应用于原子荧光分析仪器的气流控制系统研究

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摘 要 采用自行设计的锥形阀气体调节机构，在步进电机驱动下，对原子荧光类仪器的载气流量和辅助气流量进行调节；通过对步进电机的细分控制（25600步/转），配合相应的锥形阀芯（螺距=M3×0.2），对行程做到精确控制。该调节机构具有流量控制范围宽、精度高、流量连续可调、易于实现自动控制等特点，与现有技术相比较，亦减小部件加工和调试难度，降低仪器生产成本。通过实验数据表明，在应用本气流控制系统后，仪器各项主要技术指标达到国标要求。

关键词 气体 流量 调节 锥形阀 步进电机 电子控制

概 述

自1960年代提出原子荧光分析理论、氢化物发生-原子荧光光谱仪研制成功以来[1 2]，在近几十年中，原子荧光分析技术和分析仪器得到快速发展。目前在我国，原子荧光光谱分析技术已经成为分析领域中一种常规分析手段，尤其在多道仪器出现后，检测方法日臻成熟， 针对不同应用行业，完成多种化学蒸气发生-多通道无色散原子荧光光谱仪相关元素同时测定分析体系的建立。这些分析体系中的各个方法具有较强的针对性和实用性[3～14]，被广泛应用于环境保护卫生食品、材料冶金、地质勘探等多个领域[15，16]。

通常，原子荧光类分析仪器，主要由光源系统、蒸气发生进样系统及信号测量系统组成；作为蒸气发生进样和原子化系统中的一个重要部件，原子荧光仪器所采用的气流控制系统的好坏，对于测量信号的稳定性、灵敏度起着至关重要的作用。目前，市场上的商品仪器，在气流控制系统的结构上，主要分为基于电磁阀结构的开关量控制系统和基于流量计结构的连续可调节控制系统2种。基于电磁阀结构的气流控制系统，具有结构简单，易于实现自动化控制等优点，但输出气流量仅可被设置为有限的几档，无法做到连续调节，有可能产生所设置的气流量不是最佳测试条件的现象；同时，对部件的加工精度要求很高，调试工序复杂，并且，输出量会随着时间的推移发生漂移现象。基于流量计结构的气流控制系统，具有可对输出流量实现连续可调的优点，但在采用常规的玻璃转子型流量计时，无法实现自动控制；而采用质子流量计又存在生产成本太高及大材小用等弊端。根据这种现状，设计一种具有高精度、宽范围、流量连续可调、稳定性好、成本低等特点的智能型气流控制系统（见图1）。

1 气流控制系统原理和结构

如图1所示，在结构上，本气流控制系统以一个锥形阀为主，通过连接机构，将锥形针阀芯与步进电机相连接，当控制步进电机作顺时针（或逆时针）运动时，可驱动锥形针阀芯在阀体中的进或退，以达到对通过阀体的气流量进行相应的控制。通常，原子荧光类仪器的载气和辅助气流量的范围为200～1200mL/min，为能对输出气流量做到精确控制，除在步进电机的控制上采用细分技术之外，作为整个气流调节系统中的关键部件，对气流调节阀体做新的结构设计（见图2）。

在锥形阀体中气流通道的设计上，将气体入口处设计为锥形，在关闭状态时，保证阀芯与气体入口的密闭性；而气流通道与阀芯之间保持有一定的间隙，以保证阀芯的运动和气流的通过；通过调节锥形阀芯的行程，即可改变阀芯与气流入口之间的间隙，达到对气体流量的调节。阀芯的设计尺寸为M3×0.2，即每转一圈的行程为0.2mm。将阀芯通过柔性连接器与步进电机相连接；同时，在阀体内气流通道中，设计有密封垫圈，既保证阀芯在通道中的顺畅运行，又使整个阀体为一密封状态。

在实际的装配调试过程中，整个调节系统精确控制输出气流量200～1200mL/min，精度可达到5%。气流控制系统达到设计要求，完全满足原子荧光类仪器需要；同时，通过长时间测试，无输出量漂移和积累误差现象发生。

2 气流控制系统的电子控制

气流控制系统的控制电路部分，主要是实现对步进电机的运行步数、运行方向及位置等进行精确的控制和驱动，以保证输出气流量的精度和稳定性。本部分电路主要由步进电机控制信号的产生和步进电机驱动2部分组成：控制电路采用MCS-51系列微处理器作为核心控制器，用以控制信号的产生和参数表的储存；在硬件上，采用微处理器的输出、输入口，组成控制电路的脉冲发生、位控信号、位置检测等功能电路，用以对步进电机的步进步数、运行方向、锁定电流及细分等参数进行控制。

为避免功率驱动部分对控制信号干扰，在接口电路中采用光电耦合器件，将控制信号与功率驱动部分隔离，有效地提高整个系统抗干扰能力和系统稳定性；在与仪器主机通讯上，采用通讯接口电路与仪器主机相连接，并可在仪器主机的控制下，完成对输出气流量的设置。在步进电机驱动电路部分，由于要求步进电机能在低速状态下平稳运行，并保证每步的步距角基本一致，在设计中，选用一种低噪音、低频下超低震动、可对电机参数自动识别和控制参数自动整定的步进电机驱动器（DM432C）。DM432C最大细分数可设置为512，由于其在低速共振点处加入电子阻尼，有效地解决电机在低速运行时的共振和大小步、失步等问题，保证本系统中阀芯运行状态的稳定性和精度，达到设计要求。控制电路部分原理框图（见图3）。

工作过程中，首先，控制电路通过光电定位方式确定气流调节系统返回至初始位置（零位状态时，气流量= 0）；然后按照仪器主机所发出的气流量设置值参数，并通过查表方式获得控制参数后，由电子控制电路发出相应的脉冲序列（步数）及方向控制信号，驱动步进电机行进至设定值处，完成对输出气流量的控制。在结构上，由于阀芯的运动行程与输出气流量呈非线性关系，所以在微处理器的存储器中，预存有一个控制脉冲与输出气流量间的对应关系表，根据不同气流设置值，通过查表方式即可获得实际控制参数值（脉冲序列个数等）。

3 气流控制系统的试验和应用

对于本气流调节系统的测试，分为精确度试验、重复性试验和实际应用试验3项。在试验过程中，设置步进电机驱动器的细分状态=256（即25600步/圈），配合阀芯的规格为M3×0.2，理论上每个脉冲的步进行程可达到0.2mm/25600。将气体入口的压力设定为0.2MPa后，预先采用标准流量计，对输出气体流量与步进脉冲数的对应关系制成表（间隔为10mL/min），然后开始试验。

3.1 精确度试验

根据设置值，观察实际值与设置值间的误差；实验结果表明在输出气流量为200～1200mL/min，实际值与设置值间的误差

3.2 重复性试验

间隔5min，重复进行300mL/min气流量的设置，8h后，对所得到的96个数据进行统计，RSD

3.3 实际应用试验

采用西安科创海光仪器有限公司所生产的AFS-9900四通道非色散-氢化物发生原子荧光光度计作为试验样机，采用本气流调节控制系统作为仪器的气路调节系统，根据国家标准GB/T21191-2007，测定仪器线性、检出限和重复性，并对对国家标准样品进行实际测试（见表1，2）。

上述试验结果表明，本气流调节控制系统在精确度、稳定性和重复性等方面，达到设计要求；在实际应用过程中，也具有良好的表现。

4 结论

采用锥形阀+步进电机驱动所组成原子荧光仪器气流量调节系统，实现对工作气体的连续调节，并具有较好的精度和稳定性。与现有技术相比较，新系统不仅减小部件的加工难度和调试工作量，解决输出气流漂移的问题，并且降低生产成本，易于组成一套自动化系统。新系统在实际应用过程中，也取得令人满意的结果。

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