CN103331125B

CN103331125B - 高精度配气仪

Info

Publication number: CN103331125B
Application number: CN201310310609.4A
Authority: CN
Inventors: 侯长军; 李显; 罗小刚; 霍丹群
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2013-07-23
Filing date: 2013-07-23
Publication date: 2015-07-15
Anticipated expiration: 2033-07-23
Also published as: CN103331125A

Abstract

本发明公开了一种高精度配气仪，包括稀释气体入口、VOC气体取样装置、循环气泵、气缸和注射泵；VOC气体取样装置包括小容器、液体挥发容器、隔热套环和气体输出接口；小容器与液体挥发容器连接，隔热套环套在液体挥发容器顶部，气体输出接口与隔热套环连接；注射泵包括注射器、丝杆和电机，丝杆与注射器活塞连接；稀释气体入口通过气管Ⅲ与气缸的进气口连接，气缸的出气口与混合气体出气管连接；循环气泵连接在气缸的进气口和出气口之间。该高精度配气仪采用VOC气体取样装置获得待配标准气体，通过循环气路混合气体，采用高精密的注射泵抽取或注射气体，即通过一次完整的配气过程，标准气体的浓度即可稀释至ppb级别，操作方便、简单。

Description

高精度配气仪

技术领域

本发明涉及一种配气仪，尤其涉及一种实验室中广泛应用的高精度配气仪。

背景技术

目前市面上的配气仪精度大多只能达到1%，如需配气精度达ppb级别，则要求另外进行多次重复取样，完成多次配气，方可达到要求。且高精度的配气仪在实验室中应用广泛，在许多生物或化学试验（例如课题组所进行的肺癌呼吸气体检测等一系列实验）中有着迫切需求。另外，当前配气系统中大多使用质量流量计来实现微小流量的精确控制。

在生化实验中，特定浓度的气体经常被使用作为反应物或构成反应环境。为达到气体的特定浓度要求，一般需要对标准浓度的标准气体进行多次有针对性的混合稀释，这一过程则成为配气过程。以两种气体（一种为待配气体，另一种为稀释气体）的混合为例，如将标准气体的浓度稀释至ppm（10^-6）级别，需要待配气体与稀释气体的物质的量之比控制在1:10⁶至1:10⁵，假设在相同环境（温度、压强相同）中，稀释气体体积为100L，则需标准气体体积为0.1mL～1mL。此时，若要求待配气体浓度为ppb（10^-9）级别，则需标准气体体积为0.1uL～1uL。

如此悬殊的体积比很难一次性达到，一般多采用二次配气甚至多次配气。仍以上述情况为例，对标准气体进行二次配气，第一次配气时，稀释气体体积为10L，标准气体体积为0.1mL～1mL，则稀释浓度达到10^-5～10^-4，取出体积为1mL左右的稀释后气体，仍与体积为10L的稀释气体混合，则可得到稀释浓度为10^-8～10^-9的标准气体，满足ppb级别要求，如图1所示。

发明内容

针对现有技术中存在的上述不足，本发明提供了一种通过一次完整的配气过程，标准气体的浓度即可稀释至ppb（10^-9）级别的高精度配气仪。

为了解决上述技术问题，本发明采用了如下技术方案：

高精度配气仪，包括稀释气体入口、VOC气体取样装置、循环气泵Ⅰ、气缸和注射泵；

所述VOC气体取样装置包括小容器、液体挥发容器、隔热套环和气体输出接口；所述小容器通过液流导管与液体挥发容器连接，在液体挥发容器的外壁设置加热片，所述隔热套环套在液体挥发容器的顶部，气体输出接口的一端连接在隔热套环上并通过隔热套环与液体挥发容器内连通，气体输出接口的另一端通过气管Ⅰ与气缸的进气口连接；

所述注射泵包括注射器、丝杆和驱动丝杆沿其轴向移动的电机，所述丝杆与注射器的活塞连接，所述注射器的针管通过气管Ⅱ与气缸的进气口连接；

所述稀释气体入口通过气管Ⅲ与气缸的进气口连接，所述气缸的出气口与混合气体出气管连接；

所述循环气泵Ⅰ的进气口通过气管Ⅳ与气缸的进气口连接，所述循环气泵Ⅰ的出气口通过气路Ⅴ与气缸的出气口连接；

所述气管Ⅰ上安装有气泵Ⅱ，所述气管Ⅱ上安装有气阀Ⅰ，所述气管Ⅲ上安装有气泵Ⅲ，所述气缸的进气口安装有气阀Ⅱ，气缸的出气口安装有气阀Ⅲ。

作为本发明的一种优选方案，还包括用于控制电机、循环气泵Ⅰ、气泵Ⅱ和气泵Ⅲ的控制电路板。

作为本发明的另一种优选方案，所述气缸内设有温度、湿度和气压传感器。

本发明的有益效果是：该高精度配气仪采用VOC气体取样装置获得待配标准气体，待配标准气体的获得来自于液体完全挥发，为加快配气过程的完成，采用加热片加热到特定温度，加速液体的挥发过程；而气体的均匀混合过程则通过由气缸、循环气泵与气体管道组成的循环气路来完成；采用高精密的注射泵（单次注射气体体积可控制为uL级别），实现气体的泵入与排出，且可根据所需配置的气体浓度要求来动态调节该过程与其重复次数；即通过一次完整的配气过程，标准气体的浓度即可稀释至ppb（10^-9）级别，操作方便、简单。

附图说明

图1为现有技术中多次配气的示意图；

图2为高精度配气仪的结构示意图；

图3为VOC气体取样装置的结构示意图；

图4为注射泵的结构示意图。

附图中： 1—稀释气体入口； 2—VOC气体取样装置； 3—循环气泵Ⅰ； 4—气缸； 5—注射泵； 6—混合气体出气管； 7—气泵Ⅱ； 8—气缸Ⅰ； 9—气泵Ⅲ； 10—气阀Ⅱ； 11—气阀Ⅲ； 12—控制电板； 13—气泵Ⅳ； 21—小容器； 22—液体挥发容器； 23—隔热套环； 24—气体输出接口； 25—液体导管； 51—注射器； 52—丝杆； 53—电机； 54—固定板； 55—固定支架。

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描述。

如图2所示，高精度配气仪，包括稀释气体入口1、VOC气体（挥发性有机化合物）取样装置2、循环气泵Ⅰ3、气缸4、注射泵5、控制电路板12、气泵和气阀。

其中，VOC气体取样装置的结构如图3所示，VOC气体取样装置2包括小容器21、液体挥发容器22、隔热套环23和气体输出接口24。小容器21用于盛放液体，小容器21通过液流导管25与液体挥发容器22连接，在液体挥发容器22的外壁设置加热片，加热片是贴在液体挥发容器22的外圆上。隔热套环23为隔热性能较优的套环，隔热套环23套在液体挥发容器22的顶部，气体输出接口24为倒漏斗形，气体输出接口24的下端连接在隔热套环23上并通过隔热套环23与液体挥发容器22内连通，气体输出接口24的上端通过气管Ⅰ与气缸4的进气口连接。液体挥发容器22、隔热套环23和气体输出接口24三部分都通过螺口旋紧，满足密闭的同时方便拆卸清洗。

注射泵的结构如图4所示，注射泵5包括注射器51、丝杆52、固定板54、固定支架55和驱动丝杆52沿其轴向移动的电机53。注射器51的针筒安装在固定支架55上，固定支架55固定在固定板54上。丝杆52与注射器51的活塞连接，注射器51的针管通过气管Ⅱ与气缸4的进气口连接。本实施例中，电机采用步进电机，通过步进电机驱动丝杆52沿其轴向移动的方式很多，如步进电机驱动螺母转动，螺母带动与其螺纹配合的丝杆52沿其轴向移动，进而驱动注射器51中的活塞沿其轴向移动，实现抽取气体或将气体从针筒内向外压出。注射泵5主要由微控制器控制的步进电机和与之配套的多种规格的注射器组成，注射器51的规格暂定为1、2、5、10、20、30、50、100ml等8种，通过精确控制步进电机的行程，使得注射气体体积可达到uL（10-3mL）级别。

气缸4内设有配气过程中必须使用到的传感器，如温度、湿度和气压传感器。气缸4的进气口安装有气阀Ⅱ10，气缸4的出气口安装有气阀Ⅲ11。气缸大小控制在10L左右，气缸4的两端为抛物线形结构，满足气体流动的低阻性要求。

稀释气体入口1通过气管Ⅲ与气缸4的进气口连接，气缸4的出气口与混合气体出气管6连接，在混合气体出气管6上安装有气泵Ⅳ13；混合气体出气管6用于排出废气与配置好的目标气体。循环气泵Ⅰ3的进气口通过气管Ⅳ与气缸4的进气口连接，循环气泵Ⅰ3的出气口通过气路Ⅴ与气缸4的出气口连接。循环气泵Ⅰ3、气路Ⅳ和气路Ⅴ作为循环气路，用于气体混合均匀，而气路的循环直接由循环气泵Ⅰ3来完成，因而循环气泵Ⅰ3被称作为循环泵。气管Ⅰ上安装有气泵Ⅱ7，气管Ⅱ上安装有气阀Ⅰ8，气管Ⅲ上安装有气泵Ⅲ9，控制电路板12用于控制电机53、循环气泵Ⅰ3、气泵Ⅱ7、气泵Ⅲ9和气泵Ⅳ13。

用于泵入稀释气体的气泵Ⅱ9与用于循环气路的循环气泵Ⅰ3，均选用流速约20L/min的较大流量气泵；用于泵入待配标准气体的气泵Ⅱ7则选用流速约20mL/min的小流量气泵；用于控制微量混合气体注入的气阀Ⅰ8与用于控制废气与目标气体排出的气阀Ⅲ11，暂定为普通型气阀，具体选型则视情况而定。

由于待配气体有其独特的化学特性，为控制整个气路中不引入无关杂质，气体管道的材料需具体考究，避免与标准气体和稀释气体发生反应。另外，为使整个配气系统易于拆卸清洗，各组件环节分别独立分布，各组件与气体管道之间采用螺口紧密连接。

使用该高精度配气仪进行配气的具体步骤为：

步骤1：先将体积为V的气缸4中空气抽空，然后注入稀释气体（以N²为例）。同时加热液体挥发容器22，使液体快速蒸发出VOC气体，然后将VOC气体通入到气缸4进行气体混合。利用理想气体状态方程考察气缸4中气体混合状况：

（P₁+P₂）·V=（n₁+n₂）·R·T

式中：P₁—质量为m₁，物质的量为n₁的VOC气体的气体压强大小；

P₂—质量为m₂，物质的量为n₂的N²的气体压强大小；

P₁+P₂=P，可用压力传感器测得；

V为气缸4的体积，为固定量；

R为比例常数，对任意理想气体而言，R是一定的，约为8.31441±0.00026J/（mol＊K）;

T为温度，可由温度传感器测得；

令VOC气体占气体总物质的量的比例为A1，则A1为

A1=n₁/（n₁+n₂）=（n₁·R·T）/（P·V）。

步骤2：待VOC气体与N²混合均匀后，利用步进电机带动注射器抽取约20mL的混合气体，关闭气阀Ⅰ8，打开气阀Ⅲ11，利用气泵Ⅳ13将N²中剩余气体快速抽出，然后再充入N²，最后将20mL混合气体注射到气缸4中。

配气比例为A2：

A2=N_VOC气体/（N_VOC气体+N²）=A1·20mL/V。

步骤3：重复步骤2，重复次数n视所需配制的气体浓度而定：

A_(n+1）=A1·（20mL/V）ⁿ=[（n₁·R·T）/（P·V）]·（20mL/V）ⁿ。

步骤4：利用气袋收集已到达配气要求的目标气体。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims

1.高精度配气仪，其特征在于：包括稀释气体入口（1）、VOC气体取样装置（2）、循环气泵Ⅰ（3）、气缸（4）和注射泵（5）；

所述VOC气体取样装置（2）包括小容器（21）、液体挥发容器（22）、隔热套环（23）和气体输出接口（24）；所述小容器（21）通过液流导管（25）与液体挥发容器（22）连接，在液体挥发容器（22）的外壁设置加热片，所述隔热套环（23）套在液体挥发容器（22）的顶部，气体输出接口（24）的一端连接在隔热套环（23）上并通过隔热套环（23）与液体挥发容器（22）内连通，气体输出接口（24）的另一端通过气管Ⅰ与气缸（4）的进气口连接；气体输出接口为倒漏斗形；液体挥发容器、隔热套环和气体输出接口三部分都通过螺口旋紧；

所述注射泵（5）包括注射器（51）、丝杆（52）和驱动丝杆（52）沿其轴向移动的电机（53），所述丝杆（52）与注射器（51）的活塞连接，所述注射器（51）的针管通过气管Ⅱ与气缸（4）的进气口连接；

所述稀释气体入口（1）通过气管Ⅲ与气缸（4）的进气口连接，所述气缸的出气口与混合气体出气管（6）连接；

所述循环气泵Ⅰ（3）的进气口通过气管Ⅳ与气缸（4）的进气口连接，所述循环气泵Ⅰ（3）的出气口通过气路Ⅴ与气缸（4）的出气口连接；

所述气管Ⅰ上安装有气泵Ⅱ（7），所述气管Ⅱ上安装有气阀Ⅰ（8），所述气管Ⅲ上安装有气泵Ⅲ（9），所述气缸（4）的进气口安装有气阀Ⅱ（10），气缸（4）的出气口安装有气阀Ⅲ（11）。

2.根据权利要求1所述的高精度配气仪，其特征在于：还包括用于控制电机（53）、循环气泵Ⅰ（3）、气泵Ⅱ（7）和气泵Ⅲ（9）的控制电路板（12）。

3.根据权利要求1所述的高精度配气仪，其特征在于：所述气缸（4）内设有温度、湿度和气压传感器。