CN103170262A - 高精度可变量气体比例混合装置及气体比例混合的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高精度可变量气体比例混合装置，包括混合罐、与气体种类对应的气源和控制电路，其中每个气源之间的压力相同，且气源的压力大于混合罐的压力，而气源通过管道与混合罐连接，所述管道上设置有电磁阀，其特征在于，所述管道上还设置有节流装置，所述节流装置的最小有效截面积的大小顺序与其对应气体种类在混合气体中所占比例的大小顺序一致或部分一致，所述的控制电路包括信息数据输入装置和具有信息数据及程序处理功能的控制装置，其中，信息数据输入装置、电磁阀的控制端分别与所述控制装置连通。本发明结构简单，易于操作，气体混合比例精度高，提高了市场的竞争力；此外，本发明还实现了自动控制和自动操作，提高了工作效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体比例混合装置，具体讲是涉及一种高精度可变量气体比例混合装置及其气体混合方法。
背景技术
随着食品科技的飞速发展，出于食品安全及卫生要求，各国技术人员都在加大力度对食品保鲜包装技术进行研究开发，以保证食品在流通及存放过程中能够尽可能长时间地保持新鲜、卫生等，目前，比较流行的食品保鲜包装技术是气调保鲜包装，气调保鲜包装亦称气体置换包装，国际上称为MAP包装（即Modified Atmosphere Packing），其原理是采用复合保鲜气体（2种以上气体按食品特性配比混合），对保鲜盒或包装袋内的空气进行置换，改变盒（袋）内食品的外部环境，达到抑制细菌（微生物）的生长繁衍，减缓新鲜果蔬的新陈代谢速度，从而延长食品的保鲜期或货架期。
而对于置换气体，则需要气体比例混合装置来制备，传统的气体比例混合装置为闭环控制***构成的气体比例混合装置，其通过气体传感器检测信号（电流或者电压信号）来控制各路高精度流量伺服阀通径大小，从而控制进入混合罐内的各种气体的比例的。此装置为了保持较高的精度，需要使用高精度的气体传感器，此种气传感器的价格昂贵，而该装置中使用的伺服流量阀，其价格也十分昂贵，因此，该种闭环气体比例混合装置的成本非常高。此外，这种闭环气体比例混合装置还存在结构复杂、维护成本高、控制精度易受外界因素干扰等诸多缺陷。
发明内容
为了解决现有技术中的不足，本发明提供了一种结构简单、成本低、高精度的可变量气体比例混合装置及其气体混合方法。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种高精度可变量气体比例混合装置，包括混合罐、与气体种类对应的气源和控制电路，其中每个气源之间的压力相同，且气源的压力大于混合罐的压力，而气源通过管道与混合罐连接，所述管道上设置有电磁阀，其特征在于，所述管道上还设置有节流装置，所述节流装置的最小有效截面积的大小顺序与其对应气体种类在混合气体中所占比例的大小顺序一致或部分一致，所述的控制电路包括信息数据输入装置和具有信息数据及程序处理功能的控制装置，其中，信息数据输入装置、电磁阀的控制端分别与所述控制装置连通。
所述的具有信息数据及程序处理功能的控制装置为可编程控制器。
其还包括有气体混合比例检测装置。
所述的可编程控制器内设置有接收信息数据输入装置的信息并计算电磁阀开启或关闭时间的程序、接收检测装置的检测信息并与信息数据输入装置输入的信息比较且计算出误差的程序以及根据误差结果对程序参数进行重新设置的程序。
所述电磁阀为流体通、断型电磁阀。
所述的信息数据输入装置为触摸屏。
一种使用上述高精度可变量气体比例混合装置进行气体比例混合的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）在各路管道中设置节流装置，使得各路节流装置构成的最小有效截面积的大小顺序与其对应的气体种类在混合气体中所占比例的大小顺序一致或部分一致；
（2）充气：在信息数据输入装置中输入各路气体的混合比例，具有信息数据及程序处理功能的控制装置根据设定的气体比例，通过程序运算来控制各路气体相对应的电磁阀的开启或关闭时间；
（3）检测混合后的气体混合比例与设定的气体混合比例之间的误差值；
（4）修正误差值：混合罐里检测出来的气体比例与信息数据输入装置输入的气体比例有误差，通过控制装置对程序参数进行重新设置，并修正误差值，直至混合罐内气体比例与设定的气体混合比例相一致；
（5）重新设定各路气体的不同混合比例，并至少重复一次上述（2）、（3）及（4）步骤，可获得高精度混合比例的混合气体。
所述步骤（2）是采用充气时间周期混合法进行气体混合充气。
所述步骤（3）是通过检测装置检测混合罐内已混合后的各路气体的比例，并将检测信息传输给所述控制装置，所述控制装置根据信息数据输入装置设定的气体比例与检测信息比较，获取两者间气体混合比例误差。
所述控制装置为可编程控制器。
其中，上述的各通道之间的最小有效截面积的比例关系具有以下几种情况：
（1） 各通道之间的最小有效截面积相同，这种通道结构简单、但气体混合误差较大，当各路气体混合比例比较接近时采用此方案效果较好；
（2）各路通道之间的最小有效截面积比例与气体混合比相同或接近，采用这种结构，气体混合误差较小，当各路气体混合比较相差较大时，采用此方案效果较好。
上述的与气体种类对应的气源指的是每种气体单独作为一种气源，有几种气体就有几种气源。
而上述的电磁阀即为通、断型普通电磁阀。
此外，上述的混合罐可以为1个或两个以上混合罐串联构成，其中，采用两个或两个以上混合罐串联的结构，其气体的混合均匀性优于一个混合罐。
本发明的工作原理是：在管道上设置节流装置，节流装置的最小有效截面积的大小顺序与其对应气体种类在混合气体中所占比例的大小顺序一致或部分一致，使得各路气体的充气时间一致或相近，从而减少混合罐压力变化造成的压差变化而引起的气体混合比例误差。另外，本发明进一步采用充气时间周期混合法或称为时间分段混合法，其具体过程为：通过可编程控制器控制电磁阀的通断，使各路通道开启时间相同，而关闭时间则根据气体混合比例关系和通道最小有效截面积的关系确定；以各路气体中充气时间最长的为一个充气周期，这样在每个充气周期混合罐内的压差变化进一步减少，其最终的气体混合比例误差明显小于气体连续混合时的误差，从而获得高精度混合比例的混合气体。
其理论基础由下面单位流量计算公式获得：
已知：当气流通过气动元件时，使元件进口压力P1保持不变，使出口压力P2降低，如果降低到 
时，则气流达到声速：如果
时气流在亚声速区，单位流量计算公式分别为：
（1）在声速区时：
（2）在亚声速区时：
所以，一定时间内总流量的计算公式为：
（1）在声速区时：
（2）在亚声速区时：
式中：P1 -------- 进口压力（巴）
P2 -------- 出口压力（巴）
S -------- 有效截面积mm2
T1 -------- 进口气体温度 K
QZ -------- 换算成自由状态后的瞬时额定流量l/min
QO -------- 一定时间内的总流量
t -------- 通气时间
由公式③、④可知，总流量与有效面积S、通气时间t和压差成对应关系，因此改变节流装置的有效截面积或周期充气时间，达到减少混合罐内的压差变化，从而获得高精度混合比例的混合气体。
此外，通过检测装置检测混合罐内的各气体的混合比例，再通过具有信息数据及程序处理功能的控制装置，本发明实施例采用可编程控制器，比较信息数据输入装置输入的各气体的设定混合比例与检测装置检测到的混合罐内的各气体的混合比例是否一致，如果不一致，则重新设置程序参数，并控制各通道的电磁阀的开闭时间，进行误差修订，以降低或者消除气体混合中的***误差，得到高精度的气体比例混合。
在本技术方案中，***误差产生的原因存在以下几种情况：
1、电磁阀有效截面积加工误差及电磁阀的通断响应时间误差；
2、充气管道的长短而造成的压力损耗误差；
3、两种以上气体的分子结构不同造成的误差，即由于气体的可压缩性不一样造成的误差；
4、混合罐的气体压力变化造成流量变化的误差。
本发明的有益效果是：
（1）本发明通过采用流体通断型普通电磁阀和管道结构，而不需要精密的气体浓度传感器和高精度流量伺服阀，采用开环***，首先从成本上只有传统的闭环***的十分之一，大大降低了成本，其次，在结构上则更加简单，稳定性好，易于操作，其精度完全达到了食品保鲜气体比例混合要求，进一步提高了产品的市场竞争力；
（2）通过特殊的控制电路设计，即通过可编程控制器进行输入的气体混合比例与检测到的混合罐内的各气体的混合比例比较，并根据比较结果进行程序参数的重新设置，可有效校正***误差，得到高精度的混合气体比例，且实现了自动控制和自动操作，提高了工作效率。
附图说明
图1为本发明在充气混合状态的电磁阀的工作状态图，图中的电磁阀处于导通状态，A、B、C分别代表三种不同气体。
图中主要附图标记含义为：
1、混合罐 2、A气室 3、B气室 4、C气室
A1、B1、C1为节流装置 5、电磁阀 6、控制电路
7、管道 8、阀门 9、抽样检测装置
10、信息数据输入装置 11、可编程控制器。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明做进一步的描述：
图1为本发明一实施例的剖面结构示意图。
如图1所示：本发明实施例的高精度可变量气体比例混合装置，其目的是将多种气体，如二氧化碳（CO2）、氮气（N2）以及氧气（O2）等三种气体按比例混合成食品保鲜气体，并对食品包装中的气体进行置换包装，其包括由容器构成的混合罐1、与气体种类对应的三种气源，每个气源之间的压力相同，且三个气源的各自压力大于混合罐1的压力，而三个气源分别通过三个管道7与混合罐1连接，三个管道7上分别设置有一个电磁阀5和节流装置A1、B1和C1，其中，节流装置A1、B1和C1的最小有效截面积大小顺序与其对应气体种类在混合气体中所占的比例大小顺序一致或部分一致，高精度可变量气体比例混合装置还设置有检测装置9，且所述的控制电路6包括信息数据输入装置10、可编程控制器（PLC）11，其中，在本实施方式中，信息数据输入装置10为触摸屏，当然也可以为其他可行的能够输入需要信息的部件，如按键等，触摸屏、电磁阀5的控制端和检测装置9可分别与可编程控制器11连通。
在上述的可编程控制器11内设置有接收信息数据输入装置10输入的信息并计算电磁阀5开启或关闭时间的程序、接收检测装置9的检测信息并与信息数据输入装置10输入的信息比较且计算出误差的程序以及根据误差结果对程序参数进行重新设置的程序。
假设三种气体的混合比例为7：2：1，采用分段间隙充气混合方式具体为：通过控制电路6将一个气体连续混合过程设定为若干时间周期进行，以各路气体中充气时间最长的为一个充气周期，每段中各路通道打开时间一致，例如气体导通时间通过可编程控制器11设定为7:2:1，这样工作时，三种气体分别从各气室经管道7、电磁阀5和节流装置流入混合罐1中，并在混合罐1中得到按比例混合的食品保鲜气体，然后经阀门8对保鲜盒中的气体进行置换。由于每一周期都留有一定的时间间隙，这样在每段开启点三路通道两端的压差一直，使每段终点的误差减小，其做种的混合结果的误差明显小于气体连续混合时的误差，并且接近混合比例。
本实施方式中，为了进一步减少气体混合时由于压差变化引起的误差，可以把混合比例为“7”的最大比例气种对应的通道的最小有效截面积扩大2倍，这样控制时间的比例应改为7/2:1:1，这样可以进一步减少误差。
而利用上述的高精度可变量气体比例混合装置进行气体比例混合的方法，包括以下步骤，三种气体的混合比例为7：2：1为例：
（1）设置各路节流装置的最小有效截面积，其目的是用来改变单位时间内进气孔的流量，来获得几种气体充气时间相接近，假设设置后的通道最小有效截面积分别为7/2:1:1；
（2）充气：在触摸屏10上输入二氧化碳（CO2）、氮气（N2）以及氧气（O2）三种气体的混合比例，即为7：2：1，可编程控制器11根据触摸屏10上设置好的气体比例，通过程序换算来控制三种气体相对应的电磁阀5的开启或关闭时间；以2秒为一个充气时间周期，进行气体混合充气；
（3）测量误差值：通过检测装置9检测混合罐1内混合后的三种气体的比例，并将信息传输给可编程控制器11，可编程控制器11对照触摸屏10上所设置好的气体比例，来比较两者气体比例的误差；
（4）修正误差值：混合罐1里检测出来的气体比例与触摸屏10上所设置的气体比例如有误差，通过可编程控制器11对程序参数进行重新设置，即通过可编程控制器11重新设置气体对应的电磁阀的开启时间，修正误差值，直至混合罐1内气体比例与触摸屏10上设置的比例相一致；
（5）重新设定各路气体的混合比例，重复上述（2）、（3）及（4）步骤2到3次。即可有效修正开环气体比例混合装置的***误差，在进行气体混合时，得到高精度的气体混合比。
经试验证明：设定两种以上气体比例值与检测混合罐1内混合后的气体比例值之间误差可控制在±1.0％以内，且利用本发明所述的开环混气***与闭环混气***比较其制造成本仅为闭环混气***10％。
上述内容本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
Claims (10)
1.一种高精度可变量气体比例混合装置，包括混合罐、与气体种类对应的气源和控制电路，其中每个气源之间的压力相同，且气源的压力大于混合罐的压力，而气源通过管道与混合罐连接，所述管道上设置有电磁阀，其特征在于，所述管道上还设置有节流装置，所述节流装置的最小有效截面积的大小顺序与其对应气体种类在混合气体中所占比例的大小顺序一致或部分一致，所述的控制电路包括信息数据输入装置和具有信息数据及程序处理功能的控制装置，其中，信息数据输入装置、电磁阀的控制端分别与所述控制装置连通。
2.根据权利要求1所述的高精度可变量气体比例混合装置，其特征在于，所述的具有信息数据及程序处理功能的控制装置为可编程控制器。
3.根据权利要求2所述的高精度可变量气体比例混合装置，其特征在于，其还包括有气体混合比例检测装置。
4.根据权利要求3所述的高精度可变量气体比例混合装置，其特征在于，所述的可编程控制器内设置有接收信息数据输入装置的信息并计算电磁阀开启或关闭时间的程序、接收检测装置的检测信息并与信息数据输入装置输入的信息比较且计算出误差的程序以及根据误差结果对程序参数进行重新设置的程序。
5.根据权利要求1所述的高精度可变量气体比例混合装置，其特征在于，所述电磁阀为流体通、断型电磁阀。
6.根据权利要求1所述的高精度可变量气体比例混合装置，其特征在于，所述的信息数据输入装置为触摸屏。
7.一种使用上述权利要求1至6中任一项高精度可变量气体比例混合装置进行气体比例混合的方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）在各路管道中设置节流装置，使得各路节流装置构成的最小有效截面积的大小顺序与其对应的气体种类在混合气体中所占比例的大小顺序一致或部分一致；
（2）充气：在信息数据输入装置中输入各路气体的混合比例，具有信息数据及程序处理功能的控制装置根据设定的气体比例，通过程序运算来控制各路气体相对应的电磁阀的开启或关闭时间；
（3）检测混合后的气体混合比例与设定的气体混合比例之间的误差值；
（4）修正误差值：混合罐里检测出来的气体比例与信息数据输入装置输入的气体比例有误差，通过控制装置对程序参数进行重新设置，并修正误差值，直至混合罐内气体比例与设定的气体混合比例相一致；
（5）重新设定各路气体的不同混合比例，并至少重复一次上述（2）、（3）及（4）步骤，可获得高精度混合比例的混合气体。
8.根据权利要求7所述的气体比例混合的方法，其特征在于：所述步骤（2）是采用充气时间周期混合法进行气体混合充气。
9.根据权利要求7所述的气体比例混合的方法，其特征在于：所述步骤（3）是通过检测装置检测混合罐内已混合后的各路气体的比例，并将检测信息传输给所述控制装置，所述控制装置根据信息数据输入装置设定的气体比例与检测信息比较，获取两者间气体混合比例误差。
10.根据权利要求7所述的气体比例混合的方法，其特征在于：所述控制装置为可编程控制器。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| DD01 | Delivery of document by public notice |
Addressee: Suzhou Senrui preservation equipment limited company responsible person Document name: Notification to Make Rectification Addressee: Suzhou Senrui preservation equipment limited company responsible person Document name: Notice of non patent agency |
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| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C12 | Rejection of a patent application after its publication | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20130626 |