王東麗 陳傳嶺 朱 茜 李 博

(1.鄭州大學(xué)物理工程學(xué)院，鄭州 450001；2.河南省計量科學(xué)研究院，鄭州 450008)

0 引言

隨著經(jīng)濟與科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，各類氣體分析儀及氣體報警器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、科學(xué)研究、環(huán)境監(jiān)測和勞動保護等領(lǐng)域。對各類氣體分析儀進行校準(zhǔn)或檢定，確保其量值的準(zhǔn)確性和可靠性，成為生產(chǎn)部門及計量部門義不容辭的職責(zé)。在對氣體報警器和氣體分析儀器校準(zhǔn)和檢定的過程中，標(biāo)準(zhǔn)氣體起到了重要的作用，保證了計量工作的科學(xué)性和公正性[1]。

配制低濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體的方法，大致可分為靜態(tài)法和動態(tài)法[2]。靜態(tài)配氣法使用設(shè)備簡單，容易操作，但某些氣體化學(xué)性質(zhì)較活潑的氣體，如H2S、SO2、Cl2等，長時間與容器壁接觸可能會發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，同時容器壁也有吸附作用，當(dāng)配制低濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體的時候容易造成較大的誤差。動態(tài)配氣法雖然配氣裝置較復(fù)雜，但配氣誤差小，精度高，操作方便，特別適合校準(zhǔn)氣的批量生產(chǎn)及低濃度標(biāo)氣的生產(chǎn)。

基于此，我們研究了一種基于動態(tài)配氣法的便攜式智能氣體配氣裝置，該裝置集濃度計算、配制氣體、控制流量和數(shù)據(jù)處理于一體，采用雙氣路設(shè)置，一氣路設(shè)定為稀釋氣，如空氣或高純氮氣，另一氣路設(shè)定為被稀釋氣，即原料氣，可配制濃度值連續(xù)可調(diào)的混合氣體，滿足于實驗室和現(xiàn)場對多種復(fù)合氣體檢測儀的檢定和校準(zhǔn)工作，并大大提高現(xiàn)場工作效率。

1 系統(tǒng)的工作原理

該裝置采用動態(tài)配氣的質(zhì)量流量法，能夠持續(xù)不斷的提供濃度連續(xù)可調(diào)的標(biāo)準(zhǔn)氣體。氣體流量的調(diào)節(jié)由質(zhì)量流量控制器(Mass Flow Controller，簡稱MFC)控制，它是通過控制電磁閥的開啟狀態(tài)來達(dá)到控制其他流量的目的，以準(zhǔn)確測量氣體流量之比得到稀釋倍數(shù)，從稀釋倍數(shù)可計算出來混合氣體的濃度，調(diào)節(jié)氣體流量之比可以得到所需濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體[4]。它不但具有質(zhì)量流量計的功能，而且MFC可將流量自動地恒定在設(shè)定值上而不受系統(tǒng)壓力或環(huán)境溫度的影響。

將已知濃度的原料氣體和零氣(稀釋氣)分別以恒定的流量經(jīng)過質(zhì)量流量控制器送入混合室中混合、稀釋，稀釋后的標(biāo)準(zhǔn)氣體連續(xù)不斷地從混合室輸出，供被校準(zhǔn)的氣體分析儀器使用。

標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度計算公式如下：

(1)

式中，n為要配置的氣體濃度；n1為原料氣濃度；n2為稀釋氣中該組分氣體的濃度；Q1為原料氣流量；Q2為稀釋氣流量。

當(dāng)使用高純氮氣或者當(dāng)零氣中n2的濃度可以忽略不計時，式(1)可簡化為式(2)[5]：

(2)

由此可得：

Q1:Q2=n:(n1-n2)

(3)

因此，可得出結(jié)論：利用質(zhì)量流量控制器控制兩個氣路的流量，就可以配制對應(yīng)濃度的混合氣體。氣體的混合過程如圖1所示。

圖1 氣體混合過程示意圖

2 硬件設(shè)計

硬件部分主要包括工控機控制模塊、MFC、人機界面、通信模塊和電源等。其框圖見圖2。

圖2 硬件框圖

1)系統(tǒng)的核心控制部分是工控機控制模塊，它具有重要的計算機屬性和特征，如具有CPU、硬盤、內(nèi)存、外設(shè)及接口和友好的人機界面等[6]。該模塊選用型號為WAFFER-945GSE3的工控板，它支持Intel Atom凌動處理器，8-bit數(shù)字I/O，內(nèi)存最大支持2G，功耗低(提供5V電源)。與常見的單片機控制芯片相比功能更強大，集成程度高，采用Windows系統(tǒng)，人機交互界面可以做到更加人性化。

2)MFC采用北京七星華創(chuàng)電子股份有限公司生產(chǎn)的CS200型數(shù)字式質(zhì)量流量控制器，該型產(chǎn)品可同時提供數(shù)字信號、0～10V模擬信號和4～20mA模擬信號，可以使用雙電源(±11～±16 V DC)或單電源(+11～+28 V DC)，具有精度高、響應(yīng)速度快、密封性好、低零漂和溫漂、不受環(huán)境溫度和大氣壓力影響等特點[7]。

3)人機界面采用觸摸屏作為顯示和輸入的途徑，用戶可以方便清晰地觀察配氣氣體濃度和流量，以及可在顯示屏上進行誤差計算，操作簡單，界面顯示效果良好。

4)觸摸屏接口可提供通用數(shù)據(jù)接口RS-485使工控機與觸摸屏進行數(shù)據(jù)通信，兩個USB接口，可連接打印機、鼠標(biāo)等設(shè)備。

用戶通過在人機界面預(yù)設(shè)配氣濃度和流量，質(zhì)量流量控制器根據(jù)從處理器輸出的控制電壓來控制電磁閥的開度。同時質(zhì)量流量控制器將流量信號反饋回處理器，處理器經(jīng)采樣流量數(shù)字信號，并利用模糊控算法實現(xiàn)對系統(tǒng)閉環(huán)控制，使兩路氣體流量穩(wěn)定輸出，達(dá)到理想的濃度。

3 流量控制方案

傳統(tǒng)的PID控制算法必須建立精確的數(shù)學(xué)模型，氣體流速控制系統(tǒng)難以確定其數(shù)學(xué)模型，參數(shù)多，數(shù)學(xué)運算較復(fù)雜，采用傳統(tǒng)控制算法結(jié)果不理想；模糊控制作為非線性系統(tǒng)建模和控制的一種有效的方法，無需建立精確的數(shù)字模型，而且具有較強的魯棒性和噪聲抑制能力，適用于氣體流量控制系統(tǒng)。圖3為模糊控制器的原理圖。

圖3 模糊控制器原理圖

目前被廣泛采用的均為二維模糊控制器，以流量誤差e和流量誤差的變化率ec作為輸入變量，以控制量的變化u為輸出變量。E、EC和U分別是精確量e、ec、u映射在模糊域的模糊量。

e的模糊集取為：{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，正零(NO)，負(fù)零(PO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。

ec和u的模糊集取為：{負(fù)大(NB)，負(fù)中(NM)，負(fù)小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。

E的整數(shù)論域為{-6，-5，4，3，-2，-1，-0，+0，1，2，3，4，5，6}。

EC和U的整數(shù)論域均為{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

當(dāng)流量誤差為負(fù)大而流量誤差變化為負(fù)時，流量誤差有增大的趨勢，為盡快消除已有的負(fù)大誤差并抑制變大，所以控制量變化取正大。

當(dāng)流量誤差為負(fù)而流量誤差變化為正時，系統(tǒng)本身已有減少誤差的趨勢，為盡快消除誤差且又不超調(diào)，應(yīng)取較小的控制量。當(dāng)誤差為負(fù)大且變化量為小時，控制量的變化取為正中，若誤差變化為正大或正中時，控制量變化取為0等級。

當(dāng)氣體流量誤差為負(fù)中時，控制量的變化應(yīng)該使誤差盡快消除，基于這種原則，控制量的變化選取同誤差負(fù)大時相同。當(dāng)氣體流量誤差為負(fù)小時，誤差變化為負(fù)，選取控制量變化為正中，以抑制誤差往負(fù)方向變化；若誤差變化為正時，系統(tǒng)本身有消除負(fù)小的誤差的趨勢，選取控制量變化為正小。

確定模糊控制規(guī)則的原則是必須使系統(tǒng)輸出響應(yīng)的動態(tài)以及靜態(tài)特性達(dá)到最佳狀態(tài)：當(dāng)誤差大或較大時，選擇控制量以盡快消除誤差為主；而當(dāng)誤差較小時，選擇控制量要注意防止超調(diào)，首先保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

根據(jù)上述思想，可以得到系統(tǒng)模糊控制規(guī)則表如表1所示。

模糊控制規(guī)則實際上是將操作者在實踐中的經(jīng)驗加以總結(jié)得到的“if then”語句的集合，即模糊控制規(guī)則表[8]。根據(jù)E、EC、U的基本論域以及應(yīng)用扎德近似推理并解模糊，得到一張U的查詢表(見表2)，當(dāng)進行實時控制時，根據(jù)輸入的信息可以快捷的在線查表使用，可大大簡化軟件的復(fù)雜程度。

表1模糊控制規(guī)則表

表2模糊控制查詢表

利用MATLAB軟件中的SIMULINK工具進行仿真，得到輸入輸出關(guān)系曲面如下圖4所示。

圖4 輸入輸出關(guān)系曲面圖

由圖4可知，對于該系統(tǒng)，輸出量為兩個輸入量的遞減函數(shù)。這說明，對于需要控制的流量誤差越大，增加的速度越快，系統(tǒng)就會把閥門關(guān)得越小，這基本符合對氣體流量的控制要求。

4 軟件設(shè)計

軟件設(shè)計使用可視化語言Delphi編程，采用模塊化編程思想，軟件部分的設(shè)計主要包括系統(tǒng)初始化、參數(shù)設(shè)定、流量控制、數(shù)據(jù)采集和數(shù)據(jù)處理等。

系統(tǒng)軟件設(shè)計是為了精確穩(wěn)定地控制質(zhì)量流量計的流量，調(diào)用模糊控制算法，配氣過程中自動校準(zhǔn)，調(diào)節(jié)實際流量使誤差減小。程序的主要流程如圖5所示。

圖5 軟件流程圖

5 儀器性能分析

在實驗過程中，A路和B路分別使用量程為2SLM和500SCCM的CS200A質(zhì)量流量控制器，A路通入高純氮氣，B路通入濃度為2.98%mol/mol的甲烷標(biāo)準(zhǔn)氣體，得到實驗數(shù)據(jù)如表3所示。不考慮由氣體分析儀器帶來的誤差，可知得到氣體的相對誤差小于1.5%。

表3實驗數(shù)據(jù)表

基于動態(tài)配氣法的氣體分析儀自動校準(zhǔn)裝置的特點：1)使用質(zhì)量流量控制器控制流量，流量不受外界氣體壓力、溫度變化的的影響，確保了所配標(biāo)準(zhǔn)混合氣體的精度和穩(wěn)定性；2)所有配氣方案可修改、刪除、保存，大大方便了重復(fù)性配氣工作；3)理論稀釋比可達(dá)到1:2000；4)本系統(tǒng)操作界面友好，配氣操作簡便，并具備實時監(jiān)控功能，并對操作過程有日志記錄，規(guī)范了配氣工作，增強了配氣工作的安全性。

6 結(jié)論

基于動態(tài)配氣法的智能氣體配氣裝置，精度高、響應(yīng)速度快、自動化程度高和操作簡單，并且不受環(huán)境溫度與壓力影響。采用模糊控制法連續(xù)配制并供給各種濃度范圍的混合標(biāo)準(zhǔn)氣，特別適用于可燃?xì)怏w報警器、氣體分析儀、有害有毒氣體分析器及其他氣體分析儀的檢定、校準(zhǔn)和標(biāo)定工作，另外用于對氣體濃度監(jiān)測系統(tǒng)的標(biāo)定非常方便，可大大提高現(xiàn)場工作效率，減少操作人員的工作強度，具有很好的應(yīng)用前景。

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