CN111458446A

CN111458446A - 多通道微流控制系统

Info

Publication number: CN111458446A
Application number: CN201910727945.6A
Authority: CN
Inventors: 李玉株; 张垒; 朱晓红
Original assignee: Beijing Gospeak Technology Co ltd
Current assignee: Beijing Gospeak Technology Co ltd
Priority date: 2019-08-10
Filing date: 2019-08-10
Publication date: 2020-07-28

Abstract

多通道微流控制系统及其校准系统，本发明应用于气体流量控制，气相色谱流量控制及校准。系统包含流量控制阀块和数据采集分析电路两部分。解决了多路不同气体同时使用时，对每路气体不同流量、不同精度的独立或统一控制。校准过程采用人工智能算法，生成高维校准曲线模型以及适合人工智能算法所需的外围设备，一次性解决参考点压力补偿和温度补偿，阀切换引起内压力波动对流量的影响，外界环境变化对系统内部流量的影响等问题。达到高精度、低成本。

Description

多通道微流控制系统

技术领域：

气体流量控制，气相色谱流量控制及校准

背景技术：

1.市场现有流量控制系统通常为单通道产品，即每次控制一路流量，精度为满量程的1％左右，控制原理为热导型(质量流量型)或压力型，控制校准算法为特定温度下(通常为室温25℃)校准流量结果；

2.无论是热导型或压力型使用的传感器都是对温度敏感，即不同温度下校准流量有差异，通常带有温度补偿的流量计国内产品需要定制某特定温度补偿，不具备通用性，进口带温度压力补偿产品价格非常高，而只能控制一路流量，无论进口或国产对复杂流量体系控制均不适用；

3.传统的温度补偿方式采用恒温腔中多点不同温度线性/非线性曲线法，为了达到高精度要求，这种方法需要外围设备高精度高成本，这些产品对于供气系统压力的突然波动需要2秒左右的适应时间，会造成气体输出至少2秒的波动，而且供气系统压力变化越大，输出波动越大，对于需要微流量高精度的系统(例如控制内径0.5mm以下毛细管中的流量)，2秒的波动会造成非常大的瞬时误差；

4.类似的气相色谱的流量控制系统，国内和国外厂家通常不单独出售，仅为对应设备配件出售，而且其采用的流量控制器在校准过程中，对于温飘和压力参考点以及内部压力抖动都没有进行修正，或修正过程采用个别温度点跨度校准，在实验室固定位置保证精度是没问题的，但在室外或移动设备上就不能适用，尤其是在高海拔大温差野外地区，所有方法校准都必须重新现场实现。

发明内容：

发明目的：

发明复合型多通道流量控制系统解决了多路不同气体、每路气体独立或统一控制(即可单独使用某一路或合并多路同时校准，同时使用)，实现不同流量不同精度控制。同时为了保证高精度、成本低，校准过程采用人工智能算法，以及适合人工智能算法所需的外围设备，一次性解决参考点压力补偿和温度补偿。同时增加压力监控补偿算法，实现抵御阀切换引起内压力波动对流量的影响。

实现过程：

实现过程分为校准过程(图1/2)和使用过程(图3/4)。校准过程产生不同条件下的参考数据点进行人工智能算法拟合，获得影响因素和设定目标值相关的高维曲线。使用过程中对影响因素进行监控，根据监控结果修正设定目标值(后台修正)，保证在复杂条件下的控制数据稳定和准确。即不同的外部条件下流量会偏移，通过后台修正目标值，达到实际输出值和设定值在设计误差范围内波动。

实现过程体现技术特点：

基于人工智能算法模型支持向量机方法(SVM)建立实验模型，全部校准过程自动完成，校准环境为密封高低压、高低温腔，校准数据无需长时间恒温、恒压平衡过程，只需要在温度和压力区间内进行缓慢升降温和升降压扫描，产生多次高低温和高低压变化环境，生成的数据进行人工智能算法拟合曲线，在使用过程中，直接使用高维曲线进行温飘补偿和参考点压力补偿。

发明效果：

1.校准成本下降：无需高精度外围设备，例如恒温箱、恒压箱；

2.校准过程简单：全部校准过程自动进行，无需人工切换温度和压力状态。目标值设定，数据采集等控制参数全部自动按方法设定运行，无需长时间平衡过程，对于状态变化引起的波动，校准算法可自动识别并选择是否为有效数据；

3.系统具备普遍适应性：经过校准后的流量系统，可以应用在全年暴露野外环境，也能使用在高原或高空设备上；

4.具备普遍使用性：适用于任意气相色谱的流路系统，兼容各种一维、二维、三维、N维气相色谱中的任意流路流量控制。

附图说明：

图1是本发明校准外部设备示意图

图2是本发明校准设备详细气路和电路控制原理图

图3是本发明分流/不分流控制系统工作流程图

图4是本发明不分流系统工作流程图

图5是本发明实施效果图

图1中：高低温供气设备(图1-01)；供气(空压机，钢瓶气)系统(图1-02)；数采分析系统(图1-03)；校准密封腔(图1-04)；散热系统(图1-05)；流量控制模块(图1-06，等同于流量控制模块详图(图2-01))；真空泵(图1-07)；数控流量微调器(图1-08)；流量校准数采模块(图1-09，等同于流量校准数采模块详图(图2-11))；流量控制模块数据通道(图1-10)；流量校准数采模块数据通道(图1-11)；绝压压力计(图1-12)；绝压压力计数据通道(图1-13)；流量微调器控制(图1-14)；温度设定控制(图1-15)；

图2中：整体流量控制阀块、传感器及电路(图2-01)；流量控制阀块电路(图2-02)；校准流量计1：8ml/min(图2-03)；校准流量计2：20ml/min(图2-04)；校准流量计3：500ml/min(图2-05)；数据采集处理系统(图2-06)；第一种流量控制气体输入(图2-07)；第一种流量控制气体输出(图2-08)；第二种流量控制气体输入(图2-09)；第三种流量控制气体输入(图2-10)；流量校准数采模块(图2-11)；1ml内体积气体缓冲腔(图2-12)；流量控制阀1(图2-PV-01)；流量控制阀2(图2-PV-02)；流量控制阀3(图2-PV-03)；流量控制阀4(图2-PV-04)；质量流量计1：50ml/min(图2-MF-01)；温度传感器1：-50℃～100℃(图2-T-01)；三通开关阀1(图2-V-01)；三通开关阀2(图2-V-02)；压力传感器1：表压1atm(图2-P-01)；压力传感器2：压差0.002atm(图2-P-02)；压力传感器3：绝压1.6atm(图2-P-03)；压力传感器4：表压2atm(图2-P-04)；压力传感器5：表压2atm(图2-P-05)；毛细管1：内径小于0.5mm或内径1.6～3.2mm(图2-LF-01)；毛细管2：内径小于0.5mm(图2-LF-02)；毛细管3：内径1.6～3.2mm(图2-LF-03)；毛细管4：内径1.6～3.2mm(图2-LF-04)；

图3中：质量流量计1温飘修正算法(图3-01)；压力传感器1温飘修正算法(图3-02)；压力传感器3温飘修正算法(图3-03)；压力传感器2温飘修正算法(图3-04)；参考压力补偿算法(图3-05)；目标值修正算法(图3-06)；内部压力波动平滑算法(图3-07)；差分赋值P.I.D算法(图3-08)；质量流量计1数据接口(图3-MF-01)；流量控制阀1数据接口(图3-PV-01)；流量控制阀2数据接口(图3-PV-02)；压力传感器1数据接口(图3-P-01)；压力传感器2数据接口(图3-P-02)；压力传感器3数据接口(图3-P-03)；

图4中：压力传感器4和5温飘修正算法(图4-01)；压力传感器3温飘修正算法(图4-02)；压力传感器2温飘修正算法(图4-03)；参考压力补偿算法(图4-04)；目标值修正算法(图4-05)；内部压力波动平滑算法(图4-06)；差分赋值P.I.D算法(图4-07)；流量控制阀3、4数据接口(图4-PV-03/04)；压力传感器4和5数据接口(图4-P-04/05)；压力传感器2数据接口(图4-P-02)；压力传感器3数据接口(图4-P-03)；

图5中：阀切换基线波动(图5-01)；氮气验证(图5-02)；氦气验证(图5-03)；氢气验证第一路(图5-04-1)；氢气验证第二路(图5-04-2)；氩气验证(图5-05)；

具体实施方式：

1.获取校准曲线方法流程：

a)建立外部环境方法：在校准密封腔(图1-04)上连接温度控制系统，通过密封穿板一端连接高低温供气设备(图1-01)，另一端连接散热系统(图1-05)，此温度维持系统不与校准密封腔进行气体交换，只进行热交换，可通过软件(图1-03)定时对散热系统进行温度设定，并实时接收记录温度数据(图1-15)。在校准密封腔上连接压力控制系统，压力控制系统和密封腔之间进行气体交换，密封腔外壳穿板直连真空泵(图1-07)，穿板直连数控流量微调器(图1-08)，穿板直连绝压压力计(图1-12)，可通过软件(图1-03)定时设定流量微调器(图1-08)，并实时接收记录压力数据(图1-13)。

b)建立流量控制数据采集方法：在校准密封腔(图1-04)中，一端通过密封穿板连接密封腔内部流量控制模块(图1-06，图2-01)，另一端通过密封穿板连接密封腔外部流量校准数采模块(图1-09，图2-11)。通过算法关联质量流量计、压力传感器和流量控制阀之间的关系，可实现设定质量流量计、压力传感器恒定电压情况下，自动调节流量控制阀。可实现定时设定追踪传感器电压(图1-10)，记录对应的流量值(图1-11)。

c)建立高维数据组：根据建立外部环境方法获取温度和压力变化数据。扫描温度(图1-01)范围-10℃～50℃，扫描时间约7小时，每小时跨度增加10℃左右，不需精确恒定控制，温度扫描3次；扫描压力(图1-12)范围101KPa～70KPa(相当于海拔0～3000m)，每10分钟跨度降低压力5KPa左右，不需精确恒定控制，压力扫描每小时6次；根据建立流量控制数据采集方法获取流量数据，质量流量计、压力传感器电压设定0.5V～4.0V(图2-MF-01，图2-P-01，图2-P-04，图2-P-05)使电压递增跨度0.5V，算法根据关联规则控制流量控制阀(图2-PV-01，图2-PV-02，图2-PV-03，图2-PV-04)，需要时使用三通阀(图2-V-01，图2-V-02)切换气体流向，同时记录压差计传感器(抵抗内压变化波动补偿，图2-P-02)，绝压传感器(参考背景，图2-P-03)，温度传感器(图2-T-01)数据，所有设定变化总时间为10分钟，每秒钟记录一次数据。即记录数据横坐标以时间(1秒)为单位，纵坐标为全部外部环境数据和全部传感器，校准设备数据，所有数据采集完成需要21小时。

d)建立校准数学模型并关联算法：建立分流/不分流控制系统方法关联(图3)，通过支持向量机(SVM)算法关联流量(图2-MF-01)，压力(图2-P-01，图2-P-02，图2-P-03)，温度(图2-T-01)和流量校准数据(图2-03/04)，校准算法关联温飘校准算法(图3-01，图3-02，图3-03，图3-04)，参考压力补偿算法(图3-05)，目标值修正算法(图3-06)；建立不分流控制系统方法(图4)，通过支持向量机(SVM)算法关联压力(图2-P-03，图2-P-04，图2-P-02，图2-P-03)，温度(图2-T-01)和流量校准数据(图2-04/05)，校准算法关联温飘校准算法(图4-01，图4-02，图4-03)，参考压力补偿算法(图4-04)，目标值修正算法(图4-05)；

2.工作流程：

a)分流/不分流控制系统工作流程(图3)：控制原理为当气体缓冲腔(图2-12)中压力恒定的时候，控制输出端(图2-03)恒流输出，气体缓冲腔中压力变化越小，输出端流量越稳定。气体输入流向(图2-07)，流量控制阀1(图2-PV-01)和质量流量计1(图2-MF-01)协同控制输入流量；气体分流输出流向(图2-08)，流量控制阀2(图2-PV-02)和压力传感器1(图2-P-01)，协同控制分流输出流量。实际工作控制过程中，由校准数据关联流量和设定电压之间的关系，由流量传感器1和压力传感器1作为数据设定端，由流量控制阀1、2为追踪控制，数据设定端由校准传感器实时获取状态数据进行输入和分流流量修正，通过校准数学模型关联算法对目标值进行修正，产生符合当前状态的新的目标值加以控制追踪，以便保证毛细管1输出稳定。同时，在流量控制阀1、2前端控制算法中，先经过内部压力波动平滑算法(图3-07)以保证屏蔽控制区域内部阀切换过程中产生的压力波动，而后经过差分参数赋值P.I.D.算法(图3-08)最终完成控制流量控制阀过程。当关闭流量控制阀2控制算法时候，就实现不分流控制过程，由于传感器精度和量程限制，分流控制和不分流控制可使用相同的算法，但算法参数不同。

b)不分流控制系统工作流程(图4)：不分流控制系统和分流/不分流控制系统明显差异为前者没有分流出口和缓冲腔，控制电路设计上提高了压力传感器(图4-P-04/05)采样频率，保证更快的响应系统内部变化反馈。控制算法和修正算法采用和分流/不分流控制系统相同的算法模块，但由于传感器差异，所有算法参数不同，修正算法参数由校准算法产生，为自适应过程，无需人为实验获得。

实施效果：

1.屏蔽压力波动算法效果：控制区域内部阀切换过程中产生的压力波动，此波动不会被完全消除，是否增加算法对阀切换产生内部压力波动在色谱表现上有明显差异，增加后明显由基线上下抖动(使用阀切换速度和差分参数赋值P.I.D.算法响应时间决定抖动的时间长短和抖动大小)变为2～3倍噪音的小正向抖动，图5-01。

2.质控验证：分别使用氢气(2g/mol)，氦气(4g/mol)，氮气(28g/mol)，氩气(40g/mol)校准流量模块，参考压力零点为北京(约100kPa)，最低压力为拉萨(约65kPa)，校准温度范围-15℃～50℃，使用图1中的装置产生模拟外界环境状态。考虑到安装环境，测试温度范围和实际有偏差，最低温度统一使用-15℃。

a)氮气验证：模拟北京，全年温度(-10℃～45℃)，压力100kPa，分流/不分流模式，毛细管内径0.28mm长度30m，分流比1:5，输出流量设定2.2ml/min，图5-02，流量曲线。

b)氦气验证：模拟哈尔滨，全年温度(-35℃～30℃)，压力98kPa，分流/不分流模式，毛细管内径0.1mm长度10m，分流比1:20，输出流量设定0.76ml/min，图5-03，流量曲线。

c)氢气验证：模拟西宁，全年温度(-18℃～35℃)，压力77kPa，不分流模式，两组毛细管柱输出，毛细管内径0.28mm和0.8mm，长度30m和35cm，输出流量设定3.8ml/min(图5-04-1)和26ml/min(图5-04-2)，流量曲线。

d)氩气验证：模拟拉萨，全年温度(-15℃～25℃)，压力65kPa，不分流模式，毛细管内径0.53mm，长度30m，输出流量设定2.6ml/min，图5-05，流量曲线。

Claims

1.多通道微流控制系统及其校准系统，其特征在于，包含高低温供气设备，供气系统，数采分析系统，校准密封腔，散热系统，流量控制模块，真空泵，数控流量微调器，流量校准数采模块，流量控制模块数据通道，流量校准数采模块数据通道，绝压压力计，绝压压力计数据通道，流量微调器控制，温度设定控制。

2.根据权利要求1所述的结构，其流量控制系统按流量路数来分，可分为三种控制模式，第一种为控制一路毛细管(内径小于0.5mm)输出，控制输出流量0.4～1ml/min，误差±0.005ml/min，1～5ml/min，误差±0.01ml/min；第二种为控制二路毛细管(内径小于0.5mm和内径0.8mm～1.6mm)输出，控制输出流量1～5ml/min误差±0.01ml/min和50-400ml/min误差±0.05ml/min，；第三种为控制一路毛细管(内径0.8mm～1.6mm)输出，控制输出流量100-400ml/min误差±1ml/min。

3.根据权利要求1所述的结构，可实现两种控制方式，第一种是分流/不分流模式，第二种是不分流模式，其工作流程如下所述：

(1)分流/不分流控制系统工作流程：当气体缓冲腔中压力恒定的时候，控制输出端恒流输出，气体缓冲腔中压力变化越小，输出端流量越稳定，气体输入流向，流量控制阀和质量流量计协同控制输入流量；气体分流输出流向，流量控制阀和压力传感器，协同控制分流输出流量，由校准数据关联流量和设定电压之间的关系，由流量传感器和压力传感器作为数据设定端，由流量控制阀为追踪控制，数据设定端由校准传感器实时获取状态数据进行输入和分流流量修正，通过校准数学模型关联算法对目标值进行修正，产生符合当前状态的新的目标值加以控制追踪，以便保证毛细管输出稳定；同时，在流量控制阀前端控制算法中，先经过内部压力波动平滑算法以保证屏蔽控制区域内部阀切换过程中产生的压力波动，而后经过差分参数赋值P.I.D.算法最终完成控制流量控制阀过程，当关闭流量控制阀控制算法时候，就实现不分流控制过程；

(2)不分流控制系统工作流程：不分流控制系统没有分流出口和缓冲腔，控制电路设计上提高了压力传感器采样频率，保证更快的响应系统内部变化反馈，控制算法和修正算法采用和分流/不分流控制系统相同的算法模块，但由于传感器差异，所有算法参数不同，修正算法参数由校准算法产生，为自适应过程，无需人为实验获得。

4.根据权利要求1所述的结构，其获取校准曲线方法流程为：

(1)建立外部环境方法：在校准密封腔上连接温度控制系统，通过密封穿板一端连接高低温供气设备，另一端连接散热系统，此温度维持系统不与校准密封腔进行气体交换，只进行热交换，可通过软件定时对散热系统进行温度设定，并实时接收记录温度数据，在校准密封腔上连接压力控制系统，压力控制系统和密封腔之间进行气体交换，密封腔外壳穿板直连真空泵，穿板直连数控流量微调器，穿板直连绝压压力计，可通过软件定时设定流量微调器，并实时接收记录压力数据；

(2)建立流量控制数据采集方法：在校准密封腔中，一端通过密封穿板连接密封腔内部流量控制模块，另一端通过密封穿板连接密封腔外部流量校准数采模块，通过算法关联质量流量计、压力传感器和流量控制阀之间的关系，可实现设定质量流量计、压力传感器恒定电压情况下，自动调节流量控制阀。可实现定时设定追踪传感器电压，记录对应的流量值；

(3)建立高维数据组：根据建立外部环境方法获取温度和压力变化数据，算法根据关联规则控制流量控制阀，需要时使用三通阀切换气体流向，同时记录压差计传感器，绝压传感器，温度传感器数据，所有设定变化总时间为10分钟，每秒钟记录一次数据，即记录数据横坐标以时间(1秒)为单位，纵坐标为全部外部环境数据和全部传感器，校准设备数据，所有数据采集完成需要21小时；

(4)建立校准数学模型并关联算法：建立分流/不分流控制系统方法关联，通过支持向量机(SVM)算法关联流量，压力，温度和流量校准数据，校准算法关联温飘校准算法，参考压力补偿算法，目标值修正算法；建立不分流控制系统方法，通过支持向量机(SVM)算法关联压力，温度和流量校准数据，校准算法关联温飘校准算法，参考压力补偿算法，目标值修正算法。

5.根据权利要求1所述结构，其特征在于，结合几种控制方式，通过人工智能算法生成高维校准曲线模型，修正温飘和参考点压力对控制系统的影响，通过控制算法屏蔽内部压力波动对毛细管内流量波动的影响，从而达到抵抗外界环境变化对系统内部流量的影响。