基于质量流量的高精度气体浓度配比仪的设计

1、2009年6月沈阳理工大学学报Vol.SHENYANGLIGONGUNIVERSITYJun.28No.329第28卷第3期TRANSACTIONSOF文章编号:1003-1251(2009)03-0087-04基于质量流量的高精度气体浓度配比仪的设计赵亚威,胡瑞,陈亮(沈阳理工大学信息科学与工程学院,辽宁沈阳110168)摘要:采用质量流量配比气体的方法,设计一种气体浓度配比仪.仪器以高速单片机作为系统的控制核心,利用高分辨率的A/D和D/A芯片实现采样和控制,使用分段线性插值法和改进的PID算法实现高精度的气体浓度配比控制.实验结果证明比采用传统的方法可以获得更高的配比精度.关键词:质量流

2、量;气体配比;浓度;高精度;中图分类号:TP273文献标识码:ADtrationDispositionHiisionBasedontheMassFlowZHAOYa2wei,HURui,CHENLiang(ShenyangLigongUniversity,Shenyang110168,China)Abstract:Usingthemassflowtheory,ameterforgasconcentrationdispositionisintroducedandde2signed.Inthismeter,ahighspeedMCUisusedasthemaincontrolunit,ahighr

3、esolutionA/DandD/Achipisusedforsamplingandcontrol,thepartitionlinearinterpolationandthemodifiedPIDalgorithmareusedforrealizationofhighaccuracygasratiocontrol.Theresultshowsthatithasahighergasmixtureprecisioncomparedwiththetraditionalmethods.Keywords:massflow;gasmixture;concentration;highprecision;MC

4、U在半导体工业以及热处理炉、分析仪器的生产过程中,需要使用精密度很高的流量控制装置,从而保证生产中物料使用精度的需要.传统的容积式流量计受其温度、压力等参数的影响较大,当被测流体的温度、压力频繁变动时,很难保证流量测量精度,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收稿日期:2008-10-24作者简介:赵亚威(1976),女,讲师,研究方向:网络化测控系统及工业过程故障诊断.的影响.直接式质量流量计的优点在于最终代表质量流量的输出信号与

5、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时,其密度和温度、压力之间成非线性关系,而采用温2,4度、压力自动补偿方式又很困难的问题.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.1气体浓度配比仪的控制系统设计气体浓度的控制系统主要由控制单元、数据采集、控制输出电路和人机界面四部分构成.控制系统通过对质量流量控制器(MFC)的控制来调节流体的质量流量,进而调节混合流体的浓度,系统88的硬件原理如图1所示.沈阳理工大学学报2009年图1控制系统硬件原理框图控制系统核心器件采用高速单片机C8051F020作为控制器;数据采集电路采用高分辨率A/D模块MCP32

6、04来计量输入的模拟量;控制输出电路采用高精度D/A模块TLV5638变换成标准电压信号后送给质量流量计,质量流量计根据电压信号大小来控制阀门的开度,进而控制流过质量流量计的流量,两种不同流量的气体在混气室中混合,达到控制输出气体浓度配比的目的;.,设计中选用Microchip公司的高分辨率A/D芯片MCP3204.MCP3204是带有采样保持电路的逐次逼近型(SAR)12位高精度A/D转换器,其差分非线性度(DNL)和整体非线性度(INL)为±1LSB,保证了输入到单片机的信号精度是参考电压的1/4096,从而保证高精度要求.流量的控制输出由D/A器件来完成,选用TI公司的TLC5

7、638芯片,TLC5638是带有缓冲基准输入的双路12位电压输出数模转换器,具有较高的噪声抑制能力,既抑制了噪声,又提高了输出的精度,使配比气体的浓度更加精确.体流量,达到控制混合气体浓度的目的.气体浓度配比的计算,根据两种已知气体的浓度C1、C2和要求配比输出气体的浓度C、质量流量M,可得到下列公式(1)M1+M2=M(2)M1C+M2C=C,C,M2为C2.(2),得(C-C2)(3)M1=M(C1-C2)(C-C)(4)M2=M(C2-C1)将式(3)和式(4)相比,得到两种气体在混气室中的质量流量比例(C-C2)M1(5)=(C1-C)M2控制系统的主气路设计如图2所示,由两种气源流出

8、的两种样品气经过减压阀(气压在1MPa以内)后,流经电磁阀控制的气阀开关后进入质量流量计,质量流量计根据控制输出的D/A值设定气阀开度,从而控制气体流量,最终达到控制配比气体浓度的目的.32高精度气体配比控制方法设计使用热法直接式质量流量计来测量流量.采用质量流量计配比气体浓度的依据是毛细管温差量热原理:首先在毛细管的两端缠绕两组相同温度相同阻值的热敏线圈,当毛细管两端有气体流动时,两端的温度就会产生变化,使两端的热敏电阻阻值产生不同的变化,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.通过产生信号大小的不同来控制质量流量计的开度,进而控制流过质量流量计的气图2气体混合工

9、艺图气体流量的控制原理如图3所示,先设定混合气体的浓度值为Cg,将其与当前浓度Cf比较,形成偏差量e送入控制器,控制器根据此偏差进行补偿,计算出两个质量流量控制器MFC1和MFC2所需的设定值,经过D/A转换后输出电压信号,从而控制质量流量控制器气阀的开度,使两种气体按一定比例通过混气室,输出所需浓度的第3期赵亚威等:基于质量流量的高精度气体浓度配比仪的设计气体.两个质量流量控制器MFC1和MFC2的气阀开度信号经过A/D转换输入到单片机内,经过计算得到反馈浓度Cf.图3中虚线部分为C8051单片机系统,控制器算法采用一种便于单片机实现的改进PID算法,其原理如下:89设浓度偏差为e(k),偏

10、差变化率为ec=e(k)-e(k-1),PID算法输出为U(k),相应的控制规则如下:U(k)=U(k-1)+k1e(k)+k2ec(k)/e(k)(6)式(6)中,k1和k2为控制系数,实际系统调试时进行修改.图3系统控制原理图为了达到混合气体的高精度,除了选择合适的控制算法外,还要在控制电路上进行优化设计和补偿输出.3,在检测和控制过程中使用高分辨率检测和控制电路.配比装置主要控制部分A/D和D/A,电路原理如图4所示.图5触摸屏控制器电路4气体配比控制的补偿输出热式质量流量计采用毛细管温差传热法,可以达到的最小精度为0.2%,这种方法的流量关系曲线如图6所示,如果按照一条直线来进行拟和,

11、只有位于中间段的流量值能够保证系统的精度,而曲线两端的则很差,因此采用分段线性化的方法可以在很大程度上提高系统的整体精度.图4数据采集和控制电路图数据采集电路使用具有12位分辨的A/D芯片,基准参考电压5V,能分辨的最小电压为0.001V,可以分辨的最小精度为0.02%,可以送给1质量流量计很高的精准电压.气体配比仪的人机接口采用触摸屏,触摸屏控制电路如图5所示,U2为触摸屏控制模块,通过触摸安装在显示器前端的触摸屏,所触摸的位置由x+,x-,y+和y-四个坐标值通过JP11端子送入单片机;显示数据通过P1.4串行送入显示屏.图6毛细管温度差和流量关系曲线对于任何连续函数,在误差允许的范围内,

12、都可以用分段线性化来处理,即把函数曲线分成若90沈阳理工大学学报2009年纯N2(含CO2浓度为0%)和CO2(含CO2浓度为20%)混合配比工业生产中常用的气体CO2.配比前气体的浓度设置和配比后的结果如表1所示.由表知,配比后气体的精度误差小于012%.表1实验结果样品气1浓度12.000012.000020.000020.00000000干段,假定每一段中输入和输出之间存在着线性关系.在实际应用中,要根据测量精度的要求,确定分段数量.在配比的流量范围内按流量分成10段,经过分段线性化后,即可使系统的每部分都达到012%的精度指标,进而保证系统整体精度要求.同时配合软件设计,使用线性插值法

13、,通过插值计算获得相应测量值,使用每一段所对应的值进行实际配比.%误差0.19500.19800.18950.18700.1880样品气2浓度0.00000.00000.00000.00005.设定浓度7.000010.00007.000010.00000实测浓度6.98649.98026.98679.981398125控制系统软件设计系统软件设计是为了稳定地控制两台流量计的流量,预先在程序中设定好分段线性化的段数,在每一段内线性化然后插值.首先由触摸屏中断服务程序,输入要配比的浓度,然后单片机根据这个浓度值进行两个流量计流量的计算,D/A,所示.7结束语在介绍气体质量流量配比方法的基础上,设计了一种以高速单片机为系统核心、以改进PID为算法、利用分段线性化进行输出补偿的高精度气体配比仪,该配比装置精度高、重复性好、系统结构简单、操作方便、可靠性强,在实时性等方面能满足精密配比的要求,适合在微电子加工、精密分析、特种焊接、材料净化等工业生产中应用,并且可以在生产中作为标准气体浓