大气采样器稳流技术的设计

沈浩 秦冰/. 上海市环境保护产品质量监督检验总站；. 上海市环境科学研究院

0 引言

大气采样器的主要原理是以采样泵抽取样品，采用不同的稳流措施及同步计时的方法，达到定量采集大气中气态或蒸汽样品，用于分析其中的有害组分。大气采样器广泛应用于环境监测、劳动防护和疾控卫生等领域，是作业环境监测与评价的最基本工具之一，其性能之优劣直接影响监测与评价结果的准确性。

大气采样器因其应用范围广，需求量大，但其结构又相对简单，制造难度较小，所以目前有很多厂家进行生产。但其质量也是良莠不齐。根据调研和实际工作经验 ,目前国内生产的大部分采样器在采样流量控制方面具有较为明显的缺陷，即当样品采集装置（如滤膜、吸收瓶、活性炭吸收管等）的阻力变化时,大气采样器的采样流量随着采样阻力的增加而下降,不能自始至终维持在设定值。应对这种现象采取的措施有：

1）人工调节保持采样流量相对恒定，需要采样人员定时监测大气采样器采样状态，此时采样流量是波动的，并没实现完全意义上的恒流采样；

2）记录大气采样器的采样流量初始值和终止值，进行算术平均得出采样流量的平均值，很明显这样的算术平均值小于初始设定值。

基于上述情况开展研究，期望采用一种不受进气口阻力及气泵流量变化影响的恒流采样方案。

1 结构

采用可编程逻辑控制器（Programmable Logic Controller，PLC）+模拟量输入模块+差压传感器+电动控制阀4个主要部件组成稳流采样系统，其控制方式为闭环控制，可以方便地将流量控制在波动小于±3%以内，其模块联接方框图如图1所示。

图1 稳流采样系统方框图

1）可编程逻辑控制器和模拟量输入模块均采用三菱（Mitsubishi）公司产品，稳定性和重复性较好；

2）差压传感器采用0～1 000 Pa对应0.5～5 V输出的微差压传感器，具有如下特点：

（a）较小的压差减少了对气泵压力的要求；

（b）正好与PLC的模拟量输入模块相适合；

（c）准确度优于±1.5%；

（d）在PLC输出的正反控制互相锁定，不会发生同时输出的可能，提高了电路的可靠性。

2 工作流程

稳流采样系统工作流程是在触模屏上设定所需的流量值（如：1 500 mL/min）,PLC根据流量值与内部的“流量-电压表格”查出电压值，并与模拟量输入的电压值进行比较（设定此值为电压差A），在此引入一个偏差值B,其目的是为防止电动阀的调节气路与PLC控制时间延时而造成的震荡差异。

如果电压差值A为正并且大于偏差值B，则输出信号反转电动阀，用于减小流量，此时差压传感器两端的气体阻力下降，传感器输出电压也下降，一直到电压差值A小于偏差值B，停止转电动阀。相反，如果电压差值A为负并且大于偏差值B，则输出信号正转电动阀，用于增大流量，此时差压传感器两端的气体阻力就上升，传感器输出电压也上升，一直到电压差值A小于偏差值B，停止转电动阀。

3 流量的标定

流量的标定是关键点，将模拟量输入参照值（以下称标定值）（电压范围DC：0 ～ 5 V）分成10 段，分别用数字 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，其初设标定界面如表1。

表1 标定界面

举例说明标定值的计算：首先假如设定为1 000 mL/min，运行采样后在标准流量计上读数为1 160 mL/min，标定时将E值改为1 160，然后再设定为800 mL/min，运行采样后在标准流量计上读数为920 mL/min，标定时将D值改为920，再设定为1 160 mL/min，运行采样后在标准流量计上读数为1 160 mL/min±3%以内，反复设定几次，就可将D-E这一段内的标定值基本设定正确。

此时假如再次设定1 000 mL/min时，则PLC内部作如下计算：U = 2.5+[（1 000-920）/（1 160- 920）]×0.5 = 2.66（V），如此时偏差值B设定为0.05 V，则当模拟量输入在（2.66±0.05）V范围内时PLC将不对电动阀进行动作。例如此时流量远小于1 000 mL/min，则PLC控制电动阀增大流量，一直到流量传感器的输出电压达到2.66 -0.05 = 2.61(V)时，停止动作。由于电动阀及气路的延时，流量还会延时变大一些，但只要流量传感器的输出电压不超过2.66+0.05=2.71（V），则PLC不进行调节动作。如超过此值时，则进行反向的调节，直至流量在设定范围内。所以合理的调整“偏差值B”和“电动阀反应时间”就可以将流量控制到所需的范围和精度要求。

4 试验验证

对所研制的大气采样器进行了采样流量示值误差的试验工作，检测数据见表2。

表2 采样流量示值误差

5 小结

该设计思路所研制的大气采样器未采用复杂的计算和高准确度的传感器，通过采取多点的标定，用外部的标准流量计来保证稳流采样系统的准确度，从而大大降低了高准确度恒流大气采样器的制造难度，提高了大气采样器的采样流量稳定性。如果用作恒定流量点（如1 000 mL/min）采样时，更可通过合理的调整将采样流量示值误差提高到±2%以内。

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