CN105716932A - 一种高浓度气体测量用的稀释气路控制方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高浓度气体测量用的稀释气路控制装置及方法，该装置包括气路部分和控制部分，气路部分包括两套进气管路和一条出气管路，其中一条进气管路接通零空气，另一条进气管路接通高浓度被测气体；控制部分包括控制模块，该控制模块用于控制两套进气管路的定时切换，并将两套进气管路中的气体在出气管路内按一定的比例混合，将高浓度被测气体稀释为适合传感器检测的低浓度气体。该控制装置，避免了采用电化学气敏传感器测量高浓度气体时，因出现饱和或中毒的现象而导致仪器无响应或响应时间过长的问题，实现了采用传感器进行宽量程范围的气体测量，即由PPB级到PPM级的气体测量；结构简单，控制容易。

Description

一种高浓度气体测量用的稀释气路控制方法及装置

技术领域

本发明属于气体检测技术领域，具体涉及一种高浓度气体测量用的稀释气路控制装置及方法。

背景技术

在核空气净化技术领域，需要采用氟利昂泄漏试验法进行核空气净化系统中碘吸附器(排架)泄漏率的检验试验。试验中采用氟利昂作为示踪气体在碘吸附器上游端注入，然后分别用卤素气体检测仪测量碘吸附器上、下游卤素气体的浓度并通过计算来判定其泄漏率是否满足设计规定(泄漏率≤0.05％)。为了保护环境，试验中要尽可能投放少量的示踪剂，且能满足泄漏率测量的要求，这就要求卤素气体检测装置的灵敏度要高，测量下游浓度时应可探测到1ppb的浓度,且测量范围要宽，测量上游浓度时，可探测10ppm以上的卤素气体浓度，这样才能判定下游、上游的浓度比是否达到设计规定值。

在卤素气体检测仪中，传感器是核心部件。由于电化学气敏传感器灵敏度高，可达到ppb级气体浓度的测量，故可以满足下游卤素气体浓度的探测要求。然而电化学式气敏传感器测量的卤素气体浓度不宜高于百万分之一，浓度过高传感器会出现饱和或中毒现象，导致仪器无响应或响应时间过长。因此电化学式气敏传感器不能直接用来测量上游10ppm以上浓度的卤素气体的测量。为了采用电化学式气敏传感器实现ppm级卤素气体的检测，本发明提出了一种设计思路：将高浓度的被测气体(ppm级)按一定比例稀释至低浓度后(ppb级)，再进入传感器测量，测量后的结果经过数据处理模块运算后显示出其初始浓度。

本发明虽然是针对卤素气体检测进行的具体实施例，但可以应用于其它高浓度气体测量时的稀释控制及气体测量装置设计中。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种高浓度气体测量用的稀释气路控制装置及方法，避免了采用电化学气敏传感器测量高浓度气体时，因出现饱和或中毒的现象而导致仪器无响应或响应时间过长的问题，实现了采用电化学气敏传感器进行宽量程范围，即由PPB级到PPM级的气体测量。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是：提供一种高浓度气体测量用的稀释气路控制装置，包括气路部分和控制部分，所述气路部分包括两套进气管路和一条排气管路，其中一套进气管路接通零空气，另一条进气管路接通高浓度被测气体；所述控制部分包括控制模块，所述控制模块分别与两套进气管路连接，该控制模块用于控制两套进气管路的进气时间，并按照每套进气管路的设定进气时间进行定时切换，从而将两套进气管路中的气体在所述排气管路上按一定的比例混合，稀释高浓度被测气体。

进一步，所述控制模块包括基准时钟源、计数器I、计数器II、两个计数器切换电路以及电磁阀；所述基准时钟源分别与两个计数器连接，两个计数器均与所述计数器切换电路连接，所述计数器切换电路与所述电磁阀连接；所述基准时钟源用于发出频率信号；两个所述计数器用于轮流对基准时钟源发出的频率信号进行计数，两个计数器设定不同的计数值；所述计数器切换电路根据两个计数器计数值定时切换两套进气管路的进气时间，并通过驱动电磁阀接通零空气进气管路或高浓度被测气体进气管路。

进一步，两套所述进气管路之间设有流量调节阀。

进一步，所述基准时钟源采用市电50Hz的交流波形作为基准时钟源。

进一步，两个所述计数器均使用十进制计数芯片。

进一步，所述计数器切换电路采用CD4011型电路模块和MC14012型电路模块。

进一步，所述电磁阀为两位三通阀。

本发明还提供一种利用上述控制装置进行控制的方法，包括如下步骤：

(1)将两套进气管路分别接通零空气和高浓度被测气体；

(2)通过控制模块控制两套进气管路的接通时间；按照每条进气管路设定的进气时间进行定时切换；

(3)将两套进气管路中的气体在出气管路内按一定的比例混合，从而稀释高浓度的被测气体。

进一步，在步骤(2)中，所述控制模块通过一个基准时钟源、两个计数器、计数器切换电路以及电磁阀实现两套进气管路接通时间和定时切换；其中，基准时钟源发出频率信号，两个计数器轮流对基准时钟源进行计数，两个计数器设定不同的计数值，按照每个计数器的计数值，通过计数器切换电路控制零空气接通时间和高浓度被测气体接通时间，并驱动电磁阀接通零空气进气管路或高浓度被测气体的进气管路。

进一步，在步骤(3)中，混合后气体浓度，利用下面的公式进行计算：

$\mathrm{Ms}=\frac{T\×C2}{T\×C1+T\×C2}\×\mathrm{Mb}\×1000$

T：基准时钟源的周期，单位秒；

C1:计数器1的计数值，控制零空气进气管路接通时间；

C2：计数器2的计数值，控制高浓度被测气体进气管路接通时间；

Mb：高浓度气体浓度，单位PPM；

Ms：混合后气体浓度，单位PPB。

本发明的有益技术效果在于：

(1)本发明通过设置两套进气管路，能够将高浓度被测气体与零空气混合，从而稀释高浓度被测气体，使高浓度被测气体ppm级的浓度降低到适合传感器测量的ppb级浓度；

(2)本发明通过设置控制模块，能够控制两条进气管路零空气的进气时间和被测气体的进气时间，并对两条进气管路的进气时间进行定时切换。

(3)方法简单，操作容易。

附图说明

图1是本发明高浓度气体测量用的稀释气路控制装置的结构示意图；

图2是图1中控制模块的结构示意图；

图3是基准时钟源电路原理图；

图4是计数器和计数器切换电路图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

如图1所示，是本发明提供的高浓度气体测量用的稀释气路控制装置，

包括两部分，一部分为气路部分，另一部分为控制部分。气路部分包括两套进气管路和一套排气管路，其中一套进气管路接通零空气，另一条进气管路接通高浓度被测气体。控制部分包括控制模块，控制模块分别与两套进气管路连接，用于控制两套进气管路的进气时间，并按照每套进气管路的设定进气时间进行定时切换。从而将两套进气管路中的气体在排气管路内按一定的比例混合，稀释高浓度被测气体，使最终被测气体浓度为传感器适合测量的ppb量级浓度。

本发明为了保证进入空气的纯净度，在零空气进入管路的进入端设有活性炭过滤器和预过滤器；为了保证进入高浓度被测气体的纯净度，在被测气体进入管线的进入端设有预过滤器。

本发明为了能够调节两套进气管路内的气体流量，在两套进气管路之间设有流量调节阀，在流量调节阀上设有气体排出管道，从而将多余的气体排出。

本发明在出气管路上设有传感器，优选为电化学气敏传感器，用于检测稀释后气体的浓度。

如图2所示，控制模块包括基准时钟源、两个计数器、计数器切换电路以及电磁阀，其中，两个计数器分别为计数器I和计数器II，电磁阀采用两位三通阀。基准时钟源分别与两个计数器连接，两个计数器均与计数器切换电路连接，计数器切换电路与电磁阀连接。基准时钟源用于发出频率信号，两个计数器用于轮流对基准时钟源发出的频率信号进行计数，两个计数器设定不同的计数值，计数器切换电路根据两个计数器的计数值定时切换两套进气管路的进气时间，并通过驱动电磁阀接通零空气进气管路或高浓度被测气体的进气管路，从而达到控制每条进气管路进气时间。

如图3所示，是基准时钟源电路原理图。为了省去基准时钟芯片及电路，节约成本，本发明使用市电50Hz的交流波形作为基准时钟源，市电从Header2进入，被CD4011组成的电路模块整形后变成50Hz的TTL方波输出，作为仪器的时钟基准信号。

如图4所示，计数器和计数器切换电路。其中使用CD4518十进制计数芯片，构成计数器I和计数器II；使用CD4011和MC14012构成两个计数器的切换电路。

控制模块工作过程：基准时钟源发生出一定频率的方波信号，计数器I，计数器II轮流对基准时钟源进行计数。计数器I控制零气气路的接通时间，计数器II控制高浓度气体的接通时间，计数器切换电路控制计数器I和计数器II的轮流切换计数并驱动电磁阀，即两位三通阀接通零空气气路或者高浓度气体气路。通过设置计数器I和计数器II的不同的计数比，可以控制零空气与高浓度气体不同比例的稀释混合比，就可实现高浓度气体稀释至适合测量的ppb级浓度进入传感器测量。

气路部分工作过程：一路是空气气路通道，空气经过活性炭过滤器及预过滤器过滤后，由双头真空采样泵进行采样，空气通过三通分别进入流量调节阀的一端和电磁阀的一入口端(常开通路)；一路是高浓度气体气路通道，高浓度气体经过预过滤器过滤后，由双头真空采样泵采样，高浓度气体通过三通分别进入流量调节阀的一端和电磁阀一入口端(常闭通路)，电磁阀出口端与传感器入口端连接。控制装置通过控制电磁阀的两个入口端的接通、断开时间比，即可控制空气和高浓度被测气体以不同的比例混合进入传感器进行测量。

计数器和计数器切换电路工作过程：计数器I对电磁阀的空气气路进行计时；计数器II对电磁阀的R11气体进行计时；计数器切换电路根据逻辑关系，对计数器I和计数器II进行轮流切换或停止。在计数器切换电路上设有拨档开关，当拨档开关被搬到PPB档(接-15v)，计数器切换电路中的U5B会始终输出高电平，计数器I在最后一轮计数完成后把U4B的6脚也拉到高电平，这时计数器I被清零，并停止计数，由于U4B开始输出低电平，计数器II开始计数，但U5B已经被PPB档开关屏蔽掉，不能控制计数器切换，所以电池阀一直保持在R11气路上；当拨档开关被搬到PPM档(接地)，这时，U5B就可以接受来自计数器II的信号，当计数器II计数完成，U5B输出低电平，U4B输出高电平，计数器II被清零停止工作，由于U4A这时输出低电平，计数器I开始工作计数，气路被切换到空气，当计数器I计数完成后，U4A输出高电平，计数器I被清零停止，气路又被切换到R11上，周而复始。这里的R11表示高浓度被测气体。

下面是本发明提供的高浓度气体测量的稀释气路控制方法，包括如下步骤：

首相将两套进气管路，其中一套进气管路接通高浓度被测气体，另一套进气管路接通零空气；利用控制模块分别控制两条进气管路的进气时间，按照每条管路设定的具体时间，进行定时切换两套气体管路，实现零空气和高浓度被测气体在出气管道内按一定比例的混合，从而稀释高浓度被测气体，使被测气体的浓度降低为适合传感器测量的ppb级浓度。

通过如下方法可实现两套进气管路的定时切换，即：通过一个基准时钟源、两个计数器、计数器切换电路以及电磁阀实现两套进气管路接通时间和定时切换；其中，基准时钟源发出频率信号，两个计数器轮流对基准时钟源进行计数，两个计数器设定不同的计数值，按照每个计数器的计数值，通过计数器切换电路控制零空气接通时间和高浓度被测气体接通时间，并驱动电磁阀接通零空气进气管路或高浓度被测气体的进气管路。

通过下面公式对稀释后气体浓度计算：

$\mathrm{Ms}=\frac{T\×C2}{T\×C1+T\×C2}\×\mathrm{Mb}\×1000$

T：基准时钟源的周期，单位秒；

C1:计数器I的计数值，控制零空气进气管路接通时间；

C2：计数器II的计数值，控制高浓度被测气体进气管路接通时间；

Mb：高浓度气体浓度，单位PPM；

Ms：混合后被测气体浓度，单位PPB。

由此，即可得出稀释后气体浓度。本发明根据计算出的稀释后气体浓度，通过数据处理模块运算后便可得出高浓度被测气体的初始浓度。

下面进行举例说明：

在具体实例中当拨档开关被搬到PPB档时，电磁阀一直接通R11气体进行测量，而当拨档开关被搬到PPM档时，空气和10ppm的R11高浓度气体混合。当电磁阀被切换到R11气路上，计数器II进行计数，这时共计了5个周期(二进制0101)，当电磁阀被切换到空气气路上，计数器I进行计数，这时共计了300个周期。

则气体混合比及传感器实测高浓度气体浓度计算如下：

50Hz市电一个周期＝1/50＝0.02s

这样R11被通入0.02×5＝0.1s

空气被通入0.02×300＝6s

R11:空气＝1:60

10ppm的R11被稀释了60倍，传感器测量的浓度应该为：10ppm/61＝164ppb

需要说明的是：本发明中的ppm和ppb表示气体的体积浓度；ppm表示体积是总体积的百万分之一，ppb表示体积是总体积的十亿分之一。本发明的高浓度气体为ppm级，低浓度气体为ppb级。

本发明高浓度气体测量用的稀释气路控制装置及方法，并不限于上述具体实施方式，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (10)

1.一种高浓度气体测量用的稀释气路控制装置，包括气路部分和控制部分，其特征是：所述气路部分包括两套进气管路和一套排气管路，其中一套进气管路接通零空气，另一条进气管路接通高浓度被测气体；所述控制部分包括控制模块，所述控制模块分别与两套进气管路连接，该控制模块用于控制两套进气管路的进气时间，并按照每套进气管路的设定进气时间进行定时切换，从而将两套进气管路中的气体在所述排气管路内按一定的比例混合，稀释高浓度被测气体。

2.如权利要求1所述的高浓度气体测量用的稀释气路控制装置，其特征是：所述控制模块包括基准时钟源、计数器I、计数器II、两个计数器切换电路以及电磁阀；所述基准时钟源分别与两个计数器连接，两个计数器均与所述计数器切换电路连接，所述计数器切换电路与所述电磁阀连接；所述基准时钟源用于发出频率信号；两个所述计数器用于轮流对基准时钟源发出的频率信号进行计数，通过两个计数器设定不同的计数值，所述计数器切换电路根据两个计数器计数值定时切换两套进气管路的进气时间，并通过驱动电磁阀接通零空气进气管路或高浓度被测气体进气管路。

3.如权利要求1或2所述的高浓度气体测量用的稀释气路控制装置，其特征是：两套所述进气管路之间设有流量调节阀。

4.如权利要求2所述的高浓度气体测量用的稀释气路控制装置，其特征是：所述基准时钟源采用市电50Hz的交流波形作为基准时钟源。

5.如权利要求2所述的高浓度气体测量用的稀释气路控制装置，其特征是：两个所述计数器均使用十进制计数芯片。

6.如权利要求2所述的高浓度气体测量用的稀释气路控制装置，其特征是：所述计数器切换电路采用CD4011型电路模块和MC14012型电路模块。

7.如权利要求2所述的高浓度气体测量用的稀释气路控制装置，其特征是：所述电磁阀为两位三通阀。

8.一种利用如权利要求1所述的稀释气路控制装置进行稀释气路的控制方法，包括如下步骤：

(1)将两套进气管路分别接通零空气和高浓度被测气体；

(2)通过控制模块控制两套进气管路的接通时间，按照每套进气管路设定的接通时间进行定时切换；

(3)将两套进气管路中的气体在排气管路内按一定的比例混合，将高浓度被测气体稀释为适合传感器检测的低浓度气体。

9.如权利要求8所述的利用稀释气路控制装置进行稀释气路的控制方法，其特征是：

在步骤(2)中，所述控制模块通过一个基准时钟源、两个计数器、计数器切换电路以及电磁阀实现两套进气管路接通时间和定时切换；其中，基准时钟源发出频率信号，两个计数器轮流对基准时钟源进行计数，两个计数器设定不同的计数值，按照每个计数器的计数值，通过计数器切换电路控制零空气接通时间和高浓度被测气体接通时间，并驱动电磁阀接通零空气进气管路或高浓度被测气体的进气管路。

10.如权利要求8所述的利用稀释气路控制装置进行稀释气路的控制方法，其特征是：在步骤(3)中，稀释后气体浓度按照下面的公式进行计算：

$\mathrm{Ms}=\frac{T\×C2}{T\×C1+T\×C2}\×\mathrm{Mb}\×1000$

T：基准时钟源的周期，单位秒；

C1:计数器I的计数值，控制零空气进气管路接通时间；

C2：计数器II的计数值，控制高浓度被测气体进气管路接通时间；

Mb：高浓度气体浓度，单位PPM；

Ms：混合后被测气体浓度，单位PPB。