一種高精度便攜式氮氧化物氣體測試儀

錢璐 趙鵬 魏勇建 張龍飛 張愉 陳煜

西安創(chuàng)研電子科技有限公司，陜西西安 710061

0 前言

近年來，由于我國不少地區(qū)紛紛出現(xiàn)霧霾問題，各地政府對大氣污染的重視程度越來越高，國家相繼出臺了各類環(huán)境標準和文件，用以控制和解決大氣污染問題。

電廠脫硫脫硝工業(yè)排放氣體和發(fā)動機尾氣中的氮氧化物（NOx）主要由一氧化氮和二氧化氮組成，它是造成大氣環(huán)境污染的主要成分之一。這種污染物不僅對大氣環(huán)境污染嚴重，對人體健康也有很大危害。因此，有關(guān)部門經(jīng)常需要對工業(yè)排放氣體和發(fā)動機尾氣中的氮氧化物[1]進行實時檢測，以控制氮氧化物的排放，緩解大氣污染問題。

傳統(tǒng)的氮氧化物檢測需要專業(yè)的氣體分析儀來實現(xiàn)，其檢測速度慢，操作麻煩，測量范圍有限，測量精度不可選擇，且價格昂貴，體積較大，不便攜帶。因此，需要開發(fā)一款易于攜帶，測試范圍和精度可選擇的高精度氮氧化物濃度測試儀[2]。

1 整體設(shè)計方案

高精度便攜式氮氧化物氣體測試儀[3]主要由對整機進行控制的主控制器、3 種不同濃度范圍（0～615 mg/m3、615～2,050 mg/m3、2,050～4,100 mg/m3）的氮氧化物傳感器、CAN 通信電路、LCD 觸摸顯示屏和電源單元組成。氮氧化物傳感器的氣體感應端放入待測氣體中，輸出端與CAN 通信電路相連，將檢測數(shù)據(jù)傳輸?shù)街骺仄鳎M行數(shù)據(jù)解析、計算處理和串口通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換。LCD 觸摸顯示屏與主控制器相連，用于測試數(shù)據(jù)的實時顯示、工作狀態(tài)控制和數(shù)據(jù)存儲。LCD觸摸顯示屏上設(shè)置有USB 接口，用于測試數(shù)據(jù)的導出。氣體測試儀[4]整體設(shè)計方案如圖1 所示。

1.1 主控制器模塊

該測試儀采用S9KEAZ128 作為主控核心。S9KEAZ128 具有資源豐富，工作效率高，功耗低，支持CAN 通信，強大的中斷功能，可在線調(diào)試等優(yōu)點，適用于氮氧化物氣體測試的控制。

1.2 氮氧化物傳感器

測試儀采用3種不同測試范圍的氮氧化物傳感器，即第一氮氧化物傳感器（型號為A290NB300）、第二氮氧化物傳感器（型號為A290NB1000）和第三氮氧化物傳感器（型號為A290NB2000）。3 種氮氧化物傳感器均為自主研發(fā)設(shè)計，采用電化學原理進行氮氧化物氣體的檢測。不同型號的傳感器測試濃度范圍和精度不同，實際測試過程中，可根據(jù)實際應用場景選擇合適的測量范圍和誤差精度的氮氧化物傳感器。具體型號和測試范圍及精度如表1 所示。

1.3 電源模單元

該測試儀使用24 V 鋰電池模塊和5 V 電源轉(zhuǎn)換電路為整個系統(tǒng)不同模塊供電。24 V 鋰電池直接為3 種氮氧化物傳感器提供工作電壓，5 V 電源轉(zhuǎn)換電路輸出穩(wěn)定的直流5 V 信號，為CAN 通信電路、LCD 觸摸顯示屏、主控制器供電。該方案滿足測試儀對供電的需求，且可確保測試儀供電的穩(wěn)定性和安全性。

1.4 LCD 觸摸顯示屏

測試儀選擇集成的LCD 觸摸顯示屏模塊，用于數(shù)據(jù)顯示、存儲和人機交互，同時LCD 觸摸顯示屏上設(shè)置有USB 接口，方便存儲數(shù)據(jù)的導出。該方案滿足便攜式[5]氣體測試儀的需求，且測試數(shù)據(jù)顯示清晰，人機交互操作簡單。

1.5 CAN 通信電路

測試儀的CAN 通信電路采用TJA1051 作為CAN數(shù)據(jù)收發(fā)器，實現(xiàn)氮氧化物傳感器與主控制器模塊之間的CAN 通信，將采集的測試數(shù)據(jù)傳送到主控制器，同時將LCD 觸摸顯示屏發(fā)出的控制命令經(jīng)主控制器的轉(zhuǎn)換后，發(fā)送到氮氧化物傳感器，實現(xiàn)人機交互功能。

表1 氮氧化物傳感器型號與測量范圍及誤差精度對應關(guān)系

2 硬件部分設(shè)計與實現(xiàn)

該測試儀采用S9KEAZ128 作為控制器，通過CAN 通信電路接收傳感器的測試數(shù)據(jù)和向傳感器發(fā)送控制命令，并實現(xiàn)與LCD 觸摸顯示屏的通信，將測試數(shù)據(jù)顯示在LCD 觸摸顯示屏上，同時可從LCD 觸摸顯示屏上控制傳感器的測試狀態(tài)。主控制器的硬件電路圖如圖2 所示。

2.1 CAN 通信電路模塊

該測試儀的CAN 通信電路采用TJA1051 作為CAN 通信數(shù)據(jù)收發(fā)器，實現(xiàn)氮氧化物傳感器與主控制器模塊之間的CAN 數(shù)據(jù)通信，同時將LCD 觸摸顯示屏發(fā)出的控制命令經(jīng)主控制器的轉(zhuǎn)換后發(fā)送到氮氧化物傳感器，實現(xiàn)人機交互功能。CAN 通信電路模塊硬件電路圖如圖3 所示。

2.2 電源穩(wěn)壓模塊

測試儀的電源模塊由24 V 鋰電池和電源穩(wěn)壓模塊2 部分組成。24 V 鋰電池為氮氧化物傳感器提供工作電壓，同時為電源穩(wěn)壓模塊提供輸入電壓。電源穩(wěn)壓模塊采用TPS5420 轉(zhuǎn)換芯片，實現(xiàn)24 V 直流電壓到5 V 直流電壓的轉(zhuǎn)換，同時具有穩(wěn)定輸出電壓的功能。電源穩(wěn)壓模塊輸出的5 V 直流電源為CAN 通信電路、LCD 觸摸顯示屏、主控制器供電。電源穩(wěn)壓模塊硬件電路圖如圖4 所示。

3 軟件部分設(shè)計與實現(xiàn)

測試儀的軟件結(jié)構(gòu)主要分為系統(tǒng)初始化模塊、CAN 通信模塊、對氮氧化物傳感器采集數(shù)據(jù)的處理模塊（數(shù)字信號解析、計算和串口通信數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換輸出）、人機交互模塊。各模塊程序單獨調(diào)試正確后再進行聯(lián)合調(diào)試。本測試儀利用電化學氮氧化物傳感器進行氣體濃度測試，并將濃度數(shù)據(jù)以CAN 數(shù)據(jù)幀的形式輸出。主控制器通過CAN 通信模塊的軟件配置實現(xiàn)數(shù)據(jù)交互，同時將CAN 數(shù)據(jù)幀解析并轉(zhuǎn)換成串口數(shù)據(jù)，傳輸?shù)饺藱C交互模塊進行數(shù)據(jù)顯示和控制，符合設(shè)計要求。

4 測試流程和實驗結(jié)果

4.1 測試流程

將第一氮氧化物傳感器、第二氮氧化物傳感器及第三氮氧化物傳感器安裝在待測氣體排放管道上，固定緊實，保證不會因測試環(huán)境中的其他因素導致傳感器掉落現(xiàn)象，以免影響測試數(shù)據(jù)；打開電源開關(guān)，在LCD觸摸顯示屏上發(fā)送啟動第三氮氧化物傳感器指令，等待1 分鐘左右，查看LCD 觸摸顯示屏上的氮氧化物濃度數(shù)據(jù)是否在2,050～4,100 mg/m3范圍內(nèi)，若大于4,100 mg/m3，則測量氣體中的氮氧化物濃度超出本實用新型測量范圍，發(fā)送關(guān)閉第三氮氧化物傳感器指令，停止測量；若在此范圍內(nèi)，則LCD 觸摸顯示屏上顯示的氮氧化物濃度即為被測氣體中氮氧化物濃度值；若小于2,050 mg/m3，發(fā)送關(guān)閉第三氮氧化物傳感器指令和打開第二氮氧化物傳感器指令，等待1 分鐘左右，查看LCD 觸摸顯示屏上的氮氧化物濃度數(shù)據(jù)是否在615～2,050 mg/m3范圍內(nèi)，若在此范圍內(nèi)，則LCD觸摸顯示屏上顯示的氮氧化物濃度即為被測氣體中氮氧化物濃度值；若小于615 mg/m3，則發(fā)送關(guān)閉第二氮氧化物傳感器指令和打開第一氮氧化物傳感器指令，等待1 分鐘左右，查看LCD 觸摸顯示屏上的氮氧化物濃度數(shù)據(jù)是否在0～615 mg/m3范圍內(nèi)，若在此范圍內(nèi)，則LCD 觸摸顯示屏上顯示的氮氧化物濃度即為被測氣體中氮氧化物濃度值；否則，該測試儀測量范圍和精度不滿足被測氣體中氮氧化物濃度測量需求。一般情況下，大部分電廠脫硫脫硝工業(yè)排放氣體[6]和發(fā)動機尾氣中的氮氧化物（NOx）濃度的實時檢測均可采用本測試儀實現(xiàn)精確測試。

測試完成后，在LCD 觸摸顯示屏上點擊關(guān)閉相應的氮氧化物傳感器，等待3 分鐘左右，使氮氧化物傳感器恢復到常溫狀態(tài)，拆除連接在待測氣體排放管道上的氮氧化物傳感器，同時，通過LCD 觸摸顯示屏上的USB 接口將測試數(shù)據(jù)導入計算機進行數(shù)據(jù)分析，得出測試結(jié)果。

4.2 實驗結(jié)果

分別選用410 mg/m3、1,025 mg/m3、3,075 mg/m3氮氧化物標準氣體進行測試，測試結(jié)果如表2 所示。

表2 測試數(shù)據(jù)

由表2 可以發(fā)現(xiàn)，分別在3 種標準氣氛環(huán)境下，測試儀可以達到相應的誤差精度，并且在匹配的誤差精度范圍內(nèi)可以切換測量3 種濃度范圍的氣體。LCD觸摸顯示屏可以正常顯示測量數(shù)據(jù)，同時可以切換測試范圍，控制氮氧傳感器和數(shù)據(jù)存儲導出，滿足設(shè)計要求。

5 結(jié)束語

本文基于電化學氮氧化物傳感器設(shè)計了一種高精度便攜式氮氧化物氣體測試儀。該測試儀可以實 現(xiàn)0～615 mg/m3（誤差精度±6.15 mg/m3）、615～2,050 mg/m3（誤差精度±5%）和2,050～4,100 mg/m3（誤差精度±10%）3 種氮氧化物濃度范圍和誤差精度的測量，可根據(jù)實際應用場景選擇合適的測量范圍和誤差精度。

相較于其他氮氧化物氣體測試裝置，本測試儀操作簡便，檢測效率高，同時具有測試范圍和精度可選擇，數(shù)據(jù)可實時顯示和保存，體積小，便于攜帶，結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)，成本低等優(yōu)點，適用于電廠脫硫脫硝工業(yè)排放氣體和發(fā)動機尾氣中的氮氧化物（NOx）濃度的實時檢測。