王駿鵬 王玉峰 鄧鑫 張智圣 喬大為

摘 ?要： 工業(yè)爐窯中煙氣氧含量可直接反映爐內(nèi)燃燒狀況，氧含量的測(cè)量對(duì)于提高燃料的燃燒效率，有效地減少環(huán)境污染具有重要的意義。文中基于氧化鋯傳感器設(shè)計(jì)殘氧濃度檢測(cè)裝置，介紹氧化鋯傳感器測(cè)量氧濃度的原理，設(shè)計(jì)殘氧濃度檢測(cè)裝置，包括氧濃度測(cè)量電路、溫度控制電路、4～20 mA輸出電路以及人機(jī)界面等;在程序設(shè)計(jì)中采用分段式PID控制算法提高傳感器的控溫精度和穩(wěn)定性。所研制的殘氧濃度檢測(cè)裝置已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用，具有測(cè)量精度高、可靠性高和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn)，并且有非常好的市場(chǎng)前景。

關(guān)鍵詞： 殘氧濃度檢測(cè); 檢測(cè)裝置; 程序設(shè)計(jì); 電路設(shè)計(jì); 燃燒效率; PID控制

中圖分類號(hào)： TN911.23?34 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號(hào)： 1004?373X（2019）10?0088?04

Design of residual oxygen concentration detection device based on ARM

WANG Junpeng1， WANG Yufeng1， DENG Xin1， ZHANG Zhisheng1， QIAO Dawei2

（1. University of Science and Technology Liaoning， Anshan 114051， China;

2. Anshan Electric Power Supply Company of State Grid Liaoning Power Supply Co.， Ltd.， Anshan 114200， China）

Abstract： The oxygen content of the flue gas in the industrial furnace can directly reflect the combustion status in the furnace. The oxygen content measurement is of great significance for improving the fuel combustion efficiency and effectively reducing the environment pollution. A residual oxygen concentration detection device based on the zirconia sensor is designed in this paper. The oxygen concentration measurement principle of the zirconia sensor is introduced. The residual oxygen concentration detection device is designed， including the oxygen concentration measurement circuit， temperature control circuit， 4～20 mA output circuit and human?machine interface. The temperature control accuracy and stability of the sensor are improved by using the piecewise PID control algorithm in the program design. The developed residual oxygen concentration detection device has been put into practical application， and has the advantages of high measurement accuracy， reliability and cost performance， and a very good market prospect.

Keywords： residual oxygen concentration detection; detection device; program design; circuit design; combustion efficiency; PID control

0 ?引 ?言

目前，我國(guó)市場(chǎng)上的氧量分析儀幾乎由外國(guó)壟斷，價(jià)格昂貴。如何打破國(guó)外專利保護(hù)與壁壘，成為國(guó)內(nèi)業(yè)界研究的重點(diǎn)課題之一。

鑒于此，本文根據(jù)氧化鋯傳感器測(cè)量氧濃度的原理，采用STM32F405RG作為核心控制器，設(shè)計(jì)基于氧化鋯傳感器的一套控溫精度高和穩(wěn)定性好的性能優(yōu)良的殘氧濃度檢測(cè)裝置。本裝置已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用，各項(xiàng)目性能指標(biāo)可以替代國(guó)外同類產(chǎn)品。

1 ?氧化鋯傳感器測(cè)氧原理

氧化鋯氧傳感器是一種利用濃差氧電勢(shì)來測(cè)定氧含量的傳感器。在氧化鋯傳感器中，當(dāng)氧化鋯管與電極界面處兩側(cè)氧濃度不同時(shí)，兩側(cè)就存在氧位梯度，高氧位端向低氧位端傳遞，兩側(cè)處分別發(fā)生電極反應(yīng)，兩個(gè)電極間便產(chǎn)生一定的電動(dòng)勢(shì)[1]，見圖1。

根據(jù)能斯特公式可得濃差電勢(shì)大?。?/p>

[E=RTNF·lnP（1）O2P（2）O2] ? ?（1）

式中：R為氣體常數(shù);T為絕對(duì)溫度;N為參加反應(yīng)的電子數(shù)（N=4）;F為法拉第常數(shù);P（1）為參比氣體氧濃度百分?jǐn)?shù)，一般為21%;P（2）為測(cè)量氣體氧濃度百分?jǐn)?shù)。式（l）稱為能斯特方程，由于R，F(xiàn)，N為常量，所以當(dāng)溫度為720 ℃，被測(cè)氣體含氧量P（2）與氧濃差電勢(shì)值成單值對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖1 ?氧化鋯電解質(zhì)中氧的傳遞

在氧化鋯傳感器的實(shí)際應(yīng)用中，需要對(duì)能斯特方程進(jìn)行儀表化處理，可實(shí)現(xiàn)恒溫測(cè)量，提高測(cè)量精度和延長(zhǎng)傳感器的使用壽命。處理公式為：

[E=K·RTNF·lnP（1）O2P（2）O2+E0] ? ? ? ? （2）

式中：[K=（T-ΔT）T]。因采用恒溫測(cè)量，[T]為常數(shù)，[ΔT]隨氧化鋯管的老化而變化，但規(guī)定[ΔT]為定值，因此K是個(gè)常數(shù)，稱為斜率修正系數(shù);[E0=E′0+C]，[E′0]為當(dāng)溫度為T時(shí)無氣流冷卻效應(yīng)下的本底電勢(shì)，而C則表示氣流冷卻對(duì)本底電勢(shì)的影響，因此[E0]就表示在溫度為T，一定流量氣流冷卻時(shí)的本底電勢(shì)[2]。

在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓值和空氣中的氧濃度為21%時(shí)，式（2）可變?yōu)椋?/p>

[E=2.154×10-2T·ln0.21P（2）O2] ? ? ? ? （3）

則被測(cè)氣體中氧含量計(jì)算公式為：

[P（2）O2（ATM）=0.21·exp-46.421ET] （4）

2 ?硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

殘氧濃度檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖2所示，采用STM32F405RG作為主控制器，通過氧化鋯傳感器進(jìn)行測(cè)量，包括氧濃度測(cè)量、溫度控制、測(cè)溫、4～20 mA輸出以及人機(jī)界面等電路[3]。殘氧濃度檢測(cè)裝置硬件電路硬件電路如圖3所示。

圖2 ?殘氧濃度檢測(cè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖

圖3 ?殘氧濃度檢測(cè)裝置硬件電路

2.1 ?氧濃度測(cè)量電路

氧化鋯傳感器輸出的氧電勢(shì)是mV量級(jí)，易受外部環(huán)境的電磁干擾，特別是對(duì)弱信號(hào)的提取檢測(cè)[4]。設(shè)計(jì)的氧濃度測(cè)量信號(hào)調(diào)理電路如圖4所示，包含三部分功能：首先，信號(hào)輸入前端采用高精度儀用放大器AD620對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行放大，通過電阻R30來選擇增益[5];然后，信號(hào)經(jīng)二階有源低通濾波器濾除高頻電磁干擾[6];最后，調(diào)理后的信號(hào)送入16位高精度ADS1110進(jìn)行采樣，通過I2C協(xié)議將氧濃度數(shù)據(jù)送給主控制器ARM。

2.2 ?溫度控制電路

氧化鋯傳感器工作時(shí)溫度需要恒定且達(dá)到650 ℃以上，一般工作溫度保持在720 ℃。設(shè)計(jì)的溫度控制電路由溫度檢測(cè)和溫度調(diào)節(jié)構(gòu)成。系統(tǒng)選用K型熱電偶作為溫度傳感器，采用具有冷端補(bǔ)償功能的熱電偶數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器MAX6675進(jìn)行溫度采集，通過SPI協(xié)議將溫度數(shù)據(jù)送給主控制器。主控制器ARM根據(jù)采集的數(shù)據(jù)采取分段PID算法控制加熱功率[7]，使氧化鋯傳感器穩(wěn)定工作在720 ℃。系統(tǒng)通過固態(tài)調(diào)壓器調(diào)節(jié)加熱體的發(fā)熱功率來控制溫度，其電路見圖5。固態(tài)調(diào)壓器和加熱絲串接在220 V，50 Hz交流電回路中，固態(tài)調(diào)壓器的輸入端通過接收ARM輸出的4～20 mA控制信號(hào)來調(diào)節(jié)加熱體的發(fā)熱功率。由于氧化鋯傳感器中的加熱體最大工作電壓為110 V，所以在回路中串聯(lián)一個(gè)整流二極管。

圖5 ?固態(tài)調(diào)壓器控溫電路

2.3 ?氧濃度輸出電路

氧濃度檢測(cè)裝置檢測(cè)的氧濃度信號(hào)除了在人機(jī)界面顯示以外，還可以通過標(biāo)準(zhǔn)4～20 mA信號(hào)送給調(diào)節(jié)器。為保證信號(hào)準(zhǔn)確可靠，選擇16位高精度電流源DAC芯片AD5420。為了防止瞬態(tài)過電壓損壞芯片，在輸出線路上并聯(lián)功率二極管和瞬態(tài)電壓抑制器，并串聯(lián)小電阻抑制浪涌電流[8]。電流信號(hào)輸出電路見圖6。

圖6 ?電流信號(hào)輸出電路

2.4 ?人機(jī)界面

系統(tǒng)采用HMI串口觸摸屏作為人機(jī)界面，ARM與顯示屏通過串口交換指令和數(shù)據(jù)，在屏幕上顯示氧濃度和溫度，并可以控制加熱和設(shè)定PID參數(shù)。

3 ?程序設(shè)計(jì)

3.1 ?主程序流程

本文設(shè)計(jì)的氧濃度檢測(cè)裝置的主控制器采用32位高性能ARM芯片STM32F405RG，程序流程圖見圖7。首先測(cè)量溫度，調(diào)節(jié)加熱功率，判斷是否達(dá)到工作溫度。如果溫度符合要求并且穩(wěn)定，則讀取此時(shí)的氧電勢(shì)信號(hào)，在上位機(jī)顯示并輸出4～20 mA電流信號(hào)給調(diào)節(jié)器。

圖7 ?主程序流程圖

3.2 ?控溫算法

氧化鋯傳感器是具有大滯后和慣性的系統(tǒng)，其工作溫度較難精確控制。本文提出一種分段PID?模糊控制器應(yīng)用于氧化鋯傳感器的溫度控制，圖8是模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖。溫度控制分為3個(gè)階段：在控制開始時(shí)，為了提高系統(tǒng)的快速性，采用Bang?Bang控制，系統(tǒng)處于升溫階段，溫度誤差較大;當(dāng)溫度誤差減少到一定范圍，即由升溫轉(zhuǎn)向恒溫控制階段時(shí)進(jìn)行算法的變換，采用模糊控制;等到溫度誤差進(jìn)一步減少到較小范圍時(shí)，模糊控制中模糊變量所對(duì)應(yīng)的溫度段相對(duì)變窄，誤差語言變量的語言值為0時(shí)，切換至PID控制[9]，從而可以達(dá)到良好的控制效果。

圖8 ?模糊控制器結(jié)構(gòu)框圖

圖9是實(shí)驗(yàn)測(cè)得的氧化鋯傳感器溫度控制曲線，可以看出該算法充分提高了模糊控制器的利用率，減小了超調(diào)，改善了動(dòng)態(tài)特性，提高了平衡點(diǎn)的穩(wěn)定度[10]。

圖9 ?恒溫控制曲線圖

本文設(shè)計(jì)的殘氧濃度檢測(cè)裝置如圖10所示，以32位ARM控制器為核心，通過先進(jìn)的分段式PID控制算法調(diào)節(jié)溫度，采用高精度儀用放大器和16位A/D采集殘氧濃度，最小測(cè)量可達(dá)到1 ppm。

圖10 ?氧化鋯傳感器和殘氧濃度檢測(cè)儀表

4 ?結(jié) ?論

本文基于氧化鋯傳感器設(shè)計(jì)殘氧濃度檢測(cè)裝置，具體包括氧濃度測(cè)量電路、溫度控制電路、4～20 mA輸出電路以及人機(jī)界面等部分。通過性能測(cè)試，結(jié)果表明本裝置具有測(cè)量精度高、可靠性高和性價(jià)比高等優(yōu)點(diǎn);并且已經(jīng)投入實(shí)際應(yīng)用，具有非常好的市場(chǎng)前景。

注：本文通訊作者為王玉峰。

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