CN107583477A - 一种八通道六氟化硫动态配气方法及系统 - Google Patents
一种八通道六氟化硫动态配气方法及系统 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开了一种八通道六氟化硫动态配气方法，它包括：配制单组分标准气，计算原料气和稀释气的流量比；混合多组分标准气，计算多组分中各组分的原料气流量和稀释气流量的流量比；计算混合标准气中各组分气体的实际浓度值。本发明还公开了一种八通道六氟化硫动态配气系统，它包括有：时钟模块与主控MCU模块连接；数据存储模块与主控MCU模块连接；电源模块与电源模块连接；数据显示模块与主控MCU模块连接；串口通信模块与主控MCU模块连接。本发明取得的有益效果是：能方便、快捷、准确地操作触摸屏配制标准气体，又能根据被检仪器或分析方法所需要的流量，配气系统将配制出的标准气体进行流量控制和分流，精度高、稳定性好、线性佳。
Description
技术领域
本发明涉及六氟化硫分解产物检测技术领域，特别是一种八通道六氟化硫动态配气方法及系统。
背景技术
六氟化硫气体中的分解产物是以多种产物、多种浓度混合的形式存在的，在分析时会产生相互的影响甚至干扰。直接对单一浓度的标准物质采样分析无法满足这种复杂的情况，因此，建立多通道的动态配气系统才能满足校准和检测的需要。
六氟化硫气体中分解产物的分析是目前国内六氟化硫电气设备监督的热点研究项目，但准确地对各种分解产物进行定量检测是目前的一项难题，要解决这一难题，首先要解决相关分析仪器的校准问题。
目前国内常用的配气系统最多为4通道(包括稀释气通道)，稀释气体为高纯氮或空气，针对多通道、稀释气体为六氟化硫的专用配气系统仍属空白，而实际工作中常规分析六氟化硫分解产物多达8种，常用配气系统已经无法满足使用需求。
常用的六氟化硫配气方法的设备简单、操作繁琐。但是由于容器与包装气体之间会发生物理吸附和化学反应等器壁反应，对某些活泼性气体难以稳定地保存量值。在配制低浓度标准气时，常引起较大的误差，而且配制的含量范围也受到一定限制。六氟化硫气体中的分解产物容易受到环境中的氧和水分的影响，同时部分分解产物易被管线吸附，造成校准结果的误差。
有鉴于上述缺陷，本发明提出一种八通道六氟化硫动态配气方法及系统，将致力于解决这些问题。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明的目的就是提供一种八通道六氟化硫动态配气方法及系统，既能方便、快捷、准确地操作触摸屏配制标准气体，又能根据被检仪器或分析方法所需要的流量，配气系统将配制出的标准气体进行流量控制和分流，相当于在配气装置中增加了流量控制器设备功能，精度高、稳定性好、线性佳。
本发明的目的之一是通过这样的技术方案实现的，一种八通道六氟化硫动态配气方法，它包括有：所述方法步骤如下：
S1：配制单组分标准气，计算原料气和稀释气的流量比；
S2：混合多组分标准气，计算多组分中各组分的原料气流量和稀释气流量的流量比；
S3：计算混合标准气中各组分气体的实际浓度值。
进一步，步骤S1中配制单组份标准气的具体流程如下：
以高纯氮气N2作为稀释气，使用浓度为s的原料气G，配制浓度为c的标准气体，则稀释比
计算可得到原料气G和稀释气N2的流量比fG:fN2应为：
进一步，步骤S2中混合多组分标准气的具体流程如下：
配制多组分标准气时，原料气G1…Gk的浓度分别为s1…sk，需要配制各组分浓度分别为c1…ck；
混合标准气时，则组分气体Gi的稀释比其中i:1…k；由式(1)导出计算，可求得各组分原料气的流量和稀释气N2流量的流量比为：
进一步，步骤S3中计算混合标准气中各组分气体的实际浓度值如下：
当配气时不使用稀释气N2，即流量即只由k种原料气按一定比例混合而制得混合标准气，此时各组分气体的稀释比m1…mk必定满足的关系，其中i:1…k；同样地，各组分原料气之间的流量比应为：
根据以上流量比，通过质量流量控制器设定各组分原料气和稀释气的流量，即可精确地动态配制得到满足要求的多组分混合标准气；
当从流量控制器测量得到浓度为si的原料气Gi的实际流量为所有组分气体和N2通道的总流量为F；则混合标准气中该组分气体的实际浓度值Ci的计算公式为：
其中：i:1…k。
进一步，所述方法还包括有流量控制器的读数修正，所述流量控制器的修正过程如下：
单组分气体的质量流量转换系数的计算公式为：
C＝0.3106N/(ρ×CP) (5)
式中：ρ为气体在标准状态下的密度；CP为气体的定压比热；N为气体分子构成系数；C为该气体的质量流量转换系数；
对于单组分气体，当其分子由单原子、双原子、三原子与多原子构成时，它的分子构成系数N可以直接获得；
对于多组分气体，其分子构成系数N的计算公式为：
N＝N1(ω1/ωT)+N2(ω2/ωT)+…+Nn(ωn/ωT) (6)
多组分气体的质量流量转换系数的计算公式为：
式中：ω1…ωn为相应气体的流量；ωT为混合气体的流量；ρ1…ρn为相应气体在标准状态下的密度；CP1…CPn为相应气体的分子构成系数。
本发明的另一个目的是通过这样的技术方案实现的，一种八通道六氟化硫动态配气系统，它包括有：所述系统包括有时钟模块、数据存储模块、主控MCU、电源模块、数据显示模块、串口通信模块；
所述时钟模块与所述主控MCU模块连接，用于时间显示；
所述数据存储模块与所述主控MCU模块连接，用于存储系统数据；
所述电源模块与所述电源模块连接，用于给整个系统提供电源；
所述数据显示模块与所述主控MCU模块连接，用于显示系统中的数据；
所述串口通信模块与所述主控MCU模块连接；用于进行外部终端通信和内部连接通信。
进一步，所述外部终端为微软基础类库MFC；
所述MFC与主控MCU之间通过RS485进行串口通讯；
所述MFC还连接有9个配气路口、配气排空口和配气输出口。
进一步，所述串口通信模块包括有液晶触摸屏，所述液晶触摸屏与主控MCU通过RS232进行串口通讯；
所述串口通信模块发出通信指令，主控MCU对传输的通信指令进行通信方式判断。
进一步，所述液晶触摸屏处理程序流程如下：
S91：进入主界面，主控MCU扫描液晶触摸屏；
S92：判断是否有键按下，若是，则进行步骤S93；反之，返回主界面；
S93：读取按键中的设定值；
S94：判断按下的是什么按键；
S95：执行按键中的操作指令；
S96：返回主界面。
进一步，主控MCU中还包括有A/D转换模块；所述A/D转换模块处理程序流程图如下：
S101：进入子程序入口，进行系统初始化；
S102；选择转换通道；
S103：主控MCU进行移位送数；
S104：判断转换是否已经结束，若是，则进行步骤S105；反之，进行步骤S102；
S105：执行相应操作并返回S101。
由于采用了上述技术方案，本发明具有如下的优点：
(1)能方便、快捷、准确地操作触摸屏配制标准气体；
(2)能根据被检仪器或分析方法所需要的流量，配气系统将配制出的标准气体进行流量控制和分流；
(3)自动调零，预热结束后系统自动调整MFC的零点或从预热调零页面重复调零
(4)精度高、稳定性好、线性佳。
本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书和权利要求书来实现和获得。
附图说明
本发明的附图说明如下：
图1为本发明的配气方法流程图。
图2为本发明的系统硬件连接图。
图3为本发明的配气系统中串口通信模块连接图。
图4为本发明的配气系统中液晶触摸屏程序流程图。
图5为本发明的配气系统中A/D模块程序流程图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
实施例：流量比混合法是动态配气法之一，它通过严格控制一定比例的组分气体和稀释气体的流量，并加以混合而制得标准气体。与配制瓶装标准气相比，使用该方法能够在同一配气装置上，配制出满足需要的不同组分含量的各种标准气。
采用流量比混合法配制标准气，关键的问题是如何精确控制原料气与稀释气体的流量。八通道六氟化硫动态配气系统采用高精度质量流量控制器的方法，来精确地控制组分气体流量，从而精确地控制标准气的配制浓度。由于质量流量控制器控制的是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。
如图1所示；一种八通道六氟化硫动态配气方法，它包括有：所述方法步骤如下：
S1：配制单组分标准气，计算原料气和稀释气的流量比；
S2：混合多组分标准气，计算多组分中各组分的原料气流量和稀释气流量的流量比；
S3：计算混合标准气中各组分气体的实际浓度值。
步骤S1中配制单组份标准气的具体流程如下：
以高纯氮气N2作为稀释气，使用浓度为s的原料气G，配制浓度为c的标准气体，则稀释比
计算可得到原料气G和稀释气N2的流量比应为：
步骤S2中混合多组分标准气的具体流程如下：
配制多组分标准气时，原料气G1…Gk的浓度分别为s1…sk，需要配制各组分浓度分别为c1…ck；
混合标准气时，则组分气体Gi的稀释比其中i:1…k；由式(1)导出计算，可求得各组分原料气的流量和稀释气N2流量的流量比为：
步骤S3中计算混合标准气中各组分气体的实际浓度值如下：
当配气时不使用稀释气N2，即流量即只由k种原料气按一定比例混合而制得混合标准气，此时各组分气体的稀释比m1…mk必定满足的关系，其中i:1…k；同样地，各组分原料气之间的流量比应为：
根据以上流量比，通过质量流量控制器设定各组分原料气和稀释气的流量，即可精确地动态配制得到满足要求的多组分混合标准气；
动态配气过程中，定时地从流量控制器读取当前的流量测量值，可实时地监测配制得到的混合标准气中各组分气体的实际浓度值。当从流量控制器测量得到原料气Gi(浓度为si)的实际流量为所有组分气体和N2通道的总流量为F。
当从流量控制器测量得到原料气Gi(浓度为si)的实际流量为所有组分气体和N2通道的总流量为F；则混合标准气中该组分气体的实际浓度值Ci的计算公式为：
其中：i:1…k。
所述方法还包括有流量控制器的读数修正，质量流量控制器在出厂时一般使用N2标定，实际使用中用于其它气体的测量时，需要进行读数修正，将质量流量控制器的读数显示值乘以该气体的质量流量转换系数C，即可得到该气体的实际流量值。
所述流量控制器的修正过程如下：
单组分气体的质量流量转换系数的计算公式为：
C＝0.3106N/(ρ×CP) (5)
式中：ρ为气体在标准状态下的密度；CP为气体的定压比热；N为气体分子构成系数；C为该气体的质量流量转换系数；
对于单组分气体，当其分子由单原子、双原子、三原子与多原子构成时，它的分子构成系数N分别取值1.01、1.00、0.94与0.88。
对于多组分气体，其分子构成系数N的计算公式为：
N＝N1(ω1/ωT)+N2(ω2/ωT)+…+Nn(ωn/ωT) (6)
多组分气体的质量流量转换系数的计算公式为：
式中：ω1…ωn为相应气体的流量；ωT为混合气体的流量；ρ1…ρn为相应气体在标准状态下的密度；CP1…CPn为相应气体的分子构成系数。
根据上述公式，计算得到几种六氟化硫分解产物的质量流量转换系数，如表1所示；
表1几种六氟化硫分解产物质量流量转换系数
| 气体 | 转换系数 | 气体 | 转换系数 |
| Air | 1.006 | HF | 1.001 |
| N2 | 1.000 | SO2 | 0.687 |
| SF6 | 0.258 | CF4 | 0.420 |
| CO | 1.000 | H2S | 0.802 |
根据转换系数对气体质量流量进行修正，就可以将N2标定的流量控制器用于其它各种组分气体流量的精确控制。
在进行多组分动态配气时，由原料气的浓度值和设定浓度值，可计算求得各组分气体的设定流量值。根据转换系数进行修正后，再通过流量控制器进行设定。同样地，从流量控制器读取测量流量值时，也需要根据转换系数进行流量修正，得到的才是各组分气体的实际流量值。
如图2至图5所示；一种八通道六氟化硫动态配气系统，它包括有：所述系统包括有时钟模块、数据存储模块、主控MCU、电源模块、数据显示模块、串口通信模块；
所述时钟模块与所述主控MCU模块连接，用于时间显示；
所述数据存储模块与所述主控MCU模块连接，用于存储系统数据；
所述电源模块与所述电源模块连接，用于给整个系统提供电源；
所述数据显示模块与所述主控MCU模块连接，用于显示系统中的数据；
所述串口通信模块与所述主控MCU模块连接；用于进行外部终端通信和内部连接通信。
所述外部终端为微软基础类库MFC；
所述MFC与主控MCU之间通过RS485进行串口通讯；
所述MFC还连接有9个配气路口、配气排空口和配气输出口。
所述串口通信模块包括有液晶触摸屏，所述液晶触摸屏与主控MCU通过RS232进行串口通讯；
所述串口通信模块发出通信指令，主控MCU对传输的通信指令进行通信方式判断。
主控MCU使用的单片机是美国Cygnal公司推出的C8051F020，C8051F020内部集成了数据采集所需的A/D和D/A转换功能，C8051F020通过RS232串口与液晶触摸屏通信，同时通过RS485串口与MFC通信。C8051F020同时还对时钟模块进行操作，把时间信息显示在液晶触摸屏上。
由于本系统需要大量的数学运算，需要采用大容量的存储单元，故本系统采用Atmel公司的AT24C512实现数据存储功能。
八通道动态配气系统就采用AC/DC模块将220V交流电转换成低压直流电，供动态配气系统使用。其中，15V为质量流量控制器提供电源；5V为系统中大部分芯片提供工作电压。
所述液晶触摸屏处理程序流程如下：
S91：进入主界面，主控MCU扫描液晶触摸屏；
S92：判断是否有键按下，若是，则进行步骤S93；反之，返回主界面；
S93：读取按键中的设定值；
S94：判断按下的是什么按键；
S95：执行按键中的操作指令；
S96：返回主界面。
主控MCU中还包括有A/D转换模块；所述A/D转换模块处理程序流程图如下：
S101：进入子程序入口，进行系统初始化；
S102；选择转换通道；
S103：主控MCU进行移位送数；
S104：判断转换是否已经结束，若是，则进行步骤S105；反之，进行步骤S102；
S105：执行相应操作并返回S101。
动态配气系统涉及到的模拟量主要是气体的流量检测，通过模拟量采集电路将各模拟量采集、放大，经过A/D转换器转换成相应的数字信号，经过主控MCU处理后，进行相应的显示和输出控制值。
硬件调试环境：8通道动态配气系统样机一台；高纯度的N2气体一瓶、浓度为1％的CO气体一瓶、浓度为20％的CO2气体一瓶，二级减压阀两个；示波器一台；4位半万用表一块；高精度皂膜流量计一台；SF6气体分析仪一台。
校准数据试验：首先按照设计好的气路图正确连接动态配气系统的输入和输出通路。在进行动态配气之前，需要先校准每台质量流量控制器对流量的控制精度，这里使用了皂膜流量计对每条气路的气体流量进行了校准，校准过程中使用的气体是高纯N2气体，分别对质量流量控制器进行校准。
表2 500SCCM的MFC流量校准表
表3 2000SCCM的MFC流量校准表
配气路口1中N2的浓度值范围为：100～5000mL/min；
配气路口2中N2的浓度值范围为：60～3000mL/min；
配气路口3中N2的浓度值范围为：40～2000mL/min；
配气路口4中N2的浓度值范围为：20～1000mL/min；
配气路口5中N2的浓度值范围为：10～500mL/min；
配气路口6中N2的浓度值范围为：10～500mL/min；
配气路口7中N2的浓度值范围为：4～200mL/min；
配气路口8中N2的浓度值范围为：4～200mL/min；
配气路口9中N2的浓度值范围为：2～100mL/min；
以上配气路口中N2的浓度最小输出流量为满量程的2％。
动态配气系统为9路进气，进气接口为φ6卡套，经φ6卡套穿板后转换为φ3四氟管进入质量流量控制器，由质量流量控制器出来后经三通汇成一路，组成混合气体，然后再经过一个三通，将混合气体分成两路，分别可进入流量计或者调节阀，然后经由出气口或排空口排出混合气体。
在一具体实施例中，配气路口1使用最大流量为5000mL/min的D07-7C型质量流量控制器，配气路口2使用最大流量为3000mL/min的D07-7C型质量流量控制器，配气路口1、配气路口2两路通道都可用于输入稀释气SF6，其它7个配气路口通道用于输入各种分解产物气体。
对质量流量控制器进行流量的校准后，对流量进行了修正，然后进行气体浓度的配比实验。实验时选用浓度为1％的CO和20％的CO2作为原料气，高纯度N2气体作为稀释气。基于配气系统的设计原理可知，选择任意2种气体进行多组分配气实验的结果具有代表性。
实验时，输入CO与CO2的原料气浓度与设定浓度，即可开始动态配气。系统自动检查输入数据的逻辑合法性，转换系数、计算流量、测量流量与组分浓度等参数在液晶触摸屏上都有直观体现。配制CO组分浓度100×10-6，CO2组分浓度为1.0％的标准气。
本发明具有的有益效果：
(1)配气方法精度高、重复性好、稀释比宽、响应速度快、浓度值连续可调；
(2)配气系统不受环境温度与压力影响；
(3)配气方法可连续配制并供给各种浓度范围的混合标准气；
(4)配戏系统用于对气体浓度监测系统的标定时非常方便，可以满足六氟化硫气体分解产物分析校准使用。
最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种八通道六氟化硫动态配气方法，其特征在于，所述方法步骤如下：
S1：配制单组分标准气，计算原料气和稀释气的流量比；
S2：混合多组分标准气，计算多组分中各组分的原料气流量和稀释气流量的流量比；
S3：计算混合标准气中各组分气体的实际浓度值。
2.如权利要求1所述的八通道六氟化硫动态配气方法，其特征在于，步骤S1中配制单组份标准气的具体流程如下：
以高纯氮气N2作为稀释气，使用浓度为s的原料气G，配制浓度为c的标准气体，则稀释比
计算可得到原料气G和稀释气N2的流量比应为：
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3.如权利要求2所述的八通道六氟化硫动态配气方法，其特征在于，步骤S2中混合多组分标准气的具体流程如下：
配制多组分标准气时，原料气G1…Gk的浓度分别为s1…sk，需要配制各组分浓度分别为c1…ck；
混合标准气时，则组分气体Gi的稀释比其中i:1…k；由式(1)导出计算，可求得各组分原料气的流量和稀释气N2流量的流量比为：
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4.如权利要求3所述的八通道六氟化硫动态配气方法，其特征在于，步骤S3中计算混合标准气中各组分气体的实际浓度值如下：
当配气时不使用稀释气N2，即流量即只由k种原料气按一定比例混合而制得混合标准气，此时各组分气体的稀释比m1…mk必定满足的关系，其中i:1…k；同样地，各组分原料气之间的流量比应为：
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根据以上流量比，通过质量流量控制器设定各组分原料气和稀释气的流量，即可精确地动态配制得到满足要求的多组分混合标准气；
当从流量控制器测量得到浓度为si的原料气Gi的实际流量为所有组分气体和N2通道的总流量为F；则混合标准气中该组分气体的实际浓度值Ci的计算公式为：
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<mi>C</mi>
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其中：i:1…k。
5.如权利要求4所述的八通道六氟化硫动态配气方法，其特征在于，所述方法还包括有流量控制器的读数修正，所述流量控制器的修正过程如下：
单组分气体的质量流量转换系数的计算公式为：
C＝0.3106N/(ρ×CP) (5)
式中：ρ为气体在标准状态下的密度；CP为气体的定压比热；N为气体分子构成系数；C为该气体的质量流量转换系数；
对于单组分气体，当其分子由单原子、双原子、三原子与多原子构成时，它的分子构成系数N可以直接获得；
对于多组分气体，其分子构成系数N的计算公式为：
N＝N1(ω1/ωT)+N2(ω2/ωT)+…+Nn(ωn/ωT) (6)
多组分气体的质量流量转换系数的计算公式为：
<mrow>
<mi>C</mi>
<mo>=</mo>
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式中：ω1…ωn为相应气体的流量；ωT为混合气体的流量；ρ1…ρn为相应气体在标准状态下的密度；CP1…CPn为相应气体的分子构成系数。
6.一种包含权利要求1-5的方法的系统，其特征在于，所述系统包括有时钟模块、数据存储模块、主控MCU、电源模块、数据显示模块、串口通信模块；
所述时钟模块与所述主控MCU模块连接，用于时间显示；
所述数据存储模块与所述主控MCU模块连接，用于存储系统数据；
所述电源模块与所述电源模块连接，用于给整个系统提供电源；
所述数据显示模块与所述主控MCU模块连接，用于显示系统中的数据；
所述串口通信模块与所述主控MCU模块连接；用于进行外部终端通信和内部连接通信。
7.如权利要求6所述的八通道六氟化硫动态配气系统，其特征在于，所述外部终端为微软基础类库MFC；
所述MFC与主控MCU之间通过RS485进行串口通讯；
所述MFC还连接有9个配气路口、配气排空口和配气输出口。
8.如权利要求7所述的八通道六氟化硫动态配气系统，其特征在于，所述串口通信模块包括有液晶触摸屏，所述液晶触摸屏与主控MCU通过RS232进行串口通讯；
所述串口通信模块发出通信指令，主控MCU对传输的通信指令进行通信方式判断。
9.如权利要求8所述的八通道六氟化硫动态配气系统，其特征在于，所述液晶触摸屏处理程序流程如下：
S91：进入主界面，主控MCU扫描液晶触摸屏；
S92：判断是否有键按下，若是，则进行步骤S93；反之，返回主界面；
S93：读取按键中的设定值；
S94：判断按下的是什么按键；
S95：执行按键中的操作指令；
S96：返回主界面。
10.如权利要求6所述的八通道六氟化硫动态配气系统，其特征在于，主控MCU中还包括有A/D转换模块；所述A/D转换模块处理程序流程图如下：
S101：进入子程序入口，进行系统初始化；
S102；选择转换通道；
S103：主控MCU进行移位送数；
S104：判断转换是否已经结束，若是，则进行步骤S105；反之，进行步骤S102；
S105：执行相应操作并返回S101。
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