一种非甲烷总烃检测仪中的稳定催化效率装置

1.本发明涉及环境污染物非甲烷总烃检测设备领域中的一种非甲烷总烃检测仪，尤其涉及一种非甲烷总烃检测仪中的稳定催化效率装置。


背景技术：

2.在针对基于非甲烷总烃检测仪中的稳定催化效率装置中为了实现甲烷、非甲烷总烃的区分功能，需要为催化剂提供一个恒温的反应条件。普通的温度控制器多采用单一pid控制算法，存在温控效果较差，参数整定过程复杂等缺点。常见的反应容器的保温常通过向隔热板材搭建的腔体内填充保温物质(例如石英棉等)来实现，存在体积大，更换反应容器内部催化物质困难等缺点。采用空气恒温的恒温装置存在空气导热系数小，升温较慢，不易控温等缺点。采用u型管和恒温块结合的反应装置存在加工复杂，体积较大，不易保温，装配困难等缺点。


技术实现要素：

3.为解决传统非甲烷总烃检测仪中的稳定催化效率装置中，1.反应装置热量传递速度慢，传递不均匀的问题；2.反应装置体积大，不易装配，构造复杂的问题；3.反应装置保温，隔热性能差，催化剂更换困难的问题；4.温度控制器控温精度差，pid参数整定复杂的问题；本发明提供一种非甲烷总烃检测仪中的稳定催化效率装置。
4.本发明采用以下技术方案实现：一种非甲烷总烃检测仪中的稳定催化效率装置，其包括：
5.预热模块，用于预热待测气体；
6.反应容器，其具有一个用于对预热后的所述待测气体提供催化氧化场所的反应腔；以及
7.恒温系统，其用于对预热模块、反应容器进行恒温控制；
8.其中，预热模块采用金属制成，预热模块开设有填充氧化铝颗粒的腔体、与腔体相互独立的两个收容腔；两个收容腔分别收容有加热器和测温器；
9.反应容器采用金属制成，且在反应容器的一侧开设有与反应腔相互独立的第一空腔和第二空腔；
10.所述恒温系统包括：
11.加热装置，其装载在反应容器的第一空腔内，用于加热反应容器；
12.测温装置，其装载在反应容器的第二空腔内，用于测量反应容器的温度；
13.控制器，其根据测温器测量的温度判断是否在一个预设的温度范围内，是则控制加热器停止加热，否则控制加热器加热使得测温器测量的温度保持在所述预设的温度范围内；控制器还根据测温装置测量的温度控制加热装置运行，控制器的温度控制方法包括以下步骤：在所述非甲烷总烃检测仪启动使用后，控制加热装置加热反应容器；启动测温装置实时测量反应容器的当前温度；判断所述当前温度是否等于一个设定温度，是则采用前馈
控制方式控制加热装置以一个实时温度补偿功率对反应容器进行温度补偿，否则采用pid控制方式控制加热装置继续加热反应容器直至所述当前温度等于所述设定温度；
14.其中，所述前馈控制方式的控制方法包括以下步骤：实时测量反应容器每秒的热量；计算反应容器前后两秒之间的热量差，并将所述热量差作为反应容器的当前温度补偿量；根据当前温度补偿量计算加热装置下一秒的加热功率，即所述实时温度补偿功率；根据所述加热功率控制加热装置对反应容器进行温度补偿；
15.所述pid控制方式的控制方法包括以下步骤：计算所述当前温度与所述设定温度之间的差值e、积分量ie和微分量de；计算所述加热装置继续加热的功率p为：p＝kp
×
e ki
×
ie kd
×
de；其中，kp、ki、kd分别为所述pid控制方式采用的p、i、d系数。
16.作为上述方案的进一步改进，第一空腔位于反应容器的正中心，反应腔与第二空腔关于第一空腔中心对称。
17.作为上述方案的进一步改进，所述非甲烷总烃检测仪还包括：保温层一，其裹附在反应容器的外表面上。优选地，保温层一采用可裁剪的多块隔热保温板材在反应容器的外表面拼接而成。再优选地，所述隔热保温板材通过耐高温胶水粘合在反应容器的外表面上。
18.优选地，所述非甲烷总烃检测仪还包括：保温层二，其裹附在保温层一的外表面上。优选地，保温层二采用柔性保温材料，通过铁丝固定在保温层一的外表面上。
19.作为上述方案的进一步改进，反应腔为贯穿反应容器两端的穿孔，反应腔的一端连通一个用于输入反应前气体的输入接头，反应腔的另一端连通一个用于输出反应后气体的输出接头。
20.作为上述方案的进一步改进，所述输入接头和所述输出接头均通过螺纹连接的方式分别固定在反应腔的两端上。
21.作为上述方案的进一步改进，加热装置、加热器采用加热棒，测温装置、测温器采用温度传感器。
22.作为上述方案的进一步改进，腔体为贯穿预热模块两端的穿孔，预热模块的一端连通一个用于输入反应前气体的气管接头一，预热模块的另一端连通一个用于输出反应后气体的气管接头二。
23.相较于现有的非甲烷总烃检测仪中的稳定催化效率装置，本发明的非甲烷总烃检测仪中的稳定催化效率装置，其有益效果主要有以下几点：
24.1.与传统的非甲烷总烃检测仪中的稳定催化效率装置的u型管式的反应容器相比，本发明的反应容器加工简单，结构紧凑，易于装配；
25.2.与常见的非甲烷总烃检测仪中的稳定催化效率装置的箱式保温结构相比，本发明的保温结构体积小，安装方便灵活，大大降低了更换反应容器中催化剂的难度，有效避免了高温的金属反应容器对仪器的其他部分或维修人员产生伤害。
26.3.与普通的非甲烷总烃检测仪中的稳定催化效率装置的pid温度控制器相比，本发明的控制器升温迅速，控制精度高，pid参数整定简单，鲁棒性强。
附图说明
27.图1为本发明实施例的非甲烷总烃检测仪中的稳定催化效率装置的预热模块的结构示意图；
28.图2为本发明实施例的非甲烷总烃检测仪中的稳定催化效率装置的反应容器的结构示意图；
29.图3为图2中非甲烷总烃检测仪中的稳定催化效率装置的控制方法流程图。
具体实施方式
30.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
31.请参阅图1及图2，其为本发明实施例的非甲烷总烃检测仪中的稳定催化效率装置的结构示意图，所述稳定催化效率装置包括预热模块12、反应容器2、恒温系统、保温层一1、保温层二11，为了更好的展示内部结构，对保温层一1做了分解示意，对保温层二11也做了展开示意。
32.预热模块12用于预热待测气体，预热模块12采用金属制成，预热模块12开设有填充氧化铝颗粒的腔体17、与腔体17相互独立的两个收容腔。两个收容腔分别收容有加热器13和测温器14。腔体17起到气阻的作用；入口气体管道18通过气管接头15连接到预热模块12，使入口气体管道18中的待测气体经过预热模块12的加热。在出口气体管道19保持温度恒定，出口气体管道19通过气管接头16连接到预热模块12；以及加热器13和测温器14对预热模块12进行升温和测温。在本实施例中，在预热模块12的一侧开设有与填充氧化铝颗粒的腔体17相互独立的，用于放置加热器13和测温器14的空腔。
33.腔体17中填充的是耐高温的氧化铝颗粒，作用是充当气阻，降低进入管道的气体流速，同时使气体均匀受热。放置加热器13的空腔位于待测气体预热模块12的正中心，氧化铝颗粒的填充腔体17与测温器14的空腔关于加热器13的空腔中心对称。加热器13和测温器14可分别采用加热棒和pt100温度传感器。
34.反应容器2供甲烷提供催化氧化场所，因而具有一个用于对甲烷提供催化氧化场所的反应腔3。本发明将反应容器2设计成金属容器，从而改变了导热介质。和传统的瓷器反应容器不同，本发明的反应容器21由于采用金属材质制成，因此热量传递速度快，热量传递均匀，解决了传统热量传递速度慢、传递不均匀的技术问题。恒温系统用于对反应容器2进行恒温控制，为参与催化氧化法的催化剂提供反应场所和稳定的恒温条件。所述恒温系统包括加热装置4、测温装置5、控制器(图未示)。
35.反应容器2采用金属制成，且在反应容器2的一侧开设有与反应腔3相互独立的第一空腔8和第二空腔9。第一空腔8尽量位于反应容器2的正中心，反应腔3与第二空腔9尽量关于第一空腔8中心对称。反应腔3可为贯穿反应容器2两端的穿孔，反应腔3的一端连通一个用于输入反应前气体的输入接头，反应腔3的另一端连通一个用于输出反应后气体的输出接头。所述输入接头和所述输出接头还均可通过螺纹连接的方式分别固定在反应腔3的两端上。
36.在本实施例中，反应容器2是一个经过加工的长方体金属块，它在侧面加工形成了三个空腔，其中一个空腔就是反应腔3，反应腔3是一个用于装填催化剂的反应腔体，且是一个两侧贯穿的圆柱孔，两端根据需要加工用于连接接头的内螺纹，内部空间用于装填催化剂。加热装置4优选是加热棒，测温装置5可采用温度传感器。加热棒和温度传感器是根据选
用的加热棒和温度传感器的形状来加工的两个圆柱体空腔，确保两个元器件深入反应容器2内并贴合其反应腔3侧壁，以达到快速升温和准确测温的目的。其中加热装置4位于侧面正中心，反应腔3和测温装置5的位置关于加热装置4中心对称。这样的结构设计，让反应容器2可以解决传统非甲烷总烃检测仪中的稳定催化效率装置的反应容器体积大、不易装配、机构复杂的技术问题，还能解决传统非甲烷总烃检测仪中的稳定催化效率装置的反应容器保温、隔热性能差，催化剂更换困难的技术问题。
37.保温层一1裹附在反应容器2的外表面上，保温层二11裹附在保温层一1的外表面上。保温层一1可采用可裁剪的多块隔热保温板材在反应容器2的外表面拼接而成，所述隔热保温板材可通过耐高温胶水粘合在反应容器2的外表面上。保温层二11可采用柔性保温材料，通过铁丝7固定在保温层一1的外表面上。
38.在本实施例中，保温层一1(可剪裁隔热保温板材)是依据金属反应容器2各个侧面的实际形状来加工，通过耐高温胶水粘合在反应容器的表面，起到隔热和保温的作用。在本实施例中的耐高温胶水，其耐高温只要能耐反应容器2的反应温度的最高值即可。保温层二11(柔性保温材料)和铁丝7(起固定作用的铁丝)配合使用，可以实现灵活装配，二次保温隔热的作用，减少热量损失的同时大大缩小了恒温反应装置的体积，具有很强实用性。
39.请参阅图2，其为控制器的控制方法流程图，控制器根据测温器14)测量的温度判断是否在一个预设的温度范围内，是则控制加热器13停止加热，否则控制加热器13加热使得测温器14测量的温度保持在所述预设的温度范围内；控制器还根据测温装置5测量的温度控制加热装置4运行。
40.控制器的温度控制方法包括以下步骤：
41.在所述非甲烷总烃检测仪启动使用后，控制加热装置4加热反应容器2；
42.启动测温装置5实时测量反应容器2的当前温度；
43.判断所述当前温度是否等于一个设定温度，是则采用前馈控制方式控制加热装置4以一个实时温度补偿功率对反应容器2进行温度补偿，否则采用pid控制方式控制加热装置4继续加热反应容器2直至所述当前温度等于所述设定温度。
44.其中，所述前馈控制方式的控制方法包括以下步骤：
45.实时测量反应容器2每秒的热量；
46.计算反应容器2前后两秒之间的热量差，并将所述热量差作为反应容器2的当前温度补偿量；
47.根据当前温度补偿量计算加热装置4下一秒的加热功率，即所述实时温度补偿功率；
48.根据所述加热功率控制加热装置4对反应容器2进行温度补偿。
49.所述pid控制方式的控制方法包括以下步骤：
50.计算所述当前温度与所述设定温度之间的差值e、积分量ie和微分量de；
51.计算所述加热装置4继续加热的功率p为：p＝kp
×
e ki
×
ie kd
×
de；其中，kp、ki、kd分别为所述pid控制方式采用的pid控制器的p、i、d系数。
52.与传统的单纯的、复杂参数设置的pid温度控制器相比，本发明的控制器的主要作用是，控制加热棒升温，在出现因外界环境温度发生变化而造成的扰动或恒温反应装置缓慢散热时，及时控制加热棒加热，对反应容器2进行温度补偿，以达到维持系统恒温条件的
目的。
53.本发明的控制器与传统的pid温度控制器最大的不同是，在进行pid控制之前增加了一个前馈控制。前馈控制是一种开环控制方式，它的控制逻辑先经过前期对干扰量的测量和计算得到一个控制量，然后把控制量输入到控制系统就完成了控制动作。前馈控制在本方案中的应用是通过设置一个温度阈值，这个温度阈值应根据经验或者数学模型的计算得到，在当前温度未达到设定的温度阈值时加热棒全功率加热，在当前温度达到设定的温度阈值时前馈控制的控制作用结束。pid控制算法是一种经典、实用的负反馈控制算法属于闭环控制方式，它根据给定值和实际输出值构成控制偏差，将偏差按比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制。前馈控制是按照扰动产生校正作用的一种调节方式，主要用于一些纯滞后或容量滞后较大的被控参数的控制，它可以加速系统响应速度，改善系统的调节品质。前馈控制对提升控制性能的作用显著，而反馈控制中的pid起到的作用只是补偿实际系统响应与理想前馈信号之间的偏差值，输出占比较少。同时因为实际系统中不可避免地存在干扰、模型误差等，这些仅靠前馈控制也是无法实现较好的响应性能和抗干扰能力，还必须结合反馈控制即pid控制，根据响应误差来调整控制量的输出。单纯的采用某一种控制方法都难以实现恒温反应系统快速升温，稳定、精确的维持恒温条件的目的。本发明从前馈控制和pid控制的自身特性分析，把两种控制方式应用于恒温系统的温度控制器上，发挥其各自的优势，相互补充从而获得了比普通pid温度控制器更加优异的性能，而且参数设置上就会变得简单。因此本发明能解决传统非甲烷总烃检测仪中的稳定催化效率装置的反应容器的pid温度控制器的温控精度差，pid参数整定复杂的问题。
54.本发明的非甲烷总烃检测仪中的稳定催化效率装置，其恒温系统从恒温反应结构和恒温控制方法两个方面来说明，均存在巨大的进步。
55.(1)恒温反应结构如反应容器可以选择不锈钢304、不锈钢316、铝等导热系数大，易于加工的金属材料。考虑到便于加工和装配的因素，金属反应容器的形状应是长方体，具体尺寸应依据仪器的需求进行设计。金属反应容器中加工的用于装填催化剂、放置加热棒、放置传感器的三个圆柱体空腔应依据填装催化剂的体积，加热棒和温度传感器的体积设计。可剪裁隔热保温板材可选用硅酸铝陶瓷纤维板，厚度和尺寸应以方便剪裁和适应反应容器尺寸为依据。粘贴板材的耐高温胶水应能在反应容器高温工作条件下正常使用。柔性保温材料可选用玻璃纤维棉，利用铁丝把该柔性保温材料紧固于反应容器周围。
56.(2)恒温控制方法如控制器可通过stm32微控制器，利用前馈控制算法和pid控制算法相结合的方式实现，其中设定的温度阈值可以依据数学模型或者实验的方式进行设计。
57.综上所述，本发明通过装填催化剂的反应腔3置于金属恒温块(即反应容器2)的内部，这样可以保证催化剂的受热均匀；还通过催化剂的反应腔3和温度传感器的位置(即第二空腔9)关于加热棒的安装位置(第一空腔8)对称，这样可以保证催化剂参与反应时温度测量的准确性；还通过隔热保温板材(即保温层一1)粘贴金属反应块(即反应腔3)，柔性保温材料(即保温层二11)包裹进行二次保温，这种特殊的保温方式有利于催化剂更换，反应装置的装配；通过控制器的改进设计，对普通的pid温控进行改良，提高了恒温系统的升温速度，温度稳定性。
58.以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精
神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。