便携式全自动动态配气仪的设计.pdf

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1、第9期王宇轩等．便携式全自动动态配气仪的设计1059便携式全自动动态配气仪的设计王宇轩‘程明霄1李舒2(1．南京工业大学自动化与电气工程学院，南京210009；2．南京市计量监督检测院．南京210037)擅耍运用单片机C8051F120、热式质量流量计和红外检测传感嚣，设计了闭环控制动态配气系统。给出了硬件电路和两股原料气流量分配的自控流程。配气实测对比结果表明，谈系统不受环境温度和压力的影响。而且精度高。相对误差不超过2％，系统稳定时间最多只需30s。关键词动态配气法(：805lFl20PI控制原料气流量分配电路中圈分类号TH715文献标识码A文章编号IOOO．3932(2011)0

2、9．1059-05标准气在石油、化工、煤矿及计量等行业被广泛应用，如可燃性报警气的报警系统需定期通标准气，以校准报警系统中传感器的参数。标准气的配置方法有静态和动态两种。静态配气法较为简单而且可靠性相对较高，但是不能进行连续配气，现场标定时需要多个钢瓶，不仅降低了气体资源的利用率，也增加了运输成本和工人的工作强度，不适用于连续用气的设备；动态配气法是将已知浓度的原料气与稀释气按一定比例连续不断地送人混合器混合，可以不间断地配制并供给设备一定浓度的标准气，其原料气与稀释气的流量比即为稀释倍数，根据稀释倍数就可以计算出标准气的浓度。动态配气法尤其适用于配制低浓度的标准气¨”oo目前，市场上

3、的动态配气装置大多采用开环控制回路，而笔者设计的便携式全自动动态配气系统，能够对所配制标准气的浓度进行实时调节，保证了所配标准气浓度的精确性和稳定性。1工作流程全自动动态配气系统以单片机C805lFl20为主控芯片，通过RS485接口以MODBUS．RTU通信协议与两个质量流量计通信，分别实时控制当前原料气与稀释气的流量，两种气体充分混合后送人红外检测气室，其内的红外传感器即可根据此时的混合气体浓度，以0一lV的电压信号反馈到C805lFl20，经过电压对应的浓度关系，即可计算出当前混合气体的浓度，单片机再根据反馈回的当前混合气体的浓度值，向质量流量计发送流量控制命令，实现动态配制的气

4、体浓度与设定标准气的浓度值相同。2硬件组成全自动动态配气系统主要由电源、单片机、质量流量控制器、红外气体检测传感器、液晶显示屏及按键等硬件组成，其结构如图1所示。反馈图1系统结构简图2．1单片机系统采用C8051F120单片机作为主控芯片。完成控制、数据采集、处理、输出和浮点计算任务H1。其内核为高速流水线结构的CIP-5l，最高执行速率100MIPS；128KByteFLASH存储空间、8．448KByteXRAM，可扩展外部数据存储器；64KByte寻址空间，64(8×8)个I／O引脚，两个UART串行接口，12位D／A和A／D，定时器，捕捉／比较模块，可编程计数器／定时器，看门狗

5、定时器，VDD监视器，支持SPI及SMBUS／12C等。另外，还设计了具有全速、非侵人式在线调试JTAG接口和USB接口，用来连接仿真器，使调试更加方便。收疆日期：201I-08-05(修改甍)1060化工自动化及仪表第38卷2．2质量流量控制器系统采用Red-YSmart系列智能气体热式质量流量控制器，它最显著的优点是能动态地测量流量，而且体积小、重量轻、精度高、响应快(50ms)，同时支持MODUBS-RTU通信。该控制器通过热扩散原理检测气体的质量流量，一般有基于恒温差原理和基于恒功率原理两种设计方法。恒温差原理是两传感器之间的温度△r保持不变，耗散功率P与流体质量流量Q成指数函

6、数递增关系；恒功率原理指耗散功率P不变，温度差△r与流体质量流量Q成指数函数递减关系”’61。两种原理都基于如下计算模型：寿=M+K(Q)N(1)式中P——耗散功率，W；AT——两个传感器之间的温度差，K；Q——质量流量，g；JIv——指数系数；肘、卜与气体的热性能有关的系数。系统选用的质量流量控制器采用恒温差原理(图2)，可以控制空气、0：、N：、CO：、H：、CH。、C，H。、C3H。、CO及C．H。。等气体的流量，它的内部有一个持续发热的加热器H，当气体相继流过温度传感器T。、加热器H和温度传感器T：后，气体的温度会升高，T：与T。所测气体的温度之差AT与气体的质量流量成一定比例

7、，因此通过△r即可计算得出气体的质量流量。图2恒温差原理示意图2．3红外检测气体传感器、红外光源和检测气室红外探测器是整个气体检测部分的核心部件，本系统选用带有干涉滤光片(窄带滤光片)的PYS3228TCC20热释电红外探测器，滤光片的作用是只允许与被测组分对应的红外线特征吸收波段的光透过，阻止其它波长的红外线透过或使其大大衰减，该传感器在3．35p．m处吸收峰锐利突出¨1，吸收效果好，且其截止区域宽广，能有效地排除其它组分气体的干扰。因此，可