一种高精度便携式氮氧化物气体测试仪

钱璐 赵鹏 魏勇建 张龙飞 张愉 陈煜

西安创研电子科技有限公司，陕西西安 710061

0 前言

近年来，由于我国不少地区纷纷出现雾霾问题，各地政府对大气污染的重视程度越来越高，国家相继出台了各类环境标准和文件，用以控制和解决大气污染问题。

电厂脱硫脱硝工业排放气体和发动机尾气中的氮氧化物（NOx）主要由一氧化氮和二氧化氮组成，它是造成大气环境污染的主要成分之一。这种污染物不仅对大气环境污染严重，对人体健康也有很大危害。因此，有关部门经常需要对工业排放气体和发动机尾气中的氮氧化物[1]进行实时检测，以控制氮氧化物的排放，缓解大气污染问题。

传统的氮氧化物检测需要专业的气体分析仪来实现，其检测速度慢，操作麻烦，测量范围有限，测量精度不可选择，且价格昂贵，体积较大，不便携带。因此，需要开发一款易于携带，测试范围和精度可选择的高精度氮氧化物浓度测试仪[2]。

1 整体设计方案

高精度便携式氮氧化物气体测试仪[3]主要由对整机进行控制的主控制器、3 种不同浓度范围（0～615 mg/m3、615～2,050 mg/m3、2,050～4,100 mg/m3）的氮氧化物传感器、CAN 通信电路、LCD 触摸显示屏和电源单元组成。氮氧化物传感器的气体感应端放入待测气体中，输出端与CAN 通信电路相连，将检测数据传输到主控器，进行数据解析、计算处理和串口通信数据转换。LCD 触摸显示屏与主控制器相连，用于测试数据的实时显示、工作状态控制和数据存储。LCD触摸显示屏上设置有USB 接口，用于测试数据的导出。气体测试仪[4]整体设计方案如图1 所示。

1.1 主控制器模块

该测试仪采用S9KEAZ128 作为主控核心。S9KEAZ128 具有资源丰富，工作效率高，功耗低，支持CAN 通信，强大的中断功能，可在线调试等优点，适用于氮氧化物气体测试的控制。

1.2 氮氧化物传感器

测试仪采用3种不同测试范围的氮氧化物传感器，即第一氮氧化物传感器（型号为A290NB300）、第二氮氧化物传感器（型号为A290NB1000）和第三氮氧化物传感器（型号为A290NB2000）。3 种氮氧化物传感器均为自主研发设计，采用电化学原理进行氮氧化物气体的检测。不同型号的传感器测试浓度范围和精度不同，实际测试过程中，可根据实际应用场景选择合适的测量范围和误差精度的氮氧化物传感器。具体型号和测试范围及精度如表1 所示。

1.3 电源模单元

该测试仪使用24 V 锂电池模块和5 V 电源转换电路为整个系统不同模块供电。24 V 锂电池直接为3 种氮氧化物传感器提供工作电压，5 V 电源转换电路输出稳定的直流5 V 信号，为CAN 通信电路、LCD 触摸显示屏、主控制器供电。该方案满足测试仪对供电的需求，且可确保测试仪供电的稳定性和安全性。

1.4 LCD 触摸显示屏

测试仪选择集成的LCD 触摸显示屏模块，用于数据显示、存储和人机交互，同时LCD 触摸显示屏上设置有USB 接口，方便存储数据的导出。该方案满足便携式[5]气体测试仪的需求，且测试数据显示清晰，人机交互操作简单。

1.5 CAN 通信电路

测试仪的CAN 通信电路采用TJA1051 作为CAN数据收发器，实现氮氧化物传感器与主控制器模块之间的CAN 通信，将采集的测试数据传送到主控制器，同时将LCD 触摸显示屏发出的控制命令经主控制器的转换后，发送到氮氧化物传感器，实现人机交互功能。

表1 氮氧化物传感器型号与测量范围及误差精度对应关系

2 硬件部分设计与实现

该测试仪采用S9KEAZ128 作为控制器，通过CAN 通信电路接收传感器的测试数据和向传感器发送控制命令，并实现与LCD 触摸显示屏的通信，将测试数据显示在LCD 触摸显示屏上，同时可从LCD 触摸显示屏上控制传感器的测试状态。主控制器的硬件电路图如图2 所示。

2.1 CAN 通信电路模块

该测试仪的CAN 通信电路采用TJA1051 作为CAN 通信数据收发器，实现氮氧化物传感器与主控制器模块之间的CAN 数据通信，同时将LCD 触摸显示屏发出的控制命令经主控制器的转换后发送到氮氧化物传感器，实现人机交互功能。CAN 通信电路模块硬件电路图如图3 所示。

2.2 电源稳压模块

测试仪的电源模块由24 V 锂电池和电源稳压模块2 部分组成。24 V 锂电池为氮氧化物传感器提供工作电压，同时为电源稳压模块提供输入电压。电源稳压模块采用TPS5420 转换芯片，实现24 V 直流电压到5 V 直流电压的转换，同时具有稳定输出电压的功能。电源稳压模块输出的5 V 直流电源为CAN 通信电路、LCD 触摸显示屏、主控制器供电。电源稳压模块硬件电路图如图4 所示。

3 软件部分设计与实现

测试仪的软件结构主要分为系统初始化模块、CAN 通信模块、对氮氧化物传感器采集数据的处理模块（数字信号解析、计算和串口通信数据转换输出）、人机交互模块。各模块程序单独调试正确后再进行联合调试。本测试仪利用电化学氮氧化物传感器进行气体浓度测试，并将浓度数据以CAN 数据帧的形式输出。主控制器通过CAN 通信模块的软件配置实现数据交互，同时将CAN 数据帧解析并转换成串口数据，传输到人机交互模块进行数据显示和控制，符合设计要求。

4 测试流程和实验结果

4.1 测试流程

将第一氮氧化物传感器、第二氮氧化物传感器及第三氮氧化物传感器安装在待测气体排放管道上，固定紧实，保证不会因测试环境中的其他因素导致传感器掉落现象，以免影响测试数据；打开电源开关，在LCD触摸显示屏上发送启动第三氮氧化物传感器指令，等待1 分钟左右，查看LCD 触摸显示屏上的氮氧化物浓度数据是否在2,050～4,100 mg/m3范围内，若大于4,100 mg/m3，则测量气体中的氮氧化物浓度超出本实用新型测量范围，发送关闭第三氮氧化物传感器指令，停止测量；若在此范围内，则LCD 触摸显示屏上显示的氮氧化物浓度即为被测气体中氮氧化物浓度值；若小于2,050 mg/m3，发送关闭第三氮氧化物传感器指令和打开第二氮氧化物传感器指令，等待1 分钟左右，查看LCD 触摸显示屏上的氮氧化物浓度数据是否在615～2,050 mg/m3范围内，若在此范围内，则LCD触摸显示屏上显示的氮氧化物浓度即为被测气体中氮氧化物浓度值；若小于615 mg/m3，则发送关闭第二氮氧化物传感器指令和打开第一氮氧化物传感器指令，等待1 分钟左右，查看LCD 触摸显示屏上的氮氧化物浓度数据是否在0～615 mg/m3范围内，若在此范围内，则LCD 触摸显示屏上显示的氮氧化物浓度即为被测气体中氮氧化物浓度值；否则，该测试仪测量范围和精度不满足被测气体中氮氧化物浓度测量需求。一般情况下，大部分电厂脱硫脱硝工业排放气体[6]和发动机尾气中的氮氧化物（NOx）浓度的实时检测均可采用本测试仪实现精确测试。

测试完成后，在LCD 触摸显示屏上点击关闭相应的氮氧化物传感器，等待3 分钟左右，使氮氧化物传感器恢复到常温状态，拆除连接在待测气体排放管道上的氮氧化物传感器，同时，通过LCD 触摸显示屏上的USB 接口将测试数据导入计算机进行数据分析，得出测试结果。

4.2 实验结果

分别选用410 mg/m3、1,025 mg/m3、3,075 mg/m3氮氧化物标准气体进行测试，测试结果如表2 所示。

表2 测试数据

由表2 可以发现，分别在3 种标准气氛环境下，测试仪可以达到相应的误差精度，并且在匹配的误差精度范围内可以切换测量3 种浓度范围的气体。LCD触摸显示屏可以正常显示测量数据，同时可以切换测试范围，控制氮氧传感器和数据存储导出，满足设计要求。

5 结束语

本文基于电化学氮氧化物传感器设计了一种高精度便携式氮氧化物气体测试仪。该测试仪可以实 现0～615 mg/m3（误差精度±6.15 mg/m3）、615～2,050 mg/m3（误差精度±5%）和2,050～4,100 mg/m3（误差精度±10%）3 种氮氧化物浓度范围和误差精度的测量，可根据实际应用场景选择合适的测量范围和误差精度。

相较于其他氮氧化物气体测试装置，本测试仪操作简便，检测效率高，同时具有测试范围和精度可选择，数据可实时显示和保存，体积小，便于携带，结构简单，易于实现，成本低等优点，适用于电厂脱硫脱硝工业排放气体和发动机尾气中的氮氧化物（NOx）浓度的实时检测。