石墨爐加熱控制系統設計

王慶輝,李思堯

(沈陽化工大學信息工程學院,遼寧 沈陽 110142)

0 引言

經過高速的經濟發展,我國的工業化、現代化進程逐漸加快,不可避免地陷入大氣污染、水質污染、廢物污染等危機中。由于生活污水和工業廢水等污染水的肆意排放,大量污染物被排放到江、河、湖、海、塘等水體中,造成水環境惡化。隨著對健康的重視程度日益加深,人們越發認識到污染物中元素的危害,尤其是重金屬對環境和人體的傷害非常大。所以對金屬元素含量分析有需求的場合越來越多,金屬元素的分析也越來越受到科研機構的重視。目前,元素檢測的主流是以原子吸收為主[1-2]。

隨著原子吸收光譜法的提出和商品化儀器的出現,原子吸收光譜法迅速發展,并且在很多領域都得到了廣泛應用[3-5]。原子吸收光譜法不僅應用廣泛,是優秀的靈敏度檢測方法之一,而且在應用過程中,譜線不易受到外界的干擾。在水環境中金屬元素檢測方面,原子吸收光譜法具有檢測限低、準確度高、選擇性好、分析速度快等優點[6-8]。

現階段常用的原子吸收光譜法主要有火焰法、氫化物法和石墨爐法。火焰法是利用點燃氣體形成火焰進行原子化。其操作簡單、技術體系相對完善、應用范圍廣。但是火焰的溫度不易控制、原子化效率較低、靈敏度低。當檢測量少的樣品時,該方法的檢測效果差。氫化物法是利用還原劑,將待測樣品在一定酸性條件下還原成氣態氫化物的狀態,以實現原子化。其選擇性好、干擾少,但是只適用于某些易于形成氫化物的元素[9]。

石墨爐法的原子化器是由石墨材料制成的,通過對石墨端電流加熱的方法進行原子化。通常情況下,石墨爐法的升溫階段是利用時間來控制成階梯型的升溫方式。石墨爐的工作特點是大電流、低電壓,而且由于原子化時基態原子在吸收區的停留時間比較長,原子化效率可接近100%[10]。與上述兩種方法相比,石墨爐法的靈敏度和原子化效率高,一般情況下只應用于檢測單個元素。

湖南艾普德公司提出的實驗室高溫石墨真空爐,所采用的控溫模式是30 段程序控溫智能比例積分微分(proportional integral differential,PID)調節;株洲華明智能裝備有限公司提出的高溫石墨化爐則采用經典PID 技術進行控溫。采用PID 技術的石墨化爐溫度最終控制效果不穩,容易受到外界環境的影響[11]。

1 系統實現

1.1 加熱控制系統

石墨爐加熱系統控制框圖如圖1 所示。

圖1 石墨爐加熱系統控制框圖Fig.1 Control block diagram of graphite furnace heating system

石墨爐的溫度取決于施加在石墨爐兩端的電壓。石墨爐的加熱控制系統實際上是石墨爐電壓控制系統。在該系統中,利用軟件程序的查表法得到相應溫度的對應電壓值,在上位機的相應引腳輸出設定電壓。該石墨爐的加熱控制系統設計了兩種反饋方式,分別是電反饋和光反饋。電反饋的工作原理是采集石墨爐兩端的交流電壓,將經過整流電路轉化成的直流電壓作為負反饋輸入到減法器。而光反饋的工作原理是利用光敏二極管,根據石墨爐的亮度將其轉化為直流電,輸入到減法器。在實際加熱控制系統電路中,因為同時只能采用一種反饋方式,本文利用反饋選擇模塊對電壓反饋和光反饋進行選擇。

將石墨爐的反饋電壓通過減法器與設定電壓進行比較。移相調控器根據減法器輸出的控制電壓產生輸入給雙向可控硅控制極的觸發脈沖信號,從而改變雙向可控硅的導通角大小。這就可改變變壓器的一次側電壓,進而改變變壓器供給石墨爐的工作電壓以及當前爐內溫度。

1.2 反饋選擇電路

反饋選擇模塊電路利用光電耦合器和三個雙向開關,根據主控制芯片相應引腳輸出的FK_SEL 高低電壓對電壓反饋和光反饋進行選擇。反饋選擇模塊電路如圖2 所示。

圖2 反饋選擇模塊電路圖Fig.2 Feedback selection module circuit diagram

當反饋選擇為高電平時,三極管導通,光電耦合器U5內部的發光二極管發亮,光電耦合器的3、4 引腳電路導通。此時,開關U7B 的控制端為高電平,開關U7A的控制端為低電平,即選擇光反饋方式。當反饋選擇為低電平時,三極管截止,光電耦合器內部的發光二極管不發亮,光電耦合器的3、4 引腳電路不導通。此時,開關U7C 和U7B 斷開、U7A 閉合,即選擇電反饋方式。

光電耦合器的控制信號采用光信號,不受電磁波干擾,并且可以有效地隔離控制信號和數據信號,工作穩定可靠。

1.3 加熱控制電路

在本設計的石墨爐加熱控制系統中,由運放組成的晶閘管控制電路如圖3 所示。

圖3 晶閘管控制模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of thyristor control module

根據運算放大器虛短、虛斷的原理,得出:

晶閘管控制模塊的輸出電壓為當前石墨爐的反饋電壓和設定電壓的定比差值電壓。將該電壓輸入到移相調控器,移相調控器根據該電壓產生相應的雙向可控硅觸發脈沖信號,從而改變可控硅的閉合和導通的角度來改變石墨爐兩端電壓。

2 結果分析

2.1 仿真

根據實際電路對石墨爐加熱控制系統的電反饋控制方式,在MATLAB 環境下的Simulink 中建立仿真模型。Simulink 仿真模型如圖4 所示。

圖4 Simulink 仿真模型Fig.4 Simulink simulation model

在 Simulink 仿真模型中,設置電源電壓 Vss峰值參數為220×sqrt(2)V、頻率參數為50 Hz、石墨爐電阻RSML1參數為0.01 Ω、變壓器電壓范圍為0～220 V 轉0～9 V,雙向可控硅均默認為初始設置。模型中的階躍信號的輸入即為石墨爐加熱控制系統的設定電壓。

根據查表法,當石墨爐的溫度分別為1 000 ℃和2 000 ℃時,石墨端的工作電壓分別為1.99 V 和4.12 V。此時,石墨爐加熱控制系統的Simulink 仿真波形如圖5 所示。仿真圖的波形分別是設定值和石墨爐加熱控制過程中石墨爐電壓值的變化曲線。由仿真結果可知,石墨爐加熱控制系統的穩態時間不超過0.1 s,穩態誤差不超過0.03 V。

圖5 Simulink 仿真波形圖Fig.5 Simulink simulation waveforms

2.2 實際測量

在實際電路中,對石墨爐分別進行1 000 ℃和2 000 ℃的溫度控制,根據示波器的波形對控制效果進行結果分析。1 000 ℃和2 000 ℃時,實際電路中石墨爐電壓波形分別如圖6、圖7 所示。

圖6 實際電路中石墨爐電壓波形圖(1 000 ℃)Fig.6 Graphite furnace voltage waveform in actual circuit(1 000 ℃)

圖7 實際電路中石墨爐電壓波形圖(2 000 ℃)Fig.7 Graphite furnace voltage waveform in actual circuit(2 000 ℃)

根據波形可知,在石墨爐加熱的實際控制中,穩態時間在0.2 s 以內且電壓波動不大。

3 結論

本文設計了一種石墨爐加熱控制系統,通過對雙向可控硅導通角的控制調整石墨爐的電壓,從而改變石墨爐的溫度。本設計使用雙向可控硅作為電路的調壓器件,其優點是可控硅的使用壽命長、不易損壞、響應靈敏。對根據 Simulink 的仿真結果和實際電路的輸出波形進行比較可知,本文設計的石墨爐加熱控制系統得到了電路實現,且對石墨爐的電壓控制迅速、控制效果穩定、性能可靠。