到對氣體信號進行檢測的功能。

開啟制冷模塊使其降溫到設定值，控制電磁四通閥使其處于樣品氣采樣狀態，樣品氣在采樣泵的抽取下，進入到熱解吸管中，然后通過流量傳感器和PID傳感器后排出，可通過采集樣品氣路流量傳感器的流量值和設定采樣泵的開啟時間來精確控制樣品氣的采樣量；開啟加熱模塊使其快速升溫到設定值，控制電磁四通閥使其處于進樣狀態，在高溫條件下，通過外界空氣作為載氣將熱解吸管中的待測揮發性組分帶入到PID傳感器中，進而通過峰行算法計算出TVOC的含量。

設計的閥泵控制電路如圖5所示，其工作原理是：主控器件響應用戶的參數設置和操作，在I/O口輸出一個高電平，使光耦LTV816不導通，光耦輸出高電平使Q1導通和MOS管IRF640導通，閥或泵就啟動工作；在I/O口輸出一個低電平，使光耦導通，光耦輸出低電平使Q2導通，MOS管IRF640截止，閥或泵停止工作。

圖5 閥泵控制電路

3 系統軟件設計

該環境空氣TVOC在線監測系統的嵌入式軟件采用FreeRtos操作系統進行設計[5]，其系統工作流程如圖6所示。

圖6 系統工作流程圖

即是：開機上電后，首先進行泵、閥、ADC、GPIO口等外設的系統初始化工作，其次是設備自檢工作(設備供電電壓自檢、流量傳感器自檢等)，自檢通過后進入到待機狀態，然后可通過面板上的兩個磁棒結合顯示屏的提示信息選擇進入循環監測狀態、校準狀態或歷史數據查看狀態。由于該環境空氣TVOC在線監測系統是在線式設備，所以如果在待機界面超過60秒沒有操作，則會自動進入循環監測狀態。調試狀態是針對開發人員進行設計的，進行入調試狀態后可手工設置PID參數等信息。

該環境空氣TVOC在線監測系統由于有循環監測狀態、校準狀態、歷史數據查看狀態等多個狀態，這里就以循環監測流程圖進行說明一下，其他狀態的流程圖就不再詳細闡述。設計的循環監測流程圖如圖7所示。

圖7 循環監測流程圖

循環檢測流程的主要工作過程如下：

1)富集：采樣泵3、電磁四通閥4和流量傳感器7上電，樣品氣由樣品進樣口1進入，經精密過濾器2將氣體中的顆粒和水分去除，得到潔凈的空氣或者樣品氣。再由采樣泵3吸入樣品氣依次通過電磁四通閥4(1和3通、2和4通)、熱解吸管5、PID傳感器6、流量傳感器7和樣氣排空口8后排空，此時環境空氣中的待測揮發性有機物(TVOC)就會被熱解吸管吸附。通過控制采樣泵的開啟時間和采集流量傳感器的流量值可實現樣品氣的精確采集。

2)加熱：電磁四通閥4斷電(1和4通、2和3通)，采樣泵3上電、PID傳感器6上電、流量傳感器7上電，開啟熱解吸管、閥和管線的加熱模塊使其快速升溫并穩定到設定值。

3)解吸：采樣泵3、電磁四通閥4、PID傳感器6和流量傳感器7上電，采樣泵3通過樣品氣進樣口1抽取外界環境空氣，經精密過濾器2處理后作為載氣依次通過電磁四通閥4(1和3通、2和4通)、熱解吸管5、PID傳感器6、流量傳感器7和樣氣排空口8后排空，吸附了揮發性有機物的解析管由于快速加熱，在高溫下被吸附的物質快速解吸出來，并由環境空氣作為載氣帶入PID傳感器氣室中進行檢測，通過峰行算法計算出TVOC的含量。

4)制冷：采樣泵3、電磁四通閥4、PID傳感器6和流量傳感器7斷電，開啟熱解吸管、閥和管線的制冷模塊使其快速降溫到設定值。

4 系統測試及結果分析

4.1 系統測試

為了驗證整套系統設計的準確性，依次通入氣體濃度為滿量程的20%、50%和80%的標準氣體[6]，這里采用的標氣濃度是40.1 ppm。記錄相關濃度標準氣體通入該系統后的穩定顯示值，每個標準氣體濃度連續測量3次。記錄的準確性測試數據如表1所示。

表1 準確性測試數據表

為了驗證整套系統設計的重復性，在正常工作條件下，通入滿量程20%的標準氣體，連續測試6次，記錄的重復性測試數據如表2所示。

表2 重復性測試數據表

為了驗證整套系統設計的穩定性，將該系統放置于高低溫試驗箱內，使其處于正常工作狀態，以不大于1 ℃/min的升溫或降溫速率使高低溫試驗箱升溫到50 ℃或降溫到-20 ℃，穩定2小時后觀察記錄該系統運行狀態，試驗結束后以不大于1 ℃/min的變化速率至室溫狀態，恢復2小時后通入20%的標氣進行性能指標測試，記錄的穩定性測試數據如表3所示。

表3 高低溫試驗數據表

為了驗證整套系統設計的檢測線，在正常工作條件下，分別通入14 ppb、20 ppb和56 ppb的標準氣體，連續測試4次，記錄的檢測線測試數據如表4所示。

表4 檢測線測試數據表

4.2 結果分析

由于該系統涉及的性能指標比較多，在此只列舉了準確性、重復性、穩定性和檢測線的測試數據表，根據表1、表2、表3和表4的記錄數據分別對其進行了結果分析，分析結果如表5所示。

表5 數據分析結果表

根據表5的分析結果可知，示值誤差小于正負5%，重復性小于正負3%，最低檢測線為1 ppb，系統穩定性良好。

5 結束語

本文設計了環境空氣TVOC在線監測系統，該系統利用熱解吸和PID傳感器相結合的技術實現了對環境空氣TVOC含量的痕量檢測，利用STM32F407處理器實現氣路的控制、信號處理和溫度控制，其計算結果通過GPRS無線傳輸到預警及監測服務器上。實際測量結果表明，該系統具有穩定性高、檢測線低、靈敏度高，無需人員在環境現場即可實現對某一地區環境空氣TVOC含量的快速分析和檢測等優點。另外該系統也具有很大的實際推廣價值。