張亞飛

(上海市計(jì)量測(cè)試技術(shù)研究院，上海 200233)

在氣體檢測(cè)分析儀器中，常需要用到配氣儀來(lái)獲取不同濃度的標(biāo)準(zhǔn)氣體來(lái)對(duì)儀器進(jìn)行標(biāo)定等[1-4]，目前，隨著工業(yè)檢測(cè)領(lǐng)域?qū)怏w濃度檢測(cè)準(zhǔn)確度的要求越來(lái)越嚴(yán)，對(duì)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(guò)利用一個(gè)稀釋氣流量控制器和一個(gè)或以上的原料氣流量控制器來(lái)對(duì)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(wèn)題，同時(shí)也對(duì)高效率實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)濃度的配比提出了更高的期待。

通過(guò)對(duì)市場(chǎng)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(jì)。比如，申請(qǐng)?zhí)枮?01110393886.7的發(fā)明專利申請(qǐng)公開了一種標(biāo)準(zhǔn)氣配氣儀，其設(shè)計(jì)存在如下幾點(diǎn)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(diǎn)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(shí)，會(huì)對(duì)目標(biāo)氣的配比濃度的精度產(chǎn)生一定影響。而申請(qǐng)?zhí)枮?01210277728.X的發(fā)明專利申請(qǐng)公開了一種數(shù)據(jù)校準(zhǔn)方法及裝置，其只是對(duì)單個(gè)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(lái)看，均未考慮原料氣流量控制器在長(zhǎng)期接觸較高濃度的酸性氣體時(shí)所出現(xiàn)的一定程度上的腐蝕情況。因此，針對(duì)以上不足，本設(shè)計(jì)提供了一種高精度的動(dòng)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(jì)大，配氣精度低，控制性差，易腐蝕的問(wèn)題。該動(dòng)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(guò)一號(hào)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(hào)控制閥；5第一流量控制器；6：第二流量控制器；7：二號(hào)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(hào)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?；蛘?，一號(hào)控制閥為兩個(gè)二位二通電磁閥組成，第二流量控制器通過(guò)其中一個(gè)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(guò)另一個(gè)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(gè)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(cè)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(gè)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(guò)程為：

如圖1所示，本設(shè)計(jì)提供的一種動(dòng)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(guò)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(shí)根據(jù)目標(biāo)氣的需要接通所需的原料氣1，通過(guò)電磁閥控制不同原料氣接入支路的通斷來(lái)控制相應(yīng)原料氣1的通斷情況，可實(shí)現(xiàn)不同目標(biāo)氣的配比。一號(hào)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(guò)一號(hào)控制閥4的作用可靈活切換不同的通路狀況。或者，具體實(shí)施中，一號(hào)控制閥4還可以采用兩個(gè)兩位兩通的電磁閥，其中一個(gè)電磁閥用以連通兩個(gè)流量控制器，另一個(gè)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(shí)現(xiàn)等同效果。混合管道8為兩進(jìn)一出的三通管，其兩個(gè)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(guò)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(cè)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(jiǎn)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(gè)管路內(nèi)氣體的溫度始終保持在一個(gè)相對(duì)恒定的溫度范圍內(nèi)，減少環(huán)境溫度對(duì)配氣所引起的干擾，從而提高配氣時(shí)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(gè)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(gè)控制器時(shí)，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(jì)的配氣儀配氣時(shí)，首先，啟動(dòng)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(jì)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(chǎng)其他種類的配氣儀，本設(shè)計(jì)的配氣儀還具有兩個(gè)優(yōu)勢(shì)功能程序：自清潔程序和自校準(zhǔn)程序，下面對(duì)這兩個(gè)程序和混合配氣程序進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)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(hào)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(hào)控制閥4和第一流量控制器5流通，對(duì)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(guò)設(shè)置的二號(hào)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(shí)隨機(jī)靈活啟動(dòng)。

②自校準(zhǔn)程序：如圖2所示的氣體流向通路，通過(guò)控制兩個(gè)流量控制器和控制閥，可實(shí)現(xiàn)控制器的相互自校準(zhǔn)程序，減小配氣誤差。操作時(shí)，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(guò)第一流量控制器5來(lái)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(shí)現(xiàn)自校準(zhǔn)程序。具體操作時(shí)，校準(zhǔn)程序還可以通過(guò)第二流量控制器6來(lái)控制第一流量控制器5的流量，來(lái)實(shí)現(xiàn)第二流量控制器6對(duì)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(hào)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(shí)控制第二流量控制器6的控制量為N2，原料氣1通過(guò)第一流量控制器5和二號(hào)控制閥7，進(jìn)入混合管路8中，稀釋氣2依次通過(guò)第二流量控制器6和一號(hào)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(jì)算能得到目標(biāo)氣濃度C1。

需要說(shuō)明的是，本設(shè)計(jì)動(dòng)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(shí)現(xiàn)多組份目標(biāo)氣的配氣。

綜上所述，本設(shè)計(jì)提供的一種動(dòng)態(tài)配氣儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，控制性好，配氣方法簡(jiǎn)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(dòng)清潔能力，抗腐蝕性好，有利于儀器維護(hù)。