CN107560683B - 气体计量装置 - Google Patents

Abstract

本发明的气体计量装置，包括：计量管，用于盛放需要计量的气体；平衡杯，通过第一管路与计量管连通，且平衡杯构造成能够盛放与外界连通的液体；升降单元，与平衡杯连接，以带动平衡杯上下移动；其中在向计量管中注入气体后，升降单元带动平衡杯移动，使得平衡杯内的液体面与计量管内的液体面平衡，并根据平衡杯的移动距离计算气体的量。气体计量装置实现了非稳态流、组成成分不确定、具有较高压力、实验室生成的气体体积的自动收集与计量。

Description

气体计量装置

技术领域

本发明涉及计量装置技术领域，特别地涉及一种气体计量装置。

背景技术

工业或实验室用于气体体积计量的仪表与装置种类繁多，在例如实验室内常用的气体计量方法有压差法、排水法或者针筒收集计量法。这些方法所用设备简单，但仅适用于微量低压气体的计量。采用排水集气法收集气体需要把集气瓶放在水槽中，由于水压的存在，收集在集气瓶中的气体压强要大于大气的压强，根据气体状态方程，在相同温度下，置于水槽中的集气瓶的气体的物质的量要比等体积的气体在大气中的物质的量大。

在实验室内用于较大量气体体积计量的常用仪表装置主要有：一种是湿式气体体积流量计，在测量气体体积总量时，其准确度较高，特别是小流量时，其误差小。由于不要求严格的恒温，在常温下均可使用，待脉冲发信机构，可方便地与微机相连，实现自动检测。另一种是应用微量气体(体积或质量)流量计直接测定，尽管可以实现自动化计量，但是由于用流量计计量体积时要求气体组成单一或组成不变，测量不同组成的气体，需经过换算才能得到气体流过流量计的真实体积，并且当气体中含有水蒸气时，其测量值将会发生较大偏离，且也只适合测量单相非脉动流体的流量。再一种实验室使用较多的流量计是玻璃浮子流量计，这是一种使用简单、读数方便、用途十分广泛的瞬时流量测量仪表，同样玻璃转子流量计仅适用于测量单相非脉动(液体或气体)流体的流量，不适用于测量非稳态的、压力变化较大的，或者流量较小的气体体积计量。

因此，如何解决现有的气体计量装置不适合测量气体压力不断变化或流量不稳定时的气体体积的问题，是本领域技术人员需要解决的技术问题。

发明内容

本发明提供一种气体计量装置，通过平衡杯和升降单元实现气体的计量，能够有效地实现非稳态气体的计量。

本发明的气体计量装置，包括：计量管，用于盛放需要计量的气体；平衡杯，通过第一管路与所述计量管连通，且所述平衡杯构造成能够盛放与外界连通的液体；升降单元，与所述平衡杯连接，以带动所述平衡杯上下移动；其中，在初始状态时，所述计量管中装满液体，且所述平衡杯内的液体面与所述计量管内的液体面向平，在向所述计量管中注入气体后，所述升降单元带动所述平衡杯移动，使得所述平衡杯内的液体面与所述计量管内的液体面平衡，并根据所述平衡杯的移动距离计算所述气体的量。

在一个实施例中，所述升降单元包括计量电机，与所述计量电机连接的传动丝杆，以及与所述传动丝杆和平衡杯连接并带动所述平衡杯升降的安装架，其中通过所述传动丝杆的转动圈数而计算所述平衡杯的升降距离，从而计算气体的量。

在一个实施例中，还包括通过第二管路与所述计量杯连通的收集管，和设置在所述第二管路上并与外界连通的第三管路，其中，所述收集管与气体发生器连接，所述第二管路上设置有收集排气阀、计量进气阀和计量开关阀，第三管路位于所述收集排气阀和计量开关阀之间且设置有取气阀。

在一个实施例中，还包括与所述第二管路连接的真空泵，和控制所述真空泵的真空阀。

在一个实施例中，还包括与所述第二管路连接的稳流阀、保护阀、计量压力传感器和真空压力传感器。

在一个实施例中，所述收集管中设置有与收集电机连接的活塞，以通过所述活塞调节收集管的收集腔的体积。

在一个实施例中，还包括自动控制气体计量的自动控制单元。

本发明的根据上述中任一项所述的气体计量装置进行测量气体的方法，包括：步骤一：抽真空，除去气体计量装置中的空气或上一次测量后残留的气体；步骤二：气体自动收集与计量，测量气体之前将所述平衡杯中的液位调整到与所述计量管内的液位处于同一水平面，测量气体时打开收集进气阀、关闭收集排气阀，气体进入收集管中，当收集管中的压力达到设定压力后，计量开关阀打开，气体进入计量管中，此时升降单元带动平衡杯向下移动，使得在气体收集完成后，所述平衡杯的液位与所述计量管中的液位处于同一水平面；步骤三：根据所述平衡杯的移动距离计量气体的量，完成气体的测量。

在一个实施例中，在步骤二中，当气体发生器产生的气体量大于所述收集管一次容纳的气体量或计量管一次计量的气体量时，对气体发生器产生的气体进行多次收集和计量。

在一个实施例中，在步骤二中，当所述平衡杯向下移动至总高度的70-85％时，关闭收集排气阀和计量进气阀，并驱动平衡杯运动直至所述平衡杯内的液位与所述计量管内的液位处于同一水平面。

相对于现有技术，本发明的气体计量装置实现了非稳态流、组成成分不确定、具有较高压力、实验室生成的气体体积的自动收集与计量，计量范围较大、可能自动存取数据、误差小，还可以实现反应容器及管道内残余气体的转移、收集与计量。

附图说明

在下文中将基于实施例并参考附图来对本发明进行更详细的描述。

图1是本发明的气体计量装置的结构示意图。

在附图中，相同的部件使用相同的附图标记。附图并未按照实际的比例绘制。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明的气体计量装置包括盛放有液体的计量管21，通过第一管路22与计量管21连接的平衡杯20，以及与平衡杯20连接的升降单元。计量管21可以为密闭的玻璃计量管21，第一管路22可以为U型连接软管22。计量管21的下端通过U型连接软管22与平衡杯20连接，以方便上下移动平衡杯20。U型连接软管22选择硅橡胶乳胶管，玻璃计量管21为上下直径等同的筒体，并以能更换的方式而设置，具体而言就是能够根据需要测量气体的量更换长度一样而直径不同的玻璃计量管21，以确保气体计量的速度与精度。平衡杯20为敞口，其直径远大于的玻璃计量管21的直径，在一个例子中，平衡杯20与玻璃计量管21二者的直径比例关系为4-6:1，以方便将玻璃计量管21中的液体排入到平衡杯20中。

测量气体体积前，在玻璃计量管21、U型连接软管22和平衡杯20内装有低粘度液体。一种可以选择的方式是，对于非水溶性气体，比如烃类气体，可以选择纯水，而对于含有水溶性气体的混合气体，比如CO₂，可以选择饱和盐水。向玻璃计量管21、U型连接软管22与平衡杯20内装入液体时，应在打开计量开关阀19和取气阀18(下文所述)以使得计量管21与大气相通并使平衡杯20位于上限位时，逐渐缓慢向平衡杯20中加入液体。当玻璃计量管21与平衡杯20中的液面处于同一水平面，且玻璃计量管21的液面达到最顶端时，则为合适的加入液体的量。进一步地，在玻璃计量管21和平衡杯20上还应标有刻度，以便于使用者观测二者的液面是否在同一个水平面上，并方便计量加入的液体量。

升降单元包括计量电机25，下端与计量电机25连接的传动丝杆23，和与传动丝杆23连接的安装架。安装架上设置有平衡杯20，并通过安装架将传动丝杆23的转动变为平衡杯20的升降。安装架和传动丝杆23的具体安装形式与现有中相同，本文不再赘述。计量电机25直接驱动传动丝杠，进而带动平衡杯20上下运动，以保证平衡杯20内的液位与玻璃计量管21内的液位始终处于同一水平面。计量电机25可以通过计量电机控制器24控制，以方便实现计量电机25的自动开启或关闭。通过上述方式设置，结构简单，便于实现自动计量。

气体计量装置还可以包括自动控制器1，自动控制器1与计量电机25和计量电机控制器24连接，以方便实现自动控制。

气体计量装置还包括通过第二管路与计量杯连通的收集管4，和设置在第二管路上并与外界连通的第三管路。其中，第二管路上设置有收集排气阀8、计量进气阀12和计量开关阀19，第三管路位于收集排气阀8和计量开关阀19之间且设置有取气阀18。各个管路应尽可能短，避免形成较大的死空间。在一个实施例中，在完成一次气体计量，短时间的停顿之后，自动控制器1发出指令，打开取气阀18，启动计量电机25转动，驱动传动丝杠和平衡杯20向上移动，随着平衡杯20中液面的上升，玻璃计量管21中的液面也跟着上升，从而将玻璃计量管21中的气体通过取气阀18排出。其中，在平衡杯20接近最高上限位时，取气阀18的出口压力不应高于一个大气压。

收集管4可以与气体发生器6连接，以对气体发生器6产生的气体进行测量。气体发生器6为自身体积未知，能提供被测气体来源的设备，气体发生器6中的气体可能是低压气体，也可能是几个兆帕的高压气体，可能是组成成分已知的单一气体，也可能是组成成分不确定的混合气体。收集管4和气体发生器6之间可以设置收集进气阀5。

收集管4中设置有活塞3，以使得收集管4的收集腔能够变化。通过改变收集管4的体积大小及压力高低，分别启动收集气动阀或者的气体自动计量单元，收集从气体发生器6流入的气体以及排出气体至计量管中进行体积测量。收集管4为不锈钢制作，可以承受几个兆帕的气体压力，内壁进行抛光处理，内置用耐腐蚀O型垫圈密封的活塞3。活塞3通过丝杆23与收集电机2连接，以通过收集电机2的进退进而控制活塞3的上下移动。收集电机2的进退由收集压力传感器7和真空压力传感器16检测到的压力决定，并由自动控制器1进行控制。

收集管4上部端盖有三个开口，一个开口通过收集进气阀5与气体发生器6连接，另一个开口通过管线与收集排气阀8，并再通过三通接头13及管线分别与真空泵10和计量管21连接，再一个开口用于安装收集压力传感器7。

气体计量装置还包括与第二管路连接的真空泵10、与真空泵10连接的真空阀9，以方便抽真空。气体计量装置还包括设置在第二管路上的稳流阀11、保护阀14、计量压力传感器15和真空压力传感器16。计量压力传感器15和真空压力传感器16可以通过四通接头17与第二管路连接。真空泵10用于在打开进气阀门之前，将收集管4、所有连接管线内抽成真空，避免残余气体对所要收集气体的污染。在手动启动真空泵10时，收集进气阀5、保护阀14、取气阀18和计量开关阀19处于关闭状态，其它所有阀门处于打开状态，装置真空度的大小由真空压力传感器16检测。稳流阀11用于限制来自于收集管4内的较高压力气体的流速，计量进气阀12选择为电磁阀，有利于实现气体进出控制单元的自动操作与气体自动计量单元的响应速度，具体地说增加了计量电机25和计量电机25计量电机25控制器24对压力变化的响应速度。取气阀18和计量开关阀19均优选为自动气动阀，这有利于防止玻璃计量管21中的液体对阀门造成的损坏。

气体自动计量的实施例之一是，来自于收集管4内的气体经过稳流阀11减压之后，通过计量进气阀12后，计量压力传感器15可以实时测量出密闭管线内的气体压力，自动控制器1根据来自计量压力传感器15的压力信号控制计量电机25转动，计量电机25带动传动丝杠运动从而间接调整平衡杯20的高度，直到达到平衡，即平衡杯20内的液位高度与玻璃计量管21内的液位高度处于相同的水平面。在此过程中，电机控制器会记录计量电机25的转数并反馈给电机控制器。计量电机25的转数与气体体积呈一一对应关系，因此通过计数计量电机25的转数即能够直接得到气体的体积。在平衡杯20液面与玻璃计量管21液面保持在同一水平面时，在传动丝杠向下移动至一定位置(普遍的实施例是下降至整个高度70-85％或者是计量压力传感器15测量的压力在5秒时间内不再变化)计量进气阀12关闭时，尽管计量压力传感器15测量的压力是玻璃计量管21与计量进气阀12之间气体的压力，但是在测量过程中，在平衡时玻璃计量管21液面上的气体压力与平衡杯20液面的气体压力相同，也即与大气压力相等，这样实际上保证了所测量的气体的量是在大气体压力与室温下测量的。

收集进气阀5和收集排气阀8为自动气动阀，并与收集压力传感器7、收集电机2一起通过信号线与自动控制器1连接。通过收集压力传感器7检测到的压力大小自动控制收集进气阀5和收集排气阀8的开关以及收集电机2的正反转动与活塞3的上下移动，从而实现收集管4中气体进出的自动控制。控制收集进气阀5和收集排气阀8的开关以及收集电机22的正反转动的控制压力可以在自动控制器1中进行设置。

一种实施例是气体发生器6中的气体量较大，其初始压力大于一个大气压，当打开收集进气阀5，气体发生器6中的高压气体流入收集管4内时，设置收集压力传感器7检测的压力大于某个压力(比如大于10个大气压)时，活塞3向下移动至下限位，关闭收集进气阀5，同时打开收集排气阀8，通过计量管计量这部分气体。随着气体发生器6中的气体不断排出计量，收集管4中气体压力的下降，比如下降至一个大气压时，此时收集排气阀8关闭，同时打开收集进气阀5，再次从气体发生器6中收集气体，当收集管4中气体压力再次达到设定值，则又关闭收集进气阀5，打开收集排气阀8，再次进行自动计量，如此反复，直到气体发生器6中的气体全部被计量。

另外一种实施例是气体发生器6中气体量较少(小于或等于收集管4的最大体积)，在收集管4抽成真空，收集进气阀5打开，气体发生器6中的气体流入收集管4之后，收集压力传感器7检测的压力依然显示为负压或等于大气压，可设置该压力值维持平衡一定时间(比如3-5秒)之后，关闭收集进气阀5，启动收集电机2转动，驱动活塞3向上移动，随着收集管4体积的变小，压力会增加，当压力增加至某个值时(大于一个大气压)，打开收集排气阀8，气体进入进出控制单元和计量单元进行自动计量。

一种实验室用气体自动收集与计量装置用于自动收集与计量气体发生器6中气体的方法，包括以下步骤：

步骤一：抽真空，除去气体收集装置及其与气体自动计量单元之间连接的管道中的空气或上一次测量后残留的气体。启动真空泵10时，真空泵10阀打开，计量开关阀19、收集进气阀5、计量排出阀与保护阀14自动关闭，同时活塞3在收集电动泵的驱动下向下移动至最下位，收集管4的体积为最大值。当真空压力传感器16显示的负压为某一值时，关闭真空泵10和真空阀9。

步骤二：气体自动收集与计量：首先将密闭玻璃管内的液位和平衡杯20内的液位调整到同一水平面，关闭计量排气阀；在自动控制器1上启动收集与计量后，收集进气阀5打开、收集排气阀8关闭，气体发生器6中的气体首先流入收集管4中，当收集压力传感器7检测到的压力达到某一设定值时，收集进气阀5关闭，收集排出阀打开，一定压力的气体通过稳流阀11、进气阀、保护阀14进入气体进出控制单元的管线之中，当计量压力传感器15检测的压力超过一个大气压时，计量开关阀19自动打开，被测量气体进入密闭玻璃计量管21中，伺服电机依据计量传感器检测的压力变化驱动传动丝杆23向下移动，同时带动固定连接在传动丝杆23上的平衡杯20向下移动；同时进入玻璃计量管21中的气体(压力大于一个大气压)排驱计量玻璃计量管21中的液体通过U型软管22进入平衡杯20(与大气相通)中，以尽可能保持平衡杯20中的液面与玻璃计量管21中的液面处于同一水平面位、；当平衡杯20向下移动至大约总高度(即安装架所能够移动的最大路程)的70-85％左右时，同时关闭收集排气阀8、计量进气阀12，计量电机25根据密闭管体内气体压力的变化而转动并驱动平衡杯20运动直到平衡杯20内的液位与玻璃计量管21内的液位再次处于同一水平面，减少因惯性而造成的平衡杯20移动过位。计量压力传感器15检测到的压力为一个大气压为止，电机控制器计数计量电机25在整个步骤二期间的转数得到进入玻璃计量管21内的气体体积，从而完成一次气体体积计量。气体体积可以由自动控制器1记录。

步骤三：当计量压力传感器15检测到的压力为一个大气压时，经过短时间(设置为3-5秒)的平衡调整之后，取气阀18自动打开，计量电机25带动传动丝杆23和平衡杯20向上移动，平衡杯20中的液体驱动玻璃计量管21中的气体通过计量开关阀19和取气阀18及其连接管线排出，当平衡杯20向上移动至设定位置(初始位置)时，正好排完玻璃计量管21中的气体，玻璃计量管21中的液面处于上限位，并与平衡杯20中的液位再次处于同一个水平面，从而完成了一次气体的自动排出。

步骤四：残留气体自动计量：不断重复步骤二和步骤三，直到气体发生器6和收集管4中的气体压力为一个大气压为止。当收集压力传感器7检测到的压力为一个大气压时，关闭收集进气阀5，打开收集出气阀，同时启动收集电机2转动，驱动活塞3向上移动，排驱收集管4中的气体进入气体计量单元，再次重复步骤二与三，直到活塞3达到收集管4的上限位，认为已排出了收集管4中所有的残留气体。再次关闭收集排气阀8，打开与气体发生器6连接的收集进气阀5，同时启动收集电机2，驱动活塞3向下移动，将气体发生器6中的残留气体抽取至收集管4中，当活塞3移至下限位时，关闭收集进气阀5，如果收集管4中的压力显示为负压，则首先驱动活塞3向上移动，当收集压力传感器7显示为正压时，再打开收集排气阀8，气体进入气体计量单元进行计量，直到活塞3到达收集管4的上限位。重复上述步骤，直至收集进气阀5打开，气体发生器6与收集管4连通时，收集压力传感器7检测的压力达到每个负压值为止，此时认为已将气体发生器6中的残留气体全部转移出来，并进行了计量。

本发明是一种用于非稳态流气体自动收集与计量的装置，由气体自动收集单元、气体进出控制单元以及气体自动计量单元三部分构成，该装置基于传统的排水集气法测量气体体积的原理，通过压力传感器、自动控制阀、电机以及控制软件的共同控制作用自动对齐平衡杯20液面与玻璃计量管21液位，记录平衡杯20移动高度，计算进入玻璃计量管21中的气体体积，实现了气体的自动测量，同时由于加装了高压收集管4与抽真空装置，可以预先抽真空除去管道中空气(或前次收集后残余的气体)，并将需要计量的气体进行混合收集，由从而实现了组成成分不确定、压力较高且不断变化，流量不稳定(非稳态流动)气体的自动收集与计量。

虽然已经参考优选实施例对本发明进行了描述，但在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行各种改进并且可以用等效物替换其中的部件。尤其是，只要不存在结构冲突，各个实施例中所提到的各项技术特征均可以任意方式组合起来。本发明并不局限于文中公开的特定实施例，而是包括落入权利要求的范围内的所有技术方案。

Claims (7)

1.一种气体计量装置，包括：

计量管，用于盛放需要计量的气体；

平衡杯，通过第一管路与所述计量管连通，且所述平衡杯构造成能够盛放与外界连通的液体；

升降单元，与所述平衡杯连接，以带动所述平衡杯上下移动；

其中，在初始状态时，所述计量管中装满液体，且所述平衡杯内的液体面与所述计量管内的液体面向平，

在向所述计量管中注入气体后，所述升降单元带动所述平衡杯移动，使得所述平衡杯内的液体面与所述计量管内的液体面平衡，并根据所述平衡杯的移动距离计算所述气体的量，

还包括通过第二管路与所述计量杯连通的收集管，和设置在所述第二管路上并与外界连通的第三管路，其中，所述收集管与气体发生器连接，所述第二管路上设置有收集排气阀、计量进气阀和计量开关阀，第三管路位于所述收集排气阀和计量开关阀之间且设置有取气阀，

所述收集管中设置有与收集电机连接的活塞，以通过所述活塞调节收集管的收集腔的体积；

所述气体计量装置还包括与所述第二管路连接的真空泵，和控制所述真空泵的真空阀。

2.根据权利要求1所述的气体计量装置，其特征在于，所述升降单元包括计量电机，与所述计量电机连接的传动丝杆，以及与所述传动丝杆和平衡杯连接并带动所述平衡杯升降的安装架，其中通过所述传动丝杆的转动圈数而计算所述平衡杯的升降距离，从而计算气体的量。

3.根据权利要求1所述的气体计量装置，其特征在于，还包括与所述第二管路连接的稳流阀、保护阀、计量压力传感器和真空压力传感器。

4.根据权利要求1或3所述的气体计量装置，其特征在于，还包括自动控制气体计量的自动控制单元。

5.一种根据权利要求1-4中任一项所述的气体计量装置进行测量气体的方法，其特征在于，包括：

步骤一：抽真空，除去气体计量装置中的空气或上一次测量后残留的气体；

步骤二：气体自动收集与计量，测量气体之前将所述平衡杯中的液位调整到与所述计量管内的液位处于同一水平面，测量气体时打开收集进气阀、关闭收集排气阀，气体进入收集管中，当收集管中的压力达到设定压力后，计量开关阀打开，气体进入计量管中，此时升降单元带动平衡杯向下移动，使得在气体收集完成后，所述平衡杯的液位与所述计量管中的液位处于同一水平面；

步骤三：根据所述平衡杯的移动距离计量气体的量，完成气体的测量。

6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤二中，当气体发生器产生的气体量大于所述收集管一次容纳的气体量或计量管一次计量的气体量时，对气体发生器产生的气体进行多次收集和计量。

7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，在步骤二中，当所述平衡杯向下移动至总高度的70-85％时，关闭收集排气阀和计量进气阀，并驱动平衡杯运动直至所述平衡杯内的液位与所述计量管内的液位处于同一水平面。

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