CN101881761A - 湿度可调高精度闭环配气系统 - Google Patents
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Abstract
本发明设计了一种湿度可调的高精度闭环程控配气系统。该系统配气过程实现闭环控制，湿度调节实现闭环控制。系统主要由混合气配制、浓度监测和传感器数据采集及上位机监控四部分组成。混合气配制部分由气源、管道、质量流量控制器、恒温箱、加湿单元、混合腔及减压阀等组成。浓度监测单元由四级杆质谱仪和专用的模数转换卡及串口连接线等组成。传感器数据采集部分由多路数据采集器和多路电枢转换器及USB连接线等组成。上位机监控部分主要对温湿度、浓度监测单元和传感器数据采集单元的数据进行设置和时时处理，最后发送指令，控制整个系统的工作。该系统可以连续配制一种或者多种标准浓度气体，配制的气体成本低、精度高。
Description
技术领域
本发明属于气体传感器测试技术领域，涉及一个闭环自动配气系统，特别是涉及一个用于气体传感器动态测试的温湿度可调的闭环自动配气系统。
技术背景
为了保证气体传感器的测试精度，气体传感器通常需要三个月标定一次。气体传感器的标定目前采用的方式主要是静态注射法。该方法是利用注射器向密闭容器中注入一定量的液体，利用液体挥发与气体之间的关系计算出挥发后的气体占整个容器的体积来计算容器中的气体体积百分比。静态注射法标定过程中主观因素影响整个标定过程的精度的因素有很多，比如注射器的大小和精度以及密闭容器体积的大小、密闭性等。由于使用密闭容器只能对某种气体浓度进行单一的配制，所以对于连续配制不同浓度，即在一个标定周期对传感器进行连续不同浓度气体的标定是不可能的。如果要对多个点进行标定，则需要购买具有资质的化学工厂的标准气体，而每瓶这种标准气体都是十分昂贵的。
目前有专利已经在力求减少主观因素影响方面做了设计，如专利：气体传感器标定系统，申请号/专利号：01820408；一种气敏传感器标定和可靠性测试系统，申请号/专利号：200710063698。但他们主要是对测试系统进行改进，着重是对测试腔体进行改进。而对于配制过程没有进行有效的监督，整个配制过程没有形成闭环控制。
发明内容
为了解决上述技术存在的不足，使气体传感器的测试更精确和经济，本发明提供了一个湿度可调高精度闭环配气系统。该系统对来自四级杆质谱仪的数据和多路数据采集卡的数据进行实时最小二乘法处理，处理后的数据控制质量流量控制器的输出，从而达到输出不同浓度气体的目的。
本发明解决技术问题采用的技术方案是：
整个系统分为四个部分：混合气配制部分、浓度监测部分、传感器数据采集部分和上位机监控部分。
第一部分，混合气配制部分。该部分由气源、管道、质量流量控制器、气体混合腔和减压阀等组成。来自气源的标准气体经过减压阀通过管道由质量流量控制器来控制流量输出。来自气源的多路标准气体经过公共管道通过上位机程序选择是否通过加湿装置。如果需要加湿，根据测试气体种类选择进入不同材质的气体混合腔，否则直接进入气体混合腔。普通气体进入360L不锈钢材质的气体混合腔，氯气等具有腐蚀性的气体则进入聚四氟乙烯材质的气体混合腔。保持气体混合腔恒温，所有气源和质量流量控制器需要放置在通风橱中。
第二部分，传感器数据采集部分。该部分主要由传感器阵列、多路数据采集器及多路电枢转换器等组成。配制好的混合气进入气体混合腔，待测气体传感器阵列以及监测气体温湿度的传感器均安放在气体混合腔中。各传感器的输出信号采用多路数据采集器配合多路电枢转换器进行时时采集，数据时时进行存储和分析。
第三部分，浓度监测部分。该部分由四级杆质谱仪、专用模数转化卡、串口等组成。四级杆质谱仪实时跟踪监测气体混合腔中气体浓度，采集到的数据经过专用模数转换卡输入到上位机。
第四部分，上位机监测部分；该部分包括PC计算机、数模转换卡等；首先对系统进行自检，主要是对系统硬件进行监测，如传感器、质量流量控制器和四级杆质谱仪等；在自检通过后，对整个监控部分进行数据初始化，包括对温湿度进行设置，采样过程、采样频率和采样周期，配制过程中浓度的设置等；初始化后，程序进入正常的工作状态：该部分对加湿单元的湿度和气体混合腔恒温所需温度进行指令控制操作；在达到设定的周期数前，第一次采样时系统按照设定的初始化值进行质量流量控制器电压设置，然后上位机对来自数据采集部分和浓度监测部分上传的实时数据进行线性最小二乘法处理，处理后的数据作为下个采样频率MFC的电压设置值。处理后的数据通过数模转化卡控制质量流量控制器的输出。
本发明的有益效果是：测试系统可连续配置不同浓度范围的单一/混合标准气，针对不同性质气体，可以选择不同的气体混合腔；由于测试系统将四级杆质谱仪的数据作为参考依据，利用线性最小二乘法与数据采集器采集的数据进行时时比较，比较后的数据作为质量流量控制器的参数设置；同时在湿度控制上采用闭环控制。整个配气过程实现了真正的自动配气，从而大大减少了人为因素的影响，提高了配气的精度，节省了配气成本。
附图说明
图1是本发明系统组成框图。
图2是本发明加湿单元结构示意图。
图3是本发明的上位机监控部分软件流程图。
具体实施方法
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施例。
本发明系统的硬件组成及相应的操作流程，如图1所示。
气源中有标准气体一瓶或者多瓶，稀释气一瓶，通常稀释气为空气或者氮气。气源中的气体经过各自的减压阀减压输出后，经过管路连接到各自的质量流量控制器上。质量流量控制器(Mass Flow Control，MFC)可以采用S97-31系列，该MFC要求输入、输出端的气压差在2个大气压左右，因此标准气瓶减压阀处的气压调至约0.2MPa。质量流量控制器根据上位机软件的设置值开启内部电动阀的大小，保证通过的气体流量。质量流量控制器输出端管路处设有单向阀，保证气体不回流。
若气体配制需要在指定的温、湿度下进行，则整个气体测试腔可以放置在恒温箱中进行温度控制。而气体在进入气体混合腔之前则需要进入加湿单元。加湿单元的结构示意图如图2所示。来自公共管道11的气体通过单向阀12进入加湿罐14，加湿后的气体与未加湿的气体进行混合，利用湿度传感器19来检测湿度。通过调整电动阀17的开启位置调整干气11、湿气16的进气比例达到控湿的目的。加湿罐的外侧包有加热带15，控制加湿罐的温度，增加气体的湿度。最后，混合好的气体通过管道18进入气体混合腔。
根据配制气体性质不同，气体混合腔材质分为两类：一类用于普通气体的测试，如甲烷、丙烷等，采用360L不锈钢；另一类具有腐蚀性的气体，如氯气、氨气等，采用聚四氟乙烯材质。
传感器阵列的数据信号采用多路数据采集器Agilent 34980A配合多路电枢转换器Agilent 34921T进行时时采集，可实现多达40路传感器信号的同时采集。数据经过USB端口送入上位机软件进行存储和分析。
浓度监测部分的信号可采用四级杆质谱仪英国Hiden公司的HPR-20全自动定量分析在线质谱仪进行实时采集。该部分实时跟踪监测气体混合腔中气体浓度，该仪器是独立的，具有自己的测试程序。若采用上述的四级杆质谱仪则需要一个专门的模数转换卡采用英国Hiden公司的模拟信号输出卡304904。将质谱仪的数据输入到上位机。
上位机监控部分软件流程图如图3所示。系统自检部分主要是对系统硬件进行监测，如传感器、质量流量控制器和四级杆质谱仪等；在自检通过后，需要对整个监控部分进行数据初始化，包括对温湿度进行设置，采样过程采样频率和采样周期，配制过程中浓度的设置等；初始化后，程序进入正常的工作状态：在达到设定的周期数前，系统按照设定的初始值进行MFC电压设置，上位机对来自数据采集部分和浓度监测部分上传的实时数据进行线性最小二乘法处理，处理后的数据作为下个采样频率质量流量控制器的电压设置值，处理后的数据通过数模转化卡控制质量流量控制器的输出。
Claims (4)
1.一种湿度可调高精度闭环配气系统，其特征在于，整个系统分为四个部分：混合气配制部分、浓度监测部分、传感器数据采集部分和上位机监控部分；
第一部分，混合气配制部分；该部分由气源、管道、质量流量控制器和气体混合腔及辅助器件组成；来自气源的标准气体经过减压阀通过管道由质量流量控制器来控制流量输出；然后来自气源的多路标准气体经过公共管道通过上位机程序选择是否通过加湿装置；加湿后或者未加湿的标准气体根据气体种类选择进入不同材质的气体混合腔；保持气体混合腔恒温；
第二部分，传感器数据采集部分；该部分包括传感器阵列、多路数据采集器及多路电枢转换器；配制好的混合气进入气体混合腔，待测气体传感器阵列以及监测气体温湿度的传感器均安放在气体混合腔中；各传感器的输出信号采用多路数据采集器配合电枢多路转换器进行实时采集；数据时时进行存储和分析；
第三部分，浓度监测部分；该部分由四级杆质谱仪、专用模数转化卡、串口及相应的导线组成；四级杆质谱仪实时跟踪监测气体混合腔中气体浓度，采集到的数据经过一个专门的模数转换卡输入到上位机；
第四部分，上位机监测部分；该部分包括PC计算机、数模转换卡；首先对系统进行自检，主要是对系统硬件进行监测，包括传感器、质量流量控制器和四级杆质谱仪；在自检通过后，对整个监控部分进行数据初始化，包括对温湿度进行设置，采样过程、采样频率和采样周期，配制过程中浓度的设置；初始化后，程序进入正常的工作状态：该部分对加湿单元的湿度和气体混合腔恒温所需温度进行指令控制操作；在达到设定的周期数前，第一次采样时系统按照设定的初始化值进行质量流量控制器电压设置，然后上位机对来自数据采集部分和浓度监测部分上传的实时数据进行线性最小二乘法处理；处理后的数据作为下个采样频率质量流量控制器的电压设置值；处理后的数据通过数模转化卡控制质量流量控制器的输出。
2.如权利要求1所述的闭环自动配气系统，其特征还在于混合气体配制部分湿度控制为闭环；对于混合气配制部分还包括：气体进入气体混合腔之前，可以根据上位机指令选择是否通过加湿单元；来自公共管道(11)的气体通过单向阀(12)进入加湿罐(14)，加湿后的气体与未加湿的气体进行混合，利用湿度传感器(19)来检测湿度；通过调整电动阀(17)的开启位置调整干气(11)、湿气(16)进气比例达到控湿的目的；加湿罐的外侧包有加热带(15)，控制加湿罐的温度，增加气体的湿度；最后，混合好的气体通过管道(18)进入气体混合腔。
3.如权利要求1所述的闭环自动配气系统，其特征还在于：对于混合气配制部分，普通气体进入360L不锈钢材质的测试腔，具有腐蚀性的气体进入聚四氟乙烯材质的测试腔。
4.如权利要求1所述的闭环自动配气系统，其特征还在于：对于混合气配制部分还包括：整个气源和质量流量控制器放置在通风橱中。
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