CN105158311A - 一种通用氧气体分析仪及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种通用氧气体分析仪，包括机箱及设置于机箱内的控制电路，控制电路包括第一数据处理电路、第二数据处理电路、微处理器及与微处理器相连的显示器，机箱上开设有气体进口和气体出口，机箱内设置有管道。所述控制电路还包括微量氧传感器及常量氧传感器，微量氧传感器通过第一数据处理电路与微处理器相连，常量氧传感器通过第二数据处理电路与微处理器相连，管道包括第一微量气管、第二微量气管、第一常量气管及第二常量气管，第一微量气管上设置有第一电磁阀，第二微量气管上设置有第二电磁阀。本发明的有益效果：既可以用于高浓度氧气环境，也可以用于低浓度氧气环境，检测范围广，延长了微量氧传感器的使用寿命。

Description

一种通用氧气体分析仪及其控制方法

技术领域

本发明涉及气体分析装置，特别是指一种氧气体分析仪。

背景技术

电化学式氧传感器的工作原理是当被测气体氧分子通过透气膜即可在传感器内发生氧化-还原反应，当氧分子到达正极表面时，发生还原反应，同时负极发生氧化反应，化学反应过程如下：

阴极：O2+2H2O+4e-→4OH-

阳极：2Pb+4OH-→2PbO+2H2O+4e-

电池综合反应：O2+2Pb→2PbO

阴极和阳极两个反应发生生成电流，电流大小相应地取决于氧气反应速度(法拉第定律)，可外接一只已知电阻来测量产生的电势差，这样就可以准确测量出氧气的浓度。电化学反应中，铅极参与到氧化反应中，使得这些电化学氧传感器具有一定的使用期限，一旦所有可利用的铅完全被氧化，电化学式氧传感器将停止运作。

微量氧气体分析仪采用微量的电化学式氧传感器，由于微量的电化学式氧传感器设计使用范围是微量或痕量氧气，因此化学反应速度快，在氧浓度很低时输出信号才具有较大的性噪比。但是也导致了微量的电化学式氧传感器在高浓度氧的环境中化学反应急剧加快，大大降低了电化学氧传感器的设计使用寿命，甚至导致电化学氧传感器直接失效。如常用微量氧气体分析仪的测量范围为0-10ppm氧气浓度，而空气中氧气浓度约为206000ppm左右，超出该分析仪的设计使用范围20600倍。如果空气进入微量的电化学式氧传感器就极易导致氧传感器直接失效。

传统的微量氧气体分析仪在制造商出厂后运输过程、用户储存、用户使用等过程中，由于间隔时间较长，空气中的高浓度氧气会扩散到传感器中，导致传感器可能长期处于高浓度氧的空气环境中。另外，在使用现场，测量气体中氧气的浓度未知，有可能氧气的浓度会较高，或者在使用现场由于工艺条件变化导致氧气浓度升高，也会导致微量氧传感器接触到高浓度的氧气，会大大减少微量电化学氧传感器的寿命，甚至可能导致微量氧传感器直接失效。

常量氧传感器可以测量较高浓度的氧气，在高浓度氧气环境下工作寿命较长。但是测量低浓度氧时，信号值非常小，灵敏度极低，不能用于测量0-10ppm浓度范围内的氧气测量。

中国专利公开了一种授权公开号为CN202614720U的双通道氧气分析仪，包括依次连接的氧气传感器、信号放大电路、数据采集电路及显示操作单元，还包括一组并列的氧气传感器和信号放大电路。该装置虽然实现了多点氧气测量的情况，可以一定程度上减少仪器使用成本，但是不能既可以用于高浓度氧气环境也可以用于低浓度氧气环境。

发明内容

本发明提出一种通用氧气体分析仪及其控制方法，既可以用于高浓度氧气环境，也可以用于低浓度氧气环境，同时延长了微量氧传感器的使用寿命。

本发明的技术方案是这样实现的：包括机箱及设置于机箱内的控制电路，机箱上开设有气体进口和气体出口，机箱内设置有管道。管道包括：用于与气体进口连通的第一微量气管；用于与气体出口连通的第二微量气管，第二微量气管与第一微量气管形成微量分析气路；用于与气体进口连通的第一常量气管；用于与气体出口连通的第二常量气管，第二常量气管与第一常量气管形成常量分析气路。控制电路包括：用于检测微量分析气路的氧气的微量氧传感器，微量氧传感器将第二微量气管与第一微量气管连通；用于检测常量分析气路的氧气的常量氧传感器，常量氧传感器将第二常量气管与第一常量气管连通；与微量氧传感器相连的第一数据处理电路，第一数据处理电路用于接收微量氧传感器的输出信号并进行处理；与常量氧传感器相连的第二数据处理电路，第二数据处理电路用于接收常量氧传感器的输出信号并进行处理；用于控制第一微量气管开关的第一电磁阀，第一电磁阀设置于第一微量气管上；用于控制第二微量气管开关的第二电磁阀，第二电磁阀设置于第二微量气管上；用于检测气体出口处的气体流量的流量计，流量计输出流量信号；微处理器，第一数据处理电路的输出端、第二数据处理电路的输出端和流量计的输出端均与微处理器相连，第一电磁阀和第二电磁阀均与微处理器相连，微处理器根据第一数据处理电路、第二数据处理电路和流量计的输入控制第一电磁阀和第二电磁阀的开闭；与微处理器相连的显示器；及与显示器相连的键盘。设置流量计，流量计检测到气体出口处流量较低时，关闭第一电磁阀和第二电磁阀，防止在使用过程中突然断气高浓度氧气进入到微量氧传感器中，对微量氧传感器进行保护。流量计检测到气体出口处流量处于正常情况下，进行正常工作，首先常量氧传感器检测常量分析气路的待测气体，当常量氧传感器检测到处于高浓度氧气环境下时，第一电磁阀和第二电磁阀关闭，微量氧传感器所在微量分析气路的气路关闭，高浓度氧气进入到常量氧传感器，通过常量氧传感器对所在环境氧气进行分析；当常量氧传感器检测到在低浓度氧气环境下时，第一电磁阀和第二电磁阀开启，微量氧传感器所在的微量分析气路打开，低浓度氧气进入到微量氧传感器，通过微量氧传感器对所在环境氧气进行分析。由于高浓度氧传感器对低浓度氧气反映不大，测量精度大大不如微量氧传感器，故低浓度氧气对常量氧传感器的消耗不大，不会有损耗，同时常量氧传感器也检测不了低浓度氧气，微量氧传感器的设置弥补了这一缺陷；同时，首先通过常量氧传感器进行检测，从而使得微量氧传感器只有在低浓度氧气环境下才使用，延长了微量氧传感器的使用寿命。

进一步的，所述第一常量气管上设置有第三阀门，第二常量气管上设置有第四阀门。在运输过程中，不需要检测分析氧气，因此为了保护常量氧传感器设置第三阀门和第四阀门，可以在使用时才打开常量检测气路，这样可以延长常量传感器的使用寿命。

进一步的，在气体进口处设置有用于第一微量气管和第一常量气管与气体进口相连的第一三通管，在气体出口处设置有用于第二微量气管和第二常量气管与气体进口相连的第二三通管。

再进一步的，所述流量计设置于第二三通管与气体出口之间。可以减少微量氧传感器和常量传感器之间的气路的接头数量，减小泄漏率，减小因泄漏对氧气浓度分析的影响。

再进一步的，所述第一微量气管、第一常量气管、第一三通管、第二微量气管、第二常量气管及第二三通管均为不锈钢管，第一微量气管和第一常量气管与气体进口通过第一三通管硬连接，第二微量气管和第二常量气管与气体进口通过第二三通管硬连接。仪器内部管道采用不锈钢管硬连接，泄漏率低。不但可以加快仪器的测量反应时间，而且还能使微量分析气路中氧气浓度不会增加

进一步的，第一数据处理电路及第二数据处理电路均包括放大器及与放大器相连的模数转换器。实现对采集数据的处理。

本发明还提供一种通用氧气体分析仪的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：流量计检测气体出口处的气体流量，得到流量信号；

步骤2：判断流量信号是否大于等于第一设定值，当流量信号大于等于第一设定值时，进行步骤3，当流量信号小于第一设定值时，进行步骤9；

步骤3：常量传感器检测常量分析气路的氧气，得到常量检测信号；

步骤4：判断常量检测信号是否小于等于第二设定值，当常量检测信号小于等于第二设定值时，进行步骤5，当常量检测信号大于第二设定值时，进行步骤9；

步骤5：发出启动第一电磁阀和第二电磁阀信号，第一电磁阀和第二电磁阀打开后，微量分析气路开通；

步骤6：延时等待；

步骤7：微量传感器检测微量分析气路的氧气，得到微量检测信号；

步骤8：判断微量检测信号是否大于第三设定值，当微量检测信号大于第三设定值时，进行步骤9，当微量检测信号小于等于第三设定值时，进行步骤10；

步骤9：发出关闭第一电磁阀和第二电磁阀信号，微量分析气路关闭；

步骤10：结束。该方法，首先通过流量计检测气体出口处的气体流量，判断待测气体是否正常通入，当得到的流量信号小于等于第一设定值时，说明意外断气，关闭第一电磁阀和第二电磁阀，检测结束；当得到的流量信号小于等于第一设定值时，说明处于正常通气状态，可以正常检测。正常检测时，通过常量传感器检测常量分析气路的待测气体得到常量检测信号，第二数据处理电路对常量检测信号进行处理，微处理器根据得到的常量检测信号进行判断是否打开第一电磁阀和第二电磁阀，防止了待检测气体的氧气浓度低于常量传感器的检测范围，也对微量氧传感器进行了保护；微量常量分析气路开通后，需要延时等待，这是由于在第一电磁阀和第二电磁阀打开后，氧气会慢慢进入到微量检测气路中，微量传感器要检测到实时的氧气浓度需要一定时间，这样检测的结构更加精确。延时等待结束后，微量氧传感器检测微量分析气路的待测气体得到微量分析信号，微处理器根据得到的微量检测信号进行判断是否关闭第一电磁阀和第二电磁阀，以防止待检测气体的氧气浓度超过微量氧传感器的检测范围。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：该装置既可以用于高浓度氧气环境，也可以用于低浓度氧气环境，检测范围广；由于在运输过程中，空气中都是高浓度氧气，关闭第一电磁阀和第二电磁阀，可以保护微量氧传感器，延长了为了微量氧传感器的使用寿命；微量氧传感器和常量传感器的交替使用，也延长了整个机器的使用寿命；微量氧传感器气路和常量传感器气路共用微处理器，减少了器件的使用，降低了使用成本。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明一种通用氧气体分析仪的结构示意图；

图2为本发明一种通用氧气体分析仪的电路框图；

图3为本发明一种通用氧气体分析仪的控制方法。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种通用氧气体分析仪，包括机箱1及设置于机箱1内的控制电路2。

请继续参考图1所示，机箱1上开设有气体进口11和气体出口12，机箱1内设置有管道13。

管道13包括用于连通气体进口11和微量氧传感器26的第一微量气管131、用于连通微量氧传感器26和气体出口12的第二微量气管132、用于连通气体进口11和常量氧传感器27的第一常量气管133及用于连通常量氧传感器27和气体出口12的第二常量气管134。第一微量气管131与第二微量氧气管132形成微量检测气路；第一常量气管133与第二常量气管134形成常量检测气路。第一微量气管131上设置有第一电磁阀135，第二微量气管132上设置有第二电磁阀136。第一常量气管133上设置有第三阀门137，第二常量气管134上设置有第四阀门138。

所述第一微量气管131、第一常量气管133、第一三通管111、第二微量气管132、第二常量气管134及第二三通管112均为不锈钢管，第一微量气管131和第一常量气管133与气体进口11通过第一三通管111硬连接，第二微量气管132和第二常量气管134与气体进口11通过第二三通管112硬连接。

在气体进口11处设置有用于第一微量气管131和第一常量气管133与气体进口11相连的第一三通管111，在气体出口12处设置有用于第二微量气管132和第二常量气管134与气体进口11相连的第二三通管112。第二三通管112与气体出口12之间设置有流量计113。

如图2所示，控制电路2包括：

用于检测微量分析气路的待测气体的微量氧传感器26，微量氧传感器26输出微量分析信号；

与微量氧传感器26的输出端相连的第一数据处理电路21，用于对来自微量氧传感器26的微量分析信号进行处理；

用于检测常量分析气路的待测气体的常量氧传感器27，常量氧传感器27输出常量分析信号；

与常量氧传感器27的输出端相连的第二数据处理电路22，用于对来自常量氧传感器27的常量分析信号进行处理；

用于检测气体出口处气体流量的流量计113；

用于控制第一微量气管131开闭的第一电磁阀135；

用于控制第二微量气管132开闭的第二电磁阀136；

微处理器23，第一数据处理电路21的输出端、第二数据处理电路22的输出端和流量计113的输出端均与微量处理器23相连，微处理器23的输出端与第一电磁阀135和第二电磁阀136相连，微量处理器23用于根据第一数据处理电路21、第二数据处理电路22和流量计113的输入控制第一电磁阀135和第二电磁阀136的开闭；

与微处理器23相连的显示器24；及

与显示器24相连的键盘25。微量氧传感器26用于检测微量分析气路的氧气并输出微量检测信号，微量氧传感器26通过第一数据处理电路21与微处理器23相连，第一数据处理电路21对来自微量氧传感器26的信号进行处理，第一数据处理电路21将处理后的信号输送给微处理器23；常量氧传感器27用于检测常量分析气路的氧气并输出常量检测信号，常量氧传感器27通过第二数据处理电路22与微处理器23相连，第二数据处理电路22对来自常量氧传感器27的信号进行处理，第二数据处理电路22将处理后的信号输送给微处理器23。第一数据处理电路21及第二数据处理电路22均包括放大器及与放大器相连的模数转换器。第一数据处理电路21的放大器的输入端用于连接微量氧传感器26的输出端，第一数据处理电路21的模数转换器的输出端用于连接微处理器23；第二数据处理电路22的放大器的输入端用于连接常量氧传感器27的输出端，第二数据处理电路22的模数转换器的输出端用于连接微处理器23。

如图3所示，本发明还提供一种通用氧气体分析仪的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：流量计检测气体出口处的气体流量，得到流量信号；

步骤2：判断流量信号是否大于等于第一设定值，当流量信号大于等于第一设定值时，进行步骤3，当流量信号小于第一设定值时，进行步骤9；

步骤3：常量传感器检测常量分析气路的氧气，得到常量检测信号；

步骤4：判断常量检测信号是否小于等于第二设定值，当常量检测信号小于等于第二设定值时，进行步骤5，当常量检测信号大于第二设定值时，进行步骤9；

步骤5：发出启动第一电磁阀和第二电磁阀信号，第一电磁阀和第二电磁阀打开后，微量分析气路开通；

步骤6：延时等待；

步骤7：微量传感器检测微量分析气路的氧气，得到微量检测信号；

步骤8：判断微量检测信号是否大于第三设定值，当微量检测信号大于第三设定值时，进行步骤9，当微量检测信号小于等于第三设定值时，进行步骤10；

步骤9：发出关闭第一电磁阀和第二电磁阀信号，微量分析气路关闭；

步骤10：结束。

本发明的工作原理：在工厂安装前，通入高纯氮气吹扫整个气路，使整个气路中氧气含量很低后，先后安装常量氧传感器和微量氧传感器，保证微量氧传感器在安装时不接触高浓度的氧气。当微量氧气体分析仪在关机状态时，第一电磁阀和第二电磁阀处于关闭状态，微量检测气路与外界空气是隔绝的，微量检测气路中氧气的含量不会增加，保证了微量氧传感器长期处于低浓度氧气的环境中，不会对微量氧传感器的寿命造成很大影响。

当该装置在使用现场开机后，首先流量计检测气体出口处的流量，得到流量信号，微处理器判断流量信号是否大于等于第一设定值，当流量信号小于第一设定值时，说明意外断气，在微处理器的控制下第一电磁阀和第二电磁阀处于关闭状态；当流量信号大于等于第一设定值时，气体正常进入，气体会经过第一三通接头进入常量测量气路后进入第二三通接头，然后从气体出口排出机箱。在此过程中，第一电磁阀和第二电磁阀处于关闭状态，微量检测气路中氧气的浓度不会发生变化，此时常量氧传感器检测常量检测气路中氧气的浓度，微处理器得到第二数据处理电路采样常量氧传感器的常量测量信号。微处理器判断常量检测信号是否小于等于第二设定值，如果常量检测信号大于第二设定值(氧气浓度为高浓度)，第一电磁阀和第二电磁阀仍然处于关闭状态，微量分析气路处于密封状态，检测结束；如果常量检测信号小于等于第二设定值(氧气浓度为低浓度)，在微处理器的控制下第一电磁阀和第二电磁阀处于打开状态，微量分析气路通入氧气，此时待测气体分别从微量分析气路和常量分析气路进入，然后从第二三通接头汇合后排出机箱，此时微量氧传感器处于工作状态。由于待测气体慢慢进入到微量分析气路中，且微量氧传感器还要反应一段时间，此时微处理器延时等待。延时等待结束后，微处理器判断微量检测信号是否大于第三设定值，如果微量检测信号大于第三设定值(氧气浓度为高浓度)，第一电磁阀和第二电磁阀关闭，检测结束；如果微量检测信号小于等于第三设定值(氧气浓度为低浓度)，第一电磁阀和第二电磁阀仍然打开，微量氧传感器仍然处于工作状态，检测结束。这样做的好处在于可以保证进入微量氧传感器的待检测气体中氧气浓度始终很低，防止高浓度氧气进入对微量氧传感器的寿命造成较大的影响。同时，加入了常量氧传感器，使整个装置不但可以测量微量或痕量的氧气浓度，而且还可以测量常量的氧气浓度，从而可以满足用户更多不同的需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种通用氧气体分析仪，包括机箱(1)及设置于机箱(1)内的控制电路(2)，机箱(1)上开设有气体进口(11)和气体出口(12)，机箱(1)内设置有管道(13)，其特征在于，

所述管道(13)包括：

用于连通气体进口(11)的第一微量气管(131)；

用于连通气体出口(12)的第二微量气管(132)，第二微量气管(132)与第一微量气管(131)形成微量分析气路；

用于连通气体进口(11)的第一常量气管(133)；

用于连通气体出口(12)的第二常量气管(134)，第二常量气管(134)与第一常量气管(133)形成常量分析气路，

所述控制电路(2)包括：

用于检测微量分析气路氧气的微量氧传感器(26)，微量氧传感器(26)将第二微量气管(132)与第一微量气管(131)连通；

用于检测常量分析气路氧气的常量氧传感器(27)，常量氧传感器(27)将第二常量气管(134)与第一常量气管(133)连通；

与微量氧传感器(26)的输出端相连的第一数据处理电路(21)，第一数据处理电路(21)用于接收微量氧传感器(26)的输出信号并进行处理；

与常量氧传感器(27)的输出端相连的第二数据处理电路(22)，第二数据处理电路(21)用于接收常量氧传感器(27)的输出信号并进行处理；

用于控制第一微量气管(131)开关的第一电磁阀(135)，第一电磁阀设置于第一微量气管(131)上；

用于控制第二微量气管(132)开关的第二电磁阀(136)，第二电磁阀设置于第二微量气管(132)上；

用于检测气体出口(12)处气体流量的流量计(113)，流量计(113)输出流量信号；

微处理器(23)，第一数据处理电路(21)的输出端、第二数据处理电路(22)的输出端和流量计(113)的输出端均与微处理器(23)相连，第一电磁阀(135)和第二电磁阀(136)均与微处理器(23)相连，微处理器(23)根据第一数据处理电路(21)、第二数据处理电路(22)和流量计(113)的输入控制第一电磁阀(135)和第二电磁阀(136)的开闭；

与微处理器(23)相连的显示器(24)；及

与显示器(24)相连的键盘(25)。

2.根据权利要求1所述的通用氧气体分析仪，其特征在于，所述第一常量气管(133)上设置有第三阀门(137)，第二常量气管(134)上设置有第四阀门(138)。

3.根据权利要求1所述的通用氧气体分析仪，其特征在于，在气体进口处设置有用于第一微量气管(131)和第一常量气管(133)与气体进口(11)相连的第一三通管(111)，在气体出口(12)处设置有用于第二微量气管(132)和第二常量气管(134)与气体进口(11)相连的第二三通管(112)。

4.根据权利要求3所述的通用氧气体分析仪，其特征在于，所述流量计(113)设置于第二三通管(112)与气体出口(12)之间。

5.根据权利要求4所述的通用氧气体分析仪，其特征在于，所述第一微量气管(131)、第一常量气管(133)、第一三通管(111)、第二微量气管(132)、第二常量气管(134)及第二三通管(112)均为不锈钢管，第一微量气管(131)和第一常量气管(133)与气体进口(11)通过第一三通管(111)硬连接，第二微量气管(132)和第二常量气管(134)与气体进口(11)通过第二三通管(112)硬连接。

6.根据权利要求1所述的通用氧气体分析仪，其特征在于，所述第一数据处理电路(21)及第二数据处理电路(22)均包括放大器及与放大器相连的模数转换器。

7.一种通用氧气体分析仪的控制方法，其特征在于，所述方法包括：

步骤1：流量计检测气体出口处的气体流量，得到流量信号；

步骤2：判断流量信号是否大于等于第一设定值，当流量信号大于等于第一设定值时，进行步骤3，当流量信号小于第一设定值时，进行步骤9；

步骤3：常量传感器检测常量分析气路的氧气，得到常量检测信号；

步骤4：判断常量检测信号是否小于等于第二设定值，当常量检测信号小于等于第二设定值时，进行步骤5，当常量检测信号大于第二设定值时，进行步骤9；

步骤5：发出启动第一电磁阀和第二电磁阀信号，第一电磁阀和第二电磁阀打开后，微量分析气路开通；

步骤6：延时等待；

步骤7：微量传感器检测微量分析气路的氧气，得到微量检测信号；

步骤8：判断微量检测信号是否大于第三设定值，当微量检测信号大于第三设定值时，进行步骤9，当微量检测信号小于等于第三设定值时，进行步骤10；

步骤9：发出关闭第一电磁阀和第二电磁阀信号，微量分析气路关闭；

步骤10：结束。