CN220214770U - 一种闭式循环气体混配测控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种闭式循环气体混配测控装置，包括气瓶模组、配气控制模组、混合器和测试器，混合器与配气控制模组之间通过单向气路连通，气瓶模组包括目标气瓶和背景气瓶，目标气瓶和背景气瓶分别通过目标气路、背景气路与配气控制模组相连通，混合器与测试器之间设有循环控制气路，循环控制气路包括气路循环控制部件和流量控制部件，气路循环控制部件包括电磁阀和循环泵，流量控制部件包括针阀和流速传感器。本实用新型的有益效果是：保证精准控制混合腔的总压强和各气体的分压，解决了现有技术中使用流速控制配气方式导致配气精度低、气体目标浓度达标耗时长、气体浪费、测定气体传感器响应和恢复时间不精确的问题。

Description

一种闭式循环气体混配测控装置

技术领域

本实用新型涉及气体混合装置技术领域，具体涉及为一种闭式循环气体混配测控装置。

背景技术

在工业生产过程中，特别是化学品的生产以及化学试验过程中，往往需要配制各种各样的混合气体，有的是为了稀释气体，有的是将不同的气体进行混合，得到包含多种组成成分的混合气，通过气体混合装置获取所需混合气体，用以进行化学试验或者用于制取气体分析仪、纯度仪、可燃气体检测报警器、气体检漏仪、各种气体传感器等的检定、检测和校准及性能评价的标准气体；

现有技术通常采用由高浓度的原料气通过稀释配制低浓度标准气的方法获得低浓度的标准气体，即动态配气法，具体为按一定流量比将已知组分的目标气体和背景气体混合配比低浓度气体，气体浓度调节的变量仅为流速，通过改变两个质量流量控制器的流量比例进行气体的稀释，配气精度较低。

目前气体传感器测试模式有动态测试模式和静态测试模式，动态测试过程中需要切换不同浓度的标气或混合气体时，往往需要较长时间的冲洗检测腔才能恢复到原始状态，气体传感器等吸附气体后的解吸速度比较慢，大大影响了测试速度及准确性，气体浓度达到目标浓度过程耗时较长，无法准确测定仪器响应和恢复时间，并且在动态测试下，使用气体较多。静态测试是将一定量的已知浓度气体通入容器中，具有设备简单、操作容易的优点，但静态测试法往往低估传感器的响应。

实用新型内容

本实用新型的目的是：提供一种闭式循环气体混配测控装置，以解决上述背景技术中提出的问题。

为了实现上述目的，本实用新型提供如下的技术方案：一种闭式循环气体混配测控装置，包括气瓶模组、配气控制模组、混合器和测试器，所述混合器与所述配气控制模组之间通过单向气路连通，所述气瓶模组包括目标一个气瓶和两个背景气瓶，所述目标气瓶和所述背景气瓶分别通过与其相对应的一个目标气路、两个背景气路与所述配气控制模组相连通，所述混合器与所述测试器之间设有循环控制气路，所述循环控制气路包括气路循环控制部件和流量控制部件，所述气路循环控制部件包括第六两通电磁阀、第七两通电磁阀、循环泵、第二两通电磁阀、第一三通电磁阀、第一两通电磁阀、第四两通电磁阀、第二三通电磁阀、第五两通电磁阀和第三三通电磁阀，所述流量控制部件包括针阀和流速传感器。

优选的，所述混合器和所述测试器结构相同，所述混合器包括混合腔、密封法兰组件和法兰卡箍，所述混合腔内设有加热器、风扇、温度传感器和环境传感器，所述密封法兰组件上设有航空插头，所述航空插头两侧设有真空接头。

优选的，所述配气控制模组与所述气瓶模组一一对应，所述配气控制模组包括气体质量流量控制器模组，所述气体质量流量控制器模组包括第一质量流量控制器、第二质量流量控制器和第三质量流量控制器，所述第一质量流量控制器和第二质量流量控制器量程都为200sccm，所述第三质量流量控制器的量程为5000sccm，所述气体质量流量控制器模组通过四通接头连接配气管路，所述配气管路上设有与所述气体质量流量控制器模组中质量流量控制器数量相对应的配气电磁阀，所述配气电磁阀包括第一配气电磁阀、第二配气电磁阀、第三配气电磁阀和第四配气电磁阀。

优选的，所述第四配气电磁阀与所述循环控制气路中的所述第二三通电磁阀的常开端相连通，并直接向所述测试器通入气体。

优选的，所述循环控制气路通过不锈钢气管与所述混合器、所述测试器相连通。

优选的，所述针阀、所述第二两通电磁阀通过三通接头与所述循环泵相连通。

本实用新型的有益效果为：一种闭式循环气体混配测控装置，通过循环控制气路连通混合器和测试器的闭循环的方式，实现混合腔和测试腔之间的闭循环供气，使得混合腔中混合气体向测试腔扩散达到平衡时在测试腔中得到目标混合气体，在混合腔配气过程中，通过配气控制模组独立控制各目标气体和背景气体的注入，保证精准控制混合腔的总压强和各气体的分压，从而精准控制目标气体的浓度，解决了现有技术中使用流速控制配气方式导致配气精度低、气体目标浓度达标耗时长、气体浪费、测定气体传感器响应和恢复时间不精确的问题。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的配气控制模组结构示意图；

图3为本实用新型的混合器结构示意图；

图4为本实用新型的循环控制气路结构示意图。

图中：1-气瓶模组，11-目标气瓶，12-背景气瓶，13-目标气路，14-背景气路，2-配气控制模组，21-气体质量流量控制器，211-第一质量流量控制器，212-第二质量流量控制器，213-第三质量流量控制器，22-四通接头，23-配气管路，24-配气电磁阀，241-第一配气电磁阀，242-第二配气电磁阀，243-第三配气电磁阀，244-第四配气电磁阀，3-混合器，31-混合腔，32-密封法兰组件，33-法兰卡箍，34-加热器，35-风扇，36-温度传感器，37-第七两通电磁阀，38-航空插头，39-真空接头，4-测试器，5-单向气路，6-循环控制气路，61-气路循环控制部件，6111-第六两通电磁阀，6112-第七两通电磁阀，6121-第一两通电磁阀，6122-第四两通电磁阀，613-循环泵，614-第二两通电磁阀，615-第一三通电磁阀，616-第二三通电磁阀，617-三通接头，618-第五两通电磁阀，619-第三三通电磁阀，62-流量控制部件，621-针阀，622-流速传感器。

具体实施方式

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型作进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

参考图1-4所示，一种闭式循环气体混配测控装置，包括气瓶模组1、配气控制模组2、混合器3和测试器4，混合器3与配气控制模组2之间通过单向气路5连通，气瓶模组1包括一个目标气瓶11和两个背景气瓶12，一个目标气瓶11和两个背景气瓶12分别通过与其相对应的一个目标气路13、两个背景气路14与配气控制模组2相连通，目标气瓶11用于储存目标气体，背景气瓶12用于储存背景气体，各目标气体通过配气控制模组2依次通入混合器3内，通过气体质量流量控制器21控制各气体分压，进行混合气体配比，混合器3与测试器4之间设有循环控制气路6，循环控制气路6包括气路循环控制部件61和流量控制部件62，气路循环控制部件61包括第六两通电磁阀6111、第七两通电磁阀6112、循环泵613、第二两通电磁阀614、第一三通电磁阀615、第一两通电磁阀6121、第四两通电磁阀6122、第二三通电磁阀616、第五两通电磁阀618和和第三三通电磁阀619，流量控制部件62包括针阀621和流速传感器622，用于混合气体在混气器3和测试器4之间形成循环。

混合器3和测试器4结构相同，混合器3包括混合腔31、密封法兰组件32和法兰卡箍33，混合腔31内设有加热器34、风扇35、温度传感器36和环境传感器37，利用加热器34配合VOCs标准溶液可以配制VOCs标准气体，通过加热器34和温度传感器36控制加热器34的温度，用以蒸发注入的VOCs标准溶液，通过风扇加速VOCs标准气体均匀扩散，通过环境传感器37检测混合器的温度、相对湿度和气压，密封法兰组件32上设有航空插头38，航空插头38两侧设有真空接头39，用于注入VOC标准溶液。

配气控制模组2与气瓶模组1一一对应，配气控制模组2包括气体质量流量控制器模组21，气体质量流量控制器模组21包括第一质量流量控制器211、第二质量流量控制器212和第三质量流量控制器213，第一质量流量控制器211和第二质量流量控制器212量程都为200sccm，第三质量流量控制器213的量程为5000sccm，气体质量流量控制器模组21通过四通接头22连接配气管路23，配气管路23上设有与气体质量流量控制器模组21中质量流量控制器数量相对应的配气电磁阀24，配气电磁阀24包括第一配气电磁阀241、第二配气电磁阀242、第三配气电磁阀243和第四配气电磁阀244。

第四配气电磁阀244与循环控制气路6中的第二三通电磁阀616的常开端相连通，并直接向测试器4通入气体，测试器4初始状态下通过该分支通入高纯空气，清洗测试器，为测试做准备。

循环控制气路6通过不锈钢气管与混合器3、测试器4相连通。

针阀621、第二两通电磁阀614通过三通接头617与循环泵613相连通，第二两通电磁阀614用于以大流量清洗所述循环控制气路6，针阀621用以调节循环控制气路6的测试流量，流速传感器622与测试器4的第七两通电磁阀612相连通测得循环控制气路6的气体循环流速。

测试按气源种类可分为基于气态气源的闭循环测试和基于液态气源的闭循环测试。

以甲烷氢气混合气测试为例，目标气为氢气，背景气为甲烷和空气，基于气态气源的闭循环测试过程包括：

（1）根据目标流速调节针阀621刻度，具体实施为：先将针阀621关闭，然后根据流速传感器622反馈值慢慢调节针阀621，直至目标流速后停止调节针阀621，这里我们设置流速为2000sccm；

（2）清洗测试器4，具体实施为：

第三质量流量控制器213流速设置为5000sccm、打开第四配气电磁阀214、第一两通电磁阀6121和第四两通电磁阀6122，向测试器4通入高纯空气，清洗5分钟；

第三质量流量控制器213流速设置为0sccm、关闭第四配气电磁阀214、第一两通电磁阀6121和第四两通电磁阀6122。

（3）清洗管路，具体实施为：

打开循环泵613，第二两通电磁阀614，第六两通电磁阀6111，将混合器3抽至3000Pa，气体从第三三通电磁阀619排出；

打开第五两通电磁阀618，清洗30s；

关闭第五两通电磁阀618，打开第七两通电磁阀6112，清洗30s；

关闭循环泵613、第二通电磁阀614、第六两通电磁阀6111和第七两通电磁阀6112。

（4）清洗混合器3，具体实施为：

打开循环泵613、第二两通电磁阀614和第六两通电磁阀6111，将混合气抽至3000Pa；

关闭循环泵613、第二两通电磁阀614和第六两通电磁阀6111，第三质量流量控制器213流速设置为2000sccm、打开第三配气电磁阀243和第五两通电磁阀618，向混合器通入高纯空气；

当第七两通电磁阀37检测到混合器3中气压大于101325Pa时，第三质量流量控制器213流速设置为0sccm、关闭第三配气电磁阀243和第五两通电磁阀618；

以上步骤循环6次，以稀释的方法清洗混合器3。

（5）配制目标气体，本实例中设置甲烷和氢气浓度都为0.5%，根据各气体浓度计算各气体的分压，混合器3中的总压强保持在101325Pa，那么甲烷和氢气的分压都为506.6Pa，具体实施为：

打开循环泵613、第二两通电磁阀614和第六两通电磁阀6111，将混合器抽到3000Pa；

关闭循环泵613、第二两通电磁阀614和第六两通电磁阀6111，第二质量流量控制器212流速设置为4sccm，打开第二配气电磁阀242和第五两通电磁阀618，向混合器3通入甲烷；

当第七两通电磁阀37检测到混合器3中气压大于3506.6Pa时，第二流量控制器212流速设置为0sccm，关闭第二配气电磁阀242和第五两通电磁阀618；

第一质量流量控制器211流速设置为4sccm，打开第一配气电磁阀241和第五两通电磁阀618，向混合器3通入氢气；

当第七两通电磁阀37检测到混合器3中气压大于4013.2Pa时，第一流量控制器211流速设置为0sccm，关闭第一配气电磁阀242和第五两通电磁阀618；

第三质量流量控制器213流速设置为1000sccm，打开第三配气电磁阀243和第五两通电磁阀618，向混合器3通入高纯空气；

第七两通电磁阀37检测到混合器3中气压大于99000Pa时，将第三质量流量控制器213流速设置为100sccm；

第七两通电磁阀37检测到混合器3中气压到101325Pa时，将第三质量流量控制器213流速设置为0sccm；关闭第三配气电磁阀243和第五两通电磁阀618。

（6）气体传感器闭循环测试，气体传感器阵列放置在测试器4中，通过循环泵613实现混合器3和测试器4之间的循环供气，进行气体传感器测试，具体实施为：

打开第三三通电磁阀619、第二三通电磁阀616、第一两通电磁阀6121、第四两通电磁阀6122，第一三通电磁阀615、第七两通电磁阀6112、第六两通电磁阀6111和循环泵613，将混合器3中的气体输送到测试器4，并在混合器和测试器之间形成循环，测试100s；

关闭第三三通电磁阀619、第二三通电磁阀616、第一两通电磁阀6121、第四两通电磁阀6122，第一三通电磁阀615、第七两通电磁阀6112、第六两通电磁阀6111和循环泵613；

（7）气体传感器恢复，具体实施为；

第三质量流量控制器213流速设置为5000sccm，打开第四配气电磁阀244、第一两通电磁阀6121和第四两通电磁阀6122，恢复180s；

第三质量流量控制器213流速设置为0sccm，关闭第四配气电磁阀244、第一两通电磁阀6121和第四两通电磁阀6122；

（8）进行下一次测试。

以上是基于气态气源的闭循环测试实例，测试流速为2000sccm，目标气为甲烷氢气混合气，甲烷和氢气浓度都为0.5%。基于液态气源的闭循环测试与基于气态气源的闭循环测试除了配制目标气体的方法不一致，其余测试流程都一致。基于液态气源的闭循环测试中的目标气体配制采用蒸发法，利用加热器34配合VOC标准溶液可以配制VOCs标准气体，通过加热器34和温度传感器36控制加热器34的温度，蒸发注入的VOCs标准溶液，通过风扇加速VOCs标准气体均匀扩散。根据注入标样摩尔质量、标样液体密度、混合器3的体积和目标气体浓度计算出注入VOCs标准溶液的体积。VOCs标准溶液体积(ul)=(目标气体浓度(ppm)*混合器体积(L)/22.4*摩尔质量(g/ml))/(标准液体密度(g/ml)*1000),例如目标气体浓度为1000ppm，混合器体积为2.68L，注入溶液为乙醇，乙醇的摩尔质量为46.07g/ml，密度为0.7893g/ml@20℃，那么应该注入6.98ul的乙醇标准溶液。

上述实施例用于对本实用新型作进一步的说明，但并不将本实用新型局限于这些具体实施方式。凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应理解为在本实用新型的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种闭式循环气体混配测控装置，其特征在于：包括气瓶模组（1）、配气控制模组（2）、混合器（3）和测试器（4），所述混合器（3）与所述配气控制模组（2）之间通过单向气路（5）连通，所述气瓶模组（1）包括一个目标气瓶（11）和两个背景气瓶（12），所述目标气瓶（11）和所述背景气瓶（12）分别通过与其相对应的一个目标气路（13）、两个背景气路（14）与所述配气控制模组（2）相连通，所述混合器（3）与所述测试器（4）之间设有循环控制气路（6），所述循环控制气路（6）包括气路循环控制部件（61）和流量控制部件（62），所述气路循环控制部件（61）包括第六两通电磁阀（6111）、第七两通电磁阀（6112）、循环泵（613）、第二两通电磁阀（614）、第一三通电磁阀（615）、第一两通电磁阀（6121）、第四两通电磁阀（6122）、第二三通电磁阀（616）、第五两通电磁阀（618）和第三三通电磁阀（619），所述流量控制部件（62）包括针阀（621）和流速传感器（622）。

2.根据权利要求1所述的一种闭式循环气体混配测控装置，其特征在于：所述混合器（3）和所述测试器（4）结构相同，所述混合器（3）包括混合腔（31）、密封法兰组件（32）和法兰卡箍（33），所述混合腔（31）内设有加热器（34）、风扇（35）、温度传感器（36）和环境传感器（37），所述密封法兰组件（32）上设有航空插头（38），所述航空插头（38）两侧设有真空接头（39）。

3.根据权利要求1所述的一种闭式循环气体混配测控装置，其特征在于：所述配气控制模组（2）与所述气瓶模组（1）一一对应，所述配气控制模组（2）包括气体质量流量控制器模组（21），所述气体质量流量控制器模组（21）包括第一质量流量控制器（211）、第二质量流量控制器（212）和第三质量流量控制器（213），所述第一质量流量控制器（211）和第二质量流量控制器（212）量程都为200sccm，所述第三质量流量控制器（213）的量程为5000sccm，所述气体质量流量控制器模组（21）通过四通接头（22）连接配气管路（23），所述配气管路（23）上设有与所述气体质量流量控制器模组（21）中质量流量控制器数量相对应的配气电磁阀（24），所述配气电磁阀（24）包括第一配气电磁阀（241）、第二配气电磁阀（242）、第三配气电磁阀（243）和第四配气电磁阀（244）。

4.根据权利要求3所述的一种闭式循环气体混配测控装置，其特征在于：所述第四配气电磁阀（244）与所述循环控制气路（6）中的所述第二三通电磁阀（616）的常开端相连通，并直接向所述测试器（4）通入气体。

5.根据权利要求1所述的一种闭式循环气体混配测控装置，其特征在于：所述循环控制气路（6）通过不锈钢气管与所述混合器（3）、所述测试器（4）相连通。

6.根据权利要求1所述的一种闭式循环气体混配测控装置，其特征在于：所述针阀（621）、所述第二两通电磁阀（614）通过三通接头（617）与所述循环泵（613）相连通。