CN101435712A - 一种气体体积流量测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种气体体积流量测量装置，包括压力传感器、注射泵和微处理器；待测气体通过气体管路一方面作用于压力传感器，另一方面连接所述的注射泵；所述压力传感器将待测气体的压力与初始压力进行比较，进而生成压差信号输出至所述的微处理器；所述微处理器根据压差大小生成相应的控制信号驱动注射泵以相应的速度抽气，直到压差为零；在此过程中，注射泵将抽气时所产生的位移编码信号传输至所述的微处理器，所述微处理器根据位移编码、注射泵的注射器容积以及抽气时间计算出待测气体的流量。本发明的气体体积流量测量装置灵敏度高，流量测量范围宽，可靠性强，对于微流量气体体积流量的测量具有独特的优势。

Description

一种气体体积流量测量装置

技术领域

本发明属于流量测量技术领域，具体地说，是涉及一种对气体体积流量进行测量的装置。

背景技术

目前，对于气体流量的测量对象复杂多样，现有的测量方法和测量装置种类繁多，但是绝大多数产品都存在流量测量范围窄，对于流量波动幅度较大的场合其应用会受到限制的问题。为了解决这一问题，目前市面上也出现了某些测量范围很宽的气体流量测量装置，但是其组建结构较复杂，成本很高，而且对于微小流量的气体，其检测的灵敏度很低。对于微小流量气体的测量，目前通常采用质量流量计进行检测，其工作原理是通过对气体密度的检测来间接地测量气体流量。这种检测方法容易受到气体温度等因素的影响，从而使得测量精度不高，而且一些腐蚀性气体还会对质量流量计造成损害，因此，应用不广泛。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、测量范围宽、灵敏度高的气体体积流量测量装置，以解决现有结构简单的测量装置其测量范围窄，而测量范围宽的测量装置其结构复杂、成本高的问题。

为解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种气体体积流量测量装置，包括压力传感器、注射泵和微处理器；待测气体通过气体管路一方面作用于压力传感器，另一方面连接所述的注射泵；所述压力传感器将待测气体的压力与初始压力进行比较，进而生成压差信号输出至所述的微处理器；所述微处理器根据压差大小生成相应的控制信号驱动注射泵以相应的速度抽气，直到压差为零；在此过程中，注射泵将抽气时所产生的位移编码信号传输至所述的微处理器，所述微处理器根据位移编码、注射泵的注射器容积以及抽气时间计算出待测气体的流量。

进一步的，所述微处理器按照公式 $v=\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\Δt}}=\frac{\frac{m}{M}V}{\mathrm{\Δt}}$ 计算出待测气体的流量；其中，ΔV为最小时间段内的抽气体积；V为所述注射泵的注射器的容积；M为注射泵本身的分辨率所决定的将V分成的点数；m为最小时间段内注射泵动作的点数，所述注射泵动作的点数通过编码生成位移编码信号传输至所述的微处理器；Δt为最小时间段的时间，根据注射泵的响应时间确定。

又进一步的，所述微处理器按照公式 $\mathrm{\ΔT}=\frac{V1}{P1}\mathrm{\ΔP}$ 计算出注射泵在压力传感器响应时间内的抽气体积，再根据注射泵的注射器内径计算出注射泵在压力传感器响应时间内的抽气长度，进而根据所述抽气长度生成控制信号，以对注射泵的抽气速度进行控制；其中，P1是初始压力；V1是注射泵未抽气前，气体管路的容积；ΔP是待测气体的压力与初始压力之间的差值；ΔT是注射泵在压力传感器响应时间内的抽气体积。

优选的，所述注射泵包括两个，均由微处理器控制；当其中一个注射泵的注射器抽满气体时，关闭与待测气体连通的管路，进行排气；与此同时，控制另一个注射泵开始抽气，当该注射泵的注射器抽满气体时，关闭其与待测气体连通的气体管路，进行排气，同时切换至第一个注射泵开始抽气；如此连续抽气，直至所述压力传感器检测到的压差为零时停止。

其中，在所述注射泵中包含有一两位三通换向阀，其公共通路与注射泵的注射器内腔相连通，第一开关通路与流通待测气体的气体管路相连通，第二开关通路与外界大气相连通；所述换向阀受控于所述的微处理器，在抽气过程中，连通其第一开关通路与公共通路的连接通道；在排气过程中，连通其第二开关通路与公共通路的连接通道。

另外，在所述注射泵中还包含有一步进电机，带动注射器内腔中的活塞往复运动，所述步进电机的转速受控于所述的微处理器，在抽气过程中，根据微处理器输出的控制信号控制活塞的运行速度。

本发明的测量装置在初始状态下，微处理器控制注射泵将注射器中的活塞推至顶部以排空注射器中的气体，并控制换向阀连通其第一开关通路与公共通路之间的通道，以等待执行抽气测量任务。

优选的，所述初始压力为大气压；所述压力传感器为差压传感器，其“+”端连接待测气体的流通管路，“-”端与外界大气相连通。

再进一步的，在所述测量装置中还包含有水容器和反应物质器皿，在所述水容器的底部连接有第一管路，所述第一管路通过第一开关阀连接第二管路，所述第二管路与反应物质器皿相连通；在所述水容器的顶部或者侧面的上部连接有第三管路，通过所述第三管路连接反应物质器皿，在所述第三管路中安装有第二开关阀；另外，所述第二管路与第四管路连通，通过第四管路连接所述的压力传感器和注射泵，在所述第四管路中安装有第三开关阀。

更进一步的，所述开关阀为手动阀或者受控于微处理器的电磁阀；在初始反应过程中，打开第一、第二开关阀，关闭第三开关阀，使水容器中的水通过第一开关阀迅速流入反应物质器皿，与此同时，反应物质器皿中的气体通过第二开关阀交换至水容器中水液面以上的空间，以保证压力恒定；当水容器中的水完全流入反应物质器皿中时，关闭第一、第二开关阀，打开第三开关阀，开始进行气体流量的测量。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的气体体积流量测量装置灵敏度高，流量测量范围宽，可达到0.02ml/min～50ml/min，对于微流量气体体积流量的测量具有独特的优势，其独特的测量方法使该体积流量测量装置无零点漂移，可靠性高。本发明的流量计量装置采用石英玻璃材质，其优良的物理和化学性能，使该流量测量装置基本不受计量物质种类的限制，应用范围更广泛。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是发明所提出的气体体积流量测量装置的一种实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细地说明。

本发明的气体体积流量测量装置其设计原理是：首先，通过对待测气体的压力进行检测，使其与初始压力进行比较后得到待测气体与初始压力之间的压差值，进而将所述压差值作为采样信号输入到微处理器中；其次，所述微处理器根据接收到的采样信号生成一定的转速控制信号输出至注射泵中，以控制注射泵中的步进电机以相应的转速旋转，从而带动注射器内腔中的活塞以相应的速度抽气，直到压差为零；在此过程中，注射泵将抽气时所产生的位移编码信号实时地传输至所述的微处理器中，所述微处理器根据位移编码、注射泵的注射器溶剂以及抽气时间即可计算出待测气体的流量。

下面以一个具体的实施例来详细阐述所述气体体积流量测量装置的具体组成结构及其工作过程。

实施例一，参见图1所示，在本实施例中，所述气体体积流量测量装置具体包括水容器1、反应物质器皿2、第一开关阀3、第二开关阀4、第三开关阀5、压力传感器6、微处理器7、注射泵I和注射泵II等主要组成部分。其中，在水容器1的底部连接有第一管路8，所述第一管路8通过第一开关阀3连接第二管路9，进而通过第二管路9与反应物质器皿2相连通。与此同时，为了方便水容器1与反应物质器皿2之间进行气体交换，在水容器1的顶部或者侧面的上部连接有第三管路10，通过第三管路10连接反应物质器皿2，或者通过第三管路10连接第二管路9，进而通过第二管路9与反应物质器皿2连通，并在所述第三管路10中安装有第二开关阀4。当然，所述第三管路10也可以连接在水容器1的其他位置，只要能保证其连接口位置高于水容器1中的液面位置即可。另外，所述第二管路9与第四管路11连通，通过第四管路11连接三通12，进而通过三通12分别与压力传感器6和注射泵I、注射泵II对应连接。另外，在所述第四管路11中还安装有第三开关阀5，以控制何时对待测气体的流量进行测量。

在本实施例中，所述压力传感器6可以具体采用差压传感器实现，如图1所示，其“+”端连接待测气体的流通管路，比如三通12的其中一个端子；“-”端与外界大气相连通；测量产生的压差信号(具体为与压差相对应的电压信号)通过其输出端连接微处理器7。所述微处理器7根据接收到的压差信号生成相应的控制信号输出至注射泵I和注射泵II，以控制注射泵I和注射泵II的工作状态以及抽气速度。

在所述注射泵I和注射泵II中均包含有一两位三通换向阀，其公共通路B1(或B2)与注射泵的注射器内腔相连通，第一开关通路A1(或A2)与待测气体的流通管路相连通，比如三通12的另外一个端子，第二开关通路C1(或C2)与外界大气相连通，如图1所示。所述换向阀受控于微处理器7，在抽气过程中，连通其第一开关通路A1(或A2)与公共通路B1(或B2)的连接通道；在排气过程中，连通其第二开关通路C1(或C2)与公共通路B1(或B2)的连接通道。在所述注射泵I和注射泵II中还各包含有一步进电机，在微处理器7的控制下带动注射器内腔中的活塞往复运动，以完成抽气或者排气动作。所述微处理器7同时对步进电机的转速进行控制，在抽气过程中，根据微处理器7输出的控制信号控制活塞以相应的速度下行抽气。

当然，所述的注射泵也可以采用单个的大容量注射泵或者两个以上的注射泵连接实现。当采用单个大容量注射泵进行抽气时，应对反应所能产生的待测气体体积进行充分考虑，并选用容量大于待测气体体积的注射泵来进行气体流量的检测。当采用两个以上的注射泵进行抽气时，其具体连接关系可以参照图1所示的连接结构进行简单扩展，本实施例在此不再进行详细阐述。

下面简要介绍一下上述气体体积流量测量装置的工作过程。

初始状态时，水容器1中未装入水(或者其他液体)，反应物质器皿2中未装入反应物质，第一开关阀3、第二开关阀4和第三开关阀5均打开，压力传感器6的“+”端与“-”端均为大气压，其压差ΔP0＝0，注射泵I和注射泵II关闭其第一开关通路A1、A2与公共通路B1、B2的连接通道，并控制其第二开关通路C1、C2与公共通路B1、B2连通；微处理器7控制注射泵I和注射泵II将注射器中的活塞上推至顶端，以排空注射器中的气体。接着，微处理器7控制注射泵I和注射泵II关闭其第二开关通路C1、C2与公共通路B1、B2的连接通道，同时打开第一开关通路A1、A2与公共通路B1、B2的连接通道，为抽气做好准备。然后，关闭第一开关阀3、第二开关阀4和第三开关阀5，在水容器1中注入定量的水后密封，在反应物质器皿2中装入定量的反应物质后密封；而后，打开第一开关阀3和第二开关阀4，使水通过第一管路8、第一开关阀3、第二管路9迅速流入反应物质器皿2中；与此同时，反应物质器皿2中的气体通过第二管路9、第三管路10、经第二开关阀4交换至水容器1液面上部的空间，以保持水容器1中的气体压力恒定。在这里，被水交换上去的气体包括反应物质器皿2中原有的气体以及反应产生的气体。由于水是迅速流入反应物质器皿2中的，在这段极短的时间内反应所产生的气体非常少，因此，被交换上去的气体大部分是本来就存在于反应物质器皿2中的气体。当水完全流入反应物质器皿2中时，关闭第一开关阀3和第二开关阀4，同时打开第三开关阀5。此时，进入水容器1中的气体体积等于初始注入的水的体积。这样一来，通过第三开关阀5输出的气体即为待测的反应气体。所述气体通过三通12在压力传感器6的“+”端产生压力，而压力传感器6的“-”端压力恒定在大气压，因此，在压力传感器6的“+”端与“-”端将形成压差ΔP。将所述压差ΔP转换成相应的电压信号传输至微处理器7中，进而通过微处理器7产生相应的控制信号，以控制注射泵I以相应的速度进行抽气。其中，所述微处理器7按照以下公式：

$\mathrm{\ΔT}=\frac{V1}{P1}\mathrm{\ΔP}---\left(1\right)$

生成注射泵在压力传感器6响应时间内(即压力传感器6每次输出压差ΔP的时间)的抽气体积，再根据注射泵的注射器内径计算出注射泵在压力传感器6响应时间内的抽气长度，进而根据所述抽气长度生成控制信号，以对注射泵的抽气速度进行控制。其中，P1是初始压力，在本实施例中即大气压；V1是注射泵未抽气前，气体管路的容积，在本实施例中具体指第三开关阀5后面的气体管路容积，即从第三开关阀5开始到压力传感器6的“+”端以及到注射泵I和注射泵II的第一开关通路A1、A2之间的气体管路的内腔容积；ΔP是待测气体的压力与初始压力之间的差值；ΔT是注射泵在压力传感器响应时间内的抽气体积。

由公式(1)可以清楚地看出：在测量装置安装完成后以及初始压力选定的情况下，

即为常数；若令P1＝1，即1个标准大气压，则该常数仅取决于第三开关阀5后面的气体管路的容积。在本实施例中，所述V1可以取

所述微处理器7将生成的控制信号传输至注射泵I和注射泵II，首先控制注射泵I以控制信号所对应的速度开始抽气。此时，注射泵I的第一开关通路A1与其公共通路B1连通，气体被连续抽至注射泵I的注射器中。当注射泵I的注射器抽满时，微处理器7控制注射泵I关闭其第一开关通路A1与公共通路B1的连接通道，并导通其第二开关通路C1与公共通路B1的连接通道，将气体排出，同时控制注射泵II开始动作。由于此时注射泵II的第一开关通路A2已经与其公共通路B2连通，因此，可以继续抽气，其抽气速度根据当前接收到的控制信号实时调整。当注射泵II抽满时，注射泵I已排空，此时注射泵I关闭其第二开关通路C1与公共通路B1之间的连接通道，并将第一开关通路A1与其公共通路B1导通，继续抽气。与此同时，注射泵II关闭其第一开关通路A2与公共通路B2的连接通道，并导通其第二开关通路C2与公共通路B2的连接通道，将气体排出。如此反复以保证连续抽气，直至压力传感器6的“+”端与“-”端压差ΔP＝0为止。在注射泵I和注射泵II抽气的过程中，以其最小响应时间为单位将其抽气时所产生的位移编码信号反馈至微处理器7，所述微处理器7按照以下公式计算出当前气体的流量：

$v=\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\Δt}}=\frac{\frac{m}{M}V}{\mathrm{\Δt}}---\left(2\right)$

其中，v为当前气体的流量；ΔV为最小时间段内的抽气体积；V为所述注射泵的注射器的容积；M为注射泵本身的分辨率所决定的将V分成的点数；m为最小时间段内注射泵动作的点数，所述注射泵动作的点数通过编码生成位移编码信号传输至所述的微处理器7；Δt为最小时间段的时间，根据注射泵的响应时间确定。

微处理器7在每次注射泵抽满气体时都会记录一次，当压差ΔP＝0时，采集最后抽气的注射泵I或者注射泵II的位移编码信号，进而根据先前的记录、当前的位移编码信号以及注射泵的注射器内径即可得出反应气体的体积。当然，也可以通过注射泵I和注射泵II来记录其抽气过程产生的总位移，进而在压差ΔP＝0时将抽气时所产生的总位移编码信号传输至微处理器7，微处理器7根据所述的总位移编码信号以及注射泵的注射器内径即可计算出反应气体的体积。

当然，也可以通过所述注射泵I和注射泵II来控制其自身的换向阀切换，每次抽满气体时向微处理器7输出控制信号，以便微处理器7记录。

在本实施例中，压力传感器6的“-”端连接外界大气，因此，初始压力为大气压。当然，也可以设定成其他的压力值，本实施例对此不进行具体限制。

此外，所述的第一开关阀3、第二开关阀4和第三开关阀5可以是手动阀，由技术人员根据反应进程手动控制。当然，也可以采用电磁阀实现，通过微处理器7根据反应进程来自动控制各开关阀准确通断，以实现测量过程的自动化控制。

在本实施例中，为了使本实施例的气体体积流量测量装置可以适用于任何种类的反应气体，所述注射泵I和注射泵II中的注射器优选采用石英玻璃材质，其优良的物理和化学性能可以使该流量测量装置基本不受计量物质种类的限制，从而使其应用范围更加广泛。

本发明的气体体积流量测量装置结构简单，成本低，无零点漂移，灵敏度高，尤其适合对微小流量的气体进行精确测量。

应当指出的是，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1、一种气体体积流量测量装置，其特征在于：包括压力传感器、注射泵和微处理器；待测气体通过气体管路一方面作用于压力传感器，另一方面连接所述的注射泵；所述压力传感器将待测气体的压力与初始压力进行比较，进而生成压差信号输出至所述的微处理器；所述微处理器根据压差大小生成相应的控制信号驱动注射泵以相应的速度抽气，直到压差为零；在此过程中，注射泵将抽气时所产生的位移编码信号传输至所述的微处理器，所述微处理器根据位移编码信号、注射泵的注射器容积以及抽气时间计算出待测气体的流量。

2、根据权利要求1所述的气体体积流量测量装置，其特征在于：所述微处理器按照公式 $v=\frac{\mathrm{\ΔV}}{\mathrm{\Δt}}=\frac{\frac{m}{M}V}{\mathrm{\Δt}}$ 计算出待测气体的流量；其中，ΔV为最小时间段内的抽气体积；V为所述注射泵的注射器的容积；M为注射泵本身的分辨率所决定的将V分成的点数；m为最小时间段内注射泵动作的点数，所述注射泵动作的点数通过编码生成位移编码信号传输至所述的微处理器；Δt为最小时间段的时间，根据注射泵的响应时间确定。

3、根据权利要求2所述的气体体积流量测量装置，其特征在于：所述微处理器按照公式 $\mathrm{\ΔT}=\frac{V1}{P1}\mathrm{\ΔP}$ 计算出注射泵在压力传感器响应时间内的抽气体积，再根据注射泵的注射器内径计算出注射泵在压力传感器响应时间内的抽气长度，进而根据所述抽气长度生成控制信号，以对注射泵的抽气速度进行控制；其中，P1是初始压力；V1是注射泵未抽气前，气体管路的容积；ΔP是待测气体的压力与初始压力之间的差值；ΔT是注射泵在压力传感器响应时间内的抽气体积。

4、根据权利要求3所述的气体体积流量测量装置，其特征在于：所述注射泵包括两个，均由微处理器控制；当其中一个注射泵的注射器抽满气体时，关闭与待测气体连通的气体管路，进行排气；与此同时，控制另一个注射泵开始抽气，当该注射泵的注射器抽满气体时，关闭其与待测气体连通的气体管路，进行排气，同时切换至第一个注射泵开始抽气；如此连续抽气，直至所述压力传感器检测到的压差为零时停止。

5、根据权利要求4所述的气体体积流量测量装置，其特征在于：在所述注射泵中包含有一两位三通换向阀，其公共通路与注射泵的注射器内腔相连通，第一开关通路与流通待测气体的气体管路相连通，第二开关通路与外界大气相连通；所述换向阀受控于所述的微处理器，在抽气过程中，连通其第一开关通路与公共通路的连接通道；在排气过程中，连通其第二开关通路与公共通路的连接通道。

6、根据权利要求5所述的气体体积流量测量装置，其特征在于：在所述注射泵中还包含有一步进电机，带动注射器内腔中的活塞往复运动，所述步进电机的转速受控于所述的微处理器，在抽气过程中，根据微处理器输出的控制信号控制活塞的运行速度。

7、根据权利要求6所述的气体体积流量测量装置，其特征在于：在初始状态下，所述微处理器控制注射泵将注射器中的活塞推至顶部以排空注射器中的气体，并控制换向阀连通其第一开关通路与公共通路之间的通道。

8、根据权利要求7所述的气体体积流量测量装置，其特征在于：所述初始压力为大气压；所述压力传感器为差压传感器，其“+”端连接待测气体的流通管路，“-”端与外界大气相连通。

9、根据权利要求1至8中任一项所述的气体体积流量测量装置，其特征在于：在所述测量装置中还包含有水容器和反应物质器皿，在所述水容器的底部连接有第一管路，所述第一管路通过第一开关阀连接第二管路，所述第二管路与反应物质器皿相连通；在所述水容器的顶部或者侧面的上部连接有第三管路，通过所述第三管路连接反应物质器皿，在所述第三管路中安装有第二开关阀；另外，所述第二管路与第四管路连通，通过第四管路连接所述的压力传感器和注射泵，在所述第四管路中安装有第三开关阀。

10、根据权利要求9所述的气体体积流量测量装置，其特征在于：所述开关阀为手动阀或者受控于微处理器的电磁阀；在初始反应过程中，打开第一、第二开关阀，关闭第三开关阀，使水容器中的水通过第一开关阀迅速流入反应物质器皿，与此同时，反应物质器皿中的气体通过第二开关阀交换至水容器中水液面以上的空间，以保证压力恒定；当水容器中的水完全流入反应物质器皿中时，关闭第一、第二开关阀，打开第三开关阀，开始进行气体流量的测量。

Images