Research on Constant Speed Sampling Control System of Ultra-low Dust
张振兴① ZHANG Zhen-xing；白相杰① BAI Xiang-jie；彭海剑① PENG Hai-jian；
汤征宇① TANG Zheng-yu；王史峰① WANG Shi-feng；康杰② KANG Jie
（①中节能天融科技有限公司，北京 100085；②北京农业职业学院，北京 102442）
（①CECEP Talroad Technology Co.，Ltd.，Beijing 100085，China；
②Beijing Vocational College of Agriculture，Beijing 102442，China）
摘要：针对目前抽取式超低烟尘检测仪的等速采样系统，设计了基于PID的闭环等速控制系统；采用静压平衡法，以stm32为主控器，微差压传感器为检测器，步进电机及针阀为执行器，通过控制射流器的流量，从而实现了闭环PID自动等速采样系统；实验数据表明，该自动等速采样系统完全符合目前对超低烟尘设备测量的要求，等速效果良好，误差低于8%；并介绍了系统的组成及软硬件设计。
Abstract: Aiming at the constant speed sampling system of ultra-low dust detector, a closed-loop constant-speed control system based on PID is designed. The static pressure balance method is adopted; stm32 as main controller and micro differential pressure sensor as detector; the motor and needle valve are actuators. By controlling the flow of the ejector indirectly, the closed-loop PID automatic isokinetic sampling system is realized. The experimental data show that the automatic isokinetic sampling system fully meets the current requirements of ultra-low smoke equipment measurement, equal speed effect is good, the error is less than 8%; and the system's composition and hardware and software design are introduced.
关键词：等速采样；静压平衡；步进电机；针阀；PID
Key words: constant speed sampling；static pressure balance；stepping motor；needle valve；PID
中图分类号：X85 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2019）01-0123-03
0 引言
我国目前已经对改善环境质量、应对气候变化提出了更高的要求，企业的节能减排形式依然严峻。而企业污染排放中颗粒物的检测标准也越来越严格，尤其以电厂实现“超低排放”后，要求颗粒物浓度要低于10mg/m3，甚至于部分地区要求低于5mg/m3。这一要求的提出，对于CEMS中烟尘在线连续监测设备的性能提出更高的要求[1]。目前针对超低烟尘检测常用的方法是抽取式前散射法，该方法的一个主要测量误差来源于抽取污染源时的非等速采样。实现污染源自动等速采样，是优化烟尘在线连续监测设备的一个重要手段。
本文采用国标规定的四种采样方法中的静压平衡法[2]，利用静压与流速成正比的特点，设计了全自动闭环控制的等速采样系统，可以实时调整采样速度，保证采样有效性，对提高烟尘检测准确性有着重要意义，该等速系统可有效应用于有等速采样要求超低监测系统。
1 系统总体设计方案
1.1 静压平衡法采样原理
抽取式烟尘监测要求等速采样，其原因如图1所示，如果采样嘴内的流速V1大于烟道内流速V2，采样嘴四周的颗粒物会被抽入，导致实际的烟尘监测数据偏大；如果采样嘴内的流速V1小于烟道内流速V2，由于颗粒物惯性的原因，会导致其原理其远离采样嘴而不被其采集，导致实际的烟尘监测数据偏小[3] [4]；当V1等于V2时，测的烟尘浓度才更符合实际烟道内的浓度。
根据努伯利方程：
■
（1）
其中：P1、P2表示采样嘴内壁压力及烟道压力；V1、V2表示采样嘴采样流速计烟道流速；?籽为气体密度，g为重力加速度，h为该点所在高度。
已知公式中?籽g相等，h约等，故只需P1等于P2，则V1等于V2；因此只需依据P1和P2的压力值，即可调整采样速度，实现等速采样。此方法用于测量低浓度排放源时，操作简单，使用方便，对采样探头设计没有特殊的要求；但是此方法不利于反推烟道的流速以及流量等数据，且由于采样嘴结构的限制，该结构不适合高含尘以及粘接性强的现场[5]。
1.2 系统方案设计
等速采样系统的主要构成是主控电路、微差压传感器、步进电机、串口屏、针阀、射流器、检测室、伴热管、采样管、采样嘴。整体结构框图如图2所示。
系统的主控电路是以STM32单片机为控制核心，通过微差压传感器测量如图1所示的等速采样嘴上的P1与P2的压差，其中等速采样嘴安装在采样管上，当微差压传感器的压力值为0时，系统的采样速度与烟道流速相等[6]；射流器是利用空压气在其腔体内产生负压，进而形成抽力，其抽取的流量与空压力进入射流器的流量成正相关；针阀的功能是调节空压气的流量，通过步进电机可以调节针阀的开度，进而实现控制采样速度[7]；同时微控器通过压差传感器的反馈值，实时调整步进电机，从而实现同步等速采样；伴热管是用来预热采样器，防止凝结水干扰进入检测室，干扰监测数据；触摸串口屏为人机交互界面，串口方式通讯，具有价格低廉，性能优越，使用方便的特点，在本设计中主要用于显示修改PID参数，显示系统压力值，故障报警等。
2 系统的关键选型
2.1 微差压传感器
系统的差压传感器的选择，不仅影响系统的稳定性，更对系统的整体精度有着重要影响[9]。因此本设计选用的是霍尼韦尔的高精度硅陶瓷微差压传感器HSC001ND。该传感器测量量程为正负250帕斯卡，总误差带却仅为正负3%，具有良好的准确度和互换性；此外该传感器还具有高灵敏度和高过压与高爆破压力特性，可在2.7kPa的压力下正常工作，在过压至67kPa后恢复正常，爆破压力值达103kPa，能适应相对恶劣环境；传感器内部补偿温度范围-20℃至85℃条件下，确保不同环境温度下传感器的精准度；此外该传感器还具有对震动不敏感，功耗低，具有IPS或I2C接口，数字接口可提高与微处理器的交互性能；板级的微型封装更方便设计安装。
2.2 精密调压阀及步进电机
系统的整体控制精度一方面是受到反馈差压传感器的精度影响，另一方面则由执行控制机构精度决定。本设计选用的调压阀是日本CDK公司的RP1000802精密调压阀，该精密阀的可调压力范围为0.003-0.2MPa，其灵敏度为满量程的0.1%以内，而重复精度为满量程的正负0.5%，使用温度-5℃至50℃（非冻结），该灵敏度及精度完全符合本设计的要求，图3，4分别为RP1000802的流量特性及溢流的流量特性。在自动调整时，为了满足精密调压阀的精度，选用步进角为1.8度的步进电机时，并使用三洋LV8731V步进电机驱动芯片进行了16细分；也即是单次可调步进角度1.8/16度，完全满足需求。具体的设计方案及实验数据详见下节。
3 系统软硬件设计
3.1 系统的硬件设计
STM32f103微控制内嵌多个UART接口，方便了系统设计多路通讯[10]。为了方便终端用户的使用，采用串口屏显示差压值，以及调整PID参数等；增设了RS485通讯电路，可通过远程显示以及修改相关参数；微差压传感器使用I2C直接与STM32通讯；步进电机通过PWM控制，采用三洋定电流驱动芯片LV8731。图5为系统的总体硬件框图。
3.2 系统的软件设计
系统软件设计主要是：系统的各参数初始化、双串口中断启动、串口LCD显示、差压数值读取、PID反馈调节电机函数等[11]。具体的控制流程如图所示[12] [13]。
4 实验数据及结论
在等流速实验时，使用的等速采样装置量程为0-15m/s；使用风洞模拟烟道，风洞上安装有S型皮托管[14] 。风洞上安装有风机，该风机频率可调，采样管嘴直径为6mm；实验步骤为更改风机频率，使用S型皮托管皮托管测出不同风机频率下风洞的流速V1记录在表1中；然后取下S型皮托管，在相同位置安装等速采样装置，并在等速采样管的尾端串联一个校准后的浮子流量计，按照上次特定的风机频率，等待等速采样装置调整完成后，依次记下此时浮子流量计的流量VF，记录表1中；根据公式（2），可计算出V2；进而计算出等速采样装置的等速效果。
■（2）
其中VF是浮子流量计的读数，单位L/min；V2是等速采样管采样流速；r是采样嘴半径，单位m；
经公式计算后将V2记录在表1中。并计算出满量程下各点的误差值，如表1所示。
根据国标HJT48-1999中静压平衡法等速采样器吸引误差应不大于正负8%的规定[15] [16]，上述表1的实验表明，该等速采样装置不仅符合国标规定，并且数据测的最大误差值仅为负3.51%，优于国标的规定，对于提升烟尘测量的精确度有着重要的影响。
参考文献：
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[3]冉华军，李健，牟书丹.基于模糊自适应 PID 控制的直流电机调速系统[J].通信电源技术，2017，34（1）：23-25.
[4]暴翔，何小刚.基于模糊 PID 控制器的等速采样系统[J].煤炭技术，2017（6）：273-275.
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[10]Prata S. C++ primer plus[M]. SAMS publishing， 2002.
[11]Jeon H K， Kim H R， Choi J M， et al. High speed serial interface for mobile LCD driver IC[C]//2008 IEEE International Symposium on Circuits and Systems. IEEE， 2008: 157-160.
[12]Waite M， Prata S， Martin D. C primer plus[M]. Sams， 1987.
[13]Prata S. C++ primer plus[M]. SAMS publishing， 2002.
[14]固定污染源烟气排放连续监测技术要求及检测方法，HJ 76-2017.
[15]固定污染源连续排放检测技术规范，HJ 75-2017.
[16]烟尘采样机技术条件，HJT 48-1999. |
