王慶輝,李思堯

(沈陽化工大學信息工程學院,遼寧 沈陽 110142)

0 引言

經(jīng)過高速的經(jīng)濟發(fā)展,我國的工業(yè)化、現(xiàn)代化進程逐漸加快,不可避免地陷入大氣污染、水質(zhì)污染、廢物污染等危機中。由于生活污水和工業(yè)廢水等污染水的肆意排放,大量污染物被排放到江、河、湖、海、塘等水體中,造成水環(huán)境惡化。隨著對健康的重視程度日益加深,人們越發(fā)認識到污染物中元素的危害,尤其是重金屬對環(huán)境和人體的傷害非常大。所以對金屬元素含量分析有需求的場合越來越多,金屬元素的分析也越來越受到科研機構(gòu)的重視。目前,元素檢測的主流是以原子吸收為主[1-2]。

隨著原子吸收光譜法的提出和商品化儀器的出現(xiàn),原子吸收光譜法迅速發(fā)展,并且在很多領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用[3-5]。原子吸收光譜法不僅應(yīng)用廣泛,是優(yōu)秀的靈敏度檢測方法之一,而且在應(yīng)用過程中,譜線不易受到外界的干擾。在水環(huán)境中金屬元素檢測方面,原子吸收光譜法具有檢測限低、準確度高、選擇性好、分析速度快等優(yōu)點[6-8]。

現(xiàn)階段常用的原子吸收光譜法主要有火焰法、氫化物法和石墨爐法?；鹧娣ㄊ抢命c燃氣體形成火焰進行原子化。其操作簡單、技術(shù)體系相對完善、應(yīng)用范圍廣。但是火焰的溫度不易控制、原子化效率較低、靈敏度低。當檢測量少的樣品時,該方法的檢測效果差。氫化物法是利用還原劑,將待測樣品在一定酸性條件下還原成氣態(tài)氫化物的狀態(tài),以實現(xiàn)原子化。其選擇性好、干擾少,但是只適用于某些易于形成氫化物的元素[9]。

石墨爐法的原子化器是由石墨材料制成的,通過對石墨端電流加熱的方法進行原子化。通常情況下,石墨爐法的升溫階段是利用時間來控制成階梯型的升溫方式。石墨爐的工作特點是大電流、低電壓,而且由于原子化時基態(tài)原子在吸收區(qū)的停留時間比較長,原子化效率可接近100%[10]。與上述兩種方法相比,石墨爐法的靈敏度和原子化效率高,一般情況下只應(yīng)用于檢測單個元素。

湖南艾普德公司提出的實驗室高溫石墨真空爐,所采用的控溫模式是30 段程序控溫智能比例積分微分(proportional integral differential,PID)調(diào)節(jié);株洲華明智能裝備有限公司提出的高溫石墨化爐則采用經(jīng)典PID 技術(shù)進行控溫。采用PID 技術(shù)的石墨化爐溫度最終控制效果不穩(wěn),容易受到外界環(huán)境的影響[11]。

1 系統(tǒng)實現(xiàn)

1.1 加熱控制系統(tǒng)

石墨爐加熱系統(tǒng)控制框圖如圖1 所示。

圖1 石墨爐加熱系統(tǒng)控制框圖Fig.1 Control block diagram of graphite furnace heating system

石墨爐的溫度取決于施加在石墨爐兩端的電壓。石墨爐的加熱控制系統(tǒng)實際上是石墨爐電壓控制系統(tǒng)。在該系統(tǒng)中,利用軟件程序的查表法得到相應(yīng)溫度的對應(yīng)電壓值,在上位機的相應(yīng)引腳輸出設(shè)定電壓。該石墨爐的加熱控制系統(tǒng)設(shè)計了兩種反饋方式,分別是電反饋和光反饋。電反饋的工作原理是采集石墨爐兩端的交流電壓,將經(jīng)過整流電路轉(zhuǎn)化成的直流電壓作為負反饋輸入到減法器。而光反饋的工作原理是利用光敏二極管,根據(jù)石墨爐的亮度將其轉(zhuǎn)化為直流電,輸入到減法器。在實際加熱控制系統(tǒng)電路中,因為同時只能采用一種反饋方式,本文利用反饋選擇模塊對電壓反饋和光反饋進行選擇。

將石墨爐的反饋電壓通過減法器與設(shè)定電壓進行比較。移相調(diào)控器根據(jù)減法器輸出的控制電壓產(chǎn)生輸入給雙向可控硅控制極的觸發(fā)脈沖信號,從而改變雙向可控硅的導(dǎo)通角大小。這就可改變變壓器的一次側(cè)電壓,進而改變變壓器供給石墨爐的工作電壓以及當前爐內(nèi)溫度。

1.2 反饋選擇電路

反饋選擇模塊電路利用光電耦合器和三個雙向開關(guān),根據(jù)主控制芯片相應(yīng)引腳輸出的FK_SEL 高低電壓對電壓反饋和光反饋進行選擇。反饋選擇模塊電路如圖2 所示。

圖2 反饋選擇模塊電路圖Fig.2 Feedback selection module circuit diagram

當反饋選擇為高電平時,三極管導(dǎo)通,光電耦合器U5內(nèi)部的發(fā)光二極管發(fā)亮,光電耦合器的3、4 引腳電路導(dǎo)通。此時,開關(guān)U7B 的控制端為高電平,開關(guān)U7A的控制端為低電平,即選擇光反饋方式。當反饋選擇為低電平時,三極管截止,光電耦合器內(nèi)部的發(fā)光二極管不發(fā)亮,光電耦合器的3、4 引腳電路不導(dǎo)通。此時,開關(guān)U7C 和U7B 斷開、U7A 閉合,即選擇電反饋方式。

光電耦合器的控制信號采用光信號,不受電磁波干擾,并且可以有效地隔離控制信號和數(shù)據(jù)信號,工作穩(wěn)定可靠。

1.3 加熱控制電路

在本設(shè)計的石墨爐加熱控制系統(tǒng)中,由運放組成的晶閘管控制電路如圖3 所示。

圖3 晶閘管控制模塊電路圖Fig.3 Circuit diagram of thyristor control module

根據(jù)運算放大器虛短、虛斷的原理,得出:

晶閘管控制模塊的輸出電壓為當前石墨爐的反饋電壓和設(shè)定電壓的定比差值電壓。將該電壓輸入到移相調(diào)控器,移相調(diào)控器根據(jù)該電壓產(chǎn)生相應(yīng)的雙向可控硅觸發(fā)脈沖信號,從而改變可控硅的閉合和導(dǎo)通的角度來改變石墨爐兩端電壓。

2 結(jié)果分析

2.1 仿真

根據(jù)實際電路對石墨爐加熱控制系統(tǒng)的電反饋控制方式,在MATLAB 環(huán)境下的Simulink 中建立仿真模型。Simulink 仿真模型如圖4 所示。

圖4 Simulink 仿真模型Fig.4 Simulink simulation model

在 Simulink 仿真模型中,設(shè)置電源電壓 Vss峰值參數(shù)為220×sqrt(2)V、頻率參數(shù)為50 Hz、石墨爐電阻RSML1參數(shù)為0.01 Ω、變壓器電壓范圍為0～220 V 轉(zhuǎn)0～9 V,雙向可控硅均默認為初始設(shè)置。模型中的階躍信號的輸入即為石墨爐加熱控制系統(tǒng)的設(shè)定電壓。

根據(jù)查表法,當石墨爐的溫度分別為1 000 ℃和2 000 ℃時,石墨端的工作電壓分別為1.99 V 和4.12 V。此時,石墨爐加熱控制系統(tǒng)的Simulink 仿真波形如圖5 所示。仿真圖的波形分別是設(shè)定值和石墨爐加熱控制過程中石墨爐電壓值的變化曲線。由仿真結(jié)果可知,石墨爐加熱控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)時間不超過0.1 s,穩(wěn)態(tài)誤差不超過0.03 V。

圖5 Simulink 仿真波形圖Fig.5 Simulink simulation waveforms

2.2 實際測量

在實際電路中,對石墨爐分別進行1 000 ℃和2 000 ℃的溫度控制,根據(jù)示波器的波形對控制效果進行結(jié)果分析。1 000 ℃和2 000 ℃時,實際電路中石墨爐電壓波形分別如圖6、圖7 所示。

圖6 實際電路中石墨爐電壓波形圖(1 000 ℃)Fig.6 Graphite furnace voltage waveform in actual circuit(1 000 ℃)

圖7 實際電路中石墨爐電壓波形圖(2 000 ℃)Fig.7 Graphite furnace voltage waveform in actual circuit(2 000 ℃)

根據(jù)波形可知,在石墨爐加熱的實際控制中,穩(wěn)態(tài)時間在0.2 s 以內(nèi)且電壓波動不大。

3 結(jié)論

本文設(shè)計了一種石墨爐加熱控制系統(tǒng),通過對雙向可控硅導(dǎo)通角的控制調(diào)整石墨爐的電壓,從而改變石墨爐的溫度。本設(shè)計使用雙向可控硅作為電路的調(diào)壓器件,其優(yōu)點是可控硅的使用壽命長、不易損壞、響應(yīng)靈敏。對根據(jù) Simulink 的仿真結(jié)果和實際電路的輸出波形進行比較可知,本文設(shè)計的石墨爐加熱控制系統(tǒng)得到了電路實現(xiàn),且對石墨爐的電壓控制迅速、控制效果穩(wěn)定、性能可靠。