气体发生装置及方法与流程

本发明涉及石油化工技术领域，尤其涉及一种气体发生装置及方法。

背景技术：

石化行业是一个高风险的行业，涉及物料危险性大，尤其是在生产装置工艺、设备运行和现场作业过程中面临着诸多危险因素，一些烃类气体或者有毒有害气体的泄漏往往是引发爆炸、着火、伤人事故的重要原因。典型的石化环境通常是多种气体的混合物，一般包含有烃类、苯系物、硫化物等有毒有害气体，是造成现场恶臭、环境污染等问题的根源，由于混合物中各种气体组分的含量较低，如何准确的进行定量检测是亟需解决的问题。

近年来，随着科技的高速发展，特别是纳米材料、石墨烯等复合材料的出现，越来越多的微量气体智能检测技术及监测仪器设备被广泛用于石化行业，为确保此类仪器设备性能稳定，监测结果准确可靠，应对其性能进行测试，并定期予以校准，但难点在于如何实时恒定发生多组分、低浓度、高精度的多组分微量气体。目前，常用的方法是使用购买钢瓶气体标准物质来产生稳定浓度的标准气体，但其缺点是气体组分及浓度为定值，不能达到连续可调，采用其他设备成本昂贵或者气体组分及浓度的精度难以保证。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的不足，本发明提供了一种气体发生装置及方法，可解决现有技术中气体组分及浓度无法连续可调且其精度难以保证的技术问题。

本发明第一方面提供了一种气体发生装置该装置包括：控制系统、气体配置系统和反馈系统；

所述控制系统用于：

获取需要配置的目标气体的目标数据，所述目标数据包括所述需要配置的目标气体的气体组分和各气体组分的气体浓度；

至少根据所述气体组分控制所述气体配置系统将与所述气体组分对应的原料气体配置成待测气体；

获取所述反馈系统检测所述待测气体得到的反馈数据，所述反馈数据包括所述待测气体的气体组分和各气体组分的气体浓度；

根据所述反馈数据和所述目标数据得到的调节数据控制所述气体配置系统调节各所述原料气体的气体流量直到所述待测气体的反馈数据与所述目标数据一致。

可选的，该装置还包括实验箱，用于容纳所述气体配置系统输出的所述待测气体；所述反馈系统设置在所述实验箱内，所述控制系统控制所述反馈系统检测所述实验箱内的待测气体。

可选的，在所述控制系统根据所述目标数据控制所述气体配置系统将至少两种所述原料气体配置成所述待测气体的情况下，其中一种所述原料气体至少包括稀释气体，所述稀释气体用于充稀其中至少另一种所述原料气体。

可选的，所述气体配置系统包括多组分动态配气系统，所述多组分动态配气系统包括至少两个质量流量控制器，各所述质量流量控制器的进气口用于通入所述原料气体，各出气端相互连通后与出气口连通，用于输出混合多种所述原料气体后形成的所述待测气体。

可选的，所述多组分动态配气系统还包括流量计，设置在各所述质量流量控制器的出气端与所述出气口之间，用于计量并发送所述待测气体的气体流量；所述多组分动态配气系统还包括调节阀，设置在各所述质量流量控制器的出气端与排空口之间，用于所述控制系统根据获取所述流量计的所述气体流量得到的流量控制数据控制所述出气口的所述待测气体的气体流量。

可选的，所述气体配置系统包括液态有机气体配气系统，所述液态有机配气系统包括混合池、至少一个汽化池和至少两个质量流量控制器；

所述汽化池的进液口用于注入原料液体，所述汽化池用于将所述原料液体汽化成所述原料气体，所述汽化池的出气口通过电磁阀与所述质量流量控制器的第一进气口连通，用于向所述第一进气口通入汽化后的所述原料液体；

各所述质量流量控制器的第二进气口用于通入所述原料气体，各出气端与所述混合池连通，所述混合池的出气口用于输出混合多种所述原料气体后形成的所述待测气体，所述混合池的排空口用于所述控制系统控制所述出气口的所述待测气体的气体流量。

本发明第二方面提供了一种气体发生方法，该方法包括：

获取需要配置的目标气体的目标数据，所述目标数据包括所述需要配置的目标气体的气体组分和各气体组分的气体浓度；

至少根据所述气体组分控制所述气体配置系统将与所述气体组分对应的原料气体配置成待测气体；

获取所述反馈系统检测所述待测气体得到的反馈数据，所述反馈数据包括所述待测气体的气体组分和各气体组分的气体浓度；

根据所述反馈数据和所述目标数据得到的调节数据控制所述气体配置系统调节各所述原料气体的气体流量直到所述待测气体的反馈数据与所述目标数据一致。

可选的，该方法还包括：

控制所述反馈系统检测实验箱内的待测气体并得到反馈数据。

可选的，在根据所述目标数据控制所述气体配置系统将至少两种所述原料气体配置成所述待测气体的情况下，其中一种所述原料气体至少包括稀释气体，所述稀释气体用于充稀其中至少另一种所述原料气体。

可选的，所述气体配置系统包括多组分动态配气系统，所述多组分动态配气系统包括至少两个质量流量控制器，各所述质量流量控制器的进气口用于通入所述原料气体，各出气端相互连通后与出气口连通，用于输出混合多种所述原料气体后形成的所述待测气体。

可选的，所述多组分动态配气系统还包括流量计，设置在各所述质量流量控制器的出气端与所述出气口之间，用于计量并发送所述待测气体的气体流量；所述多组分动态配气系统还包括调节阀，设置在各所述质量流量控制器的出气端与排空口之间，用于根据获取所述流量计的所述气体流量得到的流量控制数据控制所述出气口的所述待测气体的气体流量。

可选的，所述气体配置系统包括液态有机气体配气系统，所述液态有机配气系统包括混合池、至少一个汽化池和至少两个质量流量控制器；

所述汽化池的进液口用于注入原料液体，所述汽化池用于将所述原料液体汽化成所述原料气体，所述汽化池的出气口通过电磁阀与所述质量流量控制器的第一进气口连通，用于向所述第一进气口通入汽化后的所述原料液体；

各所述质量流量控制器的第二进气口用于通入所述原料气体，各出气端与所述混合池连通，所述混合池的出气口用于输出混合多种所述原料气体后形成的所述待测气体，所述混合池的排空口用于控制所述出气口的所述待测气体的气体流量。

本发明提供的一种气体发生装置及方法，第一方面，根据目标数据将原料气体配置成待测气体，通过反馈系统检测待测气体得到的反馈数据调节原料气体使待测气体的反馈数据与目标数据一致，从而使待测气体成为待测气体，因此可连续调节待测气体的气体组分和各气体组分的气体浓度，从而得到精度较高的目标气体。第二方面，采用多组分动态配气和液态有机气体配气相结合的方式，对管路及配套设备防吸附处理，并通过光学反馈自动调节系统，设计了一种多组分微量气体发生装置，可实现多组分、低浓度混合气体的实时精确配制。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术发明，下面将对实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施方式，对于本领域技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施方式一提供的气体发生装置的结构示意图；

图2为本发明实施方式二提供的气体发生装置的结构示意图；

图3为本发明实施方式三提供的图2中多组分动态配气系统的结构示意图；

图4为本发明实施方式四提供的图2中液态有机气体配气系统的结构示意图；

图5为本发明实施方式五提供的气体发生方法的流程示意图。

具体实施方式

为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术发明进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而非全部实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

实施方式一

请参阅图1，图1为本发明实施方式一提供的气体发生装置的结构示意图。

如图1所示，本发明第一方面提供了一种气体发生装置该装置包括：控制系统1、气体配置系统2和反馈系统3。

控制系统1用于：

获取需要配置的目标气体的目标数据，目标数据包括需要配置的目标气体的气体组分和各气体组分的气体浓度。较佳的，目标数据还可包括目标气体的气体流量。需要说明的是，目标气体的气体组分包括一种或多种，当目标气体的气体组分为一种时，其气体浓度为1。当目标气体的气体组分为多种时，气体浓度通常用气体百分比浓度或者气体质量数浓度来表示，气体百分比浓度是指某种气体组分在目标气体中所占的体积百分比浓度，而气体质量数浓度是指某种气体组分在目标气体中所占的质量数百分比浓度，即可通过上述两种气体浓度计算方法来表示目标气体中气体组分的气体浓度。

至少根据气体组分控制气体配置系统2将与气体组分对应的原料气体配置成待测气体。

较佳的，原料气体包括各种气体单质和混合气体，其中，气体单质包括稀释气体。例如，原料气体可包括硫化氢、甲烷、一氧化碳、氧气、氮气中的至少一种或多种气体的组合。

由于部分原料气体通过气体配置系统2时会被物理吸附，因此，根据目标数据控制气体配置系统2得到的待测气体的气体浓度会与目标气体的气体浓度出现差别，只有当消除该差别，才算将原料气体配置成目标气体。气体组分包括一种或多种，气体配置系统2可配置气体单质和混合气体。

获取反馈系统3检测待测气体得到的反馈数据，反馈数据包括待测气体的气体组分和各气体组分的气体浓度。

本发明实施例中的反馈系统3为负反馈系统，即通过负反馈使得待测气体的气体组分的气体浓度趋于目标气体的气体组分的气体浓度。反馈系统3可包括各种气体传感器，由于传感器存在性能误差，因此，反馈系统3可采用光学反馈自动调节系统。通常情况下，待测气体的气体组分与目标气体的气体组分相同，只是各气体组分的气体浓度会不同。

气体配置系统2通过调节各原料气体的气体流量来调节待测气体的气体组分和各气体组分的气体浓度，因此根据反馈数据和目标数据得到的调节数据控制气体配置系统2调节各原料气体的气体流量直到待测气体的反馈数据与目标数据一致。

通常情况下，使得待测气体的各气体组分的气体浓度和目标气体的各气体组分的气体浓度相同，即可连续调节待测气体的气体组分和各气体组分的气体浓度，从而得到精度较高的目标气体。

实施方式二

基于实施方式一，请参阅图2，图2为本发明实施方式二提供的气体发生装置的结构示意图。

进一步地，如图2所示，该装置还包括实验箱4，用于容纳气体配置系统2输出的待测气体。反馈系统3设置在实验箱4内，控制系统1控制反馈系统3检测实验箱4内的待测气体。气体配置系统2配置得到的待测气体通过进气口通入实验箱4内，较佳的，通过实验箱4的出气口排出至气体处理设备或者气体存储容器。

进一步地，在控制系统1根据目标数据控制气体配置系统2将至少两种原料气体配置成待测气体的情况下，其中一种原料气体至少包括稀释气体，稀释气体用于充稀其中至少另一种原料气体。

稀释气体不能含有使待测气体随时间发生变化的成分，也不能含有影响仪器测定的成分。稀释气体一般多使用高纯氮气或清洁空气的不活泼气体。

实施方式三

基于实施方式一或二，请参阅图3，图3为本发明实施方式三提供的图2中多组分动态配气系统的结构示意图。

进一步地，如图3所示，气体配置系统2包括多组分动态配气系统21，多组分动态配气系统21包括至少两个质量流量控制器200，各质量流量控制器200的进气口用于通入原料气体，各出气端相互连通后与出气口连通，用于输出混合多种原料气体后形成的待测气体。

质量流量控制器200通常由电路板、传感器、进出气管道接头、分流器管道、机壳、调节阀等部件组成，用于对于气体或者液体的质量流量进行精密测量和控制。各原料气体通入各质量流量控制器200，质量流量控制器200通过控制原料气体的出气时的气体流量，即可使得多种原料气体以不同或相同体积混合在一起，从而输出不同气体组分的气体浓度的待测气体。

为了避免气体残留的影响，不同原料气体应该配置固定的质量流量控制器200，或者通入稀释气体等清理流量控制器内的残留气体，从而可重新通入各种原料气体。

进一步地，如图3所示，多组分动态配气系统21还包括流量计211，设置在各质量流量控制器200的出气端与出气口之间，用于计量并发送待测气体的气体流量。多组分动态配气系统21还包括调节阀212，设置在各质量流量控制器200的出气端与排空口之间，用于控制系统1根据获取流量计211的气体流量得到的流量控制数据控制出气口的待测气体的气体流量。

实施方式四

基于实施方式一、二或三，请参阅图4，图4为本发明实施方式四提供的图2中液态有机气体配气系统的结构示意图。

进一步地，如图4所示，气体配置系统2包括液态有机气体配气系统22，液态有机配气系统包括混合池221、至少一个汽化池222和至少两个质量流量控制器200。

汽化池222的进液口用于注入原料液体，汽化池222用于将原料液体汽化成原料气体，汽化池222的出气口通过电磁阀223与质量流量控制器200的第一进气口224连通，用于向第一进气口224通入汽化后的原料液体。

对于常温常压下为液态的原料气体，需要通过汽化池222将原料液体汽化成原料气体后再通入质量流量控制器200。例如，原料液体包括苯。

各质量流量控制器200的第二进气口225用于通入原料气体，各出气端与混合池221连通，混合池221的出气口用于输出混合多种原料气体后形成的待测气体，混合池221的排空口用于控制系统1控制出气口的待测气体的气体流量。

通过打开和关闭第一进气口224或第二进气口225的阀门，即可控制输入质量流量控制器200的气体组分，只通过第一进气口224通入汽化后的原料液体，或者只通过第二进气口225通入汽化后的原料气体，或者同时通入汽化后的原料液体和原料气体从而形成又一种原料气体。

较佳的，还可将多组分动态配气系统21和液态有机气体配气系统22相互组合来配置气体，例如将多组分动态配气系统21的出气口与液态有机气体配气系统22的某个进气口连通。

较佳的，该装置中至少与原料气体接触的部位采用316不锈钢或者蒙乃尔合金，即经过钝化处理，可大大减小气体分子的物理吸附，可实现低浓度混合气体的精确配制，浓度可精确到ppb(partperbillion，百万分之一)级。

本发明提供的一种气体发生装置，第一方面，控制系统根据目标数据将原料气体配置成待测气体，通过反馈系统检测待测气体得到的反馈数据调节原料气体使待测气体的反馈数据与目标数据一致，从而使待测气体成为待测气体，因此可连续调节待测气体的气体组分和各气体组分的气体浓度，从而得到精度较高的目标气体。第二方面，采用多组分动态配气和液态有机气体配气相结合的方式，对管路及配套设备防吸附处理，并通过光学反馈自动调节系统，设计了一种多组分微量气体发生装置，可实现多组分、低浓度混合气体的实时精确配制。

实施方式五

请参阅图5，图5为本发明实施方式五提供的气体发生方法的流程示意图。

如图5所示，本发明第二方面提供了一种气体发生方法，该方法包括：

s100、获取需要配置的目标气体的目标数据，目标数据包括需要配置的目标气体的气体组分和各气体组分的气体浓度。

s200、至少根据气体组分控制气体配置系统2将与气体组分对应的原料气体配置成待测气体。

s300、获取反馈系统3检测待测气体得到的反馈数据，反馈数据包括待测气体的气体组分和各气体组分的气体浓度。

s400、根据反馈数据和目标数据得到的调节数据控制气体配置系统2调节各原料气体的气体流量直到待测气体的反馈数据与目标数据一致。

进一步地，该方法还包括：

s500、控制反馈系统3检测实验箱4内的待测气体并得到反馈数据。

进一步地，在根据目标数据控制气体配置系统2将至少两种原料气体配置成待测气体的情况下，其中一种原料气体至少包括稀释气体，稀释气体用于充稀其中至少另一种原料气体。

进一步地，气体配置系统2包括多组分动态配气系统21，多组分动态配气系统21包括至少两个质量流量控制器200，各质量流量控制器200的进气口用于通入原料气体，各出气端相互连通后与出气口连通，用于输出混合多种原料气体后形成的待测气体。

进一步地，多组分动态配气系统21还包括流量计211，设置在各质量流量控制器200的出气端与出气口之间，用于计量并发送待测气体的气体流量。多组分动态配气系统21还包括调节阀212，设置在各质量流量控制器200的出气端与排空口之间，用于根据获取流量计211的气体流量得到的流量控制数据控制出气口的待测气体的气体流量。

进一步地，气体配置系统2包括液态有机气体配气系统22，液态有机配气系统包括混合池221、至少一个汽化池222和至少两个质量流量控制器200。

汽化池222的进液口用于注入原料液体，汽化池222用于将原料液体汽化成原料气体，汽化池222的出气口通过电磁阀223与质量流量控制器200的第一进气口224连通，用于向第一进气口224通入汽化后的原料液体。

各质量流量控制器200的第二进气口225用于通入原料气体，各出气端与混合池221连通，混合池221的出气口用于输出混合多种原料气体后形成的待测气体，混合池221的排空口用于控制出气口的待测气体的气体流量。

本发明第二方面提供的一种气体发生方法的工作原理和有益效果与上述气体发生装置的工作原理和有效效果完全相同，此处不再赘述。

实施方式六

基于实施方式一、二、三、四或五，本发明首先采用多组分动态配气和液态有机气体配气相结合的方式，设计了标准气体发生装置。动态配气技术的工作原理为质量流量混合法。采用高精度的质量流量控制器200，通过严格控制一定比例的气体组分和稀释气体的流量，并加以混合而制得标准气体，使用该方法能够在同一配气装置上，配制出满足需要的不同组分含量的各种标准气。配气系统一共设计有八组质量流量控制器200，可以稀释1000倍以上。液态有机气体配气首先以静态配气方式将有机溶剂配制成有机气体，充装到气袋中，气袋中的有机气体再作为动态配气的气源配制出所需浓度的气体。

装置气路及配套设备采用316不锈钢或者耐腐蚀性能优异的蒙乃尔合金等制作，能有效防止二氧化硫、硫化氢、氨气等气体的腐蚀。材料表面均经过表面处理，提高表面质量，大大减小气体分子的物理吸附。

反馈系统3采用光学反馈自动调节系统，光学反馈自动调节系统采用tdlas(tunablediodelaserabsorptionspectroscopy，可调谐半导体激光吸收光谱)、gc-ms(gaschromatography-massspectrometer，气相色谱-质谱)等技术实时监测待测气体的组分、浓度等各参数，并上传给信号采集系统，由智能控制及信息管理系统对反馈数据分析，通过控制系统1对多组分动态配气系统21进行控制调节，使气体浓度达到所需要求。

与现有技术相比，本发明的效果和益处是：(1)可实现多组分混合气体的实时配制，得到质量流量控制器200的数量以上的气体组分。(2)装置气路及配套设备经过钝化处理，大大减小气体分子的物理吸附，可实现低浓度混合气体的精确配制，浓度可精确到ppb级。(3)采用光学反馈自动调节系统，可实现气体组分及浓度的精确监测和自动补偿。

为了对本发明的技术特征、目的和有益效果有更加清楚的理解，现对本发明的技术方案进行以下详细说明，但不能理解为对本发明的可实施范围的限定。以下结合附图对本发明专利的具体实施方式做以详细说明。

本发明装置主要包括气体配制系统(含多组分动态配气系统21和液态有机气体配气系统22)、反馈系统3和控制系统1。

连接气体管路，根据实验要求设定待测气体组分及浓度(可根据气体种类选择多组分动态配气系统21或液态有机气体配气系统22)，控制系统1由输入信息自动控制各气体组分比例和稀释气体的流量，原料气体通入气体配制系统，配制得到待测气体通入实验箱4。反馈系统3实时监测实验箱4内各组分浓度信息等反馈数据。控制系统1对反馈数据进行分析，通过控制系统1对气体配制系统进行自动控制，使实验箱4内气体组分、浓度等参数达到实验所需要求。

实施方式七

基于实施方式一、二、三、四、五或六，下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述：

以配制硫化氢、甲烷、一氧化碳、氧气、气态苯、氮气6种组分的混合气体为例，其中氮气为平衡气体，其他各气体组分的目标浓度分别为：硫化氢5μmol/mol、甲烷1％mol/mol、一氧化碳500μmol/mol、氧气10％mol/mol、苯10μmol/mol。输出流量为1l/min。

(1)硫化氢、甲烷、一氧化碳、氧气、氮气5种气体组分的配制通过多组分动态配气系统21实现，苯气体组分的配制通过液态有机气体配气系统22实现。

(2)首先选择原料气体的类型及浓度，并连接气体管路，如：第1路进气口连接浓度为100μmol/mol的硫化氢/氮气气体标准物质，第2路进气口连接浓度为99.9％mol/mol的高纯甲烷气体，第3路进气口连接浓度为10000μmol/mol的一氧化碳/氮气气体标准物质，第4路进气口连接浓度为99.9％mol/mol的高纯氧气气体，第9路进气口连接浓度为99.9％mol/mol的高纯氮气气体。

(3)根据苯组分的目标值向液态有机气体配气系统22的进液口中注入一定体积的苯标准溶液，并在汽化池222中充分汽化。

(4)在控制系统1中输入上述原料气体和目标气体类型、浓度等信息，控制系统1将根据各气体组分的目标浓度自动计算各进气口的气体比例和原料气体的进气流量，并通过自动控制各通道的质量流量控制器200，完成待测气体的配制。

(5)在气体配制过程中，受温湿度和管路吸附的影响，硫化氢等气体的实际输出浓度可能比理论目标值低，可通过反馈系统3进行实时监测，并由控制系统1通过调节各通道的质量流量控制器200予以自动补偿，以达到各气体组分的目标浓度。

(6)在实验过程中，可根据实验需求，随时更改待测气体浓度，控制系统1将通过控制质量流量控制器200快速完成多组分微量气体的动态发生。

本发明提供的一种气体发生装置及方法，第一方面，根据目标数据将原料气体配置成待测气体，通过反馈系统检测待测气体得到的反馈数据调节原料气体使待测气体的反馈数据与目标数据一致，从而使待测气体成为待测气体，因此可连续调节待测气体的气体组分和各气体组分的气体浓度，从而得到精度较高的目标气体。第二方面，采用多组分动态配气和液态有机气体配气相结合的方式，对管路及配套设备防吸附处理，并通过光学反馈自动调节系统，设计了一种多组分微量气体发生装置，可实现多组分、低浓度混合气体的实时精确配制。

在上述实施方式中，对各个实施方式的描述都各有侧重，某个实施方式中没有详述的部分，可以参见其它实施方式的相关描述。以上为对本发明所提供的气体发生装置及方法的描述，对于本领域的一般技术人员，依据本发明实施方式的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。