曲寶軍，劉原勇

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 山東 淄博 255049)

基于流量控制的兩級(jí)動(dòng)態(tài)配氣系統(tǒng)的研究

曲寶軍，劉原勇

(山東理工大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 山東 淄博 255049)

摘要：針對(duì)氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)配置缺少通用性且操作過(guò)于復(fù)雜的現(xiàn)狀，提出一種新型的兩級(jí)配氣技術(shù).采用基于流量控制的動(dòng)態(tài)配氣法，利用兩級(jí)稀釋提高稀釋比，實(shí)現(xiàn)多組分氣體的全量程配氣，得到一種結(jié)構(gòu)緊湊、體重輕、稀釋比大、配氣精度和自動(dòng)化程度高的低濃度兩級(jí)動(dòng)態(tài)配氣系統(tǒng).

關(guān)鍵詞：兩級(jí)配氣； 動(dòng)態(tài)配氣； 多組分

目前國(guó)內(nèi)外常見(jiàn)的氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的配制方法有靜態(tài)法和動(dòng)態(tài)法兩種[1-3].其中靜態(tài)法較為常用，即把一定量的稀釋氣加到已知容積的原料氣的高壓或加壓容器中混勻而制得標(biāo)準(zhǔn)氣[4-5]，但在標(biāo)準(zhǔn)氣體用量較大或者是通標(biāo)準(zhǔn)氣體時(shí)間要求較長(zhǎng)的工況中，靜態(tài)配氣法就不能滿足要求[6-7].動(dòng)態(tài)配氣法就是根據(jù)已知濃度的原料氣體與稀釋氣體按照恒定的比例進(jìn)入混合器混合，從而連續(xù)不斷地配制并供給一定濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣，根據(jù)稀釋比計(jì)算得出標(biāo)準(zhǔn)氣的濃度[8-9]，但當(dāng)前動(dòng)態(tài)配氣稀釋比不高，將高濃度氣體稀釋為低濃度氣體較為困難[10-12].

本文采用基于質(zhì)量流量控制器的動(dòng)態(tài)配氣法，利用兩級(jí)稀釋來(lái)提高稀釋比，設(shè)計(jì)出一種可以實(shí)現(xiàn)高稀釋比的低濃度氣體動(dòng)態(tài)配氣系統(tǒng).

1兩級(jí)配氣工作原理

不同氣體流過(guò)質(zhì)量流量控制器時(shí)所帶走的熱量不同從而得到不同的電信號(hào)，通過(guò)對(duì)電信號(hào)處理可以得到各種氣體的質(zhì)量流量信號(hào).質(zhì)量流量的控制則是將檢測(cè)的質(zhì)量流量信號(hào)與標(biāo)準(zhǔn)信號(hào)比較后得到控制信號(hào)，該控制信號(hào)用來(lái)控制電子質(zhì)量流量控制器的電磁閥開(kāi)度，由于質(zhì)量流量控制器控制的是每一路氣體實(shí)際的質(zhì)量流量而不是體積流量，因此配制的標(biāo)準(zhǔn)氣濃度將不受環(huán)境溫度和壓力變化的影響.

當(dāng)需要配制100μL的SF6混合氣體時(shí)，需要對(duì)純SF6氣體稀釋10 000倍，而目前質(zhì)量流量控制器的稀釋倍數(shù)不能滿足要求.為此采用兩級(jí)自動(dòng)配氣系統(tǒng)，通過(guò)兩級(jí)配氣，增大動(dòng)態(tài)配氣系統(tǒng)的稀釋比，擴(kuò)大配氣濃度范圍.

兩級(jí)自動(dòng)配氣系統(tǒng)的原理圖如圖1所示，配氣開(kāi)始前，先進(jìn)行系統(tǒng)管道清洗，打開(kāi)原料氣電磁閥、稀釋氣電磁閥、稀釋氣二級(jí)電磁閥、混合氣二級(jí)電磁閥、抽真空電磁閥和4個(gè)質(zhì)量流量控制器，開(kāi)真空泵抽真空.

1.原料氣鋼瓶；2.原料氣減壓閥；3.原料氣電磁閥；4.原料氣質(zhì)量流量控制器；5.一級(jí)混合器；6.一級(jí)緩沖罐；7.泄壓閥；8.混合氣二級(jí)電磁閥；9.混合氣二級(jí)質(zhì)量流量控制器；10.二級(jí)混合器；11.二級(jí)緩沖罐；12.排空浮子流量計(jì)；13.四通閥；14.真空泵；15.采樣浮子流量計(jì)；16.抽真空電磁閥；17.稀釋氣二級(jí)質(zhì)量流量控制器；18.稀釋氣質(zhì)量流量控制器；19.稀釋氣二級(jí)電磁閥；20.稀釋氣電磁閥；21.稀釋氣鋼瓶；22.稀釋氣減壓閥圖1　兩級(jí)自動(dòng)配氣工作原理圖

開(kāi)始配氣，打開(kāi)原料氣和稀釋氣鋼瓶，通過(guò)各自的減壓閥調(diào)節(jié)到合適的氣體壓力；在整機(jī)控制系統(tǒng)中輸入原料氣和稀釋氣體名稱及相應(yīng)的濃度，并輸入配置后的混合氣體濃度及流量，系統(tǒng)根據(jù)當(dāng)前配氣要求首先打開(kāi)原料氣電磁閥、稀釋氣電磁閥，并自動(dòng)修改原料氣和稀釋氣質(zhì)量流量控制器的氣體種類(lèi)及相應(yīng)氣體流量，同時(shí)控制器實(shí)時(shí)采集氣體的流量信息反饋給系統(tǒng)，從而構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，進(jìn)一步保證配氣的精度.經(jīng)過(guò)配比后的原料氣和稀釋氣在一級(jí)混合器中充分混合，最后進(jìn)入一級(jí)緩沖罐，完成初級(jí)配氣；當(dāng)初級(jí)配制完成的混合氣體壓力高于泄壓閥設(shè)定壓力時(shí)，泄壓閥打開(kāi)，把一級(jí)緩沖罐中多余的混合氣體排空；否則進(jìn)行二級(jí)配氣，即系統(tǒng)自動(dòng)打開(kāi)混合氣二級(jí)電磁閥和稀釋氣二級(jí)電磁閥，同時(shí)自動(dòng)修改混合氣和稀釋氣二級(jí)質(zhì)量流量控制器的氣體種類(lèi)及相應(yīng)氣體流量，這樣一級(jí)緩沖罐中的混合氣體以及稀釋氣鋼瓶中的稀釋氣體以一定的比例經(jīng)二級(jí)混合器進(jìn)入二級(jí)緩沖罐，再由二級(jí)緩沖罐經(jīng)排空浮子流量計(jì)進(jìn)入廢氣回收裝置，或經(jīng)采樣浮子流量計(jì)進(jìn)入采樣設(shè)備，完成兩級(jí)氣瓶配氣.

2兩級(jí)配氣參數(shù)計(jì)算

兩級(jí)配氣技術(shù)共需采用4個(gè)質(zhì)量流量控制器對(duì)氣體流量進(jìn)行控制.兩級(jí)配氣過(guò)程中為了實(shí)現(xiàn)混合氣體的精確配制，需要對(duì)相應(yīng)的配氣參數(shù)進(jìn)行計(jì)算.

一級(jí)配氣得到的原料氣的實(shí)時(shí)濃度C1,feed為

(1)

式中：V1,feed為一級(jí)配氣時(shí)原料氣的質(zhì)量流量；V1,dilution為一級(jí)配氣時(shí)稀釋氣的質(zhì)量流量.

二級(jí)配氣得到的原料氣的實(shí)時(shí)濃度C2,feed為

(2)

式中:V1為前級(jí)配氣得到的混合氣體的質(zhì)量流量；V2,dilution為經(jīng)過(guò)二級(jí)配氣時(shí)稀釋氣的質(zhì)量流量.

在配氣過(guò)程中，如果需要配制濃度為C的標(biāo)準(zhǔn)氣體，假設(shè)一級(jí)配氣過(guò)程中原料氣的稀釋比為m，設(shè)定流量為V，則二級(jí)配氣需要前級(jí)配氣得到的混合氣體的流量V1為

V1=VC

(3)

二級(jí)配氣需要稀釋氣的流量V2,dilution為

V2,dilution=V(1-C)-V1,dilution

(4)

一級(jí)配氣時(shí)原料氣的流量為

(5)

一級(jí)配氣時(shí)稀釋氣的流量為

(6)

一級(jí)配氣后得到的原料氣的濃度為

(7)

3多組分兩級(jí)動(dòng)態(tài)配氣系統(tǒng)設(shè)計(jì)

本文選用美國(guó)ALICAT公司的質(zhì)量流量控制器，其控制精度等于當(dāng)前讀數(shù)的0.8%加上該流量控制器滿量程的0.2%，這種控制精度對(duì)于微量級(jí)的混氣條件有明顯的優(yōu)越性.控制器內(nèi)置20種普通氣體和10種混合氣體，給多組分氣體的混合提供了極大方便，同時(shí)能保證控制精度.0.1～0.3s的響應(yīng)時(shí)間保證了整個(gè)配氣系統(tǒng)的響應(yīng)速度和靈敏度.

氣體混合器是各種氣體混合均勻與否的核心部件，是動(dòng)態(tài)配氣系統(tǒng)多種氣體快速均勻混合的關(guān)鍵，其混氣性能決定了配制的混合氣體的準(zhǔn)確性與穩(wěn)定性，圖1中一級(jí)混合器和二級(jí)混合器使用的管式混合器內(nèi)置擋板17塊，流體在行進(jìn)過(guò)程中，被單元分割的次數(shù)成冪級(jí)數(shù)的增加，便形成217次切割、剪切、旋轉(zhuǎn)和重新混合，可以達(dá)到流體之間良好分散和充分混合的目的.

如果一級(jí)配氣稀釋比和總流量設(shè)置不合理，則會(huì)影響最終的配氣結(jié)果.為此本文通過(guò)采用兩級(jí)配氣系統(tǒng)對(duì)高純SF6氣體和空氣設(shè)定不同的稀釋比(設(shè)定輸出流量為2 000mL/min)進(jìn)行性能試驗(yàn)，確定最終質(zhì)量流量控制器的量程范圍和最佳稀釋比，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1.

表1兩級(jí)配氣時(shí)SF6和空氣的稀釋比

濃度/μL·L-1配比1%配比2%前級(jí)配氣后級(jí)配氣前級(jí)配氣后級(jí)配氣SF6AIRSF6AIRSF6AIRSF6AIR100.00.219.820.01980.00.29.810.01990.0200.00.439.640.01960.00.419.620.01980.0300.00.659.460.01940.00.629.430.01970.0400.00.879.280.01920.00.839.240.01960.0500.01.099.0100.01900.01.049.050.01950.0600.01.2118.8120.01880.01.258.860.01940.0700.01.4138.6140.01860.01.468.670.01930.0800.01.6158.4160.01840.01.678.480.01920.0900.01.8178.2180.01820.01.888.290.01910.01000.02.0198.0200.01800.02.098.0100.01900.01200.02.4237.6240.01760.02.4117.6120.01880.01500.03.0297.0300.01700.03.0147.0150.01850.01700.03.4336.6340.01660.03.4166.6170.01830.02000.04.0396.0400.01600.04.0196.0200.01800.0

根據(jù)表1的配氣計(jì)算，從不同濃度的SF6氣體所用SF6氣體和空氣的用量來(lái)看，選定量程為10SCCM的SF6一級(jí)質(zhì)量流量控制器和量程為50SCCM的空氣一級(jí)質(zhì)量流量控制器，量程為300SCCM的SF6二級(jí)質(zhì)量流量控制器和量程為3SLPM的空氣二級(jí)質(zhì)量流量控制器，滿足設(shè)計(jì)要求，且配氣精度較高.

為了保證兩級(jí)配氣結(jié)果的可靠性，需要根據(jù)目標(biāo)SF6氣體的濃度和一級(jí)配氣的稀釋比選擇最佳一級(jí)配氣SF6混合氣體的濃度，經(jīng)過(guò)大量的試驗(yàn)研究，得出的經(jīng)驗(yàn)值見(jiàn)表2.

4性能試驗(yàn)

樣品氣體為高純的SF6標(biāo)準(zhǔn)氣體，稀釋氣體為純凈空氣，配置SF6標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度從100μL/L到2000μL/L.利用SF6色譜儀進(jìn)行實(shí)際濃度的檢測(cè)，檢測(cè)重復(fù)6次，去掉異常峰后求平均得出SF6實(shí)際濃度，觀察設(shè)定濃度與實(shí)際濃度值相對(duì)誤差，測(cè)定結(jié)果見(jiàn)表3.

表2一級(jí)配氣SF6氣體濃度的經(jīng)驗(yàn)值

目標(biāo)濃度/μL·L-1稀釋比/%1≤10012(100,300]23(300,500]34(500,800]45(800,1200]56(1200,1500]67(1500,1700]78(1700,2000]89(2000,2500]1010(2501,5000]1511>500020

表3準(zhǔn)確度測(cè)定結(jié)果

設(shè)定濃度/μL·L-1實(shí)際濃度/μL·L-1誤差/%10098.11.900200197.01.500300296.51.167400396.40.900500503.40.680600603.00.500700695.70.614800795.30.588900906.00.66710001006.20.62012001194.40.46715001509.00.60017001708.80.51820002001.10.050

從測(cè)量結(jié)果上看，當(dāng)稀釋比大于1∶2 500時(shí)流量控制精度略差，稀釋比小于1∶2 000時(shí)流量控制精度小于0.7%,有明顯提高，重復(fù)性<0.5%，滿足氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分析測(cè)量的要求.

5結(jié)束語(yǔ)

本文采用高精度的質(zhì)量流量控制器,配備內(nèi)置17塊擋板的螺旋氣體混合管路,可實(shí)現(xiàn)一級(jí)、二級(jí)氣體配置.其中一級(jí)配氣稀釋比可到200∶1，二級(jí)配氣稀釋比可到40 000∶1.相對(duì)于SF6色譜儀，該動(dòng)態(tài)配氣系統(tǒng)具有稀釋比大、穩(wěn)定性好、精確度高、分析速度快等特點(diǎn)，在日常標(biāo)準(zhǔn)氣

體的分析對(duì)比中節(jié)約了大量氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，縮短了工作人員的對(duì)比時(shí)間.經(jīng)過(guò)現(xiàn)場(chǎng)分析對(duì)比，直接采用高純度氣體進(jìn)行動(dòng)態(tài)配氣，免除了攜帶大量標(biāo)準(zhǔn)氣體帶來(lái)的麻煩.本技術(shù)也適用于標(biāo)準(zhǔn)氣體用量較大、配氣時(shí)間要求較長(zhǎng)或者組分氣體分子量差別大的工況.因此，本方法在氣體分析領(lǐng)域中值得推廣，具有良好的應(yīng)用前景.

參考文獻(xiàn)

[1]韓晶晶.基于工控機(jī)的自動(dòng)配氣裝置設(shè)計(jì)[D].南京：南京航空航天大學(xué), 2007.

[2]趙誠(chéng),王成瑞.多組份動(dòng)態(tài)配氣系統(tǒng)配氣方法研究[J].科技導(dǎo)報(bào),2007, 25(5): 60-62.

[3]趙建華,蘭華永,陳滋健,等.基于質(zhì)量流量控制器的多組分動(dòng)態(tài)配氣系統(tǒng)研究[J].自動(dòng)化儀表, 2008, 29(2)，44-48.

[4]曹衍麟.環(huán)境監(jiān)測(cè)用有機(jī)溶劑和正戊烷蒸汽濃度標(biāo)準(zhǔn)研究報(bào)告[R].北京:中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院,1984.

[5]Possanzini M, di Paio V. Dynamic system for the calibration of semi-volatile carbonyl compounds impair [J]. Journal of Chromatography A, 2000, 883:171-183.

[6]蔡武昌.流量?jī)x表應(yīng)用和發(fā)展若干動(dòng)態(tài)[J].自動(dòng)化儀表,2006,27(7):1-7.

[7]吳瑩,秦樹(shù)人,張帆.基于USB總線的嵌入式虛擬儀器的設(shè)計(jì)[J].自動(dòng)化儀表,2006,27(3):14-17.

[8]季曉華,王志明.一種應(yīng)用于隔爆試驗(yàn)裝置中的新型自動(dòng)配氣系統(tǒng)統(tǒng)[J].工礦自動(dòng)化,2014,40(4):87-89.

[9]崔遠(yuǎn)慧,唐禎安,余雋,等.氣體傳感器的動(dòng)態(tài)高精度測(cè)試系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].儀器儀表學(xué)報(bào),2010,31(10):2 180-2 185.

[10]沙春哲,施云波,修德斌,等.氣體傳感器長(zhǎng)期穩(wěn)定性智能檢測(cè)系統(tǒng)[J].電子測(cè)量技術(shù), 2010, 33(6):102-106.

[11]Li F, Zhang Y G, Lu P, et al. On-line monitoring seven normal and trace amountcom ponents in air by quadrupole spectrometer [J]. Analysis Instruments, 2007(2):20-22.

[12]Liu C H, Wu C B, Zhang W T, et al. Gas flux control of testing system for micro/miniature fuel cell[J]. Optics and Precision Engineering, 2008, 14(5):840-846.

(編輯：郝秀清)

Studyonalowconcentrationtwoleveldynamicgasdistribution

QUBao-jun,LIUYuan-yong

(SchoolofMechanicalEngineering，ShandongUniversityofTechnology，Zibo255049,China)

Abstract:According to the current situation that the gas standard material configuration lacks versatility and is too complex, we put forward a new kind of two-level gas distribution technology. We adopt dynamic volumetric method based on flow control and the way of two-level dilution to increase dilution ratio, and realize the full range distribution of several groups gas. Finally, we can make a kind of low consistency two-level dynamic distribution system with compact structure, low weight, large dilution ratio, high distribution accuracy and automation degree.

Key words:two level gas distribution; dynamic gas distribution; multicomponent

收稿日期：2015-05-13

作者簡(jiǎn)介：曲寶軍，男，qubaojun@sdut.edu.cn

文章編號(hào)：1672-6197(2016)05-0029-03

中圖分類(lèi)號(hào)：TP23

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A