CN107422754A - 一种微量气体流速控制装置及控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种微量气体流速控制装置及控制方法，属于测量仪器控制技术领域，所述装置包括进气室、出气室和流量控制电磁阀，进气室设置有进气口，出气室设置有出气口，进气室和出气室之间通过气体管路连通，流量控制电磁阀设置在所述气体管路上。本发明装置采用电压控制方式控制流量控制电磁阀的开合度，精确控制出气室内的压力，从而能够精确控制并量化从出气室流出的微量气体流速，能够实现对血红蛋白氧载体携氧‑释氧动力学过程研究。
Description
技术领域
本发明属于测量仪器控制技术领域，具体涉及一种能够准确控制量化微量气体流速的控制装置及控制方法。
背景技术
携氧-释氧能力是红细胞及其代用品(血红蛋白氧载体)质量检测重要指标之一，目前通常使用半氧饱和度分压(P50)，即血红蛋白氧饱和度达到50％时对应的氧分压(PO2)来表征，影响P50的因素主要包括温度、pH值以及别构因子等。目前，人们通过对氧解离曲线的研究，对血红蛋白与氧的亲和力有了比较深入的了解，并通过P50来表征，在临床医学中已根据对氧解曲线的研究，开发出血气分析装置，在呼吸系统疾病的诊疗中发挥了巨大的作用，但仅通过氧解离曲线的研究还不能完全反映出血红蛋白的携氧-释氧动力学过程，主要是在氧解离曲线中不能体现出血红蛋白携氧过程中氧饱和度与时间的关系，原因在于，对该供氧过程进行检测要求装置必须具备精确的气体流量控制能力。目前，可使用的检测P50的分析设备中，通常利用针阀来限制气体流量，针对每秒低于2mL的气体流量控制，无法做到量化、准确控制，且市面上还没有适合的精确的微小气体流量计，由于气体的释放速度难以精确控制，不仅在氧合、脱氧过程的检测易产生误差，而且也无法针对样品携氧/释氧的时间参数进行研究。
发明内容
本发明的目的是为了解决上述问题，提供一种能够准确控制量化微量气体流速的控制装置，该装置可用于医疗领域中血红蛋白氧载体携氧-释氧动力学过程研究。
本发明的上述目的是由以下技术方案来实现的：
一种微量气体流速控制装置，包括进气室(1)、出气室(2)和流量控制电磁阀(41)，进气室(1)和出气室(2)之间通过气体管路连通，流量控制电磁阀(41)设置在所述气体管路上。
上述微量气体流速控制装置中，所述进气室(1)和出气室(2)是由两块隔板(3)将一腔室分隔成的两个独立空间，两块隔板(3)之间设置有电路板(4)，穿过隔板(3)和电路板(4)设置有连通进气室(1)和出气室(2)的气体通道，位于电路板(4)上的流量控制电磁阀(41)设置在气体通道上以控制气体通道的开合度。
上述微量气体流速控制装置还包括位于进气室(1)内的第一压力传感器(11)和位于出气室(2)内的第二压力传感器(21)，第一压力传感器(11)和第二压力传感器(21)均穿过隔板(3)电连接到电路板(4)。
上述微量气体流速控制装置还包括位于出气室(2)内的温度传感器(23)，温度传感器(23)穿过隔板(3)电连接到电路板(4)。
上述微量气体流速控制装置还包括一温度控制单元，所述温度控制单元包括设置在电路板(4)上的控制电路和设置在隔板(3)上的加热元件，温度传感器(23)连接到温度控制单元的控制电路。
上述微量气体流速控制装置还包括一控制器(6)，电路板(4)连接至所述控制器(6)。
上述微量气体流速控制装置中，进气室(1)的进气口(12)处设置有进气电磁阀(5)以控制进入进气室(1)内的气体量。
上述微量气体流速控制装置中，所述进气电磁阀(5)连接至所述控制器(6)。
本发明还提供一种微量气体流速控制方法，该方法采用上述装置进行操作，包括以下步骤：
步骤一：根据设定的微量气体流量q3的范围，计算确定出气室2的出气口内外压力差P0；
步骤二：根据步骤一中确定的出气口处的管径r和已知的外界大气压值P3，计算确定进气室中的气压值P1和出气室中的气压值P2，且满足(P1＞P2)，(P2＞P3)，压力差(P1-P2)保持在80mmHg～350mmHg之间；控制进气电磁阀和流量控制电磁阀的开合度，使得进气室中的气压值P1和出气室中的气压值P2保持稳定。
上述微量气体流速控制方法中，所述步骤一包括以下步骤：
已知出气口处的管径r值和设定的微量气体流量q3的范围，由由式(7)计算出气室的出气口内外压力差P0：
其中，v3为出气口外侧气体流速，单位m/s；ρ为气体密度，单位kg/m3；q3为出气口处气体流量，单位为m3/s；t为时间，单位为s；P0为出气口内外压力差，单位mmHg。
上述微量气体流速控制方法中，所述步骤二包括以下步骤：
(1)确定出气室内的压力值P2＝P0+P3，确定进气室内的压力P1在P0+P3+80mmHg至P0+P3+350mmHg之间；
(2)控制器6控制进气电磁阀5开启、流量控制电磁阀41关闭，进气室进气，控制器通过第一压力传感器读取进气室内的压力值P1，使得P1在P0+P3+80mmHg至P0+P3+350mmHg之间；
(3)控制器6开启流量控制电磁阀41，并通过第二压力传感器21读取出气室内的压力值P2，通过调整进气电磁阀5和流量控制电磁阀41的开合度，使得(P1＞P2)，(P2＞P3)，压力差(P1-P2)保持在80mmHg～350mmHg之间。
采用上述技术方案，本发明的技术效果是：本发明通过在相互独立的进气室和出气室之间设置流量控制电磁阀，并配合进气室内和出气室内设置的压力传感器，采用电压控制方法控制流量控制电磁阀的开合度，精确控制出气室内的压力，从而能够精确控制并量化从出气室流出的气体流速；同时，进气室的气体缓冲作用使得出气室内压力控制更平稳，能够实现对血红蛋白氧载体携氧-释氧动力学过程研究。
附图说明
图1是本发明装置的实施例的结构示意图。
图中附图标记表示为：
1：进气室，11：第一压力传感器，12：进气口；
2：出气室，21：第二压力传感器，22：出气口，23：温度传感器；
3：隔板；
4：电路板，41：流量控制电磁阀；
5：进气电磁阀；
6：控制器。
具体实施方式
鉴于现有的用于检测P50的分析设备不能精确控制气体流量，本发明旨在提供一种能够准确控制量化微量气体流速的微量气体流速控制装置及控制方法，建立血红蛋白携氧-释氧的时间参数体系有利于更好的阐明血液向组织供氧的过程，从而用于医疗领域中氧载体携氧-释氧动力学过程研究。
本发明微量气体流速控制装置可安装于检测P50的分析设备的流路单元中代替针阀来实现对进入流通池中的微量气体进行精确流速控制，包括进气室、出气室和流量控制电磁阀，进气室和出气室为密封性良好的腔室，两个腔室之间设置有气体通道(例如，气体管路)，流量控制电磁阀设置在该气体通道上，进气室设置有进气口，出气室设置有出气口，流量控制电磁阀可以根据电压大小自动调整气体通道的宽窄，通过在线调整流量控制电磁阀的工作电压精确控制进气室的气体进入出气室并保持出气室内气压稳定，从而使出气口处的微量气体流速平稳可控。
本发明装置是基于以下原理进行控制的：
在进气室和出气室容量和压力恒定的条件下，将出气口的管径r大小固定，根据克拉伯龙方程(理想气体状态方程)：
PV＝nRT 公式(1)
其中，P为压强(Pa)，V为体积(m3)，n为物质的量(mol)，T为温度(K)，R＝8.31J/(mol·K)为气体的普适常数。
由上述公式(1)可知，同一种气体，在同一温度T、相同气体量n条件下，压力P与体积V成反比；同一种气体，在温度T和体积V固定的情况下，压力P与气体量n成正比。因此通过对气体压力P进行量化控制，即将通过对流量控制电磁阀进行控制，使出气室内的压力P2保持恒定，则出气室内的气体量n也保持恒定，出气口的管径大小固定时，出气室内的排气速度(气体流速v3)基本保持恒定。
基于上述原理，气体流速可根据伯努利方程式得出：
其中，P2为出气室的出气口内侧压力，v2为出气口内侧气体起始流速，h2为出气口内侧所处高度；P3为出气室的出气口外侧压力，v3为出气口外侧的气体流速，h3为出气口外侧所处的高度。
因同一气体在出气口水平流动，高度和气体密度基本一致，式(2)可简化为：
P0为出气室的出气口内外压力差，即P2-P3，因在出气口内侧气体流速基本为0，即v2＝0；因此，式(3)简化为式(4)：
根据式(4)可计算出出气室的出气口的气体流速v3。
通过以上分析可知，根据预先设置的出气口流速，通过式(4)可计算出出气室内需控制的压力理论值；因此只要能够精确控制出气室内的压力，就可以控制出气口的流速。
以下结合附图和具体实施例，对本发明微量气体流速控制装置及控制方法进行详细说明。
图1示出了本发明装置的结构示例，如图1所示，本发明装置包括一腔室，两块隔板3将该腔室分隔为两个独立的腔室，即进气室1和出气室2，两块隔板3之间设置有电路板4，穿过隔板3和电路板4设置有连通进气室1和出气室2的气体通道，位于电路板4上的流量控制电磁阀41装在气体通道上以控制气体通道的开合度；进气室1设置有进气口12，出气室2设置有出气口22。该装置工作过程中，气体通过进气口12进入进气室1，保持进气室1内的压力始终大于出气室2内的压力，采用电压控制方法控制流量控制电磁阀41打开一定大小的开口，使得气体从进气室1进入出气室2，由于出气室2内的气体压力大于外界气体压力，气体从出气口22流出。
根据公式(1)和式(4)可知，只要控制出气室2内的压力P2保持不变，则气体从出气口22流出的速度v3保持不变；进气室1在本发明中的作用主要是起气体缓冲作用，进气室1的腔体体积越大缓冲作用也越明显，出气口22处气流越稳定。
为了便于对出气室2内的压力P2进行实时精确控制，进气室1内设置有第一压力传感器11以感知进气室1内的气体压力P1，出气室2内设置有第二压力传感器21以感知出气室2内的气体压力P2，第一压力传感器11和第二压力传感器21均穿过隔板3电连接到电路板4。
本发明装置的进气口12处设置有进气电磁阀5，进气电磁阀5控制进入进气室1内的气体量，从而调节进气室1内的气体压力P1，使其始终保持进气室1内压力大于出气室2内的气体压力P2并使得进气室与出气室的压力差值稳定在80mmHg至350mmHg之间的可控范围，超过这个范围可能会影响流量控制电磁阀41的控制精度。
本发明装置还包括一控制器6，进气电磁阀5电连接到该控制器6，流量控制电磁阀41、第一压力传感器11和第二压力传感器21均通过电路板4接入控制器6。控制器6内置有压力控制程序，压力控制程序通过读取第一压力传感器11的压力示值和第二压力传感器21的压力示值，控制进气电磁阀5和流量控制电磁阀41的开闭及其开合度，进而控制出气室2内的气体压力P2保持不变，根据式(4)即可计算出出气口22的气体流速v3。
根据公式(1)和式(4)可知，温度对气体密度具有一定的影响，因此，出气室2内设置有温度传感器23，温度传感器23监测出气室2内的温度，在正常条件下，出气室内的温度与外界温度差异微小，温度仅对流量的精确度有较小影响，如果要考虑更高精度的流量控制时，需要增加一个温度控制单元，将出气室2内的温度控制在指定的温度环境中(在流量控制精度允许在正负1％的情况下，无需做控制温度，通常只把已知的温度作为计算流量的条件参量使用)，同时控制器6内置一温度控制程序，温度控制程序通过读取温度传感器23的温度来控制温度控制单元保持出气室2内的温度恒定。
出气口22管径r的大小对准确的微量流速控制时非常重要的：根据伯努利方程式可知，在不考虑气体粘性及气体的压缩的前提下，密闭腔室内外压强与排气速度的平方成正比关系；也就是说，理想状态下，已知密闭腔室压强的情况下对应的排气速度也是已知的，因此管径r的大小，决定了气体流速的大小。本发明中为了实现对微量气体流速的精确控制，选用合适大小的管径r是至关重要的，需要从已知的气体流量着手，确定出气口管径r的适用范围，以下以氮气为例说明管径r确定过程：
出气室2的气压为P2，外界大气压P3(外界为标准大气压760mmHg)，根据克拉伯龙方程式公式(1)得到式(5)：
保持出气室气压为P2时，出气室2的气体量为n1，出气口外侧气体量为n2，气体通过出气口释放的气体摩尔量(气体摩尔该变量)N为：
由式(6)可得到在已知腔体体积V及温度T下，V/(RT)为常量，气体摩尔改变量N与出气口内外压力差值P0之间的关系。例如以压力差值P0为0-300mmHg的区间建立关系表，参见表1(以氮气为例)，并依照关系表选择最理想的出气口压力差值P0，从而所对应的气体摩尔改变量N；确定压力差值P0与气体摩尔改变量N的值后，在该条件下考虑时间因素，进行出气口管径r的确定。
出气口22管径r越大气体排出的阻力就越小，已知气体摩尔改变量N在一个大气压下的体积Vn，在Vn与出气口压力差值P0在确定的情况下，单位时间的气体排出量即流量(Vn/t)也确定，t为时间；由管径为r可以得到出气口22的横截面积为S＝πr2，即可得到单位时间下该气体运行的长度距离L＝(Vn/t)/S及流速v＝L/t。
气体密度ρ为已知(标准大气压条件下)，根据确定的出气口压力差值P0，流量(Vn/t)控制在0.1mL/s-3.5mL/s时,可以确定出气口管径r的适用范围(参照表2，以氮气为例)。
表1气体(氮气)摩尔改变量N与出气口内外压力差值P0之间的关系表
其中，式(5)和式(6)中，V为出气室2的腔体体积V＝10mL；T为温度T＝25℃，即298.15K；R为比例常数，单位是J/(mol·K)；温度为25℃，标准大气压下氮气摩尔体积为24.5L/mol，Vn为25℃、标准大气压下，N摩尔的氮气体积。
表2气体(氮气)流量(Vn/t)与出气口管径r的关系表
控制器6能够在线读取各传感器读数，并控制各电磁阀的工作动作，使得本发明装置有序工作。本发明装置工作时，出气口22的管径r大小保持不变，进气电磁阀5与气瓶或其他气源连接，通过控制器6控制进气电磁阀5的开闭以及开合度，能够调整进气室1的进气量；通过实时读取第一压力传感器11的压力示值和第二压力传感器21的压力示值,控制进气室1的气体压力P1大于出气室2的气体压力P2，进气室1和出气室2的气体压力差保持在80mmHg～350mmHg；流量控制电磁阀41为精密控制电磁阀，通过控制器6采用电压控制方式精确控制进气室1内的气体进入出气室2的进气量，从而精确调整出气室2内的气体压力P2，使得出气室2内的气体压力P2大于外界气体压力P3。
因此，本发明装置特别适合微量气体流速控制场合，能够量化并控制微量气体流速。
基于上述装置，本发明提供一种微量气体流速控制方法，该方法采用上述微量气体流速控制装置进行操作，包括以下步骤：
步骤一：根据设定的微量气体流量q3的范围，计算确定出气室2的出气口内外压力差P0。
在图1所示的实施例中，步骤一的具体实现如下：
已知出气口处的管径r值和设定的微量气体流量q3的范围，由由式(7)计算出气室的出气口内外压力差P0：
其中，v3为出气口外侧气体流速，单位m/s；ρ为气体密度，单位kg/m3；q3为出气口处气体流量，单位为m3/s；t为时间，单位为s；P0为出气口内外压力差，单位mmHg。
步骤二：根据步骤一中确定的出气口内外压力差P0和已知的外界大气压值P3，计算确定进气室中的气压值P1和出气室中的气压值P2，且满足(P1＞P2)，(P2＞P3)，压力差(P1-P2)保持在80mmHg～350mmHg之间；控制进气电磁阀和流量控制电磁阀的开合度，使得进气室中的气压值P1和出气室中的气压值P2保持稳定。
在图1所示的实施例中，步骤二的具体实现如下：
(1)确定出气室内的压力值P2＝P0+P3，确定进气室内的压力P1在P0+P3+80mmHg至P0+P3+350mmHg之间；
(2)控制器6控制进气电磁阀5开启、流量控制电磁阀41关闭，进气室进气，控制器通过第一压力传感器读取进气室内的压力值P1，使得P1在P0+P3+80mmHg至P0+P3+350mmHg之间；
(3)控制器6开启流量控制电磁阀41，并通过第二压力传感器21读取出气室内的压力值P2，通过调整进气电磁阀5和流量控制电磁阀41的开合度，使得(P1＞P2)，(P2＞P3)，压力差(P1-P2)保持在80mmHg～350mmHg之间。
测试例
以下采用氮气为例，验证上述方法的有效性。该测试例是在温度保持在25℃左右、流体粘性忽略不计的条件下进行测试的，目标流量q3范围0.0mL/s～0.5mL/s，出气口22的半径r选定为0.025mm，检测时间为t(s)，将上述参数带入式(4)得到式(7)为：
P0＝1/2·ρ·[(q3/t)·1/(πr2)]2 式(7)
其中，v3为出气口外侧气体流速，单位m/s；ρ为气体密度，单位kg/m3；Vn为出气口处气体在ts内摩尔改变量N在一个大气压下的体积，单位为m3，t为时间，单位为s，则流量为(Vn/t)；P0为出气口内外压力差，单位mmHg,其中，1mmHg≈1Pa/133.63。
具体测量结果参见表3。
表3测试结果
| 流量(Vn/t)(mL/s) | P(mmHg) |
| 0.05 | 3 |
| 0.10 | 11 |
| 0.15 | 25 |
| 0.20 | 45 |
| 0.25 | 70 |
| 0.30 | 101 |
| 0.35 | 137 |
| 0.40 | 179 |
| 0.45 | 227 |
| 0.50 | 280 |
测试过程：
出气口连接直径D＝3mm的软管并置于水中，当保持P0＝70mmHg时，可见直径约为0.5cm的均匀的气泡从水中排出，每秒约3～4个气泡，每个气泡体积约为V＝4/3·π(D/2)3＝0.065(ml)。
保持P0＝10mmHg时，每秒约不足2个气泡。
保持P0＝180mmHg时，每秒约6个气泡。
考虑到水张力的影响因素且缺乏检测实际气体量的工具，目测估算值与理论值接近。
本领域技术人员应当理解，这些实施例或实施方式仅用于说明本发明而不限制本发明，对本发明所做的各种等价变型和修改均属于本发明公开内容。
Claims (11)
1.一种微量气体流速控制装置，其特征在于，包括进气室(1)、出气室(2)和流量控制电磁阀(41)，进气室(1)和出气室(2)之间通过气体管路连通，流量控制电磁阀(41)设置在所述气体管路上。
2.根据权利要求1所述的微量气体流速控制装置，其特征在于，所述进气室(1)和出气室(2)是由两块隔板(3)将一腔室分隔成的两个独立空间，两块隔板(3)之间设置有电路板(4)，穿过隔板(3)和电路板(4)设置有连通进气室(1)和出气室(2)的气体通道，位于电路板(4)上的流量控制电磁阀(41)设置在气体通道上以控制气体通道的开合度。
3.根据权利要求2所述的微量气体流速控制装置，其特征在于，还包括位于进气室(1)内的第一压力传感器(11)和位于出气室(2)内的第二压力传感器(21)，第一压力传感器(11)和第二压力传感器(21)均穿过隔板(3)电连接到电路板(4)。
4.根据权利要求2或3所述的微量气体流速控制装置，其特征在于，还包括位于出气室(2)内的温度传感器(23)，温度传感器(23)穿过隔板(3)电连接到电路板(4)。
5.根据权利要求4所述的微量气体流速控制装置，其特征在于，还包括一温度控制单元，所述温度控制单元包括设置在电路板(4)上的控制电路和设置在隔板(3)上的加热元件，温度传感器(23)连接到温度控制单元的控制电路。
6.根据权利要求2至5任一项所述的微量气体流速控制装置，其特征在于，还包括一控制器(6)，电路板(4)连接至所述控制器(6)。
7.根据权利要求1至6任一项所述的微量气体流速控制装置，其特征在于，进气室(1)的进气口(12)处设置有进气电磁阀(5)以控制进入进气室(1)内的气体量。
8.根据权利要求7所述的微量气体流速控制装置，其特征在于，所述进气电磁阀(5)连接至所述控制器(6)。
9.一种微量气体流速控制方法，采用上述权利要求1至8任一项所述的微量气体流速控制装置进行操作，包括以下步骤：
步骤一：根据设定的微量气体流量q3的范围，计算确定出气室2的出气口内外压力差P0；
步骤二：根据步骤一中确定的出气口处的管径r和已知的外界大气压值P3，计算确定进气室中的气压值P1和出气室中的气压值P2，且满足P1＞P2，P2＞P3，压力差值P1-P2保持在80mmHg～350mmHg之间；控制进气电磁阀和流量控制电磁阀的开合度，使得进气室中的气压值P1和出气室中的气压值P2保持稳定。
10.根据权利要求9所述的微量气体流速控制方法，其特征在于，所述步骤一包括以下步骤：
已知出气口处的管径r值和设定的微量气体流量q3的范围，由式(7)计算出气室的出气口内外压力差P0：
其中，v3为出气口外侧气体流速，单位m/s；ρ为气体密度，单位kg/m3；q3为出气口处气体流量，单位为m3/s；t为时间，单位为s；P0为出气口内外压力差，单位mmHg。
11.根据权利要求9或10所述的微量气体流速控制方法，其特征在于，所述步骤二包括以下步骤：
①确定出气室内的压力值P2＝P0+P3，确定进气室内的压力P1在P0+P3+80mmHg至P0+P3+350mmHg之间；
②控制器6控制进气电磁阀5开启、流量控制电磁阀41关闭，进气室进气，控制器通过第一压力传感器读取进气室内的压力值P1，使得P1在P0+P3+80mmHg至P0+P3+350mmHg之间；
③控制器6开启流量控制电磁阀41，并通过第二压力传感器21读取出气室内的压力值P2，通过调整进气电磁阀5和流量控制电磁阀41的开合度，使得P1＞P2，P2＞P3，压力差值P1-P2保持在80mmHg～350mmHg之间。
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