基于流量闭环控制的粉尘采样器设计

发布时间：2019-07-12 11:24

【摘要】：针对基于开环控制的粉尘采样器存在采样误差较大的问题,设计了基于流量闭环控制的粉尘采样器。该采样器采用微型气体流量传感器采集流量,采用带死区的增量PID控制算法实时监测采样流量的变化并进行及时调整,消除了流量随负载变化引起的误差,确保了粉尘采样计量的准确性。
文内图片：图１基于流量闭环控制的粉尘采样器控制原理硬件选型及电路设计

图片说明：样泵；②为适应不同粉尘浓度环境及不同粉尘浓度监测设备的采样流量的变化，粉尘采样器应能实现采样流量在一定范围内的设定，即要求采样泵具有较大的动态调节范围。基于流量闭环控制的粉尘采样器以单片机为控制核心，通过单片机控制采样泵运行，对含尘气体进行采样；通过气体流量传感器进行流量采样，并与设定流量比较，通过控制算法处理后，对采样泵气泵进行调整，使抽气流量恒定在设定的误差范围内。在负载发生变化时，能自动调整抽气泵功率，使流量保持恒定。控制原理如图１所示。图１基于流量闭环控制的粉尘采样器控制原理２硬件选型及电路设计２．１硬件选型流量传感器及采样泵的参数选择直接影响流量的快速调节及恒定控制。本设计采用ＦＳ４００８系列流量传感器，测量范围为０～３０Ｌ／ｍｉｎ，测量精度为±１．５％Ｆ．Ｓ。采样泵是粉尘采样器的动力源，采样泵连续、可靠、稳定工作是采样器的基本要求。目前常用的薄膜泵周期性波动较大、噪声大，因此，采样泵采用体积孝波动慢、负载强的微型刮片泵。微型刮片泵利用嵌在轴上的碳片的往复旋转排除气体，负压来自于刮片与腔体的紧密摩擦。微型刮片泵允许输入调节电压为０～１２Ｖ，当输入调节电压为６．１Ｖ时，就可以达到设计的流量及负载要求。２．２电路设计采样器硬件电路设计框图如图２所示。电源软开关电路：对所有电路进行供电；刮片泵数字控制及驱动电路：根据流量传感器的数值，对采样泵进行调节，减少因负载变化引起的气体流量误差；核心处理电路：对数字信号进行处理，并给出显示、驱动的信号输出；流量采样电路：采集采样泵的抽气流量，并将信号反馈给单片机，实现闭环控制；其他电路：包括日历时钟及存储
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图片说明：系列流量传感器，测量范围为０～３０Ｌ／ｍｉｎ，测量精度为±１．５％Ｆ．Ｓ。采样泵是粉尘采样器的动力源，，采样泵连续、可靠、稳定工作是采样器的基本要求。目前常用的薄膜泵周期性波动较大、噪声大，因此，采样泵采用体积孝波动慢、负载强的微型刮片泵。微型刮片泵利用嵌在轴上的碳片的往复旋转排除气体，负压来自于刮片与腔体的紧密摩擦。微型刮片泵允许输入调节电压为０～１２Ｖ，当输入调节电压为６．１Ｖ时，就可以达到设计的流量及负载要求。２．２电路设计采样器硬件电路设计框图如图２所示。电源软开关电路：对所有电路进行供电；刮片泵数字控制及驱动电路：根据流量传感器的数值，对采样泵进行调节，减少因负载变化引起的气体流量误差；核心处理电路：对数字信号进行处理，并给出显示、驱动的信号输出；流量采样电路：采集采样泵的抽气流量，并将信号反馈给单片机，实现闭环控制；其他电路：包括日历时钟及存储电路、显示电路等。２．３刮片泵数字控制及驱动电路刮片泵采用驱动源驱动直流电动机，采用直流电压可进行直接调速。数字调节驱动采用８位数字电位器ＡＤ８４００，可以进行２５６级速度调节，实现刮片泵的精细调节，电路原理如图３所示。图２采样器硬件电路框图图３刮片泵数字控制及驱动电路原理３控制软件算法采样控制软件主要包括流量的闭环控制及采样体积的计算，如图４所示。图４采样控制软件流程３．１增量ＰＩＤ控制流量的闭环控制常采用ＰＩＤ算法，即将输出量偏差的比例（Ｐ）、积分（Ｉ）、微分（Ｄ）通过线性组合构成控制量，实现对输出量的跟踪调节［７］。由于采样泵选用直流电动机控制的
【作者单位】：中煤科工集团重庆研究院有限公司;
【基金】：国家自然科学基金项目(U1261205) 重庆市科技人才培养(新产品研发团队建设)项目(cstc2013kjrc-tdjs20003)
【分类号】：TD714.3

【参考文献】