CN1782677A - 用于化学传感器的压力驱动校准系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种用于对泄漏传感器进行远程校准的装置。泄漏传感器校准装置包括一储存流体校准剂的容器、一与该容器流体连通的管道、一输出喷嘴、一供气源和一阀装置。管道的一部分限定一储存计量数量的校准剂的计量腔，输出喷嘴与计量腔流体连通。供气源可对储存在计量腔中的计量数量的校准剂进行加压。阀机构可使储存在计量腔中的计量数量的校准剂通过输出喷嘴喷射到大气中。

Description

用于化学传感器的压力驱动校准系统

本案为名称是“用于化学传感器的压力驱动校准系统”、申请日为“2000年3月23日”、申请号为“00807948.X”的专利申请的分案申请。

发明领域

本发明涉及一种用于化学传感器的校准系统。更具体地说，本发明涉及一种可从一计量腔向大气输送给定剂量校准剂的压力驱动校准装置。

发明背景

诸如化工厂、炼油厂和货运站之类的工业制造、加工和存储单位通常包括一个庞大的管道系统网络，以便通过它输送原料或成品。这样的管道系统必须包括大量的阀来控制工厂内的物料流量。

在前述工厂内传送的很多产品是有害的挥发性有机化合物(VOC’s)。不幸的是，用来控制工厂内物料流量的阀通常会有一定量的、不希望有的泄漏，这通常被叫作“逃逸”散发。受到环境保护署(EPA)管制的逃逸散发经常发生在阀杆与阀体之间的密封处(packing)周围。这种逃逸散发必须受到监测，以符合EPA的关于散发的规定。因此，在阀附近，通常是在靠近易泄漏的阀杆或其它非点状源的位置上布置泄漏检测器，以便监测泄漏率。

为了获得精确的读数，必须对泄漏检测器进行定期校准，这种校准通常必须在一个较远的位置上进行。对这种泄漏检测器进行校准的一种方法是，在靠近泄漏检测器的位置喷少量的校准剂。随后，将检测器的读数与一基于经验数据的标准或查表作比较，藉以调整检测器。

发明概要

根据本发明的第一方面，一种泄漏传感器的校准装置包括一用于储存校准剂的容器、一与该容器流体连通的管道、一输出喷嘴、一供气源和一阀机构。管道的一部分构成了储存计量数量的校准剂的计量腔，输出喷嘴与该计量腔流体连通。供气源可对储存在计量腔中的计量数量的校准剂进行加压。阀机构可将储存在计量腔中的计量数量的校准剂通过输出喷嘴喷射到大气中。

又根据本发明的一个较佳实施例，一流量制约器设置在计量腔与容器之间。流量制约器可以是一双稳定的止回阀。或者，管道可包括保持第二一定量的校准剂的一部分，该第二一定量的校准剂大于计量数量的校准剂。该管道部分设置在计量腔与容器之间，从而形成一气阻。

阀机构最好包括一设置在计量腔与输出喷嘴之间的第一远程操作的阀。阀机构最好还包括一设置在供气源与计量腔之间的第二远程操作的阀。第一阀可在一关闭位置与一打开位置之间移动。当在关闭位置时，第一阀使计量腔与输出喷嘴隔离。第二阀可在一关闭位置与一打开位置之间移动。当在关闭位置时，第二阀使供气源与计量腔隔离。一止回阀设置在计量腔与容器之间，止回阀可在一打开位置与一关闭位置之间移动。止回阀可响应第二阀朝打开位置的移动而朝其关闭位置移动。

第一和第二阀最好是可用电远程操作的阀，并能可操作地连接于一控制器，以便远程操作第一和第二阀。较好的是，控制器使第一阀移动到打开位置一第一预定时间间隔，并使第二阀移动到打开位置一第二预定时间间隔。更好的是，第二时间间隔小于第一时间间隔，并在第一时间间隔过程中出现。第一时间间隔可约是50毫秒，而第二时间间隔可约是10毫秒。作为预处理，控制器可在第一和第二时间间隔之前的第三预定时间间隔中使第二阀移动至打开位置。该预处理可有效地再填充计量腔。

根据本发明的第二个方面，将蒸发的物料的计量数量传送到周围大气中的泄漏传感器校准装置包括一储存物料的容器、一输出喷嘴、一使容器与输出喷嘴之间流体连通的管道、一压力源和一使压力源与计量腔连通的阀系统。管道包括一构成储存计量数量的物料的计量腔的第一部分和设置在计量腔与容器之间的第二部分。管道第二部分可阻止计量数量的物料朝容器回流。通过操作阀系统，装置通过输出喷嘴将储存在计量腔中的计量数量喷射到大气中。

根据本发明的另一方面，泄漏传感器校准装置包括一储存流体校准剂的容器和一与储存容器流体连通的管道。管道中止在一输出喷嘴并包括一构成储存测量数量的流体校准剂的计量腔的中心部分。装置还包括一对储存在计量腔中的测量数量进行加压的压力源、一使计量腔与周围大气隔离的阀系统和一可操作地连接于阀系统的控制系统。

再根据一较佳实施例，容器可含有一液体分析校准剂，计量腔的大小可做成能在其中容纳2微升范围的数量。容器还可在其中容纳一汽相的分析校准剂，在这种情况下，计量腔的大小可做成在其中容纳500微升范围的容积。

根据本发明的又一方面，提供一装置，可用在流体物料流过一管道的加工系统中，使得该装置朝一传感器喷射计量数量的流体物料。装置包括一与该管道流体连通的口，该口的一部分构成储存计量数量的流体物料的计量腔。一输出喷嘴与计量腔流体连通，一供气源为储存在计量腔中的计量数量的校准剂提供压力。提供一阀机构，该阀机构可将储存在计量腔中的计量数量的校准剂通过输出喷嘴喷射到大气中。因此，传感器可确定流体物料的构成。

在阅读下面的说明时，本领域的技术人员将会对本发明的进一步的优点和特征更清楚。

附图简要说明

图1是部分剖开的示意图，它示出了根据本发明的内容构造的一泄漏传感器校准装置；

图2是一可远程操作的微型阀的立体图，该阀用在本发明的装置中；

图3是图2所示的微型阀的立体分解图；

图4是一特氟龙插入件的放大的俯视图，其中形成有一计量腔；

图5是沿图4的线5-5截取的特氟龙插入件的放大的剖视图；

图5A是一类似于图5的放大的剖视图，但示出了在插入件输入侧有一圆锥形部分的特氟龙插入件；

图6是一用于本发明的止回阀的放大的立体图；

图7是一示意图，示出了止回阀相对于计量腔和校准剂容器的位置；以及

图8是类似于图1的部分剖开的示意图，但是根据本发明第二较佳实施例组装的。

对较佳实施例的详细描述

在此描述的实施例并不想将本发明限制在所述的形式，该实施例的选择和描述而是为了使熟悉本技术领域的人员能更好地了解本发明的内容。

现请参见附图中的图1，其中根据本发明内容构造的一个泄漏传感器校准装置总的由标号10来表示。校准装置10通常被放置得非常靠近一气体传感器阵列(未图示)，该气体传感器阵列则通常被布置得非常靠近需监测泄漏情况的系统，例如阀、管道系统或密封件、或者是任何其它潜在的散发源(未图示)。装置10包括一可容纳一定数量分析校准剂14的容器12，校准剂14最好是与通过被监测阀或其它系统构件(未示出)的物料相同的一种物料。下面将会进一步详细地描述，分析校准剂14可以是液相的，也可以是汽相的。

装置10包括具有多个交叉管道或孔18、20和22的本体或壳体16。壳体16最好由不锈钢或其它合适材料制成。孔18包括第一和第二分段19、21。孔18基本上穿过壳体16并与容器12和孔20流体连通。孔20延伸到孔18并与一输出喷嘴24流体连通。输出喷嘴24最好放置成非常靠近监测泄漏的阀(或其它系统构件)(未示出)。一孔26连接孔18和20，构成一计量腔28。计量腔28最好具有预定的容积。例如，在要采用液相的分析校准剂14的情况下，计量腔28的容积可在2微升(2×10^-6立方厘米)的范围。与之相比，在采用汽相分析校准剂14的情况下，计量腔28的容积可在500微升(500×10^-6立方厘米)的范围。其它容积也可考虑，只要计量腔28能够存储校准剂14的预定体积即可。要从输出喷嘴24喷射的校准剂14的所需量或体积的选择取决于许多因素，包括所选校准剂的类别、浓度、纯度和状态(即液体或汽体)以及周围环境的温度、湿度等等，所有这些本领域的技术人员都是很了解的。改变计量腔28的容积可以增加或减少校准剂14喷射所需的量。

如图1、4和5所示，一孔30使孔22与计量腔28相连，一供气入口32与孔22交叉。供气入口连接于压缩空气的气源(未示出)，这样做的目的将在下文详细说明。最好是，供气源供应的空气约为3psig，可以具有本领域的技术人员所能预计的适当的偏差。装置10包括一阀机构34，这也将在下文详细描述，它能从计量腔28经输出喷嘴24喷射预定量的校准剂14。

如图5所示，计量腔28包括一输入端36、一输出端38和一中间部分40。孔30在中间部分40与计量腔28交叉。如图5A所示，孔26的的输入端36可选择包括一扩口的或圆锥形部分37。

如图1所示，一止回阀39设置在孔18的总的与计量腔28的输入端36相邻的部分19。参阅图6和7，止回阀39包括一壳体41，大小做成能容纳在孔21的部分19中。止回阀39包括一板或盘43，其大小做成容纳在一阀座45上，还包括一将盘43朝一如图7所示的常开位置偏置的弹簧47。如图7所示，孔18的部分19包括一能够将止回阀39压入位置(例如当看图7时从下面)的环形座49。

当以下文将要详细描述的方式驱动阀机构34时，对抗盘43的驱动压力的引导使盘43朝上移动(从图中看)，使得盘43坐落在阀座45上。因此，防止了任何校准剂14朝容器12回流。要指出的是，从而，止回阀39响应阀机构34的操作自动运行，进一步体现为一个双稳定止回阀，从图7中可以注意到，止回阀39最好略微远离孔26的输入端36，以构成一腔35。要知道的是，容器12的容积最好远远大于计量腔28的容积，以便于在储存在其中的被测量的量通过输出喷嘴喷射之后能迅速地再填充计量腔。在较佳实施例中，容器12的容积约是计量腔28的容积的20倍。

再参阅图1、2和3，阀机构34包括一设置在孔18的分段21中的第一阀42。阀42包括一可关闭计量腔28的输出端38的尖端44。阀机构34还包括一设置在孔22中的具有可关闭孔30的输入端50的尖端48的第二阀46。阀42和46可在关闭与打开位置之间移动。当阀42在关闭位置时，阀42使计量腔28与输出喷嘴24隔离。当阀42在打开位置时，计量腔28与输出喷嘴24流体连通。当第二阀46在关闭位置时，阀46使空气入口32与计量腔28隔离。当阀46在打开位置时，空气入口32与计量腔28流体连通。较好的是，阀42和46是一种可远程操作的电驱动微型阀。更好的是，阀42、46可从一普通的控制系统52远程操作。

再参阅图2和3，图中示出了阀42。要知道的是，阀46的结构和操作基本上是相同的。但是，下文只详细地描述阀42的结构和操作。阀42包括一本体54、一电磁鼓轮(bobbin)56、一对软磁极件58、60、一稀土永久性磁铁62、一绝缘体64和一电枢(armature)66。最好用17-4不锈钢构成阀本体54、磁极件58、60和电枢66，而绝缘体64最好由316不锈钢构成。磁铁62最好由镍铁硼(Nickel Iron Boron)构成。阀42和46最好是可用电操作的阀，其驱动能量为在6伏以250毫安通电10毫秒。其它合适的阀也可使用。

下面参阅图1和4，在孔18、20和22的交叉处使用一Teflon(特氟龙)插入件68。特氟龙插入件68最好是用已知的工艺压缩模制的，从而在其中构成计量腔28和孔30。使用一独立插入件68可使制造过程变得容易，这样可允许壳体16按第一组公差制造，而插入件68则按第二组比较严格的公差制造。该插入件68还分别在阀42和46的尖端44和48提供一较好的密封。

在运行时，当装置10不起作用时，阀42和46都被关闭，容器12中的校准剂14由于止回阀39在打开位置而自由流入计量腔28。当需要驱动装置10时，控制系统52首先打开阀46，最好是开50毫秒的时间。而阀46打开时，控制系统52按下来打开阀42，这使得加压空气从气源流过空气入口32。所导致的压力增加使止回阀39立即移动到它的关闭位置。引入的空气用来带动储存在计量腔28中测定量的校准剂14，使测量的量从输出喷嘴24喷射出去。借助在导入驱动压力时移动到其关闭位置的止回阀39，可防止任何的校准剂14从计量腔28流向容器12，并将在计量腔28中的校准剂14喷射出输出喷嘴24。所需的10毫秒间隔过去之后，阀42被关闭。此后不久，阀46被关闭。当驱动压力被隔离时，止回阀39在弹簧47的弹簧力的作用下回到其常开位置，而校准剂14从容器自由地流入计量腔28中。

在所述过程中，为了测量或预计阀的泄漏散发，排出的校准剂14与来自一工艺系统阀(process system valve)(未示出)周围已知量的大气混合。通过将所获得的传感器读书与经验数据进行比较，或使用其它已知的方法，泄漏传感器(未示出)可被校准。

本领域的熟练技术人员要注意的是，在其蒸汽状态下使用校准剂14是有利的。当在装置10内使用汽化的校准剂14时，在每一阀42、46中的泄漏的可能性大大地降到最低，尤其当装置10被用在高温环境中时。在使用汽化的校准剂的情况下，可考虑周围的温度和校准剂的蒸汽压力来校准泄漏传感器(未示出)，以便计算从输出喷嘴24喷射的校准剂的夹带量。

本领域的技术人员还要注意的是，使用上述的同样的原则，为了周期性地测试流过工业加工系统(未示出)中的一管道或其它运输工具的物质的构成或纯度，可使用本装置10。在这样一种应用场合，容器14持续与流过管道或系统的物流保持流体连通，输出喷嘴24放置成非常接近一适当的传感器。

下面参阅图8，图中示出一第二较佳实施例，在该实施例中，与上述实施例相同或相似的所有元件保持与之相同的编号，但加上100。一泄漏传感器校准装置110包括一含有一定量的分析校准剂114的容器112。装置110包括一具有多个交叉的管道或孔118、120和122的本体或壳体116。孔118包括第一和第二分段119、121，并基本上穿过壳体116。孔120延伸到孔118并与输出喷嘴124流体连通。一孔126连接孔118和120，并构成计量腔128。计量腔128储存预定体积的校准剂14，该预定或所需量取决于计量腔28的内容积。

一孔130使孔122与计量腔128相连，一供气入口132与孔122交叉。供气入口132连接于一加压气源，该加压空气由供气源以约3psig供应。装置110包括一阀机构134，它具有一设置在孔118的分段121的和具有一可关闭计量腔128的输出端138的尖端144的第一阀142。阀机构134还包括一设置在孔122中的具有一能关闭孔130的输入端150的尖端148的第二阀146。阀机构134可以一类似于上面针对第一较佳实施例所描述的方式操作。

计量腔128包括一输入端136、一输出端138和一中间部分140。孔130在中间部分140与计量腔128交叉。孔118包括一分段139，该分段139邻近计量腔128的输入端136设置。分段139的直径大于计量腔128的直径，使得分段139起到气阻(pneumatic restriction)的作用。尽管所示的孔118具有两个不同直径的分段，孔118也可选择具有均匀的直径，只要紧靠计量腔128的输入端136的分段139的横截面积显著大于计量腔128的横截面面积即可。横截面积的这种差异能够确保设置在紧靠计量腔128的输入端136的孔118的分段139的校准剂的体积显著大于储存在计量腔128中的校准剂的体积。因此，响应阀机构134的操作和驱动压力被引导到储存在计量腔128中的校准剂114，校准剂114将随着气阻最少的通道流动，而从输出喷嘴124喷射出。

应理解的是，在上述的任何实施例中，所述容器可用含有流体材料的工艺流的管子系统替换，装置可用以通过喷射已知量的流体材料至传感装置以周期性地采集工艺流的纯度或构成。

还要理解的是，以上的说明不是用来将本发明限制在上述给定的细节中。可以认为，在不脱离如下的权利要求书的基本精神和范围的情况下可对本发明进行种种改变和替换。

Claims (29)

1.一种泄漏传感器的校准装置，包括：

一用于储存校准剂的容器；

一流体连通于所述容器的管道，所述管道的一部分限定了一用于储存计量数量校准剂的计量腔；

一流体连通于所述计量腔的输出喷嘴；

一可对储存在计量腔中的计量数量校准剂进行加压的供气源；以及

一可将储存在计量腔中的计量数量校准剂通过输出喷嘴喷射到大气中的阀机构。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置还包括一设置在计量腔与容器之间的流量制约器。

3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，流量制约器是一止回阀。

4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述管道包括适于保持第二一定量的校准剂的一个部分，该第二一定量的校准剂大于计量数量的校准剂，该管道部分设置在计量腔与容器之间。

5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，阀机构包括一设置在计量腔与输出喷嘴之间的第一阀，第一阀可远程操作。

6.如权利要求5所述的装置，其特征在于，阀机构包括一设置在供气源与计量腔之间的第二阀，该第二阀可远程操作。

7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，阀机构包括一设置在计量腔与输出喷嘴之间的第一阀，第一阀可在一关闭位置与一打开位置之间移动，当在关闭位置时，第一阀使计量腔与输出喷嘴隔离，阀机构还包括一设置在供气源与计量腔之间的第二阀，第二阀可在一关闭位置与一打开位置之间移动，当在关闭位置时，第二阀使供气源与计量腔隔离。

8.如权利要求7所述的装置，其特征在于，第一和第二阀是可用电远程操作的阀，还包括一控制器，以便远程操作第一和第二阀

9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，控制器使第一阀移动到打开位置历一第一预定时间间隔，并使第二阀移动到打开位置历一第二预定时间间隔，第二时间间隔小于第一时间间隔，第二时间间隔出现在第一时间间隔过程中。

10.如权利要求9所述的装置，其特征在于，第一时间间隔是50毫秒，而第二时间间隔是10毫秒。

11.如权利要求9所述的装置，其特征在于，控制器使第二阀移动到打开位置历一第三预定时间间隔，第三时间间隔出现在第一和第二时间间隔之前。

12.如权利要求7所述的装置，其特征在于，该装置还包括一设置在计量腔与容器之间的止回阀，该止回阀可在一打开位置与一关闭位置之间移动，止回阀响应第二阀朝打开位置的移动而朝关闭位置移动。

13.一种将计量数量的流体物料传送到周围大气中的泄漏传感器校准装置，该泄漏传感器校准装置包括：

一储存流体物料的容器；

一输出喷嘴；

一使容器与输出喷嘴之间流体连通的管道，该管道包括一构成储存计量数量的流体物料的计量腔的第一部分，该管道还包括一设置在计量腔与容器之间的第二部分，管道第二部分可阻止计量数量的物料流向容器；

一压力源；以及

一使压力源与计量腔连通的阀系统，由此使储存在其中的计量数量物料通过输出喷嘴喷射到大气中。

14.如权利要求13所述的装置，其特征在于，阀系统包括一设置在计量腔与输出喷嘴之间的第一阀，第一阀是可远程操作的。

15.如权利要求14所述的装置，其特征在于，阀机构包括一设置在压力源与计量腔之间的第二阀，该第二阀可远程操作。

16.如权利要求15所述的装置，其特征在于，阀系统包括一设置在计量腔与输出喷嘴之间的第一阀，第一阀可在一关闭位置与一打开位置之间移动，当在关闭位置时，第一阀使计量腔与输出喷嘴隔离，阀系统还包括一设置在压力源与计量腔之间的第二阀，第二阀可在一关闭位置与一打开位置之间移动，当在关闭位置时，第二阀使压力源与计量腔隔离。

17.如权利要求16所述的装置，其特征在于，第一和第二阀是可用电远程操作的阀，还包括一控制器，以便远程操作第一和第二阀。

18.如权利要求17所述的装置，其特征在于，控制器被编程为将第一阀保持在打开位置一第一预定时间间隔，并还编程为将第二阀保持在打开位置一第二预定时间间隔，第二时间间隔小于第一时间间隔，第二时间间隔出现在第一时间间隔过程中。

19.如权利要求18所述的装置，其特征在于，第一时间间隔可是50毫秒，而第二时间间隔是10毫秒。

20.如权利要求19所述的装置，其特征在于，控制器被编程为将第二阀保持在打开位置一第三预定时间间隔，第三时间间隔出现在第一和第二时间间隔之前。

21.如权利要求13所述的装置，其特征在于，容器可含有一液体校准剂，计量腔的容积约是2×10^-6升。

22.如权利要求13所述的装置，其特征在于，容器可含有蒸发的校准剂，计量腔的容积约是500×10^-6升。

23.如权利要求13所述的装置，其特征在于，该装置还包括一设置在管道第二部分的止回阀，该止回阀可在一打开位置与一关闭位置之间移动，止回阀响应阀系统的驱动朝关闭位置移动。

24.一种泄漏传感器校准装置，它包括：

一储存流体校准剂的容器；

一与储存容器流体连通的管道，管道中止在一输出喷嘴并有一构成储存计量数量的流体校准剂的计量腔的中心部分；

一对储存在计量腔中的计量数量进行加压的压力源；

一使计量腔与周围大气隔离的阀系统；和

一可操作地连接于阀系统的控制系统。

25.如权利要求24所述的泄漏传感器，其特征在于，阀系统包括一使计量腔与大气隔离的第一阀，和使压力源与计量腔隔离的第二阀。

26.如权利要求25所述的泄漏传感器，其特征在于，第一阀设置在计量腔与输出喷嘴之间，第一阀可在一使计量腔与大气隔离的关闭位置与一打开位置之间移动，第二阀设置在压力源与计量腔之间，第二阀可在使压力源与计量腔隔离的关闭位置与一打开位置之间移动。

27.如权利要求24所述的泄漏传感器，其特征在于，该装置还该包括一设置在容器与计量腔之间的管道中的止回阀，该止回阀响应压力源防止计量数量流向容器。

28.一装置，用在流体物料流过一管道的加工系统中，以朝一传感器喷射计量数量的流体物料，该装置包括：

一与该管道流体连通的口，该口的一部分限定一储存计量数量的流体物料的计量腔；

一输出喷嘴，与计量腔流体连通；

一供气源，为储存在计量腔中的计量数量的校准剂加压；以及

一阀机构，该阀机构可将储存在计量腔中的计量数量的校准剂通过输出喷嘴喷射到大气中；

由此，传感器可确定流体物料的构成。

29.一装置，用在流体物料流过一管道的加工系统中，以朝一传感器喷射计量数量的流体物料，该装置包括：

一与该管道流体连通的口，该口的一部分限定一储存计量数量的流体物料的计量腔；

一输出喷嘴，与计量腔流体连通；

一供气源，为储存在计量腔中的计量数量的校准剂加压；以及

一阀机构，该阀机构可将储存在计量腔中的计量数量的校准剂通过输出喷嘴喷射到大气中；

由此，传感器可确定流体物料的构成。

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