基于流量控制的两级动态配气系统的研究

曲宝军，刘原勇

(山东理工大学 机械工程学院, 山东 淄博 255049)

基于流量控制的两级动态配气系统的研究

曲宝军，刘原勇

(山东理工大学 机械工程学院, 山东 淄博 255049)

摘要：针对气体标准物质配置缺少通用性且操作过于复杂的现状，提出一种新型的两级配气技术.采用基于流量控制的动态配气法，利用两级稀释提高稀释比，实现多组分气体的全量程配气，得到一种结构紧凑、体重轻、稀释比大、配气精度和自动化程度高的低浓度两级动态配气系统.

关键词：两级配气； 动态配气； 多组分

目前国内外常见的气体标准物质的配制方法有静态法和动态法两种[1-3].其中静态法较为常用，即把一定量的稀释气加到已知容积的原料气的高压或加压容器中混匀而制得标准气[4-5]，但在标准气体用量较大或者是通标准气体时间要求较长的工况中，静态配气法就不能满足要求[6-7].动态配气法就是根据已知浓度的原料气体与稀释气体按照恒定的比例进入混合器混合，从而连续不断地配制并供给一定浓度的标准气，根据稀释比计算得出标准气的浓度[8-9]，但当前动态配气稀释比不高，将高浓度气体稀释为低浓度气体较为困难[10-12].

本文采用基于质量流量控制器的动态配气法，利用两级稀释来提高稀释比，设计出一种可以实现高稀释比的低浓度气体动态配气系统.

1两级配气工作原理

不同气体流过质量流量控制器时所带走的热量不同从而得到不同的电信号，通过对电信号处理可以得到各种气体的质量流量信号.质量流量的控制则是将检测的质量流量信号与标准信号比较后得到控制信号，该控制信号用来控制电子质量流量控制器的电磁阀开度，由于质量流量控制器控制的是每一路气体实际的质量流量而不是体积流量，因此配制的标准气浓度将不受环境温度和压力变化的影响.

当需要配制100μL的SF6混合气体时，需要对纯SF6气体稀释10 000倍，而目前质量流量控制器的稀释倍数不能满足要求.为此采用两级自动配气系统，通过两级配气，增大动态配气系统的稀释比，扩大配气浓度范围.

两级自动配气系统的原理图如图1所示，配气开始前，先进行系统管道清洗，打开原料气电磁阀、稀释气电磁阀、稀释气二级电磁阀、混合气二级电磁阀、抽真空电磁阀和4个质量流量控制器，开真空泵抽真空.

1.原料气钢瓶；2.原料气减压阀；3.原料气电磁阀；4.原料气质量流量控制器；5.一级混合器；6.一级缓冲罐；7.泄压阀；8.混合气二级电磁阀；9.混合气二级质量流量控制器；10.二级混合器；11.二级缓冲罐；12.排空浮子流量计；13.四通阀；14.真空泵；15.采样浮子流量计；16.抽真空电磁阀；17.稀释气二级质量流量控制器；18.稀释气质量流量控制器；19.稀释气二级电磁阀；20.稀释气电磁阀；21.稀释气钢瓶；22.稀释气减压阀图1　两级自动配气工作原理图

开始配气，打开原料气和稀释气钢瓶，通过各自的减压阀调节到合适的气体压力；在整机控制系统中输入原料气和稀释气体名称及相应的浓度，并输入配置后的混合气体浓度及流量，系统根据当前配气要求首先打开原料气电磁阀、稀释气电磁阀，并自动修改原料气和稀释气质量流量控制器的气体种类及相应气体流量，同时控制器实时采集气体的流量信息反馈给系统，从而构成闭环系统，进一步保证配气的精度.经过配比后的原料气和稀释气在一级混合器中充分混合，最后进入一级缓冲罐，完成初级配气；当初级配制完成的混合气体压力高于泄压阀设定压力时，泄压阀打开，把一级缓冲罐中多余的混合气体排空；否则进行二级配气，即系统自动打开混合气二级电磁阀和稀释气二级电磁阀，同时自动修改混合气和稀释气二级质量流量控制器的气体种类及相应气体流量，这样一级缓冲罐中的混合气体以及稀释气钢瓶中的稀释气体以一定的比例经二级混合器进入二级缓冲罐，再由二级缓冲罐经排空浮子流量计进入废气回收装置，或经采样浮子流量计进入采样设备，完成两级气瓶配气.

2两级配气参数计算

两级配气技术共需采用4个质量流量控制器对气体流量进行控制.两级配气过程中为了实现混合气体的精确配制，需要对相应的配气参数进行计算.

一级配气得到的原料气的实时浓度C1,feed为

(1)

式中：V1,feed为一级配气时原料气的质量流量；V1,dilution为一级配气时稀释气的质量流量.

二级配气得到的原料气的实时浓度C2,feed为

(2)

式中:V1为前级配气得到的混合气体的质量流量；V2,dilution为经过二级配气时稀释气的质量流量.

在配气过程中，如果需要配制浓度为C的标准气体，假设一级配气过程中原料气的稀释比为m，设定流量为V，则二级配气需要前级配气得到的混合气体的流量V1为

V1=VC

(3)

二级配气需要稀释气的流量V2,dilution为

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

(4)

一级配气时原料气的流量为

(5)

一级配气时稀释气的流量为

(6)

一级配气后得到的原料气的浓度为

(7)

3多组分两级动态配气系统设计

本文选用美国ALICAT公司的质量流量控制器，其控制精度等于当前读数的0.8%加上该流量控制器满量程的0.2%，这种控制精度对于微量级的混气条件有明显的优越性.控制器内置20种普通气体和10种混合气体，给多组分气体的混合提供了极大方便，同时能保证控制精度.0.1～0.3s的响应时间保证了整个配气系统的响应速度和灵敏度.

气体混合器是各种气体混合均匀与否的核心部件，是动态配气系统多种气体快速均匀混合的关键，其混气性能决定了配制的混合气体的准确性与稳定性，图1中一级混合器和二级混合器使用的管式混合器内置挡板17块，流体在行进过程中，被单元分割的次数成幂级数的增加，便形成217次切割、剪切、旋转和重新混合，可以达到流体之间良好分散和充分混合的目的.

如果一级配气稀释比和总流量设置不合理，则会影响最终的配气结果.为此本文通过采用两级配气系统对高纯SF6气体和空气设定不同的稀释比(设定输出流量为2 000mL/min)进行性能试验，确定最终质量流量控制器的量程范围和最佳稀释比，计算结果见表1.

表1两级配气时SF6和空气的稀释比

浓度/μL·L-1配比1%配比2%前级配气后级配气前级配气后级配气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

根据表1的配气计算，从不同浓度的SF6气体所用SF6气体和空气的用量来看，选定量程为10SCCM的SF6一级质量流量控制器和量程为50SCCM的空气一级质量流量控制器，量程为300SCCM的SF6二级质量流量控制器和量程为3SLPM的空气二级质量流量控制器，满足设计要求，且配气精度较高.

为了保证两级配气结果的可靠性，需要根据目标SF6气体的浓度和一级配气的稀释比选择最佳一级配气SF6混合气体的浓度，经过大量的试验研究，得出的经验值见表2.

4性能试验

样品气体为高纯的SF6标准气体，稀释气体为纯净空气，配置SF6标准气体的浓度从100μL/L到2000μL/L.利用SF6色谱仪进行实际浓度的检测，检测重复6次，去掉异常峰后求平均得出SF6实际浓度，观察设定浓度与实际浓度值相对误差，测定结果见表3.

表2一级配气SF6气体浓度的经验值

目标浓度/μL·L-1稀释比/%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准确度测定结果

设定浓度/μL·L-1实际浓度/μL·L-1误差/%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

从测量结果上看，当稀释比大于1∶2 500时流量控制精度略差，稀释比小于1∶2 000时流量控制精度小于0.7%,有明显提高，重复性<0.5%，满足气体标准物质分析测量的要求.

5结束语

本文采用高精度的质量流量控制器,配备内置17块挡板的螺旋气体混合管路,可实现一级、二级气体配置.其中一级配气稀释比可到200∶1，二级配气稀释比可到40 000∶1.相对于SF6色谱仪，该动态配气系统具有稀释比大、稳定性好、精确度高、分析速度快等特点，在日常标准气

体的分析对比中节约了大量气体标准物质，缩短了工作人员的对比时间.经过现场分析对比，直接采用高纯度气体进行动态配气，免除了携带大量标准气体带来的麻烦.本技术也适用于标准气体用量较大、配气时间要求较长或者组分气体分子量差别大的工况.因此，本方法在气体分析领域中值得推广，具有良好的应用前景.

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(编辑：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

作者简介：曲宝军，男，qubaojun@sdut.edu.cn

文章编号：1672-6197(2016)05-0029-03

中图分类号：TP23

文献标志码：A