快速氣相色譜熱解吸溫控系統(tǒng)的設(shè)計

劉大軍，胡舜迪，張 榮，聞路紅

(寧波大學 高等技術(shù)研究院，浙江 寧波 315211)

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快速氣相色譜熱解吸溫控系統(tǒng)的設(shè)計

劉大軍，胡舜迪，張 榮，聞路紅

(寧波大學 高等技術(shù)研究院，浙江 寧波 315211)

快速氣相色譜儀在熱解吸時的升溫時間越短，對色譜相鄰譜峰的重疊影響越小。由于富集管低熱容的特點，過快的升溫速率使得溫度難以控制，常規(guī)的控制方法存在不穩(wěn)定的情況，影響儀器的可重復性。為了實現(xiàn)對集管溫度快速、準確的控制，開發(fā)了熱解吸溫控系統(tǒng)。電路上，設(shè)計了高精度的溫度采集電路；算法上，采用分段PID算法控制加熱，分段區(qū)間根據(jù)傳感器延遲時間及溫度變化速率來確定，并采用不完全微分來削弱系統(tǒng)中出現(xiàn)的噪聲干擾。實驗結(jié)果表明，該算法加快了系統(tǒng)的響應速度，縮短了調(diào)節(jié)時間，超調(diào)在2℃以內(nèi)，控溫精度達到±0.15℃。

快速氣相色譜；熱解吸；溫控；分段PID

0 引言

快速氣相色譜儀是一種對混合樣品氣體的組分進行快速分離分析的儀器，在環(huán)境分析、藥物和臨床分析、食品分析等方面應用廣泛[1-2]。然而，當樣品氣體中組分的性質(zhì)或結(jié)構(gòu)相似時，往往會使得色譜峰分離不夠，出現(xiàn)重疊的現(xiàn)象，導致色譜峰的面積難以計算、組分含量測定不準[3]。為提高分離度，目前主要通過降低載氣流速、降低程序升溫速率、增加色譜柱長度等措施來改善，但這些措施同時也會降低儀器的分析速度[4]。

根據(jù)色譜理論[5]可知，熱解吸時升溫速率越快，目標溫度越高，解吸速度就越快，進入色譜柱的初始樣品譜帶越窄。通過提高熱解吸時的升溫速率可提高分離度，然而由于富集管具有低熱容、不易熱傳導以及結(jié)構(gòu)不易安裝等特點，使得其溫度難以控制。過快的升溫速率會導致溫度超調(diào)嚴重，破壞某些組分的穩(wěn)定性，影響儀器的可重復性，因此，選取合適的控溫算法尤為重要。常規(guī)的PID(比例、積分、微分)控制器難以兼顧多項指標，且參數(shù)固定，對復雜系統(tǒng)的適應能力差，參數(shù)整定較為繁瑣，需要豐富的經(jīng)驗和技巧[6-7]。而隨后出現(xiàn)的一些諸如模糊PID控制器、BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)PID控制器等[8-9]，雖然這些控制器在一定程度上加快了系統(tǒng)的響應速度，減少了調(diào)節(jié)時間，但是存在著運算量大、結(jié)構(gòu)復雜等缺點，大部分是在實驗室中進行的，對于環(huán)境復雜的工控現(xiàn)場使用較少。

本文采用分段式PID算法控制[10-11]，首次提出分段區(qū)間的劃分根據(jù)傳感器的延遲時間和溫度變化速率來確定這一方法。從系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)、電路設(shè)計和算法設(shè)計3個方面詳細地闡述了整個熱解吸的溫控系統(tǒng)，并進行了相關(guān)實驗。實驗結(jié)果表明，此種分段方法能很好地解決快速升溫導致的超調(diào)嚴重問題，大幅縮短系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間，使系統(tǒng)迅速進入穩(wěn)態(tài)，并能實現(xiàn)控溫的智能化，算法中的不完全微分減少了噪聲對微分的干擾，提高了控制精度。該算法在低熱容快速升溫要求的工程中有著廣泛的應用前景。

1 系統(tǒng)原理與結(jié)構(gòu)

如圖1所示，熱解吸系統(tǒng)工作時按先后順序可分為采樣、預解吸、解吸和正吹4個狀態(tài)。

圖1 熱解吸系統(tǒng)工作狀態(tài)

采樣時，采樣探頭從外部采集樣品氣體進入富集管，待管內(nèi)氣體達到一定濃度時，停止采樣。預解吸時，對富集管快速加熱，將吸附的有機物迅速脫附出來。在解吸狀態(tài)下，維持恒定的設(shè)定溫度使管內(nèi)樣品氣體脫附完全，正吹時，管內(nèi)剩余氣體由載氣吹出，富集管停止加熱，自然冷卻。

圖2為系統(tǒng)的硬件框圖，左側(cè)為控制電路部分，以F28335為主控芯片，包括電源模塊、溫度采集模塊、加熱控制模塊、存儲模塊和與上位機通訊模塊。右側(cè)為富集管的結(jié)構(gòu)圖，由富集管本身、管內(nèi)的吸附劑和纏繞在管壁上的加熱絲組成。電源輸出電壓24 V，最大功率100 W，采用PWM方式控制加熱。系統(tǒng)要求在預解吸時升溫速率足夠快，超調(diào)量小，調(diào)節(jié)時間短，解吸時控溫精度高。

圖2 熱解吸系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2 電路設(shè)計

高精度的溫度采集是系統(tǒng)的重要部分，為此要選用合適的測溫元件和和設(shè)計合理可靠的電路。根據(jù)實際的溫度范圍及控制精度要求，選用PT100鉑電阻作為測溫元件，采用三線制方式連接，可降低因附加的導線電阻所帶來的誤差。

系統(tǒng)的核心電路如圖3所示，它包括恒流源電路、信號放大電路兩個部分。

圖3 信號調(diào)理電路

恒流源由運放和三極管組成，三極管的負反饋作用可抑制因溫度變化所造成的輸出電流不穩(wěn)定。下面計算電流源的輸出電流大小：設(shè)運放2腳輸入電壓為Vin,根據(jù)運放的虛短和虛斷，可知3腳電壓大小為Vin，則：

(1)

在0～850℃時，其阻值隨溫度變化的擬合函數(shù)可表示為：

Rt=R0(1+At+Bt2)。

(2)

Rt、R0代表鉑絲在t℃，0℃時的阻值，A、B為實驗室所測定，則不同溫度下傳感器上的電壓值大小為：

V=IRt。

(3)

實驗中R1、R2、R3、R4均為100 kΩ，R5為2 kΩ，Vref為1.25 V，由式(1)算得I=0.625 mA，富集管的實際溫度范圍在50～350℃，根據(jù)式(2)可算得電阻的最小值約為119 Ω，最大阻值約為230 Ω，差值為111 Ω，乘以I得到的最高溫度與最低溫度的電壓差為電壓為69.375 mV，進一步可算得溫度每變化1℃時，電壓變化0.23 mV，控溫精度要求越高，則電壓變化越小，這種微弱的變化不能直接接入ADC芯片進行轉(zhuǎn)換，不僅與ADC的精度有關(guān)，而且實際的噪聲干擾也會導致輸入的電壓并不一定準確，所以需進行放大和濾波。放大倍數(shù)根據(jù)選用的ADC芯片的電壓輸入范圍和實際最大溫度對應的電壓來確定，本電路中ADC輸入最大電壓為4.096 V，因此放大倍數(shù)設(shè)為為49/2，算得最終的最大輸入電壓為3.523 V，未超過ADC最大輸入電壓，滿足要求。

3 算法設(shè)計

3.1 傳統(tǒng) PID算法原理

常規(guī)的離散形式PID表達式為：

(4)

(5)

針對熱解吸系統(tǒng)加熱速度快、超調(diào)量低及控制精度高等要求，傳統(tǒng)PID無法兼顧各項指標，為此，采用分段式PID控制算法。

3.2 分段 PID算法實現(xiàn)

由于熱的傳遞需要時間，導致溫度傳感器測量的溫度總是滯后于實際的溫度，這個滯后時間稱為溫度傳感器的響應延遲[12]。若系統(tǒng)的其他參數(shù)均已設(shè)定，則溫度傳感器的延遲時間將是系統(tǒng)能否穩(wěn)定工作的關(guān)鍵因素，如果忽略這個因素，則會產(chǎn)生重大偏差。

如圖4所示，溫度控制分為2個階段，虛線y1是分段的臨界點。當測量的溫度到達y1時，由于傳感器的延遲，實際的溫度已經(jīng)到達設(shè)定值，假如富集管的實際控溫速率在25℃/s左右，若此時繼續(xù)升溫，1 s的延遲時間會使得實際溫度超調(diào)25℃，嚴重破壞組分的熱穩(wěn)定性，因此當測量溫度達到y(tǒng)1時，應該更換參數(shù)進行加熱。

圖4 區(qū)間劃分曲線

y1點升溫速率為：

(6)

式中，ek-n為第前n次的誤差，Tn為n次間隔的時間，由于實際采樣頻率在ms級別，前后2次采樣值很可能會因為傳感器的電壓波動導致速率計算不準，因此Tn不能設(shè)的太小，太大也會使得測試的速率不能代表該點的瞬間升溫速率。y1、y2區(qū)間段的長度：

l=tv，

(7)

當測量溫度在y1點以下時，此時實際溫度尚未達到設(shè)定溫度，使用純P控制，將P調(diào)至輸出最大值umax，進行全功率加熱；

當測量溫度達到y(tǒng)1點時，此時實際溫度已經(jīng)接近設(shè)定溫度，使用PID控制。由于實際環(huán)境中有噪聲出現(xiàn)，對微分影響較大，導致控溫曲線中有毛刺，影響控溫精度，故采用不完全微分的PID方式進行控制[13-14]。因此，將式(2)改為：

(8)

4 實驗與討論

實驗中，選用Tekmar公司的型號為Teledyne不銹鋼富集管，將0.2 mm直徑的鉑絲套入直徑0.5 mm的玻璃纖維管，纏繞在富集管上，空氣作為樣氣，He氣作為載氣。測試傳感器的延遲時間t時，為避免因過快的升溫速率導致超調(diào)嚴重出現(xiàn)富集管被燒毀的情況，降低加熱功率。分別以150℃、175℃、200℃、225℃、250℃為目標溫度進行同功率加熱。當采樣溫度達到目標溫度時，立即停止加熱，觀察溫度超調(diào)情況，根據(jù)：

(9)

來計算延遲時間，式(9)中，σ為超調(diào)量，v為測量溫度達到目標溫度時的升溫速率。測試數(shù)據(jù)如表1所示。

表1 不同溫度下的各項數(shù)據(jù)

由表1中的數(shù)據(jù)可看出，根據(jù)式(5)計算出的延遲時間并非固定不變的，而是隨著溫度的升高而減少，這是由于溫度越高，散熱越快，使得在本身固定延遲時間內(nèi)的超調(diào)量變低，從而計算出的延遲時間也越短。因此此需要對延遲時間與溫度的關(guān)系進行擬合，采用最小二乘法[15]進行擬合，結(jié)果如圖5所示。

圖5 延遲時間與溫度關(guān)系擬合曲線

從圖5的二次擬合曲線可以得到延遲時間與溫度的關(guān)系如下：

t=1.448×10-5*T2-0.010*T+3.060 ，

(10)

式中，T為目標溫度值。

實驗時，由采樣泵通過采樣探頭將樣品氣體吸附至管內(nèi)進行富集，一定時間后對富集管進行快速加熱至設(shè)定溫度，然后維持恒溫并打開控制載氣流通的電磁閥，將樣品氣體吹至色譜柱中進行分離。分別將富集管溫度設(shè)為100℃、150℃、200℃、250℃，對2種算法進行參數(shù)整定，將得到的結(jié)果進行對比，結(jié)果如圖6～9所示(右下角為穩(wěn)定后的溫度波動)。

圖6 100℃時傳統(tǒng)PID與分段PID控制效果對比情況

圖7 150℃時傳統(tǒng)PID與分段PID控制效果對比情況

圖8 200℃時傳統(tǒng)PID與分段PID控制效果對比情況

圖9 250℃時傳統(tǒng)PID與分段PID控制效果對比情況

表2為分段PID與傳統(tǒng)PID的超調(diào)量對比。

表2 分段PID與傳統(tǒng)PID的超調(diào)量對比

以從開始升溫至實際溫度達到目標溫度范圍的±1.5℃內(nèi)的時間作為調(diào)節(jié)時間，將圖6得出的數(shù)據(jù)統(tǒng)計至表3中。

表3 分段PID與傳統(tǒng)PID的調(diào)節(jié)時間對比

從圖6、表2和表3可看出，由于傳感器的延遲，使得傳統(tǒng)PID算法在快速升溫時難以抑制溫度的超調(diào)現(xiàn)象，在保證快速升溫速率的情況下，即使PID參數(shù)調(diào)節(jié)再好也會有較大超調(diào)，在100℃～150℃時的超調(diào)達到20℃。而本文采取的分段PID算法則能有效地抑制超調(diào)現(xiàn)象，基本在3℃以內(nèi)，并且由于超調(diào)非常小，使得溫度能迅速進入穩(wěn)定狀態(tài)，極大地減少了溫度的調(diào)節(jié)時間，也在一定程度上縮短了分析周期，穩(wěn)定后的溫度精度在±1.5℃以內(nèi)。由于該分段方法中的傳感器延遲時間是隨著溫度的上升而下降，所以控制的溫度越低時，延遲時間越大，對溫度的抑制程度越強，能自動地對不同目標溫度段的溫度進行良好控制。

根據(jù)參數(shù)調(diào)節(jié)情況可知，不適當?shù)姆e分運算不僅不會提高溫度的精度，反而會適得其反，并且過早地積分容易出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，使得當目標值與設(shè)定值相差較大時PID控制器仍然向相反的方向動作，加重超調(diào)，降低精度。因此本文采用分段積分與變系數(shù)積分相結(jié)合的方法進行控制。過程如下：當采樣值與目標溫度值之差的絕對值大于10℃時不進行積分運算，當采樣值與目標溫度值之差的絕對值在3℃～10℃之間采用變系數(shù)積分運算，當采樣值與目標溫度值之差的絕對值小于3℃時進行才進行積分運算。

為了更加精確有效地控制溫度的穩(wěn)定性，根據(jù)整定情況，在不同目標溫度設(shè)置不同的PID參數(shù)值，在各個溫度段的參數(shù)值如表4所示。

表4 不同溫度段下的參數(shù)值

5 結(jié)束語

本文設(shè)計了快速氣相色譜的熱解吸溫控系統(tǒng)。系統(tǒng)以F28335為核心，采用四線制接法的PT100鉑電阻作為測溫元件，設(shè)計了電流源電路和信號放大等電路。采用分段式PID算法對富集管進行溫度控制，且對如何分段進行了詳細的討論，采用不完全微分方式解決系統(tǒng)中出現(xiàn)的噪聲干擾。實驗結(jié)果表明，本文的分段式PID算法響應速度快，超調(diào)量低，調(diào)節(jié)時間短，控制精度高，魯棒性強，滿足在色譜應用中低熱容快速升溫的需求。

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Design on Temperature Control System for Fast Gas Chromatography Thermal Desorption

LIU Da-jun, HU Shun-di, ZHANG Rong,WEN Lu-hong

(The Research Institute of Advanced Technology, Ningbo University, Ningbo Zhejiang 315211, China)

The shorter time the fast gas chromatograph hearts up in the thermal desorption, the smaller effect it does to the overlapping peaks of chromatographic. Due to the low heat capacity and fast heating rate of the enrichment tube, the temperature is hard to be controlled, and the unstable conventional control method influences the repeatability of the instrument. In order to realize the fast and accurate control for the temperature of enrichment tube, the thermal desorption system is developed. The high precision temperature acquisition circuit is designed, and the subsection PID algorithm is used to control heating. The piecewise interval is determined according to the delay time of the sensor, and the noise interference is weakened by using incomplete derivation. The experimental results show that this algorithm can improve the response speed of the system and shorten the regulation time, the overshoot is within 2℃ and the temperature controlling accuracy is ± 0.15 ℃.

fast gas chromatography; thermal desorption; temperature control; subsection PID

2017-07-10

國家自然科學基金青年基金項目(81401452，11602116)；浙江省自然科學基金項目(Q16A020002)

劉大軍(1989—)，男，碩士研究生，主要研究方向：精密儀器。胡舜迪(1987—)，博士，主要研究方向：多場耦合建模、智能結(jié)構(gòu)、分布式傳感與控制系統(tǒng)。

10. 3969/j.issn. 1003-3114. 2017.05.16

劉大軍，胡舜迪，張榮，等.快速氣相色譜熱解吸溫控系統(tǒng)的設(shè)計[J].無線電通信技術(shù),2017,43(5):71-76.

[LIU Dajun, HU Shundi, ZHANG Rong,et al. Design on Temperature Control System for Fast Gas Chromatography Thermal Desorption [J].Radio Communications Technology, 2017,43(5):71-76.]

TH833

A

1003-3114(2017)05-71-6