CN115979744A - 一种带气流缓冲的气体检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种带气流缓冲的气体检测装置，由缓冲器（200）、隔膜泵（300）及气敏传感器（400）串联组成，可以消除隔膜泵的压强脉冲，并获得稳定的流量，用于的气体采样和气体分析。

Description

一种带气流缓冲的气体检测装置

技术领域

本发明装置涉及气体检测领域，尤其是呼气检测领域。

背景技术

气体检测目前已经应用到各行各业，有诸如有毒有害气体检测、环境中排放气体检测、人体呼出气检测等各领域。

气体检测中大部分都有应用到气泵进行气体采样、气体分析等，市场上用于气体检测的气敏传感器需要控制气体的流量，特别是用于人体呼出气检测时，对呼出气进行采样和分析时，需要使用气泵(如隔膜泵或其他类型往复泵)提供稳定的气流。例如在鼻抽气一氧化氮采样时，采样浓度会受到5mL/s或10mL/s的抽气流量影响，需要控制流量波动幅度在10％以内。气敏传感器在分析时通常选择1mL/s或者2mL/s的分析流量，需要控制流量波动幅度在10％以内，不然就会影响检测的精度。

现有技术的隔膜泵(或其他类型往复泵)是利用曲轴带动活塞配合单向阀周期性地改变泵内腔体容积形成压力变化的方式工作的，工作时必然产生较大脉冲压力波动，且流量是非连续的。这个脉冲压力在不做处理的情况下会对检测压力和流量的传感器造成损坏；用于人体呼出气检测是会造成受试者的严重不适感；亦会对气敏传感器的检测精度产生不良影响。

为了解决如上的问题，现有技术通常会使用以下两类方法平滑隔膜泵工作时的压力波动。

方法一是使用阻力型缓冲器(如细长的微小管路等)串联在气路中，通过限制气流流动来减小压力波动，但同时会给气泵带来较大的压力和流量损失。

另一种方法是增加压力缓冲气罐，依据波义耳定律，如果想要较小的压力波动，需要较大的容积，这会给气体检测气路中增加了较大的死腔体积，影响气体分析结果。

发明内容

本发明提供了一种带气流缓冲的气体检测装置，不影响泵流量、不增加死腔体积，就可以消除隔膜泵的压强脉冲，获得稳定的流量，且制造简单、尺寸小巧、亦可与其他呼气测量单元融合，尤其适合常压应用的呼气采样和呼气分析领域。

本发明提出的一种带气流缓冲的气体检测装置由缓冲器(200)、隔膜泵(300)及气敏传感器(400)串联组成，如图1所示。其特征在于，所述缓冲器(200)由刚性支撑体(220)、弹性膜片(210)组成，密封连接，所述刚性支撑体(220)上至少设有一个通气口(230)，内部腔体为缓冲腔体(240)，如图3所示。

隔膜泵(300)用于气体检测装置提供气流运动动力，可提供流量范围为3mL/min-3000mL/min。

气敏传感器(400)用于气体检测装置的气体检测，可进行检测气体为人体呼出气，为NO、CO、H2S、H2、CH4或NH3传感器。

所述缓冲腔体(240)的容积要满足弹性膜片(210)最大反向拉伸的要求。

所述缓冲腔体(240)的容积要和隔膜泵(300)的输出流量相适应。

V_m＝C_d·Q/v·t  (1.1)

V_m为有效容积

C_d为流量系数，与气体的温度、密度、粒度等相关

Q为隔膜泵输出排量

v为隔膜泵转速

t为单位时间

假定忽略管路容积的影响时，波动消除效率正相关

V_L为拉伸容积

C_p为压力系数，与隔膜泵的真空度相关

推导出公式如下：

根据实际应用的不同，脉动消除率K最高可以达到99.9％，即残余脉动控制在0.1％以内。在气体检测领域，一般残余脉动控制在10％以内，即脉动消除率K＝90％。

根据波义耳定律V＝C/P，气体的体积和气体的压强成反比，通过弹性膜片和缓冲腔体的容积即可抵消相应的压强变化。

K＝ΔP_max1/ΔP_max2  (1.4)

K为波动消除率

ΔP_max1为残余峰值压强，即气流经过缓冲装置后的最大压强和最小压强差

ΔP_max2为波动峰值压强，即气流原始的最大压强和最小压强差

为了达到较高的波动消除率，依据不同的弹性膜片硬度可以将拉伸容积取为0.1～10倍的泵有效容积。

在给定的工作压力下和弹性膜片面积时，最大拉伸容积时对应的压强会降低波动消除效率。

弹性膜片形变的计算简图如图5所示，缓冲器中所使用的弹性膜片厚度相对来说较薄，可以把其弯曲时的刚度忽略不计，也就是说在弹性膜片所受弹性变形时，其弯曲对弹性膜片的平衡不产生任何影响。弹性膜片外部荷载由作用在圆面中的拉力来维持平衡，就如同薄膜一样，通常称这种弹性膜片为绝对柔韧的。绝对柔韧膜片可以看作大挠度壳体计算问题的一般解的特例，其近似曲面方程为：

式中:W₀为弹性膜片中心挠度，mm；

W为弹性膜片纵坐标值，mm；

R为弹性膜片半径，mm；

r为从对称轴到弹性膜片上计算点的距离，mm。

压力差与最大挠度的关系式为：

可得到：

式中，Δp为弹性膜片两边的压强差，MPa；

μ为泊松比；

E为材料弹性模量，GPa；

h为弹性膜片厚度，mm。

弹性膜片离开中间位置向两个方向弯曲时所包围的容积为：

V_L＝πR²W₀  (1.8)

选定弹性膜片，厚度、直径确定，即可计算可抵消的压强值Δp。

本发明使用的弹性膜片(210)作为压力阻尼器件，利用弹性膜片(210)的拉升和收缩吸收压力波动，当气体管路内压力升高时，本发明装置上的弹性膜片(210)受力拉伸，可以削弱正压脉冲；当气体管路内压力下降时，弹性膜片(210)收缩或被反向拉伸，可以削弱负压脉冲。在合理设计膜片尺寸和和硬度时可以达到较好的缓冲效果。

弹性膜片(210)为弹性高分子材料，可选硅胶、氟橡胶、PE膜、PVC膜等。

弹性膜片(210)依据材质，可以选择超声焊接、热熔、密封圈或者压接的方式保持密封性。

进一步地，缓冲器(200)和隔膜泵(300)也可交换位置，缓冲器(200)设置于隔膜泵(300)后端。缓冲器(200)也可旁流接入隔膜泵(300)的前端或后端。

现有技术的隔膜泵(或其他类型往复泵)是利用曲轴带动活塞配合单向阀周期性地改变泵内腔体容积形成压力变化的方式工作的，所以气体入口和气体出口都存在压力脉冲，而且流量存在较大的波动。将本发明的缓冲器装置设置于隔膜泵前端或后端，即可有效解决压强脉冲，并获得稳定的流量，进而提高气体检测的精度。

结合附图和权利要求，这些和其他特征将从以下的具体描述中得到更加清楚地理解。

附图说明

图1.本发明装置框图。

图2.本发明旁流式气流缓冲装置框图。

图3.本发明主流式缓冲器结构示意图。

图4.本发明旁流式缓冲器结构示意图。

图5.本发明缓冲器的弹性膜片形变计算简图。

图6.本发明具体实施例1示意图。

图7.本发明具体实施例1安装缓冲器压强对比曲线变化图。

图8.本发明具体实施例1安装缓冲器流量对比曲线变化图。

图9.本发明具体实施例2示意图。

具体实施方式

具体实施例一：

本实施例利用图1所示装置结构，由缓冲器(200)、隔膜泵(300)及气敏传感器(400)串联组成，采用主流式缓冲方案，缓冲器结构如图3，由刚性支撑体(220)、弹性膜片(210)组成，其中刚性支撑体(220)上设有两个通气口，内部腔体为缓冲腔体(240)。弹性膜片(210)采用密封圈(250)压紧密封，如图6所示。其中刚性支撑体(220)采用具有刚度和韧性良好的高分子材料PC；弹性膜片(210)选用硅胶材质；隔膜泵(300)选用Thomas的2002系列。

μ为泊松比，0.48；

E为材料弹性模量，1.2GPa；

h为膜片厚度，0.15mm；

R为膜片半径，10mm；

Q隔膜泵输出排量，0.1mL/r；

v隔膜泵转速,3000r/min；

t为单位时间，1min；

隔膜泵的真空度为36％；

本装置涉及到的气体为常规压强下的理想状态下的气体，假定管路均为光滑的圆形入口流量系数C_d＝1.0，压力系数为C_p＝0.36；

可根据上述公式，进行计算：

V_L＝πR²W₀

联立方程组可计算得出W₀，再代入压强值Δp的公式进行计算：

如上可计算的可消除压强差为193Pa。

针对如上设计，进行本装置模型加工，并进行实际测量隔膜泵未加缓冲器和增加缓冲器的输出端的流量和压力对比，实际测试结果参见图8和图9。

ΔP_max1残余峰值压强均值为29Pa，ΔP_max2波动峰值压强均值为198Pa，实测结果为可消除Δp＝169Pa，采用本发明装置缓冲器后，能够有效减小隔膜泵的压强脉冲，并获得稳定的流量。

具体实施例二：

本实施例利用图2所示装置结构，由缓冲器(200)、隔膜泵(300)及气敏传感器(400)组成，缓冲器采用旁流式缓冲方案，缓冲器结构如图4，由刚性支撑体(220)、弹性膜片(210)组成，通过超声焊接方式密封连接。其中刚性支撑体(220)上设有一个通气口，与隔膜泵(300)的前端连接，内部腔体为缓冲腔体(240)。此缓冲器(200)作为旁流式缓冲器，设计合适的缓冲腔体结构，使缓冲腔体(240)的容积满足弹性膜片(210)最大反向拉伸的要求，且和隔膜泵(300)的输出流量相适应，就可以起到缓冲隔膜泵(300)压强脉冲，并获得稳定的流量。

相对于主流式缓冲器，旁流式缓冲器的计算方法和主流式缓冲器的法一致。由于旁流式缓冲器需要穿过管路，才能到达缓冲器的缓冲腔体，因此旁流式缓冲器装置与主气路存在一个临时偏差，所以装置刚启动时需要一个稳定时间。本实施例中所需要的稳定时间为2s。

其中刚性支撑体(220)采用具有刚度和韧性良好的高分子材料PC；弹性膜片(210)选用PE材质；隔膜泵(300)选用Thomas的3003系列。

μ为泊松比，0.377；

E为材料弹性模量，1.07GPa；

h为膜片厚度，0.1mm；

R为膜片半径，10mm；

Q隔膜泵输出排量，1mL/r；

v隔膜泵转速,3000r/min；

t为单位时间，1min；

隔膜泵的真空度为38％；

本装置涉及到的气体为常规压强下的理想状态下的气体，假定管路均为光滑的圆形入口流量系数C_d＝1.0，压力系数为C_p＝0.38；

可根据上述公式，进行计算：

V_Ｌ＝πR²W₀

联立方程组可计算得出W₀，再代入压强值Δp的公式进行计算：

如上可计算的可消除压强差为124Pa。

本实施例的气敏传感器(400)为NO传感器。实际测量未加缓冲器和增加缓冲时，NO传感器对60ppbNO标准气袋的响应结果，重复性测试对比结果如下表:

60ppbNO测试结果/ppb	未加缓冲器	增加缓冲器
			1#	58.5	59.5
2#	59.1	60.1
			3#	57.8	59.3
4#	60.1	59
			5#	62.8	60.3
6#	60.8	60.1
			7#	63.2	61.1
8#	58.9	59.3
			9#	57.9	59.9
10#	56.6	58.9
			均值	59.6	59.8
相对标准偏差	3.6％	1.1％

实测结果表明，采用本发明装置缓冲器后，能够有效减小隔膜泵的压强脉冲，并获得稳定的流量，进而提高气体检测的精度。

具体实施例三：

本发明装置可进一步集成化，参见图9，气体分析装置中，缓冲器(200)的一个面上采用弹性膜片(210)进行密封，缓冲器(200)左侧安装有隔膜泵(300)，缓冲器(200)右侧出气口安装有单向阀(500)和气敏传感器(400)，上方呼气入口处可安装流量传感器(100)，用于检测呼气的流量；呼气测试时，气体吹入缓冲器(200)中，并通过单向阀排空，缓冲器(200)作用有两个，储气和气流缓冲功能；整个呼气过程中流量传感器进行流量监测；采样结束后进入分析模式，隔膜泵(300)开启，将缓冲器(200)内的气体抽入气敏传感器(400)进行分析；整个分析过程中弹性膜片(210)可以消除隔膜泵的压强脉冲，并获得稳定的流量。

本发明不限于显示和描述的实施例，但是任何变化和改进都在所附权利要求书的保护范围内。

Claims (7)

1.一种带气流缓冲的气体检测装置由缓冲器（200）、隔膜泵（300）及气敏传感器（400）串联组成，其特征在于：所述缓冲器（200）由刚性支撑体（220）、弹性膜片（210）组成，密封连接，所述刚性支撑体（220）上至少设有一个通气口（230），内部腔体为缓冲腔体（240）。

2.如权利要求1所述一种带气流缓冲的气体检测装置，其特征在于：所述缓冲腔体（240）的容积要满足弹性膜片（210）最大反向拉伸的要求，且要和隔膜泵（300）的输出流量相适应。

3.如权利要求1所述一种带气流缓冲的气体检测装置，其特征在于：所述弹性膜片（210）的材质为弹性高分子材料，为硅胶、氟橡胶、PE膜或PVC膜。

4.如权利要求1所述一种带气流缓冲的气体检测装置，其特征在于：所述弹性膜片（210）与刚性支撑体（220）采用压接、胶密封、密封圈或超声工艺进行密封。

5.如权利要求1所述一种带气流缓冲的气体检测装置，其特征在于：所述隔膜泵（300）用于气体检测装置提供气流运动动力，可提供流量范围为3mL/min-3000mL/min。

6.如权利要求1所述一种带气流缓冲的气体检测装置，其特征在于：所述气敏传感器（400）用于气体检测，可进行人体呼出气检测，为NO、CO、H2S、H2、CH4或NH3传感器。

7.如权利要求1所述一种带气流缓冲的气体检测装置，其特征在于：所述缓冲器（200）有主流式缓冲器和旁流式缓冲器两种结构。

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