CN102294185B - 仿人体呼出气体配比和温度/湿度调控的气体配制装置及方法 - Google Patents
仿人体呼出气体配比和温度/湿度调控的气体配制装置及方法 Download PDFInfo
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Abstract
仿人体呼出气体配比和温度/湿度调控的气体配制装置及方法，涉及一种气体配制装置及方法。本发明解决了现有的气体配制装置配比误差较大、精度较低导致根据配比值对温度/湿度进行自动调控的精底低的问题。它的CO2气罐、N2气罐和空气压缩机分别通过调节阀接入气体预混罐，采用仿人体呼出气体的方式，将空气、氮气、二氧化碳、水蒸气按一定比例配制成含氮气78％、氧气16％、二氧化碳4％、水蒸气1.1％，并送入气体混合罐15，待恒温后输出。本发明适用于气体配制过程中。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体配制装置及方法。
背景技术
目前，在电气领域常常需要两种以上的保持一定比例的气体配制，而一般的做法是控制气体的流量，但流量在过程检测中是一个较难把握的测量项目，尤其是气体值测量更难，其精度与测量仪表、显示装置、前后测量管、辅助仪表、流体特征、安装情况、环境条件、维护水平都紧密相关。一台流量计出厂校验其误差为0.5%，但在使用中误差增为10%～20%。所以单一的根据流量控制实现气体配比的误差较大，精度难以满足。
理论上来说：人在呼吸时，在大气环境下，一般成年男子吸入气体成分按氮气78%、氧气21%、二氧化碳0.03%、水蒸气0.07%、其它0.9%，而呼出气体成分按氮气78%、氧气16%、二氧化碳4%、水蒸气1.1%、其它0.9%计算。这其中变化的只有氧气损失5%，二氧化碳增加3.97%和水蒸气增加1.03%，其它基本不变，所以防人工呼吸必须能够模拟这些气体变化同时，还要保留不变的气体成分，而现在所有的仿人工呼吸只是考虑了氧气、二氧化碳和水蒸气变化，而没有考虑其它气体情况，无法模拟真实环境，对气体浪费较大。
发明内容
本发明是为了解决现有的气体配比装置配比误差较大、精度较低的问题，从而提供一种仿人体呼出气体配比和温度/湿度调控的气体配制装置及方法。
仿人体呼出气体配比和温度/湿度调控的气体配制装置，它包括CO2气罐、CO2调节阀、CO2变送器、N2气罐、N2调节阀、N2变送器、空气压缩机、空气调节阀、空气流量计、内置有风机的气体预混罐、气体混合罐、气体分析仪、混合罐变送器、混合罐内压力传感器、混合罐内温度传感器、混合罐内湿度传感器、控制模块、工控机、仿人体加热器和加湿器；
CO2气罐的出气口通过CO2调节阀与内置有风机的气体预混罐的进气口连通；N2气罐的出气口通过N2调节阀也与内置有风机的气体预混罐的进气口连通；空气压缩机的出气口通过空气调节阀也与内置有风机的气体预混罐的进气口连通；内置有风机的气体预混罐的出气口与气体混合罐的进气口连通；
CO2调节阀与内置有风机的气体预混罐的进气口之间的管路上设置有CO2变送器，N2调节阀与内置有风机的气体预混罐的进气口之间的管路上设置有N2变送器，空气调节阀与内置有风机的气体预混罐的进气口之间的管路上设置有空气流量计；混合罐变送器设置在气体混合罐的出气口处；
CO2变送器的CO2流量信号输出端与控制模块的CO2流量信号输入端连接；N2变送器的N2流量信号输出端与控制模块的N2流量信号输入端连接；混合罐变送器的混合气体流量信号输出端与控制模块的混合气体流量信号输入端连接；
混合罐内压力传感器用于采集气体混合罐内的气压，混合罐内温度传感器用于采集气体混合罐内的温度，混合罐内湿度传感器用于采集气体混合罐内的湿度；
N2调节阀的开度控制信号输入端与控制模块的N2流量控制信号输出端连接；CO2调节阀的开度控制信号输入端与控制模块的CO2流量控制信号输出端连接；空气调节阀的开度控制信号输入端与控制模块的空气流量控制信号输出端连接；
气体分析仪用于分析气体混合罐输出气体中各成份的含量，所述气体分析仪的CO2分析结果输出端与控制模块的CO2分析结果输入端连接；气体分析仪的O2分析结果输出端与控制模块的O2分析结果输入端连接；气体分析仪的N2分析结果输出端与工控机的N2分析结果输入端连接；工控机的工控机信号输入或输出端与控制模块的工控信号输出或输入端连接；
仿人体加热器用于控制气体混合罐内的温度，加湿器用于控制气体混合罐内的湿度；控制模块的仿人体加热控制信号输出端与仿人体加热器的仿人体加热控制信号输入端连接；控制模块的加湿控制信号输出端与加湿器的加湿控制信号输入端连接；控制模块的空气压缩机控制信号输出端与空气压缩机的控制信号输入端连接。
基于上述装置的仿人体呼出气体配比和温度/湿度调控的气体配制方法，
气体分析仪分析气体混合罐输出气体中各成份的含量，获得CO2、O2和N2的分析结果；
控制模块根据获得的CO2的分析结果通过PID信道控制方式控制CO2调节阀的开度；
控制模块根据获得的N2的分析结果通过PID信道控制方式控制N2调节阀的开度；
控制模块根据获得的O2的分析结果通过PID信道控制方式控制空气调节阀的开度；
采用混合罐内压力传感器采集混合罐内的压力值，控制模块根据所述压力值控制空气压缩机的开启或关闭；
采用混合罐内湿度传感器采集混合罐内的湿度值，控制模块根据所述湿度值控制加湿器的开启或关闭；
采用混合罐内温度传感器采集混合罐内的温度值，控制模块根据所述温度值控制仿人体加热器的开启或关闭。
控制模块根据采集到的混合罐内的温度值，采用PID信道控制方式控制混合罐加热器的输出温度。
有益效果：本发明通过模仿人体呼出气体的方式将空气、氮气、水蒸气进行配制，并采用控制模块对压力、温度、流量综合的闭环控制实现配制的精度，本发明的气体配制精度高。
附图说明
图1是本发明的气路结构示意图；图2是本发明的控制部分原理示意图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1和图2说明本具体实施方式，仿人体呼出气体配比和温度/湿度调控的气体配制装置，它包括CO2气罐1、CO2调节阀3、CO2变送器4、N2气罐5、N2调节阀7、N2变送器8、空气压缩机9、空气调节阀11、空气流量计12、内置有风机14的气体预混罐13、气体混合罐15、气体分析仪16、混合罐变送器17、混合罐内压力传感器18、混合罐内温度传感器19、混合罐内湿度传感器20、控制模块21、工控机22、仿人体加热器24和加湿器25；
CO2气罐1的出气口通过CO2调节阀3与内置有风机14的气体预混罐13的进气口连通；N2气罐5的出气口通过N2调节阀7也与内置有风机14的气体预混罐13的进气口连通；空气压缩机9的出气口通过空气调节阀11也与内置有风机14的气体预混罐13的进气口连通；内置有风机14的气体预混罐13的出气口与气体混合罐15的进气口连通；
CO2调节阀3与内置有风机14的气体预混罐13的进气口之间的管路上设置有CO2变送器4，N2调节阀7与内置有风机14的气体预混罐13的进气口之间的管路上设置有N2变送器8，空气调节阀11与内置有风机14的气体预混罐13的进气口之间的管路上设置有空气流量计12；混合罐变送器17设置在气体混合罐15的出气口处；
CO2变送器4的CO2流量信号输出端与控制模块21的CO2流量信号输入端连接；N2变送器8的N2流量信号输出端与控制模块21的N2流量信号输入端连接；混合罐变送器17的混合气体流量信号输出端与控制模块21的混合气体流量信号输入端连接；
混合罐内压力传感器18用于采集气体混合罐15内的气压，混合罐内温度传感器19用于采集气体混合罐15内的温度，混合罐内湿度传感器20用于采集气体混合罐15内的湿度；
N2调节阀7的开度控制信号输入端与控制模块21的N2流量控制信号输出端连接；CO2调节阀3的开度控制信号输入端与控制模块21的CO2流量控制信号输出端连接；空气调节阀11的开度控制信号输入端与控制模块21的空气流量控制信号输出端连接；
气体分析仪16用于分析气体混合罐15输出气体中各成份的含量，所述气体分析仪16的CO2分析结果输出端与控制模块21的CO2分析结果输入端连接；气体分析仪16的O2分析结果输出端与控制模块21的O2分析结果输入端连接；气体分析仪16的N2分析结果输出端与工控机22的N2分析结果输入端连接；工控机22的工控机信号输入或输出端与控制模块21的工控信号输出或输入端连接；
仿人体加热器24用于控制气体混合罐15内的温度，加湿器25用于控制气体混合罐15内的湿度；控制模块21的仿人体加热控制信号输出端与仿人体加热器24的仿人体加热控制信号输入端连接；控制模块21的加湿控制信号输出端与加湿器25的加湿控制信号输入端连接；控制模块21的空气压缩机控制信号输出端与空气压缩机9的控制信号输入端连接。
本实施方式采用仿人体呼出气体的方式，将空气、氮气、二氧化碳、水蒸气按一定比例配制成含氮气78%、氧气16%、二氧化碳4%、水蒸气1.1%，并送入气体混合罐15，待恒温后输出。本实施方式不直接采用纯净的氧气、氮气、二氧化碳和水蒸气配制，节省大量纯净气体。
具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的仿人体呼出气体配比和温度/湿度调控的气体配制装置的区别在于，它还包括混合罐加热器23，所述混合罐加热器23用于给气体混合罐15进行加热，所述混合罐加热器23的加热控制信号输出或输入端与控制模块21的加热控制信号输出端连接。
具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式二所述的仿人体呼出气体配比和温度/湿度调控的气体配制装置的区别在于，它还包括一号空气滤清器2、二号空气滤清器6和三号空气滤清器10，一号空气滤清器2设置在CO2气罐1与CO2调节阀3之间的管路上；二号空气滤清器6设置在N2气罐5与N2调节阀7之间的管路上；三号空气滤清器10设置在空气压缩机9与空气调节阀11之间的管路上。
本实施方式中，采用一号空气滤清器2、二号空气滤清器6和三号空气滤清器10对进入气体混合罐15中的气体进行过滤，混气精度更高。
具体实施方式四、本具体实施方式与具体实施方式二或三所述的仿人体呼出气体配比和温度/湿度调控的气体配制装置的区别在于，控制模块21与N2调节阀7之间、控制模块21与CO2调节阀3之间、控制模块21与空气调节阀11之间、控制模块21与混合罐加热器23之间均采用PID信道控制方式实现。
具体实施方式五、本具体实施方式与具体实施方式四所述的仿人体呼出气体配比和温度/湿度调控的气体配制装置的区别在于，控制模块21采用PLC实现。
本实施方式中的控制模块21采用西门子公司的PLC，配以多个I/O模块和PID控制等模块与上位机连接，实现与上位机中通信。
具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式二、三或五所述的仿人体呼出气体配比和温度/湿度调控的气体配制装置的区别在于，气体分析仪16的N2分析结果输出端与工控机22的N2分析结果输入端之间采用RS-232MODBUS串口通信的方式实现。
具体实施方式七、基于具体实施方式一的仿人体呼出气体配比和温度/湿度调控的气体配制方法，它的方法为：
气体分析仪16分析气体混合罐15输出气体中各成份的含量，获得CO2、O2和N2的分析结果；
控制模块21根据获得的CO2的分析结果通过PID信道控制方式控制CO2调节阀3的开度；
控制模块21根据获得的N2的分析结果通过PID信道控制方式控制N2调节阀7的开度；
控制模块21根据获得的O2的分析结果通过PID信道控制方式控制空气调节阀11的开度；
采用混合罐内压力传感器18采集混合罐15内的压力值，控制模块21根据所述压力值控制空气压缩机9的开启或关闭；
采用混合罐内湿度传感器20采集混合罐15内的湿度值，控制模块21根据所述湿度值控制加湿器25的开启或关闭；
采用混合罐内温度传感器19采集混合罐15内的温度值，控制模块21根据所述温度值控制仿人体加热器的开启或关闭。
在控制模块21根据采集到的混合罐15内的温度值，采用PID信道控制方式控制混合罐加热器23的输出温度。
Claims (8)
1.仿人体呼出气体配比和温度/湿度调控的气体配制装置，其特征是：它包括CO2气罐(1)、CO2调节阀(3)、CO2变送器(4)、N2气罐(5)、N2调节阀(7)、N2变送器(8)、空气压缩机(9)、空气调节阀(11)、空气流量计(12)、内置有风机(14)的气体预混罐(13)、气体混合罐(15)、气体分析仪(16)、混合罐变送器(17)、混合罐内压力传感器(18)、混合罐内温度传感器(19)、混合罐内湿度传感器(20)、控制模块(21)、工控机(22)、仿人体加热器(24)和加湿器(25)；
CO2气罐(1)的出气口通过CO2调节阀(3)与内置有风机(14)的气体预混罐(13)的进气口连通；N2气罐(5)的出气口通过N2调节阀(7)也与内置有风机(14)的气体预混罐(13)的进气口连通；空气压缩机(9)的出气口通过空气调节阀(11)也与内置有风机(14)的气体预混罐(13)的进气口连通；内置有风机(14)的气体预混罐(13)的出气口与气体混合罐(15)的进气口连通；
CO2调节阀(3)与内置有风机(14)的气体预混罐(13)的进气口之间的管路上设置有CO2变送器(4)，N2调节阀(7)与内置有风机(14)的气体预混罐(13)的进气口之间的管路上设置有N2变送器(8)，空气调节阀(11)与内置有风机(14)的气体预混罐(13)的进气口之间的管路上设置有空气流量计(12)；混合罐变送器(17)设置在气体混合罐(15)的出气口处；
CO2变送器(4)的CO2流量信号输出端与控制模块(21)的CO2流量信号输入端连接；N2变送器(8)的N2流量信号输出端与控制模块(21)的N2流量信号输入端连接；混合罐变送器(17)的混合气体流量信号输出端与控制模块(21)的混合气体流量信号输入端连接；
混合罐内压力传感器(18)用于采集气体混合罐(15)内的气压，混合罐内温度传感器(19)用于采集气体混合罐(15)内的温度，混合罐内湿度传感器(20)用于采集气体混合罐(15)内的湿度；
N2调节阀(7)的开度控制信号输入端与控制模块(21)的N2流量控制信号输出端连接；CO2调节阀(3)的开度控制信号输入端与控制模块(21)的CO2流量控制信号输出端连接；空气调节阀(11)的开度控制信号输入端与控制模块(21)的空气流量控制信号输出端连接；
气体分析仪(16)用于分析气体混合罐(15)输出气体中各成份的含量，所述气体分析仪(16)的CO2分析结果输出端与控制模块(21)的CO2分析结果输入端连接；气体分析仪(16)的O2分析结果输出端与控制模块(21)的O2分析结果输入端连接；气体分析仪(16)的N2分析结果输出端与工控机(22)的N2分析结果输入端连接；工控机(22)的工控机信号输入或输出端与控制模块(21)的工控信号输出或输入端连接；
仿人体加热器(24)用于控制气体混合罐(15)内的温度，加湿器(25)用于控制气体混合罐(15)内的湿度；控制模块(21)的仿人体加热控制信号输出端与仿人体加热器(24)的仿人体加热控制信号输入端连接；控制模块(21)的加湿控制信号输出端与加湿器(25)的加湿控制信号输入端连接；控制模块(21)的空气压缩机控制信号输出端与空气压缩机(9)的控制信号输入端连接。
2.根据权利要求1所述的仿人体呼出气体配比和温度/湿度调控的气体配制装置，其特征在于它还包括混合罐加热器(23)，所述混合罐加热器(23)用于给气体混合罐(15)进行加热，所述混合罐加热器(23)的加热控制信号输出或输入端与控制模块(21)的加热控制信号输出端连接。
3.根据权利要求2所述的仿人体呼出气体配比和温度/湿度调控的气体配制装置，其特征在于它还包括一号空气滤清器(2)、二号空气滤清器(6)和三号空气滤清器(10)，一号空气滤清器(2)设置在CO2气罐(1)与CO2调节阀(3)之间的管路上；二号空气滤清器(6)设置在N2气罐(5)与N2调节阀(7)之间的管路上；三号空气滤清器(10)设置在空气压缩机(9)与空气调节阀(11)之间的管路上。
4.根据权利要求2或3所述的仿人体呼出气体配比和温度/湿度调控的气体配制装置，其特征在于控制模块(21)对N2调节阀(7)、CO2调节阀(3)、空气调节阀(11)和混合罐加热器(23)的控制均采用PID信道控制方式实现。
5.根据权利要求4所述的仿人体呼出气体配比和温度/湿度调控的气体配制装置，其特征在于控制模块(21)采用PLC实现。
6.根据权利要求2、3或5所述的仿人体呼出气体配比和温度/湿度调控的气体配制装置，其特征在于气体分析仪(16)的N2分析结果输出端与工控机(22)的N2分析结果输入端之间采用RS-232MODBUS串口通信的方式实现。
7.基于权利要求1的仿人体呼出气体配比和温度/湿度调控的气体配制装置的气体配制方法，其特征是：它的方法为：
气体分析仪(16)分析气体混合罐(15)输出气体中各成份的含量，获得CO2、O2和N2的分析结果；
控制模块(21)根据获得的CO2的分析结果通过PID信道控制方式控制CO2调节阀(3)的开度；
控制模块(21)根据获得的N2的分析结果通过PID信道控制方式控制N2调节阀(7)的开度；
控制模块(21)根据获得的O2的分析结果通过PID信道控制方式控制空气调节阀(11)的开度；
采用混合罐内压力传感器(18)采集混合罐(15)内的压力值，控制模块(21)根据所述压力值控制空气压缩机(9)的开启或关闭；
采用混合罐内湿度传感器(20)采集混合罐(15)内的湿度值，控制模块(21)根据所述湿度值控制加湿器(25)的开启或关闭；
采用混合罐内温度传感器(19)采集混合罐(15)内的温度值，控制模块(21)根据所述温度值控制仿人体加热器(24)的开启或关闭。
8.基于权利要求7的仿人体呼出气体配比和温度/湿度调控的气体配制装置的气体配制方法，其特征在于该方法基于的仿人体呼出气体配比和温度/湿度调控的气体配制装置还包括混合罐加热器(23)，所述混合罐加热器(23)用于给气体混合罐(15)进行加热，所述混合罐加热器(23)的加热控制信号输出或输入端与控制模块(21)的加热控制信号输出端连接；
该方法中：控制模块(21)根据采集到的混合罐(15)内的温度值，采用PID信道控制方式控制混合罐加热器(23)的输出温度。
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| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C14 | Grant of patent or utility model | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee |
Granted publication date: 20130605 Termination date: 20170628 |
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