恒溫恒流連續大氣采樣器的控制技術解析

張洪凱

摘 ?要：結合連續大氣采樣器的溫度、流量控制要求，該文對采樣器控制技術展開了深入的分析，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行了技術解析，確定采樣器溫度、流量各個控制環節。從控制技術應用效果來看，溫度控制精度能夠達到0.3℃，流量控制誤差最大不超過±1.5%，所以能夠滿足采樣器的恒溫、恒流控制要求。

關鍵詞：恒溫恒流控制 ?連續采樣 ?大氣采樣器

中圖分類號：TP27 ? 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）10（a）-0059-02

通過加強技術應用保證采樣器能夠維持高精度運行，繼而為大氣污染防治提供可靠的技術支撐。

1 ?恒溫恒流連續大氣采樣器概述

連續大氣采樣器的設計，由于需要實現大氣環境連續監測，所以需要保證采樣器工作的穩定性和采集結果精確度，以便使采樣器能夠得到廣泛使用。而恒溫恒流連續大氣采樣器用于實現大氣污染物采集，可以保持60～150L/min流量測量范圍，對照國家標準需要達到±2%的測量示值誤差[1]。在采樣器運行過程中，需要保證設備流量控制穩定性不超過5%。在流量控制過程中，采樣分辨率應達到 ? ?0.01L/min。在溫度控制方面，國家規定精度標準為±2℃，采樣器溫控范圍在15℃～30℃之間，響應時間應控制在20min范圍內[2]。因此相較于其他大氣采樣器，該種連續大氣采樣器需要達到恒溫、恒流控制要求。

2 ?恒溫恒流連續大氣采樣器控制技術分析

2.1 總體控制分析

從采樣器的總體控制上來看，其由相應數據采集模塊、數據分析處理模塊、驅動控制模塊構成，能夠利用數據采集模塊完成溫度、流量等參數的采集，然后經由分析處理模塊實現各種參數分析，輸出相應動作控制信號，借助控制模塊實現對帕爾貼、抽氣泵等多種設備構成的控制單元的驅動控制，使采樣器能夠保持恒溫、恒流狀態。實際在數據采集模塊設計上，需要利用相應傳感器進行對應參數采集，然后將采集到的數據傳輸到采集器主控單元中，實現數據分析與處理。在具體設計中，一般采用單片機芯片實現數據處理，能夠將采集到的模擬信號轉化為數字信號，經過濾波、去噪等處理后完成數據分析，結合設定參數實現數據運算，輸出相應驅動控制信號[3]。將信號傳遞給制冷片、制熱片，能夠實現采集器溫度調節控制，將信號傳遞給真空泵控制裝置，實現電機轉速調節，能夠達到恒流控制目標。

2.2 控制技術研究

2.2.1 恒溫控制技術

結合連續大氣采樣器的溫度控制要求，需要在加強溫度采集的同時，實現溫度反饋調節，使采樣得到的污染物溫度得到有效控制，從而使采樣器測量結果保持穩定輸出。

（1）溫度采集。

實際應用恒溫控制技術，還要做好溫度傳感器的選擇。伴隨著科學技術的快速發展，溫度傳感器種類日漸增多。在大氣采集器恒溫控制方面，測溫多采用熱電偶溫度器件，測溫范圍較寬，并且穩定性較好，結構簡單，能夠對系統信號進行快速響應，實現4～20mA信號穩定傳遞，有利于采樣器自動控制功能的實現。從測溫原理上來看，主要運用熱電效應，通過對兩種半導體進行連接構成閉合回路，根據接點位置差異化溫度促使回路產生熱電勢，從而將溫度轉換為電量實現溫度參數采集。

（2）溫度反饋。

結合采集到的溫度參數進行恒溫控制，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節網絡實現溫度調節控制。在控溫之前，需要完成目標溫度值的設定，然后將測量得到的溫度與設定值進行比較，實現輸出電流調節控制。采用PID控制方式，能夠使控制器迅速響應控制命令，同時能夠利用補償電路提高溫度控制參數精度。該種控制模式又被稱之為前饋復合控制模式，能夠結合溫度反饋進行控制參數輸出，達到實時調節溫度的目標。根據檢測到的環境溫度，可以實現溫度補償。根據PID反饋值，能夠使溫控單元保持運行穩定性，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。

在控制器設計上，一般采用半導體技術，即利用帕爾貼效應實現制冷或加熱控制。實際設計時，可以采用半導體材料制作成的P-N結，通過改變電流方向促使P-N結兩端制熱或吸熱，從而實現加熱或制冷。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。針對這一問題，還要采用冷藏箱對采集到的空氣污染物進行存儲，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，可以對箱內溫度進行實時檢測，然后與溫度設定值進行比較，經過信號處理后得到溫度調節信號，達到恒溫控制目標。在冷藏箱加熱方面，需要采用脈寬調制方法，利用PTC熱敏材料，在溫度提升時使材料電阻增加，達到居里點后消耗功率極低，能夠實現自我控溫。采用該種恒溫控制方法，能夠根據輸入和輸出電壓差值實現不同占空比的脈沖信號輸出，實現負載功率控制，因此能夠使采樣器整體溫控效果得到提高。經過測試后可以發現，大氣連續采樣器的溫度控制精度能夠達到0.3℃，控制精度較高，遠超規定的±2℃，因此能夠達到恒溫控制要求。

2.2.2 恒流控制技術

連續大氣采樣器在測量大氣中污染物時，需要利用氣泵產生的負壓進行待檢測空氣的持續吸入。要想實現恒流控制，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。在實際應用控制技術時，還應加強空氣流量參數采集，然后確定流量波動范圍，結合實際測量結果進行控制電流輸出，使氣泵運行得到有效控制，最終達到恒流控制的目標。

（1）流量采集。

在恒流控制上，需要采用流量計進行流量參數采集，即針對管道中不同流體的流量進行測量。根據采集到的結果，能夠實現流體體積計算。使在連續大氣采樣器中，可以采用電子流量計，運用法拉第電磁感應定律實現流量測量。該種流量計可以直接將模擬量轉換為數字量，同時可以抵抗外界干擾，所以可以保證測量結果的可靠性，擁有較高測量精度，流量測量范圍在1500∶1范圍內，可以在較大的電源電壓范圍內工作。測量原理為質量守恒定律，在流體碰到節流器件后依然能夠維持原本質量，所以能夠完成對應流速和壓力的檢測。

（2）流量調節。

在采樣器流量控制上，按照60～150L/min的工作流量展開分析，要想使流量波動范圍不超過額定值±2%，流量控制絕對誤差需要達到0.1L/min。結合這一要求，需要采用PI控制模式，將流量傳感器與PI運放組合在一起，構成采樣器流量閉環控制電路，實現對采樣器流量的無差調節。在控制電路設計上，包含比例部分、積分控制部分、檢測元件和執行機構。PI部分由兩個高輸入阻抗線性放大器構成，能夠實現檢測信號輸入放大。連接三級線性放大器，能夠實現電壓偏移量預制，達到驅動后級和完成流量初值預置的目標。按照式（1），可以完成電壓控制預制偏移量Vp的計算，式中Vy指的是調節初值，R1為二級放大器輸出端與三級放大器負極間連接電阻的阻值，R2則是三級放大器負極與輸出端間連接電阻的阻值。根據現場空氣污染物采集流量等參數，可以確定偏移量調節初值。在系統流量控制偏差為零時，可以使系統保持固定偏移量，達到流量控制目標。在實際分析過程終凝，需要做好初值選擇，以免系統流量控制出現不穩定問題。

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

（3）流量控制。

在系統流量控制上，需要采用抽氣泵，使采樣器保持較小體積，同時減小泵運行負載和產生的噪聲，使泵的使用壽命得到延長。采用真空泵實現空氣中污染物采集，采樣器抽氣速率較高，需要配備大功率電動機，需要通過電機驅動控制達到流量控制目標。具體來講，就是可以利用連續可調DC-AC調壓模塊實現電機電壓輸入控制，以便在采樣器流量偏移量發生改變時，對真空泵電機電壓進行調節，達到連續調節真空泵吸入氣流的目標。采取該種控制方式，能夠使控制電路保持較大阻力的同時，達到一定控制精度。從連續大氣采樣器流量測量結果來看，平均流量偏差最大為±1.5%，不超過規定的±2%，因此能夠保證流量的穩定輸出，達到恒流控制目標。

3 ?結語

綜上所述，在連續大氣污染物監測方面，使用采樣器還應保證采樣流量和測量溫度恒定，才能得到精確的測量結果，保證采樣器工作的穩定性，減少頻繁使用過程中失誤的產生。因此，在實際設計連續大氣采樣器時，需要加強恒溫、恒流控制技術的分析，從參數采集、分析調節到控制管理，還應達到一定測量控制精度，以便使采樣器測量精度能夠達到相關標準要求，有效實現大氣污染監測。

參考文獻

[1] 蔣楠冰.淺談環境監測中大氣采樣技術[J].科技經濟導刊，2018，26（22）：120.

[2] 劉學，李如華，黃傳偉，等.無線傳感器多點組網大氣采樣器設計[J].傳感器與微系統，2016，35（5）：114-116.

[3] 王干.大氣采樣器負載狀態下流量測量不確定度評定[J].計量與測試技術，2015，42（3）：92-93.