流程工业气体浓度在线检测系统的研究

孙 林 陆绮荣 黄媛媛 王 涛

(桂林理工大学机械与控制工程学院1，广西 桂林 541004;桂林理工大学现代教育技术中心2，广西 桂林 541004)

0 引言

在自动化测量仪器领域，虚拟仪器技术已成为测试测量行业的发展方向。由美国国家仪器公司提出的“软件及仪器”思想经过20多年的发展，正逐步替代传统仪器仪表通用的测量模式。随着计算机的普及和电子信息技术的快速发展，构成虚拟仪器的软硬件系统正朝着通用化、模块化和高速化方向发展［1］。

本文设计开发的流程工业气体在线检测设备需要对工业过程中乙醇、CO、CO2、O2、HCl、HF 和 NH3等气体的参数进行实时监测、存储和分析。所测数据通过网络传输到各子工作站，实现信息共享［2］。为实现这些功能，不仅需要性能可靠、端口资源丰富的硬件支撑，而且要求操作简便、具有丰富的信号分析处理算法功能、数据的存储和传输易于实现的软件平台。综合考虑性价比、开发周期和系统功能扩展性等因素，采用虚拟仪器是比较好的选择［3］。

1 系统硬件结构

1.1 系统功能

本系统采用气体传感器、数据采集卡、信号传输装置和PC机来实现流程工业气体浓度等参数的实时采集、处理、记录、显示、存储、分析以及远程通信等功能。目前，流程工业中的检测参数为CO2、乙醇和O2等气体和环境的温度。

系统功能框图如图1所示。

图1 系统功能框图Fig.1 Functional block diagram of system

1.2 硬件结构

系统硬件包括乙醇气体传感器、CO2气体传感器、温度传感器、PCI-6259数据采集卡、SCB-68接线端子盒、交换机和各客户端计算机等。

系统硬件结构如图2所示。

图2 系统硬件框图Fig.2 Hardware of the system

乙醇气体传感器选用MQ-303A，这是一种二氧化锡半导体型酒精气体传感器，具有响应快速、功耗低和精度高等特点。该传感器采用二氧化锡薄膜作为敏感材料，敏感材料的电阻在一定的工作温度下随被测环境中吸收气体分子的变化而变化。通常还原性气体使电阻减小，而氧化性气体使电阻增大。

通过测量电阻变化的输出信号，可得到与气体特性相对应的气体浓度值。浓度测量范围为38.2～1910 mg/m3、使用温度范围为 －20～+50℃、加热电压范围为(0.9±0.1)V、回路电压小于6 V、总功耗小于140 mW。

测量电阻变化的公式为:

式中:RS、RS0为敏感体电阻，Ω;RL为负载电阻，Ω;VL为负载电压，V;VC为测试回路电压，V;C0、C1为气体浓度，mg/m3;α为电阻比。

MQ-303A传感器电路如图3所示。

图3 MQ-303A传感器电路图Fig.3 Circuit of MQ-303A sensor

温度传感器选用由美国国家半导体公司所生产的LM35A，其输出电压与摄氏温度呈线性关系。供电电压范围为－0.2～ +35 V，输出电压范围为 －1.0～+6 V，输出电流为10 mA，指定温度范围为 －55～+150℃、精度为 ±0.4 K。

NI公司的数据采集卡PCI-6259是一款基于PCI总线32路模拟输入通道、4路模拟输出通道、48路TTL/CMOS电平的数字I/O端口的高速采集卡。它采用16 bit高速A/D转换，采样率达2.8 MS/s，数字时钟可达10 MHz。测量模式分为差分测量模式(differential mode)、参考地单端测量模式(referenced single-ended mode)和无参考地单端测量模式(non-referenced single-ended mode)3 种方式［4］。模拟输入通道增益可独立编程，分为7个等级，输入范围分别为±100 mV、±200 mV、±500 mV、±1 V、±2 V、±5 V和±10 V。在±5 V时，量化精度达到160 μV。

模拟输入信号的采集采用差分信号输入，根据仪器实际接地系统的不同，选择不同的差分输入电路。接地系统采用隔离与非隔离输出分开，从而保证了测量电信号的准确性和可靠性。PCI-6259采集卡板载缓存空间和计算机内存缓存区域的灵活配置，实现了采样数据的快速、海量存储和实时的图形化显示［5］。

2 系统软件设计

该系统基于Windows XP等操作系统，性能优越、可靠。LabVIEW的运行机制是一种带图形控制流结构的数据流模式，能够快捷、可靠地创建多线程应用程序系统［6］。依据模块划分，应用程序可分为用户界面、数据采集和仪器控制3个进程。数据采集流程如图4所示。

图4 数据采集流程图Fig.4 Flowchart of data acquisition

2.1 实时气体浓度监测界面

实时气体浓度显示模块用于用户监测气体浓度参数和控制设备。该面板既要能够显示一定量的信息，又要符合现场操作人员的使用习惯。设计界面由气体浓度监测区实时更新测量的气体浓度值、系统温度值和设备的运行状态3部分组成。实时数据采用表格的形式显示，同时用曲线形式显示所监测气体浓度数据的历史趋势。显示的采样间隔、曲线刷新周期和浓度范围都可预先设置。设备设置包括气体选择、停止设备和退出系统按钮，实现对硬件设备的控制。功能设置包括远程通信和数据存储按钮，可实现系统的信息管理和业务功能。

2.2 数据记录与查看

本模块将气体浓度的详细信息存入本机硬盘，可供用户调用查看和数据的分析处理。LabVIEW提供了多种数据存储方式，包括文本文件、电子表格文件、二进制文件、数据记录文件和波形文件等。本系统采用了电子表格文件的存储方式，用来将采集到的数据数组(包括浓度值与对应的时间)转换为ASCII码并存放在电子表格文件中。用户采用Excel等电子表格软件可以快速查看数据。该方法存储数据数组方便，且所需的硬盘空间相对较小。

2.3 网络传输

网络传输模块采用LabVIEW的DataSocket技术，实现了网络计算机之间现场数据的交换。DataSocket克服了传统TCP/IP传输协议需要较为复杂的底层编程、传输速率慢等缺点。对于现场数据的传输，DataSocket支持 NI-PSP、DSTP、OPC 和 LOOKOUT 等多种协议［7］。本系统采用 DSTP协议进行现场数据传输，多台客户机可以同时访问服务器。在使用DataSocket之前，用户必须在DataSocket Server Manager中建立预定义数据项和进行相应的各种配置，如设置服务器可连接的最大客户机数、许可组(客户端的计算机名或IP地址)以及数据项的访问权限等。配置完成后，启动DataSocket Server，即可进行远程数据传输。

2.4 数据分析

历史数据分析是独立的程序模块，其处理比较灵活。通过选定不同的参数，可以进行误差分析，获得不同特性的历史数据曲线，从而提高系统的测量精度和灵敏度。本系统对测量中的系统误差、随机误差和粗大误差进行分析处理，实现了对前级系统的参数调整，完成了对自动控制系统的反馈调整。

3 测试实例

本系统在乙醇气体在线检测的应用过程中，实现了数据的海量存储和现场信息的快速发布。目前市场上的在线气体分析系统中央分析仪器大多采用工控盒，以单片机或嵌入式处理器为核心完成信号处理，LCD模块为显示界面，数据传输使用 RS-232接口等［8］。这些测试系统开发周期长、消耗人力资源多、功能模块的扩展性欠佳。通过使用NI公司提供的PCI-6259高速数据采集系统和LabVIEW软件平台可以方便、可靠地完成在线气体检测。

以乙醇气体测量为例，具体的工作过程为:将乙醇气体传感器模块置于气室内，传感器模块上电;然后在PC机打开“气体浓度检测系统V1.0(服务器)”软件，进入系统界面参数设置，设置完成后选择界面菜单“文件”/“启动设备”，即开始测量。在功能设置中，可根据需求选择远程通信、数据存储功能。服务器端获取气体浓度实时曲线结果如图5所示。

图5 气体浓度实时曲线Fig.5 Real-time curve of gas concentration

系统通过DataSocket技术实现远程数据传输，用户在客户端(子站)获得气体浓度、温度等监测数据。

4 结束语

本系统软件全部采用LabVIEW编写，硬件采集部分采用NI公司的PCI-6259数据采集卡。数据采集卡驱动使用LabVIEW的NI-DAQmx驱动程序，通过PCI总线插槽与计算机连接，数据传输速率快、可靠性高［9］。LabVIEW提供强大、丰富的接口资源和数据处理功能，使软件界面更人性化，系统功能易定制和升级。硬件部分采用基于半导体激光气体检测原理的传感器和相应电路，可实现对CO、CO2气体的高速、高灵敏度的在线检测［10－12］。项目后续工作是实现流程工业中排污特殊气体HCl、HF、NH3的检测。

［1］黄汉桥，周军，于晓洲.基于LabVIEW和DAQ的导弹通用测试平台设计与仿真［J］.测控技术，2009，28(7):64－67，71.

［2］雷振山，魏丽，赵晨光，等.LabVIEW高级编程与虚拟仪器工程应用［M］.北京:中国铁道出版社，2009:162－184.

［3］任璐娟，韩焱.基于LabVIEW和PCI-5124的数据采集系统设计［J］.电子设计工程，2010，18(2):31 －33.

［4］柴敬安，廖克俭，张红朋，等.LabVIEW环境下的虚拟数据采集与分析系统［J］.自动化仪表，2007，28(5):180 －181.

［5］Zhao Huibin，Jin Jianxun.LabVIEW and PCI DAQ card based HTS test and control platforms［J］.Journal of Electronic Science and Technology of China，2008，6(2):198 －204.

［6］林康红.基于LabVIEW的远程虚拟仪器多线程技术［J］.自动化仪表，2003，24(8):25 －27.

［7］张玉萍，荣见华，付俊庆，等.基于LabVIEW的网络通信技术研究［J］.自动化仪表，2004，25(4):21 －23.

［8］叶敦范，袁常聪，李虹杰.差分吸收光谱法烟气监测的硬件实现［J］.微计算机信息，2008，24(1):67 －69.

［9］郑鹏.基于虚拟仪器技术的气体检测系统设计和研究［D］.合肥:中国科学技术大学，2009.

［10］赖薇，钱进，原宗.光学检测法用于工业气体检测的研究［J］.工业安全与环保，2007，33(5):37 －39.

［11］柳明洙，刘永强，刘博，等.一种基于虚拟仪器建立的电压闪变监测方法［J］.中国测试，2009，35(3):118 －120.

［12］李启斌，陈建业.基于虚拟仪器的电压闪变测量模块设计［J］.大功率变流技术，2008(6):55－58.