袁佳煒 石復習

摘 要：該文介紹一種雙組份氣體精量混合裝置的創(chuàng)新設計，該裝置由氣體量取、壓強比較、氣體混合和控制系統(tǒng)4部分組成，其中混合缸最大容積為4L。該設計引入U型管，利用連通器原理和等壓定容原理，實現(xiàn)氣體物質量的等量計量，利用小截面放大原理，提高摩爾數(shù)計量精度；通過電動推桿批次推送兩個進氣缸內氣體，實現(xiàn)氣體在混合缸內成比例混合。該裝置可實現(xiàn)兩種氣體按比例精確混合，氣體混合比例誤差小于±3%。該裝置對雙組分氣體生物、化學反應中，實現(xiàn)混合氣的組分精確配比具有一定現(xiàn)實意義。

關鍵詞：雙組份氣體 氣體計量 比例混合 裝置設計

中圖分類號：TH814 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2019）02（b）-0226-05

Abstract： This paper introduces an innovative design of a two-component gas precision mixing device， which is composed of four parts： gas measurement， pressure comparison， gas mixing and control system. The maximum volume of the mixing cylinder is 4L. In this design， the u-shaped tube is introduced to realize the equal measurement of gas mass by using the principle of equal pressure and equal height and the principle of constant pressure and constant volume， and the principle of small section amplification is used to improve the measurement accuracy of mole number. The gas in the two air cylinders is pushed through the batch of electric push rod， and the gas is proportionally mixed in the mixing cylinder. The device can realize the accurate mixing of two kinds of gases in proportion， and the error of gas mixing proportion is less than 3%. The device is of practical significance to realize the accurate mixture ratio in the biological and chemical reactions of multi-component gases.

Key Words： Two-component gas； Gas metering； Proportion mixing； Device design

雙組份氣體混合裝置是一種能將兩種氣體按一定比例混合的裝置。在工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、食品工業(yè)、實驗研究等領域，對雙組分氣體的高精度配比均有一定需求[1]，尤其在有關雙組份氣體的生物化學實驗中，氣體精確配比往往是控制反應進程的關鍵性因素?，F(xiàn)有裝置主要包括3類：第一類是基于壓力法，即向集氣裝置中通入不同氣體的同時監(jiān)測氣壓變化，根據(jù)其差值實現(xiàn)多氣體比例混合。這種方法混合精度較高，但裝置繁瑣，需要應用較高精度的壓力傳感器，配氣前混合缸的真空度有限，影響配氣精度[2]。第二類是基于流量法，即通過控制流量閥打開時間來控制氣體輸送量。這類裝置成本較低，效率較高，但混合精度有限，混合氣壓較低[3]。第三類是應用氣動比例閥調節(jié)多種氣體壓強，使之實現(xiàn)氣體按比例精確混合，此類裝置手段先進，但氣動比例閥價格昂貴，同時入口氣體壓力偏離常引起混合比例變化[4]。以上幾類氣體混合裝置各有其優(yōu)點，但其在混合精度的控制上，多依賴高精度壓力傳感器及高精度閥體，導致混合精度難以提升，限制了其在食品加工、實驗研究等領域的應用。因此，亟待研究一種以物理方法控制配氣精度的雙組份氣體精量混合裝置。

該裝置通過兩等容活塞式進氣缸實現(xiàn)兩種氣體進氣；引入U型管，利用連通器原理，通過控制U型管兩側液面高度一致，實現(xiàn)兩進氣缸內兩種氣體壓強統(tǒng)一，并利用等壓定容原理，實現(xiàn)兩種氣體摩爾量一致，顯著提高了氣體摩爾量的計量精度；以電動推桿推動進氣缸活塞實現(xiàn)進氣缸內氣體穩(wěn)定輸出；通過改變兩進氣缸內氣體向混合缸的推送次數(shù)，實現(xiàn)雙組份氣體靈活配比；混合缸采用排水法實現(xiàn)排氣、混氣和定量供氣，避免抽真空的繁瑣和抽真空不足引起的混合誤差。該裝置具有結構簡潔、混合精度高、操作簡單、成本低等優(yōu)點，可實現(xiàn)兩種氣體在最大混合比例1∶7內任意比例精確混合，氣體混合比例誤差小于±3%，對于有關雙組分氣體的生物、化學實驗研究[5]具有重要意義。

1 系統(tǒng)方案

1.1 整機結構

雙組份氣體混合裝置由左、右電動推桿，左、右氣體量氣裝置，U型管壓強比較裝置，混合缸，水泵，水池，單向閥，節(jié)流閥，電磁閥，控制系統(tǒng)組成，如圖1所示。

其具體的工作過程分為5個階段：混合缸排氣階段、進氣缸量氣階段、壓強比較階段、氣體混合階段、氣體排出階段。

混合缸排氣階段：開始工作時，先打開混合缸放氣口手動閥、水泵口手動閥，并開啟水泵，將水泵入混合缸中，將原有氣體從放氣口排出，當水位上漲至裝滿混合缸時，關閉放氣口手動閥，并關閉水泵口手動閥，打開排水口手動閥，排水口聯(lián)通一根玻璃管插入至混合缸底面5mm處，使之后氣體進入時水方便流出。

氣體量取階段：左右壓縮瓶內兩種氣源打開進氣。左、右進氣缸均為無蓋圓柱體，進氣前，活塞位于進氣缸底部；進氣后，活塞上的重物平衡氣壓力，使氣體推動圓形蓋活塞逐漸上升；當上升至頂端時觸動行程開關，左、右進氣口電磁閥關閉，左、右壓強比較口電磁閥打開，左、右進氣缸內氣體進入U型管。

壓強比較階段：U型管內裝一定液體，當兩側有壓力差時U型管兩側液位不同，液位較高一側的液位傳感器向控制器發(fā)送信號，通過控制進氣口電磁閥短暫開閉，使壓強小的那邊進一小股氣，不斷反復，當傳感器一段時間兩邊都不響應，則兩個進氣缸內氣體壓強基本相等，左、右出氣口電磁閥開啟。

氣體混合階段：壓強比較完成后打開配置比例大的一側的出氣口手動閥，按下該側電動推桿開關，電動推桿推動該側活塞下行，使其氣體先充入混合缸，將液體從混合缸排水口壓出，完全充入后觸發(fā)行程開關，電動推桿回收，同時關閉該側出氣口電磁閥，打開該側進氣口電磁閥，重新充入氣體，如此循環(huán)，達到預定比例后，同時打開左、右出氣口手動閥，按下左、右電動推桿開關，使所有氣體進行混合?；旌细變人浑S著氣體進入不斷降低，當水位下降至據(jù)混合缸底10mm處的標示線時，關閉排水口手動閥，使液體不能流出，混合缸內氣壓上升，溢流閥維持混合缸氣壓不超過最大氣壓。

氣體排出階段：打開混合缸排氣口手動閥，并開啟水泵，由泵入混合缸中的液體將混合氣體排出，通過觀察液面與混合缸容積刻線，適時關停水泵實現(xiàn)定量供氣。

1.2 控制系統(tǒng)

氣體比例混合裝置控制系統(tǒng)由控制器、電磁閥、行程開關、液位傳感器、LED燈、電動推桿、繼電器、開關電源等組成（見圖2）。

控制器是STC公司的STC89C52控制器，其成本較低，低功耗、高性能，具有512字節(jié)RAM，32位I/O口線，3個16位定時器/計數(shù)器，能滿足控制器對各外設的控制需求[6]。

行程開關被觸發(fā)時，向控制器傳送位置檢測信號，使控制器向電磁閥和電動推桿發(fā)出控制信號，利用繼電器，實現(xiàn)電動推桿換向和電磁閥開閉；液位傳感器被觸發(fā)時，向控制器傳送液位檢測信號，使控制器控制進氣口電磁閥短暫開閉；當液位傳感器不再發(fā)出信號時，控制器向LED燈發(fā)出控制信號，點亮LED燈，提示可以進入加一階段。

2 關鍵部件設計

雙組份氣體混合裝置的關鍵部件有左、右氣體量取裝置，U型管壓強比較裝置和混合缸，其結構參數(shù)直接影響裝置性能。

2.1 氣體量取裝置設計

氣體量取裝置要求具有較好的氣密性；充氣、排氣速度均勻；考慮密封膠氣密性和快速接頭可靠性，調節(jié)裝置內氣壓1.80bar；考慮實驗室氣體用量和配氣比例靈活性，充氣量取0.5L。為滿足以上要求，設計氣體量取裝置由進氣缸，活塞，上、下行程開關，重物，溢流閥組成。左右兩個進氣缸的體積相同，有效容積為0.5L；材料為5mm有機玻璃，承壓大于2bar；兩個溢流閥的設定壓強相同，可以初步控制兩進氣缸內壓強為1.81bar；活塞上壓重物以限制氣體充滿氣缸的速度；理論上來講每次量取的左右氣體比例都為1∶1，只需改變氣體缸充氣次數(shù)即可控制混合比例。一側氣體量取裝置結構如圖3所示。

進氣口由進氣口電磁閥控制，壓強比較口由壓強比較口電磁閥控制由，出氣口由出氣口手動閥和出氣口電磁閥一同控制。進氣口、出氣口、比較口分別用于實現(xiàn)氣體進入進氣缸，排出進氣缸，進入U型管比較裝置；溢氣口用于配合溢流閥，壓強過高時排出氣體；活塞與進氣缸筒壁配合，形成體積可變的密閉氣室；重物用于控制活塞上升速度；上、下行程開關用于判斷活塞位置，向控制器傳輸位置信息，控制電磁閥和電動推桿；行程開關觸發(fā)點用于當活塞到達進氣缸頂端及底端時，使行程開關觸發(fā)。

2.1.1 活塞設計

活塞的尺寸對于氣體量取裝置氣密性有重要影響，尺寸過小易造成氣密性不足，尺寸過大易使摩擦阻力過大，影響活塞上下行運動，故要求活塞和密封圈能夠與進氣缸緊密配合，同時活塞可以靈活上下運動。

活塞結構如圖4所示。

考慮有效充氣體積0.5L，密封圈尺寸應較小以加強裝置氣密性，依據(jù)密封圈標準，采用O型密封圈60×2.65，-A-N-GB/T3452.1-2005（內徑為60mm，截面直徑為2.65mm）嵌入活塞。依據(jù)活塞與O型密封圈配合標準及缸體與O型密封圈配合標準[7]，活塞直徑取63mm，卡槽深1.5mm，寬3.8mm，進氣缸內徑64.14mm；考慮活塞在進氣缸內平衡性和間隙[8]，依據(jù)設計經(jīng)驗，得活塞高為：

hb=（0.6-1.0）×d （1）

其中，d為進氣缸內徑（mm）。

計算得hb=60mm，密封圈卡槽位于活塞中部。

O型圈彈性模量7.8MPa，泊松系數(shù)約為0.2，與缸體配合情況下密封圈外徑64.14mm，線徑2.65mm，缸體取用有機玻璃材料，密封圈與缸體壁摩擦系數(shù)干摩擦下為0.6～0.9，油潤滑下位0.3。由此可得，O型密封圈摩擦力為：

Ff=0.19×π×π×f×e×E×d×d/1-μ×μ[7] （2）

其中，E為O型圈彈性模量（MPa）；

μ為O型圈泊松系數(shù)；

e為收縮率；

d為密封圈外徑（mm）；

d為密封圈線徑（mm）；

f為密封圈與進氣缸壁之間的摩擦系數(shù)。

計算得（干摩擦）Ff=385.17-577.76N。（油潤滑）Ff=192.59N。

依據(jù)氣缸內的氣體經(jīng)過減壓閥后，壓力達到1.80bar，進氣缸半徑由密封環(huán)確定為30.69mm。由此可得，進氣缸內氣壓力為：

F=P×π×r×r （3）

其中，p為進氣缸內氣壓（bar）；

r為進氣缸半徑（mm）。

計算得F=532.70N，大氣壓力Fb=295.94N。

若電動推桿選取YS-NZ150，額定電壓12V，推動力1000N，推程200mm，速度12mm/s，由此可得，下行推動力為：

F推=Fb+F電 （4）

其中，F(xiàn)b為大氣壓力（N）；

F電為電動推桿推動力（N）。

計算得F推=1295.94N。

進氣缸內氣壓力為532.70N，油潤滑條件下O型密封圈摩擦力192.59N，由此可得下行阻力為：

F阻=F+Ff （5）

其中，F(xiàn)為進氣缸內氣壓力（N）；

Ff為O型密封圈摩擦力（N）。

計算得F阻=725.29N。

F推>F阻，在油潤滑條件下，可以推動活塞下行，滿足設計要求。

當進氣時，氣壓力需推動活塞上行，由以上數(shù)據(jù)可得，上行推動力與上行阻力之差為：

△F=F-Fb-Ff （6）

其中，F(xiàn)為進氣缸內氣壓力（N）；

Fb為大氣壓力（N）；

Ff為O型密封圈摩擦力（N）。

計算得△F=44.17N。

為平衡氣壓力，在活塞正中心處，固定一個平頭重物砝碼，取砝碼質量4kg，基本平衡上行推動力與上行阻力之差，以限制圓柱蓋活塞上升速度，滿足設計要求。

2.1.2 進氣缸

要求左、右進氣缸均為上開口空心圓柱體，有效體積V1均為0.5L，有效高度小于電動推桿推程。依據(jù)所選O型密封圈尺寸，進氣缸內壁直徑d=64.14mm，則進氣缸有效高度為：

h1=4×V1/π×d2， （7）

其中，V1為進氣缸有效體積（L）；

d為進氣缸內壁直徑（mm）。

計算得h1=154.83mm，小于電動推桿推程，滿足設計要求。

常規(guī)柱塞式行程開關高度24mm，活塞高70mm，由此可得，進氣缸總高度為：

H=h1+ha+hb （8）

其中，h1為進氣缸有效高度（mm）；

ha為柱塞式行程開關高度（mm）；

hb為活塞高（mm）。

計算得H=280mm。

行程開關固定位置如圖4所示，上方行程開關固定在活塞上部，在上升至距進氣缸上部約24mm時觸發(fā)，下方行程開關固定在圓柱蓋活塞下部，在下降至距進氣缸底部約24mm時觸發(fā)，左右行程開關由于安裝和器件本身存在的誤差，二者觸發(fā)距離最大誤差4mm，由此得，最大體積偏差為：

△V=π×d2×△h/4=0.114L， （9）

其中，d為進氣缸內壁直徑（mm）；

△h為觸發(fā)距離最大誤差（mm）。

計算得△V=0.114L，誤差率±2.3%。

2.2 U型管壓強比較裝置設計

壓強比較裝置要求調節(jié)兩進氣缸內氣壓基本一致，這是提高雙組份氣體混合精度的核心。為解決該問題，設計了U型管壓強比較裝置，由U型管，左、右液位傳感器，液體組成，U型管壓強比較裝置如圖5所示。

在兩進氣缸比較口之間，連接一個裝有液體的U型管，左、右非接觸式液位傳感器固裝于U型管兩側略高于液面的位置，以檢測U型管兩側液面高度是否一致。

若一側壓強大則另一側液面升高，液面升高促使一側液位傳感器向控制器傳輸?shù)碗娖剑惯M氣缸一側進氣口電磁閥打開，經(jīng)試驗確定延時0.3s后立即關閉，使壓強低的一側進一部分氣以減小壓差，反復直至兩側氣壓平衡，傳感器不再觸發(fā)。

U型管內液體取用25號絕緣油，密度895kg/m3，相比于水，相同壓差下液位變化更明顯。U型管比較裝置要求兩側最大壓差情況下，U型管內液柱仍位于U型管頂部以下。

依據(jù)溢流閥初步控制進氣缸氣壓，兩進氣缸氣壓差△p不會超過0.01bar，由此可得，U型管預留液位高度為：

h'=△pp/（p×g）， （10）

其中，△p為兩進氣缸氣壓差（bar）；

ρ為液體密度（kg/m3）；

g為重力加速度（m/s2）。

計算得h≈90mm，則U型管選取20×200mm的U型干燥管，絕緣油高度左右均為80mm，預留120mm液柱的壓強比較空間，滿足設計要求。

為滿足對U型管內液面檢測的要求，取用非接觸式液位傳感器XKC-Y25-MC，通過檢測裝置前端發(fā)出的紅外束是否受到阻隔來檢測液位，最大觸發(fā)誤差0.5mm，當液面觸及紅外束時，裝置向控制器傳一個低電平，控制一側進氣口電磁閥短暫開啟。為避免液位傳感器因觸發(fā)點偏移始終觸發(fā)，非接觸式液位傳感器布置在U型管左、右82mm處，即液面向上2mm的位置，由此產(chǎn)生的最大誤差小于5mm液柱，由此可得，液柱引起氣壓誤差為：

△pmax=ρ×g△hmax （11）

其中，ρ為液體密度（kg/m3）；

g為重力加速度（m/s2）；

△hmax為最大液柱誤差（mm）。

計算得△pmax=44.75Pa進氣缸內壓強要求為1.80bar，誤差率0.025%。

2.3 混合缸設計

混合裝置要求具有較好氣密性；能夠滿足一般生物、化學實驗氣體用量；能夠定量輸出混合氣體。為滿足該要求，設計了混合缸，混合缸結構如圖6所示。

混合缸由缸體，溢氣口，排氣口，排水口，水泵口，左側、右側混合缸進氣口組成。左側、右側混合缸進氣口位于混合缸下部，以使進氣缸內氣體進入混合缸；排氣口通過手動閥控制以取用混合缸氣體；排水口下連玻璃管深入混合缸底部，用于在氣體進入混合缸時方便水流回水池；放氣口由手動閥控制，用于向混合缸中泵水時排出原有氣體；溢氣口接溢流閥，用于控制混合缸內壓強不超過1.80bar；混合缸排出混合氣體時，除出氣口手動閥、水泵手動閥打開，其余閥門均關閉避免溢氣；混合缸充入混合氣體時，除排水口手動閥打開，其余閥門均關閉；缸體標有容積刻度，以定量輸出氣體。

混合缸氣壓需低于進氣缸氣壓，進氣缸有效容積0.5L，則混合缸可以接受合計8次輸入內的任意整數(shù)比組分混合氣體。輸入最多8次，混合缸內氣壓為1.80bar；輸入最少5次，混合缸內氣壓為1.125bar。

依據(jù)一般實驗用氣體量不大，混合缸設計最大容積V2=4L；材料為5mm有機玻璃，承受壓強大于2bar；要求混合缸氣壓大于混合缸內液柱壓強，依據(jù)混合缸內最小氣壓1.125bar，大氣壓1.01bar，得氣壓差為：

△p=pmin-pb （12）

其中，pmin為混合缸內最小氣壓（bar）；

pb為大氣壓強（bar）。

計算得△p=0.124bar，則混合缸最大高度為：

h=△p/（ρ×g）， （13）

其中，△p為氣壓差（bar）；

ρ為液體密度（kg/m3）；

g為重力加速度（m/s2）。

計算得h=1.24m，依據(jù)混合缸穩(wěn)定性和裝置總體尺寸，取混合缸高h2=150mm，由此得混合缸底面直徑。

（14）

其中，V2為混合缸設計最大容積（L）；

h2為混合缸高（mm）。

計算得D=184.3mm。

3 結語

針對雙組份氣體精確比例混合的需求，設計的雙組份氣體混合裝置有以下幾點創(chuàng)新。

（1）氣體比例混合裝置利用相同壓強下U型管兩側液面等高原理，配合液位傳感器，對與之相連的兩等容進氣缸進行壓強調節(jié)。

（2）氣體比例混合裝置通過恒壓條件下對等容進氣缸內氣體的批次推送和分批計量，實現(xiàn)了氣體的混合比例控制。

（3）該裝置無需高精度電子設備和閥體，較好滿足了雙氣體的低成本精量混合要求，為食品工業(yè)及有關雙組份氣體反應的生物、化學實驗提供了便利。

綜上所述，該研究設計的創(chuàng)新型雙組份氣體混合裝置實用性強、易于操作、混合精度高、成本低，在食品工業(yè)和氣體混合相關實驗中都具有較好的應用前景。

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