福建億榕信息技術(shù)有限公司 江信海

針對(duì)氣體組分濃度分析裝置及相關(guān)產(chǎn)品對(duì)不同氣體濃度的大量需求，本文設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)智能氣體配氣儀及多態(tài)配氣平臺(tái)（以下簡(jiǎn)稱平臺(tái)），該平臺(tái)采用上下位機(jī)組成方式，上位機(jī)完成多態(tài)組分濃度及相關(guān)配置，下位機(jī)輸出相應(yīng)組分濃度，由于使用質(zhì)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(wěn)定，精度高。

1.概述

在氣體分析儀器領(lǐng)域，標(biāo)準(zhǔn)氣體是標(biāo)定和校準(zhǔn)氣體分析儀器測(cè)量結(jié)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(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定或校準(zhǔn)時(shí)，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(biāo)準(zhǔn)氣體量不大，但又必須為標(biāo)定點(diǎn)配備相應(yīng)濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體。如果為每個(gè)標(biāo)定點(diǎn)購(gòu)買專業(yè)廠家生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)氣體，不但成本高，不經(jīng)濟(jì)，而且還造成很大的浪費(fèi)。

依上需求，本文研制用于氣體分析儀領(lǐng)域的智能多態(tài)配氣設(shè)備及平臺(tái)，通過(guò)平臺(tái)配置組份及濃度，并結(jié)合配氣儀特性，輸出濃度連續(xù)可調(diào)的單組及多組份氣體，具備智能檢測(cè)、自動(dòng)配氣、多態(tài)輸出、不受溫度及壓力影響、小巧便攜等諸多優(yōu)點(diǎn)，本平臺(tái)可以實(shí)現(xiàn)五通道四組份氣體同時(shí)配置。

2.配氣儀工作原理

配氣儀主要模塊是質(zhì)量流量控制器，配氣原理是依據(jù)不同氣體組份質(zhì)量比例混合配比出需要的濃度，通過(guò)質(zhì)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(zhì)量流量控制器控制質(zhì)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(guò)程中需要使用稀釋氣體如N2或SF6，而MFC出廠標(biāo)定一般使用N2，所以在配比混合氣體過(guò)程中需要計(jì)算各混合氣體轉(zhuǎn)換系數(shù)及使用單組份氣體轉(zhuǎn)換系數(shù)，具體可參見(jiàn)各廠商MFC產(chǎn)品使用說(shuō)明書(shū)。在計(jì)算各組份氣體時(shí)，一般先計(jì)算被稀釋氣體流量，最后剩余流量即為稀釋氣體流量?；旌掀髦懈鹘M份流量計(jì)算公式：Gi=F*Mi/fi，其中F為輸出混合氣總流量，Mi為對(duì)應(yīng)目標(biāo)濃度， fi為被稀釋氣體濃度，i=1,2,3等。

圖1 氣路圖

3.平臺(tái)構(gòu)成

3.1 平臺(tái)整體架構(gòu)-上下位機(jī)結(jié)構(gòu)

平臺(tái)整體架構(gòu)由上下位組成，如圖2所示上位機(jī)可以使用PC機(jī)、筆記本電腦、平板電腦等，用于編輯測(cè)試方案及設(shè)置相關(guān)參數(shù)，并通過(guò)網(wǎng)口或WIFI方式下發(fā)到下位機(jī)，下位機(jī)是一臺(tái)智能配氣儀，依據(jù)上位機(jī)測(cè)試方案或者本機(jī)已有的存儲(chǔ)方案，輸出對(duì)應(yīng)的混合氣體濃度。

圖2 平臺(tái)架構(gòu)

3.2 上位機(jī)功能簡(jiǎn)介

圖3 平臺(tái)主界面

上圖3為上位機(jī)主界面。

說(shuō)明：scheme有自動(dòng)與手動(dòng)兩種選擇，在這里可以下拉選擇manul（手動(dòng)）與Auto（自動(dòng)）：

1）手動(dòng)模式下，填寫(xiě)上面的表格，點(diǎn)擊start，可以控制配氣儀的手動(dòng)配氣。

2）自動(dòng)模式下，可以讀取配氣儀里面的方案，拉選指定方案名稱，點(diǎn)擊start

底部?jī)蓚€(gè)框用于自動(dòng)校驗(yàn)氣體分析儀，這個(gè)功能有待進(jìn)一步開(kāi)發(fā)。

3.3 智能配氣儀硬件原理設(shè)計(jì)

智能配氣儀硬件包括控制主板、人機(jī)交互顯示模塊、MFC等，如下圖4所示,主板包括ARM模塊、網(wǎng)絡(luò)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(gè)主板核心部件，與板上幾乎所有模塊均有數(shù)據(jù)交互；網(wǎng)口及WIFI模塊用于與上位機(jī)通訊，USB用于設(shè)備升級(jí)及外擴(kuò)設(shè)備如鍵鼠等，串口用于調(diào)試及一些串口設(shè)備如步進(jìn)電機(jī)等，繼電器則用于控制MFC，人機(jī)交互采用7寸電容觸摸屏作為人機(jī)交互界面，使用高精度24位AD及16位DA芯片來(lái)設(shè)置MFC輸出流量及采集流量。

圖4 硬件框圖

質(zhì)量流量控制器采用北京七星華創(chuàng)D07系列，其工作原理如下：

流量傳感器采用毛細(xì)管傳熱溫差量熱法原理測(cè)量氣體的質(zhì)量流量(無(wú)需溫度壓力補(bǔ)償)。將傳感器加熱電橋測(cè)得的流量信號(hào)送入放大器放大, 放大后的流量檢測(cè)電壓與設(shè)定電壓進(jìn)行比較, 再將差值信號(hào)放大后去控制調(diào)節(jié)閥門(mén)，閉環(huán)控制流過(guò)通道的流量，使之與設(shè)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(cè)電壓與流過(guò)通道的質(zhì)量流量成正比，滿量程(F.S.)流量檢測(cè)輸出電壓為+5V。質(zhì)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(zhì)量流量控制器原理

3.4 智能配氣儀軟件流程

智能自動(dòng)配氣儀系統(tǒng)軟件是基于ARM平臺(tái)在linux環(huán)境下使用C++QT庫(kù)開(kāi)發(fā)。系統(tǒng)采用分層式開(kāi)發(fā)，底層驅(qū)動(dòng)負(fù)責(zé)ARM硬件調(diào)度，linux系統(tǒng)作為中間層，應(yīng)用層由QT庫(kù)開(kāi)發(fā)的可視化操作界面，應(yīng)用軟件采用獨(dú)立化功能設(shè)計(jì)，主要包括初始化、系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置、預(yù)熱調(diào)零、數(shù)據(jù)采集、外圍電路控制、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能，實(shí)現(xiàn)了低人工干預(yù)的自動(dòng)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(shù)據(jù)處理及控制；3）與上位機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)交互。

圖6 軟件流程圖

4.試驗(yàn)方法及數(shù)據(jù)

開(kāi)機(jī)預(yù)熱10-30分鐘后，等待實(shí)際流量數(shù)據(jù)顯示為0即可開(kāi)始試驗(yàn)，上位機(jī)編輯方案后，下載到下位機(jī)，下位機(jī)點(diǎn)擊開(kāi)始按鈕即可開(kāi)始全自動(dòng)配氣。現(xiàn)以測(cè)試150PPm為例說(shuō)明，標(biāo)準(zhǔn)氣為CO濃度994.1PPm。

1）上位編輯方案

圖7

2）下位機(jī)對(duì)應(yīng)界面

圖8

3）CO測(cè)試數(shù)據(jù)

表1

由上表1測(cè)試數(shù)據(jù)得出，滿足第三方對(duì)于CO誤差5%的精度要求。

5.平臺(tái)特性

本文通過(guò)質(zhì)量流量控制器實(shí)現(xiàn)了五通道配氣平臺(tái)，同時(shí)可實(shí)現(xiàn)四種組份氣體配氣，并將配置結(jié)果實(shí)時(shí)顯示在七寸液晶屏上。

本平臺(tái)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(biāo)準(zhǔn)氣。與其它配氣儀或系統(tǒng)相比，本平臺(tái)具有如下特點(diǎn)：1）上位機(jī)結(jié)構(gòu)，操作靈活簡(jiǎn)便；2）測(cè)試方案可編輯易更改；3）配氣儀存儲(chǔ)多種測(cè)試方案，無(wú)需重新編輯方案；4）可擴(kuò)展性強(qiáng)，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(jiǎn)單，使用方便；6）嵌入式高速微處理器控制。

6.結(jié)語(yǔ)

本平臺(tái)采用上下機(jī)方式，實(shí)現(xiàn)了既定開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)功能，輸出精度高，滿足行業(yè)對(duì)氣體分析儀測(cè)試校驗(yàn)要求，可應(yīng)用于氣體分析儀廠商、環(huán)境測(cè)試校驗(yàn)等，該平臺(tái)輸出的配氣濃度不受溫度及壓力影響，后期有待開(kāi)發(fā)事項(xiàng)包括添加步進(jìn)電機(jī)及流量計(jì)對(duì)流量進(jìn)行自動(dòng)調(diào)節(jié)，無(wú)需人工干預(yù)，使設(shè)備更加自動(dòng)化、實(shí)用化。