一种便携式气体体积计量系统的设计

徐伊岑

（无锡商业职业技术学院机电工程学院，无锡，214153）

一种便携式气体体积计量系统的设计

徐伊岑

（无锡商业职业技术学院机电工程学院，无锡，214153）

为了在实验室中计量厌氧发酵时产生的沼气体积，设计了一种便携式气体体积计量系统，并分析了系统的构成及运行流程，给出了主要硬件及软件设计方法。试验结果表明，该系统结构合理，使用方便，满足实验室测量气体体积的需要。

厌氧发酵；气体体积计量；便携式

在实验室进行厌氧发酵实验[1]时，常需要测量产生的沼气的体积，商业上使用的气体计量仪表体积较大，其零件对沼气的湿度和腐蚀性敏感，不适宜在实验室使用，而通常采用的简单的液体置换方法需要手动回填，且在多个发酵罐同时工作的情况下，还需定时检视，使得工作量增大。

针对以上问题，本文提出了一种便携式气体体积计量系统，给出了主要硬件及软件的设计思路，以期在节省成本的同时，达到预定的效果，为类似系统的开发提供参考。

一、便携式气体体积计量系统组成及工作原理

本文中的便携式气体体积计量系统主要由内外容器A、液位传感器B、控制器C和电磁阀D四个部分组成，如图1所示。

图1 系统工作原理示意图

系统未工作时，供气阀和电磁阀D关闭，内外容器的液体柱齐平；工作时气体进入内容器挤压液体，从而在内外容器隔层之间形成一个液体柱。当收集到100 ml的气体时，液面的高度在外容器达到最大，使得由电子电路控制的液面传感器被激活发出信号。电磁阀被激活的时间大约为12 s，使气体排放，与此同时，控制器进行计数，气体排放完，系统恢复正常，准备接收更多气体。

二、硬件设计

（一）气体收集容器

气体收集容器包括内、外容器，由两个材料为聚4-甲基戊烯的量筒组成，直径分别为47 mm、71 mm，高度均为180 mm[2]。小直径量筒放置在大直径量筒内部，形成了内、外两个容器室，其中内容器用于收集生成的气体。

（二）液位传感器

选用霍尼韦尔LLE系列光电液位传感器提供准确、可靠的液位测量。加强型新的光电液位传感器内含光电触发电路，其输出一个开关信号，指示有/无液位。一个发光二极管（LED）和光接受三极管被包含在传感器前端的半球顶内，根据光的内部反射原理，当无液体时，绝大多数LED光都会被光电接收器接收到，当液位覆盖球表面时，圆球顶与液体截面的折射系数发生变化，光电接收器接收到LED光将会减少，因此输出将会发生变化，开/关输出信号能直接与PLC相连。传感元件被密封在聚砜铸模圆球内，外壳为聚砜、镀镍黄铜或不锈钢，能用于测量多种液体。传感器能承受362psi的压力及85C的使用温度（高温型为125C），聚砜（polysulfone）铸模圆环是一种理想的热塑材料，能抵抗诸如酸液、碱液、盐液、洗洁精和碳氢油的侵袭，满足耐腐蚀性的要求。

（三）电磁阀

选用AIRTAC2V250-25电磁阀。

（四）控制器

在设计控制器时，主要考虑以下几点：

（1）根据液位传感器通断信号对电磁阀进行控制，同时进行计数并将其显示出来；

（2）考虑对输入电压进行监视；

（3）设计多路输入输出接口，可对液位传感器、电磁阀进行扩展以提高测量精度；

（4）有输入电源、电磁阀通断两个指示灯；

（5）计数复位、电磁阀导通两个按键；

（6）输入电源监视（AD转换）并通过电源指示灯进行闪烁提示。

电源设计为：系统提供＋9V～12.6V，电磁阀需要＋12V，控制板、计数器、液位传感器需要＋5V。

接口设计为：两路液位传感器脉冲信号（5VTTL电平），两路电磁阀导通信号（12V），计数器脉冲信号（5VTTL电平），复位信号（5VTTL电平），电磁阀导通信号（5VTTL电平），两个指示灯（输入电源、电磁阀导通）。

主控芯片采用美国Atmel公司2002年推出的AVR高档单片机ATmega8。ATmega8是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器，由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega8的数据吞吐率高达1 MIPS/ MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾，为许多嵌入式控制应用提供了灵活而低成本的解决方案。

（五）锂电池

为防止突发情况的发生,设计了电源和锂电池两种方式供电模式。由于电磁阀功率较高（4 W），电流较大（350 mA），常规电池无法提供这么大的电流，只能采用镍铬或锂电池，而锂离子电池的能量密度很高，它的容量是同重量的镍氢电池的1.5～2倍，具有很低的自放电率,且几乎没有记忆效应[3],本系统采用三节18650锂电池串联，提供约8小时的续航能力。由于工作电流比较大且考虑是电池供电，为不浪费电池功率故引入开关电源的DC/DC模块。

整个系统的控制结构框图如图2所示。

图2 系统控制结构框图

三、软件设计

根据系统工作原理，可以绘制出主程序流程图，如图3所示。

四、控制器的测试

控制器是整个系统的核心部分，为此需要对所设计的控制器进行实际的测试。

测量电源输出电压，确保其在8～15V范围内；将焊接好的控制板置于测试台上，电源的负输出接入控制板负输入线，电源正输出接入控制板正输入；不接各种外部设备；接通测试台上总电源开关后，电源指示灯亮，同时用手触摸各集成电路不能有较发热现象，表示运行正常，进入下一步；加载测试程序（仅一次）间隔短接液位传感器输入接口，用示波器观察CPU引脚，短接时该脚为低电平，断开时为高电平，否则检查控制板上液位传感器电平转换部分及CPU，重新开始；短接复位端口，观察计数器是否复位，否则检查CPU，重新开始；短接液位传感器输入接口，观察电磁阀是否导通，计数器是否工作，否则检查CPU，重新开始；大约5秒以后，电源指示灯以一秒交替亮灭表示AD转换正常，观测一段时间后进入下一步，否则检查控制板上的CPU，重新开始。

图4分别给出了控制器不工作、复位和正常计数三种情况的测试结果，测试结果表明控制器能够可靠稳定地工作。

图3 主程序流程图

图4 不同状态下控制器的输出

五、结论

针对实验室进行厌氧发酵实验时测量产生的沼气的体积问题，本文设计了一种便携式气体体积计量系统，给出了主要的硬件和软件设计思路，并对控制器进行了实际测试。试验结果表明，该系统符合实验室气体体积测量要求，工作过程可靠有效。随着进一步的研究与开发，此系统在科研实验和实际工程中，具有广阔的应用前景。

[1]李秋燕，吴树彪，庞昌乐，董仁杰.两相厌氧发酵过程监控系统的设计[J].云南农业大学学报，2012（3）:418-423.

[2]I.Angelidaki,L.Ellegaard,B.K.Ahring.Compact automateddisplacementgasmeteringsystemfor measurement of low gas rates from laboratory fermentors [J].Biotechnology and Bioengineering,1992（39）:351-353.

[3]李国晓.电动汽车电池组快速充电研究[J].甘肃联合大学学报，2011（1）:62-65.

（编辑：林钢）

A Design of a Portable Gas Volume Metering System

XU Yi-cen
（School of Mechanical and Electrical Engineering,Wuxi Institute of Commerce,Wuxi 214153,China）

Inordertomeasurethevolumeofbiogasgeneratedfromanaerobicfermentationinlaboratory,thispaperdesignsaportablegasvolumemeteringsystemandanalyzesitscompositionandworkingprocess.Inaddition,mainhardwareandsoftwaredesignmethodsaregiven.Theexperienceresultsshowthatthesystemisproperlystructuredandeasy touse;itisabletomeettheneedofmeasuringthevolumeofgasinlaboratory.

anaerobic fermentation;gas volume measuring;portable

TP 368.4

A

1671-4806（2014）03-0106-03

2014-02-12

徐伊岑（1982—），女，湖南长沙人，讲师，研究方向为计算机辅助设计。