油中含硫分析儀的研究與實(shí)現

作者簡(jiǎn)介：劉松良（1978—），男，碩士，高級工程師，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。雖然化石燃料的國家標準在不斷升級，化石燃料中的硫含量也在持續下降，但是，隨著(zhù)我國燃油汽車(chē)保有量的持續增長(cháng)，即使很少量的硫含量也會(huì )對環(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量結果已接近檢測下限，測量的準確性受到嚴重考驗。因此，開(kāi)發(fā)一款檢測更低硫元素分析儀，提高檢測的準確性，具有十分重要的社會(huì )經(jīng)濟價(jià)值。通過(guò)比較分析幾種檢測硫元素的方法，儀器最終采用單波長(cháng)色散X 射線(xiàn)熒光光譜技術(shù)檢測硫元素含量，具有測量精度高，測量速度快的優(yōu)勢。單波長(cháng)色散X 射線(xiàn)熒光硫分析儀測量硫元素質(zhì)量濃度，適合汽油、柴油、煤油、原油、石油渣油、液壓油、潤滑油、噴氣發(fā)動(dòng)機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原理和方法

為了提高適用性，本文采用改進(jìn)型單波長(cháng)色散X 射線(xiàn)熒光光譜技術(shù)，檢測原理為低能X射線(xiàn)管發(fā)出X射線(xiàn)，經(jīng)過(guò)基本的輻射濾波片激發(fā)樣品的原子熒光輻射。X 射線(xiàn)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分開(kāi)來(lái)。硫原子熒光輻射被探測器記錄下來(lái)，強度與硫元素含量濃度成正比。X 射線(xiàn)熒光的強度通常用計數率來(lái)表示，即單位時(shí)間入射X 射線(xiàn)光子的數量。因為硫原子受到X射線(xiàn)激發(fā)后發(fā)出的X 射線(xiàn)熒光的波長(cháng)為0.537 3 nm^[1]，所以油中含硫分析儀采用波長(cháng)小于1 nm 的X 射線(xiàn)熒光半導體檢測器^[2-3]。

2   分析儀總體設計

油中含硫分析儀總體設計包括四大部分：樣品探測系統、X 射線(xiàn)熒光、Zynq7000 SoC 芯片和輔助控制系統。其中樣品探測系統包括取樣單元、回樣單元、過(guò)濾單元、流量控制及壓力控制單元、制冷單元。X 射線(xiàn)熒光包括輻射系統、分光系統。Zynq7000 SoC 芯片包括多通道分析系統ARM+FPGA、人機界面。輔助控制系統包括PLC 控制系統、報警系統。具體設計如圖1 所示。

3   分析儀硬件設計

本文硬件主要論述多通道分析系統和人機交互界面的設計，硬件是一個(gè)基于Xilinx Zynq7000 SoC 芯片的多通道取樣平臺，可實(shí)現12 通道數據采集和傳輸。Xilinx Zynq7000 SoC 芯片采用ARM+FPGA 架構，不僅大幅度提升了硬件電路的集成度，增強了系統工作的穩定性和可靠性，而且基于A(yíng)RM+FPGA 總線(xiàn)架構的數據采集和傳輸系統具有很強的靈活性和高效數據處理能力。

圖1 系統總體結構框圖

多通道分析系統和人機交互界面設計包括兩大部分：Zynq7000 SoC 芯片和信號處理系統。其中Zynq7000 SoC 芯片包括ARM 處理器、FPGA。信號處理系統包括D/A 轉換電路、X 射線(xiàn)熒光、探測取樣信號、信號處理電路、峰值保持電路和A/D 轉換電路。具體設計如圖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FPGA 可編程邏輯資源；Zynq7000 將高性能Kintex-7 架構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(guò)片內AXI4 高速總線(xiàn)進(jìn)行通信^[4]。ARM雙核，其中CPU0 運行嵌入式Linux 操作系統，CPU1 運行獨立的人機交互應用程序。FPGA 負責取樣數據的接收、解析、傳輸和存儲，并通過(guò)高速總線(xiàn)將取樣數據直接存儲到片外大容量RAM 存儲器中。通過(guò)FPGA 和ARM同構多核處理器的無(wú)縫協(xié)作，可以準確可靠地完成探測取樣信號的接收、解析、傳輸和存儲^[5]。

4   分析儀軟件設計

本文軟件設計包括上位機軟件和下位機軟件。下位機軟件主要由FPGA 完成，利用FPGA 實(shí)現對信號接收、解析、傳輸和存儲，動(dòng)態(tài)反映取樣信號的變化，并且把測量結果通過(guò)AXI4 高速總線(xiàn)傳給ARM進(jìn)行人機交互。下位機軟件采用Linux 嵌入式操作系統+QT+ 應用程序架構，其中應用程序的人機界面在鍵盤(pán)驅功、觸摸屏驅動(dòng)和圖形GUI 的基礎上實(shí)現用戶(hù)和分析儀的交互式管理，主要完成數據采集、參數配置、文件管理、存儲管理、輔助控制、圖形編輯、智能診斷和系統自檢等功能。其中數據采集功能模塊是系統重點(diǎn)，所有的數據分析和處理都在這個(gè)模塊完成。它包括數據存儲、數據波形顯示、數據實(shí)時(shí)動(dòng)態(tài)顯示和復雜的數據運算處理等多種功能。

5   試驗結果

本文設計的油中含硫分析儀為佛山翰創(chuàng )檢測儀器有限公司LKMT801A 型。試驗的測量結果見(jiàn)表1，測量誤差小于2%。

1）本試驗的目的是檢驗佛山翰創(chuàng )LKMT801A 型油中含硫分析儀的設計性能，主要是測量精確度和測量效率，測量結果不僅達到國家標準要求，而且性能指標達到預期目標。

2）佛山翰創(chuàng )LKMT801A 型油中含硫分析儀擁有完全知識產(chǎn)權，在環(huán)保和環(huán)境監測方面具有一定的社會(huì )經(jīng)濟價(jià)值。

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

表1 LKMT801A型X射線(xiàn)熒光分析儀測定硫含量數據表

6   結束語(yǔ)

本文介紹了一種基于Zynq7000 SoC 芯片的經(jīng)濟實(shí)用型油中含硫分析儀設計方案，對儀器的檢測原理和方法、系統總體設計和軟硬件設計做了整體說(shuō)明，并簡(jiǎn)要介紹了試驗結果。本設計方案的主要特點(diǎn)是：機電一體微機化設計、良好的線(xiàn)性響應、高穩定性和高可靠性，使儀器整體性能得到大幅提升；同時(shí)減少傳統傳輸數據的PC 機分析處理方式，直接在Linux 嵌入式操作系統上開(kāi)發(fā)人機交互應用程序來(lái)處理數據，使儀器操作更加便捷和更具經(jīng)濟實(shí)用性。

參考文獻：

[1]國家市場(chǎng)監督管理總局、中國國家標準化管理委員會(huì ).石油和石油產(chǎn)品中硫含量的測定能量色散X射線(xiàn)熒光光譜法:GB/T 17040—2019[S].2019.

[2]李巖,龍尚云,潘思仲,等.單波長(cháng)色散X射線(xiàn)熒光光譜法測定油品硫含量方法改進(jìn)[J].遼寧化工,2021(1):125．

[3]王平.單波長(cháng)色散X射線(xiàn)分析儀分析機理及在油品升級中的應用[J].石油化工自動(dòng)化,2010(5):59．

[4]謝玲芳.基于Zynq7000 SoC的低頻頻譜分析儀設計[D].太原:中北大學(xué),2020.

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

（本文來(lái)源于《電子產(chǎn)品世界》雜志2022年1月期）