摘 要：介紹了一種具有實(shí)時(shí)在線測(cè)量功能的高純氣體微量水微量氧自動(dòng)檢測(cè)裝置，詳細(xì)闡述了該裝置的結(jié)構(gòu)組成和性能特點(diǎn)，包括裝置的硬件系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)、主要技術(shù)指標(biāo)及研制過(guò)程中解決的關(guān)鍵技術(shù)和創(chuàng)新點(diǎn)。實(shí)踐表明，此微量水微量氧自動(dòng)檢測(cè)裝置成本較低、性能穩(wěn)定可靠、精度較高，實(shí)現(xiàn)了小型化、自動(dòng)化和智能化。

關(guān)鍵詞：高純氣體；微量水；微量氧；自動(dòng)檢測(cè)

中圖分類(lèi)號(hào)：TP202 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)11-133-02

Trace Moisture and Trace Oxygen Automatic Testing Equipment in High-purity Gas

SHI Chengying，CHEN Hongjian，QIAO Liyong

(The Second Artillery Engineering College，Xi′an，710025，China)

Abstract：This paper describes a real-time and on-line automatic testing equipment for trace moisture and trace oxygen in high-purity gas，the frame and performance characteristics of the equipment are discussed in detail，including hardware system，software systems，main specifications，the key technologies and innovations resolved in the research process.Through practice，this trace moisture and trace oxygen automatic testing equipment with a low cost，reliable performance and high precision realized miniaturization，automation and intelligent.

Keywords：high-purity gas;trace moisture;trace oxygen;automatic testing

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和生產(chǎn)研究的進(jìn)步，為得到高質(zhì)量的產(chǎn)品，許多行業(yè)諸如石化、電力、電子、航空航天、冶金、紡織等用高純氣體作為保護(hù)氣。若保護(hù)氣中水和氧含量過(guò)高，會(huì)使化工產(chǎn)品出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，甚至發(fā)生安全事故；在電子器件制造過(guò)程中，水和氧含量過(guò)高會(huì)造成器件性能退化，壽命縮短。因此，隨著氣體生產(chǎn)和產(chǎn)品應(yīng)用的發(fā)展，高純氣體中微量水和微量氧的準(zhǔn)確測(cè)定越來(lái)越重要^[1]。

1 裝置的硬件系統(tǒng)

硬件系統(tǒng)由微處理器數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、微量水傳感器及信號(hào)調(diào)理電路、微量氧傳感器及信號(hào)調(diào)理電路、鍵盤(pán)及OLED顯示電路、聲光報(bào)警電路、RS 232串口輸出電路、氣路系統(tǒng)、微量水和微量氧標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)輸出電路等組成。如圖1所示。

以美國(guó)AD(Analog Device)公司的新型微控制器ADμC831為核心，采用英國(guó)City Technology公司CiTiceLR 系列的C/NLL高精度高可靠性的電化學(xué)微量氧傳感器和英國(guó)Michell公司的陶瓷濕度變送器Easidew Transmitter組成檢測(cè)系統(tǒng)的信號(hào)采集及信號(hào)處理系統(tǒng)，以氣泵、針形閥、平面四通閥等組成氣路系統(tǒng)^[2，3]，如圖2所示。充分發(fā)揮數(shù)字處理和誤差補(bǔ)償?shù)燃夹g(shù)優(yōu)勢(shì)，設(shè)計(jì)集多傳感器信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果判斷顯示，當(dāng)前環(huán)境溫度、當(dāng)前日期和時(shí)間顯示及超限聲光報(bào)警，超限繼電器觸點(diǎn)輸出和4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出，微量水微量氧檢測(cè)及控制于一體的高純氣體微量水微量氧自動(dòng)檢測(cè)裝置，最終實(shí)現(xiàn)提高高純氣體中微量水微量氧檢測(cè)的準(zhǔn)確性、可靠性、自動(dòng)化以及縮短檢測(cè)時(shí)間的目的^[4]。

2 裝置的軟件系統(tǒng)

2.1 軟件系統(tǒng)組成和功能

軟件的設(shè)計(jì)是由主程序和子程序組成。主程序主要完成對(duì)系統(tǒng)硬件電路的初始化，設(shè)置堆棧指針、各緩沖區(qū)首地址、T0，T1工作方式及串口的初始化等。為便于軟件系統(tǒng)的調(diào)試和完善，子程序按功能共分為5大模塊：數(shù)據(jù)采集子程序、顯示子程序、監(jiān)控子程序、系統(tǒng)通信發(fā)送子程序、PC機(jī)通訊接收子程序。數(shù)據(jù)采集子程序用來(lái)啟動(dòng)A/D轉(zhuǎn)換，將采集值存放在內(nèi)部RAM以及將采樣值送入顯示緩存去；顯示子程序負(fù)責(zé)顯示界面的菜單管理，以及顯示緩存區(qū)的數(shù)據(jù)顯示和分析；監(jiān)控子程序負(fù)責(zé)系統(tǒng)的正常運(yùn)行，以及調(diào)用各種子程序和管理中斷服務(wù)程序；系統(tǒng)的通訊發(fā)送子程序負(fù)責(zé)與PC機(jī)的通訊和發(fā)送采集的數(shù)據(jù)；PC機(jī)通訊接收子程序負(fù)責(zé)接收單片機(jī)發(fā)送來(lái)的數(shù)據(jù)并存盤(pán)。主程序結(jié)構(gòu)如圖3所示。

2.2 軟件系統(tǒng)描述

氣路系統(tǒng)提供相對(duì)穩(wěn)定的樣氣流量分別給微量水和微量氧傳感器，各傳感器分別把被測(cè)樣氣中氧和水分的含量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)提供給信號(hào)調(diào)理電路進(jìn)行調(diào)理，然后由微轉(zhuǎn)換器進(jìn)行信號(hào)處理，送到OLED顯示模塊，分別顯示樣氣中微量水和微量氧的含量，同時(shí)送到DAC輸出電路輸出標(biāo)準(zhǔn)電流信號(hào)。RS 232接口電路允許ADμC831與PC機(jī)之間的串行接口通信，實(shí)現(xiàn)在線調(diào)試和下載功能。當(dāng)被測(cè)樣氣中氧和水分的含量高于設(shè)定閥值時(shí)，報(bào)警器就會(huì)發(fā)出報(bào)警聲，報(bào)警燈光閃爍，同時(shí)繼電器觸點(diǎn)動(dòng)作，輸出微量水或微量氧報(bào)警電流信號(hào)；當(dāng)被測(cè)樣氣中氧和水分的含量低于設(shè)定閥值時(shí)，則顯示正常。

3 解決的關(guān)鍵技術(shù)

(1) 采用氣泵、四通閥、針形閥、流量計(jì)等組成智慧型的氣路系統(tǒng)，能有效保護(hù)傳感器探頭，實(shí)現(xiàn)充氣和放氣過(guò)程的自動(dòng)控制和狀態(tài)檢測(cè)。

(2) 根據(jù)各傳感器輸出信號(hào)以及單片微轉(zhuǎn)換器模擬輸入和數(shù)字輸出信號(hào)的特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了傳感器輸出信號(hào)4～20 mA標(biāo)準(zhǔn)電流變換電路，濾波調(diào)理電路，單片機(jī)數(shù)字輸出信號(hào)4～20 mA變換電路，微量氧和微量水超限報(bào)警電路，繼電器信號(hào)輸出電路。

(3) 以新型單片機(jī)為核心，設(shè)計(jì)了各部分相協(xié)調(diào)的整體硬件系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了傳感器信號(hào)檢測(cè)、信號(hào)調(diào)理、數(shù)據(jù)處理、結(jié)果判斷顯示、狀態(tài)檢測(cè)于一體的微量水微量氧自動(dòng)檢測(cè)裝置。

4 技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

(1) 運(yùn)用微控制技術(shù)和自動(dòng)檢測(cè)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了高純氣體中微量水和微量氧的同步快速動(dòng)態(tài)實(shí)時(shí)測(cè)量，研制出新型一體化自動(dòng)檢測(cè)裝置，提高了高純氣體中微量水和微量氧的檢測(cè)效率。

(2) 能夠?qū)Ω呒儦怏w中微量水和微量氧含量進(jìn)行定量評(píng)估。

(3) 實(shí)現(xiàn)了高純氣體中微量水和微量氧檢測(cè)的小型化、自動(dòng)化和智能化。

5 裝置的主要技術(shù)指標(biāo)

微量氧部分：

(1) 測(cè)量范圍：0.00 PPm～10/100/2500 PPm O2；

(2) 不確定度：≤±5%F.S(0.01～10 PPm O2)，≤±2%F.S(10～2 500 PPm O2)；

(3) 穩(wěn)定性：零點(diǎn)漂移≤±2%F.S/7d，量程漂移≤±2%F.S/7d；

(4) 重復(fù)性：≤±1%F.S。

微量水部分：

(1) 測(cè)量范圍：0.00～9 999 PPm H2O；

(2) 不確定度：≤±2%F.S；

(3) 穩(wěn)定性：零點(diǎn)漂移≤±2%F.S /7d，量程漂移≤±2%F.S /7d；

(4) 重復(fù)性：≤±2%F.S。

6 結(jié) 語(yǔ)

該裝置的設(shè)計(jì)研制得到了相關(guān)專(zhuān)家及科研部門(mén)的充分肯定和支持，目前研究工作已進(jìn)入鑒定階段，樣機(jī)在試驗(yàn)驗(yàn)證和實(shí)際試用中均表現(xiàn)出了良好性能，能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理，提高了高純氣體中微量水微量氧檢測(cè)的準(zhǔn)確性和可靠性。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］王艷，王津文.幾種高純氣體中微量氧的測(cè)定方法［J］.分析與測(cè)試，2005，25(5):22-23.

［2］董永貴.傳感技術(shù)與系統(tǒng)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，2006.

［3］ADuC831 MicroConverter，12 B ADCs and DACS with Embedded 62 kB Flash MCU.Technical Data Sheet.Analog Device Inc，2002.

［4］余永輝，何道清，裴宏.基于ADμC812的溫度、壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)［J］.電子元器件應(yīng)用，2005，7(7):77-79.

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作者簡(jiǎn)介

石成英 男，1965年生，陜西涇陽(yáng)人，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)榛鹋凇⒆詣?dòng)武器與彈藥工程，檢測(cè)技術(shù)與自動(dòng)化，迭代學(xué)習(xí)控制。

陳宏建 男，1977年生，河南汝南人，碩士研究生，研究方向?yàn)榛鹋凇⒆詣?dòng)武器與彈藥工程。

喬立永 男，1982年生，河北無(wú)極人，碩士研究生，研究方向?yàn)榛鹋?、自?dòng)武器與彈藥工程。