CN111122797A - 一种定值三元混合标准气体的制作系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明实施例公开了一种定值三元混合标准气体的制作系统，包括定比例气体输送单元，混气单元和将所述中间气体在定温密封环境下进行体积和气体压力的标定以获得目标气体，并将目标气体在预设定的气体压力下动态输出的混合器，及制作方法，包括将组分气和载气按照预设比例进行初步混合，得到中间气体；将所述中间气体持续通入定温密闭环境并同时加热搅拌进行二次混合；在定温密闭环境内的气压达到预定压力值时，并在维持所述预定压力值的同时动态输出目标气体，不受温度和压力等条件影响，配制效率高，既可以用于标气的大量生产又可用于实验室少量标气的制作，气体混匀程度高，精确度高，可以随制随用动态输出，安全稳定，装置简易，操作简便。

Description

一种定值三元混合标准气体的制作系统及方法

技术领域

本发明实施例涉及定值三元混合标准气体的制作技术领域，具体涉及一种定值三元混合标准气体的制作系统及方法。

背景技术

天然气水合物是一种潜力巨大的未来超级清洁能源，分布范围广，储量规模巨大，能量密度高，已经得到世界各界的广泛重视与关注，尤其中国2017年在南海神狐海域进行天然气水合物试开采获得巨大成功，举世瞩目。海水中烃类气体及其它气体的含量异常是天然气水合物存在的重要识别标志之一，对海水中气体含量异常的实时检测，可以为水合物资源详查、勘探提供线索和依据。海水中溶解气体为多元混合气体，深海海水及海水中气体含量的即时检测方法是当前海洋科学仪器研究的前沿课题，也是近几年来海洋技术领域研究的热点和焦点，国家重点研发项目课题最新研制的近海底原位多参量地球化学综合传感系统可以实现在船舶走航的同时，高精度实时测量海水中多元气体含量，为我国天然气水合物矿体精细勘探和开发提供重要技术支撑。而保障该系统测量准确度的一个重要前提是能对该系统进行准确标定，能持续提供定值三元混合标准气体是高精度标定该系统的必要条件。本发明正是从此需求考虑，以质量守恒定律为主要原理依据，通过质量流量控制器控制和测量管道中载气和组分气体的质量流量，在混合仓中通过一系列混合装置使其充分混匀，最终得到动态输出的目标值多元混合标准气体。

现有的气体配制方法主要包括称量法、分压法、体积法、渗透法以及静态容积法等，其中，称重法的生产效率比较低，分压法气体混匀程度不高，且充填气体时会产生热量，体积法的生产技术要求很高，精确度低，渗透管法只适合配制浓度低的标准气体，不易维持其量值长时间不变，而静态容积法只适合配制量少的标准气体。

发明内容

为此，本发明实施例提供一种定值三元混合标准气体的制作系统及方法，解决了现有方法均不能满足痕量溶解多元混合气体标准溶液动态制作的需求的问题。

为了实现上述目的，本发明的实施方式提供如下技术方案：

一种定值三元混合标准气体的制作系统，包括

定比例气体输送单元，用于提供预设比例的组分气和载气；

混气单元，对定比例气体输送单元供给的组分气和载气进行混合，后得到中间气体；

混合器，将所述中间气体在定温密封环境下进行体积和气体压力的标定以获得目标气体，并将目标气体在预设定的气体压力下动态输出。

作为本发明的一种优选方案，所述定比例输送单元包括多个用于组分气输送的第一分支管和一个用于载气输送的第二分支管，以及实现所述第一分支管，所述第二分支管、所述混气单元和所述混合器的近真空状态的真空系统。

作为本发明的一种优选方案，所述第一分支管、所述第二分支管以及所述真空系统的管路上均安装有压力传感器和质量流量控制器。

作为本发明的一种优选方案，所述混气单元包括连接所述真空系统和混合器的总分管道以及设置在总分管道上的涡扇混气机构，所述涡扇混气机构与所述定比例气体输送单元连接，并接收所述组分气和载气，所述总分管道延伸入混合器内部的末端设置有用于喷出组分气和载气的混合气体的通气盘管；

位于混合气内部的总分管道上设置有螺旋管，位于螺旋管和涡扇混气机构之间的所述总分管道通过快速接头连接。

作为本发明的一种优选方案，所述涡扇混气机构与第一分支管之间设有经过涡扇混气机构混合后的组分气的反馈回路。

作为本发明的一种优选方案，所述涡扇混气机构内设置有用于监测上层腔室内气体压力的内压传感器，同时将内压传感器采集的涡扇混气机构内部压力的电信号作为反馈回路工作的驱动信号。

作为本发明的一种优选方案，所述反馈回路包括沿第一分支管内气流流动方向接入的第三分支管，所述第三分支管上设置有比例阀，所述第三分支管与涡扇混气机构连接位置正对于第一分支管与涡扇混气机构连接的位置，且所述第三分支管与涡扇混气机构的连接处设置有单向阀。

本发明提供了一种定值三元混合标准气体的制作方法，包括具体步骤：

S100、将组分气和载气按照预设比例进行初步混合，得到中间气体；

S200、将所述中间气体持续通入定温密闭环境并同时加热搅拌进行二次混合；

S300、在定温密闭环境内的气压达到预定压力值时，得到目标气体，并在维持所述预定压力值的同时动态输出目标气体。

作为本发明的一种优选方案，所述组分气具体为至少两种及以上的气体。

作为本发明的一种优选方案，所述组分气和载气的预设比例依据是通过组分气初始浓度、组分气的流量、载气流量以及动态输出目标气体流量，获得组分气和载气的稀释比，进而通过导出计算，获得各组分气的流量和载气流量的预设比

本发明的实施方式具有如下优点：

本发明技术方案不受温度和压力等条件影响，配制效率高，既可以用于标气的大量生产又可用于实验室少量标气的制作，气体混匀程度高，精确度高，可以随制随用动态输出，安全稳定，装置简易，成本低廉，操作简便。

附图说明

为了更清楚地说明本发明的实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是示例性的，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图引伸获得其它的实施附图。

本说明书所绘示的结构、比例、大小等，均仅用以配合说明书所揭示的内容，以供熟悉此技术的人士了解与阅读，并非用以限定本发明可实施的限定条件，故不具技术上的实质意义，任何结构的修饰、比例关系的改变或大小的调整，在不影响本发明所能产生的功效及所能达成的目的下，均应仍落在本发明所揭示的技术内容得能涵盖的范围内。

图1为本发明实施方式中制作系统的结构框图；

图2为本发明实施方式中涡扇混气机构结构示意图；

图3为本发明实施方式中混合腔体结构示意图；

图4为本发明实施方式中定比例输送单元和混气单元连接结构示意图；

图5为本发明实施方式中第三分支管结构示意图；

图6为本发明实施方式中第一层板结构示意图；

图7为本发明实施方式中快速接头结构示意图；

图8为本发明实施方式中定值三元混合标准气体的制作方法框图。

图中：

1-第一分支管；2-第二分支管；3-真空系统；4-压力传感器；5-质量流量控制器；6-总分管道；7-涡扇混气机构；8-通气盘管；9-螺旋管；10-快速接头；11-反馈回路；12-内压传感器；13-第三分支管；14-比例阀门；15-单向阀；16-混合仓体；17-多孔板组；18-活动阀门；19-放水口；20-气体出口；21-泄压阀；22-磁力加热搅拌机构；23-搅拌子；24-保温水夹套；

101-双向管体；102-螺纹段；103-螺纹套管；104-变径层套管；105-等径管；106-凸起；107-环形凹槽；108-内嵌环槽；109-环形销舌；110-内密封圈；

171-第一层板；172-第二层板；173-贯穿孔；174-导流芯；

701-上层腔室；702-下层腔室；703-涡扇。

具体实施方式

以下由特定的具体实施例说明本发明的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1，本发明提供了一种定值三元混合标准气体的制作系统，包括，定比例气体输送单元，用于提供预设比例的组分气和载气；

混气单元，对定比例气体输送单元供给的组分气和载气进行混合，后得到中间气体；

混合器，将所述中间气体在定温密封环境下进行体积和气体压力的标定以获得目标气体，并将目标气体在预设定的气体压力下动态输出。

本发明采用的是质量守恒流量比动态配制法，是通过控制各组分气和载气的质量流量，按一定比例进行充分均匀混合获得动态标准气体的方法。运用质量守恒定律计算出流量比，再利用设置在定比例输送单元内的组分气和载气的输送管路上设置高精度的质量流量控制器5，通过质量流量控制器5定比例气体输送单元的组分气和载气的气体的质量流量，并以混气单元和混合器的多重混合的方式达到充分混匀的状态，并在混合器的定压力值下动态输出标准气体。

定比例气体输送单元通过质量流量控制器5测量控制的对象是质量流量，所以本发明在组分气和载气输送过程中不受温度和压力等条件的影响，并且混合后不产生任何对环境有害的废气或废液，使得配制标准气体效率快、精度高且可持续动态输出，安全、稳定、绿色、环保、装置简易，成本低廉、操作简便。

如图1所示，本发明进一步地提供了一种用于上述载气和组合气的输送装置，即为定比例气体输送单元，具体包括，包括多个用于组分气输送的第一分支管1和一个用于载气输送的第二分支管2，以及实现第一分支管1，第二分支管2、混气单元和混合器的近真空状态的真空系统3。

第一分支管1、第二分支管2以真空系统3的管路上均安装有压力传感器4和质量流量控制器5，实时的检测输送管路中的气体压力、流量以及质量，并通过质量流量控制器5对输送管路中的流量和质量进行实时的调节，

本发明还在第一分支管1和第二分支位于质量流量控制器5的两端设置直通阀，其作用是，用于关闭输送管路中的输送状态，以及通过关闭直通阀，启动真空系统3，便于完成输送管路内的近真空状态。

第一分支管1的组分气供气装置可以是供气瓶，第二分支管2的载气的供气装置可以是载气瓶。

如图1、图2和图4所示，本发明进一步地提供了一种用于上述载气和组分气混合的初步混合装置，即混气单元，具体包括，混气单元包括连接真空系统3和混合器的总分管道6以及设置在总分管道6上的涡扇703混气机构7，涡扇703混气机构7与定比例气体输送单元连接，并接收组分气和载气，总分管道6延伸入混合器内部的末端设置有用于喷出组分气和载气的混合气体的通气盘管8；

通过涡扇703混气机构7，对改变定比例气体输送单元输送的混合气体流量，由涡扇703混气机构7控制总分管道6向混合器中输送的混合气体的流速。

位于混合气内部的总分管上设置有螺旋管9，位于螺旋管9和涡扇703混气机构7之间的总分管通过快速接头10连接。

涡扇703混气机构7包括用于连接第一分支管1的上层腔室701和连接第二分支管2，并用于载气与组分气体混合的下层腔室702，上层腔室701和下层腔室702内部设置有同轴转动的涡扇703，并且上层腔室701和下层腔室702内部是连通的状态；

进一步说明的是，上层腔室701和下层腔室702内部的涡扇703可以是同轴转动，也可以是两个转轴分别转动。

真空系统3通过管道连接至第二分支管2与下层腔室702的连接处。

在工作时，组分气体通过第一分支管1流入涡扇703混气机构7，通过上层腔室701的初步混合后，与通过第二分支管2进入下层腔室702的载气混合，最后再有总分管将组分气与载气混合的气体送入至螺旋管9，最后由通气盘管8进行喷出。

而在此过程中，由于组分气和载气的混合存在一个气体体积变化的过程，而这个变化的过程受到混合气体进入混合器内空间的温度和体积的影响，进而造成组分气体与载气的混合比例的影响。

如图5所示，当上层腔室701内部的压力超过预计算的阈值时，反馈回路11开始工作，将组分气体反馈至第一分支管1，并通过比例阀门14主动的调节反馈回路11的组分气体进入每个第一分支管1的气体量。

本发明通过上层腔室701和下层腔室702将若干个组分气体的混合与载气的混合隔离开，混合后的组分气体通过同比例的混合反馈至每个第一分支管1中，并不影响混合气体的总量，进而保证该系统中的气体总量不变，以质量守恒定律为主要原理依据，通过质量流量控制器5控制和测量管道中载气和组分气体的质量流量，在混合仓中通过一系列混合装置使其充分混匀，最终得到动态输出的目标值三元混合标准气体。

进一步地，本发明中通过螺旋管9增加组分气和载气在混合器中的流动路径，进而保证在混合气体由通气盘管8喷出之前与混合器中的温度保持一致，进而减少温差的影响。

本发明中的反馈回路11包括沿第一分支管1内气流流动方向接入的第三分支管13，第三分支管13上设置有比例阀，第三分支管13与上层腔室701连接位置正对于第一分支管1与上层腔室701连接的位置，且第三分支管13与上层腔室701的连接处设置有单向阀15。

根据实际的目标气体的配比要求，可将单向阀15改为双向阀，通过向上层腔室701双向进气的方式来增加组分气的进气比例。

上层腔室701内设置有用于检测上层腔室701内气体压力的内压传感器12，同时将内压传感器12采集的上层腔室701内部压力的电信号作为单向阀15以及设置在第三分支管13上的比例阀门14的工作信号。

当上层腔室701内部的压力超过预计算的阈值时，单向阀15打开，使得上层腔室701中的气体进入第三分支管13中，进而反馈至第一分支管1，并通过比例阀门14主动的调节第三分支管13返回进入每个第一分支管1的气体量。

如图3所示，本发明进一步地提供了一种对于上述组分气体和载气进过混气机构混合后的气体进行二次混合，并动态输出目标气体的混合器，具体包括，混合器包括混合仓体16，以及设置在混合仓体16内部用于分隔混合仓体16内部空间，并供通气盘管8喷出的混合气体的流动的多孔板组17，位于多孔板组17上部的混合仓体16内设置有随混合仓体16内部气压变化而上下移动的活动阀门18；

混合仓体16上设置有放水口19、动态输出目标气体的气体出口20、以及用于泄除活动阀门18与混合仓体16形成的空腔内压力的泄压阀21。

如图6所示，多孔板组17包括靠近通气盘管8的第一层板171以及位于第一层板171上方的第二层板172，第一层板171和第二层板172上均设置有圆台状贯穿孔173，贯穿孔173内部设置有横截面呈十字形的导流芯174。

设置第一层板171和第二层板172，在进行气体的混合时，阻碍气体运动的同时又可以改变气体原来运动的方向，有利于气体进一步混匀，并通过导流芯174进行形成气体旋流。

传统的混合仓顶部的卸压阀可以预设卸压的压力值，当混合仓内压力超过此预设值时卸压阀将自动放气卸压，如此可将混合仓内的压力控制在一定范围内，防止装置内部因压力过大发生爆裂，保证制备过程的安全，而当通过卸压阀进行卸压时，由于气体比例输送机构还继续进行气体的输送，卸压阀将会排出一定的标准混合气体，也就造成了混合气体的浪费。

本发明通过在混合仓体16内部设置有随混合仓体16内部气压变化的活动阀门18，且所述活动阀门18安装在位于第二层板172上部的混动仓体内壁上，通过活动阀门18与混合仓体16形成的隔绝于第一层板171和第二层板172的混合仓体16内的压力缓冲空间，进一步地是的混合标准气体制作的过程中不受温度和压力等条件影响，配制效率高，并通过活动阀门18中的位置的变化，实现对混合仓体16内部的压力调节，保证了混合仓体16内的质量总量恒定。

活动仓体的顶部设置有用于平衡活动阀门18与混合仓体16形成的空间的压力的泄压阀21，进一步地，本发明还可以通过将组分气与载气的混合气通过第三分支管13连接至活动阀门18与混合仓体16形成的空间，在混合仓体16内形成两个气压源，活动阀门18与混合仓体16形成的空间作为气压调节源，活动阀门18与混合仓体16形成的空间也可以通过只通过组分气或者载气进行内部压力的气压调节和保持。

通过单一的组分气或者载气进行活动阀门18与混合仓体16形成的空间气压调节时，避免气体浪费的同时也能够，通过单一控制误差来提高质量流量控制器5的量值的准确度。

混合仓体16内底部集成有磁力加热搅拌机构22，混合仓体16内底部设置有磁力加热搅拌机构22的搅拌子23。

通气盘管8位于搅拌子23的上部，从混合仓体16的底部向上喷出混合气体，气体出口20位于第二层板172与活动阀门18之间的混合仓体16的侧壁上。

混合仓体16内壁中设置有保温水夹套24，且保温水夹套24内的介质通过磁力加热搅拌机构22进行加热，磁力加热搅拌器驱动混合仓体16内的搅拌子23运动，对气体起到搅拌作用，并通过保温水夹套24为混合仓体16内提供一个恒温的混合环境。

搅拌子23具体可以是现有的任意一种形式的搅拌桨叶。

如图7所示，本发明进一步地提供了一种用于组分气和载气的输送和混合管路连接的快速接头10，具体包括，包括双向管体101以及通过螺纹段102螺旋连接在双向管体101上的两个螺纹套管103；其中螺纹套管103活动套装在双向管体101上，用于将定值三元混合标准气体的制作的过程的容器罐连接的软管套装在双向管体101的两端，再转动螺纹套管103，使得软管套装在螺纹套管103与双向管体101之间，通过螺纹套管103压紧软管，反向转动螺纹套管103则会对软管解除锁紧。

传统的快速接头10的接头处都是直接设置层套的防滑凸起106，软管直接套装在防滑凸起106上，进行管道的快速连接，而这种连接方在实验室中尤其的对气体或者液体精准度要求较高的情况下无法适用，当管内的气压或者液压呈变化时，软管和快速接头10的连接处容易产生膨胀或者收缩，进而使得气体外泄或者吸入外界空气，进而影响实验的结果。

本发明中在双向管体101的两端设置有变径层套管104，变径层套管104的末端设置有等径管105，等径管105的作用是增大与软管内壁平行接触的表面，在软管与等径管105套接时，无论软管内的气压如何变化，也不会在连接处使得软管膨胀泄气。

等径管105上设置有与螺纹套管103内部设置的凸起106相配合的环形凹槽107，变径层套管104与双向管体101的连接处设置有自密封结构，自密封结构包括设置在双向管体101上的内嵌环槽108以及设置在螺纹套管103内部的环形销舌109，内嵌环槽108中设置有内密封圈110。

本发明还通过在螺纹套管103与变径层套管104处的结合，在总分管道6与变径层套管104套接时，形成密封空间形成具有稳定压力的密封腔室，在软管内的压力过大或者过小时，均能够保证其总分管道6的连接的稳定，不会出现泄气的情况。

位于内嵌环槽108的外侧的双向管体101上设置有外密封圈，内嵌环槽108与环形销舌109的接触面为斜面，斜面的倾斜角度为10°～20°，环形销舌109的轴向长度比内嵌环槽108的轴向长度短1～2mm。

螺纹套管103内部包括直管段和圆台段，且圆台段轴向延伸至环形销舌109的根部。

变径层套管104的每一层套管的管径逐渐增大，直至与等径管105的直径相同。

凸起106包括紧邻的两个半圆形状的凸起圈，两个凸起圈之间存在一定的间隙，且位于内侧的凸起圈高度要高于位于外侧的凸起圈，其作用是在长时间的套接过程中，软管在环形凹槽107夹持，外侧的凸起圈将软管扣入环形凹槽107，软管变形的部分被内侧的凸起圈压持在等径管105的表面，进而实现密封；

并且适用于管径存在2～3mm差距的软管，在套接时，管径较薄则用内侧的凸起圈将软管的管壁压入环形凹槽107，外侧的凸起圈将软管位于环形凹槽107外侧的部分压持在等径管105表面。

如图8所示，本发明提供了一种定值三元混合标准气体的制作方法，包括具体步骤：

S100、将组分气和载气按照预设比例进行初步混合，得到中间气体；

S200、将所述中间气体持续通入定温密闭环境并同时加热搅拌进行二次混合；

S300、在定温密闭环境内的气压达到预定压力值时，得到目标气体，并在维持所述预定压力值的同时动态输出目标气体。

所述组分气具体为至少两种及以上的气体。

所述组分气和载气的预设比例依据是通过组分气初始浓度、组分气的流量、载气流量以及动态输出目标气体流量，获得组分气和载气的稀释比，进而通过导出计算，获得各组分气的流量和载气流量的比。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种定值三元混合标准气体的制作系统，包括：

定比例气体输送单元，用于提供预设比例的组分气和载气；

混气单元，对定比例气体输送单元供给的组分气和载气进行混合，后得到中间气体；

混合器，将所述中间气体在定温密封环境下进行体积和气体压力的标定以获得目标气体，并将目标气体在预设定的气体压力下动态输出。

2.根据权利要求1所述的一种定值三元混合标准气体的制作系统，其特征在于，所述定比例输送单元包括多个用于组分气输送的第一分支管(1)和一个用于载气输送的第二分支管(2)，以及实现所述第一分支管(1)，所述第二分支管(2)、所述混气单元和所述混合器的近真空状态的真空系统(3)。

3.根据权利要求2所述的一种定值三元混合标准气体的制作系统，其特征在于，所述第一分支管(1)、所述第二分支管(2)以及所述真空系统(3)的管路上均安装有压力传感器(4)和质量流量控制器(5)。

4.根据权利要求2所述的一种定值三元混合标准气体的制作系统，其特征在于，所述混气单元包括连接所述真空系统(3)和混合器的总分管道(6)以及设置在总分管道(6)上的涡扇混气机构(7)，所述涡扇混气机构(7)与所述定比例气体输送单元连接，并接收所述组分气和载气，所述总分管道(6)延伸入混合器内部的末端设置有用于喷出组分气和载气的混合气体的通气盘管(8)；

位于混合气内部的总分管道(6)上设置有螺旋管(9)，位于螺旋管(9)和涡扇混气机构(7)之间的所述总分管道(6)通过快速接头(10)连接。

5.根据权利要求4所述的一种定值三元混合标准气体的制作系统，其特征在于，所述涡扇混气机构(7)与第一分支管(1)之间设有经过涡扇混气机构(7)混合后的组分气的反馈回路(11)。

6.根据权利要求5所述的一种定值三元混合标准气体的制作系统，其特征在于，所述涡扇混气机构(7)内设置有用于监测上层腔室内气体压力的内压传感器(12)，同时将内压传感器(12)采集的涡扇混气机构(7)内部压力的电信号作为反馈回路(11)工作的驱动信号。

7.根据权利要求6所述的一种定值三元混合标准气体的制作系统及方法，其特征在于，所述反馈回路(11)包括沿第一分支管(1)内气流流动方向接入的第三分支管(13)，所述第三分支管(13)上设置有比例阀(14)，所述第三分支管(13)与涡扇混气机构(7)连接位置正对于第一分支管91与涡扇混气机构(7)连接的位置，且所述第三分支管(13)与涡扇混气机构(7)的连接处设置有单向阀(15)。

8.一种定值三元混合标准气体的制作方法，其特征在于，包括具体步骤：

S100、将组分气和载气按照预设比例进行初步混合，得到中间气体；

S200、将所述中间气体持续通入定温密闭环境并同时加热搅拌进行二次混合；

S300、在定温密闭环境内的气压达到预定压力值时，得到目标气体，并在维持所述预定压力值的同时动态输出目标气体。

9.根据权利要求8所述的一种定值三元混合标准气体的制作方法，其特征在于，所述组分气具体为至少两种及以上的气体。

10.根据权利要求8所述的一种定值三元混合标准气体的制作方法，其特征在于，所述组分气和载气的预设比例依据是通过组分气初始浓度、组分气的流量、载气流量以及动态输出目标气体流量，获得组分气和载气的稀释比，进而通过导出计算，获得各组分气的流量和载气流量的预设比。

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