气体校准装置控制电路

发表于 2023-1-20 17:29

气体校准装置控制电路
气体校准装置在实验室气体分析、环境污染物的监测、仪器仪表标定等领域发挥着
极其重要的作用，其配置标准气体的精确度是确保被广泛应用的前提，为了提高配气的
精度，质量流量控制技术、高精度电压采集技术以及自抗扰（ADRC）控温技术等是设
计气体校准装置控制电路的关键技术途径。

发表于 2023-1-20 17:30

一种基于质量流量控制器（MFC）
的动态实时配气方案，而且标准气体可连续配置、配气精度高、稀释比可动态调整且不
受温度和压力的影响。设计的气体校准装置控制电路功能较多，实现了标准气体浓度高
精度配置、机箱和气路温度高精度采集且精确控制、温度对应的数据存储在FLASH芯
片中然后通过串口通讯模块计算出机箱和气路实际温度等众多功能。根据设计要求阐述
了气体校准装置的硬件控制电路。使用模数转换器Δ-Σ ADC对温度采集电路进行设计，
提高了温度采集的精度，采用半导体制冷片作为温控元件，降低设计成本的同时简化了
操作步骤，通过自抗扰控温算法来对机箱和气路温度进行精确控制，从而达到设定的温
度，通过主控制器GD32实现了对控制电路良好的控制效果。
通过构建实验测试平台对气体校准装置控制电路进行了性能指标测试，实测结果表
明设计的气体校准装置控制电路电平转换功能正常、温度分辨率可达0.05℃、温度精度
为0.67%F.S，同时得出了温度传感器PT100重复性误差为0.13%，满足了设计指标的要
求，验证了设计的气体校准装置控制电路方案的可行性和有效性。

发表于 2023-1-20 17:30

通常采用动态气体稀释法来进行配置标准气体[3]。当前实验室气体分析通常使用钢
瓶中已经配好的标准气体，或者是通过钢瓶气来配置标准气体，虽然瓶装气体的稳定性
好，但是由于所需气体的种类以及浓度的不同，这就要求购买大量的瓶装标准气，或者
是利用钢瓶气通过气体稀释的方法来配置目标浓度的标准气体，因此成本会变高而且实
验室占用的空间也会变大[4]，除此之外，配气精度也满足不了要求。
在技术逐渐趋于完善的今天，仅仅通过现有的气体稀释方法配置标准气体已经不能
满足需求，急需设计一套稳定、精度较高的气体校准装置控制电路用来配置标准气体[5]，
从而满足实验室气体分析、环境污染物的监测、仪器仪表标定等领域中使用高精度标准
气体的需求。本文针对这种现状提出了一种气体校准装置控制电路设计方案，为大气环
境监测装置的校准以及实验室和气体分析仪提供标准浓度气体，从而来测定空气污染程
度和校准测量仪器.

发表于 2023-1-20 17:31

气体校准装置控制电路中机箱温度和气路温度需要精确控制，为了能够在同一时刻
进行采样，保证信号的采样间隔最小，本论文采用同步采样技术，原理是对采样管脚同
时进行采样保持，从而实现同时双通道数据采集，它适用于信号电平变化速度快、等间
隔采样过程.

发表于 2023-1-20 17:32

温度测量使用温度传感器将温度量转换成电压量，然后用ADC芯片进行相应的电
压采集，这样就做到了温度的间接采集。
主要通过逐次逼近型（SAR）ADC以及Δ-Σ ADC进行电压采集，SAR ADC将输入
信号在数值上逐次逼近模拟量的对应值；Δ-Σ ADC对输入信号进行采集多次，然后取平
均值[
37]。Δ-Σ ADC相比SAR ADC来说具有量化噪声小、分辨率高、采样精度高的优势
[38]。考虑到机箱和气路的温度控制精度高，论文选用Δ-Σ ADC进行电压采集，实现了
高精度温度采集以及较低的量化噪声的目的。
Δ-Σ ADC是一种目前使用最为普遍的高精度ADC结构，在要求电压精度达到20
位以上的场合，Δ-Σ ADC有很大的优势[
39]，它内部通过过采样技术、噪声整形技术以及
数字滤波技术，实现了用速度换取精度[
40]。

发表于 2023-1-20 17:32

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发表于 2023-1-20 17:34

论文通过两个质量流量控制器（MFC）控制原料气和稀释气流量的动态调节，配置
的目标标准气体的稀释比等于原料气与稀释气通过MFC的流量之比，根据稀释比、原
料气的浓度以及稀释气的浓度就可以计算出标准混合气体的浓度，因此MFC精确控制

发表于 2023-1-20 17:35

发表于 2023-1-20 17:35

发表于 2023-1-20 17:36

根据选取的CS200系列的MFC手册说明MFC的控制方式有两种，一种是模拟电
压控制，另外一种是RS485数字通信控制，而阀门的开度仅与模拟电压控制模式时有关
系，而本文选取的RS485数字通信控制，阀门的工作状态只有全开或者全闭；温度变化
会影响气体的密度进而影响气体通过MFC的质量流量，而本课题中MFC工作在恒温恒
压模式下，此时原料气和稀释气的密度就近似为不变，只需要考虑是MFC与主控器否
能成功的进行RS485数字通信控制。

发表于 2023-1-20 17:37

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发表于 2023-1-20 17:40

气体校准装置总体框架如图3-1所示。整个系统包括上位机、下位机、供气系统、
主控电路、基于MFC配置标准气体等部分，本论文对上位机部分不做研究。气体供给
系统可以为气体校准装置提供稀释气和原料气，分别通过MFC1和MFC2来控制它们的
流量，原料气可以通过钢瓶气、渗透管渗透、臭氧发生器以及气相滴定的方法获得，稀
释气通常使用钢瓶中较为纯净的氮气。质量流量控制器CS200可以控制稀释气和原料气
的流量之比从而配置目标浓度的标准气体。目前，采用高精度的MFC动态配置稀释比
动态调整标准气体的方案在不同配气方法中处于领先的地位，而且它的控制精度较高。

发表于 2023-1-20 17:41

当稀释气、原料气供给系统温度稳定时，上位机按照目标配置标准气体的浓度分别
基于MFC1、MFC2控制二者的流量，然后在气体混合室内充分稀释，最后输出目标浓
度的标准气体，其中MFC供电电压为DC24V，受控于电源板板，控制的数字电压为0～
5V，受控于主控板，同时MFC1、MFC2输出的流量可以作为反馈信息，从而确定配置
的标准气体是否达到目标浓度，若有一定的误差则重新调整原料气和稀释气的配比，提
高了精度。

发表于 2023-1-20 17:42

当稀释气、原料气供给系统温度稳定时，上位机按照目标配置标准气体的浓度分别
基于MFC1、MFC2控制二者的流量，然后在气体混合室内充分稀释，最后输出目标浓
度的标准气体，其中MFC供电电压为DC24V，受控于电源板板，控制的数字电压为0～
5V，受控于主控板，同时MFC1、MFC2输出的流量可以作为反馈信息，从而确定配置
的标准气体是否达到目标浓度，若有一定的误差则重新调整原料气和稀释气的配比，提
高了精度。

发表于 2023-1-20 17:43

气体校准装置控制过程如图3-2所示，主要目的是在气体混合的过程中对气路和箱
内的温度进行监测和控制，从而配置不同组份不同浓度的标准混合气体，实现配置标准
气体的功能，从而满足用户需求。

发表于 2023-1-20 17:43

具体工作流程为通过键盘电路模块设定各气体流量比，经上位机和单片机控制模块
通过RS485通信模块对MFC进行控制，从而实现特定的稀释比。选用基于铂电阻测温
原理的温度传感器，将温度量转换为相对应的电阻值[
66]，然后经过滤波放大等信号调理
转变为电压量，在单片机的控制下A/D对调理后电压进行采集，可以实现对气路和箱内
的温度进行监测，通过单片机把监测的温度在保存在FLASH芯片中，当温度高于或低
于目标值时通过ADRC温控算法使机箱和气路室的温度趋于设定值，单片机通过I/O口
控制驱动模块实现电子阀的通断，实现标准气体的输出。

发表于 2023-1-20 17:44

气体校准装置控制电路

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