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摘 要： 离子迁移谱（IMS）在痕量化学物探测方面已有广泛应用，而热解析是用于IMS的液体和固体样品进样的重要手段，热解析的温度是控制重点。以数据采集卡PCI2300和固态继电器构成的温度控制系统，对样品进行加热，从而实现样品的蒸发，通过载气实现进样，以实现热解析。PC机对执行设备固态继电器的通断控制，控制加热带通与断，实现对迁移管进气温度的控制，进气温度用K型的热电偶检测，送入PC机进行PI运算。本设计硬件结构简单、便于连接，能够达到简单控制温度的目的。完成系统装配与调试，基本达到预期效果，符合设计的要求。
关键词： 离子迁移谱 热解析 PI控制 数据采集卡
离子迁移率谱技术（Ion mobility spectrometry，IMS）目前已被广泛应用于痕量化学战剂、毒品、炸药等的快速检测及各种有机污染成分的实时监测和分析。它是在一定温度和气压下，通过精确测定弱电场中气相离子的漂移时间确定待测物质的种类。因此，IMS常用于气相样品的检测。将液相或固相样品快速高效转化为气相，引入IMS系统进行检测是当前IMS技术的研究热点[1]，热解析方法是样品进样、应用较多的一种重要手段。
1.离子迁移谱控制系统
离子迁移谱（Ion Mobility Spectrometry，IMS），也称离子迁移率谱，是在20世纪70年代初出现的一种新的气相分离和检测技术。它以离子漂移时间的差别进行离子的分离定性，借助类似于色谱保留时间的概念，起初被称为等离子体色谱[2]。以离子迁移谱仪（IMS）为应用背景的数据采集系统是目前国内的热门研究课题。
1.1热解析
热解析是用于离子迁移率谱（IMS）的液体和固体样品进样加热蒸发重要手段，通过载气空气或者惰性气体（如氮气或氦气）下，对进样进行检测。热解析的一般温度一般是在几百度左右，虽然说热解析是对IMS的液体和固体样品进样重要手段，但是检测高沸点或易分解，存在易重新凝结或过热分解的问题，而控制被控样品的进气温度很重要。
本设计采用的热解析温度控制要求：（1）设计一个在离子迁移谱中的温度控制系统；（2）主要功能：定值控制，温度控制范围：常温至230℃，精度：5℃；（3）保证进样温度恒定。
1.2迁移管
迁移管的基本结构如图1所示，包括样品入口、离化区、离子门、迁移区和探测器等部分。
迁移管的最前部是样品入口，被测样品在载气的带动下由此进入离化区，载气一般是纯净的氮气或净化过的空气。
1.3离子迁移谱热解析控制系统总体设计思路
本设计是对被控设备迁移管的进气温度进行控制的系统，利用K型的热电偶对被控迁移管的进气口的进气温度进行采样，将采集的电压信号通过采集卡PCI2300的模拟输入通道接入，然后对信号进行放大，放大后的信号进行A/D转换，变为可用的数字量信号，再通过标度转换为对应的电势参数，除以对应放大倍数，就是采集过来热电偶所产生的实际电势值，将冷端补偿温度t带入拟合公式，得出电势补偿值，求出实际被测温度在零摄氏度下的对应电势，计算出被测设备温度t，利用PI控制器编写算法运算，转化为矩形波信号输出，控制执行设备固态继电器，以控制加热带的加热，达到控制迁移管进气口进样温度的控制要求。
2.硬件设计
2.1硬件结构
设计热解析系统，利用现有设备对离子迁移谱热解析进行温度的控制设计，利用固态继电器的通与断对加热带进行控制，通过K型热电偶的检测的温度，送到采集卡PCI2300进行放大和A/D转换，最后转换为对应的温度参数，显示在用VB编写的电脑界面上。通过PI控制器，对采集的温度进行换算，对采集卡PCI2300的开关数字量输出端口DO输出可变的占空比的矩形波，以控制固态继电器，达到控制温度的目的。
硬件结构图如图2所示：
2.2硬件电路
硬件电路主要是构成由采集卡PCI2300采集热电偶的电压信号，通过采集卡的模拟通道IN1 和AGND为输入，通过相关运算，在采集卡开关量输出端口DO0和GND输出，接入固态继电器SSR线圈，以控制加热带的通断，达到控制温度的目的，如图3。
2.3 PCI2300采集卡
PCI2300卡是一种基于PCI总线的数据采集卡，可直接插在IBM-PC/AT或与之兼容的计算机内的任一PCI插槽中，构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、工业生产过程监控系统。PCI2300板上装有12Bit分辨率的A/D转换器，为用户提供16双/32单的模拟输入通道。输入信号仪表放大器AD620调整到合适的范围，保证最佳转换精度。A/D转换器输入信号范围±5V、±10V、0～10V：32位PCI总线，真正实现即插即用；100KHz12位A/D转换器；32通道单端模拟输入或16路双端模拟输入；支持软件查询方式；16路开关量输入，16路开关量输出；完备的函数模块使您可以方便地编写自己的应用程序，而不需要对硬件有所了解，真正做到即插即用。
3.软件设计
3.1软件结构
初始化是把变量和控件变为默认，采集热电偶产生模拟电压信号，通过A/D转换，将模拟的电压信号变为数字量，数字量转换为对应电势，计算被测设备温度，得出偏差值e（t），判断是否e（t）≤20℃，如果“是”则进行PI运算，否则以较大功率输出，设全功率的70%作为输出，输出端口就是采集卡PCI2300的开关量端口DO0，刷新页面参数，判断是都有停止加热，防止设备故常，急停使用，如果没有停止加热则继续循环，见图4。
3.2温度采集
3.2.1温度信号采集
将热电偶的两个接线端接到采集卡PCI2300的模拟输入的端口CH01（IN1 ）和AGND上，通过采集卡PCI2300对热电偶产生的电压信号进行采集，采集卡自带放大器对其电压信号进行放大，放大器的放大增益为100。 3.2.2 A/D转换
由于采集卡PCI2300设置采集模拟电压的范围为-10V～ 10V，且采集卡是100KHz12位A/D转换器，将模拟电压范围内的数分为212=4096个数，从而可以算出采集卡能分辨的最小分度电压是20V/4096=0.0048828125V≈4.88mv。A/D是将采集过来热电偶信号经放大后的电压信号变为数字量，储存起来。
3.2.3标度转换
标度转换主要是将得到的数字量数字的大小转换为温度的大小。采集过来的数字量要先变为对应的电压，除去放大倍数，就是热电偶产生实际电压值，再对热电偶进行补偿，计算出热电偶的补偿后的总电压值，最后计算出热电偶测出的温度值。对冷端补偿计算和温度的计算，需要将K型的热电偶参数表进行拟合，得到热电偶的电压转换温度的函数关系式和冷端补偿温度转换为电压的函数关系式，利用拟合曲线软件origin，对已知的K型热电偶表进行拟合，得出以下（3-1）和（3-2）式子。
3.3.2 PI算法基本原理
PI控制器由比例单元（P）和积分单元（I）组成，在控制系统里作为反馈回路的一个部件，其作用是将我们希望系统输出的预设值r（t）与实际输出值之间的偏差e（t）分别进行比例（P）和积分（I）运算，然后对结果线性组合得出控制量u（t），再对被控对象进行控制，使输出值迅速达到并稳定在预设值。当被控对象的变化规律难以完全被掌握的，较难使用其他控制技术，这时采用PI控制最简单和方便。系统结构图如上图5所示，其输入输出关系为：
由上式可知，位置式PI每次的输出都要对e（k）进行累加，从而造成运算的工作量很大；若某些故障等原因使u（k）出现大的跳变时，会导致执行机构跟着出现大的位置变化，存在安全隐患。
4.结语
通过实验证明，利用固态继电器当控制器，控制被控设备温度的设计方案是可行的，基本达到预期结果。相对于热电阻来说，热电偶结构简单，没有复杂的外围电路，且安装方便，测量温度也方便。参数的整定运用了工程整定法中的反应曲线法，通过运用经验法对控制参数一点点试验而得出的控制参数。
本设计的优点是采集卡的模拟输入量端口比较多，对多点测控是很有帮助，为以后扩展升级留下余地，且自带放大电路，省去复杂的外围电路。同时，本次的VB温度控制模块可以为迁移谱采集波形采集时引用，但设计也有不足的地方，如温控精度不高，且屏蔽和滤波采用都比较简单，还有许多地方需要验证和提高。
参考文献：
[1]贾建，高晓光，何秀丽，李建平.用于离子迁移率谱仪快速热解析进样方法[J].分析化学仪器装置与实验技术，2011：39（10）：1487-1490.
[2]许峰，王海龙，关亚风.离子迁移谱研究进展[J].化学进展，2005：17（3）：515-522.
[3]徐淑武，郑健，毕志毅，陈扬.离子迁移谱检测技术及其应用[J].物理学和高新技术，2003：32（8）：539-542.
[4]肖涧.PID算法在温控系统中的应用.科研发展[J].2012：12：97-98.
关键词： 离子迁移谱 热解析 PI控制 数据采集卡
离子迁移率谱技术（Ion mobility spectrometry，IMS）目前已被广泛应用于痕量化学战剂、毒品、炸药等的快速检测及各种有机污染成分的实时监测和分析。它是在一定温度和气压下，通过精确测定弱电场中气相离子的漂移时间确定待测物质的种类。因此，IMS常用于气相样品的检测。将液相或固相样品快速高效转化为气相，引入IMS系统进行检测是当前IMS技术的研究热点[1]，热解析方法是样品进样、应用较多的一种重要手段。
1.离子迁移谱控制系统
离子迁移谱（Ion Mobility Spectrometry，IMS），也称离子迁移率谱，是在20世纪70年代初出现的一种新的气相分离和检测技术。它以离子漂移时间的差别进行离子的分离定性，借助类似于色谱保留时间的概念，起初被称为等离子体色谱[2]。以离子迁移谱仪（IMS）为应用背景的数据采集系统是目前国内的热门研究课题。
1.1热解析
热解析是用于离子迁移率谱（IMS）的液体和固体样品进样加热蒸发重要手段，通过载气空气或者惰性气体（如氮气或氦气）下，对进样进行检测。热解析的一般温度一般是在几百度左右，虽然说热解析是对IMS的液体和固体样品进样重要手段，但是检测高沸点或易分解，存在易重新凝结或过热分解的问题，而控制被控样品的进气温度很重要。
本设计采用的热解析温度控制要求：（1）设计一个在离子迁移谱中的温度控制系统；（2）主要功能：定值控制，温度控制范围：常温至230℃，精度：5℃；（3）保证进样温度恒定。
1.2迁移管
迁移管的基本结构如图1所示，包括样品入口、离化区、离子门、迁移区和探测器等部分。
迁移管的最前部是样品入口，被测样品在载气的带动下由此进入离化区，载气一般是纯净的氮气或净化过的空气。
1.3离子迁移谱热解析控制系统总体设计思路
本设计是对被控设备迁移管的进气温度进行控制的系统，利用K型的热电偶对被控迁移管的进气口的进气温度进行采样，将采集的电压信号通过采集卡PCI2300的模拟输入通道接入，然后对信号进行放大，放大后的信号进行A/D转换，变为可用的数字量信号，再通过标度转换为对应的电势参数，除以对应放大倍数，就是采集过来热电偶所产生的实际电势值，将冷端补偿温度t带入拟合公式，得出电势补偿值，求出实际被测温度在零摄氏度下的对应电势，计算出被测设备温度t，利用PI控制器编写算法运算，转化为矩形波信号输出，控制执行设备固态继电器，以控制加热带的加热，达到控制迁移管进气口进样温度的控制要求。
2.硬件设计
2.1硬件结构
设计热解析系统，利用现有设备对离子迁移谱热解析进行温度的控制设计，利用固态继电器的通与断对加热带进行控制，通过K型热电偶的检测的温度，送到采集卡PCI2300进行放大和A/D转换，最后转换为对应的温度参数，显示在用VB编写的电脑界面上。通过PI控制器，对采集的温度进行换算，对采集卡PCI2300的开关数字量输出端口DO输出可变的占空比的矩形波，以控制固态继电器，达到控制温度的目的。
硬件结构图如图2所示：
2.2硬件电路
硬件电路主要是构成由采集卡PCI2300采集热电偶的电压信号，通过采集卡的模拟通道IN1 和AGND为输入，通过相关运算，在采集卡开关量输出端口DO0和GND输出，接入固态继电器SSR线圈，以控制加热带的通断，达到控制温度的目的，如图3。
2.3 PCI2300采集卡
PCI2300卡是一种基于PCI总线的数据采集卡，可直接插在IBM-PC/AT或与之兼容的计算机内的任一PCI插槽中，构成实验室、产品质量检测中心等各种领域的数据采集、工业生产过程监控系统。PCI2300板上装有12Bit分辨率的A/D转换器，为用户提供16双/32单的模拟输入通道。输入信号仪表放大器AD620调整到合适的范围，保证最佳转换精度。A/D转换器输入信号范围±5V、±10V、0～10V：32位PCI总线，真正实现即插即用；100KHz12位A/D转换器；32通道单端模拟输入或16路双端模拟输入；支持软件查询方式；16路开关量输入，16路开关量输出；完备的函数模块使您可以方便地编写自己的应用程序，而不需要对硬件有所了解，真正做到即插即用。
3.软件设计
3.1软件结构
初始化是把变量和控件变为默认，采集热电偶产生模拟电压信号，通过A/D转换，将模拟的电压信号变为数字量，数字量转换为对应电势，计算被测设备温度，得出偏差值e（t），判断是否e（t）≤20℃，如果“是”则进行PI运算，否则以较大功率输出，设全功率的70%作为输出，输出端口就是采集卡PCI2300的开关量端口DO0，刷新页面参数，判断是都有停止加热，防止设备故常，急停使用，如果没有停止加热则继续循环，见图4。
3.2温度采集
3.2.1温度信号采集
将热电偶的两个接线端接到采集卡PCI2300的模拟输入的端口CH01（IN1 ）和AGND上，通过采集卡PCI2300对热电偶产生的电压信号进行采集，采集卡自带放大器对其电压信号进行放大，放大器的放大增益为100。 3.2.2 A/D转换
由于采集卡PCI2300设置采集模拟电压的范围为-10V～ 10V，且采集卡是100KHz12位A/D转换器，将模拟电压范围内的数分为212=4096个数，从而可以算出采集卡能分辨的最小分度电压是20V/4096=0.0048828125V≈4.88mv。A/D是将采集过来热电偶信号经放大后的电压信号变为数字量，储存起来。
3.2.3标度转换
标度转换主要是将得到的数字量数字的大小转换为温度的大小。采集过来的数字量要先变为对应的电压，除去放大倍数，就是热电偶产生实际电压值，再对热电偶进行补偿，计算出热电偶的补偿后的总电压值，最后计算出热电偶测出的温度值。对冷端补偿计算和温度的计算，需要将K型的热电偶参数表进行拟合，得到热电偶的电压转换温度的函数关系式和冷端补偿温度转换为电压的函数关系式，利用拟合曲线软件origin，对已知的K型热电偶表进行拟合，得出以下（3-1）和（3-2）式子。
3.3.2 PI算法基本原理
PI控制器由比例单元（P）和积分单元（I）组成，在控制系统里作为反馈回路的一个部件，其作用是将我们希望系统输出的预设值r（t）与实际输出值之间的偏差e（t）分别进行比例（P）和积分（I）运算，然后对结果线性组合得出控制量u（t），再对被控对象进行控制，使输出值迅速达到并稳定在预设值。当被控对象的变化规律难以完全被掌握的，较难使用其他控制技术，这时采用PI控制最简单和方便。系统结构图如上图5所示，其输入输出关系为：
由上式可知，位置式PI每次的输出都要对e（k）进行累加，从而造成运算的工作量很大；若某些故障等原因使u（k）出现大的跳变时，会导致执行机构跟着出现大的位置变化，存在安全隐患。
4.结语
通过实验证明，利用固态继电器当控制器，控制被控设备温度的设计方案是可行的，基本达到预期结果。相对于热电阻来说，热电偶结构简单，没有复杂的外围电路，且安装方便，测量温度也方便。参数的整定运用了工程整定法中的反应曲线法，通过运用经验法对控制参数一点点试验而得出的控制参数。
本设计的优点是采集卡的模拟输入量端口比较多，对多点测控是很有帮助，为以后扩展升级留下余地，且自带放大电路，省去复杂的外围电路。同时，本次的VB温度控制模块可以为迁移谱采集波形采集时引用，但设计也有不足的地方，如温控精度不高，且屏蔽和滤波采用都比较简单，还有许多地方需要验证和提高。
参考文献：
[1]贾建，高晓光，何秀丽，李建平.用于离子迁移率谱仪快速热解析进样方法[J].分析化学仪器装置与实验技术，2011：39（10）：1487-1490.
[2]许峰，王海龙，关亚风.离子迁移谱研究进展[J].化学进展，2005：17（3）：515-522.
[3]徐淑武，郑健，毕志毅，陈扬.离子迁移谱检测技术及其应用[J].物理学和高新技术，2003：32（8）：539-542.
[4]肖涧.PID算法在温控系统中的应用.科研发展[J].2012：12：97-98.