孟祥娥 王雷 郭文韜 李瑞超 胡少成 孟繼榮

摘? 要：本文提出了一種基于FPGA的快速氣相色譜線性控溫系統(tǒng)。該控溫系統(tǒng)由FPGA核心控制模塊、溫度采集模塊、PWM輸出模塊和網(wǎng)口通訊模塊組成。通過增量式PID算法實(shí)現(xiàn)快速高精度的線性升溫控制，快速升溫速率可達(dá)10℃每秒，溫控范圍在0℃～280℃之間。將該控溫系統(tǒng)應(yīng)用于自制的快速氣相色譜儀器中，快速控溫精度可達(dá)±0.3℃。不同升溫速率的重復(fù)性實(shí)驗(yàn)中，升溫曲線線性部分的升溫速率市值偏差小于0.1℃/s，且重復(fù)性不大于0.35%。對苯、甲苯、鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯組成的混合標(biāo)氣進(jìn)行色譜分析測試，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明快速梯度升溫控制可使苯系物的分離時(shí)長由15min多縮短為9min，且峰形窄、精度高，優(yōu)于常規(guī)的氣相色譜儀器。

關(guān)鍵詞：氣相色譜? FPGA? 快速升溫? 線性控溫系統(tǒng)

中圖分類號：O657.7? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A? ? ? ? ? ? ? ? ? 文章編號：1674-098X（2021）01（a）-0031-08

Abstract：This paper proposed a fast linear temperature control system for gas chromatography based on FPGA. The temperature control system is composed of FPGA core control module， temperature acquisition module， PWM output module and network port communication module. Rapid and high-precision linear temperature rise control is realized by the incremental PID algorithm， the rapid temperature rise rate can reach 10℃ per second， and the range of the temperature control is between 0℃～280℃. The temperature control system was applied to the self-made rapid gas chromatography instrument， and the precision of the rapid temperature control was up to ±0.3℃. In the repeated experiments with different heating rates， the error of the heating rate in the linear part of the heating curve was less than 0.1℃/s， and the repeatability was no more than 0.35%. Chromatographic analysis was performed on the mixed standard gas composed of benzene， toluene， ethylbenzene and paraxylene. The experimental results showed that the separation time of 4-bell benzene series could be shortened from 5 minutes to 2 minutes by rapid gradient temperature rise control， and the peak shape was narrow and the precision was high， which was better than the conventional gas chromatographic instrument.

Key Words： Gas chromatography; FPGA; Rapid temperature rise; Linear temperature control system

在有毒有害氣體檢測、大型電站現(xiàn)場變壓器事故判斷、以及環(huán)境樣本的檢測等領(lǐng)域都對快速化、小型化、便攜化、高分辨率的氣相色譜儀器提出了迫切需求。常規(guī)帶快速程序升溫的色譜儀器其檢測方法復(fù)雜，操作難，時(shí)間長，體積笨重很難滿足現(xiàn)場需求[1-4]。近年來，隨著快速色譜技術(shù)的飛速發(fā)展，國外對快速色譜在現(xiàn)場應(yīng)用已有大量報(bào)道[5-7]。通過改變色譜柱長度、減小色譜柱內(nèi)徑、快速程序升溫、提高柱內(nèi)樣品流速等方法縮短物質(zhì)分離時(shí)間，提高色譜分析的實(shí)時(shí)性。其中，色譜柱快速升溫技術(shù)能更好的提升色譜分析速度，大幅度減小色譜儀器體積與重量，因此成為快速色譜的重要研究方向。

國內(nèi)對快升溫技術(shù)的研究已有應(yīng)用，許峰、劉曉微、張西成等人在便攜式快速色譜加熱裝置領(lǐng)域取得了一定進(jìn)展[8-10]。但國內(nèi)市場的現(xiàn)有商品化便攜儀器仍然滿足不了實(shí)際需求。本文立足于高分辨氣相色譜儀器的小型化，便攜化、快速化的研究，針對自主研發(fā)的快速小型化氣相色譜設(shè)計(jì)基于FPGA的線性升溫控制系統(tǒng)，主要實(shí)現(xiàn)四路溫度控制：用于色譜柱加熱裝置的快速梯度升溫、色譜柱與FID檢測器連接處的快速升溫、FID檢測器以及采樣氣路閥箱的高精度溫度控制。通過色譜柱及其與FID檢測器鏈接處的快速線性升溫控制，實(shí)現(xiàn)物質(zhì)的快速分離與聚焦，縮短分析時(shí)長，提高檢測分辨率。

1? 色譜柱加熱裝置

自制的小型化快速氣相色譜儀器包括采樣氣路、閥箱、色譜柱、色譜柱加熱裝置、FID檢測器、加熱模塊、信號采集系統(tǒng)、溫控系統(tǒng)、顯示屏等。其中，色譜柱加熱裝置關(guān)系到小型化快速氣相色譜儀器的體積、重量、功耗、分析時(shí)長等重要指標(biāo)，是小型化快速氣相色譜儀器核心部件，由帶孔耐高溫陶瓷柱、鎳鉻合金加熱絲、溫度傳感器PT1000、隔熱保溫硅鋁酸纖維紙、鋁制環(huán)型底座及外殼組成。如圖1所示，帶孔耐高溫陶瓷柱固定在上下鋁制環(huán)形底座上，鎳鉻合金加熱絲纏繞于陶瓷柱上，色譜柱平行于加熱絲放置，溫度傳感器PT1000通過高溫膠粘貼在色譜柱上，在外殼與加熱絲中加入隔熱保溫硅鋁酸纖維紙。整個(gè)加熱裝置外徑80cm，內(nèi)徑68cm，高40cm，采用AC48V進(jìn)行加熱，功耗102W，小巧方便，使用更安全，同時(shí)加熱裝置外殼設(shè)有氣體進(jìn)出口，方便色譜柱的快速降溫。通過色譜柱接口也可實(shí)現(xiàn)多個(gè)加熱裝置的串聯(lián)使用，提高色譜分離能力增加檢測物質(zhì)種類。

2? 線性控溫系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

控溫系統(tǒng)主要由FPGA實(shí)現(xiàn)2路快速線性升溫控制及2路高精度溫度的控制，即色譜柱加熱裝置、色譜住與FID檢測器接口加熱模塊、FID檢測器加熱模塊與采樣氣路閥箱加熱模塊的控溫。由FPGA核心控制模塊、AD溫度采集模塊、PWM輸出模塊和網(wǎng)口通訊模塊組成。通過PID算法實(shí)現(xiàn)快速線性升溫與高精度控溫，其線性控溫系統(tǒng)示意圖如圖2。

2.1 FPGA核心控制模塊

FPGA具有運(yùn)算速度快，功耗小，納秒級延遲、并行工作等優(yōu)點(diǎn)，非常適用多路的采集控制及復(fù)雜算法計(jì)算。本文設(shè)計(jì)的快速線性控溫系統(tǒng)采用了ATERA公司的Cyczlone IV代EP4CE115 FPGA芯片，其具有114480個(gè)邏輯單元，3888 Kbit 的嵌入式存儲器位，可提供豐富的運(yùn)算及存儲空間?？焖倬€性控溫系統(tǒng)中FPGA主要負(fù)責(zé)網(wǎng)口通訊，2路常規(guī)增量式PID算法，2路帶補(bǔ)償?shù)淖哉ㄔ隽渴絇ID算法，4路溫度的AD采集及溫度矯正，4路PWM輸出，以及采樣氣路中各類閥的控制。該芯片強(qiáng)大的運(yùn)算能力和并行的工作模式，非常易于實(shí)現(xiàn)各個(gè)模塊的并行工作及不同算法的獨(dú)立計(jì)算。

2.2 溫度采集模塊

自制的小型化快速氣相色譜涉及4部分的溫度采集，分別是色譜柱溫度、色譜柱與FID檢測器接口溫度，F(xiàn)ID檢測器的溫度及采樣氣路閥箱溫度。溫度傳感器采用精度更高、反應(yīng)更靈敏的PT1000，其溫度精度0.1℃，反應(yīng)時(shí)間最快100ms，4路測溫電路直接輸入到差分放大器電路中，經(jīng)過放大后的電壓輸出到16位的多通道A/D轉(zhuǎn)換芯片中，由模擬信號轉(zhuǎn)為數(shù)字信號，參與溫度計(jì)算，4路測溫電路如圖3所示?？紤]到PT1000的阻值與溫度不是絕對的線性，測量中存在誤差，F(xiàn)PGA程序中設(shè)計(jì)了溫度誤差校正，避免測量電路帶來的溫度漂移與精度不夠。

2.3 PWM輸出模塊

脈沖寬度調(diào)制（PWM）技術(shù)是利用微處理器的數(shù)字輸出對模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的方法。本文通過FPGA輸出固定頻率的數(shù)字脈沖信號，經(jīng)過電壓轉(zhuǎn)換芯片控制固態(tài)繼電器（SSR）的導(dǎo)通與斷開，通過改變數(shù)字脈沖寬度（固態(tài)繼電器的導(dǎo)通時(shí)間），實(shí)現(xiàn)對溫度加熱裝置的加熱功率控制。其電路圖如圖4。

2.4 網(wǎng)口通訊模塊

網(wǎng)口通訊模塊采用W5300芯片，可以實(shí)現(xiàn)FPGA與上位機(jī)的數(shù)據(jù)交互。W5300是一款集成全硬件 TCP/IP協(xié)議棧的嵌入式以太網(wǎng)控制器，具有16位數(shù)據(jù)總線接口、128K片上的收/快速的實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定、安全的100Mbps以太網(wǎng)通信。且內(nèi)部集成了以太網(wǎng)數(shù)據(jù)鏈路層（MAC）和10Base T/100Base TX 以太網(wǎng)物理層（PHY），支持自動協(xié)商（10/100-Based全雙工/半雙工）、自動極性轉(zhuǎn)換。通過設(shè)計(jì)W5300，能夠方便、穩(wěn)定地實(shí)現(xiàn)網(wǎng)口通訊，其電路圖如圖5所示。

2.5 硬件程序

FPGA的設(shè)計(jì)程序是基于硬件描述語言Verilog HDL開發(fā)的。本控溫系統(tǒng)采用自上而下的設(shè)計(jì)方法，頂層包括核心控制模塊、W5300網(wǎng)絡(luò)通信模塊、PID算法模塊、溫度采集模塊、PWM輸出模塊和閥控模塊。其中PID算法模塊包含2路帶自整定的增量PID算法模塊及2路增量PID算法模塊;溫度采集模塊包含溫度采集與數(shù)據(jù)校正模塊。

核心控制模塊通過W5300網(wǎng)絡(luò)通信模塊接收上位機(jī)指令，對指令進(jìn)行解析，并發(fā)送給PID算法模塊、溫度采集模塊、PWM輸出模塊、閥控模塊?？紤]到4路溫度并行采集，且滿足色譜柱及與FID檢測器接口快速升溫的需求，設(shè)置采集頻率為100kHz，將采集的不同部位的溫度數(shù)據(jù)經(jīng)過矯正后傳送給PID算法模塊;由PID算法模塊分配，參與不同PID算法的計(jì)算，并將計(jì)算結(jié)果輸出給PWM模塊;通過固態(tài)繼電器實(shí)現(xiàn)溫度的快速升溫及精準(zhǔn)控制。軟件系統(tǒng)流程圖如圖6所示。

本線性控溫系統(tǒng)根據(jù)不同部位的控溫需求（色譜柱及其與FID檢測器接口的溫度要求不同升溫速率的快速升溫、降溫，而FID檢測器及閥箱溫度長時(shí)間穩(wěn)定，波動小，精度高）采用了兩種增量式PID算法。增量式PID算法無需全部溫度數(shù)據(jù)、只記錄當(dāng)前溫度數(shù)據(jù)與前兩次數(shù)據(jù)參與計(jì)算，具有占用資源少，計(jì)算快等優(yōu)點(diǎn)[11-13]。自整定的增量式PID算法能夠根據(jù)溫度偏差值e與溫度偏差的變化率Δe計(jì)算出PID算法的比例系數(shù)P、積分系數(shù)I、微分系數(shù)D的變化量，但對于色譜柱的快速升溫需求以及加熱裝置的溫度滯后效應(yīng)。簡單的自整定增量式PID算法無法滿足設(shè)計(jì)需求。因此引入PID參數(shù)補(bǔ)償表。根據(jù)溫度偏差值e與設(shè)置溫度速率對應(yīng)溫度的偏差，得到比例系數(shù)P、積分系數(shù)I、微分系數(shù)D的補(bǔ)償量，參與到PID的計(jì)算。常規(guī)的增量式PID算法經(jīng)過尋優(yōu)的方法設(shè)定比例系數(shù)、積分系數(shù)與微分系數(shù)。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，色譜柱及與檢測器接口處可實(shí)現(xiàn)最快10℃/s的升溫速度，升溫區(qū)間30℃到280℃，短時(shí)間就可保證±0.5℃內(nèi)的溫度變化。FID檢測器及閥箱溫度的控溫精度可以達(dá)到±0.1℃。

3? 溫度實(shí)驗(yàn)

自制的快速小型化氣相色譜儀器包含4部分的溫度控制。其中色譜柱及色譜柱與檢測器接口處要求實(shí)現(xiàn)快速的升溫，降溫;而檢測器及閥箱則要求控溫的穩(wěn)定性。色譜柱的升溫速率直接影響了物質(zhì)分析的時(shí)間，但快速升溫過程中溫度重復(fù)性往往直接影響到物質(zhì)分析結(jié)果的重復(fù)性RSD。檢測器與閥箱溫度的穩(wěn)定性也影響到物質(zhì)分析的準(zhǔn)確性，對此對這4部分進(jìn)行溫度性能的實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中，測試色譜柱及色譜柱與檢測器接口處溫度以1℃/s、5℃/s、10℃/s的升溫速度，從30℃升溫到180℃，每組重復(fù)3次，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖7所示。從圖7可以看出，不同升溫速率下，色譜柱加熱裝置在升溫過程中基本保持勻速線性升溫。升溫曲線線型部分的升溫速率市值偏差小于0.1℃/s，每組測定溫度的重復(fù)性不大于0.35%，色譜柱從30℃升溫到180℃最快僅用15s，快于國內(nèi)市場的商品化氣相色譜儀器，且到達(dá)設(shè)置溫度后，溫度過沖小于2℃，溫度波動±0.5℃。

在測定某些沸點(diǎn)跨度大的混合氣體時(shí)，不僅需要快速升溫，其快速梯度升溫也尤為重要，快速梯度升溫可以加快物質(zhì)的分離速度，也可以有效的避免因升溫過快而導(dǎo)致的某些物質(zhì)分離效果差，檢測精度低等問題。實(shí)驗(yàn)中，測試色譜柱溫度以1℃/s，從30℃升溫到100℃，保持40s，在以10℃/s的速度從100℃升溫到180℃保持60s，重復(fù)3次，從如圖8中可以看出，溫度在快速梯度升溫過程中，溫度過沖小于2℃，溫度短時(shí)間保持內(nèi)波動小于1.5℃，3次測定的重復(fù)性好。

實(shí)驗(yàn)中也對FID檢測器與閥箱控溫效果進(jìn)行了考察。通過分別升溫250℃，80℃，長時(shí)間觀察數(shù)據(jù)，其溫度波動±0.1℃，且多次實(shí)驗(yàn)的重復(fù)性好。由此可見，本控溫系統(tǒng)即能滿足色譜住快速升溫的需求，又能實(shí)現(xiàn)色譜儀器檢測器等高精度控溫的要求，適用于小型化快速色譜儀器。

4? 多種苯系物混合標(biāo)氣的測定

快速氣相色譜儀器常常分析帶有苯系物的混合氣體[14-16]。為了達(dá)到檢測精度，苯系物在色譜柱中保留時(shí)間較長，色譜分析時(shí)通常需要十幾分鐘甚至更長的時(shí)間。為此設(shè)計(jì)了梯度升溫的方法，通過快速溫度梯度的變化，縮短色譜分析時(shí)長。

實(shí)驗(yàn)中選擇了苯、甲苯、鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯的混合標(biāo)氣進(jìn)行對比實(shí)驗(yàn)。根據(jù)苯、甲苯、鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯的物理特性，設(shè)置色譜柱及與FID檢測器接口處的溫度，通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)色譜柱溫度由40℃以5℃/s的升溫速度至80℃，停留100s后，再以10℃/s的速度升溫到180℃，停留500s，色譜柱接口溫度設(shè)置為70℃。苯、甲苯、鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯分離效果最優(yōu)，峰高增加，且峰寬減少，分離時(shí)間也從15min縮短至9min。如圖9所示。

快速的色譜柱梯度升溫可以很好的根據(jù)物質(zhì)的沸點(diǎn)設(shè)置色譜柱溫度梯度，加速不同沸點(diǎn)物質(zhì)的洗脫及分離，通過控制色譜柱與檢測器接口處的溫度更有利于物質(zhì)的聚焦，有效地減小了峰寬，提高色譜分析檢測的靈敏度。

5? 結(jié)語

本文研究的基于FPGA的控溫系統(tǒng)性能穩(wěn)定，滿足快速小型化氣相色譜儀器的各個(gè)模塊的快速控溫需求，并具有重量輕，體積小、功耗低、控溫精準(zhǔn)等優(yōu)點(diǎn)。配合自制的氣相色譜儀器，能夠?qū)崿F(xiàn)色譜柱10℃/s的快速升溫，且升溫重復(fù)性好。在苯系物的測試實(shí)驗(yàn)中，通過對色譜柱的線性梯度升溫控制，能夠在9min的時(shí)間內(nèi)完全分離苯、甲苯、鄰二甲苯、間二甲苯、對二甲苯，且峰形窄，靈敏度高。滿足物質(zhì)成分復(fù)雜的應(yīng)用現(xiàn)場對便攜式、小型化、快速氣相色譜分析需求，有良好的應(yīng)用前景與商業(yè)潛力。

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