CN103512778B - 一种基于物理补偿的气体恒流装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及环境检测气体采样仪器领域的一种基于物理补偿的气体恒流装置，包括气泵和溢流阀，所述的气泵与溢流阀相连；所述的溢流阀内设有机械恒压装置；当气泵输出到溢流阀内的气体流量变化时，所述的机械恒压装置通过改变溢流阀的溢出气体流量，从而保持溢流阀内气压恒定。在给定电机驱动电压不变的情况下，本发明能够自主调节，实现气体流量恒定；并具有控制简单、精度高、成本低和性能稳定等优点。

Description

一种基于物理补偿的气体恒流装置

技术领域

本发明涉及一种环境检测中的气体采样仪器，具体是一种基于物理补偿的气体恒流采样装置。

背景技术

随着全球环境污染的加剧，世界各国越来越重视环保问题。对环境检测仪器的需求量也不断增加。在空气质量检测方面需要具有恒流性能的气体采样装置，但目前国内几乎所有的气体采样装置都不能做到恒流，流量随着前端负载的变化而变化。实现气体恒流采样的模式有两种，电控恒流和机械恒流，但电控恒流装置存在不稳定、使用寿命短，且使用电控恒流装置的成本较高。对机械恒流的模式研究较少，本发明主要针对机械式恒流方法进行了研究。

为了解决以上问题，本发明做了有益改进。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明的目的是提供一种操控简单、精度高的机械式结构的气体恒流装置，通过该装置的机械结构的自主调节，实现气体流量恒定。

（二）技术方案

本发明是通过以下技术方案实现的：一种基于物理补偿的气体恒流装置，其特征在于，包括气泵和溢流阀，所述的气泵与溢流阀相连；所述的溢流阀内设有机械恒压装置；当气泵输出到溢流阀内的气体流量变化时，所述的机械恒压装置通过改变溢流阀的溢出气体流量，从而保持溢流阀内气压恒定。

具体地，所述的机械恒压装置包括弹簧和恒压盖板，该弹簧一端与溢流阀内壁连接，另一端与恒压盖板连接；所述的溢流阀内设有溢流口，所述的恒压盖板与该溢流口之间形成气室；当恒压盖板移动使气室容积变大时，所述溢流口的气体通道的开口面积增大；当恒压盖板移动使气室容积变小时，所述溢流口的气体通道的开口面积减小。

进一步，所述的溢流阀在溢流口处设有气门，且所述的恒压盖板上设有气芯；当恒压盖板带动该气芯朝气门方向移动时，所述的气芯可在所述的气门内滑动，并使该气门内的气流通道的开口面积减小；当恒压盖板带动该气芯向远离气门方向移动时，所述的气芯可在所述的气门内滑动，并使该气门内的气流通道的开口面积增大。

再进一步，所述的溢流阀在溢流口处设有气门，且所述的恒压盖板上设有气芯；当恒压盖板带动该气芯朝气门方向移动时，所述的气芯可在所述的气门内滑动，并使该气门内的气流通道的开口面积减小；当恒压盖板带动该气芯向远离气门方向移动时，所述的气芯可在所述的气门内滑动，并使该气门内的气流通道的开口面积增大。

具体地，所述的气门内设有纵向截面为倒置梯形形状的气门内腔，所述的气芯为纵向截面为三角形形状；当恒压盖板带动气芯朝气门方向移动时，该气芯与所述的气门内腔的缝隙变小；当恒压盖板带动气芯朝远离气门方向移动时，该气芯与所述气门内腔的缝隙增大。

另外，该气体恒流装置还包括节流阀，所述的节流阀与所述的溢流阀内的气室连通，且该节流阀上设有放气口和节流阀旋钮；调节所述的节流阀旋钮，可改变放气口的口径的大小。

进一步来讲，该气体恒流装置的气泵可包括设有电机轴的电机、与电机轴连接的连杆、第一隔膜泵和第二隔膜泵，所述的连杆的两端分别与第一隔膜泵和第二隔膜泵连接；当所述的电机轴带动连杆压缩第一隔膜泵时，第一隔膜泵排气，而第二隔膜泵抽气；当所述的电机轴带动连杆压缩第二隔膜泵时，第二隔膜泵排气，而第一隔膜泵抽气。

具体地，上述的连杆连接有偏心轴，所述的电机轴与该偏心轴连接；所述电机轴每旋转一周，通过偏心轴带动连杆，能使所述的第一隔膜泵和第二隔膜泵各完成一次抽气、排气运动。

进一步地，所述的第一隔膜泵和第二隔膜泵分别设有单向膜或单向阀；当气泵运转时，空气从所述的单向膜或单向阀单向地进入所述的第一隔膜泵和第二隔膜泵。

另外，所述的第一隔膜泵设有第一泵膜，第二隔膜泵设有第二泵膜；所述的连杆两端分别与第一泵膜和第二泵膜连接；所述的第一泵膜和第二泵膜的材质为橡胶。

（三）有益效果

与现有技术和产品相比，本发明有如下优点：

1.本发明在给定电机驱动电压不变的情况下，能够自主调节，实现气体流量恒定。

2.本发明具有结构简单、精度高和成本低的优点。

3.本发明的气泵性能稳定，效率高并且排气流量大，从而使该气体恒流装置的气体恒定控制更为稳定。

附图说明

图1是本发明的功能模块结构示意图；

图2是本发明的溢流阀内部机械结构图；

图3是本发明的气泵内部结构图。

附图中，各标号代表的组件列表如下：

1、气泵，2、溢流阀，3、节流阀，4、弹簧，5、恒压盖板，6、气芯，7、溢流口，8、气门，9、气室，10、溢流阀进气口，11、气泵进气口，12、单向阀，13、左隔膜泵，14、泵膜，15、连杆，16、电动轴，17、偏心轮，18、右隔膜泵，19、气泵出气口，20、电机。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式做一个详细的说明。

如图1所示的一种气体恒流装置，该装置是基于气体物理补偿原理完成恒流限定功能的。该装置的流量范围100—500ml／min，8h采样时间内恒流精度±5％，驱动电压12V，功率2.4W。

该气体恒流装置通过一个机械式溢流阀2来实现输出流量恒定。如图1所示，采集的气体通过气泵1，再经过溢流阀2，最后通过节流阀3输送完成。气泵1能够提供充足、恒定的动力，在正常状态下，溢流阀2都是部分开启的。溢流阀2的内腔中设有恒压盖板5，该恒压盖板5通过弹簧4与溢流阀2内腔的腔壁相连接。内腔中的溢流口7处设有气门8，该气门8与恒压盖板5之间构成气室9。气泵1的排气口与溢流阀2中的气室9相连通。此恒流装置还包括节流阀3，该节流阀3同样与溢流阀2的气室9相连通。

气门8内腔的纵向截面为梯形形状，而恒压盖板5上设有气芯6，该气芯6纵向截面为倒置的三角形，且该气芯6可与气门8内腔匹配密封，当然，正常运行中，气芯6与气门8之间总有缝隙。当气泵1的进气口加载载荷后，气泵1输出气体流量减小，气泵1排气口处的压强会随之降低。此时，与气泵1连通的溢流阀2的气室9内的压强降低，由于弹簧4的作用，恒压盖板5带动气芯6朝着气门8方向移动，该恒压盖板上的气芯6可在气门8内腔滑动，并且，气芯6与气门8内腔的缝隙变小，因而溢流阀2在溢流口7溢出气体流量减少。当气泵1减少载荷后，所述的溢流阀2中气室9压强升高，故恒压盖板5带动气芯6向远离气门8方向移动，此时，气芯6与气门8内腔之间的缝隙增大，因而溢流阀2从溢流口7溢出的气体流量增大。

如图2所示，溢流阀2内可以设置两个相同的气室，即上气室和下气室，每个气室都设在恒压盖板5与气门8之间，且每个气室的气门8都与溢流口7连通。该溢流阀2上设置的溢流阀进气口10，分别与图2中所示的上、下气室连通。

由上可知，该气体恒流装置正是通过使气泵1供应气体变化流量与溢流阀2溢流气体流量变化量相抵消，来使整个气路流量恒定的。即：采样管阻尼增大时，气泵1输出减少的气体流量与溢流阀2溢流口减少的溢出气体流量相等，以保证溢流阀2内气室9气体压力恒定；同理气泵1增加输出的气体流量与溢流阀2溢出增加的流量相等，从而维持溢流阀2的气室9内气体压力恒定。只要溢流阀2的气室9内的气体压力恒定，那么与该气室9排出的气体流量就是恒定的。可见，该恒流装置通过使用弹簧4来提供一个反馈力，在一个动态的过程中不断的充气、放气，最终实现了整个气路排气流量的恒定。

该气体恒流装置的气体流量的大小由节流阀3旋钮位置决定：当气体采样管阻尼不变，调节节流阀3旋钮，使放气口口径减小时，节流阀3两侧压差增大，从而使气室9内压强增大，这样会使溢流阀2溢出气体流量增大，于是整个气路输出的气体流量就会减小。同样道理，节流阀3放气口口径增大时，整个气路输出气体流量增大。

所述的溢流阀2的工作原理简介：

假设气门8开启的面积S_ch与气室9内压强P_c成正比：

S_ch=k_iP_c

P_c与节流阀3开口面积S_n成反比：

$P_c=\frac{k_n}{S_n}$

P_c的大小由S_n确定，即标定过程，P_c确定后，由于气泵1的输出气体流量较大，使得气门8长期处于开启状态，当在气泵1加载载荷后，气泵1的输出气体流量减小，使气门8开口面积S_ch减小，但是P_c仍然保持不变。这就要求气泵1的功率很大，使得气门8一直保持开启状态，当标定流量很大时，S_n变大，节流阀3放气较多，使P_c减小，但是气门8不能完全关闭，这样才能在加载不同载荷的情况下，仍然保持P_c不变。如果P_c不变，则通过节流阀3的气体流量不变，即实现了气体恒流。对气门8进行受力分析，弹簧4预紧力：

F_pre=kΔx₀

其中，k为弹簧4弹性系数，Δx₀为弹簧4初始变形。

恒压盖板5受气体压力：

F_g=(P_c-P₀)(S_c-S_ch)+P_chS-P₀S

其中，P₀为大气压强，S_c为气室9上表面面积，S_ch为溢流口7面积，S为气室9下表面减去与溢流口7接触面积后的环形面积。

溢流口7开启条件：F_g>F_pre。这时气门8打开，溢流阀2开始放气，溢流阀2不断地开启、闭含，在一个动态的过程中保持P_c不变。

如图3所示，本发明提供了一种单周期双排气气泵1来提供气体流动动力，为了使采样气流更加平稳，气泵1的设计使用了双泵腔设计，即包括左隔膜泵13和右隔膜泵18两个泵腔。该气泵1内设有偏心轮17和连杆15，该偏心轮17与所述的连杆15固定连接。当电机20的电机轴16通过偏心轮17带动连杆15向左运动，并压缩左隔膜泵13，此时由于气压作用，左隔膜泵13排气；同时扩展右隔膜泵18的内腔容积，使右隔膜泵18抽气。反之，当电机轴16通过偏心轮17带动连杆15向右运动时，压缩右隔膜泵18时，右隔膜泵18排气，同时扩展左隔膜泵13的内腔容积，使左隔膜泵13抽气。电机轴16运动一周，通过电机轴16带动偏心轮17，能使连杆15作两次左右运动，从而可完成两次抽气和排气运动。

具体而言，该左隔膜泵13、右隔膜泵18分别设有单向阀12，该单向阀12也可以用单向膜代替。该单向阀12能使气体单向地进入左隔膜泵13和右隔膜泵18中，且左隔膜泵13、右隔膜泵18都分别与该气泵1的气泵出气口19连通。气泵出气口19与溢流阀2相连通。气泵1的左隔膜泵13、右隔膜泵18还分别设有泵膜14，所述连杆15的两端分别与左隔膜泵13和右隔膜泵18上的泵膜14相连。泵膜14为橡胶材质。当气泵1运转时，气体只能单向地通过单向阀12从外部进入左隔膜泵13和右隔膜泵18内。当电机轴16带动连杆15压缩左隔膜泵13时，气体从左隔膜泵13通过气泵出气口19排出，而同时在右隔膜泵18中，气体通过单向阀12进入右隔膜泵18，完成了抽气环节。同样地，当左隔膜泵13通过单向阀12抽气时，右隔膜泵18则排气。这种方式，不仅提高了采样泵的采气效率，而且气流更加平稳。

在实际测量中，需要空载标定，即标定的时候阻尼几乎为零。而在实际测量时需要加上不同性质的采样管，他们的阻力也不尽相同，本气体恒流装置针对不同的采样负载做了恒流实验，实验数据如下：

实验数据表明，在流量为100ml/min、300ml/min、500ml/min的流量下，该气体恒流装置的恒流性能非常好，误差都小于5%。

以上实施方式仅用于说明本发明，而并非对本发明的限制，有关技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，还可以做出各种变化和变型，因此所有等同的技术方案也属于本发明的范畴，本发明的专利保护范围应由权利要求限定。

Claims (6)

1.一种基于物理补偿的气体恒流装置，其特征在于，包括气泵和溢流阀，所述的气泵与溢流阀相连；所述的溢流阀内设有机械恒压装置；当气泵输出到溢流阀内的气体流量变化时，所述的机械恒压装置通过改变溢流阀的溢出气体流量，从而保持溢流阀内气压恒定；

所述的机械恒压装置包括弹簧和恒压盖板，该弹簧一端与溢流阀内壁连接，另一端与恒压盖板连接；所述的溢流阀内设有溢流口，所述的恒压盖板与该溢流口之间形成气室；当恒压盖板移动使气室容积变大时，所述溢流口的气体通道的开口面积增大；当恒压盖板移动使气室容积变小时，所述溢流口的气体通道的开口面积减小；

所述的溢流阀在溢流口处设有气门，且所述的恒压盖板上设有气芯；当恒压盖板带动该气芯朝气门方向移动时，所述的气芯可在所述的气门内滑动，并使该气门内的气流通道的开口面积减小；当恒压盖板带动该气芯向远离气门方向移动时，所述的气芯可在所述的气门内滑动，并使该气门内的气流通道的开口面积增大；

所述的气门内设有纵向截面为梯形的气门内腔，所述的气芯为纵向截面为三角形形状；当恒压盖板带动气芯朝气门方向移动时，该气芯与所述的气门内腔的缝隙变小；当恒压盖板带动气芯朝远离气门方向移动时，该气芯与所述气门内腔的缝隙增大。

2.根据权利要求1所述的气体恒流装置，其特征在于，还包括节流阀，所述的节流阀与所述的溢流阀内的气室连通，且该节流阀上设有放气口和节流阀旋钮；调节所述的节流阀旋钮，可改变放气口的口径的大小。

3.根据权利要求1-2任一项所述的气体恒流装置，其特征在于，所述的气泵包括电机轴、与电机轴连接的连杆、第一隔膜泵和第二隔膜泵，所述的连杆的两端分别与第一隔膜泵和第二隔膜泵连接；当所述的电机轴带动连杆压缩第一隔膜泵时，第一隔膜泵排气，而第二隔膜泵抽气；当所述的电机轴带动连杆压缩第二隔膜泵时，第二隔膜泵排气，而第一隔膜泵抽气。

4.根据权利要求3所述的气体恒流装置，其特征在于，所述气泵还包括偏心轴，该偏心轴设在所述连杆上，并与该连杆连接；所述的电机轴与该偏心轴连接；所述电机轴每旋转一周，通过偏心轴带动连杆，能使所述的第一隔膜泵和第二隔膜泵各完成一次抽气、排气运动。

5.根据权利要求4所述的气体恒流装置，其特征在于，所述的第一隔膜泵和第二隔膜泵分别设有单向膜或单向阀；当气泵运转时，空气从所述的单向膜或单向阀单向地进入所述的第一隔膜泵和第二隔膜泵。

6.根据权利要求5所述的气体恒流装置，其特征在于，所述的第一隔膜泵设有第一泵膜，第二隔膜泵设有第二泵膜；所述的连杆两端分别与第一泵膜和第二泵膜连接；所述的第一泵膜和第二泵膜的材质为橡胶。