CN111122519B - 原子荧光仪用闭环流量控制***及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种原子荧光仪用闭环流量控制***及控制方法，该***包括设置在气体管道上的比例电磁阀和流量传感器以及控制主板，控制主板上集成有处理器、多个模数转换电路和数模转换电路，比例电磁阀通过数模转换电路连接至处理器，流量传感器通过模数转换电路连接至处理器；该***采用不完全微分增量PID控制算法控制气体管道的气体流量。本发明采用数字控制模式的闭环流量控制***能够提供可靠、稳定的流量，不易受气体压力、温度变化等因素影响；采用不完全微分增量PID控制算法，计算计算精度温度对控制量的计算影响较小；随着流量调节增量的减小，增大微分环节的系数，加快调节收敛速度，增加***的动态稳定性，防止流量调节出现震荡。
Description
技术领域
本发明涉及原子光谱分析技术领域中的流量控制***，具体涉及一种原子荧光仪用闭环流量控制***及控制方法。
背景技术
目前，原子荧光仪是常用的光谱类分析仪器，其工作原理是使用激发光源照射含有一定浓度的待测元素的原子蒸汽，使得基态原子跃迁至激发态，发出原子荧光，测定原子荧光的强度即可计算得到待测样品中该元素的含量。
原子荧光仪在工作时，需要向反应炉中通入氩气(Ar)作为载气，Ar载气携带反应生成的氢化物或样品蒸汽进入石英炉，研究表明，载气流量及成份对荧光强度均产生很大影响，过高的载气量会冲稀原子的浓度，过低的流速则难以迅速将氢化物或样品蒸汽带入石英炉，用纯Ar作载气，流量一般应控制为400ml-600ml。同时，石英炉中还要通入Ar气作为辅助气，可以防止周围的空气进入火焰产生荧光猝灭，以保证较高及稳定的荧光效率，Ar辅助气的流量对荧光强度的影响不是很显著，流量一般在600ml/min-1000ml/min。
早期通常采用针型阀的转子流量计控制气体流量，这种流量计一般用旋钮调节流量，用刻度显示流量值，通过观察刻度值来控制旋钮旋转量。这种粗放型流量调节方式操作不便，控制精度不高，流量不稳定，也不能满足当前数字化要求。
目前使用比较多的数字化流量控制方法，是采用多个不同针型阀固定为不同流量值，形成多个不连续的档位，再组合若干电磁阀用于控制不同档位流量的针型阀的开闭，从而实现自动控制不同档位的流量。但这种方式只能实现有限的几个流量档位的控制，不能连续调节流量，使用范围有限；特别是，当气体压力、温度变化较大或针型阀松动时，容易导致气体流量变化，气体流量不稳定对荧光检测结果的准确性产生不利影响。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种原子荧光仪用闭环流量控制***，该闭环流量控制***能够提供可靠、稳定的流量，不易受气体压力、温度变化等因素影响。
本发明的上述目的是由以下技术方案来实现的：
一种原子荧光仪用闭环流量控制***，用于为原子荧光仪的反应炉(05)和石英炉(06)供气，包括设置在气体管道上的用于控制气体管道内的气体流量大小的比例电磁阀(03)和用于测量气体流量的流量传感器(04)以及控制主板(01)，控制主板(01)上集成有处理器(010)、多个模数转换电路(011)和数模转换电路(012)，比例电磁阀(03)通过数模转换电路(012)连接至处理器(010)，流量传感器(04)通过模数转换电路(011)连接至处理器(010)。
上述原子荧光仪用闭环流量控制***中，所述控制主板(01)还集成有稳压电路(013)，用于将开关电源(02)稳压调制后接入控制主板(01)。
上述原子荧光仪用闭环流量控制***中，所述气体管道设置为两路，氩气瓶(07)内的氩气经两级减压稳压阀处理后通入气体管道，一路气体管道接入原子荧光仪的反应炉(05)，另一路气体管道接入原子荧光仪的石英炉(06)。
上述原子荧光仪用闭环流量控制***中，所述比例电磁阀(03)为小型微流量比例电磁阀，该比例电磁阀(03)通过的气体流量与其控制电压正相关。
上述原子荧光仪用闭环流量控制***中，所述流量传感器(04)为具有温度补偿校准功能的MEME微流量传感器，为CAFS、F1012、DFC10系列中的任一种。
本发明还提供一种一种闭环流量控制方法，该方法基于上述原子荧光仪用闭环流量控制***对气体管道中的气体流量采用不完全微分增量PID控制器进行控制，包括以下步骤：
步骤一，离线获取PID控制器的比例环节的系数p0和积分环节的系数p1；
步骤二，将气体管道的流量传感器(04)检测到的气体流量值经模数转换电路(011)转换为数字信号作为气体流量实测值；并与该气体管道的目标气体流量值做差，获取当前误差值e(k)，即第k个采样时刻的误差值，且令e(-1)＝e(-2)＝0；
步骤三，获取PID控制器的微分环节的系数，即设A为载气管道的目标气体流量值的10％，B为辅助气管道的目标流量值的10％，当前误差值不大于A时，微分环节的系数为1，当前误差值不小于A+B时，微分环节的系数为0，当前误差值在A和A+B之间时，微分环节的系数为A+B与当前误差的绝对值的差值与A值的比值；即，
步骤四，根据下式求该气体管道的气体流量增量值Δu(k)，即，
u(k)＝p0[e(k)-e(k-1)]+p1e(k)+f(e(k))[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
并将得到的气体流量增量值换算为比例电磁阀(03)的控制电压的增压值，通过DAC输出至比例电磁阀(03)；
步骤五，等待下一个采样时刻，k＝k+1，返回步骤二，重复执行上述步骤。
上述闭环流量控制方法中，所述闭环流量控制***的两路气体管道的气体流量通过一个不完全微分增量PID控制器由处理器(010)分时交替进行控制。
上述闭环流量控制方法中，所述控制器的采样周期不大于12秒。
采用以上技术手段，本发明取得以下技术效果：本发明通过在气体管道上设置比例电磁阀和流量传感器，采用数字控制模式的闭环流量控制***能够提供可靠、稳定的流量，不易受气体压力、温度变化等因素影响；采用不完全微分增量PID控制算法，不需要做累加处理，控制电压增量的确定仅与最近几次气体误差采样值有关，计算误差或计算精度温度对控制量(比例电磁阀的控制电压)的计算影响较小；增量式PID算法得出的控制量的增量，比例电磁阀只输出控制电压的变化部分，误动作影响小；随着流量调节增量的减小，增大微分环节的系数，加快调节收敛速度，增加***的动态稳定性，防止流量调节出现震荡。
附图说明
图1是本发明闭环流量控制***的结构框图；
图2本发明控制方法的流程图。
图中附图标记表示为：
01：控制主板；
010：处理器(MCU)，011：模数转换电路(ADC)，012：数模转换电路(DAC)，013：稳压电路；
02：开关电源；
03：比例电磁阀；
04：流量传感器；
05：反应炉；
06：石英炉；
07：氩气瓶。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明原子荧光仪用闭环流量控制***及控制方法进行详细说明。
如图1示出了本发明闭环流量控制***的结构框图，其中，粗线表示气路连接，细线表示电连接。原子荧光仪的反应炉05中需要通入载气，将反应生成的氢化物或原子蒸气带入原子化器的石英炉06中，另外，石英炉的内管需要通入辅助气，防止周围空气影响火焰燃烧，营造荧光检测的还原氛围；载气和辅助气一般为氩气，其流量需要稳定控制，流量变化太大容易对荧光检测产生不利影响。
如图1所示，本发明闭环流量控制***提供两路气体管道分别用于控制通入反应炉05中的载气流量和通入石英炉06中的辅助气，包括设置在两路气体管道上的比例电磁阀03、流量传感器04和控制主板01，由氩气瓶07提供氩气进入气体管道，并经气体管道接入反应炉05或石英炉06，比例电磁阀03设置在气体管道中，用于控制气体管道的通断及流量大小，流量传感器04设置在气体管道的出口处，用于测量气体管道中的气体流量；控制主板01上集成有处理器(MCU)010以及分别与MCU电连接的稳压电路013和多个模数转换电路(ADC)011、数模转换电路(DAC)012，开关电源02通过稳压电路013接入控制主板01，为控制主板01上的MCU及其***电路供电。
一个实施例中，装有氩气的氩气瓶07为钢瓶，钢瓶设置有两级减压稳压阀，钢瓶内的压缩气体经一次减压稳压阀作用后，压力减少为0.4MPa，经二次减压稳压阀作用后，压力减少为0.3MPa，减压后的气体通入气体管道中，其流量大小由比例电磁阀03控制。选用的比例电磁阀03为小型微流量比例电磁阀MODEL 3030，其最大耐压0.98MPa(要求大于氩气瓶07输出的氩气压力)，其最大流量在0.3MPa压力下约为2700ml/min(大于流量控制目标范围)，控制电压范围3.5VDC-12VDC。
比例电磁阀03的通过流量与控制电压之间正相关，二者之间的关系通过多次实验数据进行拟合得到，一个实施例中，所选用的比例电磁阀的拟合结果为：
y＝2.6662x+7223.9 (1)
其中，x为气体流量，单位ml/min；y为控制电压，单位mV。
拟合式(1)的相关系数为0.9995，二者线性正相关。
处理器(MCU)010根据式(1)和设定的流量控制目标，计算比例电磁阀03的控制电压。MCU通过计算的控制电压，向比例电磁阀03发送控制命令，将比例电磁阀03的控制电压稳定在计算的目标值即可稳定控制气体管道的流量。但实际上，由于气体压力、环境温度等因素的影响，仅靠控制比例电磁阀03的控制电压来控制气体管道的流量，气体流量不稳定。
通过在气体管道上加设流量传感器04，实时检测气体管道上的气体流量，并将检测到的流量值与流量目标值的差值作为控制增量反馈给比例电磁阀03，控制比例电磁阀03调整流量，使控制增量趋向于零。这种控制策略为增量型PID控制算法，该控制算法具有变积分、梯形积分和抗积分饱和功能，因本发明气体流量控制目标是在一定范围内的流量稳定性，对控制精度要求不高，因此，不完全微分的增量PID控制算法适合该场合下的气体流量控制。
一个实施例中，流量传感器04选用MEME微流量传感器，例如CAFS、F1012、DFC10等系列的流量传感器，其内嵌有温度传感器，具有温度补偿校准功能，具有线性模拟电压输出，同时具有良好的精度和重复性。流量传感器04输出的模拟电压经电位器调压后通过控制主板的模拟接口接入ADC,ADC将该模拟电压转换为数字信号发送至MCU，MCU将气体流量测量值与流量设定值进行比较获取二者的差值，并将该差值换算为比例电磁阀03的控制电压的增量值，经DAC转换为模拟信号连接至控制对象(比例电磁阀03)，控制比例电磁发03的控制电压变化，进而使比例电磁阀03的气体流量趋向于目标流量设定值。
因该原子荧光仪检测时，对载气和辅助气的流量稳定性要求比较高，而对气体流量精度要求不高，因此，如图2所示，本发明采用不完全微分增量PID控制器，分时控制两路气体流量，以下对该控制策略进行详细描述。
控制对象为比例电磁阀的控制电压，因其控制气体流量大小通过控制其控制电压的大小来实现，因此，MCU每次发送的控制量为控制电压的增量，即：
e(k)＝r(k)-y(k) (2)
其中，e(k)为设定的气体流量目标值r(k)与流量传感器04检测的实际气体流量值y(k)的差值；Δu(k)为气体流量的增量值；p0和p1分别为比例环节和积分环节的系数，通过离线计算所得；f(e(k))为不完全微分系数。
其中，A为本发明辅助气的气体目标流量值的10％，范围为60ml/min-100ml/min，B为载气的气体目标流量值的10％，范围为40ml/min-60ml/min。
本发明提出的不完全微分的增量PID控制算法包括以下步骤：
步骤一：离线获取式(4)中PID控制器的比例环节的系数p0和积分环节的系数p1。参数整定可以采用试凑法。
步骤二：将气体管道的流量传感器04检测到的气体流量值经ADC转换为数字信号赋给y(k)；并与该路气体管道的目标气体流量值r(k)(A或者B)比较，按照公式(2)求当前误差e(k)，即第k个采样时刻的误差值，且令e(-1)＝e(-2)＝0。
步骤三：判断e(k)的绝对值大小，并根据公式(5)求f(e(k))的值；
步骤四：根据公式(4)求该气体管道的气体流量增量值Δu(k)，并根据公式(1)将得到的气体流量增压值换算为比例电磁阀03的控制电压的增量值，通过DAC输出至比例电磁阀03。
步骤五：等待下一个采样时刻，k＝k+1，返回步骤二，重复执行上述步骤。
气体流量控制时间常数较小，负荷变化不大，上述闭环流量控制***的两路气体管道的气体流量通过一个不完全微分增量PID控制器由处理器010分时交替进行控制。
该不完全微分增量PID控制算法，不需要做累加处理，控制电压增量的确定仅与最近几次气体误差采样值有关，计算误差或计算精度温度对控制量(比例电磁阀03的控制电压)的计算影响较小；增量式PID算法得出的控制量的增量，比例电磁阀03只输出控制电压的变化部分，误动作影响小。另外，采用不完全微分算法，随着流量调节增量的减小，增大微分环节的系数，增加***的动态稳定性，防止流量调节出现震荡。
以下通过设定不同控制流量目标来验证本发明闭环流量控制***的控制性能。
表1测试结果(气体流量单位：ml/min)
| 第1组 | 第2组 | 第3组 | 第4组 | 第5组 | 第6组 | 第7组 | |
| 设定值 | 1200 | 1100 | 1000 | 900 | 800 | 700 | 600 |
| 实际测量值 | 1196 | 1102 | 1003 | 901 | 810 | 710 | 604 |
| 相对误差 | -0.04％ | 0.16％ | 0.5％ | 0.1％ | 1.25％ | 1.42％ | 0.67％ |
以上测试结果可知，本发明闭环流量控制***对载气、辅助器的流量控制精度限制在2％以下，满足原子荧光仪工作需求。
在目标气体流量设为750ml/min，在气体流量调整稳定后，任意选取2分钟的时间段观测气体流量的变化结果如表2所示。
表2测试结果(气体流量单位：ml/min)
| 目标气体流量 | 1分钟时的实测流量 | 2分钟时的实测流量 |
| 750 | 748 | 749 |
由表2可知，气体流量的最大相对变化：-0.27％。
该测试例中，控制器控制气体流量的最长周期为12秒。故在此控制周期内气体流量的变化很小，能满足控制要求。
本发明采用闭环流量控制策略，即通过在气体管道上设置比例电磁阀03和流量传感器04，控制主板01接收流量传感器04测量的气体流量，将气体流量实测值与气体流量设定值比较，二者的差值换算为比例电磁阀03的控制电压后发送至比例电磁阀03控制气体流量，采用比例电磁阀03进行数字控制，该闭环流量控制***能够提供可靠、稳定的流量，不易受气体压力、温度变化等因素影响；采用不完全微分增量PID控制算法，不需要做累加处理，控制电压增量的确定仅与最近几次气体误差采样值有关，计算误差或计算精度温度对控制量(比例电磁阀03的控制电压)的计算影响较小；增量式PID算法得出的控制量的增量，比例电磁阀03只输出控制电压的变化部分，误动作影响小；随着流量调节增量的减小，增大微分环节的系数，增加***的动态稳定性，加快调节收敛速度，防止流量调节出现震荡。
本领域技术人员应当理解，这些实施例仅用于说明本发明而不限制本发明的范围，对本发明所做的各种等价变型和修改均落入本发明所附权利要求所限定的范围内。
Claims (10)
1.一种闭环流量控制方法，用于对原子荧光仪用闭环流量控制***对气体管道中的气体流量采用不完全微分增量PID控制器进行控制，所述方法包括以下步骤：
步骤一，离线获取PID控制器的比例环节的系数p0和积分环节的系数p1；
步骤二，将气体管道的流量传感器(04)检测到的气体流量值经模数转换电路(011)转换为数字信号作为气体流量实测值；并与该气体管道的目标气体流量值做差，获取当前误差值e(k)，即第k个采样时刻的误差值，且令e(-1)＝e(-2)＝0；
步骤三，获取PID控制器的微分环节的系数，即设A为辅助气管道的目标气体流量值的10％，B为载气管道的目标流量值的10％，当前误差值不大于A时，微分环节的系数为1，当前误差值不小于A+B时，微分环节的系数为0，当前误差值在A和A+B之间时，微分环节的系数为A+B与当前误差的绝对值的差值与A值的比值；即，
步骤四，根据下式求该气体管道的气体流量增量值Δu(k)，即，
Δu(k)＝p0[e(k)-e(k-1)]+p1e(k)+f(e(k))[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]
并将得到的气体流量增量值换算为比例电磁阀(03)的控制电压的增压值，通过数模转换电路(012)输出至比例电磁阀(03)；
步骤五，等待下一个采样时刻，k＝k+1，返回步骤二，重复执行上述步骤。
2.根据权利要求1所述的闭环流量控制方法，其特征在于，所述闭环流量控制***的两路气体管道的气体流量通过一个不完全微分增量PID控制器由处理器(010)分时交替进行控制。
3.根据权利要求1所述的闭环流量控制方法，其特征在于，所述控制器的采样周期不大于12秒。
4.一种原子荧光仪用闭环流量控制***，所述原子荧光仪用闭环流量控制***使采用根据权利要求1-3任一项所述的闭环流量控制方法，所述原子荧光仪用闭环流量控制***用于使通入原子荧光仪的反应炉(05)和石英炉(06)的气体流量保持稳定，其特征在于，包括设置在气体管道上的用于控制气体管道内的气体流量大小的比例电磁阀(03)和用于测量气体流量的流量传感器(04)以及控制主板(01)，控制主板(01)上集成有处理器(010)、多个模数转换电路(011)和数模转换电路(012)，比例电磁阀(03)通过数模转换电路(012)连接至处理器(010)，流量传感器(04)通过模数转换电路(011)连接至处理器(010)。
5.根据权利要求4所述的原子荧光仪用闭环流量控制***，其特征在于，所述控制主板(01)还集成有稳压电路(013)，开关电源(02)经所述稳压电路稳压调制后接入控制主板(01)。
6.根据权利要求4所述的原子荧光仪用闭环流量控制***，其特征在于，所述气体管道设置为两路，一路气体管道为载气管道，其接入原子荧光仪的反应炉(05)，另一路气体管道为辅助气管道，其接入原子荧光仪的石英炉(06)。
7.根据权利要求6所述的原子荧光仪用闭环流量控制***，其特征在于，所述两路气体管道的入口分别与氩气瓶(07)的出口相连，氩气瓶的出口处设置有两级减压稳压阀。
8.根据权利要求4所述的原子荧光仪用闭环流量控制***，其特征在于，所述比例电磁阀(03)为小型微流量比例电磁阀，该比例电磁阀(03)通过的气体流量与其控制电压正相关。
9.根据权利要求8所述的原子荧光仪用闭环流量控制***，其特征在于，所述比例电磁阀(03)设有电压与通过该比例电磁阀的气体流量正相关的电压控制端，该电压控制端通过数模转换电路(012)连接至处理器。
10.根据权利要求4所述的原子荧光仪用闭环流量控制***，其特征在于，所述流量传感器(04)为具有温度补偿校准功能的MEMS微流量传感器，为CAFS、F1012、DFC10系列中的任一种。
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