便携式智能气体配气装置的设计*

王东丽 陈传岭 朱 茜 李 博

(1.郑州大学物理工程学院，郑州 450001；2.河南省计量科学研究院，郑州 450008)

0 引言

随着经济与科学技术的快速发展，各类气体分析仪及气体报警器已经广泛应用于工业生产、医疗卫生、科学研究、环境监测和劳动保护等领域。对各类气体分析仪进行校准或检定，确保其量值的准确性和可靠性，成为生产部门及计量部门义不容辞的职责。在对气体报警器和气体分析仪器校准和检定的过程中，标准气体起到了重要的作用，保证了计量工作的科学性和公正性[1]。

配制低浓度标准气体的方法，大致可分为静态法和动态法[2]。静态配气法使用设备简单，容易操作，但某些气体化学性质较活泼的气体，如H2S、SO2、Cl2等，长时间与容器壁接触可能会发生化学反应，同时容器壁也有吸附作用，当配制低浓度标准气体的时候容易造成较大的误差。动态配气法虽然配气装置较复杂，但配气误差小，精度高，操作方便，特别适合校准气的批量生产及低浓度标气的生产。

基于此，我们研究了一种基于动态配气法的便携式智能气体配气装置，该装置集浓度计算、配制气体、控制流量和数据处理于一体，采用双气路设置，一气路设定为稀释气，如空气或高纯氮气，另一气路设定为被稀释气，即原料气，可配制浓度值连续可调的混合气体，满足于实验室和现场对多种复合气体检测仪的检定和校准工作，并大大提高现场工作效率。

1 系统的工作原理

该装置采用动态配气的质量流量法，能够持续不断的提供浓度连续可调的标准气体。气体流量的调节由质量流量控制器(Mass Flow Controller，简称MFC)控制，它是通过控制电磁阀的开启状态来达到控制其他流量的目的，以准确测量气体流量之比得到稀释倍数，从稀释倍数可计算出来混合气体的浓度，调节气体流量之比可以得到所需浓度的标准气体[4]。它不但具有质量流量计的功能，而且MFC可将流量自动地恒定在设定值上而不受系统压力或环境温度的影响。

将已知浓度的原料气体和零气(稀释气)分别以恒定的流量经过质量流量控制器送入混合室中混合、稀释，稀释后的标准气体连续不断地从混合室输出，供被校准的气体分析仪器使用。

标准气体浓度计算公式如下：

(1)

式中，n为要配置的气体浓度；n1为原料气浓度；n2为稀释气中该组分气体的浓度；Q1为原料气流量；Q2为稀释气流量。

当使用高纯氮气或者当零气中n2的浓度可以忽略不计时，式(1)可简化为式(2)[5]：

(2)

由此可得：

Q1:Q2=n:(n1-n2)

(3)

因此，可得出结论：利用质量流量控制器控制两个气路的流量，就可以配制对应浓度的混合气体。气体的混合过程如图1所示。

图1 气体混合过程示意图

2 硬件设计

硬件部分主要包括工控机控制模块、MFC、人机界面、通信模块和电源等。其框图见图2。

图2 硬件框图

1)系统的核心控制部分是工控机控制模块，它具有重要的计算机属性和特征，如具有CPU、硬盘、内存、外设及接口和友好的人机界面等[6]。该模块选用型号为WAFFER-945GSE3的工控板，它支持Intel Atom凌动处理器，8-bit数字I/O，内存最大支持2G，功耗低(提供5V电源)。与常见的单片机控制芯片相比功能更强大，集成程度高，采用Windows系统，人机交互界面可以做到更加人性化。

2)MFC采用北京七星华创电子股份有限公司生产的CS200型数字式质量流量控制器，该型产品可同时提供数字信号、0～10V模拟信号和4～20mA模拟信号，可以使用双电源(±11～±16 V DC)或单电源(+11～+28 V DC)，具有精度高、响应速度快、密封性好、低零漂和温漂、不受环境温度和大气压力影响等特点[7]。

3)人机界面采用触摸屏作为显示和输入的途径，用户可以方便清晰地观察配气气体浓度和流量，以及可在显示屏上进行误差计算，操作简单，界面显示效果良好。

4)触摸屏接口可提供通用数据接口RS-485使工控机与触摸屏进行数据通信，两个USB接口，可连接打印机、鼠标等设备。

用户通过在人机界面预设配气浓度和流量，质量流量控制器根据从处理器输出的控制电压来控制电磁阀的开度。同时质量流量控制器将流量信号反馈回处理器，处理器经采样流量数字信号，并利用模糊控算法实现对系统闭环控制，使两路气体流量稳定输出，达到理想的浓度。

3 流量控制方案

传统的PID控制算法必须建立精确的数学模型，气体流速控制系统难以确定其数学模型，参数多，数学运算较复杂，采用传统控制算法结果不理想；模糊控制作为非线性系统建模和控制的一种有效的方法，无需建立精确的数字模型，而且具有较强的鲁棒性和噪声抑制能力，适用于气体流量控制系统。图3为模糊控制器的原理图。

图3 模糊控制器原理图

目前被广泛采用的均为二维模糊控制器，以流量误差e和流量误差的变化率ec作为输入变量，以控制量的变化u为输出变量。E、EC和U分别是精确量e、ec、u映射在模糊域的模糊量。

e的模糊集取为：{负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，正零(NO)，负零(PO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。

ec和u的模糊集取为：{负大(NB)，负中(NM)，负小(NS)，零(ZO)，正小(PS)，正中(PM)，正大(PB)}。

E的整数论域为{-6，-5，4，3，-2，-1，-0，+0，1，2，3，4，5，6}。

EC和U的整数论域均为{-6，-5，-4，-3，-2，-1，0，1，2，3，4，5，6}。

当流量误差为负大而流量误差变化为负时，流量误差有增大的趋势，为尽快消除已有的负大误差并抑制变大，所以控制量变化取正大。

当流量误差为负而流量误差变化为正时，系统本身已有减少误差的趋势，为尽快消除误差且又不超调，应取较小的控制量。当误差为负大且变化量为小时，控制量的变化取为正中，若误差变化为正大或正中时，控制量变化取为0等级。

当气体流量误差为负中时，控制量的变化应该使误差尽快消除，基于这种原则，控制量的变化选取同误差负大时相同。当气体流量误差为负小时，误差变化为负，选取控制量变化为正中，以抑制误差往负方向变化；若误差变化为正时，系统本身有消除负小的误差的趋势，选取控制量变化为正小。

确定模糊控制规则的原则是必须使系统输出响应的动态以及静态特性达到最佳状态：当误差大或较大时，选择控制量以尽快消除误差为主；而当误差较小时，选择控制量要注意防止超调，首先保证系统的稳定性。

根据上述思想，可以得到系统模糊控制规则表如表1所示。

模糊控制规则实际上是将操作者在实践中的经验加以总结得到的“if then”语句的集合，即模糊控制规则表[8]。根据E、EC、U的基本论域以及应用扎德近似推理并解模糊，得到一张U的查询表(见表2)，当进行实时控制时，根据输入的信息可以快捷的在线查表使用，可大大简化软件的复杂程度。

表1模糊控制规则表

表2模糊控制查询表

利用MATLAB软件中的SIMULINK工具进行仿真，得到输入输出关系曲面如下图4所示。

图4 输入输出关系曲面图

由图4可知，对于该系统，输出量为两个输入量的递减函数。这说明，对于需要控制的流量误差越大，增加的速度越快，系统就会把阀门关得越小，这基本符合对气体流量的控制要求。

4 软件设计

软件设计使用可视化语言Delphi编程，采用模块化编程思想，软件部分的设计主要包括系统初始化、参数设定、流量控制、数据采集和数据处理等。

系统软件设计是为了精确稳定地控制质量流量计的流量，调用模糊控制算法，配气过程中自动校准，调节实际流量使误差减小。程序的主要流程如图5所示。

图5 软件流程图

5 仪器性能分析

在实验过程中，A路和B路分别使用量程为2SLM和500SCCM的CS200A质量流量控制器，A路通入高纯氮气，B路通入浓度为2.98%mol/mol的甲烷标准气体，得到实验数据如表3所示。不考虑由气体分析仪器带来的误差，可知得到气体的相对误差小于1.5%。

表3实验数据表

基于动态配气法的气体分析仪自动校准装置的特点：1)使用质量流量控制器控制流量，流量不受外界气体压力、温度变化的的影响，确保了所配标准混合气体的精度和稳定性；2)所有配气方案可修改、删除、保存，大大方便了重复性配气工作；3)理论稀释比可达到1:2000；4)本系统操作界面友好，配气操作简便，并具备实时监控功能，并对操作过程有日志记录，规范了配气工作，增强了配气工作的安全性。

6 结论

基于动态配气法的智能气体配气装置，精度高、响应速度快、自动化程度高和操作简单，并且不受环境温度与压力影响。采用模糊控制法连续配制并供给各种浓度范围的混合标准气，特别适用于可燃气体报警器、气体分析仪、有害有毒气体分析器及其他气体分析仪的检定、校准和标定工作，另外用于对气体浓度监测系统的标定非常方便，可大大提高现场工作效率，减少操作人员的工作强度，具有很好的应用前景。

[1] 金美兰.标准气体的共性技术[J].低温与特气，2007，25(2)

[2] 姜素霞，韩中枢，夏春.标准气体的制备方法及配制技术[J].化学分析计量，2004，13(6)

[3] 周泽义，盖良京，梁建平.标准气体静态容量法配气方法研究[J].计量学报，2003，24(3)

[4] 赵建华，兰华永，陈滋健，李庄，赵崇文.基于质量流量控制器的多组分动态配气系统研究[J].自动化仪表，2008，29(2)

[5] 北京七星华创电子股份有限公司.CS系列气体质量流量控制器/流量计[J].中国集成电路，2009(4)

[6] 余永权，曾碧.单片机模糊逻辑控制(第一版) [M].北京：北京航空航天大学出版社，1995

[7] 伍萍辉，王迎旭，周向红.参数在线自校正模糊控制的标准压力发生系统[J].计量技术，2002(8)

[8] 刘秀红.模糊自整定PID控制在电阻炉温度控制中的应用[J].计量技术，2007(2)