基于质量流量控制器的智能配气仪及多态配气平台设计开发

福建亿榕信息技术有限公司 江信海

针对气体组分浓度分析装置及相关产品对不同气体浓度的大量需求，本文设计开发智能气体配气仪及多态配气平台（以下简称平台），该平台采用上下位机组成方式，上位机完成多态组分浓度及相关配置，下位机输出相应组分浓度，由于使用质量流量控制器作为配气部件，所以不受压力及温度影响，输出浓度稳定，精度高。

1.概述

在气体分析仪器领域，标准气体是标定和校准气体分析仪器测量结果的重要手段，由于传感器非线性及受温度影响等因素，在对仪器进行标定或校准时，需要多组不同组分、不同浓度的气体，所需的单组份浓度及混合气体的标准气体量不大，但又必须为标定点配备相应浓度的标准气体。如果为每个标定点购买专业厂家生产的标准气体，不但成本高，不经济，而且还造成很大的浪费。

依上需求，本文研制用于气体分析仪领域的智能多态配气设备及平台，通过平台配置组份及浓度，并结合配气仪特性，输出浓度连续可调的单组及多组份气体，具备智能检测、自动配气、多态输出、不受温度及压力影响、小巧便携等诸多优点，本平台可以实现五通道四组份气体同时配置。

2.配气仪工作原理

配气仪主要模块是质量流量控制器，配气原理是依据不同气体组份质量比例混合配比出需要的浓度，通过质量流量控制器可以控制各组份气体百分比，如下图1气路所示，由于使用质量流量控制器控制质量流量而非体积流量，所以配比输出浓度不受温度及压力影响，精度高。

通常在配比过程中需要使用稀释气体如N2或SF6，而MFC出厂标定一般使用N2，所以在配比混合气体过程中需要计算各混合气体转换系数及使用单组份气体转换系数，具体可参见各厂商MFC产品使用说明书。在计算各组份气体时，一般先计算被稀释气体流量，最后剩余流量即为稀释气体流量。混合器中各组份流量计算公式：Gi=F*Mi/fi，其中F为输出混合气总流量，Mi为对应目标浓度， fi为被稀释气体浓度，i=1,2,3等。

图1 气路图

3.平台构成

3.1 平台整体架构-上下位机结构

平台整体架构由上下位组成，如图2所示上位机可以使用PC机、笔记本电脑、平板电脑等，用于编辑测试方案及设置相关参数，并通过网口或WIFI方式下发到下位机，下位机是一台智能配气仪，依据上位机测试方案或者本机已有的存储方案，输出对应的混合气体浓度。

图2 平台架构

3.2 上位机功能简介

图3 平台主界面

上图3为上位机主界面。

说明：scheme有自动与手动两种选择，在这里可以下拉选择manul（手动）与Auto（自动）：

1）手动模式下，填写上面的表格，点击start，可以控制配气仪的手动配气。

2）自动模式下，可以读取配气仪里面的方案，拉选指定方案名称，点击start

底部两个框用于自动校验气体分析仪，这个功能有待进一步开发。

3.3 智能配气仪硬件原理设计

智能配气仪硬件包括控制主板、人机交互显示模块、MFC等，如下图4所示,主板包括ARM模块、网络通信接口、WIFI模块、USB接口、串口、继电器模块、电源模块、AD及DA芯片等。

ARM模块采用基于S3C2410嵌入式微处理器作为核心控制单元，是整个主板核心部件，与板上几乎所有模块均有数据交互；网口及WIFI模块用于与上位机通讯，USB用于设备升级及外扩设备如键鼠等，串口用于调试及一些串口设备如步进电机等，继电器则用于控制MFC，人机交互采用7寸电容触摸屏作为人机交互界面，使用高精度24位AD及16位DA芯片来设置MFC输出流量及采集流量。

图4 硬件框图

质量流量控制器采用北京七星华创D07系列，其工作原理如下：

流量传感器采用毛细管传热温差量热法原理测量气体的质量流量(无需温度压力补偿)。将传感器加热电桥测得的流量信号送入放大器放大, 放大后的流量检测电压与设定电压进行比较, 再将差值信号放大后去控制调节阀门，闭环控制流过通道的流量，使之与设定的流量相等，分流器决定主通道的流量。

控制器输出的流量检测电压与流过通道的质量流量成正比，满量程(F.S.)流量检测输出电压为+5V。质量流量控制器的流量控制范围是(2～100)%F.S.，流量分辨率是0.1%F.S.。

图5 质量流量控制器原理

3.4 智能配气仪软件流程

智能自动配气仪系统软件是基于ARM平台在linux环境下使用C++QT库开发。系统采用分层式开发，底层驱动负责ARM硬件调度，linux系统作为中间层，应用层由QT库开发的可视化操作界面，应用软件采用独立化功能设计，主要包括初始化、系统参数设置、预热调零、数据采集、外围电路控制、数据存储等功能，实现了低人工干预的自动配气。主要完成三大功能：1）界面操作包括方案编辑及选择；2）MFC数据处理及控制；3）与上位机进行数据交互。

图6 软件流程图

4.试验方法及数据

开机预热10-30分钟后，等待实际流量数据显示为0即可开始试验，上位机编辑方案后，下载到下位机，下位机点击开始按钮即可开始全自动配气。现以测试150PPm为例说明，标准气为CO浓度994.1PPm。

1）上位编辑方案

图7

2）下位机对应界面

图8

3）CO测试数据

表1

由上表1测试数据得出，满足第三方对于CO误差5%的精度要求。

5.平台特性

本文通过质量流量控制器实现了五通道配气平台，同时可实现四种组份气体配气，并将配置结果实时显示在七寸液晶屏上。

本平台五通道(A、B、C、D、E) MFC流量范围分别为：2000mL/min，1000mL/min，500mL/min，500mL/min，200mL/min，A通道一般作为稀释气体通道用，其它通道均可输入被稀释气体即标准气。与其它配气仪或系统相比，本平台具有如下特点：1）上位机结构，操作灵活简便；2）测试方案可编辑易更改；3）配气仪存储多种测试方案，无需重新编辑方案；4）可扩展性强，可定制多种组份气体通道；5）7寸800×480分辨率的液晶触屏，操作简单，使用方便；6）嵌入式高速微处理器控制。

6.结语

本平台采用上下机方式，实现了既定开发设计功能，输出精度高，满足行业对气体分析仪测试校验要求，可应用于气体分析仪厂商、环境测试校验等，该平台输出的配气浓度不受温度及压力影响，后期有待开发事项包括添加步进电机及流量计对流量进行自动调节，无需人工干预，使设备更加自动化、实用化。