氣體分析儀自動校準(zhǔn)裝置的設(shè)計(jì)與研究

1、內(nèi)容提要內(nèi)容提要1. 1. 緒緒 論論 2. 2. 氣體流量的控制方案氣體流量的控制方案3. 3. 系統(tǒng)的工作原理系統(tǒng)的工作原理4. 4. 系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì) 5. 5. 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析 6. 6. 技術(shù)指標(biāo)與改進(jìn)技術(shù)指標(biāo)與改進(jìn) 1 1 緒論緒論1.1 1.1 課題研究意義課題研究意義1.2 1.2 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)氣體發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)氣體發(fā)展現(xiàn)狀1.3 1.3 本課題研究主要內(nèi)容本課題研究主要內(nèi)容 1.1 1.1 課題研究意義課題研究意義 各類氣體分析儀及氣體報警器在各個領(lǐng)域的廣泛使用，為了其確保量值的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，需要使用標(biāo)準(zhǔn)氣體對其進(jìn)行定期的檢定和校準(zhǔn)。標(biāo)準(zhǔn)

2、氣體作為標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，它的配制過程與液體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)的配制相比，有一定的難度和不確定性。1.2 1.2 國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)氣體發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)外標(biāo)準(zhǔn)氣體發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)達(dá)國家已經(jīng)有比較成熟的標(biāo)發(fā)達(dá)國家已經(jīng)有比較成熟的標(biāo)準(zhǔn)量值傳遞體系準(zhǔn)量值傳遞體系國外發(fā)展現(xiàn)狀國外發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀起步較晚，近些年發(fā)展迅猛，起步較晚，近些年發(fā)展迅猛，但是仍然存在很多問題但是仍然存在很多問題1.3 1.3 主要研究內(nèi)容主要研究內(nèi)容 本課題的目的是設(shè)計(jì)一套氣體分析儀自動校準(zhǔn)裝置，為氣體分析儀和氣體報警器的檢定和校準(zhǔn)工作提供低濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體，選擇合適的氣體流量配制方案，設(shè)計(jì)流量控制算法，通過精確的控制氣體質(zhì)量流量控制器來實(shí)現(xiàn)氣體比

3、例的調(diào)節(jié)，從而得到所需濃度的混合氣體，實(shí)現(xiàn)精度高、響應(yīng)時間快、濃度值連續(xù)可調(diào)、操作方便等目的。2 2 氣體流量的控制方案氣體流量的控制方案2.1 2.1 控制方案的確定控制方案的確定2.2 2.2 模糊控制的原理模糊控制的原理2.3 2.3 模糊控制過程仿真模糊控制過程仿真 2.1 2.1 控制方案的確定控制方案的確定 模糊控制作為非線性控制系統(tǒng)建模和實(shí)現(xiàn)控制的一種有效的方法，和常規(guī)的PID控制相比，具有以下特點(diǎn)： (1)無須建立精確的數(shù)學(xué)模型； (2)采用語言控制規(guī)則，依據(jù)的是相關(guān)專家的知識和操作人員的控制經(jīng)驗(yàn)，易于被接受和理解； (3)魯棒性強(qiáng)，特別適合于非線性、時變和純滯后系統(tǒng)的控制；2

4、 2 氣體流量的控制方案氣體流量的控制方案圖1 模糊控制器的結(jié)構(gòu)圖2.2 2.2 模糊控制的原理模糊控制的原理 當(dāng)流量誤差為負(fù)大時，若當(dāng)流量誤差變化為負(fù)，這時流量誤差有增大的趨勢，為盡快消除已有的負(fù)大誤差并抑制變大，所以控制量變化取正大。當(dāng)流量誤差為負(fù)而流量誤差變化為正時，系統(tǒng)本身已有減少誤差的趨勢，所以為盡快消除誤差且又不超調(diào)，應(yīng)取較小的控制量。當(dāng)誤差為負(fù)大且變化量為小時，控制量的變化取為正中，若誤差變化為正大或正中時，為了避免超調(diào)產(chǎn)生偏差，控制量變化取為0等級。表1 模糊控制規(guī)則表 表2 模糊控制查詢表2.3 2.3 模糊控制仿真模糊控制仿真圖2 模糊推理規(guī)則觀察器圖2 隸屬度函數(shù)曲線圖4

5、 模糊控制的響應(yīng)曲線3 3 系統(tǒng)的工作原理系統(tǒng)的工作原理該裝置通過控制各個氣路的流量達(dá)到控制氣體濃度的目的，氣體流量的調(diào)節(jié)由數(shù)字式質(zhì)量流量控制器(簡稱MFC)控制，它的優(yōu)勢在于： (1)流量的測量和控制不會隨溫度或壓力的變化而變化 (2)可以精確地控制氣體的設(shè)定值 (3)與模擬式MFC相比，數(shù)字式MFC內(nèi)部集成有D/A和A/D轉(zhuǎn)換模塊，可以直接與計(jì)算機(jī)進(jìn)行數(shù)字通訊3 3 系統(tǒng)的工作原理系統(tǒng)的工作原理 各個氣路的氣體濃度和流量的關(guān)系：kGGmm:f:fk:11 所以在實(shí)際工作中，只要控制好各組分氣體的流量比就可以相應(yīng)的控制標(biāo)準(zhǔn)氣體各組分的濃度。)1 ( :1121kiikNGGmmmf:f:fk

6、當(dāng)配氣過程中不使用稀釋氣N2則各組分原料氣之間的流量比為：4 4 系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)系統(tǒng)硬件和軟件的設(shè)計(jì)4.1 4.1 硬件結(jié)構(gòu)組成硬件結(jié)構(gòu)組成4.2 4.2 軟件流程軟件流程 4.1 4.1 硬件結(jié)構(gòu)組成硬件結(jié)構(gòu)組成圖5 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖4.2 4.2 軟件流程軟件流程圖6 系統(tǒng)軟件流程圖圖8 配氣操作菜單圖7 液晶顯示模塊流程圖5 5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析5.1 5.1 實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)5.2 5.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理5.3 5.3 不確定度分析不確定度分析 5.1 5.1 實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì) 配氣管路多，配氣濃度范圍寬，數(shù)據(jù)繁多，實(shí)驗(yàn)量非常大， 根據(jù)

7、分析實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、影響因素、確定水平，決定選用5水平6列共作25次實(shí)驗(yàn)，即L25(56)可以大大減少工作量，同時又能考慮到各種極端條件，實(shí)驗(yàn)覆蓋面廣。5 5 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析5.2 5.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理驗(yàn)證結(jié)果準(zhǔn)確性的方法：(1)使用高精度的氣體分析儀器進(jìn)行分析(2)與標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)進(jìn)行比對 5.3 5.3 不確定度分析不確定度分析 不確定度評定過程中影響因素很多，很難考慮到有關(guān)不確定度的所有信息: (1)所采樣的樣品標(biāo)氣可能不具有代表性； (2)對MFC評估的不完全性； (3)測量儀器的精度受限； (4)在相同條件下被測量在重復(fù)觀測中的變化等等。6 6 技術(shù)指標(biāo)與改進(jìn)技術(shù)指標(biāo)與改進(jìn)6.1 6.1 技術(shù)指標(biāo)技術(shù)指標(biāo) 最大稀釋倍數(shù)：2000:1 最大輸出流量：2870mL 流量線性誤差：0.8% 預(yù)熱時間：30min