大氣采樣器穩流技術的設計

沈浩 秦冰/. 上海市環境保護產品質量監督檢驗總站；. 上海市環境科學研究院

0 引言

大氣采樣器的主要原理是以采樣泵抽取樣品，采用不同的穩流措施及同步計時的方法，達到定量采集大氣中氣態或蒸汽樣品，用于分析其中的有害組分。大氣采樣器廣泛應用于環境監測、勞動防護和疾控衛生等領域，是作業環境監測與評價的最基本工具之一，其性能之優劣直接影響監測與評價結果的準確性。

大氣采樣器因其應用范圍廣，需求量大，但其結構又相對簡單，制造難度較小，所以目前有很多廠家進行生產。但其質量也是良莠不齊。根據調研和實際工作經驗 ,目前國內生產的大部分采樣器在采樣流量控制方面具有較為明顯的缺陷，即當樣品采集裝置（如濾膜、吸收瓶、活性炭吸收管等）的阻力變化時,大氣采樣器的采樣流量隨著采樣阻力的增加而下降,不能自始至終維持在設定值。應對這種現象采取的措施有：

1）人工調節保持采樣流量相對恒定，需要采樣人員定時監測大氣采樣器采樣狀態，此時采樣流量是波動的，并沒實現完全意義上的恒流采樣；

2）記錄大氣采樣器的采樣流量初始值和終止值，進行算術平均得出采樣流量的平均值，很明顯這樣的算術平均值小于初始設定值。

基于上述情況開展研究，期望采用一種不受進氣口阻力及氣泵流量變化影響的恒流采樣方案。

1 結構

采用可編程邏輯控制器（Programmable Logic Controller，PLC）+模擬量輸入模塊+差壓傳感器+電動控制閥4個主要部件組成穩流采樣系統，其控制方式為閉環控制，可以方便地將流量控制在波動小于±3%以內，其模塊聯接方框圖如圖1所示。

圖1 穩流采樣系統方框圖

1）可編程邏輯控制器和模擬量輸入模塊均采用三菱（Mitsubishi）公司產品，穩定性和重復性較好；

2）差壓傳感器采用0～1 000 Pa對應0.5～5 V輸出的微差壓傳感器，具有如下特點：

（a）較小的壓差減少了對氣泵壓力的要求；

（b）正好與PLC的模擬量輸入模塊相適合；

（c）準確度優于±1.5%；

（d）在PLC輸出的正反控制互相鎖定，不會發生同時輸出的可能，提高了電路的可靠性。

2 工作流程

穩流采樣系統工作流程是在觸模屏上設定所需的流量值（如：1 500 mL/min）,PLC根據流量值與內部的“流量-電壓表格”查出電壓值，并與模擬量輸入的電壓值進行比較（設定此值為電壓差A），在此引入一個偏差值B,其目的是為防止電動閥的調節氣路與PLC控制時間延時而造成的震蕩差異。

如果電壓差值A為正并且大于偏差值B，則輸出信號反轉電動閥，用于減小流量，此時差壓傳感器兩端的氣體阻力下降，傳感器輸出電壓也下降，一直到電壓差值A小于偏差值B，停止轉電動閥。相反，如果電壓差值A為負并且大于偏差值B，則輸出信號正轉電動閥，用于增大流量，此時差壓傳感器兩端的氣體阻力就上升，傳感器輸出電壓也上升，一直到電壓差值A小于偏差值B，停止轉電動閥。

3 流量的標定

流量的標定是關鍵點，將模擬量輸入參照值（以下稱標定值）（電壓范圍DC：0 ～ 5 V）分成10 段，分別用數字 0 ～ 9 代表：0 ～ 0.5 V、0.5 ～ 1 V、1 ～ 1.5 V、1.5 ～ 2 V、2 ～ 2.5 V、2.5 ～ 3 V、3 ～ 3.5 V、3.5 ～ 4 V、4 ～ 4.5 V、4.5 ～ 5 V，其初設標定界面如表1。

表1 標定界面

舉例說明標定值的計算：首先假如設定為1 000 mL/min，運行采樣后在標準流量計上讀數為1 160 mL/min，標定時將E值改為1 160，然后再設定為800 mL/min，運行采樣后在標準流量計上讀數為920 mL/min，標定時將D值改為920，再設定為1 160 mL/min，運行采樣后在標準流量計上讀數為1 160 mL/min±3%以內，反復設定幾次，就可將D-E這一段內的標定值基本設定正確。

此時假如再次設定1 000 mL/min時，則PLC內部作如下計算：U = 2.5+[（1 000-920）/（1 160- 920）]×0.5 = 2.66（V），如此時偏差值B設定為0.05 V，則當模擬量輸入在（2.66±0.05）V范圍內時PLC將不對電動閥進行動作。例如此時流量遠小于1 000 mL/min，則PLC控制電動閥增大流量，一直到流量傳感器的輸出電壓達到2.66 -0.05 = 2.61(V)時，停止動作。由于電動閥及氣路的延時，流量還會延時變大一些，但只要流量傳感器的輸出電壓不超過2.66+0.05=2.71（V），則PLC不進行調節動作。如超過此值時，則進行反向的調節，直至流量在設定范圍內。所以合理的調整“偏差值B”和“電動閥反應時間”就可以將流量控制到所需的范圍和精度要求。

4 試驗驗證

對所研制的大氣采樣器進行了采樣流量示值誤差的試驗工作，檢測數據見表2。

表2 采樣流量示值誤差

5 小結

該設計思路所研制的大氣采樣器未采用復雜的計算和高準確度的傳感器，通過采取多點的標定，用外部的標準流量計來保證穩流采樣系統的準確度，從而大大降低了高準確度恒流大氣采樣器的制造難度，提高了大氣采樣器的采樣流量穩定性。如果用作恒定流量點（如1 000 mL/min）采樣時，更可通過合理的調整將采樣流量示值誤差提高到±2%以內。

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