孫 里,王曉榮,趙玲寶,邵林莉,莫小凡,吳 棋
(南京工業(yè)大學電氣工程與控制科學學院,江蘇南京 211816)
目前,氣相色譜儀相對比較成熟,國內外也有很多的生產(chǎn)廠家。與國外產(chǎn)品相比,國內的光離子化氣相色譜儀(GC-PID)存在著較多的同質性[1-2]。國外產(chǎn)品具有相對較好的性能,但價格昂貴。隨著國家對環(huán)境監(jiān)管的日趨嚴格,面向揮發(fā)性有機物(VOCs)在線監(jiān)測的氣相色譜儀需求量越來越大,而目前國內在線式的GC-PID產(chǎn)品較少,尤其是高性能的在線式GC-PID更少[3]。針對環(huán)保領域對極低濃度VOCs在線監(jiān)測的需求,本課題基于嵌入式領域高性能芯片STM32F767擬對高性能在線式GC-PID的關鍵技術展開研究,包括光離子化檢測器(PID)光源驅動、高精度溫度控制、信號采集與人機交互等,以期形成一個完整的GC-PID系統(tǒng)。
色譜儀開始工作后,吹掃氣將管道中的其他成分氣體排出,載氣攜帶樣氣通入管道,所有氣體通入管道前都會經(jīng)過預處理設備,排出氣體中的水蒸氣、雜質等干擾實驗結果的成分。氣體進入色譜柱后,混合組分會進行分離,分別進入光離子化檢測器,在檢測器中離子化為微電流信號。經(jīng)過放大器放大后的電信號經(jīng)過濾波處理,由微控制器采集后傳輸給上位機,上位機會將數(shù)據(jù)以譜圖的方式展現(xiàn)出來并對其進行定性和定量分析,色譜儀工作流程如圖1所示。
圖1 氣相色譜儀工作流程
GC-PID的柱箱和檢測器等對溫度都有要求,所以本儀器提供了溫度控制模塊。氣路方面采用EPC(electronic pressure control)對氣流進行數(shù)字化控制,以獲得最佳流速比,提高色譜儀自動化程度。上位機方面對比國內外色譜儀的人機交互界面,滿足基本功能的同時致力于提升用戶的使用體驗,儀器的主要功能模塊如圖2所示。
圖2 儀器功能
本GC-PID采用STM32F767微處理器作為主控芯片,這是一款搭載32位RISC內核Cortex-M7的高性能芯片,工作頻率高達216 MHz,支持SPI、I2C、USART等通訊接口,擁有ADC、DAC等模擬功能,外設資源豐富滿足設計要求。PID檢測器的光源選用真空直流放電紫外燈,該燈能量合適,性能穩(wěn)定。信號檢測模塊選用運算放大器AD549JH,該放大器特別適用于低輸入電流和低輸入偏置電壓的場合。為了屏蔽機箱內部的信號干擾,測溫模塊選用鎧裝鉑電阻Pt00,確保溫度測量的準確性。上位機選用SK19GA工控一體機,且支持觸摸。電源模塊則根據(jù)各模塊電路的不同需求而設計。GC-PID整體的硬件框架如圖3所示。
圖3 硬件框架
根據(jù)真空直流放電紫外燈的數(shù)據(jù)手冊,該燈需要250 V的直流電壓且電流不超過2 mA,設計了相應的外圍驅動電路。光源驅動電路采用Royer架構電路,該電路是1個自激推挽式DC-AC升壓變換電路,由阻尼電感,續(xù)流二極管,2個NPN三極管,2個基極電阻,1個諧振電容及有3個繞組的變壓器構成。7 V的直流電壓經(jīng)過該電路后在圖中的變壓器次級按照特定的頻率進行簡諧振蕩,再經(jīng)過倍壓整流電路輸出紫外燈所需的工作電壓,紫外燈兩端的電壓及流過的電流可根據(jù)與之串聯(lián)的電阻的不同選型來調節(jié),光源驅動電路如圖4。
圖4 光源驅動電路
電離點位不高于光能量的化合物進入PID檢測器后發(fā)生光電離,產(chǎn)生極微弱的離子流,PID離子室的本底電流約為10-14A,一旦待測物通入檢測器,離子流會增大但也很微弱。該離子流經(jīng)過放大器的高阻值、高精密電阻,轉化成能被數(shù)據(jù)處理單元采集的電壓信號,該電壓信號與放大器的輸入阻值成正比,且可以通過控制繼電器U17、U18和U19的通斷來選擇放大的倍數(shù)。由于放大器的輸入電流極其微弱,選用了具有極低輸入偏置電流的單片電路靜電計型運算放大器AD549JH,該型號的運算放大器最大的偏置電流為250 fA,滿足設計要求,檢測電路如圖5所示。
圖5 檢測電路
為了消除檢測電路中輸入電阻的基流,采用如圖6所示的基流補償電路,該電路的輸出范圍為-7~7 V且大小可調。實際中,我們一般會在進樣前調節(jié)可調電阻U20以提供一個反向補償電壓進行基流補償,將信號的基線調節(jié)至0。
圖6 基流補償電路
考慮到隨溫度的升高,PID檢測器的響應值下降且紫外燈的使用壽命會縮短以及色譜柱對溫度的要求[4-5],設計了如圖7所示的溫控電路。選用工業(yè)中常用的鉑電阻測溫方案,用查表法或內插法計算溫度[6]。將鉑電阻接入惠斯登電橋,且采用三線制接法,避免由于引入導線電阻使得測量精度變低的問題。溫度的變化會使電橋產(chǎn)生mV級的壓差,我們采用高精度儀表放大器AD620對該電壓進行放大,有效抑制共模干擾且放大倍數(shù)可調。主控芯片通過輸出PWM波控制光耦MOC3063的通斷來控制后端加熱棒的加熱狀態(tài)以達到控溫的效果。
(a)測溫電路
(b)加熱電路圖7 溫控電路
GC-PID下位機軟件主要處理的任務有數(shù)據(jù)的采集、處理和傳輸,EPC氣路控制,溫度控制,與上位機通訊等。任務較多,功能復雜,需要合理規(guī)劃各任務間的調度關系。為了提高軟件的實時性能,降低任務間的耦合,軟件移植了實時嵌入式操作系統(tǒng)FreeRTOS。該操作系統(tǒng)提供任務管理、時間管理、信號量、消息隊列、內存管理等功能且內核同時支持優(yōu)先級調度算法和輪換調度算法。FreeRTOS是1個可裁剪的小型RTOS系統(tǒng),免費、可移植性高,能有效節(jié)約儀器開發(fā)成本。FreeRTOS用戶會給每個任務線程分配1個優(yōu)先級,任務調度器就可以根據(jù)此優(yōu)先級來決定任務線程的調度順序,線程設計如圖8所示。
圖8 下位機軟件線程設計框架
GC-PID上位機軟件主要功能有將測得的色譜數(shù)據(jù)通過譜圖的方式展現(xiàn)出來并對其進行定性和定量分析,對歷史數(shù)據(jù)和告警數(shù)據(jù)進行保存,提供接口讓使用人員設置溫度控制和氣路控制的參數(shù)等。上位機軟件選用WPF(windows presentation foundation)進行開發(fā),WPF是微軟推出的基于Windows的用戶界面框架,最大的優(yōu)勢在于圖形界面和代碼獨立開發(fā),用統(tǒng)一的XAML標簽語言進行UI設計,簡化圖形界面開發(fā),用C#完成后端代碼實現(xiàn),顯著縮短開發(fā)周期,界面設計框架如圖9所示。
圖9 上位機界面設計框架
色譜儀的檢測指標包括靈敏度、基線噪聲、基線漂移、重復性、檢測限等。靈敏度(S)指變化為Δm的物質的量通過檢測器時該物質的響應值變化率為ΔR,如式(1)所示:
S=ΔR/Δm=A/m
(1)
式中:A為色譜峰面積,μV·s;m為質量,g。
基線噪聲(N)是系統(tǒng)由于各種因素引起的基線波動,且是最小檢測限(MDL)的影響因子之一。最小檢測限是指檢測器產(chǎn)生2倍于基線噪聲時,單位時間內進入檢測器的組分的量,如式(2)所示:
MDL=2N/S=2Nm/A
(2)
式中:N為基線噪聲,μV;MDL為最小檢測限,g/s。
檢測器的靈敏度越大越好,但在實際中,儀器噪聲會隨靈敏度的增大而增大,導致信噪比下降,而最小檢測限能直接反映靈敏度和噪聲的變化關系。綜上所述,在實驗中選用最小檢測限作為本儀器的重要性能指標之一。
實驗條件:(1)紫外燈電流為2.0 mA,電壓為250 V;(2)柱溫為60 ℃;(3)進樣口流量為40 mL/min,柱流量為2 mL/min,檢測器流量為20 mL/min。按照該實驗條件,待儀器運行穩(wěn)定,測得30 min GC-PID的基線噪聲為50 μV,基線漂移為90 μV/30 min,基線噪聲如圖10所示。
圖10 GC-PID基線噪聲圖
按照上述實驗條件,基線穩(wěn)定后,通入1 μL濃度為100 ppm(1 ppm=10-6)的苯/二氯甲烷,GC-PID的色譜圖如圖11所示,2.4 min左右出峰的是苯,重復實驗6次,6次苯的平均峰面積為82 074.1 μV·s,相對標準偏差為0.012,最小檢測限為5.9×10-12g/s。
圖11 GC-PID色譜圖
國內最新的氣相色譜儀檢驗標準是JJG700-2016,但其中并沒有涉及GC-PID的檢驗標準,參照GC-FID(火焰離子化氣相色譜儀)的標準對GC-PID進行分析。對比結果如表1所示,最小檢測限比GC-FID高一個數(shù)量級。由實驗數(shù)據(jù)和比較結果可知,本GC-PID性能穩(wěn)定,重復性好,最小檢測限低。
表1 GC-PID與GC-FID性能比較
本課題研究的GC-PID是對嵌入式高性能芯片STM32F767的實際應用,并提供了GC-PID具體的硬件設計方案和上、下位機軟件設計方案。通過實驗測試該色譜儀的噪聲、最小檢測限、重復性等重要指標。實驗表明,該GC-PID具有以下特點:
(1)滿足環(huán)保領域對極低濃度VOCs在線監(jiān)測的需求,在進樣、溫度流量控制、信號采集等方面自動化程度高;
(2)擁有實用、友好的人機交互界面,對采樣數(shù)據(jù)進行實時分析并生成和保存分析報告;
(3)性能穩(wěn)定,重復性好;
(4)精準的痕量分析,最小檢測限精度可達1×10-12g/s。