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尘埃粒子计数器溯源过程中稀释控制系统的研究


尘埃粒子计数器溯源过程中稀释控制系统的研究,目前被广泛认可的尘埃粒子计数量值溯源方法为:“尘埃粒子计数器 (OPC) -凝结核粒子计数器 (CPC) -气溶胶静电计 (FCE) ”的逐级溯源。在溯源过程中, 不同型号尘埃粒子计数器和凝结核粒子计数器之间存在粒子测量浓度、流量之间不匹配等差异。本文通过介绍一套具有温度测量、气溶胶稀释、气体流量测量与控制等系统硬件电路, 满足粒子计数器的溯源问题。

尘埃粒子计数器的溯源问题一直是国际计量研究机构关注的重点。当前国际上广泛采用的溯源方法[1,2]是尘埃粒子计数器到凝结核粒子计数器溯源, 但其溯源过程中, 存在着粒子测量浓度、流量等之间不匹配的差异[3,4,5]。
与尘埃粒子计数器的测量范围相比, 凝结核粒子计数器的浓度测量下限较高, 且当颗粒浓度在10个/cm3 (=283000/28.3L) 以上时, 具有较高的测量准确性。但激光粒子计数器的测量范围则较低, 需在 (4500~5500) 个/28.3L的颗粒浓度范围对其计数效率进行校准, 无法通过直接比较法, 实现对激光粒子计数器测量下限的校准。
目前, 市场上的凝结核粒子计数器如德国GRIMM CPC5.403的采样流量是0.3L/min, 而尘埃粒子计数器的采样流量有2.83L/min、28.3L/min、50L/min、100L/min等多种规格, 因此, 在溯源过程中, 同样需要增加分流器或稀释器进行流量匹配。
在尘埃粒子计数器向凝结核粒子溯源过程中, 为满足其低浓度范围和不同流量的溯源问题, 本文介绍尘埃粒子计数器的溯源过程, 分析了气溶胶稀释器的设计原理及相应的电路硬件设计电路, 完成整个溯源链的硬件部分。其系统硬件电路包括:气路温度测量, 利用四线A类铂电阻和24位AD转换芯片设计了高精度的温度采集电路;用质量流量进行补充的洁净气体和原始气溶胶气体精密测量和控制, 其具有精度高、重复性好及响应速度快等特点, 测量精度可达±0.35%F.S, 保证气体稀释比达到*小的误差范围之内。通过对电磁阀气体通路的选择, 使系统的气路实现自动化的控制。
1 系统介绍
粒子计数器的溯源原理如图1所示, 使用气溶胶发生器将粒度标准物质雾化, 经扩散干燥器、气溶胶粒子中和器和气溶胶电迁移器 (DMA) 后得到单分散气溶胶颗粒样品。气溶胶通过一个三通接头, 一路进入凝聚核粒子计数器 (CPC) , 气体的采样速率为恒定。其余的气溶胶进入气溶胶稀释器进气口A, 用一个温度传感器采集原始的气溶胶温度值, 同时通过一个流量计测量进入稀释口的气溶胶的流量值Q1, 根据仪表设定的稀释比例控制在B口补充的洁净压缩空气的流量Q2。稀释腔体采用特殊的工艺结构设计, 保证混合腔内气体流动通畅、气溶胶与纯净空气在腔体内混合均匀, 气溶胶颗粒不会产生沉积, 不同粒径的气溶胶稀释比率一致性高。在气体的排出管道内安装一个温度传感器, 压力传感器和流量计, 测量混合稀释后气体的温度值和流量值。为了避免多余的气溶胶直接排入空气对人体造成伤害, 在排空口D加一个气溶胶过滤器吸附颗粒, 通过控制算法, 调节抽气泵的转速, 控制排空气体的流量, 保持稀释器腔体内气压恒定。*终尘埃粒子计数测量值乘以气溶胶稀释的倍数与凝结核粒子计数器测量值进行比较, 实现尘埃粒子计数器的校准, 如式 (1) [3]所示。

                                   
其中:COPC为尘埃粒子计数器的浓度值, 个/L;CCPC为凝结核粒子计数器的浓度值, 个/L;Q1和Q2为换算成标准状态下的气体流量值 (标准状态为温度0℃, 压力0.1013MPa) 。
因此, 温度测量和流量测量的精度, 以及气路开关控制的可靠性等对系统测量精度至关重要。

图1 粒子计数器的溯源原理   
2 硬件电路设计方案
2.1 温度测量
测温电路是用A类四线制铂电阻Pt100和24位模数转换器芯片ADS1248组成高精度的测温电路。
2.1.1 Pt100的工作原理
当Pt100在0℃时它的阻值为100!, 其阻值会随着温度上升而成近似匀速的增长。Pt100的阻值随温度的变化而变化如式 (2) 和式 (3) [6]:

                     
其中:Rt为t℃时的电阻值;R0为0℃时的电阻值;系数:A=3.9083×10-3、B=-5.775×10-7、C=-4.183×10-12。
2.1.2 四线制原理
如图2所示, 当温度传感器的接线过长时, 导线的等效电阻RL将会产生压降VRL不可以忽略。采用四线制铂电阻测温的方法能够完全消除连接导线上的等效电阻的影响, 即在热敏电阻两端各连接两根导线, 其中两根引线为热电阻提供恒定电流I, 把铂电阻的阻值转换成电压信号U, 再通过另两根引线把U接入模数转换电路。这样就可以**引线上电阻RL的影响, 测量精度高稳定性好。

图2 四线制铂电阻的接线图   
2.1.3 模数转换电路
用24位芯片ADS1248作为系统温度的模数转换芯片, 其内含一个低噪声可编程增益放大器 (PGA) 、两路恒流源等, 芯片集成度高, 在测量精度不变的同时简化电路设计, 降低系统的功耗。
如图3所示, 用ADSl248内部的恒流源, 产生一个500μA的电流I, 通过IEXCO口流经待测铂电阻和高精度电阻REF, REF两端的电压作为ADSl248芯片ADC的参考电压。待测电阻Pt100输出端接到ADSl248的模拟输入口的AIN0和AINl, AIN0和AINl之间的差分电压经PGA放大, 并进行数模转换得到电压值, 通过与参考电阻的阻值对比转换成其传感器的电阻值, *后对照Pt100分度表得到当前的温度值。
其中:VRTD、VREF为铂电阻和参考电阻的电压值, RRTD、RREF为铂电阻和参考电阻阻值, I为电源值。

图3 ADS1248组成的测温电路   
将式 (4) 和式 (5) 对比, 得到式 (6) :
其中:CodeRTD为ADC的内码, CodeADC_Fullscale为ADC满量程代码, 即2E23-1。
RREF用精度为0.1%, 温漂小于5×10-6/℃的高精度电阻, 通过式 (6) 可知:铂电阻的电阻值与参考电阻RREF成比例关系, 与激励电流源无关, **了电流源激励过程中波动影响, 也消除了芯片模数转换过程线性度的问题。
为了提高温度测量的精度, 降低电路噪声的干扰, 在铂电阻与模数芯片之间接一个由R1、R2、C1、C2和C3组成的一阶低通RC滤波器。其带宽如式 (7) 所示。
其中:R=R1=R2, Ccm=C1=C2。
为了平衡参考电阻与铂电阻对数模转换芯片输入阻抗的问题, 同样在参考电阻接一个一阶RC低通滤波器。该滤波电路中, 电阻不仅有滤波功能, 还能为ADS1248芯片的采样管脚提供过压保护。
2.2 流量控制
气体的测量过程中, 被测气体处于压力、温度等参数变化很大的条件下, 若仅测量体积流量, 则会因为气体密度的变化大带来测量误差。在容积式和差压式流量计中, 被测流体的密度可能变化30%, 这会使流量产生30%~40%的误差。因此, 气溶胶的测量过程中测量气体的质量更有意义。
气体质量流量控制器是用于对气体的质量流量进行精密控制和测量的仪表,苏州华陆品牌质量流量控制器是用的比较多的。在标准状态下 (温度0℃、气压:101325Pa) , 气体的密度是一个常数, 该密度乘以标准状态下的体积就是质量数, 标准状态下的体积流量就等同于质量流量。其原理是采用毛细管传热温差量热法测量气体的质量流量。将传感器加热电桥测得的流量信号送入放大器放大, 放大后的流量检测电压与设定电压进行比较, 再将差值信号放大后去控制调节阀门, 闭环控制流过通道的流量使之与设定的流量相等。在流量计的控制电路加上控制芯片 (MCU) 和通讯芯片可以将质量流量计转换成数字型质量流量计, 系统选用485通讯的数字型质量流量计。如图4所示, 系统提供24V的单电源给质量流量计, 通过485通讯的接口电路就可以与上位机进行连接。

图4 质量流量计的通讯   
2.3 电磁控制
在洁净压缩空气的通道开闭和气溶胶气路的选择过程中, 选用直动式常闭型两位两通和两位三通优异不锈钢电磁阀进**路的通断和切换控制。其工作电压是24V, 功率是18W。电磁阀采用不锈钢材质, 其要求阀内壁要足够光滑, 使气溶胶颗粒不会在内壁产生沉积。
通电时, 电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起, 阀门打开, 气体接通;断电时, 电磁力消失, 弹簧把关闭件压在阀座上, 阀门关闭, 气体关闭。
在电磁阀的驱动电路中, 单片机的I/O驱动口功率有限, 驱动电压只有3.3V, *大电流只有20mA, 用继电器开关来控制电磁阀可以实现较小电流和电压去控制较大的电流和电压。如图5所示, 为了防止电磁阀在开关过程中线圈的浪涌对单片机IO口的冲击, 采用光耦隔离芯片ISP521对继电器的输入口和单片机的输出口进行电气隔离, 可有效提高系统的可靠性。

图5 电磁阀控制电路   
3 软件设计
系统工作流程如图6所示, 上电后, 系统进行初始化配置 (如I/O口配置、ADS1248初始化、串口配置、液晶驱动等) , 设置气溶胶稀释的倍数, 接下来判断是否打开气溶胶入口电磁阀和补充气体的电磁阀, 如果打开, 那么分别测量两路气体的流量值和温度, 同时根据设置的稀释气体的稀释比和原始气溶的流量来控制补充气体的流量, 达到动态平衡。

图6 系统工作流量图   
4 总结
本文介绍粒子计数器溯源过程中控制方法和相应的电路硬件设计电路, 采用高精度的温度采集芯片电路, 保证温度采集的稳定性和准确性, 通过采用气体的质量流量计保证整个气路在溯源过程中的准确可靠, 用光耦隔离电路加继电器电路控制气体电磁阀的开通断。通过整个系统的气路的控制过程, 提高整个溯源体系的可靠性和安全性、简化了系统操作过程。

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