CN110057871B - 基于stm32的智能液态蒸发式voc气体测试方法 - Google Patents

基于stm32的智能液态蒸发式voc气体测试方法 Download PDF

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Abstract

基于STM32的智能液态蒸发式VOC气体测试方法，属于气敏元件性能测试领域。技术方案步骤如下：当配气过程开始时，载气N2转向测试箱入口1，配气体箱入口及出口都保持关闭，微量进样泵保持目标液体蒸发速度所对应的推进速度，推进目标液体进入蒸发炉蒸发；当推进时间等于所推进气体浓度达到目标气体浓度时，配气箱入口和出口开启，载气N2转向配气箱入口，配气箱出口通向测试箱入口2，测试计时开始；有益效果是:本发明将液态的VOC气体通过液态蒸发的办法蒸发成气态的VOC气体，通过单片机STM32控制流量泵从而控制液体注入的流速和蒸发的速度；通过单片机控制载气的流速将所蒸发好的混合气体均匀地送入气敏元件测试箱进行元件测试。

Description

基于STM32的智能液态蒸发式VOC气体测试方法
技术领域
本发明属于气敏元件性能测试领域，尤其涉及一种基于STM32的智能液态蒸发式VOC气体测试方法。
背景技术
VOC气体检测非常重要，半导体气体传感器用于测试VOC气体动态测试系统系统由于受到环境、地理位置、气体安全、体积庞大、成本高等诸多等因素影响限制了气敏元件性能的研究与分析，急需一种能克服上述因素影响所带来的问题，能够将液态的VOC气体通过液态蒸发的办法蒸发成气态的VOC气体，能有效控制液体注入的流速和蒸发的速度的测试仪器。
发明内容
为了获得一种克服上述各类因素影响所带来的问题，本发明提供一种基于STM32的智能液态蒸发式VOC气体测试方法，该方法将液态的VOC气体通过液态蒸发的办法蒸发成气态的VOC气体，通过单片机STM32控制流量泵从而控制液体注入的流速和蒸发的速度；通过单片机控制载气的流速将所蒸发好的混合气体均匀地送入气敏元件测试箱进行元件测试。
技术方案如下：
一种基于STM32的智能液态蒸发式VOC气体测试方法，步骤如下：
S1、打开进气与出气通道，通入N2，使配气箱内保持N2环境，保持出气，测试箱、配气箱内气压保持恒定；
S2、当配气过程开始时，载气N2转向测试箱入口1，配气体箱入口及出口都保持关闭，微量进样泵保持目标液体蒸发速度所对应的推进速度，推进目标液体进入蒸发炉蒸发；
S3、当推进时间等于所推进气体浓度达到目标气体浓度时，配气箱入口和出口开启，载气N2转向配气箱入口，配气箱出口通向测试箱入口2，测试计时开始；
S4、测试过程结束后，N2转向测试箱入口1进行扫气，配气箱入口和出口关闭；
S5、当测试浓度增加，则在箱内原有浓度基础上，增加液体注入量，并调整进样泵与目标气体浓度一致的推进速度；
S6、当箱内气体浓度达到目标浓度后，载气通道转向测试箱入口，配气箱出口转向测试箱，依次进行测试。
进一步的，配气测试过程步骤如下：
T1、设定目标气体浓度；
T2、计算微量进样泵推进速度V，推进时间Xs；
T3、将N2阀门开关通向测试箱；
T4、当通气时间N大于等于推进时间Xs，N2阀门转向配气箱入口，配气箱出口通向测试箱；
T5、设定配气时间Ys，当通气时间N大于等于推进时间Ys，N2阀门转向测试箱，配气箱入口出口关闭；
T6、设定扫气时间Zs，当通气时间N大于等于扫气时间Zs，测试过程结束。
本发明的有益效果是：
本发明所述的基于STM32的智能液态蒸发式VOC气体测试方法将液态的VOC气体通过液态蒸发的办法蒸发成气态的VOC气体，通过单片机STM32控制流量泵从而控制液体注入的流速和蒸发的速度；通过单片机控制载气的流速将所蒸发好的混合气体均匀地送入气敏元件测试箱进行元件测试。
附图说明
图1是本发明基于STM32的智能液态蒸发式VOC气体测试表征仪的结构图；
图2是本发明基于STM32的VOC气体液态蒸发配气表征控制系统原理框图；
图3是本发明液体蒸发炉结构图；
图4是本发明温度测量控制电路示意图；
图5是本发明温度控制电路示意图；
图6是本发明配气系统硬件结构示意图；
图7是本发明配气系统配气测试过程程序流程图；
图8是本发明气敏元件平面图；
图9是本发明气敏元件测试电路图。
具体实施方式
下面结合附图1-9对基于STM32的基于STM32的智能液态蒸发式VOC气体测试方法做进一步说明。
实施例1
一种基于STM32的智能液态蒸发式VOC气体测试表征仪，包括：配气进液控制器、配气箱、气敏测试系统、N2气瓶、上位机、液体蒸发炉，所述液体蒸发炉内置于所述配气箱，所述配气进液控制器与所述液体蒸发炉连接，所述配气箱的入口通过三通阀分别与所述气敏测试系统、N2气瓶连接，所述配气箱的出口与所述气敏测试系统连接，所述气敏测试系统与所述上位机连接。
进一步的，所述配气进液控制器采用STM32单片机作为核心控制单元。
进一步的，所述气敏测试系统包括测试箱和气敏元件，所述气敏元件内置于测试箱中，所述气敏元件与所述上位机连接，所述测试箱上设置有测试箱入口1、测试箱入口2和测试箱排气口。
进一步的，所述气敏元件包括一对加热电极和两对测试电极。
进一步的，所述液体蒸发炉包括液体蒸发池、交流陶瓷加热板、C型304钢架和信号线，所述C型304钢架与所述交流陶瓷加热板连接，所述交流陶瓷加热板上设置所述液体蒸发池，所述C型304钢架上设置所述信号线。
还包括微量进样泵，所述微量进样泵设置在所述配气箱入口、出口、测试箱入口1和入口2处。
本发明还包括基于STM32的智能液态蒸发式VOC气体测试方法，使用上述测试表征仪进行测试，步骤如下：
S1、打开进气与出气通道，通入N2，使配气箱内保持N2环境，保持出气，测试箱、配气箱内气压保持恒定；
S2、当配气过程开始时，载气N2转向测试箱入口1，配气体箱入口及出口都保持关闭，微量进样泵保持目标液体蒸发速度所对应的推进速度，推进目标液体进入蒸发炉蒸发；
S3、当推进时间等于所推进气体浓度达到目标气体浓度时，配气箱入口和出口开启，载气N2转向配气箱入口，配气箱出口通向测试箱入口2，测试计时开始；
S4、测试过程结束后，N2转向测试箱入口1进行扫气，配气箱入口和出口关闭；
S5、当测试浓度增加，则在箱内原有浓度基础上，增加液体注入量，并调整进样泵与目标气体浓度一致的推进速度；
S6、当箱内气体浓度达到目标浓度后，载气通道转向测试箱入口，配气箱出口转向测试箱，依次进行测试。
进一步的，配气测试过程步骤如下：
T1、设定目标气体浓度；
T2、计算微量进样泵推进速度V，推进时间Xs；
T3、将N2阀门开关通向测试箱；
T4、当通气时间N大于等于推进时间Xs，N2阀门转向配气箱入口，配气箱出口通向测试箱；
T5、设定配气时间Ys，当通气时间N大于等于推进时间Ys，N2阀门转向测试箱，配气箱入口出口关闭；
T6、设定扫气时间Zs，当通气时间N大于等于扫气时间Zs，测试过程结束。
实施例2
基于STM32的智能液态蒸发式VOC气体测试表征仪的结构图如图1所示。
1.液体蒸发炉温度控制：
硬件：蒸发皿，304钢，加热材料：交流恒温PTC陶瓷加热板，作为加热模块，尺寸约为15mm*30mm(0～200)功率220V。
加热炉温度通过STM32控制升温和降温,不同的VOC气体由于有不同的沸点，蒸发器的温度控制范围0℃～250℃；选用K型热电偶温度传感器作为感温大元件。当其工作时，热电偶传感器感测到加热板温度，经过冷端温度补偿、信号放大、模数转换等处理，输入到STM32，与设定值进行比较；温度控制电路采用基于PID控制算法的固态继电器，并将控制信号输出到执行器，通过控制输出电流，达到控制电阻炉温度的目的。其温度测量控制电路如图4所示，温度控制电路如图5所示。
2.配气过程及流速控制：
系统硬件：N2气瓶(购于光明特气)；阀门控制器，二通阀和三通阀，配气系统硬件结构图示意图如图6所示。
液-气配气过程描述：
从测试过程开始，打开进气与出气通道，以1000sccm流速由质量流量控制器通入N2，使箱内保持N2环境，保持出气，测试箱，配气箱内气压保持恒定。
A.当配气过程开始时，载气N2转向测试箱入口1，配气体箱入口及出口都保持关闭，微量进样泵保持目标液体蒸发速度所对应的推进速度(V)推进目标液体进入蒸发炉蒸发，当推进时间等于所推进气体浓度达到目标气体浓度时，测试过程开始。
B.测试过程开始，配气箱入口和出口开启，载气N2转向配气箱入口，配气箱出口通向测试箱入口2，测试计时开始，测试响应时间一般为5分种；
C.测试过程结束后，N2转向测试箱入口1进行扫气，配气箱入口和出口关闭；
当测试浓度增加，则在箱内原有浓度基础上，增加液体注入量，并调整进样泵与目标气体浓度一致的推进速度。当箱内气体浓度达到目标浓度后，载气通道转向测试箱入口，配气箱出口转向测试箱，依次进行测试。配气系统配气测试过程程序流程图如图7所示。
(以配制1ppm乙醇气体为例说明配气过程
A.配气开始时，载气N2开启，并转向测试箱入口1，配气体箱入口及出口都保持关闭，微量进样泵保持目标液体蒸发速度所对应的推进速度(V＝1.26ml/m的流速)推进乙醇液体进入蒸发炉蒸发，当推进时间为18.65min的乙醇，微量进样泵推进2.35μl的乙醇液体，箱内乙醇气体浓度浓度达到目标浓度1ppm。
B.当达到第18.65分钟时，测试过程开始，配气箱入口和出口开启，载气N2转向配气箱入口，配气箱出口通向测试箱入口2，测试计时开始，测试响应时间一般为5分种；
C.测试过程结束后，N2转向测试箱入口1进行扫气，配气箱入口和出口关闭；)4.液体微量进样泵控制
配件：微量进样泵,分析纯99.9％的乙醇、甲醛、丙酮溶液等，基于STM32控制通过微量注射泵注入蒸发皿。
进样泵的推进速度、配气过程计算方法如下
注入液体经过蒸发炉蒸发为气体，在载气的带动下进入测试箱，蒸发箱体积为1L,质量流量剂载气N2，流速为1000sccl/m,则目标气体浓度为
Figure BDA0002050577050000051
式(1)中m为所注入气体的分子量，单位g，d为液体密度,单位g/cm-3，p为液体的纯度，并假定在测试条件下，1mol的液体完全转换为22.4L的气体。TK为室温，Tb为配气箱温度。这样，由注入测试容器蒸发蒸发池中的液体毫升数，就可以转换为相应的气体体积比。
以乙醇溶液为例，已知条件为乙醇液体密度d为0.789g/cm-3，所注入气体为乙醇液体的分子量是m为46.07g乙醇溶液的纯度p为99.7％，TK为20℃，Tb为60℃，所配制的乙醇气体的体积百分数为1ppm，代入计算得出所注入的乙醇溶液体积为。配制1ppm常见的VOC气体参数表如表1所示：
Figure BDA0002050577050000061
Figure BDA0002050577050000062
表1.配制1ppm常见的VOC气体，注入液体配制参数表
分子式 分子量 液体密度 注入液体体积
甲醛 HCOH 30.03 0.815g/cm<sup>3</sup> 1.45μl
乙醇 C2H5OH 46.07 0.789g/cm<sup>3</sup> 2.35μl
丙酮 CH3COCH3 58.08 0.7845g/cm3 2.95μl
载气N2，假设载气流速为1000sccm，表示每分钟由蒸发箱内流出了1000ml浓度为1ppm的待测气体，则1000ml目标气体中含有质量m＝1000ml×1mg/1000ml＝1mg,乙醇液体密度0.789g/cm3*，则损失的纯乙醇液体为1.26×10-3ml。要保持蒸发箱内浓度不变，需要微量进样泵持续在1分钟内匀速补充1.26×10-3ml的乙醇溶液。则微量进样泵的推进速度为1.26×10-3ml/m。计算公式如式(2)
Figure BDA0002050577050000063
配气时，首先由微量进样泵推进2.35μl的乙醇，以1.26ml/m的流速，推进时间为18.65min的乙醇，在第18.65分钟时。将载气通道转向配气箱入口，目标气体在载气带动下，由配气体箱出口通入测试箱，使配制好的浓度为1ppm的乙醇气体进入测试箱内。测试气过程中，微量进样泵的推进速度保持为1.26×10-4ml/m，以保持蒸发箱内乙醇气体浓度保持恒定；
5.气敏元件测试控制：
气敏测试系统由测试箱，气敏元件，测试入口1，入口2及出口组成。气敏元件及测试放置于测试箱中，气敏元件有两种结构，分别一对加热电极和两对测试电极组成。为避免VOC气体的腐蚀氧化作用，将测试电路板置于测试箱外部，测量电极的输出电压信号，经放大滤波后经由控制器模数转换后输入上位机软件。气敏元件平面图如图8所示，气敏元件测试电路如图9所示。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于STM32的智能液态蒸发式VOC气体测试方法，其特征在于，通过基于STM32的智能液态蒸发式VOC气体测试表征仪进行测试，所述测试表征仪包括：配气进液控制器、配气箱、气敏测试系统、N2气瓶、上位机、液体蒸发炉，所述液体蒸发炉内置于所述配气箱，所述配气进液控制器与所述液体蒸发炉连接，所述配气箱的入口通过三通阀分别与所述气敏测试系统、N2气瓶连接，所述配气箱的出口与所述气敏测试系统连接，所述气敏测试系统与所述上位机连接；
所述气敏测试系统包括测试箱和气敏元件，所述气敏元件内置于测试箱中，所述气敏元件与所述上位机连接，所述测试箱上设置有测试箱入口1、测试箱入口2和测试箱排气口；所述气敏元件包括一对加热电极和两对测试电极；所述液体蒸发炉包括液体蒸发池、交流陶瓷加热板、C型304钢架和信号线，所述C型304钢架与所述交流陶瓷加热板连接，所述交流陶瓷加热板上设置所述液体蒸发池，所述C型304钢架上设置所述信号线；
执行步骤如下：
S1、打开进气与出气通道，通入N2，使配气箱内保持N2环境，保持出气，测试箱、配气箱内气压保持恒定；
S2、当配气过程开始时，载气N2转向测试箱入口1，配气体箱入口及出口都保持关闭，微量进样泵保持目标液体蒸发速度所对应的推进速度，推进目标液体进入蒸发炉蒸发；
S3、当推进时间等于所推进气体浓度达到目标气体浓度时，配气箱入口和出口开启，载气N2转向配气箱入口，配气箱出口通向测试箱入口2，测试计时开始；
S4、测试过程结束后，N2转向测试箱入口1进行扫气，配气箱入口和出口关闭；
S5、当测试浓度增加，则在配气箱内原有浓度基础上，增加液体注入量，并调整微量进样泵与目标气体浓度一致的推进速度；
S6、当配气箱内气体浓度达到目标浓度后，载气通道转向测试箱入口，配气箱出口转向测试箱，依次进行测试；
配气测试过程步骤如下：
T1、设定目标气体浓度；
T2、计算微量进样泵推进速度V，推进时间Xs；
T3、将N2阀门开关通向测试箱；
T4、当通气时间N大于等于推进时间Xs，N2阀门转向配气箱入口，配气箱出口通向测试箱；
T5、设定配气时间Ys，当通气时间N大于等于推进时间Ys，N2阀门转向测试箱，配气箱入口出口关闭；
T6、设定扫气时间Zs，当通气时间N大于等于扫气时间Zs，测试过程结束。
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