新型智能氣體混合配比裝置的開發(fā)與研究

林喆++于鵬

摘要：針對氣體配比過程中因氣體壓力或溫度波動而造成的配比精度不高和穩(wěn)定性差等問題，將質(zhì)量流量控制器應(yīng)用于氣體混合配比裝置中，對毛細管傳熱溫差量熱法原理和氣體配比通路結(jié)構(gòu)進行了研究，建立了完整的智能氣體混合配比控制系統(tǒng)，提出了一種基于質(zhì)量流量控制方法的智能氣體動態(tài)混合配比方法，并完成了裝置的電路和結(jié)構(gòu)設(shè)計，該裝置具有精度高、穩(wěn)定性好、響應(yīng)迅速和實用性強等特點。

關(guān)鍵詞：氣體 質(zhì)量流量 配比

中圖分類號：TP216 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）01-0000-00

隨著科技水平和生產(chǎn)工藝的不斷提高，在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生和食品加工等領(lǐng)域均需對多種組分的氣體進行高精度配比以滿足生產(chǎn)要求，此外，在空氣質(zhì)量檢測和氣體計量過程中也需要使用固定組分的氣體作為標(biāo)準(zhǔn)氣體。本文通過分析質(zhì)量流量動態(tài)氣體配比的原理和方法，給出了其硬件實現(xiàn)的系統(tǒng)方案，所述的新型智能氣體混合配比裝置以質(zhì)量流量控制器作為氣體流量控制單元，減小了傳統(tǒng)配比方法中節(jié)流元件對其精度造成的影響。

1 配比裝置的設(shè)計原理

質(zhì)量流量控制法通過毛細管傳熱溫差傳熱法以氣體的質(zhì)量作為主要測量依據(jù)進而完成對配比氣體檢測與控制。

首先在氣體主通道一側(cè)設(shè)置管徑較細的毛細管作為氣體測量通道，并在該通道的氣體流經(jīng)路徑兩端分別纏繞性能、參數(shù)相同的兩組熱敏電阻線圈構(gòu)成測量電橋。測量開始時，首先對兩組線圈通電加熱，當(dāng)沒有氣體流經(jīng)時，兩組線圈溫度相同，因此，電阻值相同，電橋保持平衡，此時，輸出端無電壓輸出；當(dāng)有氣體流過時，前端線圈所產(chǎn)生的熱量將通過氣體流通被傳遞至末端線圈，末端線圈因電阻值發(fā)生變化致使電橋失衡而輸出電壓 ，該電壓與氣體所傳遞的熱量成正比，根據(jù)其值可得二者的溫度差為：

設(shè)當(dāng)單位質(zhì)量的氣體溫度每變化一度的熱容量為 ，此時流經(jīng)測量通道的氣體質(zhì)量和溫度變化的關(guān)系為：

經(jīng)變換可得輸出電壓與氣體質(zhì)量之間的關(guān)系為：

由于固定氣體的熱容量 恒定，因此，可以通過對輸出電壓的測量得到氣體測量通道中流經(jīng)的氣體質(zhì)量。

由克努曾公式可知，某管道單位時間內(nèi)流經(jīng)的氣體質(zhì)量流量為：

其中， —氣體通道兩端壓力差， —通道直徑， —通道長度， —氣體密度；

設(shè)測量通道和主通道內(nèi)流經(jīng)的氣體質(zhì)量流量分別為 和 ，經(jīng)過變化可得：

式中， 、 、 、 和 可知，因此，可通過對測量電橋的輸出電壓的測量得到主管道內(nèi)所流經(jīng)氣體的質(zhì)量流量，并不需要測量流體的密度、容積、溫度、壓力等參數(shù)，以上就是本配比儀設(shè)計的理論依據(jù)。

2 氣體配比通路的設(shè)計原理

本裝置采用質(zhì)量流量控制方法配比氣體，該方法使用質(zhì)量流量控制器，根據(jù)毛細管溫差量熱原理，通過測量通道和主通道內(nèi)的氣體流量比例關(guān)系調(diào)整質(zhì)量流量控制器中的閥門開度，進而控制流過氣體的流量，達到控制混合氣體濃度的目的。

3 配比裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計

智能氣體混合配比裝置的控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)以SyncMOS8958單片機作為系統(tǒng)的主要控制單元，并采用觸摸屏對氣體配比過程進行實時顯示和控制，通過觸摸屏設(shè)定輸出氣體濃度值后，該信號首先由單片機轉(zhuǎn)換成氣體流量值，再經(jīng)D/A模塊轉(zhuǎn)換成控制電壓信號并通過質(zhì)量流量控制器完成對氣體配比過程的自動控制，在此過程中，配比氣體的質(zhì)量流量也將通過A/D模塊轉(zhuǎn)換成0-5V電壓信號進行采集，并在觸摸屏上顯示當(dāng)前氣體配比情況。

4 裝置配比精度測試實驗結(jié)果

為了檢定本裝置的配比精度，氣體配比測試實驗以0.2MPa的CO2（濃度為5.07%）和0.5MPa的高純氮（稀釋氣，CO2濃度為0%）作為樣品氣體進行混合配比，部分實驗結(jié)果如表1所示：

表1 氣體配比實驗測試數(shù)據(jù)

設(shè)定濃度（ppm） 當(dāng)前濃度（ppm） CO2測試

（25℃） 總流量

（ml） 500流量

（ml） 2000流量

（ml） 試驗溫度

（℃）

測試一 2000 1994 1997 1000 39.45 960.55 16

測試二 4000 3999 3980 1000 78.9 921.1 13.7

測試三 6000 6004 不能測出 1000 118.34 881.66 14

測試四 5000 4998 4965 2000 197.24 1802.76 15

測試五 3000 2998 2978 2000 118.34 1881.66 15.3

測試六 4000 3998 3963 2000 157.79 1842.21 16.5

測試七 5000 5002 5045 2000 197.24 1802.76 16.5

測試八 4000 4001 4035 2000 157.79 1842.21 16.5

通過實驗數(shù)據(jù)分析，本配比裝置的最大誤差出現(xiàn)在設(shè)定濃度為5000ppm，而標(biāo)準(zhǔn)濃度為5045ppm時，其配比精度為：（5045-5000）/5000=0.2%，能夠滿足目前工業(yè)氣體混合配比要求。

5 結(jié)論與分析

經(jīng)理論分析和實驗證明，新型智能氣體混合配比裝置具有精度高、穩(wěn)定性好和響應(yīng)迅速等特點。裝置采用先進的質(zhì)量流量控制技術(shù)，消除了溫度和壓力對配比精度的影響，通過閉環(huán)流量控制方法提高了氣體流量控制的精度，并能夠進行氣體動態(tài)配比，完全可以滿足氣體配比的各項要求，為工業(yè)生產(chǎn)中氣體的自動化混合配比提供了一種理想的解決方案。

收稿日期：2015-01-11

作者簡介：林喆（1983—），男，遼寧沈陽人，工學(xué)碩士，講師，研究方向：檢測技術(shù)與自動化裝置；于鵬（1979—），男，遼寧沈陽人，工學(xué)碩士，工程師，研究方向：智能控制儀器。