基于Labview虛擬儀器技術(shù)的粉塵濃度測控系統(tǒng)研究

劉建華，付強，張肅，楊陽，姜會林

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

本文所研究的粉塵濃度測控系統(tǒng)基于差分雙光路測量原理、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，該平臺用于檢測和試驗多種工業(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，當濃度達到一定程度時，極易引起粉塵爆炸事故，帶來毀滅性的悲劇。粉塵濃度檢測技術(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)者從多個方面對粉塵濃度的檢測技的進行了研究。粉塵濃度的測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系統(tǒng)[6-8]，使檢測的靈敏度大幅提升，但系統(tǒng)結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜且數(shù)據(jù)運算量多大；劉峰，徐宏等專門針對電子煙氣溶膠測量，解決了光強與濃度關(guān)系非線性化與管壁對光強吸收的影響問題[9]；張娜針對高爐煤氣粉塵濃度高精度測量系統(tǒng)解決了非等速采樣的問題，其檢測精度明顯提升[10]。本文即在前人的研究基礎(chǔ)之上，基于雙光束差分測量法提高檢測精度，采用比例控制利用變頻器實現(xiàn)粉塵濃度的準確控制，且在人機交互式方面，本文采用Labview虛擬儀器技術(shù)實現(xiàn)對粉塵濃度在線測控，操作更為簡單，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 粉塵濃度測控系統(tǒng)組成與檢測原理

1.1 系統(tǒng)組成

粉塵測控系統(tǒng)主要由粉塵濃度測量系統(tǒng)和加塵電機控制系統(tǒng)兩部分組成。在此測控系統(tǒng)中，為了消除光源的電源電壓紋波所引入的光源的光強不穩(wěn)定因素，粉塵濃度測量子系統(tǒng)采用了雙光束差分測量方案，由波長為655nm的半導(dǎo)體激光器、參考/測量光路所需的硅光電池探測器、電信號調(diào)整板、數(shù)據(jù)采集卡以及計算機組成。變頻器、加塵電機與計算機等構(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

粉塵測控系統(tǒng)現(xiàn)場與實驗環(huán)境如圖2所示。（a）圖為雙光束差分測量光學(xué)檢測部分，（b）為粉塵進料機器與驅(qū)動電機，（c）為鼓風(fēng)機，滾風(fēng)機轉(zhuǎn)動時會使得伴有粉塵的空前不斷流動，即環(huán)境室內(nèi)粉塵濃度更加均勻，并且煙塵粉塵懸浮時間。

圖2 實驗環(huán)境圖

1.2 檢測原理

粉塵濃度檢測的理論原理基于Lambert-Beer定律，即當光在某濃度的介質(zhì)中傳播過程中，光能量在其傳播途徑上將會呈現(xiàn)對數(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λ有關(guān)；T為透過率，即透射光強度與入射光強度之比。

因為吸收層厚度d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不穩(wěn)定因素，粉塵濃度測量子系統(tǒng)采用了雙光束差分測量方案，所以透過率T可由測量光路、參考光路探測器輸出信號得出：

式中U1，U3分別為空測時測量光路探測器輸出的電壓幅值和參考光路探測器輸出的電壓幅值。U2，U4分別為測控粉塵過沖中測量光路探測器電壓幅值和參考光路探測器電壓幅值。綜上，粉塵濃度C可由下式計算：

K值在標定過程中計算，啟動變頻器驅(qū)動電機在粉塵室內(nèi)揚起一定濃度的粉塵，通過測量光路和參考光路計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，進行粉塵濃度將標定過程中計算出的K值帶入（2）。

2 基于Labview的粉塵濃度測控虛擬儀器實現(xiàn)

2.1 上位機軟件總體設(shè)計

粉塵濃度測控系統(tǒng)上位機軟件的具體功能如下：（1）實時粉塵濃度曲線：顯示粉塵濃度曲線（g/m3）。（2）參數(shù)顯示：測控室的室內(nèi)溫度、測量光路與參考光路的探測器的電壓幅值、激光器電源信息等。（3）變頻器控制：通過變頻器上的PU端口與工控機時時通訊，實現(xiàn)對變頻器的控制。（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 粉塵濃度檢測分系統(tǒng)實現(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)采集卡對探測器輸出的電壓數(shù)據(jù)（U1，U2，U3，U4）進行采集。采用半滿采集方式進行A/D采集。采用LABVIEW調(diào)用PCI8622數(shù)據(jù)采集卡提供的動態(tài)鏈接庫函數(shù)hDevice設(shè)置對象句柄，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存儲器的半滿狀態(tài)，如果達到了半滿狀態(tài)，即采用Re?adDeviceproAD_Half函數(shù)讀取一批半滿長度，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)采集時候執(zhí)行StopDeviceProAD，最后采用ReleaseDeviceProAD便可實現(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)上文提供的檢測原理與公式即可時時計算粉塵濃度，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)由于透過率的計算，標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。整體粉塵測控流程圖如圖5所示。

圖5 粉塵測控流程圖

利用PCI8622提供的Labview動態(tài)鏈接庫函數(shù) ，如 CreateDevice，InitDeviceProAD，StartDevi?ceProAD，ReadDeviceProAD_Half，StopDevi?ceProAD，ReleaseDeviceProAD進行實時測量/參考光路的電壓信號采集，基于上文敘述的檢測原理，對采集數(shù)據(jù)進行處理計算，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)實現(xiàn)

2.3.1 Labview與變頻器的通訊實現(xiàn)

變頻器負責(zé)調(diào)控電機的運轉(zhuǎn)速度，將實驗粉塵試樣槽的實驗粉塵試樣由電機帶動，由鼓風(fēng)機鼓入實驗室，所以粉塵測控實驗室的粉塵量由變頻器所決定。變頻器的頻率決定電機的轉(zhuǎn)速，變頻器通過MOXA公司的232/485轉(zhuǎn)換模塊轉(zhuǎn)換接口與上位機相連，利用參數(shù)制定命令進行頻率參數(shù)的設(shè)定。計算機與變頻器之間的主要通信協(xié)議如表1所示。

圖6 標定過程部分程序圖

圖7 粉塵濃度檢測部分程序圖

表1 通信協(xié)議

所以按照十六進制發(fā)送0530 3046 4130 3234 39就可以啟動變頻器。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。計算出設(shè)定粉塵濃度與實際粉塵濃度的偏差值，在基于LabVIEW的PID控制函數(shù)中對這些數(shù)據(jù)進行處理，形成控制信號，上位機根據(jù)接收到的指令輸出頻率值給變頻器，對變頻器的頻率進行控制。圖9為該算法的部分程序圖。

圖9 濃度PID控制程序圖

3 實驗結(jié)果及分析

打開激光器10分鐘待激光器光強穩(wěn)定后，進入主程序開始粉塵濃度的測控。啟動變頻器并向進料機中加入實驗粉塵試樣，濃度值為1.8g/m3附近時程序開始自動控制，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附近時候，提取2053個采樣點，利用Origin軟件分析這2053個粉塵數(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。標準差σ=0.0646g/m3。實驗證明，測控系統(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個取樣數(shù)據(jù)，并繪制出濃度曲線。如圖12。利用Origin計算得到樣本，濃度均值為 1.8452g/m3，最大值為1.9600g/m3，最小值為1.4796g/m3。標準差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附近時候，抽出10cm3立方樣本的空氣，采用稱重法測出樣本空氣中的粉塵重量。稱重法測量結(jié)果為1.82g/m3，即粉塵濃度測控系統(tǒng)的誤差為0.0252g/m3。由實際測試可知，測控系統(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)揚塵為進料機控制，不能嚴格保證進入的粉塵的速率相同，會出現(xiàn)時大時小的情況?？煽紤]改造進料機的控制方式，采用角度傳感器與執(zhí)行電機形成閉環(huán)控制，并利用單片機融入PID算法，使進料機的進料速度可控。（2）由于處于揚塵室內(nèi)，電機震動、氣流會引起整個儀器的抖動，也會影響測量精度?？紤]可將電機支撐，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引入的抖動。（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，會產(chǎn)生誤差；若光斑直徑過大，照射在單位面積的光通量會很小，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，減小由探測器的非線性所帶來的不確定度，并將修正方程帶入上位機程序，即可完成修正。

4 結(jié)論

為實現(xiàn)對粉塵濃度的實時在線檢測控，可作為工業(yè)產(chǎn)品的環(huán)境可靠性試驗系統(tǒng)，設(shè)計了一種基于labview高集成度人機交互式的粉塵濃度測控系統(tǒng)。與現(xiàn)有系統(tǒng)相比，該系統(tǒng)的優(yōu)點在于各控制參數(shù)均可精確控制，大幅度縮減試驗周期，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)測等領(lǐng)域。