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8098單片機在GXH-102紅外氣體分析器中的應用
發布時間：2017-11-22
引言
紅外氣體分析儀是一種廣泛應用于石油、化工、冶金、環保等領域中的過程監測儀器,其作用在于監測現場流程氣體濃度的變化,幫助用戶達到提高產品產量和質量、降低能源和原材料消耗,保障系統安全高效運行的目的。
其中I―――紅外輻射被氣體吸收后的能量;I0―――紅外輻射未被氣體吸收時的能量;
K―――氣體的消光系數,由氣體分子結構決定;
C―――吸收紅外輻射氣體的濃度;L―――紅外輻射所經歷的氣室長度。
國外生產紅外氣體分析儀主要有日本島津科學儀器公司、橫河電機制作所、美國貝克曼公司、德國哈特曼-布朗(HB)公司。它們的儀器先進之處在于:傳感器的制作技術遠先進于我國、率先使用了計算機技術,使儀器的精度、外觀、操作都大為改善。四川分析儀器廠針對這種情況決定開發新一代微機化紅外氣體分析儀,并將微機部分的開發任務委托我們完成,要求微機系統能用軟件方法解決長期困擾的傳感器的非線性誤差和溫度效應誤差,有濃度溫度上下限報警、控制相敏整流、手動和自動校準、串口通訊等功能。
1硬件設計
本微機系統以8098單片機為核心,包含EPROM、RAM、8255、EEPROM的主機板,及帶有指示燈、液晶片、鍵盤的顯示板構成,見圖1?兩個通道的濃度、溫度信號經二極管鉗位電路輸入到8098單片機的ACH4~ACH7,斬光盤的光電信號經施密特觸發整形電路送到HSI?0,4個程控放大信號、2個電磁閥信號、4個直流電機控制信號經光耦送到相應驅動電路,2個脈寬調制信號輸出、2個相敏整流控制信號由HSO.0~HSO.3經光耦送到標準電流輸出電路、相敏整流電路,串口通訊由8255的PB7、PC7、地線組成,經準電平轉換電路與系統機串口相連。
8255的PA口作為8個薄膜按鍵的讀入口,通過74LS30與非門向8098發外中斷申請,實現鍵盤中斷掃描,在鍵值定義中采用了雙鍵操作,因而用8個鍵實現了四種狀態選擇(測量MEAS、參數PARA、校準CAL、服務SERV)、三種轉換(通道轉換CHAN、量程轉換MR、量綱轉換DIM)、通過鍵盤修改四位數字等操作。根據儀器的要求,顯示部分采用大連東方顯示公司的EDM-1002數字式液晶顯示器(8位8段)和11個發光二極管。液晶顯示器用來顯示測量氣體的成分、測量結果。EDM-1002液晶驅動器內含有驅動器,與計算機接口的只有4根線:數據線、時鐘線、電源線、地線。將數據線接到8098的RXD、時鐘線接到TXD,通過8098的串行通道給顯示器發數據就可靜態顯示。發光二極管信息由8255的PB、PC口發出,用于指示儀器所處的工作狀態、測量通道、量程、量綱。發光二極管可有亮、暗、閃爍三種工作狀態。閃爍驅動信號由8098的HSO0?4輸出頻率10 Hz的方波和8255的PC?0、PC?1相與產生。
本微機系統采用了EEPROM 2816A作為參數表存儲器,可以實現單一+5 V電源下的在線讀寫,意外掉電或關機存儲的數據不丟失。
2紅外氣體分析器工作原理
直讀式紅外線氣體分析儀的工作原理如圖2所示[2]。由紅外光源發出兩束紅外線,經調制盤調制成一定頻率,其中一束光經過參比氣室進入接收室。另一束光經過充有被測氣體的測量氣室進入接收室。在參比氣室中充入對紅外線沒有吸收的惰性氣體(如He),使紅外線通過參比氣室后能量不變,測量氣室中的被測氣體對紅外輻射有吸收,這樣進入接收室的紅外能量就帶有被測氣體濃度的信息。GXH-102紅外氣體分析器的傳感器采用較先進的串聯式四氣室薄膜電容接收器,接收器的前室后室都裝有一定濃度的高純度被測氣體,氣室前端由CaF2玻璃密封,測量邊和參比邊的前后氣室由半透半反鏡片分隔開。紅外光由前室進入,在通過半透半反鏡片時一部分又被反射回前室,增加前室對紅外光的有效吸收,后氣室只有一小部分紅外光通過,但后氣室內裝有反射性極好的鍍金錐形體,使紅外光往復反射,增加光程,增加吸收。而且前、后氣室吸收的紅外輻射對薄膜電容的作用呈相互抵償形式,因此串聯式四氣室薄膜電容接收器可以有效克服其它氣體對被測氣體的干擾誤差,具有穩定的靜零點、動零點。
紅外氣體分析器的輸出信號與濃度的關系為[3]:
△q =△t*i =- UKcAP0NEγσ/(ωρ0CγT0X2)*I0[1-EXP(-KgCL)]
式中P0―――壓力;T0―――溫度;A―――電極面積;x―――間距;L―――氣室長度;KC―――介電常數;Eγ―――激發氣體分子由基態激發到激發態所需的能量;σ―――氣體分子由低態躍遷的幾率;Cγ―――接收器氣室中的恒容比熱;ρ0―――氣體密度值;N―――總分子數; U―――極化電壓;ω―――調制頻率;I0―――光強。
可見接收器信號輸出與濃度并非呈線性關系,且溫度也有較大的影響。在實際情況中,接收器信號輸出與濃度、溫度的關系比上式復雜得多,所以要想修正傳感器非線性誤差和溫度效應誤差,首先要找到它們的變化規律。
3接收器非線性誤差和溫度效應誤差修正方法
3?1非線性誤差修正
紅外氣體分析器非線性誤差是影響精度的重要原因,傳統的定標方法是分別在零點和滿度定標,誤差較大,由表1所示。
其最大線性誤差達到5?4%?我們對實驗所得數據用最小二乘法進行擬合,其擬合過程與精度為:
作為誤差評定指標[4]:
其中n―――實驗數據量,為40;xi―――實驗所得的數據;x(i)―――由擬合公式所得的數據;
由這些分析看出要想使△足夠小(<5 mV相當于滿量程的0?1%)則擬合多項式是高次的(次數應高于15次),這不僅增加了計算量,而且由于各項系數很小,不得不采用8字節算法,增加了編程難度,影響了儀器的實時性。通過進一步的數據分析發現,在傳感器響應曲線的中點附近增加一個標定點,即由一般的兩點定標,改為三點定標,就可得到滿意的效果,而且可以簡化編程減小計算量,因此我們確定了三點定標的傳感器非線性誤差校正方法。如表2所示。
加入一個標定點后線性誤差能達到儀器精度要求(<2%滿量程)。
3?2溫度效應誤差補償
由于紅外氣體分析器是在線檢測儀器,需要長年開機,環境溫度變化很大,可以從-5℃到60℃,所以接收器的溫度效應誤差對儀器的精度影響極大。圖3是我們用日本橫河電機制作所的6255型記錄儀(0?5級)做得的記錄。橫坐標為時間(2格/小時),縱坐標為電壓(經放大后的濃度、溫度信號,0.25V/1格),實驗溫度從10℃上升到60℃,恒溫約一小時后,開始降溫降到約20℃?由我們所做實驗發現,溫度每上升或下降10℃,濃度信號將下降400 mV以上,相當于滿量程的8%?如圖3?
為了消除溫度效應誤差,較常用的有恒溫法,即將儀器的傳感部件裝入恒溫容器,但這會增大硬件開銷,降低儀器的可靠性,而且為了使儀器傳感部件和電氣部件處于不同溫度,還須兩個機箱(傳感部件機箱溫度一般在60℃),又使儀器體積龐大。利用單片機進行軟件補償是一種經濟的方法,但要找到接收器隨溫度變化的規律,首先要使實驗過程與儀器實際運行過程一致,這樣得到的實驗數據才反映儀器實際運行過程。針對這一考慮,我們在接收器上貼裝一個溫度傳感器,用系統機、ATD98開發系統、紅外氣體分析器本身的接收器、放大器構成數據采集裝置。得到溫度、濃度數據。
首先用一次多項式做溫度補償實驗,得到圖4,用二次補償多項式做了一些實驗得到圖5,溫度變化幅度大于40℃,補償后濃度信號峰-峰值小于20 mV?溫度穩定性高于用戶提出的要求(20 mV/10℃相當于滿量程的0?4%)?
4軟件設計
軟件系統根據GXH-102紅外氣體分析儀微機部分所需的功能,根據模塊化的設計思想完成。軟件系統包括1個模塊―――主循環模塊;5個狀態―――測量(MEAS)、參數(PARA)、校準(CAL)、服務(SERV)、溫度(TEMP);2個補償―――溫度補償(TEC)、傳感器非線性補償(CPT);2個中斷―――硬中斷(EXINT)、軟件中斷(STINT);8大功能―――自檢(SELD)、自動校準(CAL)、脈寬調制輸出(SEND)、相敏整流控制(XMC)、串口通訊(SER)、通道轉換(CHAN)、量程轉換(MRS)、量綱轉換(DIMS),和一些較小的功能模塊構成,如圖6?
本軟件系統采用了一種“堆棧換向技術”(即在退出中斷服務程序時,將所要退出處的地址壓入堆棧,這樣執行RET指令后,程序轉到所須的地方),使整個軟件系統緊緊圍繞鍵盤和用戶。
5小結
筆者于1995年7月完成了GXH-102型紅外氣體分析儀微機測控系統的研制,共研制三套。四川分析儀器廠于1995年8月10日至10月10日對紅外氣體分析器微機測控系統進行了性能試驗和型式試驗,結果表明,“3臺樣品通過性能試驗和型式試驗,測試結果均能達到Q/CY307-1995-GXH型紅外氣體分析儀企業標準的技術要求,性能試驗合格,同意提交鑒定 。
隨后,兩臺GXH-102型紅外氣體分析儀分別送往重慶液化空氣有限公司和四川省新都氮肥廠做現場實驗,試驗時間分別為1995年11月7日至12月6日和1995年10月7日至12月6日。測試數據如表3?
1996年1月10日,GXH-102型紅外氣體分析器通過四聯集團組織的型式鑒定,鑒定會的結論為“GXH-102型紅外氣體分析器達到90年代初國際先進水平,填補國內空白”(產品鑒定評語)。
摘自：中國計量測控網
