CN109596566A - 一种气体检测吸收腔体内部温度和压力一体化控制装置 - Google Patents

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孙鹏帅
夏滑
李哲
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Abstract

本发明公开一种气体检测吸收腔体内部温度和压力一体化控制装置。装置包括：气体检测吸收腔体、减压阀、电控比例阀、真空泵、压力传感器、热电偶、加热板和控制器；气体检测吸收腔体的进气管路上设置有电控比例阀和所述减压阀，气体检测吸收腔体的出气管路上设置有电控比例阀和真空泵，压力传感器与气体检测吸收腔体连接，两个电控比例阀和压力传感器分别与控制器连接；热电偶位于气体检测吸收腔体的内壁，热电偶与控制器连接，气体检测吸收腔体的外壁包裹有加热板，加热板与控制器连接。采用上述装置能够实现腔体内部温度和压力的精确控制，进而减小吸收腔体内部温度和压力的变化对检测结果的误差。

Description

一种气体检测吸收腔体内部温度和压力一体化控制装置
技术领域
本发明涉及气体检测领域，特别是涉及一种气体检测吸收腔体内部温度和压力一体化控制装置。
背景技术
众所周知，在使用激光吸收光谱气体测量领域中，***的精确度、稳定性是衡量仪器性能的重要指标，除了受自身原理方法和技术的影响外，主要还受外界测量环境的影响。密闭高品质气体检测吸收腔体是***高灵敏测量的重要组成部分，当腔体内部的温度、压强发生变化时，气体分子的吸收谱线线型和强度会随之发生改变，导致测量结果产生误差。以对碳13同位素(δ13C)为例：在24-30℃温度变化时，单位温度变化对δ13C值的变化影响约为15.07‰；在97.5-102.5kPa压力变化时，单位压力变化对δ13C值的变化影响约为0.41‰(参考文献：李相贤，等，CO2及其碳同位素比值高精度检测研究，物理学报，2013，62(18)：180203。李相贤，等，基于傅里叶变换红外光谱法CO2气体碳同位素比检测研究，物理学报，2013，62(3)：030202)。因此，常常采用的方法是需要对分子吸收线型、谱线强度与温度和压强间的关系做出标定，然后根据实际测量值对温度和压力进行算法上的修正，以期把环境因素的影响降至最低。但是，上述方法对腔体压力和温度变化较大且频繁的情况会产生较大的误差。并且，为了有效减少气体检测吸收腔体机械结构和镜片的形变几率，提高超高精密测量中光路的稳定性，亟需保证密闭高品质气体检测吸收腔体内部的温度和压强的稳定精确控制，这是保证***长时间稳定性及减小环境因素影响的根本保障，也是激光吸收光谱技术检测***长期稳定性控制的关键核心技术。
发明内容
本发明的目的是提供一种气体检测吸收腔体内部温度和压力一体化控制装置，实现对气体检测吸收腔体内部温度和压力的精确控制。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种气体检测吸收腔体内部温度和压力一体化控制装置，所述装置包括：气体检测吸收腔体、减压阀、电控比例阀、真空泵、压力传感器、热电偶、加热板和控制器；所述气体检测吸收腔体的进气管路上设置有所述电控比例阀和所述减压阀，所述气体检测吸收腔体的出气管路上设置有所述电控比例阀和所述真空泵，所述压力传感器与所述气体检测吸收腔体连接，两个所述电控比例阀和所述压力传感器分别与所述控制器连接；所述热电偶位于所述气体检测吸收腔体的内壁，所述热电偶与所述控制器连接，所述气体检测吸收腔体的外壁包裹有所述加热板，所述加热板与所述控制器连接。
可选的，所述装置还包括隔热保温层，所述隔热保温层位于所述加热板的外侧。
可选的，所述热电偶的数量为三个，各所述热电偶分别位于所述气体检测吸收腔体内壁的两端和中部位置。
可选的，所述加热板的数量为三段，各所述加热板分别以三个所述热电偶中心位置缠绕。
可选的，所述装置包括加热板控制器，所述加热板控制器的一端与所述控制器连接，另一端与所述加热板连接。
可选的，所述装置还包括缠绕加热带，所述缠绕加热带位于所述气体检测吸收腔体的进气管路上。
可选的，所述控制器为内部采用模糊自适应比例积分微分循环控制算法的控制器。
可选的，所述装置还包括模拟数字转换器，所述模拟数字转换器的输入端与所述压力传感器连接，所述模拟数字转换器的输出端与所述控制器连接。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：本发明提供一种气体检测吸收腔体内部温度和压力一体化控制装置，所述装置包括：气体检测吸收腔体、减压阀、电控比例阀、真空泵、压力传感器、热电偶、加热板和控制器；所述气体检测吸收腔体的进气管路上设置有所述电控比例阀和所述减压阀，所述气体检测吸收腔体的出气管路上设置有所述电控比例阀和所述真空泵，所述压力传感器与所述气体检测吸收腔体连接，两个所述电控比例阀和所述压力传感器分别与所述控制器连接；所述热电偶位于所述气体检测吸收腔体的内壁，所述热电偶与所述控制器连接，所述气体检测吸收腔体的外壁包裹有所述加热板，所述加热板与所述控制器连接，通过上述装置能够实现腔体内部温度和压力的精确控制。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例气体检测吸收腔体内部温度和压力一体化控制装置结构示意图；
图2为本发明实施例气体吸收谱线之间不存在相互干扰的情况图；
图3为本发明实施例气体吸收谱线之间存在相互干扰的情况图；
图4为本发明实施例二次谐波信号强度和温度变化之间的关系图；
图5为本发明实施例气体浓度的变化和温度的变化图；
图6为本发明实施例温度压力PID循环控制算法流程图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明的目的是提供一种气体检测吸收腔体内部温度和压力一体化控制装置，实现对气体检测吸收腔体内部温度和压力的精确控制。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明实施例气体检测吸收腔体内部温度和压力一体化控制装置结构示意图。如图1所示，一种气体检测吸收腔体内部温度和压力一体化控制装置，所述装置包括：气体检测吸收腔体1、减压阀2、电控比例阀3、真空泵4、压力传感器5、热电偶6、加热板7和控制器8；所述气体检测吸收腔体1的进气管路上设置有所述电控比例阀3和所述减压阀2，所述气体检测吸收腔体1的出气管路上设置有所述电控比例阀3和所述真空泵4，所述压力传感器5与所述气体检测吸收腔体1连接，两个所述电控比例阀3和所述压力传感器5分别与所述控制器8连接；所述热电偶6位于所述气体检测吸收腔体1的内壁，所述热电偶6与所述控制器8连接，所述气体检测吸收腔体1的外壁包裹有所述加热板7，所述加热板7与所述控制器8连接。
为了保证腔体的温度在腔体缠绕加热板外包裹隔热保温层9。隔热保温层9的作用是减少内部和环境的温度交换，保证腔体温度的恒定，减少温度波动。
所述热电偶6的数量为三个，各所述热电偶6分别位于所述气体检测吸收腔体1内壁的两端和中部位置。所述加热板7的数量为三段，各所述加热板7分别以三个所述热电偶6中心位置缠绕。气体检测吸收腔体1内部安装三个热电偶6测温装置配合三片加热板7共同完成腔体内部恒定温度的控制。
所述装置包括加热板控制器10，所述加热板控制器10的一端与所述控制器8连接，另一端与所述加热板7连接。
所述装置还包括缠绕加热带11，所述缠绕加热带11位于所述气体检测吸收腔体1的进气管路上。
所述控制器8为内部采用模糊自适应比例积分微分循环控制算法的控制器。
所述装置还包括模拟数字转换器，所述模拟数字转换器的输入端与所述压力传感器连接，所述模拟数字转换器的输出端与所述控制器连接。
图2为本发明实施例气体吸收谱线之间不存在相互干扰的情况图。在使用激光吸收光谱技术进行气体检测的过程中，所使用的气体吸收谱线之间如不存在相互干扰的情况，如图2中的a、b、c之间所示，谱线时间可以独立区分，有利于气体浓度的反演；图3为本发明实施例气体吸收谱线之间存在相互干扰的情况图。在某些情况下，尤其是存在干扰气的情况下，如：测量烷烃类气体时，气体相邻的吸收谱线在常压下会存在如图3a和b所示的谱线干扰，如果采用相互影响的谱线进行浓度计算，则会造成非常大的误差。通过实验可以得知，如果将气体腔体内部的压力降低，则谱线a和谱线b会随着压力的降低而逐渐被分开，逐渐恢复到图2的分立情况，当气体吸收谱线重新回到互不干扰的状态时，便需要保证且精确控制此时腔体内部的压力，此时计算气体的浓度并且依据当前腔体内部的压力进行压力修正，便会得到正确的测量结果。因此，本发明通过使用真空泵、电控比例阀、减压阀进行腔体内部的压力控制部件，通过压力传感器实时监测腔体内部的气体压力，形成反馈信息送入控制器进行压力的PID控制。
在激光吸收光谱气体检测过程中，所使用的气体吸收谱线会受到腔体内部气体温度的变化而变化，图4为本发明实施例二次谐波信号强度和温度变化之间的关系图。如图4所示二次谐波信号强度和温度变化之间的关系。图5为本发明实施例气体浓度的变化和温度的变化图，在温度变化的情况下依据变化后的谱线强度进行浓度反演，则气体浓度的变化和温度的变化如图5所示的影响，将会产生非常大的误差。因此，本发明通过采用进气预热和加热带直热两级精确控温方式进行腔体内部的温度控制，通过热电偶传感器实时监测腔体内部温度，形成反馈信息送入模糊自适应比例积分微分循环控制算法(PID)控制器进行温度控制，腔体外缠绕保温材料(可以是石棉、硅酸铝保温棉、橡塑保温棉等常见的材料)隔绝外界环境温度变化的影响。在常规控温方法中，常常只考虑控制腔体的温度，而忽略了进气气样的温度，造成后续腔体温度控制会因为气体流速的变化而产生变化，造成温度波动大、控温能耗高等缺点。因此，本发明充分考虑进气温度情况，提出了一种预加热控温方式，通过对进气气管缠绕加热带形成伴热管形式对进入腔体的气体进行预加热，然后对进入腔体的气体通过腔体外加热板进行直接控温，这样不仅实现了控温精度高、结构简单、控温效率高、成本低的目的，而且对光学部件的稳定机械加工不存在影响。
本发明中所述的精确控制并不是将其精确控制在不同温度和不同的压强值，而是依据所测量气体的实际情况追求***在某一个固定值的稳定性。比如对腔体内部温度而言：采用进气预加热和加热板直热两级精确控温方式考虑水汽的影响，将气体吸收腔体内部的气体温度控制在40度的稳定幅度(起伏<0.005℃)。压力控制依据干扰谱线的间隔进行调整，不同的气体其压力控制是不同的，常规情况下必须满足低压稳定(一般为几十～几百mbar)、控制精度高(<0.5mbar)等要求。
具体的实施过程如下：
压力控制过程：为了减少气体间吸收谱线的交叉干扰，腔体内部的气压需要控制在低压状态。在正常情况下使用抽取式测量装置时，被测量气体的压强多数等于或者大于大气压，那么由于内外压力差的作用被测气体会被迫“压”入腔体内部。为了提高被测气体在大压差作用下对腔内气压的冲击稳定性，需要依据腔体内部的气压情况实时控制进气流量。首先，在进气气路上使用减压阀对高压气体进行压力缓冲，保证减压阀后面的气体压力稳定。流体的体积是会随着状态的改变而改变的，温度、压力都会影响流体的体积，而质量则不同，它是不会改变的，质量流量控制器可以控制流体的流动量。所有质量流量控制器的结构都是相似的，有一个入口、一个出口、一个质量流量传感器和一个比例控制阀。MFC配有一个闭环控制***，该***由使用者或外部电路/计算机提供一个设定的值，与传感器的值进行比对，并相应地改变阀门，满足所需流量。设置相应的参数，实现对流体的精确控制，使其以稳定的状态流通。
腔体内部的压力采用压力传感器进行测量，并利用真空泵进行实时抽取。使用气体压力传感器基于串口传输实时监测控制气室内压强，模拟数字转换器(AD，16位以上)将模拟的压力信号数字化后送给控制器，控制器迅速调节比例阀的开度进行流量控制，在真空泵的作用下可以实现腔内气压稳定控制。通过上述的工作方式，最终将压力保持在几十mbar，精度<0.5mbar，实现对腔体内部压力的稳定。
温度控制过程：气体检测吸收腔体为了防止水汽对反射镜片的污染，保证光机结构的稳定性和吸收谱线的一致性。在腔体内部壁上安装热电偶装置进行温度精确测量，为了测量腔体温度检测的一致性和控制精度，热电偶安置位置为腔体的中部和两端，共三处。腔体外部环绕腔体分别以三个热电偶为中心缠绕三段加热板，依据热电偶测量的温度值反馈信息，设置加热板控制电流，电流越大加热效率越大。为了保证腔体的温度在腔体缠绕加热板外包裹隔热保温层。隔热保温层作用是减少内部和环境的温度交换，保证腔体温度的恒定，减少温度波动。三个热电偶形成温度反馈信息送入控制器，控制器采用PID控制算法对温度进行设置，输出加热板控制器命令，对三片加热板进行不同的控制以期腔体内部达到设定温度值，并温度分布均匀。同时，为了增加腔体内部气体温度的快速设定，在进气管外缠绕加热带进行一级温度设定，这样处理可以减小腔体温度控制的耗能，并快速将腔体内部气体设定为设置值。
核心控制算法：在控制过程中，算法是控制的核心，为了实现鲁棒性好、可靠性高的温度和压强的精确控制，引入图5所示的模糊自适应比例积分微分循环控制算法(PID)，该控制算法以误差e(k)、误差变化率ec(k)作为输入，在总结控制模块技术知识和实际操作经验的基础上，建立与模块相适应的论域子集隶属度函数和针对kp、ki、kd三个参数分别整定的模糊控制表，实现三个参数的模糊在线自适应校正，从而对温度和压强进行精确控制。图6为本发明实施例温度压力PID循环控制算法流程图。
本发明将激光吸收光谱***中气体检测吸收腔体内部的温度和压力控制一体化设计，形成高精度、高稳定、结构简单的综合同时控制***。本发明的温度和压力精确控制***均采用了模糊自适应比例积分微分循环控制算法，将误差项、实际测量值、预控值等相结合实现了腔体内部温度和压力的精确控制。在腔体内部温度控制过程中，采用了进气管两级控温技术保证了进入腔体内部的气体预控温度值，简化了腔体直接控温的复杂性。在腔体内部压力控制过程中，使用了减压阀降低进入气体的压力使流速保持恒定，采用电控比例阀精确控制气流流速，采用真空泵进行抽气操作，使气体腔体保持样气进入；负压真空泵安装在腔体出气口端，保证了腔体内部始终处于负压状态，保证了气体吸收谱线的分离和降低干扰的能力；气体吸收腔体内部安装三个热电偶测温装置配合三片加热片共同完成腔体内部恒定温度的控制；腔体外加加热带进行温度的精确控制，加热带外缠绕石棉等保温材料，将外界温度影响降到最低，提高了***腔体内部温度控制的精确度和减少了温度调控的频率；***采用单片机、ARM或者工控主板为主控装置，配合测量反馈值，在内置PID控制算法作用下完成了腔体内部的温度和压力的一体化控制。
本发明具有以下优点：
(1)为了快速将腔体内部的气体加热到设定值，并保证温度的恒定和一致性，设计了两级加热***，引入三个热电偶和三片加热板分别进行监测和控制；
(2)为了增加压力设置值的一致性，减小波动，完成腔体内部低压情况，设计完成了抽气泵和电控比例阀相结合的抽气***；
(3)采用PID控制算法，依据初始设定值对温度和压力控制模块进行闭环控制，完成了温度和压力的快速、稳定、高精确控制。控制精度可达温度±0.005度，压力0.5mbar。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的***及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (8)

1.一种气体检测吸收腔体内部温度和压力一体化控制装置，其特征在于，所述装置包括：气体检测吸收腔体、减压阀、电控比例阀、真空泵、压力传感器、热电偶、加热板和控制器；所述气体检测吸收腔体的进气管路上设置有所述电控比例阀和所述减压阀，所述气体检测吸收腔体的出气管路上设置有所述电控比例阀和所述真空泵，所述压力传感器与所述气体检测吸收腔体连接，两个所述电控比例阀和所述压力传感器分别与所述控制器连接；所述热电偶位于所述气体检测吸收腔体的内壁，所述热电偶与所述控制器连接，所述气体检测吸收腔体的外壁包裹有所述加热板，所述加热板与所述控制器连接。
2.根据权利要求1所述的气体检测吸收腔体内部温度和压力一体化控制装置，其特征在于，所述装置还包括隔热保温层，所述隔热保温层位于所述加热板的外侧。
3.根据权利要求1所述的气体检测吸收腔体内部温度和压力一体化控制装置，其特征在于，所述热电偶的数量为三个，各所述热电偶分别位于所述气体检测吸收腔体内壁的两端和中部位置。
4.根据权利要求3所述的气体检测吸收腔体内部温度和压力一体化控制装置，其特征在于，所述加热板的数量为三段，各所述加热板分别以三个所述热电偶中心位置缠绕。
5.根据权利要求3所述的气体检测吸收腔体内部温度和压力一体化控制装置，其特征在于，所述装置包括加热板控制器，所述加热板控制器的一端与所述控制器连接，另一端与所述加热板连接。
6.根据权利要求1所述的气体检测吸收腔体内部温度和压力一体化控制装置，其特征在于，所述装置还包括缠绕加热带，所述缠绕加热带位于所述气体检测吸收腔体的进气管路上。
7.根据权利要求1所述的气体检测吸收腔体内部温度和压力一体化控制装置，其特征在于，所述控制器为内部采用模糊自适应比例积分微分循环控制算法的控制器。
8.根据权利要求1所述的气体检测吸收腔体内部温度和压力一体化控制装置，其特征在于，所述装置还包括模拟数字转换器，所述模拟数字转换器的输入端与所述压力传感器连接，所述模拟数字转换器的输出端与所述控制器连接。
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