新型智能气体混合配比装置的开发与研究

林喆++于鹏

摘要：针对气体配比过程中因气体压力或温度波动而造成的配比精度不高和稳定性差等问题，将质量流量控制器应用于气体混合配比装置中，对毛细管传热温差量热法原理和气体配比通路结构进行了研究，建立了完整的智能气体混合配比控制系统，提出了一种基于质量流量控制方法的智能气体动态混合配比方法，并完成了装置的电路和结构设计，该装置具有精度高、稳定性好、响应迅速和实用性强等特点。

关键词：气体 质量流量 配比

中图分类号：TP216 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）01-0000-00

随着科技水平和生产工艺的不断提高，在工业生产、医疗卫生和食品加工等领域均需对多种组分的气体进行高精度配比以满足生产要求，此外，在空气质量检测和气体计量过程中也需要使用固定组分的气体作为标准气体。本文通过分析质量流量动态气体配比的原理和方法，给出了其硬件实现的系统方案，所述的新型智能气体混合配比装置以质量流量控制器作为气体流量控制单元，减小了传统配比方法中节流元件对其精度造成的影响。

1 配比装置的设计原理

质量流量控制法通过毛细管传热温差传热法以气体的质量作为主要测量依据进而完成对配比气体检测与控制。

首先在气体主通道一侧设置管径较细的毛细管作为气体测量通道，并在该通道的气体流经路径两端分别缠绕性能、参数相同的两组热敏电阻线圈构成测量电桥。测量开始时，首先对两组线圈通电加热，当没有气体流经时，两组线圈温度相同，因此，电阻值相同，电桥保持平衡，此时，输出端无电压输出；当有气体流过时，前端线圈所产生的热量将通过气体流通被传递至末端线圈，末端线圈因电阻值发生变化致使电桥失衡而输出电压 ，该电压与气体所传递的热量成正比，根据其值可得二者的温度差为：

设当单位质量的气体温度每变化一度的热容量为 ，此时流经测量通道的气体质量和温度变化的关系为：

经变换可得输出电压与气体质量之间的关系为：

由于固定气体的热容量 恒定，因此，可以通过对输出电压的测量得到气体测量通道中流经的气体质量。

由克努曾公式可知，某管道单位时间内流经的气体质量流量为：

其中， —气体通道两端压力差， —通道直径， —通道长度， —气体密度；

设测量通道和主通道内流经的气体质量流量分别为 和 ，经过变化可得：

式中， 、 、 、 和 可知，因此，可通过对测量电桥的输出电压的测量得到主管道内所流经气体的质量流量，并不需要测量流体的密度、容积、温度、压力等参数，以上就是本配比仪设计的理论依据。

2 气体配比通路的设计原理

本装置采用质量流量控制方法配比气体，该方法使用质量流量控制器，根据毛细管温差量热原理，通过测量通道和主通道内的气体流量比例关系调整质量流量控制器中的阀门开度，进而控制流过气体的流量，达到控制混合气体浓度的目的。

3 配比装置控制系统结构设计

智能气体混合配比装置的控制系统结构以SyncMOS8958单片机作为系统的主要控制单元，并采用触摸屏对气体配比过程进行实时显示和控制，通过触摸屏设定输出气体浓度值后，该信号首先由单片机转换成气体流量值，再经D/A模块转换成控制电压信号并通过质量流量控制器完成对气体配比过程的自动控制，在此过程中，配比气体的质量流量也将通过A/D模块转换成0-5V电压信号进行采集，并在触摸屏上显示当前气体配比情况。

4 装置配比精度测试实验结果

为了检定本装置的配比精度，气体配比测试实验以0.2MPa的CO2（浓度为5.07%）和0.5MPa的高纯氮（稀释气，CO2浓度为0%）作为样品气体进行混合配比，部分实验结果如表1所示：

表1 气体配比实验测试数据

设定浓度（ppm） 当前浓度（ppm） CO2测试

（25℃） 总流量

（ml） 500流量

（ml） 2000流量

（ml） 试验温度

（℃）

测试一 2000 1994 1997 1000 39.45 960.55 16

测试二 4000 3999 3980 1000 78.9 921.1 13.7

测试三 6000 6004 不能测出 1000 118.34 881.66 14

测试四 5000 4998 4965 2000 197.24 1802.76 15

测试五 3000 2998 2978 2000 118.34 1881.66 15.3

测试六 4000 3998 3963 2000 157.79 1842.21 16.5

测试七 5000 5002 5045 2000 197.24 1802.76 16.5

测试八 4000 4001 4035 2000 157.79 1842.21 16.5

通过实验数据分析，本配比装置的最大误差出现在设定浓度为5000ppm，而标准浓度为5045ppm时，其配比精度为：（5045-5000）/5000=0.2%，能够满足目前工业气体混合配比要求。

5 结论与分析

经理论分析和实验证明，新型智能气体混合配比装置具有精度高、稳定性好和响应迅速等特点。装置采用先进的质量流量控制技术，消除了温度和压力对配比精度的影响，通过闭环流量控制方法提高了气体流量控制的精度，并能够进行气体动态配比，完全可以满足气体配比的各项要求，为工业生产中气体的自动化混合配比提供了一种理想的解决方案。

收稿日期：2015-01-11

作者简介：林喆（1983—），男，辽宁沈阳人，工学硕士，讲师，研究方向：检测技术与自动化装置；于鹏（1979—），男，辽宁沈阳人，工学硕士，工程师，研究方向：智能控制仪器。