CN116026430A - 一种开放性腔室内气体容积测量装置及测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种开放性腔室内气体容积测量装置及测量方法，装置包括质量流量控制器，其设置在待测腔室的进气气口侧用于检测流入待测腔室新鲜空气的流量；压力传感器、温度传感器、湿度传感器，其设置在待测腔室内；气体分析仪，其连接待测腔室出气气口侧用于检测离开待测腔室空气中氧气或者二氧化碳的浓度水平；本发明将气体分析仪和质量流量控制器的数据整合后绘制拟合指数曲线找到待测腔室标准状态下的气体体积，然后通过压力传感器、温度传感器、湿度传感器采集到的数据将标准状态下的气体体积换算为当前状态下待测腔室气体的容积，由于变化参数为气体浓度，在腔室内气体混合均匀的条件下，可适用于开放性腔室内气体容积的测量。
Description
技术领域
本发明涉及容积检测技术领域，具体涉及一种开放性腔室内气体容积测量装置及测量方法。
背景技术
针对容积的测量，目前的常用方法有几何尺寸测量法、容积比较法、称重测量法、质量流量控制器测量法、气体标定法等；几何尺寸测量法采用三坐标等量具测量待测零件或者腔室的有关实际尺寸，根据尺寸计算获得待测部件的容积；称重测量法利用天平称重被测部件在未装介质的质量，同时称重被测部件在装满介质时的质量，通过质量差值和介质的密度计算被测部件的容积；而质量流量控制器测量法是将质量流量控制器和被测部件相连，先记录质量流量控制器的初始值，向被测部件内注满液体，记录质量流量控制器的累计值，被测部件的容积等于累计值减去初始值；针对上述测量法：其中称重测量法和质量流量控制器测量法均采用液体作为介质，在被测部件内部形状复杂时，无法保证液体充满整个空间，同时在将液体清理也无法保证完全导出，这将在很大程度上影响容积的精确测量；而液体的使用往往也会影响腔室内原有部件以后的使用性能，几何尺寸测量法仅仅能够针对不是很复杂的形状规则的腔室，同时在腔室的其他部件和腔室之间往往会形成无法测量的“死点”位置，这种测量方法的利用场景有限。
在一类气体实验系统中，往往需要对加注气体量进行精确控制，要求气体的加注量的误差不超过1％；另外在一类代谢实验系统中，往往需要对代谢舱室的容积进行较为精确的测量，其测量结果往往对最后的代谢评估起到决定性的作用，在构建代谢舱室的建模中往往将代谢舱室作为一个低通滤波器来看待，代谢舱室被认为是稀释细微输入信号(有受试者产生的少量VO2和VCO2)的一个大气体罐，在代谢实验系统中系统的输入段(VO2和VCO2浓度)为隐藏变量，输出(代谢舱室内空气中的VO2和VCO2浓度)为直接测量这样便产生了一个逆系统，为了解决上述逆系统采用MR信号建模为记录下的气体浓度数据及其导数的线性组合，从而将逆问题转换为直接问题，这种方法和传统开路量热法不同的是引入代谢舱室的容积这一变量用于规避呼吸商RQ对包含混合室的开路热量热法的测量误差，而代谢舱室的容积准确值对于整个系统的重要性是不言而喻的。
为了准确的检测腔室的容积，现有技术一般采用具有较为复杂测试系统的气体标定法，其多采用高纯度的气体，如图5所示它由一个标准容器，一个控制阀门，两组温度、压力传感器以及配套系统和连接管路；测量容积时，首先通过阀门向被测腔室被充入适当压力的气体，关闭控制阀门，带系统平衡后记录标准容器和被测腔室的温度T1、T2和压力P1、P2；然后打开控制阀门，向被测腔室内充入适量气体，关闭控制阀门带系统重新平衡后，记录标准容器、被测腔室的温度T1′、T2′和压力P1′、P2′；由于整个测试系统对外界密封，在气体注入前后系统的质量守恒，进而PV＝ZMRT,其中P为气体压力，V为气体体积，Z为气体压缩系数，M为气体质量，T为气体温度，R为气体常数；根据质量守恒，可得出被测腔室容积的计算公式为；
其中,Vx为待测腔体的容积,V0为标准容器的容积，Z1，Z2为第一次系统平衡后的气体压缩系数，Z1′，Z2′为第二次系统平衡后的气体压缩系数；当气体压力恒定，在标准容器和被测腔室的压力比较接近时，可近似认为气体的压缩系统相同；当环境温度波动小，控制阀门开启缓慢且流量注入速率较小时，整个系统的温度变化小，可将上式简化为：
依靠简化后的公式，中国专利(CN112903058A)公开一种容积检测装置及检测方法，其通过设置可测体积的标准容器，再次简化公式(将同次测量的温度近似相同)估算腔室的体积。
可以预见的是采用上述气体标定法来测量腔室的容积存在如下问题：(1)由于气体标定法均采用理想气体公式来计算，那么需要保证改系统的气密性，对开放性或半开放性的腔室不能适用；(2)各参数为实际直接测量值，为了得到腔室内气体的精确容积需要多次测量取得平均值。
发明内容
本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种开放性腔室内气体容积测量装置及测量方法，从而利用数据拟合提高测量精度。
为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：
一种开放性腔室内气体容积测量装置，包括待测腔室的进气气口和出气气口，包括：
质量流量控制器，其设置在待测腔室的进气气口侧，用于检测流入待测腔室新鲜空气的流量；
压力传感器、温度传感器、湿度传感器，其设置在待测腔室内，用于检测待测腔室内的压强、温度以及相对湿度；
气体分析仪，其连接待测腔室出气气口侧，用于检测离开待测腔室空气中氧气或者二氧化碳的浓度水平；
充分混合机构，其包括多组切向风机；所述切向风机垂直设置在待测腔室的进气气口和出气气口之间，切向风机吹出的气体和进入腔室内的新鲜空气发生碰撞，将新鲜空气和待测腔室内的空气充分混合后进入待测腔室出气气口；
控制单元，其接收气体分析仪、压力传感器、温度传感器、湿度传感器的信号实时通过控制单元进行采样后对切向风机以及质量流量控制器进行实时控制；
计算机，储存并显示控制单元采集上传的数据，将气体分析仪和质量流量控制器的数据整合后绘制拟合指数曲线找到待测腔室标准状态下的气体体积，然后通过压力传感器、温度传感器、湿度传感器采集到的数据将标准状态下的气体体积换算为当前状态下待测腔室的容积。
进一步地，所述待测腔室的进气气口侧的进气管道处还设置T型阀门，T型阀门一侧通过第一鼓风机连通质量流量控制器，从而实现在第一鼓风机输送新鲜空气的同时利用质量流量控制器测量进入新鲜空气的实时流量。
进一步地，还包括气体收集系统，其一侧连通待测腔室，另一侧通过出气管道连接气体分析仪；所述气体收集系统包括设置在接待测腔室的出气气口侧由多组几何形状相同的柔性Tygon管组成的气体出口，气体出口另一侧与一根聚氯乙烯管连接，聚氯乙烯管的另一端管接气体分析仪，用于确保将待测腔室内的空气均匀输送至气体分析仪。
进一步地，所述聚氯乙烯管一侧还设置连通管连通待测腔室一端，用于平衡流出腔室的新鲜空气和腔室内空气的压强，连通管内设置第二鼓风机用于控制返回待测腔室的气流。
本发明还提供一种开放性腔室内气体容积测量装置的测量方法，包括以下步骤：
S001，首先向待测腔室内充入一定量二氧化碳，使得待测腔室内氧气和二氧化碳的浓度水平较新鲜空气存在差异；
S002，通过质量流量控制器持续向待测腔室内充入新鲜空气，持续通过气体分析仪检测流出腔室氧气或者二氧化碳的浓度；流出待测腔室内氧气或者二氧化碳的浓度和新鲜空气中的相应气体的浓度差异随着检测持续时间而变小，直至流出待测腔室内氧气或者二氧化碳的浓度和新鲜空气中的浓度一致；
S003，通过采集流入待测腔室新鲜空气的流量和流出待测腔室氧气或者二氧化碳的浓度求解零输入微分方程来反演待测腔室的气体体积，然后通过压力传感器、温度传感器、湿度传感器采集到的数据将标准状态下的气体体积换算为当前状态下待测腔室的容积。
进一步地，步骤S003中，所述零输入微分方程为：
其中，
是单一气体的流出流量，利用气体分析仪测量，F是新鲜空气的流入流量，利用质量流量控制器设置，其为标准状态下的气体流量，A、C分别为拟合指数，V是标准状态下的腔室内气体体积、t为时间常数。
进一步地，步骤S003中，通过压力传感器、温度传感器、湿度传感器测量的压强P、温度T、相对湿度RH对上述计算的标准状态下的腔室内气体体积V进行修正，其修正公式为：
其中，V腔室为腔室内当前状态下的气体容积，Ts、Ps分别是标准状态下的温度和压力，Pw为水蒸气分压力。
进一步地，水蒸气分压力Pw等于RH*Pb，其中Pb是饱和水蒸气的分压力。
与已有技术相比，本发明有益效果体现在：
(1)本发明无需采用标准容器对待测腔室内气体进行标定，且能够更加精确的进行舱内气体容积的测量；
(2)由于本发明的变化参数为气体浓度，在腔室内气体混合均匀的条件下，无需关心待测腔室的气密性问题，可适用于开放性腔室内气体容积的测量；
(3)本发明利用数据拟合对其修正可提高测量精度。
附图说明
图1为本发明的开放性腔室内气体容积测量装置结构示意图；
图2为本发明的开放性腔室内气体容积测量装置另一种实施例结构示意图；
图3为本发明原理示意图；
图4为本发明拟合指数曲线示例；
图5为气体标定法测量原理示意图。
具体实施方式
下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。
本发明旨在解决现有气体标定法测量精度不高，无法适用于开放性腔室的问题，通过重新设计气体标定法将其应用范围扩充至开放性较小的腔室，通过标定充分混合后单一气体的浓度水平，用于规避原有气体标定法大量测量参数的问题，其解决方法的原理如下：
较大的腔室具有固有的缓慢响应时间，其响应时间与腔室的大小及其通气率有关，在气体生产的单位阶跃变化后的时间t，腔室内中的单一浓度可根据零输入响应微分方程一般解来反演待测腔室内气体的容积即：
其中，
是单一气体的流出流量，利用气体分析仪测量、F是新鲜空气的流入流量，利用质量流量控制器设置，其为标准状态下(stp)的气体流量，A、C分别为拟合指数，V是标准状态下的腔室内气体体积、t为时间常数，进而来通过拟合曲线找到腔室气体体积V，然后通过温度、湿度以及压力的修正来得出腔室内气体容积的精确值；
至此可以设计一种腔室内气体容积的测量方法，此方法中只有两个直接测量的参数即
和F，同时将充入气体和腔内空气充分混和后，由于气体扩散时各单一气体的浓度不变，进而可以利用本发明测量方法检测一些较小开放式的腔体，如此以来将设计一种开放性腔室内气体容积测量装置，其具体结构如图1、2、3、4所示：
首先需要根据待测腔室100的结构设置可被连接的气口：进气气口101和出气气口102，待测腔室100的进气气口101侧的进气管道处还设置T型阀门103，T型阀门103一侧通过第一鼓风机104连通质量流量控制器200，通过第一鼓风机104输送新鲜空气，利用质量流量控制器200测量进入新鲜空气的实时流量；
测量装置具体包括有质量流量控制器200，其设置在待测腔室100的进气气口101侧用于检测流入待测腔室100新鲜空气的流量；
压力传感器301、温度传感器302、湿度传感器303，其设置在待测腔室100内，用于检测待测腔室100内的压强P、温度T以及相对湿度RH；
气体分析仪400，其连接待测腔室100的出气气口102侧用于检测离开待测腔室100空气中氧气或者二氧化碳的浓度水平；
为了符合系统假设中的一个要求即需要混合气体在流出待测腔室100前和腔室内的气体应充分混合，在图1中设置充分混合机构，其包括多组切向风机500；切向风机500垂直设置在待测腔室100的进气气口101和出气气口102之间，通过切向风机500吹出的气体和进入腔室内的新鲜空气发生碰撞，实现新鲜空气和待测腔室100内的空气充分混合后进入待测腔室100的出气气口102，值得提出的是为了减少切向风机500对系统的影响，切向风机500应整体设置于待测腔室100内部，其循环的气体仅限于待测腔室100内的气体。
为了符合系统假设中的另一要求即流出腔室的混合气体的压强和腔室内气体的压强一致，在图2中所示的另一实施例中，聚氯乙烯管602一侧设置连通管700连通待测腔室100一端，用于平衡流出腔室的新鲜空气和腔室内空气的压强，连通管700内设置第二鼓风机701用于控制返回待测腔室100的气流，利用平衡气流的方式来控制两端的压力差；
其中聚氯乙烯管602的设置是为了达到多点采样的效果，另外设置了一组气体收集系统，其一侧连通待测腔室100，另一侧通过出气管道连接气体分析仪400；它包括设置在待测腔室100的出气气口102侧由多组几何形状相同的柔性Tygon管601组成的气体出口，气体出口另一侧与一根聚氯乙烯管602连接，聚氯乙烯管602的另一端管接气体分析仪400，用于确保将待测腔室100内的空气均匀输送至气体分析仪400；
为了实现自动化测量，还设置了控制单元，其接收气体分析仪400、压力传感器301、温度传感器302、湿度传感器303的信号实时通过控制单元进行采样后对切向风机500以及质量流量控制器200进行实时控制，以气体分析仪400检测单一气体的浓度变化为自变量，当浓度变化很小或者接近新鲜空气中的浓度时停止切向风机500以及质量流量控制器200的运作，同时关闭T型阀门103；计算机，储存并显示控制单元采集上传的数据，将气体分析仪400和质量流量控制器200的数据整合后绘制拟合指数曲线找到待测腔室100标准状态下的气体体积，然后通过压力传感器301、温度传感器302、湿度传感器303采集到的数据将标准状态下的气体体积换算为当前状态下待测腔室100内气体的容积。
如图3所示，进而可根据上述的容积测量装置提出一种适用于本测量装置的方法，包括以下步骤：
S001，首先向待测腔室100内充入一定量二氧化碳，使得待测腔室100内氧气和二氧化碳的浓度水平较新鲜空气存在差异；在对腔室进行容积测量之前需要将腔室内的混合气体中各单一气体的浓度与充入的混合气体中单一气体的浓度存在差异，可以是一种气体的浓度具有差异也可以时多种气体的浓度存在差异；而流出待测腔室100的多种单一气体的浓度和新鲜空气中的相应气体的浓度差异随着检测持续时间而变小，直至流出待测腔室100内单一气体的浓度和新鲜空气中的浓度一致；
S002，通过质量流量控制器200持续向待测腔室100内充入新鲜空气，持续通过气体分析仪400检测流出腔室氧气或者二氧化碳的浓度；
S003，通过采集流入待测腔室100新鲜空气的流量和流出待测腔室100氧气或者二氧化碳的浓度求解零输入微分方程来反演待测腔室100的气体体积，然后通过压力传感器301、温度传感器302、湿度传感器303采集到的数据将标准状态下的气体体积换算为当前状态下待测腔室100内气体的容积。
利用本发明装置对待测腔室100内气体容积进行测试结果如图4所示；从图4中拟合出的曲线方程得出拟合参数A、C以及标准状态下的腔室气体体积V进而通过压力传感器301、温度传感器302、湿度传感器303采集到的数据将标准状态下的气体体积换算为当前状态下待测腔室100内气体的容积，其换算公式如下：
其中，V腔室即为腔室内当前状态下的气体容积，Ts、Ps分别是标准状态的温度和压力，而Pw为水蒸气分压力，水蒸气分压力等于RH*Pb，其中Pb是饱和水蒸气的分压力，进而通过腔室内气体容积V腔室关于标准状态下的腔室气体容积V的公式得出腔室内气体容积的精确值。
以上所举实施例为本发明的较佳实施方式，仅用来方便说明本发明，并非对本发明作任何形式上的限制，任何所属技术领域中具有通常知识者，若在不脱离本发明所提技术特征的范围内，利用本发明所揭示技术内容所作出局部更动或修饰的等效实施例，并且未脱离本发明的技术特征内容，均仍属于本发明技术特征的范围内。
Claims (8)
1.一种开放性腔室内气体容积测量装置，包括待测腔室的进气气口和出气气口，其特征在于，包括：
质量流量控制器，其设置在待测腔室的进气气口侧，用于检测流入待测腔室新鲜空气的流量；
压力传感器、温度传感器、湿度传感器，其设置在待测腔室内，用于检测待测腔室内的压强、温度以及相对湿度；
气体分析仪，其连接待测腔室出气气口侧，用于检测离开待测腔室空气中氧气或者二氧化碳的浓度水平；
充分混合机构，其包括多组切向风机；所述切向风机垂直设置在待测腔室的进气气口和出气气口之间，切向风机吹出的气体和进入腔室内的新鲜空气发生碰撞，将新鲜空气和待测腔室内的空气充分混合后进入待测腔室出气气口；
控制单元，其接收气体分析仪、压力传感器、温度传感器、湿度传感器的信号实时通过控制单元进行采样后对切向风机以及质量流量控制器进行实时控制；
计算机，储存并显示控制单元采集上传的数据，将气体分析仪和质量流量控制器的数据整合后绘制拟合指数曲线找到待测腔室标准状态下的气体体积，然后通过压力传感器、温度传感器、湿度传感器采集到的数据将标准状态下的气体体积换算为当前状态下待测腔室气体的容积。
2.按照权利要求1所述的一种开放性腔室内气体容积测量装置，其特征在于：所述待测腔室的进气气口侧的进气管道处还设置T型阀门，T型阀门一侧通过第一鼓风机连通质量流量控制器，从而实现在第一鼓风机输送新鲜空气的同时利用质量流量控制器测量进入新鲜空气的实时流量。
3.按照权利要求2所述的一种开放性腔室内气体容积测量装置，其特征在于：还包括气体收集系统，其一侧连通待测腔室，另一侧通过出气管道连接气体分析仪；所述气体收集系统包括设置在接待测腔室的出气气口侧由多组几何形状相同的柔性Tygon管组成的气体出口，气体出口另一侧与一根聚氯乙烯管连接，聚氯乙烯管的另一端管接气体分析仪，用于确保将待测腔室内的空气均匀输送至气体分析仪。
4.按照权利要求3所述的一种开放性腔室内气体容积测量装置，其特征在于：所述聚氯乙烯管一侧还设置连通管连通待测腔室一端，用于平衡流出腔室的新鲜空气和腔室内空气的压强，连通管内设置第二鼓风机用于控制返回待测腔室的气流。
5.按照权利要求1至4任一所述的一种开放性腔室内气体容积测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S001，首先向待测腔室内充入一定量二氧化碳，使得待测腔室内氧气和二氧化碳的浓度水平较新鲜空气存在差异；
S002，通过质量流量控制器持续向待测腔室内充入新鲜空气，持续通过气体分析仪检测流出腔室氧气或者二氧化碳的浓度；流出待测腔室内氧气或者二氧化碳的浓度和新鲜空气中的相应气体的浓度差异随着检测持续时间而变小，直至流出待测腔室内氧气或者二氧化碳的浓度和新鲜空气中的浓度一致；
S003，通过采集流入待测腔室新鲜空气的流量和流出待测腔室氧气或者二氧化碳的浓度求解零输入微分方程来反演待测腔室的气体体积，然后通过压力传感器、温度传感器、湿度传感器采集到的数据将标准状态下的气体体积换算为当前状态下待测腔室气体的容积。
6.按照权利要求5所述的一种开放性腔室内气体容积测量装置的测量方法，其特征在于：步骤S003中，所述零输入微分方程为：
其中，
是单一气体的流出流量，利用气体分析仪测量，F是新鲜空气的流入流量，利用质量流量控制器设置，其为标准状态下的气体流量，A、C分别为拟合指数，V是标准状态下的腔室内气体体积、t为时间常数。
7.按照权利要求5所述的一种开放性腔室内气体容积测量装置的测量方法，其特征在于：步骤S003中，通过压力传感器、温度传感器、湿度传感器测量的压强P、温度T、相对湿度RH对上述计算的标准状态下的腔室内气体体积V进行修正，其修正公式为：
其中，V腔室为腔室内当前状态下的气体容积，Ts、Ps分别是标准状态下的温度和压力，Pw为水蒸气分压力。
8.按照权利要求7所述的一种开放性腔室内气体容积测量装置的测量方法，其特征在于：水蒸气分压力Pw等于RH*Pb，其中Pb是饱和水蒸气的分压力。
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| CN202211623731.2A Pending CN116026430A (zh) | 2022-12-16 | 2022-12-16 | 一种开放性腔室内气体容积测量装置及测量方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
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| CN (1) | CN116026430A (zh) |
-
2022
- 2022-12-16 CN CN202211623731.2A patent/CN116026430A/zh active Pending
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