基于ARM的便携式烟气分析仪

　　0　引言

　　小型化、微型化、集成化是现代光谱分析仪器发展的一个重要方向[1]。我国环境监测基本上处于现场采样、实验室分析阶段,采样仪器以手动、半自动为主。目前国内国际市场上的烟气分析仪器其主导产品都是以电化学传感器为主进行烟气成份分析的,仪器由数个传感器、A/D转换器和中央处理器组成,由于每个传感器只能测量烟气中的一种化学成份,如果需要测量6种气体成份就需要6个传感器,因此体积庞大、结构复杂;同时电化学传感器里面设置的化学电池原理会导致仪器发生零点漂移及交叉干扰,导致测量误差较大;并且由于环境污染、温度及其暴露的湿度原因,传感器寿命短。

　　而便携式微型光纤光谱烟气分析仪是用光谱分析[2]的方式分析烟气中的化学成份。它的传感器采用了CCD方式并且把光学系统微型化。只要光谱内能出现的化学成份系统都可以对其做精确测量。因而它把体积庞大复杂而精确的光谱分析的概念从实验室引入到便携式仪器的范畴。本系统利用美国OceanOptic公司的微型光谱仪[3],并结合嵌入式技术研制了一套便携式光纤光谱烟气分析仪。该仪器既克服了电化学传感器存在的缺点,又实现了无传感器寿命问题,并能同时对多种气体进行精确测量且无交叉干扰。

　　1　系统工作原理

　　系统总体框图如图1所示。

　　嵌入式系统可以划分为软件和硬件两大部分。基于ARM的便携式烟气分析仪主要由3大部分构成,即数据采集部分、数据处理部分、数据与外设交互部分。数据采集部分实现将采集的烟气气体化学成分通过微型光谱分析仪将其对应的光信号转化为电信号;数据处理部分通过ARM处理器将电信号进行数据处理计算出烟气中各种气体的浓度;数据与外设交互部分对计算出的气体浓度进行显示打印等。

　　首先打开紫外光源,紫外光源发射出的紫外光通过光纤穿过圆柱形石英池;将采样探头通入标准大气,打开采样泵电源开关,此时采样泵会将标准大气采集到圆柱形石英池中,气体通过圆柱形石英池时会对紫外线光源进行吸收,将吸收后的光谱通过光纤传输到光谱分析仪中,光谱分析仪通过CCD将光信号转换成电信号(光子数),光信号通过USB2·0接口送入到中央处理器中进行相关处理,最后计算出各种气体成分的浓度。此时可以得到气体中各种气体成分对应的光谱曲线图以及浓度,最后将计算出来的气体浓度在显示屏上进行显示以及通过打印机打印。然后将采样探头放入到被测的烟气中,通过采样泵将被测烟气泵入到圆柱形石英池中,由于不同气体对紫外线的吸收不一样,此时被测烟气中的气体在通过圆柱形石英池时对紫外线进行吸收,气体吸收过后的紫外光通过光谱分析仪后电信号(光子数)会发生变化,通过这相应的变化与标准大气进行对比,变化越大,说明相应气体的浓度越高,按照Beer-Lambert算法计算出烟气中各种气体成分的浓度。由于不同气体对紫外线波段的吸收不一样,可以同时对多种气体进行测量,不会产生交叉干扰[4-5]。