恒溫恒流連續(xù)大氣采樣器的控制技術(shù)解析

張洪凱

摘 ?要：結(jié)合連續(xù)大氣采樣器的溫度、流量控制要求，該文對(duì)采樣器控制技術(shù)展開(kāi)了深入的分析，提出了采樣器總體控制思路，然后分別從恒溫控制和恒流控制方面進(jìn)行了技術(shù)解析，確定采樣器溫度、流量各個(gè)控制環(huán)節(jié)。從控制技術(shù)應(yīng)用效果來(lái)看，溫度控制精度能夠達(dá)到0.3℃，流量控制誤差最大不超過(guò)±1.5%，所以能夠滿(mǎn)足采樣器的恒溫、恒流控制要求。

關(guān)鍵詞：恒溫恒流控制 ?連續(xù)采樣 ?大氣采樣器

中圖分類(lèi)號(hào)：TP27 ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2019）10（a）-0059-02

通過(guò)加強(qiáng)技術(shù)應(yīng)用保證采樣器能夠維持高精度運(yùn)行，繼而為大氣污染防治提供可靠的技術(shù)支撐。

1 ?恒溫恒流連續(xù)大氣采樣器概述

連續(xù)大氣采樣器的設(shè)計(jì)，由于需要實(shí)現(xiàn)大氣環(huán)境連續(xù)監(jiān)測(cè)，所以需要保證采樣器工作的穩(wěn)定性和采集結(jié)果精確度，以便使采樣器能夠得到廣泛使用。而恒溫恒流連續(xù)大氣采樣器用于實(shí)現(xiàn)大氣污染物采集，可以保持60～150L/min流量測(cè)量范圍，對(duì)照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)需要達(dá)到±2%的測(cè)量示值誤差[1]。在采樣器運(yùn)行過(guò)程中，需要保證設(shè)備流量控制穩(wěn)定性不超過(guò)5%。在流量控制過(guò)程中，采樣分辨率應(yīng)達(dá)到 ? ?0.01L/min。在溫度控制方面，國(guó)家規(guī)定精度標(biāo)準(zhǔn)為±2℃，采樣器溫控范圍在15℃～30℃之間，響應(yīng)時(shí)間應(yīng)控制在20min范圍內(nèi)[2]。因此相較于其他大氣采樣器，該種連續(xù)大氣采樣器需要達(dá)到恒溫、恒流控制要求。

2 ?恒溫恒流連續(xù)大氣采樣器控制技術(shù)分析

2.1 總體控制分析

從采樣器的總體控制上來(lái)看，其由相應(yīng)數(shù)據(jù)采集模塊、數(shù)據(jù)分析處理模塊、驅(qū)動(dòng)控制模塊構(gòu)成，能夠利用數(shù)據(jù)采集模塊完成溫度、流量等參數(shù)的采集，然后經(jīng)由分析處理模塊實(shí)現(xiàn)各種參數(shù)分析，輸出相應(yīng)動(dòng)作控制信號(hào)，借助控制模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)帕爾貼、抽氣泵等多種設(shè)備構(gòu)成的控制單元的驅(qū)動(dòng)控制，使采樣器能夠保持恒溫、恒流狀態(tài)。實(shí)際在數(shù)據(jù)采集模塊設(shè)計(jì)上，需要利用相應(yīng)傳感器進(jìn)行對(duì)應(yīng)參數(shù)采集，然后將采集到的數(shù)據(jù)傳輸?shù)讲杉髦骺貑卧校瑢?shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)分析與處理。在具體設(shè)計(jì)中，一般采用單片機(jī)芯片實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)處理，能夠?qū)⒉杉降哪M信號(hào)轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號(hào)，經(jīng)過(guò)濾波、去噪等處理后完成數(shù)據(jù)分析，結(jié)合設(shè)定參數(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)運(yùn)算，輸出相應(yīng)驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)[3]。將信號(hào)傳遞給制冷片、制熱片，能夠?qū)崿F(xiàn)采集器溫度調(diào)節(jié)控制，將信號(hào)傳遞給真空泵控制裝置，實(shí)現(xiàn)電機(jī)轉(zhuǎn)速調(diào)節(jié)，能夠達(dá)到恒流控制目標(biāo)。

2.2 控制技術(shù)研究

2.2.1 恒溫控制技術(shù)

結(jié)合連續(xù)大氣采樣器的溫度控制要求，需要在加強(qiáng)溫度采集的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)溫度反饋調(diào)節(jié)，使采樣得到的污染物溫度得到有效控制，從而使采樣器測(cè)量結(jié)果保持穩(wěn)定輸出。

（1）溫度采集。

實(shí)際應(yīng)用恒溫控制技術(shù)，還要做好溫度傳感器的選擇。伴隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，溫度傳感器種類(lèi)日漸增多。在大氣采集器恒溫控制方面，測(cè)溫多采用熱電偶溫度器件，測(cè)溫范圍較寬，并且穩(wěn)定性較好，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，能夠?qū)ο到y(tǒng)信號(hào)進(jìn)行快速響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)4～20mA信號(hào)穩(wěn)定傳遞，有利于采樣器自動(dòng)控制功能的實(shí)現(xiàn)。從測(cè)溫原理上來(lái)看，主要運(yùn)用熱電效應(yīng)，通過(guò)對(duì)兩種半導(dǎo)體進(jìn)行連接構(gòu)成閉合回路，根據(jù)接點(diǎn)位置差異化溫度促使回路產(chǎn)生熱電勢(shì)，從而將溫度轉(zhuǎn)換為電量實(shí)現(xiàn)溫度參數(shù)采集。

（2）溫度反饋。

結(jié)合采集到的溫度參數(shù)進(jìn)行恒溫控制，采樣器采用了以ADN8831為核心的溫控電路，能夠利用比例積分微分調(diào)節(jié)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)溫度調(diào)節(jié)控制。在控溫之前，需要完成目標(biāo)溫度值的設(shè)定，然后將測(cè)量得到的溫度與設(shè)定值進(jìn)行比較，實(shí)現(xiàn)輸出電流調(diào)節(jié)控制。采用PID控制方式，能夠使控制器迅速響應(yīng)控制命令，同時(shí)能夠利用補(bǔ)償電路提高溫度控制參數(shù)精度。該種控制模式又被稱(chēng)之為前饋復(fù)合控制模式，能夠結(jié)合溫度反饋進(jìn)行控制參數(shù)輸出，達(dá)到實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)溫度的目標(biāo)。根據(jù)檢測(cè)到的環(huán)境溫度，可以實(shí)現(xiàn)溫度補(bǔ)償。根據(jù)PID反饋值，能夠使溫控單元保持運(yùn)行穩(wěn)定性，獲得較好的溫度控制精度，因此能夠使采樣器的可靠性得到提高。

（3）溫度控制。

在控制器設(shè)計(jì)上，一般采用半導(dǎo)體技術(shù)，即利用帕爾貼效應(yīng)實(shí)現(xiàn)制冷或加熱控制。實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用半導(dǎo)體材料制作成的P-N結(jié)，通過(guò)改變電流方向促使P-N結(jié)兩端制熱或吸熱，從而實(shí)現(xiàn)加熱或制冷。頻繁改變電流方向，容易影響制冷堆，造成儀器使用壽命受到影響。針對(duì)這一問(wèn)題，還要采用冷藏箱對(duì)采集到的空氣污染物進(jìn)行存儲(chǔ)，減少外界溫度變化給采集樣品的影響，使恒溫控制精度得到提高。采取上述控制技術(shù)，可以對(duì)箱內(nèi)溫度進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)，然后與溫度設(shè)定值進(jìn)行比較，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理后得到溫度調(diào)節(jié)信號(hào)，達(dá)到恒溫控制目標(biāo)。在冷藏箱加熱方面，需要采用脈寬調(diào)制方法，利用PTC熱敏材料，在溫度提升時(shí)使材料電阻增加，達(dá)到居里點(diǎn)后消耗功率極低，能夠?qū)崿F(xiàn)自我控溫。采用該種恒溫控制方法，能夠根據(jù)輸入和輸出電壓差值實(shí)現(xiàn)不同占空比的脈沖信號(hào)輸出，實(shí)現(xiàn)負(fù)載功率控制，因此能夠使采樣器整體溫控效果得到提高。經(jīng)過(guò)測(cè)試后可以發(fā)現(xiàn)，大氣連續(xù)采樣器的溫度控制精度能夠達(dá)到0.3℃，控制精度較高，遠(yuǎn)超規(guī)定的±2℃，因此能夠達(dá)到恒溫控制要求。

2.2.2 恒流控制技術(shù)

連續(xù)大氣采樣器在測(cè)量大氣中污染物時(shí)，需要利用氣泵產(chǎn)生的負(fù)壓進(jìn)行待檢測(cè)空氣的持續(xù)吸入。要想實(shí)現(xiàn)恒流控制，需要使吸入阻力變化范圍保持恒定，從而使空氣流量控制精度得到保證。在實(shí)際應(yīng)用控制技術(shù)時(shí)，還應(yīng)加強(qiáng)空氣流量參數(shù)采集，然后確定流量波動(dòng)范圍，結(jié)合實(shí)際測(cè)量結(jié)果進(jìn)行控制電流輸出，使氣泵運(yùn)行得到有效控制，最終達(dá)到恒流控制的目標(biāo)。

（1）流量采集。

在恒流控制上，需要采用流量計(jì)進(jìn)行流量參數(shù)采集，即針對(duì)管道中不同流體的流量進(jìn)行測(cè)量。根據(jù)采集到的結(jié)果，能夠?qū)崿F(xiàn)流體體積計(jì)算。使在連續(xù)大氣采樣器中，可以采用電子流量計(jì)，運(yùn)用法拉第電磁感應(yīng)定律實(shí)現(xiàn)流量測(cè)量。該種流量計(jì)可以直接將模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量，同時(shí)可以抵抗外界干擾，所以可以保證測(cè)量結(jié)果的可靠性，擁有較高測(cè)量精度，流量測(cè)量范圍在1500∶1范圍內(nèi)，可以在較大的電源電壓范圍內(nèi)工作。測(cè)量原理為質(zhì)量守恒定律，在流體碰到節(jié)流器件后依然能夠維持原本質(zhì)量，所以能夠完成對(duì)應(yīng)流速和壓力的檢測(cè)。

（2）流量調(diào)節(jié)。

在采樣器流量控制上，按照60～150L/min的工作流量展開(kāi)分析，要想使流量波動(dòng)范圍不超過(guò)額定值±2%，流量控制絕對(duì)誤差需要達(dá)到0.1L/min。結(jié)合這一要求，需要采用PI控制模式，將流量傳感器與PI運(yùn)放組合在一起，構(gòu)成采樣器流量閉環(huán)控制電路，實(shí)現(xiàn)對(duì)采樣器流量的無(wú)差調(diào)節(jié)。在控制電路設(shè)計(jì)上，包含比例部分、積分控制部分、檢測(cè)元件和執(zhí)行機(jī)構(gòu)。PI部分由兩個(gè)高輸入阻抗線(xiàn)性放大器構(gòu)成，能夠?qū)崿F(xiàn)檢測(cè)信號(hào)輸入放大。連接三級(jí)線(xiàn)性放大器，能夠?qū)崿F(xiàn)電壓偏移量預(yù)制，達(dá)到驅(qū)動(dòng)后級(jí)和完成流量初值預(yù)置的目標(biāo)。按照式（1），可以完成電壓控制預(yù)制偏移量Vp的計(jì)算，式中Vy指的是調(diào)節(jié)初值，R1為二級(jí)放大器輸出端與三級(jí)放大器負(fù)極間連接電阻的阻值，R2則是三級(jí)放大器負(fù)極與輸出端間連接電阻的阻值。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)空氣污染物采集流量等參數(shù)，可以確定偏移量調(diào)節(jié)初值。在系統(tǒng)流量控制偏差為零時(shí)，可以使系統(tǒng)保持固定偏移量，達(dá)到流量控制目標(biāo)。在實(shí)際分析過(guò)程終凝，需要做好初值選擇，以免系統(tǒng)流量控制出現(xiàn)不穩(wěn)定問(wèn)題。

Vp=Vy（1+R2/R1） ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

（3）流量控制。

在系統(tǒng)流量控制上，需要采用抽氣泵，使采樣器保持較小體積，同時(shí)減小泵運(yùn)行負(fù)載和產(chǎn)生的噪聲，使泵的使用壽命得到延長(zhǎng)。采用真空泵實(shí)現(xiàn)空氣中污染物采集，采樣器抽氣速率較高，需要配備大功率電動(dòng)機(jī)，需要通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制達(dá)到流量控制目標(biāo)。具體來(lái)講，就是可以利用連續(xù)可調(diào)DC-AC調(diào)壓模塊實(shí)現(xiàn)電機(jī)電壓輸入控制，以便在采樣器流量偏移量發(fā)生改變時(shí)，對(duì)真空泵電機(jī)電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，達(dá)到連續(xù)調(diào)節(jié)真空泵吸入氣流的目標(biāo)。采取該種控制方式，能夠使控制電路保持較大阻力的同時(shí)，達(dá)到一定控制精度。從連續(xù)大氣采樣器流量測(cè)量結(jié)果來(lái)看，平均流量偏差最大為±1.5%，不超過(guò)規(guī)定的±2%，因此能夠保證流量的穩(wěn)定輸出，達(dá)到恒流控制目標(biāo)。

3 ?結(jié)語(yǔ)

綜上所述，在連續(xù)大氣污染物監(jiān)測(cè)方面，使用采樣器還應(yīng)保證采樣流量和測(cè)量溫度恒定，才能得到精確的測(cè)量結(jié)果，保證采樣器工作的穩(wěn)定性，減少頻繁使用過(guò)程中失誤的產(chǎn)生。因此，在實(shí)際設(shè)計(jì)連續(xù)大氣采樣器時(shí)，需要加強(qiáng)恒溫、恒流控制技術(shù)的分析，從參數(shù)采集、分析調(diào)節(jié)到控制管理，還應(yīng)達(dá)到一定測(cè)量控制精度，以便使采樣器測(cè)量精度能夠達(dá)到相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，有效實(shí)現(xiàn)大氣污染監(jiān)測(cè)。

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