核心摘要：為解決傳統(tǒng)催化動(dòng)態(tài)配氣儀通道單一、適配性差、維護(hù)成本高的問(wèn)題，開(kāi)發(fā)一款多通道模塊化催化動(dòng)態(tài)配氣儀。采用“單元模塊化+總線式集成"的設(shè)計(jì)思路，完成氣路模塊、控制模塊、檢測(cè)模塊及輔助模塊的結(jié)構(gòu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)多組分氣體精準(zhǔn)配比、寬量程適配及快速維護(hù)升級(jí)。通過(guò)搭建性能測(cè)試平臺(tái)，對(duì)配氣精度、混合均勻性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性及模塊兼容性進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果表明：該配氣儀在組分濃度范圍0.1%~99.9%、流量范圍10~1000 mL/min內(nèi)，配氣精度誤差≤±0.5% FS，混合均勻性偏差≤±1.2%，連續(xù)運(yùn)行200 h濃度漂移≤±0.3%，可適配VOCs催化燃燒、CO?加氫等多種催化反應(yīng)場(chǎng)景，為多工況催化研究提供可靠的配氣支撐。

一、引言

     催化反應(yīng)體系中，進(jìn)料氣體的組分濃度、配比精度及穩(wěn)定性直接影響催化劑活性評(píng)價(jià)、反應(yīng)機(jī)理探索的準(zhǔn)確性。傳統(tǒng)催化動(dòng)態(tài)配氣儀多采用一體化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，存在以下痛點(diǎn)：① 通道數(shù)量固定，無(wú)法滿足多組分、多工況并行實(shí)驗(yàn)需求；② 氣路與控制單元耦合緊密，某一部件故障需整體停機(jī)維修，影響實(shí)驗(yàn)連續(xù)性；③ 適配范圍窄，難以兼顧低濃度微量組分與高濃度主體組分的精準(zhǔn)配比。

     針對(duì)上述問(wèn)題，本文提出多通道模塊化催化動(dòng)態(tài)配氣儀的設(shè)計(jì)方案，通過(guò)模塊化拆分實(shí)現(xiàn)氣路獨(dú)立調(diào)控、控制單元靈活擴(kuò)展，結(jié)合高精度傳感與智能調(diào)控技術(shù)，提升配氣性能與場(chǎng)景適配性。同時(shí)，建立系統(tǒng)的性能驗(yàn)證方法，全面考核設(shè)備在不同工況下的運(yùn)行可靠性，為其在催化研究中的規(guī)模化應(yīng)用提供技術(shù)依據(jù)。

二、多通道模塊化催化動(dòng)態(tài)配氣儀的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

     設(shè)計(jì)核心目標(biāo)：實(shí)現(xiàn)“多通道獨(dú)立配氣、模塊靈活組合、精準(zhǔn)濃度調(diào)控、安全穩(wěn)定運(yùn)行"，整體采用“四層模塊化架構(gòu)"，包括氣路功能層、控制核心層、檢測(cè)反饋層及輔助保障層，各模塊通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化接口與總線協(xié)議實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作。

（一）整體架構(gòu)設(shè)計(jì)

     采用“分布式控制+集中管理"的架構(gòu)模式：各配氣通道為獨(dú)立功能模塊，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求增減通道數(shù)量（大支持8通道擴(kuò)展）；控制模塊通過(guò)CANopen總線與各功能模塊通信，實(shí)現(xiàn)參數(shù)統(tǒng)一配置與數(shù)據(jù)集中采集；檢測(cè)模塊實(shí)時(shí)反饋各通道及混合后氣體的濃度、流量數(shù)據(jù)，形成“配氣-檢測(cè)-調(diào)控"閉環(huán)。設(shè)備整體尺寸為800 mm×600 mm×1200 mm，采用不銹鋼框架與亞克力防護(hù)面板，兼顧結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性與操作可視性。

（二）關(guān)鍵模塊詳細(xì)設(shè)計(jì)

    1. 氣路功能模塊：多通道獨(dú)立調(diào)控核心

    氣路模塊為核心功能單元，采用“一通道一模塊"設(shè)計(jì)，每個(gè)模塊對(duì)應(yīng)一種氣體組分的精準(zhǔn)調(diào)控，主要包括進(jìn)氣接口、過(guò)濾單元、流量控制單元、穩(wěn)壓?jiǎn)卧俺鰵饨涌冢鹘M件通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)化卡套接頭連接，便于拆裝維護(hù)。

     過(guò)濾單元：采用兩級(jí)過(guò)濾設(shè)計(jì)，前置1 μm不銹鋼濾芯去除氣體中的大顆粒雜質(zhì)，后置0.1 μm聚四氟乙烯濾芯過(guò)濾微小粉塵與油霧，避免雜質(zhì)堵塞流量控制器，延長(zhǎng)核心部件使用壽命。

     流量控制單元：選用高精度質(zhì)量流量控制器（MFC），根據(jù)氣體類型適配不同量程（0~10 mL/min~0~10 L/min可選），控制精度±0.2% FS，響應(yīng)時(shí)間≤50 ms；內(nèi)置溫度與壓力補(bǔ)償模塊，自動(dòng)修正環(huán)境溫度（-10~50 ℃）與進(jìn)氣壓力（0.1~0.6 MPa）波動(dòng)對(duì)流量的影響，保障流量輸出穩(wěn)定性。

      穩(wěn)壓?jiǎn)卧号鋫湮⑿头€(wěn)壓閥與壓力傳感器，將進(jìn)氣壓力穩(wěn)定在0.2~0.4 MPa范圍內(nèi)，壓力波動(dòng)≤±0.01 MPa，避免高壓沖擊對(duì)MFC造成損壞，同時(shí)保障流量控制精度。

     混合腔設(shè)計(jì)：各通道氣體經(jīng)獨(dú)立調(diào)控后匯入集成式混合腔，混合腔采用“螺旋擾流+多孔分流"復(fù)合結(jié)構(gòu)，內(nèi)部設(shè)置3層螺旋導(dǎo)流葉片與2層多孔篩板（孔徑0.5 mm），通過(guò)強(qiáng)化氣體湍流混合與剪切作用，縮短混合時(shí)間，提升混合均勻性；混合腔容積可根據(jù)總流量適配（50~500 mL可選），避免小流量下氣體停留時(shí)間不足導(dǎo)致的混合不充分。

    2. 控制核心模塊：靈活擴(kuò)展與精準(zhǔn)調(diào)控

    控制模塊采用“FPGA+MCU"雙核心架構(gòu)，實(shí)現(xiàn)多通道并行控制與數(shù)據(jù)高效處理，同時(shí)支持模塊化擴(kuò)展。

    核心控制單元：FPGA負(fù)責(zé)多通道流量信號(hào)的高速采集（采樣頻率1 kHz）與實(shí)時(shí)運(yùn)算，保障各通道控制的同步性；MCU負(fù)責(zé)人機(jī)交互、總線通信與邏輯決策，支持參數(shù)配置、程序存儲(chǔ)與故障報(bào)警。

    通信接口設(shè)計(jì)：配備CANopen總線接口實(shí)現(xiàn)各模塊間的高速通信（傳輸速率1 Mbps），同時(shí)支持Ethernet、RS485接口與上位機(jī)、實(shí)驗(yàn)室信息管理系統(tǒng)（LIMS）對(duì)接，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制與數(shù)據(jù)共享；各模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化接口，插拔式連接，更換模塊時(shí)無(wú)需重新調(diào)試，提升維護(hù)效率。

    控制算法優(yōu)化：采用自整定PID算法，針對(duì)不同氣體組分的流量特性自動(dòng)調(diào)整PID參數(shù)（比例系數(shù)、積分時(shí)間、微分時(shí)間），解決傳統(tǒng)PID算法在寬量程調(diào)節(jié)中存在的超調(diào)量大、響應(yīng)慢的問(wèn)題；引入前饋控制機(jī)制，根據(jù)設(shè)定濃度與當(dāng)前流量偏差提前預(yù)判調(diào)節(jié)趨勢(shì)，進(jìn)一步提升配氣精度。

    3. 檢測(cè)反饋模塊：實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)與閉環(huán)調(diào)控

     檢測(cè)模塊實(shí)現(xiàn)配氣過(guò)程中關(guān)鍵參數(shù)的實(shí)時(shí)采集與反饋，為精準(zhǔn)調(diào)控提供數(shù)據(jù)支撐，包括濃度檢測(cè)單元與流量/壓力監(jiān)測(cè)單元。

     濃度檢測(cè)單元：采用在線紅外光譜儀與氣相色譜（GC）聯(lián)用技術(shù)，紅外光譜儀實(shí)現(xiàn)常見(jiàn)氣體組分（CO、CO?、CH?、VOCs等）的實(shí)時(shí)檢測(cè)（響應(yīng)時(shí)間≤1 s），檢測(cè)精度±0.1%；GC用于微量組分（濃度＜1%）的精準(zhǔn)標(biāo)定，檢測(cè)下限可達(dá)1 ppm，兩者數(shù)據(jù)互補(bǔ)，保障不同濃度范圍的檢測(cè)準(zhǔn)確性；檢測(cè)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)反饋至控制模塊，形成濃度閉環(huán)調(diào)控。

     流量/壓力監(jiān)測(cè)單元：在各通道出氣口與混合腔出口設(shè)置高精度流量傳感器與壓力傳感器，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)流量（精度±0.1% FS）與壓力（精度±0.05% FS）數(shù)據(jù)，當(dāng)參數(shù)超出設(shè)定閾值時(shí)，控制模塊自動(dòng)觸發(fā)報(bào)警并調(diào)整進(jìn)氣壓力與流量，避免配氣異常。

   4. 輔助保障模塊：安全與穩(wěn)定支撐

    輔助模塊包括安全防護(hù)單元、溫度控制單元與供電單元，保障設(shè)備長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行。

   安全防護(hù)單元：配備氣體泄漏檢測(cè)傳感器（針對(duì)H?、VOCs等易燃有毒氣體）、超壓保護(hù)閥與緊急停機(jī)按鈕；當(dāng)檢測(cè)到泄漏濃度超標(biāo)（＞100 ppm）或系統(tǒng)壓力超上限（＞0.6 MPa）時(shí)，自動(dòng)切斷進(jìn)氣閥門、啟動(dòng)排風(fēng)裝置并發(fā)出聲光報(bào)警，保障實(shí)驗(yàn)安全。

    溫度控制單元：在氣路管道與混合腔外部包裹加熱帶，溫度控制范圍25~150 ℃，控溫精度±1 ℃，避免氣體在傳輸過(guò)程中冷凝導(dǎo)致的組分偏差，尤其適配高沸點(diǎn)VOCs組分的配氣需求。

    供電單元：采用冗余電源設(shè)計(jì)，輸入電壓AC 220 V±10%，輸出DC 24 V、DC 5 V，具備過(guò)壓、過(guò)流、短路保護(hù)功能，保障各模塊供電穩(wěn)定。三、性能驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)

（一）實(shí)驗(yàn)方案設(shè)計(jì)

    搭建性能測(cè)試平臺(tái)，選取常見(jiàn)催化反應(yīng)氣體組分（N?、O?、CO?、CH?、甲苯）作為配氣介質(zhì)，從配氣精度、混合均勻性、長(zhǎng)期穩(wěn)定性、模塊兼容性四個(gè)核心指標(biāo)展開(kāi)驗(yàn)證，實(shí)驗(yàn)環(huán)境：溫度25±2 ℃，相對(duì)濕度45%~65%，進(jìn)氣壓力0.3 MPa。

（二）關(guān)鍵測(cè)試方法與結(jié)果

   1. 配氣精度測(cè)試

    測(cè)試方法：選取3組典型濃度梯度（低濃度：0.1%、1%；中濃度：10%、50%；高濃度：90%、99.9%），每組濃度設(shè)定3個(gè)流量工況（10 mL/min、100 mL/min、1000 mL/min），每個(gè)工況穩(wěn)定運(yùn)行30 min，通過(guò)在線GC與紅外光譜儀同步檢測(cè)混合后氣體濃度，計(jì)算實(shí)際濃度與設(shè)定濃度的相對(duì)誤差。

    測(cè)試結(jié)果：不同濃度與流量工況下，配氣相對(duì)誤差均≤±0.5% FS，其中低濃度組分（0.1%）的大誤差為±0.45%，高濃度組分（99.9%）的大誤差為±0.32%，均優(yōu)于傳統(tǒng)配氣儀（誤差±1.0% FS），表明該設(shè)備在寬量程范圍內(nèi)具備優(yōu)異的配氣精度。

2. 混合均勻性測(cè)試

    測(cè)試方法：設(shè)定配氣方案為N?（80%）+ O?（15%）+ 甲苯（5%），總流量500 mL/min，在混合腔出口設(shè)置3個(gè)檢測(cè)點(diǎn)（中心、左側(cè)、右側(cè)），通過(guò)在線紅外光譜儀檢測(cè)各點(diǎn)組分濃度，計(jì)算各點(diǎn)濃度與平均濃度的偏差；同時(shí)對(duì)比傳統(tǒng)直筒式混合腔與本設(shè)計(jì)復(fù)合式混合腔的混合效果。

    測(cè)試結(jié)果：本設(shè)計(jì)復(fù)合式混合腔各檢測(cè)點(diǎn)濃度偏差≤±1.2%，而傳統(tǒng)直筒式混合腔濃度偏差≥±3.5%；混合時(shí)間測(cè)試表明，復(fù)合式混合腔的氣體混合時(shí)間≤3 s，較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)縮短60%，驗(yàn)證了螺旋擾流+多孔分流設(shè)計(jì)的混合強(qiáng)化效果。

3. 長(zhǎng)期穩(wěn)定性測(cè)試

    測(cè)試方法：選取典型催化反應(yīng)配氣方案（CO?（20%）+ H?（75%）+ N?（5%）），總流量500 mL/min，連續(xù)運(yùn)行200 h，每10 h記錄一次濃度數(shù)據(jù)，計(jì)算濃度漂移量；同時(shí)監(jiān)測(cè)各通道流量穩(wěn)定性與系統(tǒng)壓力波動(dòng)。

    測(cè)試結(jié)果：200 h連續(xù)運(yùn)行期間，各組分濃度漂移量≤±0.3%，流量波動(dòng)≤±0.2% FS，系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在0.3±0.01 MPa范圍內(nèi)，無(wú)泄漏、報(bào)警等異常情況；設(shè)備運(yùn)行結(jié)束后拆解氣路模塊，未發(fā)現(xiàn)濾芯堵塞、部件磨損等問(wèn)題，表明設(shè)備具備良好的長(zhǎng)期運(yùn)行穩(wěn)定性。

4. 模塊兼容性與擴(kuò)展測(cè)試

    測(cè)試方法：分別搭建4通道、6通道、8通道配氣系統(tǒng)，配置不同氣體組分（N?/O?、CO?/H?、CH?/空氣、甲苯/空氣），測(cè)試各通道獨(dú)立運(yùn)行、協(xié)同配氣的穩(wěn)定性；模擬某一通道模塊故障，更換備用模塊后測(cè)試配氣性能恢復(fù)情況。

    測(cè)試結(jié)果：不同通道數(shù)量配置下，各通道配氣精度均保持≤±0.5% FS，通道間無(wú)干擾；模塊更換過(guò)程僅需5 min，更換后配氣精度快速恢復(fù)至標(biāo)準(zhǔn)范圍，無(wú)需重新校準(zhǔn)，驗(yàn)證了模塊的兼容性與擴(kuò)展靈活性。

四、應(yīng)用場(chǎng)景驗(yàn)證

    將該多通道模塊化催化動(dòng)態(tài)配氣儀應(yīng)用于兩個(gè)典型催化反應(yīng)場(chǎng)景，驗(yàn)證其實(shí)際應(yīng)用效果：

（一）VOCs催化燃燒反應(yīng)

    應(yīng)用需求：需要精準(zhǔn)調(diào)控甲苯濃度（0.5%~5%）、空氣流量（過(guò)量空氣系數(shù)1.2~2.0），模擬不同VOCs濃度下的催化燃燒工況。采用4通道配氣系統(tǒng)（甲苯、N?、O?、空氣），實(shí)時(shí)調(diào)控各組分流量，配氣精度穩(wěn)定在±0.4%以內(nèi)；結(jié)合催化反應(yīng)儀的溫度調(diào)控，成功完成不同甲苯濃度下催化劑活性評(píng)價(jià)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)重復(fù)性誤差≤±2%，較傳統(tǒng)配氣儀提升30%。

（二）CO?加氫制甲醇反應(yīng)

    應(yīng)用需求：精準(zhǔn)控制H?/CO?配比（2~4:1）、總流量（100~500 mL/min），保障反應(yīng)進(jìn)料穩(wěn)定性。采用3通道配氣系統(tǒng)（H?、CO?、N?（內(nèi)標(biāo)）），通過(guò)閉環(huán)調(diào)控實(shí)現(xiàn)H?/CO?配比精度±0.05，連續(xù)運(yùn)行150 h進(jìn)料穩(wěn)定，無(wú)濃度漂移，為催化劑活性與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)研究提供了可靠的進(jìn)料保障。

五、結(jié)論與展望

（一）結(jié)論

    本文開(kāi)發(fā)的多通道模塊化催化動(dòng)態(tài)配氣儀，通過(guò)“單元模塊化"結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了氣路獨(dú)立調(diào)控、靈活擴(kuò)展與快速維護(hù)；采用高精度流量控制、復(fù)合式混合腔及自整定PID閉環(huán)調(diào)控技術(shù)，顯著提升了配氣精度與混合均勻性。性能驗(yàn)證結(jié)果表明：設(shè)備在寬濃度（0.1%~99.9%）、寬流量（10~1000 mL/min）范圍內(nèi)，配氣精度誤差≤±0.5% FS，混合均勻性偏差≤±1.2%，連續(xù)運(yùn)行200 h濃度漂移≤±0.3%，模塊兼容性與擴(kuò)展靈活性優(yōu)異；在VOCs催化燃燒、CO?加氫等場(chǎng)景的應(yīng)用驗(yàn)證表明，設(shè)備可滿足多工況催化研究的配氣需求，具備較高的實(shí)用價(jià)值。

（二）展望

    未來(lái)可從以下方向進(jìn)一步優(yōu)化：① 拓展工況適配能力，開(kāi)發(fā)耐高溫（＞200 ℃）、耐高壓（＞10 MPa）的氣路模塊，適配高溫高壓催化反應(yīng)場(chǎng)景；② 引入AI智能優(yōu)化算法，基于反應(yīng)數(shù)據(jù)自學(xué)習(xí)調(diào)整配氣參數(shù)，實(shí)現(xiàn)配氣方案的自適應(yīng)優(yōu)化；③ 強(qiáng)化微型化設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)實(shí)驗(yàn)室專用的小型化模塊，進(jìn)一步降低設(shè)備占用空間與成本，提升中小企業(yè)與高校實(shí)驗(yàn)室的普及性。

產(chǎn)品展示

     SSC-CDG催化動(dòng)態(tài)配氣儀，采用PLC一體化控制實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)配氣、控溫、測(cè)壓、自動(dòng)、手動(dòng)等功能，并可通過(guò)質(zhì)量流量計(jì)來(lái)控制配氣比例實(shí)現(xiàn)動(dòng)態(tài)配氣，可控制反應(yīng)裝置內(nèi)氣體配比的同時(shí)，也可以控制顯示催化反應(yīng)裝置溫度和壓力。

     SSC-CDG催化動(dòng)態(tài)配氣儀可以應(yīng)用于連續(xù)流、微通道反應(yīng)、氣固、氣液、氣固液等需要?dú)怏w參與的催化反應(yīng)體系：二氧化碳催化加氫、催化CO加氫反應(yīng)、催化烯烴或炔烴加氫反應(yīng)、光熱催化甲烷干重整反應(yīng)、光熱催化煤熱解反應(yīng)、煤化工、光催化氣體污染物（VOCs）降解反應(yīng)、光催化甲烷部分氧化反應(yīng)、光熱催化甲烷偶聯(lián)反應(yīng)、光驅(qū)動(dòng)sabatier反應(yīng)、光催化固氮、光催化降解VOCs等。

     SSC-CDG催化動(dòng)態(tài)配氣儀還可以應(yīng)用于環(huán)保行業(yè)，可以將高濃度標(biāo)氣按照設(shè)定的稀釋比例，稀釋成各種低濃度標(biāo)氣，可校準(zhǔn)各種氣體分析儀及其氣體傳感器。廣泛適用于計(jì)量檢測(cè)，環(huán)境檢測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、衛(wèi)生、大氣污染源超低排放監(jiān)測(cè)煙氣分析現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定、現(xiàn)場(chǎng)標(biāo)定和實(shí)驗(yàn)室標(biāo)準(zhǔn)氣體配置等。