基于FPGA的氧化锆分析仪的数据采集与滤波

　　0　引言

　　在工业生产过程中,很多地方需要检测氧气含量,特别是燃烧过程、氧化反应、生化处理和空分过程,测量和控制混合气体中的氧含量具有十分重要的作用。氧化锆传感器以其独特的反应机理,能够测量出高粉尘、高温和混合物气体的氧含量[1, 2]。氧化锆分析仪是以氧化锆传感器为基础设计的在线实时氧含量监测仪,具有结构简单、响应时间短、测量范围宽、使用温度高、运行可靠、安装方便、维护量小等优点,可应用于冶金、化工、环保,空分设备等工业部门。

　　FPGA兼有串、并行工作方式和高集成度、高速、高可靠性等明显的特点,其发展为数字系统设计带来了极大的灵活性。现代工业控制中模拟信号的采集和转换传统上都是通过单片机对A/D转换进行控制的。文中介绍一种用FPGA实现A/D转换的方法:一方面可以与单片机协作,缓解主CPU的工作压力;另一方面可以以此伸展,利用FPGA实现片上系统( SOC)。在滤波设计过程中,在合理地利用硬件资源的基础上,提出了一种中位值平均滤波法滤波算法,可以大大节省硬件资源,同时提高了处理速度。

　　1　氧化锆测氧原理及仪表化方程

　　图1为氧化锆的导电机理,在氧化锆电解质(ZrO2管)的两侧面分别烧结上多孔铂(Pt)电极,在一定温度下,当电解质两侧氧浓度不同时,高浓度侧的氧分子被吸附在铂电极上与电子(4e)结合形成氧离子O2-,使该电极带正电,O2-离子通过电解质中的氧离子空位迁移到低氧浓度侧的Pt电极上放出电子,转化成氧分子,使该电极带负电。两个电极的反应式分别为

　　这样在两个电极间便产生了一定的电动势,氧化锆电解质、Pt电极及两侧不同氧浓度的气体组成氧探头即所谓氧化锆浓差电池。这种电池电动势产生的原动力是两侧电极上氧的化学位差。1933年Wagner确立了原电池电动势与两侧化学位之间的关系为:

式中:n为电极反应得失数,这里n=4e;F为法拉第常数;μ′O2和μ″O2分别为低氧浓度和高氧浓度侧电极氧的化学位; t1为离子迁移数。

　　如把氧气看成理想气体,则有

　　此式即为能斯脱关系式。它是氧探头测氧的基础。在氧探头中,高浓度侧气体用已知氧浓度的气体作为参比气,如用空气,则Pref=20·6%。将此值及式(5)中的常数项合并。则得参比气为空气的能斯特公式

　　可见,如能测出氧探头的输出电动势E和被测气体的绝对温度T,即可算出被测气体的氧分压(浓度)PO2。

　　图2为氧化锆采样原理图,在实际应用中,通过检测气体的氧电势及温度,通过以能斯特公式为基础的数学模型,就可以推算出被测气体的氧含量(百分比)。这就是氧化锆氧探头的基本检测原理。