CN114729918A - 用于产生包括挥发性分析物的高精度混合气体混合物的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

一种用于产生高精度混合气体产品(BGP)的系统，包括：呈液体形式的挥发性分析物；惰性载气；至少一种稀释气体；分析物气化器(AG)子系统，用于接收呈液体形式的挥发性分析物、雾化挥发性分析物并将雾化的挥发性分析物与惰性载气混合以便形成分析物气流(AGS)；气体分析器(GA)，用于接收AGS并对其进行分析；气体比例调节器，用于接收来自GA的AGS，接收至少一种稀释气体，并且基于GA的结果来配比AGS和至少一种稀释气体，以提供配比的AGS和配比的至少一种稀释气体；以及气体混合室，用于从气体比例调节器接收配比的AGS和配比的至少一种稀释剂，以产生BGP。

Description

用于产生包括挥发性分析物的高精度混合气体混合物的方法 和装置
对待决的现有专利申请的引用
本专利申请要求由美国交通安全汽车联盟公司和Brian E. Fratto等人针对名称为“METHOD AND APPARATUS FOR PRODUCING HUMIDIFIED, CONTROLLED VOLATILEEFFLUENTS USING REAL-TIME FEEDBACK CONTROLS (代理人卷号No. ACTS-2 PROV)”于2019年8月30日提交的序列号为62/894,038的待决的现有美国临时专利申请的权益，该专利申请在此通过引入并入本文。
技术领域
本发明总体上涉及用于产生混合气体混合物的方法和装置，并且更特别地涉及用于产生包括挥发性分析物的高精度混合气体混合物的方法和装置。
背景技术
现今，使用各种检测器来测量人呼吸中的特定气体成分的浓度。
作为示例而非限制，一种类型的检测器被设计成测量人的呼吸中的氨浓度，因为有证据表明人的呼吸中的氨的存在与诸如高血压、糖尿病和癌症的某些疾病相关。因此，能够测量低浓度氨的检测器可以提供疾病的早期指示，使得人可以接受对疾病的早期治疗。
作为进一步的示例而非限制，另一种类型的检测器被设计成测量人呼吸中的二氧化碳和氧气的浓度。这种类型的检测器可以用于医院环境中，以在人生病或受伤时监测人的呼吸功能。
通常被称为呼气测醉器的又一种类型的检测器被设计为测量人的呼气中的酒精浓度(即，测量人的呼气酒精含量，其有时被称为“BrAC”)。将理解的是，集成到车辆中的酒精检测系统可以在人的BrAC高于法定限制时防止他们操作车辆。这种类型的酒精检测系统的示例是用于安全程序的驾驶员酒精检测系统(www.dadss.org)，有时在本文称为“DADSS程序”)。
因此，将理解的是，存在许多可能期望使用检测器来测量人呼吸中的特定气体成分的浓度的情况。
取决于应用，检测器的准确度和精度可能是关键的。作为示例而非限制，对于DADSS程序，检测器必须能够以高的准确度和精度，例如小至BrAC水平的0.0003%的精度，检测人的BrAC。
为了校准和测试这种检测器的性能，必须能够产生已知成分的气体混合物，其中以足够的准确度和精度建立成分的浓度。此外，在气体混合物意图模拟人类呼出的呼吸时，气体混合物必须被适当地加湿。
因此，需要一种能够产生包括挥发性分析物的高精度混合气体混合物的装置，该混合气体混合物在本文有时被称为“混合气体产品”或“BGP”，其中该装置能够在延长的时间周期保持BGP的构成成分的准确和精确浓度，同时还提供根据需要改变BGP的构成成分的浓度的能力。
并且需要能够产生加湿的BGP的装置。
并且需要该装置能够产生模仿呼出的包含挥发性分析物的人类的呼吸的BGP (例如，用于测试高性能呼吸传感器，诸如用于确定人的BrAC的DADSS程序中的检测器)。
实际上，由于现有技术系统的有限精度和准确度，先前提供这种系统的尝试不能令人满意。
更特别地，商业气体工业通常提供具有报告浓度的±2%的组成精度的气体。这限制了通过商业来源获得的成分气体产生的气体混合物的精度。
此外，由于由商业来源供应的挥发性分析物气体(例如，乙醇，本文有时称为“EtOH”)通常在罐中供应，其中挥发性分析物气体混合在惰性气体(例如，氦气)中，气体物理学规定了罐周转(即，罐替换)的高频率，并且因此导致附加的可变性和高成本的可能性。更特别地，挥发性分析物气体必须在惰性气体中显著稀释以便保持在气相中。分析物气体浓度的这种限制增加了罐被耗尽的速率，导致了罐更换的高频率，并且因此导致高成本。此外，这种频繁罐更换的需要对于长期测试是有害的，在长期测试中必须在延长的时间周期产生挥发性分析物气体的精确气流，因为这种罐更换在测试期间引入了附加可变性的可能性。
除了上述之外，在所产生的气体混合物必须模仿人类呼吸的情况下，在气体混合物用于测试之前必须对其进行加湿。由于混溶性和溶解性问题，在一些情况下，很难产生包含挥发成分(例如乙醇)以及达到其温度依赖性溶解度极限的湿度水平的均化气体混合物。目前的技术诸如湿浴(鼓泡器)系统受到待挥发的有机化合物中的混溶性的物理原理的限制。这种情况的示例可以在甲苯中发现。当甲苯在传统的含水鼓泡器中挥发时，甲苯将作为双层位于更致密的含水层的表面上，从而抑制产生均质气体混合物的能力。此外，进行加湿的方式可能是关键的。如果在该过程中过早地进行加湿，则气体混合物可能受到损害，并且可能产生不准确的分析物浓度。在其他情况下，如果在该过程中太晚进行加湿，则系统可能对温度变化敏感，这可能导致有机或含水液滴的成核，这可能随后将均质气体的成分从溶液中清除，从而产生粗略的胶体气溶胶而不是均匀且精细雾化的分析物。
上述考虑适用于产生包括挥发性分析物的加湿高精度混合气体混合物的一般问题。
通过考虑产生包括乙醇的加湿的高精度混合气体混合物的问题，诸如校准和测试基于呼吸的酒精检测器所需的问题，可以获得进一步的理解。
更特别地，当测试基于呼吸的酒精检测器时，使用商业供应的乙醇气罐制造用于产生加湿的混合气体混合物的较早一代的装置(该较早一代的装置有时称为“湿气呼吸酒精模拟器”或“WGBAS”)。WGBAS已经显示其能够产生能够满足并超过DADSS程序所需的精度(例如，变化不超过目标BrAC水平的0.0075%的BrAC水平)的湿润呼吸乙醇混合物。然而，在WGBAS装置中产生乙醇气体混合物的方法产生的乙醇气体混合物不能精确和准确地保持延长的和有用的时间周期。由于在罐被填充后，罐中所包含的气体混合物中的成分气体的浓度不能增加，WGBAS装置使用高浓度的乙醇罐。然后将来自该罐的乙醇与载气(例如氦气、氮气或其他非反应性气体)组合，并使用质量流量控制器(MFC)产生最终浓度的乙醇气体混合物。由于乙醇的物理性质，3000 ppm的乙醇气体混合物必须保持在低压下，以便确保乙醇保持在气体状态下。这种低压意味着包含乙醇气体混合物的罐必然包含相对少量的乙醇，因此产生了为了在乙醇气体混合物中提供期望量的乙醇而在测试期间必须不断地更换罐的情况。
此外，在测试期间更换罐在测试期间产生一致性问题，例如，由于所报告的浓度的±2%变化，这在商业气体工业中是典型的。这种误差的引入导致需要持续的监测和监督，以确保校准或测试循环不会由于使用多个乙醇罐而失效，这些罐可提供不同的混合物(并因此在WGBAS装置的最终气体输出中提供不同的乙醇浓度)。
除了上述之外，目前用于产生加湿的、受控的乙醇气体混合物的技术(诸如在“交通运输部国家公路交通安全管理局（DEPARTMENT OF TRANSPORTATION National HighwayTraffic Safety Administration）[档案号NHTSA-2007-28067]高速公路安全程序；校准呼吸酒精测试仪的单元的模型规范（Model Specifications for Calibrating Units forBreath Alcohol Testers）；呼吸酒精测试仪的校准单元的合格产品列表（ConformingProducts List of Calibrating Units for Breath Alcohol Testers）”)具有局限性，包括(i)加湿的乙醇气体混合物的最大可实现的准确度和精度，和(ii)可以维持恒定乙醇浓度的时间长度。更特别地，NHTSA模型规范中列出的技术是所谓的“干气系统”或“湿浴(”鼓泡器“)系统”。干气系统由乙醇气体与载气(例如氮气)的罐组成。如上所述，典型的气体系统具有报告浓度的±2%的分析精度。由于由商业来源供应的成分气体是在罐中供应的，因此气体物理学规定了罐周转(即，罐更换)的高频率，并且因此导致(i)当使用多于一个罐用于校准或测试时精度降低，以及(ii)高成本。湿浴(“鼓泡器”)系统由含有标准乙醇水溶液的加热浴组成，惰性载气通过该加热浴。这种“鼓泡”作用产生了加湿的乙醇和载气的气相混合物。湿浴系统提供了加湿的受控气体乙醇分析物，然而，这些系统的准确度和精度受到限制。NHTSA模型标准仅要求这些系统具有小于0.002%的BrAC水平的标准误差(“精度”)和2%的相对标准偏差(RSD) (“精确度”)。这些准确度和精度要求比DADSS程序要求的准确度和精度低一个数量级。此外，已知湿浴系统不能保持恒定的乙醇浓度，因为气相中的乙醇浓度随着液体标准溶液中的乙醇用尽而降低。并且，干气和湿浴系统均不能容易地或精确地根据需要调节。在罐已经被生产之后，干气系统中的乙醇浓度不能改变，并且在湿浴系统中的乙醇浓度仅可以根据需要粗略地调节，而不能根据需要准确地、精确地和/或快速地调节。
因此，需要一种新的和改进的方法和装置，用于产生包括挥发性分析物的高精度混合气体混合物，有时在本文称为“混合气体产品”或“BGP”，其中该方法和装置能够在延长的时间周期内保持BGP的构成成分的准确和精确浓度，同时还提供根据需要改变BGP的构成成分的浓度的能力。
并且需要一种新的和改进的方法和装置来用于产生加湿的BGP。
并且需要一种新的和改进的方法和装置，用于产生模仿呼出的包含挥发性分析物的人类的呼吸的BGP (例如，用于测试高性能呼吸传感器，诸如DADSS程序中的检测器，用于确定人的BrAC)。
发明内容
本发明包括提供和使用一种新的和改进的方法和装置，用于产生包括挥发性分析物的高精度混合气体混合物，其有时在本文被称为“混合气体产品”或“BGP”，其中该方法和装置能够在延长的时间周期内保持BGP的构成成分的准确和精确浓度，同时还提供根据需要改变BGP的构成成分的浓度的能力。
本发明还包括一种新的和改进的用于制造加湿的BGP的方法和装置。
并且本发明还包括用于产生BGP的新的和改进的方法和装置，BGP模仿呼出的包含挥发性分析物的人类的呼吸(例如，用于测试高性能呼吸传感器，诸如用于确定人的BrAC的检测器)。
在本发明的一个优选形式中，用于产生包括挥发性分析物的高精度混合气体混合物(即，“混合气体产品”或“BGP”)的装置利用两个子系统的组合来产生BGP：(i)分析物气化器(AG)子系统，其采用呈液体形式的挥发性分析物，雾化挥发性分析物并将雾化的挥发性分析物与惰性载气混合，以便产生分析物气流，有时在本文称为“AGS”，以及(ii)气体混合器(GM)子系统，其将AGS与其他气体混合，并且还向AGS提供加湿，以便以高准确度和精度产生期望浓度的BGP。
分析物气化器(AG)子系统使用热力学蒸发原理将期望的挥发性分析物(例如乙醇)快速转化为其气体状态。在存在恒定流量的载气(例如，氦气或不与期望的分析物反应的替代气体)的情况下执行期望的分析物蒸气(例如，乙醇蒸气)的该形成，所述载气用于确保分析物蒸气的浓度保持足够低以使分析物保持气体状态。然后将AGS馈送到气体混合器(GM)子系统。
气体混合器(GM)子系统从分析物气化器(AG)子系统接收AGS，并使AGS通过气体分析器(GA)，气体分析器监测来自分析物气化器(AG)子系统的AGS的浓度。气体混合器(GM)子系统还包括气体比例调节器。将来自GA的数据报告给气体比例调节器，气体比例调节器使用该数据来适当地配比(i)基于其分析物浓度的任何变化的AGS和(ii)一种或多种稀释气体(例如，O2、CO2和N2)的流率，所述稀释气体当被组合时有时候在本文被称为“组合稀释气流”或“CDGS”，其最终与AGS组合。离开气体比例调节器的配比的CDGS进入温度控制室，并且然后被加湿，以便产生气流，该气流在本文中有时被称为“加湿的组合稀释气流”或“HCDGS”。然后，离开气体比例调节器的配比的AGS和离开加湿器的配比的HCDGS然后在气体混合管中组合，以便产生包括挥发性分析物的期望的高精度混合气体混合物(即BGP)。
在本发明的一个优选形式中，BGP在离开气体混合器(GM)子系统之前通过传感器。该传感器监测BGP各种成分的浓度。来自该传感器的数据被送回到气体比例调节器，该气体比例调节器然后调节(i)基于其变化的分析物浓度的AGS和(ii)一种或多种稀释气体(例如，O2、CO2和N2)的流率，所述稀释气体当被组合时有时候在本文被称为“组合的稀释气流”或“CDGS”，其最终与AGS组合，以便确保BGP的正确组成。因此，在本发明的这种形式中，气体混合器(GM)子系统提供实时反馈控制，其实时调节用来通过加湿产生BGP的AGS和CDGS的量，以便补偿由AG产生的AGS的浓度的任何变化，使得最终的BGP具有既准确又精确的气体浓度。
在本发明的一种形式中，气体分析器(GA)通过比较声音通过载气(例如，氦气)的速度和声音通过AGS的速度来监测在分析物气化器(AG)子系统中产生的AGS的浓度，声音通过载气的速度是该载气的已知物理常数，计算速度差并将其用于确定AGS中挥发性分析物的浓度。
气体混合器(GM)子系统的输出可用于多种目的。作为示例而非限制，在CDGS和湿气混合以便模拟呼出的人类的呼吸的情况下，BGP可用于测试高性能呼吸传感器。作为进一步的示例而非限制，在分析物是乙醇的情况下，BGP可用于用以确定人的BrAC的测试检测器。
在本发明的一种形式中，提供了一种用于产生高精度混合气体产品(BGP)的系统，该系统包括：
呈液体形式的挥发性分析物的供应；
惰性载气的供应；
至少一种稀释气体的供应；
分析物气化器(AG)子系统，用于接收呈液体形式的挥发性分析物、雾化挥发性分析物并将雾化的挥发性分析物与惰性载气混合以便形成分析物气流(AGS)；以及
气体混合器(GM)子系统，用于从所述AG子系统接收所述AGS并且将所述AGS与至少一种稀释气体的供应混合以便产生所述BGP，其中所述GM子系统包括：
气体分析器(GA)，用于接收AGS并对其进行分析；
气体比例调节器，用于接收来自GA的AGS，接收至少一种稀释气体，并且基于GA的结果来配比AGS和至少一种稀释气体，以便提供配比的AGS和配比的至少一种稀释气体；以及
气体混合室，用于接收来自气体比例调节器的配比的AGS和配比的至少一种稀释剂，以便产生BGP。
在本发明的另一形式中，提供了一种用于生产高精度混合气体产品(BGP)的方法，该方法包括：
提供：
呈液体形式的挥发性分析物的供应；
惰性载气的供应；以及
至少一种稀释气体的供应；
雾化挥发性分析物并将雾化的挥发性分析物与惰性载气混合以便形成分析物气流(AGS)；以及
将所述AGS与所述至少一种稀释气体的供应混合以便产生所述BGP，其中所述混合包括：
分析所述AGS；
基于分析所述AGS的结果来配比AGS和至少一种稀释气体，以便提供配比的AGS和配比的至少一种稀释气体；以及
将配比的AGS和配比的至少一种稀释剂混合以便产生BGP。
在本发明的另一形式中，提供了一种用于接收呈液体形式的挥发性分析物、雾化挥发性分析物并将雾化的挥发性分析物与惰性载气混合以便形成分析物气流(AGS)的挥发器，所述挥发器包括：
第一管，所述第一管被构造成接收呈液体形式的挥发性分析物，所述第一管具有第一部分，所述第一部分包括远端、近端、以及在所述远端和所述近端之间延伸的管腔，所述第一管的所述第一部分具有在所述远侧方向上向内渐缩的外表面；
第二管，其被构造成接收所述惰性载气，所述第二管具有第二部分，所述第二部分包括远端、近端和在所述远端和所述近端之间延伸的管腔，所述第二管的所述第二部分具有从较大直径到较小直径阶跃减小的内表面；
所述第二管的所述第二部分同轴地设置在所述第一管的所述第一部分上，使得所述第二管的所述第二部分的所述内表面与所述第一管的所述第一部分的所述外表面间隔开；以及
第一管的第一部分的远端邻近第二管的第二部分的内表面的从较大直径阶跃减小到较小直径的位置设置。
附图说明
通过下面要结合附图考虑的对本发明的优选实施例的详细描述，本发明的这些和其他目的和特征将被更充分地公开或变得显而易见，其中相同的附图标记表示相同的部件，并且进一步地其中：
图1是示出用于产生包括挥发性分析物的高精度混合气体混合物的新颖装置的示意图，该混合气体混合物在本文中有时被称为“混合气体产品”或“BGP”，其中该新颖装置包括两个子系统：(i)分析物气化器(AG)子系统，其采用呈液体形式的挥发性分析物，雾化挥发性分析物并将雾化的分析物与惰性载气混合，以便产生分析物气流，有时在本文称为“AGS”，以及(ii)气体混合器(GM)子系统，其将AGS与其他气体混合，并且还向AGS提供加湿，以便以高准确度和精度产生期望浓度的BGP；
图2是示出用于产生BGP的新颖装置的示意图，其中以分解图示出了分析物气化器(AG)子系统，并且还示出了从气体混合器(GM)子系统分解的气体分析器(GA)；
图3是更详细地示出分析物气化器(AG)子系统的示意图，其中分析物气化器(AG)子系统通常包括(a)试剂和温度控制器模块、(b)泵模块和(c)挥发和膨胀室模块，并且还示出气体混合器(GM)子系统的气体分析器(GA)；
图4是示出了试剂和温度控制器模块的进一步细节的示意图；
图5是示出了泵模块的进一步细节的示意图；
图6是示出挥发和膨胀室模块的进一步细节的示意图，其中挥发和膨胀室模块包括雾化器；
图7-图9是示出挥发和膨胀室模块的雾化器的进一步细节的示意图；以及
图10是示出GA模块以及附加装置的进一步细节的示意图。
具体实施方式
首先参见图1和图2，示出了用于产生包括挥发性分析物的高精度混合气体混合物(即，“混合气体产品”或“BGP”)的新颖装置5，其中BGP可以用于各种目的。作为示例而非限制，在混合稀释气体和湿气以模仿人类呼出的呼吸的情况下，BGP可用于测试高性能呼吸传感器。作为进一步的示例而非限制，在分析物是乙醇的情况下，BGP可用于用以确定人的BrAC的测试检测器。
为了更好的理解，在下文中有时将在使用装置5来产生模仿人类呼出呼吸的加湿BGP的情况下讨论所述装置，并且在分析物是乙醇的情况下，例如，诸如用于校准和测试基于呼吸的酒精检测器所需的BGP，所述酒精检测器诸如由DADSS程序提供的酒精检测器。然而，装置5的这种应用仅仅是示例性的，不应该被解释为将本发明限制于模仿人类呼出呼吸的BGP的产生和/或在分析物是乙醇的情况下，本发明能够产生具有各种组分并且包括各种挥发性分析物的广泛范围的BGP。
新颖的装置5通常包括两个子系统：(i)分析物气化器(AG)子系统10，其采用呈液体形式的挥发性分析物，雾化挥发性分析物并将雾化的挥发性分析物与惰性载气混合，以便产生分析物气流，有时在本文称为“AGS”，和(ii)气体混合器(GM)子系统15，其将AGS与其他气体混合，并且还提供对AGS的加湿，以便产生具有高准确度和精度的期望浓度的BGP。
分析物气化器(AG)子系统10
分析物气化器(AG)子系统10采用呈液体形式的挥发性分析物，雾化挥发性分析物并将雾化的挥发性分析物与惰性载气混合，以便产生分析物气流，有时在本文称为“AGS”。由分析物气化器(AG)子系统10输出的AGS被馈送到气体混合器(GM)子系统15，以便产生期望的BGP。
现在参见图1-图3，分析物气化器(AG)子系统10通常包括(a)试剂和温度控制器模块20，(b)泵模块25，和(c)挥发和膨胀室模块30。
如下文将讨论的，试剂和温度控制器模块20用于(i)向泵模块25供应将在挥发和膨胀室模块30中要雾化的分析物(例如，乙醇)，(ii)向泵模块25供应密封洗涤溶液(见下文)，以及(iii)调节挥发和膨胀室模块30的挥发室(见下文)的温度。泵模块25将分析物(例如乙醇)供应到挥发和膨胀室模块30。温度受控的挥发和膨胀室模块30接收呈液体形式的分析物(例如乙醇)，将分析物(例如乙醇)雾化并将分析物与惰性载气(例如氦气)混合以便产生分析物气流，有时在本文称为“AGS”。
(a)试剂和温度控制器模块20
试剂和温度控制器模块20用于将分析物(例如，乙醇)和密封洗涤溶液供应到泵模块25，并且试剂和温度控制器模块20用于控制挥发和膨胀室模块30的挥发室(见下文)的温度。
试剂和温度控制器模块20在图4中被进一步详细地示出。试剂和温度控制器模块20通常包括密封洗涤溶液供应装置40、分析物(例如乙醇)溶液供应装置45和用于控制挥发和膨胀室模块30的挥发室(见下文)的温度的温度控制器50。用于密封洗涤溶液供应装置40的馈送管线55、用于分析物(例如乙醇)溶液供应装置45的馈送管线57和用于密封洗涤溶液供应装置40的返回管线60连接到泵模块25。馈送管线55将密封洗涤溶液提供到泵模块25，并且馈送管线57将分析物(例如乙醇)提供到泵模块25。从泵模块25返回的任何密封洗涤溶液通过返回管线60流入密封洗涤溶液供应装置40。
温度控制器50 (其优选地连接到挥发和膨胀室模块30中的热电偶65，参见图6)用于将挥发和膨胀室模块30的挥发室(见下文)的温度保持在一个或多个预定的温度设定值。
(b)泵模块25
泵模块25用于将分析物(例如乙醇)供应到温度受控的挥发和膨胀室模块30。泵模块25在图5中更详细地示出。在本发明的一个优选实施例中，泵模块25是高性能液体泵。更特别地，用于泵模块25中的泵优选地是超高压双活塞泵。超高压双活塞泵是双头类型的，以便减小脉动并确保稳定的流量被提供给挥发和膨胀室模块30。泵模块25包括控制器70和用于灌注高性能液体泵的旋钮75。
为了防止泵的污染和密封失效，使用密封洗涤溶液来冲洗泵头的后部。密封洗涤溶液可以是丙醇、另一有机密封洗涤溶液或非有机密封洗涤溶液。密封洗涤溶液在管线80处进入泵模块25 (经由试剂和温度控制器模块20的馈送管线55)，并且在管线85处离开泵模块25 (并且经由试剂和温度控制器模块20的返回管线60返回到密封洗涤溶液供应装置40)。尽管由于分析物(例如，乙醇)与泵头的内部工作方式的非反应性，可能不需要冲洗泵头的后部，但是这种预防性措施被认为是确保可靠工作系统的良好实践。另外，在泵头后面的液体(即，密封洗涤溶液)的存在有助于隔离振动和平衡泵头内的内部操作压力。
来自试剂和温度控制器模块20的分析物(例如乙醇)在管线90处(经由试剂和温度控制器模块20的馈送管线57)进入泵模块25，并在管线95处离开泵模块25，在那里其被泵送到挥发和膨胀室模块30。
(c)挥发和膨胀室模块30
挥发和膨胀室模块30是温度控制单元，其接收呈液体形式的分析物(例如，乙醇)，雾化分析物(例如，乙醇)并将分析物与惰性载气(例如，氦气)混合以便产生分析物气流，有时在本文称为“AGS”。挥发和膨胀室模块30详细地示出在图6-图9中。
在本发明的一个优选的实施例中，挥发和膨胀室模块30包括雾化器100、膨胀室105和挥发室110。挥发和膨胀室模块30也可以包括调节阀115和压力释放机构120。调节阀115控制从挥发和膨胀室模块30排出并通到气体混合器(GM)子系统15的AGS的流率。管线95获取从泵模块25流入的分析物(例如乙醇)并将其带入雾化器100的第一入口125。载气(例如，氦气)从载气供应装置130 (参见图1)引入配件135，所述配件经由载气管线141通向雾化器100的第二入口140。管线95和载气管线141进入雾化器100以便形成“T”形连接。在雾化器100中，通过雾化器100的第二入口140引入的载气(例如，氦气)流过经由雾化器100的第一入口125引入的液体分析物(例如，乙醇)，从而经由配件142将分析物(例如，乙醇)引入挥发室110。
更特别地，并且现在参见图7-图9，其示出了挥发和膨胀室模块30的雾化器100的放大视图，雾化器100被用于将液体分析物(例如，乙醇)的流注入流动的载气流(例如，氦气)中，此后两种流的混合物进入温度控制的挥发室110。应当理解，通过在混合物进入挥发室110之前产生分析物(例如乙醇)和载气(例如氦气)的均质混合物，两种流的混合降低了分析物(例如乙醇)浓度的可变性。雾化器100内的管线95的尖端被珩磨成低角度圆锥点143，以便显著降低液体分析物(例如乙醇)与载气(例如氦气)相遇的点处的表面积量。减小该表面积减小了液体分析物(例如乙醇)到管线95 (其可以包括PEEK管道或由另一种材料形成的管道)的毛细附着。将该圆锥形状与流过管线95的管道的圆锥尖端143的加速载气(例如，氦气)流组合确保了液体分析物(例如，乙醇)液滴完全芯吸到载气(例如，氦气)中。
将液体分析物(例如乙醇)引入到挥发和膨胀室模块30是设计的重要方面。如果没有平稳的、无脉动的液体分析物(例如，乙醇)流入挥发室110，系统将不能提供所需的精度水平。为了允许系统5提供所需的精度水平，使用高精度泵来提供液体分析物(例如，乙醇)进入挥发室110的平稳的、无脉动的流动。在本发明的一种形式中，在泵模块25中使用高性能双头泵。更特别地，用于泵模块25中的泵优选地是超高压双活塞泵。超高压双活塞泵能够以±0.1%的可重复性处理低至0.001 mL/min的流率。在0.2 mL/min和更高的流率下，泵送的准确性被证实为±2%，其中测试是用在1000 PSI下泵送的80:20 IPA溶液进行的。泵送溶液的压力也被证实为±2%。这些能力使得可以提供作为该泵的标准特征的脉动阻尼补偿。
这种类型的泵利用通过其两个头部的抵消脉冲以便产生非常稳定的流率。
这种泵中的误差来自液体分析物(例如，乙醇)的流率和在低密度液体中发现的毛细管特性。液体的表面张力与该液体的毛细管特性直接相关。作为示例而非限制，乙醇的分子间力在25摄氏度产生22×10^-3 J/m^2的表面张力。尽管这比水低得多(在20摄氏度下72.8×10^ -3J/m^2)，但是当该表面张力与将液体保持到构成毛细管(即，PEEK管道)的物质的粘附力结合时，它可能破坏浓度的一致性。
更特别地，发现对于分析物气化器(AG)子系统10，为了在1 LPM气体流率下以±29ppm的准确度产生16000 ppm的流出物，乙醇流必须以80 uL/min的速率泵送。在80 uL/min下，通过1/16''孔口，发现毛细力足够强以增大泵送曲线并引起乙醇浓度中可观察到的波纹效应。显著地，这通过使PEEK管的尖端逐渐变细的本设计来避免，该设计将乙醇引入载气(例如，氦气)流的中部。
另外，为了获得最高的精度，该装置必须能够容易地实时雾化所有进入的分析物(例如，乙醇)。这个任务通过改变用于将载气(例如，氦气)带入挥发室110的管线的内径来完成。当将溶液泵入具有高度无孔表面的固定内径管线中时，溶液处于沉积在室的侧面上的风险，在所述室的侧面处，流率最慢并且气体的流动是最层流状的。在初始测试期间，当在长的运行时间内观察分析物的浓度时，这种异常是可识别的。为了抵消这种影响，载气管线的尺寸从1/4''内径管线逐步减小至1/8''内径管线。然后，该1/8''内径的管线进入直径为2.5''的室。毛细管的尖端位于1/4''和1/8''管道之间的连接处，以最大化任何潜在的液滴芯吸进入气流中，同时孔板过渡将产生增加的流率和湍流。当AGS进入加热的挥发室时，这种增加的压力(16倍高（16x higher）)和流率(16倍高)则将显著地降低。极端温度以及压力急剧下降同时体积增加的组合协同工作，以便确保液体分析物(例如乙醇)适当挥发成气体状态。
更具体地，并且现在参见图9，雾化器100被构造成使得：
(i)管线95具有外表面，该外表面在远侧方向上向内渐缩，而管线95的内腔保持直径恒定；
(ii)载体管线141具有从较大直径到较小直径阶跃减小的内表面；以及
(iii)管线95的远端(即，锥形尖端143)被设置成与载体管线141的内表面从较大直径阶跃减小到较小直径的位置相邻。
这样，雾化器100提供液体分析物(例如，乙醇)到载气(例如，氦气)中的完全芯吸，使得从泵模块25接收的所有液体分析物(例如，乙醇)被雾化。
挥发室110被加热到比分析物的沸点足够热的温度。这确保了载气中夹带的所有液体分析物都挥发。作为示例但不是限制，当分析物是乙醇时，挥发室110优选地被加热到大约90摄氏度，其比乙醇的沸点足够热。
AGS然后经由管道144流入膨胀室105，在那里允许其在流出膨胀室105之前均化，通过压力调节阀115和管145进入气体混合器(GM) 15。
压力释放机构120被连接到挥发室110上，并且被设定到在系统的压力极限内的释放压力。因此，分析物气化器(AG)子系统10在分析物气化器(AG)子系统10中累积过大压力的情况下是安全的。
气体混合器(GM)子系统15
气体混合器15从分析物气化器(AG)子系统10接收AGS，将AGS与其他气体混合，并且还向AGS提供加湿，以便以高准确度和精度产生期望浓度的BGP。
气体混合器(GM)子系统15通常包括：
(a)气体分析器(GA) 146，其监测来自分析物气化器(AG)子系统10的AGS的浓度；
(b)气体比例调节器147，其从气体分析器(GA) 146接收数据并使用该数据来适当地配比(i)基于其分析物浓度的任何变化的AGS和(ii)一种或多种稀释气体(例如，O2、CO2和N2)的流率(经由流量控制阀，参见图1)，所述稀释气体当被组合时有时在本文被称为“组合的稀释气流”或“CDGS”，其最终将与AGS组合；
(c)加湿器148，用于对离开气体比例调节器的配比CDGS进行加湿，以便产生气流，该气流在本文中有时被称为“加湿的混合稀释气流”或“HCDGS”；
(d)气体混合管149，其接收来自气体比例调节器147的配比的AGS和来自加湿器148的配比的HCDGS，以便产生包括挥发性分析物(即BGP)的期望的高精度混合气体混合物；以及
(e)传感器150，其从气体混合管149接收BGP并监测BGP的各种成分的浓度。如果需要，传感器150可以提供实时反馈控制，其调节用于产生BGP的AGS和加湿的稀释气体的量，以便补偿由分析物气化器(AG)子系统10产生的AGS浓度的任何变化，从而最终BGP具有高度准确和精确的气体浓度。
(a)气体分析器(GA) 146
气体分析器(GA) 146从分析物气化器(GM)子系统10接收AGS，并监测AGS中的分析物的浓度。注意，监测AGS中的分析物浓度是重要的，因为环境和操作条件有时可引起AGS中的分析物浓度的变化。这种环境条件的示例是室温、大气压力等。这种操作条件的示例是系统温度、系统压力等。来自GA 146的数据报告给气体比例调节器180，并且AGS被发送到气体比例调节器180。气体分析器(GA) 146在图10中更详细地示出。
气体分析器(GA) 146分析在管145中离开挥发和膨胀室模块30的AGS的浓度。AGS的这种测量是非侵入性的，并且准确度可以在百万分之几(PPM)内，例如，在分析物是乙醇的情况下为30-300 ppm。在本发明的优选形式中，气体分析器(GA)包括二元气体分析器，并且具有测量两种不同气体的比率的能力。作为示例而非限制，气体分析器146可以测量乙醇气体与氦气气体的比率。气体分析器146可以使用红外光谱或本领域技术人员已知的其他电磁光谱带中的光谱分析、色谱分析或其他方法。在本发明的优选形式中，气体分析器146使用强的和/或广泛的特性来测量气体浓度。例如，气体分析器146可以使用包括但不限于温度、压力、热导率、流率和/或声速测量的物理性质来确定气体浓度。
如图10中所示，系统5还可包括用于从载气供应装置130中去除杂质或颗粒的过滤器155，以及用于确定气体流率的流量计160。该流量计160可以是但不限于机械流量计、计量阀或质量流量控制器，其用作使用来自气体分析器(GA) 146的测量的反馈系统的一部分。在系统5包括过滤器155的情况下，载气(例如，氦气)通过入口165进入过滤器155，并在其经由配件135进入挥发和膨胀室模块30之前通过出口170离开过滤器155 (参见图6)。
(b)气体比例调节器147
气体比例调节器147使用来自气体分析器(GA)146的数据来适当地配比(i)基于其分析物浓度的任何变化的AGS，和(ii)一种或多种稀释气体(例如O2、CO2和N2)的流率，所述稀释气体当被组合时在本文有时候被称为“组合的稀释气流”或“CDGS”。
在本发明的一个优选形式中，气体比例调节器147配比稀释气体1的源(例如，N2)195、稀释气体2的源(例如，CO2) 200和稀释气体3的源(例如，O2) 205的流率。更特别地，气体比例调节器147使用从气体分析器(GA) 146接收的数据，根据需要配比稀释气体的流率，以最终产生期望的混合气体产品(BGP)。气体比例调节器147还将一种或多种配比的稀释气体(例如，O2、CO2和N2)组合成“组合的稀释气流”或“CDGS”。来自气体比例调节器147的配比的CDGS然后经由供应管线207被送至加湿器148。
同时，配比的AGS (经由供应管线208)流到气体混合管149 (参见下文)。
如图1中所见，气体比例调节器147使用各种流量控制阀来调节AGS、稀释气体1、稀释气体2、稀释气体3等和CDGS的比例。在本发明的一种形式中，气体比例调节器147包括质量流量控制器(MFC)。
(c)加湿器148
加湿器148从气体比例调节器147接收配比的CDGS，并加湿配比的CDGS以提供气流，该气流有时在本文称为“加湿的组合稀释气流”或“HCDGS”。为此，加湿器148接收来自湿气源210的水蒸气。来自加湿器148的HCDGS然后经由供应管线220被送到气体混合管149。优选地，加湿器148、湿气源210和气体混合管149容纳在温度控制室225中。
(d)气体混合管149
气体混合管149接收来自气体比例调节器147的配比的AGS和来自加湿器148的配比的HCDGS。当各种成分在气体混合管149内混合时，结果是包括挥发性分析物的高精度混合气体混合物(即BGP)。然后，BGP经由温度受控的供应管线230被发送到传感器150。
(e)传感器150
传感器150从气体混合管149接收BGP并对其进行分析，即传感器150监测BGP的各种成分的浓度。并且，如果需要，来自传感器150的数据可被送回到气体比例调节器147，其然后调节(i) AGS和(ii)一种或多种稀释气体(例如，O2、CO2和N2)的流率，以便确保BGP的正确组成。因此，在本发明的这种形式中，气体混合器(GM)子系统15提供实时反馈控制，其实时调节用于产生BGP的AGS和CDGS的量，以便补偿由分析物气化器(AG)子系统10产生的AGS的浓度的任何变化，使得最终的BGP具有既准确又精确的气体浓度。作为示例而非限制，当BGP要模拟人类呼出的呼吸时，传感器150实时地调节用于产生BGP的AGS和CDGS的量，使得最终的BGP具有模拟人类呼出的呼吸的气体浓度，以便将期望的加湿的BGP提供到待校准和测试的检测器(例如，基于呼吸的酒精检测器)。
应当理解，装置的最终反馈可以在装置与用于传感器150的多个基于气体的实验室级仪器中的任何一个的集成的情况下找到。利用基于气体的实验室级仪器来附加地调节气体比例调节器147可确保系统中的任何和所有误差可根据需要被考虑和管理。
本发明的一些优点
本发明提供了优于现有技术的许多优点。其中，本发明：
•提供了一种用于产生处于低浓度的加湿的有机气体分析物的系统，例如，低至300 ppm的浓度；
•可以利用物理常数(即，通过气体的声速)来确定分析物浓度的准确度和精度(例如，气体分析器，诸如二元气体分析器)，而不是使用分析物的校准标准(例如，诸如当使用载气中的分析物的预填充罐时)；
•确保分析物的完全挥发，因为内部体积和毛细管尺寸的比率被设计成在加热室之前雾化有机物；
•可以具有内置的贮槽以进一步使分析物均化，从而确保来自液滴形成和内部流动动力学的变化被减轻；
•利用连续排出阀，其允许气体混合器(GM)子系统根据需要虹吸不同体积的分析物，以：
o产生不同浓度的分析物(例如，乙醇)气体(0.00% BrAC至0.325% BrAC)；
o以不同的流率(5.0 LPM至35.0 LPM)产生这些分析物(例如乙醇)浓度；并且
o确保由质量流量控制器(MFC)位置(即，在气体比例调节器中)引起的压力差不会引起将影响挥发和总体准确度和精度的压力差；
•使用能够精确混合配比的AGS和配比的HCDGS的气体混合管，以模仿人类呼出的呼吸或感兴趣的特定气体混合物；
•使用气体分析器和气体比例调节器来调节气体的比率，以考虑分析物气流(例如，氦气中的乙醇)的变化；
•在混合之后和引入AGS之前对配比的CDGS进行加湿，其
o产生加湿呼吸，而不会不利地影响分析物(例如，乙醇)的浓度；并且
o提供通常很难获得的精度和湿度；
•通过将加湿器和气体混合管加热到期望的温度(例如，34摄氏度)以及通过加热的管线输送气体混合物来保持气体混合物稳定并阻止水将分析物(例如，乙醇)从气相中抽出；以及
o通过传感器馈送装置5的输出以确认气体混合物的组成，并允许根据需要进行调整。
优选实施例的修改
应该理解，本领域技术人员可以对为了解释本发明的本质而在本文描述和示出的细节、材料、步骤和部件布置进行许多附加的改变，而仍然保持在本发明的原理和范围内。

Claims (31)

1.一种用于产生高精度混合气体产品(BGP)的系统，所述系统包括：
呈液体形式的挥发性分析物的供应；
惰性载气的供应；
至少一种稀释气体的供应；
分析物气化器(AG)子系统，用于接收呈液体形式的所述挥发性分析物、雾化所述挥发性分析物并将雾化的挥发性分析物与所述惰性载气混合以便形成分析物气流(AGS)；以及
气体混合器(GM)子系统，用于从所述AG子系统接收所述AGS并且将所述AGS与至少一种稀释气体的供应混合以便产生所述BGP，其中所述GM子系统包括：
气体分析器(GA)，用于接收所述AGS并对其进行分析；
气体比例调节器，用于接收来自所述GA的AGS，接收所述至少一种稀释气体，并且基于所述GA的结果来配比所述AGS和所述至少一种稀释气体，以便提供配比的AGS和配比的至少一种稀释气体；以及
气体混合室，用于从所述气体比例调节器接收所述配比的AGS和所述配比的至少一种稀释剂，以便产生BGP。
2.根据权利要求1所述的系统，还包括温度控制室，并且进一步地，其中所述气体混合室被容纳在所述温度控制室内。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述挥发性分析物包括乙醇。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述惰性载气包括氦气。
5.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一种稀释气体包括三种稀释气体。
6.根据权利要求5所述的系统，其中所述三种稀释气体包括N2、CO2和O2。
7.根据权利要求6所述的系统，其中所述气体比例调节器将所述三种稀释气体进行配比，以便形成组合的稀释气流(CDGS)。
8.根据权利要求7所述的系统，其中所述CDGS中的所述三种稀释气体的比率类似于人类呼出呼吸中的所述三种稀释气体的比率。
9.根据权利要求1的系统，还包括加湿器，用于从所述气体比例调节器接收配比的至少一种稀释气体，并用于在将配比的至少一种稀释气体传送到所述气体混合室之前加湿配比的至少一种稀释气体。
10.根据权利要求9所述的系统，其中所述加湿器将所述配比的至少一种稀释气体加湿到与人类呼出的呼吸中的湿度水平类似的湿度水平。
11.根据权利要求9所述的系统，还包括温度控制室，并且进一步地，其中，所述气体混合室和所述加湿器被容纳在所述温度控制室内。
12.根据权利要求1所述的系统，其中所述至少一种稀释气体包括三种稀释气体，其中所述三种稀释气体包括N2、CO2和O2，其中所述气体比例调节器将所述三种稀释气体进行配比以便形成组合稀释气流(CDGS)，其中所述CDGS中的三种稀释气体的比率类似于人类呼出呼吸中的所述三种稀释气体的比率，其中所述系统进一步包括加湿器，用于从所述气体比例调节器接收所述CDGS并用于在将经加湿的CDGS传递到所述气体混合室之前对所述CDGS进行加湿，且进一步其中所述加湿器将所述CDGS加湿到与人类呼出呼吸中的湿度水平类似的湿度水平。
13.根据权利要求1所述的系统，其中，所述气体分析器(GA)包括二元气体分析器(BGA)。
14.根据权利要求1所述的系统，其中所述气体混合室包括气体混合管。
15.根据权利要求1所述的系统，还包括用于从所述气体混合室接收所述BGP并对其进行分析的传感器。
16.根据权利要求15所述的系统，其中，所述气体比例调节器进一步构造成基于所述传感器的结果来使所述AGS和所述至少一种稀释气体进行配比。
17.一种用于产生高精度混合气体产品(BGP)的方法，所述方法包括：
提供：
呈液体形式的挥发性分析物的供应；
惰性载气的供应；以及
至少一种稀释气体的供应；
雾化所述挥发性分析物并将雾化的挥发性分析物与所述惰性载气混合以便形成分析物气流(AGS)；以及
将所述AGS与所述至少一种稀释气体的供应混合以便产生所述BGP，其中所述混合包括：
分析所述AGS；
基于分析所述AGS的结果来配比所述AGS和所述至少一种稀释气体，以便提供配比的AGS和配比的至少一种稀释气体；以及
将配比的AGS和配比的至少一种稀释剂混合以便产生BGP。
18.根据权利要求17的方法，其中配比的AGS和配比的至少一种稀释气体在温度受控的环境中混合。
19.根据权利要求17所述的方法，其中所述挥发性分析物包括乙醇。
20.根据权利要求17所述的方法，其中所述惰性载气包括氦气。
21.根据权利要求17所述的方法，其中所述至少一种稀释气体包括三种稀释气体。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述三种稀释气体包括N2、CO2和O2。
23.根据权利要求22所述的方法，其中所述三种稀释气体被配比以便形成组合稀释气流(CDGS)。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述CDGS中的三种稀释气体的比率类似于人类呼出呼吸中的三种稀释气体的比率。
25.根据权利要求17的方法，其中在与所述AGS混合之前，将配比的至少一种稀释气体加湿。
26.根据权利要求25所述的方法，其中将配比的至少一种稀释气体加湿到与人类呼出的呼吸中的湿度水平类似的湿度水平。
27.根据权利要求25所述的方法，其中加湿在温度受控的环境中进行。
28.根据权利要求27所述的方法，其中所述至少一种稀释气体包括三种稀释气体，其中所述三种稀释气体包括N2、CO2和O2，其中所述三种稀释气体被配比以便形成组合稀释气流(CDGS)，其中所述CDGS中的所述三种稀释气体的比率类似于人类呼出呼吸中的所述三种稀释气体的比率，其中在与配比的AGS混合之前加湿所述CDGS，并且进一步地其中将所述CDGS加湿到与人类呼出呼吸中的湿度水平类似的湿度水平。
29.根据权利要求17所述的方法，其中所述BGP被分析。
30.根据权利要求29所述的方法，其中所述AGS和所述至少一种稀释气体的配比进一步基于所述BGP的分析。
31.一种挥发器，用于接收呈液体形式的挥发性分析物、雾化所述挥发性分析物并且将雾化的挥发性分析物与惰性载气混合以便形成分析物气流(AGS)，所述挥发器包括：
第一管，所述第一管被构造成接收呈液体形式的挥发性分析物，所述第一管具有第一部分，所述第一部分包括远端、近端、以及在所述远端和所述近端之间延伸的管腔，所述第一管的所述第一部分具有在所述远侧方向上向内渐缩的外表面；
第二管，其被构造成接收所述惰性载气，所述第二管具有第二部分，所述第二部分包括远端、近端和在所述远端和所述近端之间延伸的管腔，所述第二管的所述第二部分具有从较大直径到较小直径阶跃减小的内表面；
所述第二管的所述第二部分同轴地设置在所述第一管的所述第一部分上，使得所述第二管的所述第二部分的所述内表面与所述第一管的所述第一部分的所述外表面间隔开；以及
所述第一管的第一部分的远端邻近所述第二管的第二部分的内表面从较大直径阶跃减小到较小直径的位置设置。
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