CN117386995B - 一种深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统，包括：氧气气源瓶，氦气气源瓶，氧气增压装置，氦气增压装置，预混气瓶，真空泵，计算机；计算机用于计算充入预混气瓶中氦气的第一预混质量和氧气的第二预混质量；真空泵用于将预混气瓶抽真空；氦气增压装置用于将第一预混质量的氦气以第一压力范围充入预混气瓶中；氧气增压装置用于将第二预混质量的氧气以第二压力范围充入预混气瓶中。本发明的混合气体配气系统通过计算混合气体中各种气体的质量，按质量配比完成预混气瓶中混合气体的配制，并保证氦气和氧气能够以相应的压力顺利充入预混气瓶中，使配气过程不受压力、温度等环境因素的影响，从而保证配气精度更加准确。
Description
技术领域
本发明涉及深潜呼吸器预混气瓶的混气领域，尤其涉及一种混合气体的配气系统，用于为深潜潜水呼吸器的预混气瓶配制混合气体作为人工空气。
背景技术
深潜呼吸器是深水、大规模、长期水下施工和打捞作业必需配备的潜水装备，作为唯一一种可使潜水员直接暴露于高压环境开展水下作业的个人潜水防护装备，深潜呼吸器已广泛应用于失事潜艇救援、海底施工作业、水下资源勘探、海洋科学考察等军事和民用领域。
众所周知，在深海探索中，潜水员需要面对极大的压力环境，在潜水后若减压处理不当，极易发生减压病，减压病是由于高压环境作业后减压不当，体内原已溶解的气体超过了过饱和界限，在血管内外及组织中形成气泡所致的全身性疾病。为了保障潜水员的安全，减少减压病的发生，混合气开始被广泛应用于深水潜水，例如，2019年，法国潜水员下潜到马里亚纳海沟10928米深处，创造了人类深潜的纪录，这次潜水使用了氦氧混合气，成功避免了减压病的发生，证明了氦氧混合气在深潜水的安全性和有效性。混合气是一种按照一定比例混合的气体，在深水潜水中，由于氦气的分子较小，能够更好地穿过潜水员的身体组织，从而降低减压病的风险，氦气还能减少空气的密度，使潜水员能够更加轻松地在水下活动。同时，根据水下作业的实际环境，用户还会对混合气体中的氧气、氮气含量按要求进行调整，达到适应不同情况下潜水作业的要求。绝大多数的休闲潜水者所背的气瓶内是压缩空气，即氮气、氧气的比例近似79：21，经过一定训练的潜水者可以采用高氧空气，即氧气占32%。随着科技的发展，未来将开发出更加高效的气体混合比例，从而提高潜水员的安全性和舒适度。此外，随着深海探索领域的不断拓展，氮氦氧混合气在海洋资源开发、科学研究等方面也将发挥重要作用。
混合气体的配比精度是保障潜水员安全、顺利完成深潜水工作的关键。作为深潜呼气器核心部件的深潜呼吸器气瓶需要进行配气和充气，在配气时，需要按照使用需求将相应比例的各种气体通入预混气瓶进行混合，然后进行充气，即将预混气瓶中配制好的混合气体加压充装到深潜呼吸器气瓶中。早期深潜呼吸器的配气工作是采用眼看、手记再计算的办法进行的，这种方法的最大缺点就是充、配气效率低，配气精度低，需要反复进行充气校正，而且影响设备的安全使用。现有深潜呼吸器混合气充配气系统采用传统的分压力配气方法，由于实际配气过程中气体会被压缩，根据理想气体状态方程PV=nRT，随着气体压力的变化，预混气瓶的温度会呈非线性上升，又会影响预混气瓶中的配气压力，所以采用分压配气方法的配气精度很难保证精确。又由于充配气过程是根据预设混合气瓶压力首先计算出各种气体的压力值，然后用承装某种气体的气瓶作为预混气瓶，这样就需要首先放掉超出气体压力计算值的多余气体，导致浪费了大量的气源，例如，配制氦氧混合气体时，以承装氦气的气瓶作为预混气瓶，按比例放掉其中多余的氦气，以便充入相应比例的氧气，这就导致大量氦气的浪费。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统，以便克服现有深潜呼气器配气系统配气精度低、配气效率低和浪费大量某一气源气体的问题。
为实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统，包括：氧气气源瓶，氦气气源瓶，氧气增压装置，氦气增压装置，预混气瓶，真空泵，计算机；
所述计算机用于计算充入所述预混气瓶中氦气的第一预混质量和氧气的第二预混质量；
所述真空泵用于将所述预混气瓶抽真空；
所述氦气增压装置用于将第一预混质量的氦气以第一压力范围充入所述预混气瓶中；
所述氧气增压装置用于将第二预混质量的氧气以第二压力范围充入所述预混气瓶中。
进一步，所述混合气体配气系统还包括氮气气源瓶和氮气增压装置，所述计算机还用于计算充入所述预混气瓶中氮气的第三预混质量，所述氮气增压装置用于将第三预混质量的氮气以第三压力范围充入所述预混气瓶中。
进一步，所述氧气增压装置包括氧气气动泵和驱动气泵，所述氧气气动泵用于为待充入所述预混气瓶的氧气升压，所述驱动气泵用于为所述氧气气动泵提供驱动气源。
进一步，所述氦气增压装置包括电动固体润滑升压泵，所述电动固体润滑升压泵用于将待充入所述预混气瓶的氦气升压。
进一步，所述氮气增压装置包括电动固体润滑升压泵，所述电动固体润滑升压泵用于将待充入所述预混气瓶的氮气升压。
进一步，所述混合气体配气系统还包括称重装置，所述称重装置用于称量所述预混气瓶的质量。
进一步，所述混合气体配气系统还包括控制设备，所述控制设备用于控制所述氮气增压装置对氮气增压至第三压力范围后充入所述预混气瓶，当所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为抽真空后所述预混气瓶的质量与氮气的第三预混质量之和时，所述控制设备用于控制停止向所述预混气瓶充入氮气。
进一步，所述控制设备还用于控制所述氦气增压装置对氦气增压至第一压力范围后充入所述预混气瓶，当所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为抽真空后所述预混气瓶的质量、氮气的第三预混质量与氦气的第一预混质量之和时，所述控制设备用于控制停止向所述预混气瓶充入氦气。
进一步，所述控制设备还用于控制所述氧气增压装置对氧气增压至第二压力范围后充入所述预混气瓶，当所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为抽真空后所述预混气瓶的质量、氮气的第三预混质量、氦气的第一预混质量与氧气的第二预混质量之和时，所述控制设备用于控制停止向所述预混气瓶充入氧气。
进一步，所述混合气体配气系统还包括控制设备，所述控制设备用于控制所述氦气增压装置对氦气增压至第一压力范围后充入所述预混气瓶，当所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为抽真空后所述预混气瓶的质量与氦气的第一预混质量之和时，所述控制设备用于控制停止向所述预混气瓶充入氦气。
进一步，所述控制设备还用于控制所述氧气增压装置对氧气增压至第二压力范围后充入所述预混气瓶，当所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为抽真空后所述预混气瓶的质量、氦气的第一预混质量与氧气的第二预混质量之和时，所述控制设备用于控制停止向所述预混气瓶充入氧气。
进一步，所述混合气体配气系统还包括摇匀装置，所述摇匀装置用于将充入所述预混气瓶的混合气体摇匀。
本发明深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统，根据欲配制的混合气体中氦气和氧气的比例计算氦气和氧气的配气质量，以相应的压力保证相应质量的氦气和氧气充入预混气瓶中，完成氦氧混合气体的配制。本发明的混合气体配气系统通过计算混合气体中各种气体的质量，将体积转化成质量配比完成预混气瓶中混合气体的配制，并保证氦气和氧气能够以相应的质量顺利充入预混气瓶中，使配气过程不受压力、温度等环境因素的影响，从而保证配气精度更加准确。
附图说明
图1为本发明实施例1提供的深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统组成示意图；
图2为本发明实施例2提供的深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统组成示意图；
图中：
101—氦气气源瓶；102—氧气气源瓶；103—氦气气动泵；104—氧气气动泵；105、106—预混气瓶；107、108—称重装置；109—真空泵；110—驱动气泵；111、112、113、114、115、116、117、118、119、120—电磁阀；121、122—气动阀；
201—氮气气源瓶；202—氦气气源瓶；203—氧气气源瓶；204—氮气气动泵；205—氦气气动泵；206—氧气气动泵；207、208—预混气瓶；209、210—称重装置；211—真空泵；212—驱动气泵；213、214、215、216、217、218、219、220、221、222、223、224、225—电磁阀；226、227—气动阀。
具体实施方式
为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的方案，下面结合本发明示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，所描述的示例仅仅是本发明的一部分示例，而不是全部的示例。基于本发明中的示例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施方式都应当属于本发明保护的范围。
在本实施方式的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于区别类似的对象，而不能理解为特定的顺序或先后次序，应该理解这样的使用在适当情况可以互换。
实施例1
如图1所示，本实施例提供了本发明一种深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统，包括：氧气气源瓶102，氦气气源瓶101，氧气增压装置，氦气增压装置，预混气瓶105、106，真空泵109，计算机（图中未示出）；
氦气气源瓶101用于为混合气体供应氦气；氧气气源瓶102用于为混合气体供应氧气；
计算机用于计算充入预混气瓶105、106中氦气的第一预混质量和氧气的第二预混质量；具体计算过程可以是：
根据理想气体方程：
式中，P为气体的压力（Pa），V为气体的体积（m3），m是气体质量（g），R是为摩尔气体常数（8.31441Pa﹒m3/mol﹒K），T是气体温度（K），M是摩尔质量（g/mol）；
那么，混合气体各个配气成分的质量为
式中，为充入预混气瓶某一气体的质量（g），/>为配制好混合气体的预混气瓶的预设压力值（MPa），/>为预混气瓶的容积（m3），/>为混合气体中该气体的百分比，R为摩尔气体常数（8.31441Pa﹒m3/mol﹒K），/>为配制混合气体时该气体温度（K），/>表示该气体的摩尔质量（g/mol）。
从理想气体方程来看，质量与体积成正比，同时气体的质量不受温度、压力的影响。混合气体中各种气体的浓度比，实际上是各种气体的质量比，本申请的配气方法就是直接测量配气过程中各种气体的质量，控制配气后的混合气体的质量实现浓度比配气，所以此方法为配气最直接的方法。由于使用称量质量的方法配制混合气体，因此，质量测量是唯一影响配气精度的因素，质量测量精度越高，配气精度越高。
以在常温状态下配制1瓶15MPa、40L氦氧混合气体（氦气95%、氧气5%）为例，计算混合气体中每种气体的充气质量步骤为：
使用纯氦（不低于99.99%），混合气体中氦气的质量为
使用医用氧（不低于99.5%）混合气体中氧气的质量为
混合气体的总质量为
原呼吸器配气采用分压配气法，分压配气法是根据道尔顿定律（Dalton’s law）得出的。道尔顿定律描述的是混合气体总压与各组成气体分压的关系；即：当温度不变时，混合气体总压等于各组成气体的分压之和。以公式表示即为：
可以通过气体的总压和各组成气体的百分比推算出某一组成气体的分压值，其公式为：
式中，表示某一气体的分压，/>为混合气体的总压，/>表示混合气体中该气体的百分比。通过上述的公式显示道尔顿定律在温度不变的情况下才能成立，也就是说温度和压力是影响分压配气法配气精度的因素。分压配气法在配气过程中认为温度是不变的，但是实际上在配气过程中随着气体压力增加，气体的温度也是上升的，同时气体与环境存在热交换，从而气体实际温度呈现非线性上升，所以根据道尔顿定律演算出分压配气方法的配气精度很难精确。
综上所述，本发明的采用质量配气的方法相较于分压配气方法，其原理简单、应用容易、配气精度高。
真空泵109用于将预混气瓶105、106分别抽真空；使预混气瓶105、106达到指定负压力状态，为配气做配气前准备工作，保障配气精度的准确。本实施例的真空泵可采用通用旋片式真空泵，其抽气速率可达4.1m3/h，可在1min内将预混气瓶105、106的压力下降到-0.05MPa ~-0.07MPa。
氦气增压装置用于将第一预混质量的氦气以第一压力范围充入预混气瓶105、106中，优选地，第一压力范围大于或等于2.5MPa。
氧气增压装置用于将第二预混质量的氧气以第二压力范围充入预混气瓶105、106中，优选地，第二压力范围大于或等于2.5MPa。
氦气的第一预混质量和氧气的第二预混质量的确定可以分别测量氦气气源瓶101和氧气气源瓶102的质量，当氦气气源瓶101减少的质量为第一预混质量时，即可停止向混合气体配气系统中供应氦气，当氧气气源瓶102减少的质量为第二预混质量时，即可停止向混合气体配气系统中供应氧气，但是这种确定第一预混质量和第二预混质量的方式可能导致混合气体的充入量不够，因为整个混合气体配气系统的管路和阀体中会存在氦气和氧气的残留，本实施例将提供一种更加准确的确定方式。
本实施例深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统，根据预配制的混合气体中氦气和氧气的比例计算氦气和氧气的充气质量，以相应的压力保证相应质量的氦气和氧气充入预混气瓶105、106中，完成氦氧混合气体的配制。通过计算混合气体中各种气体的质量，将体积转化成质量配比完成预混气瓶105、106中混合气体的配制，并保证氦气和氧气能够以相应的压力顺利充入预混气瓶105、106中，使配气过程不受压力、温度等环境因素的影响，从而保证配气精度更加准确。
本发明的混合气体配气系统可同时向多个预混气瓶充入氦氧混合气体，本实施例的混合气体配气系统中具有两个预混气瓶105和106。
本实施例的氧气增压装置包括氧气气动泵104和驱动气泵110，氧气气动泵104用于为待充入预混气瓶105、106的氧气升压，驱动气泵110用于为氧气气动泵104提供驱动气源。氧气气动泵104的工作动力为气体驱动，采用驱动气泵110供气，氧气气动泵104为气动增压泵，本身无电弧及火花，适合应用于易燃、易爆的场所，且输出压力稳定，产生的脉冲小，在对氧气进行增压时，具有更高的安全性。驱动气泵110为氧气升压提供驱动气源，本实施例的驱动气泵采用通用气体压缩机，具有达到0.8MPa压力停机功能。
本实施例的氦气增压装置包括氦气气动泵103和驱动气泵110，氦气气动泵103用于为待充入预混气瓶105、106的氦气升压，驱动气泵110用于为氦气气动泵103提供驱动气源。驱动气泵110能够稳定地驱动氦气气动泵103对氦气进行增压。
本实施例的驱动气泵110还用于为气动阀121、122提供驱动气体。
在其他实施方式，氦气增压装置包括电动固体润滑升压泵，电动固体润滑升压泵用于将待充入预混气瓶105、106的氦气升压。
本实施例的混合气体配气系统还包括称重装置107、108，称重装置107、108用于称量预混气瓶105、106的质量。称重装置107、108可采用电子测量装置，在整个配气过程中，电子测量装置可以实时检测预混气瓶105、106的质量。
本实施例混合气体配制的过程中测量的是整个预混气瓶的质量，以40L的预混气瓶为例，抽真空状态下的质量为50kg左右，因此，用于称量质量的称重装置的称量范围需要达到60kg左右，质量称量精度越高，配气精度越高，需要称重装置的称量精度也得很高。那么，采用称量质量的方法配气必须选择一个测量范围大于等于60kg、称量精度高的测量装置。例如，称重装置称量范围为80kg、称量精度1g，完全满足配气的需要。
本实施例的混合气体配气系统还包括控制设备，控制设备用于控制氦气增压装置对氦气增压至第一压力范围后充入预混气瓶105、106，当称重装置107、108称量预混气瓶105、106的质量为抽真空后预混气瓶105、106的质量与氦气的第一预混质量（计算得到的氦气充气质量）之和时，控制设备用于控制停止向预混气瓶充入氦气。
本实施例的控制设备还用于控制氧气增压装置对氧气增压至第二压力范围后充入预混气瓶105、106，当称重装置107、108称量预混气瓶105、106的质量为抽真空后预混气瓶105、106的质量、氦气的第一预混质量与氧气的第二预混质量（计算得到的氧气充气质量）之和时，控制设备用于控制停止向预混气瓶充入氧气。
本实施例控制设备还可以与计算氦气的第一预混质量和氧气的第二预混质量的计算机通信，以便控制设备获取第一预混质量和第二预混质量的具体数值。
本实施例深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统工作过程可以是：
根据待混合气体配制的浓度要求，用计算机计算待充入氦气和氧气的第一预混质量和第二预混质量，开启电磁阀117、118、119、气动阀121和122，使用真空泵109对预混气瓶105、106进行抽真空，当预混气瓶105、106满足真空度的要求时，即预混气瓶105、106的压力下降到-0.05MPa ~-0.07MPa时，关闭电磁阀117、118、119、气动阀121和122；向预混气瓶105、106充氦气时，开启电磁阀111和115，使氦气气源瓶101中的氦气通过管路进入到氦气气动泵103，利用驱动气泵110为氦气气动泵103提供驱动气体，以便对氦气进行增压，将氦气增压至大于或等于2.5 MPa，开启电磁阀113、117、118和气动阀121、122，将增压后的氦气充入预混气瓶105、106中，当称重装置107、108称量预混气瓶105、106的质量为抽真空后预混气瓶105、106的质量与第一预混氦气质量（每个预混气瓶可对应一个氦气的第一预混质量，本实施例中预混气瓶105和106的规格相同，两个氦气的第一预混质量也相同）之和时，关闭电磁阀113、117、118和气动阀121、122，停止向预混气瓶105、106充入氦气；向预混气瓶105、106充氧气时，开启电磁阀112和116，使氧气气源瓶102中的氧气通过管路进入到氧气气动泵104，利用驱动气泵110为氧气气动泵104提供驱动气体，以便对氧气进行增压，将氧气增压至大于或等于2.5 MPa，开启电磁阀114、117、118和气动阀121、122，将增压后的氧气充入预混气瓶105、106中，当称重装置107、108称量预混气瓶105、106的质量为抽真空后预混气瓶105、106的质量、氦气的第一预混质量（每个预混气瓶可对应一个氦气的第一预混质量，本实施例中预混气瓶105和106的规格相同，两个氦气的第一预混质量也相同）、氧气的第二预混质量（每个预混气瓶可对应一个氧气的第二预混质量，本实施例中预混气瓶105和106的规格相同，两个氧气的第二预混质量也相同）之和时，关闭电磁阀114、117、118和气动阀121、122，停止向预混气瓶105、106充入氧气，得到符合浓度配比要求的氦氧混合气体。配制好混合气体后，关闭预混气瓶105、106上的瓶阀，打开电磁阀113、114和120，释放配气系统中氦气气动泵103、氧气气动泵104和管路中多余的气体，以保证该混合气体配气系统能够持续安全使用。
本实施例的混合气体配气系统还包括摇匀装置，摇匀装置用于将充入预混气瓶的混合气体摇匀。充分利用离心力原理，反复摆动混合气体气瓶，加速气瓶内各种气体成分的混合速度，提高摇匀效率和混合气质量。摇匀装置具有设定转速、摆动幅度、摆动时间等功能，传统的摇匀方式有静置和人工摇匀两种，人工摇匀（滚动方式）和静置混合气体，气瓶混合时间较长，达不到完全混合均匀的目的。摇匀装置减少了配气后的混合气体气瓶内气体混合时间，大幅提高了混合气的配气效率，内部混合气体达到充分混合并稳定。
在摇匀后，可将充好混合气体的预混气瓶105、106转移到充气系统，以便向深潜呼吸器的气瓶中充气。
需要说明的是，本实施例中，电磁阀111、112、113、114、119、120为高压电磁阀，电磁阀115、116、117、118为低压电磁阀；电磁阀117、118与驱动气泵110配合使用，控制驱动气泵110向气动阀121和122供应驱动气体。
实施例2
如图2所示，本实施例提供了一种本发明另一种深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统，包括：氮气气源瓶201，氧气气源瓶203，氦气气源瓶202，氮气增压装置，氧气增压装置，氦气增压装置，预混气瓶207、208，真空泵211，计算机；
氮气气源瓶201用于为混合气体供应氮气，氦气气源瓶202用于为混合气体供应氦气；氧气气源瓶203用于为混合气体供应氧气；
计算机用于计算充入预混气瓶207、208中氮气的第三预混氮气质量，氦气的第一预混质量和氧气的第二预混质量；具体计算方法与实施例1的计算方法相同。
以在常温状态下配制1瓶15MPa、40L氮氦氧混合气体（氮气60%、氦气15%、氧气25%）为例，计算混合气体中每种气体的充气质量步骤为：
使用纯氮（不低于99.99%），混合气体中氮气的质量为
使用纯氦（不低于99.99%），混合气体中氦气的质量为
使用医用氧（不低于99.5%）混合气体中氧气的质量为
混合气体的总质量为
真空泵211用于将预混气瓶207、208分别抽真空；使预混气瓶207、208达到指定负压力状态，为配气做配气前准备工作，保障配气精度的准确。本实施例的真空泵可采用通用旋片式真空泵，其抽气速率可达4.1m3/h，可在1min内将预混气瓶207、208的压力下降到-0.05MPa ~-0.07MPa。
氮气增压装置用于将第三预混质量的氮气以第三压力范围充入预混气瓶207、208中，优选地，第三压力范围大于或等于2.5MPa。
氦气增压装置用于将第一预混质量的氦气以第一压力范围充入预混气瓶207、208中，优选地，第一压力范围大于或等于2.5MPa。
氧气增压装置用于将第二预混质量的氧气以第二压力范围充入预混气瓶207、208中，优选地，第二压力范围大于或等于2.5MPa。
第一预混氦气质量、第二预混氧气质量和第三预混氮气质量的确定可以分别测量氮气气源瓶201、氦气气源瓶202和氧气气源瓶203的质量，当氮气气源瓶201减少的质量为第三预混氮气质量时，即可停止向混合气体配气系统中供应氮气，当氦气气源瓶202减少的质量为第一预混氦气质量时，即可停止向混合气体配气系统中供应氦气，当氧气气源瓶203减少的质量为第二预混氧气质量时，即可停止向混合气体配气系统中供应氧气，但是这种确定第一预混氦气质量、第二预混氧气质量和第三预混氮气质量的方式可能导致混合气体的充入量不够，因为整个混合气体配气系统的管路和阀体中会存在氮气、氦气和氧气的残留，本实施例将提供一种更加准确的确定方式。
本实施例深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统，根据预配制的混合气体中氮气、氦气和氧气的比例计算氮气、氦气和氧气的配气质量，以相应的压力保证相应质量的氮气、氦气和氧气充入预混气瓶207、208中，完成氮氦氧混合气体的配制。通过计算混合气体中各种气体的质量，根据质量配比完成预混气瓶207、208中混合气体的配制，并保证氮气、氦气和氧气能够以相应的压力顺利充入预混气瓶207、208中，使配气过程不受压力、温度等环境因素的影响，从而保证配气精度更加准确。
本发明的混合气体配气系统可同时向多个预混气瓶充入氮氦氧混合气体，本实施例的混合气体配气系统中具有两个预混气瓶207和208。
在本实施例中，氮气增压装置包括氮气气动泵204和驱动气泵212，氦气增压装置包括氦气气动泵205和驱动气泵212，氧气增压装置包括氧气气动泵206和驱动气泵212，氮气气动泵204、氦气气动泵205、氧气气动泵206分别用于为待充入预混气瓶207、208的氮气、氦气、氧气升压，驱动气泵212分别用于为氮气气动泵204、氦气气动泵205、氧气气动泵206提供驱动气源。氮气气动泵204、氦气气动泵205、氧气气动泵206的工作动力为气体驱动，采用驱动气泵212分别供气，氮气气动泵204、氦气气动泵205、氧气气动泵206本身无电弧及火花，适合应用于易燃、易爆的场所，且输出压力稳定，产生的脉冲小，在对气体进行增压时，具有更高的安全性。驱动气泵212在系统中的作用是为氮气、氦气、氧气升压和气动阀等执行设备提供驱动气源，驱动气泵212采用通用气体压缩机，具有达到0.8MPa压力停机功能。驱动气泵212能够分别稳定地驱动氮气气动泵204和氦气气动泵205和氧气气动泵206对氮气和氦气和氧气进行增压。
本实施例的驱动气泵212还用于气动阀226、227提供驱动气体。
在其他实施方式中，氮气增压装置或氦气增压装置包括电动固体润滑升压泵，电动固体润滑升压泵用于将待充入预混气瓶207、208的氮气或氦气升压。
本实施例的混合气体配气系统还包括称重装置209、210，称重装置209、210用于称量预混气瓶207、208的质量。称重装置209、210可采用电子测量装置，在整个配气过程中，电子测量装置可以实时检测预混气瓶207、208的质量。
本实施例混合气体配制的过程中测量的是整个混合气瓶的质量，以40L的预混气瓶为例，抽真空状态下的质量为50kg左右，因此，用于称量质量的称重装置的称量范围需要达到60kg左右，质量称量精度越高，配气精度越高，需要称重装置的称量精度也得很高。那么，采用称量质量的方法配气必须选择一个测量范围大于等于60kg、称量精度高的测量装置。例如，称重装置称量范围为120kg，精度达到1×30000e，检定分度值5g，氧气比重1.429g/L，按照40L/20MPa充装25%氧气计算，氧气的质量为2858g，电子天平精度为5g，因此，理论计算的称重误差为0.175%，满足称量范围和称量精度的要求。
本实施例的混合气体配气系统还包括控制设备，所述控制设备用于控制氮气增压装置对氮气增压至第三压力范围后充入预混气瓶207、208，当称重装置209、210称量预混气瓶207、208的质量为抽真空后预混气瓶207、208的质量与第三预混质量（计算得到的氮气充气质量）之和时，控制设备用于控制停止向预混气瓶207、208充入氮气。
本实施例的控制设备还用于控制氦气增压装置对氦气增压至第一压力范围后充入所述预混气瓶207、208，当称重装置209、210称量预混气瓶207、208的质量为抽真空后预混气瓶207、208的质量、第三预混质量与第一预混质量（计算得到的氦气充气质量）之和时，控制设备用于控制停止向预混气瓶207、208充入氦气。
本实施例的控制设备还用于控制氧气增压装置对氧气增压至第二压力范围后充入预混气瓶207、208，当称重装置209、210称量预混气瓶207、208的质量为抽真空后预混气瓶207、208的质量、氮气的第三预混质量、氦气的第一预混质量与氧气的第二预混质量（计算得到的氧气充气质量）之和时，控制设备用于控制停止向预混气瓶207、208充入氧气。
本实施例控制设备还可以与计算氦气的第一预混质量、氧气的第二预混质量和氮气的第三预混质量的计算机通信，以便控制设备获取氦气的第一预混质量、氧气的第二预混质量和氮气的第三预混质量的具体数值。
本实施例深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统工作过程可以是：
根据待混合气体配制的浓度要求，用计算机计算待充入氮气、氦气和氧气的第三预混质量、第一预混质量和第二预混质量，开启电磁阀222、223、224气动阀226和227，使用真空泵211对预混气瓶207、208进行抽真空，当预混气瓶207、208满足真空度的要求时，即预混气瓶207、208的压力下降到-0.05MPa ~-0.07MPa时，关闭电磁阀222、223、224气动阀226和227；向预混气瓶207、208充氮气时，开启电磁阀213和219，使氮气气源瓶201中的氮气通过管路进入到氮气气动泵204，利用驱动气泵212为氮气气动泵204提供驱动气体，以便对氮气进行增压，将氮气增压至大于或等于2.5 MPa，开启电磁阀216、222、223和气动阀226、227，将增压后的氮气充入预混气瓶207、208中，当称重装置209、210称量预混气瓶207、208的质量为抽真空后预混气瓶207、208的质量与氮气的第三预混质量（每个预混气瓶可对应一个氮气的第三预混质量，本实施例中预混气瓶207和208的规格相同，两个氮气的第三预混质量也相同）之和时，关闭电磁阀216、222、223和气动阀226、227，停止向预混气瓶207、208充入氮气；向预混气瓶207、208充氦气时，开启电磁阀214和220，使氦气气源瓶202中的氦气气通过管路进入到氦气气动泵205，利用驱动气泵212为氦气气动泵205提供驱动气体，以便对氦气进行增压，将氦气增压至大于或等于2.5 MPa，开启电磁阀217、222、223和气动阀226、227，将增压后的氦气充入预混气瓶207、208中，当称重装置209、210称量预混气瓶207、208的质量为抽真空后预混气瓶207、208的质量、氦气的第一预混质量（每个预混气瓶可对应一个氦气的第一预混质量，本实施例中预混气瓶207和208的规格相同，两个氦气的第一预混质量也相同）和氮气的第三预混质量（每个预混气瓶可对应一个第三预混质量，本实施例中预混气瓶207和208的规格相同，两个氦气的第三预混质量也相同）之和时，关闭电磁阀217、222、223和气动阀226、227，停止向预混气瓶207、208充入氦气；向预混气瓶207、208充氧气时，开启电磁阀215和221，使氧气气源瓶203中的氧气通过管路进入到氧气气动泵206，利用驱动气泵212为氧气气动泵206提供驱动气体，以便对氧气进行增压，将氧气增压至大于或等于2.5 MPa，开启电磁阀218、222、223和气动阀226、227，将增压后的氧气充入预混气瓶207、208中，当称重装置209、210称量预混气瓶207、208的质量为抽真空后预混气瓶207、208的质量、氮气的第三预混质量（每个预混气瓶可对应一个第三预混质量，本实施例中预混气瓶207和208的规格相同，两个氮气的第三预混质量也相同）、氦气的第一预混质量（每个预混气瓶可对应一个氦气的第一预混质量，本实施例中预混气瓶207和208的规格相同，两个氦气的第一预混质量也相同）和氧气的第二预混质量（每个预混气瓶可对应一个氧气的第二预混质量，本实施例中预混气瓶207和208的规格相同，两个氧气的第二预混质量也相同）之和时，停止向预混气瓶207、208充入氧气，得到符合浓度配比要求的氮氦氧混合气体。配制好混合气体后，关闭预混气瓶207、208上的瓶阀，打开电磁阀216、217、218和225，释放配气系统中氮气气动泵204、氦气气动泵205、氧气气动泵206和管路中多余的气体，以保证该混合气体配气系统能够持续安全使用。
本实施例的混合气体配气系统还包括摇匀装置，摇匀装置用于将充入预混气瓶的混合气体摇匀。充分利用离心力原理，反复摆动混合气体气瓶，加速气瓶内各种气体成分的混合速度，提高摇匀效率和混合气质量。摇匀装置具有设定转速、摆动幅度、摆动时间等功能，传统的摇匀方式有静置和人工摇匀两种，人工摇匀（滚动方式）和静置混合气体，气瓶混合时间较长，达不到完全混合均匀的目的。摇匀装置减少了配气后的混合气体气瓶内气体混合时间，大幅提高了混合气的配气效率，内部混合气体达到充分混合并稳定。
在摇匀后，可将充好混合气体的预混气瓶207、208转移到充气系统，以便向深潜呼吸器的气瓶中充气。
需要说明的是，本实施例中，电磁阀213、214、215、216、217、218、224、225为高压电磁阀，电磁阀219、220、221、222、223为低压电磁阀；电磁阀222、223与驱动气泵212配合使用，控制驱动气泵212向气动阀226和227供应驱动气体。
本发明深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统，根据预配制的混合气体中各种气体的比例计算相应气体的配气质量，以相应的压力保证相应质量的各种气体充入预混气瓶中，完成氦氧或氮氦氧混合气体的配制。本发明的混合气体配气系统通过计算混合气体中各种气体的质量，根据体积转化成质量配比完成预混气瓶中混合气体的配制，并保证氮气、氦气、氧气能够以相应的压力顺利充入预混气瓶中，使配气过程不受压力、温度等环境因素的影响，从而保证配气精度更加准确。
最后，可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统，其特征在于，包括：氧气气源瓶，氦气气源瓶，氧气增压装置，氦气增压装置，预混气瓶，真空泵，计算机；
所述计算机用于计算充入所述预混气瓶中氦气的第一预混质量和氧气的第二预混质量；氦气的第一预混质量和氧气的第二预混质量按如下公式进行计算：
，
式中，为充入预混气瓶某一气体的质量（g），/>为配制好混合气体的预混气瓶的预设压力值（MPa），/>为预混气瓶的容积（m3），/>为混合气体中该气体的百分比，R为摩尔气体常数（8.31441Pa﹒m3/mol﹒K），/>为配制混合气体时该气体温度（K），/>表示该气体的摩尔质量（g/mol）；
所述真空泵用于将所述预混气瓶抽真空；
所述氦气增压装置用于将第一预混质量的氦气以第一压力范围充入所述预混气瓶中；
所述氧气增压装置用于将第二预混质量的氧气以第二压力范围充入所述预混气瓶中；
所述混合气体配气系统还包括称重装置，所述称重装置用于称量所述预混气瓶的质量；
所述混合气体配气系统还包括控制设备，所述控制设备用于控制所述氦气增压装置对氦气增压至第一压力范围后充入所述预混气瓶，当所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为抽真空后所述预混气瓶的质量与氦气的第一预混质量之和时，所述控制设备用于控制停止向所述预混气瓶充入氦气；所述控制设备还用于控制所述氧气增压装置对氧气增压至第二压力范围后充入所述预混气瓶，当所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为抽真空后所述预混气瓶的质量、氦气的第一预混质量与氧气的第二预混质量之和时，所述控制设备用于控制停止向所述预混气瓶充入氧气。
2.根据权利要求1所述的深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统，其特征在于，还包括氮气气源瓶和氮气增压装置，所述计算机还用于计算充入所述预混气瓶中氮气的第三预混质量，所述氮气增压装置用于将第三预混质量的氮气以第三压力范围充入所述预混气瓶中。
3.根据权利要求2所述的深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统，其特征在于，所述氮气增压装置包括电动固体润滑升压泵，所述电动固体润滑升压泵用于将待充入所述预混气瓶的氮气升压。
4.根据权利要求2所述的深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统，其特征在于，还包括称重装置，所述称重装置用于称量所述预混气瓶的质量。
5.根据权利要求4所述的深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统，其特征在于，还包括控制设备，所述控制设备用于控制所述氮气增压装置对氮气增压至第三压力范围后充入所述预混气瓶，当所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为抽真空后所述预混气瓶的质量与氮气的第三预混质量之和时，所述控制设备用于控制停止向所述预混气瓶充入氮气。
6.根据权利要求5所述的深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统，其特征在于，所述控制设备还用于控制所述氦气增压装置对氦气增压至第一压力范围后充入所述预混气瓶，当所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为抽真空后所述预混气瓶的质量、氮气的第三预混质量与氦气的第一预混质量之和时，所述控制设备用于控制停止向所述预混气瓶充入氦气。
7.根据权利要求5或6所述的深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统，其特征在于，所述控制设备还用于控制所述氧气增压装置对氧气增压至第二压力范围后充入所述预混气瓶，当所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为抽真空后所述预混气瓶的质量、氮气的第三预混质量、氦气的第一预混质量与氧气的第二预混质量之和时，所述控制设备用于控制停止向所述预混气瓶充入氧气。
8.根据权利要求1或2所述的深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统，其特征在于，所述氧气增压装置包括氧气气动泵和驱动气泵，所述氧气气动泵用于为待充入所述预混气瓶的氧气升压，所述驱动气泵用于为所述氧气气动泵提供驱动气源。
9.根据权利要求1或2所述的深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统，其特征在于，所述氦气增压装置包括电动固体润滑升压泵，所述电动固体润滑升压泵用于将待充入所述预混气瓶的氦气升压。
10.根据权利要求1或2所述的深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统，其特征在于，还包括摇匀装置，所述摇匀装置用于将充入所述预混气瓶的混合气体摇匀。
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|---|---|---|---|
| CN202311707187.4A CN117386995B (zh) | 2023-12-13 | 2023-12-13 | 一种深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气系统 |
Applications Claiming Priority (1)
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2023
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Patent Citations (5)
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