Sampling Flow Controller (恒流采樣控制器) 測試平臺軟硬件說明

Sampling Flow Controller (恒流采樣控制器) 測試平臺軟硬件說明

(2018/02/01 首稿; 2018/05/25 更新; 2018/08/30 更新)

本說明涉及 Sampling Flow Controller (SFC) 測試平臺的硬件使用說明，軟件的簡介、安裝、界面、功能、操作和常見問題解答等方面，敬請用戶仔細閱讀。

簡介

用預先抽真空的采樣罐（蘇碼罐）采集空氣樣，有瞬時樣和平均樣兩種方式。瞬時樣的采集比較簡單，操作時只需打開采樣罐閥門，利用罐內真空將空氣樣在短時間（通常小于 5 秒）吸入到采樣罐中。這種方式采集的樣品代表打開閥門瞬間的周邊空氣污染狀況。平均樣（又稱混合樣）的采集要復雜一些，在打開閥門進行采樣時，需控制氣樣進入采樣罐的流速，使氣體在整個采樣期間以同樣的速度進入采樣罐。這種方式采集的樣品代表周邊空氣在整個采樣過程期間的平均污染情況。在環境空氣質量 VOCs 的監測中，平均樣的采樣時間有 0.5-h, 1-h, 3-h, 8-h, 24-h, 和 168-h（一周），其中又以 1-h 平均，3-h 平均和 24-h 平均最為常見。

實際工作中， 平均樣的氣體采集流速控制有兩種方法，一是利用質量流量控制器（ Mass Flow

Controller）來主動控制流入采樣罐的氣體流速。這種方法需要專門的采樣設備，在整個采樣過程必須有電源支持，適合固定監測站中的氣樣采集。另一種方法是利用罐本身的真空和周邊空氣間的壓差做為氣體流動的驅動力，通過管路中一個小孔（限流孔）的泄漏進行采樣，即所謂的被動真空采樣法。它的優點是無需電源支持，適合野外任何地點的采樣。問題在于，隨著采樣過程的進行，罐內的氣體壓力會逐漸升高（真空度減少），與周邊空氣間的壓差逐漸減少，因此氣樣流速會逐漸降低，不能滿足平均樣的恒流采樣要求。因此，在采樣過程中需使用罐真空采樣恒流控制器（又稱采樣限流器）。這個恒流控制器的目的，就是為保證罐內壓力從- 30 inHg （初始真空）到- 3 inHg （終止弱真空）的上升過程中，從周邊空氣到采樣罐的氣體流速維持恒定（不因罐內壓力的上升而變化），從而滿足平均樣的采樣要求。

為測試恒流采樣器的性能，天凈開發了測試平臺。該平臺有硬件和軟件部分組成。硬件部分負責測試罐體的壓力隨時間的變化，軟件部分提供控制和數據記錄、比較、和保存等功能。

硬件

硬件部分由恒壓電源、壓力傳感器、模數轉化模塊、通信模塊等部件組成（圖 1）。使用時，壓力傳感器連接在采樣罐和恒流采樣器之間。壓力傳感器測量罐體內的絕對壓力（非表壓），量程下限為 0，上限為 100 kPa（絕對壓力），通過T-型接口（1/4" Swagelok）接到采樣罐通氣管路上的支路上（圖 1）。

電源為壓力探頭和模數轉化、通信等模塊供電。電源輸為入交流 220V，輸出為直流恒壓 12V（或

8～24V 中任何一檔)。壓力信號經模數轉化和通信模塊后，通過USB 線發送至計算機進行處理。

圖 1  測試平臺硬件

測試軟件

測試軟件全名為Accurate Sampling Flow Controller (簡稱AccuSFC)，目前的主要用途有: (1) 評估恒流采樣器的性能; (2) 記錄采樣時罐內壓力或流量隨時間的變化，作為采樣記錄保存。(3) 查看和比較采樣壓力或流量變化的歷史記錄; (4) 根據采樣罐容積, 采樣時長, 采樣終壓, 海拔高度等計算目標采樣流量。

軟件安裝

AccuSFC 為綠色免安裝軟件 (除 USB 驅動程序外)。 用戶只需將 AccuSFC 主目錄下所有文件（請勿更改目錄結構）一起拷貝到自定的目標目錄中即可。AccuSFC 主目錄下有兩個子目錄，其中

AccuSFC\Program 子目錄存放可執行文件，AccuSFC\Data 子目錄存放用戶采集的數據。使用時，用戶只需運行主目錄下的Run AccuSFC.exe 即可。也可直接運行AccuSFC\Program\AccuSFC.EXE。

注 1: 本軟件需要微軟公司的.NET framework 4.0 或以上版本的支持。.NET framework 是多數

Windows 應用程序的基礎平臺。如果您的操作系統是Windows XP 或以上的版本 (Windows Vista, 7, 10) ，在大多數情況下，.NET framework 都已安裝。如若沒有，請到微軟公司網頁下載并安裝.NET framework。如若SFC 軟件一運行就出錯時，很可能是電腦沒有安裝.NET framework (4.0 或以上版本)平臺或該平臺有問題。

注 2: USB 驅動請根據電腦的操作系統選擇合適的驅動程序。

注 3: 為確保用戶數據安全，請直接從本公司獲取AccuSFC 軟件，切勿從不明來源處拷貝或從網上下載。

軟件結構

AccuSFC 軟件包括三個模塊：設置模塊，測量模塊，和控制模塊。設置模塊負責串口通信的參數設置和壓力傳感器的校準。測量模塊負責數據采集、顯示、及存儲。控制模塊負責對硬件功能的調試和控制，主要供硬件工程師維修調試時使用，只有部分功能對普通用戶開放。

圖 2 AccuSFC 軟件主窗口和設置模塊

軟件主窗口

AccuSFC 軟件啟動后，顯示主窗口（圖 2）。主窗口左側為功能模塊選擇區，右上方顯示壓力傳感器的實時讀數（mV）和壓力（kPa)，右下方信息條，顯示軟件運行的實時信息。 雙擊左上角深藍色的 ”AccuSFC” 圖標，可彈出軟件版本、版權、授權用戶、授權截止日期等信息。

主窗口中間部分，在各功能模塊下有不同的作用，在設置模塊下顯示各參數設置，在測量模塊下顯示實時或歷史數據的圖表，在控制模塊下顯示硬件各部件的狀態和控制信息。

設置模塊

設置模塊含三個小部分（圖 2）。 第一部分為通信設置（Communication Settings)，用戶在此指定控制器連接電腦的串口及通信數據傳輸波特率。 電腦上安裝完 USB 驅動后，將儀器的 USB 電纜插入電腦的USB 口，在電腦的控制面板里找出儀器所連接的串口 (USB To Serial, USB 到串口)。 然后，

在 AccuSFC 控制模塊的 Ports 下拉框中，選擇相對應的串口號。 在下面的通信協議（Protocol) 中， 選擇與控制模塊相匹配的協議，”SimpleText” 或 “Modbus Adv”。

第二部分為校準設置 (Sensor Calibration)。壓力傳感器采用簡單的兩點（Point A 和 Point B）校準法。如需要校準時，用戶可將 AccuSFC 的壓力傳感器和標準壓力表（校準參考）相連，并調節系統壓力 至一穩定值。通常，A 點和 B 點分別為壓力傳感器量程范圍的 10% 和 90% 左右。點擊輸入框右邊 綠色的開鎖圖標，啟封輸入框，然后輸入壓力傳感器的數據（mV）和與之相對應的真實壓力（單位 為 kPa)。輸入完畢，點擊輸入框右邊黃色鎖定圖標，即可啟用新參數。A 點和 B 點的校準數據都輸入后，軟件右上角顯示的壓力數值應該和真實參考值相接近。校準完畢后，建議立即點擊 "保存設置按鈕" 以保存當前校準參數。

第三部分為數據處理參數，目前暫時只有采樣罐容積和原始數據平均時段兩項內容。采樣罐容積

（單位為升）為計算流量所需的參數，常見的容積可在下拉菜單中選擇。若沒有，可選擇"Other" 后將實際容積直接輸入。 "原始數據平均時段"，指在這一指定的時間段內，由傳感器上傳的數據點都將被平均后再輸出。壓力傳感器每秒可輸出幾個至幾十個原始數據，但多數應用（比如恒流采樣器的評估）并不需要這么稠密的數據。為減少數據量，可在此處輸入一數值，比如 10，代表 10 秒之內的所有原始數據 (異常值除外) 都將平均后再輸出。或者說，軟件每 10 秒鐘輸出并記錄一個壓力或流量的數據。顯然，這個設置值越小，產生的數據量將越大。實際采樣評估過程中，為避免產生過多的數據，建議按下表設置 "原始數據平均時段"。請注意，當”原始數據平均時段”小于 10 秒時， 因罐體內氣體混合造成的壓力局部不平衡，流量波動幅度較大, 測試所得的流量值精度將較低。

表 1 原始數據平均時段 (秒)設置參考值

在數據采集過程中，若用戶更改 "原始數據平均時段" 或"采樣罐體積"，需點擊"啟用/重置設置"按鈕， 方可生效。

測量模塊

測量模塊（圖 3）的主體為繪圖區，用于顯示實時數據或先前采集的歷史數據。右邊設有功能按鈕， 簡介如下：

"Start" / "Stop" 按鈕?開始/結束數據采集。

"計時停止" 復選框─如果選中，數據采集將在設定的時長到達后自動結束。可在下面的下拉框選擇預先設定的采集時長（1 分鐘到 7 天），或者選擇 “Other"，然后輸入自定義的時長，單位為分鐘。當"計時停止" 啟用時，復選框背景色變為黃色。在數據采集的過程中，可隨時啟用或取消計時停止功能。

"繪圖數據切換"   下拉選擇框─選擇一種數據進行顯示。選項有壓力(kPa)，真空(inHg)，和流量

(ccm)。 點擊右上角的相機圖標 (截圖功能)，可將當前的繪圖保存為圖片文件 (PNG 格式)。 圖片文件的默認保存目錄為 AccuSFC\Data，默認文件名為截圖時的日期時間

(YYYY-MM-DD- HHMM.PNG)。 在彈出的對話框里可根據需要更改為有具體意義的文件名。

"當前測量值" 復選框─選中后顯示當前的測量值。

"參比線 A" 復選框─選中后顯示其下輸入框中數值所繪制的參比線。用于輔助數據查看。比如， 當參比線 A 和參比線 B 分別設為表 2 中的各采樣時間下的理想采樣流量的 110%和 90% 時，實測流量如果在這兩條線之間波動，則表明流量控制情況良好。

圖 3  AccuSFC 軟件的測量模塊

圖 4 "Y-軸始于零" 選項對比（左:選中；右:未選中）

"參比線B" 復選框─功能同上。第二條參比線。

"重疊 A" 復選框─選中后調入其下輸入框指定文件中的歷史數據，并顯示在左邊的圖中。用于查看歷史數據，或和當前測量值的比較。可直接鍵入文件名 (不帶后綴.TXT)，或雙擊

復選框下面的文本輸入框，用彈出的文件查找窗口指定歷史數據文件。當程序啟動時， 缺省文件目錄為軟件的默認數據子目錄 AccuSFC\Data。當用戶用文件查找窗口選中 一歷史文件后，缺省文件將更改至該文件所在的目錄。

"重疊B" 復選框─功能同上。設置第二條重疊線。

"Y-軸始于零" 復選框 ─ 設定圖中的Y-軸刻度是否從 0 開始。選中時，Y-軸刻度下限固定為 0， 上限涵蓋數據中的最大值，適合對整個采樣過程數據整體情況的查看。未選中時，Y- 軸刻度范圍的上限和下限和根據現有數據的最大和最小值決定，可最大限度的呈現數據的變化情況，適合對局部數據的查看。選中和未選中的對比效果如圖 4 所示。

測量開始后，所采集的數據每隔 1 分中自動暫時存儲于AccuSFC\Data\Temporary Data.TXT 文件中。當用戶按下"Stop" 按鈕結束數據采集時，會彈出數據存儲文件對話框（圖 5）。點擊 "OK" 按鈕完成數據存儲，點擊 "Cancel" 按鈕取消數據存儲。對話框中的文件名，默認為測量開始時的時間（格式為YYYY-MM-DD- HHMM. TXT）。用戶可在對話框中輸入自定義的文件名。

注 1:臨時數據文件 AccuSFC\Data\Temporary Data.TXT 文件在下一次測量開始后會被覆蓋。因此， 測量結束時，若需保存數據，請在圖 5 的對話框中務必點擊"OK" 按鈕完成數據存儲。

注 2: 如果在測量過程沒結束之前需要使用數據，可以拷貝 Temporary Data.TXT 文件。如遇斷電等提前終止情況，可打開Temporary Data.TXT 查看已采集的數據。

圖 5 AccuSFC 軟件數據存儲文件對話框

控制模塊

控制模塊（圖 6）主要供硬件維修工程師的使用。點擊 "硬件調試"  按鈕，輸入調試密碼后可打開硬件調試窗口，對各硬件部件進行調試和控制。 為方便普通用戶，在此模塊上設有一采樣流量計算器， 用戶可根據采樣罐容積、采樣時長、采樣終壓、以及采樣地點的海拔高度來計算目標采樣流量。

目標采樣流量計算器中的各功能按鈕簡介如下：

采樣終壓下拉框─ 選擇或輸入采樣罐采集完畢后的目標壓力。一般為 5、4、或 3 inHg。

采樣地點海拔高度下拉框 ─ 輸入采樣地點的海拔高度(米)。中國沿海和華北的多數城市海拔小于 200 米，影響不大，可不用輸入 (默認為 0)。 西南、西北和東北的高原地區，請輸入采樣地點的實際海拔高度，比如拉薩(3656 米)，西寧(2250 米)，昆明(1922 米)，蘭州(1537 米)，銀川(1114 米)，貴陽(1061 米)，呼和浩特(1056 米)，烏魯木齊(873 米)，

太原(811 米)，成都(503 米)， 西安(415 米)， 重慶(273 米)，長春 (241 米)。

"計算" 按鈕─ 計算采樣流量。 顯示的結果為ccm (mL/min，毫升/分鐘)。

"設為參比A" 按鈕─ 將當前計算所得的流量值設定為為測量模塊中的參比線A。

"設為參比B" 按鈕─ 將當前計算所得的流量值設定為為測量模塊中的參比線B。

圖 6 AccuSFC 軟件控制模塊

在罐真空采樣中，所采的氣樣體積一般只能到罐容積的 85～90% 左右，再多時罐內的真空就不足以維持恒流采樣的要求。對于常見的采樣罐和采樣時長，其采樣流量 (目標流量，理想流量) 列于采樣流量參考表 (表 2) ：

表 2 一個標準大氣壓下不同采樣時長的目標采樣流量 (mL/min)

表 2  中的數據可做為實際工作中恒流采樣閥流量調整時的參考值。請注意，表中的數值是根據海平

面一個標準大氣壓 (101.325 kPa)、采樣終壓為 -5 inHg (83.3% 罐體積) 的條件下計算而得。 如果實際

情況和標準狀況有所偏離，比如高原地區的采樣，則應適當減少目標采樣流量。例如在云南昆明市， 平均大氣壓為 90 kPa，采樣目標設計值應設為上表中的 87% 左右；在西藏拉薩市，平均大氣壓力只

有 65 kPa，采樣目標設計值應設為上表中的 60% 左右。

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