基于PID控制粉塵濃度測量儀的實(shí)現(xiàn)

摘要：為了擴(kuò)大粉塵測量儀的測量范圍，采用一種自適應(yīng)的測量方法，即根據(jù)被測環(huán)境粉塵的濃度自動(dòng)調(diào)節(jié)傳感器的接收靈敏度，并結(jié)合相應(yīng)的軟件算法，使高、低濃度的粉塵都能得到有效測量。在設(shè)計(jì)過程中運(yùn)用PID算法對測量過程進(jìn)行控制，使測量儀在運(yùn)行中進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)，以降低測量數(shù)據(jù)的振蕩。通過對煙霧釋放出粉塵的濃度測量，運(yùn)用Matlab對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到了平滑的響應(yīng)曲線。實(shí)測結(jié)果表明，該方法有效地?cái)U(kuò)大了測量范圍，使測量范圍達(dá)到了0．01～48 mg／m3。
關(guān)鍵詞：自適應(yīng)；粉塵測量；PID；數(shù)字濾波

隨著我國現(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展，空氣中粉塵的污染越來越嚴(yán)重，這一污染嚴(yán)重危害著人類健康，因此粉塵濃度的測量在治理環(huán)境污染，保護(hù)人類健康領(lǐng)域中意義重大。粉塵濃度的測量方法多種多樣，目前我國一些環(huán)保部門仍采用“濾膜稱重法”測量粉塵濃度，這種方法不能實(shí)現(xiàn)在線連續(xù)測量，且測量誤差較大。國外均采用基于光散射理論的在線測量，該技術(shù)已非常成熟。目前我國也展開了基于光散射測量粉塵技術(shù)的研究，但與國外技術(shù)相比，還有很大差距。在多年對光散射法測量粉塵濃度的研究中體會(huì)到這種方法的測量范圍小，儀器數(shù)據(jù)顯示不穩(wěn)定，本文提出一種自適應(yīng)測量方法，通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該方法能有效擴(kuò)大測量范圍，減小振蕩。

1 儀器的總體設(shè)計(jì)
測量儀主要由光學(xué)傳感器、氣路系統(tǒng)、光／電轉(zhuǎn)換、放大器、A／D轉(zhuǎn)換、微機(jī)控制與管理系統(tǒng)、電源系統(tǒng)組成，其總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。儀器的工作過程如下：

由半導(dǎo)體激光器發(fā)出的光波穿過具有粉塵的被測區(qū)域后，光學(xué)傳感器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。為確保能對信號(hào)直接進(jìn)行A／D轉(zhuǎn)換，提高信號(hào)的抗干擾能力和儀器的靈敏度，還必須對信號(hào)進(jìn)行調(diào)理。調(diào)理后的電信號(hào)通過A／D轉(zhuǎn)換后再傳送到微處理器，通過微處理器對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析再顯示。

2 自適應(yīng)測量的實(shí)現(xiàn)
2．1 自適應(yīng)調(diào)節(jié)原理
采用一般傳感器測量粉塵濃度，其測量范圍約為0～3 mg／m3。為保證高濃度和低濃度的測量準(zhǔn)確性，擴(kuò)大儀器的測量范圍，本文提出了一種通過調(diào)節(jié)傳感器接收靈敏度來實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)調(diào)節(jié)的算法(調(diào)節(jié)原理如圖2所示)，即當(dāng)被測環(huán)境的粉塵濃度較低時(shí)，提高傳感器的接收靈敏度；當(dāng)被測環(huán)境的粉塵濃度較高時(shí)，降低傳感器的接收靈敏度，并通過實(shí)驗(yàn)對這種方法進(jìn)行了驗(yàn)證，圖3是軟件控制流程圖。