CN102961986A

CN102961986A - 一种基于质量流量的气体浓度配比装置

Info

Publication number: CN102961986A
Application number: CN2011102555928A
Authority: CN
Inventors: 宋建辉; 于鹏
Original assignee: Shenyang Ligong University
Current assignee: Shenyang Ligong University
Priority date: 2011-09-01
Filing date: 2011-09-01
Publication date: 2013-03-13

Abstract

一种基于质量流量的气体浓度配比装置包括控制单元、A/D转换器、D/A转换器、质量流量控制器、人机界面、触摸屏接口、气源。人机界面通过触摸屏接口与控制单元相连接，控制单元通过A/D转换器采集质量流量计输出的模拟量信号，控制单元将设定好的数值指令通过D/A转换器发送到质量流量计，将气源中的气体送入质量流量控制器，形成混合气体。本发明具有气体配比精度高、重复性好等优点。

Description

一种基于质量流量的气体浓度配比装置

技术领域

本发明涉及一种基于质量流量的气体浓度配比装置，具体的是采用质量流量来控制混合气体的浓度比。

背景技术

在工业生产过程中，常常需要相互不反应的两种或两种以上的物料保持一定的比例关系，一般的做法是控制两种物料的流量。传统的气体配比采用针孔调节和电位器调节等方法来产生标准气体，即控制气体的体积流量，一般的做法只是使用两个浮子式流量计来人为的调节流量，这样不能在生产过程中实现自动控制的目的，而且随着气源气压的改变，气体的流量随之而改变。在一些对气体浓度要求较严格的限制场合，需要使用精确的浓度配比，这就需要采用一种更加精确的手段来控制物料的浓度，因此必须采用更加精确的检测手段和控制手段。

传统的容积式流量计测量流体时，由于流体容积大小受其温度、压力等参数的影响，当被测流体的温度、压力变化时，需要把所测量的容积流量换算成标准状态或某一约定状态下的相应值，但事实上当温度、压力频繁变动时，进行及时的换算是很困难的，有时几乎是不可能的。因此要提高配比的精度最好直接将流量换算成最终需要表示的质量，这样就需要用采用质量流量计来测量流体的质量流量。质量流量计分为间接式和直接式两种，间接式由于和流体的体积有一定的函数关系，所以也受到温度和压力的影响。直接式质量流量计的优点在于最后代表质量流量的输出信号与被测介质的压力、温度等参数无关，解决了当介质参数变化范围很大，其密度和温度、压力之间的关系不能看成线性，而采用温度、压力自动补偿方式又很困难和繁琐的问题。所以采用直接式质量流量计配比气体能获得比使用容积式流量计更高的精度。

发明内容

为了克服体积式流量计及间接式流量计易受温度和压力等影响的不足，本发明提出了一种基于质量流量的气体浓度配比装置，该气体浓度配比装置不受温度和压力等参数的影响，可以获得比实用容积式流量计更高的精度。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于质量流量的气体浓度配比装置包括控制单元、A/D转换器、D/A转换器、质量流量控制器、人机界面、触摸屏接口、气源，人机界面通过触摸屏接口与控制单元相连接，控制单元通过A/D转换器采集质量流量控制器输出的模拟量信号，控制单元将设定好的数值指令通过D/A转换器发送到质量流量控制器，气源经管路连接质量流量控制器，形成混合气体；

上述质量流量控制器包括减压阀，质量流量计，混气室。气源通过气路经减压阀与质量流量计相连通，并在混气室内予以混合。

控制单元通过A/D转换器采集质量流量计输出的模拟量信号，将采集的模拟量信号和D/A转换器输出的信号进行比较，形成一个闭环控制。

上述控制单元使用MCS51单片机作为控制器。

上述A/D转换器采用MCP3204 A/D芯片来计量输入的模拟量。

上述D/A转换器采用TLC5638 D/A芯片将要输出的气体流量值变换成标准电压信号。

上述人机界面使用触摸屏作为显示和输入。

上述气源采用两种不相互反应的N2和CO2气体作为配比气体。

本发明的工作原理及操作程序：

本设计使用热法直接式质量流量计来测量流量。利用质量流量计来配比气体的浓度就是利用了质量流量计的毛细管温差量热原理。即使热敏电阻阻值产生不同改变，测量电桥输出一个差值信号，此信号的大小与流过传感器的质量流量成正比。来控制质量流量计的开度进而控制流过质量流量计的气体的流量，从而达到控制混合混合气体的浓度的目的。

控制系统的控制过程如下，由气源流出的气体经过减压阀（气压在1MPa以内）后，经过电磁阀开关后进入质量流量计。在单片机中将要输出的气体流量值计算好，然后将计算的结果离散化，最后通过D/A转换器变换成标准电压信号后送给质量流量计，质量流量计根据单片机传送过来的电压信号的大小来控制阀门的开度，进而控制流过质量流量计的流量，然后根据气体的流量的不同来决定进入混气室气体的流量，达到两种气体浓度配比的目的。因为在A/D和D/A变换的时候有量化误差的存在，所以这里选用高分辨率的D/A和A/D器件，来减小量化误差。A/D采样后的数据使用了加权滤波来提高数据的有效性。在D/A输出时使用PID控制算法提高控制精度。由于使用的检测元件和气阀的开度等不是随着浓度的变化而成线性关系，为了提高配比气体的精度对气体的浓度用直线逼近进行分段线性化，这样就保证了在配比气体时所有浓度都有很高的精度。在软件中，使用线性插值法，将配比浓度的曲线分段用直线逼近，在存储器中建立各直线参数表格，由配比设置的计算来选择直线段，通过插值计算获得相应测量值，然后使用每一段所对应的值进行实际的配比。

操作步骤：

流量的检测和控制由质量流量计的模拟量输出口经过A/D和D/A转换和控制单片机MCS51连接。通过触摸屏中设定的按键设定好配比的浓度后将浓度值送给单片机MCS51，单片机将设定好的浓度值变换为二进制数送给TLC5638 D/A芯片，D/A变换后将相应的浓度值变换成标准的模拟量信号输出到质量流量计MFC，质量流量计MFC通过接收到模拟量信号来控制阀的开度，控制气体的流量；单片机通过A/D芯片采集质量流量计输出的模拟量信号，将采集的模拟量信号和单片机输出的信号进行比较，形成一个闭环控制，提高控制的精度。

本发明的有效收益是：使用该配比装置配比气体具有配比精度高、重复性好等优点。此外，该装置结构简单，操作方便，在实时性等方面都能满足精密配比的要求。适合如微电子加工、精密分析、特种焊接、材料净化等工业生产中的应用。可以作为气体浓度的标准仪器。

附图说明：

图1为本发明系统结构示意图。

图2为气体混合模块示意图。

图3为数据采集模块示意图。

图4为控制输出模块示意图。

具体实施方式：

一种基于质量流量的气体浓度配比装置，包括控制单元3、A/D转换器4、D/A转换器5、质量流量控制器6、人机界面1、触摸屏接口2、气源7。如图1所示，人机界面1通过触摸屏接口2与控制单元3相连接，控制单元3通过A/D转换器4采集质量流量控制器6输出的模拟量信号，控制单元3将设定好的数值指令通过D/A转换器5发送到质量流量控制器6，气源7由两种不相互反应的N2和CO2气体构成，气源7经管路与质量流量控制器6相连通。

质量流量控制器6，包括两个减压阀8，质量流量计9，混气室10。如图2所示，气源流7出的气体经过减压阀8后，进入质量流量计9，质量流量计9根据D/A转换器5的值设定气阀的开度来达到控制气体流量的目的，气体进入混气室10，得到配比的气体浓度。控制单元3通过A/D转换器4采集质量流量计9输出的模拟量信号，将采集的模拟量信号和D/A转换器5输出的信号进行比较，形成一个闭环控制，提高控制的精度。

Claims

1.一种基于质量流量的气体浓度配比装置，包括控制单元、A/D转换器、D/A转换器、质量流量控制器、人机界面、触摸屏接口、气源，其特征在于所述的人机界面通过触摸屏接口与控制单元相连接，控制单元通过A/D转换器采集质量流量计输出的模拟量信号，并将采集的模拟量信号和D/A转换器输出的信号进行比较，形成一个闭环控制，气源经管路连接质量流量控制器，形成混合气体。

2.根据权利要求1所述的一种基于质量流量的气体浓度配比装置，其特征在于所述的质量流量控制器，包括减压阀，质量流量计，混气室，气源通过气路经减压阀与质量流量计相连通，并在混气室内予以混合。

3.根据权利要求1所述的一种基于质量流量的气体浓度配比装置，其特征在于所述的控制单元使用MCS51单片机作为控制器。

4.根据权利要求1所述的一种基于质量流量的气体浓度配比装置，其特征在于所述的A/D转换器采用MCP3204 A/D芯片来计量输入的模拟量。

5.根据权利要求1所述的一种基于质量流量的气体浓度配比装置，其特征在于所述的D/A转换器采用TLC5638 D/A芯片将要输出的气体流量值变换成标准电压信号。

6.根据权利要求1所述的一种基于质量流量的气体浓度配比装置，其特征在于所述的人机界面使用触摸屏作为显示和输入。

7.根据权利要求1所述的一种基于质量流量的气体浓度配比装置，其特征在于所述的气源采用两种不相互反应的N2和CO2气体作为配比气体。