煤炭是我國國民經(jīng)濟的基本能源和重要原料，煤炭燃燒后會產(chǎn)生大量的SO2氣體，SO2氣體是大氣中酸雨形成的主要原因，它是一種有害的空氣污染物，其檢測分析技術(shù)歷來受到人們的重視。傳統(tǒng)的硫分析采用庫侖滴定法、艾士卡法等分析方法。庫侖滴定法不是國際通行的全硫測定方法，不能用于國際煤炭貿(mào)易結(jié)算；艾士卡法大量使用化學試劑，如：鹽酸、氯化鋇、硝酸銀等，操作繁瑣，實驗時間長。因此這些方法均不能滿足快速、安全、準確的檢測要求[1]。為此，本文設(shè)計一款自動紅外光譜吸收式硫分析儀，用于精確快速檢測煤炭等物質(zhì)中硫含量。

1 紅外氣體分析原理
    熱釋電紅外光譜定量分析的依據(jù)是朗伯-比爾定律，氣體吸收單色光的程度與該氣體的濃度成正比，將氣體濃度的變化轉(zhuǎn)換為電信號的變化。
  
    煤中的硫在富氧條件下的高溫加熱,生產(chǎn)并逸出SO2氣體。生成的顆粒和水汽被高氯酸鎂和濾芯吸附從氣流中排除。然后氣流進入紅外檢測池，其中SO2吸收紅外光源中相應光譜，分別經(jīng)窄帶濾光片和薄膜熱釋電傳感器得到與被測SO2濃度相應信號，通過進行積分和計算，換算出試樣中的硫含量[2]。儀器使用前需要標準物質(zhì)標定，煤樣中的硫含量根據(jù)預先的標定系數(shù)由軟件設(shè)置計算。
2 系統(tǒng)構(gòu)成和硬件設(shè)計
2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
    系統(tǒng)由STM32單片機控制系統(tǒng)、PC端軟件系統(tǒng)、自動控制裝置、高溫爐、紅外分析池、氣體供給、凈化與控制裝置等部分構(gòu)成，其中每部分有其對應的硬件電路和軟件模塊。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。

2.2 硬件電路模塊
    硬件電路部分由紅外光源電路、熱釋電傳感器電路、信號放大濾波電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、溫度檢測與控制電路、自動送樣控制電路及RS232通信電路等組成，如圖2所示。
2.3 紅外分析池
    紅外分析池部分由紅外光源、鍍膜氣室、濾光組件、兩組雙通道熱釋電探測器等組成。通過STM32控制產(chǎn)生脈沖調(diào)制電信號驅(qū)動紅外光源,氣室采用圓柱形長腔體，發(fā)射的紅外光被氣體吸收后，通過濾光片照射到雙通道熱釋電探測器PY-ITV上。紅外池對于每種氣體都具有參考測量和氣體測量兩種通道，其中對于SO2氣體來說，其測量通道的電壓變化反映的是氣體濃度的變化情況，而參考通道則具有參考和補償?shù)淖饔?。本設(shè)計中SO2測量通道采用7.40 μm濾光，參考通道采用7.00 μm濾光。采用雙通道是避免紅外光源變化或老化，以及環(huán)境溫度變化時導致探測通道測得的信號值有所變化；采用雙通道參考比較，可以得到相對穩(wěn)定值，不受外界環(huán)境以及光源的影響[3]。
2.4 信號檢測放大電路
    薄膜熱釋電傳感器吸收紅外輻射后，由讀出電路轉(zhuǎn)換成微弱電壓信號，其信號頻率與脈沖調(diào)制的光源頻率有關(guān)，需進行低噪聲放大處理。經(jīng)放大濾波電路處理，得到比較穩(wěn)定的模擬信號，如圖3所示，再經(jīng)過TI公司的ADS1242轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號輸入STM32進行數(shù)據(jù)處理。
2.5 紅外光源模塊
    在紅外分析過程中，光源的穩(wěn)定性決定了分析結(jié)果的精確程度。為了提高光源的輸出的穩(wěn)定性，本設(shè)計采用高精度參考電壓發(fā)生器LT1019-5為紅外發(fā)光器件供電，使其光強恒定。
　    紅外光源發(fā)出的紅外光需要調(diào)制成一定頻率的紅外光，以適合傳感器的接受，用于SO2氣體分析。熱釋電傳感器只對紅外輻射的變化有反應，需對光源進行調(diào)制，使其按一定頻率在發(fā)光和不發(fā)光的兩個狀態(tài)切換。本系統(tǒng)采用了一種集成電調(diào)制紅外光源器件PYT-39，該光源采用導電不定型碳多層鍍膜技術(shù)，熱容量很低，因此升降溫速度很快，其調(diào)制頻率設(shè)定為4 Hz。
2.6 爐溫控制模塊設(shè)計
　爐溫控制模塊包括溫度檢測與溫度控制兩個部分。溫度檢測部分使用S分度熱電偶測量爐溫，并利用LM35D測量環(huán)境溫度，實現(xiàn)對熱電偶的冷端補償，如圖4所示。

    溫度控制部分利用STM32輸出PWM信號，控制D/A芯片驅(qū)動交流調(diào)壓模塊DTY-H220D75E對圓柱形硅碳管和高溫爐進行控溫。在測試過程中，爐溫穩(wěn)定地保持在(1 300±3)℃。儀器具備自動降溫功能，通過設(shè)定參數(shù),當?shù)却龑嶒灂r間達到一定時，爐溫自動下降到500℃，這樣可以保護硅碳管，以減低其老化速度。

3.2 軟件設(shè)計模塊
    軟件部分由STM32的嵌入式軟件和PC端紅外分析軟件構(gòu)成。嵌入式軟件存儲在STM32單片機的Flash存儲器中，用于完成各硬件模塊的初始化、儀器的自檢、中斷響應、采集和發(fā)送氣體濃度數(shù)據(jù)等任務。PC端分析軟件用VC++編寫，能顯示、打印、重算、保存和查詢分析數(shù)據(jù)結(jié)果，具有統(tǒng)計功能，可幫用戶輕松獲得結(jié)果的平均值、極差、標準偏差、相對標準偏差等重要數(shù)據(jù)，并具有智能故障提示等功能[4]。
    儀器在運行過程中，PC端分析軟件根據(jù)所采集的電壓信號數(shù)據(jù)，帶入式(5)，按照時間進行積分運算，即可得到單位時間內(nèi)氣體的濃度測量數(shù)據(jù)，根據(jù)SO2的濃度換算出煤炭中硫含量。
4 測試結(jié)果及精度分析
    采用所設(shè)計的紅外硫分析儀校準后分別對國家標準煤樣ZBM095、ZBM097和ZBM103進行10次測試，其干基全硫含量測試結(jié)果如表1和表2所示。

    對于全硫含量，這三種標煤的不確定度分別為0.04、0.04和0.08。從表1可知，三種標樣絕對誤差均小于標煤的不確定度，其準確度符合要求。從表2可知，這三種標樣測量最大誤差分別為0.03、0.04、0.07，低于國家標準 GB/T 25214-2010所規(guī)定的0.05、0.05和0.1指標，其重復性符合國家標準要求。
    經(jīng)過多種標準煤樣的測試驗證，所設(shè)計的紅外硫分析儀測定煤樣具有很高的精密度和準確度，完全符合國標GB/T 25214-2010重復性和再現(xiàn)性的要求，滿足實際生產(chǎn)檢驗需要，且操作簡便，分析速度快。另外，由于薄膜熱釋電傳感器具有較寬的光譜帶，因此只須更換紅外池中窄帶濾光片，即可將該儀器用于分析多種氣體，具有較好的參考價值和發(fā)展前景[5]。
參考文獻
[1] GB/T 25214-2010煤中全硫測定紅外光譜法[S].北京:中國標準出版社,2011.
[2] GB/T 25214-2010 煤中煤中碳和氫的測定方法[S]. 北京:中國標準出版社,2008.
[3] 方文沐,杜惠敏,李天榮.燃料分析技術(shù)問答[M].北京:中國電力出版社,2005.
[4] 劉輝,馬凌云,何東陸,等.自動測硫儀的研制[J]. 工礦自動化,2008,24(2):118-120.
[5] 王汝琳,王詠濤.紅外檢測技術(shù)[M]. 北京:化學工業(yè)出版社,2006.