一種用於離子遷移譜儀的氣體流速自動控制裝置的製作方法
2023-10-24 05:06:02
專利名稱：一種用於離子遷移譜儀的氣體流速自動控制裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及離子遷移譜技術領域，尤其涉及一種可以用於離子遷移譜儀的氣體流速自動控制裝置，精確控制氣路中的氣體流速，起到保證離子遷移譜儀精確穩定工作的作用。
背景技術：
當前對爆炸物、毒品、以及大氣環境中苯、芳香烴類等有毒致癌物質的檢測是一項艱巨的任務，常規的手段有光譜分析、電子鼻、色譜質譜聯用、離子遷移譜等。光譜分析法雖然較為準確，但對樣品較為苛刻，對採樣得到的固體樣品需要先進行壓片，對採集到的氣體樣品則需要用專用的氣體樣品池進行檢測，並且難以從幹擾信號中分辨出來自痕量爆炸物的微弱信號。另外，高可靠性、高靈敏度的光譜儀通常體積和重量均較大，而且價格昂貴，目前主要在實驗室中使用，難以大量應用於現場環境的實時監測。 「電子鼻」屬於化學傳感器，其靈敏度也較高，但選擇性和穩定性在短期內難以有較大改善， 在具體應用時一般是將性能各異的化學傳感器組成陣列，並採用神經網絡等智能技術進行多傳感器信息融合，其檢測對象通常是一些混合物氣體。氣相色譜與電子捕獲器聯用技術的檢測原理是，不同種類的氣體分子在色譜柱中停留的時間不同，先將氣體樣品分子注入色譜柱，對某個特定時間段流出色譜柱的氣體分子進行離化處理，使其成為帶電的離子，然後用電極進行收集。根據電極上是否有放電電流以及電流大小，即可確定氣體樣品分子的種類和數量。該方法特異性不是很強，多種對電子具有較強親和能力的化學物質都會引起報警，誤報率較高。另外，檢測時還需配備一個專用的儲氣罐以提供高純載氣(一般是氦氣或氮氣)，因而不易於便攜使用。離子遷移譜是該領域的一種主流技術，已經實現了儀器的小型化甚至可以便攜使用，是世界各國研究的研究重點。其核心部件是一個離子遷移管，遷移管的最前部設置樣品入口，被測樣品在載氣的帶動下由此進入離化區，載氣一般是純淨的氮氣或淨化過的空氣。 IMS樣品的離化有很多種方式。目前，在IMS中最常用的離化源還是採用放射性材料製成。 樣品分子在離化區裡形成離子後，並不直接進入遷移區，而是先集結在離子門的前部，只有在離子門開啟時，才能同步進入遷移區中進行漂移。離子門實際上是兩個靠得很近(0. Imm) 的門柵，中間夾著一層絕緣膜片組成，通常情況下，在兩個門柵上加上和離子漂移方向相反的電壓信號，由於該電場的作用，離子會被束縛在門柵之間，此時離子門關閉；當電壓信號撤去時，離子門開啟，離子進入遷移區內在電場力的作用下產生漂移運動。在離子遷移譜的工作過程中，載氣在儀器內部的流速是影響其正常工作的重要因素。因為到達檢測電極的離子信號強度與樣品離子的濃度成正比，而影響樣品離子濃度的主要因素有三個(a)進入離化區前樣品氣體的濃度；(b)樣品分子在離化區的離化效率； (c)樣品離子從離化區到檢測區的複合機率。放射源作為離化源離化效率基本恆定，當載氣流速變化時，主要考慮進入離化區前樣品氣體濃度變化和樣品離子從離化區到檢測區的複合機率的變化所引起的樣品離子濃度的改變。[0006]因此保證離子遷移譜內部氣體流速穩定對離子遷移譜的正常工作有重要意義。
實用新型內容本實用新型的目的在於針對現有技術存在的諸多缺陷，提供一種用於離子遷移譜儀的氣體流速自動控制裝置，精確控制氣路中的氣體流速，起到保證離子遷移譜儀精確穩定工作的作用。為了實現上述目的，本實用新型的技術方案如下一種用於離子遷移譜儀的氣體流速自動控制裝置，設置在離子遷移譜儀的氣路中，其特徵在於，包括用於測量氣體流速並轉換輸出相應氣體流速電信號的氣體流速傳感器、負責採集轉換後的氣體流速電信號並處理後輸出控制信號的數據採集處理裝置、以及通過該控制信號來控制氣體流速的氣體流速控制裝置，所述氣體流速傳感器與數據採集處理裝置的輸入端連接，數據採集處理裝置的輸出端與氣體流速控制裝置連接。在本實用新型的一個優選實施例中，所述數據採集處理裝置包括AD轉換模塊、數據處理模塊和電流輸出模塊三部分，AD轉換模塊的輸入端與氣體流速傳感器連接，AD轉換模塊依次連接數據處理模塊和電流輸出模塊，電流輸出模塊的輸出端與氣體流速控制裝置連接。在本實用新型的一個優選實施例中，所述氣體流速控制裝置是微型氣體比例控制閥。在本實用新型的一個優選實施例中，氣體流速傳感器包括主要流通管和毛細感應管，所述毛細感應管內設置有高精度溫度感應線圈。本實用新型首先通過氣體流速傳感器測量氣體流速並轉換輸出相應氣體流速電信號，然後進行AD轉換，經過低通濾波後，計算得到相應的控制值並輸出相應的控制信號， 微型氣體比例控制閥通過該控制信號將其控制在相應開度，從而精確控制氣路中的氣體流速。
以下結合附圖和具體實施方式
來詳細說明本實用新型
圖1為本實用新型的總體框圖。圖2為本實用新型的數據採集處理裝置所用電路圖。圖3為本實用新型的PID控制框圖。
具體實施方式
為了使本實用新型實現的技術手段、創作特徵、達成目的與功效易於明白了解，下面結合具體實施例進一步闡述本實用新型。參見圖1，一種用於離子遷移譜儀的氣體流速自動控制裝置，設置在離子遷移譜儀的氣路中，用於保證離子遷移譜內部氣體流速穩定。該氣體流速自動控制裝置主要包括氣體流速傳感器1、數據採集處理裝置3和氣體流速控制裝置2三部分。氣體流速傳感器1與數據採集處理裝置3的輸入端連接，數據採集處理裝置3的輸出端與氣體流速控制裝置2 連接。[0020]氣體流速傳感器1用於測量氣體流速並轉換輸出相應氣體流速電信號。氣體流速傳感器可以精確檢測氣體流速，包括主要流通管和毛細感應管，測量的氣體被分流到這兩個氣體通道內，毛細感應管內設置有兩根高精度溫度感應線圈。當氣體流動開始時，氣體攜帶熱量從上遊線圈到下遊線圈，結果使高精度溫度感應線圈電阻的變化同溫度微分值成比例關係。惠斯登橋電路用來檢監測高精度溫度感應線圈的阻抗梯度對應的溫度變化的線性關係，從而獲得瞬間氣流速率。這種氣體流速傳感器具有高精度和高靈敏度的特點。數據採集處理裝置3負責採集轉換後的氣體流速電信號並處理後輸出控制信號。 數據採集處理裝置3包括AD轉換模塊4、數據處理模塊5和電流輸出模塊6三部分，AD轉換模塊4的輸入端與氣體流速傳感器1連接，AD轉換模塊4依次連接數據處理模塊5和電流輸出模塊6，電流輸出模塊6的輸出端與氣體流速控制裝置2連接。在本實施例中，數據採集處理裝置採用一個ARM 7處理器作為主器件，其自帶高精度AD轉換/DA轉換模塊，可以方便的進行數據採集和輸出。只要配置簡單的時鐘電路即可運行，簡化了裝置的結構。 在信號輸出端設計了 4-20mA電流環電路，用於驅動微型氣體比例控制閥工作，基本電路如圖2所示。該晶片還具備豐富的外設資源和強大的計算能力，可作為整個離子遷移譜的控制晶片。數據採集處理裝置採集到氣體流速信號後，採用了經典的PID控制策略，計算得到相應的控制值並輸出相應的控制信號。PID控制器是一個在工業控制應用中常見的反饋控制方法。這個控制器把收集到的數據和一個參考值進行比較，然後把這個差別用於計算新的輸入值，這個新的輸入值的目的是可以讓系統的數據達到或者保持在參考值。和其他簡單的控制運算不同，PID控制器可以根據歷史數據和差別的出現率來調整輸入值，這樣可以使系統更加準確，更加穩定。整個PID控制由比例單元P、積分單元I和微分單元D組成，通過Kp，Ki和Kd三個參數的設定，可以調整控制效果，PID控制框圖如圖3所示。氣體流速控制裝置2通過該控制信號來控制氣體流速，在本實施例中，氣體流速控制裝置是微型氣體比例控制閥。微型氣體比例控制閥可以根據輸入的電流迅速任意的調節閥的開度，從而有效控制氣體的流速在設定值。並且微型氣體比例控制閥採用壓電陶瓷作為主材料，具有很強的抗腐蝕性。本實用新型首先通過氣體流速傳感器測量氣體流速並轉換輸出相應氣體流速電信號，然後進行AD轉換，經過低通濾波後，計算得到相應的控制值並輸出相應的控制信號， 微型氣體比例控制閥通過該控制信號將其控制在任意開度，從而精確控制氣路中的氣體流速。以上顯示和描述了本實用新型的基本原理、主要特徵和本實用新型的優點。本行業的技術人員應該了解，本實用新型不受上述實施例的限制，上述實施例和說明書中描述的只是本實用新型的原理，在不脫離本實用新型精神和範圍的前提下本實用新型還會有各種變化和改進，這些變化和改進都落入要求保護的本實用新型的範圍內。本實用新型要求的保護範圍由所附的權利要求書及其等同物界定。
權利要求1.一種用於離子遷移譜儀的氣體流速自動控制裝置，設置在離子遷移譜儀的氣路中， 其特徵在於，包括用於測量氣體流速並轉換輸出相應氣體流速電信號的氣體流速傳感器、 負責採集轉換後的氣體流速電信號並處理後輸出控制信號的數據採集處理裝置、以及通過該控制信號來控制氣體流速的氣體流速控制裝置，所述氣體流速傳感器與數據採集處理裝置的輸入端連接，數據採集處理裝置的輸出端與氣體流速控制裝置連接。
2.根據權利要求1所述的用於離子遷移譜儀的氣體流速自動控制裝置，其特徵在於， 所述數據採集處理裝置包括AD轉換模塊、數據處理模塊和電流輸出模塊三部分，AD轉換模塊的輸入端與氣體流速傳感器連接，AD轉換模塊依次連接數據處理模塊和電流輸出模塊， 電流輸出模塊的輸出端與氣體流速控制裝置連接。
3.根據權利要求1所述的用於離子遷移譜儀的氣體流速自動控制裝置，其特徵在於， 所述氣體流速控制裝置是微型氣體比例控制閥。
4.根據權利要求1所述的用於離子遷移譜儀的氣體流速自動控制裝置，其特徵在於， 氣體流速傳感器包括主要流通管和毛細感應管，所述毛細感應管內設置有高精度溫度感應線圈。
專利摘要一種用於離子遷移譜儀的氣體流速自動控制裝置，設置在離子遷移譜儀的氣路中，包括用於測量氣體流速並轉換輸出相應氣體流速電信號的氣體流速傳感器、負責採集轉換後的氣體流速電信號並處理後輸出控制信號的數據採集處理裝置、以及通過該控制信號來控制氣體流速的氣體流速控制裝置，氣體流速傳感器與數據採集處理裝置的輸入端連接，數據採集處理裝置的輸出端與氣體流速控制裝置連接。本實用新型首先通過氣體流速傳感器測量氣體流速並轉換輸出相應氣體流速電信號，然後進行AD轉換，經過低通濾波後，計算得到相應的控制值並輸出相應的控制信號，氣體流速傳感器通過該控制信號將其控制在相應開度，從而精確控制氣路中的氣體流速。
文檔編號G01N27/62GK202083670SQ201120116109
公開日2011年12月21日 申請日期2011年4月19日 優先權日2011年4月19日
發明者朱莉芳, 陳柏松 申請人:西安艾爾特儀器有限公司