油中含硫分析儀的研究與實現

作者簡介：劉松良（1978—），男，碩士，高級工程師，研究方向：電子技術。

目前燃燒化石燃料（石油、天然氣、煤油）產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，隨著我國燃油汽車保有量的持續增長，即使很少量的硫含量也會對環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，開發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經濟價值。通過比較分析幾種檢測硫元素的方法，儀器最終采用單波長色散X 射線熒光光譜技術檢測硫元素含量，具有測量精度高，測量速度快的優勢。單波長色散X 射線熒光硫分析儀測量硫元素質量濃度，適合汽油、柴油、煤油、原油、石油渣油、液壓油、潤滑油、噴氣發動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，本文采用改進型單波長色散X 射線熒光光譜技術，檢測原理為低能X射線管發出X射線，經過基本的輻射濾波片激發樣品的原子熒光輻射。X 射線照射到樣品表面，產生二次熒光輻射，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來。硫原子熒光輻射被探測器記錄下來，強度與硫元素含量濃度成正比。X 射線熒光的強度通常用計數率來表示，即單位時間入射X 射線光子的數量。因為硫原子受到X射線激發后發出的X 射線熒光的波長為0.537 3 nm^[1]，所以油中含硫分析儀采用波長小于1 nm 的X 射線熒光半導體檢測器^[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、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，硬件是一個基于Xilinx Zynq7000 SoC 芯片的多通道取樣平臺，可實現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ARM+FPGA 總線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 處理器集成在單個芯片上，兩者直接通過片內AXI4 高速總線進行通信^[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，并通過高速總線將取樣數據直接存儲到片外大容量RAM 存儲器中。通過FPGA 和ARM同構多核處理器的無縫協作，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 實現對信號接收、解析、傳輸和存儲，動態反映取樣信號的變化，并且把測量結果通過AXI4 高速總線傳給ARM進行人機交互。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驅功、觸摸屏驅動和圖形GUI 的基礎上實現用戶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，所有的數據分析和處理都在這個模塊完成。它包括數據存儲、數據波形顯示、數據實時動態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檢測儀器有限公司LKMT801A 型。試驗的測量結果見表1，測量誤差小于2%。

1）本試驗的目的是檢驗佛山翰創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LKMT801A 型油中含硫分析儀擁有完全知識產權，在環保和環境監測方面具有一定的社會經濟價值。

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

表1 LKMT801A型X射線熒光分析儀測定硫含量數據表

6   結束語

本文介紹了一種基于Zynq7000 SoC 芯片的經濟實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明，并簡要介紹了試驗結果。本設計方案的主要特點是：機電一體微機化設計、良好的線性響應、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發人機交互應用程序來處理數據，使儀器操作更加便捷和更具經濟實用性。

參考文獻：

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

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

[3]王平.單波長色散X射線分析儀分析機理及在油品升級中的應用[J].石油化工自動化,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,2020.

[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,2015.

（本文來源于《電子產品世界》雜志2022年1月期）