CN103900980A - 用于长光程doas气体分析仪的全自动标定控制系统及其标定方法 - Google Patents

用于长光程doas气体分析仪的全自动标定控制系统及其标定方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了用于长光程DOAS气体分析仪的全自动标定控制系统及其标定方法，它包括自动控制模块、样品池升降模块、汞灯升降模块、光阑电机模块和上位机软件，自动控制模块和上位机软件通信实现对样品池升降模块、汞灯升降模块、光阑电机模块的控制。本发明的有益效果是各个模块由上位机通过RS485通信实现全自动控制。用光耦对样品池和汞灯的升降位置进行定位，准确性极高。样品池不需要移动、更换，只需更换样品池内气体浓度和种类，如此可以保证每次系统标定光路相同。本发明单个模块结构紧凑，使用方便，位置准确度高，稳定性好，并且实现了DOAS系统标定的全自动控制。

Description

用于长光程DOAS气体分析仪的全自动标定控制系统及其标定方法
技术领域
本发明涉及在线气体检测领域，尤其涉及用于长光程DOAS气体分析仪的全自动标定控制系统及其标定方法。
背景技术
环境污染是人们十分关注的问题，进行环境污染物的监测对于环境保护、污染控制治理十分必要。差分吸收光谱法（DOAS）是一种有效的测量大气中有毒痕量气体的技术，其工作原理是测量气体在一段特定光谱中的吸收强度来反演该种气体的浓度，如2012年6月28日发表公开的名为《长光程空气质量自动检测系统简介》提到了开放光程DOAS检测仪器，它是采用从发射端发射光束经开放空间环境到接收端的方法测定该光束光程的平均空气污染物浓度的仪器。所以仪器波长标定的准确度对仪器测量的精度有很大影响，仪器在使用过程中采用在光路中加入标准样品池的方法对DOAS气体分析仪的稳定性和线性度进行校准。
现有的标定系统存在以下问题：系统标定所需要的光源、样品池等不能自动控制，或者部分不能自动控制，使用不方便；标定系统所需要的样品池不能自动控制，当DOAS需要标定时，要手动把样品池放置到光路上，标定结束后要把样品池拿掉。当下次系统需要标定时，再把样品池放置到光路上，这样很容易导致每次放置样品池的位置不同，从而影响波长标定的准确度；系统标定需要的汞灯光源在打开的瞬间，电压要达到千伏以上，汞灯打开后电压恢复到220V，所以汞灯电源的供电使用变压器，标定结束关闭汞灯后，汞灯仍会闪烁放电，这样会影响DOAS系统的正常测量。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有的长光程DOAS气体分析仪标定方法需要手动调整样品池的位置，导致测量误差的产生，影响标定精度和准确度，为此提供一种用于长光程DOAS气体分析仪的全自动标定控制系统及其标定方法。
本发明的技术方案是：用于长光程DOAS气体分析仪的全自动标定控制系统，它包括自动控制模块、样品池升降模块、汞灯升降模块、光阑电机模块和上位机软件，上位机软件与自动控制模块通信，所述自动控制模块分别与样品池升降模块、汞灯升降模块和光阑电机模块信号连接。
上述方案中所述自动控制模块包括标定控制输出口、光阑定位输出口、RS485通信接口、光阑电机电源输出口和汞灯电源输出口；所述样品池升降模块包括标定控制输入口、第一步进电机和由第一步进电机驱动的样品池；所述汞灯升降模块包括汞灯电源输入口、第二步进电机和由第二步进电机驱动的汞灯；所述光阑电机模块包括光阑电机、由光阑电机驱动的光阑和光阑定位输入口；所述上位机软件与RS485通信接口连接，所述标定控制输出口与标定控制输入口连接，所述汞灯电源输出口和汞灯电源输入口连接，所述光阑电机电源输出口与光阑电机连接，所述光阑定位输出口与光阑定位输入口连接。
上述方案中所述光阑电机是直线电机。
上述方案的改进是汞灯电源输出口并联有10Ω的功率电阻，功率电阻的一端串联有与汞灯电源输出口电连接的继电器。
用于长光程DOAS气体分析仪的全自动标定控制系统的标定方法，所述上位机软件向自动控制模块发送命令，自动控制模块驱动第一步进电机和第二步进电机使样品池、汞灯上升到光路位置，上位机软件通过自动控制模块发送命令使汞灯打开，光阑电机转动90°，使光阑处于垂直光路位置开始标定；系统标定完毕后，关闭汞灯，自动控制模块驱动第一步进电机和第二步进电机使样品池和汞灯下降到光路以外位置，光阑电机再转动90°，使光阑平行于光路。
本发明的有益效果是用于DOAS标定系统的各个模块由上位机通过RS485通信实现全自动控制。用光耦对样品池和汞灯的升降位置进行定位，准确性极高。样品池不需要移动、更换，只需更换样品池内气体浓度和种类，如此可以保证每次系统标定光路相同；功率电阻解决了关闭汞灯后汞灯闪烁的问题；本发明单个模块结构紧凑，使用方便，位置准确度高，稳定性好，并且实现了DOAS系统标定的全自动控制。
附图说明
图1是本发明示意图；
图中，1、上位机软件，2、光阑电机模块，3、光阑电机，4、光阑定位输入口，5、光阑，6、标定控制输出口，7、光阑定位输出口，8、RS485通信接口，9、自动控制模块，10、光阑电机电源输出口，11、汞灯电源输出口，12、标定控制输入口，13、第一步进电机，14、汞灯电源输入口，15、第二步进电机，16、汞灯升降模块，17、汞灯，18、样品池升降模块，19、样品池。
具体实施方式
如图1所示，本发明包括自动控制模块9、样品池升降模块18、汞灯升降模块16、光阑电机模块2和上位机软件1，上位机软件1与自动控制模块9通信，所述自动控制模块9分别与样品池升降模块18、汞灯升降模块16和光阑电机模块2信号连接。
具体的，自动控制模块9包括标定控制输出口6、光阑定位输出口7、RS485通信接口8、光阑电机电源输出口10和汞灯电源输出口11；所述样品池升降模块18包括标定控制输入口12、第一步进电机13和由第一步进电机驱动的样品池19；汞灯升降模块16包括汞灯电源输入口14、第二步进电机15和由第二步进电机驱动的汞灯17；所述光阑电机模块2包括光阑电机3、由光阑电机3驱动的光阑5和光阑定位输入口4；上位机软件1与RS485通信接口8连接，所述标定控制输出口6与标定控制输入口12连接，标定控制输出口的传输线由14根信号线构成，分别用来向主控制板传输样品池19和汞灯17的位置信号，以及对第一步进电机13和第二步进电机15的驱动信号。经过主控制板对样品池和汞灯的位置进行分析后，再从主控制板发送对第一、第二步进电机13、15的驱动信号，驱动电机向上或者向下动作。样品池和汞灯的位置由光耦传感器探测，准确度高。所述汞灯电源输出口11和汞灯电源输入口14连接，，由自动控制模块9中的电源控制板控制汞灯17的打开和关闭。所述光阑电机电源输出口10与光阑电机3连接，所述光阑定位输出口7与光阑定位输入口4连接。通过检测判断光阑5的位置，驱动光阑电机的转动，由于光阑电机是直线电机，每次转动90°，从而实现光阑的打开或关闭。
自动控制模块9内部由主控制板、电源控制板和LED指示灯板组成。主控制板通过RS485通信接口8接收上位机所发送的命令，实现对样品池19和汞灯17位置信号的探测，以及对第一步进电机13和第二步进电机15的驱动控制。电源控制板则通过汞灯电源输出口11、汞灯电源输入口14实现对汞灯17的打开和关闭的控制，以及通过光阑电机电源输出口10实现对光阑电机3的打开和关闭的控制。
如图1所示，汞灯17通过汞灯升降模块16上的接口与自动控制模块9相连，由自动控制模块9中的电源控制板控制汞灯17的打开和关闭。当系统需要标定时，上位机软件1向自动控制模块9发送命令打开汞灯17，打开汞灯的电源电压在瞬间需达到千伏以上。设计的电源控制板在汞灯电源的两端并联了一个10Ω的功率电阻，功率电阻的一端串联一个与汞灯电源输出口电连接的继电器。当打开汞灯时，主控制板控制继电器断开；在关闭汞灯时主控制板控制继电器闭合，功率电阻回路连通，使得电容和继电器线圈中储蓄的电能流过功率电阻消耗掉，从而解决了关闭汞灯后汞灯闪烁的问题。
如图1所示，所述的样品池19在两端各有一个接口，分别为进气口和出气口。在需要对系统进行标定时，由上位机软件1发送命令，把样品池19和汞灯17都上升到同一光路位置上，样品池19的接口通过软管接到样品池升降模块18外面。根据标定需要可以向样品池19内通入不同浓度、不同种类的标定气体。这样避免了以前手动放置样品池19导致位置不同，引起光路变动的问题。
利用本全自动标定控制系统的标定方法如下：当DOAS系统需要标定时，上位机软件1向自动控制模块9发送命令，自动控制模块9驱动第一步进电机和第二步进电机使样品池19、汞灯17上升到光路位置，上位机软件1通过自动控制模块9发送命令使汞灯17打开，光阑电机3转动90°，使光阑5处于垂直光路位置开始标定；系统标定完毕后，关闭汞灯17，自动控制模块9驱动第一步进电机和第二步进电机使样品池19和汞灯17下降到光路以外位置，光阑电机3再转动90°，使光阑5平行于光路。
上面结合附图对本发明进行了示例性描述，显然本发明具体实现并不受上述方式的限制，只要采用了本发明的方法构思和技术方案进行的各种非实质性的改进，或未经改进将本发明的构思和技术方案直接应用于其它场合的，均在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.用于长光程DOAS气体分析仪的全自动标定控制系统，其特征是它包括自动控制模块（9）、样品池升降模块（18）、汞灯升降模块（16）、光阑电机模块（2）和上位机软件（1），所述上位机软件（1）与自动控制模块（9）通信，所述自动控制模块（9）分别与样品池升降模块（18）、汞灯升降模块（16）和光阑电机模块（2）信号连接。
2.如权利要求1所述的用于长光程DOAS气体分析仪的全自动标定控制系统，其特征是所述自动控制模块（9）包括标定控制输出口（6）、光阑定位输出口（7）、RS485通信接口（8）、光阑电机电源输出口（10）和汞灯电源输出口（11）；所述样品池升降模块（18）包括标定控制输入口（12）、第一步进电机（13）和由第一步进电机驱动的样品池（19）；所述汞灯升降模块（16）包括汞灯电源输入口（14）、第二步进电机（15）和由第二步进电机驱动的汞灯（17）；所述光阑电机模块（2）包括光阑电机（3）、由光阑电机（3）驱动的光阑（5）和光阑定位输入口（4）；所述上位机软件（1）与RS485通信接口（8）连接，所述标定控制输出口（6）与标定控制输入口（12）连接，所述汞灯电源输出口（11）和汞灯电源输入口（14）连接，所述光阑电机电源输出口（10）与光阑电机（3）连接，所述光阑定位输出口（7）与光阑定位输入口（4）连接。
3.如权利要求2所述的用于长光程DOAS气体分析仪的全自动标定控制系统，其特征是所述光阑电机（3）是直线电机。
4.如权利要求3所述的用于长光程DOAS气体分析仪的全自动标定控制系统，其特征是所述汞灯（17）和样品池（19）上分别设有可精确定位的光耦。
5.如权利要求4所述的用于长光程DOAS气体分析仪的全自动标定控制系统，其特征是所述汞灯电源输出口（11）并联有10Ω的功率电阻，功率电阻的一端串联有与汞灯电源输出口电连接的继电器。
6.如权利要求2-5任一所述的用于长光程DOAS气体分析仪的全自动标定控制系统的标定方法，其特征是所述上位机软件（1）向自动控制模块（9）发送命令，自动控制模块（9）驱动第一步进电机和第二步进电机使样品池（19）、汞灯（17）上升到光路位置，上位机软件（1）通过自动控制模块（9）发送命令使汞灯（17）打开，光阑电机（3）转动90°，使光阑（5）处于垂直光路位置开始标定；系统标定完毕后，关闭汞灯（17），自动控制模块（9）驱动第一步进电机和第二步进电机使样品池（19）和汞灯（17）下降到光路以外位置，光阑电机（3）再转动90°，使光阑（5）平行于光路。
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