CN102580606A

CN102580606A - 一种动态配气仪

Info

Publication number: CN102580606A
Application number: CN2012100492524A
Authority: CN
Inventors: 苏晓舟; 王美霞; 钟蝶娴
Original assignee: GUANGDONG PROV OCCUPATIONAL DISEASE PREVENTING & TREATING HOSPITAL
Current assignee: GUANGDONG PROV OCCUPATIONAL DISEASE PREVENTING & TREATING HOSPITAL
Priority date: 2012-02-29
Filing date: 2012-02-29
Publication date: 2012-07-18
Anticipated expiration: 2032-02-29
Also published as: CN102580606B

Abstract

本发明公开了一种动态配气仪，用于配置一定浓度的标准气体，在物理、化学等测量领域中用于校准测量仪器和测量过程。该动态配气仪包括稀释气进气铜管、原料气进气管、出气管、控制系统、恒温室、气体混合室、玻璃扩散管及扩散管托架。本发明应用嵌入式微型计算机进行自动控制，不仅具有较高稳定性、准确性，而且实现了液配气及气配气二合一，应用范围更广，同时操作简便，能长时间连续发生，适合在基层环境、卫生监测及计量等机构推广使用。

Description

一种动态配气仪

技术领域

本发明涉及一种动态配气仪，尤其是涉及一种可精确控制原料和稀释气体流量的液配气及气配气二合一的动态配气仪。

背景技术

配气仪是用于将两种或两种以上的气体（市面上多为两种），按照一定比例进行配比、混合并输出设定浓度气体的仪器。在环境、卫生监测及科研、教学、计量等机构经常要进行两种或两种以上的气体调配，随着科技的发展，人们对配气仪的要求也越来越高。目前市面上多见的有两种原理的配气仪，一种是三通电磁阀原理，另一种是质量流量计原理。根据用户需要可自行选择。

采用三通电磁阀原理的配气仪主要利用单片机控制高速三通电磁阀，通过对两路气体通断进行选择，从而达到调节每一路气体的采样量，获得设定浓度的气体，从而实现气体配比，例如专利号为CN2825085Y的高精度配气仪。但电磁阀原理的配气仪的优点是气体适用范围比较广，操作比较简单，价格相对较低。常规气体，无需经过特殊设置或换算，就可以直接使用。对于气体种类和所要配比的浓度，在仪器出厂前不需要调教。但是，只能用于将两种气体进行配比；配比精度低（大于1%）。

采用质量流量计原理的配气仪主要利用单片机控制质量流量计的流量，从而实现不同气体的配比。例如申请号为201010176846.2的一种标准气体配气仪。质量流量计原理的配气仪主要特点是配气精度高（小于0.5%），但价格较贵。对于不同种类的气体，需要采用不同的配气仪。每台配气仪只能配置出厂设定浓度范围内的气体。

目前，市场上还没有将液配气及气配气二者合一的动态配气仪。

发明内容

本发明目的是提供一种动态配气仪，实现了液配气及气配气二合一，同时实现智能控制，操作简单，配比精度高，性能稳定，能长时间连续发生。

本发明提供了一种动态配气仪，包括稀释气进气铜管、原料气进气管、出气管、控制系统、恒温室、气体混合室、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；所述玻璃扩散管插入扩散管托架置于气体混合室底部；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；所述控制系统包括微电脑控制器、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。

进一步，所述恒温室还包括电发热丝、保温棉，所述电发热丝缠绕在所述气体混合室外壁，所述保温棉填充于恒温室内壁与气体混合室外壁之间。

进一步，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。

进一步，所述铝管的外表面为发黑氧化绝缘层，内表面喷涂有耐热、防腐蚀的氟树脂水性双层不粘涂料。

进一步，所述扩散管托架为铝质圆柱体，上有若干个玻璃扩散管固定插孔。

进一步，所述扩散管托架还设有提手，便于将扩散管放入气体混合室底部。

进一步，所述恒温室外壁为不锈钢圆筒。

本发明提供的动态配气装置应用嵌入式微型计算机进行自动控制，与现有的同类产品相比不仅具有较高稳定性、准确性，而且是液配气及气配气二合一，应用范围更广，同时操作简便，能长时间连续发生，适合在基层环境、卫生监测及计量等机构推广使用。

与现有技术相比，采用本发明的方案，有如下优点：

1）加热速度快，恒温效果好。本发明采用新型气体混合室加热，稀释气进气管和电发热丝同时由上到下直接缠绕在混合室表面螺旋刻槽中，配合高精度温控器，加热速度快（约10分钟加热到50℃），恒温效果好，温度波动小于±0.1℃。同时由于稀释气进气管和发热丝一同缠绕在混合室表面一起被加热，可对进入混合室的气体进行预加热，有效缩短恒温时间，减少温度波动。

2）全自动控制，操作简单。液配气模式中，使用时只需要在触摸屏上选择原料液体名称和需要配制的气体浓度即可，系统智能选择加热温度并自动计算及控制稀释气流量，可根据注入液体容量计算配气输出持续运行时间。气配气模式时只需在触摸屏输入原料气浓度和需要稀释到的浓度即可，另外由于流量质量控制器出厂前一般是用氮气（N₂）校准，如果用于控制其他气体需进行修正，本发明控制系统已内置60种常见气体的修正系数，在用户选择原料气时会自动修正流量质量控制器，从而保证流量控制精度。如果原料气不在内置数据库中，用户可直接输入原料气体的密度等参数，系统会自动计算出修正系数。

3）本发明采用液配气及气配气二合一设计，可有效解决在一般液配气的配气仪中，要配某些气体时由于受到原料液体在常温下挥发速度限制，配出的气体浓度较大，需另行稀释的缺点，可直接在本机气配气部分进行再次稀释即可实现。

4）本发明在气配气模式下，由于使用的是质量流量控制器，控制的是气体实际的质量流量，而不是体积流量，因此，配制的标准气浓度将不受环境温度和压力变化的影响。

5）可配置浓度范围宽，配比更精确。气配气的最大稀释比由采用的质量流量控制器最大流量决定，一般可达1：2000，如需要更宽的浓度范围，可通过更换更大流量的质量流量控制器实现。液体配气模式，可配气浓度范围主要由玻璃扩散管内径大小、扩散温度高低和稀释气流量大小决定，如选用玻璃扩散管内径范围为1.5mm~6mm，扩散温度范围为30℃~50℃，稀释气流量最大为20L/min时，可配气浓度范围为ppm级，如苯为0.8ppm～1000ppm，高挥发性的二硫化碳为11～2500ppm。如需更宽的浓度范围，可方便地通过加大扩散温度范围和流量质量控制器最大量程来实现。

附图说明

图1是本发明动态配气仪的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。

如图1所示，本发明动态配气仪由控制系统、恒温室3、气体混合室2、玻璃扩散管4及扩散管托架5组成。

1）控制系统由嵌入式微电脑控制主机12、触摸显示屏11、温控器13、2个质量流量控制器（MFC）14、15及电源组成；

2）气体混合室2外表面加工有螺纹刻槽的铝管（外表面发黑氧化绝缘处理，内表面喷涂耐热、防腐蚀的氟树脂水性双层不粘涂料）。稀释气进气铜管1和电发热丝7同时由上到下直接缠绕在铝管表面螺旋刻槽中，原料气进气管6、稀释气进气铜管1从铝管底部进入，尼龙出气管8从铝管顶部引出。气体混合室2底部有温度传感器10，与放入混合室2的扩散管托架5底部接触。

3）恒温室3外壁为不锈钢圆筒，将气体混合室2、电发热丝3和稀释气进气管1密封其中，两层之间填充保温棉9。

3）扩散管托架5为铝圆柱加工而成，上有4个圆孔可最多同时放入4支玻璃扩散管4配制出含4种原料的混合标准气体。扩散管托架5有提手16便于将扩散管4放入气体混合室2（铝管）底部。

其设计原理如下：

a）液体配气体

液体配气体采用扩散管法。其原理是，在一定的温度和压力条件下，在扩散管里的挥发性液体会以一定的速率挥发出来，这样，通过利用减重称量法就可计算出该物质在标准扩散管的扩散率。以空气或氮气作为载气（稀释气），通过调节其流量（即控制其体积）让其连续稳定的流过扩散池/混合室，即可得到所需浓度的标准气体。

计算浓度的公式表示如下：

如果已知扩散管气体扩散率Dr 和稀释气体的流量F，那么配气浓度即标准气

体浓度C可按式（1）或式（2）计算：

C=PoVoTDr×10³/ToPMQ （1）

式中，C为标准气体浓度，单位为mol／mol；Po为标准大气压，101.325kPa；Vo为标准状态下理想气体摩尔体积为22.4L／mol；T为气体混合室温度，单位为K；To为标准状态下热力学温度值，273.15K；Dr为扩散管气体扩散率，单位为ug／min； P为混合室压力，单位为kPa；M为所配标准气体摩尔质量，单位为g／mol；Q为流过扩散管口稀释气的总流量，单位为mL／min，简化后得式(2)如下：

C=(K×Dr×1000)/F （2）

式中，C为标准气体浓度，单位为ppm（10^-6）；Dr为扩散速度，单位为ug／min；F 为稀释气体的流量，单位为mL／min；k为由气体的种类所决定的常数，即

k=22.4Mr×(273+t)1273×P／760 （3）

上式中，Mr为所配标准气体的分子量；t为温度，单位℃；P为大气压，单位为mmHg。

从公式（2）可知，通过改变扩散管的截面积、长度、扩散管的温度，即改变扩散速度和稀释气体的流量等方式就可以配制由几十个ppb(10^-9)至几百ppm (10^-6)浓度的标准气体。

在测出某气体在特定温度下，在选定扩散管中的扩散速度后，通过公式（2）可由标准气的浓度C反向计算出所需的稀释气流量，这样只是通过控制稀释气的流量就可配出所需浓度的标准气。

b）气配气

气配气是根据流量比混合法，精确控制原料气体和稀释气体的流量，并加以混合后得到所需浓度的标准气。

在配制单组分标准气时，以高纯氮气N₂作为稀释气，使用浓度为s的原料气G，配制浓度为c的标准气体，则稀释比k＝c／s。计算可得到原料气G和稀释气N₂的流量比fG:fN₂为：

fG:fN₂＝k:(1-k) （4）

由公式（4）可知，通过控制原料气和稀释气的流量比就可配出所需浓度的标准气。

以上所述是本发明的优选实施方式而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和变动，这些改进和变动也视为本发明的保护范围。

Claims

1.一种动态配气仪，其特征在于，包括稀释气进气铜管、原料气进气管、出气管、控制系统、恒温室、气体混合室、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；所述玻璃扩散管插入扩散管托架置于气体混合室底部；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；

所述控制系统包括微电脑控制器、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。

2. 根据权利要求1所述的动态配气仪，其特征在于，所述恒温室还包括电发热丝、保温棉，所述电发热丝缠绕在所述气体混合室外壁，所述保温棉填充于恒温室内壁与气体混合室外壁之间。

3.根据权利要求1或2所述的动态配气仪，其特征在于，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。

4. 根据权利要求3所述的动态配气仪，其特征在于，所述铝管的外表面为发黑氧化绝缘层，内表面喷涂有耐热、防腐蚀的氟树脂水性双层不粘涂料。

5.根据权利要求1所述的动态配气仪，其特征在于，所述扩散管托架为铝质圆柱体，上有若干个玻璃扩散管固定插孔。

6. 根据权利要求1所述的动态配气仪，其特征在于，所述扩散管托架还设有提手，便于将玻璃扩散管放入气体混合室底部。

7. 根据权利要求1所述的动态配气仪，其特征在于，所述恒温室外壁为不锈钢圆筒。