CN113092568A - 一种实时、在线、监测离子迁移谱装置与方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种实时、在线、监测离子迁移谱装置与方法，包括控制模块、温度控制模块、气流控制模块、高压电源输出模块、数据处理模块，所述控制模块是包括以STM32F103CET6芯片的微处理器，并加以稳压模块、开关电路、A/D转换电路所构成的PCB控制板。采用模糊PID算法来对离子迁移谱中的温度进行控制，添加了反馈调节机制，使得温度调节更加迅速高效，进而使离子迁移谱反应更加充分。
Description
技术领域
本发明涉及离子迁移谱技术，具体是一种实时、在线、监测离子迁移谱装置与方法。
背景技术
离子迁移谱是一种灵敏度高、分析速度快、结构简单的现代检测仪器。特别适合于挥发性有机化合物的痕量探测。从兴起到不断发展至今，已经广泛的应用在机场安检和战地勘察，同时在大气环境、室内空气中有机物实时在线监测，现如今已经逐渐用于现场分析检测。离子迁移谱基本原理是在大气或其他载气中将被测样品电离形成离子，然后在外加均匀电场中漂移，样品中的不同成分由于迁移时间不同而被分离检测。目前，对于离子迁移谱的开发以及性能的改进，主要集中在设计离子迁移谱仪器的一些主要部件上，如针对不同的形态和化学性质的样品采用不同的样品引入装置；开发稳定性好、可靠性高、无放射性污染的离子化源提高离子化效率；设计新型漂移管，简化仪器装置，降低开发成本，使离子迁移谱仪更易于小型化。但是，对于IMS反应环境的参数(温度、电源电压、载气流量等)的控制研究较少。在此背景下，结合实验室项目，对实验室IMS进行优化，在原有的基础上增加了反应参数控制和GPRS控制***，实现场地有机污染在线监测数据实时分析及无线传输。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种实时、在线、监测离子迁移谱装置与方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种实时、在线、监测离子迁移谱装置，其特征在于，包括控制模块、温度控制模块、气流控制模块、高压电源输出模块、数据处理模块，所述控制模块是包括以STM32F103CET6芯片的微处理器，并加以稳压模块、开关电路、A/D转换电路所构成的PCB控制板。
在本发明的一个实施例中，所述微处理器写入了模糊PID算法，加入了反馈调节机制，进而使得温度控制变得更加方便快捷。
在本发明的一个实施例中，所述温度控制模块包括温度传感器PT100、信号放大电器电路、功率场效应管开关电路、加热电阻丝以及风扇。检测管路温度的温度传感器PT100，基于温度传感器检测的温度来控制离子迁移谱的反应时的温度。加热模块由场效应管开关电路控制加热电阻丝构成，制冷模块则通过风扇完成。
在本发明的一个实施例中，气流控制模块包括驱动电路，微型泵。微型泵采用无刷电机，带有PWM脉冲调制功能，电机转速反馈调节，可以直接通过调节脉冲信号的“占空比”来调节电机转速。
在本发明的一个实施例中，还包括了GPRS通讯模块，所述GPRS通讯模块通过RS232串口线将GPRS模块与离子迁移谱主体进行通讯。通过该模块可以远程设置离子迁移谱仪的工作状态，同时将仪器采集的数据传输到远端服务器。
一种实时、在线、监测离子迁移谱方法，包括以下步骤：
(1)在高压电源输出模块产生6千伏左右的高压施加在紫外灯离子源上面，电离产生带电离子；
(2)温度控制模块进行温度采集，根据上位机输入的目标温度值与实际测得的温度值进行对比，通过包裹于样品引入装置与漂移管外层的加热电阻进行加热，使得位于样品引入装置中的样品生成气相离子；
(3)在气流控制模块输出一定流量的漂移气的作用下进入维持在一定温度的漂移管中与带电离子反应生成产物离子，通过漂移区到达检测器，并与法拉第盘碰撞产生一个微弱的电流信号并传输至电流放大器，离子流信号经电流放大器放大后转换成模拟的电压信号，采集卡将模拟电压信号转换成数字电压信号并以谱图的形式呈现在上位机屏幕上。
(4)仪器工作过程中，所有的参数信息也都将通过串口传输实时显示在上位机中。
(5)GPRS通讯模块将其与离子迁移谱主体相连接，通过发送和接受一系列的AT指令来实现同服务器的连接，由运营商的基站来进行中转，进而可以同云端服务器之间进行通讯。
在本发明的一个实施例中，温度控制模块采用铂电阻对样品引入装置与漂移管外层进行温度采集。
在本发明的一个实施例中，所有代码均在KeiluVision5软件中编写完。与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
(1)本发明采用模糊PID算法来对离子迁移谱中的温度进行控制，添加了反馈调节机制，使得温度调节更加迅速高效，进而使离子迁移谱反应更加充分。
(2)本发明采用改变脉冲PWM信号的占空比来对载气浓度进行控制，提高了控制浓度的准确性。
(3)本发明可直接对高压电源进行编码，避免了中间信号的传输，提高了测试的结果的准确性。
(4)本发明采用GPRS模块做远程数据的传输，使得我们可以在远距离处直接对离子迁移谱仪器进行控制和参数的设定，提高了离子迁移谱的便捷性。
(5)本发明还具有降低功耗和维护成本低廉的特性。
附图说明
图1是本发明例数据传输示意图。
图2是本发明中上位机联合示意图。
图3是本发明中离子迁移谱的基本组成。
图4是本发明中离子迁移谱仪器参数控制***框图。
图5是本发明中反应参数实时控制流程图。
具体实施方式
为了进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段及功效，以下结合附图及具体实施方式，对依据本发明提出的一种实时、在线、监测离子迁移谱装置与方法进行详细说明。
有关本发明的前述及其他技术内容、特点及功效，在以下配合附图的具体实施方式详细说明中即可清楚地呈现。通过具体实施方式的说明，可对本发明为达成预定目的所采取的技术手段及功效进行更加深入且具体地了解，然而所附附图仅是提供参考与说明之用，并非用来对本发明的技术方案加以限制。
应当说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的物品或者设备中还存在另外的相同要素。
实施例一：
一种实时、在线、监测离子迁移谱装置，其特征在于，包括控制模块、温度控制模块、气流控制模块、高压电源输出模块、数据处理模块，所述控制模块是包括以STM32F103CET6芯片的微处理器，并加以稳压模块、开关电路、A/D转换电路所构成的PCB控制板。
优选的，微处理器写入了模糊PID算法，加入了反馈调节机制，进而使得温度控制变得更加方便快捷。
优选的，温度控制模块包括温度传感器PT100、信号放大电器电路、功率场效应管开关电路、加热电阻丝以及风扇。检测管路温度的温度传感器PT100，基于温度传感器检测的温度来控制离子迁移谱的反应时的温度。加热模块由场效应管开关电路控制加热电阻丝构成，制冷模块则通过风扇完成。
优选的，气流控制模块包括驱动电路，微型泵。微型泵采用无刷电机，带有PWM脉冲调制功能，电机转速反馈调节，可以直接通过调节脉冲信号的“占空比”来调节电机转速。。
优选的，还包括了GPRS通讯模块，所述GPRS通讯模块通过RS232串口线将GPRS模块与离子迁移谱主体进行通讯。通过该模块可以远程设置离子迁移谱仪的工作状态，同时将仪器采集的数据传输到远端服务器。
一种实时、在线、监测离子迁移谱方法，包括以下步骤：
(1)在高压电源输出模块产生6千伏左右的高压施加在紫外灯离子源上面，电离产生带电离子；
(2)温度控制模块进行温度采集，根据上位机输入的目标温度值与实际测得的温度值进行对比，通过包裹于样品引入装置与漂移管外层的加热电阻进行加热，使得位于样品引入装置中的样品生成气相离子；
(3)在气流控制模块输出一定流量的漂移气的作用下进入维持在一定温度的漂移管中与带电离子反应生成产物离子，通过漂移区到达检测器，并与法拉第盘碰撞产生一个微弱的电流信号并传输至电流放大器，离子流信号经电流放大器放大后转换成模拟的电压信号，采集卡将模拟电压信号转换成数字电压信号并以谱图的形式呈现在上位机屏幕上。
(4)仪器工作过程中，所有的参数信息也都将通过串口传输实时显示在上位机中。
(5)GPRS通讯模块将其与离子迁移谱主体相连接，通过发送和接受一系列的AT指令来实现同服务器的连接，由运营商的基站来进行中转，进而可以同云端服务器之间进行通讯。
在本发明的一个实施例中，温度控制模块采用铂电阻对样品引入装置与漂移管外层进行温度采集。
在本发明的一个实施例中，所有代码均在KeiluVision5软件中编写完。
实施例二：
优选的，如图3所示离子迁移谱主要是由进样***、离子源、漂移管、数据处理模块并且加以辅助控制***组成，而一种实时、在线、监测离子迁移谱方法主要集中于辅助控制***，包括温度控制模块、气流控制模块、高压电源输出模块，对其的研究就主要在于对各个反应参数的控制调节。而图4所示即为离子迁移谱的参数控制***主要功能模块框图，图5即为反应参数实时控制程序框图。
温度传感器先采集到的数据传递给微处理器，经过一系列的公式计算得到实际数值，将其与上位机中设定的温度值进行比较，如比设定值大的话，则上位机会通过串口将信息传递给微处理器，微处理器传递指令打开风扇进行降温，并且在此过程中实时与上位机设定的数值进行比较，如相等的话，则关闭风扇；若比设定值小的话，则会通过功率场效管开关电路加热电阻丝，使其温度上升。微型泵中将自身的气体流量值传递给微处理器，微处理通过脉冲PWM波来调节实际载气浓度，并与上位机中的设定值比较，进而实现对反应时的气体浓度的调节。而高压电源电压则会将自身电压值传递给上位机，上位机将其与设定值相比较，并且通过RS232通讯方式向微处理器中传递指令来调节反应时的高压电源电压。在整个反应过程中，离子迁移谱的所有参数信息都将会呈现在上位机桌面上面。
实施例三:
优选的，本实施是在实施例1的基础上加入了GPRS通讯模块，将其与离子迁移谱主体相连接，通过发送和接受一系列的AT指令来实现同服务器的连接，由运营商的基站来进行中转，进而可以同云端服务器之间进行通讯，从而达到将采集到的数据传输到云端服务器的目的。如图1所示。用户也可以直接向模块发送指定的信息，经过离子迁移谱控制模块的编码译码过程，进而达到控制离子迁移谱仪的工作状态，大大提高了离子迁移谱的便捷性。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种实时、在线、监测离子迁移谱装置，其特征在于，包括控制模块、温度控制模块、气流控制模块、高压电源输出模块、数据处理模块，所述控制模块是包括以STM32F103CET6芯片的微处理器，并加以稳压模块、开关电路、A/D转换电路所构成的PCB控制板。
2.如权利要求1所述的实时、在线、监测离子迁移谱装置，其特征在于，所述微处理器写入了模糊PID算法，加入了反馈调节机制。
3.如权利要求1所述的实时、在线、监测离子迁移谱装置，其特征在于，所述温度控制模块包括温度传感器PT100、信号放大电器电路、功率场效应管开关电路、加热电阻丝以及风扇。
4.如权利要求1所述的实时、在线、监测离子迁移谱装置，其特征在于，所述气流控制模块包括驱动电路，微型泵。
5.如权利要求5所述的实时、在线、监测离子迁移谱装置，其特征在于，所述微型泵采用无刷电机，带有PWM脉冲调制功能。
6.如权利要求1所述的实时、在线、监测离子迁移谱装置，其特征在于，还包括了GPRS通讯模块，所述GPRS通讯模块通过RS232串口线将GPRS模块与离子迁移谱主体进行通讯。
7.如权利要求1所述的实时、在线、监测离子迁移谱装置，其特征在于，所述数据处理模块包括电流放大器以及采集卡。
8.一种实时、在线、监测离子迁移谱方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在高压电源输出模块产生6千伏左右的高压施加在紫外灯离子源上面，电离产生带电离子；
(2)温度控制模块进行温度采集，根据上位机输入的目标温度值与实际测得的温度值进行对比，通过包裹于样品引入装置与漂移管外层的加热电阻进行加热，使得位于样品引入装置中的样品生成气相离子；
(3)在气流控制模块输出一定流量的漂移气的作用下进入维持在一定温度的漂移管中与带电离子反应生成产物离子，通过漂移区到达检测器，并与法拉第盘碰撞产生一个微弱的电流信号并传输至电流放大器，离子流信号经电流放大器放大后转换成模拟的电压信号，采集卡将模拟电压信号转换成数字电压信号并以谱图的形式呈现在上位机屏幕上；
(4)仪器工作过程中，所有的参数信息也都将通过串口传输实时显示在上位机中；
(5)GPRS通讯模块将其与离子迁移谱主体相连接，通过发送和接受一系列的AT指令来实现同服务器的连接，由运营商的基站来进行中转，进而可以同云端服务器之间进行通讯。
9.如权利要求8所述的一种实时、在线、监测离子迁移谱方法，其特征在于，温度控制模块采用铂电阻对样品引入装置与漂移管外层进行温度采集。
10.如权利要求8所述的一种实时、在线、监测离子迁移谱方法，其特征在于，所有代码均在Keil uVision5软件中编写完成。
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