基于质量流量的高精度气体浓度配比仪的设计

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[2, 4].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.

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(MFC)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.

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(SAR)12位高精度A/D转换器,其差分非线性度(DNL)和整体非线性度(INL)为±1LSB,保证了输入到单片机的信号精度是参考电压的1/4 096,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TI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　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阻值的热敏线圈,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流量,达到控制混合气体浓度的目的[3].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