基于NDIR原理的多組分氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)

葉 剛 趙 靜 陳建偉

1(埃森哲(中國)有限公司先進(jìn)技術(shù)中心 上海 200072)2(中國科學(xué)院上海硅酸鹽研究所 上海 201800)

0 引 言

城市管網(wǎng)重大危險源主要指下水道及化糞池等設(shè)施中的可燃及有毒有害氣體。由于城市管網(wǎng)環(huán)境潮濕、相對封閉，廢水、排污物分解大量易燃易爆、有毒有害氣體如CH4、H2S、CO、SO2等積聚在管網(wǎng)的空間里，如果不能及時抽排處置，一旦濃度超標(biāo)，就有可能造成爆炸或人員中毒的事故。由于此類危險源處于人口密集城市地區(qū)，一旦出現(xiàn)事故極易造成群死群傷，其社會影響極為惡劣，同時還會造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失。例如：1985年6月27日，重慶市渝中區(qū)大溪溝羅家院地區(qū)下水道突然發(fā)生大爆炸。強(qiáng)烈的爆炸力炸毀下水道及化糞池271米，81戶居民住房和幾家商店傾刻間化為烏有，26人死亡、91人受傷，局部地區(qū)斷電、斷氣，損失嚴(yán)重。2002年9月10日，重慶市南岸區(qū)農(nóng)貿(mào)市場化糞池爆炸，造成3人死亡、21人受傷。2012年2月9日，廣西南寧市華東路下水道爆炸，3個井蓋炸飛，造成2人受傷。2013年11月22日，中石化青島輸油管線泄漏的原油進(jìn)入下水道引發(fā)爆炸案，造成62人死亡，136人受傷，直接經(jīng)濟(jì)損失7.5億元。2014年7月31日午夜，臺灣高雄煤氣地下管網(wǎng)泄露到下水道發(fā)生爆炸，該市前鎮(zhèn)區(qū)逾6公里長的數(shù)條街道因爆炸而塌陷碎裂，事故造成26人遇難，280人受傷。近幾年城市管網(wǎng)氣體爆炸事故導(dǎo)致的安全問題，對市民生命財產(chǎn)構(gòu)成嚴(yán)重威脅，已引起社會公眾的強(qiáng)烈關(guān)注和擔(dān)憂。因此，對城市各種地下管網(wǎng)氣體監(jiān)測的研究已經(jīng)引起了有關(guān)各方的廣泛關(guān)注。廣州、北京、重慶等城市管理部門較早意識到了城市管網(wǎng)氣體中潛在的危害，在國內(nèi)率先開展了對城市管網(wǎng)內(nèi)易燃易爆有毒有害氣體的監(jiān)測。為此，國家制定了《GB/T 28888-2012下水道及化糞池氣體監(jiān)測技術(shù)要求》[1]的試行國家標(biāo)準(zhǔn)來規(guī)范監(jiān)測系統(tǒng)的建設(shè)。但是，從各地系統(tǒng)建設(shè)的工程實踐結(jié)果來看，傳統(tǒng)的電化學(xué)法傳感器在此類應(yīng)用環(huán)境中存在敏感單元快速失效、設(shè)備有效使用周期急劇縮短的問題，為用戶單位帶來了大量的維護(hù)和使用成本，使得各地管理部門普遍處于系統(tǒng)有錢建設(shè)卻用不起的尷尬境地。所以，急需一種可以在此類使用環(huán)境中低成本、長期穩(wěn)定運行、維護(hù)量低的新型傳感器和與之配套的在線監(jiān)測系統(tǒng)。

1 傳感原理

熱釋電材料是一類具有自發(fā)極化，且極化強(qiáng)度隨溫度能發(fā)生變化的材料。經(jīng)過頻率調(diào)制的熱輻射到達(dá)熱釋電材料表面時，材料溫度的變化會引起極化強(qiáng)度發(fā)生變化。宏觀上，此時在熱釋電材料兩電極之間連接導(dǎo)線，可以從回路中測得熱釋電信號。二元三方的鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛((1-x)PbMg1/3Nb2/3O3-xPbTiO3，PMN-xPT)弛豫鐵電單晶具有遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過傳統(tǒng)鐵電熱釋電材料(鉭酸鋰單晶、鈦酸鋇陶瓷等)的熱釋電系數(shù)[2]，因而可以顯著提高熱釋電紅外探測器的靈敏度，為有毒有害氣體監(jiān)測報警系統(tǒng)的搭建提供了良好的基礎(chǔ)。此外，相比于電化學(xué)探測方法，基于熱釋電效應(yīng)的氣體探測技術(shù)的優(yōu)勢在于避免了傳感材料長時間工作后的“中毒”現(xiàn)象，從而大大降低了系統(tǒng)的維護(hù)成本。

基于非分散紅外(Non-dispersive infrared，NDIR)光譜吸收原理的多組分爆炸及有毒有害性氣體監(jiān)測報警系統(tǒng)，以Beer-Lambert定律[3]為理論支撐：

I=I0e-kcl

(1)

式中：I為熱輻射經(jīng)過目標(biāo)氣體后被PMN-xPT熱釋電探測器接收的輻射強(qiáng)度；I0為熱輻射源經(jīng)過目標(biāo)氣體之前的總輻射強(qiáng)度；k為氣體分子吸收系數(shù)；c為目標(biāo)氣體濃度；l為熱輻射從輻射源通過目標(biāo)氣體到達(dá)探測器的有效光程。

存在偶極矩變化的氣體分子往往對特定波長的紅外光產(chǎn)生不同程度的吸收，因此針對目標(biāo)氣體采用與其紅外吸收特征峰對應(yīng)的濾光片，再通過測量紅外光通過目標(biāo)氣體到達(dá)熱釋電探測器產(chǎn)生的熱釋電輸出信號來獲得其濃度信息，從而實現(xiàn)對有毒有害氣體的有效監(jiān)測。

2 總體結(jié)構(gòu)

系統(tǒng)主要由前端監(jiān)測子站、通信網(wǎng)絡(luò)、云中心后臺系統(tǒng)以及用戶監(jiān)控前臺系統(tǒng)等構(gòu)成。系統(tǒng)整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。采用4G移動通信網(wǎng)絡(luò)完成前端監(jiān)測子站和云中心后臺系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸，用戶監(jiān)控前臺系統(tǒng)通過Internet實現(xiàn)對各個前端監(jiān)測子站數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和控制。云中心后臺系統(tǒng)根據(jù)設(shè)定報警規(guī)則自動進(jìn)行數(shù)據(jù)分析，當(dāng)發(fā)生各種報警和預(yù)警狀態(tài)后通過自動推送各種報警和預(yù)警信息到監(jiān)控前臺系統(tǒng)的監(jiān)控終端設(shè)備，通知監(jiān)控人員及時進(jìn)行處理。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)

3 監(jiān)控子站

監(jiān)控子站由多組分氣體濃度分析儀、物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)、超聲波液位計、氣體采樣探頭、真空泵、氣水分離和干燥處理裝置、開關(guān)量I/O模塊、控制繼電器、排氣泵、多通道電磁閥、電源管理器和后備電池等設(shè)備構(gòu)成。其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 監(jiān)測子站系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

氣體采樣探頭內(nèi)置超聲波液位計的探頭，并通過氣體采樣管路，利用真空泵產(chǎn)生的負(fù)壓將管道內(nèi)部氣體吸入監(jiān)測子站，并通過氣水分離和干燥處理裝置除去氣體中的水氣，進(jìn)入多組分氣體濃度分析儀進(jìn)行各組分氣體濃度的檢測。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過RS232接口采集各組分氣體濃度數(shù)據(jù)和進(jìn)氣口的溫濕度數(shù)據(jù)，并通過移動網(wǎng)絡(luò)上傳云中心。當(dāng)氣體濃度超過一定的閾值，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)負(fù)責(zé)向開關(guān)量I/O模塊發(fā)出指令，通過繼電器控制排氣泵啟動以降低管道內(nèi)部氣體濃度，當(dāng)濃度低于設(shè)定閾值后關(guān)閉排氣泵?？紤]到使用現(xiàn)場可能存在停電可能，所以采用了一個DC12V/7AH的小型鉛酸電池作為后備電源，通過電源管理器進(jìn)行交直流切換管理。當(dāng)后備電池的電壓低于設(shè)定閾值后，接入到開關(guān)量I/O模塊的電源狀態(tài)信號自動轉(zhuǎn)為斷路狀態(tài)，物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)通過開關(guān)量I/O模塊采集到后備電池處于欠壓狀態(tài)時，自動向云中心發(fā)出報警信號。

3.1 多組分氣體濃度分析儀的設(shè)計

基于非分散紅外光譜吸收原理的多組分氣體濃度分析儀由光源、氣室、帶有濾光片的基于PMN-xPT的熱釋電探測器以及電路集成。根據(jù)其基本結(jié)構(gòu)，經(jīng)調(diào)制的光源發(fā)出特定頻率的光，經(jīng)過氣室、穿過濾光片到達(dá)熱釋電靈敏元表面，利用電荷放大電路將靈敏元因溫度變化產(chǎn)生的熱釋電電荷轉(zhuǎn)換為電信號，并對其進(jìn)行信號采集和處理。

對于某種特定氣體的探測，在采用對應(yīng)吸收波長的濾光片之外，還設(shè)置一個在較寬的范圍內(nèi)具有平坦透過特性的濾光片(例如CaF2濾光片)，以分別形成探測通道和參比通道。根據(jù)Beer-Lambert定律，探測通道的電壓信號與待測氣體濃度的關(guān)系為：

ugas=I(e-kcl)Rgas+IRgasCgas

(2)

對于參比通道：

uref=IRrefCref

(3)

式中：ugas、uref分別為探測通道和參比通道的電壓信號；Rgas、Rref分別為探測通道和參比通道的電壓響應(yīng)率；Cgas、Cref分別為探測通道和參比通道的濾光片的特性參數(shù)。

當(dāng)待測氣體濃度c=0時：

式中：K0是探測器的固有特性，可以近似看作一個常數(shù)。

定義系數(shù)F：

則有：

從而可以算出待測氣體濃度。

基于上述原理，系統(tǒng)的分析儀表采用一組分氣室的設(shè)計方式，分別測量各個組分氣體的濃度。分析儀表的結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 氣體分析儀表的結(jié)構(gòu)圖

分析儀表采用多級濾波放大模擬電路將敏感單元微小的電信號轉(zhuǎn)換為可測量的電壓信號，使用SPI總線的多通道高精度ADC芯片對其進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換。儀表的主控單元使用了國產(chǎn)的龍芯1C300B的微控制器和RT Thread實時操作系統(tǒng)[4]，在其上開發(fā)的嵌入式軟件系統(tǒng)通過FFT處理[5]得到頻域數(shù)據(jù)，選取調(diào)制頻率的信號經(jīng)卡爾曼濾波[6]后，實現(xiàn)氣體濃度的計算處理，并通過RS232/485和Modbus協(xié)議實現(xiàn)和上位機(jī)的通信。

3.2 系統(tǒng)網(wǎng)關(guān)設(shè)計

系統(tǒng)的物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)設(shè)備采用美國TI公司的工業(yè)級寬溫MCU芯片AM3352BZCZD60[7]，擁有256 Mbit內(nèi)存，256 Mbit NandFlash，具有2路100 Mbps帶EMC隔離的網(wǎng)絡(luò)接口，1路2.4 GHz Wi-Fi接口，1路3 G/4 G移動網(wǎng)絡(luò)接口，2路RS485接口，4路RS232接口，內(nèi)置看門狗電路和高精度RTC時鐘芯片。物聯(lián)網(wǎng)網(wǎng)關(guān)利用RS232接口實現(xiàn)了和前端的多組分氣體濃度分析儀的通信，完成氣體濃度的數(shù)據(jù)采集。利用另一路RS232接口實現(xiàn)和超聲波液位計通信，采集管道內(nèi)部的液位高度數(shù)據(jù)。利用MQTT協(xié)議通過4G移動網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)和云中心后臺系統(tǒng)之間的數(shù)據(jù)傳輸。物聯(lián)網(wǎng)關(guān)系統(tǒng)采用經(jīng)過裁剪的小體積嵌入式Linux作為操作系統(tǒng)，協(xié)議轉(zhuǎn)換程序采用C/C++根據(jù)多組分氣體濃度分析儀和超聲波液位計的通信協(xié)議開發(fā)。網(wǎng)關(guān)核心邏輯模塊負(fù)責(zé)和云中心系統(tǒng)通信，并負(fù)責(zé)協(xié)議指令的加解密和認(rèn)證處理。嵌入式SQLite數(shù)據(jù)庫保存各種配置參數(shù)和各種氣體濃度監(jiān)測數(shù)據(jù)，以備上行網(wǎng)絡(luò)故障時重傳使用。同時，該物聯(lián)網(wǎng)關(guān)還運行一個GoAhead嵌入式Web服務(wù)器以供網(wǎng)關(guān)的參數(shù)配置網(wǎng)頁使用。

4 云中心軟件系統(tǒng)設(shè)計

云中心軟件系統(tǒng)負(fù)責(zé)接入城市中分布的數(shù)量眾多的監(jiān)測子站，實現(xiàn)對城市下水管網(wǎng)、公廁和小區(qū)化糞池等場合中可燃及有毒有害氣體濃度的實時監(jiān)測。云中心軟件系統(tǒng)由設(shè)備管理、通信、規(guī)則引擎、插件管理框架、監(jiān)控儀表盤展示等多種功能組件構(gòu)成了一個完整的物聯(lián)網(wǎng)平臺。其系統(tǒng)架構(gòu)如圖4所示。

圖4 云中心物聯(lián)網(wǎng)平臺系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

設(shè)備管理組件通過授權(quán)管理實現(xiàn)平臺接入設(shè)備、租戶、用戶之間關(guān)聯(lián)關(guān)系的管理，并采用ITU的X.509證書[8]實現(xiàn)對前端監(jiān)測子站設(shè)備的接入認(rèn)證管理。

通信組件主要實現(xiàn)對各個監(jiān)測子站的數(shù)據(jù)采集，并負(fù)責(zé)中心系統(tǒng)的指令向監(jiān)測子站的下行傳輸。平臺為了滿足一個城市的地下管網(wǎng)和公廁、小區(qū)化糞池所設(shè)置的大量監(jiān)測子站接入和可能存在的并發(fā)通信，數(shù)據(jù)接入通信服務(wù)組件采用了非阻塞的異步通信模型(NIO)[9]，對于并發(fā)通信線程池的管理采用基于事件通知機(jī)制的Reactor反應(yīng)堆線程模型[10]。系統(tǒng)采用了NETTY庫并利用大量的異步并發(fā)線程來滿足大容量、高并發(fā)的要求。通信組件支持MQTT、HTTP和CoAP等通信協(xié)議，作為MQTT的通信Broker可以實現(xiàn)IoT Hub的功能，滿足多個MQTT Client之間的消息訂閱和出版。

云中心接收數(shù)據(jù)后通過規(guī)則引擎實現(xiàn)用戶設(shè)定的各種閾值的判定，實時采集數(shù)據(jù)和報警狀態(tài)等信息并通過儀表盤工具進(jìn)行展示，滿足系統(tǒng)管理人員的實時監(jiān)控要求。系統(tǒng)規(guī)則引擎采用了開源AKKA庫,支持JavaScript的規(guī)則自定義，利用AKKA庫支持的Actor模型[11]。通過Actor間異步消息的發(fā)送和處理，實現(xiàn)規(guī)則鏈的判斷處理。規(guī)則引擎主要實現(xiàn)各組分氣體濃度的報警閾值、多組分氣體濃度分析儀進(jìn)氣口溫濕度報警閾值、下水道和化糞池液位報警閾值、監(jiān)測子站后備電池電壓不足報警狀態(tài)等的過濾管理。通過自定義規(guī)則和自定義插件的綁定實現(xiàn)各種報警通知和數(shù)據(jù)可視化展示的處理。

5 用戶監(jiān)控前臺系統(tǒng)

平臺采用前后端分離設(shè)計，所有前端的系統(tǒng)管理頁面，各種監(jiān)控儀表盤的預(yù)置物聯(lián)網(wǎng)可視化組件等都采用AngularJS開發(fā)。預(yù)置的各種物聯(lián)網(wǎng)顯示組件包括：各種曲線圖﹑餅圖﹑直方圖等各種數(shù)據(jù)可視化顯示組件、高德GIS組件、溫濕度組件等各種儀表盤組件。用戶可以通過平臺提供的監(jiān)控儀表盤管理器選擇所使用的顯示組件，并自定義監(jiān)控儀表盤布局，通過顯示組件的數(shù)據(jù)源對象實現(xiàn)和數(shù)據(jù)庫的關(guān)聯(lián)。

系統(tǒng)利用AngularJS開發(fā)了同時滿足于手機(jī)端應(yīng)用和PC端應(yīng)用的用戶監(jiān)控前臺系統(tǒng)，使用高德地圖插件實現(xiàn)了城市下水道管網(wǎng)和化糞池的監(jiān)測子站地理位置分布以及各種報警狀態(tài)的顯示，并通過曲線圖等形式顯示各個監(jiān)測子站氣體濃度的實時數(shù)據(jù)和報警信息。

6 實 驗

由于光源調(diào)制頻率會對探測器的響應(yīng)產(chǎn)生影響[12]，以CH4和SO2氣體為例，采用封裝有對應(yīng)濾光片且?guī)в袇⒈韧ǖ赖臒後岆娂t外探測器，測試了其分別在不同調(diào)制頻率下的信號幅值，如圖5所示。由于紅外靈敏材料的固有特性熱時間常數(shù)(數(shù)毫秒～幾秒)的限制，探測器的輸出信號隨著調(diào)制頻率的增大而逐漸變小。在低頻范圍，探測器尤其具有出色的響應(yīng)能力。

圖5 參比通道、CH4測試通道、SO2測試通道的 輸出信號幅值與頻率的關(guān)系

選取測試用調(diào)制頻率為1.3 Hz，以峰峰值4 V、直流偏置+2 V、占空比0.5的方波對光源供電，分別對CH4和SO2兩種測試通道以及參比通道采集了時域信號，信號輸出呈現(xiàn)穩(wěn)定的波形，如圖6所示。

圖6 時域下參比通道、CH4測試通道、SO2測試通道 對調(diào)制光源的響應(yīng)

為了將探測器輸出信號與氣體濃度聯(lián)系起來，結(jié)合Beer-Lambert定律，至少需要三個數(shù)據(jù)點來獲得計算所需的關(guān)鍵參數(shù)，為此配置了不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)濃度氣體。圖7是時域下探測器對三種不同濃度CH4的響應(yīng)，從中可以提取信號響應(yīng)幅值，并利用Beer-Lambert定律對數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合。

圖7 探測器對不同濃度(0%、0.102 9%、0.516 8%) CH4氣體的時域響應(yīng)

為方便數(shù)據(jù)處理，可以將式(6)轉(zhuǎn)化為以下形式：

以式(7)為模型，將探測器對CH4響應(yīng)的信號輸出與氣體濃度的關(guān)系擬合起來，如圖8所示。通過擬合得到關(guān)鍵常數(shù)，從而獲得計算公式：

圖8 探測器對不同濃度CH4氣體的響應(yīng)以及 依據(jù)Beer-Lambert定律的非線性擬合

以測試標(biāo)定氣體并推導(dǎo)出的計算公式為依據(jù)，在實際的測試中，可以根據(jù)測得的電壓信號獲得CH4的實際濃度信息。

同樣地，探測器對SO2的信號與濃度的關(guān)系擬合起來(圖9)，也可以得到以下關(guān)系：

圖9 探測器對不同濃度SO2氣體的響應(yīng)以及 依據(jù)Beer-Lambert定律的非線性擬合

在實際場所的應(yīng)用中，我們同樣以此公式為依據(jù)，通過響應(yīng)信號幅值得到待測氣體中SO2的濃度。

基于上述原理,本文利用各種組分氣體的不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體，分別在設(shè)定的測量范圍內(nèi)進(jìn)行了多次測試實驗，所得到分析儀表的試驗結(jié)果如表1所示。

表1 多組分氣體濃度分析儀測試結(jié)果

7 結(jié) 語

本文設(shè)計并實現(xiàn)了多組分氣體在線監(jiān)測系統(tǒng)。實驗結(jié)果表明，基于非分散紅外光譜原理，利用高熱釋電性能的弛豫鐵電單晶材料制備的多組分氣體濃度分析儀完全滿足國家標(biāo)準(zhǔn)《GB/T 28888-2012 下水道及化糞池氣體監(jiān)測技術(shù)要求》中對電化學(xué)法分析儀表的性能指標(biāo)要求，可以以較低的綜合使用成本實現(xiàn)應(yīng)用替代。通過新型儀表和在線監(jiān)測系統(tǒng)的結(jié)合，可以提高城市管理部門對城市污水管網(wǎng)等設(shè)施的實時狀態(tài)的感知能力，降低城市管理的成本，具有應(yīng)用和推廣的價值。