数字化气体质量流量计及在材料生长中的应用

　　0　引　　言

　　气体质量流量计可以精确计量和控制气体的流量大小,广泛地应用于需要进行精确组分设计的材料生长领域。其工作原理是:控制比例电磁阀的开启状态达到控制气体流量的目的;通过毛细管传感器,将流量信号转变为电压信号,反映真实的流量大小[1]。

　　常用的气体质量流量计,以手动调节的方式改变模拟电位器的分压,从而设置气体流量大小;毛细管传感器的电压信号,经过比例放大电路,输出0~5 V的电压反映实际流量大小。该类型的气体质量流量计,一般还具有模拟信号接口,通过控制器给定0~5 V的电压信号(或4~20mA)来设置流量;通过读取0~5 V(或4~20 mA)的输出信号,反映当前的流量状况[2]。如果要用计算机对其进行程序控制,必须外加DA/AD转换模块,将模拟信号与数字信号相互转化,才能接入计算机控制系统,构成一个控制网络。

　　而数字化气体质量流量计,含有微处理器,在内部集成有(DA+AD)转换模块,具有RS-232接口或RS-485通讯接口,对流量的设置和流量的检测,以数字化形式通过RS-232接口或RS-485接口完成,因此计算机等控制器对数字化质量流量计的控制相对更为方便可靠。另外,通过数字化接口,还可以对气体质量流量计进行更加广泛的功能设置。

　　RS-485标准允许在平衡电缆上连接多至32个发送器/接收器,特别适合工业控制领域进行分布管理、联网检测控制,得到广泛应用[3-5]。因此具有RS-485接口的质量流量计对应用系统来说更为方便可靠。下面以BrooksSLA7850S数字化气体质量流量为例,介绍有关通讯协议的格式以及流量计在材料生长中的使用。

　　1　数字化质量流量计通讯协议

　　Brooks SLA7850S数字化气体质量流量计除了具有传统的0~5 V或4~20 mA模拟控制引线外,还具有RS-485数字通讯接口。信号从流量计的DB15连接器中引出/引出。其中14针、15针引出RS-485信号(B)、(A)[6]。RS-485标准是一种多发送器的电路标准,允许在双导线上有多个发送器,也允许一个发送器驱动多个负载。但RS-485仅能工作在半双工方式,即任一时刻只允许一个发送器发送数据,而其他组件只能处于接收状态[3]。Brooks数字化质量流量计的485通讯协议是以HART为基础的。

　　1.1　HART消息的结构[7]

　　HART是一种“主/从”通讯协议,即每次通讯“主控制器”发出请求,然后被选中的“从器件”进行应答。HART消息结构如图3所示,由引导符、起始符、地址、命令、字节数、状态字、数据域、校验码等几部分构成。HART这种格式既可以用于请求又可以用于应答。HART消息以字节为单位进行编码,串行发送。