CN203672856U - 一种气体标定系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及采用测量单元对配气过程浓度进行实时检测，根据实测浓度由计算单元的相关电路计算并调整过程配气的相关参数，流量控制单元根据相关参数自动切换相应量程的流量计以调整过程配气输出，从而实现了配气过程的闭环控制和配气浓度精确调整，解决了配气精度无法满足气体分析仪标定要求的问题。本实用新型具有精度高、量程范围宽等优点。

Description

一种气体标定系统

技术领域

本实用新型涉及一种气体标定系统。 

背景技术

气体分析仪器是用于检测气体组分和浓度的一种检测仪器，其测量原理有红外、紫外、色谱、质谱等很多种，此类分析仪器广泛应用于工业、农业、环境监测和科学研究等众多领域。气体分析仪器的检测精度直接影响到了相关企业的生产效率和产品质量。因此，提高气体分析仪器的检测精度具有重要意义。 

气体分析仪器在进行测量前，通常要采用标准浓度的气体(以下简称标气)进行标定(即校准)，标气的精度往往决定了分析仪器的测量精度。然而，气体分析仪器探测下限经常低到ppb级、测量精度通常在2％以上；且不同的气体分析仪器根据应用不同，其量程变化范围会相差10000倍以上。 

如果从市场上采购商用标气对分析仪器进行标定，往往存在以下问题： 

1)市场上的标气浓度有限，对于一些特殊浓度的标气则无法从市场上采购到； 

2)现有的标气一般存储在钢制气体容器内，一些特殊气体如具有吸附性的气体(如HCL、CL2、NH3等)，在短期存储后，浓度即偏离了原始的标称浓度；而对于低浓度的标气，浓度偏离问题会严重影响分析仪器的精度； 

3)分析仪器正常使用时，经常会用到多种浓度、多种类型的标气；用户为了保证分析仪器的正常使用，必须贮存大量不同浓度、不同类型的标气，从而增加了分析仪器使用的成本，降低了经济效益。 

实用新型内容

为了解决现有技术中的上述不足，本实用新型提供了一种采用普通浓度的标气即可获得高精度、宽量程范围的标气的气体标定系统。 

为实现上述发明目的，本实用新型采用如下技术方案： 

一种气体标定系统，包括混气单元、测量单元、计算单元和流量控制单元； 

所述混气单元包括混气室，用于混合标气和零气；所述混气室分别与测量单元、流量控制单元相连； 

所述测量单元包括浓度测量仪和压力传感器，分别用于测量混气室内的气体浓度和气体压力，并将测量结果作为过程浓度和过程压力传递给计算单元； 

所述计算单元包括相连的比较电路和计算电路，所述比较电路将所述过程浓度与目标浓度进行比较并将比较结果传递给所述计算电路；所述计算电路根据配气目标浓度计算配气初始参数，根据比较电路的比较结果、所述过程浓度、所述过程压力计算配气过程参数； 

流量控制单元，所述流量控制单元还与标气、零气和计算单元相连；所述流量控制单元根据配气初始参数及配气过程参数控制标气/零气的输出。 

进一步，所述流量控制单元包括至少两路相互并联的不同量程流量计。 

进一步，所述流量计为质量流量计。 

作为优选，所述混气室包括用于混气均匀的风扇。 

作为优选，所述风扇在混气室内呈对角设置。 

本实用新型与现有技术相比具有以下有益效果： 

1)根据目标浓度控制标气的输出，实时配制各种浓度范围的目标标气，拓展了目标标气的浓度范围，使得特殊浓度的目标标气也可轻易获得； 

同时对于特殊气体如具有吸附性的气体，采用本实用新型的方法可以实时配制，配制完成之后即可使用，无需事先放置，这就解决了标气浓度偏离的问题，大大提高了低浓度的标气标定精度； 

实时配制目标标气，无需事先存储各种浓度的标气，节省了储存各种浓度标气的成本，提高了经济效益； 

2)、对配气浓度进行闭环检测，并通过计算单元确定配气相关参数，自动调节流量控制单元的输出流量和时间，实现了配气浓度的精确控制，解决了配气精度无法满足气体分析仪标定要求的问题； 

3)、流量控制单元中采用了多路高低量程流量计并联并自动切换的办法，当配气输出体积较大时使用高量程流量计、配气输出体积较小时使用低量程流量计，从而达到了标气配比宽范围、高效率的目的。 

附图说明

图1为实施例2中气体标定系统示意图； 

图2为实施例2中流量控制单元结构示意图。 

具体实施方式

实施例1 

一种气体标定系统，包括：混气单元、测量单元、计算单元和流量控制单元； 

1、所述混气单元包括混气室，用于混合标气和零气；所述混气室分别与测量单元、流量控制单元相连；所述标气浓度为C；所述混气室容积为V，初始状态下混气室内充满温度为T1、压力为P1的零气并处于密封状态； 

优选的，所述混气室包括用于混气均匀的风扇。 

优选的，所述风扇在混气室内呈对角设置。 

2、所述测量单元包括浓度测量仪和压力传感器，分别用于测量混气室内的气体浓度和气体压力，并将测量结果作为过程浓度C1和过程压力P2传递给计算单元； 

3、所述计算单元包括相连的比较电路和计算电路； 

3.1、所述比较电路将所述过程浓度C1与目标浓度C0进行比较，并将比较结果传递给计算电路； 

3.2、所述计算电路根据配气目标浓度C0计算配气初始参数；配气初始参数 

V0为： 

$V_0=Q_0{t}_0=\frac{C_{0}V}{C-C_0};---1)$

所述计算电路根据公式1)采用运算放大电路进行加减乘除算法即可根据配气目标浓度C0获得配气初始参数V0； 

如初始标气配气输出流量Q0和输出时间t0，流量控制单元控制对标气的输出，将流量为Q0的标气输出至混气室，输出时间为t0； 

3.3所述计算电路根据所述过程浓度C1、比较电路的比较结果、所述过程压力P2计算配气过程参数； 

若C1＝C0，则配气结束； 

若C1＜C0，则需补充标气；所述计算电路计算标气的过程参数ΔV为： 

$\mathrm{\ΔV}=V_0-V_1=\frac{C_{0}V}{C-C_0}-\frac{P_2{C}_{1}V}{P_{1}C};---2)$

根据ΔV即可获得标气过程参数，如根据ΔV＝ΔQ*Δt，即可求得标气过程输出流量ΔQ和标气过程输出时间Δt； 

若C1＞C0，则需补充零气：所述计算电路计算标气的过程参数ΔV’为： 

${\mathrm{\ΔV}}^{\text{'}}=\frac{(V_1-V_0)C}{C_0}-(V_1-V_0)=\frac{(C-C_0)(V_1-V_0)}{C_0};---3)$

根据ΔV’即可获得零气过程参数，如根据ΔV’＝ΔQ’*Δt’，即可求得零气过程输出流量ΔQ’和零气过程输出时间Δt，。 

所述计算电路根据公式2)和公式3)采用运算放大电路进行加减乘除算法即可实现相关过程参数的计算。 

对配气浓度进行闭环检测，并通过计算单元确定配气相关参数，自动调节或人工调节流量控制单元的输出流量和时间，实现了配气浓度的精确控制，解决了配气精度无法满足气体分析仪标定要求的问题。 

4、流量控制单元，所述流量控制单元还与标气、零气和计算单元相连；所述流量控制单元根据配气初始参数及配气过程参数控制标气/零气的输出。 

所述过程浓度和过程压力均是在所述流量控制单元根据配气初始参数控制标气的输出、且在标气与零气在混气单元的混气室内混合均匀后测量得到的。 

进一步，所述流量控制单元包括至少两路相互并联的不同量程流量计；工作人员可根据配置的标气的浓度范围选择流量计： 

当配高浓度标气时工作人员控制流量控制单元自动切换至高量程流量计，当配低浓度标气时工作人员控制流量控制单元自动切换至低量程流量计。同时，高量程流量计由于输出效率更高，通常用于初始配气以提高配气效率，适用于根据初始参数进行初始配气。 

低量程流量计由于输出精度更高，通常用于初始配气后调整配气浓度，提高配气精度，适用于根据过程参数控制对标气或零气的输出。 

流量控制单元中采用了多路高低量程流量计并联并自动切换的办法，当配气输出体积较大时使用高量程流量计、配气输出体积较小时使用低量程流量计，从而达到了标气配比宽范围、高效率的目的。 

根据目标浓度控制标气的输出，实时配制各种浓度范围的目标标气，拓展了目标标气的浓度范围，使得特殊浓度的目标标气也可轻易获得； 

同时对于特殊气体如具有吸附性的气体，采用本实用新型的方法可以实时配制，配制完成之后即可使用，无需事先放置，这就解决了标气浓度偏离的问题，大大提高了低浓度的标气标定精度； 

实时配制目标标气，无需事先存储各种浓度的标气，节省了储存各种浓度标气的成本，提高了经济效益。 

实施例2 

本实施例是根据实施例1在配置H2S气体时的应用例。在本应用例中，气体分析仪可测量H2S气体，该气体分析仪的测量量程为0～10ppm/0～100ppm可 选，精度为2％F.S，探测下限为0.1ppm；要标定该分析仪，若取5点标定，对0～10ppm量程需要0/2.5/5.0/7.5/10ppm的5种浓度标气，对0～100ppm量程需要0/25/50/75/100ppm的5种浓度标气进行标定，即总共需要准备10种浓度标气。采用本实施例的气体标定系统，可以用零气和200ppmH2S标气就可以配置出标定所用的各种浓度标气。 

本应用例以配制5ppm的气体为例进行说明。 

请参阅图1，所述混气单元1包括混气室10，用于混合标气a和零气b；所述标气浓度C为200ppm；所述混气室10容积为V为10L，初始状态下混气室10内充满常温、常压零气(T1为300K，P1为101325Pa)并处于密封状态。 

混气单元1的混气室10是一个由聚四氟乙烯材料制成的容积为10L的箱体，具有很强的防腐蚀和防吸附性能，能有效配比各种气体。箱体内部设计有用于混气均匀的风扇，保证配比的标气浓度分布均匀，为了使得气体浓度更加均匀，风扇最好在箱体内对角设置。箱体上盖可以打开，用于平衡配气前的初始气体状态(室温300K、常压101325Pa)。 

箱体的一侧有两路标准的管路接口，用于接入从流量控制模块出来的零气和标气。另一侧有两路标准的管路接口，分别用于接入测量单元中的浓度测量仪和压力传感器。其中，浓度测量仪采用高精度H2S气体分析仪(量程为1ppm/10ppm/100ppm可选，精度为0.5％F.S，探测下限为0.01ppm)。 

同时箱体还有一路对外的标气输出接口用于分析仪器标定用。 

每个管路均可由球阀手动控制通断。当关断各个管路并合上箱体上盖后，整个箱体密封性能良好。 

如图2所示，流量控制单元2包含标气a和零气b两路气体输入，标气a气路分别由减压阀211、高量程质量流量计212、低量程质量流量计213、电磁阀214、电磁阀215以及管路组成，零气b气路分别由减压阀221、高量程质量流量计222、低量程质量流量计223、电磁阀224、电磁阀225以及管路组成。 

在气路中采用两路高低量程质量流量计(量程分别为1L/min和20mL/min， 精度均为±0.5％F.S，最低输出流量为2％F.S)，并根据输出流量大小自动切换(当输出流量大于20mL/min时选用高量程流量计，输出流量不大于20mL/min时选用低量程流量计)，从而扩大了配气的浓度范围。 

计算单元5的计算电路根据公式1)采用运算放大电路进行加减乘除算法获得V0： 

$V_0=Q_0{t}_0=\frac{C_{0}V}{C-C_0}=\frac{5*10}{200-5}=0.2564L=256.4\mathrm{mL}$

根据标气输出体积V0＝256.4mL，流量控制单元2自动选用高量程质量流量计212，并确定标气输出流量为Q0＝500mL/min、输出时间为t0＝30.8s。 

流量控制单元2控制质量流量计212以Q0＝500mL/min的流量输出200ppm的H2S标气，输出时间控制为t0＝30.8s。 

测量单元的浓度测量仪3测得混气室10中H2S标气浓度为C1＝4.8ppm，压力传感器4测得混气室10内的气体压力为：P2＝103819Pa。 

计算单元5的比较电路将C1和C0进行比较，并将比较结果传递给计算单元5的计算电路，所述计算电路根据比较结果C1＝4.8ppm＜C0＝5ppm，判断需补充标气，并进行标气过程参数的计算； 

$\mathrm{\ΔV}=V_0-V_1=\frac{C_{0}V}{C-C_0}-\frac{P_2{C}_{1}V}{P_{1}C}=\frac{5*10}{200-5}-\frac{103819*4.8*10}{101325*200}=10.5\mathrm{mL}$

根据ΔV＝10.5mL，流量控制单元2自动选用低量程质量流量计213，并确定标气输出流量为ΔQ＝10mL/min、输出时间为Δt＝63s。一 

流量控制单元2控制质量流量计213以ΔQ＝10mL/min的流量输出200ppm的H2S标气，输出时间控制为Δt＝63s。 

经过调整配气后，浓度测量仪3测得混气室10中H2S标气浓度为4.98ppm，精度满足标定要求，配气完成；可通过混气室10的标气输出接口将标气提供给待标定的分析仪进行标定。 

上述实施方式不应理解为对本实用新型保护范围的限制。本实用新型的关 键是：采用测量单元对配气过程浓度进行实时检测，根据实测浓度由计算单元调整过程配气的相关参数，流量控制单元根据相关参数自动切换相应量程的流量计以调整过程配气输出，从而实现了配气过程的闭环控制和配气浓度精确调整，解决了配气精度无法满足气体分析仪标定要求的问题。在不脱离本实用新型精神的情况下，对本实用新型做出的任何形式的改变均应落入本实用新型的保护范围之内。 

Claims (5)

1.一种气体标定系统，包括混气单元、测量单元、计算单元和流量控制单元； 

所述混气单元包括混气室，用于混合标气和零气；所述混气室分别与测量单元、流量控制单元相连； 

所述测量单元包括浓度测量仪和压力传感器，分别用于测量混气室内的气体浓度和气体压力，并将测量结果作为过程浓度和过程压力传递给计算单元； 

所述计算单元包括相连的比较电路和计算电路，所述比较电路将所述过程浓度与目标浓度进行比较并将比较结果传递给所述计算电路；所述计算电路根据配气目标浓度计算配气初始参数，并根据比较电路的比较结果、所述过程浓度、所述过程压力计算配气过程参数； 

流量控制单元，所述流量控制单元还与标气、零气和计算单元相连；所述流量控制单元根据配气初始参数及配气过程参数控制标气/零气的输出。 

2.根据权利要求1所述的气体标定系统，其特征在于：所述流量控制单元包括至少两路相互并联的不同量程流量计。 

3.根据权利要求2所述的气体标定系统，其特征在于：所述流量计为质量流量计。 

4.根据权利要求1所述的气体标定系统，其特征在于：所述混气室包括用于混气均匀的风扇。 

5.根据权利要求4所述的气体标定系统，其特征在于：所述风扇在混气室内呈对角设置。 

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