離子遷移譜熱解析控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

賈林林

摘 要： 離子遷移譜（IMS）在痕量化學(xué)物探測(cè)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(jìn)樣的重要手段，熱解析的溫度是控制重點(diǎn)。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(duì)樣品進(jìn)行加熱，從而實(shí)現(xiàn)樣品的蒸發(fā)，通過(guò)載氣實(shí)現(xiàn)進(jìn)樣，以實(shí)現(xiàn)熱解析。PC機(jī)對(duì)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(shí)現(xiàn)對(duì)遷移管進(jìn)氣溫度的控制，進(jìn)氣溫度用K型的熱電偶檢測(cè)，送入PC機(jī)進(jìn)行PI運(yùn)算。本設(shè)計(jì)硬件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于連接，能夠達(dá)到簡(jiǎn)單控制溫度的目的。完成系統(tǒng)裝配與調(diào)試，基本達(dá)到預(yù)期效果，符合設(shè)計(jì)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(cè)及各種有機(jī)污染成分的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)和分析。它是在一定溫度和氣壓下，通過(guò)精確測(cè)定弱電場(chǎng)中氣相離子的漂移時(shí)間確定待測(cè)物質(zhì)的種類(lèi)。因此，IMS常用于氣相樣品的檢測(cè)。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(jìn)行檢測(cè)是當(dāng)前IMS技術(shù)的研究熱點(diǎn)[1]，熱解析方法是樣品進(jìn)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(chēng)離子遷移率譜，是在20世紀(jì)70年代初出現(xiàn)的一種新的氣相分離和檢測(cè)技術(shù)。它以離子漂移時(shí)間的差別進(jìn)行離子的分離定性，借助類(lèi)似于色譜保留時(shí)間的概念，起初被稱(chēng)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(guó)內(nèi)的熱門(mén)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(jìn)樣加熱蒸發(fā)重要手段，通過(guò)載氣空氣或者惰性氣體（如氮?dú)饣蚝猓┫拢瑢?duì)進(jìn)樣進(jìn)行檢測(cè)。熱解析的一般溫度一般是在幾百度左右，雖然說(shuō)熱解析是對(duì)IMS的液體和固體樣品進(jìn)樣重要手段，但是檢測(cè)高沸點(diǎn)或易分解，存在易重新凝結(jié)或過(guò)熱分解的問(wèn)題，而控制被控樣品的進(jìn)氣溫度很重要。

本設(shè)計(jì)采用的熱解析溫度控制要求：（1）設(shè)計(jì)一個(gè)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(jìn)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(mén)、遷移區(qū)和探測(cè)器等部分。

遷移管的最前部是樣品入口，被測(cè)樣品在載氣的帶動(dòng)下由此進(jìn)入離化區(qū)，載氣一般是純凈的氮?dú)饣騼艋^(guò)的空氣。

1.3離子遷移譜熱解析控制系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)思路

本設(shè)計(jì)是對(duì)被控設(shè)備遷移管的進(jìn)氣溫度進(jìn)行控制的系統(tǒng)，利用K型的熱電偶對(duì)被控遷移管的進(jìn)氣口的進(jìn)氣溫度進(jìn)行采樣，將采集的電壓信號(hào)通過(guò)采集卡PCI2300的模擬輸入通道接入，然后對(duì)信號(hào)進(jìn)行放大，放大后的信號(hào)進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，變?yōu)榭捎玫臄?shù)字量信號(hào)，再通過(guò)標(biāo)度轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的電勢(shì)參數(shù)，除以對(duì)應(yīng)放大倍數(shù)，就是采集過(guò)來(lái)熱電偶所產(chǎn)生的實(shí)際電勢(shì)值，將冷端補(bǔ)償溫度t帶入擬合公式，得出電勢(shì)補(bǔ)償值，求出實(shí)際被測(cè)溫度在零攝氏度下的對(duì)應(yīng)電勢(shì)，計(jì)算出被測(cè)設(shè)備溫度t，利用PI控制器編寫(xiě)算法運(yùn)算，轉(zhuǎn)化為矩形波信號(hào)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(dá)到控制遷移管進(jìn)氣口進(jìn)樣溫度的控制要求。

2.硬件設(shè)計(jì)

2.1硬件結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)熱解析系統(tǒng)，利用現(xiàn)有設(shè)備對(duì)離子遷移譜熱解析進(jìn)行溫度的控制設(shè)計(jì)，利用固態(tài)繼電器的通與斷對(duì)加熱帶進(jìn)行控制，通過(guò)K型熱電偶的檢測(cè)的溫度，送到采集卡PCI2300進(jìn)行放大和A/D轉(zhuǎn)換，最后轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的溫度參數(shù)，顯示在用VB編寫(xiě)的電腦界面上。通過(guò)PI控制器，對(duì)采集的溫度進(jìn)行換算，對(duì)采集卡PCI2300的開(kāi)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(dá)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(hào)，通過(guò)采集卡的模擬通道IN1+和AGND為輸入，通過(guò)相關(guān)運(yùn)算，在采集卡開(kāi)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(dá)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(jì)算機(jī)內(nèi)的任一PCI插槽中，構(gòu)成實(shí)驗(yàn)室、產(chǎn)品質(zhì)量檢測(cè)中心等各種領(lǐng)域的數(shù)據(jù)采集、工業(yè)生產(chǎn)過(guò)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(hào)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(hào)范圍±5V、±10V、0～10V：32位PCI總線，真正實(shí)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(kāi)關(guān)量輸入，16路開(kāi)關(guān)量輸出；完備的函數(shù)模塊使您可以方便地編寫(xiě)自己的應(yīng)用程序，而不需要對(duì)硬件有所了解，真正做到即插即用。

3.軟件設(shè)計(jì)

3.1軟件結(jié)構(gòu)

初始化是把變量和控件變?yōu)槟J(rèn)，采集熱電偶產(chǎn)生模擬電壓信號(hào)，通過(guò)A/D轉(zhuǎn)換，將模擬的電壓信號(hào)變?yōu)閿?shù)字量，數(shù)字量轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)電勢(shì)，計(jì)算被測(cè)設(shè)備溫度，得出偏差值e（t），判斷是否e（t）≤20℃，如果“是”則進(jìn)行PI運(yùn)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(kāi)關(guān)量端口DO0，刷新頁(yè)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(méi)有停止加熱則繼續(xù)循環(huán)，見(jiàn)圖4。

3.2溫度采集

3.2.1溫度信號(hào)采集

將熱電偶的兩個(gè)接線端接到采集卡PCI2300的模擬輸入的端口CH01（IN1+）和AGND上，通過(guò)采集卡PCI2300對(duì)熱電偶產(chǎn)生的電壓信號(hào)進(jìn)行采集，采集卡自帶放大器對(duì)其電壓信號(hào)進(jìn)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(gè)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(guò)來(lái)熱電偶信號(hào)經(jīng)放大后的電壓信號(hào)變?yōu)閿?shù)字量，儲(chǔ)存起來(lái)。

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(guò)來(lái)的數(shù)字量要先變?yōu)閷?duì)應(yīng)的電壓，除去放大倍數(shù)，就是熱電偶產(chǎn)生實(shí)際電壓值，再對(duì)熱電偶進(jìn)行補(bǔ)償，計(jì)算出熱電偶的補(bǔ)償后的總電壓值，最后計(jì)算出熱電偶測(cè)出的溫度值。對(duì)冷端補(bǔ)償計(jì)算和溫度的計(jì)算，需要將K型的熱電偶參數(shù)表進(jìn)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(bǔ)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(duì)已知的K型熱電偶表進(jìn)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(gè)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(shí)際輸出值之間的偏差e（t）分別進(jìn)行比例（P）和積分（I）運(yùn)算，然后對(duì)結(jié)果線性組合得出控制量u（t），再對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，使輸出值迅速達(dá)到并穩(wěn)定在預(yù)設(shè)值。當(dāng)被控對(duì)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(shí)采用PI控制最簡(jiǎn)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(duì)e（k）進(jìn)行累加，從而造成運(yùn)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(shí)，會(huì)導(dǎo)致執(zhí)行機(jī)構(gòu)跟著出現(xiàn)大的位置變化，存在安全隱患。

4.結(jié)語(yǔ)

通過(guò)實(shí)驗(yàn)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(jì)方案是可行的，基本達(dá)到預(yù)期結(jié)果。相對(duì)于熱電阻來(lái)說(shuō)，熱電偶結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，沒(méi)有復(fù)雜的外圍電路，且安裝方便，測(cè)量溫度也方便。參數(shù)的整定運(yùn)用了工程整定法中的反應(yīng)曲線法，通過(guò)運(yùn)用經(jīng)驗(yàn)法對(duì)控制參數(shù)一點(diǎn)點(diǎn)試驗(yàn)而得出的控制參數(shù)。

本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)是采集卡的模擬輸入量端口比較多，對(duì)多點(diǎn)測(cè)控是很有幫助，為以后擴(kuò)展升級(jí)留下余地，且自帶放大電路，省去復(fù)雜的外圍電路。同時(shí)，本次的VB溫度控制模塊可以為遷移譜采集波形采集時(shí)引用，但設(shè)計(jì)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(jiǎn)單，還有許多地方需要驗(yàn)證和提高。

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