基于LabVIEW和RS485總線的CO濃度維持系統(tǒng)

何東 于紀(jì)言 劉旭博

摘 ?要： 為了方便快捷地測試金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器對CO氣體的抗干擾能力，設(shè)計并實現(xiàn)了一種基于LabVIEW和RS 485總線的CO濃度維持系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用將蘆葦粉末快速熱解的方法產(chǎn)生CO，并通過系統(tǒng)的控制機(jī)制使系統(tǒng)輸出穩(wěn)定濃度的CO氣體。系統(tǒng)利用圖形化設(shè)計語言LabVIEW進(jìn)行編程，并采用Modbus?RTU協(xié)議實現(xiàn)控制端和現(xiàn)場之間的信息交換，最后通過實驗驗證了系統(tǒng)的有效性。

關(guān)鍵詞： CO濃度維持; 系統(tǒng)設(shè)計; CO產(chǎn)生; 快速熱解; 信息交換; 有效性驗證

中圖分類號： TN911?34; TP273 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號： 1004?373X（2019）15?0116?04

A carbon monoxide concentration maintenance system

based on LabVIEW and RS 485 bus

HE Dong， YU Jiyan， LIU Xubo

（Defence?related Key Discipline Laboratory of ZNDY， Nanjing University of Science and Technology， Nanjing 210094， China）

Abstract： In order to easily and quickly test the anti?interference ability of metal oxide semiconductor sensors to CO gas， a carbon monoxide concentration maintenance system based on LabVIEW and RS 485 bus was designed and implemented. A method of fast pyrolysis of reed powder is used in the system to produce carbon monoxide， and relying on the system control mechanism， the system can output the stable concentration of carbon monoxide gas. The graphical design language LabVIEW is adopted in the system to achieve programming. The Modbus?RTU protocol is utilized to realize the information exchange between the control end and the spot. The effectiveness of the system was verified in the experiment.

Keywords： CO concentration maintenance; system design; CO production; fast pyrolysis; information exchange; effectiveness verification

0 ?引 ?言

金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器由于成本低廉，靈敏度較高而成為應(yīng)用廣泛的一種氣體檢測傳感器[1?2]。CO是一種具有較強(qiáng)還原性的氣體，在金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器檢測其他還原性氣體（如：CH4，H2等氣體）時，當(dāng)傳感器對單一氣體選擇能力不高時，CO作為干擾氣體經(jīng)常會使傳感器誤響應(yīng)，使得傳感器對目標(biāo)氣體檢測能力下降[3?5]。這種對相似性質(zhì)的化學(xué)氣體誤響應(yīng)的強(qiáng)弱稱為金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器的交叉敏感性（即對相似化學(xué)性質(zhì)氣體的抗干擾能力）[6?8]。交叉敏感性是金屬氧化物半導(dǎo)體傳感器制備過程中必須測試的重要指標(biāo)之一[9]。以某類檢測還原性氣體的金屬氧化物傳感器抗CO干擾的測試為例：通常測試傳感器的抗CO氣體的干擾能力，一般采用事先準(zhǔn)備好的標(biāo)準(zhǔn)濃度的CO干擾氣體進(jìn)行測試，當(dāng)需要多種濃度的CO干擾氣體時，往往需要復(fù)雜的稀釋操作進(jìn)行配置。由于標(biāo)準(zhǔn)CO氣體制備成本高，存儲時易發(fā)生安全事故等原因，限制了實驗人員利用標(biāo)準(zhǔn)CO氣體檢測金屬氧化物傳感器的抗CO干擾能力的實驗開展。

為了方便實驗人員測試傳感器對CO氣體的抗干擾能力，本文設(shè)計了一套基于LabVIEW和RS 485總線的CO濃度維持系統(tǒng)。該系統(tǒng)可以通過軟件預(yù)設(shè)系統(tǒng)輸出的CO濃度，從而方便改變系統(tǒng)的CO輸出濃度。系統(tǒng)通過快速熱解蘆葦粉末的方法產(chǎn)生CO，實現(xiàn)了CO氣體的即用即產(chǎn)，從而消除了CO氣體存儲過程中的安全隱患。系統(tǒng)還可以動態(tài)調(diào)節(jié)CO氣體的輸出流量，方便實驗人員以不同的流量進(jìn)行實驗。

1 ?系統(tǒng)組成及硬件設(shè)計

系統(tǒng)主要由上位機(jī)（PC）、配電箱、下料裝置、清灰裝置、USB轉(zhuǎn)RS 485轉(zhuǎn)換器、RS 485集線器、CO傳感器、溫度傳感器、大氣壓力傳感器、485總線型步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器、RS 485信號轉(zhuǎn)4路模擬電壓裝置（IPAM4404）、質(zhì)量控制流量閥和發(fā)煙箱體等組成。系統(tǒng)組成框圖如圖1所示。

圖1 ?系統(tǒng)組成框圖

系統(tǒng)中PC機(jī)用于運行LabVIEW軟件，對整個系統(tǒng)中的實時數(shù)據(jù)進(jìn)行采集和處理。由于系統(tǒng)中485總線型設(shè)備較多，將設(shè)備“手牽手”的連接會出現(xiàn)諸多問題，因此采用485集線器實現(xiàn)一臺主機(jī)管理多個485總線設(shè)備。集線器中各條485總線相互獨立驅(qū)動，互不干擾，保證了整個系統(tǒng)485網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性[10]。為了能均勻地添加蘆葦粉末到加熱裝置，系統(tǒng)采用矩形螺旋傳動機(jī)構(gòu)設(shè)計一種下料機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的工作原理是通過步進(jìn)電機(jī)帶動螺旋機(jī)構(gòu)將填充在螺旋機(jī)構(gòu)齒間間隙中的蘆葦粉末帶到加熱裝置上，從而達(dá)到下料的目的。CO傳感器、大氣壓力傳感器、溫度傳感器分別用于采集系統(tǒng)中的CO濃度、大氣壓力以及溫度等信息。通過對系統(tǒng)內(nèi)溫度的采集可實時監(jiān)控當(dāng)前系統(tǒng)內(nèi)的溫度，從而了解當(dāng)前系統(tǒng)是否處于正常運行狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)加熱裝置發(fā)生故障時，往往會導(dǎo)致系統(tǒng)內(nèi)的溫度發(fā)生異常，此時系統(tǒng)觸發(fā)溫度異常警報。大氣壓力傳感器可實時監(jiān)測系統(tǒng)內(nèi)大氣壓力信息，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)漏氣現(xiàn)象，則大氣壓力傳感器返回的氣壓值將比系統(tǒng)正常運行時偏低，此時將導(dǎo)致系統(tǒng)輸出端的氣流不穩(wěn)，系統(tǒng)將觸發(fā)低壓警報。由于需要精確地控制系統(tǒng)的進(jìn)氣流量，因此，系統(tǒng)的進(jìn)氣閥采用Sensirion公司生產(chǎn)的氣體質(zhì)量流量閥（SFC4200），該閥可以在較寬的動態(tài)范圍內(nèi)快速精確地控制氣體流量。使用IPAM4404的一路模擬電壓輸出可以方便地控制SFC4200質(zhì)量流量閥的后端流量輸出，從而控制進(jìn)入系統(tǒng)的空氣流量。發(fā)煙箱具有良好的氣密性，實驗及仿真表明，當(dāng)箱體中的動壓達(dá)到穩(wěn)定時，進(jìn)氣流量和出氣流量是完全相等的，因此通過控制SFC4200可以達(dá)到控制整個系統(tǒng)輸出流量的目的。系統(tǒng)加熱裝置采用溫度PID控制算法，使得加熱片在整個過程中始終保持在400 ℃左右，進(jìn)而保證從下料機(jī)構(gòu)中落下的蘆葦粉末能夠快速地轉(zhuǎn)化成CO。

2 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計

系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖如圖2所示，上位機(jī)操作界面如圖3所示。

圖2 ?系統(tǒng)軟件設(shè)計框圖

圖3 ?上位機(jī)操作界面

啟動系統(tǒng)后，系統(tǒng)首先進(jìn)行參數(shù)初始化和自檢測。系統(tǒng)自檢測時，程序自動將質(zhì)量控制流量閥調(diào)節(jié)到最大流量5 L/min，然后開啟廢氣閥，同時啟動系統(tǒng)中的加熱裝置。當(dāng)系統(tǒng)的溫度、輸出流量以及系統(tǒng)內(nèi)的氣壓正常時進(jìn)入濃度爬升階段，否則觸發(fā)警報停止系統(tǒng)。

系統(tǒng)在濃度爬升階段時，系統(tǒng)中的CO濃度將由0 ppm爬升至預(yù)設(shè)濃度的95%。由于系統(tǒng)采用線性度較好的螺旋進(jìn)給機(jī)構(gòu)作為下料機(jī)構(gòu)，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)角與系統(tǒng)中CO的濃度存在式（1）的關(guān)系：

式中：[C]為系統(tǒng)CO的濃度，單位為ppm;[δ]為電機(jī)轉(zhuǎn)角，單位為（[°]）;[d1]為螺旋機(jī)構(gòu)的大徑，單位為m;[d2]為螺旋機(jī)構(gòu)的小徑，單位為m;[l]為螺旋機(jī)構(gòu)的螺距，單位為m;[ρ]為蘆葦粉末的平均密度，單位為kg/m3，蘆葦粉末的密度約為7 kg/m3;[μ]為蘆葦粉末在400 ℃熱解時轉(zhuǎn)化為CO的質(zhì)量轉(zhuǎn)化比，約為0.03;[V0]為CO的發(fā)煙箱體體積，單位為m3。

下料機(jī)構(gòu)制作好后各幾何參數(shù)都已經(jīng)確定，根據(jù)式（1）已知預(yù)設(shè)濃度[C]易求出步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)角度數(shù)[δ]，從而可以在濃度爬升階段預(yù)估出電機(jī)的轉(zhuǎn)角度數(shù)。在濃度爬升階段，大量實驗表明電機(jī)每轉(zhuǎn)150°后停頓3 s，有利于加熱裝置上的蘆葦粉末與空氣充分接觸并迅速熱解產(chǎn)生CO。因此，根據(jù)預(yù)估轉(zhuǎn)角[δ]，由公式[n=δ150°]，求出濃度爬升階段間歇下料的次數(shù)。由于蘆葦粉末不均勻?qū)е孪铝狭砍霈F(xiàn)偏差以及蘆葦粉末熱解轉(zhuǎn)化比[μ]受到箱體內(nèi)氧氣含量的影響，前期下料完成后，系統(tǒng)中的CO濃度未爬升到預(yù)設(shè)濃度的95%，此時系統(tǒng)將進(jìn)入自調(diào)節(jié)階段。在自調(diào)節(jié)階段，下料機(jī)構(gòu)通過微量的下料，同時，實時檢測當(dāng)前系統(tǒng)中的CO濃度是否達(dá)到預(yù)設(shè)濃度的95%，當(dāng)未達(dá)到時，則繼續(xù)自調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，否則，進(jìn)入CO濃度穩(wěn)定維持階段。自調(diào)節(jié)階段程序如圖4所示。

圖4 ?自調(diào)節(jié)程序

系統(tǒng)進(jìn)入濃度維持階段后，首先，程序控制IPAM4404的通道0輸出5 V的模擬電壓，該電壓用于控制SFC4200使系統(tǒng)的進(jìn)氣流量達(dá)到5 L/min，同時開啟后端的廢氣閥，從而將發(fā)煙箱體中的CO氣體壓出。由于進(jìn)氣口不斷的進(jìn)氣，將CO不斷帶出系統(tǒng)，系統(tǒng)內(nèi)CO濃度降低，CO濃度的下降速率滿足式（2）：

式中：[vc]為系統(tǒng)的濃度下降速率，單位為ppm/s;[Cr]為系統(tǒng)中的CO濃度值，單位為ppm;[qv]為系統(tǒng)的氣體輸出流量，約等于系統(tǒng)的輸入流量，單位為m3/s。因此要想維持系統(tǒng)中的CO濃度不變，則必須保持系統(tǒng)CO的濃度上升速率等于下降速率。系統(tǒng)采用微量的補(bǔ)充下料達(dá)到維持系統(tǒng)中CO濃度的要求。

當(dāng)系統(tǒng)中的濃度下降至預(yù)設(shè)濃度的95%時，通過電機(jī)轉(zhuǎn)15°的方法給加熱裝制提供微量的蘆葦粉末。由于下料量少且加熱裝置一直保持400 ℃，此時補(bǔ)充的蘆葦粉末迅速熱解轉(zhuǎn)化為CO，再通過系統(tǒng)中的混氣風(fēng)扇快速將CO擴(kuò)散均勻，從而達(dá)到維持系統(tǒng)內(nèi)CO濃度穩(wěn)定的目的。

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