一种高纯气体微量水微量氧自动检测装置

摘 要：介绍了一种具有实时在线测量功能的高纯气体微量水微量氧自动检测装置，详细阐述了该装置的结构组成和性能特点，包括装置的硬件系统、软件系统、主要技术指标及研制过程中解决的关键技术和创新点。实践表明，此微量水微量氧自动检测装置成本较低、性能稳定可靠、精度较高，实现了小型化、自动化和智能化。

关键词：高纯气体；微量水；微量氧；自动检测

中图分类号：TP202 文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2008)11-133-02オ

Trace Moisture and Trace Oxygen Automatic Testing Equipment in High-purity Gas

SHI Chengying,CHEN Hongjian,QIAO Liyong

(The Second Artillery Engineering College,Xi′an,710025,China)オ

Abstract：This paper describes a real-time and on-line automatic testing equipment for trace moisture and trace oxygen in high-purity gas,the frame and performance characteristics of the equipment are discussed in detail,including hardware system,software systems,main specifications,the key technologies and innovations resolved in the research process.Through practice,this trace moisture and trace oxygen automatic testing equipment with a low cost,reliable performance and high precision realized miniaturization,automation and intelligent.

Keywords：high-purity gas;trace moisture;trace oxygen;automatic testing

随着科学技术的发展和生产研究的进步，为得到高质量的产品，许多行业诸如石化、电力、电子、航空航天、冶金、纺织等用高纯气体作为保护气。若保护气中水和氧含量过高，会使化工产品出现质量问题，甚至发生安全事故；在电子器件制造过程中，水和氧含量过高会造成器件性能退化，寿命缩短。因此，随着气体生产和产品应用的发展，高纯气体中微量水和微量氧的准确测定越来越重要[1]。

1 装置的硬件系统

硬件系统由微处理器数据采集系统、微量水传感器及信号调理电路、微量氧传感器及信号调理电路、键盘及OLED显示电路、声光报警电路、RS 232串口输出电路、气路系统、微量水和微量氧标准电流信号输出电路等组成。如图1所示。

以美国AD(Analog Device)公司的新型微控制器ADμC831为核心，采用英国City Technology公司CiTiceLsR 系列的C/NLL高精度高可靠性的电化学微量氧传感器和英国Michell公司的陶瓷湿度变送器Easidew Transmitter组成检测系统的信号采集及信号处理系统，以气泵、针形阀、平面四通阀等组成气路系统[2,3]，如图2所示。充分发挥数字处理和误差补偿等技术优势，设计集多传感器信号检测、信号调理、数据处理、结果判断显示，当前环境温度、当前日期和时间显示及超限声光报警，超限继电器触点输出和4～20 mA标准电流输出，微量水微量氧检测及控制于一体的高纯气体微量水微量氧自动检测装置，最终实现提高高纯气体中微量水微量氧检测的准确性、可靠性、自动化以及缩短检测时间的目的[4]。

2 装置的软件系统

2.1 软件系统组成和功能

软件的设计是由主程序和子程序组成。主程序主要完成对系统硬件电路的初始化，设置堆栈指针、各缓冲区首地址、T0，T1工作方式及串口的初始化等。为便于软件系统的调试和完善，子程序按功能共分为5大模块：数据采集子程序、显示子程序、监控子程序、系统通信发送子程序、PC机通讯接收子程序。数据采集子程序用来启动A/D转换，将采集值存放在内部RAM以及将采样值送入显示缓存去；显示子程序负责显示界面的菜单管理，以及显示缓存区的数据显示和分析；监控子程序负责系统的正常运行，以及调用各种子程序和管理中断服务程序；系统的通讯发送子程序负责与PC机的通讯和发送采集的数据；PC机通讯接收子程序负责接收单片机发送来的数据并存盘。主程序结构如图3所示。

2.2 软件系统描述

气路系统提供相对稳定的样气流量分别给微量水和微量氧传感器，各传感器分别把被测样气中氧和水分的含量转换为电信号提供给信号调理电路进行调理，然后由微转换器进行信号处理，送到OLED显示模块，分别显示样气中微量水和微量氧的含量，同时送到DAC输出电路输出标准电流信号。RS 232接口电路允许ADμC831与PC机之间的串行接口通信，实现在线调试和下载功能。当被测样气中氧和水分的含量高于设定阀值时，报警器就会发出报警声，报警灯光闪烁，同时继电器触点动作，输出微量水或微量氧报警电流信号；当被测样气中氧和水分的含量低于设定阀值时，则显示正常。

3 解决的关键技术

(1) 采用气泵、四通阀、针形阀、流量计等组成智慧型的气路系统，能有效保护传感器探头，实现充气和放气过程的自动控制和状态检测。

(2) 根据各传感器输出信号以及单片微转换器模拟输入和数字输出信号的特点，设计了传感器输出信号4～20 mA标准电流变换电路，滤波调理电路，单片机数字输出信号4～20 mA变换电路，微量氧和微量水超限报警电路，继电器信号输出电路。

(3) 以新型单片机为核心，设计了各部分相协调的整体硬件系统，实现了传感器信号检测、信号调理、数据处理、结果判断显示、状态检测于一体的微量水微量氧自动检测装置。

4 技术创新点

(1) 运用微控制技术和自动检测技术实现了高纯气体中微量水和微量氧的同步快速动态实时测量，研制出新型一体化自动检测装置，提高了高纯气体中微量水和微量氧的检测效率。

(2) 能够对高纯气体中微量水和微量氧含量进行定量评估。

(3) 实现了高纯气体中微量水和微量氧检测的小型化、自动化和智能化。

5 装置的主要技术指标

微量氧部分：

(1) 测量范围：0.00 PPm～10/100/2500 PPm O2；

(2) 不确定度：≤±5%F.S(0.01～10 PPm O2)，≤±2%F.S(10～2 500 PPm O2)；

(3) 稳定性：零点漂移≤±2%F.S/7d，量程漂移≤±2%F.S/7d；

(4) 重复性：≤±1%F.S。

微量水部分：

(1) 测量范围：0.00～9 999 PPm H2O；

(2) 不确定度：≤±2%F.S；

(3) 稳定性：零点漂移≤±2%F.S /7d，量程漂移≤±2%F.S /7d；

(4) 重复性：≤±2%F.S。

6 结 语

该装置的设计研制得到了相关专家及科研部门的充分肯定和支持，目前研究工作已进入鉴定阶段，样机在试验验证和实际试用中均表现出了良好性能，能够实现自动测量和数据处理，提高了高纯气体中微量水微量氧检测的准确性和可靠性。

参 考 文 献

［1］王艳,王津文.几种高纯气体中微量氧的测定方法［J］.分析与测试,2005,25(5):22-23.

［2］董永贵.传感技术与系统［M］.北京:清华大学出版社,2006.

［3］ADuC831 MicroConverter,12 B ADCs and DACS with Embedded 62 kB Flash MCU.Technical Data Sheet.Analog Device Inc,2002.

［4］余永辉,何道清,裴宏.基于ADμC812的温度、压力监测系统［J］.电子元器件应用,2005,7(7):77-79.

作者简介

石成英 男，1965年生，陕西泾阳人，教授，博士生导师，研究方向为火炮、自动武器与弹药工程，检测技术与自动化，迭代学习控制。

陈宏建 男，1977年生，河南汝南人，硕士研究生，研究方向为火炮、自动武器与弹药工程。

乔立永 男，1982年生，河北无极人，硕士研究生，研究方向为火炮、自动武器与弹药工程。