烟道SO2含量在线监测仪的研制

    摘要：介绍了利用单片机构成测量烟量SO2浓度的在线监测仪的研制情况。该监测仪采用氘灯作光源，旋转光栅式单色仪进行分炮，光电倍增管作探测器，控制系统采用STD总线结构双CPU设计，实现了烟道中SO2含量的实时监测。

    关键词：仪器仪表 在线检测 单片机 STD总线

城市空气污染的主要来源是工业排放和机动车尾气排放的二氧化硫（SO2）、氮氧化物（主要是NO和NO2）和总悬浮物（TSP）等。而城市各类工业烟囱和生活烟囱是排放SO2的主要污染源。因此，实时监测烟囱SO2的排放情况，对于污染物总量控制、消除危害和改善环境有着重要意义。

本监测仪采用光学方法，即利用SO2在300nm附近的特片吸收光谱，采用差分光学吸收浓度反演算法，对测量到的吸收光谱进行浓度计算。

1 原理与方法

光谱法测量污染气体浓度是利用光在气体中传播时气体分子对光的吸收特性。在一定条件下，气体分子对光的吸收遵循朗伯-比尔定律。当光通过气体时，有一部分被吸收，吸光度与气体分子浓浓度及气层厚度的乘积成正比。不同气体分子对光的特征吸收是不一样的。SO2有三个特征吸收带，第一吸收带为430～400nm光谱区，第二吸收带为240～330nm光谱区，第三吸收带为210～240nm光谱区。这里选用SO2在300nm附近的紫外特征吸收光谱，如图1所示。通过测量烟气中SO2的特征吸收光谱，利用浓度反演算法，计算出烟气中SO2的浓度。

根据朗伯-比尔定律，物理对光的吸收度与物质的吸收系数和浓度成正比，即：

A=log I0/I=εcL    （1）

A是吸光度，I0是入射光强，I是透射光强，L是吸收池光路长度，c是样品的浓度，ε是摩尔吸光系数，ε与入射光的波长以及吸光物质的性质有关。

在实际应用中为了方便运算，将式（1）变换成式（2）：

c=log(I0(λ)/I(λ))/σ(λ)L=D/σ(λ)L    (2)

式（2）中，I0（λ）是光源强度，I（λ）是通过长度为L的吸收池后的光强度，c是气体分子的浓度，σ（λ）是气体分子在波长λ处的吸收截面，σ（x）可以在实验室精确测量，D是气体分子的光学密度。所以，气体分子的浓度c可以通过测量I0（λ）/I（λ）的比值计算出。

实际测量时，由于样品池中存在气体分子，光源强度I0（λ）比较难以确定，故采用差分吸收的方法来解决这一问题，即测量特征吸收谱线峰和谷的值，利用相应的算法，求出SO2的浓度。

同时，利用压差传感器和温度探头测量烟道中静压力、动压力和烟气的温度，根据这些参数通过公式（3）可以计算出烟气的密度、流速和流量，知道流量后再根据SO2的浓度计算出污染物的总排放量。

Q=3600·S·V·[(Ba+Ps)/101325]·[273/(273+T)]·(1-Xsw)    （3）

其中，Q为烟气流量，S为烟道的截面，V为烟气的流速，Ba为大气压力，Ps为烟气静压力，T为烟气温度，Xsw为含湿量。

烟道SO2含量在线监测仪装置工作原理如图2。

烟气由标准皮撬管采样，通过过滤器却除烟气中灰尘，再经过冷凝器却除烟气中的水汽，然后送入紫外吸收池。氘灯发出的宽带光谱经石英透镜准直后透过吸收池，被气体吸收后照射到光谱仪的入射狭缝上，经光栅分光，在出射狭缝处由光电倍增接收光谱信号，光电倍增管输出的信号经前置放大器放大后送入高速信号采集单元。信号采集和处理单元将该信号数字和软件平均滤波技术，然后由系统总控制单元采用适当的算法对其进行处理，得到SO2浓度、烟气温度、燃烧率等信息。系统总控制单元除完成数据处理工作以外，还担负着包括数字存储、LED显示、PC远程数据传输和控制等工作。

2 硬件系统设计

考虑到测量环境是在工厂企业，对于测量系统的抗干扰性和机械强度要求较高，在硬件电路系统设计时采用STD总线结构，模块化设计。硬件系统由主控模板、I/O模板、信号采集处理模板、前置放大模板构成，通过STD总线与母板相连接，具有高可靠性、高抗干扰高稳定性。

其中，仪器采用特殊的光谱仪，将光栅由步进电机驱动正弦机构或凸轮进行波长扫描改为匀速电机直接驱动光栅同心旋转进行波长扫描，从而克服了机械传动带来的误差与不稳定性，缩短了测量周期，完成280～330nm波段SO2吸收光谱的测量只要10ms，满足了实时测量光谱的需要。探测采用侧窗式光电倍增管，灵敏度高，解决了弱光信号在线实时测量既要求测量周期短又要求灵敏度高的问题。

2.1 数据采集算是模板

根据吸收光谱光电信号特征和采样频率的要求，设计的数据采集处理模板组成原理如图3所示。该模板设计是以AT89C52微处理器为核心构成STD总线结构的分机系统，完成对SO2吸收光谱测量信号的采集处理和SO2的浓度计算，并且对温度、压力和O2的信号进行处理，结果通过STD总线接口送处理机模板，通过I/O接口模板输出、显示、打印。

2.2 数据采集电路

光电倍增管的输出信号经过前置放大送到数据采集处理模板。经程控放大器AD526放大，送入A/D。A/D转换芯片选用MAXIM公司生产的MAX120，其片内有跟踪保持电路（T/H）和低漂移电压基准，而且转换速度快、功耗低。采用了标准的微处理器（μP）接口，三态数据输出可直接与12位数据总线连接。该问数据和在线释放的时序特性参数允许在不插入等待状态的情况下与大多数微处理器兼容。

系统设计中采用MAX120工作方式2，它是一种独立工作方式（MODE=开路，/RD=/CS=DGND），电路连接图如图4所示。在这种方式下，MAX120能直接与FIFO缓冲器相连或通过DMA口直接与存储器相连，由/CONVST引脚上的下降沿启动一次转换，数据输出端总是开放的。当/INT、/BUSY引脚电平的上升沿指示转换结束时，数据端上的数据就得到更新。因为A/D的数据端总有数据，所以用74HC245双向三态八总线收发器进行总线隔离。

在数据转换过程中，CPU只负责转换电路的启动和检测一帧数据转换是否结束，中间无需CPU干预，使对CCD一帧数据的转换由逻辑控制电路自动完成。A/D一次采样工作过程为：①接收光耦同步采集信号；②驱动A/D转换；③单片机查询是否转换完成；③读出数据，存入存储器。

2.3 数据板与STD总线的通讯

数据采集模板与STD总线的连接控制使用一片74LS125总线驱动器和两片74LS373等来实现。74LS373是透明D并被锁存。当输出控制端（/OE，1脚）接低电平时（在一般硬件系统中/OE接地），数据输出，当/OE端接高电平时输出为高阻态。由于输出可提供高阻抗的第三态，所以在总线系统结构中不需另外加接口和上位部件，74LS373可以直接连接到总线上并驱动总线。在高阻状态下输出端的状态由其它电路的输出状态决定。其8位寄存器的特点是可驱动大电容或低阻抗的负载，因此，74LS373作为缓冲寄存器、I/O通道、总线驱动器及工作寄存器是完全可以的。地址分配由FAL16V8B编程实现。

    下面介绍应用74LS373实现A/D转换模板与STD总线数据传输的过程。

A/D——STD：

①8031把数据输入373，P1.3=0，同时使P1.5=0。

②STD读状态74LS125，D0=0，则读373；D0=1，则不执行读操作。

③读数据时，使P1.5=1，8031检测到数据被取走，返回①。

STD——A/D：

①STD把数据输入373，并使P1.6=0。

②8031检测P1.6,P1.6=0，8031执行读操作，把数据取走，并使P1.6=0;P1.6=1，不执行读操作。

③STD读74LS125，D0=0等待；D0=1,返回①。

2.4 氧气测量电路

烟道中氧气含量的测量是为了知道燃煤的燃烧率，从而控制燃煤的投入量。我们使用HT-OIG型氧气传感器，它是采用稳定的氧化锆固体电解质材料制作成一种界限电流式氧敏元件。它具有选择性好、工作稳定、响应和恢复速度快、无需基准气体等特点。

    根据氧传感器的工作原理，设计的应用电路如图5所示。其中MC1413是基准源，为氧传感器提供辅助的电源。运算放大器OP27用来进行电流/电压转换，AD620对信号放大调整。

3 控制软件流程

由于测量系统中有较多运算公式，而且公式中有的系数很大，有的系数却很小，因此本系统软件在数值计算上采用多字节、浮点数运算。整个系统软件是模块化设计，主要由主程序、数据采样子程序、数据处理子程序、采集参数设定子程序、显示子程序、数据处理子程序、采集参数设定子程序、显示子程序、打印子程序、标定子程序等组成。主程序完成对整个系统工作管理任务，包括初使化程序，键盘/显示管理程序等；数据采集子程序配合系统硬件实现对被测信号的采集；数据处理子程序包括对采样数据异常值剔除程序、谱线平移程序、数值计算程序；参数设定子程序用于输入采样参数（烟道截面积、各种调整参数）；打印子程序和显示子程序分别用来打印和显示设定、测量、计算的数值等。

烟道SO2含量在线监测仪是光机电一体的高技术产品。采用国家环境保局及美国环境保护组织（USEPA）推荐的紫外差分吸收光谱法，建立适合于监测的浓度反演算法，去除其它气体成份以及光源强度等变化对测量的影响，精确得到SO2气体浓度。采用STD总线结构的自动控制系统，实现了烟道排放SO2在线实时自动监测。