劉建華，付強(qiáng)，張肅，楊陽，姜會(huì)林

（1.長(zhǎng)春理工大學(xué) 空間光電技術(shù)研究所，長(zhǎng)春 130022；2.長(zhǎng)春理工大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，130022）

本文所研究的粉塵濃度測(cè)控系統(tǒng)基于差分雙光路測(cè)量原理、PID控制原理，通過儀器設(shè)備模擬出特定濃度的粉塵模擬平臺(tái)，該平臺(tái)用于檢測(cè)和試驗(yàn)多種工業(yè)產(chǎn)品在不同濃度粉塵的使用可靠性，確保被測(cè)產(chǎn)品在高濃度的粉塵環(huán)境中正常工作且安全可靠。尤其值得注意的是，當(dāng)濃度達(dá)到一定程度時(shí)，極易引起粉塵爆炸事故，帶來毀滅性的悲劇。粉塵濃度檢測(cè)技術(shù)在工業(yè)產(chǎn)品的生產(chǎn)環(huán)節(jié)，以及環(huán)保方面都有比較廣泛的應(yīng)用需求，所以國內(nèi)外許多學(xué)者從多個(gè)方面對(duì)粉塵濃度的檢測(cè)技的進(jìn)行了研究。粉塵濃度的測(cè)量原理大致有電荷法、電容法、光散射法等[1-5]。Delvit，Loepfe，馮繼青等基于激光散射特性數(shù)學(xué)模型研制了粉塵分析檢測(cè)系統(tǒng)[6-8]，使檢測(cè)的靈敏度大幅提升，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜且數(shù)據(jù)運(yùn)算量多大；劉峰，徐宏等專門針對(duì)電子煙氣溶膠測(cè)量，解決了光強(qiáng)與濃度關(guān)系非線性化與管壁對(duì)光強(qiáng)吸收的影響問題[9]；張娜針對(duì)高爐煤氣粉塵濃度高精度測(cè)量系統(tǒng)解決了非等速采樣的問題，其檢測(cè)精度明顯提升[10]。本文即在前人的研究基礎(chǔ)之上，基于雙光束差分測(cè)量法提高檢測(cè)精度，采用比例控制利用變頻器實(shí)現(xiàn)粉塵濃度的準(zhǔn)確控制，且在人機(jī)交互式方面，本文采用Labview虛擬儀器技術(shù)實(shí)現(xiàn)對(duì)粉塵濃度在線測(cè)控，操作更為簡(jiǎn)單，可視化程度更好，硬件成本和操作的復(fù)雜性也大大降低。

1 粉塵濃度測(cè)控系統(tǒng)組成與檢測(cè)原理

1.1 系統(tǒng)組成

粉塵測(cè)控系統(tǒng)主要由粉塵濃度測(cè)量系統(tǒng)和加塵電機(jī)控制系統(tǒng)兩部分組成。在此測(cè)控系統(tǒng)中，為了消除光源的電源電壓紋波所引入的光源的光強(qiáng)不穩(wěn)定因素，粉塵濃度測(cè)量子系統(tǒng)采用了雙光束差分測(cè)量方案，由波長(zhǎng)為655nm的半導(dǎo)體激光器、參考/測(cè)量光路所需的硅光電池探測(cè)器、電信號(hào)調(diào)整板、數(shù)據(jù)采集卡以及計(jì)算機(jī)組成。變頻器、加塵電機(jī)與計(jì)算機(jī)等構(gòu)成了粉塵濃度控制子系統(tǒng)。系統(tǒng)組成如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)組成圖

粉塵測(cè)控系統(tǒng)現(xiàn)場(chǎng)與實(shí)驗(yàn)環(huán)境如圖2所示。（a）圖為雙光束差分測(cè)量光學(xué)檢測(cè)部分，（b）為粉塵進(jìn)料機(jī)器與驅(qū)動(dòng)電機(jī)，（c）為鼓風(fēng)機(jī)，滾風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)會(huì)使得伴有粉塵的空前不斷流動(dòng)，即環(huán)境室內(nèi)粉塵濃度更加均勻，并且煙塵粉塵懸浮時(shí)間。

圖2 實(shí)驗(yàn)環(huán)境圖

1.2 檢測(cè)原理

粉塵濃度檢測(cè)的理論原理基于Lambert-Beer定律，即當(dāng)光在某濃度的介質(zhì)中傳播過程中，光能量在其傳播途徑上將會(huì)呈現(xiàn)對(duì)數(shù)衰減情況，光能量在傳播途徑損耗的能量與光程中光吸收或散射的分子數(shù)目呈正比關(guān)系：

式中：I0、I為入射光及通過粉塵后的透射光強(qiáng)度；A為吸光度；C為吸光介質(zhì)的濃度；d為吸收層厚度；k為摩爾吸收系數(shù)，其與吸收物質(zhì)的性質(zhì)及入射光的波長(zhǎng)λ有關(guān)；T為透過率，即透射光強(qiáng)度與入射光強(qiáng)度之比。

因?yàn)槲諏雍穸萪和摩爾吸收系數(shù)k為固定值，所以將（1）式轉(zhuǎn)換為：

顯然，式中K=1/(k×d)，是一個(gè)常數(shù)。因此，根據(jù)公式（2），因此根據(jù)激光在粉塵室內(nèi)的透過率T來測(cè)量粉塵濃度C。由上文中知為了消除光源的電源電壓紋波所引入的光源的光強(qiáng)不穩(wěn)定因素，粉塵濃度測(cè)量子系統(tǒng)采用了雙光束差分測(cè)量方案，所以透過率T可由測(cè)量光路、參考光路探測(cè)器輸出信號(hào)得出：

式中U1，U3分別為空測(cè)時(shí)測(cè)量光路探測(cè)器輸出的電壓幅值和參考光路探測(cè)器輸出的電壓幅值。U2，U4分別為測(cè)控粉塵過沖中測(cè)量光路探測(cè)器電壓幅值和參考光路探測(cè)器電壓幅值。綜上，粉塵濃度C可由下式計(jì)算：

K值在標(biāo)定過程中計(jì)算，啟動(dòng)變頻器驅(qū)動(dòng)電機(jī)在粉塵室內(nèi)揚(yáng)起一定濃度的粉塵，通過測(cè)量光路和參考光路計(jì)算此濃度下粉塵室內(nèi)的透過率，抽出10cm3立方樣本的空氣，采用稱重法測(cè)出樣本空氣中的粉塵重量，通過公式（4）反算K值：

記錄該值，進(jìn)行粉塵濃度將標(biāo)定過程中計(jì)算出的K值帶入（2）。

2 基于Labview的粉塵濃度測(cè)控虛擬儀器實(shí)現(xiàn)

2.1 上位機(jī)軟件總體設(shè)計(jì)

粉塵濃度測(cè)控系統(tǒng)上位機(jī)軟件的具體功能如下：（1）實(shí)時(shí)粉塵濃度曲線：顯示粉塵濃度曲線（g/m3）。（2）參數(shù)顯示：測(cè)控室的室內(nèi)溫度、測(cè)量光路與參考光路的探測(cè)器的電壓幅值、激光器電源信息等。（3）變頻器控制：通過變頻器上的PU端口與工控機(jī)時(shí)時(shí)通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)變頻器的控制。（4）結(jié)果顯示：顯示粉塵濃度、保存粉塵濃度曲線和數(shù)據(jù)、溫度曲線和數(shù)據(jù)。

圖3 軟件界面

操作界面如圖3（a）（b）所示。操作界面上半部分的波形圖表用于顯示粉塵濃度曲線。界面下半部分如同儀器儀表面板一樣，將參數(shù)顯示控件合理布置，如測(cè)量/參考光路的電壓幅值、變頻器的控制模式以及頻率、電源電壓信息等。

2.2 粉塵濃度檢測(cè)分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.2.1 半滿查詢數(shù)據(jù)采集

本系統(tǒng)采用的PCI8622數(shù)據(jù)采集卡對(duì)探測(cè)器輸出的電壓數(shù)據(jù)（U1，U2，U3，U4）進(jìn)行采集。采用半滿采集方式進(jìn)行A/D采集。采用LABVIEW調(diào)用PCI8622數(shù)據(jù)采集卡提供的動(dòng)態(tài)鏈接庫函數(shù)hDevice設(shè)置對(duì)象句柄，InitDeviceProAD用于初始化A/D，pADPara參數(shù)結(jié)構(gòu)函數(shù)確定采樣通道等信息的設(shè)置。再采用StartDeviceProAD函數(shù)開始A/D采集，調(diào)用GetDevStatusProAD函數(shù)查詢AD存儲(chǔ)器的半滿狀態(tài)，如果達(dá)到了半滿狀態(tài)，即采用Re?adDeviceproAD_Half函數(shù)讀取一批半滿長(zhǎng)度，然后查看FIFO的半滿狀態(tài)，如果有效則繼續(xù)讀取，就這樣反復(fù)查詢狀態(tài)讀取A/D數(shù)據(jù)即可實(shí)現(xiàn)聯(lián)系不間斷且高效的采樣數(shù)據(jù)，以提高系統(tǒng)的整體數(shù)據(jù)處理效率。停止數(shù)據(jù)采集時(shí)候執(zhí)行StopDeviceProAD，最后采用ReleaseDeviceProAD便可實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的釋放。具體執(zhí)行流程圖如圖4。

圖4 半滿查詢數(shù)據(jù)采集

2.2.2 數(shù)據(jù)處理

根據(jù)上文提供的檢測(cè)原理與公式即可時(shí)時(shí)計(jì)算粉塵濃度，雙光路的數(shù)據(jù)采集以及數(shù)據(jù)處理由阿爾泰公司的PCI8622數(shù)據(jù)采集卡采集數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)由于透過率的計(jì)算，標(biāo)定過程中吸收層厚度d和摩爾吸收系數(shù)k的確定。三菱公司的FR-E540變頻器與232串口轉(zhuǎn)化485串口模塊實(shí)現(xiàn)異步通信，構(gòu)成粉塵濃度控制的硬件條件。整體粉塵測(cè)控流程圖如圖5所示。

圖5 粉塵測(cè)控流程圖

利用PCI8622提供的Labview動(dòng)態(tài)鏈接庫函數(shù) ，如 CreateDevice，InitDeviceProAD，StartDevi?ceProAD，ReadDeviceProAD_Half，StopDevi?ceProAD，ReleaseDeviceProAD進(jìn)行實(shí)時(shí)測(cè)量/參考光路的電壓信號(hào)采集，基于上文敘述的檢測(cè)原理，對(duì)采集數(shù)據(jù)進(jìn)行處理計(jì)算，部分背面板程序圖如圖6，圖7所示。

2.3 基于Labview粉塵濃度控制分系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)

2.3.1 Labview與變頻器的通訊實(shí)現(xiàn)

變頻器負(fù)責(zé)調(diào)控電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)速度，將實(shí)驗(yàn)粉塵試樣槽的實(shí)驗(yàn)粉塵試樣由電機(jī)帶動(dòng)，由鼓風(fēng)機(jī)鼓入實(shí)驗(yàn)室，所以粉塵測(cè)控實(shí)驗(yàn)室的粉塵量由變頻器所決定。變頻器的頻率決定電機(jī)的轉(zhuǎn)速，變頻器通過MOXA公司的232/485轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換接口與上位機(jī)相連，利用參數(shù)制定命令進(jìn)行頻率參數(shù)的設(shè)定。計(jì)算機(jī)與變頻器之間的主要通信協(xié)議如表1所示。

圖6 標(biāo)定過程部分程序圖

圖7 粉塵濃度檢測(cè)部分程序圖

表1 通信協(xié)議

所以按照十六進(jìn)制發(fā)送0530 3046 4130 3234 39就可以啟動(dòng)變頻器。變頻器頻率的設(shè)置的程序圖如圖8所示。以十六進(jìn)制發(fā)送0530 3046 4130 3034 37就可以停止變頻器。

圖8 Labview與變頻器通信與頻率設(shè)置程序圖

2.3.2 粉塵濃度控制實(shí)現(xiàn)

濃度控制算法采用經(jīng)典的PID控制算法，PID控制算法屬于經(jīng)典算法，所以關(guān)于該算法的數(shù)學(xué)模型不再贅述。計(jì)算出設(shè)定粉塵濃度與實(shí)際粉塵濃度的偏差值，在基于LabVIEW的PID控制函數(shù)中對(duì)這些數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，形成控制信號(hào)，上位機(jī)根據(jù)接收到的指令輸出頻率值給變頻器，對(duì)變頻器的頻率進(jìn)行控制。圖9為該算法的部分程序圖。

圖9 濃度PID控制程序圖

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

打開激光器10分鐘待激光器光強(qiáng)穩(wěn)定后，進(jìn)入主程序開始粉塵濃度的測(cè)控。啟動(dòng)變頻器并向進(jìn)料機(jī)中加入實(shí)驗(yàn)粉塵試樣，濃度值為1.8g/m3附近時(shí)程序開始自動(dòng)控制，待粉塵濃度穩(wěn)定后，記錄并保存粉塵濃度曲線如圖10所示。

圖10 粉塵濃度曲線

粉塵濃度持續(xù)保持在1.8g/m3附近時(shí)候，提取2053個(gè)采樣點(diǎn)，利用Origin軟件分析這2053個(gè)粉塵數(shù)據(jù)，并繪制出濃度曲線如圖11所示。樣本濃度平均值為1.8017g/m3，最大值為1.94g/m3，最小值為1.59g/m3。標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.0646g/m3。實(shí)驗(yàn)證明，測(cè)控系統(tǒng)滿足1.8±0.2g/m3的精度要求。

圖11 粉塵濃度數(shù)據(jù)分析曲線

再次讀取9154個(gè)取樣數(shù)據(jù)，并繪制出濃度曲線。如圖12。利用Origin計(jì)算得到樣本，濃度均值為 1.8452g/m3，最大值為1.9600g/m3，最小值為1.4796g/m3。標(biāo)準(zhǔn)差σ=0.0725。觀察圖線，主要由三處濃度值小于1.6000g/m3，分析原因主要由于粉塵耗盡以及進(jìn)料不均勻引起的。

圖12 粉塵濃度數(shù)據(jù)分析曲線

粉塵濃度持續(xù)保持在1.8g/m3附近時(shí)候，抽出10cm3立方樣本的空氣，采用稱重法測(cè)出樣本空氣中的粉塵重量。稱重法測(cè)量結(jié)果為1.82g/m3，即粉塵濃度測(cè)控系統(tǒng)的誤差為0.0252g/m3。由實(shí)際測(cè)試可知，測(cè)控系統(tǒng)滿足1.8±0.2g/m3的精度要求。

可能引起系統(tǒng)誤差因素分析與相應(yīng)減小系統(tǒng)誤差的措施有：

（1）由于系統(tǒng)揚(yáng)塵為進(jìn)料機(jī)控制，不能嚴(yán)格保證進(jìn)入的粉塵的速率相同，會(huì)出現(xiàn)時(shí)大時(shí)小的情況?？煽紤]改造進(jìn)料機(jī)的控制方式，采用角度傳感器與執(zhí)行電機(jī)形成閉環(huán)控制，并利用單片機(jī)融入PID算法，使進(jìn)料機(jī)的進(jìn)料速度可控。（2）由于處于揚(yáng)塵室內(nèi)，電機(jī)震動(dòng)、氣流會(huì)引起整個(gè)儀器的抖動(dòng)，也會(huì)影響測(cè)量精度?？紤]可將電機(jī)支撐，儀器的固定支撐環(huán)節(jié)改造為柔性鉸鏈結(jié)構(gòu)，在一定程度上削弱外界激勵(lì)引入的抖動(dòng)。（3）光斑不均勻性的影響：光電池光敏面不同位置特性不盡相同，若光斑直徑過小，會(huì)產(chǎn)生誤差；若光斑直徑過大，照射在單位面積的光通量會(huì)很小，光電池的線性度不好?？煽紤]采用最小二乘法擬合非線性響應(yīng)度方程，修正系統(tǒng)誤差，減小由探測(cè)器的非線性所帶來的不確定度，并將修正方程帶入上位機(jī)程序，即可完成修正。

4 結(jié)論

為實(shí)現(xiàn)對(duì)粉塵濃度的實(shí)時(shí)在線檢測(cè)控，可作為工業(yè)產(chǎn)品的環(huán)境可靠性試驗(yàn)系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種基于labview高集成度人機(jī)交互式的粉塵濃度測(cè)控系統(tǒng)。與現(xiàn)有系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)在于各控制參數(shù)均可精確控制，大幅度縮減試驗(yàn)周期，并且借助虛擬儀器技術(shù)，可視化程度更好，硬件成本和操作的復(fù)雜性也大大降低，用于模擬不同粉塵濃度環(huán)境條件，也可以應(yīng)用于其他火災(zāi)預(yù)警、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域。