基于SAW氣敏陣列的火電廠排放物SO2與NO2監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

(1.北京師范大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，北京 100875； 2.中國(guó)科學(xué)院聲學(xué)研究所，北京 100080)

大氣污染中火電廠排放物是重要的污染源之一，其中的有害氣體排放物SO2與NO2更會(huì)對(duì)人類社會(huì)生存和發(fā)展造成極大危害[1]。這些氣體具有很強(qiáng)的毒害作用，不僅直接影響著人類的身體健康,同時(shí)還具有腐蝕性，會(huì)形成酸雨，嚴(yán)重阻礙工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)發(fā)展，影響天氣氣候，破壞自然環(huán)境。

世界各國(guó)非常重視火電廠污染排放治理工作,相繼制定了電力企業(yè)生產(chǎn)規(guī)范。例如美國(guó)規(guī)定其燃煤電廠現(xiàn)有機(jī)組SO2與NOx(以NO2計(jì))最大排放量分別為64ppm和66ppm；歐盟規(guī)定其現(xiàn)有機(jī)組SO2最大排放量為70ppm，NOx最大排放量為97ppm(對(duì)大于300 MW機(jī)組，以NO2計(jì))。我國(guó)近些年來(lái)更是針對(duì)大氣污染狀況，進(jìn)一步加大了對(duì)火電廠污染物排放的治理力度，采用立法形式規(guī)定火電廠生產(chǎn)排放標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于不同地理區(qū)域、不同時(shí)期建造的火電廠，SO2的最大排放量限制在35～400 mg/m3之間(折合12ppm～140ppm),NO2的最大排放量限制在50～200 mg/m3之間(折合24ppm～97ppm)。

盡管電力行業(yè)采取了多種措施治理污染排放[2]，但由于受各電廠運(yùn)行狀況、燃料供應(yīng)、設(shè)備老化等因素影響，有些火電廠污染排放控制并不穩(wěn)定，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)排放超標(biāo)、甚至嚴(yán)重超標(biāo)的狀況。因此，對(duì)火電廠大氣污染排放物進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，以便及時(shí)采取措施加以控制，是當(dāng)前環(huán)境保護(hù)面臨的迫切任務(wù)之一。

本文以SAW氣敏陣列為基礎(chǔ)，構(gòu)建火電廠大氣污染排放物SO2與NO2監(jiān)測(cè)裝置，重點(diǎn)探討檢測(cè)裝置硬件電路設(shè)計(jì)過(guò)程以及采用人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)有害氣體檢測(cè)方法，并通過(guò)相關(guān)實(shí)驗(yàn)和實(shí)際測(cè)試，驗(yàn)證了監(jiān)測(cè)裝置的可行性。

1 SO2與NO2監(jiān)測(cè)裝置設(shè)計(jì)

1.1 監(jiān)測(cè)裝置總體設(shè)計(jì)

基于SAW氣敏陣列的監(jiān)測(cè)裝置是針對(duì)火電廠大氣污染排放物SO2和NO2有害氣體進(jìn)行檢測(cè)的，要求能夠在混合氣體中準(zhǔn)確檢測(cè)出濃度超過(guò)10 ppm的有害氣體，并當(dāng)有害氣體超過(guò)預(yù)設(shè)門限時(shí)及時(shí)把告警信息無(wú)線上傳到監(jiān)控中心；此外監(jiān)測(cè)裝置還要滿足實(shí)時(shí)自動(dòng)監(jiān)測(cè)、檢測(cè)記錄存儲(chǔ)與上傳、性價(jià)比高、體積小巧、操作便捷等功能需求。

比較一些可行方案后，結(jié)合SAW氣體傳感器的特性[3]，選擇以SAW氣敏陣列為傳感模塊，以人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為氣體檢測(cè)方法，設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)了火電廠排放物SO2與NO2監(jiān)測(cè)裝置，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示，下面就各個(gè)主要組成部分展開探討。

圖1 SO2與NO2監(jiān)測(cè)裝置總體結(jié)構(gòu)

1.2 SAW氣敏陣列

監(jiān)測(cè)裝置中的SAW氣敏陣列結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2，主要由5個(gè)氣敏諧振器及其配套的放大、混頻、濾波等電路構(gòu)成，此外還包括參考傳感器電路，可為混頻操作提供基準(zhǔn)頻率信號(hào)。

氣敏諧振器中的SAW器件選用深圳市奧宇達(dá)電子有限公司TO-39聲表面波諧振器，其中心頻率為433.92 MHz，可調(diào)頻差為+/-75 kHz，插入損耗為2.5 dB。依據(jù)SO2和NO2的化學(xué)性質(zhì)并結(jié)合被測(cè)氣體濃度變化范圍較寬等特點(diǎn)，經(jīng)過(guò)理論分析、文獻(xiàn)調(diào)研[4]和實(shí)驗(yàn)探索，對(duì)5個(gè)氣敏諧振器涂覆了特定的敏感薄膜，氣敏諧振器1～3分別涂覆碳納米管聚苯胺膜(Carbon Nanotube-Polyanilin)、聚苯胺膜(Polyaniline)和硫化鎘(CdS)3種敏感薄膜[5]，用于檢測(cè)低濃度(0ppm～20ppm)、中濃度(20ppm～800ppm)和高濃度(800ppm～1200ppm)的SO2；氣敏諧振器4～5分別涂覆酞菁銅/多壁碳納米管(Phthalocyanine Copper/Multi-walled Carbon-Nanotube)混合物[6]和二氧化碲(TeO2)二種敏感膜[7]，用于檢測(cè)較低濃度(0ppm～100ppm)和較高濃度(100ppm～1200ppm)的NO2。這些氣敏諧振器受到被測(cè)氣體作用時(shí)，諧振頻率fi(i=1,2,…,5)將發(fā)生變化，從而可反映出被測(cè)氣體的狀態(tài)[8]。

氣敏陣列中的放大和混頻器件分別采用美國(guó)Mini-Circuits公司的MAR-6SM+和ADE-1集成電路，對(duì)氣敏陣列輸出的小信號(hào)進(jìn)行放大和混頻,接著采用截止頻率為200 kHz的有源濾波器進(jìn)行低通濾波，得到頻偏信息Δfi=|fi-f|,(i=1,2,…,5)，這組信息對(duì)應(yīng)著被測(cè)氣體的濃度和種類。

1.3 頻偏測(cè)量單元

頻偏測(cè)量模塊采用Altera公司的CPLD芯片EP1C3T100C8N，完成準(zhǔn)確測(cè)量氣敏陣列頻偏數(shù)據(jù)的功能。芯片設(shè)計(jì)用Verilog HDL語(yǔ)言編程實(shí)現(xiàn)，設(shè)計(jì)思路是：對(duì)于每一組頻偏信息，分別采用測(cè)周和測(cè)頻兩種方式獲得測(cè)量值，當(dāng)測(cè)量值在0～100 Hz范圍內(nèi)時(shí)以測(cè)周量值作為結(jié)果，而忽略測(cè)頻量值；當(dāng)測(cè)量值在100 Hz～20 kHz范圍內(nèi)時(shí)則以測(cè)頻量值作為結(jié)果，而忽略測(cè)周量值。這種測(cè)周測(cè)頻相互結(jié)合的電路結(jié)構(gòu)可有效減小測(cè)量誤差[9]。

頻偏測(cè)量模塊通過(guò)串行接口(UART0)與主控單元通信，可按主控單元發(fā)布的命令，啟動(dòng)和停止頻偏測(cè)量進(jìn)程、傳輸頻偏測(cè)量結(jié)果，甚至修改頻偏測(cè)量模塊的相關(guān)參數(shù)。

1.4 主控單元及其外圍電路

主控單元是監(jiān)測(cè)裝置的控制核心，主要功能包括：① 獲取頻偏測(cè)量數(shù)據(jù)并按人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型實(shí)時(shí)檢測(cè)SO2和NO2氣體濃度；② 向PC機(jī)上傳訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型所用的訓(xùn)練樣本、獲取PC機(jī)得出的網(wǎng)絡(luò)模型和參數(shù)；③ 控制被測(cè)氣體的注入與清除，實(shí)現(xiàn)不間斷自動(dòng)測(cè)量；④ 存儲(chǔ)和顯示測(cè)量結(jié)果，必要時(shí)上傳檢測(cè)記錄；⑤ 檢測(cè)結(jié)果超限時(shí)通過(guò)GPRS模塊把報(bào)警信息無(wú)線上傳到監(jiān)控中心；⑥ 對(duì)監(jiān)測(cè)裝置中其他電路模塊參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，以便適應(yīng)監(jiān)測(cè)裝置的各種應(yīng)用場(chǎng)合。

主控單元由Silicon Labs公司的片上系統(tǒng)C8051F020單片機(jī)承擔(dān)，這種單片機(jī)是標(biāo)準(zhǔn)8051單片機(jī)的高端產(chǎn)品，其指令執(zhí)行速度更高(可達(dá)100MIPS),片上資源更加豐富，完全滿足監(jiān)測(cè)裝置的功能需求及指標(biāo)要求。在監(jiān)測(cè)裝置中，C8051F020片內(nèi)的程序存儲(chǔ)器和數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器分別用于存放程序代碼和氣體檢測(cè)記錄，快速乘法和累加引擎用于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)數(shù)值計(jì)算[10]，可編程定時(shí)/計(jì)數(shù)器及其陣列用于協(xié)調(diào)各電路模塊的工作進(jìn)程，通用I/O口線控制各種伺服機(jī)構(gòu)動(dòng)作和實(shí)現(xiàn)鍵盤/顯示模塊的連接，片內(nèi)集成的多種串行接口實(shí)現(xiàn)各個(gè)單元或模塊之間的信息溝通，此外片內(nèi)的電源監(jiān)視/看門狗電路可進(jìn)一步保證監(jiān)測(cè)裝置工作的可靠性。

鍵盤顯示模塊由8個(gè)獨(dú)立按鍵和液晶顯示模組L320240A構(gòu)成，作用是實(shí)時(shí)顯示被測(cè)氣體濃度量值、設(shè)置各種工作參數(shù)、顯示檢測(cè)裝置工作流程。

氣體注入/清除控制模塊用于控制各種繼電器、進(jìn)氣閥等伺服機(jī)構(gòu)運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)對(duì)被測(cè)氣體的注入、清除等操作。

RS232通信接口實(shí)現(xiàn)主控單元與PC機(jī)之間的信息交換，包括監(jiān)測(cè)裝置上傳訓(xùn)練樣本和PC機(jī)下傳人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型及參數(shù)。GPRS通信模塊由華為GTM900B無(wú)線模塊承擔(dān)，實(shí)現(xiàn)被測(cè)氣體濃度超限時(shí)無(wú)線上傳告警信息功能。

2 實(shí)驗(yàn)與分析

實(shí)驗(yàn)過(guò)程主要包括以下5個(gè)環(huán)節(jié)：實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集，在PC機(jī)上訓(xùn)練人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，在監(jiān)測(cè)裝置的片上系統(tǒng)中構(gòu)建神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，在監(jiān)測(cè)裝置上對(duì)驗(yàn)證樣本進(jìn)行檢驗(yàn)并對(duì)結(jié)果進(jìn)行分析，在火電廠實(shí)際工況下對(duì)監(jiān)測(cè)裝置進(jìn)行試驗(yàn)。

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集

對(duì)設(shè)計(jì)的SO2與NO2監(jiān)測(cè)裝置，首先在實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行測(cè)試和驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)室環(huán)境參數(shù)為25 ℃、30%RH、1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓。頻偏信息的獲取步驟是:用純氮?dú)?Nitrogen)分別對(duì)SO2和NO2稀釋，形成各種濃度(0ppm～1200ppm)的混合氣體，將混合氣體通過(guò)輸氣管道以0.5 L/min的流量送入監(jiān)測(cè)裝置SAW氣敏陣列通道上，在主控單元控制下，持續(xù)注入6 min的混合氣體使敏感薄膜充分吸收氣體分子，接著啟動(dòng)頻偏測(cè)量模塊工作，獲取一組頻偏數(shù)據(jù)；本次測(cè)量完畢后，用純氮?dú)馔ㄟ^(guò)氣道吹拂氣敏陣列中的敏感薄膜，持續(xù)吹拂8 min來(lái)清除敏感薄膜吸附的氣體分子，以便進(jìn)行下次測(cè)量。

對(duì)各種濃度的混合氣體，采用上述步驟進(jìn)行測(cè)量，共測(cè)量600次，得到600組測(cè)試數(shù)據(jù)。在考慮兩種氣體不同濃度混合的前提下，從600組測(cè)試數(shù)據(jù)中隨機(jī)抽取400組數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本，其余200組數(shù)據(jù)作為驗(yàn)證樣本，分別用來(lái)對(duì)人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練和檢驗(yàn)。

2.2 人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的訓(xùn)練和構(gòu)建

監(jiān)測(cè)裝置具有5路輸入數(shù)據(jù)和2路輸出結(jié)果,為此在PC機(jī)上用Matlab語(yǔ)言編程，構(gòu)建5-輸入、2-輸出2層前饋型人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，按照神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練步驟進(jìn)行有監(jiān)督訓(xùn)練。考慮到頻偏數(shù)據(jù)變化范圍較大會(huì)影響數(shù)值計(jì)算精度，為此訓(xùn)練前先對(duì)訓(xùn)練樣本取以10為底對(duì)數(shù)再歸一化后作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入，對(duì)應(yīng)的兩種氣體濃度值直接歸一化后作為目標(biāo)輸出。在訓(xùn)練過(guò)程中，嘗試了各種不同的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)和初始參數(shù)，主要包括以下幾種情況：隱層神經(jīng)元數(shù)目從5～15個(gè)變化，隱層傳輸函數(shù)采用tansig、logsig和radbas函數(shù)之一，輸出層傳輸函數(shù)采用purelin和satlin之一，訓(xùn)練算法采用高斯梯度下降算法和Levenberg-Marquardt之一，網(wǎng)絡(luò)的初始參數(shù)選取不同的數(shù)值等。進(jìn)一步考慮訓(xùn)練過(guò)程的快速收斂性、模型結(jié)構(gòu)的復(fù)雜程度、C8051F020實(shí)現(xiàn)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的便利性等因素，從各種訓(xùn)練得出的網(wǎng)絡(luò)模型中，優(yōu)選出了最佳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型：隱層神經(jīng)元為10個(gè)、隱層傳輸函數(shù)采用logsig函數(shù)、輸出層傳輸函數(shù)采用線性傳輸函數(shù)(purelin)。

將PC機(jī)訓(xùn)練得出的最佳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型下載到監(jiān)測(cè)裝置中，采用C51語(yǔ)言對(duì)C8051F020進(jìn)行程序設(shè)計(jì)，從而在監(jiān)測(cè)裝置上建立了最佳神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，對(duì)監(jiān)測(cè)過(guò)程中測(cè)出的頻偏數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)計(jì)算處理，可得出混合氣體中SO2與NO2的濃度估值。

2.3 監(jiān)測(cè)裝置對(duì)驗(yàn)證樣本的測(cè)試和結(jié)果分析

監(jiān)測(cè)裝置對(duì)200組驗(yàn)證樣本進(jìn)行檢驗(yàn)，得到200組氣體濃度檢測(cè)結(jié)果，圖3給出了NO2濃度為50ppm時(shí)對(duì)各種濃度SO2的檢測(cè)結(jié)果(因篇幅所限，未畫出全部氣體濃度檢測(cè)結(jié)果)，從全部檢測(cè)結(jié)果可以看出：

① 監(jiān)測(cè)裝置適合檢測(cè)濃度在10ppm～1000ppm范圍內(nèi)變化的SO2和NO2混合氣體，兩種氣體檢測(cè)誤差均小于4%，檢測(cè)性能與常規(guī)SO2和NO2檢測(cè)儀器相當(dāng)。此外，多數(shù)火電廠排放的SO2和NO2氣體大多在10ppm～1000ppm濃度范圍內(nèi)，說(shuō)明監(jiān)測(cè)裝置滿足火電廠污染排放檢測(cè)需求。

② 監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)濃度很大(大于1000ppm)的SO2和NO2混合氣體時(shí)，檢測(cè)結(jié)果的絕對(duì)誤差較大，原因是敏感薄膜吸附氣體分子會(huì)出現(xiàn)飽和現(xiàn)象，可選擇性能更好的敏感薄膜材料來(lái)嘗試解決問(wèn)題；監(jiān)測(cè)裝置檢測(cè)濃度很小(0～10ppm范圍)的混合氣體時(shí)，檢測(cè)結(jié)果的相對(duì)誤差較大，主要是低濃度氣體易受其他氣體交叉干擾，導(dǎo)致氣敏陣列頻偏變化量很小造成的，應(yīng)對(duì)措施可考慮在監(jiān)測(cè)裝置中增加一個(gè)低濃度氣體檢測(cè)模型，再結(jié)合已經(jīng)構(gòu)建的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,對(duì)濃度寬范圍變化的氣體進(jìn)行分段檢測(cè)。

圖3 監(jiān)測(cè)裝置對(duì)SO2的檢測(cè)結(jié)果(NO2=50ppm)

2.4 實(shí)際工況下監(jiān)測(cè)裝置的試驗(yàn)

對(duì)我國(guó)山西省某火電廠的一臺(tái)200 MW發(fā)電機(jī)組正常工況下的氣體排放物進(jìn)行了實(shí)際檢測(cè)試驗(yàn)，用抽氣泵從煙囪采樣孔抽取機(jī)組排放的污染氣體，分別用德國(guó)DRAGER(德?tīng)柛?MSI VARIOx-2煙道氣體分析儀和本文所構(gòu)建的監(jiān)測(cè)裝置同時(shí)檢測(cè)混合氣體中SO2和NO2濃度，持續(xù)一天時(shí)間進(jìn)行8次試驗(yàn)(每小時(shí)試驗(yàn)1次)，試驗(yàn)結(jié)果如表1所示?？梢钥闯?，監(jiān)測(cè)裝置與分析儀測(cè)量結(jié)果的相對(duì)誤差不超過(guò)5%，表明監(jiān)測(cè)裝置適合于火電廠排放物SO2與NO2的監(jiān)測(cè)。

表1 火電廠排放物SO2與NO2的監(jiān)測(cè)結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

實(shí)驗(yàn)和實(shí)際測(cè)試結(jié)果表明，基于SAW氣敏陣列的火電廠排放物SO2與NO2監(jiān)測(cè)裝置，可準(zhǔn)確檢測(cè)濃度在10ppm～1000ppm范圍內(nèi)的SO2和NO2，可快速自動(dòng)地實(shí)現(xiàn)不間斷測(cè)量，當(dāng)被測(cè)氣體濃度超限時(shí)可實(shí)時(shí)把告警信息無(wú)線傳輸?shù)奖O(jiān)控中心，此外監(jiān)測(cè)裝置的其他功能也達(dá)到了設(shè)計(jì)目標(biāo)。可以預(yù)期，這種裝置必將對(duì)火電廠大氣污染排放物實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)起到積極作用，也可進(jìn)一步將監(jiān)測(cè)裝置推廣應(yīng)用到其他領(lǐng)域。

誠(chéng)然，監(jiān)測(cè)裝置還存在一些有待改進(jìn)和完善之處，例如除應(yīng)對(duì)高、低濃度氣體檢測(cè)所采取的措施外，還可在氣敏陣列中增加更多的氣敏諧振器來(lái)檢測(cè)更多類型的氣體，也可嘗試監(jiān)測(cè)裝置自身訓(xùn)練檢測(cè)模型甚至進(jìn)行深度學(xué)習(xí)，以進(jìn)一步提高監(jiān)測(cè)裝置的性能。