基于ARM的残氧浓度检测装置的设计

王骏鹏 王玉峰 邓鑫 张智圣 乔大为

摘  要： 工业炉窑中烟气氧含量可直接反映炉内燃烧状况，氧含量的测量对于提高燃料的燃烧效率，有效地减少环境污染具有重要的意义。文中基于氧化锆传感器设计残氧浓度检测装置，介绍氧化锆传感器测量氧浓度的原理，设计残氧浓度检测装置，包括氧浓度测量电路、温度控制电路、4～20 mA输出电路以及人机界面等;在程序设计中采用分段式PID控制算法提高传感器的控温精度和稳定性。所研制的残氧浓度检测装置已经投入实际应用，具有测量精度高、可靠性高和性价比高等优点，并且有非常好的市场前景。

关键词： 残氧浓度检测; 检测装置; 程序设计; 电路设计; 燃烧效率; PID控制

中图分类号： TN911.23?34                     文献标识码： A                       文章编号： 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，我国市场上的氧量分析仪几乎由外国垄断，价格昂贵。如何打破国外专利保护与壁垒，成为国内业界研究的重点课题之一。

鉴于此，本文根据氧化锆传感器测量氧浓度的原理，采用STM32F405RG作为核心控制器，设计基于氧化锆传感器的一套控温精度高和稳定性好的性能优良的残氧浓度检测装置。本装置已经投入实际应用，各项目性能指标可以替代国外同类产品。

1  氧化锆传感器测氧原理

氧化锆氧传感器是一种利用浓差氧电势来测定氧含量的传感器。在氧化锆传感器中，当氧化锆管与电极界面处两侧氧浓度不同时，两侧就存在氧位梯度，高氧位端向低氧位端传递，两侧处分别发生电极反应，两个电极间便产生一定的电动势[1]，见图1。

根据能斯特公式可得浓差电势大小：

[E=RTNF·lnP（1）O2P（2）O2]    （1）

式中：R为气体常数;T为绝对温度;N为参加反应的电子数（N=4）;F为法拉第常数;P（1）为参比气体氧浓度百分数，一般为21%;P（2）为测量气体氧浓度百分数。式（l）称为能斯特方程，由于R，F，N为常量，所以当温度为720 ℃，被测气体含氧量P（2）与氧浓差电势值成单值对应关系。

图1  氧化锆电解质中氧的传递

在氧化锆传感器的实际应用中，需要对能斯特方程进行仪表化处理，可实现恒温测量，提高测量精度和延长传感器的使用寿命。处理公式为：

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

式中：[K=（T-ΔT）T]。因采用恒温测量，[T]为常数，[ΔT]随氧化锆管的老化而变化，但规定[ΔT]为定值，因此K是个常数，称为斜率修正系数;[E0=E′0+C]，[E′0]为当温度为T时无气流冷却效应下的本底电势，而C则表示气流冷却对本底电势的影响，因此[E0]就表示在温度为T，一定流量气流冷却时的本底电势[2]。

在1个标准大气压值和空气中的氧浓度为21%时，式（2）可变为：

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

则被测气体中氧含量计算公式为：

[P（2）O2（ATM）=0.21·exp-46.421ET] （4）

2  硬件系統设计

残氧浓度检测系统结构框图如图2所示，采用STM32F405RG作为主控制器，通过氧化锆传感器进行测量，包括氧浓度测量、温度控制、测温、4～20 mA输出以及人机界面等电路[3]。残氧浓度检测装置硬件电路硬件电路如图3所示。

图2  残氧浓度检测系统结构框图

图3  残氧浓度检测装置硬件电路

2.1  氧浓度测量电路

氧化锆传感器输出的氧电势是mV量级，易受外部环境的电磁干扰，特别是对弱信号的提取检测[4]。设计的氧浓度测量信号调理电路如图4所示，包含三部分功能：首先，信号输入前端采用高精度仪用放大器AD620对输入信号进行放大，通过电阻R30来选择增益[5];然后，信号经二阶有源低通滤波器滤除高频电磁干扰[6];最后，调理后的信号送入16位高精度ADS1110进行采样，通过I2C协议将氧浓度数据送给主控制器ARM。

2.2  温度控制电路

氧化锆传感器工作时温度需要恒定且达到650 ℃以上，一般工作温度保持在720 ℃。设计的温度控制电路由温度检测和温度调节构成。系统选用K型热电偶作为温度传感器，采用具有冷端补偿功能的热电偶数据转换器MAX6675进行温度采集，通过SPI协议将温度数据送给主控制器。主控制器ARM根据采集的数据采取分段PID算法控制加热功率[7]，使氧化锆传感器稳定工作在720 ℃。系统通过固态调压器调节加热体的发热功率来控制温度，其电路见图5。固态调压器和加热丝串接在220 V，50 Hz交流电回路中，固态调压器的输入端通过接收ARM输出的4～20 mA控制信号来调节加热体的发热功率。由于氧化锆传感器中的加热体最大工作电压为110 V，所以在回路中串联一个整流二极管。

图5  固态调压器控温电路

2.3  氧浓度输出电路

氧浓度检测装置检测的氧浓度信号除了在人机界面显示以外，还可以通过标准4～20 mA信号送给调节器。为保证信号准确可靠，选择16位高精度电流源DAC芯片AD5420。为了防止瞬态过电压损坏芯片，在输出线路上并联功率二极管和瞬态电压抑制器，并串联小电阻抑制浪涌电流[8]。电流信号输出电路见图6。

图6  电流信号输出电路

2.4  人机界面

系统采用HMI串口触摸屏作为人机界面，ARM与显示屏通过串口交换指令和数据，在屏幕上显示氧浓度和温度，并可以控制加热和设定PID参数。

3  程序设计

3.1  主程序流程

本文设计的氧浓度检测装置的主控制器采用32位高性能ARM芯片STM32F405RG，程序流程图见图7。首先测量温度，调节加热功率，判断是否达到工作温度。如果温度符合要求并且稳定，则读取此时的氧电势信号，在上位机显示并输出4～20 mA电流信号给调节器。

图7  主程序流程图

3.2  控温算法

氧化锆传感器是具有大滞后和惯性的系统，其工作温度较难精确控制。本文提出一种分段PID?模糊控制器应用于氧化锆传感器的温度控制，图8是模糊控制器结构框图。温度控制分为3个阶段：在控制开始时，为了提高系统的快速性，采用Bang?Bang控制，系统处于升温阶段，温度误差较大;当温度误差减少到一定范围，即由升温转向恒温控制阶段时进行算法的变换，采用模糊控制;等到温度误差进一步减少到较小范围时，模糊控制中模糊变量所对应的温度段相对变窄，误差语言变量的语言值为0时，切换至PID控制[9]，从而可以达到良好的控制效果。

图8  模糊控制器结构框图

图9是实验测得的氧化锆传感器温度控制曲线，可以看出该算法充分提高了模糊控制器的利用率，减小了超调，改善了动态特性，提高了平衡点的稳定度[10]。

图9  恒温控制曲线图

本文设计的残氧浓度检测装置如图10所示，以32位ARM控制器为核心，通过先进的分段式PID控制算法调节温度，采用高精度仪用放大器和16位A/D采集残氧浓度，最小测量可达到1 ppm。

图10  氧化锆传感器和残氧浓度检测仪表

4  结  论

本文基于氧化锆传感器设计残氧浓度检测装置，具体包括氧浓度测量电路、温度控制电路、4～20 mA输出电路以及人机界面等部分。通过性能测试，结果表明本装置具有测量精度高、可靠性高和性价比高等优点;并且已经投入实际应用，具有非常好的市场前景。

注：本文通讯作者为王玉峰。

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