外壳耐压试验中流量法配气精度的控制方法探讨

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(沈阳电气传动研究所(有限公司)，辽宁 沈阳 110141)

1 引言

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。

2 控制系统的设计

2.1 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，系统的硬件原理如图1所示。

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MCP3204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；人机界面采用触摸屏作为显示和输入的途径，便于使用者观测气体浓度的输出值，具有显示和控制的任意更改性和良好的界面显示效果。

为了保证配比后气体浓度精度的要求，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12位高精度A/D转换器，其差分非线性度和整体非线性度为±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T1公司的TLC5638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。

2.2 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电阻的热敏线圈，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体，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:

M1+M2=M

(1)

M1C1+M2C2=MC

(2)

式中，M1为C1的气体的质量流量；M2浓度为C2的气体的质量流量。

将式(1)变换后代入式(2)，得

(3)

(4)

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：

(5)

控制系统的主气路设计如图2所示，由两种气源流出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。

图2 气体混合工艺图

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Cx，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PD算法，其原理如图3所示。

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。

2.3 配比仪主要硬件电路设计

为保证气体配比浓度的高精度，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。

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4 数据采集和控制电路图

图5 触摸屏控制器电路

3 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合，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，都可以用分段线性化来处理，即把函数曲线分成若干段，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0.2%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，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。

4 存在问题及解决方案

实际中配气主要是通过D08-8C型数字流量积算仪和D07-60B型质量流量计控制流量传感器，以及配气控制系统实现对配气精度的控制。质量流量计分为间接式和直接式两种，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。

以现有的配气系统完全可控制配气精度。我仔细阅读了控制配气精度的两个主要仪器仪表的工作原理和主要技术指标。对于配气精度控制的主要因素有两点：

其一，掌握质量流量计气体浓度配比；

其二，定期对质量流量控制器进行维护保养。

气体浓度配比是由质量流量控制器压差来控制的，正常工作时，压差过大，流量将无法关闭或调小。在使用大流量的质量流量控制器时，需适当加粗管道和减小气源内阻，若工作压差小于要求值，有可能流量达不到满量程值。所以控制好气体浓度的配比是十分重要的。

质量流量控制器的定期维护保养，也是非常重要的环节。①调零和外调零，控制器首次使用或工作一段时间后，发现零点偏移，需调整。可以通过外罩上进气口侧面的调零孔调整，也可揭开外罩调整。能够避免不必要的误差。②质量流量控制器的“清洗”功能可以排除流量控制器内部的残存气体，这也是控制精度的一种好方法。

5 实验结果

选用两种互不反应的气体进行混合配比，用纯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0.2%。

表1 实验结果 %

6 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PD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度的检验仪器使用。