煤炭是我国国民经济的基本能源和重要原料，煤炭燃烧后会产生大量的SO2气体，SO2气体是大气中酸雨形成的主要原因，它是一种有害的空气污染物，其检测分析技术历来受到人们的重视。传统的硫分析采用库仑滴定法、艾士卡法等分析方法。库仑滴定法不是国际通行的全硫测定方法，不能用于国际煤炭贸易结算；艾士卡法大量使用化学试剂，如：盐酸、氯化钡、硝酸银等，操作繁琐，实验时间长。因此这些方法均不能满足快速、安全、准确的检测要求[1]。为此，本文设计一款自动红外光谱吸收式硫分析仪，用于精确快速检测煤炭等物质中硫含量。

1 红外气体分析原理
    热释电红外光谱定量分析的依据是朗伯-比尔定律，气体吸收单色光的程度与该气体的浓度成正比，将气体浓度的变化转换为电信号的变化。
  
    煤中的硫在富氧条件下的高温加热,生产并逸出SO2气体。生成的颗粒和水汽被高氯酸镁和滤芯吸附从气流中排除。然后气流进入红外检测池，其中SO2吸收红外光源中相应光谱，分别经窄带滤光片和薄膜热释电传感器得到与被测SO2浓度相应信号，通过进行积分和计算，换算出试样中的硫含量[2]。仪器使用前需要标准物质标定，煤样中的硫含量根据预先的标定系数由软件设置计算。
2 系统构成和硬件设计
2.1 系统总体结构
    系统由STM32单片机控制系统、PC端软件系统、自动控制装置、高温炉、红外分析池、气体供给、净化与控制装置等部分构成，其中每部分有其对应的硬件电路和软件模块。系统结构如图1所示。

2.2 硬件电路模块
    硬件电路部分由红外光源电路、热释电传感器电路、信号放大滤波电路、A/D转换电路、温度检测与控制电路、自动送样控制电路及RS232通信电路等组成，如图2所示。
2.3 红外分析池
    红外分析池部分由红外光源、镀膜气室、滤光组件、两组双通道热释电探测器等组成。通过STM32控制产生脉冲调制电信号驱动红外光源,气室采用圆柱形长腔体，发射的红外光被气体吸收后，通过滤光片照射到双通道热释电探测器PY-ITV上。红外池对于每种气体都具有参考测量和气体测量两种通道，其中对于SO2气体来说，其测量通道的电压变化反映的是气体浓度的变化情况，而参考通道则具有参考和补偿的作用。本设计中SO2测量通道采用7.40 μm滤光，参考通道采用7.00 μm滤光。采用双通道是避免红外光源变化或老化，以及环境温度变化时导致探测通道测得的信号值有所变化；采用双通道参考比较，可以得到相对稳定值，不受外界环境以及光源的影响[3]。
2.4 信号检测放大电路
    薄膜热释电传感器吸收红外辐射后，由读出电路转换成微弱电压信号，其信号频率与脉冲调制的光源频率有关，需进行低噪声放大处理。经放大滤波电路处理，得到比较稳定的模拟信号，如图3所示，再经过TI公司的ADS1242转换成数字信号输入STM32进行数据处理。
2.5 红外光源模块
    在红外分析过程中，光源的稳定性决定了分析结果的精确程度。为了提高光源的输出的稳定性，本设计采用高精度参考电压发生器LT1019-5为红外发光器件供电，使其光强恒定。
　    红外光源发出的红外光需要调制成一定频率的红外光，以适合传感器的接受，用于SO2气体分析。热释电传感器只对红外辐射的变化有反应，需对光源进行调制，使其按一定频率在发光和不发光的两个状态切换。本系统采用了一种集成电调制红外光源器件PYT-39，该光源采用导电不定型碳多层镀膜技术，热容量很低，因此升降温速度很快，其调制频率设定为4 Hz。
2.6 炉温控制模块设计
　炉温控制模块包括温度检测与温度控制两个部分。温度检测部分使用S分度热电偶测量炉温，并利用LM35D测量环境温度，实现对热电偶的冷端补偿，如图4所示。

    温度控制部分利用STM32输出PWM信号，控制D/A芯片驱动交流调压模块DTY-H220D75E对圆柱形硅碳管和高温炉进行控温。在测试过程中，炉温稳定地保持在(1 300±3)℃。仪器具备自动降温功能，通过设定参数,当等待实验时间达到一定时，炉温自动下降到500℃，这样可以保护硅碳管，以减低其老化速度。

3.2 软件设计模块
    软件部分由STM32的嵌入式软件和PC端红外分析软件构成。嵌入式软件存储在STM32单片机的Flash存储器中，用于完成各硬件模块的初始化、仪器的自检、中断响应、采集和发送气体浓度数据等任务。PC端分析软件用VC++编写，能显示、打印、重算、保存和查询分析数据结果，具有统计功能，可帮用户轻松获得结果的平均值、极差、标准偏差、相对标准偏差等重要数据，并具有智能故障提示等功能[4]。
    仪器在运行过程中，PC端分析软件根据所采集的电压信号数据，带入式(5)，按照时间进行积分运算，即可得到单位时间内气体的浓度测量数据，根据SO2的浓度换算出煤炭中硫含量。
4 测试结果及精度分析
    采用所设计的红外硫分析仪校准后分别对国家标准煤样ZBM095、ZBM097和ZBM103进行10次测试，其干基全硫含量测试结果如表1和表2所示。

    对于全硫含量，这三种标煤的不确定度分别为0.04、0.04和0.08。从表1可知，三种标样绝对误差均小于标煤的不确定度，其准确度符合要求。从表2可知，这三种标样测量最大误差分别为0.03、0.04、0.07，低于国家标准 GB/T 25214-2010所规定的0.05、0.05和0.1指标，其重复性符合国家标准要求。
    经过多种标准煤样的测试验证，所设计的红外硫分析仪测定煤样具有很高的精密度和准确度，完全符合国标GB/T 25214-2010重复性和再现性的要求，满足实际生产检验需要，且操作简便，分析速度快。另外，由于薄膜热释电传感器具有较宽的光谱带，因此只须更换红外池中窄带滤光片，即可将该仪器用于分析多种气体，具有较好的参考价值和发展前景[5]。
参考文献
[1] GB/T 25214-2010煤中全硫测定红外光谱法[S].北京:中国标准出版社,2011.
[2] GB/T 25214-2010 煤中煤中碳和氢的测定方法[S]. 北京:中国标准出版社,2008.
[3] 方文沐,杜惠敏,李天荣.燃料分析技术问答[M].北京:中国电力出版社,2005.
[4] 刘辉,马凌云,何东陆,等.自动测硫仪的研制[J]. 工矿自动化,2008,24(2):118-120.
[5] 王汝琳,王咏涛.红外检测技术[M]. 北京:化学工业出版社,2006.