油中含硫分析儀的研究與實(shí)現(xiàn)

作者簡(jiǎn)介：劉松良（1978—），男，碩士，高級(jí)工程師，研究方向：電子技術(shù)。

目前燃燒化石燃料（石油、天然氣、煤油）產(chǎn)生的氮氧化物和硫化物是造成酸雨的主要原因。雖然化石燃料的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)在不斷升級(jí)，化石燃料中的硫含量也在持續(xù)下降，但是，隨著我國(guó)燃油汽車保有量的持續(xù)增長(zhǎng)，即使很少量的硫含量也會(huì)對(duì)環(huán)境和人體健康造成巨大的傷害。目前，市面上硫元素分析儀測(cè)量結(jié)果已接近檢測(cè)下限，測(cè)量的準(zhǔn)確性受到嚴(yán)重考驗(yàn)。因此，開發(fā)一款檢測(cè)更低硫元素分析儀，提高檢測(cè)的準(zhǔn)確性，具有十分重要的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。通過比較分析幾種檢測(cè)硫元素的方法，儀器最終采用單波長(zhǎng)色散X 射線熒光光譜技術(shù)檢測(cè)硫元素含量，具有測(cè)量精度高，測(cè)量速度快的優(yōu)勢(shì)。單波長(zhǎng)色散X 射線熒光硫分析儀測(cè)量硫元素質(zhì)量濃度，適合汽油、柴油、煤油、原油、石油渣油、液壓油、潤(rùn)滑油、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)燃料等多種切削油的硫元素含量^[2]。

1   油中含硫分析儀檢測(cè)原理和方法

為了提高適用性，本文采用改進(jìn)型單波長(zhǎng)色散X 射線熒光光譜技術(shù)，檢測(cè)原理為低能X射線管發(fā)出X射線，經(jīng)過基本的輻射濾波片激發(fā)樣品的原子熒光輻射。X 射線照射到樣品表面，產(chǎn)生二次熒光輻射，選擇特殊的濾波片，可將硫原子熒光輻射與其他能量的輻射區(qū)分開來。硫原子熒光輻射被探測(cè)器記錄下來，強(qiáng)度與硫元素含量濃度成正比。X 射線熒光的強(qiáng)度通常用計(jì)數(shù)率來表示，即單位時(shí)間入射X 射線光子的數(shù)量。因?yàn)榱蛟邮艿絏射線激發(fā)后發(fā)出的X 射線熒光的波長(zhǎng)為0.537 3 nm^[1]，所以油中含硫分析儀采用波長(zhǎng)小于1 nm 的X 射線熒光半導(dǎo)體檢測(cè)器^[2-3]。

2   分析儀總體設(shè)計(jì)

油中含硫分析儀總體設(shè)計(jì)包括四大部分：樣品探測(cè)系統(tǒng)、X 射線熒光、Zynq7000 SoC 芯片和輔助控制系統(tǒng)。其中樣品探測(cè)系統(tǒng)包括取樣單元、回樣單元、過濾單元、流量控制及壓力控制單元、制冷單元。X 射線熒光包括輻射系統(tǒng)、分光系統(tǒng)。Zynq7000 SoC 芯片包括多通道分析系統(tǒng)ARM+FPGA、人機(jī)界面。輔助控制系統(tǒng)包括PLC 控制系統(tǒng)、報(bào)警系統(tǒng)。具體設(shè)計(jì)如圖1 所示。

3   分析儀硬件設(shè)計(jì)

本文硬件主要論述多通道分析系統(tǒng)和人機(jī)交互界面的設(shè)計(jì)，硬件是一個(gè)基于Xilinx Zynq7000 SoC 芯片的多通道取樣平臺(tái)，可實(shí)現(xiàn)12 通道數(shù)據(jù)采集和傳輸。Xilinx Zynq7000 SoC 芯片采用ARM+FPGA 架構(gòu)，不僅大幅度提升了硬件電路的集成度，增強(qiáng)了系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性和可靠性，而且基于ARM+FPGA 總線架構(gòu)的數(shù)據(jù)采集和傳輸系統(tǒng)具有很強(qiáng)的靈活性和高效數(shù)據(jù)處理能力。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

多通道分析系統(tǒng)和人機(jī)交互界面設(shè)計(jì)包括兩大部分：Zynq7000 SoC 芯片和信號(hào)處理系統(tǒng)。其中Zynq7000 SoC 芯片包括ARM 處理器、FPGA。信號(hào)處理系統(tǒng)包括D/A 轉(zhuǎn)換電路、X 射線熒光、探測(cè)取樣信號(hào)、信號(hào)處理電路、峰值保持電路和A/D 轉(zhuǎn)換電路。具體設(shè)計(jì)如圖2 所示。

Xilinx Zynq7000 系列SoC 高性能處理器集成PS 端雙核ARM Cortex-A9、PL 端Kintex-7 架構(gòu)FPGA 可編程邏輯資源；Zynq7000 將高性能Kintex-7 架構(gòu)FPGA和雙核ARM Cortex-A9 處理器集成在單個(gè)芯片上，兩者直接通過片內(nèi)AXI4 高速總線進(jìn)行通信^[4]。ARM雙核，其中CPU0 運(yùn)行嵌入式Linux 操作系統(tǒng)，CPU1 運(yùn)行獨(dú)立的人機(jī)交互應(yīng)用程序。FPGA 負(fù)責(zé)取樣數(shù)據(jù)的接收、解析、傳輸和存儲(chǔ)，并通過高速總線將取樣數(shù)據(jù)直接存儲(chǔ)到片外大容量RAM 存儲(chǔ)器中。通過FPGA 和ARM同構(gòu)多核處理器的無縫協(xié)作，可以準(zhǔn)確可靠地完成探測(cè)取樣信號(hào)的接收、解析、傳輸和存儲(chǔ)^[5]。

4   分析儀軟件設(shè)計(jì)

本文軟件設(shè)計(jì)包括上位機(jī)軟件和下位機(jī)軟件。下位機(jī)軟件主要由FPGA 完成，利用FPGA 實(shí)現(xiàn)對(duì)信號(hào)接收、解析、傳輸和存儲(chǔ)，動(dòng)態(tài)反映取樣信號(hào)的變化，并且把測(cè)量結(jié)果通過AXI4 高速總線傳給ARM進(jìn)行人機(jī)交互。下位機(jī)軟件采用Linux 嵌入式操作系統(tǒng)+QT+ 應(yīng)用程序架構(gòu)，其中應(yīng)用程序的人機(jī)界面在鍵盤驅(qū)功、觸摸屏驅(qū)動(dòng)和圖形GUI 的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)用戶和分析儀的交互式管理，主要完成數(shù)據(jù)采集、參數(shù)配置、文件管理、存儲(chǔ)管理、輔助控制、圖形編輯、智能診斷和系統(tǒng)自檢等功能。其中數(shù)據(jù)采集功能模塊是系統(tǒng)重點(diǎn)，所有的數(shù)據(jù)分析和處理都在這個(gè)模塊完成。它包括數(shù)據(jù)存儲(chǔ)、數(shù)據(jù)波形顯示、數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示和復(fù)雜的數(shù)據(jù)運(yùn)算處理等多種功能。

5   試驗(yàn)結(jié)果

本文設(shè)計(jì)的油中含硫分析儀為佛山翰創(chuàng)檢測(cè)儀器有限公司LKMT801A 型。試驗(yàn)的測(cè)量結(jié)果見表1，測(cè)量誤差小于2%。

1）本試驗(yàn)的目的是檢驗(yàn)佛山翰創(chuàng)LKMT801A 型油中含硫分析儀的設(shè)計(jì)性能，主要是測(cè)量精確度和測(cè)量效率，測(cè)量結(jié)果不僅達(dá)到國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)要求，而且性能指標(biāo)達(dá)到預(yù)期目標(biāo)。

2）佛山翰創(chuàng)LKMT801A 型油中含硫分析儀擁有完全知識(shí)產(chǎn)權(quán)，在環(huán)保和環(huán)境監(jiān)測(cè)方面具有一定的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

3）佛山翰創(chuàng)LKMT801A 型油中含硫分析儀在產(chǎn)品穩(wěn)定性方面還有待提升，目前產(chǎn)品還在實(shí)驗(yàn)室測(cè)試階段。

表1 LKMT801A型X射線熒光分析儀測(cè)定硫含量數(shù)據(jù)表

6   結(jié)束語

本文介紹了一種基于Zynq7000 SoC 芯片的經(jīng)濟(jì)實(shí)用型油中含硫分析儀設(shè)計(jì)方案，對(duì)儀器的檢測(cè)原理和方法、系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)和軟硬件設(shè)計(jì)做了整體說明，并簡(jiǎn)要介紹了試驗(yàn)結(jié)果。本設(shè)計(jì)方案的主要特點(diǎn)是：機(jī)電一體微機(jī)化設(shè)計(jì)、良好的線性響應(yīng)、高穩(wěn)定性和高可靠性，使儀器整體性能得到大幅提升；同時(shí)減少傳統(tǒng)傳輸數(shù)據(jù)的PC 機(jī)分析處理方式，直接在Linux 嵌入式操作系統(tǒng)上開發(fā)人機(jī)交互應(yīng)用程序來處理數(shù)據(jù)，使儀器操作更加便捷和更具經(jīng)濟(jì)實(shí)用性。

參考文獻(xiàn)：

[1]國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局、中國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)化管理委員會(huì).石油和石油產(chǎn)品中硫含量的測(cè)定能量色散X射線熒光光譜法:GB/T 17040—2019[S].2019.

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[5]朱英杰.多道能量色散X射線熒光分析儀的研制[D].南京:東南大學(xué),2015.

（本文來源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年1月期）