基于質量流量控制器的智能配氣儀及多態配氣平臺設計開發

福建億榕信息技術有限公司 江信海

針對氣體組分濃度分析裝置及相關產品對不同氣體濃度的大量需求，本文設計開發智能氣體配氣儀及多態配氣平臺（以下簡稱平臺），該平臺采用上下位機組成方式，上位機完成多態組分濃度及相關配置，下位機輸出相應組分濃度，由于使用質量流量控制器作為配氣部件，所以不受壓力及溫度影響，輸出濃度穩定，精度高。

1.概述

在氣體分析儀器領域，標準氣體是標定和校準氣體分析儀器測量結果的重要手段，由于傳感器非線性及受溫度影響等因素，在對儀器進行標定或校準時，需要多組不同組分、不同濃度的氣體，所需的單組份濃度及混合氣體的標準氣體量不大，但又必須為標定點配備相應濃度的標準氣體。如果為每個標定點購買專業廠家生產的標準氣體，不但成本高，不經濟，而且還造成很大的浪費。

依上需求，本文研制用于氣體分析儀領域的智能多態配氣設備及平臺，通過平臺配置組份及濃度，并結合配氣儀特性，輸出濃度連續可調的單組及多組份氣體，具備智能檢測、自動配氣、多態輸出、不受溫度及壓力影響、小巧便攜等諸多優點，本平臺可以實現五通道四組份氣體同時配置。

2.配氣儀工作原理

配氣儀主要模塊是質量流量控制器，配氣原理是依據不同氣體組份質量比例混合配比出需要的濃度，通過質量流量控制器可以控制各組份氣體百分比，如下圖1氣路所示，由于使用質量流量控制器控制質量流量而非體積流量，所以配比輸出濃度不受溫度及壓力影響，精度高。

通常在配比過程中需要使用稀釋氣體如N2或SF6，而MFC出廠標定一般使用N2，所以在配比混合氣體過程中需要計算各混合氣體轉換系數及使用單組份氣體轉換系數，具體可參見各廠商MFC產品使用說明書。在計算各組份氣體時，一般先計算被稀釋氣體流量，最后剩余流量即為稀釋氣體流量。混合器中各組份流量計算公式：Gi=F*Mi/fi，其中F為輸出混合氣總流量，Mi為對應目標濃度， fi為被稀釋氣體濃度，i=1,2,3等。

圖1 氣路圖

3.平臺構成

3.1 平臺整體架構-上下位機結構

平臺整體架構由上下位組成，如圖2所示上位機可以使用PC機、筆記本電腦、平板電腦等，用于編輯測試方案及設置相關參數，并通過網口或WIFI方式下發到下位機，下位機是一臺智能配氣儀，依據上位機測試方案或者本機已有的存儲方案，輸出對應的混合氣體濃度。

圖2 平臺架構

3.2 上位機功能簡介

圖3 平臺主界面

上圖3為上位機主界面。

說明：scheme有自動與手動兩種選擇，在這里可以下拉選擇manul（手動）與Auto（自動）：

1）手動模式下，填寫上面的表格，點擊start，可以控制配氣儀的手動配氣。

2）自動模式下，可以讀取配氣儀里面的方案，拉選指定方案名稱，點擊start

底部兩個框用于自動校驗氣體分析儀，這個功能有待進一步開發。

3.3 智能配氣儀硬件原理設計

智能配氣儀硬件包括控制主板、人機交互顯示模塊、MFC等，如下圖4所示,主板包括ARM模塊、網絡通信接口、WIFI模塊、USB接口、串口、繼電器模塊、電源模塊、AD及DA芯片等。

ARM模塊采用基于S3C2410嵌入式微處理器作為核心控制單元，是整個主板核心部件，與板上幾乎所有模塊均有數據交互；網口及WIFI模塊用于與上位機通訊，USB用于設備升級及外擴設備如鍵鼠等，串口用于調試及一些串口設備如步進電機等，繼電器則用于控制MFC，人機交互采用7寸電容觸摸屏作為人機交互界面，使用高精度24位AD及16位DA芯片來設置MFC輸出流量及采集流量。

圖4 硬件框圖

質量流量控制器采用北京七星華創D07系列，其工作原理如下：

流量傳感器采用毛細管傳熱溫差量熱法原理測量氣體的質量流量(無需溫度壓力補償)。將傳感器加熱電橋測得的流量信號送入放大器放大, 放大后的流量檢測電壓與設定電壓進行比較, 再將差值信號放大后去控制調節閥門，閉環控制流過通道的流量，使之與設定的流量相等，分流器決定主通道的流量。

控制器輸出的流量檢測電壓與流過通道的質量流量成正比，滿量程(F.S.)流量檢測輸出電壓為+5V。質量流量控制器的流量控制范圍是(2～100)%F.S.，流量分辨率是0.1%F.S.。

圖5 質量流量控制器原理

3.4 智能配氣儀軟件流程

智能自動配氣儀系統軟件是基于ARM平臺在linux環境下使用C++QT庫開發。系統采用分層式開發，底層驅動負責ARM硬件調度，linux系統作為中間層，應用層由QT庫開發的可視化操作界面，應用軟件采用獨立化功能設計，主要包括初始化、系統參數設置、預熱調零、數據采集、外圍電路控制、數據存儲等功能，實現了低人工干預的自動配氣。主要完成三大功能：1）界面操作包括方案編輯及選擇；2）MFC數據處理及控制；3）與上位機進行數據交互。

圖6 軟件流程圖

4.試驗方法及數據

開機預熱10-30分鐘后，等待實際流量數據顯示為0即可開始試驗，上位機編輯方案后，下載到下位機，下位機點擊開始按鈕即可開始全自動配氣。現以測試150PPm為例說明，標準氣為CO濃度994.1PPm。

1）上位編輯方案

圖7

2）下位機對應界面

圖8

3）CO測試數據

表1

由上表1測試數據得出，滿足第三方對于CO誤差5%的精度要求。

5.平臺特性

本文通過質量流量控制器實現了五通道配氣平臺，同時可實現四種組份氣體配氣，并將配置結果實時顯示在七寸液晶屏上。

本平臺五通道(A、B、C、D、E) MFC流量范圍分別為：2000mL/min，1000mL/min，500mL/min，500mL/min，200mL/min，A通道一般作為稀釋氣體通道用，其它通道均可輸入被稀釋氣體即標準氣。與其它配氣儀或系統相比，本平臺具有如下特點：1）上位機結構，操作靈活簡便；2）測試方案可編輯易更改；3）配氣儀存儲多種測試方案，無需重新編輯方案；4）可擴展性強，可定制多種組份氣體通道；5）7寸800×480分辨率的液晶觸屏，操作簡單，使用方便；6）嵌入式高速微處理器控制。

6.結語

本平臺采用上下機方式，實現了既定開發設計功能，輸出精度高，滿足行業對氣體分析儀測試校驗要求，可應用于氣體分析儀廠商、環境測試校驗等，該平臺輸出的配氣濃度不受溫度及壓力影響，后期有待開發事項包括添加步進電機及流量計對流量進行自動調節，無需人工干預，使設備更加自動化、實用化。