CN112947632A - 一种应用于色谱温度控制的装置及其温度控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于色谱温度控制的装置及其温度控制方法，用于对气相色谱仪内安装的进样口、色谱填充柱、气相色谱检测器和毛细管柱进行加热控制，所述装置包括：温度采集模块、控制单元和执行单元；所述温度采集模块用于采集外界气相色谱仪内的温度数据；所述控制单元包括A/D转换模块和电脑，其中，所述A/D转换模块用于对所述温度采集模块采集的色谱温度数据进行A/D转换，并将A/D转换后的色谱温度数据上传至所述电脑中。本发明的优点是低功率模块控温精度可达±0.02℃，大功率模块控温精度可达±0.05℃；稳定时间短，在10min之内；稳定性好，同一组PID参数用在组织结构相同的不同设备上，可实现良好的控温效果；并且对基线的影响很小。

Description

一种应用于色谱温度控制的装置及其温度控制方法

技术领域

本发明涉及色谱温度控制技术领域，具体为一种应用于色谱温度控制的 装置及其温度控制方法。

背景技术

气相色谱温度控制系统随着气相色谱技术的成长而逐渐发展起来，温控 是色谱仪检测的必要条件，温度的控制直接影响色谱柱的分离效能、检测器 的灵敏度和稳定性。

一个完整的温控系统应该包括主控系统、硬件结构、控温方式及控温算 法，目前主流的温度控制主控系统是单片机温度控制系统，其精度高，反应 速度快，对环境要求不高，价格便宜且易于实现，能够大规模运用和生产； 对于恒温控制方式，连续式温度控制电路能按照柱箱温度和设定温度的差值 连续的供给加热功率，温度差大时，加热功率大，温度差小时，加热功率小； 而控制算法方面，PID控制是最早发展起来的控制策略之一，由于其算法简单、 鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于过程控制和运动控制中。

综上，本文着眼于系统本身，研究出一种新型控温方法，以单片机为主 控系统，电路采用交流电桥测温的可控硅连续式温度控制电路，算法采用积 分分离式加抗积分饱和式融合PID算法，主控方法包括数据滤波、PID控制算 法，还有占空比均匀分配算法及SSR驱动输出周期控温的控温方法等。

发明内容

本发明的目的在于提供一种应用于色谱温度控制的装置及其温度控制方 法，以解决上述背景技术中提出的问题。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种应用于色谱温度控制的装置及其温度控制方法，用于对气相色谱仪 内安装的进样口、色谱填充柱、气相色谱检测器和毛细管柱进行加热，所述 装置包括：温度采集模块、控制单元和执行单元；

所述温度采集模块用于采集外界气相色谱仪内的温度数据；

所述控制单元包括A/D转换模块和电脑，其中，所述A/D转换模块用于 对所述温度采集模块采集的色谱温度数据进行A/D转换，并将A/D转换后的 色谱温度数据上传至所述电脑中，且所述电脑用于对色谱温度数据进行处理， 并根据处理结果发送控温指令至所述执行单元；

所述执行单元包括继电器模块和加热模块；其中，所述电脑根据控温指 令完成对所述继电器模块的开关量控制，且所述加热模块通过所述继电器模 块连接在所述电脑上，用于通过所述继电器模块的开关量变化控制所述加热 模块的加热温度、加热时间和加热周期。

进一步的，还包括上位机单元，所述上位机单元包括数据采集模块和数 据分析模块；其中，所述数据采集模块用于采集待检测物质通入外界的气相 色谱仪后形成电压信号，并将采集到的电压信号上传至所述数据分析模块中， 且所述电脑通过加载所述数据分析模块对采集到的电压信号进行分析，得出 待检测物质的种类及浓度数据。

进一步的，所述温度采集模块为PT100温度传感器。

进一步的，所述继电器模块为过零型交流固态继电器；

进一步的，所述加热模块为加热棒、加热丝中的一种或多种。

一种温度控制方法，包括以下步骤：

步骤1：温度采集与A/D转换

通过温度采集模块采集外界气相色谱仪内的温度数据，并通过A/D转换 模块进行色谱温度数据的A/D转换，得到稳定的温度值用于后续计算；

步骤2：数据滤波

取步骤1中连续10次采集的温度值的中位数，并对10次中位数的平均 值作为一次控温读数；

步骤3：PID控制

每读两次控温读数执行一次PID控制，并将PID增量转为占空比用于加 热模块的加热控制；

步骤4：均匀分配占空比

用于分配加热模块的控温时间，实时控制温度；

步骤5：SSR周期控制

用于控制加热模块的加热周期；

步骤6：继电器控制与执行加热

经电脑计算加热时间后，通过控制继电器模块的通断，启动加热模块进 行加热。

进一步的，步骤3中，PID控制的计算流程如下：

1：设定两个限值Threshold1，Threshold2，控制加热的目标温度与温度 采集模块(1)测得的实际温度的误差为：Terror＝目标温度-实际温度；

2：当Terror大于Threshold1时，全速升温；当Terror小于(- Threshold1)时，不加热；当|Terror|小于Threshold1时，执行PID控制；

3：当Terror由大于Threshold1变为小于Threshold1时，立刻将占空 比设为0，并且设置标志位，执行PID控制；

4：当|Terror|大于Threshold2时，只进行PD控制；增量计算公式如 下：

I＝K_p*Error+K_d*(Error-lastError)

当|Terror|小于Threshold2时，进行PID控制，增量计算公式如下：

I＝K_p*Error+K_i*sumError+K_d*(Error-lastError)

其中，I为PID增量，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数， Error为当前误差，sumError为累计误差，lastError为上一次的误差；

5：将PID增量转换为占空比，并对占空比进行限幅。当占空比大于最大 限幅值100时，取占空比为100；当占空比小于0时，取占空比为0。占空比 转换公式为：

Pwm＝1000*I/3000

其中，Pwm为占空比，I为PID增量。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.本发明的控温精度高，填充柱箱、进样系统等低功率模块控温精度≤ ±0.02℃，色谱柱箱等大功率模块控温精度≤±0.05℃。

2.本发明的稳定时间短，对于色谱内的各个加热模块，从室温升到需要 的温度(本装置中最高不超过150℃)，稳定时间均小于10min。

3.本发明的稳定性好，同一组PID参数用在组织结构相同的不同设备上， 可实现良好的控温效果；

4.本发明的基线影响小，待测系统运行稳定后，再连续运行24h，基线整 体漂移在0.2mv以内，基线本身宽度为0.14mv。

附图说明

图1为本发明一种应用于色谱温度控制的装置及其温度控制方法的色谱 温度控制硬件结构示意图；

图2为本发明一种应用于色谱温度控制的装置及其温度控制方法的填充 柱箱控温精度曲线示意图；

图3为本发明一种应用于色谱温度控制的装置及其温度控制方法的色谱 柱箱控温精度曲线示意图；

图4为本发明一种应用于色谱温度控制的装置及其温度控制方法的温度 对色谱出峰影响对比示意图。

图中：1、温度采集模块；2、控制单元；21、A/D转换模块；22、电脑； 3、执行单元；31、继电器模块；32、加热模块；4、上位机单元；41、数据 采集模块；42、数据分析模块。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行 清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而 不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做 出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：

一种应用于色谱温度控制的装置及其温度控制方法，用于对气相色谱仪 内安装的进样口、色谱填充柱、气相色谱检测器和毛细管柱进行加热，所述 装置包括：温度采集模块1、控制单元2和执行单元3；

所述温度采集模块1用于采集外界气相色谱仪内的温度数据；

所述控制单元2包括A/D转换模块21和电脑22，其中，所述A/D转换模 块21用于对所述温度采集模块1采集的色谱温度数据进行A/D转换，并将A/D 转换后的色谱温度数据上传至所述电脑22中，且所述电脑22用于对色谱温 度数据进行处理，并根据处理结果发送控温指令至所述执行单元3；

所述执行单元3包括继电器模块31和加热模块32；其中，所述电脑22 根据控温指令完成对所述继电器模块31的开关量控制，且所述加热模块32 通过所述继电器模块31连接在所述电脑22上，用于通过所述继电器模块31 的开关量变化控制所述加热模块32的加热温度、加热时间和加热周期。

本发明中，还包括上位机单元4，所述上位机单元4包括数据采集模块 41和数据分析模块42；其中，所述数据采集模块41用于采集待检测物质通 入外界的气相色谱仪后形成电压信号，并将采集到的电压信号上传至所述数 据分析模块42中，且所述电脑22通过加载所述数据分析模块42对采集到的 电压信号进行分析，得出待检测物质的种类及浓度数据。

本发明中，所述温度采集模块1为PT100温度传感器。

本发明中，所述继电器模块31为过零型交流固态继电器；

本发明中，所述加热模块32为加热棒、加热丝中的一种或多种。

一种温度控制方法，包括以下步骤：

步骤1：温度采集与A/D转换

通过温度采集模块1采集外界气相色谱仪内的温度数据，并通过A/D转 换模块21进行色谱温度数据的A/D转换，得到稳定的温度值用于后续计算；

步骤2：数据滤波

取步骤1中连续10次采集的温度值的中位数，并对10次中位数的平均 值作为一次控温读数；

步骤3：PID控制

每读两次控温读数执行一次PID控制，并将PID增量转为占空比用于加 热模块32的加热控制；

步骤4：均匀分配占空比

用于分配加热模块32的控温时间，实时控制温度；

步骤5：SSR周期控制

用于控制加热模块32的加热周期；

步骤6：继电器控制与执行加热

经电脑22计算加热时间后，通过控制继电器模块31的通断，启动加热 模块32进行加热。

本发明中，步骤3中，PID控制的计算流程如下：

1：设定两个限值Threshold1，Threshold2，控制加热的目标温度与温度 采集模块1测得的实际温度的误差为：Terror＝目标温度-实际温度；

2：当Terror大于Threshold1时，全速升温；当Terror小于-Threshold1 时，不加热；当|Terror|小于Threshold1时，执行PID控制；

3：当Terror由大于Threshold1变为小于Threshold1时，立刻将占空 比设为0，并且设置标志位，执行PID控制；

4：当|Terror|大于Threshold2时，只进行PD控制；增量计算公式如 下：

I＝K_p*Error+K_d*(Error-lastError)

当|Terror|小于Threshold2时，进行PID控制，增量计算公式如下：

I＝K_p*Error+K_i*sumError+K_d*(Error-lastError)

其中，I为PID增量，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数， Error为当前误差，sumError为累计误差，lastError为上一次的误差；

5：将PID增量转换为占空比，并对占空比进行限幅。当占空比大于最大 限幅值100时，取占空比为100；当占空比小于0时，取占空比为0。占空比 转换公式为：

Pwm＝1000*I/3000

其中，Pwm为占空比，I为PID增量。

每次更新占空比执行如下操作：

1.上一段控温的最后一次升温处理

判断当前升温位置与上一次升温位置的距离，如果该距离超过升温周期 的一半，进行一次升温，否则不升温，也就是说，按照上一次的控温要求， 很快又需要升温了，那就完成这一次升温再按新的占空比执行控温，这样做 的原因是，计算完占空比不会立即升温，而是不升温、升温交替执行，该操 作使得控温效果更接近上一次的控温，不至于长时间没有升温或没有及时调 控温度而影响控温精度，

2.计算占空比

利用PID控制占空比计算方法计算占空比，

3.确定均匀升温时间点

占空比是高电平持续时间和低电平持续时间之间的比例，将这种比例均 匀的分配到控温时间段之间有利于使加热更均匀，实时控制温度，

①计算升温周期，升温周期是指两次升温时间点的间隔长度，计算如下：

升温周期＝100/占空比；

②对于可以整除的情况，按照升温周期间隔升温即可，升温时间点计算 方式如下：

升温时间点＝升温周期*周期计数；

③对于不可以整除的情况，升温时间点计算方式如下：

其中

为向下取整符号，这样操作可以使升温时间点近似均匀分布， 4.执行升温操作，

因为电压是50hz的交流电，所以电压波动周期是20ms，半个周期是10ms， 因此，可将控温时间段划分为以10ms为单位的小的时间段，用指针扫描这些 小的时间段，遇到升温节点就升温，并累加周期计数，计算下一次升温节点，

由于读取温度需要时间，远大于控温程序运行时间，所以此升温过程会 执行很多次，

5.重复上述操作；

根据SSR周期控制的特性，本发明的控温方式如下：

1.延迟5ms，之所以延迟5ms，是因为半个周期为10ms，检测到过零点会 延迟3ms，再延迟5ms一共8ms，刚好可以提前2ms拉高电平，由于PID控制 计算需要时间，所以执行PID计算时不需要延迟，

2.如果需要加热，拉高电平，电平的升高不是在过零点处，而是在检测 到过零点之前，这样做是确保在即将到来的零点处是高电平，

3.检测过零点，

4.延迟3ms，拉低电平，这样一方面是确保在过零点处给定的是高电平， 另一方面是为下一次升温做准备，由于升温速率远大于降温速率(本装置没 有降温措施，只能自然降温)，为了达到精准控温，不能一直加热或一直不 加热，需要将加热和不加热的周期时间段均匀分配，为此，本方法最小加热 周期是10ms半个周期，且始末点均为零点，在下一个零点来临之前会判断下 半个周期是否需要加热，

5.重复上述过程；

工作原理：

数据采集，即采集待检测物质的色谱数据信号。待检测物质通过氢火焰 离子检测器，形成离子流被收集、输出，经阻抗转化，放大器(放大10⁷～10¹⁰倍)便获得可测量的电信号，本装置获取该电信号，即完成数据采集。本装 置可以显示谱图曲线。

数据分析，经过滤波得到较为准确的真实信号，执行标定拟合，便可以 进行成分分析，所谓成分分析就是根据谱图的出峰情况，分析待检测物质中 的成分及浓度。

本实验采用固定污染源双通道气相色谱仪，通道1分析C₃H₈标气，通道2 分析苯系物标气。

待测系统运行稳定后，以浓度为0.47mg/m³的C₃H₈标气稀释后做总烃的检 出限实验，实验结果如下表。国家标准要求仪器检出限≤0.8mg/m³，而实验测 得总烃的检出限为0.059mg/m³，满足要求；

待测系统运行稳定后，以浓度为125mg/m³的C₃H₈标气做总烃的重复性实 验，实验结果如下表；国家标准要求重复性(相对标准偏差)≤2％，而实验 测得总烃的重复性为0.15％，满足要求；

待测系统运行稳定后，设定色谱柱箱温度为50℃，稳定4h后，分析测定 浓度为4ppb的苯系物标气，测定4组数据；更改色谱柱温度为50.5℃，稳定 1h后，分析测定浓度为4ppb的苯系物标气，测定4组数据；更改色谱柱温度 为49.5℃，稳定1h后，分析测定浓度为4ppb的苯系物标气，测定4组数据； 分别从三组温度对应的测定数据中抽取一组作为该温度下的出峰曲线，相较 于50℃时的出峰曲线，49.5℃时，出峰时间后移，50.5℃时，出峰时间前移， 说明0.5℃的温度变化即可对色谱峰的重复性有明显影响，而本发明的精度远 小于0.5℃，可以满足色谱仪对温度的要求；

注：相对标准偏差(RSD)的计算公式如下：

其中S为标准偏差(也可以表示为SD)，

为相应的平均值；

检出限(IDL)的计算公式如下：

式中：仪器检出限的单位是mg/m³，3.143是连续进样7次，在99％置信 区间内的t值。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来 将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示 这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、 “包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系 列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明 确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有 的要素。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而 言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行 多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限 定。

Claims (6)

1.一种应用于色谱温度控制的装置，用于对气相色谱仪内安装的进样口、色谱填充柱、气相色谱检测器和毛细管柱进行加热控制，其特征在于，所述装置包括：包括温度采集模块(1)、控制单元(2)和执行单元(3)；

所述温度采集模块(1)用于采集外界气相色谱仪内的温度数据；

所述控制单元(2)包括A/D转换模块(21)和电脑(22)，其中，所述A/D转换模块(21)用于对所述温度采集模块(1)采集的色谱温度数据进行A/D转换，并将A/D转换后的色谱温度数据上传至所述电脑(22)中，且所述电脑(22)用于对色谱温度数据进行处理，并根据处理结果发送控温指令至所述执行单元(3)；

所述执行单元(3)包括继电器模块(31)和加热模块(32)；其中，所述电脑(22)根据控温指令完成对所述继电器模块(31)的开关量控制，且所述加热模块(32)通过所述继电器模块(31)连接在所述电脑(22)上，用于通过所述继电器模块(31)的开关量变化控制所述加热模块(32)的加热温度、加热时间和加热周期。

2.根据权利要求1所述的应用于色谱温度控制的装置，其特征在于：还包括上位机单元(4)，所述上位机单元(4)包括数据采集模块(41)和数据分析模块(42)；其中，所述数据采集模块(41)用于采集待检测物质通入外界的气相色谱仪后形成电压信号，并将采集到的电压信号上传至所述数据分析模块(42)中，且所述电脑(22)通过加载所述数据分析模块(42)对采集到的电压信号进行分析，得出待检测物质的种类及浓度数据。

3.根据权利要求1所述的应用于色谱温度控制的装置，其特征在于：所述温度采集模块(1)为PT100温度传感器。

4.根据权利要求1所述的应用于色谱温度控制的装置，其特征在于：所述继电器模块(31)为过零型交流固态继电器；

所述加热模块(32)为加热棒、加热丝中的一种或多种。

5.一种温度控制方法，用于所述控制单元(2)完成权利要求1-4任一所述装置的温度控制，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：温度采集与A/D转换

通过温度采集模块(1)采集外界气相色谱仪内的温度数据，并通过A/D转换模块(21)进行色谱温度数据的A/D转换，得到稳定的温度值用于后续计算；

步骤2：数据滤波

取步骤1中连续10次采集的温度值的中位数，并对10次中位数的平均值作为一次控温读数；

步骤3：PID控制

每读两次控温读数执行一次PID控制，并将PID增量转为占空比用于加热模块(32)的加热控制；

步骤4：均匀分配占空比

用于分配加热模块(32)的控温时间，实时控制温度；

步骤5：SSR周期控制

用于控制加热模块(32)的加热周期；

步骤6：继电器控制与执行加热

经电脑(22)计算加热时间后，通过控制继电器模块(31)的通断，启动加热模块(32)进行加热。

6.根据权利要求5所述的温度控制方法，其特征在于：步骤3中，PID控制的计算流程如下：

1：设定两个限值Threshold1，Threshold2，控制加热的目标温度与温度采集模块(1)测得的实际温度的误差为：Terror＝目标温度-实际温度；

2：当Terror大于Threshold1时，全速升温；当Terror小于(-Threshold1)时，不加热；当|Terror|小于Threshold1时，执行PID控制；

3：当Terror由大于Threshold1变为小于Threshold1时，立刻将占空比设为0，并且设置标志位，执行PID控制；

4：当|Terror|大于Threshold2时，只进行PD控制；增量计算公式如下：

I＝K_p*Error+K_d*(Error-lastError)

当|Terror|小于Threshold2时，进行PID控制，增量计算公式如下：

I＝K_p*Error+K_i*sumError+K_d*(Error-lastError)

其中，I为PID增量，K_p为比例系数，K_i为积分系数，K_d为微分系数，Error为当前误差，sumError为累计误差，lastError为上一次的误差；

5：将PID增量转换为占空比，并对占空比进行限幅。当占空比大于最大限幅值100时，取占空比为100；当占空比小于0时，取占空比为0。占空比转换公式为：

Pwm＝1000*I/3000

其中，Pwm为占空比，I为PID增量。

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