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用于红外气体检测的多通池温度、压强控制系统研制

侯月 黄克谨

侯月, 黄克谨. 用于红外气体检测的多通池温度、压强控制系统研制[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(10): 20190525. doi: 10.3788/IRLA20190525
引用本文: 侯月, 黄克谨. 用于红外气体检测的多通池温度、压强控制系统研制[J]. 红外与激光工程, 2020, 49(10): 20190525. doi: 10.3788/IRLA20190525
Hou Yue, Huang Kejin. Development on temperature and pressure control system for multi-pass gas cell utilized in infrared gas detection[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(10): 20190525. doi: 10.3788/IRLA20190525
Citation: Hou Yue, Huang Kejin. Development on temperature and pressure control system for multi-pass gas cell utilized in infrared gas detection[J]. Infrared and Laser Engineering, 2020, 49(10): 20190525. doi: 10.3788/IRLA20190525

用于红外气体检测的多通池温度、压强控制系统研制

doi: 10.3788/IRLA20190525
基金项目: 国家自然科学基金(21878011)
详细信息
    作者简介:

    侯月(1980-),男,硕士生,研究方向为红外激光气体检测技术及应用。 Email:houyue@mail.buct.edu.cn

    通讯作者: 黄克谨(1963-),男,教授,博士生导师,研究方向为复杂化工过程系统工程。 Email:huangkj@mail.buct.edu.cn
  • 中图分类号: TM921.51

Development on temperature and pressure control system for multi-pass gas cell utilized in infrared gas detection

  • 摘要: 为了实现CO2气体同位素的高性能检测,研制了高精度、高稳定性的多通池温度、压强控制系统。采用柔性PCB作为加热片包覆圆柱形多通池。考虑到温度控制系统的加热速率,外层包覆保温棉作为隔热装置,使得整个温度控制系统能实现快速加热,且能够保持温度的长时间稳定。采用铂电阻PT1000温度传感器对多通池温度进行精确采集,主控制器通过PWM信号,调控柔性PCB加热膜的发热功率,从而实现温度的闭环控制。压强控制系统方面,采用压强传感器连接于多通池前、后端,检测多通池内部气压,主控制器通过PWM信号,调控多通池前、后端比例阀导通状态,从而实现压强的闭环控制。结果表明,温度控制范围为18.48~42 ℃,温度控制精度为±0.08 ℃。多通池压强为60 Torr(1 Torr ≈ 133.322 Pa)时,控制精度为±0.04 Torr。该系统为红外CO2气体同位素的高性能检测提供可靠保障。
  • 图  1  多通池温度、压强控制系统框图

    Figure  1.  Diagram of temperature and pressure control system for multi-pass gas cell

    图  2  加热膜驱动电路

    Figure  2.  Heating film drive circuit

    图  3  PT1000温度采集电路

    Figure  3.  PT1000 temperature collection circuit

    图  4  比例阀控制电路

    Figure  4.  Proportional valve control circuit

    图  5  温度下限控制曲线

    Figure  5.  Temperature lower limit control curve

    图  6  温度上限控制曲线

    Figure  6.  Temperature upper limit control curve

    图  7  压强控制曲线

    Figure  7.  Pressure control curve

    图  8  压强控制数据(60 Torr)

    Figure  8.  Pressure control data (60 Torr)

    图  9  CO2同位素丰度测量数据

    Figure  9.  CO2 isotope abundance measurement data

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出版历程
  • 收稿日期:  2019-12-13
  • 修回日期:  2020-01-20
  • 网络出版日期:  2020-11-03
  • 刊出日期:  2020-11-03

用于红外气体检测的多通池温度、压强控制系统研制

doi: 10.3788/IRLA20190525
    作者简介:

    侯月(1980-),男,硕士生,研究方向为红外激光气体检测技术及应用。 Email:houyue@mail.buct.edu.cn

    通讯作者: 黄克谨(1963-),男,教授,博士生导师,研究方向为复杂化工过程系统工程。 Email:huangkj@mail.buct.edu.cn
基金项目:  国家自然科学基金(21878011)
  • 中图分类号: TM921.51

摘要: 为了实现CO2气体同位素的高性能检测,研制了高精度、高稳定性的多通池温度、压强控制系统。采用柔性PCB作为加热片包覆圆柱形多通池。考虑到温度控制系统的加热速率,外层包覆保温棉作为隔热装置,使得整个温度控制系统能实现快速加热,且能够保持温度的长时间稳定。采用铂电阻PT1000温度传感器对多通池温度进行精确采集,主控制器通过PWM信号,调控柔性PCB加热膜的发热功率,从而实现温度的闭环控制。压强控制系统方面,采用压强传感器连接于多通池前、后端,检测多通池内部气压,主控制器通过PWM信号,调控多通池前、后端比例阀导通状态,从而实现压强的闭环控制。结果表明,温度控制范围为18.48~42 ℃,温度控制精度为±0.08 ℃。多通池压强为60 Torr(1 Torr ≈ 133.322 Pa)时,控制精度为±0.04 Torr。该系统为红外CO2气体同位素的高性能检测提供可靠保障。

English Abstract

    • 可实现气体同位素探测的技术有质谱法[1]、色谱法[2]、火焰电离技术[3]等,它们均不能实现在线检测。由于基于气体红外吸收光谱检测的仪器有体积小、便携性等优点,可实现在线检测,但是被测气体红外吸收谱线强度随着环境温度、压强等因素变化而变化,从而影响气体同位素检测精度和稳定性。因此,在气体检测过程中,对多通池内部被测气体的温度、压强进行高精度调控是必须得的。

      近些年,国外相继研制出多种类型的多通气体吸收池温控系统。2001年,Mantz等人研制的多通池温度控制系统,采用碰撞冷却技术,能够稳定地控制多通池内部温度。但是装置体积庞大,无法实现在线检测[4]。2012年,高伟等人研制的低温多通池温度控制系统,控制精度优于±1 ℃[5]。2014年,马宏亮等人对上述多通池温度控制系统进行了改进,温度控制精度优于±0.3 ℃,系统存在问题是温度调控时间过长,且超调量较大[6]。在压强控制系统方面,英国德鲁克公司生产的高精度压强控制器DPI515,能够实现快速、高精度的压强调控,控制精度可达到±0.01% F.S.。国内产品有YWK-50-C系列的压强控制器,但控制精度较差。以上压强控制器均存在调节时长,超调严重等问题。

      基于国内外的研究现状,针对CO2同位素检测中温度、压强的影响参数,研制了用于光学多通池的温度、压强控制系统,可用于检测红外CO2同位素的精确度和稳定性。

    • 用于红外气体检测的多通池温度、压强控制系统组成框图如图1所示,主要包括多通池温度控制系统和多通池压强控制系统。

      图  1  多通池温度、压强控制系统框图

      Figure 1.  Diagram of temperature and pressure control system for multi-pass gas cell

      将PT1000测温铂电阻放置在多通池的玻璃外壁表面与加热片之间,将另一片PT1000测温铂电阻安装在多通池内部,采集多通池内部气体温度,由温度改变而带来的阻值变化通过惠更斯电桥输出电压值,然后经过信号调理电路和运算放大电路将惠更斯电桥输出的微小电压信号变换成大信号,主控制器STM32控制AD转换器将大信号模拟信号转换为数字信号。主控制器STM32将此数字信号与设定目标温度相比较,然后通过输出PWM信号驱动,调控柔性PCB加热膜的发热功率,从而实现温度的闭环控制。考虑到温度控制系统加热速率,外层包覆保温棉作为隔热装置,使得整个温度控制系统能实现快速加热,且能够保持温度的长时间稳定[7-8]

      多通池压强控制系统包含两个比例阀,一个压强传感器以及一个真空低压泵。首先关闭多通池入气端的比例阀,开启多通池出气端的比例阀和真空低压泵,将多通池内部气体尽量抽净。然后,关闭多通池出气端的比例阀和真空低压泵,开启多通池入气端的比例阀,让气源缓缓冲入多通池内。此时,压强传感器能够实时测量多通池内部气压,主控制器STM32控制AD转换器将压强传感器输出的模拟信号转换为数字信号。主控制器STM32将此数字信号与设定目标压强相比较,然后通过输出PWM信号驱动,调控多通池入气端的比例阀,从而实现压强的闭环控制[9]

    • 温度控制系统采用柔性PCB将圆柱形多通池环绕包覆。为了提升多通池加热效率,采用大阻值材料制作PCB,而且需要大功率驱动电流,这就对加热膜驱动电路提出了要求。加热膜驱动电路如图2所示。

      图  2  加热膜驱动电路

      Figure 2.  Heating film drive circuit

      加热膜驱动电路分为三级,隔离级、转换级以及驱动输出级。主控制器STM32输出信号通过光耦隔离后,通过电平转换芯片IR2117,转换为驱动MOS管的大功率信号,使管D2810产生大电流信号,驱动柔性PCB加热膜。当主控制器STM32输出高电平时,光耦隔离器输出低电平,柔性PCB加热膜停止加热。当主控制STM32输出低电平时,光耦隔离器输出高电平,驱动柔性PCB加热膜,对多通池进行加热。实际中,主控制器STM32通过输出PWM信号,调整柔性PCB加热膜功率,从而控制加热能量。

    • PT1000温度采集电路包括惠更斯电桥、仪表放大电路以及AD转换电路,如图3所示。

      图  3  PT1000温度采集电路

      Figure 3.  PT1000 temperature collection circuit

      惠更斯电桥由四个电阻组成两个桥臂,分别为R 1、R 2、R 3和PT100。由温度改变而带来的阻值变化通过惠更斯电桥输出微小电压值。然后通过仪表放大器AD620,在压制噪声的同时,采用差分结构将微小电压值放大变换成大信号,供AD转换器转换。AD转换器AD7705将模拟大信号转换为数字信号量,主控制器STM32将此数字信号与设定目标温度相比较,然后通过输出PWM信号驱动,调控柔性PCB加热膜的发热功率,从而实现温度的闭环控制。为了实现高精度、高稳定性的温度采集,惠更斯电桥导线越短越好,选择温度漂移系数一致的精密电阻作为桥臂电阻。同时选择低噪声、低漂移的仪表放大器,来抑制温度采集电路的噪声。最后,选用Δ-Σ型AD转换器,在抑制噪声的同时,还能具备低功耗的优点。

    • 多通池压强控制系统包含两个比例阀,一个压强传感器以及一个真空低压泵。多通池压强控制系统工作流程已在前文进行介绍,此处不再赘述。在压强控制器中,比例阀是极为重要的原件。文中系统采用PMW驱动方式,实现对比例阀的调控,电路如图4所示。

      图  4  比例阀控制电路

      Figure 4.  Proportional valve control circuit

      比例阀控制电路由两部分组成,光耦隔离器和驱动变换电路。主控制器STM32输出PWM信号,通过光耦隔离器,然后通过SN75423进行电压变换,从而达到驱动比例阀的电压要求。

    • 多通池温度控制系统采用柔性PCB作为加热片包覆圆柱形多通池。考虑到温度控制系统加热速率,外层包覆保温棉作为隔热装置,使得整个温度控制系统能实现快速加热,且能够保持温度的长时间稳定。但是一旦加热超调,就很难在短时间内降回到目标温度。同理,多通池压强控制系统也存在这样的问题。所以传统PID控制算法[10]不适用与文中系统,为了做到无超调控制,笔者做了如下改进。

      为了解决上述问题,文中系统将对传统PID控制算法进行改进,采用积分分离PID控制算法[11]。设定$\left| {e\left( k \right)} \right|$为系统响应值,并且根据实际经验设定阈值ε。将系统响应值$\left| {e\left( k \right)} \right|$与值ε进行比较,当$\left| {e\left( k \right)} \right|$>ε,系统采用PD控制算法,加速系统响应速度,减少控制时间,使系统响应能够快速达到阈值。当$\left| {e\left( k \right)} \right|$<ε,将系统切换为PI控制算法,使系统能够在较快速的时间内,调控到设定目标值,而且没有超调现象的发生。具体实现步骤如下[12]

      $$u\left( k \right) = {K_P}\left\{ {e\left( k \right) + \alpha \dfrac{T}{{{T_I}}}\displaystyle\sum_{i - 1}^k {e\left( i \right)} + \beta \dfrac{{_{\mathop T\nolimits_D }}}{T}\left[ {e\left( k \right) - e\left( {k - 1} \right)} \right]} \right\}$$ (1)

      设置阈值ε

      当系统响应值$\left| {e\left( k \right)} \right|$>ε时,系统采用PD控制算法,则令$\alpha = 0$$\beta = 1$

      当系统响应值$\left| {e\left( k \right)} \right|$<ε时,系统采用PI控制算法,则令$\alpha = 1$$\beta = 0$

    • 根据实际工程经验,确定比例、积分和微分(PID)三个参数之后,将温度阈值设定为目标温度的75%,然后进行多通池温度控制下限试验。在实验室环境温度16.48 ℃条件下进行试验,测试结果如图5所示。

      图  5  温度下限控制曲线

      Figure 5.  Temperature lower limit control curve

    • 由于多通池与外界环境存在热交换,所以研制多通池温度控制系统存在温度控制上限。课题组在实验室环境下进行该试验,结果如图6所示。

      图  6  温度上限控制曲线

      Figure 6.  Temperature upper limit control curve

      图6看出,多通池温度从实验室环境温度开始上升,当加热时间达到33 s时,达到阈值温度,然后温度控制系统从PD控制转为PI控制。控制时间达到72 s时,多通池温度达到温度上限42 ℃,温度控制精度为±0.07 ℃。

    • 对多通池内部气体压强开展控制试验,得到的压强数据如图7所示。

      图  7  压强控制曲线

      Figure 7.  Pressure control curve

      首先将多通池内部气体用真空泵抽至17 Torr(1 Torr ≈133.322 Pa),由于多通池连接气路密闭性不够好,最低只能抽到此气压。然后启动压强控制系统,经过6 s后,多通池内部压强无超调地控制到目标压强60 Torr。此后,压强控制系统进行稳定工作,多通池内部气压存在少许波动,如图8所示。

      图  8  压强控制数据(60 Torr)

      Figure 8.  Pressure control data (60 Torr)

      在150~200 s时间内,多通池内部气压均值为60 Torr,压强在59.96~60.04 Torr之间波动,最大偏差值为0.04 Torr。由于大气压强为760 Torr,多通池内部压强60 Torr,存在700 Torr的压强差,所以不可避免因多通池和连接气路的少许漏气而产生压强波动。

    • 将被测CO2通入多通池内部,采用研制的多通池温度、压强控制系统系统将多通池温度控制到18.48 ℃,压强控制到60 Torr。然后利用红外气体检测系统对CO2同位素丰度进行长达2 h的测量,结果如图9所示。

      图  9  CO2同位素丰度测量数据

      Figure 9.  CO2 isotope abundance measurement data

      在长达2 h的测量时间内,CO2同位素丰度均值为−9.081‰,测量值在−8.351‰~−9.736‰之间波动,最大偏差值为0.73‰。该CO2同位素丰度测量值波动较大,主要由于气源CO2波动问题(周围环境中人的呼吸,气瓶中标准气体分层)或红外气体检测系统工作漂移所导致的。

      多通池体积约为250 mL的圆柱体(截面直径约为5 cm),试验中其内部气体不可避免地存在温度梯度问题,这样就会使CO2同位素丰度测量带来误差,降低测量准确度。后续工作将对多通池内部气体温度进行有限元分析,然后采用温度补偿的方法提升CO2同位素丰度测量准确度。

    • 文中研制了用于红外气体检测的多通池温度、压强控制系统,采用积分分离PID控制算法,现实对多通池温度、压强的高精度和高稳定性的控制。结果表明,温度控制范围为18.48~42 ℃,温度控制精度为±0.08 ℃。多通池压强为60 Torr时,控制精度为±0.04 Torr。同时,利用该系统对CO2同位素丰度进行了测量试验,试验结果表明,系统可以为红外CO2气体同位素的高性能检测提供可靠保障。

      为了进一步提升CO2同位素丰度测量精度,笔者从以下方面着手进行研究。(1) 吸收线选取方面。选取13CO212CO2两条接近的吸收谱线,使得二者基态能极差更小,提升同位素丰度测量精度。(2) 采用热电制冷器和风扇组成类似于空调的方式,使多通池温度控制波动更小,提升同位素丰度测量精度。(3) 为了减少气体因自身重力导致其在多通池内部分层而带来测量精度下降的问题,笔者将采用动态测量方式,提升同位素丰度测量精度。

参考文献 (12)

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