CN103528878B - 一种单组份动态配气装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种单组份动态配气装置，包括原料气质量流量控制器、稀释气质量流量控制器、混合器，所述稀释气质量流量控制器出口与混合器的入口相连，还包括原料气接入球阀和原料气输出球阀，该原料气接入球阀和原料气输出球阀均为多通球阀；所述原料气质量流量控制器的数量至少为2个，且量程等比增长，等比增长的公比不小于5；所述原料气质量流量控制器通过原料气接入球阀接入原料气，并通过原料气输出球阀与混合器的入口相连。本发明提供较宽的稀释比范围，用一种浓度的原料气即可配制出满足绝大多数待检仪器要求的标准气，减少了原料气的储备与使用，无需拆装接头，可以避免泄漏气流和扩散干扰，具有使用方便、配置灵活等优点。

Description

一种单组份动态配气装置

技术领域

本发明涉及配气装置技术领域，尤其涉及一种单组份动态配气装置。

背景技术

对气体分析仪进行标定、校准和检验时，需要根据待检仪器的具体参数用到多种成分和浓度的标准气，该标准气通常采用动态配气法配制。连续稀释法是动态配气法中的一种重要方法，其原理是将已知浓度的原料气（可以是一种或相互之间不反应的多种）和稀释气（又称零气）分别以一定的流量混合稀释配制成新的标准气，输出标准气各组分的浓度可以用原料气的浓度乘以稀释比的方法计算得出（稀释比为原料气的流量占混合气总流量的比例）。调节原料气和稀释气的流量比例就可以改变输出标准气的浓度，从而得到所需标准气。

动态配气装置是连续稀释法配气的核心设备，一般采用质量流量控制器（MassFlowController，MFC）来控制各路气体流量，每一种组分对应一台MFC，并加以混合输出。一般情况下，单组份动态配气装置具有两台MFC，分别控制原料气和稀释气的流量。

作为一种计量设备，配制标准气的准确度至关重要。流量误差是标准气浓度误差的主要组成部分。受MFC准确度的限制，上述配气装置的稀释比是有限的。MFC的准确度以其量程的百分比表示，典型值为1%FS。因此，实际流量越接近MFC的量程，流量的相对误差越小；反之，实际流量与量程之比越小，流量的相对误差就越大。为保证足够的准确度，通常要求实际流量在MFC量程的10%—100%之间。因此，MFC可以有效控制的最大流量和最小流量之比等于10。上述配气装置的原料气MFC和稀释气MFC配合，理论上这种配气装置的最大稀释比可达最小稀释比的100倍（具体倍数取决于原料气MFC和稀释气MFC的量程比，通常在10~100倍之间。例如，当稀释气MFC的量程为原料气MFC量程的4倍时，理论上其最大稀释比约为最小稀释比的30倍。实际使用中受限于待检仪器对标气流量的要求，此范围还会进一步减小）。

但待检仪器的测量范围往往超出了上述配气装置的稀释比范围。这种情况下，一般采用更换不同浓度的原料气的方法来弥补，即准备一系列浓度成梯度排列的原料气，按照所需标准气的浓度范围选择使用相应浓度的原料气。此法需要多种浓度的原料气，造成原料气的准备、存放不便，更可能造成浪费。而且每次更换原料气都需要拆卸并重新安装气路接头，操作极为不便，且多次拆装易导致漏气。

在需要用同一台配气装置配制不同组分的标气、以检验不同的气体分析仪器的情况下，也会更换原料气，需要多次拆装接头，导致操作繁琐。

现有的配气装置还忽略了气路死体积和MFC泄漏气流对输出的干扰问题。特别是在需要输出清洁的稀释气用于仪器调零时，来自原料气MFC的泄漏气流或混合器连接的原料气管路中的组分会进入稀释气中，导致输出的稀释气不够纯净，这对高灵敏度仪器的检验造成很大干扰。

发明内容

本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的上述不足，本发明提供一种单组份动态配气装置，其在保证准确度的情况下可提供较宽的稀释比范围，满足大部分待检仪器的测量需要。

为实现上述目的，本发明的一种单组份动态配气装置，包括原料气质量流量控制器、稀释气质量流量控制器、混合器，稀释气质量流量控制器出口与混合器的入口相连，还包括原料气接入球阀和原料气输出球阀，该原料气接入球阀和原料气输出球阀均为多通球阀；上述原料气质量流量控制器的数量至少为2个，且量程等比增长，等比增长的公比不小于5；上述原料气质量流量控制器通过原料气接入球阀接入原料气，并通过原料气输出球阀与混合器的入口相连。这样，多个原料气质量流量控制器接入原料气接入球阀的不同出口，并接入原料气输出球阀的不同入口，构成了多个原料气通路（即原料气路），使用时可以根据标准气的稀释比要求选择合适量程的原料气质量流量控制器（稀释比较高时，需要的稀释气流量较大，原料气流量较小，因此原料气可以利用原料气接入球阀和原料气输出球阀选择小量程的原料气质量流量控制器构成的原料气通路；反之，可以选择大量程的原料气质量流量控制器构成的原料气通路）；此外，本方案中的稀释气质量流量控制器构成稀释气路，其量程大于任意一个原料气质量流量控制器的量程，便于提供足够流量的稀释气，稀释气质量流量控制器的入口接入稀释气，其出口接入混合器的另一个入口，使得稀释气和原料气在混合器内混合配气，且配置好的标准气经混合器的出口输出。在现有技术中，虽然采用一个大量程的原料流量控制器也能提供较宽的稀释比，但是发明人在实际工作中发现，其准确度只有在量程的10%—100%之间才能有效保障，在量程10%以下时无法保障流量的准确性。鉴于此，发明人在本方案中，通过设置多个不同量程的原料气质量流量控制器，既能保证流量的准确度，又能大幅度拓宽稀释比范围宽，利用本方案的配气装置利用一种浓度的原料气即可以配制出满足绝大多数待检仪器要求的标气，减少了原料气的储备与使用。一般情况下，原料气质量流量控制器的个数不超过5个，由于原料气的流量有最大上限，设置更多和更大量程的原料气质量流量控制器没有更多的意义。

作为本发明的进一步改进，上述原料气接入球阀包括1个接入原料气的入口和数量不少于原料气质量流量控制器个数的出口；上述原料气输出球阀包括一个出口和数量不少于原料气质量流量控制器个数的入口，其出口与混合器的入口相连；原料气质量流量控制器的入口与原料气接入球阀的出口相连，出口与原料气输出球阀的入口相连。

进一步，还包括稀释气接入球阀，其入口接入稀释气，出口与稀释气质量流量控制器的入口相连，可以更加方便控制稀释气的接入与断开。

进一步，上述混合器为T型三通球阀。混合器主要用于将原料气和稀释气混合，配置成标准气。本方案中采用T型三通球阀作为混合器，主要用于为待测仪器调零时提供清洁的稀释气，在该T型三通球阀的与原料气输出球阀相连的入口被截止时，可防止原料气质量流量控制器的泄漏气流或连接管中残存的原料气进入输出气体中，可以保证输出的稀释气纯净，不会影响高灵敏仪器的检验。

进一步，上述原料气接入球阀的出口的数量大于原料气质量流量控制器个数；上述稀释气接入球阀为L型三通球阀，包括两个入口和一个出口，其一个入口接入稀释气，另一个入口与原料气接入球阀的一个出口相连。前述设置主要用于待检仪器准确标定等特殊使用中，该类应用中需要使用大量的原料气，采用本方案中的设置，可以使原料气可以很方便地从原料气接入球阀从大量程的稀释气质量流量控制器中流过，以满足上述的特殊需求。

进一步，上述原料气质量流量控制器的数量为3个；上述原料气接入球阀为五通球阀，其一个出口与稀释气接入球阀的入口相连，其余三个出口各连接1个原料气质量流量控制器；上述原料气输出球阀为四通球阀，其3个入口各连接一个原料气质量流量控制器。即三台原料气质量流量控制器的入口分别连接到五通球阀的三个出口，出口则分别连接到四通球阀的三个入口。

进一步，3个原料气质量流量控制器的量程等比增长的公比为10。本方案中，3个原料气质量流量控制器的量程呈10倍增长，因此其最大流量比和最小流量比可以达到1000倍，理论上最大稀释比与最小稀释比的比值最多可达10000倍，范围非常宽，用一种浓度的原料气即可以配制出满足绝大多数待检仪器要求的标准气，减少了原料气的储备与使用；

进一步，上述单组份动态配气装置还包括原料气选择球阀，该原料气选择球阀为二通球阀或多通球阀，包括一个出口和至少一个入口，其每个入口接入一种原料气，其出口与原料气接入球阀的入口相连。本方案中，原料气选择球阀可采用从两通球阀到七通球阀中的任意一种，分别对应1—6个入口，可以相应地接入1~6种原料气，其具体采用何种球阀可根据原料气的数量选用。通过设置该原料气选择球阀，使得单组份动态配气装置带有原料气切换功能，多种原料气可以事先连接到原料气选择球阀入口，使用时根据需要随时方便切换，无需临时拆装接头。此外，在需要用同一台配气装置配制不同组分的标准气、以检验不同的气体分析仪器的情况下，也无需拆装接头，使用方便。

进一步，上述单组份动态配气装置还包括三通管、第一针型阀、第二针型阀、转子流量计：上述三通管的入口与混合器的出口相连，三通管的两个出口分别与第一针型阀和第二针型阀相连，上述第二针型阀后还连接有转子流量计，其中第二针型阀和转子流量计构成排空气路，第一针型阀构成输出气路。本方案中，三通管将输出的标准气分成两路，配合第一针型阀和第二针型阀可改变两路气的流量比例，该设计的目的是为了配合待检仪器的流量需求，如果混合器输出的标准气流量超过了待检仪器所需流量，则可通过第二针型阀构成的排空气路排空部分标准气，使流量匹配，第二针型阀后还连接有转子流量计以方便监视排空流量大小，第一针型阀后则不设转子流量计，以防止转子流量计材质的吸附作用对标准气浓度的干扰。上述所有阀门均采用不锈钢材质，管路采用不锈钢或特氟龙材质，防止对原料气和稀释气产生吸附。

进一步，上述稀释气质量流量控制器的量程大于原料气质量流量控制器的量程，优选为量程最大的原料气质量流量控制器的量程的4倍。

相对于现有技术，本发明具有如下优点和有益效果：

1、本发明在配置标准气时既能保证流量的准确度，又能够提供较宽的稀释比范围（如采用3个原料气质量流量控制器，且其量程呈10倍增强，理论上最大稀释比与最小稀释比的比值最多可达10000倍），用一种浓度的原料气即可以配制出满足绝大多数待检仪器要求的标准气，减少了原料气的储备与使用；

2、本发明带有原料气切换功能，多种原料气可以事先连接到装置输入口，使用时根据需要随时方便切换，无需临时拆装接头；

3、本发明的原料气可以很方便地经稀释气路以大流量输出，满足待检仪器准确标定等特殊需求；

4、本发明的气路经充分优化，配置灵活，无死体积，任何情况下均不会有泄漏气流和扩散干扰，保证输出气体特别是零气的洁净。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为实施例4的结构示意图。

图例说明：1、原料气质量流量控制器；2、原料气选择球阀；3、稀释气接入球阀；4、原料气接入球阀；5、稀释气质量流量控制器；6、混合器；7、三通管；8、第一针型阀；9、输出口；10、原料气入口；14、原料气输出球阀；15、第二针型阀；16、转子流量计；17、排空口；18、稀释气入口。

具体实施方式

下面结合实施例及附图，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不仅限于此。

【实施例1】

如图1所示，一种单组份动态配气装置，包括原料气质量流量控制器1、稀释气质量流量控制器5、混合器6、原料气接入球阀4、原料气输出球阀14：其中，混合器6包括两个入口和一个输出标准气的出口；稀释气质量流量控制器5的入口连接稀释气入口18，接入稀释气，出口与混合器6的一个入口相连，构成稀释气路；原料气质量流量控制器1的数量至少为2个，且量程等比增长，等比增长的公比不小于5，即如果采用两个原料气质量流量控制器1，第二个原料气质量流量控制器1的量程为第一个的n倍；如果采用3个，则第3个的量程又是第二个的n倍，n大于等于5，且上述稀释气质量流量控制器5的量程最大，大于任意一个原料气质量流量控制器1的量程；原料气接入球阀4和原料气输出球阀14均为多通球阀，原料气接入球阀4包括1个接入原料气的入口和数量不少于原料气质量流量控制器1个数的出口；原料气输出球阀14包括一个出口和数量不少于原料气质量流量控制器1个数的入口，其出口与混合器6的另一个入口相连；上述原料气接入球阀4的出口和原料气输出球阀14的出口个数要求大于或等于原料气质量流量控制器1的个数，主要是为了使每个原料气质量流量控制器1各连接原料气接入球阀4的一个出口和原料气输出球阀14的一个入口（所有原料气流量控制器连接的原料气接入球阀4的出口以及原料气输出球阀14的入口不同），使得每个原料气质量流量控制器1构成1个原料气路，从而可以根据所需原料气流量选择相应量程的原料气质量流量控制器1构成的输入通路。本实施例中，每增加一个更大量程的原料气质量流量控制器1，其稀释比范围就更大，但其最大不超过5个，因为原料气流量有一定上限，如果设置更多的原料气质量流量控制器1对原料气流量和稀释比的贡献没有任何意义，也增加了整体成本。

本实施例中，上述混合器6采用T型三通球阀，其主入口与稀释气质量流量控制器5相连，支路入口与原料气输出球阀14相连；其切换至三路全通状态时，原料气和稀释气在其中均匀混合，配制出所需标准气，并通过其出口输出配置的标准气；T型三通球阀切换至支路断开状态时，可适用于使用稀释气质量流量控制器5输出稀释气或原料气的情形，此时如果T型三通球阀的与原料气输出球阀相连的入口（图1和图2中的2号口）被截止时，可防止原料气质量流量控制器1的泄漏气流或连接管中残存的原料气进入输出气体中，保证输出气体纯净。实际应用中，如果无需使用该功能，则混合器6也可采用三通管。

【实施例2】

在实施例1的基础上，本实施例中的单组份动态配气装置还包括稀释气接入球阀3，该稀释气接入球阀3为一个L型三通球阀，包括两个入口和一个出口，其出口与稀释气质量流量控制器5的入口相连，其一个入口接入稀释气；此外，原料气接入球阀4的出口的数量大于原料气质量流量控制器1个数，使得原料气接入球阀4的出口将原料气质量流量控制器1全部接入后还剩余一个出口，该出口连接L型三通球阀的另一个入口。L型三通球阀用于选择流经稀释气质量流量控制器5的气体，L型三通球阀3切换至2号口，并且原料气接入球阀4不位于4号口时，稀释气进入稀释气质量流量控制器5，适用于稀释配气或单纯输出稀释气；L型三通球阀切换至1号口，并且原料气接入球阀4切换至4号口时，被选中的原料气流经稀释气质量流量控制器5，可不经稀释直接大流量输出原料气，适用于待检仪器准确标定等特殊情况（由于未经稀释，不含流量误差，标气的准确度较稀释配气时高）。

【实施例3】

如图1所示，本实施例与实施例1或实施例2的区别在于，上述原料气质量流量控制器1的数量为3个，其中第二个原料气质量流量控制器1的量程是第一个原料气质量流量控制器1的10倍，第三个原料气质量流量控制器1是第二个原料气质量流量控制器1的10倍，即量程以10为公比递增，稀释气质量流量控制器5为一个大量程的质量流量控制器，其量程一般为原料气质量流量控制器1中最大的量程的两倍以上，具体地：三个原料气质量流量控制器1的量程分别为：5mL/min，控制流量范围（0.5—5）mL/min；50mL/min，控制流量范围（5—50）mL/min；500mL/min，控制流量范围（50—500）mL/min；稀释气质量流量控制器5的量程为2000mL/min。上述原料气接入球阀4为五通球阀，原料气输出球阀14为四通球阀，三个原料气质量流量控制器1的入口分别连接到五通球阀的三个出口，出口则分别连接到四通球阀的三个入口，五通球阀的剩余一个出口与稀释气接入球阀3的入口相连。

本方案中，五通球阀和四通球阀配合使用，用于根据所需原料气流量选择原料气质量流量控制器1：五通球阀和四通球阀同时切换到1号口或同时切换2号口或同时切换到3号口时，分别对应选择使用3个不同的原料气质量流量控制器1。每次只选择1个原料气质量流量控制器1，未被选择使用的就处于截止状态，由于原料气质量流量控制器1不是截止阀，其处于关闭状态时仍可能有微小气流通过，正常情况下最多可达2%FS，容易产生漏泄气流干扰配气，而使用五通球阀和四通球阀可防止前述泄漏气流的干扰，同时还可防止连接管中残存的原料气的扩散干扰。

本方案中，每台原料气质量流量控制器1的实际流量均在其量程的10%—100%范围内，保证了流量准确度，三台原料气质量流量控制器1配合，可以有效控制的流量范围为（0.5—500）mL/min，最大流量和最小流量之比达到1000，最大稀释比与最小稀释比的比值理论上可达约2900倍，极大扩展了配气装置的稀释比范围（如仅采用1台量程为500mL/min的原料气质量流量控制器，则最大稀释比与最小稀释比的比值理论上只能达到30倍）。

【实施例4】

如图2所示，本实施例与实施例3的区别在于，其原料气质量流量控制器1的数量为2个，两个原料气质量流量控制器1的量程分别为50mL和500mL，原料气接入球阀4为四通球阀，原料气输出球阀14为三通球阀，其连接方式与实施例3也相同，只是少接入了一个原料气质量流量控制器1，本实施例中，可以有效控制的流量范围为（5—500）mL/min，最大流量和最小流量之比达到100，最大稀释比与最小稀释比的比值理论上可达约290倍，可用于对稀释比范围需求不太高的应用中。

【实施例5】

在上述实施例基础上，本实施例中的一种单组份动态配气装置还包括原料气选择球阀2，该原料气选择球阀2为二通球阀或多通球阀，包括一个出口和至少一个入口，其每个入口与一个原料气入口10相连，接入一种原料气，出口与原料气接入球阀4的入口相连。原料气选择球阀2主要用于选择所需原料气，其选用球阀的种类根据原料气的数量选用：最少可用两通球阀，具有1个入口，适用于只有一种原料气、无需切换的情况；最多选用七通球阀，具有6个入口，最多可连接6种原料气（也可以少于6种，多余的入口空置），将其切换至对应的入口位置，即可选择连接在相应入口的原料气进入气路，其它入口截止。

【实施例6】

在上述实施例基础上，本实施例中的一种单组份动态配气装置还包括三通管7、第一针型阀8、第二针型阀15、转子流量计16：三通管7的入口与混合器6的出口相连，三通管7的两个出口分别与第一针型阀8和第二针型阀15相连，第二针型阀15后还连接有转子流量计16。第一针型阀8连接输出口9，构成标准气输出气路，第二针型阀15后与转子流量计16相连，转子流量计16连接排空口17，构成排空气路。

三通管7主要将输出的标准气分成两路，配合第一针型阀8和第二针型阀15可改变两路气的流量比例，该设计的目的是为了配合待检仪器的流量需求。如果标气流量超过待检仪器所需流量，则可通过排空气路排空部分气流，使流量匹配，排空气路上安装转子流量计16以方便监视排空流量大小，实际应用中，亦采用集流量观察和调节功能于一体的带调节阀的流量计代替第二针型阀15和转子流量计16。输出气路上则不设转子流量计，以防止转子流量计材质的吸附作用对标气浓度的干扰（转子流量计采用玻璃或塑料材质，吸附性较强）。

上述所有阀门均采用不锈钢材质，管路采用不锈钢或特氟龙材质，以尽量减少吸附。

以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种单组份动态配气装置，包括原料气质量流量控制器（1）、稀释气质量流量控制器（5）、混合器（6），所述稀释气质量流量控制器（5）出口与混合器（6）的入口相连，其特征在于，还包括原料气接入球阀（4）和原料气输出球阀（14），该原料气接入球阀（4）和原料气输出球阀（14）均为多通球阀；所述原料气质量流量控制器（1）的数量至少为2个，且量程等比增长，等比增长的公比不小于5；所述原料气质量流量控制器（1）通过原料气接入球阀（4）接入原料气，并通过原料气输出球阀（14）与混合器（6）的入口相连；所述原料气接入球阀（4）包括1个接入原料气的入口，所述原料气接入球阀（4）的出口的数量大于原料气质量流量控制器（1）个数；所述原料气输出球阀（14）包括一个出口和数量不少于原料气质量流量控制器（1）个数的入口，其出口与混合器（6）的入口相连；原料气质量流量控制器（1）的入口与原料气接入球阀（4）的出口相连，出口与原料气输出球阀（14）的入口相连；所述混合器（6）为T型三通球阀；

还包括稀释气接入球阀（3）；所述稀释气接入球阀（3）为L型三通球阀，包括两个入口和一个出口，其一个入口接入稀释气、另一个入口与原料气接入球阀（4）的一个出口相连、出口与稀释气质量流量控制器（5）的入口相连。

2.根据权利要求1所述的一种单组份动态配气装置，其特征在于，所述原料气质量流量控制器（1）的数量为3个；所述原料气接入球阀（4）为五通球阀，其一个出口与稀释气接入球阀（3）的入口相连，其余三个出口各连接1个原料气质量流量控制器（1）；所述原料气输出球阀（14）为四通球阀，其3个入口各连接一个原料气质量流量控制器（1）。

3.根据权利要求2所述的一种单组份动态配气装置，其特征在于，3个原料气质量流量控制器（1）的量程等比增长的公比为10。

4.根据权利要求1至3任一所述的一种单组份动态配气装置，其特征在于，还包括原料气选择球阀（2），所述原料气选择球阀（2）为二通球阀或多通球阀，包括一个出口和至少一个入口，其每个入口接入一种原料气，其出口与原料气接入球阀（4）的入口相连。

5.根据权利要求1至3任一所述的一种单组份动态配气装置，其特征在于，还包括三通管（7）、第一针型阀（8）、第二针型阀（15）、转子流量计（16）：所述三通管（7）的入口与混合器（6）的出口相连，三通管（7）的两个出口分别与第一针型阀（8）和第二针型阀（15）相连，所述第二针型阀（15）后还连接有转子流量计（16）。

6.根据权利要求1至3任一所述的一种单组份动态配气装置，其特征在于，所述稀释气质量流量控制器（5）的量程大于原料气质量流量控制器（1）的量程。