CN111013415A - 基于温度控制的标准气体发生系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于温度控制的标准气体发生系统，包括：平衡气气瓶，用于盛装平衡气；恒温腔体，恒温腔体具有进气口和排气口，恒温腔体内限定有恒温腔，恒温腔体通过进气口与平衡气气瓶相连通；温度控制组件，与恒温腔体连接，温度控制组件用于调节恒温腔内的温度并维持恒温腔内的温度恒定；渗透管，设在恒温腔内，渗透管用于盛装标准液，标准液在恒温腔内的温度作用下，挥发形成标准气，并扩散出渗透管，以在平衡气的作用下导出恒温腔体；气体测试箱，与排气口相连通。本发明的标准气体发生系统，通过温度控制组件实现对恒温腔体内的温度的精准控制，保证渗透管中扩散出的标准气的扩散率恒定，使制备出的标准气的浓度更加精确。

Description

基于温度控制的标准气体发生系统

技术领域

本发明涉及配气系统技术领域，特别是涉及一种基于温度控制的标准气体发生系统。

背景技术

目前，标准气体已广泛应用于产品质量监督和质量控制、仪器仪表的校准、大气环境的监测、医疗卫生、传感器行业、临床检验以及分析方法的评价等领域。近几年石油化工行业的发展，以石油为原料生产的聚合物乙烯，丙烯，氢气，苯，氢气，甲苯等产品时，产品的组成的分析都是由色谱分析来实现的。因此，无论实验室色谱分析还是在线分析仪表的校正，都需要大量高质量的标准气体，以准确计算产品中组分的含量。

现在主要的标准气体的制备方法和配制方法主要包含：单一组分的标准气体制备和混合气体的制备。制备单一组分标准气体的方法因物质的性质不同而异，对于挥发性强的液态物质，可以利用其挥发作用制备，不能用挥发制备的可以用化学反应制备。标准混合气体是用一种高纯气体作为稀释气(又称平衡气或者背景气)，在添加一种或者几种其它的高纯气体配制而成。

但是，现有的标准气体的制备方法，无法精准地制备低浓度的标准气。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种基于温度控制的标准气体发生系统，该标准气体发生系统采用渗透管法制备标准气，该标准气体发生系统通过精确控制恒温腔体内温度，精准地制备出不同浓度的标准气。

特别地，本发明提供了一种基于温度控制的标准气体发生系统，包括：

平衡气气瓶，用于盛装平衡气；

恒温腔体，所述恒温腔体具有进气口和排气口，所述恒温腔体内限定有恒温腔，所述恒温腔体通过所述进气口与所述平衡气气瓶相连通，以用于将所述平衡气导入所述恒温腔内；

温度控制组件，与所述恒温腔体连接，所述温度控制组件用于调节所述恒温腔内的温度并维持所述恒温腔内的温度恒定；

渗透管，设在所述恒温腔内，所述渗透管用于盛装标准液，所述标准液在所述恒温腔内的温度作用下，挥发形成标准气，并扩散出所述渗透管，以在所述平衡气的作用下导出所述恒温腔体；

气体测试箱，与所述排气口相连通，以接收由所述恒温腔体导出的所述标准气。

进一步地，所述恒温腔体的截面为方形，所述恒温腔体包括：

腔体本体，所述腔体本体内限定有所述恒温腔，所述腔体本体的上部敞开，所述腔体本体的相对两侧设有与所述恒温腔连通的所述进气口和所述排气口；

隔热件，设在所述腔体本体的外壁面上；

密封盖，设在所述腔体本体的上部，以密封所述恒温腔。

进一步地，所述进气口和所述排气口分别为螺纹接口，所述进气口通过管道与所述平衡气气瓶连通，所述排气口通过所述管道与所述气体测试箱连通。

进一步地，所述进气口与所述平衡气气瓶之间的所述管道设有第一质量流量计。

进一步地，所述隔热件为保温隔热棉。

进一步地，所述恒温腔体为恒温金属腔体。

进一步地，温度控制组件包括：

温度控制器；

温度检测探头，与所述温度控制器连接，所述温度检测探头用于探测所述恒温腔内的温度，并生产相应的温度信号，所述温度控制器接收所述温度信号，并根据所述温度信号发出相应温度调节指令；

加热件，设在所述恒温腔体上，所述加热件与所述温度控制器连接，以接收所述温度控制器发出的所述温度调节指令控制所述加热件加热或制冷；

散热片，设在所述加热件上，以对所述加热件散热；

风扇，与所述温度控制器连接，且所述风扇与所述散热片相对设置。

进一步地，所述加热件为半导体制冷片、陶瓷加热片或线圈加热件中的一种。

进一步地，所述渗透管包括：

管体部，其内限定有用于盛装所述标准液的容纳腔；

毛细管，套设在所述管体部上，所述标准液挥发形成的所述标准气通过所述毛细管扩散出所述渗透管。

进一步地，所述标准气体发生系统还包括：

清洗瓶，所述清洗瓶用于盛装氮气；

清洗箱，所述清洗箱和所述气体测试箱通过所述管道与所述清洗瓶连通，所述排气口通过所述管道与所述清洗箱连通，所述清洗瓶与所述清洗箱之间的所述管道上设有第二质量流量计。

本发明的基于温度控制的标准气体发生系统，采用渗透管法制备标准气，该标准气体发生系统通过温度控制组件实现对恒温腔体内的温度的精准控制，保证渗透管中扩散出的标准气的扩散率恒定，使制备出的标准气的浓度更加精确。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1是根据本发明实施例的标准气体发生系统的结构示意图；

图2是根据本发明实施例的标准气体发生系统中恒温腔体和温度控制组件的剖视图；

图3是根据本发明实施例的标准气体发生系统中恒温腔体和渗透管的剖视图。

附图标记：

标准气体发生系统100；

平衡气气瓶10；

恒温腔体20；腔体本体21；隔热件22；密封盖23；进气口24；排气口25；

温度控制组件30；加热件31；散热片32；风扇33；

渗透管40；管体部41；毛细管42；

气体测试箱50；

清洗瓶61；清洗箱62；

标准液70；

第一质量流量计81；第二质量流量计82；

管道91；三通阀92。

具体实施方式

参见图1，本发明实施例的基于温度控制的标准气体发生系统100主要由平衡气气瓶10、恒温腔体20、温度控制组件30、渗透管40和气体测试箱50组成。其中，平衡气气瓶10用于盛装平衡气。恒温腔体20上加工有进气口24和排气口25，恒温腔体20内加工有恒温腔，恒温腔体20通过进气口24与平衡气气瓶10相连通，平衡气气瓶10内的平衡气可以通过进气口24导入恒温腔内(平衡气的导入方向参见图1中箭头指示方向)，平衡气可以将恒温腔体20内扩散出来的标准气通过以混合的方式将标准气排出恒温腔体20。

温度控制组件30与恒温腔体20连接，温度控制组件30用于调节恒温腔内的温度并维持恒温腔内的温度恒定，通过温度控制组件30可以准确地控制恒温腔体20内的温度，保证渗透管40中的标准液70挥发时以恒定的扩散率(也称为渗透率)扩散出渗透管40，保证扩散出的标准气的浓度一致，以制备出准确浓度的标准气。

渗透管40放置在恒温腔内，渗透管40用于盛装标准液70，标准液70在恒温腔内的温度作用下，挥发形成标准气，并扩散出渗透管40，扩散出渗透管40的标准气在平衡气的作用下导出恒温腔体20。气体测试箱50与排气口25相连通，以接收由恒温腔体20导出的标准气，得到浓度精准的标准气。

需要说明的是，本发明的标准气体发生系统100主要是在压力恒定的情况下通过渗透管法制备标准气，渗透管法对于配制低浓度的标准气是一种较精准的方法。渗透管40(扩散管)是一个可以容纳某种液体样品的容器。由于液体的蒸汽压只是温度的函数，只要温度恒定，其渗透率或扩散率就是一个恒定的量。这个容器内的样品液体的损耗量可以通过称重方法获得，单位为“重量/时间”。将渗透管40置于恒温腔体20内，始终以固定的流量(体积/时间)通过载气(平衡气)。这时被渗透或扩散的目标气(标准气)为一个恒定的量(重量/体积)，其中，单位时间内的渗透量为渗透率。渗透管40(扩散管)是一种装有低蒸汽压力的化学物质液体的容器，其扩散速度取决于温度和毛细管42的几何形状。扩散速率是称重测定的，在液相耗尽之前都保持不变。扩散速率可以通过计算来预测，并具有足够的精度来进行初步评估，但为了校准的目的，必须确定重量损失。

在本发明的标准气体发生系统100中，通过控制恒温腔体20内的温度和几何形状确定的毛细管42，实现对渗透管40的标准液70温度的精确控制。具体地，标准液70置于渗透管40中，再将渗透管40置于恒温腔体20中，控制恒温腔体20内的温度。标准液70在不同的温度下，蒸发(挥发)的扩散率(渗透率)不一样，产生的标准气的浓度也不一样，在该标准气体发生系统100中，可以通过控制不同的温度，制备出不同浓度的标准气。通过该标准气体发生系统100可以准确配置多种可挥发的常温为液体的气体，产生几十到几百个ppm苯、甲苯以及二甲苯等的标准气。

由此，本发明的基于温度控制的标准气体发生系统100，采用渗透管法制备标准气，该标准气体发生系统100通过温度控制组件30实现对恒温腔体20内的温度的精准控制，保证从渗透管40中扩散出的标准气的扩散率恒定，使制备出的标准气的浓度更加精确。

根据本发明的一个实施例，参见图2和图3，恒温腔体20的截面可以加工成方形，恒温腔体20主要由腔体本体21、隔热件22和密封盖23组成。其中，腔体本体21内加工有恒温腔，腔体本体21的上部敞开，腔体本体21的相对两侧加工有与恒温腔连通的进气口24和排气口25。隔热件22安装在腔体本体21的外壁面上，密封盖23可以安装在腔体本体21的上部，密封盖23可以密封恒温腔。优选地，恒温腔体20可以采用恒温金属腔体，隔热件22可以采用保温隔热棉。使用恒温金属腔体对于热量传导更加有效，通过将保温隔热棉包裹在恒温腔体20的外壁面，可以达到良好的隔热和保温效果，有利于保证恒温腔体20内的温度恒定，提高标准气发生系统的制备精度。

由于每一种标准液70在不同温度下的扩散率不一样，使得放置在恒温腔体20内的渗透管40里的标准液70也在不同的温度下挥发速度不一样，产生不同浓度的标准气。也就是说，在不同浓度的情况下，可以产生不同浓度的饱和蒸汽，再通过外部的平衡气，使得平衡气和渗透管40扩散出的标准气进行混合，得到符合制备要求的标准气。其中，外部的平衡气可以通过第一质量流量计81进行控制，精确控制平衡气的流量。

在本发明的一些具体实施方式中，进气口24和排气口25分别加工成螺纹接口，进气口24通过管道91与平衡气气瓶10连通，排气口25通过管道91与气体测试箱50连通，通过将进气口24和排气口25加工成螺纹接口，便于恒温腔体20与平衡气气瓶10以及气体测试箱50之间通过管道91连接。进气口24与平衡气气瓶10之间的管道91上安装有第一质量流量计81，通过第一质量流量计81可以精确控制平衡气的流量，使得平衡气与渗透管40中扩散出的标准气混合，并将标准气排出至气体测试箱50。

根据本发明的一个实施例，参见图2，温度控制组件30主要由温度控制器(图中未示出)、温度检测探头(图中未示出)、加热件31、散热片32和风扇33组成。其中，温度控制器可以采用PID温控器(proportion、integral、derivative，比例-积分-微分控制器)，有利于减少静态误差，保证温度控制器的温度控制精度更加准确。温度检测探头与温度控制器连接，温度检测探头用于探测恒温腔内的温度，并生产相应的温度信号，温度控制器接收温度信号，并根据温度信号发出相应温度调节指令。加热件31安装在恒温腔体20上，加热件31与温度控制器连接，以接收温度控制器发出的温度调节指令控制加热件31加热或制冷。具体来说，温度控制器通过设定温度范围，控制加热件31进行加热或制冷，加热件31的加热和制冷可以通过接通电源的正负来决定。温度的精度通过温度检测探头(温度检测探头可以为热敏电阻)进行测量并反馈给温度控制器，由温度控制器不断调节温度，使温度稳定在一定的范围，保证恒温腔体20内的温度保持恒定。优选地，加热件31可以采用半导体制冷片、陶瓷加热片或线圈加热件中的一种，本申请中主要以半导体制冷片作为加热件31进行说明，半导体制冷片可以对恒温腔体20进行制冷或制热处理。散热片32安装在加热件31上，散热片32在加热件31制热时进行散热，制冷时进行散冷。风扇33与温度控制器连接，并且风扇33与散热片32相对设置。温度控制器在调节温度的过程中，通过散热片32和风扇33配合加热件31，实现恒温腔体20内的温度调节。

在本发明的一些具体实施方式中，参见图3，渗透管40主要由管体部41和毛细管42组成。其中，管体部41内加工有用于盛装标准液70的容纳腔。毛细管42套设在管体部41的颈部上，标准液70在一定温度下挥发形成的标准气，标准气通过毛细管42扩散出渗透管40。

当然，在其他实施方式中，渗透管40可以由装标准液70的小容器和渗透膜组成。小容器或管体部41可以由耐腐蚀和耐一定压力的惰性材料制成，渗透膜可以用聚四氟乙烯塑料制成帽状，套装在小容器的颈部，塑料帽薄壁部分形成为渗透面(或者是一个细长的石英管)，通过渗透面向外扩散。

根据本发明的一个实施例，参见图1，标准气体发生系统100还包括清洗瓶61和清洗箱62。其中，清洗瓶61用于盛装氮气，清洗瓶61内盛装的氮气可以为高纯氮气，清洗瓶61内的高纯氮气主要用于清洗标准气体发生系统100的管道91内的空气或杂质气体(高纯氮气的流动方向参见图1中箭头方向)，提高标准气体发生系统100的制备标准气的精度。清洗瓶61与清洗箱62之间的管道91上安装有第二质量流量计82，通过第二质量流量计82可以控制清洗瓶61中高纯氮气的输出流量。清洗箱62和气体测试箱50通过管道91与清洗瓶61连通，并且在管道91上安装有三通阀92，通过三通阀92对管道91的切换，可以选择利用清洗瓶61中的高纯氮气清洗管道91或清洗气体测试箱50。同样地，排气口25还可以通过管道91与清洗箱62连通，同时通过在管道91上安装三通阀92，可以选择利用排出的气体清洗管道91或者将排出的标准气输出至气体测试箱50中。

总而言之，本发明的基于温度控制的标准气体发生系统100，采用渗透管法制备标准气，该标准气体发生系统100通过温度控制组件30实现对恒温腔体20内的温度的精准控制，保证从渗透管40中扩散出的标准气的扩散率恒定，使制备出的标准气的浓度更加精确。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种基于温度控制的标准气体发生系统，其特征在于，包括：

平衡气气瓶，用于盛装平衡气；

恒温腔体，所述恒温腔体具有进气口和排气口，所述恒温腔体内限定有恒温腔，所述恒温腔体通过所述进气口与所述平衡气气瓶相连通，以用于将所述平衡气导入所述恒温腔内；

温度控制组件，与所述恒温腔体连接，所述温度控制组件用于调节所述恒温腔内的温度并维持所述恒温腔内的温度恒定；

渗透管，设在所述恒温腔内，所述渗透管用于盛装标准液，所述标准液在所述恒温腔内的温度作用下，挥发形成标准气，并扩散出所述渗透管，以在所述平衡气的作用下导出所述恒温腔体；

气体测试箱，与所述排气口相连通，以接收由所述恒温腔体导出的所述标准气。

2.根据权利要求1所述的基于温度控制的标准气体发生系统，其特征在于，所述恒温腔体的截面为方形，所述恒温腔体包括：

腔体本体，所述腔体本体内限定有所述恒温腔，所述腔体本体的上部敞开，所述腔体本体的相对两侧设有与所述恒温腔连通的所述进气口和所述排气口；

隔热件，设在所述腔体本体的外壁面上；

密封盖，设在所述腔体本体的上部，以密封所述恒温腔。

3.根据权利要求1所述的基于温度控制的标准气体发生系统，其特征在于，所述进气口和所述排气口分别为螺纹接口，所述进气口通过管道与所述平衡气气瓶连通，所述排气口通过所述管道与所述气体测试箱连通。

4.根据权利要求3所述的基于温度控制的标准气体发生系统，其特征在于，所述进气口与所述平衡气气瓶之间的所述管道设有第一质量流量计。

5.根据权利要求2所述的基于温度控制的标准气体发生系统，其特征在于，所述隔热件为保温隔热棉。

6.根据权利要求2所述的基于温度控制的标准气体发生系统，其特征在于，所述恒温腔体为恒温金属腔体。

7.根据权利要求2所述的基于温度控制的标准气体发生系统，其特征在于，温度控制组件包括：

温度控制器；

温度检测探头，与所述温度控制器连接，所述温度检测探头用于探测所述恒温腔内的温度，并生产相应的温度信号，所述温度控制器接收所述温度信号，并根据所述温度信号发出相应温度调节指令；

加热件，设在所述恒温腔体上，所述加热件与所述温度控制器连接，以接收所述温度控制器发出的所述温度调节指令控制所述加热件加热或制冷；

散热片，设在所述加热件上，以对所述加热件散热；

风扇，与所述温度控制器连接，且所述风扇与所述散热片相对设置。

8.根据权利要求7所述的基于温度控制的标准气体发生系统，其特征在于，所述加热件为半导体制冷片、陶瓷加热片或线圈加热件中的一种。

9.根据权利要求1所述的基于温度控制的标准气体发生系统，其特征在于，所述渗透管包括：

管体部，其内限定有用于盛装所述标准液的容纳腔；

毛细管，套设在所述管体部上，所述标准液挥发形成的所述标准气通过所述毛细管扩散出所述渗透管。

10.根据权利要求3所述的基于温度控制的标准气体发生系统，其特征在于，所述标准气体发生系统还包括：

清洗瓶，所述清洗瓶用于盛装氮气；

清洗箱，所述清洗箱和所述气体测试箱通过所述管道与所述清洗瓶连通，所述排气口通过所述管道与所述清洗箱连通，所述清洗瓶与所述清洗箱之间的所述管道上设有第二质量流量计。

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