汪智琦，唐德東，董旭斌

（重慶科技學(xué)院 電氣工程學(xué)院，重慶 401331）

0 引言

受特殊地質(zhì)影響，國內(nèi)天然氣資源在開采過程中各類有機(jī)硫和H2S含量較高。H2S具有強(qiáng)烈的毒性和腐蝕性，危害人體健康，與水化合生成酸進(jìn)而腐蝕運輸管線，故開采出的天然氣必須經(jīng)過脫硫后才能供給用戶。H2S濃度監(jiān)測是脫硫裝置中不可或缺的部分，根據(jù)最新的GB17820-2012天然氣國家標(biāo)準(zhǔn)，二類天然氣經(jīng)脫硫裝置后的H2S含量需確保在20mg/m3以下（約13ppm）[1]。目前市場上對于微量H2S的檢測涉及較少，主要問題體現(xiàn)在穩(wěn)定性太低、精度較差以及成本居高不下3個方面。本文設(shè)計了一種基于電化學(xué)的H2S實驗檢測裝置，可滿足脫硫后對二類天然氣H2S含量檢測要求。

圖1 系統(tǒng)電路框圖Fig.1 System circuit diagram

1 測量原理

H2S電化學(xué)傳感器是利用H2S氣體分子在傳感器的敏感電極上發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)原理，此反應(yīng)導(dǎo)致傳感器的輸出電信號發(fā)生改變，通過測量該值從而得出氣體濃度的變化[2]。本設(shè)計采用高溫固體電解質(zhì)電化學(xué)傳感器，響應(yīng)速度快，結(jié)構(gòu)更為緊湊。

該類傳感器一般以陶瓷為材料，陰極發(fā)生如下反應(yīng)：

陽離子通過電解質(zhì)到達(dá)陽極，與H2S發(fā)生反應(yīng)：

或

該類固體電解質(zhì)具有良好的導(dǎo)電性，結(jié)構(gòu)緊湊、反應(yīng)穩(wěn)定，易于集成化。固體電介質(zhì)中存在開放通道，便于離子在通道中遷移；溫度越高，離子遷移速度越快，故電解反應(yīng)需在高溫下工作才能保證其活性。同時氣室的密封性、流量的穩(wěn)定及電解電壓的穩(wěn)定性對電解均會產(chǎn)生較大影響[3]。

2 系統(tǒng)設(shè)計

本系統(tǒng)分電路部分主要包括：電源供電電路、MCU核心板電路、傳感器信號采集電路、AD轉(zhuǎn)換電路以及接口電路5部分。其中，MCU采用32位100引腳的ARM微控制器STM32F103VET6，該芯片內(nèi)部集成有兩路12位模數(shù)轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換時間為1us，輸入通道達(dá)到16個，可直接滿足檢測裝置中的多點溫度、壓力及流量檢測要求。

2.1 電源電路設(shè)計

考慮到儀器電路可集成性，本設(shè)計選擇FAS30-24-N模塊作為主電源，該模塊輸入電壓范圍165V～265V，輸出為24V/1.25A，穩(wěn)壓精度達(dá)到±1%。根據(jù)設(shè)計要求，電路所需供電類別主要有通用觸摸屏A24V、STM32單片機(jī)供電D3.3V、檢測運放電路供電A5V、PT100電阻供電D12V（±1mV）、電流型H2S傳感器專用供電A5V和A3V（A為模擬電源，D為數(shù)字電源）。

通用觸摸屏供電24V直接由AC/DC模塊輸出即可。STM32單片機(jī)供電則需經(jīng)過3個步驟，24V電源輸出經(jīng)過LM2596S降壓型3A電流輸出線性穩(wěn)壓器，輸出電壓為5V，再由LP5907MFX-3.3超低噪聲低壓差穩(wěn)壓器輸出3.3V供給單片機(jī)，該設(shè)計避免了STM32單片機(jī)供電不穩(wěn)、噪聲大的問題。運算放大器供電的模擬5V電源則由MC7805BDTG正電壓調(diào)節(jié)器控制，輸入范圍為8V～35V，輸出恒定5V。

電源電路設(shè)計中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)為H2S傳感器供電電路。傳感器輸出為電流型，需配合電解高電壓120V以及精密電阻才能排除內(nèi)阻干擾和共模干擾，得到準(zhǔn)確檢測電流。因此，必須對24V直流電壓采取升壓措施。如直接采用傳統(tǒng)Boost變換器，輸入和輸出電壓相差很大，占空比接近1，升壓電感電流紋波變大，開關(guān)管關(guān)斷電流隨即增加，導(dǎo)致開關(guān)管的導(dǎo)通和開關(guān)損耗較大，變換效率較低[4]；并且傳統(tǒng)的Boost變換器在開關(guān)導(dǎo)通時只對電感充電，電源利用率不充分。該實驗裝置采用電容升壓電路，引入多個開關(guān)電容，通過增加電容使開關(guān)管導(dǎo)通時對電感、電容同時充電；關(guān)斷時輸入電源、電感、電容同時給負(fù)載供電，提高增益、減少占空比，使電源紋波減少、輸出穩(wěn)定，如圖2所示。

2.2 H2S傳感器電路設(shè)計

圖2 電容升壓電路Fig.2 Capacitance boost circuit

圖3 H2S傳感器電流檢測電路Fig.3 H2S sensor current sensing circuit

本設(shè)計采用某公司的三角式H2S傳感器，該傳感器20ppm內(nèi)輸出電壓為550μA～875μA，響應(yīng)時間T90=30s，重復(fù)性誤差±1%FS，溫度范圍-20℃～70℃，理想工作溫度45℃。如圖3所示的電流檢測電路，R71和R72為精密測量電阻，BAV199LT1G為低漏電流二極管，為電路提供電壓保護(hù)。電流經(jīng)精密電阻轉(zhuǎn)成電壓并通過濾波后以差分形式輸入到AD7794，根據(jù)AD要求基礎(chǔ)電壓檢測電平最低0.3V。因此，圖中R86作用是將GND抬高0.3V，同時保持檢測電壓Cell壓差不變。

AD7794為可編程的低功耗ADC，內(nèi)置Σ-Δ調(diào)制器、緩沖器、基準(zhǔn)電壓源和內(nèi)置數(shù)字濾波。如圖4所示，AD7794的可編程功能由片內(nèi)存器控制，DIN線路用于將數(shù)據(jù)傳輸至片內(nèi)寄存器，DO/RDY則用于從片內(nèi)寄存器獲取數(shù)據(jù)，SCLK是器件的串行時鐘輸入，CS用于解碼器件。芯片采用連續(xù)讀取模式，每次轉(zhuǎn)化完成時結(jié)果自動置于DO/RDY上，無需每次寫入通信寄存器以訪問數(shù)據(jù)。

器件有6路差分輸入，精度為24位。輸入信號Cell采用2路單極性的差分輸入，此時輸出碼為二進(jìn)制源碼，任意模擬輸入電壓的輸出碼可表示為：

其中：

AIN為檢測電壓Cell。

GAIN為儀表放大器增益設(shè)置，此處設(shè)置為1。

N為精度，24位。

VREF為基準(zhǔn)電壓，此處選擇器件內(nèi)置的基準(zhǔn)電壓1.17V。

上述電壓2路檢測采用的均為差分輸入，AD7794的抗噪能力相比傳統(tǒng)AD轉(zhuǎn)換更強(qiáng)，但必須考慮模擬供電段的去耦合。由圖可知電源模塊的供電12V經(jīng)MC7805BDTG三端線性穩(wěn)壓器輸出A5V電壓，經(jīng)過陶瓷電容濾波和退耦后送達(dá)DVDD；另一路則將現(xiàn)有A5V電壓經(jīng)過LP5907MFX-4.5超低噪聲低壓差穩(wěn)壓器后，以10nF、100nF和10μF陶瓷電容并聯(lián)，對AVDD去耦合到GND，同時系統(tǒng)AGND到DGND必須緊貼器件。最后使用100nF陶瓷電容對所有邏輯芯片去耦合到DGND。

2.3 溫度信號處理電路設(shè)計

考慮到傳感器存在最佳工作溫度，為保證測量的準(zhǔn)確性需對溫度進(jìn)行監(jiān)控。溫度測量元件則選用市面常用的PT100鉑電阻，該溫度傳感器精度高、穩(wěn)定性好、可靠性強(qiáng)，被廣泛應(yīng)用于工業(yè)自動化測量和各種實驗儀器儀表領(lǐng)域中[5]。以鉑電阻作為測溫元件進(jìn)行溫度測量的關(guān)鍵是能準(zhǔn)確地測量出金屬鉑的電阻值，本設(shè)計中的溫度要求為45℃，誤差±0.1，根據(jù)0.1分度高精度PT100分度表篩選40.0℃～50.0℃范圍內(nèi)的電阻值，利用最小二乘法進(jìn)行曲線擬合得出函數(shù)關(guān)系。

本設(shè)計溫度監(jiān)測范圍為40℃～50℃，采用最小二乘法進(jìn)行函數(shù)擬合，得出溫度與電阻值之間關(guān)系為：

本設(shè)計運放采用OPA376，該器件是新一代低噪聲運算放大器，可提供出色的直流精度和交流性能，低失調(diào)（最大25μV），低噪聲，950μA（最大值）靜態(tài)電流和5.5 MHz帶寬。此外，該器件具有相當(dāng)寬的電源電壓范圍和出色的PSRR。如圖5所示，PT100電阻以12V電壓與R91精密電阻串聯(lián)后分壓出來PT1-A作為運放的輸入，圖中電容作用是去耦合，精密電阻R29、R32、R33、R93作運放使用，輸出接二極管作穩(wěn)壓，輸出電壓信號Temp-Out經(jīng)過RC濾波后接入到STM32的12位AD進(jìn)行檢測。本設(shè)計采用了兩組溫度檢測電路，電壓信號送給STM32不同AD端口，目的是為了使測量結(jié)果更精確。

圖4 AD7794電路Fig.4 AD7794 Circuit

圖5 溫度檢測電路Fig.5 Temperature sensing circuit

根據(jù)串聯(lián)分壓原理，PT100電阻兩端電壓Vin為：

根據(jù)運放的“虛短”“虛斷”原理，端口3、4電壓均為Vin，端口1斷路。由串聯(lián)分流可知：流過R33的電流為流過R29和R32的電流之和，設(shè)R33和R32間節(jié)點電壓為Vx，

且流過R32的電流與流過R93及R41的電流相等，即：

聯(lián)立式（6）和式（7）可得：

式中各項精密電阻值已知，代入可得出PT100電阻與運放輸出電壓之間關(guān)系為：

聯(lián)立式（5）和式（10）可得出檢測溫度Temp與運放輸出Vout(mV)之間的關(guān)系：

圖6 軟件流程圖Fig.6 Software flowchart

得出溫度Temp與運放輸出Vout(mV)之間的關(guān)系后，可將算法寫入STM32用于OP376的運放電信號轉(zhuǎn)化。

2.4 軟件設(shè)計

本設(shè)計的軟件采用Keil5軟件編寫。系統(tǒng)首先需要發(fā)送控制字，寫入AD7794的工作模式以及采樣開始信號，同時運放電路對檢測氣室的溫度、壓力以及流量進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，并掃描觸摸屏上檢測H2S啟動鍵所對應(yīng)的觸發(fā)請求，請求觸發(fā)后開始啟動AD7794對H2S傳感器電流進(jìn)行采集，打開相應(yīng)的電磁閥，使樣氣進(jìn)入檢測室并開始檢測，且將各項數(shù)據(jù)通過R232協(xié)議上傳至HMI觸摸屏顯示。如圖6所示。

本設(shè)計通訊采用Modbus協(xié)議，Modbus作為一種開放式現(xiàn)場總線通信協(xié)議，以其支持較多類型的電氣接口，具有透明通信、幀結(jié)構(gòu)緊促、格式規(guī)范、易于傳輸?shù)膬?yōu)點，廣泛應(yīng)用于電子控制裝置上；Modbus采用主從通信方式，標(biāo)準(zhǔn)Modbus協(xié)議可以配合RS232和RS485物理接口使用[6]。本次通信采用Modbus RTU Slave模式，STM32作主站，HMI觸摸屏作從站，無校驗位，數(shù)據(jù)位為8，波特率115200。

3 系統(tǒng)測試

根據(jù)設(shè)計要求，系統(tǒng)測試采用含量為10ppm H2S的標(biāo)準(zhǔn)氣體進(jìn)行，流量控制在200mL/min，工作溫度為45℃。在測量前必須將儀器通入含量為99.9%的N2進(jìn)行氣路清洗工作。

圖7 系統(tǒng)測試結(jié)果Fig.7 System test results

表1 檢測結(jié)果分析Table 1 Analysis of test results

首先用專用減壓閥與氣瓶相接，將流量調(diào)至600mL/min左右，接到樣氣入口并調(diào)節(jié)閥門，使輸出流量為200mL/min;按下HMI觸摸屏的測量啟動鍵，指示燈亮，樣氣進(jìn)入傳感器進(jìn)行檢測，并顯示含量變化，然后經(jīng)測量流量計放空；10min后測量結(jié)束。

測試階段每隔30s左右記錄一次數(shù)據(jù)，如圖7所示。檢測裝置從開始到穩(wěn)定檢測耗時約5min之后儀表數(shù)據(jù)趨向穩(wěn)定，數(shù)值在9.99ppm～10.02ppm上下浮動，誤差在±0.1 ppm內(nèi)，符合預(yù)期要求。

為保證系統(tǒng)的正常運行，對本裝置進(jìn)行穩(wěn)定性試驗。依然采取含量為10ppm的H2S標(biāo)準(zhǔn)氣體，在清洗氣路后，確保流量值為200mL/min、檢測溫度為45℃，解除電磁閥控制，連續(xù)進(jìn)行5次測量，得到數(shù)據(jù)如表1所示。從表1中可看出在5次測量下系統(tǒng)可穩(wěn)定工作，檢測輸出范圍為9.99ppm～10.08ppm之間，誤差波動范圍小于1%，隨檢測次數(shù)增多，H2S含量略有上升，原因可能是傳感器周圍有剩余H2S殘留，每次儀器吹掃時間較短。

4 結(jié)論

本文基于H2S電化學(xué)原理，進(jìn)行了一種微量H2S檢測系統(tǒng)設(shè)計。對AD轉(zhuǎn)化電路、H2S傳感器檢測電路、溫度信號處理電路等進(jìn)行了設(shè)計探討，以含量為10ppm的H2S標(biāo)準(zhǔn)氣體對系統(tǒng)進(jìn)行測試實驗；實驗結(jié)果顯示該系統(tǒng)的檢測數(shù)據(jù)始終在10.02附近波動；經(jīng)5次不間斷地連續(xù)檢測，該實驗設(shè)計通過了穩(wěn)定性測試，檢測波動范圍小于±0.1。該實驗裝置具有較響應(yīng)時間快、結(jié)構(gòu)簡單、性價比高、便于集成的優(yōu)點，可滿足國家標(biāo)準(zhǔn)中的二類天然氣檢測需求。