離子遷移譜熱解析控制系統(tǒng)設(shè)計

賈林林

摘 要： 離子遷移譜（IMS）在痕量化學(xué)物探測方面已有廣泛應(yīng)用，而熱解析是用于IMS的液體和固體樣品進樣的重要手段，熱解析的溫度是控制重點。以數(shù)據(jù)采集卡PCI2300和固態(tài)繼電器構(gòu)成的溫度控制系統(tǒng)，對樣品進行加熱，從而實現(xiàn)樣品的蒸發(fā)，通過載氣實現(xiàn)進樣，以實現(xiàn)熱解析。PC機對執(zhí)行設(shè)備固態(tài)繼電器的通斷控制，控制加熱帶通與斷，實現(xiàn)對遷移管進氣溫度的控制，進氣溫度用K型的熱電偶檢測，送入PC機進行PI運算。本設(shè)計硬件結(jié)構(gòu)簡單、便于連接，能夠達到簡單控制溫度的目的。完成系統(tǒng)裝配與調(diào)試，基本達到預(yù)期效果，符合設(shè)計的要求。

關(guān)鍵詞： 離子遷移譜 熱解析 PI控制 數(shù)據(jù)采集卡

離子遷移率譜技術(shù)（Ion mobility spectrometry，IMS）目前已被廣泛應(yīng)用于痕量化學(xué)戰(zhàn)劑、毒品、炸藥等的快速檢測及各種有機污染成分的實時監(jiān)測和分析。它是在一定溫度和氣壓下，通過精確測定弱電場中氣相離子的漂移時間確定待測物質(zhì)的種類。因此，IMS常用于氣相樣品的檢測。將液相或固相樣品快速高效轉(zhuǎn)化為氣相，引入IMS系統(tǒng)進行檢測是當(dāng)前IMS技術(shù)的研究熱點[1]，熱解析方法是樣品進樣、應(yīng)用較多的一種重要手段。

1.離子遷移譜控制系統(tǒng)

離子遷移譜（Ion Mobility Spectrometry，IMS），也稱離子遷移率譜，是在20世紀70年代初出現(xiàn)的一種新的氣相分離和檢測技術(shù)。它以離子漂移時間的差別進行離子的分離定性，借助類似于色譜保留時間的概念，起初被稱為等離子體色譜[2]。以離子遷移譜儀（IMS）為應(yīng)用背景的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)是目前國內(nèi)的熱門研究課題。

1.1熱解析

熱解析是用于離子遷移率譜（IMS）的液體和固體樣品進樣加熱蒸發(fā)重要手段，通過載氣空氣或者惰性氣體（如氮氣或氦氣）下，對進樣進行檢測。熱解析的一般溫度一般是在幾百度左右，雖然說熱解析是對IMS的液體和固體樣品進樣重要手段，但是檢測高沸點或易分解，存在易重新凝結(jié)或過熱分解的問題，而控制被控樣品的進氣溫度很重要。

本設(shè)計采用的熱解析溫度控制要求：（1）設(shè)計一個在離子遷移譜中的溫度控制系統(tǒng)；（2）主要功能：定值控制，溫度控制范圍：常溫至230℃，精度：5℃；（3）保證進樣溫度恒定。

1.2遷移管

遷移管的基本結(jié)構(gòu)如圖1所示，包括樣品入口、離化區(qū)、離子門、遷移區(qū)和探測器等部分。

遷移管的最前部是樣品入口，被測樣品在載氣的帶動下由此進入離化區(qū)，載氣一般是純凈的氮氣或凈化過的空氣。

1.3離子遷移譜熱解析控制系統(tǒng)總體設(shè)計思路

本設(shè)計是對被控設(shè)備遷移管的進氣溫度進行控制的系統(tǒng)，利用K型的熱電偶對被控遷移管的進氣口的進氣溫度進行采樣，將采集的電壓信號通過采集卡PCI2300的模擬輸入通道接入，然后對信號進行放大，放大后的信號進行A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)榭捎玫臄?shù)字量信號，再通過標(biāo)度轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的電勢參數(shù)，除以對應(yīng)放大倍數(shù)，就是采集過來熱電偶所產(chǎn)生的實際電勢值，將冷端補償溫度t帶入擬合公式，得出電勢補償值，求出實際被測溫度在零攝氏度下的對應(yīng)電勢，計算出被測設(shè)備溫度t，利用PI控制器編寫算法運算，轉(zhuǎn)化為矩形波信號輸出，控制執(zhí)行設(shè)備固態(tài)繼電器，以控制加熱帶的加熱，達到控制遷移管進氣口進樣溫度的控制要求。

2.硬件設(shè)計

2.1硬件結(jié)構(gòu)

設(shè)計熱解析系統(tǒng)，利用現(xiàn)有設(shè)備對離子遷移譜熱解析進行溫度的控制設(shè)計，利用固態(tài)繼電器的通與斷對加熱帶進行控制，通過K型熱電偶的檢測的溫度，送到采集卡PCI2300進行放大和A/D轉(zhuǎn)換，最后轉(zhuǎn)換為對應(yīng)的溫度參數(shù)，顯示在用VB編寫的電腦界面上。通過PI控制器，對采集的溫度進行換算，對采集卡PCI2300的開關(guān)數(shù)字量輸出端口DO輸出可變的占空比的矩形波，以控制固態(tài)繼電器，達到控制溫度的目的。

硬件結(jié)構(gòu)圖如圖2所示：

2.2硬件電路

硬件電路主要是構(gòu)成由采集卡PCI2300采集熱電偶的電壓信號，通過采集卡的模擬通道IN1+和AGND為輸入，通過相關(guān)運算，在采集卡開關(guān)量輸出端口DO0和GND輸出，接入固態(tài)繼電器SSR線圈，以控制加熱帶的通斷，達到控制溫度的目的，如圖3。

2.3 PCI2300采集卡

PCI2300卡是一種基于PCI總線的數(shù)據(jù)采集卡，可直接插在IBM-PC/AT或與之兼容的計算機內(nèi)的任一PCI插槽中，構(gòu)成實驗室、產(chǎn)品質(zhì)量檢測中心等各種領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、工業(yè)生產(chǎn)過程監(jiān)控系統(tǒng)。PCI2300板上裝有12Bit分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器，為用戶提供16雙/32單的模擬輸入通道。輸入信號儀表放大器AD620調(diào)整到合適的范圍，保證最佳轉(zhuǎn)換精度。A/D轉(zhuǎn)換器輸入信號范圍±5V、±10V、0～10V：32位PCI總線，真正實現(xiàn)即插即用；100KHz12位A/D轉(zhuǎn)換器；32通道單端模擬輸入或16路雙端模擬輸入；支持軟件查詢方式；16路開關(guān)量輸入，16路開關(guān)量輸出；完備的函數(shù)模塊使您可以方便地編寫自己的應(yīng)用程序，而不需要對硬件有所了解，真正做到即插即用。

3.軟件設(shè)計

3.1軟件結(jié)構(gòu)

初始化是把變量和控件變?yōu)槟J，采集熱電偶產(chǎn)生模擬電壓信號，通過A/D轉(zhuǎn)換，將模擬的電壓信號變?yōu)閿?shù)字量，數(shù)字量轉(zhuǎn)換為對應(yīng)電勢，計算被測設(shè)備溫度，得出偏差值e（t），判斷是否e（t）≤20℃，如果“是”則進行PI運算，否則以較大功率輸出，設(shè)全功率的70%作為輸出，輸出端口就是采集卡PCI2300的開關(guān)量端口DO0，刷新頁面參數(shù)，判斷是都有停止加熱，防止設(shè)備故常，急停使用，如果沒有停止加熱則繼續(xù)循環(huán)，見圖4。

3.2溫度采集

3.2.1溫度信號采集

將熱電偶的兩個接線端接到采集卡PCI2300的模擬輸入的端口CH01（IN1+）和AGND上，通過采集卡PCI2300對熱電偶產(chǎn)生的電壓信號進行采集，采集卡自帶放大器對其電壓信號進行放大，放大器的放大增益為100。

3.2.2 A/D轉(zhuǎn)換

由于采集卡PCI2300設(shè)置采集模擬電壓的范圍為-10V～+10V，且采集卡是100KHz12位A/D轉(zhuǎn)換器，將模擬電壓范圍內(nèi)的數(shù)分為212=4096個數(shù)，從而可以算出采集卡能分辨的最小分度電壓是20V/4096=0.0048828125V≈4.88mv。A/D是將采集過來熱電偶信號經(jīng)放大后的電壓信號變?yōu)閿?shù)字量，儲存起來。

3.2.3標(biāo)度轉(zhuǎn)換

標(biāo)度轉(zhuǎn)換主要是將得到的數(shù)字量數(shù)字的大小轉(zhuǎn)換為溫度的大小。采集過來的數(shù)字量要先變?yōu)閷?yīng)的電壓，除去放大倍數(shù)，就是熱電偶產(chǎn)生實際電壓值，再對熱電偶進行補償，計算出熱電偶的補償后的總電壓值，最后計算出熱電偶測出的溫度值。對冷端補償計算和溫度的計算，需要將K型的熱電偶參數(shù)表進行擬合，得到熱電偶的電壓轉(zhuǎn)換溫度的函數(shù)關(guān)系式和冷端補償溫度轉(zhuǎn)換為電壓的函數(shù)關(guān)系式，利用擬合曲線軟件origin，對已知的K型熱電偶表進行擬合，得出以下（3-1）和（3-2）式子。

3.3.2 PI算法基本原理

PI控制器由比例單元（P）和積分單元（I）組成，在控制系統(tǒng)里作為反饋回路的一個部件，其作用是將我們希望系統(tǒng)輸出的預(yù)設(shè)值r（t）與實際輸出值之間的偏差e（t）分別進行比例（P）和積分（I）運算，然后對結(jié)果線性組合得出控制量u（t），再對被控對象進行控制，使輸出值迅速達到并穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值。當(dāng)被控對象的變化規(guī)律難以完全被掌握的，較難使用其他控制技術(shù)，這時采用PI控制最簡單和方便。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如上圖5所示，其輸入輸出關(guān)系為：

由上式可知，位置式PI每次的輸出都要對e（k）進行累加，從而造成運算的工作量很大；若某些故障等原因使u（k）出現(xiàn)大的跳變時，會導(dǎo)致執(zhí)行機構(gòu)跟著出現(xiàn)大的位置變化，存在安全隱患。

4.結(jié)語

通過實驗證明，利用固態(tài)繼電器當(dāng)控制器，控制被控設(shè)備溫度的設(shè)計方案是可行的，基本達到預(yù)期結(jié)果。相對于熱電阻來說，熱電偶結(jié)構(gòu)簡單，沒有復(fù)雜的外圍電路，且安裝方便，測量溫度也方便。參數(shù)的整定運用了工程整定法中的反應(yīng)曲線法，通過運用經(jīng)驗法對控制參數(shù)一點點試驗而得出的控制參數(shù)。

本設(shè)計的優(yōu)點是采集卡的模擬輸入量端口比較多，對多點測控是很有幫助，為以后擴展升級留下余地，且自帶放大電路，省去復(fù)雜的外圍電路。同時，本次的VB溫度控制模塊可以為遷移譜采集波形采集時引用，但設(shè)計也有不足的地方，如溫控精度不高，且屏蔽和濾波采用都比較簡單，還有許多地方需要驗證和提高。

參考文獻：

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