基于Labview虚拟仪器技术的粉尘浓度测控系统研究

刘建华，付强，张肃，杨阳，姜会林

（1.长春理工大学 空间光电技术研究所，长春 130022；2.长春理工大学 电子信息工程学院，130022）

本文所研究的粉尘浓度测控系统基于差分双光路测量原理、PID控制原理，通过仪器设备模拟出特定浓度的粉尘模拟平台，该平台用于检测和试验多种工业产品在不同浓度粉尘的使用可靠性，确保被测产品在高浓度的粉尘环境中正常工作且安全可靠。尤其值得注意的是，当浓度达到一定程度时，极易引起粉尘爆炸事故，带来毁灭性的悲剧。粉尘浓度检测技术在工业产品的生产环节，以及环保方面都有比较广泛的应用需求，所以国内外许多学者从多个方面对粉尘浓度的检测技的进行了研究。粉尘浓度的测量原理大致有电荷法、电容法、光散射法等[1-5]。Delvit，Loepfe，冯继青等基于激光散射特性数学模型研制了粉尘分析检测系统[6-8]，使检测的灵敏度大幅提升，但系统结构过于复杂且数据运算量多大；刘峰，徐宏等专门针对电子烟气溶胶测量，解决了光强与浓度关系非线性化与管壁对光强吸收的影响问题[9]；张娜针对高炉煤气粉尘浓度高精度测量系统解决了非等速采样的问题，其检测精度明显提升[10]。本文即在前人的研究基础之上，基于双光束差分测量法提高检测精度，采用比例控制利用变频器实现粉尘浓度的准确控制，且在人机交互式方面，本文采用Labview虚拟仪器技术实现对粉尘浓度在线测控，操作更为简单，可视化程度更好，硬件成本和操作的复杂性也大大降低。

1 粉尘浓度测控系统组成与检测原理

1.1 系统组成

粉尘测控系统主要由粉尘浓度测量系统和加尘电机控制系统两部分组成。在此测控系统中，为了消除光源的电源电压纹波所引入的光源的光强不稳定因素，粉尘浓度测量子系统采用了双光束差分测量方案，由波长为655nm的半导体激光器、参考/测量光路所需的硅光电池探测器、电信号调整板、数据采集卡以及计算机组成。变频器、加尘电机与计算机等构成了粉尘浓度控制子系统。系统组成如图1所示。

图1 系统组成图

粉尘测控系统现场与实验环境如图2所示。（a）图为双光束差分测量光学检测部分，（b）为粉尘进料机器与驱动电机，（c）为鼓风机，滚风机转动时会使得伴有粉尘的空前不断流动，即环境室内粉尘浓度更加均匀，并且烟尘粉尘悬浮时间。

图2 实验环境图

1.2 检测原理

粉尘浓度检测的理论原理基于Lambert-Beer定律，即当光在某浓度的介质中传播过程中，光能量在其传播途径上将会呈现对数衰减情况，光能量在传播途径损耗的能量与光程中光吸收或散射的分子数目呈正比关系：

式中：I0、I为入射光及通过粉尘后的透射光强度；A为吸光度；C为吸光介质的浓度；d为吸收层厚度；k为摩尔吸收系数，其与吸收物质的性质及入射光的波长λ有关；T为透过率，即透射光强度与入射光强度之比。

因为吸收层厚度d和摩尔吸收系数k为固定值，所以将（1）式转换为：

显然，式中K=1/(k×d)，是一个常数。因此，根据公式（2），因此根据激光在粉尘室内的透过率T来测量粉尘浓度C。由上文中知为了消除光源的电源电压纹波所引入的光源的光强不稳定因素，粉尘浓度测量子系统采用了双光束差分测量方案，所以透过率T可由测量光路、参考光路探测器输出信号得出：

式中U1，U3分别为空测时测量光路探测器输出的电压幅值和参考光路探测器输出的电压幅值。U2，U4分别为测控粉尘过冲中测量光路探测器电压幅值和参考光路探测器电压幅值。综上，粉尘浓度C可由下式计算：

K值在标定过程中计算，启动变频器驱动电机在粉尘室内扬起一定浓度的粉尘，通过测量光路和参考光路计算此浓度下粉尘室内的透过率，抽出10cm3立方样本的空气，采用称重法测出样本空气中的粉尘重量，通过公式（4）反算K值：

记录该值，进行粉尘浓度将标定过程中计算出的K值带入（2）。

2 基于Labview的粉尘浓度测控虚拟仪器实现

2.1 上位机软件总体设计

粉尘浓度测控系统上位机软件的具体功能如下：（1）实时粉尘浓度曲线：显示粉尘浓度曲线（g/m3）。（2）参数显示：测控室的室内温度、测量光路与参考光路的探测器的电压幅值、激光器电源信息等。（3）变频器控制：通过变频器上的PU端口与工控机时时通讯，实现对变频器的控制。（4）结果显示：显示粉尘浓度、保存粉尘浓度曲线和数据、温度曲线和数据。

图3 软件界面

操作界面如图3（a）（b）所示。操作界面上半部分的波形图表用于显示粉尘浓度曲线。界面下半部分如同仪器仪表面板一样，将参数显示控件合理布置，如测量/参考光路的电压幅值、变频器的控制模式以及频率、电源电压信息等。

2.2 粉尘浓度检测分系统实现

2.2.1 半满查询数据采集

本系统采用的PCI8622数据采集卡对探测器输出的电压数据（U1，U2，U3，U4）进行采集。采用半满采集方式进行A/D采集。采用LABVIEW调用PCI8622数据采集卡提供的动态链接库函数hDevice设置对象句柄，InitDeviceProAD用于初始化A/D，pADPara参数结构函数确定采样通道等信息的设置。再采用StartDeviceProAD函数开始A/D采集，调用GetDevStatusProAD函数查询AD存储器的半满状态，如果达到了半满状态，即采用Re⁃adDeviceproAD_Half函数读取一批半满长度，然后查看FIFO的半满状态，如果有效则继续读取，就这样反复查询状态读取A/D数据即可实现联系不间断且高效的采样数据，以提高系统的整体数据处理效率。停止数据采集时候执行StopDeviceProAD，最后采用ReleaseDeviceProAD便可实现数据的释放。具体执行流程图如图4。

图4 半满查询数据采集

2.2.2 数据处理

根据上文提供的检测原理与公式即可时时计算粉尘浓度，双光路的数据采集以及数据处理由阿尔泰公司的PCI8622数据采集卡采集数据，采集的数据由于透过率的计算，标定过程中吸收层厚度d和摩尔吸收系数k的确定。三菱公司的FR-E540变频器与232串口转化485串口模块实现异步通信，构成粉尘浓度控制的硬件条件。整体粉尘测控流程图如图5所示。

图5 粉尘测控流程图

利用PCI8622提供的Labview动态链接库函数 ，如 CreateDevice，InitDeviceProAD，StartDevi⁃ceProAD，ReadDeviceProAD_Half，StopDevi⁃ceProAD，ReleaseDeviceProAD进行实时测量/参考光路的电压信号采集，基于上文叙述的检测原理，对采集数据进行处理计算，部分背面板程序图如图6，图7所示。

2.3 基于Labview粉尘浓度控制分系统实现

2.3.1 Labview与变频器的通讯实现

变频器负责调控电机的运转速度，将实验粉尘试样槽的实验粉尘试样由电机带动，由鼓风机鼓入实验室，所以粉尘测控实验室的粉尘量由变频器所决定。变频器的频率决定电机的转速，变频器通过MOXA公司的232/485转换模块转换接口与上位机相连，利用参数制定命令进行频率参数的设定。计算机与变频器之间的主要通信协议如表1所示。

图6 标定过程部分程序图

图7 粉尘浓度检测部分程序图

表1 通信协议

所以按照十六进制发送0530 3046 4130 3234 39就可以启动变频器。变频器频率的设置的程序图如图8所示。以十六进制发送0530 3046 4130 3034 37就可以停止变频器。

图8 Labview与变频器通信与频率设置程序图

2.3.2 粉尘浓度控制实现

浓度控制算法采用经典的PID控制算法，PID控制算法属于经典算法，所以关于该算法的数学模型不再赘述。计算出设定粉尘浓度与实际粉尘浓度的偏差值，在基于LabVIEW的PID控制函数中对这些数据进行处理，形成控制信号，上位机根据接收到的指令输出频率值给变频器，对变频器的频率进行控制。图9为该算法的部分程序图。

图9 浓度PID控制程序图

3 实验结果及分析

打开激光器10分钟待激光器光强稳定后，进入主程序开始粉尘浓度的测控。启动变频器并向进料机中加入实验粉尘试样，浓度值为1.8g/m3附近时程序开始自动控制，待粉尘浓度稳定后，记录并保存粉尘浓度曲线如图10所示。

图10 粉尘浓度曲线

粉尘浓度持续保持在1.8g/m3附近时候，提取2053个采样点，利用Origin软件分析这2053个粉尘数据，并绘制出浓度曲线如图11所示。样本浓度平均值为1.8017g/m3，最大值为1.94g/m3，最小值为1.59g/m3。标准差σ=0.0646g/m3。实验证明，测控系统满足1.8±0.2g/m3的精度要求。

图11 粉尘浓度数据分析曲线

再次读取9154个取样数据，并绘制出浓度曲线。如图12。利用Origin计算得到样本，浓度均值为 1.8452g/m3，最大值为1.9600g/m3，最小值为1.4796g/m3。标准差σ=0.0725。观察图线，主要由三处浓度值小于1.6000g/m3，分析原因主要由于粉尘耗尽以及进料不均匀引起的。

图12 粉尘浓度数据分析曲线

粉尘浓度持续保持在1.8g/m3附近时候，抽出10cm3立方样本的空气，采用称重法测出样本空气中的粉尘重量。称重法测量结果为1.82g/m3，即粉尘浓度测控系统的误差为0.0252g/m3。由实际测试可知，测控系统满足1.8±0.2g/m3的精度要求。

可能引起系统误差因素分析与相应减小系统误差的措施有：

（1）由于系统扬尘为进料机控制，不能严格保证进入的粉尘的速率相同，会出现时大时小的情况。可考虑改造进料机的控制方式，采用角度传感器与执行电机形成闭环控制，并利用单片机融入PID算法，使进料机的进料速度可控。（2）由于处于扬尘室内，电机震动、气流会引起整个仪器的抖动，也会影响测量精度。考虑可将电机支撑，仪器的固定支撑环节改造为柔性铰链结构，在一定程度上削弱外界激励引入的抖动。（3）光斑不均匀性的影响：光电池光敏面不同位置特性不尽相同，若光斑直径过小，会产生误差；若光斑直径过大，照射在单位面积的光通量会很小，光电池的线性度不好。可考虑采用最小二乘法拟合非线性响应度方程，修正系统误差，减小由探测器的非线性所带来的不确定度，并将修正方程带入上位机程序，即可完成修正。

4 结论

为实现对粉尘浓度的实时在线检测控，可作为工业产品的环境可靠性试验系统，设计了一种基于labview高集成度人机交互式的粉尘浓度测控系统。与现有系统相比，该系统的优点在于各控制参数均可精确控制，大幅度缩减试验周期，并且借助虚拟仪器技术，可视化程度更好，硬件成本和操作的复杂性也大大降低，用于模拟不同粉尘浓度环境条件，也可以应用于其他火灾预警、环境监测等领域。