CN112326369A - 一种用于流量控制的大气检测系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于流量控制的大气检测系统和方法，该系统包括送膜模块、采样模块、送样模块、分析模块、主控制台、显示屏、输入模块、数据处理模块，采样模块内包括测量子模块、校准子模块，校准子模块中包括差压传感器，用于检测差压值并传输至主控制台，数据处理模块接收差压值获取校准曲线从而运算出实际流量，主控制台根据实际流量和输入模块设定的目标流量之间的偏差对流量子模块发出相应指令，该方法的步骤为：设定参数、校准流量、测量实际流量、流量降级控制、警报，本申请能够利用差压值对测量流量进行校准以达到流量的精准测量，从而实现流量的精准控制，在流量控制过程中进行流量降级保护，使设备在阻力过大时适当延长采样时间。

Description

一种用于流量控制的大气检测系统和方法

技术领域

本发明涉及大气环境监测领域，更具体地说，它涉及一种用于流量控制的大气检测系统和方法。

背景技术

随着当前社会核安全问题日益凸显，针对核泄漏、核辐射的各项采样、监测工作显得尤为重要,大气采样与分析就是其中一项重要工作。大气采样的方法主要为两类：一类是使大量空气通过液体吸收剂或固体吸附剂，以吸收或阻留污染物，把原来大气中浓度较低的污染物富集起来，如抽气法、滤膜法。另一类是用容器(玻璃瓶、塑料袋、橡皮球胆、注射器等)采集含有污染物的空气。大气颗粒物采样器通常由样本采集器、采样通道和采样动力装置组成。

在测定大气总悬浮颗粒物(TSP)的过程中，采样气体体积是用标准状态下的平均采样流量乘以采样时间而得到的。采样时间控制精度可以做到很高，所以TSP测定结果的精度主要取决于采样流量的控制精度，许多TSP采样器不具备自动恒流功能，其采样流量通过人工调节流量阀或者抽气泵转速来进行控制，当滤膜上的阻力发生变化，或电源电压变化时，都会引起采样流量的变化。

结合以上原因，针对大气检测装置，设计一种用于流量控制的大气检测系统和方法，从而实现无人值守情况下对采样流量的精确控制。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明提供一种用于流量控制的大气检测系统，该系统能够通过对采样通道内的流量进行识别和校准从而进行精准控制。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：一种用于流量控制的大气检测系统，包括送膜模块、采样模块、送样模块、分析模块、主控制台、显示屏、输入模块、数据处理模块，所述主控制台与送膜模块、采样模块、送样模块、显示屏、输入模块、数据处理模块连接并控制送膜模块、采样模块、送样模块、显示屏、输入模块、数据处理模块运作；

所述送膜模块用于控制滤膜传送开启和关闭，将滤膜传输至采样模块；

所述采样模块用于接收送膜模块传输的滤膜进行采样；

所述送样模块用于接收采样模块传输的滤膜，先将采样完成的滤膜标号记录存储并将滤膜信息传输至主控制台，再将采样模块采集到的样本信息传输至分析模块；

所述分析模块与显示屏相连接，用于分析样本信息并将分析结果传输至显示屏；

所述输入模块用于设定采样过程各项参数并将设定参数传输至主控制台；

所述采样模块内包括测量子模块和校准子模块，所述测量子模块用于实时测量采样通道内的流量并将测量流量传输至主控制台，所述校准子模块中包括差压传感器，所述差压传感器与主控制台连接，用于检测采样通道中流量的差压值并将压差信息传输至主控制台，所述校准子模块用于控制采样动力装置输出以调节采样通道流量；

所述主控制台内设置校准点(x,y)用于获取校准曲线，所述校准点至少设置3个，其中y为设定流量校准值，x为测量流量达到校准值时差压传感器内对应差压值，已知曲线方程为y＝ax²+bx+c，当测量子模块传输至主控制台的测量流量达到设定校准点的校准值时，所述主控制台从差压传感器中获取对应差压值，并将互相对应的测量流量与差压值传输至数据处理模块，所述数据处理模块将互相对应的测量流量与差压值代入曲线方程进行代码运算获取校准曲线，该校准曲线用于将接收的实时测量数据换算为实际流量，所述主控制台根据运算后的实际流量和输入模块设定的目标流量之间的偏差对校准子模块发出调整采样动力装置的输出指令。

进一步地，所述校准子模块中包括温度传感器、气压检测器，所述温度传感器、气压检测器均与主控制台连接，所述温度传感器用于检测采样通道的实时温度并将温度信息传输至主控制台，所述气压检测器用于检测采样通道内的气压并将气压信息传输至主控制台，所述数据处理模块内还设置有流量换算公式：

标况流量＝(测量流量*p*293.15)/((t+273.15)*标准大气压)，其中P为单位公斤力每平方厘米，t为摄氏温度；

所述主控制台将测量流量、温度信息、气压信息传输至数据处理模块，所述数据处理模块通过流量换算公式将测量流量换算为标况流量进行校准运算。

进一步地，所述采样模块包括换膜子模块、压膜单元、走膜单元、限位传感器，所述压膜单元、走膜单元、限位传感器均与换膜子模块连接；

所述压膜单元用于控制样本采集器压选送膜模块传送的滤膜后进行采样准备；

所述走膜单元用于控制样本采集器在采集到样本信息后抬升释放滤膜并将滤膜传输至送样模块；

所述限位传感器用于检测样本采集器在下压和抬升过程相对于上下限位所处的位置，并将位置信息传输至换膜子模块，所述换膜子模块通过限位传感器传输的位置控制采样动力装置和送膜模块，当样本采集器处于下限位时控制送膜模块关闭滤膜传送并控制采样动力装置开启提供恒定流量进行采样，当样本采集器处于上限位时，所述换膜子模块控制采样动力装置关闭并将采样完成的滤膜传输至送样模块；

进一步地，所述采样模块还包括有时钟单元，所述时钟单元与换膜子模块连接，用于检测和控制压膜单元和走膜单元的时长信息并将时长信息传输至换膜子模块，所述换膜子模块根据接收到主控制台设定的下压或抬升时长数据对压膜单元和走膜单元进行控制，并将时钟单元传输的时长信息反馈至主控制台。

进一步地，所述数据处理模块包括有处理单元，所述处理单元内存储有用于控制采样动力装置的控制算法，输入e(t)与输出u(t)的关系为：

u(t)＝(Kp[e(t)+1/Ti∫e(t)dt])*(1+(Fg-F(t))/C)；

其中Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，积分环节∫e(t)为运行过程中的误差累积量，理想状态下误差累积量为0，Fg为目标流量，F(t)为当前实际流量，C为常数。

进一步地，所述数据处理模块包括有存储单元，所述存储单元用于接收主控制台传输的信息和处理单元处理结果信息并存储所有信息。

综上所述，本发明具有以下有益效果：本发明能够利用差压值对测量流量进行校准以达到流量的精准测量，借助本发明研究人员可以在远离高风险采样区域远处执行采样和分析研究工作，并可以完成一人控制多台设备同时进行科学研究。这不仅解决了自动采样的问题，也解决了劳动力稀缺的问题。另外本发明配合平台通讯软件可以实现远程控制自动采样和分析并进行数据远距离回传，为实现高风险地区自动采样提供强有力的支持。

本发明还提供一种用于流量控制的大气检测方法，该方法能够使系统在滤膜阻力过大导致后续流量无法达到预设目标值时可自动降低流量继续运行。

一种控制流量的方法，包括如下步骤：

S1设定参数

S11通过输入模块输入目标流量、流量保护阈值、流量降级次数；

S12主控制台将从输入模块中接收到的目标流量、流量保护阈值、流量降级次数传输至处理单元进行流量降级处理；

S13处理单元接收到上述数据后，将目标流量至流量保护阈值按流量降级次数划分等级，并将划分等级后的等级流量传输至存储单元存储；

S2校准流量

S21主控制台从测量子模块中获取测量流量，从校准子模块中获取差压传感器传输的差压值、气压检测器获取的气压值、温度传感器获取的温度；

S22主控制台将测量流量、气压值、温度值传输至处理单元，处理单元将测量流量代入流量换算公式：

标况流量＝(测量流量*p*293.15)/((t+273.15)*标准大气压)，其中P为单位公斤力每平方厘米，t为摄氏温度，将测量流量换算为标况流量并存储至存储单元；

S22主控制台将差压信息传输至处理单元，处理单元将接收到的差压值和从存储单元调用的标况流量代入曲线方程获得校准曲线：y＝ax²+bx+c；

S23处理单元将流量校准曲线存储至存储单元；

S3测量采样通道实际流量

S31主控制台从测量子模块获取实时测量流量并传输至处理单元；

S32处理单元接收实时测量流量、实时气压、实时温度代入流量换算公式，将实时测量流量转换为标况流量；

S32处理单元调用存储单元中的校准曲线，通过校准曲线将标况流量换算成采样通道的实际流量，并将实际流量传输至主控制台；

S4流量降级控制

主控制台根据接收到的实际流量并从存储单元中调取目标流量进行偏差对比；

当实际流量与目标流量的偏差值在允许误差范围，主控制台将实际流量与目标流量传输至处理单元并代入控制算法：

u(t)＝(Kp[e(t)+1/Ti∫e(t)dt])*(1+(Fg-F(t))/C)；

其中e(t)为输入，u(t)为输，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，积分环节∫e(t)为运行过程中的误差累积量，理想状态下误差累积量为0，Fg为目标流量，F(t)为当前实际流量，C为常数；

处理单元运算得出输出值，并将输出值传输至主控制台，主控制台根据输出值对校准子模块发出调整采样动力装置的输出指令；

当实际流量与目标流量差值超出允许误差范围，主控制台从存储单元中调取下一等级流量，并将等级流量作为新目标流量，重复S3至S4；

S5警报

主控制台调取最后一个等级流量作为目标流量后，将实际流量与目标流量对比，如果实际流量与目标流量差值超出允许误差范围，则主控制台关闭样本采集器与采样动力装置停止采样，并通过显示屏界面发出警报提示。

综上所述，本方法是在上述用于流量控制的大气检测系统的基础上针对流量保护的流量降级控制，借助本方法能够使设备在阻力过大时适当延长采样时间。

附图说明

图1为一种用于流量控制的大气检测系统的原理示意图。

附图标记：1、主控制台；2、送膜模块；3、采样模块；31、换膜子模块；311、压膜单元；312、走膜单元；313、限位传感器；314、时钟单元；32、校准子模块；321、温度传感器；322、气压检测器；323、差压传感器；33、测量子模块；4、送样模块；5、分析模块、6、输入模块；7、数据处理模块；71、存储单元；72、处理单元；8、显示屏。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明进一步详细说明。其中相同的零部件用相同的附图标记表示。需要说明的是，下面描述中使用的词语“前”、“后”、“左”、“右”、“上”和“下”指的是附图中的方向，词语“底面”和“顶面”、“内”和“外”分别指的是朝向或远离特定部件几何中心的方向。

参照图1所示，一种用于流量控制的大气检测系统，包括送膜模块2、采样模块3、送样模块4、分析模块5、主控制台1、显示屏8、输入模块6、数据处理模块7，主控制台1与送膜模块2、采样模块3、送样模块4、显示屏8、输入模块6、数据处理模块7连接并控制送膜模块2、采样模块3、送样模块4、显示屏8、输入模块6、数据处理模块7运作。各个模块有明确的分工与配合，又受主控制台1监控，主控制台1可以在任一模块发生故障时切断连接，使其不影响其他模块的后续运作。

送膜模块2用于控制滤膜传送开启和关闭，将滤膜传输至采样模块3。主控制台1通过送膜模块2能够对滤膜传送过程进行监控与控制，保证滤膜顺利安全的传送，并且主控制台1还可以控制送膜模块2根据操作员设定间断启动或连续启动。

采样模块3用于接收送膜模块2传输的滤膜进行采样。采样模块3能够通过控制采样动力装置实现恒流采样，也能与送膜模块2配合实现自动换膜功能。

送样模块4用于接收采样模块3传输的滤膜，先将采样完成的滤膜标号记录存储并将滤膜信息传输至主控制台1，再将采样模块3采集到的样本信息传输至分析模块5。送样模块4先对滤膜进行标号记录有利于采样信息的管理以及后续采样历史数据的回溯研究，规范质控管理。为了保存滤膜信息以供后续查证，可以拷贝滤膜信息传输至主控制台1，通过主控制台1建立电子档案存储，也可以直接保存滤膜本体将滤膜样本信息拷贝至分析模块5分析，滤膜本体可以由操作员定期回收。

分析模块5与显示屏8相连接，用于分析样本信息并将分析结果传输至显示屏8。分析模块5主要控制分析仪操作，分析模块5及时接收送样模块4传输的样本信息并实时监控并操控分析仪对样本信息进行分析，满足了无人值守时分析样本信息的及时性，操作员在远离高风险区进行样本信息的分析也更加安全。同时也可以在分析模块5中编入分析仪基本操作算法，能够使分析模块5预先完成基本的样本信息分析，有利于提高样本信息的分析效率。

输入模块6用于设定采样过程各项参数并将设定参数传输至主控制台1。输入模块6中输入的内容能够通过主控制台1显示在显示屏8上，输入的数据会存入数据处理模块7，便于后续历史数据的查看以及数据处理模块7的运算。

采样模块3内包括测量子模块33和校准子模块32，测量子模块33用于实时测量采样通道内的流量并将测量流量传输至主控制台1，校准子模块32中包括差压传感器323，差压传感器323与主控制台1连接，用于检测采样通道中流量的差压值并将压差信息传输至主控制台1，校准子模块32用于控制采样动力装置输出以调节采样通道流量；

主控制台1内设置校准点(x,y)用于获取校准曲线，校准点至少设置3个，其中y为设定流量校准值，x为测量流量达到校准值时差压传感器323内对应差压值，已知曲线方程为y＝ax²+bx+c，当测量子模块33传输至主控制台1的测量流量达到设定校准点的校准值时，主控制台1从差压传感器323中获取对应差压值，并将互相对应的测量流量与差压值传输至数据处理模块7，数据处理模块7将互相对应的测量流量与差压值代入曲线方程进行代码运算获取校准曲线，该校准曲线用于将接收的实时测量数据换算为实际流量，主控制台1根据运算后的实际流量和输入模块6设定的目标流量之间的偏差对校准子模块32发出调整采样动力装置的输出指令。

采样通道内的测量流量会由于压强、温度或者滤膜阻力等与实际采样流量存在偏差，仅仅根据测量流量并不能代表采样通道内的实际采样流量，也就不能实现精准的恒流采样。而上述设置首先对采样流量进行测量识别，再根据差压值对测量流量进行校准，从而获取采样通道内的准确流量。主控制台1将运算后的实际流量与设定的目标流量进行偏差控制，从而实现采样流量精准控制。

差压校准的一种实施方式如下：系统设置五个校准点，设X₁，X₂，X₃，X₄，X₅为差压值，Y₁，Y₂，Y₃，Y₄，Y₅为测量流量即校准值。

当测量流量为Y₁时读取差压传感器323的差压值X₁，并将差压值X₁存储于数据处理模块7用于后续流量换算，其他四个校准点做法类似。

构建拟合校准曲线，则该曲线上有三个点(X₁，Y₁)、(X₂，Y₂)、(X₃，Y₃)；

Y₁＝aX₁ ²+bX₁+c

Y₂＝aX₂ ²+bX₂+c

Y₃＝aX₃ ²+bX₃+c

a、b、c通过代码运算求得：

a＝((X₂-X₃)(Y₁-Y₂)-(X₁-X₂)(Y₂-Y₃))/((X₁ ²-X₂ ²)(X₂-X₃)-(X₂ ²-X₃ ²)(X₁-X₂))＝(X₂Y₁+X₃Y₂+X₁Y₃-X₁Y₂-X₂Y₃-X₃Y₁)/(X₁ ²X₂+X₂ ²X₃+X₃ ²X₁-X₁ ²X₃-X₂ ²X₁-X₃ ²X₂)

b＝(Y₁-Y₂-a(X₁ ²-X₂ ²))/(X₁-X₂)

c＝Y₁-aX₁ ²-bX₁

则可求得Y＝aX²+bX+c即(X₁，Y₁)、(X₂，Y₂)、(X₃，Y₃)拟合的第一条校准曲线。

同样方法利用(X₃，Y₃)、(X₄，Y₄)、(X₅，Y₅)拟合另一条校准曲线。其中(X₃，Y₃)为两条校准曲线公共点。两条曲线首尾相接构成完整校准曲线。

完成校准以后，系统运行时利用气压检测器322的气压值、温度传感器321的温度值结合校准曲线，就可以将测量流量校准换算得出实际流量。

综上，借助本发明研究人员可以在远离高风险采样区域远处执行采样和分析研究工作，并可以完成一人控制多台设备同时进行科学研究。这不仅解决了自动采样的问题，也解决了劳动力稀缺的问题。另外本发明配合平台通讯软件可以实现远程控制自动采样和分析并进行数据远距离回传，为实现高风险地区自动采样提供强有力的支持。

校准子模块32中包括温度传感器321、气压检测器322，温度传感器321、气压检测器322均与主控制台1连接，温度传感器321用于检测采样通道的实时温度并将温度信息传输至主控制台1，气压检测器322用于检测采样通道内的气压并将气压信息传输至主控制台1，数据处理模块7内还设置有流量换算公式：

标况流量＝(测量流量*p*293.15)/((t+273.15)*标准大气压)，其中P为单位公斤力每平方厘米，t为摄氏温度；

主控制台1将测量流量、温度信息、气压信息传输至数据处理模块7，数据处理模块7通过流量换算公式将测量流量换算为标况流量进行校准运算。通过其换算公式将原始测量流量换算为标况流量，有利于流量校准和流量控制时运算的便捷性，提高了对流量相关数据处理的效率。而数据处理模块7对传输的数据和设定参数的换算预处理，也提高了相关数据在数据处理模块7中后续处理的效率，从而有利于提升整个系统的运算速度。

采样模块3包括换膜子模块31、压膜单元311、走膜单元312、限位传感器313，压膜单元311、走膜单元312、限位传感器313均与换膜子模块31连接。

压膜单元311用于控制样本采集器压选送膜模块2传送的滤膜后进行采样准备，走膜单元312用于控制样本采集器在采集到样本信息后抬升释放滤膜并将滤膜传输至送样模块4，限位传感器313用于检测样本采集器在下压和抬升过程相对于上下限位所处的位置，并将位置信息传输至换膜子模块31，换膜子模块31通过限位传感器313传输的位置控制采样动力装置和送膜模块2，当样本采集器处于下限位时控制送膜模块2关闭滤膜传送并控制采样动力装置开启提供恒定流量进行采样，当样本采集器处于上限位时，换膜子模块31控制采样动力装置关闭并将采样完成的滤膜传输至送样模块4。通过限位传感器313传输的位置信息将采样过程反馈给换膜子模块31，换膜子模块31根据传输位置信息控制采样动力装置与送膜模块2开启与关闭的时机，从而实现了自动采样与自动换膜的顺利进行。

采样模块3还包括有时钟单元314，时钟单元314与换膜子模块31连接，用于检测和控制压膜单元311和走膜单元312的时长信息并将时长信息传输至换膜子模块31，换膜子模块31根据接收到主控制台1设定的下压或抬升时长数据对压膜单元311和走膜单元312进行控制，并将时钟单元314传输的时长信息反馈至主控制台1。

主控制台1通过时钟单元314能够实现定时采样功能，操作员可以通过输入单元预先设定采样频次，即采样总时长和单次采样时长。主控制台1接收设定参数并将设定参数传输给换膜子模块31，换膜子模块31通过时钟单元314控制压膜单元311和走膜单元312按照设定参数运作，同时配合采样动力装置和送膜模块2实现定时采样。定时采样有利于操作员检测一定时间内大气颗粒物浓度的变化，对大气颗粒物变化趋势做出预测，有利于制定相关的大气颗粒物污染改善措施。

同时定时采样功能中还包括有连续采样，即在上述设定参数内，整个系统连续作业直至达到采样总时长完成，实现了无人值守的采样工作。

主控制台1通过时钟单元314还可以实现定量采样，采样体积是用标准状态下的平均采样流量乘以采样时间而得到的，主控制台1通过控制采样动力装置达到恒定流量后，通过时钟单元314时长信息的反馈，就可以计算出累积采样体积，当采样体积达到设定量后关闭采样实现定量采样。定量采样有助于操作员发现相同体积颗粒物获取的时间变化趋势，从而判断检测点的大气颗粒物浓度变化，通过可以通过定量采样可以使操作员快速检测到大气污染变化，对这种变化进行分析能够找到改善大气污染的措施，保护环境。

数据处理模块7包括有处理单元72，处理单元72内存储有用于控制采样动力装置的控制算法，输入e(t)与输出u(t)的关系为：

u(t)＝(Kp[e(t)+1/Ti∫e(t)dt])*(1+(Fg-F(t))/C)；

其中Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，积分环节∫e(t)为运行过程中的误差累积量，理想状态下误差累积量为0，Fg为目标流量，F(t)为当前实际流量，C为常数。

本系统的控制算法是对PID调节的修改，PID调节(PIDregulating)是经典控制理论中控制系统的一种基本调节方式，具有比例、积分和微分作用的一种线性调节规律，PID调节的作用是调节给定值与被控变量的实际量测值之间的偏差，以Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，Td为微分时间常数举例，加大比例系数Kp可以减小系统的静差，但当Kp过大时，会使控制系统的动态品质变坏，引起被控量振荡，甚至导致闭环控制系统不稳定。积分系数Ti大说明积分作用弱，反之则说明积分作用强。增大Ti将减慢消除静差的过程，但可以减小超调，提高稳定性。微分系数Td增大则微分作用加强，有助于减少超调，克服振荡，使系统趋于稳定，加快系统的响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。输入e(t)与输出u(t)的关系为：

u(t)＝Kp[e(t)+1/Ti∫e(t)dt+Td*de(t)/dt]

其中积分的上下限分别是0和t。

通过PID调节来控制采样动力装置，能够使得采样通道中的实际流量与操作员设定的目标流量相匹配。

其中积分环节∫e(t)为运行过程中的误差累积量，理想状态下误差累积量为0；

其中微分环节de(t)/dt为一定判断频率下相邻两次e(t)的值的差；

当目标流量为0～2000mL/min时，Kp＝1.5，Ti＝0.9，Td＝0；

当目标流量为2001～4000mL/min时，Kp＝1.74，Ti＝1.0，Td＝0；

当目标流量大于4000mL/min时，Kp＝1.9，Ti＝1.1，Td＝0；

为了进一步提高采样动力装置调速效率，使之更快进入稳态，对PID调节做了修改，又由于微分系数在实际运算中为0，本系统不启用微分环节。

具体如下：

u(t)＝(Kp[e(t)+1/Ti∫e(t)dt])*(1+(Fg-F(t))/C)

其中Fg为目标流量；F(t)为当前实际流量；C为常数。

通过上述修改能够使本系统在对采样动力装置进行控制时，稳定快速的解决实际流量与目标流量的偏差，进一步确保采样通道内的流量快速恒定。

数据处理模块7包括有存储单元71，存储单元71用于接收主控制台1传输的信息和处理单元72处理结果信息并存储上述信息。将存储数据的任务交托给存储单元71，使得处理单元72只需要处理的单次数据，分工明确有利于处理单元72更高效的处理数据。而存储单元71对所有数据进行记录和处理也有利于操作员对采样资料、设备资料等的历史数据的查询和调用。

一种控制流量的方法，包括如下步骤：

S1设定参数

S11通过输入模块6输入目标流量、流量保护阈值、流量降级次数；

S12主控制台1将从输入模块6中接收到的目标流量、流量保护阈值、流量降级次数传输至处理单元72进行流量降级处理；

S13处理单元72接收到上述数据后，将目标流量至流量保护阈值按流量降级次数划分等级，并将划分等级后的等级流量传输至存储单元71存储；

S2校准流量

S21主控制台1从测量子模块33中获取测量流量，从校准子模块32中获取差压传感器323传输的差压值、气压检测器322获取的气压值、温度传感器321获取的温度；

S22主控制台1将测量流量、气压值、温度值传输至处理单元72，处理单元72将测量流量代入流量换算公式：

标况流量＝(测量流量*p*293.15)/((t+273.15)*标准大气压)，其中P为单位公斤力每平方厘米，t为摄氏温度，将测量流量换算为标况流量并存储至存储单元71；

S22主控制台1将差压信息传输至处理单元72，处理单元72将接收到的差压值和从存储单元71调用的标况流量代入曲线方程获得校准曲线：y＝ax2+bx+c；

S23处理单元72将流量校准曲线存储至存储单元71；

S3测量采样通道实际流量

S31主控制台1从测量子模块33获取实时测量流量并传输至处理单元72；

S32处理单元72接收实时测量流量、实时气压、实时温度代入流量换算公式，将实时测量流量转换为标况流量；

S32处理单元72调用存储单元71中的校准曲线，通过校准曲线将标况流量换算成采样通道的实际流量，并将实际流量传输至主控制台1；

S4流量降级控制

主控制台1根据接收到的实际流量并从存储单元71中调取目标流量进行偏差对比；

当实际流量与目标流量的偏差值在允许误差范围，主控制台1将实际流量与目标流量传输至处理单元72并代入控制算法：

u(t)＝(Kp[e(t)+1/Ti∫e(t)dt])*(1+(Fg-F(t))/C)

其中e(t)为输入，u(t)为输，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，积分环节∫e(t)为运行过程中的误差累积量，理想状态下误差累积量为0，Fg为目标流量，F(t)为当前实际流量，C为常数；

处理单元72运算得出输出值，并将输出值传输至主控制台1，主控制台1根据输出值对校准子模块32发出调整采样动力装置的输出指令；

当实际流量与目标流量差值超出允许误差范围，主控制台1从存储单元71中调取下一等级流量，并将等级流量作为新目标流量，重复S3至S4；

S5警报

主控制台1调取最后一个等级流量作为目标流量后，将实际流量与目标流量对比，如果实际流量与目标流量差值超出允许误差范围，则主控制台1关闭样本采集器与采样动力装置停止采样，并通过显示屏8界面发出警报提示。

目标流量降级处理具体方式为：如果允许误差范围是0.95，设置目标流量为300m3/h，设置保护阈值为150m3/h且设置降级次数为2次，则等级流量分别为：225m3/h、150m3/h。在运行流量持续低于285m3/h时，流量降低至225m3/h运行，如果采样器继续运行一段时间后流量进一步降低且持续低于213.75m3/h，则采样器进一步降低流量至150m3/h运行，如果采样器运行流量下降至持续142.5m3/h以下则停止采样并生成相应保护记录。

本方法是在上述用于流量控制的大气检测系统的基础上针对流量保护的流量降级措施，能够在阻力过大时适当延长采样时间且相应参数可设。随着采样时间的增加，由于微粒的吸附而使滤膜的阻力增加，实际流量减小，实际流量与目标流量的偏差增大，本方法能够避免滤膜阻力过大时，采样动力装置负荷运动导致采样总时长缩短，整个设备的寿命缩短。通过控制流量降级，在实际流量与目标流量长时间差距过大时，降低系统中存储的目标流量，缩小实际流量与目标流量之间的偏差，从而降低采样动力装置的输出流量，既能保护设备在安全荷载下运作，又能适当延长采样时间，确保采样过程顺利安全的进行。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于流量控制的大气检测系统，其特征是：包括送膜模块(2)、采样模块(3)、送样模块(4)、分析模块(5)、主控制台(1)、显示屏(8)、输入模块(6)、数据处理模块(7)，所述主控制台(1)与送膜模块(2)、采样模块(3)、送样模块(4)、显示屏(8)、输入模块(6)、数据处理模块(7)连接并控制送膜模块(2)、采样模块(3)、送样模块(4)、显示屏(8)、输入模块(6)、数据处理模块(7)运作；

所述送膜模块(2)用于控制滤膜传送开启和关闭，将滤膜传输至采样模块(3)；

所述采样模块(3)用于接收送膜模块(2)传输的滤膜进行采样，并将采样后的滤膜传输至送样模块(4)；

所述送样模块(4)用于接收采样模块(3)传输的滤膜，先将采样完成的滤膜标号记录存储并将滤膜信息传输至主控制台(1)，再将采样模块(3)采集到的样本信息传输至分析模块(5)；

所述分析模块(5)与显示屏(8)相连接，用于分析样本信息并将分析结果传输至显示屏(8)；

所述输入模块(6)用于设定采样过程各项参数并将设定参数传输至主控制台(1)；

所述采样模块(3)内包括测量子模块(33)和校准子模块(32)，所述测量子模块(33)用于实时测量采样通道内的流量并将测量流量传输至主控制台(1)，所述校准子模块(32)中包括差压传感器(323)，所述差压传感器(323)与主控制台(1)连接，用于检测采样通道中流量的差压值并将压差信息传输至主控制台(1)，所述校准子模块(32)用于控制采样动力装置输出以调节采样通道流量；

所述主控制台(1)内设置校准点(x,y)用于获取校准曲线，所述校准点至少设置3个，其中y为设定流量校准值，x为测量流量达到校准值时差压传感器(323)内对应差压值，已知曲线方程为y＝ax²+bx+c，当测量子模块(33)传输至主控制台(1)的测量流量达到设定校准点的校准值时，所述主控制台(1)从差压传感器(323)中获取对应差压值，并将互相对应的测量流量与差压值传输至数据处理模块(7)，所述数据处理模块(7)将互相对应的测量流量与差压值代入曲线方程进行代码运算获取校准曲线，该校准曲线用于将接收的实时测量数据换算为实际流量，所述主控制台(1)根据运算后的实际流量和输入模块(6)设定的目标流量之间的偏差对校准子模块(32)发出调整采样动力装置的输出指令。

2.根据权利要求1所述的一种用于流量控制的大气检测系统，其特征是：所述校准子模块(32)中包括温度传感器(321)、气压检测器(322)，所述温度传感器(321)、气压检测器(322)均与主控制台(1)连接，所述温度传感器(321)用于检测采样通道的实时温度并将温度信息传输至主控制台(1)，所述气压检测器(322)用于检测采样通道内的气压并将气压信息传输至主控制台(1)，所述数据处理模块(7)内还设置有流量换算公式：

标况流量＝(测量流量*p*293.15)/((t+273.15)*标准大气压)，其中P为单位公斤力每平方厘米，t为摄氏温度；

所述主控制台(1)将测量流量、温度信息、气压信息传输至数据处理模块(7)，所述数据处理模块(7)通过流量换算公式将测量流量换算为标况流量进行校准运算。

3.根据权利要求1所述的一种用于流量控制的大气检测系统，其特征是：所述采样模块(3)包括换膜子模块(31)、压膜单元(311)、走膜单元(312)、限位传感器(313)，所述压膜单元(311)、走膜单元(312)、限位传感器(313)均与换膜子模块(31)连接；

所述压膜单元(311)用于控制样本采集器压选送膜模块(2)传送的滤膜后进行采样准备；

所述走膜单元(312)用于控制样本采集器在采集到样本信息后抬升释放滤膜并将滤膜传输至送样模块(4)；

所述限位传感器(313)用于检测样本采集器在下压和抬升过程相对于上下限位所处的位置，并将位置信息传输至换膜子模块(31)，所述换膜子模块(31)通过限位传感器(313)传输的位置控制采样动力装置和送膜模块(2)，当样本采集器处于下限位时控制送膜模块(2)关闭滤膜传送并控制采样动力装置开启提供恒定流量进行采样，当样本采集器处于上限位时，所述换膜子模块(31)控制采样动力装置关闭并将采样完成的滤膜传输至送样模块(4)。

4.根据权利要求3所述的一种用于流量控制的大气检测系统，其特征是：所述采样模块(3)还包括有时钟单元(314)，所述时钟单元(314)与换膜子模块(31)连接，用于检测和控制压膜单元(311)和走膜单元(312)的时长信息并将时长信息传输至换膜子模块(31)，所述换膜子模块(31)根据接收到主控制台(1)设定的下压或抬升时长数据对压膜单元(311)和走膜单元(312)进行控制，并将时钟单元(314)传输的时长信息反馈至主控制台(1)。

5.根据权利要求1所述的一种用于流量控制的大气检测系统，其特征是：所述数据处理模块(7)包括有处理单元(72)，所述处理单元(72)内存储有用于控制采样动力装置的控制算法，输入e(t)与输出u(t)的关系为：

u(t)＝(Kp[e(t)+1/Ti∫e(t)dt])*(1+(Fg-F(t))/C)；

其中Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，积分环节∫e(t)为运行过程中的误差累积量，理想状态下误差累积量为0，Fg为目标流量，F(t)为当前实际流量，C为常数。

6.根据权利要求5所述的一种用于流量控制的大气检测系统，其特征是：所述数据处理模块(7)包括有存储单元(71)，所述存储单元(71)用于接收主控制台(1)传输的信息和处理单元(72)处理结果信息并存储所有信息。

7.一种用于流量控制的大气检测方法，其特征是：包括如下步骤：

S1设定参数

S11通过输入模块(6)输入目标流量、流量保护阈值、流量降级次数；

S12主控制台(1)将从输入模块(6)中接收到的目标流量、流量保护阈值、流量降级次数传输至处理单元(72)进行流量降级处理；

S13处理单元(72)接收到上述数据后，将目标流量至流量保护阈值按流量降级次数划分等级，并将划分等级后的等级流量传输至存储单元(71)存储；

S2校准流量

S21主控制台(1)从测量子模块(33)中获取测量流量，从校准子模块(32)中获取差压传感器(323)传输的差压值、气压检测器(322)获取的气压值、温度传感器(321)获取的温度；

S22主控制台(1)将测量流量、气压值、温度值传输至处理单元(72)，处理单元(72)将测量流量代入流量换算公式：

标况流量＝(测量流量*p*293.15)/((t+273.15)*标准大气压)，其中P为单位公斤力每平方厘米，t为摄氏温度，将测量流量换算为标况流量并存储至存储单元(71)；

S22主控制台(1)将差压信息传输至处理单元(72)，处理单元(72)将接收到的差压值和从存储单元(71)调用的标况流量代入曲线方程获得校准曲线：y＝ax²+bx+c；

S23处理单元(72)将流量校准曲线存储至存储单元(71)；

S3测量采样通道实际流量

S31主控制台(1)从测量子模块(33)获取实时测量流量并传输至处理单元(72)；

S32处理单元(72)接收实时测量流量、实时气压、实时温度代入流量换算公式，将实时测量流量转换为标况流量；

S32处理单元(72)调用存储单元(71)中的校准曲线，通过校准曲线将标况流量换算成采样通道的实际流量，并将实际流量传输至主控制台(1)；

S4流量降级控制

主控制台(1)根据接收到的实际流量并从存储单元(71)中调取目标流量进行偏差对比；

当实际流量与目标流量的偏差值在允许误差范围，主控制台(1)将实际流量与目标流量传输至处理单元(72)并代入控制算法：

u(t)＝(Kp[e(t)+1/Ti∫e(t)dt])*(1+(Fg-F(t))/C)；

其中e(t)为输入，u(t)为输，Kp为比例系数，Ti为积分时间常数，积分环节∫e(t)为运行过程中的误差累积量，理想状态下误差累积量为0，Fg为目标流量，F(t)为当前实际流量，C为常数；

处理单元(72)运算得出输出值，并将输出值传输至主控制台(1)，主控制台(1)根据输出值对校准子模块(32)发出调整采样动力装置的输出指令；

当实际流量与目标流量差值超出允许误差范围，主控制台(1)从存储单元(71)中调取下一等级流量，并将等级流量作为新目标流量，重复S3至S4；

S5警报

主控制台(1)调取最后一个等级流量作为目标流量后，将实际流量与目标流量对比，如果实际流量与目标流量差值超出允许误差范围，则主控制台(1)关闭样本采集器与采样动力装置停止采样，并通过显示屏(8)界面发出警报提示。

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