一种高精度便携式氮氧化物气体测试仪_钱璐.pdf

技术与应用技术与应用 Technology&Application传感器世界 2023.05Vol.29 NO.05 Total 33520摘要：电厂脱硫脱硝工业和汽车发动机排放气体中的氮氧化物（NOx）会对大气环境造成严重污染，同时严重危害人体健康。传统的氮氧化物检测装置通常采用光学式、高频常温超导谐振或者化学试剂原理进行氮氧化物气体检测。这些装置具有检测速度慢、操作复杂，测量范围有限，测量精度不可选择及价格昂贵，体积较大等缺点。针对上述缺点，文章设计了一款采用电化学原理进行氮氧化物检测的气体测试仪。这种气体测试仪主要由主控制器、3 种不同浓度范围的氮氧化物传感器、CAN 通信电路、LCD 触摸显示屏和电源单元组成，具有操作简便，检测效率高，测试范围和精度可选择，数据可实时显示和保存，体积小，便于携带，结构简单，易于实现，成本低等优点，适用于电厂脱硫脱硝工业排放气体和发动机尾气中的氮氧化物浓度的实时检测。经测试，测试仪可以达到相应的误差精度，且在匹配的误差精度范围内，可以切换测试浓度范围，控制氮氧传感器和数据存储导出，满足设计要求。关键词：氮氧化物传感器；测试范围可选择；控制器中图分类号：TP212.2 文献标志码：A 文章编号：1006-883X(2023)05-0020-05收稿日期：2023-04-04 DOI:10.16204/j.sw.issn.1006-883X.2023.05.004A High-Precision Portable Nitrogen Oxide Gas Testing InstrumentQIAN Lu,ZHAO Peng,WEI Yongjian,ZHANG Longfei,ZHANG Yu,CHEN Yu(Xian Chuangyan Electronic Technology Co.,Ltd.,Xian 710061,China)Abstract:Nitrogen oxides in the desulfurization and denitrification industry of power plants and automobile engine exhaust emissions can cause serious pollution to the atmospheric environment and pose a serious threat to human health.Traditional nitrogen oxide detection devices usually use optical,high-frequency room temperature superconducting resonance,or chemical reagent principles for nitrogen oxide gas detection.The devices have disadvantages such as slow detection speed,complex operation,limited measurement range,un selectable measurement accuracy,high price,and large volume.In response to the above shortcomings,the article designs a gas tester that uses electrochemical principles for nitrogen oxide detection.This gas tester mainly consists of a main controller,three nitrogen oxide sensors with different concentration ranges,CAN communication circuit,LCD touch screen,and power unit.It has the advantages of simple operation,high detection efficiency,selectable testing range and accuracy,real-time data display and storage,small size,easy portability,simple structure,easy implementation,and low cost.It is suitable for real-time detection of nitrogen oxide concentration in industrial emissions of desulfurization and denitrification in power plants and engine exhaust.After testing,the tester can achieve the corresponding error accuracy,that is within the matching error accuracy range.It can switch the testing concentration range,control the nitrogen and oxygen sensor,and store and export data.The tester meets the design requirements.Key words:nitrogen oxide sensor;the selectable testing range;controller 一种高精度便携式氮氧化物气体测试仪一种高精度便携式氮氧化物气体测试仪钱璐 赵鹏 魏勇建 张龙飞 张愉 陈煜 西安创研电子科技有限公司，陕西西安 7100610 前言近年来，由于我国不少地区纷纷出现雾霾问题，各地政府对大气污染的重视程度越来越高，国家相继出台了各类环境标准和文件，用以控制和解决大气污染问题。电厂脱硫脱硝工业排放气体和发动机尾气中的氮氧化物（NOx）主要由一氧化氮和二氧化氮组成，它是造成大气环境污染的主要成分之一。这种污染物不仅对大气环境污染严重，对人体健康也有很大危害。因此，有关部门经常需要对工业排放气体和发动机尾Technology&Application 技术与应用技术与应用传感器世界 2023.05Vol.29 NO.05 Total 33521气中的氮氧化物1进行实时检测，以控制氮氧化物的排放，缓解大气污染问题。传统的氮氧化物检测需要专业的气体分析仪来实现，其检测速度慢，操作麻烦，测量范围有限，测量精度不可选择，且价格昂贵，体积较大，不便携带。因此，需要开发一款易于携带，测试范围和精度可选择的高精度氮氧化物浓度测试仪2。1 整体设计方案高精度便携式氮氧化物气体测试仪3主要由对整机进行控制的主控制器、3 种不同浓度范围（0 615 mg/m3、615 2,050 mg/m3、2,050 4,100 mg/m3）的氮氧化物传感器、CAN 通信电路、LCD 触摸显示屏和电源单元组成。氮氧化物传感器的气体感应端放入待测气体中，输出端与 CAN 通信电路相连，将检测数据传输到主控器，进行数据解析、计算处理和串口通信数据转换。LCD 触摸显示屏与主控制器相连，用于测试数据的实时显示、工作状态控制和数据存储。LCD触摸显示屏上设置有USB接口，用于测试数据的导出。气体测试仪4整体设计方案如图 1 所示。1.1 主控制器模块该 测 试 仪 采 用 S9KEAZ128 作 为 主 控 核 心。S9KEAZ128 具有资源丰富，工作效率高，功耗低，支持 CAN 通信，强大的中断功能，可在线调试等优点，适用于氮氧化物气体测试的控制。1.2 氮氧化物传感器测试仪采用3种不同测试范围的氮氧化物传感器，即第一氮氧化物传感器（型号为 A290NB300）、第二氮氧化物传感器（型号为 A290NB1000）和第三氮氧化物传感器（型号为 A290NB2000）。3 种氮氧化物传感器均为自主研发设计，采用电化学原理进行氮氧化物气体的检测。不同型号的传感器测试浓度范围和精度不同，实际测试过程中，可根据实际应用场景选择合适的测量范围和误差精度的氮氧化物传感器。具体型号和测试范围及精度如表 1 所示。1.3 电源模单元该测试仪使用 24 V 锂电池模块和 5 V 电源转换电路为整个系统不同模块供电。24 V 锂电池直接为 3 种氮氧化物传感器提供工作电压，5 V 电源转换电路输出稳定的直流 5 V 信号，为 CAN 通信电路、LCD 触摸显示屏、主控制器供电。该方案满足测试仪对供电的需求，且可确保测试仪供电的稳定性和安全性。1.4 LCD 触摸显示屏测试仪选择集成的 LCD 触摸显示屏模块，用于数据显示、存储和人机交互，同时 LCD 触摸显示屏上设置有 USB 接口，方便存储数据的导出。该方案满足便携式5气体测试仪的需求，且测试数据显示清晰，人机交互操作简单。1.5 CAN 通信电路测试仪的 CAN 通信电路采用 TJA1051 作为 CAN数据收发器，实现氮氧化物传感器与主控制器模块之间的 CAN 通信，将采集的测试数据传送到主控制器，同时将 LCD 触摸显示屏发出的控制命令经主控制器的转换后，发送到氮氧化物传感器，实现人机交互功能。第一氮氧化物传感器CAN通信电路LCD触摸显示屏主控制器第三氮氧化物传感器第二氮氧化物传感器电源单元表 1 氮氧化物传感器型号与测量范围及误差精度对应关系名称型号测量范围测量误差精度第一氮氧化物传感器A290NB3000 615 mg/m36.15 mg/m3第二氮氧化物传感器A290NB1000615 2,050 mg/m35%第三氮氧化物传感器A290NB20002,050 4,100 mg/m310%技术与应用技术与应用 Technology&Application传感器世界 2023.05Vol.29 NO.05 Total 335222 硬件部分设计与实现该测试仪采用 S9KEAZ128 作为控制器，通过CAN 通信电路接收传感器的测试数据和向传感器发送控制命令，并实现与 LCD 触摸显示屏的通信，将测试数据显示在 LCD 触摸显示屏上，同时可从 LCD 触摸显示屏上控制传感器的测试状态。主控制器的硬件电路图如图 2 所示。2.1 CAN 通信电路模块该测试仪的 CAN 通信电路采用 TJA1051 作为CAN 通信数据收发器，实现氮氧化物传感器与主控制器模块之间的 CAN 数据通信，同时将 LCD 触摸显示屏发出的控制命令经主控制器的转换后发送到氮氧化物传感器，实现人机交互功能。CAN 通信电路模块硬件电路图如图 3 所示。2.2 电源稳压模块测试仪的电源模块由 24 V 锂电池和电源稳压模块2 部分组成。24 V 锂电池为氮氧化物传感器提供工作电压，同时为电源稳压模块提供输入电压。电源稳压模块采用 TPS5420 转换芯片，实现 24 V 直流电压到 5 V 直流电压的转换，同时具有稳定输出电压的功能。电源稳压模块输出的 5 V 直流电源为 CAN 通信电路、LCD 触摸显示屏、主控制器供电。电源稳压模块硬件电路图如图 4 所示。C10C11R7GNDGNDX1X2X1X2100nFC8+5VGNDR4C6+5VC12+5V1234P3+5V10n FC91234P413Y1XTAL-3225 16M12345678910111213141516171819202122232425262728293031323334353637383940414243444546474849505152535455565758596061626364U2KEA128+5VR8R9RXD1TXD1GNDGNDGNDGNDPTD1/FTM2_CH3/SPI1_MOSIPTD0/SPI1_SCKPTH7/PWT_IN1PTH6PTE7/CAN0_TXPTH2/CAN0_RXVDDVDDA/VREFHVREFLVSS/VSSAPTB7/EXTALPTB6/XTALPTI4PTH1/FTM2_CH1PTH0/FTM2_CH0PTE6PTA2/Rx0PTA3/Tx0PTD2PTD3PTD4PTF0PTF1VDDVSSPTE4PTA6/ADC0_SE2PTA7/ADC0_SE3PTF2/Rx1PTF3/Tx1PTB0/Rx0/ADC0_SE4PTB1/Tx0/ADC0_SE5PTE5PTB5PTB4PTC3/ADC0_SE11PTC2/ADC0_SE10PTD7/UART2_TXPTD6/UART2_RXPTD5PTC1/ADC0_SE9PTC0/ADC0_SE8PTF7/ADC0_SE15PTF6/ADC0_SE14PTF5/ADC0_SE13PTF4/ADC0_SE12PTB3/ADC0_SE7PTB2/ADC0_SE6PTA4/SWD_DIOPTA5/RESET_bPTC4/SWD_CLKPTC5/CLKOUTPTB4/PIB4/ADP12PTE1PTG0PTG1PTG2PTG3PTE2PTE3PTC6/Rx1/CAN0_RXPTC7/Tx1/CAN0_TXPTA0/ADC0_SE0PTA1/ADC0_SE1SWDDIORESETSWDCLKTXCANRXCANSWDDIOSWDCLKRESETPowerGNDR6+5VC7GNDR5GNDRXCANTXCANCAN_HCAN_L3142567812345P2CANVCCTXDRXDGNDNCCANLCANHSU1TJA1051Technology&Application 技术与应用技术与应用传感器世界 2023.05Vol.29 NO.05 Total 335233 软件部分设计与实现测试仪的软件结构主要分为系统初始化模块、CAN 通信模块、对氮氧化物传感器采集数据的处理模块（数字信号解析、计算和串口通信数据转换输出）、人机交互模块。各模块程序单独调试正确后再进行联合调试。本测试仪利用电化学氮氧化物传感器进行气体浓度测试，并将浓度数据以CAN数据帧的形式输出。主控制器通过 CAN 通信模块的软件配置实现数据交互，同时将 CAN 数据帧解析并转换成串口数据，传输到人机交互模块进行数据显示和控制，符合设计要求。4 测试流程和实验结果4.1 测试流程将第一氮氧化物传感器、第二氮氧化物传感器及第三氮氧化物传感器安装在待测气体排放管道上，固定紧实，保证不会因测试环境中的其他因素导致传感器掉落现象，以免影响测试数据；打开电源开关，在LCD触摸显示屏上发送启动第三氮氧化物传感器指令，等待 1 分钟左右，查看 LCD 触摸显示屏上的氮氧化物浓度数据是否在 2,050 4,100 mg/m3范围内，若大于4,100 mg/m3，则测量气体中的氮氧化物浓度超出本实用新型测量范围，发送关闭第三氮氧化物传感器指令，停止测量；若在此范围内，则 LCD 触摸显示屏上显示的氮氧化物浓度即为被测气体中氮氧化物浓度值；若小于 2,050 mg/m3，发送关闭第三氮氧化物传感器指令和打开第二氮氧化物传感器指令，等待 1 分钟左右，查看 LCD 触摸显示屏上的氮氧化物浓度数据是否在615 2,050 mg/m3范围内，若在此范围内，则 LCD触摸显示屏上显示的氮氧化物浓度即为被测气体中氮氧化物浓度值；若小于 615 mg/m3，则发送关闭第二氮氧化物传感器指令和打开第一氮氧化物传感器指令，等待 1 分钟左右，查看 LCD 触摸显示屏上的氮氧化物浓度数据是否在0615 mg/m3范围内，若在此范围内，则 LCD 触摸显示屏上显示的氮氧化物浓度即为被测气体中氮氧化物浓度值；否则，该测试仪测量范围和精度不满足被测气体中氮氧化物浓度测量需求。一般情况下，大部分电厂脱硫脱硝工业排放气体6和发动机尾气中的氮氧化物（NOx）浓度的实时检测均可采用本测试仪实现精确测试。测试完成后，在 LCD 触摸显示屏上点击关闭相应的氮氧化物传感器，等待 3 分钟左右，使氮氧化物传感器恢复到常温状态，拆除连接在待测气体排放管道上的氮氧化物传感器，同时，通过 LCD 触摸显示屏上的 USB 接口将测试数据导入计算机进行数据分析，得出测试结果。4.2 实验结果分别选用 410 mg/m3、1,025 mg/m3、3,075 mg/m3氮氧化物标准气体进行测试，测试结果如表 2 所示。表 2 测试数据测试次数测试气氛环境LCD 屏显示测量氮氧浓度（mg/m3）1410 mg/m3412.4621,025 mg/m31,014.9533,075 mg/m33,034由表 2 可以发现，分别在 3 种标准气氛环境下，测试仪可以达到相应的误差精度，并且在匹配的误差精度范围内可以切换测量 3 种浓度范围的气体。LCDD1B340AD2SMBJ36AC1C2GNDPowerVIN7NC2NC3ENA5GND6VENSE4BOOT1PH8U3TPS5420L1C3C4C5R1R3GNDGNDGND+5VR2D3B34012P1技术与应用技术与应用 Technology&Application传感器世界 2023.05Vol.29 NO.05 Total 33524触摸显示屏可以正常显示测量数据，同时可以切换测试范围，控制氮氧传感器和数据存储导出，满足设计要求。5 结束语本文基于电化学氮氧化物传感器设计了一种高精度便携式氮氧化物气体测试仪。该测试仪可以实 现 0 615 mg/m3（误 差 精 度 6.15 mg/m3）、615 2,050 mg/m3（误差精度 5%）和 2,050 4,100 mg/m3（误差精度 10%）3 种氮氧化物浓度范围和误差精度的测量，可根据实际应用场景选择合适的测量范围和误差精度。相较于其他氮氧化物气体测试装置，本测试仪操作简便，检测效率高，同时具有测试范围和精度可选择，数据可实时显示和保存，体积小，便于携带，结构简单，易于实现，成本低等优点，适用于电厂脱硫脱硝工业排放气体和发动机尾气中的氮氧化物（NOx）浓度的实时检测。参考文献1 马晨.一种用于高温气体的氮氧化物测量装置:中国,210376300UP.2020-04-21.2 金鑫,陈存广,王帅宇,等.便携式气体测试仪的传感器选择研究 J.硅谷,2014,7(15):17.3钱璐,杨睿,卢桢珍,等.一种便携式氮氧化物气体测试仪:中国,212255253UP.2020-12-29.4 黄光辉.船舶便携式气体测试仪相关要求 J.船海工程,2021,50(S01):38-40.5 王 庆 芬,林 连 军.一 种 便 携 式 气 体 测 试 仪:中 国,215574970UP.2022-01-18.6 吴宪.一种工业废气中氮氧化物的无害化高效处理方法:中国,111111401AP.2020-05-08.作者简介钱璐：西安创研电子科技有限公司，中级工程师，研究方向为传感器控制系统及软件设计。通信地址：陕西省西安市雁塔区电子三路西京国际电气中心 B 座邮编：710061 邮箱：赵鹏：西安创研电子科技有限公司，在职研究生，中级工程师，研究方向为电子控制系统设计及应用。魏勇建：西安创研电子科技有限公司，硕士研究生，高级工程师，研究方向为电子控制系统设计及应用。张龙飞：西安创研电子科技有限公司，助理工程师，研究方向为电子控制系统硬件设计及应用。张愉：西安创研电子科技有限公司，助理工程师，研究方向为电子控制系统软件设计及应用。陈煜：西安创研电子科技有限公司，助理工程师，研究方向为电子材料分析及应用。