CN110124585A - 一种微流量标准气体发生装置、系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微流量标准气体发生装置、系统和方法，所述装置包括上盖、主体、下壳体、过滤单元、气体发生单元和温度传感器；所述系统则包括上述微流量标准气体发生装置、气体输运装置及电路控制装置；所述方法采用上述微流量标准气体发生系统进行微流量标准气体的发生。本发明较好地解决了聚集气体的吸附问题，并保证了渗透管与外部环境的平衡状态，不仅体积小、集成度高，在接入检测气体使用时无需额外连接电磁阀、气体质量流量计等气路元器件，而且极大降低了设备成本及系统复杂度，使用方便、维护简单、产气速度及稳定性更好。

Description

一种微流量标准气体发生装置、系统及方法

技术领域

本发明涉及气体发生的技术领域，更具体地讲，涉及一种微流量标准气体发生装置、系统及方法。

背景技术

在气体检测应用领域，均需要使用标准气体用于检测设备的标定。一些常规的性质较为稳定的标准气体，一般使用标准气瓶作为气源在线配制产生。而一些强挥发性、强腐蚀性、强吸附性气体，则很难采用标准气瓶的方式进行配制，特别是低浓度标气发生领域。此时，基于渗透管的低浓度标准气体发生技术有效弥补了传统技术的不足。

渗透管气体发生技术一般需要将渗透管置于恒温的密闭腔体中，再使用载气将渗透气体带出至外部气路产生标气，其所产生标气的浓度可根据载气流量及渗透管的渗透率进行换算得到。渗透管一般体积较小，可以集成至气体检测设备的主系统中，作为内标实现设备的自标定，在现场检测及便携式检测领域有着非常大的潜力。

传统的渗透管气体发生装置，普遍需要较大流量的载气，因此为了得到准确的浓度数据，需要使用气体质量流量计等可以准确测量或控制载气流量的外部气路器件，气路比较复杂，成本较高，体积庞大。同时，大流量载气在接触渗透管时，会与渗透管管体接触造成较大的热损，因此需要对载气进行预热，预热效果很难控制。

另外，传统的渗透管气体发生装置在停止使用时需要将渗透管取出单独保存，以防止渗透管渗透气体聚集或与外界杂质气体接触发生化学反应产生有害气体损坏渗透管：比如二氧化氮渗透管所产生的高浓度二氧化氮气体会在渗透窗附近聚集，而空气中的水分会与其结合产生亚硝酸，亚硝酸会沉积在渗透膜表面，也会腐蚀渗透管管体，影响渗透管产气精度。

虽然已有技术方案实现了小体积高集成度的渗透管气体发生装置，可以集成至检测设备内实现设备的内标，但仍然需要外部气路控制元件，比如电磁阀来转接过滤柱实现对渗透气体的吸附，防止储存时在气路中聚集产生高浓度标准气体。但由于滤料与渗透腔之间需要通过管路及气路元件转接，扩散收到影响，吸附抑制效果并不好。同时，为了得到标气的准确浓度，需要在气路中额外加入一个或多个气体质量流量计，造成设备成本的增加。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种区别于以往的渗透管气体发生装置、系统和方法，较好的解决了聚集气体的吸附问题并保证了渗透管与外部环境的平衡状态。

本发明的一方面提供了一种微流量标准气体发生装置，所述装置包括上盖、主体、下壳体、过滤单元、气体发生单元和温度传感器；

主体具有外筒体、内管体以及位于外筒体与内管体之间的环状腔体，上盖套装在内管体上，上盖上设有若干个第一通气孔；内管体具有管腔，内管体的上端具有第一延长段且下端具有第二延长段，内管体位于环状腔体底部的位置处沿着圆周方向设置有若干个第二通气孔，第二通气孔与内管体的管腔相分隔；过滤单元填充设置在环状腔体内；下壳体具有上端的粗管体、下端的细管体以及贯穿粗管体和细管体的容纳腔；

气体发生单元包括渗透管、导热体和加热体，渗透管置于下壳体的容纳腔中并且渗透管中部具有渗透窗和渗透腔，主体能够与下壳体对接安装并与渗透管的上端面形成端面密封结构，主体的内管体的第二延长段伸入渗透腔内且端部靠近渗透窗，所述第二通气孔连通主体的环状腔体与渗透管的渗透腔；加热体设置在下壳体上，导热体填充在渗透管与下壳体之间以及下壳体与加热体之间；

温度传感器安装在下壳体的下端并且也位于下壳体的容纳腔中，温度传感器与渗透管的下端相对设置且不接触。

根据本发明微流量标准气体发生装置的一个实施例，所述加热体位于下壳体的细管体的外层并与渗透管的气体储存管位置相对应，其中，所述加热体为内置电热丝的加热管且内径略大于下壳体的细管体外径，所述加热体套装在下壳体的细管体外层。

根据本发明微流量标准气体发生装置的一个实施例，所述气体发生单元还包括位于加热体外层的隔热体，所述隔热体由低导热系数的塑料材质制成，所述加热体与隔热体之间设置有隔热物质；所述导热体为导热硅脂、导热金漆或导热银浆。

根据本发明微流量标准气体发生装置的一个实施例，所述过滤单元包括设置在环状腔体底层并与第二通气孔直接接触的过滤层以及设置在所述环状腔体内且位于所述过滤层上方的填充滤料。

根据本发明微流量标准气体发生装置的一个实施例，所述第一通气孔沿着圆周方向均匀分布在上盖上，所述第二通气孔沿着圆周方向均匀且对称分布在内管体上。

根据本发明微流量标准气体发生装置的一个实施例，所述下壳体由耐腐蚀金属材料制成，下壳体的细管体下端管口设有安装螺纹。

本发明的另一方面提供了一种微流量标准气体发生系统，所述系统包括上述微流量标准气体发生装置、气体输运装置及电路控制装置；

所述气体输运装置与微流量标准气体发生装置中主体的内管体的第一延长段相连；

所述电路控制装置包括主控模块、气路控制模块、温度控制模块以及为所述主控模块、气路控制模块和温度控制模块供电的电源模块，所述温度控制模块与加热体电连接，气路控制模块与气体输运装置电连接，主控模块与温度传感器、气路控制模块和温度控制模块电连接。

根据本发明微流量标准气体发生系统的一个实施例，所述气体输运装置为微流量抽气泵，优选为滚珠式蠕动泵，

本发明的再一方面提供了一种微流量标准气体发生方法，采用上述微流量标准气体发生系统进行微流量标准气体的发生。

根据本发明微流量标准气体发生方法的一个实施例，所述方法包括以下步骤：

步骤1：启动电路控制装置，控制主控模块根据用户设定参数完成对温度控制模块和气路控制模块的设置，通过温度控制模块控制加热体加热并根据温度传感器反馈的温度数据调整加热频率，进行对微流量标准气体发生装置的恒温监控；

步骤2、通过气路控制模块启动气体输运装置，将外部气体以设定气体流速通过第一通气孔抽入微流量标准气体发生装置中并将过滤后的外部气体作为载气携带渗透管产生的渗透气体进入内管体并进入后端气路。

与现有技术相比，本发明提供了一种微流量标准气体发生装置、系统及方法，区别于以往的渗透管气体发生装置，较好的解决了聚集气体的吸附问题，并保证了渗透管与外部环境的平衡状态，不仅体积小、集成度高，在接入检测气体使用时无需额外连接电磁阀、气体质量流量计等气路元器件，而且极大降低了设备成本及系统复杂度，使用方便、维护简单、产气速度及稳定性更好。

附图说明

图1示出了根据本发明示例性实施例的微流量标准气体发生装置的结构示意图。

附图标记说明：

1-主体、11-外筒体、12-内管体、13-填充滤料、14-过滤层、15-第二通气孔、2-下壳体、21-细管体、3-渗透管、31-渗透窗、32-渗透腔、4-温度传感器、5-加热体、6-隔热体、7-上盖、71-第一通气孔。

具体实施方式

本说明书中公开的所有特征，或公开的所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以以任何方式组合。

本说明书中公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换。即，除非特别叙述，每个特征只是一系列等效或类似特征中的一个例子而已。

下面先结合附图对本发明的微流量标准气体发生装置进行具体说明。

图1示出了根据本发明示例性实施例的微流量标准气体发生装置的结构示意图。

如图1所示，根据本发明的示例性实施例，所述微流量标准气体发生装置包括上盖7、主体1、下壳体2、过滤单元、气体发生单元和温度传感器4，上盖7、主体1与下壳体2共同围成装置的基础结构部分，过滤单元、气体发生单元和温度传感器4构成装置的功能部分。

具体地，主体1具有外筒体11、内管体12以及位于外筒体11与内管体之12间的环状腔体，上盖7套装在内管体12上，上盖7上设有若干个第一通气孔。内管体12具有管腔，内管体12的上端具有第一延长段且下端具有第二延长段，内管体12位于环状腔体底部的位置处沿着圆周方向设置有若干个第二通气孔15，第二通气孔15与内管体12的管腔相分隔。

优选地，第一通气孔沿着圆周方向均匀分布在上盖7上，第二通气孔15沿着圆周方向均匀且对称分布在内管体12上。

过滤单元填充设置在环状腔体内，用于过滤外部气体。优选地，过滤单元包括设置在环状腔体底层并与第二通气孔15直接接触的过滤层14以及设置在环状腔体内且位于过滤层14上方的填充滤料。上盖7能够用于封装滤料至环状腔体内，填充滤料可以是过滤气体的颗粒状化学滤料，优选粒径小且均匀的高碘值椰壳活性炭滤料，过滤层可以是片状PP烧结滤芯、PP纤维滤芯或者多层状结构的PP无纺布等。由此，进入装置的外部气体会先后经过填充滤料和过滤层的过滤后再作为载气进入后续气路。

下壳体2具有上端的粗管体、下端的细管体21以及贯穿粗管体和细管体21的容纳腔。下壳体2的作用主要是支撑导热体和固定温度传感器，优选的，下壳体2由耐腐蚀金属材料制成，导热好且具有较好的强度，如316不锈钢材料。下壳体的细管体下端管口设有安装螺纹，便于安装固定温度传感器4。

气体发生单元包括渗透管3、导热体和加热体5，渗透管3置于下壳体2的容纳腔中并且渗透管3中部具有渗透窗31和渗透腔32，主体1能够与下壳体2对接安装并与渗透管3的上端面形成端面密封结构，主体1的内管体12的第二延长段伸入渗透腔32内且端部靠近渗透窗31，第二通气孔15连通主体的环状腔体与渗透管的渗透腔32。加热体5设置在下壳体2上，导热体填充在渗透管3与下壳体2之间以及下壳体2与加热体5之间。其中，导热体充满下壳体内外侧的间隙及孔隙内，热量可直接通过导热物质高效传递，导热体优选为导热硅脂、导热金漆或导热银浆等具有一定流动性且具有高导热系数的膏状物质，更易于填充及充满间隙空间。

温度传感器4安装在下壳体2的下端并且也位于下壳体的容纳腔中，温度传感器4与渗透管3的下端相对设置且不接触。具体地，加热体5位于下壳体的细管体21的外层并与渗透管3的气体储存管位置相对应，其中，加热体5优选为内置电热丝的加热管且内径略大于下壳体的细管体外径，加热体套装在下壳体的细管体外层。

由此，加热体5产生的温度可以高效传递至渗透管3管体及温度传感器4，温度传感器4可以更直接准确的反映渗透管管体的温度，进而能够控制加热过程，为渗透管提供恒温环境并控制渗透管的气体渗透率。

此外，本发明的气体发生单元还优选地包括位于加热体5外层的隔热体6，隔热体优选由低导热系数的塑料材质制成，并且在加热体5与隔热体6之间设置有隔热物质，以进一步降低环境温度的影响。

下壳体下端的管状结构便于导热物质的填充，防止在填充时出现气泡影响导热效果和导热均匀性，进而提高控温精度及产气稳定性。

外部空气能够在一定的外力作用下以稳定微小流量的速度通过上盖7的第一通气孔进入环形腔体中。其中，由于第一通气孔优选为多个沿圆周方向均匀分布的孔，可以有效降低气阻并且可以有效避免腔体内出现的气体死体积，同时提高所填充滤料的使用效率。

进入环状腔体的外部空气在被过滤单元充分过滤后通过第二通气孔进入渗透腔的顶部并沿着内管体的第二延长段下移，到达渗透窗表面后越过内管体管口下沿进入内管体的内侧，来自渗透管的渗透气体在此过程中将被带入作为载气的外部空气中，进入内管体的气体在外力抽力的作用下上升至内管体的上端并通过第一延长段进入后端气路。

另外，由于环状腔体底部设有过滤层14，气体从环状腔体内经过滤层进入渗透腔时不会携带颗粒物进入，从而避免携带的颗粒物在渗透窗表面沉积进而影响渗透速率。环状腔体内侧底部设有均匀分布的多个第二通气孔，第二通气孔连通至渗透腔的顶部位置，从而保证载气从不同的方位进入渗透腔将渗透气体带出，整个气体流路不存在死体积且产气更加稳定。

本发明还提供了微流量标准气体发生系统，该系统包括上述微流量标准气体发生装置、气体输运装置及电路控制装置，气体输运装置实现气体流动的外力给与，微流量标准气体发生装置用于产生渗透气体并与载气混合形成标气，电路控制装置则对整体系统的工作实现自动控制。

根据本发明，气体输运装置与微流量标准气体发生装置中主体1的内管体12的第一延长段相连；电路控制装置包括主控模块、气路控制模块、温度控制模块以及为主控模块、气路控制模块和温度控制模块供电的电源模块，温度控制模块与加热体5电连接，气路控制模块与气体输运装置电连接，主控模块与温度传感器4、气路控制模块和温度控制模块电连接。

本发明中使用的气体输运装置为微流量的抽气泵，优选为滚珠式蠕动泵，在微流量状态下流速更加稳定。气体无需通过泵体，只在管路流动，管路尺寸小、连接方便、驻留时间短、损耗更小，避免死体积且流动更加平稳。蠕动泵控制气体流速为毫升级别，由于所采用载气的流量很小，而常规气体检测设备一般所采用的采样气流速普遍在1～2L/min的流量范围，因此本发明中的载气可以直接混入采样气中进行设备的标定，无需采用气体质量流量计等器件对载气流量进行准确控制及定量，极大降低了设备成本。

此外，本发明的发生系统在储存过程中，由于内管体12的上端口将在气体输运装置的作用下处于封闭状态。此时，渗透腔内经渗透管产生的高浓度渗透气体在气体扩散作用下可以通过第二通气孔进入环状腔体中被过滤单元吸收，因此可以有效防止渗透腔内渗透气体聚集而影响再次使用。同时，外部环境空气在扩散进入渗透腔的过程中，其中的杂质气体也将在环状腔体中被过滤单元吸收掉，从而防止杂质气体进入渗透腔与渗透气体发生化学反应产生有害气体。本发明的结构可以让渗透管在储存或使用过程中均处于与外部环境连通的状态，有利于保持其平衡状态，同时有效避免了外部杂质气体的影响。并且在停止使用时区别于常规使用的真空泵等，蠕动泵的挤压作用能够密封管路，有效防止渗透腔与后端气路及外部环境连通。

因此，本发明的上述结构可以在微流量载气条件下，高效地将渗透气体及时带出。由于载气流量小，对渗透腔体的影响不大，载气温度不会影响到渗透温度；并且由于载气流量小，在过滤腔内的驻留时间长，过滤效果更好。

本发明同时提供了微流量标准气体发生方法，具体采用了上述微流量标准气体发生系统进行微流量标准气体的发生。

根据本发明的具体实施例，该方法可以包括以下步骤。

步骤1：

启动电路控制装置，控制主控模块根据用户设定参数完成对温度控制模块和气路控制模块的设置，通过温度控制模块控制加热体加热并根据温度传感器反馈的温度数据调整加热频率，进行对微流量标准气体发生装置的恒温监控。

步骤2：

通过气路控制模块启动气体输运装置，将外部气体以设定气体流速通过第一通气孔抽入微流量标准气体发生装置中并将过滤后的外部气体作为载气携带渗透管产生的渗透气体进入内管体并进入后端气路。

具体地，外部空气在气体输运装置的抽力作用下，通过上盖的第一通气孔进入环状腔体中并被过滤单元充分过滤后通过环状腔体底部的第二通气孔进入渗透腔顶部并沿内管体的第二延长段外侧下移，到达渗透窗表面后越过内管体管口下沿进入内管体的内侧，渗透气体被作为载气的外部空气带入并在抽力的作用下上升至内管体的第一延长段被抽出气体发生装置并进入后端气路。

本发明的主要作用在于可以利用很低流量的载气顺利地将渗透管产生的渗透气体带出，带出的气体相当于浓度非常高但流量特别小的标气，该标气可以直接加入至检测设备的采样气中，一方面可以保证已知量的渗透气全部加入至采样气中，另外一方面标气的流量很小，不会给采样气的流量带来大的影响，也无需考虑渗透管载气的流速。

本发明针对现有渗透管产气技术中存在的预热时间长、载气因素影响大、不易维护等诸多问题，具有结构简单、集成化程度高、产气精度高且性能稳定的优点，特别适用于各种便携式气体检测设备现场标定所述标准气体的在线产生。

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。

实施例：

利用本发明装置产生二氧化氮标准气体用于二氧化氮检测装置自标定检测。所采用的二氧化氮检测装置为基于气液界面化学发光检测技术的高灵敏度二氧化氮检测仪，本装置中二氧化氮渗透管的渗透率为45ng/min(35℃)。

在本实施例中，本装置的后端接入一个滚珠式蠕动泵，蠕动泵的流速约为10mL/min。将蠕动泵泵管的出口端接入一个微型电磁阀的进口端，电磁阀两个出口端的其中一个以三通的方式接入二氧化氮检测仪的抽气口，另外一个出口端直接排空。启动二氧化氮检测仪和本装置，控制本装置的加热温度恒定在35℃。二氧化氮检测仪在内置采样泵的作用下，以1.5L/min的恒定流速对环境空气进行采样，并送入内部的检测传感器进行检测。当设备预热完成后，本装置所产生的二氧化氮标准气体在电磁阀的作用下处于排空气路，标气未加入至采样气，此时，检测设备所检测到的信号为环境空气中的二氧化氮气体，其信号值为1320mV。切换电磁阀，本装置所产生的二氧化氮标准气体以10mL/min左右的流量加入至检测设备的采样气路，此时检测设备所检测到的信号为环境空气中的二氧化氮气体与渗透管所产生的二氧化氮标准气体之和，其信号值为2152mV。相对于检测设备1.5L/min的采样流量，基于蠕动泵的标气加入流量10mL/min基本不对采样气的流量产生干扰，且蠕动泵流速的波动也可以忽略不计，因此无需像传统方式一样在标气端设置专门的气体质量流量计来准确控制标气流量。当电磁阀的切换频率较快(比如30s)时，切换前后时间周期内，环境空气中的二氧化氮气体浓度基本保持不变。因此，可以根据标气加入前后所检测到的信号以及渗透管的渗透率计算出当前环境空气中的二氧化氮气体浓度：

本发明并不局限于前述的具体实施方式。本发明扩展到任何在本说明书中披露的新特征或任何新的组合，以及披露的任一新的方法或过程的步骤或任何新的组合。

Claims (10)

1.一种微流量标准气体发生装置，其特征在于，所述装置包括上盖、主体、下壳体、过滤单元、气体发生单元和温度传感器；

主体具有外筒体、内管体以及位于外筒体与内管体之间的环状腔体，上盖套装在内管体上，上盖上设有若干个第一通气孔；内管体具有管腔，内管体的上端具有第一延长段且下端具有第二延长段，内管体位于环状腔体底部的位置处沿着圆周方向设置有若干个第二通气孔，第二通气孔与内管体的管腔相分隔；过滤单元填充设置在环状腔体内；下壳体具有上端的粗管体、下端的细管体以及贯穿粗管体和细管体的容纳腔；

气体发生单元包括渗透管、导热体和加热体，渗透管置于下壳体的容纳腔中并且渗透管中部具有渗透窗和渗透腔，主体能够与下壳体对接安装并与渗透管的上端面形成端面密封结构，主体的内管体的第二延长段伸入渗透腔内且端部靠近渗透窗，所述第二通气孔连通主体的环状腔体与渗透管的渗透腔；加热体设置在下壳体上，导热体填充在渗透管与下壳体之间以及下壳体与加热体之间；

温度传感器安装在下壳体的下端并且也位于下壳体的容纳腔中，温度传感器与渗透管的下端相对设置且不接触。

2.根据权利要求1所述微流量标准气体发生装置，其特征在于，所述加热体位于下壳体的细管体的外层并与渗透管的气体储存管位置相对应，其中，所述加热体为内置电热丝的加热管且内径略大于下壳体的细管体外径，所述加热体套装在下壳体的细管体外层。

3.根据权利要求1所述微流量标准气体发生装置，其特征在于，所述气体发生单元还包括位于加热体外层的隔热体，所述隔热体由低导热系数的塑料材质制成，所述加热体与隔热体之间设置有隔热物质；所述导热体为导热硅脂、导热金漆或导热银浆。

4.根据权利要求1所述微流量标准气体发生装置，其特征在于，所述过滤单元包括设置在环状腔体底层并与第二通气孔直接接触的过滤层以及设置在所述环状腔体内且位于所述过滤层上方的填充滤料。

5.根据权利要求1所述微流量标准气体发生装置，其特征在于，所述第一通气孔沿着圆周方向均匀分布在上盖上，所述第二通气孔沿着圆周方向均匀且对称分布在内管体上。

6.根据权利要求1所述微流量标准气体发生装置，其特征在于，所述下壳体由耐腐蚀金属材料制成，下壳体的细管体下端管口设有安装螺纹。

7.一种微流量标准气体发生系统，其特征在于，所述系统包括权利要求1至6中任一项所述的微流量标准气体发生装置、气体输运装置及电路控制装置；

所述气体输运装置与微流量标准气体发生装置中主体的内管体的第一延长段相连；

所述电路控制装置包括主控模块、气路控制模块、温度控制模块以及为所述主控模块、气路控制模块和温度控制模块供电的电源模块，所述温度控制模块与加热体电连接，气路控制模块与气体输运装置电连接，主控模块与温度传感器、气路控制模块和温度控制模块电连接。

8.根据权利要求7所述的微流量标准气体发生系统，其特征在于，所述气体输运装置为微流量抽气泵，优选为滚珠式蠕动泵。

9.一种微流量标准气体发生方法，其特征在于，采用权利要求7所述的微流量标准气体发生系统进行微流量标准气体的发生。

10.根据权利要求9所述的微流量标准气体发生方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：启动电路控制装置，控制主控模块根据用户设定参数完成对温度控制模块和气路控制模块的设置，通过温度控制模块控制加热体加热并根据温度传感器反馈的温度数据调整加热频率，进行对微流量标准气体发生装置的恒温监控；

步骤2、通过气路控制模块启动气体输运装置，将外部气体以设定气体流速通过第一通气孔抽入微流量标准气体发生装置中并将过滤后的外部气体作为载气携带渗透管产生的渗透气体进入内管体并进入后端气路。