自增益环流熏蒸系统气体浓度检测终端

时间：2024-07-28

(郑州轻工业学院电气信息工程学院1,河南郑州 450002；河南职业技术学院机电系2,河南郑州 450046)

0 引言

粮仓杀虫常用磷化铝熏蒸，熏蒸中需检测PH3气体浓度。目前,PH3气体浓度检测方式主要是仓外抽气泵定时抽气体检测。受采集时间及位置所限，该方式不能准确反映粮仓内不同点位的实时PH3浓度值。而大多粮仓采用经验公式控制投药量，控制不够精准。此外，国内相关产品传感器长期暴露在被测气体环境中，寿命较短，更换成本很高，少有可按需设定指标、自动检测浓度和自动控制浓度的设备[1-2]。

本项目的检测仪在投药装置开启后，可根据需求检测熏蒸后任意时间点和位置的PH3和O2浓度，并根据自建药量库科学控制投药量；同时，采用自动隔离装置按需开启采集终端，可延长传感器寿命。该测试仪配合现有投药装置可节省用药量，延长传感器寿命，提高安全系数，大大降低生产成本及人工维护费用。

1 系统硬件设计

测试仪系统结构如图1所示。该检测仪主要由气体隔离模块、自增益浓度检测终端、微控制器、上位机通信模块、特殊外壳和传感器等组成。

图1 测试仪系统结构图

隔离模块采用微型充气泵(可根据现场条件取舍)、微型电磁阀配合微控制器，合理控制吸气及关闭状态，并结合密封技术有效隔离传感器与被测气体环境，快速检测的同时延长了传感器寿命。浓度检测终端采用微电流采集技术采集传感器输出的有效电流信号，并送入微控制器进行数据处理。同时，根据采集到的气体浓度值，建立科学的投药量浓度数据库，为上位机提供科学的投药数据及人工维护参考数据，实现全自动科学投药。针对测试及安装使用环境特殊性，测试仪外壳开模定制，满足耐腐蚀性、密封性、实用性等多种需求。

1.1 气体隔离模块

传统的环流熏蒸系统通常采用实时在线采集，这使得传感器长期处于PH3气体环境中，通常一年就需更换2次，成本较高。为延长传感器寿命，设计了气体隔离模块，如图2所示。

图2 气体隔离模块

采用微型气泵抽吸PH3，响应时间较短。当现场安装不方便时可不用气泵，延长采集时间即可。24 V微型电磁阀与微控制器之间采用光耦开关隔离，以提高抗干扰性。当需要采集气体数据时，由微控制器发出指令控制吸气及关闭状态，并结合密封技术，有效隔离传感器与被测气体环境。

1.2 气体传感器

为了提高采集精度并应对投药过量造成浓度过大影响传感器有效寿命，PH3气体传感器采用瑞典MEMBRAPOR公司的PH3/C-2000。经试验测试，若实际使用环境浓度始终较低，可选择加恒电位电路进一步增大其输出电流。本测试仪实际使用时主要工作在100～600×10-6环境下，工作电极电流达到微安级，因此未接恒电位电路到对电极和参比电极处。O2传感器采用德国ITG公司的I-06，输出为毫伏级电压信号，测量范围为0～100%，分级三级精度，最小±0.1%。

1.3 自增益浓度检测模块

实际环境中的PH3气体浓度变化范围较大：冬季未加药时低至0～5×10-6，春季加药后可升至100～1 500×10-6。因此，考虑传感器输出值的范围约为0～180 μA，分辨力为100 nA，采用如图3所示的I/V转换电路，实现电流信号到电压信号的转换。

图3 I/V转换电路

采样电阻采用高精度的金属膜电阻。由于输入电流值变化范围较大，该电阻阻值不宜过大，此处选用10 kΩ。运放采用OPA128，其典型Ib=75 fA、Uos=500 μV。C1为反馈电容，用于抵消输入电容的影响，提高响应时间；同时，与反馈电阻R3一起提供一定的时间常数。

测试发现，接放大单元后输出值不稳定，故在输出端加一级跟随器。同时，使用TLC2264的一组运放，其典型Ib=1 pA、Uos=300 μV。经I/V转换电路后得到的电压信号范围约为0～1.8 V，分辨力为1 mV。为此，设计了自动增益放大单元，如图4所示。

图4 自动增益放大电路

采用CD4052作为模拟开关，地址端接至微控制器I/O口，以控制自动增益放大电路的反馈电阻通道，实现增益值根据采样的电压数值自动切换。R6、R9、R10、R14为金属膜反馈电阻，R5为保护电阻，防止输入过压而导致运放损坏。自动增益放大电路还结合了TLC2264的一组运放。

根据输入电压值，增益值暂定4个档位:①0～240 mV，增益×10；②241～700 mV，增益×3.3；③701～1 100 mV，增益×2.2；④1.1～1.8 V，增益×1。

实测结果表明，自动增益放大电路的档位自动切换效果完全符合需求。由于测试环境浓度约为0～1 000×10-6，档位①～③亦可满足精度要求，档位④未启用。为了进一步减小输出信号波动，利用TLC2264的两组运放构成跟随器和反向器，保证最终进入控制器A/D口的信号符合要求。对于环境浓度范围宽、精度要求高的场所，可考虑在此基础上改变或增加增益分配通道、配置高精度A/D转换模块等进行改进。

为保证有效微弱信号的准确采集，接口部位采用优质BNC 插座，绝缘部分是特富龙。BNC 插座的外皮强制在地电位，尽量减小输入端漏电[3-4]。O2传感器输出电压变化范围不大，直接放大50倍后送入A/D口即可。

1.4 主控制器及通信模块

主控制器部分采用Atmaga16单片机，它具有集成度高、外围设备丰富、功耗低等特点。主控制器及通信模块电路图如图5所示。

图5 主控制器及通信模块电路

传感器信号经转换放大后送至Atmaga16的A/D口PA0和PA2，其中PA0主要用于预留测试用，PA2口的输入数据为实际使用端口。PB3和PB4控制增益单元的放大比例，即根据PA2口采集到的数据自动切换4个档位中的最优值。PB2控制工作指示灯，对系统故障、通信状态提供相应指示。为保证采集精度，根据A/D口采集到的电压值，先采用平均值及最小二乘法算法优化数据，然后对比存储区的标准浓度模库表，即可得到实际的浓度值[5]。

通信模块采用MAX485，其电路接口简单，与控制器连接时占用2个管脚(PD0和PD1)。每个测试仪预留485接口，方便每个房间及整个仓库构成485总线网络与上位机通信。当接收到上位机发送的采集命令时即开始采集；采集完成后将测试仪位置及浓度信息通过485总线上传至上位机；上传成功后待机，并回到接收允许状态，等待下一次采集命令[6]。

2 软件部分

系统软件部分主要采用中断模式工作，看门狗开启模式。系统软件流程简要说明如下。

系统上电进入测试时先自动进入待机状态，串口接收处于激活状态，等待上位机采集命令的发送。当成功接收到远程上位机发送的采集命令时，即进入采集子模块。然后分析采集到的数据是否超限，若超限，进入增益通道修改模块，并自动切换合适的增益。最后把采集到的数值与浓度药量自建药量数据库作对比校准，并把相关信息上传给上位机[7-8]。自此完成一次成功接收命令、自动采集、分析处理、上传有效数据的完整过程。

软件流程图如图6所示。

图6 系统软件流程图

3 安装点及特殊外壳设计

考虑对熏蒸时粮库多点、多层不同位置进行有效的气体浓度检测，可以给粮仓熏蒸管理系统提供更加科学有效的检测数据。针对此项需求，对测试点分布及测试终端外形进行了分析设计。安装时将5个气体取样探头分别置于粮仓的4个角和中间部位，深度为距粮面1 m、2 m、4 m、5 m、3 m。此外，考虑PH3气体对金属类物质具有腐蚀性的特点，设计了如图7所示的外壳结构。

图7 外壳结构示意图

除考虑实现按需采集外，增加了对仪器气密性、隔离装置分布、进气口、插埋尖头等细节的处理。这不仅可以防止PH3气体对电路板的腐蚀，而且满足传感器快速充分响应、按需采集、延长寿命的要求。设备安装后，需经现场校准后再使用。

4 实测结果

实际测量时采用膜下环流熏蒸，在粮面铺设环流回风管道，使PH3在粮堆内均匀分布，减少整仓环流中易出现的“死角现象”。有效气体达到基本平衡后，熏蒸28 d后,最低平均浓度与最高平均浓度比为0.82以上，粮堆内各点PH3浓度曲线平滑，呈平稳下降趋势。现场24#仓库安装投药后一月内实测PH3浓度数据如图8所示。

图8 24#仓库实测浓度

将实测数据与DST- 01D气体检测仪检测结果相比较，相关性可达0.98以上。这说明该检测终端测试数值准确可靠，满足系统要求。测试期间系统工作稳定，用户反映良好。