CN104678112A - 一种串联差分电迁移率分析仪控制***及控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联差分电迁移率分析仪控制***及控制方法，包括主控制电路板、显示及按键电路板、数据存储电路板和相应的软件构成。本发明可结合实验装置能够快速准确的测量大气颗粒物加热或加湿前后的粒谱分布，得到挥发塌缩因子或吸湿增长因子，可用于大气环境中纳米级颗粒物的粒谱分析、吸湿特性、挥发特性、挥发-吸湿特性的研究。

Description

一种串联差分电迁移率分析仪控制***及控制方法

技术领域

本发明涉及环境分析仪控制***领域，具体是一种串联差分电迁移率分析仪控制***及控制方法。

背景技术

近年来，环境污染问题事关国计民生，因此，大气颗粒物已成为环境监测的重点指标之一，对于大气污染形成机理的研究刻不容缓，相关研究方法、研究仪器也在不断发展。大气颗粒物挥发性和吸湿性是反映颗粒物理化性质的重要指标，挥发性和吸湿性研究对深入了解颗粒物的环境和健康效应具有重要的意义。V-TDMA（挥发性串联差分电迁移率分析仪）可用于研究温度对大气颗粒物组分中挥发性物质（例如NH4Cl、NH4NO3等）挥发速率的影响，探讨挥发机制；通过测量加热前后颗粒物的粒谱分布，获得其挥发因子；H-TDMA（吸湿性串联差分电迁移率分析仪）是典型的大气颗粒物吸湿性分析方法，可以测量颗粒物在不同湿度前后的粒谱分布，获得吸湿增长因子。H-TDMA***是在大气气溶胶流动状态下对其吸湿性进行测量，能够较好的反应真实大气中气溶胶的吸湿情况。颗粒物的挥发塌缩因子和吸湿增长因子直接反映了颗粒物的混合态，如果将气溶胶飞行时间质谱仪与V/H-TDMA***联机实验，就可以获得气溶胶不同粒径的不同挥发/吸湿因子对应的组分。总之，V/H-TDMA是现今研究气溶胶混合态的重要方法之一。

串联差分电迁移率分析仪（Tandem Differential Mobility Analyzer,TDMA）技术作为目前测量气溶胶挥发性/吸湿性的主流技术，其基本原理是串联使用两台差分电迁移率分析仪（Differential Mobility Analyzer,DMA），并结合冷凝颗粒物计数器（Condensation Particle Counter,CPC）测量颗粒物经过物理变化（吸湿或者挥发）前后的粒径变化。

目前市场上没有成套的V/H-TDMA***，一般是科研单位自行搭建，而且在检测方法上采用H-TDMA技术中温度的控制精确度低，所以本发明所述的***中集成商用的DMA及CPC等测量仪器，并使用可调精确的温控***保证工作环境温度稳定，这样既可以减少开发周期，又保证了仪器的精度，所以有必要提供一种一体式解决方案，实现***的控制功能。

发明内容 本发明的目的是提供一种串联差分电迁移率分析仪控制***及控制方法，以解决现有技术存在的问题。

为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：

一种串联差分电迁移率分析仪控制***，其特征在于：包括主控制电路板、显示及按键电路板、数据存储电路板和相应的软件构成，以及分立的温度控制***，包括温控电路板、半导体制冷片、PID温度控制软件及与上位机通信软件。

所述的一种串联差分电迁移率分析仪控制***，其特征在于：包括主控制电路板，主控制电路板由多个双刀双掷继电器、供电模块、数字模拟转换芯片、通信芯片和单片微控制器构成；该电路板通过双刀双掷继电器控制电动三通电磁阀、通过数字模拟转换芯片控制质量流量控制器来调节湿度、通过通信芯片与数据存储板通信。

所述的一种串联差分电迁移率分析仪控制***，其特征在于：还包括显示及按键面板，显示及按键面板有多个轻触按键、LED指示灯、三位七段数码管和单片微控制器构成；该电路板与主控制电路板通过IIC通信，用于设置***各种工作参数、显示及按键面板。

所述的一种串联差分电迁移率分析仪控制***，其特征在于：还包括数据存储电路板，数据存储电路板由时钟芯片和文件管理控制芯片构成；该电路板通过主控制电路板通信，获得***工作过程中各项参数，并读取时钟芯片内部实时时间数据，通过文件管理控制芯片离线存储所需的数据。

所述的一种串联差分电迁移率分析仪控制***，其特征在于：还包括控制软件，控制软件根据用户设置的各项参数完成相应的功能，包括开关机、模式选择、湿度设置，切换加热管等操作。

所述的一种串联差分电迁移率分析仪控制***，其特征在于：还包括分立的温控***，由半导体制冷片、温控电路板及温控PID调节软件构成，可以实现温度稳定在25˚C±1˚C。

所述的一种串联差分电迁移率分析仪控制***的控制方法，其特征在于：包括以下过程：

过程一、关闭电动三通电磁阀和电动三通电磁阀，气溶胶经过干燥管、中和剂、DMA1、电动三通电磁阀、电动三通电磁阀、到达CPC，可以进行粒谱分析；

过程二、关闭电动三通电磁阀，开启电动三通电磁阀，并且电动三通电磁阀对循环间隔一段时间开启一对，气溶胶经过干燥管、中和剂、DMA1、电动三通电磁阀、电动三通电磁阀对、DMA2、CPC，进行挥发特性分析；

过程三、关闭电动三通电磁阀，开启电动三通电磁阀，气溶胶经过干燥管、中和剂、DMA、电动三通电磁阀、Nafion tube1、电动三通电磁阀、电动三通电磁阀、Nafion tube、电动三通电磁阀、DMA、CPC，可进行吸湿特性分析；

过程四、关闭电动三通电磁阀，开启电动三通电磁阀、，气溶胶经过干燥管、中和剂、DMA、电动三通电磁阀、电动三通电磁阀对、加热管、电动三通电磁阀、电动三通电磁阀、Nafion tube、电动三通电磁阀、DMA、CPC，可进行挥发特性-吸湿特性分析。

本发明的有益效果是：

1、本发明为自行搭建的V/H-TDMA***提供一体式***集成控制方案，稳定性好，可以实现颗粒物挥发性和吸湿性的分析功能。

2、本发明采用辅助的加热***可以实现不同温度（六根加热管温度分别为25 ˚C、100 ˚C、150 ˚C、200 ˚C、300 ˚C、350˚C）条件下对温度调节，湿度调节采用高精密质量流量控制器及快速稳定的湿度调节控制***，可以实现0-95%的相对湿度调节范围；

3、本发明所采用DMA和CPC商用仪器可以对30nm-400nm范围内颗粒物吸湿性、挥发性等特性进行测量；

4、本发明使用分立的温控***，实现仪器工作所处环境温度可调并且稳定。

4、本发明通过通信模块与电脑相连，通过上位机可以实现数据实时分析处理功能；

5、本发明针对外场实验情况，通过数据离线存储功能可以实现数据事后处理功能；

6、本发明实现的一体式控制***操作简单、使用方便。

附图说明

图1为本发明所述的V/H-TDMA装置结构图。

图2为V/H-TDMA装置示意框图。

图3为V/H-TDMA装置整体流向图。

图4为V/H-TDMA装置控制***结构图

图5为V/H-TDMA装置功能模块划分图。

图6为挥发性控制模块电路原理图。

图7为吸湿性控制模块电路原理图。

图8为按键及显示模块电路原理图。

图9为数据存储模块电路原理图。

图10为本发明测得的六根加热管温控效果图。

图11为本发明测得的H-TDMA控制效果图。

具体实施方式

如图4-图9所示，一种串联差分电迁移率分析仪控制***，如图4所示主要包括主控制电路板、显示及按键电路板、数据存储电路板和相应的软件构成。

所述的一种串联差分电迁移率分析仪控制***，包括主控制电路板，如图4所示，主控制电路板由多个双刀双掷继电器、供电模块、数字模拟转换芯片、通信芯片和单片微控制器构成；如图5所示，该电路板中双刀双掷继电器组连接V/H-TDMA装置中的电动三通电磁阀，每根加热管上下各接一个电动三通电磁阀，六根加热管分别接六对电动三通电磁阀，每根加热管加热温度不一样，通过每次控制开启一对电动三通电磁阀的开启，样气通过该对电动三通电磁阀对应的加热管，从而快速实现不同温度的加热挥发；该电路板中使用16位数字模拟转换芯片AD5422输出0~5V电压外接质量流量控制器KoFloc3660，通过控制KoFloc3660开度调节鼓泡法输出的湿气流量与干气混合调节经过Nafion tube2的样气湿度；该电路板中使用型号为ADM3251E的RS232收发芯片与数据存储板通信，传输实验过程中需要保存的各项参数；该电路板还包括微控制器，使用美国微芯公司的PIC16F874A芯片，完成软件控制。

所述的一种串联差分电迁移率分析仪控制***，其特征在于：还包括显示及按键面板，显示及按键面板有多个轻触按键、LED指示灯、三位七段数码管和单片微控制器构成；该电路板与主控制电路板通过IIC通信，用于设置***各种工作参数、显示及按键面板；该电路板还包括微控制器，采用微芯公司的PIC16F873A芯片。

所述的一种串联差分电迁移率分析仪控制***，其特征在于：还包括数据存储电路板，数据存储电路板由时钟芯片和文件管理控制芯片构成；该电路板通过主控制电路板通信，获得***工作过程中各项参数，并读取时钟芯片内部实时时间数据，通过文件管理控制芯片离线存储所需的数据；时间芯片采用深圳兴威帆电子技术公司所产SD2404FLPI芯片，文件管理控制芯片采用南京沁恒电子所产的CH376S。

所述的一种串联差分电迁移率分析仪控制***，其特征在于：还包括控制软件，控制软件根据用户设置的各项参数完成相应的功能，包括开关机、模式选择、湿度设置，切换加热管等操作。

针对附图2的装置示意图，包括差分电迁移率分析仪（DMA）1、差分电迁移率分析仪（DMA）2、电动三通电磁阀（L通）1~5、电动三通电磁阀（L通）6-1、6-2……11-1、11-2、冷凝核粒子计数器（CPC）1、加热管1~6、质量流量控制器（Mass Flow Controller）1、全氟磺酸管（Nafion tube）1、全氟磺酸管（Nafion tube）2、温湿度计1~3。DMA1、DMA2、17个电动三通电磁阀（L通）、RH1~2、CPC1工作电源由外部独立供电，各部件通过气管连接，图中箭头方向为气路方向,图2中电动三通电磁阀（L通）标识的折线箭头指的是开启状态下的气流方向，对应另外一个流向为关闭状态下的气流方向。

针对附图2的装置示意框图，四种工作模式对应控制流程分别为：当选择粒谱分析模式时，关闭电动三通电磁阀（L通）1，电动三通电磁阀（L通）2，同时RH 1采集相关数据，使得分析颗粒物从DMA1进入CPC1；当选择吸湿特性分析模式时，开启电动三通电磁阀（L通）1，电动三通电磁阀（L通）3，电动三通电磁阀（L通）4，关闭电动三通电磁阀（L通）5，颗粒物从DMA1经过Nafion tube1,Nafion tube2进入DMA2和CPC；当选择挥发特性分析模式时，关闭电动三通电磁阀（L通）1、电动三通电磁阀（L通）3和电动三通电磁阀（L通）4，开启电动三通电磁阀（L通）2和电动三通电磁阀（L通）5，颗粒物流经六根加热管中一根，此时打开这根加热管上下两个电动三通电磁阀（L通），关闭其他加热管导通电动三通电磁阀（L通）对，最后进入DMA2和CPC1；当选择挥发-吸湿特性分析模式时，关闭电动三通电磁阀（L通）1和电动三通电磁阀（L通）3，开启电动三通电磁阀（L通）2、电动三通电磁阀（L通）5和电动三通电磁阀（L通）4，颗粒物流经六根加热管中一根，此时打开这根加热管上下两个电动三通电磁阀（L通），关闭其他加热管导通电动三通电磁阀（L通）对，并经过Nafion tube2,最后进入DMA2和CPC1；

针对附图5本发明的V/H-TDMA装置功能模块划分图，整个***分为五个控制子模块，其功能及控制说明分别如下：

挥发性控制模块：通过控制6对12个电动三通电磁阀（L通）的开启，控制颗粒物流经不同温度加热管加热，从而研究颗粒物挥发特性；其控制电路原理图见附图6；

吸湿性控制模块：该模块主要使用KoFloc3660系列质量流量控制器（Mass flow controller 1）辅以控制算法快速准确地控制流经Nafion tube 2的颗粒物湿度，其控制电路原理图见附图7，AD5422是一款完全集成、完全可编程的16位电压输出模数转换器，配置为0~5V电压输出控制质量流量控制器的流量。

按键及显示模块：通过轻触按键和两个三位七段数码管组成控制和显示电路，原理图见附图8；用户可以通过按键开关机、选择分析模式、在挥发特性分析模式或者挥发-吸湿特性分析模式下可以手动切换加热管或者自动切换加热管、在吸湿特性分析模式或者挥发-吸湿特性分析模式下可以设置湿度；数码管和LED灯用于显示用户设置的湿度、***工作状态、温度等信息；

数据存储模块：主控制板将需要存储的状态和温湿度等信息发送至数据存储模块，数据存储模块使用文件管理控制芯片CH376S将数据存储至SD Card,如此可以离线分析实验过程中的数据，其控制电路原理图见附图9；

通信模块：该通信模块主要功能是将主控制板连接至电脑端，装有上位机的电脑端可以实时接收处理数据并显示。该模块主要使用隔离型RS232收发芯片ADM3251E。

仪器控制性能表征

实施一

测试六根加热管温控效果

本发明搭建的V-TDMA由六根加热管、电动三通电磁阀对等构成，六根加热管温度分别为25 ˚C（常温）、100 ˚C、150 ˚C、200 ˚C、300 ˚C、350˚C，图10中，横坐标为时间，纵坐标为温度，每根加热管分别由设置温度和实际温度点，从图10中可以看出控制***温控效果精确，完全满足实验要求。

实施二

测试H-TDMA加湿效果

本发明搭建的H-TDMA主要通过控制KoFloc3660质量流量控制器控制湿气与干气混合加湿气溶胶样气，从而获得设定的湿度，图11中横坐标为时间，纵坐标为相对湿度值，两个点为实验过程中设定的湿度值，可见经过一段时间后湿度达到设定值，图中两条虚线为设定的湿度值，调节精度满足实验需求。

Claims (7)

1.一种串联差分电迁移率分析仪控制***，其特征在于：包括主控制电路板、显示及按键电路板、数据存储电路板和相应的软件构成，以及分立的温度控制***，包括温控电路板、半导体制冷片、PID温度控制软件及与上位机通信软件。

2.根据权利要求1所述的一种串联差分电迁移率分析仪控制***，其特征在于：包括主控制电路板，主控制电路板由多个双刀双掷继电器、供电模块、数字模拟转换芯片、通信芯片和单片微控制器构成；该电路板通过双刀双掷继电器控制电动三通电磁阀、通过数字模拟转换芯片控制质量流量控制器来调节湿度、通过通信芯片与数据存储板通信。

3.根据权利要求1所述的一种串联差分电迁移率分析仪控制***，其特征在于：还包括显示及按键面板，显示及按键面板有多个轻触按键、LED指示灯、三位七段数码管和单片微控制器构成；该电路板与主控制电路板通过IIC通信，用于设置***各种工作参数、显示及按键面板。

4.根据权利要求1所述的一种串联差分电迁移率分析仪控制***，其特征在于：还包括数据存储电路板，数据存储电路板由时钟芯片和文件管理控制芯片构成；该电路板通过主控制电路板通信，获得***工作过程中各项参数，并读取时钟芯片内部实时时间数据，通过文件管理控制芯片离线存储所需的数据。

5.根据权利要求1所述的一种串联差分电迁移率分析仪控制***，其特征在于：还包括控制软件，控制软件根据用户设置的各项参数完成相应的功能，包括开关机、模式选择、湿度设置，切换加热管等操作。

6.根据权利要求1所述的一种串联差分电迁移率分析仪控制***，其特征在于：还包括分立的温控***，由半导体制冷片、温控电路板及温控PID调节软件构成，可以实现温度稳定在25˚C±1˚C。

7.根据权利要求1所述的一种串联差分电迁移率分析仪控制***的控制方法，其特征在于：包括以下过程：

过程一、关闭电动三通电磁阀和电动三通电磁阀，气溶胶经过干燥管、中和剂、DMA1、电动三通电磁阀、电动三通电磁阀、到达CPC，可以进行粒谱分析；

过程二、关闭电动三通电磁阀，开启电动三通电磁阀，并且电动三通电磁阀对循环间隔一段时间开启一对，气溶胶经过干燥管、中和剂、DMA1、电动三通电磁阀、电动三通电磁阀对、DMA2、CPC，进行挥发特性分析；

过程三、关闭电动三通电磁阀，开启电动三通电磁阀，气溶胶经过干燥管、中和剂、DMA、电动三通电磁阀、Nafion tube1、电动三通电磁阀、电动三通电磁阀、Nafion tube、电动三通电磁阀、DMA、CPC，可进行吸湿特性分析；

过程四、关闭电动三通电磁阀，开启电动三通电磁阀、，气溶胶经过干燥管、中和剂、DMA、电动三通电磁阀、电动三通电磁阀对、加热管、电动三通电磁阀、电动三通电磁阀、Nafion tube、电动三通电磁阀、DMA、CPC，可进行挥发特性-吸湿特性分析。