恒温恒流连续大气采样器的控制技术解析

张洪凯

摘  要：结合连续大气采样器的温度、流量控制要求，该文对采样器控制技术展开了深入的分析，提出了采样器总体控制思路，然后分别从恒温控制和恒流控制方面进行了技术解析，确定采样器温度、流量各个控制环节。从控制技术应用效果来看，温度控制精度能够达到0.3℃，流量控制误差最大不超过±1.5%，所以能够满足采样器的恒温、恒流控制要求。

关键词：恒温恒流控制  连续采样  大气采样器

中图分类号：TP27   文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）10（a）-0059-02

通过加强技术应用保证采样器能够维持高精度运行，继而为大气污染防治提供可靠的技术支撑。

1  恒温恒流连续大气采样器概述

连续大气采样器的设计，由于需要实现大气环境连续监测，所以需要保证采样器工作的稳定性和采集结果精确度，以便使采样器能够得到广泛使用。而恒温恒流连续大气采样器用于实现大气污染物采集，可以保持60～150L/min流量测量范围，对照国家标准需要达到±2%的测量示值误差[1]。在采样器运行过程中，需要保证设备流量控制稳定性不超过5%。在流量控制过程中，采样分辨率应达到    0.01L/min。在温度控制方面，国家规定精度标准为±2℃，采样器温控范围在15℃～30℃之间，响应时间应控制在20min范围内[2]。因此相较于其他大气采样器，该种连续大气采样器需要达到恒温、恒流控制要求。

2  恒温恒流连续大气采样器控制技术分析

2.1 总体控制分析

从采样器的总体控制上来看，其由相应数据采集模块、数据分析处理模块、驱动控制模块构成，能够利用数据采集模块完成温度、流量等参数的采集，然后经由分析处理模块实现各种参数分析，输出相应动作控制信号，借助控制模块实现对帕尔贴、抽气泵等多种设备构成的控制单元的驱动控制，使采样器能够保持恒温、恒流状态。实际在数据采集模块设计上，需要利用相应传感器进行对应参数采集，然后将采集到的数据传输到采集器主控单元中，实现数据分析与处理。在具体设计中，一般采用单片机芯片实现数据处理，能够将采集到的模拟信号转化为数字信号，经过滤波、去噪等处理后完成数据分析，结合设定参数实现数据运算，输出相应驱动控制信号[3]。将信号传递给制冷片、制热片，能够实现采集器温度调节控制，将信号传递给真空泵控制装置，实现电机转速调节，能够达到恒流控制目标。

2.2 控制技术研究

2.2.1 恒温控制技术

结合连续大气采样器的温度控制要求，需要在加强温度采集的同时，实现温度反馈调节，使采样得到的污染物温度得到有效控制，从而使采样器测量结果保持稳定输出。

（1）温度采集。

实际应用恒温控制技术，还要做好温度传感器的选择。伴随着科学技术的快速发展，温度传感器种类日渐增多。在大气采集器恒温控制方面，测温多采用热电偶温度器件，测温范围较宽，并且稳定性较好，结构简单，能够对系统信号进行快速响应，实现4～20mA信號稳定传递，有利于采样器自动控制功能的实现。从测温原理上来看，主要运用热电效应，通过对两种半导体进行连接构成闭合回路，根据接点位置差异化温度促使回路产生热电势，从而将温度转换为电量实现温度参数采集。

（2）温度反馈。

结合采集到的温度参数进行恒温控制，采样器采用了以ADN8831为核心的温控电路，能够利用比例积分微分调节网络实现温度调节控制。在控温之前，需要完成目标温度值的设定，然后将测量得到的温度与设定值进行比较，实现输出电流调节控制。采用PID控制方式，能够使控制器迅速响应控制命令，同时能够利用补偿电路提高温度控制参数精度。该种控制模式又被称之为前馈复合控制模式，能够结合温度反馈进行控制参数输出，达到实时调节温度的目标。根据检测到的环境温度，可以实现温度补偿。根据PID反馈值，能够使温控单元保持运行稳定性，获得较好的温度控制精度，因此能够使采样器的可靠性得到提高。

（3）温度控制。

在控制器设计上，一般采用半导体技术，即利用帕尔贴效应实现制冷或加热控制。实际设计时，可以采用半导体材料制作成的P-N结，通过改变电流方向促使P-N结两端制热或吸热，从而实现加热或制冷。频繁改变电流方向，容易影响制冷堆，造成仪器使用寿命受到影响。针对这一问题，还要采用冷藏箱对采集到的空气污染物进行存储，减少外界温度变化给采集样品的影响，使恒温控制精度得到提高。采取上述控制技术，可以对箱内温度进行实时检测，然后与温度设定值进行比较，经过信号处理后得到温度调节信号，达到恒温控制目标。在冷藏箱加热方面，需要采用脉宽调制方法，利用PTC热敏材料，在温度提升时使材料电阻增加，达到居里点后消耗功率极低，能够实现自我控温。采用该种恒温控制方法，能够根据输入和输出电压差值实现不同占空比的脉冲信号输出，实现负载功率控制，因此能够使采样器整体温控效果得到提高。经过测试后可以发现，大气连续采样器的温度控制精度能够达到0.3℃，控制精度较高，远超规定的±2℃，因此能够达到恒温控制要求。

2.2.2 恒流控制技术

连续大气采样器在测量大气中污染物时，需要利用气泵产生的负压进行待检测空气的持续吸入。要想实现恒流控制，需要使吸入阻力变化范围保持恒定，从而使空气流量控制精度得到保证。在实际应用控制技术时，还应加强空气流量参数采集，然后确定流量波动范围，结合实际测量结果进行控制电流输出，使气泵运行得到有效控制，最终达到恒流控制的目标。

（1）流量采集。

在恒流控制上，需要采用流量计进行流量参数采集，即针对管道中不同流体的流量进行测量。根据采集到的结果，能够实现流体体积计算。使在连续大气采样器中，可以采用电子流量计，运用法拉第电磁感应定律实现流量测量。该种流量计可以直接将模拟量转换为数字量，同时可以抵抗外界干扰，所以可以保证测量结果的可靠性，拥有较高测量精度，流量测量范围在1500∶1范围内，可以在较大的电源电压范围内工作。测量原理为质量守恒定律，在流体碰到节流器件后依然能够维持原本质量，所以能够完成对应流速和压力的检测。

（2）流量调节。

在采样器流量控制上，按照60～150L/min的工作流量展开分析，要想使流量波动范围不超过额定值±2%，流量控制绝对误差需要达到0.1L/min。结合这一要求，需要采用PI控制模式，将流量传感器与PI运放组合在一起，构成采样器流量闭环控制电路，实现对采样器流量的无差调节。在控制电路设计上，包含比例部分、积分控制部分、检测元件和执行机构。PI部分由两个高输入阻抗线性放大器构成，能够实现检测信号输入放大。连接三级线性放大器，能够实现电压偏移量预制，达到驱动后级和完成流量初值预置的目标。按照式（1），可以完成电压控制预制偏移量Vp的计算，式中Vy指的是调节初值，R1为二级放大器输出端与三级放大器负极间连接电阻的阻值，R2则是三级放大器负极与输出端间连接电阻的阻值。根据现场空气污染物采集流量等参数，可以确定偏移量调节初值。在系统流量控制偏差为零时，可以使系统保持固定偏移量，达到流量控制目标。在实际分析过程终凝，需要做好初值选择，以免系统流量控制出现不稳定问题。

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

（3）流量控制。

在系统流量控制上，需要采用抽气泵，使采样器保持较小体积，同时减小泵运行负载和产生的噪声，使泵的使用寿命得到延长。采用真空泵实现空气中污染物采集，采样器抽气速率较高，需要配备大功率电动机，需要通过电机驱动控制达到流量控制目标。具体来讲，就是可以利用连续可调DC-AC调压模块实现电机电压输入控制，以便在采样器流量偏移量发生改变时，对真空泵电机电压进行调节，达到连续调节真空泵吸入气流的目标。采取该种控制方式，能够使控制电路保持较大阻力的同时，达到一定控制精度。从连续大气采样器流量测量结果来看，平均流量偏差最大为±1.5%，不超过规定的±2%，因此能够保证流量的稳定输出，达到恒流控制目标。

3  结语

综上所述，在连续大气污染物监测方面，使用采样器还应保证采样流量和测量温度恒定，才能得到精确的测量结果，保证采样器工作的稳定性，减少频繁使用过程中失误的产生。因此，在实际设计连续大气采样器时，需要加强恒温、恒流控制技术的分析，从参数采集、分析调节到控制管理，还应达到一定测量控制精度，以便使采样器测量精度能够达到相关标准要求，有效实现大气污染监测。

参考文献

[1] 蔣楠冰.浅谈环境监测中大气采样技术[J].科技经济导刊，2018，26（22）：120.

[2] 刘学，李如华，黄传伟，等.无线传感器多点组网大气采样器设计[J].传感器与微系统，2016，35（5）：114-116.

[3] 王干.大气采样器负载状态下流量测量不确定度评定[J].计量与测试技术，2015，42（3）：92-93.