1. 研究目的与意义（文献综述包含参考文献）

文 献 综 述

一、背景

环境保护、环境监测已经成为当今社会的热门话题，随着国家对该领域的重视和投入的不断加大，围内各大学、研究所及工厂企业对ppm、ppb量级的各种挥发性、腐蚀性、吸附性气体的标准气体需求不断增加。而这些组份气体所配的标准气体稳定周期比较短，不宜长期存储使用，因此研制和开发该类标准气体的新式配气系统引起了相关行业的极大关注。当前，国内用重量法配制的此类气体的钢瓶装标准气体存在不确定度大且稳定性差的缺点。无法满足实际的需要，制约了该类痕量组份的精确定量检测。因此开展此类标准气体的实时的、动态的配气系统研制显得极为重要^[1]。本系统装置采用国际先进的自动控制配气原理，利用高精度的质量流量控制器稀释源气体以产生不同浓度的多种标准气体。该类型实时动态稀释配气系统的研制解决了当前科研以及工业现场标准气体的需求问题，不仅可以节约标准气体的使用而且可以大大节约实验分析人员的工作量。在实际的实验使用过程中，该系统装置的响应速度较快，且性能稳定，是一种值得推广的实用装置应用前景好。在对气体分析仪或气体监测系统进行检定或校准时，根据现场需求提出了一种基于质量流量控制器的动态智能气体配气装置的设计方案。该装置集浓度计算、配制气体、控制流量和数据处理等功能于一体，采用模糊控制算法，连续配制并输出浓度值连续可调的混合标准气体。该装置可满足实验室和现场对多种气体检测仪的检定和校准工作，便于携带，并可节约成本，提高工作效率，具有很好的应用前景^[2]。

二、质量流量控制器的原理及应用

质量流量器的原理质量流量控制器用于对各种气体的质量流量进行精密测量和控制。它大量用于电子工艺设备中．如扩散、氧化、外延、CvD、等离子刻蚀、溅射等，以及镀膜设备、光导纤维制造设备中，并广泛用于石油化工、冶金、制药等行业。气体质量流量计与普通的体积流量计(如类似的转子流量计等)之间的主要区别，就在于气体的质量流量理论上不受温度气压的影响。而体积流量计在温度，气压改变时，在相同体积流量指示下，其实际气体的克分子流量将发生较大变化。由于质量流量控制器有这样一个优点。因而首先在电子工艺设备中，得到了广泛地应用，大大提高了工艺的一致性和产品的重复性。当然，具体的质量流量控器产品仍然存在环境温度和工作气压变化对流量精度的影响，只不过影响相对较小。国际标准产品提供有温度系数和压力系数指标：温度系数一般为#177;0.1 ％F．S／℃ ；压力系数一般为#177;1.4％F .S/MPa(0．01％F .S／PSI)。对体积流量计来说，气压变化0．1M Pa，实际克分子流量要变化一倍。而在质量流量控制器中，气压变化0．1MPa，实际克分子流量仅误差#177; 0.14％F．S。这是质量流量控制器最显著的优点之一^[4]。

质量流量控制器的准确度指标通常为#177;1％F．S或#177;2％F S． 工作环境温度要求，一般为5～ 45℃。 如果用户对精度要求较高，则应考虑在恒温环境中工作。 根据温度系数指标可知，环境温度每变化l0℃ ，质量流量计的精度可能会变化#177;1％Fs。控制器的工作气压范围(气压降)一般为0．O5～0．3MPa左右， 耐压通常为1至10MPa不等。如果用户需要在高压下工作，应注意选择能耐高压的MFC产品，并应该注意工作气压降一般也不得超过额定值^[5]。

2008年向蔡生等人研究了DSN型气体质量流量控制器和DSN-2000气体质量控制器的原理和系统构成,并对其性能进行了评测试验。结果表明国产的气体质量流量自动控制器精度高、稳定性好、流量控制范围宽、响应速度快,研究表明流量控制的稳定性随控制流量的增大而降低,流量控制的精度随控制流量的增大而升高。因此在设定控制流量大小时须从流量控制的稳定性和精度两方面综合考虑,使流量控制的效果达到最佳^[6]。

2013年Demichelis, A.等人研究表明用于稀释的精确空气流量可以通过质量流量控制器（MFC）实现。已经测量了MFC的短期稳定性，以评估它们在动态气体稀释剂中的有用性。MFC适用于稀释气体混合物的动态制备，只要它们在每次使用前进行校准，因为它们的校准在较长时间内不稳定。低压降MFC的校准结果证明其在宽范围的压降中的适用性。稀释流速的不确定性主要是由于在低稀释流速或短产生时间下MFC的有限的短期稳定性。因此，MFC可以提供高精度的稀释空气流量，相对不确定性为0.2％，流量大于MFC最大流量的70％，生成时间大于5分钟^[13]。

三、虚拟仪器LabVIEW的发展趋势

所谓虚拟仪器，就是在通用计算机平台上，用户根据自己的需求定义和设计仪器的测试任务。其实质是将传统仪器硬件和最新计算机软件技术充分结舍起来，以实现并扩展传统仪器的功能。传统仪器一般是一台独立的装置。从外观上看，它一般有操作面板、信号输入端口、检测结果输出这几个部分。操作面板上一般有一些开关，按钮、旋钮等。检测结果的输出方式有: 数字、指针式表头、图形窗口、打印输出等。从功能方面分析传统仪器可分为: 信号的采集与控制、信号的分析与处理、结果的表达与输出这几个部分。传统仪器的功能都是通过硬件( 或固化的软件) 来实现的。这种框架结构决定了它只能由仪器厂家来定义、制造，而且功能和规格一般都是固定的，用户无法随意改变其结构和功能^[7]。

传统仪器和虚拟仪器的对比：

LabVIEW( Laboratory Virtual instrument Engineering) 是一种图形化的编程语言，它广泛地被工业界、学术界和研究实验室所接受，视为一个标准的数据采集和仪器控制软件。图形化编程开发平台的特点是基于通用计算机等标准软硬件资源平台，实现构建灵活、层次体系明晰、功能强大且人机界面友好的测控系统，因此在国内外许多测控应用中被广泛采用。^[8]

可利用LabVIEW 来建立众多的过程控制和工业自动化应用系统。在LabVIEW 平台下，可以实现高速、多通道的测量和控制。对于大型复杂的工业自动化和控制系统，有专门

的LabVIEW 数据记录和监控模块，用于监控多通道I /O、与工业控制器和网络进行通信，以及提供基于PC 机的控制^[9]。

在国外LabVIEW已经运用到许多方面，在2012年Fairweather, Ian.和 Brumfield, Anne.编著的一本书中描述了LabVIEW如何在解决现实世界挑战方面发挥关键作用，演示了LabVIEW在各种应用中的功能和简单性，从图像处理到太阳能跟踪系统，为新的或现有的问题提供新颖的解决方案，还介绍了将LabVIEW与第三方硬件和软件集成的新颖技巧和提示^[14]。

四、校准方法的发展与应用

现代工业工程是以大规模工业生产及社会经济系统为研究对象,在制造工程学、管理科学和系统工程学等学科基础上逐步形成和发展起来的一门交叉的工程学科。质量工程作为其的一个研究方向,质量计量检测技术又作为质量工程的坚实的基础,为质量体系提供保证。随着电子信息技术的迅速发展和广泛应用,手工校准方法已不能适应现代工作的需要,建立一个数字化和智能化的计量校准系统是质量计量检测技术的发展方向^[10]。

2014年周洋提出由于流量计自身存在的缺陷,在使用一段时间或使用环境变化时须对流量计进行校准。在分析各种校准方法的基础上,选择标准表法气体流量校准方法;利用Molbloc/Molbox气体流量校准装置设计了一套校准系统,并分别对两种转子流量计和流量传感器进行了校准实验,对实验数据进行了分析处理,得到了较准确的校准关系式^[11]。

2014年王锐刚等人提出了置换法气体流量标准装置，利用液体置换法设计了检测高精度气体流量的标准方法,同时该标准装置的研究可以使不同型式的气体流量标准之间的量值比对途径多样化。通过检定结果分析可得出下列结论:该方法可以使装置的扩展不确定度为0.09%,校准精度达到0.2级,达到课题设计的要求。该气体流量标准装置具有操作方便、稳定性高、重复性好等优点,特别是在高准确度小流量气体测量方面具有极大优势^[12]。

2015年加拿大知识产权局于2月17日授予TOTAL METER SERVICES INC的专利，名称为”流量计校准装置和方法”。一种仪表校准装置包括流体进入导管，流体排出导管和与进入和排出导管流体连通地连接的校准气缸，校准气缸限定室^[15]。

参考文献

[1]胡红红，师树恒，陈富强. 基于质量流量混合法的动态配气系统设计[J]. 自动化与仪表，2013,04

[2]王东方,魏庆农,刘世胜,冯巍巍,詹锴. 基于质量流量混合法的实时配气系统设计[J]. 微计算机信息,2009,05:13-14

[3]赵建华，兰华永，陈滋健，李庄，赵崇文. 基于质量流量混合法的多组分动态配气系统研究[J]. 自动化仪表，2008,02:44-48

[4]气体质量流量控制器的原理和应用[J].真空，1995,03:21

[5]北京七星华创电子股份有限公司.CS系列气体质量流量控制器/流量计[J].中国集成电路，2009,04

[6]向蔡生，何振江，胡仁义. 气体质量流量自动控制器性能研究[J].2008年中国仪器仪表与测控技术进展打会论文集（2），2008

[7]苏娜. 虚拟仪器LabVIEW的发展与应用[J].计算机光盘软件与应用，2013

[8]赵洁，张璐，李桃. 论虚拟仪器labview的发展及应用[J]. 山西电子技术，2011,04

[9]徐晓东，郑对元，肖武. LabView8.5常用功能与编程实例精讲[M]. 电子工业出版社，2009-10

[10]张军.改造现有流量标准装置实现流量计校准自动化[J].工业计量，2008,01

[11]周洋. 便携式气体流量校准系统研究[J].能源技术与管理，2014,02

[12]王锐刚，赵金燕，胡波，黄勇. 置换法气体流量标准装置的研究[J].电子设计工程，2014，01

[13] Demichelis, A. Sassi, G. Sassi, M. P. Metrological performances of mass flow controllers for dynamic gas dilution. journal for quality, comparability and reliability in chemical measurement; Berlin : Springer; Vol. 18, No. 3 (2013), p. 181-186

[14] Fairweather, Ian. Brumfield, Anne. LabVIEW : A Developer's Guide to Real World Integration. Boca Raton, FL : Chapman and Hall/CRC. 2012

[15] http://pk.vlex.com/vid/canadian-intellectual-property-office-558287694

2. 研究的基本内容、问题解决措施及方案

此课题要求完成一种便携式配气系统设计。采用高精度的质量流量控制器，控制稀释气体及组分气体的流量。稀释气体可采用高纯氮、纯净空气等。组分气可为纯净气或已知浓度的混合标准气。通过准确的设置，可配置出不同浓度含量的标准气体。

装置由上下位机组成，下位机包括以51单片机为控制核心的硬件电路及程序，安装在机箱内部；上位机由labview软件编写，在工控机上运行，控制下位机并实现上下位机数据通讯，工控机镶嵌于装置面板上。

一、上位机