一種動態(tài)配氣儀的設(shè)計及其配氣方法

張亞飛

(上海市計量測試技術(shù)研究院，上海 200233)

在氣體檢測分析儀器中，常需要用到配氣儀來獲取不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體來對儀器進(jìn)行標(biāo)定等[1-4]，目前，隨著工業(yè)檢測領(lǐng)域?qū)怏w濃度檢測準(zhǔn)確度的要求越來越嚴(yán)，對標(biāo)準(zhǔn)氣體的濃度要求也隨之提高[5-9]。市面上最常用的獲取不同濃度標(biāo)準(zhǔn)氣體的方法就是利用質(zhì)量流量混合法，即通過利用一個稀釋氣流量控制器和一個或以上的原料氣流量控制器來對原料氣進(jìn)行比例稀釋，以獲得目標(biāo)濃度[10-13]。因此，決定標(biāo)準(zhǔn)氣體濃度的質(zhì)量流量控制器精度成為當(dāng)前優(yōu)先考慮的問題，同時也對高效率實現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)濃度的配比提出了更高的期待。

通過對市場主流配氣儀結(jié)構(gòu)的分析，都具有大同小異的結(jié)構(gòu)設(shè)計。比如，申請?zhí)枮?01110393886.7的發(fā)明專利申請公開了一種標(biāo)準(zhǔn)氣配氣儀，其設(shè)計存在如下幾點不足：1，采用了制冷片、加熱片和/或加熱棒、采溫器件等控溫材料，以及保溫材料等，使得整機(jī)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故障點多且不易維護(hù)；2.當(dāng)配氣儀外部輸出管路和保溫層內(nèi)輸出管路有較大溫差時，會對目標(biāo)氣的配比濃度的精度產(chǎn)生一定影響。而申請?zhí)枮?01210277728.X的發(fā)明專利申請公開了一種數(shù)據(jù)校準(zhǔn)方法及裝置，其只是對單個流量控制器的流量控制精度進(jìn)行了校準(zhǔn)，并未考慮稀釋氣和原料氣流量控制器間的精度差異。另外，從現(xiàn)有公開技術(shù)來看，均未考慮原料氣流量控制器在長期接觸較高濃度的酸性氣體時所出現(xiàn)的一定程度上的腐蝕情況。因此，針對以上不足，本設(shè)計提供了一種高精度的動態(tài)配氣儀及配氣方法。

現(xiàn)提供一種配氣儀及配氣方法以解決現(xiàn)有配氣裝置存在的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，誤差累計大，配氣精度低，控制性差，易腐蝕的問題。該動態(tài)配氣儀包括原料氣通路、稀釋氣通路和混合管道，原料氣通路和稀釋氣通路均與混合管道連通，原料氣通路上設(shè)有第一流量控制器，稀釋氣通路上設(shè)有第二流量控制器，第二流量控制器通過一號控制閥分別與第一流量控制器及混合管道連接。

1：原料氣；2：稀釋氣；3：電磁閥；4：一號控制閥；5第一流量控制器；6：第二流量控制器；7：二號控制閥；8：混合管道；其中，箭頭所示為氣流方向。

其中，第一流量控制器的入口并聯(lián)有若干原料氣接入支路，若干原料氣接入支路的每條支路上均設(shè)有電磁閥，用以控制相應(yīng)的原料氣通入第一流量控制器。一號控制閥為一進(jìn)兩出的三通閥，其進(jìn)口與第二流量控制器連接，出口分別連接第一流量控制器和混合管路。或者，一號控制閥為兩個二位二通電磁閥組成，第二流量控制器通過其中一個二位二通電磁閥與所述混合管道連接，第二流量控制器通過另一個二位二通電磁閥與所述第一流量控制器連接。混合管道為兩進(jìn)一出的三通管，其兩個進(jìn)口分別連接所述原料氣通道和稀釋氣通道，出口為目標(biāo)氣出氣口。其中，第一流量控制器與第二流量控制器均采用層流差壓式測量原理的流量控制器，其內(nèi)部均自帶溫度和壓力補(bǔ)償。原料氣通路上設(shè)有一進(jìn)兩出的三通閥，其進(jìn)口與第一流量控制器連接，其中一個出口連接所述混合管道，另一出口為排氣口。

具體詳細(xì)的配氣過程為：

如圖1所示，本設(shè)計提供的一種動態(tài)配氣儀，其包括原料氣通路、稀釋氣通路和混合管道8，原料氣通路和稀釋氣通路均與混合管道8連通，原料氣通路上設(shè)有第一流量控制器5，述稀釋氣通路上設(shè)有第二流量控制器6，第二流量控制器6通過第一控制閥4分別與第一流量控制器5及混合管道8連接。第一流量控制器5的入口并聯(lián)有若干原料氣接入支路，若干原料氣接入支路的每條支路上均設(shè)有電磁閥3，使用時根據(jù)目標(biāo)氣的需要接通所需的原料氣1，通過電磁閥控制不同原料氣接入支路的通斷來控制相應(yīng)原料氣1的通斷情況，可實現(xiàn)不同目標(biāo)氣的配比。一號控制閥4采用一進(jìn)兩出的三通閥，其進(jìn)口與第二流量控制器6連接，出口分別連接第一流量控制器5和混合管路8，這樣，通過一號控制閥4的作用可靈活切換不同的通路狀況。或者，具體實施中，一號控制閥4還可以采用兩個兩位兩通的電磁閥，其中一個電磁閥用以連通兩個流量控制器，另一個電磁閥用以連通第二流量控制器6和混合管道8，這樣也可以實現(xiàn)等同效果。混合管道8為兩進(jìn)一出的三通管，其兩個進(jìn)口分別連通原料氣通道和稀釋氣通道，出口為目標(biāo)氣出氣口。通過混合管道8的作用，將原料氣1和稀釋氣2按需混合，得到滿足要求的目標(biāo)氣。

其中，第一流量控制器5與第二流量控制器6均采用層流差壓式測量原理的流量控制器，其內(nèi)部均自帶溫度和壓力補(bǔ)償。這樣簡化了配氣儀結(jié)構(gòu)，不需額外設(shè)置控溫裝置和壓力補(bǔ)償裝置等，即可使整個管路內(nèi)氣體的溫度始終保持在一個相對恒定的溫度范圍內(nèi)，減少環(huán)境溫度對配氣所引起的干擾，從而提高配氣時的穩(wěn)定性。

如圖1所示，原料氣通路上設(shè)有一進(jìn)兩出的三通閥7，其進(jìn)口與第一流量控制器5連接，其中一個出口連接混合管道8，另一出口為排氣口。這樣，當(dāng)只需清潔兩個控制器時，將三通閥7與混合管道8的通路封閉，清潔氣從三通閥的排氣口排出即可滿足清潔要求。使用設(shè)計的配氣儀配氣時，首先，啟動儀器，根據(jù)原料氣濃度S1、目標(biāo)氣濃度C1和目標(biāo)氣總流量等參數(shù)，計算得到所需稀釋氣的流量為N1，原料氣的流量為G1。

相比于市場其他種類的配氣儀，本設(shè)計的配氣儀還具有兩個優(yōu)勢功能程序：自清潔程序和自校準(zhǔn)程序，下面對這兩個程序和混合配氣程序進(jìn)行詳細(xì)說明：

圖2 是設(shè)備自校準(zhǔn)程序氣路流向示意圖

①自清潔程序：關(guān)閉原料氣1的相應(yīng)電磁閥3，控制一號控制閥4，如圖2所示的氣體流向通道，稀釋氣2依次沿第二流量控制器6、一號控制閥4和第一流量控制器5流通，對各設(shè)備進(jìn)行自清潔，在此程序中，稀釋氣2可從第一流量控制器5直接流入混合管道8進(jìn)行清潔排出，也可通過設(shè)置的二號控制閥7的排氣口排出。具體使用中，自清潔程序可在任何需要時隨機(jī)靈活啟動。

②自校準(zhǔn)程序：如圖2所示的氣體流向通路，通過控制兩個流量控制器和控制閥，可實現(xiàn)控制器的相互自校準(zhǔn)程序，減小配氣誤差。操作時，設(shè)置第二流量控制器6的控制量為滿量程N(yùn)，設(shè)置第一流量控制器5的流量N1，其中，N1小于N，稀釋氣2按圖2所示的通路流通，當(dāng)?shù)谝涣髁靠刂破?和第二流量控制器6示值穩(wěn)定后，記錄第二流量控制器6的流量示值為N2，N2與N1成線性擬合關(guān)系，這樣通過第一流量控制器5來控制第二流量控制器6的流量，利用控制量N1與N2 的比例關(guān)系，實現(xiàn)自校準(zhǔn)程序。具體操作時，校準(zhǔn)程序還可以通過第二流量控制器6來控制第一流量控制器5的流量，來實現(xiàn)第二流量控制器6對第一流量控制器5的反校準(zhǔn)，類似的，只需將第一流量控制器5的控制量設(shè)置為滿量程N(yùn)，設(shè)置第二流量控制器的流量為G1，與前述類似進(jìn)行校準(zhǔn)即可。

圖3 是設(shè)備混合配氣程序氣路流向示意圖

③混合配氣程序：如圖3所示的氣體流向通道，在校準(zhǔn)程序后，斷開一號控制閥4與第一流量控制器5的通路，控制第一流量控制器5的控制量為G1，同時控制第二流量控制器6的控制量為N2，原料氣1通過第一流量控制器5和二號控制閥7，進(jìn)入混合管路8中，稀釋氣2依次通過第二流量控制器6和一號控制閥4，進(jìn)入混合管路8中，原料氣1與稀釋氣2混合，得到目標(biāo)氣，由N1/G1正比于S1/C1的關(guān)系計算能得到目標(biāo)氣濃度C1。

需要說明的是，本設(shè)計動態(tài)配氣儀的原料氣采用多路并聯(lián)的方式接入相應(yīng)的第一流量控制器中，可以按需配置單組份目標(biāo)氣，也可以拓展增加相應(yīng)的流量控制器，用以控制原料氣，從而能實現(xiàn)多組份目標(biāo)氣的配氣。

綜上所述，本設(shè)計提供的一種動態(tài)配氣儀結(jié)構(gòu)簡單，控制性好，配氣方法簡單易行，提高了配比目標(biāo)氣的精度和效率，自身具有校準(zhǔn)和自動清潔能力，抗腐蝕性好，有利于儀器維護(hù)。