CN111366444A - 一种超低浓度快速切换的动态配气系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种超低浓度快速切换的动态配气系统，包括液体源或气体源(10)、背景气体(20，30)、真空发生器(11)、压力和流量控制器(12)、微流体流量传感器(14)、微流控芯片(15)、气化室(40)、混气罐(50)、质量流量控制器(22，32)、检测室(60)、吹扫装置(61)、传感器(63)、数据采集装置(70)、多个阀门以及用于各部件之间气体传输的管路；背景气体(20)为稀释气，与气体源或液体源混合成为目标气体；背景气体(30)为吹扫气，与目标气体在检测室(60)内进行交替循环切换，同时，吹扫装置(61)对气体进行快速吹扫；数据采集装置(70)采集数据，从而研究所述传感器(63)的响应和恢复特性。

Description

一种超低浓度快速切换的动态配气系统
技术领域 本发明涉及气体浓度配比领域，尤其是一种超低浓度快速切换的动态配气系统。
背景技术
随着科技的发展，在在传感器研究领域，配置一定浓度的气体尤为重要。最常用的配气方法是采用两个不同流速范围的质量流量计（MFC）进行混合气体，通过选择合理的气源浓度和质量流量计（MFC），实现连续可变的低浓度配气，这种方法只能用来配气体气源（比如CO、H2等等），配气浓度在ppb到ppm级别居多。为了进一步降低配气浓度，可以采用二次稀释法，也就是将配置出来的气体作为一种气源，再加一路背景气体进行二次稀释。这种方式能够进一步降低浓度，但是平衡时间会很长，同时也只能达到0.1ppb左右的级别。以上方法均无法配置液体源（比如乙醇、甲醇、甲苯等等）。如果需要配液体源的低浓度气体，通常通过微量控制器，将液体以数微升每分钟的速度推出，同时在针头位置加热控温，蒸发产生气源。这种方法受到微量控制器的精度限制，通常也是在ppb级别配气。
现在多集中在超低浓度的气体研究方面，例如，呼吸气体以及爆炸物气体等多种超低浓度气氛环境。人们已经知道呼出气体中存在上千种VOCs，其中大多数浓度在皮摩尔（10-12 mol/L）或ppt（parts per trillion）级别。现有的配气方法无法满足这种浓度气体的研究，因此，提供一种精度高，浓度超低，配气速度快，且快速高效稳定的动态配气系统及其配气方法具有非常重要的现实意义。
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超低浓度快速切换的动态配气系统，通过一次完整的配气过程,将气体源或液体源的浓度稀释至超低浓度即ppt（10-12）级别以下；通过交替循环调控检测室两个进气气路上电磁阀的通断，实现目标气体和背景气体吹扫气之间快速循环切换，调节检测室内吹扫装置的频率控制气流流向传感器的速度。
一种超低浓度快速切换的动态配气系统，包括：液体源或气体源、背景气体、背景气体吹扫气、真空发生器、压力和流量控制器、微流控芯片、气化室、混气罐、微流体流量传感器、质量流量控制器、检测室、吹扫装置、传感器、数据采集装置、多个阀门以及用于各部件之间气体传输的管路；微流控芯片出口处设有气化室；混气罐用于混合背景气体和气源气体；检测室内部设置有吹扫装置和待研究的传感器。背景气体一路用作稀释气，一路用作吹扫气，两路气体的流量均由质量流量控制器控制；背景气体稀释气与气体源或液体源在混气罐内混合均匀成为目标气体；检测室有两个进气口和一个出气口，内部设置有吹扫装置和待研究的传感器；两个进气口分别连接背景气体吹扫气和目标气体两路进气气流，出气口用于将检测室内的气体排出；通过交替循环调控两路进气气路上电磁阀的通断，实现两种气体之间快速循环切换，调节吹扫装置的频率控制气流流向传感器的速度；同时，通过数据采集装置采集数据，从而研究所述传感器的响应和恢复特性。
进一步地，其中，所述气化室底部有控温芯片和温度传感器，周围有保温隔热层，通过控制加热温度将液体汽化。
进一步地，其中，所述压力与流量控制器和微流体流量传感器之间形成闭环PID控制流量，实现pL/min的小流量连续配气。
进一步地，其中，所述微流控芯片由聚二甲基硅氧烷（PDMS）层、顶部和底部框架密封组装而成，在聚二甲基硅氧烷（PDMS）型材上加工Y型通道，通道可通入液体和气体。
进一步地，其中，所述微流控芯片的PDMS层采用软刻蚀技术和复制成型技术制备，将定制的母板、PDMS弹性体和固化剂混合，然后把混合物倒在图案化的模具上烘烤，最后，将固化的PDMS从母模上剥离。
进一步地，其中，所述微流控芯片的PDMS层的Y型通道，可控制体积为10-9～10-18L气体或液体进入和流出，入口和出口的通道，通过手持打孔器在PDMS层中打出Y型通道并在PDMS层上覆盖聚二甲苯层形成。
进一步地，其中，所述微流控芯片的组装是用定制的顶部框架和底部框架将PDMS层密封，顶部框架有进/出口孔，在进/出口孔处插入小钢管使其与PDMS层的Y型通道连接，小钢管暴露在顶部框架的外面部分与聚乙烯塑管连接，可以通入气体或液体。
进一步地，其中，检测室有两个进气口、一个出气口，内部设置有吹扫装置和待研究的传感器，交替循环调节两路进气气路上电磁阀的通断，实现目标气体和背景气吹扫气之间快速循环切换，调节吹扫装置的频率控制气流流向传感器的速度。
本发明还提供了一种超低浓度快速切换的动态配气方法，由气源气路和背景气路组成；其中，背景气路分为两路，一路被用作稀释气，另一路被用作吹扫气；配气时，用真空发生器将气源气路抽真空，将液体源或者气体源接入气源气路，压力和流量控制器控制液体源或气体源的流量；液体气源从微流控芯片流出进入气化室，在气化室被汽化后进入混气罐与背景气体稀释气混合成为目标气；气体气源则从微流控芯片流出直接进入混气罐与背景气体稀释气混合成为目标气体；检测室有两个进气口、一个出气口，内部设置有吹扫装置和待研究的传感器，两个进气口分别连接背景气吹扫气气流和目标气体气流，出气口用于将检测室内的气体排出，交替循环调节两路进气气路上电磁阀的通断，实现目标气体和背景气吹扫气之间快速循环切换，调节吹扫装置的频率控制气流流向传感器的速度；同时，通过数据采集装置采集数据，从而研究所述传感器的响应和恢复特性。
附图说明
图1示出了根据本发明公开内容的一种超低浓度快速切换的动态配气系统示意图；
图2示出了根据本发明公开内容的微流控芯片结构示意图；
图3示出了根据本发明公开内容背景气吹扫气和目标气体切换气路示意图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有开展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。
本发明的目的是提供一种超低浓度快速切换的动态配气系统，通过一次完整的配气过程,将气体源或液体源的浓度稀释至超低浓度即ppt（10-12）级别及其以下；通过交替循环调控检测室两路进气气路上电磁阀的通断，实现目标气体和背景气体吹扫气之间快速循环切换，调节吹扫装置的频率控制气流流向传感器的速度。
图1为发明公开内容的一种超低浓度快速切换的动态配气系统示意图，一种超低浓度快速切换的动态配气系统，其包括，液体源或气体源（10），真空发生器（11），压力和流量控制器（12），背景气体（20），背景气体吹扫气（30），微流体流量传感器（14），微流控芯片（15），气化室（40），混气罐（50），第一质量流量控制器（22），第二质量流量控制器（32），电磁阀（13，16,17,21,31,33,51，62），检测室（60），吹扫装置（61），传感器（63），数据采集装置（70）以及用于各部件之间的气体管路。
图2为微流控芯片（15）的结构示意图，所述微流控芯片（15）由聚二甲基硅氧烷（PDMS）层、顶部和底部框架密封组装而成，在聚二甲基硅氧烷（PDMS）型材上加工Y型通道，通道可通入液体和气体；PDMS层采用软刻蚀技术和复制成型技术制成，将定制的母板、PDMS弹性体和固化剂混合，然后将混合物倒在图案化的模具上烘烤，最后，将固化的PDMS从母模上剥离；微流控芯片（15）的PDMS层具有Y型通道（可选的，例如宽2mm，深1mm），可实现10-9～10-18L气体或液体进入和流出，为了形成具有入口和出口的通道，用手持打孔器在PDMS层中打出Y形通道并在PDMS层上覆盖聚二甲苯层；微流控芯片（15）的组装采用定制的顶部和底部框架将PDMS层密封，顶部框架有进/出口孔，在进/出口孔处插入小钢管使其与PDMS层的Y型通道连接，小钢管暴露在顶部框架的外面部分与聚乙烯塑管连接，气体或液体从进口流入微流控芯片内部，然后从出口流出。
配气时，真空发生器（11）将气体源或液体源（10）所在气路抽真空。液体源或者气体源（10）与压力和流量控制器（12）连接，压力和流量控制器（12）与微流体流量传感器（14）之间存在闭环的PID控制，在软件上设置恒定的流体流量或者预定义的流体流量，压力和流量控制器（12）根据输出压力值自动进行调整以维持所设定流体流量。给流体施加压力，流体经过第一电磁阀（13）和微流体流量传感器（14）进入微流控芯片（15）内，然后从微流控芯片（15）的出口流出。如果是液体源，从微流控芯片（15）的出口流出经第四电磁阀（16）进入气化室（40），在气化室（40）内被快速汽化后进入混气罐（50）与背景气体（20）混合成为目标气体；如果是气体源，则从微流控芯片（15）的出口流出经第五电磁阀（17）直接进入混气罐（40）与背景气体（20）混合成为目标气体。
气化室（40）内部有控温芯片和温度传感器，周围有隔热层，为加速液体快速的蒸发气化,将芯片加热到特定温度,加速液体的挥发过程。液体从微流控芯片（15）流出经第四电磁阀（16）立即进入气化室（40），样品注入热区时瞬间汽化,迅速进入混气罐。对气化室的要求是汽化室热容量要大,温度要足够高,汽化室体积尽量小,无死角,以防止样品扩散,减小死体积,提高效率。
背景气体分为两路，一路为稀释气，另一路为吹扫气。背景气体稀释气（20）作为稀释气，经过第二电磁阀（21）和第一质量流量控制器（22），与气体源或者液体源（10）在混气罐（40）进行混合成为目标气体，第一质量流量控制器（21）控制背景气体稀释气（20）的流量。背景气体吹扫气（30）作为吹扫气，气路上有第三电磁阀（31）和第二质量流量控制器（32），该气体用于将目标气体吹扫出检测室。稀释气路和吹扫气路上的第一、第二质量流量控制器（22,32）与智能控制装置连接，可以根据用户设置精确控制气体的流量并实时显示流量值。
图3为背景气吹扫气（30）和目标气体快速切换示意图，检测室（60）有两个进气口、一个出气口，内部有气体吹扫装置（61）和传感器（63）；两个进气口位于气体吹扫装置（61）的上方，可选的，两个进气口对称分布在吹扫装置（61）中心轴的两侧，吹扫装置（61）置于传感器（63）的上方；其中，吹扫装置（61）为交流控制的频率可调的微型风扇，风扇转动时对检测室内的气体产生压力，促使气流流向传感器，频率范围1到80Hz，通过调节频率控制气体流向传感器（63）的速度；两个进气口分别连接背景气吹扫气（30）和目标气体两路进气气流，两路进气气路上分别安装有第六、第七电磁阀（33，51），出气口处安装有第八电磁阀（62）；通过交替循环控制两路进气气路上电磁阀的通断使两路进气气流按时序设置分别连续稳定地流进检测室（60）,调节吹扫装置（61）的频率控制气流流向传感器（63）的速度，控制第八电磁阀（62）的通断使检测室内的气体排出；同时，通过数据采集装置（70）采集传感器的数值，从而研究所述传感器（63）的响应和恢复特性。
一种超低浓度快速切换的动态配气方法，包括如下步骤：
第一步，配气时，先用真空发生器（11）将源气体经过的气路抽真空，根据配气浓度，在软件端输入流量值，微流体流量传感器（14）监测实际流量值，将监测值反馈到压力和流量控制器（12），压力和流量控制器（12）通过与微流体流量传感器（14）之间的闭环PID控制维持气体源或者液体源的流量。
第二步，配置同一气体不同浓度的目标气体时，根据用户要求配置稀释气体浓度的顺序，设置气体源或者液体源的流量即可。
第三步，气体源或者液体源（10）经过第一电磁阀（13）和微流体流量传感器（14）进入微流控芯片（15），经过气体管路或气化室（40）进入混气罐（50）与背景气体稀释气（20）进行充分混合，目混合后的标气体从混气罐（50）出气口排出，第七经电磁阀（51）进入检测室（60）与气体传感器（62）反应。
第四步，在检测室（60）内，通过交替循环调节两路进气气路上第六、第七电磁阀（33，51）的通断,实现目标气体和背景气吹扫气（30）之间快速循环切换，通过调节吹扫装置（61）的频率控制气流流向传感器（63）的速度，控制第八电磁阀（62）的通断使检测室内的气体排出；同时，通过数据采集装置（70）采集传感器的数据，从而研究所述传感器（61）的响应和恢复特性。

Claims (10)

1.一种超低浓度快速切换的动态配气系统，包括：液体源或气体源、背景气体、真空发生器、压力和流量控制器、微流控芯片、气化室、混气罐、微流体流量传感器、质量流量控制器、检测室、吹扫装置、传感器、数据收集装置、多个阀门以及用于各部件之间气体传输的管路；微流控芯片出口处设有气化室；背景气体同时接入两个气路，一路用作稀释气，一路用作吹扫气，两路气体的流量均由质量流量控制器控制；背景气体稀释气与气体源或液体源在混气罐内混合均匀成为目标气体；检测室有两个进气口和一个出气口，内部设置有吹扫装置和待研究的传感器，两个进气口分别连接背景气体吹扫气和目标气体两路进气气流，通过对两种气体交替循切换以及控制气流吹扫速度的同时，通过数据采集装置采集数据，从而研究所述传感器的响应和恢复特性。
2.如权利要求1所述的一种超低浓度快速切换的动态配气系统，其特征在于，所述气化室底部有控温芯片和温度传感器，周围有保温隔热层，通过控制加热温度将液体汽化。
3.如权利要求1所述的一种超低浓度快速切换的动态配气系统，其特征在于，所述压力与流量控制器和所述微流体流量传感器之间形成闭环PID控制流量，实现pL/min的小流量连续配气。
4.一种用于超低浓度快速切换动态配气系统的微流控芯片，其特征在于，微流控芯片由聚二甲基硅氧烷（PDMS）层、顶部和底部框架密封组装而成，在聚二甲基硅氧烷（PDMS）型材上加工Y型通道，通道可通入液体和气体。
5.如权利要求4所述的微流控芯片，微流控芯片的PDMS层采用软刻蚀技术和复制成型技术制备，将定制的母板、PDMS弹性体和固化剂混合，然后把混合物倒在图案化的模具上烘烤，最后，将固化的PDMS从母模上剥离。
6.如权利要求5所述的微流控芯片，微流控芯片PDMS层的Y型通道，可控制体积为10-9～10-18L气体或液体进入和流出，入口和出口的通道，通过手持打孔器在PDMS层中打出Y型通道并在PDMS层上覆盖聚二甲苯层形成。
7.如权利要求5所述的微流控芯片，微流控芯片的组装是用定制的顶部和底部框架将PDMS层密封，顶部框架有进/出口孔，在进/出口孔处插入小钢管使其与PDMS层的Y型通道连接，小钢管暴露在顶部框架的外面部分与聚乙烯塑管连接，可以通入气体或液体。
8.如权利要求1所述的一种超低浓度快速切换的动态配气系统，其特征在于，对目标气体和背景气吹扫气之间快速循环切换是通过交替循环调节两路进气气路上电磁阀的通断来实现，调节吹扫装置的频率控制气流流向传感器的速度。
9.一种超低浓度快速切换的动态配气方法，由气源气路和背景气路组成；其中，背景气路分为两路，一路被用作稀释气，另一路被用作吹扫气；配气时，用真空发生器将气源气路抽真空，将液体源或者气体源接入气源气路，压力和流量控制器控制液体源或气体源的流量；液体气源从微流控芯片流出进入气化室，在气化室被汽化后进入混气罐与背景气体稀释气混合成为目标气；气体气源则从微流控芯片流出直接进入混气罐与背景气体稀释气混合成为目标气体；检测室有两个进气口、一个出气口，内部设置有吹扫装置和待研究的传感器，两个进气口分别连接背景气吹扫气气流和目标气体气流，通过对目标气体和背景气吹扫气之间快速循环切换以及气流流速控制的同时，通过数据采集装置采集数据，从而研究所述传感器的响应和恢复特性。
10.如权利要求9所述的超低浓度快速切换的动态配气方法，对目标气体和背景气吹扫气之间快速循环切换是通过交替循环调节两路进气气路上电磁阀的通断来实现，调节吹扫装置的频率控制气流流向传感器的速度。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
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