便携式农残检测气相色谱仪温度控制系统的研究

摘要

气相色谱技术在分析化学领域内占据着重要的地位。因其具有对复杂混合物进行分离和检测的能力，使之在石油、化工、农业等行业都有着广泛地应用。近年来，农药残留检测等现场检测工作日益增多，而传统的气相色谱仪由于结构复杂，体积较大难以满足现场检测的要求。因此，便携式、微型化已经成为气相色谱技术发展的一个重要趋势。而温度控制系统是整个气相色谱控制系统的核心，因此，温度控制系统的微型化研究是便携式气相色谱仪研究开发的重点之一。
　　针对这一问题，本文设计了两种微型化的色谱柱加热方式:一种是使用3D打印技术制作的小型色谱箱对色谱柱加热的方式，另一种是通过不锈钢毛细管直接对色谱柱加热的方式。本文针对第一种加热结构设计了一种基于Micro2440控制板和Linux系统的嵌入式微型化温控系统。这种控温结构既精简了温控电路又缩小了温控系统硬件所占的空间。
　　该控温系统的主要硬件为Micro2440主控制板，以及集成在其内部的三路ADC转化器与三路GPIO输出接口。三路ADC与GPIO分别应用于进样器、毛细管柱加热箱以及检测器的温控。温控的主要过程为主线程通过ADC从温度采集模块得到当前温度，然后根据该温度值经过PID算法计算出本次加热时间并通过设置GPIO来执行加热。本文所采用PID控制算法是单神经元加PID的算法，并采用有监督的赫布规则来动态修正PID算法中的比例、积分及微分系数。
　　最后，通过升温实验结果表明，本文设计的气相色谱温控系统控温精度能达到±0.5℃，并实现了程序升温功能。而搭载这种温控系统的便携式气相色谱仪，在实验室环境下成功地检测出了敌敌畏、敌百虫等有机磷混合物。

目录

声明

致谢

摘要

第一章 绪论

1．1 课题研究背景及意义

1．1．1 气相色谱仪发展历程

1．1．2 GC微型化的背景及意义

1．1．3 嵌入式温控技术的研究

1．2 国内外发展现状

1．2．1 国外Micro GC微型化技术

1．2．2 国内Micro GC微型化技术

1．2．3 国内外温控技术研究现状

1．3 本文的创新点

1．4 本文研究的主要内容

第二章 气相色谱原理及方案设计

2．1 气相色谱原理

2．1．1 色谱法的定义

2．1．2 气相色谱仪的组成

2．1．4 气相色谱分析

2．1．5 气相色谱法的优缺点

2．2 色谱柱加热方案设计

2．2．1 方案一：小型色谱箱加热方式

2．2．2 方案二：不锈钢毛细管加热方式

2．3 本章小结

第三章 温控系统的主要硬件设计及驱动实现

3．1 温控系统构成

3．1．1 温控系统主要硬件

3．1．2 Micro2440主控制板

3．1．3 采集模块与加热模块

3．2 温控系统硬件原理

3．3 Micro2440的ADC与GPIO驱动实现

3．4 本章小结

第四章 PID温控算法实现

4．1 常用温度控制算法介绍

4．1．1 基本PID温度控制算法

4．1．2 Dahlin控制算法

4．1．3 神经网络控制算法

4．1．4 常用温度控制算法对比

4．2 本文PID算法的实现

4．2．1 单神经元加PID控制算法

4．2．2 算法推导

4．2．3 算法实现

4．3 本章小结

第五章 嵌入式温度控制软件设计

5．1 温度控制流程图设计

5．2 温度控制主程序设计

5．2．1 嵌入式Linux系统优势

5．2．2 基于Linux温控主程序算法实现

5．3 温度采样辅助线程设计

5．3．1 常用温度数据滤波算法

5．3．2 温度过滤算法实现

5．3．3 辅助温度采样线程设计

5．4 本章小结

第六章 实验验证

6．1 进样器、色谱柱加热箱和检测器升温实验

6．1．1 恒温控制实验

6．1．2 阶梯升温控制实验

6．2 敌敌畏、敌百虫混合样品检测实验

6．3 本章小结

第七章 总结与展望

7．1 总结

7．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文