CN106237877A - 一种动态气液混合配气仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种动态气液混合配气仪，该配气仪包括气体配气部分、液体气化部分、配气仪***主板和Win ce工控屏，气体配气部分包括多条气路，第四条气路上串联三通电磁阀，其余气路上串联二通电磁阀，每条气路上电磁阀后均串联质量流量控制器，三通电磁阀分别通过二通电磁阀与其他气路上的二通电磁阀连接；液体气化部分包括恒温加热装置和注射泵，未与混气室的进气口连接的质量流量控制器与恒温加热装置的第一进口连接，注射泵与恒温加热装置的第二进口连接，恒温加热装置的出口与混气室的进气口连接；Win ce工控屏与配气仪***主板连接，配气仪***主板分别与所有的二通电磁阀、三通电磁阀、质量流量控制器、恒温加热装置和注射泵连接。

Description

一种动态气液混合配气仪
技术领域
本发明属于气体分析技术领域，具体涉及一种动态气液混合配气仪。
背景技术
在气体分析检测领域，常常需要采用配气仪来产生标准气体，用于监测仪器的标定与校准，同样在环境、科研、生物医药等领域也需要配比一定量浓度的气体。
目前现有技术中已出现了多种气液混合的配比方式，例如公开号为CN102580606A的中国专利文献公开了一种动态配气仪，包括稀释气进气铜管、原料气进气管、出气管、控制***、恒温室、气体混合室、至少一个玻璃扩散管及扩散管托架；其中，所述气体混合室置于恒温室内；所述玻璃扩散管***扩散管托架置于气体混合室底部；扩散管托架设置有提手；所述气体混合室底部还设有温度传感器，与扩散管托架底部接触；所述气体混合室为外表面加工有螺纹刻槽的铝管；所述稀释气进气铜管和电发热丝同时缠绕在所述铝管表面的螺旋刻槽中；所述稀释气进气铜管、原料气进气管、出气管均穿过恒温室与气体混合室相连通；所述控制***包括微电脑控制器、触摸显示屏、温控器、2个质量流量控制器，其中，所述微电脑控制器分别与所述触摸显示屏、温控器、2个质量流量控制器电联，所述2个质量流量控制器分别与稀释气进气铜管、原料气进气管电联，所述温控器与气体混合室电联。
公开号为CN102580606A的中国专利文献公开的动态配气仪虽然可以通过液体挥发的方式来配置气液混合气，但由于不同液体在温度不稳定的情况下挥发情况是不一样的，未必能达到实验所需要的配比浓度，这种配气方式也比较被动，精度不高，同时该动态配气仪也只能配比一气一液或两气的混合气，无法完成多种气体的混合配制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动态气液混合配气仪，可以精确地配置气液混合气、四路气体混合气，精确度1％以内。
为实现上述目的，本发明所述的动态气液混合配气仪包括气体配气部分、液体气化部分、配气仪***主板和Win ce工控屏，所述气体配气部分包括多条气路，第四条气路上串联三通电磁阀，其余气路上串联二通电磁阀，每条气路上电磁阀后均串联质量流量控制器，其中一条气路上的三通电磁阀分别通过二通电磁阀与其他气路上的二通电磁阀连接；所述其他气路上的质量流量控制器分别与混气室的进气口连接；所述液体气化部分包括恒温加热装置和注射泵，未与混气室的进气口连接的质量流量控制器与恒温加热装置的第一进口连接，注射泵与恒温加热装置的第二进口连接，恒温加热装置的出口与混气室的进气口连接；所述Win ce工控屏与所述配气仪***主板连接，所述配气仪***主板分别与所有的二通电磁阀、三通电磁阀、质量流量控制器、恒温加热装置和注射泵连接。
所述恒温加热装置中设置有温度传感器和PID温控表，所述Win ce工控屏用于供用户输入配气参数，并将配气参数传输到所述配气仪***主板，所述配气仪***主板根据配气参数向质量流量控制器、注射泵和PID温控表发出控制指令，控制气体配气部分中的经过多条气路进入混气室的气体流量、液体气化部分中进入恒温加热装置的气体流量、注射泵的推进速度和恒温加热装置的加热温度，从而通过混气室的出气口输出配气，通过混气室的出气口输出的配气的浓度与用户输入的配气参数对应。
所述配气参数包括气体参数、液体参数或流量大小。
所述气体配气部分包括四条气路，其中第一气路上串联第一二通电磁阀和第一质量流量控制器，第一二通电磁阀的第一入口与第一气路的进气口连接，第一质量流量控制器的出口与混气室的第一进气口连接；第二气路上串联第二二通电磁阀和第二质量流量控制器，第二二通电磁阀的第一入口与第二气路的进气口连接，第二质量流量控制器的出口与混气室的第二进气口连接；第三气路上串联第三二通电磁阀和第三质量流量控制器，第三二通电磁阀的第一入口与第三气路的进气口连接，第三质量流量控制器的出口与混气室的第三进气口连接；第四气路上串联三通电磁阀和第四质量流量控制器，三通电磁阀的第一出口与第四质量流量控制器的入口连接，三通电磁阀的第二出口分别与第四二通电磁阀的入口、第五二通电磁阀的入口和第六二通电磁阀的入口连接；第四二通电磁阀的出口与第一二通电磁阀的出口连接，第五二通电磁阀的出口与第二二通电磁阀的出口连接，第六二通电磁阀的出口与第三二通电磁阀的出口连接；第四质量流量控制器的出口与恒温加热装置的第一进口连接，注射泵与恒温加热装置的第二进口连接，恒温加热装置的出口与混气室的第四进气口连接。
所述恒温加热装置包括加热管路，所述加热管路由加热带缠绕，加热管路装于密封箱体内，密封箱体中间以保温棉填充，恒温加热装置中安装有温度传感器和PID温控表，PID温控表用来控制加热带的温度。
第四气路的进气口与空气压缩机连接。
所述Win ce工控屏与所述配气仪***主板连接，所述配气仪***主板与第一质量流量控制器、第二质量流量控制器、第三质量流量控制器和第四质量流量控制器之间通过RS232或RS485串口进行通信；所述配气仪***主板与注射泵之间通过RS485串口进行通信。
所述Win ce工控屏内置嵌入式WINCE***。
所述注射泵包括电机、丝杠、滑块和注射器，所述注射器的出口连接恒温加热装置的第二进口连接，所述滑块连接在丝杠上，丝杠与电机连接。
所述的动态气液混合配气仪采用闭环模糊控制技术，在混气室的出气口安装用于检测气体浓度的检测传感器，所述检测传感器与所述配气仪***主板连接，所述配气仪***主板根据检测传感器输出的气体浓度信号控制注射泵的推进速度。
本发明具有如下优点：本发明所述的动态气液混合配气仪解决了现有技术中原有设备不能精确配制气液混合气的问题，本发明所述的动态气液混合配气仪可用于气体分析仪的线性、准确度、重复性等多种技术指标的测试，是检定、维护和维修气体分析仪器不可缺少的测试工具以及固定浓度气体的发生装置，适用于工厂、科研、实验室等单位使用的气体分析仪校准或测试用标准气样品的制备。
附图说明
图1是本发明所述动态气液混合配气仪的连接结构示意图。
图2是本发明所述动态气液混合配气仪的逻辑结构示意图。
图3是本发明所述注射泵的结构示意图。
图4是本发明所述动态气液混合配气仪的控制原理示意图。
具体实施方式
以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1所示的一个优选实施例中，所述气体配气部分包括四条气路，其中第一气路1上串联第一二通电磁阀21和第一质量流量控制器31，第一二通电磁阀21的第一入口与第一气路1的进气口连接，第一质量流量控制器31的出口与混气室5的第一进气口连接；第二气路2上串联第二二通电磁阀22和第二质量流量控制器32，第二二通电磁阀22的第一入口与第二气路2的进气口连接，第二质量流量控制器32的出口与混气室5的第二进气口连接；第三气路3上串联第三二通电磁阀23和第三质量流量控制器33，第三三通电磁阀23的第一入口与第三气路3的进气口连接，第三质量流量控制器33的出口与混气室5的第三进气口连接；第四气路4上串联三通电磁阀24和第四质量流量控制器34，三通电磁阀24的第一出口与第四质量流量控制器34的入口连接，三通电磁阀24的第二出口分别与第四二通电磁阀11的入口、第五二通电磁阀12的入口和第六二通电磁阀13的入口连接；第四二通电磁阀11的出口与第一二通电磁阀21的出口连接，第五二通电磁阀12的出口与第二二通电磁阀22的出口连接，第六二通电磁阀13的出口与第三二通电磁阀23的出口连接；第四质量流量控制器34的出口与恒温加热装置6的第一进口连接，注射泵7与恒温加热装置6的第二进口连接，恒温加热装置6的出口与混气室5的第四进气口连接。
所述恒温加热装置6包括加热管路，所述加热管路由加热带缠绕，加热管路装于密封箱体内，密封箱体中间以保温棉填充，恒温加热装置6中安装有温度传感器和PID温控表，PID温控表用来控制加热带的温度。
虽然图1所示的实施例中共有四条气路，但是本领域技术人员完全能够理解，本发明并不限于四条气路，可以根据实际需要设置气路的数量。
如图2所示，第四气路4的进气口与空气压缩机8连接。
所述Win ce工控屏10与所述配气仪***主板9连接，所述配气仪***主板9与第一质量流量控制器31、第二质量流量控制器32、第三质量流量控制器33和第四质量流量控制器34之间通过RS232或RS485串口进行通信；所述配气仪***主板9与注射泵7之间通过RS485串口进行通信。
所述Win ce工控屏10内置嵌入式WIN CE***(含显示与交互)。
如图3所示，所述注射泵7包括电机、丝杠71、滑块72和注射器73，所述注射器73的出口连接恒温加热装置6的第二进口连接，所述滑块72连接在丝杠71上，丝杠71与电机连接。
电机驱动丝杠71转动，丝杠71进而带动滑块72沿轴向运动，滑块72推动注射器73的活塞沿轴向运动，将液体注射进入恒温加热装置6。
由于气液混合配气有很多不可控因素，于是可以在混合气输出端加装检测装置来实现闭环控制模式，通过传感器检测的浓度来调节液体注入速度，用来提高配制精度。
如图4所示，本发明所述的动态气液混合配气仪采用闭环模糊控制技术，在混气室的出气口安装用于检测气体浓度的检测传感器，所述检测传感器与所述配气仪***主板9连接，所述配气仪***主板9根据检测传感器输出的气体浓度信号控制注射泵的推进速度。
闭环控制可以通过如下方式实现：
用户通过Win ce工控屏输入气体参数、液体参数、流量大小等配气参数，并将配气参数传输到所述配气仪***主板，配气仪***主板根据配气参数发出控制指令给质量流量控制器、注射泵和pid温控表，三者协同工作输出需要的配气浓度，同时用于检测气体浓度的检测传感器检测配气结果，将检测到的配气结果输出给配气仪***主板，配气仪***主板根据检测到的配气结果来调整流量和注射泵的推进速度，***会记录下每次根据反馈结果记下的配气调节数据，使该***实现自我学习功能，达到一定数据量积累过后，可省去检测环节，即使使用开环***也可达到很高的精准度。
本发明所述的动态气液混合配气仪是一种动态气体、液体配量及发生装置，是集液体气化发生、动态气体配气以及气体与液体混合配气的设备。气体配气部分采用质量流量控制器控制多路气体输出不同比例的流量，从而动态地实现各种气体浓度的配置。液体气化部分采用高精度注射泵以及恒温加热装置，结合质量流量控制器对气体进行气化与稀释，达到液体配气的功能。
下面介绍本发明所述的动态气液混合配气仪的气体配气工作原理。
配量装置(Air-DS，即本发明所述的动态气液混合配气仪)采用质量流量控制器(即气体流量计)控制钢瓶气与零气输出不同比例的流量，从而得到准确的预先设定的混合气体流量和浓度。Air-DS采用的气体流量计都是以精确测量体积流量为基础的。体积流量是由气体流量计内部独特的截流装置两端的差压所决定的，Air-DS所使用的这种截流装置称为层流部件，具有层流部件的气体流量计称为层流流量计。被测气体在通过整个层流部件时被强制分流为相互平行的流层；因此Air-DS设备的运行方式都由层流部件所决定。与其他流量测量设备不同的是，层流流量计上压降和流量是成线性关系的，其原理由如下方程1表示：
Q＝(P1-P2)πr4/8ηL
其中，Q为体积流量，P1为入口静压，P2为出口静压，r为层流元件半径，η为流体绝对黏度，L为层流元件长度。
由于π，r和L是恒量，方程1可以重新写为方程2：
Q＝K(ΔP/η)
方程2中K由于几何因素而是常量，方程2中，Q表示体积流量，ΔP表示压差，η表示绝对黏度，是一般形式气体黏度。为了得到精确的体积流量，必须选择被测气体类型(被测气体类型决定了绝对黏度的数值)。这是很重要的，因为设备是按照被测气体在测量温度时候的绝对黏度来计算出流量的。如果所选的气体不是实际测量的气体，在计算流量的时候就会使用错误的黏度值，从而输出不正确的结果，错误值正比于两种气体(即所选的气体和实际测量的气体)的黏度差。
如图1所示的一个优选实施例中，本发明所述的动态气液混合配气仪可以精确地配置四路气体混合气，例如可以在第一气路1的进气口上接入零气，在第二气路2、第三气路3和第四气路4的进气口上分别接入不同的钢瓶气，通过关闭第四二通电磁阀11、第五二通电磁阀12、第六二通电磁阀13、第三二通电磁阀23和三通电磁阀24，打开第一二通电磁阀21和第二二通电磁阀22，可以实现第一气路1和第二气路2的气体的混合配气，通过第一质量流量控制器31控制第一气路1的气体流量，通过第二质量流量控制器32控制第二气路2的气体流量，第一气路1的气体和第二气路2的气体均进入混气室5混合均匀，得到需要的浓度的配气，由混气室5的出气口51输出。
同样地，通过关闭第四二通电磁阀11、第五二通电磁阀12、第六二通电磁阀13、第一二通电磁阀21和三通电磁阀24，打开第二二通电磁阀22和第三二通电磁阀23，可以实现第二气路2和第三气路3的气体的混合配气；通过关闭第四二通电磁阀11、第五二通电磁阀12、第六二通电磁阀13、第二二通电磁阀22和三通电磁阀24，打开第一二通电磁阀21和第三二通电磁阀23，可以实现第一气路1和第三气路3的气体的混合配气；通过关闭第四二通电磁阀11、第五二通电磁阀12、第六二通电磁阀13，打开第一二通电磁阀21、第二二通电磁阀22和第三二通电磁阀23，可以实现第一气路1、第二气路2和第三气路3的气体的混合配气；通过打开第四二通电磁阀11、第五二通电磁阀12、第六二通电磁阀13和三通电磁阀24，关闭第一二通电磁阀21、第二二通电磁阀22、第三二通电磁阀23，将第四气路4的进气口通零气，可以实现对整个气路的清洗过程。
下面介绍本发明所述的动态气液混合配气仪的液体发生气体配气工作原理。
液体发生气体配气根据的是静态容量法配气原理，静态容量法配气原理是将欲配组分气体(或液体)通过注射孔注入一密封容器(混合室)中，同时导入稀释气体，充分搅拌混合后，测得混合气体的温度、压力，由欲配组分的注入量、容器的体积、温度、压力计算出标准气体的浓度。其计算公式如下：
①液体密度 单位(g/ml)
②注射泵推进速度 单位(ml/min) (以液体体积计算)
③注射泵推进液体速度：③＝①×② (以液体质量计算)
g/ml×ml/min＝g/min (单位：克/分钟)
配气输出浓度：③÷稀释流量
g/min÷m3/min＝g/m3 (单位：克/立方米)
配气时，用户通过Win ce工控屏输入气体参数、液体参数、流量大小等配气参数，并将配气参数传输到所述配气仪***主板，所述配气仪***主板根据液体参数和所需配气的浓度来控制注射泵推进量，同时加热管路中有第四质量流量控制器34输出的零气与液体混合加热，产生气液混合蒸汽，由于质量流量控制器输出的气体流量、注射泵推进速度、加热温度都是均匀稳定的，所以只需要控制三者的量就可以精确地配制出气液混合气。
现有技术中传统的气液混合配气只有一种靠液体在密封容器中挥发、称重的方式来完成，导致气体产生速度慢、受环境变量影响大、精度低、高浓度气体无法配置等问题，本发明所述的动态气液混合配气仪实现了完全自动控制，具有高精度、高稳定度的特点，解决了以上缺陷。
本发明所述的动态气液混合配气仪支持进行气体、液体同时配气以及混合配气；流量控制采用闭环模糊控制技术，响应速度快，流量控制准确；零气压力和钢瓶气压力可实时监测，保证供气压力满足仪器要求；具有多路标准气体输入接口，免除了更换多种钢瓶气的繁琐。
虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种动态气液混合配气仪，所述动态气液混合配气仪包括气体配气部分、液体气化部分、配气仪***主板和Win ce工控屏，其特征在于，所述气体配气部分包括多条气路，第四条气路上串联三通电磁阀，其余气路上串联二通电磁阀，每条气路上电磁阀后均串联质量流量控制器，其中一条气路上的三通电磁阀分别通过二通电磁阀与其他气路上的二通电磁阀连接；所述其他气路上的质量流量控制器分别与混气室的进气口连接；所述液体气化部分包括恒温加热装置和注射泵，未与混气室的进气口连接的质量流量控制器与恒温加热装置的第一进口连接，注射泵与恒温加热装置的第二进口连接，恒温加热装置的出口与混气室的进气口连接；所述Win ce工控屏与所述配气仪***主板连接，所述配气仪***主板分别与所有的二通电磁阀、三通电磁阀、质量流量控制器、恒温加热装置和注射泵连接。
2.如权利要求1所述的动态气液混合配气仪，其特征在于，所述恒温加热装置中设置有温度传感器和PID温控表，所述Win ce工控屏用于供用户输入配气参数，并将配气参数传输到所述配气仪***主板，所述配气仪***主板根据配气参数向质量流量控制器、注射泵和PID温控表发出控制指令，控制气体配气部分中的经过多条气路进入混气室的气体流量、液体气化部分中进入恒温加热装置的气体流量、注射泵的推进速度和恒温加热装置的加热温度，从而通过混气室的出气口输出配气，混气室的出气口输出的配气浓度与用户输入的配气参数对应。
3.如权利要求2所述的动态气液混合配气仪，其特征在于，所述配气参数包括气体参数、液体参数或流量大小。
4.如权利要求3所述的动态气液混合配气仪，其特征在于，所述气体配气部分包括四条气路，其中第一气路上串联第一二通电磁阀和第一质量流量控制器，第一二通电磁阀的第一入口与第一气路的进气口连接，第一质量流量控制器的出口与混气室的第一进气口连接；第二气路上串联第二二通电磁阀和第二质量流量控制器，第二二通电磁阀的第一入口与第二气路的进气口连接，第二质量流量控制器的出口与混气室的第二进气口连接；第三气路上串联第三二通电磁阀和第三质量流量控制器，第三二通电磁阀的第一入口与第三气路的进气口连接，第三质量流量控制器的出口与混气室的第三进气口连接；第四气路上串联三通电磁阀和第四质量流量控制器，三通电磁阀的第一出口与第四质量流量控制器的入口连接，三通电磁阀的第二出口分别与第四二通电磁阀的入口、第五二通电磁阀的入口和第六二通电磁阀的入口连接；第四二通电磁阀的出口与第一二通电磁阀的出口连接，第五二通电磁阀的出口与第二二通电磁阀的出口连接，第六二通电磁阀的出口与第三二通电磁阀的出口连接；第四质量流量控制器的出口与恒温加热装置的第一进口连接，注射泵与恒温加热装置的第二进口连接，恒温加热装置的出口与混气室的第四进气口连接。
5.如权利要求4所述的动态气液混合配气仪，其特征在于，所述恒温加热装置包括加热管路，所述加热管路由加热带缠绕，加热管路装于密封箱体内，密封箱体中间以保温棉填充，恒温加热装置中安装有温度传感器和PID温控表，PID温控表用来控制加热带的温度。
6.如权利要求5所述的动态气液混合配气仪，其特征在于，第四气路的进气口与空气压缩机连接。
7.如权利要求6所述的动态气液混合配气仪，其特征在于，所述Win ce工控屏与所述配气仪***主板连接，所述配气仪***主板与第一质量流量控制器、第二质量流量控制器、第三质量流量控制器和第四质量流量控制器之间通过RS232或RS485串口进行通信；所述配气仪***主板与注射泵之间通过RS485串口进行通信。
8.如权利要求7所述的动态气液混合配气仪，其特征在于，所述Win ce工控屏内置嵌入式WINCE***。
9.如权利要求8所述的动态气液混合配气仪，其特征在于，所述注射泵包括电机、丝杠、滑块和注射器，所述注射器的出口连接恒温加热装置的第二进口连接，所述滑块连接在丝杠上，丝杠与电机连接。
10.如权利要求9所述的动态气液混合配气仪，其特征在于，所述的动态气液混合配气仪采用闭环模糊控制技术，在混气室的出气口安装用于检测气体浓度的检测传感器，所述检测传感器与所述配气仪***主板连接，所述配气仪***主板根据检测传感器输出的气体浓度信号控制注射泵的推进速度。
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