CN101025424A - 大型voc检测用高精度动态检测用气候室及其检测设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测人造板或者实木家具释放物的VOC气候室，该气候室由检测室、用于保证产生一定湿度气体的湿气发生器、提供一定温度的循环热水到热交换器的温度控制水箱、压力控制器、用于产生循环气体的漩涡气泵、信号采集系统、PLC控制器以及计算机所组成，其中所述的湿气发生器、压力控制器分别通过系统总线与所述的PLC控制器相连，PLC控制器同时还与计算机相连。

Description

大型VOC检测用高精度动态检测用气候室及其检测设备

技术领域

本发明涉及一种用于研究或检测人造板或实木制造成的大型居家物品、家具、软体家具、轻工业产品等VOC释放量或释放规律，以及综合环境指标的评价方法与技术。属于林产工业、人造板加工、控制科学等领域的综合。

背景技术

目前国外已开始研究大型居家物品、家具、软体家具、轻工业产品等VOC释放量或释放规律，以及综合环境指标的评价方法与技术。即将上述物品放入大型气候室内，从而检测在一定条件下的VOC释放量，或研究其释放规律及综合环境指标的评价与技术，并给出综合情况下的检测结果。这种检测方法已在日本、美国等国家使用，并引起了各国的广泛关注。

目前我国检测上述物品的方法是比较片面的。由于目前我国还没有大型VOC检测用气候室，所以只能将这些物品切成小块，测出VOC的释放量，然后根据试样所占物品的实际含量计算出相应的VOC释放量，这显然不能反映出上述产品综合后的实际值。

具有较大容积的VOC检测室是一个多变量相互耦合的复杂系统，属于典型的非线性系统，其温度变量和湿度变量之间存在着强耦合，其中之一的变化都会引起另外一个量的变化。此外，温度和湿度还具有纯滞后、大惯性特性，并且外界气候的变化也会对室内的气候产生影响。因此，采用常规控制算法，通过一般的控制器构建的控制系统很难达到所需的控制精度。

国外研制的大型VOC检测室大多倾向于使用空调、加湿、除湿机等大型制冷加湿设备，这个方法可以将温湿度控制在一定的范围内，但是控制精度不高，并且温湿度的均匀性、波动性允差很大；其次在检测室内会产生结露，有害挥发物会溶解进去，从而会造成检测结果的误差，这是检测甲醛或VOC时所绝对不能允许的；另外消耗能源较多，效果不是十分理想，价格高昂。

本发明的大型高精度动态VOC检测室主要采用国际上生产温湿度标准箱的“双温法”原理，通过对恒温水浴和露点温度的控制，保持VOC检测室内的干球温度和相对湿度的恒定。对具有大时滞、非线性的湿度变量采取一种专门的控制算法，降低了超调量，使得控制结果更稳定、更精确。另外本发明所产生的一定湿度的气体在经过磁环后受到喷洒下来的水的二次洁净，因此进入检测室内的气体是纯净的，这更保证了检测结果的精确性。监控软件可以实时监测检测室内的各项技术指标，并能动态调整系统运行状况。

研制出大型高精度动态VOC检测室是VOC检测技术的发展趋势，在国际上也是一个研究热点。本发明将填补我国VOC检测领域的空白，保持生物质材料有害挥发物检测领域处于领先地位。同时也促进我国林业生物质材料领域的行业进步及传统产业技术升级。

发明内容

本发明主要采用国际上生产温湿度标准箱的“双温法”原理，即通过对温度控制水箱内的恒温水浴和湿气发生器中气体露点温度的控制，保持VOC检测室内的干球温度和相对湿度的恒定。对具有大时滞、非线性的湿度变量的控制采用防超调技术，从而很好的降低了超调量，提高系统的稳定性，达到提高控制精度的目的。监控软件可以实时监测检测室内的各项技术指标，并能动态调整系统运行状况。

本发明的一个方面，采用一种用于检测人造板或者实木家具释放物的VOC气候室，该气候室由检测室、用于保证产生一定湿度气体的湿气发生器、提供一定温度的循环热水到热交换器的温度控制水箱、压力控制器、用于产生循环气体的漩涡气泵、信号采集系统、PLC控制器以及计算机所组成，其中所述的湿气发生器、压力控制器分别通过系统总线与所述的PLC控制器相连，PLC控制器同时还与计算机相连。

其中，所述的检测室包括热交换器，送湿气的发生装置，温度传感器、湿度传感器和3000帕压力传感器；所述的湿气发生器包括水箱、电热装置、制冷装置、气体流量计、水泵和控湿器；以及所述的温度控制水箱由箱体、电热器、制冷装置和水泵。

其中所述的温度传感器对应的控制部件为温度控制水箱中的电热器、制冷装置和水泵；其中所述的湿度传感器对应的控制部件为湿气发生器内的电热装置、制冷装置、气体流量计和控湿器；其中所述的压力传感器对应的控制部件为压力控制器。

本发明的另一方面，采用了一种用于检测人造板或者实木家具释放物的VOC检测设备，该检测设备包括作为上位机的软件程序系统、作为下位机的PLC程序系统、数据采集系统、露点温度控制系统、箱内温度控制系统、空气流量控制系统、报警系统和室内空气循环系统；其中所述的数据采集系统将采集到的各项参数，通过系统总线传送给所述的PLC程序系统，再通过PLC程序系统通过运算和控制，将各项控制信息通过系统总线传送给各控制部件，进而控制露点温度控制系统、箱内温度控制系统、空气流量控制系统和室内空气循环系统内的相应控制部件，从而实现对气候室内各项参数进行实时监测和调节。

本发明可在动态空气交换的情况下对气候室内的温、湿度进行自适应跟踪精确控制，可以模拟室内气候环境，从而使得产品VOC检测结果更贴近实际，为制定国家或行业标准提供科学依据、方法与仪器。此外，本发明也可应用于各种居家物品、家具、轻工业产品等的生产企业，通过对最终成品VOC释放量的检测，保证流向市场的产品质量，从而更好的保证了人民居室环境的安全。

附图说明

图1是气候室的结构图。

图2是大型检测室的原理框图。

图3是温度控制系统框图。

图4是仪器实物图以及达到的效果抓屏图。

具体实施方式

如图1所示，本发明的气候室由检测室、湿气发生器、温度控制水箱、压力控制器、漩涡气泵、信号采集系统、PLC控制器以及计算机所组成。检测室的空间为30～50立方米，由两个用于空气循环的风扇，特殊形式的热交换器，送湿气的发生装置，温度传感器、湿度传感器、3000帕压力传感器所组成。湿气发生器包括水箱、电热装置、制冷装置、气体流量计、水泵以及控湿器。温度控制水箱由箱体、电热器、制冷装置以及水泵组成。

温度传感器对应的控制部件为温度控制水箱中的电热器、制冷装置以及水泵；湿度传感器对应的控制部件为湿气发生器内的电热装置、制冷装置、气体流量计以及控湿器；压力传感器对应的控制部件为压力控制器。其中的电热器对应的是电热管，制冷装置对应的是冷凝器及压缩机。

温度控制水箱提供一定温度的循环热水到特殊热交换器，从而保证检测室内的温度；湿度发生器中的冷凝机组(冷凝器和压缩机)保证恒温露点水箱的水温，保证产生一定湿度的气体，经过磁环出来后受到水喷头的二次洁净后再通过气体流量计的流量控制流入检测室，从而保证检测室内一定湿度的洁净气体。两个水泵分别用于湿气发生器和温度控制水箱中的水循环。漩涡气泵用于产生循环气体。两个大型风扇用于保证室内空气流动在0.1-2米，且均匀性在5％以内。

在图1所示的各控制部件中，诸如漩涡气泵、风扇、送湿气的发生装置、电热装置、制冷装置、气体流量计、两个水泵、压力控制器以及控湿器，分别通过系统总线与所述的PLC控制器相连，PLC控制器同时还与上位机相连。

此外，该检测设备由软件程序系统(上位机)、PLC程序系统(下位机)、数据采集系统、露点温度控制系统、箱内温度控制系统、空气流量控制系统、报警系统、室内空气循环系统等组成。其原理框图如图2所示。

在图2中，PLC程序控制器(下位机)根据信号采集系统采集到检测室内的实时信号(温度、湿度、压力)。采集到的检测室内温度与设定的温度值进行比较，并通过特殊的温度控制系统来调节温度控制水箱的温度，调整后的水由水泵通过控温循环管路送入检测室内的特殊热交换器，从而调整检测室的温度，直至到达所设定温度值。采集到检测室内的湿度信号与湿度设定值进行比较，并通过特殊的温度控制系统调节湿度发生器内水箱温度，使得流入湿气发生器内的气体达到一定的湿度，通过湿气管路送入检测室内一定流量(由气体流量计控制)的湿气，并与检测室内的空气充分混合后，使检测室内的湿度达到所设定值。采集到检测室内压力信号后，判断是否在1000-1200Pa之间，如果超出范围，压力控制器将执行相应的程序，使其保证压力在允许的范围内。如果有超出范围的工作状态，报警系统开始运行。

数据采集系统通过温、湿度传感器及压力传感器采集到室内空气的实时温度、湿度及压力，并经过转换器的转换，经过系统总线传送给PLC控制器(下位机)；PLC控制器通过运算和控制将各项控制信息传送给相应的各控制部件，来实现对整个气候室内环境参数的调节。通过和下位机的通讯，上位机用于监测并显示实时的温度和湿度等数据。最终保证了所需要的恒定的温度、湿度及压力等参数，实现了气候室内各项环境指标的精确控制。

本发明采用了针对含纯滞后的对象的控制算法，使得温度的控制更稳定。关于温度控制系统框图如图3所示，其被控对象为纯滞后的一阶惯性环节，在这里就是所要控制的温度。其传递函数是：

$G_0\left(s\right)=\frac{{\mathrm{Ke}}^{-\mathrm{\θs}}}{{\mathrm{\τ}}_{1}s+1},$ θ＝rT                                        (1)

τ₁是被控对象的时间常数，θ为对象的纯滞后时间，假定它们是采样周期T的整数倍。

本算法的设计目标是：设计合适的数字控制器Z传递函数D(z)，使整个闭环系统的传递函数是带纯滞后时间的一阶惯性环节，而且要求闭环系统的纯滞后时间等于对象的纯滞后时间，即闭环传递函数为 $M\left(s\right)=\frac{e^{-\mathrm{\θs}}}{\mathrm{\τs}+1},\mathrm{\θ}=\mathrm{rT}.$ τ是系统闭环时间函数。下面在Z域内求D(z)。

闭环传递函数为

$M\left(z\right)=\frac{Y\left(z\right)}{X\left(z\right)}=Z[\frac{1-e^{-\mathrm{Ts}}}{s}\·\frac{e^{-\mathrm{rTs}}}{\mathrm{\τs}+1}]=\frac{z^{-r-1}(1-e^{-T/\mathrm{\τ}})}{1-e^{-T/\mathrm{\τ}}{z}^{-1}}=\frac{z^{-r-1}(1-\mathrm{\σ})}{1-{\mathrm{\σz}}^{-1}}---\left(2\right)$

式中σ＝e^-T/τ。对象的Z传递函数为：

$G\left(z\right)=Z[\frac{1-e^{-\mathrm{Ts}}}{s}\·\frac{{\mathrm{Ke}}^{-\mathrm{rT}}}{{\mathrm{\τ}}_{1}s+1}]=K(1-z^{-1})z^{-r}\·Z\left[\frac{1}{s({\mathrm{\τ}}_{1}s+1)}\right]---\left(3\right)$

$={\mathrm{Kz}}^{-r-1}\frac{1-{\mathrm{\σ}}_1}{1-{\mathrm{\σ}}_1{z}^{-1}}$

式中 ${\mathrm{\σ}}_1=e^{-T/{\mathrm{\τ}}_1}$

数字控制器的Z传递函数为：

$D\left(z\right)=\frac{M\left(z\right)}{G\left(z\right)[1-M\left(z\right)]}$

把(2)和(3)式带入上式，并取r＝1，得

$D\left(z\right)=\frac{1-{\mathrm{\σ}}_1{z}^{-1}}{{\mathrm{Kz}}^{-r-1}(1-{\mathrm{\σ}}_1)}\·\frac{z^{-r-1}(1-\mathrm{\σ})}{1-{\mathrm{\σz}}^{-1}-(1-\mathrm{\σ})z^{-r-1}}$

$=\frac{1-{\mathrm{\σ}}_1{z}^{-1}}{K(1-{\mathrm{\σ}}_1)}\·\frac{1-\mathrm{\σ}}{1-\mathrm{\σ}(z^{-1}-z^{-2})}---\left(4\right)$

控制量Z的传递函数为：

${\mathrm{\Φ}}_u\left(z\right)=\frac{M\left(z\right)}{G\left(z\right)}=\frac{z^{-2}(1-\mathrm{\σ})}{1-{\mathrm{\σz}}^{-1}}\·\frac{1-{\mathrm{\σ}}_1{z}^{-1}}{{\mathrm{Kz}}^{-2}(1-{\mathrm{\σ}}_1)}$

其中 ${\mathrm{\σ}}_1=e^{-T/{\mathrm{\τ}}_1},$ σ＝e^T/τ，取τ＝0.4秒，τ₁＝0.5秒，K＝10，采样周期T＝1。

代入上面各式中，即可得出系统输出的Z变换为：

$Y\left(z\right)=M\left(z\right)/(1-z^{-1})=\frac{{0.9179z}^{-2}}{(1-{0.082z}^{-1})(1-z^{-1})}$

$={0.9179z}^{-2}+{0.9933z}^{-3}+{0.9994z}^{-4}+z^{-5}+\mathrm{\Λ}$

系统的控制量Z变换为

$U\left(z\right)={\mathrm{\Φ}}_u\left(z\right)/(1-z^{-1})=\frac{0.106(1-{0.1353z}^{-1})}{(1-{0.082z}^{-1})(1-z^{-1})}$

$=0.106+{0.1z}^{-1}+{0.1z}^{-2}+{0.1z}^{-3}+\mathrm{\Λ}$

从以上得到的输出可以看出在每一个采样周期系统的控制量输出没有超调和振铃现象，比较稳定。

本发明达到的效果

本发明达到的性能指标如下所示：

数据库记录系统；

历史曲线监测系统；

温度控制精度：    20℃±0.3；

湿度控制精度：    65℃±0.3％；

温度范围：        18-50度；

湿度范围：        25-80％；

空气交换率：      0-25立米h；

风速：            0.1m/s～0.5m/s(连续可调)

响应时间：        ≤10H；

耗电量：          ≤1.5KW；

启动功率：    ≤12kw

运行功率：    ≤8kw

气候箱容积：  20-50m3

其中，图4为仪器实物图与达到的效果抓屏图。

Claims (7)

1.一种用于检测人造板或者实木家具释放物的VOC气候室，该气候室由检测室、用于保证产生一定湿度气体的湿气发生器、提供一定温度的循环热水到热交换器的温度控制水箱、压力控制器、用于产生循环气体的漩涡气泵、信号采集系统、PLC控制器以及计算机所组成，其中所述的湿气发生器、压力控制器分别通过系统总线与所述的PLC控制器相连，PLC控制器同时还与计算机相连。

2.如权利要求1所述的VOC气候室，所述的检测室包括热交换器，送湿气的发生装置，温度传感器、湿度传感器和3000帕压力传感器；所述的湿气发生器包括水箱、电热装置、制冷装置、气体流量计、水泵和控湿器；以及所述的温度控制水箱由箱体、电热器、制冷装置和水泵组成。

3.如权利要求2所述的VOC气候室，其中所述的温度传感器对应的控制部件为温度控制水箱中的电热器、制冷装置和水泵；其中所述的湿度传感器对应的控制部件为湿气发生器内的电热装置、制冷装置、气体流量计和控湿器；其中所述的压力传感器对应的控制部件为压力控制器。

4.如权利要求3所述的VOC气候室，其中所述的电热器对应的是电热管，所述的制冷装置对应的是冷凝器及压缩机。

5.一种用于检测人造板或者实木家具释放物的VOC检测设备，该检测设备包括作为上位机的软件程序系统、作为下位机的PLC程序系统、数据采集系统、露点温度控制系统、箱内温度控制系统、空气流量控制系统、报警系统和室内空气循环系统；其中所述的数据采集系统将采集到的各项参数，通过系统总线传送给所述的PLC程序系统，再通过PLC程序系统通过运算和控制，将各项控制信息通过系统总线传送给各控制部件，进而控制露点温度控制系统、箱内温度控制系统、空气流量控制系统和室内空气循环系统内的相应控制部件，从而实现对气候室内各项参数进行实时监测和调节。

6.如权利要求5所述的VOC检测设备，对其中所述的箱内温度控制系统采用了针对含纯滞后的对象的控制算法。

7.如权利要求6所述的VOC检测设备，对于其中的控制算法，设计合适的数字控制器Z传递函数D(z)，使整个闭环系统的传递函数是带纯滞后时间的一阶惯性环节，并且闭环系统的纯滞后时间等于对象的纯滞后时间。

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