在線色譜分析儀柱箱溫度控制系統(tǒng)的改造

范學(xué)英 魏 薇 王東亮

(1. 蘭州石化公司自動(dòng)化研究院，蘭州 730060；2. 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院，蘭州 730050)

在線色譜分析儀柱箱溫度控制系統(tǒng)的改造

范學(xué)英1魏 薇1王東亮2

(1. 蘭州石化公司自動(dòng)化研究院，蘭州 730060；2. 蘭州理工大學(xué)石油化工學(xué)院，蘭州 730050)

色譜柱柱箱是在線色譜分析儀的關(guān)鍵部件，柱箱溫度的變化直接影響在線色譜分析儀分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，因此，對(duì)色譜柱柱箱溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行改造，以提高在線色譜分析儀的整體性能。

在線色譜分析儀 色譜柱柱箱 溫控系統(tǒng) 熱風(fēng)管 保溫棉 PID算法

色譜分析儀是利用色譜分析方法對(duì)多組分混合物進(jìn)行分離和分析的儀器，主要組成部分有色譜柱柱箱、檢測(cè)器、進(jìn)樣器及控制系統(tǒng)等[1]。色譜柱柱箱溫度的變化直接影響色譜柱的分離效果、基線噪聲、靈敏度及數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性等多項(xiàng)指標(biāo)[2]，因此，使用時(shí)對(duì)柱箱溫度的控制至關(guān)重要。而柱箱溫度控制的難點(diǎn)主要在溫度分布的均勻性、溫度的恒定性、升溫速率和溫度控制精度4個(gè)方面。這也是項(xiàng)目組在研發(fā)基于色譜的在線氣體組成分析儀時(shí)遇到的問(wèn)題，為了解決以上問(wèn)題，筆者研制出精良的在線色譜分析儀，對(duì)色譜柱柱箱溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行了改造。

1 存在的問(wèn)題①

目前，市場(chǎng)上已有的在線色譜分析儀的柱箱溫度控制系統(tǒng)都存在不同程度的問(wèn)題，這些問(wèn)題直接影響色譜柱的分離效果、分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性等。存在的主要問(wèn)題歸納如下：

a. 柱箱溫度分布不均勻。目前，大多數(shù)在線色譜分析儀的加熱方式為熱絲加熱，也就是利用加熱管進(jìn)行加熱。這種加熱方式存在一個(gè)致命的缺陷，即離加熱管近的位置溫度偏高，離加熱管遠(yuǎn)的位置溫度偏低，而且，箱體越大溫差越大。經(jīng)過(guò)對(duì)容積為20m3的色譜柱箱體測(cè)量發(fā)現(xiàn)，最高溫差可達(dá)5℃，影響色譜柱分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性。

b. 升溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。利用加熱管對(duì)色譜柱箱體進(jìn)行加熱時(shí)，雖然加熱管功率較大(一般為2 500W)，但其熱量傳送速度較慢，這就導(dǎo)致出現(xiàn)加熱效率較低、升溫時(shí)間較長(zhǎng)的問(wèn)題。影響儀表的運(yùn)行周期和分析數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)性。

c. 柱箱保溫效果差。項(xiàng)目組研發(fā)的基于色譜的在線氣體組成分析儀對(duì)煉廠某一路生產(chǎn)氣體中丙烯和丙烷含量進(jìn)行分析時(shí)，色譜柱柱箱需要保持60℃恒溫狀態(tài)。要使柱箱溫度恒定不變，保溫層不可或缺，但保溫材料的選取直接決定保溫效果，若保溫材料選擇不合適，則會(huì)出現(xiàn)柱箱保溫效果差、熱能損耗大的問(wèn)題，影響色譜柱柱箱溫度的恒定。

d. 溫控精度低。溫度控制精度也直接影響著分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，目前，大多數(shù)在線色譜分析儀溫度控制精度在±0.5～±1.0℃之間，有待于進(jìn)一步提高。

2 改進(jìn)方案設(shè)計(jì)

針對(duì)上述主要問(wèn)題，對(duì)在線色譜分析儀柱箱溫度控制系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)方案設(shè)計(jì)，具體改進(jìn)方案如下：

a. 加熱方式的改進(jìn)(可解決柱箱溫度分布不均勻和升溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)兩大難題)。將色譜柱箱體升溫設(shè)備由加熱管更換為熱風(fēng)管，即將熱絲加熱方式換成熱風(fēng)加熱方式。兩者相比較，熱風(fēng)管利用熱風(fēng)加熱，其瞬時(shí)加熱范圍大、加熱更均勻、加熱效率更高。而且，熱風(fēng)管還具有控溫精度高、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠、能耗低及使用壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。

b. 保溫措施的改進(jìn)。在色譜柱箱體內(nèi)壁增加一層保溫棉，可減少熱能損失、提高保溫效果，以達(dá)到升溫后箱體溫度恒定的目的。保溫棉選擇鋁箔玻璃棉，保溫棉太薄會(huì)影響保溫效果，太厚會(huì)擠占柱箱空間，應(yīng)選擇合適的厚度，達(dá)到最佳保溫效果。

c. 溫控精度。利用PID控制算法進(jìn)行溫度控制，并對(duì)升溫程序中PID控制參數(shù)進(jìn)行整定，提高色譜柱柱箱溫度控制精度。

3 改進(jìn)措施

3.1加熱方式的改進(jìn)

熱風(fēng)管由不銹鋼外殼和加熱棒組成。加熱棒采用陶瓷內(nèi)芯，防止導(dǎo)電，外面纏繞熱絲；加熱棒頂端內(nèi)置熱電偶，實(shí)時(shí)檢測(cè)柱箱溫度。熱風(fēng)管工作功率為440W，從色譜柱柱箱底部置入，并接入儀表風(fēng)。通電后加熱棒迅速升溫，吹入熱風(fēng)管的儀表風(fēng)受熱升溫，并通過(guò)熱空氣的流動(dòng)對(duì)柱箱進(jìn)行加熱。通電后熱風(fēng)管加熱棒升溫，出于安全考慮，在熱風(fēng)管外加一層隔熱層。

使用熱風(fēng)管加熱的關(guān)鍵技術(shù)為：

a. 控制方式。熱風(fēng)管控制方式有兩種，一是儀表風(fēng)流量固定，通過(guò)改變電壓來(lái)改變加熱速率；二是熱風(fēng)管電壓固定，通過(guò)改變儀表風(fēng)流量改變加熱速率。相比較，前者通過(guò)程序控制晶閘管模塊，改變熱風(fēng)管電壓，易于實(shí)現(xiàn)，成本較低；后者通過(guò)比例電磁閥控制儀表風(fēng)流量，對(duì)電磁閥控制精度要求極高，而且比例電磁閥價(jià)格昂貴，一個(gè)在幾千到一萬(wàn)元左右。比較兩種方法，最終選擇前者。

b. 儀表風(fēng)脫水。由于水蒸氣會(huì)使加熱棒熱絲氧化結(jié)焦，降低絕緣性，因此，在儀表風(fēng)進(jìn)入熱風(fēng)管之前需利用變色硅膠進(jìn)行脫水處理。

c. 風(fēng)壓控制。通過(guò)壓力表和調(diào)節(jié)閥門(mén)控制儀表風(fēng)風(fēng)壓。經(jīng)過(guò)反復(fù)試驗(yàn)得出，將熱風(fēng)管風(fēng)量控制在30～50L/min范圍內(nèi)，壓力約0.3MPa，能耗最低，加熱效果最好。

3.2保溫措施的改進(jìn)

在色譜柱箱體內(nèi)壁增加一層保溫棉，保溫棉選用鋁箔玻璃棉，玻璃棉具有保溫絕熱、吸音性能好、耐腐蝕及化學(xué)性能穩(wěn)定等特點(diǎn)，表面貼鋁箔層，保溫效果更好；保溫棉太薄會(huì)影響保溫效果，太厚會(huì)擠占箱體空間，選擇10～15mm厚度，達(dá)到最佳保溫效果。

3.3溫控精度

PID是比例(P)、積分(I)、微分(D)控制算法的簡(jiǎn)稱(chēng)，簡(jiǎn)單地說(shuō)，采用比例控制規(guī)律較快地克服擾動(dòng)的影響，在比例的基礎(chǔ)上引入積分，消除余差，再加入微分作用，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；要提高溫度控制精度，主要對(duì)積分參數(shù)進(jìn)行整定。對(duì)積分參數(shù)進(jìn)行微調(diào)，調(diào)整后儀表運(yùn)行，分析儀表運(yùn)行過(guò)程中色譜柱柱箱的溫度變化情況，再對(duì)積分參數(shù)進(jìn)行整定。經(jīng)過(guò)反復(fù)整定、試驗(yàn)，確定出積分參數(shù)最佳取值，有效提高柱箱溫度精度。

4 改進(jìn)前后的對(duì)比

采用熱風(fēng)加熱之前，色譜柱柱箱溫度分布不均勻，最高溫度偏差達(dá)5℃；采用熱風(fēng)加熱后，柱箱內(nèi)溫度分布均勻，在色譜柱箱體內(nèi)選擇5個(gè)測(cè)溫點(diǎn)進(jìn)行測(cè)試，測(cè)試結(jié)果表明柱箱內(nèi)各點(diǎn)溫度相同、穩(wěn)定，達(dá)到預(yù)期效果。采用熱風(fēng)加熱，加熱效率提高，柱箱升溫時(shí)間由原來(lái)20min左右縮短為7、8min。將熱風(fēng)管風(fēng)量控制在30～50L/min范圍內(nèi)，在保證加熱效果的同時(shí)節(jié)約能耗。在色譜柱箱體內(nèi)壁增加一層保溫棉，減少熱能損失，達(dá)到柱箱內(nèi)溫度恒定的目標(biāo)。經(jīng)過(guò)對(duì)PID參數(shù)整定，柱箱溫度控制在59.8～60.1℃之間(目標(biāo)溫度60℃)溫度控制精度[3]由原來(lái)的±1.0℃提高到±0.3℃。

5 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)色譜柱柱箱溫度控制系統(tǒng)的改進(jìn)，解決了色譜柱柱箱溫度分布不均勻的問(wèn)題，縮短了柱箱升溫時(shí)間，提高了保溫效果和控溫精度，從而優(yōu)化了色譜柱分析條件，提高了分析數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和系統(tǒng)的穩(wěn)定性。為裝置優(yōu)化生產(chǎn)提供穩(wěn)定、準(zhǔn)確的在線分析數(shù)據(jù)，拓展了在線色譜分析儀的研究思路。

[1] 邸祥生，王忠民，仇軍輝，等.色譜柱箱加熱方式的研究及實(shí)驗(yàn)[J].信息系統(tǒng)工程，2015，(5)：83～83.

[2] 孫寧，謝春光，麥澤彬，等.快速氣相色譜控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用[J].分析測(cè)試學(xué)報(bào)，2013，32(10)：1256～1262.

[3] 李小平，蔣兆遠(yuǎn)，巴文廠.工業(yè)色譜儀溫度測(cè)控系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J].蘭州交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2008，27(1)：110～113.

聲明

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2016-06-05(修改稿)

甘肅省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(1508RJZA096)

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1000-3932(2016)07-0785-02