CN104677438B - 一种离子迁移型气体流量计 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种离子迁移型气体流量计，包括离子源、离子门、流量测量管道、正极推斥极、负极吸引极、信号采集处理模块与时差测量模块。离子源电离挥发性有机物产生带电离子，离子门通过加载电压与撤销电压控制离子进入流量计测量管道的时机，正极推斥极、两块负极吸引极对离子运动进行加速，两块法拉第盘接收离子产生电流信号，经过信号采集放大成电压信号，两路离子运动过程受气流不同方向的作用，到达法拉第盘存在时间差，通过TDC时差测量模块测量两块法拉第盘信号的时间差从而获得气体流量，本发明提出的气体流量计原理新颖、气体流量测量精度高、无压力降、成本低，同时具备机器自识别气体种类、以及不同测量环境自适应量程调整等特点。

Description

一种离子迁移型气体流量计

技术领域

本发明属于计量领域，涉及一种计量装置，特别是涉及一种离子迁移型气体流量计。

背景技术

目前，气体流量计被广泛地应用于工业生产生活中，虽然市面上用于测量气体的流量计种类繁多，但是高精度、高稳定性的气体流量计价格昂贵，同时常见流量计在测量气体流量时无法判断待测气体的种类，即不具有机器自识别被测气体种类的功能，而且常见流量计量程有限，当测量环境或者待测气体发生较大改变时，这类流量计通常测量性能降低，需要重新校准，因此对不同测量环境下的自适应能力差。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明的目的是提供一种离子迁移型新型气体流量计，在与超声流量计相同的时差法测量的基础上，采用离子作为传输物质测量其传输时间差，避免了超声流量计中反射波和换能器对测量的影响，减小了温度和流体粘度对测量的影响，同时通过电压对离子迁移的控制也减小了流体流速增加带来的信号的变化，并根据不同种类气体对离子流运动的影响使得机器可以自识别气体种类，同时，新型气体流量计工作条件可调因此可以测量不同量程的气体流量，该新型气体流量计具有成本低、精度高、机器自识别气体种类与测量量程自适应等特点。

本发明提供的一种离子迁移型气体流量计由VUV紫外灯1，正极推斥极2，离子门3，气体流量测量管道4，密封盖5，法拉第盘6，负极吸引极7，进气管8，出气管9，绝缘灯套10,聚四氟乙烯绝缘管11，离子入口12构成，VUV紫外灯1作为离子化源安装在流量测量管道4中间位置，VUV紫外灯1外围包有聚四氟乙烯材质的绝缘灯套10，正极推斥极2（金属材质）旋套在VUV紫外灯绝缘灯套10外，并通过聚四氟乙烯绝缘管11与流量计气体流量测量管道4的离子入口12相连，在绝缘管11内安装有离子门3，流量测量管道4的两端面分别安装密封盖5，该密封盖5为绝缘正方形薄板，密封盖5中央分别插有进气管8和出气管9，均采用标准不锈钢管，流量测量管道4内另一侧中间并列设有两个法拉第盘6，两个法拉第盘6分布于流量计测量管道中轴线的两侧，与正极推斥极2的距离相等，并分别通过两根导线连接到流量测量管道4的外部，与时差测量装置相连接，流量测量管道4外部与法拉第盘6对应的位置安装有两个金属材质的负极吸引极7，负极吸引极7与流量测量管道4和法拉第盘6均绝缘。

流量计外观为正长方体，测量管道为圆柱通孔。

所述的挥发性有机物采用低毒性易挥发的丙酮液体。

正极推斥极和负极吸引极为三块平板电极，其中一块正极推斥极安装于流量计测量管道4的一侧，离子从离子门3进入气体流量测量管道4，正极推斥极施加正电之后将离子源电离有机物产生的离子推向流量测量管道4内，两块负极吸引极安装于正对正极推斥极的测量管道另一侧，对负极吸引极施加负电来吸引离子向其运动，两块负极吸引极与正极推斥极的距离相等。

离子门采用单个圆形栅网结构，安装在离子进入流量计测量管道4的离子入口12处，通过改变施加在圆形栅网上的电压控制离子进入流量计测量管道4的时机，采用MOS管来控制加在离子门上的电压。

两块圆形法拉第盘以及电流信号放大电路构成信号采集处理模块，法拉第盘接收离子流形成小电流，电流信号放大电路运用具有超低偏置电流的运算放大器将小电流信号放大成0-5V标准电压。

不同种类的气体对离子运动产生不同的影响，因此法拉第盘接收到的电流信号不同，可依据不同种类气体的电流信号来自适应地识别待测气体种类。

TDC-GP21芯片和芯片外围驱动电路组成时差测量模块，TDC的两个测量引脚分别连接信号采集处理模块处理之后的两路电压信号，并测量两路信号时间差。

当流体的流速增大时，则可通过对正极推斥极2和负极吸引极7上的电压进行适当地调节，从而保证接收到的信号的强度，使本发明的流量计工作条件可调因而可以测量不同量程的气体流量。

气体通过金属管引入流量计测量管道，测量流程均由流量计控制软件来实现。控制软件包括电压控制功能与时差测量、数据通信等功能，电压控制实现对紫外灯、离子门、正极推斥极/负极吸引极的上电控制，时差测量实现TDC测量时机、测量方式的控制，数据通信实现时差数据的传输。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：通过紫外灯电离产生的离子作为传输物质，减少了环境因素和管道结构对测量的影响，使流量计性能更加稳定，且该电离方式对环境基本无污染，同时简单易操作；利用离子门对离子的释放进行控制，使得测量更易于控制；采用TDC-GP21芯片计时，测量的精度更高，将两路信号分别连接到TDC-GP21的START和STOP接口，只测量一次时差，降低了测量误差。同时，本发明的新型流量计可机器自身识别气体种类以及根据量程自适应地调整工作条件。此外，通过计算机软件和电路的控制，使得流量计的调试和维护更方便，提高了安全性及现场适应性。整体装置结构简单易于操作。

附图说明

图1为本发明的结构剖视图。

图2为VUV真空紫外灯外观示意图（13-负极;14-灯管;15-正极）。

图3为VUV紫外灯绝缘灯套示意图。

图4为正极推斥极，左图为俯视图，右图为剖视图（16-离子门接线孔;17-正极安装螺孔;18-真空紫外灯灯孔）。

图5为离子门俯视图（19-离子门螺孔;20-栅网）。

图6为外管剖视图（21-法拉第盘孔;22-负极安装螺孔）。

图7为左右侧密封盖示意图（23-密封盖安装螺孔;24-气体进出管安装孔）。

图8为法拉第盘主视图（25-法拉第盘面;26法拉第盘杆）。

图9为负极吸引极示意图（27-隔离胶块;28-法拉第杆安装孔）。

图10为电离气进样结构示意图（29-电离气体进样管道）。

图11为离子门驱动电路结构图。

图12为信号放大电路结构图。

图13为TDC-GP21测时结构图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

参见图1，一种离子迁移型气体流量计由VUV紫外灯1，正极推斥极2，离子门3，气体流量测量管道4，密封盖5，法拉第盘6，负极吸引极7，进气管8，出气管9，绝缘灯套10,聚四氟依稀绝缘管11，离子入口12构成，VUV紫外灯1作为离子化源安装在流量测量管道4中间位置，为了提升使用安全性，在VUV紫外灯1外围包有聚四氟乙烯材质的绝缘灯套10，正极推斥极2（金属材质）旋套在VUV紫外灯绝缘灯套10外，外观呈圆筒形，参见图3，并通过聚四氟乙烯绝缘管11与流量计气体流量测量管道4的离子入口12相连，在绝缘管11内安装有离子门3，流量测量管道4的两端面分别安装密封盖5，该密封盖5为绝缘正方形薄板，密封盖5中央分别插有进气管8和出气管9，进出气管均采用标准不锈钢管，流量测量管道4内另一侧中间并列设有两个法拉第盘6，两个法拉第盘6分布于流量计测量管道4中轴线的两侧，与正极推斥极2的距离相等，并分别通过两根导线连接到流量测量管道4的外部，与时差测量装置相连接，流量测量管道4外部与法拉第盘6对应的位置安装有两个金属材质的负极吸引极7，负极吸引极7与流量测量管道4和法拉第盘6均绝缘。

本发明提供的流量计外观为正长方体，流量测量管道4为圆柱通孔。

VUV紫外灯1参见图2，使用时对VUV紫外灯1的负极13和正极15之间施加-1100V电压使其产生紫外光，并在VUV紫外灯1外套有绝缘灯套10，绝缘灯套外观参见图3，对灯管14进行绝缘保护。

正极推斥极2结构参见图4，正极推斥极2通过正极安装螺孔17安装固定于流量测量管道4上，离子门接线孔16用于引出离子门外接电源线，真空紫外灯灯孔18用于固定正极推斥极2旋套在紫外灯绝缘灯套10外。

正极推斥极2和负极吸引极7为三块平板电极，其中正极推斥极2安装于流量计测量管道4一侧，离子从离子门3进入气体流量测量管道4，正极推斥极2施加正电之后将VUV紫外灯1电离有机物产生的离子推向流量计测量管道4内，另两块负极吸引极7安装于正对正极推斥极2的流量测量管道4的另一侧，对负极吸引极7施加负电来吸引离子向其运动，两块负极吸引极7与正极推斥极2的距离相等。

离子门3参见图5，采用单个圆形栅网20结构，通过离子门螺孔19安装在离子进入流量计测量管道4的离子入口12处，并用离子门螺孔19引出供电线使其通过离子门接线孔16，连接至图10的离子门控制电路输出端。通过改变施加在圆形栅网20上的电压控制离子进入流量计测量管道4的时机，采用MOS管来控制施加在离子门上的电压。

两块圆形法拉第盘以及电流信号放大电路构成信号采集处理模块，法拉第盘接收离子流形成小电流，电流信号放大电路运用具有超低偏置电流的运算放大器将小电流信号放大成0-5V标准电压。

流量计外观剖视图参见图6，流量测量管道4作为气体流通管道，正极安装螺孔17利用螺丝固定正极推斥极2。负极安装螺孔22用于固定负极吸引极7。法拉第盘孔21用于安装放置安装法拉第盘6。

密封盖5的结构示意图参见图7，密封盖安装螺孔23利用螺丝将密封盖5固定于流量测量管道4两侧，使流量测量管道4处于相当稳定的测量环境，气体进出管安装孔24采用螺旋结构安装固定进气管8和出气管9。

法拉第盘6由法拉第面25和法拉第杆26组成，参见图8，法拉第面25用于接收离子流产生电流信号，同时采用法拉第杆26引出电流信号。

负极吸引极7结构参见图9，法拉第杆安装孔28用于安装固定法拉第杆26，为了使得法拉第杆26与负极吸引极7绝缘，在法拉第杆安装孔28安装隔离胶块27，该隔离胶块27采用聚四氟乙烯材料制作。

所述的挥发性有机物采用低毒性易挥发的丙酮液体。

在本实施例中，该VUV紫外灯1内充有低压惰性气体氪气，氪气在一定的高电压作用下被电离击穿，并维持放电发出紫外光。VUV紫外灯1的灯头聚光玻璃选用氟化镁，主要利用氟化镁的选择性，只允许让波长为116nm的紫外光通过，从而使该真空紫外灯可以进行选择性的电离，紫外光子能量10.2eV，有效光程为2cm。正极推斥极2（金属材质）旋套在紫外灯保护套10外，并通过聚四氟乙烯绝缘管11与流量计主体测量管道4相连，该绝缘管11管径大于紫外灯绝缘灯套10，但小于正极推斥极2的直径，聚四氟乙烯绝缘管11上设有挥发性有机物的进样管道29，参见图10，绝缘管11与流量计测量管道4之间安装有离子门3，离子门3与VUV紫外灯1之间的绝缘内腔即为紫外灯电离有机物的区域。上述组成部分安装在流量测量管道4一侧的中间位置。

所述离子门3由单片机产生的周期脉冲电压和离子门控制电路共同控制。离子门驱动电路框图参见图11。为了实现离子门开闭效果，离子门控制信号由单片机发出，前置级采用三极管开关辅以电源上拉来增强电路驱动能力，采用光耦隔离实现高压与低压控制信号的隔离并为MOS管提供开关信号，后级采用MOS管开关电路对高压信号的开闭，实现驱动离子门。

两块圆形法拉第盘6以及电流信号放大电路构成信号采集处理模块，法拉第盘6接收离子流形成小电流，电流信号放大电路运用具有超低偏置电流的运算放大器将小电流信号放大成0-5V标准电压。法拉第盘6采用不锈钢材料加工，表面为圆形，用于接收离子信号并转换为微弱电路信号。信号放大电路用于将微弱电流放大为0-5V电压。信号放大电路参见图12，由前级I-V转换电路与后级放大两部分组成，前级I-V转换电路采用具有超低偏置电流的运算放大器将微弱电流信号转换为微弱电压信号，后级放大电路将电压进一步放大，使得该电压可被后级时差测量模块检测。

TDC-GP21芯片和芯片外围驱动电路组成时差测量模块，结构参见图13。TDC-GP21芯片的两个测量引脚分别连接信号采集处理模块处理之后的两路电压信号，并分别连接至TDC-GP21的START、STOP端进行测量两路信号时间差，TDC-GP21的工作配置由单片机通过SPI通信进行控制。

气体通过进气管8引入流量计测量管道4，测量流程均由流量计控制软件来实现。控制软件包括电压控制功能与时差测量、数据通信等功能，电压控制实现对紫外灯、离子门、正极推斥极/负极吸引极的上电控制，时差测量实现TDC测量时机、测量方式的控制，数据通信实现时差数据的传输。

实施例2 本发明流量计工作过程

单片机的控制信号分别连接驱动离子门控制电路和TDC-GP21测试电路，在进行气体流量测试之前，通过进样管29通入挥发性丙酮气体，丙酮气体充满电离区域时，对VUV紫外灯1施加-1100V电压，紫外灯被点亮并发出一定波长的紫外光，紫外光使得丙酮气体发生电离，产生带电离子。此时对正极推斥极2和离子门3施加正电压，且离子门3上的电压大于正极推斥极2上的电压，负极吸引极7上施加负电压，由于离子门的作用离子无法通过离子门3，即无法通过离子入口12从而进入气体流量测量管道4。待测流量的气体从进气口8通入且流量稳定时，撤销离子门3上的电压，此时正离子通过离子入口12进入气体流量测量管道4。带电离子在正极推斥极和负极吸引极的多重作用下分别向测量管道另一侧的两个法拉第盘6运动，由于受到负极吸引极7上负电压的作用，大量正离子向法拉第盘6迁移，大量离子撞击到法拉第面25上产生微弱电流，微弱电流通过法拉第杆26连接到图12中的信号放大电路被转换放大为TDC-GP21可识别的电压信号。两路电压信号分别连接至TDC-GP21测时芯片的START、STOP引脚，当法拉第盘6上接收到的正离子达到一定数量时，产生的微电流转换放大后得到的电压也逐渐增大到预先设定的阈值电压3.6V，从而使TDC-GP21测量得到两路信号的时间差，该时间段即为离子的传输时间。由于正离子在流量测量管道4纵向迁移的过程中，同时受到水平方向通入的待测气体流动的作用，使得向气流方向上游法拉第盘6迁移的正离子的迁移时间较长，向气流方向下游法拉第盘6迁移的正离子的迁移时间较短，所以TDC-GP21测量到的两个传输时间存在时间差，该时间差与待测气体的流量成正比关系，通过该时间差即可计算出流量测量管道4中通入的待测气体的流量。

在本实施例中，如果流体的流速增大，则可通过对正极推斥极2和负极吸引极7上的电压进行适当地调节，从而保证接收到的信号的强度，使本发明的流量计工作条件可调因而可以测量不同量程的气体流量。

Claims (8)

1.一种离子迁移型气体流量计，其特征在于，由VUV紫外灯（1），正极推斥极（2），离子门（3），流量测量管道（4），密封盖（5），法拉第盘（6），负极吸引极（7），进气管（8），出气管（9），绝缘灯套（10）,聚四氟乙烯绝缘管（11），离子入口（12）构成，VUV紫外灯（1）安装在流量测量管道（4）中间位置，VUV紫外灯（1）外围包有聚四氟乙烯材质的绝缘灯套（10），正极推斥极（2）旋套在绝缘灯套（10）外，并通过绝缘管（11）与流量测量管道（4）的离子入口（12）相连，有离子门（3）安装在绝缘管（11）与流量计测量管道（4）之间，流量测量管道（4）的两端面分别安装密封盖（5），该密封盖（5）为绝缘正方形薄板，密封盖（5）中央分别插有进气管（8）和出气管（9），流量测量管道（4）内另一侧中间并列设有两个法拉第盘（6），两个法拉第盘（6）分布于流量计测量管道（4）中轴线的两侧，与正极推斥极（2）的距离相等，并分别通过两根导线连接到流量测量管道（4）的外部，流量测量管道（4）外部与法拉第盘（6）对应的位置安装有两个负极吸引极（7），负极吸引极（7）与流量测量管道（4）和法拉第盘（6）均绝缘；

正极推斥极（2）是一块平板电极，安装于流量计测量管道（4）一侧，两块负极吸引极（7）也是平板电极，安装于正对正极推斥极（2）的流量测量管道（4）的另一侧，两块负极吸引极（7）与正极推斥极（2）的距离相等；

离子门（3）采用单个圆形栅网（20）结构，通过离子门螺孔（19）安装在离子进入流量计测量管道（4）的离子入口（12）处，并用离子门螺孔（19）引出供电线使其通过离子门接线孔（16）与离子门控制电路输出端连接；

正极推斥极（2）通过正极安装螺孔（17）固定流量测量管道（4）上，离子门接线孔（16）用于引出离子门外接电源线，真空紫外灯灯孔（18）用于固定正极推斥极（2）旋套在紫外灯绝缘灯套（10）外。

2.根据权利要求1所述的一种离子迁移型气体流量计，其特征在于，法拉第盘（6）由法拉第面（25）和法拉第杆（26）组成。

3.根据权利要求1所述的一种离子迁移型气体流量计，其特征在于，正极安装螺孔（17）利用螺丝固定正极推斥极（2），负极安装螺孔（22）用于固定负极吸引极（7），法拉第盘孔（21）用于放置安装法拉第盘（6）。

4.根据权利要求1所述的一种离子迁移型气体流量计，其特征在于，密封盖安装螺孔（23）通过螺丝将密封盖（5）固定于流量测量管道（4）两侧，气体进出管安装孔（24）采用螺旋结构安装固定进气管（8）和出气管（9）。

5.根据权利要求1所述的一种离子迁移型气体流量计，其特征在于，法拉第杆安装孔（28）用于固定法拉第杆（26），在法拉第杆安装孔（28）安装隔离胶块（27），隔离胶块（27）采用聚四氟乙烯材料制作。

6.根据权利要求1所述的一种离子迁移型气体流量计，其特征在于，绝缘管（11）管径大于紫外灯绝缘灯套（10），但小于正极推斥极（2）的直径，聚四氟乙烯绝缘管（11）上设有挥发性有机物的进样管道（29）。

7.根据权利要求6所述的一种离子迁移型气体流量计，其特征在于，所述的挥发性有机物采用低毒性易挥发的丙酮液体。

8.根据权利要求1所述的一种离子迁移型气体流量计，其特征在于，流量计外观为长方体，流量测量管道（4）为圆柱通孔。