基于流量控制的兩級動態配氣系統的研究

曲寶軍，劉原勇

(山東理工大學 機械工程學院, 山東 淄博 255049)

基于流量控制的兩級動態配氣系統的研究

曲寶軍，劉原勇

(山東理工大學 機械工程學院, 山東 淄博 255049)

摘要：針對氣體標準物質配置缺少通用性且操作過于復雜的現狀，提出一種新型的兩級配氣技術.采用基于流量控制的動態配氣法，利用兩級稀釋提高稀釋比，實現多組分氣體的全量程配氣，得到一種結構緊湊、體重輕、稀釋比大、配氣精度和自動化程度高的低濃度兩級動態配氣系統.

關鍵詞：兩級配氣； 動態配氣； 多組分

目前國內外常見的氣體標準物質的配制方法有靜態法和動態法兩種[1-3].其中靜態法較為常用，即把一定量的稀釋氣加到已知容積的原料氣的高壓或加壓容器中混勻而制得標準氣[4-5]，但在標準氣體用量較大或者是通標準氣體時間要求較長的工況中，靜態配氣法就不能滿足要求[6-7].動態配氣法就是根據已知濃度的原料氣體與稀釋氣體按照恒定的比例進入混合器混合，從而連續不斷地配制并供給一定濃度的標準氣，根據稀釋比計算得出標準氣的濃度[8-9]，但當前動態配氣稀釋比不高，將高濃度氣體稀釋為低濃度氣體較為困難[10-12].

本文采用基于質量流量控制器的動態配氣法，利用兩級稀釋來提高稀釋比，設計出一種可以實現高稀釋比的低濃度氣體動態配氣系統.

1兩級配氣工作原理

不同氣體流過質量流量控制器時所帶走的熱量不同從而得到不同的電信號，通過對電信號處理可以得到各種氣體的質量流量信號.質量流量的控制則是將檢測的質量流量信號與標準信號比較后得到控制信號，該控制信號用來控制電子質量流量控制器的電磁閥開度，由于質量流量控制器控制的是每一路氣體實際的質量流量而不是體積流量，因此配制的標準氣濃度將不受環境溫度和壓力變化的影響.

當需要配制100μL的SF6混合氣體時，需要對純SF6氣體稀釋10 000倍，而目前質量流量控制器的稀釋倍數不能滿足要求.為此采用兩級自動配氣系統，通過兩級配氣，增大動態配氣系統的稀釋比，擴大配氣濃度范圍.

兩級自動配氣系統的原理圖如圖1所示，配氣開始前，先進行系統管道清洗，打開原料氣電磁閥、稀釋氣電磁閥、稀釋氣二級電磁閥、混合氣二級電磁閥、抽真空電磁閥和4個質量流量控制器，開真空泵抽真空.

1.原料氣鋼瓶；2.原料氣減壓閥；3.原料氣電磁閥；4.原料氣質量流量控制器；5.一級混合器；6.一級緩沖罐；7.泄壓閥；8.混合氣二級電磁閥；9.混合氣二級質量流量控制器；10.二級混合器；11.二級緩沖罐；12.排空浮子流量計；13.四通閥；14.真空泵；15.采樣浮子流量計；16.抽真空電磁閥；17.稀釋氣二級質量流量控制器；18.稀釋氣質量流量控制器；19.稀釋氣二級電磁閥；20.稀釋氣電磁閥；21.稀釋氣鋼瓶；22.稀釋氣減壓閥圖1　兩級自動配氣工作原理圖

開始配氣，打開原料氣和稀釋氣鋼瓶，通過各自的減壓閥調節到合適的氣體壓力；在整機控制系統中輸入原料氣和稀釋氣體名稱及相應的濃度，并輸入配置后的混合氣體濃度及流量，系統根據當前配氣要求首先打開原料氣電磁閥、稀釋氣電磁閥，并自動修改原料氣和稀釋氣質量流量控制器的氣體種類及相應氣體流量，同時控制器實時采集氣體的流量信息反饋給系統，從而構成閉環系統，進一步保證配氣的精度.經過配比后的原料氣和稀釋氣在一級混合器中充分混合，最后進入一級緩沖罐，完成初級配氣；當初級配制完成的混合氣體壓力高于泄壓閥設定壓力時，泄壓閥打開，把一級緩沖罐中多余的混合氣體排空；否則進行二級配氣，即系統自動打開混合氣二級電磁閥和稀釋氣二級電磁閥，同時自動修改混合氣和稀釋氣二級質量流量控制器的氣體種類及相應氣體流量，這樣一級緩沖罐中的混合氣體以及稀釋氣鋼瓶中的稀釋氣體以一定的比例經二級混合器進入二級緩沖罐，再由二級緩沖罐經排空浮子流量計進入廢氣回收裝置，或經采樣浮子流量計進入采樣設備，完成兩級氣瓶配氣.

2兩級配氣參數計算

兩級配氣技術共需采用4個質量流量控制器對氣體流量進行控制.兩級配氣過程中為了實現混合氣體的精確配制，需要對相應的配氣參數進行計算.

一級配氣得到的原料氣的實時濃度C1,feed為

(1)

式中：V1,feed為一級配氣時原料氣的質量流量；V1,dilution為一級配氣時稀釋氣的質量流量.

二級配氣得到的原料氣的實時濃度C2,feed為

(2)

式中:V1為前級配氣得到的混合氣體的質量流量；V2,dilution為經過二級配氣時稀釋氣的質量流量.

在配氣過程中，如果需要配制濃度為C的標準氣體，假設一級配氣過程中原料氣的稀釋比為m，設定流量為V，則二級配氣需要前級配氣得到的混合氣體的流量V1為

V1=VC

(3)

二級配氣需要稀釋氣的流量V2,dilution為

V2,dilution=V(1-C)-V1,dilution

(4)

一級配氣時原料氣的流量為

(5)

一級配氣時稀釋氣的流量為

(6)

一級配氣后得到的原料氣的濃度為

(7)

3多組分兩級動態配氣系統設計

本文選用美國ALICAT公司的質量流量控制器，其控制精度等于當前讀數的0.8%加上該流量控制器滿量程的0.2%，這種控制精度對于微量級的混氣條件有明顯的優越性.控制器內置20種普通氣體和10種混合氣體，給多組分氣體的混合提供了極大方便，同時能保證控制精度.0.1～0.3s的響應時間保證了整個配氣系統的響應速度和靈敏度.

氣體混合器是各種氣體混合均勻與否的核心部件，是動態配氣系統多種氣體快速均勻混合的關鍵，其混氣性能決定了配制的混合氣體的準確性與穩定性，圖1中一級混合器和二級混合器使用的管式混合器內置擋板17塊，流體在行進過程中，被單元分割的次數成冪級數的增加，便形成217次切割、剪切、旋轉和重新混合，可以達到流體之間良好分散和充分混合的目的.

如果一級配氣稀釋比和總流量設置不合理，則會影響最終的配氣結果.為此本文通過采用兩級配氣系統對高純SF6氣體和空氣設定不同的稀釋比(設定輸出流量為2 000mL/min)進行性能試驗，確定最終質量流量控制器的量程范圍和最佳稀釋比，計算結果見表1.

表1兩級配氣時SF6和空氣的稀釋比

濃度/μL·L-1配比1%配比2%前級配氣后級配氣前級配氣后級配氣SF6AIRSF6AIRSF6AIRSF6AIR100.00.219.820.01980.00.29.810.01990.0200.00.439.640.01960.00.419.620.01980.0300.00.659.460.01940.00.629.430.01970.0400.00.879.280.01920.00.839.240.01960.0500.01.099.0100.01900.01.049.050.01950.0600.01.2118.8120.01880.01.258.860.01940.0700.01.4138.6140.01860.01.468.670.01930.0800.01.6158.4160.01840.01.678.480.01920.0900.01.8178.2180.01820.01.888.290.01910.01000.02.0198.0200.01800.02.098.0100.01900.01200.02.4237.6240.01760.02.4117.6120.01880.01500.03.0297.0300.01700.03.0147.0150.01850.01700.03.4336.6340.01660.03.4166.6170.01830.02000.04.0396.0400.01600.04.0196.0200.01800.0

根據表1的配氣計算，從不同濃度的SF6氣體所用SF6氣體和空氣的用量來看，選定量程為10SCCM的SF6一級質量流量控制器和量程為50SCCM的空氣一級質量流量控制器，量程為300SCCM的SF6二級質量流量控制器和量程為3SLPM的空氣二級質量流量控制器，滿足設計要求，且配氣精度較高.

為了保證兩級配氣結果的可靠性，需要根據目標SF6氣體的濃度和一級配氣的稀釋比選擇最佳一級配氣SF6混合氣體的濃度，經過大量的試驗研究，得出的經驗值見表2.

4性能試驗

樣品氣體為高純的SF6標準氣體，稀釋氣體為純凈空氣，配置SF6標準氣體的濃度從100μL/L到2000μL/L.利用SF6色譜儀進行實際濃度的檢測，檢測重復6次，去掉異常峰后求平均得出SF6實際濃度，觀察設定濃度與實際濃度值相對誤差，測定結果見表3.

表2一級配氣SF6氣體濃度的經驗值

目標濃度/μL·L-1稀釋比/%1≤10012(100,300]23(300,500]34(500,800]45(800,1200]56(1200,1500]67(1500,1700]78(1700,2000]89(2000,2500]1010(2501,5000]1511>500020

表3準確度測定結果

設定濃度/μL·L-1實際濃度/μL·L-1誤差/%10098.11.900200197.01.500300296.51.167400396.40.900500503.40.680600603.00.500700695.70.614800795.30.588900906.00.66710001006.20.62012001194.40.46715001509.00.60017001708.80.51820002001.10.050

從測量結果上看，當稀釋比大于1∶2 500時流量控制精度略差，稀釋比小于1∶2 000時流量控制精度小于0.7%,有明顯提高，重復性<0.5%，滿足氣體標準物質分析測量的要求.

5結束語

本文采用高精度的質量流量控制器,配備內置17塊擋板的螺旋氣體混合管路,可實現一級、二級氣體配置.其中一級配氣稀釋比可到200∶1，二級配氣稀釋比可到40 000∶1.相對于SF6色譜儀，該動態配氣系統具有稀釋比大、穩定性好、精確度高、分析速度快等特點，在日常標準氣

體的分析對比中節約了大量氣體標準物質，縮短了工作人員的對比時間.經過現場分析對比，直接采用高純度氣體進行動態配氣，免除了攜帶大量標準氣體帶來的麻煩.本技術也適用于標準氣體用量較大、配氣時間要求較長或者組分氣體分子量差別大的工況.因此，本方法在氣體分析領域中值得推廣，具有良好的應用前景.

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(編輯：郝秀清)

Studyonalowconcentrationtwoleveldynamicgasdistribution

QUBao-jun,LIUYuan-yong

(SchoolofMechanicalEngineering，ShandongUniversityofTechnology，Zibo255049,China)

Abstract:According to the current situation that the gas standard material configuration lacks versatility and is too complex, we put forward a new kind of two-level gas distribution technology. We adopt dynamic volumetric method based on flow control and the way of two-level dilution to increase dilution ratio, and realize the full range distribution of several groups gas. Finally, we can make a kind of low consistency two-level dynamic distribution system with compact structure, low weight, large dilution ratio, high distribution accuracy and automation degree.

Key words:two level gas distribution; dynamic gas distribution; multicomponent

收稿日期：2015-05-13

作者簡介：曲寶軍，男，qubaojun@sdut.edu.cn

文章編號：1672-6197(2016)05-0029-03

中圖分類號：TP23

文獻標志碼：A