基于NDIR原理的多组分气体在线监测系统的设计与实现

叶 刚 赵 静 陈建伟

1(埃森哲(中国)有限公司先进技术中心 上海 200072)2(中国科学院上海硅酸盐研究所 上海 201800)

0 引 言

城市管网重大危险源主要指下水道及化粪池等设施中的可燃及有毒有害气体。由于城市管网环境潮湿、相对封闭，废水、排污物分解大量易燃易爆、有毒有害气体如CH4、H2S、CO、SO2等积聚在管网的空间里，如果不能及时抽排处置，一旦浓度超标，就有可能造成爆炸或人员中毒的事故。由于此类危险源处于人口密集城市地区，一旦出现事故极易造成群死群伤，其社会影响极为恶劣，同时还会造成巨大的经济损失。例如：1985年6月27日，重庆市渝中区大溪沟罗家院地区下水道突然发生大爆炸。强烈的爆炸力炸毁下水道及化粪池271米，81户居民住房和几家商店倾刻间化为乌有，26人死亡、91人受伤，局部地区断电、断气，损失严重。2002年9月10日，重庆市南岸区农贸市场化粪池爆炸，造成3人死亡、21人受伤。2012年2月9日，广西南宁市华东路下水道爆炸，3个井盖炸飞，造成2人受伤。2013年11月22日，中石化青岛输油管线泄漏的原油进入下水道引发爆炸案，造成62人死亡，136人受伤，直接经济损失7.5亿元。2014年7月31日午夜，台湾高雄煤气地下管网泄露到下水道发生爆炸，该市前镇区逾6公里长的数条街道因爆炸而塌陷碎裂，事故造成26人遇难，280人受伤。近几年城市管网气体爆炸事故导致的安全问题，对市民生命财产构成严重威胁，已引起社会公众的强烈关注和担忧。因此，对城市各种地下管网气体监测的研究已经引起了有关各方的广泛关注。广州、北京、重庆等城市管理部门较早意识到了城市管网气体中潜在的危害，在国内率先开展了对城市管网内易燃易爆有毒有害气体的监测。为此，国家制定了《GB/T 28888-2012下水道及化粪池气体监测技术要求》[1]的试行国家标准来规范监测系统的建设。但是，从各地系统建设的工程实践结果来看，传统的电化学法传感器在此类应用环境中存在敏感单元快速失效、设备有效使用周期急剧缩短的问题，为用户单位带来了大量的维护和使用成本，使得各地管理部门普遍处于系统有钱建设却用不起的尴尬境地。所以，急需一种可以在此类使用环境中低成本、长期稳定运行、维护量低的新型传感器和与之配套的在线监测系统。

1 传感原理

热释电材料是一类具有自发极化，且极化强度随温度能发生变化的材料。经过频率调制的热辐射到达热释电材料表面时，材料温度的变化会引起极化强度发生变化。宏观上，此时在热释电材料两电极之间连接导线，可以从回路中测得热释电信号。二元三方的铌镁酸铅-钛酸铅((1-x)PbMg1/3Nb2/3O3-xPbTiO3，PMN-xPT)弛豫铁电单晶具有远远超过传统铁电热释电材料(钽酸锂单晶、钛酸钡陶瓷等)的热释电系数[2]，因而可以显著提高热释电红外探测器的灵敏度，为有毒有害气体监测报警系统的搭建提供了良好的基础。此外，相比于电化学探测方法，基于热释电效应的气体探测技术的优势在于避免了传感材料长时间工作后的“中毒”现象，从而大大降低了系统的维护成本。

基于非分散红外(Non-dispersive infrared，NDIR)光谱吸收原理的多组分爆炸及有毒有害性气体监测报警系统，以Beer-Lambert定律[3]为理论支撑：

I=I0e-kcl

(1)

式中：I为热辐射经过目标气体后被PMN-xPT热释电探测器接收的辐射强度；I0为热辐射源经过目标气体之前的总辐射强度；k为气体分子吸收系数；c为目标气体浓度；l为热辐射从辐射源通过目标气体到达探测器的有效光程。

存在偶极矩变化的气体分子往往对特定波长的红外光产生不同程度的吸收，因此针对目标气体采用与其红外吸收特征峰对应的滤光片，再通过测量红外光通过目标气体到达热释电探测器产生的热释电输出信号来获得其浓度信息，从而实现对有毒有害气体的有效监测。

2 总体结构

系统主要由前端监测子站、通信网络、云中心后台系统以及用户监控前台系统等构成。系统整体结构如图1所示。采用4G移动通信网络完成前端监测子站和云中心后台系统之间的数据传输，用户监控前台系统通过Internet实现对各个前端监测子站数据的远程监控和控制。云中心后台系统根据设定报警规则自动进行数据分析，当发生各种报警和预警状态后通过自动推送各种报警和预警信息到监控前台系统的监控终端设备，通知监控人员及时进行处理。

图1 系统总体结构

3 监控子站

监控子站由多组分气体浓度分析仪、物联网网关、超声波液位计、气体采样探头、真空泵、气水分离和干燥处理装置、开关量I/O模块、控制继电器、排气泵、多通道电磁阀、电源管理器和后备电池等设备构成。其系统结构如图2所示。

图2 监测子站系统结构图

气体采样探头内置超声波液位计的探头，并通过气体采样管路，利用真空泵产生的负压将管道内部气体吸入监测子站，并通过气水分离和干燥处理装置除去气体中的水气，进入多组分气体浓度分析仪进行各组分气体浓度的检测。物联网网关通过RS232接口采集各组分气体浓度数据和进气口的温湿度数据，并通过移动网络上传云中心。当气体浓度超过一定的阈值，物联网网关负责向开关量I/O模块发出指令，通过继电器控制排气泵启动以降低管道内部气体浓度，当浓度低于设定阈值后关闭排气泵。考虑到使用现场可能存在停电可能，所以采用了一个DC12V/7AH的小型铅酸电池作为后备电源，通过电源管理器进行交直流切换管理。当后备电池的电压低于设定阈值后，接入到开关量I/O模块的电源状态信号自动转为断路状态，物联网网关通过开关量I/O模块采集到后备电池处于欠压状态时，自动向云中心发出报警信号。

3.1 多组分气体浓度分析仪的设计

基于非分散红外光谱吸收原理的多组分气体浓度分析仪由光源、气室、带有滤光片的基于PMN-xPT的热释电探测器以及电路集成。根据其基本结构，经调制的光源发出特定频率的光，经过气室、穿过滤光片到达热释电灵敏元表面，利用电荷放大电路将灵敏元因温度变化产生的热释电电荷转换为电信号，并对其进行信号采集和处理。

对于某种特定气体的探测，在采用对应吸收波长的滤光片之外，还设置一个在较宽的范围内具有平坦透过特性的滤光片(例如CaF2滤光片)，以分别形成探测通道和参比通道。根据Beer-Lambert定律，探测通道的电压信号与待测气体浓度的关系为：

ugas=I(e-kcl)Rgas+IRgasCgas

(2)

对于参比通道：

uref=IRrefCref

(3)

式中：ugas、uref分别为探测通道和参比通道的电压信号；Rgas、Rref分别为探测通道和参比通道的电压响应率；Cgas、Cref分别为探测通道和参比通道的滤光片的特性参数。

当待测气体浓度c=0时：

式中：K0是探测器的固有特性，可以近似看作一个常数。

定义系数F：

则有：

从而可以算出待测气体浓度。

基于上述原理，系统的分析仪表采用一组分气室的设计方式，分别测量各个组分气体的浓度。分析仪表的结构如图3所示。

图3 气体分析仪表的结构图

分析仪表采用多级滤波放大模拟电路将敏感单元微小的电信号转换为可测量的电压信号，使用SPI总线的多通道高精度ADC芯片对其进行模数转换。仪表的主控单元使用了国产的龙芯1C300B的微控制器和RT Thread实时操作系统[4]，在其上开发的嵌入式软件系统通过FFT处理[5]得到频域数据，选取调制频率的信号经卡尔曼滤波[6]后，实现气体浓度的计算处理，并通过RS232/485和Modbus协议实现和上位机的通信。

3.2 系统网关设计

系统的物联网网关设备采用美国TI公司的工业级宽温MCU芯片AM3352BZCZD60[7]，拥有256 Mbit内存，256 Mbit NandFlash，具有2路100 Mbps带EMC隔离的网络接口，1路2.4 GHz Wi-Fi接口，1路3 G/4 G移动网络接口，2路RS485接口，4路RS232接口，内置看门狗电路和高精度RTC时钟芯片。物联网网关利用RS232接口实现了和前端的多组分气体浓度分析仪的通信，完成气体浓度的数据采集。利用另一路RS232接口实现和超声波液位计通信，采集管道内部的液位高度数据。利用MQTT协议通过4G移动网络实现和云中心后台系统之间的数据传输。物联网关系统采用经过裁剪的小体积嵌入式Linux作为操作系统，协议转换程序采用C/C++根据多组分气体浓度分析仪和超声波液位计的通信协议开发。网关核心逻辑模块负责和云中心系统通信，并负责协议指令的加解密和认证处理。嵌入式SQLite数据库保存各种配置参数和各种气体浓度监测数据，以备上行网络故障时重传使用。同时，该物联网关还运行一个GoAhead嵌入式Web服务器以供网关的参数配置网页使用。

4 云中心软件系统设计

云中心软件系统负责接入城市中分布的数量众多的监测子站，实现对城市下水管网、公厕和小区化粪池等场合中可燃及有毒有害气体浓度的实时监测。云中心软件系统由设备管理、通信、规则引擎、插件管理框架、监控仪表盘展示等多种功能组件构成了一个完整的物联网平台。其系统架构如图4所示。

图4 云中心物联网平台系统结构图

设备管理组件通过授权管理实现平台接入设备、租户、用户之间关联关系的管理，并采用ITU的X.509证书[8]实现对前端监测子站设备的接入认证管理。

通信组件主要实现对各个监测子站的数据采集，并负责中心系统的指令向监测子站的下行传输。平台为了满足一个城市的地下管网和公厕、小区化粪池所设置的大量监测子站接入和可能存在的并发通信，数据接入通信服务组件采用了非阻塞的异步通信模型(NIO)[9]，对于并发通信线程池的管理采用基于事件通知机制的Reactor反应堆线程模型[10]。系统采用了NETTY库并利用大量的异步并发线程来满足大容量、高并发的要求。通信组件支持MQTT、HTTP和CoAP等通信协议，作为MQTT的通信Broker可以实现IoT Hub的功能，满足多个MQTT Client之间的消息订阅和出版。

云中心接收数据后通过规则引擎实现用户设定的各种阈值的判定，实时采集数据和报警状态等信息并通过仪表盘工具进行展示，满足系统管理人员的实时监控要求。系统规则引擎采用了开源AKKA库,支持JavaScript的规则自定义，利用AKKA库支持的Actor模型[11]。通过Actor间异步消息的发送和处理，实现规则链的判断处理。规则引擎主要实现各组分气体浓度的报警阈值、多组分气体浓度分析仪进气口温湿度报警阈值、下水道和化粪池液位报警阈值、监测子站后备电池电压不足报警状态等的过滤管理。通过自定义规则和自定义插件的绑定实现各种报警通知和数据可视化展示的处理。

5 用户监控前台系统

平台采用前后端分离设计，所有前端的系统管理页面，各种监控仪表盘的预置物联网可视化组件等都采用AngularJS开发。预置的各种物联网显示组件包括：各种曲线图﹑饼图﹑直方图等各种数据可视化显示组件、高德GIS组件、温湿度组件等各种仪表盘组件。用户可以通过平台提供的监控仪表盘管理器选择所使用的显示组件，并自定义监控仪表盘布局，通过显示组件的数据源对象实现和数据库的关联。

系统利用AngularJS开发了同时满足于手机端应用和PC端应用的用户监控前台系统，使用高德地图插件实现了城市下水道管网和化粪池的监测子站地理位置分布以及各种报警状态的显示，并通过曲线图等形式显示各个监测子站气体浓度的实时数据和报警信息。

6 实 验

由于光源调制频率会对探测器的响应产生影响[12]，以CH4和SO2气体为例，采用封装有对应滤光片且带有参比通道的热释电红外探测器，测试了其分别在不同调制频率下的信号幅值，如图5所示。由于红外灵敏材料的固有特性热时间常数(数毫秒～几秒)的限制，探测器的输出信号随着调制频率的增大而逐渐变小。在低频范围，探测器尤其具有出色的响应能力。

图5 参比通道、CH4测试通道、SO2测试通道的 输出信号幅值与频率的关系

选取测试用调制频率为1.3 Hz，以峰峰值4 V、直流偏置+2 V、占空比0.5的方波对光源供电，分别对CH4和SO2两种测试通道以及参比通道采集了时域信号，信号输出呈现稳定的波形，如图6所示。

图6 时域下参比通道、CH4测试通道、SO2测试通道 对调制光源的响应

为了将探测器输出信号与气体浓度联系起来，结合Beer-Lambert定律，至少需要三个数据点来获得计算所需的关键参数，为此配置了不同浓度的标准浓度气体。图7是时域下探测器对三种不同浓度CH4的响应，从中可以提取信号响应幅值，并利用Beer-Lambert定律对数据进行拟合。

图7 探测器对不同浓度(0%、0.102 9%、0.516 8%) CH4气体的时域响应

为方便数据处理，可以将式(6)转化为以下形式：

以式(7)为模型，将探测器对CH4响应的信号输出与气体浓度的关系拟合起来，如图8所示。通过拟合得到关键常数，从而获得计算公式：

图8 探测器对不同浓度CH4气体的响应以及 依据Beer-Lambert定律的非线性拟合

以测试标定气体并推导出的计算公式为依据，在实际的测试中，可以根据测得的电压信号获得CH4的实际浓度信息。

同样地，探测器对SO2的信号与浓度的关系拟合起来(图9)，也可以得到以下关系：

图9 探测器对不同浓度SO2气体的响应以及 依据Beer-Lambert定律的非线性拟合

在实际场所的应用中，我们同样以此公式为依据，通过响应信号幅值得到待测气体中SO2的浓度。

基于上述原理,本文利用各种组分气体的不同浓度的标准气体，分别在设定的测量范围内进行了多次测试实验，所得到分析仪表的试验结果如表1所示。

表1 多组分气体浓度分析仪测试结果

7 结 语

本文设计并实现了多组分气体在线监测系统。实验结果表明，基于非分散红外光谱原理，利用高热释电性能的弛豫铁电单晶材料制备的多组分气体浓度分析仪完全满足国家标准《GB/T 28888-2012 下水道及化粪池气体监测技术要求》中对电化学法分析仪表的性能指标要求，可以以较低的综合使用成本实现应用替代。通过新型仪表和在线监测系统的结合，可以提高城市管理部门对城市污水管网等设施的实时状态的感知能力，降低城市管理的成本，具有应用和推广的价值。