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恒温恒流情况下对金属管浮子流量计的控制技术的解析

发布日期:2019-12-23  来源:  作者:  浏览次数:
【导读】:摘 要:结合金属管浮子流量计的温度、流量控制要求,该文对采样器控制技术展开了深入的分析,提出了采样器总体控制思路,然后分别从恒温控制和恒流控制方面进行了技术解析,确定采样器温度、流量各个控制环节。从控制技术应用效果来看,温度控制精度能够达到0.3℃,流量控制误差最大不超过±1.5%,所以能够满足采样器的恒温、恒流控制要求。
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    摘 要:结合连续金属管浮子流量计的温度、流量控制要求,该文对采样器控制技术展开了深入的分析,提出了采样器总体控制思路,然后分别从恒温控制和恒流控制方面进行了技术解析,确定采样器温度、流量各个控制环节。从控制技术应用效果来看,温度控制精度能够达到0.3℃,流量控制误差非常大不超过±1.5%,所以能够满足采样器的恒温、恒流控制要求。
 
    通过加强技术应用保证采样器能够维持高精度运行,继而为大气污染防治提供可靠的技术支撑。
 
    1 恒温恒流连续金属管浮子流量计概述
    连续金属管浮子流量计的设计,由于需要实现大气环境连续监测,所以需要保证采样器工作的稳定性和采集结果精确度,以便使采样器能够得到广泛使用。而恒温恒流连续金属管浮子流量计用于实现大气污染物采集,可以保持60~150L/min流量测量范围,对照国家标准需要达到±2%的测量示值误差[1]。在采样器运行过程中,需要保证设备流量控制稳定性不超过5%。在流量控制过程中,采样分辨率应达到 0.01L/min。在温度控制方面,国家规定精度标准为±2℃,采样器温控范围在15℃~30℃之间,响应时间应控制在20min范围内[2]。因此相较于其他金属管浮子流量计,该种连续金属管浮子流量计需要达到恒温、恒流控制要求。
 
    2 恒温恒流连续金属管浮子流量计控制技术分析
    2.1 总体控制分析
    从采样器的总体控制上来看,其由相应数据采集模块、数据分析处理模块、驱动控制模块构成,能够利用数据采集模块完成温度、流量等参数的采集,然后经由分析处理模块实现各种参数分析,输出相应动作控制信号,借助控制模块实现对帕尔贴、抽气泵等多种设备构成的控制单元的驱动控制,使采样器能够保持恒温、恒流状态。实际在数据采集模块设计上,需要利用相应传感器进行对应参数采集,然后将采集到的数据传输到采集器主控单元中,实现数据分析与处理。在具体设计中,一般采用单片机芯片实现数据处理,能够将采集到的模拟信号转化为数字信号,经过滤波、去噪等处理后完成数据分析,结合设定参数实现数据运算,输出相应驱动控制信号[3]。将信号传递给制冷片、制热片,能够实现采集器温度调节控制,将信号传递给真空泵控制装置,实现电机转速调节,能够达到恒流控制目标。
 
    2.2 控制技术研究
    2.2.1 恒温控制技术
    结合连续金属管浮子流量计的温度控制要求,需要在加强温度采集的同时,实现温度反馈调节,使采样得到的污染物温度得到有效控制,从而使采样器测量结果保持稳定输出。
 
    (1)温度采集。
    实际应用恒温控制技术,还要做好温度传感器的选择。伴随着科学技术的快速发展,温度传感器种类日渐增多。在大气采集器恒温控制方面,测温多采用热电偶温度器件,测温范围较宽,并且稳定性较好,结构简单,能够对系统信号进行快速响应,实现4~20mA信号稳定传递,有利于采样器自动控制功能的实现。从测温原理上来看,主要运用热电效应,通过对两种半导体进行连接构成闭合回路,根据接点位置差异化温度促使回路产生热电势,从而将温度转换为电量实现温度参数采集。
 
    (2)温度反馈。
    结合采集到的温度参数进行恒温控制,采样器采用了以ADN8831为核心的温控电路,能够利用比例积分微分调节网络实现温度调节控制。在控温之前,需要完成目标温度值的设定,然后将测量得到的温度与设定值进行比较,实现输出电流调节控制。采用PID控制方式,能够使控制器迅速响应控制命令,同时能够利用补偿电路提高温度控制参数精度。该种控制模式又被称之为前馈复合控制模式,能够结合温度反馈进行控制参数输出,达到实时调节温度的目标。根据检测到的环境温度,可以实现温度补偿。根据PID反馈值,能够使温控单元保持运行稳定性,获得较好的温度控制精度,因此能够使采样器的可靠性得到提高。
 
    (3)温度控制。
    在控制器设计上,一般采用半导体技术,即利用帕尔贴效应实现制冷或加热控制。实际 设计时,可以采用半导体材料制作成的P-N结,通过改变电流方向促使P-N结两端制热或吸热,从而实现加热或制冷。频繁改变电流方向,容易影响制冷堆,造成仪器使用寿命受到影响。针对这一问题,还要采用冷藏箱对采集到的空气污染物进行存储,减少外界温度变化给采集样品的影响,使恒温控制精度得到提高。采取上述控制技术,可以对箱内温度进行实时检测,然后与温度设定值进行比较,经过信号处理后得到温度调节信号,达到恒温控制目标。在冷藏箱加热方面,需要采用脉宽调制方法,利用PTC热敏材料,在温度提升时使材料电阻增加,达到居里点后消耗功率极低,能够实现自我控温。采用该种恒温控制方法,能够根据输入和输出电压差值实现不同占空比的脉冲信号输出,实现负载功率控制,因此能够使采样器整体温控效果得到提高。经过测试后可以发现,大气连续采样器的温度控制精度能够达到0.3℃,控制精度较高,远超规定的±2℃,因此能够达到恒温控制要求。
 
    2.2.2 恒流控制技术
    连续金属管浮子流量计在测量大气中污染物时,需要利用气泵产生的负压进行待检测空气的持续吸入。要想实现恒流控制,需要使吸入阻力变化范围保持恒定,从而使空气流量控制精度得到保证。在实际应用控制技术时,还应加强空气流量参数采集,然后确定流量波动范围,结合实际测量结果进行控制电流输出,使气泵运行得到有效控制,非常终达到恒流控制的目标。
 
    (1)流量采集。
    在恒流控制上,需要采用流量计进行流量参数采集,即针对管道中不同流体的流量进行测量。根据采集到的结果,能够实现流体体积计算。使在连续金属管浮子流量计中,可以采用电子流量计,运用法拉第电磁感应定律实现流量测量。该种流量计可以直接将模拟量转换为数字量,同时可以抵抗外界干扰,所以可以保证测量结果的可靠性,拥有较高测量精度,流量测量范围在1500∶1范围内,可以在较大的电源电压范围内工作。测量原理为质量守恒定律,在流体碰到节流器件后依然能够维持原本质量,所以能够完成对应流速和压力的检测。
 
    (2)流量调节。
    在采样器流量控制上,按照60~150L/min的工作流量展开分析,要想使流量波动范围不超过额定值±2%,流量控制绝对误差需要达到0.1L/min。结合这一要求,需要采用PI控制模式,将流量传感器与PI运放组合在一起,构成采样器流量闭环控制电路,实现对采样器流量的无差调节。在控制电路设计上,包含比例部分、积分控制部分、检测元件和执行机构。PI部分由两个高输入阻抗线性放大器构成,能够实现检测信号输入放大。连接三级线性放大
 
Vp=Vy(1+R 2/R 1)                                                      (1)
 
    (3)流量控制。
    在系统流量控制上,需要采用抽气泵,使采样器保持较小体积,同时减小泵运行负载和产生的噪声,使泵的使用寿命得到延长。采用真空泵实现空气中污染物采集,采样器抽气速率较高,需要配备大功率电动机,需要通过电机驱动控制达到流量控制目标。具体来讲,就是可以利用连续可调DC-AC调压模块实现电机电压输入控制,以便在采样器流量偏移量发生改变时,对真空泵电机电压进行调节,达到连续调节真空泵吸入气流的目标。采取该种控制方式,能够使控制电路保持较大阻力的同时,达到一定控制精度。从连续金属管浮子流量计流量测量结果来看,平均流量偏差非常大为±1.5%,不超过规定的±2%,因此能够保证流量的稳定输出,达到恒流控制目标。
 
    3 结语
    综上所述,在连续大气污染物监测方面,使用采样器还应保证采样流量和测量温度恒定,才能得到精确的测量结果,保证采样器工作的稳定性,减少频繁使用过程中失误的产生。因此,在实际设计连续金属管浮子流量计时,需要加强恒温、恒流控制技术的分析,从参数采集、分析调节到控制管理,还应达到一定测量控制精度,以便使采样器测量精度能够达到相关标准要求,有效实现大气污染监测。

 

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