CN105606771B - 一种定容预混气体实验用全自动配气***及配气方式 - Google Patents

一种定容预混气体实验用全自动配气***及配气方式 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种定容预混气体实验用全自动配气***及配气方法。该定容预混气体实验用全自动配气***，包括进气单元，实验腔体，实验腔体开关电磁阀，真空泵，真空泵开关电磁阀，大气接口，扩展接口和上位机。该***使用户充分摆脱了配气相关的计算过程和操作过程，极大提高了实验效率。控制程序中充分考虑了气路体积对配气比例精度造成的影响，有效地消除了气路体积带来的误差。整个***的误差水平由质量流量计和气压表的精度决定，配气比例精度不超过二者最大误差之和。该***还设置了扩展接口，在完成配气功能的同时具有良好的扩展性，能够满足绝大部分用户的使用需求。

Description

一种定容预混气体实验用全自动配气***及配气方式
技术领域
本发明属于实验用配气技术领域，具体涉及一种定容预混气体实验用全自动配气***及配气方法。
背景技术
定容预混气体实验是军事、汽车、电气、化学、医学等科研领域常见的一种实验方法，即将两种或两种以上的气体按照一定比例和气压预先在实验容器内充分混合，然后对混合后的气体进行燃烧、***或其他形式的实验。目前的配气方式大致可分为两类。一类为预先配气法，即先在一个大容器内将所需气体按照预定的比例混合并静置充分长的时间，然后从该容器中将实验所需的预混气体注入实验腔体至所需气压。这类方法的优点是由于采用大体积的容器进行配气，气体比例的精度一般可以保证，而且能够保证多次重复实验的一致性；但缺点是对于混合后可燃的气体(例如甲烷和空气)在一个大容器内进行预先混合具有相当的危险性，存在安全隐患。此外，当实验需要改变气体比例时，需要将大容器内的气体全部抽空，再重新配气，一来使得实验非常不便，耗时耗力；二来造成了实验气体的浪费。另一类配气方式为直接在实验腔体中配气，当实验腔体较小时，与腔体相连的气路固有体积(以下简称“固有体积”)将导致配气比例的误差。目前主流的配气方式，无论是体积配气法、压力配气法还是质量配气法，都未对“固有体积”导致的误差予以充分的考虑，这对配气重复性和精度要求较高的实验是非常不利的。此外，绝大部分配气方式都采用手工配气，控制精度不高，且耗时耗力，导致实验效率低下。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述背景技术存在的不足，在充分考虑气路体积导致的配气误差的基础上，提出一种定容预混气体实验用全自动配气***，并改进相应的配气方法。
一种定容预混气体实验用全自动配气***，包括多个进气单元，实验腔体，实验腔体开关电磁阀，真空泵，真空泵开关电磁阀，主气路，扩展接口和上位机；
所述主气路分别与多个进气单元，实验腔体开关电磁阀，真空泵开关电磁阀，扩展接口和大气接口连接；
所述实验腔体开关电磁阀通过气路与实验腔体相连；
所述真空泵开关电磁阀通过气路与真空泵相连；
所述上位机通过控制线分别与进气单元，实验腔体开关电磁阀，真空泵和真空泵开关电磁阀相连；
每个进气单元包括气源接口、质量流量计、气压表和流量计控制电磁阀，并通过进气通道依次连接。
进一步地，所述上位机中设有控制***。
进一步地，所述进气单元的个数为2-4个。
进一步地，所述的质量流量计具有记录累积流量的功能。
进一步地，所述大气接口和环境空气相连通，所述扩展接口保持封闭状态或与其他设备连接。
本发明还公开了采用上述定容预混气体实验用全自动配气***进行配气的方法，包括如下步骤：
步骤一：将第一气体源与第一进气单元1中的第一气源接口11连接，将第二气体源与第二进气单元2中的第二气源接口21连接；
步骤二：对配气***进行抽真空处理；
步骤三：利用第一质量流量计12和第一气压表13标定充入第一气体时实验腔体3和气路的总体积V1+V2；
步骤四：利用第一质量流量计12和第一气压表13标定气路体积V2；
步骤五：用第二质量流量计22和第二气压表23标定充入第二气体时实验腔体3和气路的总体积；
步骤六：依次打开大气接口7，第一流量计控制电磁阀14，使腔体与大气连通，然后关闭大气接口7，打开真空泵开关电磁阀6，打开真空泵5，将腔体和管路抽真空；然后关闭真空泵开关电磁阀6，关闭真空泵5，打开大气接口7，至此标定过程完成。
步骤七：确定配气过程中第一气体的实际充气量V1’和第二气体的实际充气量V2’；其中，第一气体的实际充气量第二气体的实际充气量其中，P1为第一气体的理论分压，P2为第二气体的理论分压，V1表示实验腔体3的体积，a为第一气体通过第一质量流量计12记录的累积流量和第一气压表13记录的气压变化值的比值，b为第二气体通过第二质量流量计22记录的累积流量和第二气压表23记录的气压变化值的比值。
步骤八：打开第一流量计控制电磁阀14、第二流量计控制电磁阀24、实验腔体开关电磁阀4和真空泵开关电磁阀6，开启真空泵5，将实验腔体和与其连通的气路抽真空。
步骤九：关闭真空泵开关电磁阀6，关闭真空泵5，通过第一质量流量计12向腔体和管路充入第一气体，实际充气量的预定值设为V1’。
步骤十：关闭第一流量计控制电磁阀14，通过第二质量流量计22向腔体和管路充入第二气体，实际充气量的预定值设为V2’。
步骤十一：关闭实验腔体开关电磁阀4，配气过程完成。
进一步地，所述步骤三为气源通过第一质量流量计12向其后的气路和实验腔体3中通入第一气体，通过第一质量流量计12记录的累积流量和第一气压表13记录的气压变化值的比值，从而确定比例系数a，并通过体积和气压变化值计算出充入第一气体时实验腔体3和气路的总体积V1+V2。
进一步地，所述步骤四为开启真空泵开关电磁阀6，开启真空泵5，将实验腔体3和气路抽真空，之后关闭真空泵5，关闭真空泵开关电磁阀6，关闭实验腔体开关电磁阀4；气源通过第一质量流量计12向其后的气路中通入第一气体，通过第一质量流量计12记录的累积流量和第一气压表13记录的气压变化值之间的比例关系，即可得到单位流量的第一气体使第一质量流量计12之后的气路产生的气压变化值，由该值可计算出充入第一气体时的气路体积V2。
进一步地，所述步骤五为关闭第一流量计控制电磁阀14，执行第二质量流量计22标定程序，气源通过第二质量流量计22向其后的气路和实验腔体3中通入第二气体，通过第二质量流量计22记录的累积流量和第二气压表23记录的气压变化值之间的比值，即可得到单位流量的第二气体使第二质量流量计22后的管路和实验腔体3产生的气压变化值，即为比例系数b，由该值计算出充入第二气体时实验腔体3和气路的总体积。
本发明的有益效果：应用本发明的***使用户充分摆脱了配气相关的计算过程和操作过程，极大提高了实验效率。控制程序中充分考虑了气路体积对配气比例精度造成的影响，通过特定的标定方法确定实际充气量以代替原有的理论充气量，能够有效地消除了气路体积带来的误差，整个***的误差水平仅由质量流量计和气压表的精度决定，配气比例精度不超过二者最大误差之和。此外，***设置了扩展接口，在完成配气功能的同时具有良好的扩展性，能够满足绝大部分用户的使用需求。
附图说明
图1为典型的配气***示意图；
图2为实施例1采用的配气***示意图。
图中，1-第一进气单元，11-第一气源接口，12-第一质量流量计，13-第一气压表，14-第一流量计控制电磁阀，2-第二进气单元，21-第二气源接口，22-第二质量流量计，23-第二气压表，24-第二流量计控制电磁阀，3-实验腔体，4-实验腔体开关电磁阀，5-真空泵，6-真空泵开关电磁阀，7-大气接口，8-扩展接口，9-上位机，10-气体分析仪。
具体实施方式
传统的配气方式是按照气体的分压原理，由气体的摩尔比和最终气压计算出各气体的分压，例如，要配置两种气体的混合气，按二者的比例可计算出第一气体的分压为P1，第二气体的分压为P2，则充气时先向腔体内充入第一气体至气压为P1，然后充入第二气体至气压为P1+P2。然而，这种配气方式本身将导致一定的误差，分析如下：充气***示意图如图1所示，其中，V1表示实验腔体的体积，V2表示第一气体支路阀门，第二气体支路阀门和腔体阀门之间的气路体积，即前面所述的“固有体积”，腔体的气压由气压表G测量。假设先充入第一气体至腔体气压为P1，此时，腔体体积V1和“固有体积”V2中都充满了气压为P1的第一气体；然后充入第二气体至腔体气压为P1+P2，在此过程中实际发生的情况是，第二气体先将“固有体积”中的第一气体压入腔体，然后再对腔体充入第二气体，因此，最终腔体中的实际气体分压比为：
而目标分压比为
则实际分压比的相对误差为
可见，如果按照传统的方式配气，实际分压比的误差与第一气体和第二气体的理想分压比以及腔体体积与“固有体积”的比值有关，当该比值越大时，实际分压比的误差越小。腔体体积和“固有体积”可借助气体流量计和气压计来测量。例如，当实验腔体体积为100mL，气体管路体积为5mL，第一气体与第二气体的比例为0.1时，可得按传统方式进行配气将导致5.5％的误差，该误差对于高精度的实验是不可接受的。
要将配气误差最小化，在计算充入气体的量时必须将“固有体积”考虑进去。若第一气体的目标分压力为P1，第二气体的目标分压力为P2，实际充气时，充入第一气体后腔体压力为P1′，则P1和P1′之间应当满足的关系为：
这样一来，充入第二气体时，将气体管路中的第一气体压入腔体，即可使腔体中的第一气体恰好为预定值。而充入第二气体后的气压仍然为P1+P2不变，这样就能使实际的气体比例等于目标气体比例。采用该方式进行配气，能够从根本上消除由于“固有体积”导致的误差，因此整个***的误差将仅由质量流量计和气压表的精度决定。
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1
一种定容预混气体实验用全自动配气***，如图2所示，包括第一进气单元1，第二进气单元2，实验腔体3，实验腔体开关电磁阀4，真空泵5，真空泵开关电磁阀6，大气接口7，扩展接口8，上位机9。所述上位机9内设有控制软件。
所述第一进气单元1包括第一气源接口11，第一质量流量计12，第一气压表13和第一流量计控制电磁阀14，第二进气单元2包括第二气源接口21，第二质量流量计22，第二气压表23和第二流量计控制电磁阀24。
所述的第一气源接口11前端与第一气体气源相连，末端与所述的第一质量流量计12相连，所述的第一质量流量计12与所述的第一流量计控制电磁阀14相连，所述的第一气压表13与所述的第一质量流量计12和所述的第一流量计控制电磁阀14之间的气路相连。所述的第二气源接口21前端与第二气体源相连，末端与所述的第二质量流量计22相连，所述的第二质量流量计22与所述的第二流量计控制电磁阀24相连，所述的第二气压表23与所述的第二质量流量计22和所述的第二流量计控制电磁阀24之间的气路相连。所述的第二气压表13和所述的第二气压表23具有测量负压的功能。
所述的实验腔体3与实验腔体控制电磁阀4相连，所述的真空泵5与真空泵开关电磁阀6相连，真空泵开关电磁阀6与第一流量计控制电磁阀14、第二流量计控制电磁阀24和实验腔体开关电磁阀4三者之间封闭的气路相连。
所述的大气接口7和环境空气相连，所述的扩展接口8与一台气体分析仪10相连。
所述的上位机9及控制软件用于实现整个配气***的全自动控制。
整个***的工作步骤如下：
首次使用该***，或长时间未使用该***，或实验气路有改动时，在配气前须首先对整个***进行标定，标定过程的目的是测量实验腔体体积和“固有体积”。用户只需在控制软件上点击“***标定”按钮，即可全自动完成标定过程。标定过程如下：
1)准备工作：打开第一流量计控制电磁阀14、第二流量计控制电磁阀24、实验腔体开关电磁阀4和真空泵开关电磁阀6，开启真空泵5，将实验腔体3和与其连通的气路抽真空，之后关闭真空泵5，关闭真空泵开关电磁阀6。
2)用第一质量流量计12标定充入第一气体时实验腔体3和气路的总体积：执行第一质量流量计12的总体积标定程序，气源通过第一质量流量计12向其后的气路和实验腔体3中通入一定量的第一气体，通过第一质量流量计12记录的累积流量和第一气压表13记录的气压变化值的比值确定比例系数a，并通过体积和气压变化值计算出充入第一气体时实验腔体3和气路的总体积V1+V2。
3)用第一质量流量计12标定“固有体积”：开启真空泵开关电磁阀6，开启真空泵5，将实验腔体3和气路抽真空，之后关闭真空泵5，关闭真空泵开关电磁阀6，关闭实验腔体开关电磁阀4。执行第一质量流量计12的“固有体积”标定程序，气源通过第一质量流量计12向其后的气路中通入一定量的第一气体，通过第一质量流量计12记录的累积流量和第一气压表13记录的气压变化值之间的比例关系，即可得到单位流量的第一气体使第一质量流量计12之后的气路产生的气压变化值，由该值可计算出充入第一气体时的“固有体积”V2。
由此确定第一气体的实际充气量其中，P1为第一气体的理论分压，V1表示实验腔体的体积。
完成此步标定后，打开实验腔体开关电磁阀4。
4)用第二质量流量计22标定充入第二气体时实验腔体3和气路的总体积：在定容预混气体实验中，先充入的气体和后充入的气体的气压范围一般是不同的。为了保证足够的测量精度，第一气压表13和第二气压表23往往会采取不同的量程，即第一气压表13的量程要低于第二气压表23的量程。因此，在第一气体充气完毕后，需将第一流量计控制电磁阀14关闭，然后再充入第二气体，以免使气压超过第一气压表13的量程导致其损坏。因此，充入第二气体时，第一质量流量计12和第一流量计控制电磁阀14之间的气路已被排除在充气气路之外，应在该状态下对第二质量流量计22进行标定。具体为：关闭第一流量计控制电磁阀14，执行第二质量流量计22标定程序，气源通过第二质量流量计22向其后的气路和实验腔体3中通入一定量的第二气体，通过第二质量流量计22记录的累积流量和第二气压表23记录的气压变化值之间的比例关系，即可得到单位流量的第二气体使第二质量流量计22后的管路和实验腔体3产生的气压变化值，即为比例系数b，由此确定第二气体的实际充气量其中P2为第二气体的理论分压。
5)收尾工作：依次打开大气接口7，第一流量计控制电磁阀14，使腔体与大气连通，然后关闭大气接口7，打开真空泵开关电磁阀6，打开真空泵5，将腔体和管路抽真空。然后关闭真空泵开关电磁阀6，关闭真空泵5，打开大气接口7，至此标定过程完成，即可开始配气实验。
对用户而言，配气的方法极为简便，只需在上位机上将所需配制气体的配比和最终想要达到的气压值输入控制软件，然后在软件中点击“开始配气”按钮，即可全自动完成配气过程。整个***配气过程的步骤如下：
1)控制软件根据用户输入的信息和标定过程中得到的体积值计算两种气体理论上应充入的量，然后自动生成相应的流量计充气程序。
2)打开第一流量计控制电磁阀14、第二流量计控制电磁阀24、实验腔体开关电磁阀4和真空泵开关电磁阀6，开启真空泵5，将实验腔体和与其连通的气路抽真空。
3)关闭真空泵开关电磁阀6，关闭真空泵5，执行第一质量流量计12充气程序，向腔体和管路充入第一气体。
4)关闭第一流量计控制电磁阀14，执行第二质量流量计22充气程序，向腔体和管路充入第二气体。
5)关闭实验腔体开关电磁阀4，配气过程完成。
6)若想对配气的准确度进行实测检验，可通过扩展接口8的气体分析仪10对所配制的气体进行分析。

Claims (7)

1.一种利用定容预混气体实验用全自动配气***进行配气的方法，其特征在于，
所述定容预混气体实验用全自动配气***包括多个进气单元，实验腔体，实验腔体开关电磁阀，真空泵，真空泵开关电磁阀，主气路，扩展接口和上位机；
所述主气路分别与多个进气单元，实验腔体开关电磁阀，真空泵开关电磁阀，扩展接口和大气接口连接；
所述实验腔体开关电磁阀通过气路与实验腔体相连；
所述真空泵开关电磁阀通过气路与真空泵相连；
所述上位机通过控制线分别与进气单元，实验腔体开关电磁阀，真空泵和真空泵开关电磁阀相连；
每个进气单元包括气源接口、质量流量计、气压表和流量计控制电磁阀，并通过进气通道依次连接；
具体包括如下步骤：
步骤一：将第一气体源与第一进气单元(1)中的第一气源接口(11)连接，将第二气体源与第二进气单元(2)中的第二气源接口(21)连接；
步骤二：对配气***进行抽真空处理；
步骤三：利用第一质量流量计(12)和第一气压表(13)标定充入第一气体时实验腔体(3)和气路的总体积V1+V2；
步骤四：利用第一质量流量计(12)和第一气压表(13)标定气路体积V2；
步骤五：用第二质量流量计(22)和第二气压表(23)标定充入第二气体时实验腔体(3)和气路的总体积；
步骤六：依次打开大气接口(7)，第一流量计控制电磁阀(14)，使腔体与大气连通，然后关闭大气接口(7)，打开真空泵开关电磁阀(6)，打开真空泵(5)，将腔体和管路抽真空；然后关闭真空泵开关电磁阀(6)，关闭真空泵(5)，打开大气接口(7)，至此标定过程完成；
步骤七：确定配气过程中第一气体的实际充气量V1’和第二气体的实际充气量V2’；其中，第一气体的实际充气量第二气体的实际充气量其中，P1为第一气体的理论分压，P2为第二气体的理论分压，V1表示实验腔体(3)的体积，a为第一气体通过第一质量流量计(12)记录的累积流量和第一气压表(13)记录的气压变化值的比值，b为第二气体通过第二质量流量计(22)记录的累积流量和第二气压表(23)记录的气压变化值的比值；
步骤八：打开第一流量计控制电磁阀(14)、第二流量计控制电磁阀(24)、实验腔体开关电磁阀(4)和真空泵开关电磁阀(6)，开启真空泵(5)，将实验腔体和与其连通的气路抽真空；
步骤九：关闭真空泵开关电磁阀(6)，关闭真空泵(5)，通过第一质量流量计(12)向腔体和管路充入第一气体，实际充气量的预定值设为V1’；
步骤十：关闭第一流量计控制电磁阀(14)，通过第二质量流量计(22)向腔体和管路充入第二气体，实际充气量的预定值设为V2’；
步骤十一：关闭实验腔体开关电磁阀(4)，配气过程完成。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤三为气源通过第一质量流量计(12)向其后的气路和实验腔体(3)中通入第一气体，通过第一质量流量计(12)记录的累积流量和第一气压表(13)记录的气压变化值的比值，从而确定比例系数a，并通过体积和气压变化值计算出充入第一气体时实验腔体(3)和气路的总体积V1+V2。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤四为开启真空泵开关电磁阀(6)，开启真空泵(5)，将实验腔体(3)和气路抽真空，之后关闭真空泵(5)，关闭真空泵开关电磁阀(6)，关闭实验腔体开关电磁阀(4)；气源通过第一质量流量计(12)向其后的气路中通入第一气体，通过第一质量流量计(12)记录的累积流量和第一气压表(13)记录的气压变化值之间的比例关系，即可得到单位流量的第一气体使第一质量流量计(12)之后的气路产生的气压变化值，由该值可计算出充入第一气体时的气路体积V2。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述步骤五为关闭第一流量计控制电磁阀(14)，执行第二质量流量计(22)标定程序，气源通过第二质量流量计(22)向其后的气路和实验腔体(3)中通入第二气体，通过第二质量流量计(22)记录的累积流量和第二气压表(23)记录的气压变化值之间的比值，即可得到单位流量的第二气体使第二质量流量计(22)后的管路和实验腔体(3)产生的气压变化值，即为比例系数b，由该值计算出充入第二气体时实验腔体(3)和气路的总体积。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述进气单元的个数为2-4个。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的质量流量计具有记录累积流量的功能。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述大气接口和环境空气相连通，所述扩展接口保持封闭状态或与其他设备连接。
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