基于DSP的动态智能配气仪的设计

陈 燕，王晓荣，张进明，孔德鸿，张 磊

(南京工业大学自动化与电气工程学院，江苏南京 211816)



基于DSP的动态智能配气仪的设计

陈 燕，王晓荣，张进明，孔德鸿，张 磊

(南京工业大学自动化与电气工程学院，江苏南京 211816)

针对国内现场配制标准气的设备大多采用开环控制、控制精度较差的现状，在结合气体质量流量控制器原理、红外气体检测原理、模糊PID控制原理等理论基础上，构建了以DSP TMS320F2812为主控芯片的动态配气系统的总体结构，并给出了红外检测仪的硬件设计、配气过程中模糊PID的软件设计、系统整体的软件设计。结果表明：此配气仪配气精度达1%，稳定性良好、响应快，且操作简单方便、体积小，可以实现任意低浓度标准气的配制，实现了预期设计目标，可以推广使用。

红外气体检测；模糊PID；DSP；质量流量；标准气

0 引言

标准气体作为参考量，在工业上被广泛用来校准测量仪器，评价测量方法准确度和检验仪器检测能力。国内标准气体的配制大多是采用简单且可靠性高的静态配气法，但其成本高，技术步骤复杂严密，不适用于连续用气的设备。针对这一现象，设计了一种动态的配气仪，该仪器以DSP为主控芯片，结合气体质量流量控制器的原理、红外气体检测原理以及配气过程的模糊PID控制原理，给出了一种闭环控制的便携式智能配气仪[1]的设计。

1 智能配气系统的总体结构设计

整体设计思路为，选用钢瓶存储的样气标准气和稀释标准气作为2路源气。比如：样气标准气为一定浓度的CH4/N2，稀释标准气为高纯度N2。2路源气分别经过过滤器后，与质量流量控制器相连接，主控芯片通过数字通讯控制质量流量控制器，从而对气体流量进行实时控制。气体通过质量流量控制器，在混合室进行充分混合后，进入红外检测气室。此时，红外气体浓度检测仪会根据此时的混合气浓度，反馈给主控芯片一定的电压信号，主控芯片再根据设定值与反馈值相比较，通过一定的控制算法实时调控两路气体流量，从而配制出一定浓度的标准气[1-2]。总体框图如图1所示。

图1 智能配气仪设计结构图

采用Red-y Smart智能系列气体热式质量流量控制器[2]，最显著的优点是其卓越的高精度传感器，快速响应以及动态的测量，另外其信号模式可以为数字信号模式，方便了配气系统的设计。此外Smart质量流量控制器还可以控制多种气体，如：N2、CO2、CO、N2O、H2和CH4等。

1.1 红外气体检测系统硬件设计

红外气体浓度检测仪的设计主要包括红外光源、红外滤光片、检测气室、红外传感器、信号处理模块、气室温控电路。

红外气体检测的结构如图2所示，红外光源发出红外光，经红外滤光片的滤透，进入充满了待测气体的气室，红外光经过气体的吸收，最后到达红外传感器。红外传感器检测得吸收后光能量的强度，从而反映了气体吸收红外光的强弱。由于红外探测器输出的信号非常微弱，需要经过精密的前置放大电路和整流滤波电路，才能获得稳定信号，得到的信号和气体浓度呈一定的关系。信号经过A/D转换，送到主控芯片进行控制处理。

1.2 主要硬件的选择

1.2.1 DSP TMS320F2812简介

该系统选用DSP芯片TMS320F2812[3]作为主控芯片。该芯片是一款用于控制领域的32位低功耗定点数字信号处理器，采用先进的哈佛总线结构，将程序和数据存放在不同的存储空间，每个存储空间都可以独立访问，而且程序总线和数据总线分开，在处理速度和处理精度方面占有极大优势。它既具有数字信号处理能力，又具有强大的事件管理能力和嵌入式控制功能。该主芯片采用32位中央处理器，主频可达150 MHz，CPU可寻址高达4G字的数据地址空间和4M字的程序地址空间；16通道高性能12位模数转换器(ADC)提供了2个采样保持器，可以实现双通道信号同步采样；具有2个事件管理器(EVA，EVB)，56个独立的可编程、多用途通用I/O口(GPIO)。

1.2.2 红外传感器

红外传感器是红外检测系统中的核心元件，它将通过测量气室的待测气体吸收后剩余的光能转换为某种形式的信号供测量使用。由于检测的精度很大程度上取决于传感器性能。系统采用PYS3228TC G20传感器。该传感器吸收峰锐利突出，吸收效果好，且其截止区域宽，故是理想的红外传感器。

该传感器的工作原理[4]：在中红外波段，CH4、CO、H2、SO2、NO和CO2等非对称双原子和多原子分子都有特征吸收光谱区，当红外光通过被测气体时，其分子就会有选择性地吸收红外辐射，也就是说如果气体吸收谱线在入射光谱范围内，那么光通过气体以后，在相应谱线波段处会发生光强的衰减，气体对红外辐射的吸收遵循Lamber-Beer定律：

I=I0e-KLc

(1)

式中:I为红外光通过被测气体后的光强;I0为入射光的强度;L为辐射透过气体层的厚度;c为气体的浓度;K为吸收常数。

所以，当气室长度为L时，也就是气体的厚度被定为L。吸收常数K与气体的特性有关，也就是说当被测气体被确定时，吸收常数K也就被确定了。所以，气体的浓度c只和I有关，只要测出I就可以确定气体的浓度了。在这里I被转换成了电压信号，所以测出电压信号就确定了气体的浓度。

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1.3 主要检测补偿电路的设计

1.3.1 前置放大电路的设计

红外传感器输出的信号很微弱，必须放大后才能对其进行处理。由于物理特性的原因，红外传感器的测量精度难以提高，为了使测量精度满足要求，对前置放大电路的精度就要有较大的提高。如图3所示，本设计采用放大器AD707和AD708构建了二级放大电路。第一级选用放大器AD707，它适合于小信号的放大，具有低温漂、低失调、高增益及高共模抑制比等特点，配合电阻反馈式放大电路使用，放大精度高，还可以实现实时放大，更好地满足了本系统的性能要求。第二级放大器选用AD708放大器，其失调电压漂移典型值为0.1 μV/℃，最大输入偏置电流漂移为25 pA/℃，共模抑制比为130 dB。

图3 前置放大电路

1.3.2 检波整流电路的设计

如图4所示，由加法运算放大器与半波精密整流电路构成了全波精密整流电路[5]。在半波精密整流电路中，当Ui小于0时，AD708的输出电压大于0，二极管D8导通，D9截止，流过R43的电流为0，因此半波精密整流电路的输出电压UO1=0。当Ui大于0时，AD708的输出电压小于0，二极管D8截止，D9导通，电路实现反向比例运算，输出电压为UO1=-2Ui；在加法运算放大器电路中UO=-(UO1+Uin)，当Uin<0时，UO1=0，UO=-(0+Ui)=-Uin；当Uin>0时，UO1=-2Uin，UO=-(-2Uin+Uin)=Uin。所以UO=|Uin|。由于输出电压等于输入电压的绝对值，从而此电路又被称为绝对值整流电路。

图4 检波整流电路

1.3.3 温度补偿电路的设计

图5为检测器的温度补偿电路，LM35的输出电压与摄氏温度呈线形关系，0 ℃时输出电压为0 V，每升高1 ℃，输出电压增加10 mV，通过调节可调电阻R64可以使得每升高1 ℃输出电压的变化范围为0～10 mV。CON5的作用是调节正负温度补偿，即当CON5的1脚和2脚连接时，U2输出负电压，当CON5的1脚和2脚不连接时，U2输出正电压。在对整个仪器的调试基本完成后，需要对整个仪器做温度测试，即把整个仪器分别放在不同的温度环境下来测试它的输出，以此来决定是否需要温度补偿，以及到底需要多大的温度补偿[4]。

图5 检测器的温度补偿电路

2 智能配气系统的软件设计

2.1 系统软件的总体设计

该智能配气系统的软件主要由C语言编写，开发环境为CCS 3.3，软件设计采用模块化设计。如图6所示，开机后首先系统初始化，如果参数设置不更改，则自动初始默认为上次操作时的参数(包括气体总流量、配制低标准气浓度等)，根据参数设置进行计算分配气体质量流量，然后按照MODBUS-RTU通信协议发送给两个质量流量控制器。当一路样气为5%的CH4与一路稀释气99.99%N2充分混合后，流过红外气体浓度检测仪，此时该检测仪根据气体浓度输出对应的电压(输出电压范围0～1 V)反馈到主控芯片，此电压经过主控芯片A/D转换得到相应的CH4气体浓度，与设定浓度参数对比，再经过模糊PID控制算法处理，计算分配气体质量流量，从而实时控制气体质量流量，以使气体浓度稳定达到设定浓度值。

图6 系统软件流程图

2.2 模糊PID控制算法软件设计

图7 模糊PID控制算法流程图

3 结果分析

将CH4摩尔分数为4.98%的CH4/N2标准气体和纯度为99.999%的高纯氮气按样气和稀释气分别连接配气仪，打开钢瓶使气压值在0.2 MPa，通过设置配气仪均比例等分满量程，配制低浓度的混合气体，分别使配气仪连续30 min后，待其配气充分稳定再进行记录。其中量程气为CH4/N2标准气体。

通过表1可以看出配气精度可以达到1%，达到国家一级仪表的标准，达到了仪器精度的设计预期[7-8]。同时依据表中数据，利用最小二乘法在Matlab中做线性拟合，以理论标准值为横轴，以显示值为纵轴绘制反应具有国家标准物质号的标准气体同本仪器配制气体的相关程度的拟合曲线。

表1 配置数据表

如图8所示可以分析得出理论标准值同显示值较好地拟合，两者趋于线性关系，利用Matlab软件得到拟合结果为

y=1.012x-0.02

(2)

由线性相关系数公式：

(3)

图8 拟合曲线图

根据式(2)和表(1)在Matlab[8]中编译相关程序得到线性相关系数R=0.994，拟合效果理想，线性相关程度较高，表明配气仪配出的气体与具有国家标准物质证书的标准气体高度线性相关，证明该智能配气仪能有效地溯源至国家标准。

4 结束语

针对目前国内大多数配气仪都采用开环控制的问题，研制了闭环的便携式智能配气仪，该仪器采用红外检测原理，配合高性能的主控芯片DSP TMS320F2812和Red-y Smart智能系列气体热式质量流量控制器，再用模糊PID控制算法对其系统优化，从而保证了配置的气体达到国家标准。该配气仪可以在现场连续配制任意低浓度的标准气，用于对气体浓度监测设备的标定校准时非常方便，在大气环境监测、化工产品检验、仪器仪表校准等领域也有很好的实用价值。

[1] 陆国强．高精度自动配气系统研究:[学位论文]．南京：南京航空航天大学，2008.

[2] 赵建化．基于质量流量控制器的多组分动态配气系统研究．自动化仪表，2008，29(2):45-47.

[3] 孙丽明.TMS320F2812原理及其C语言程序开发.北京：清华大学出版社,2008:5-30.

[4] 刘中奇.基于红外吸收原理的气体检测.煤炭科学技术,2005(1):11-13.

[5] 高晋占.微弱信号检测.北京：清华大学出版社，2004：154-182.

[6] 张魏.在线自调整模糊PID控制器的设计.自动化仪表，2000(3):12-14.

[7] 黄一祥.多元气体配气仪设计及精度分析.现代科学仪器，2009，6(3)：44-46.

[8] 王中鲜.MATLAB建模与仿真应用.北京：机械工业出版社，2010:258-270.

Design of Dynamic Intelligent Gas Meter Based on DSP

CHEN Yan，WANG Xiao-rong，ZHANG Jin-ming，KONG De-hong，ZHANG Lei

(College of Automation and Electrical Engineering，Nanjing 211816，China)

In view of the present situation that the domestic equipments for the configuration of the standard gas mostly adopt open loop control and have poor accuracy control,combined with theories such as gas mass flow controller principle,infrared gas detection principle and fuzzy PID control principle,the whole structure of dynamic gas distribution system using DSP TMS320F2812 as the main control chip was constructed,and the hardware design of the infrared detector,the software design of fuzzy PID in distributing gas and system software design were given.The results show that the gas meter has the accuracy of 1%,good stability,fast response,simple and convenient operation,and small volume.The gas meter can achieve configuration of arbitrary low concentration standard gas,realize the desired design goals and can be widely used.

infrared gas detection；fuzzy PID；DSP；mass flow；standard gas

2014-03-31 收修改稿日期：2014-11-30

TP212

A

1002-1841(2015)04-0017-04

陈燕(1990—)，硕士研究生，研究方向为嵌入式系统、分析仪器设计。E-mail：774367607@qq.com