一种自动气体同步采集分析系统及方法与流程

1.本发明属于环境控制领域，涉及一种大规模多路同步采样分析装置以及实现自动化的方法。本发明适用于环境风洞实验室气体的同步采样与分析。


背景技术：

2.在环境控制领域，对空气质量的检测尤为重要；分析空气成分有助于了解空气污染的程度，可以产生解决问题的办法；环境现场采集气体样本，是空气成分分析的最直接、有效的方法，区域性的现场气体样本采集虽可实现，但工作量巨大；为再现和准确表述某一个环境模型，不仅样本的采集量大，样本获取方法的难度也很大。
3.为解决这个问题，世界各国采取在环境风洞实验室里建立模型来模拟现场的环境，进行多点大规模采样，样本可达数十上百；样本的数量与模型模拟的还原性正相关；但在模型环境中，人工采样也很困难，尤其是样本的同步性难以保证，从而影响所建模型的数据准确性，最终影响环境控制方法的有效性。
4.先进的现代控制技术的发展使得，用一种新颖的方法，做出一种装置实现大规模同步采样成为可能。
5.从经济的合理性角度，一般实验室不可能无限制的配备大量的气体成分分析设备对有同步性需求的气体样本进行分析；因此，需要将同步采集的气体样本用储气管暂存，然后分时供给分析仪进行分析(其过程中对被测样品的数据结果不产生影响)，需要以新的方法和新的工艺手段实现“采集”，“存储”，“输送”，“分析”全部自动化。
6.为了保证自动化设备在整个运行过程中，对样品的影响最小，目前国内外对自动大规模气体同步采样分析设备还没有标准规范。而国内外有多种采样设备，对同一种气体采样，所用方法不同，所得结果差别很大；其原因在于：样本数量、样本同步性与时效性、样本受输送管路和存储管路的影响、人为误差等因数。


技术实现要素：

7.针对现有技术状况，本发明提供一种气体同步采集装置，能实现实验环境下多点同步采样。
8.本发明还提供一种自动气体同步采集分析系统，以解决大规模气体采样的同步性、时效性和准确性问题，避免人工采集所产生的误差。
9.本发明目的在于提供一种自动气体同步采集分析方法。
10.为解决上述技术问题，本发明采取的技术方案为：
11.本发明提供一种气体同步采集装置，包括活塞式储气管、旋转压头机构、吸排气机构和安装支架，旋转压头机构、活塞式储气管和吸排气机构由上至下依次设置在安装支架，所述活塞式储气管包括活塞杆和储气管，储气管经多通阀分别与采样、送样、排气管路连接；若干活塞式储气管沿圆周方向均匀布置，储气管设置在安装支架上；
12.所述旋转压头机构包括旋转臂、旋转臂电机、以及安装在旋转臂上的压注电机与
活塞压头；所述旋转臂可绕所述安装支架中心旋转动，进而带动活塞压头对准下方不同位置上的活塞式储气管；
13.所述吸排气机构包括上、下滑板和升降机构，上、下滑板间隔式套装在安装支架上并与升降机构连接，活塞式储气管的活塞杆尾部设在上、下滑板之间，并由升降机构带动随上、下滑板做上下运动；下滑板沿圆周方向均匀设有一圈孔，下方的活塞式储气管的活塞杆分别套装在各孔内；上滑板上设有与下滑板上相对应的孔，且上滑板还连接有往复式回转机构，可带动上滑板往复式回转实现上、下滑板的孔对正或错位；
14.管路清洗或吸取样气时，上、下滑板的圆孔错位时，升降机构经上、下滑板带动活塞杆作抽排气动作；送样时，上、下滑板的孔对正，压注电机带动活塞压头下压活塞杆，将储气管中样气送出至采样单元。
15.进一步地，所述上、下滑板通过滑套设置在安装支架上，经中心支架与升降机构连接。
16.进一步地，所述旋转臂电机经齿轮传动构与旋转臂连接。
17.本发明还提供一种自动气体同步采集分析系统，包括上述气体同步采集装置、控制系统、分析仪系统、连接管路，以及：
18.多路采样头，为气体采集入口，每路采样头连接一组活塞式储气管；
19.多组四通单向阀组件，为气体流向控制部件，每组连接一组活塞式储气管；由三个单向阀和一个四通阀组合而成，四个接口中入口与对应气路的采样头连接，三路出口：一路与活塞式储气管出入口连接，一路与排气阀入口连接，一路与扫描切换阀入口连接；
20.排气机构，用于将多路气体合并成一路排出，设有多路入口，一路出口，每个入口与对应四通单向阀组件出口连接；
21.扫描切换阀，为多选一样气分时切换分送机构，包括多路入口和一路出口，每路入口经一组四通单向阀组件连接一组活塞式储气管，出口与分析仪系统口入连接。
22.进一步地，所述多路采样头，每一路采样头设有过虑器，并分别连接一个活塞式储气管的四通单向阀组件；
23.进一步地，所述排气机构包括排气阀、流量计、旁路阀和抽气泵；
24.排气阀，设有n路入口，一路出口，每一入口与对应一路四通单向阀组件出口连接，用于将多路气体合并成一路排出；
25.流量计，入口与所述排气阀出口连接；
26.旁路阀，入口与所述流量计出口连接；有两路出口，一路出口为排空口，用以调节流量，另一路出口与抽气泵入口连接；
27.抽气泵，入口与所属旁路阀出口连接。
28.进一步地，控制系统包括电源、人机界面、控制器和功率输出器件。
29.本发明还提供基于上述系统的自动气体同步采集分析方法，包括以下步骤：
30.3)管路组装及系统调试；
31.4)管路清洗与样气采集；
32.3)系统送样通路选取与送样分析。
33.步骤1)中，管路组装及系统调试时，在每一个采样的入口设置一个用惰性材料制成的微型过滤器，接着设置一个四通单向气阀；
34.步骤2)中，管路清洗与样气采集时，用抽进被测气体的前段气体冲洗管路，将后段予以保存，具体步骤为：
35.打开真空泵和排气阀，当所有采样口的初始样气段经过
△
t1时间后关闭真空泵，然后启动升降机构进行至少大于一次的上下往复运动，经
△
t2时间，对所有储气管进行抽气和排气；升降机构向上运动时所有储气管抽气(此时真空泵排气阀在关闭状态)，升降机构向下运动时所有储气管排气(此时排气阀在打开状态)，通过流量计算表明是否已完成对主管路原气体的置换；之后储气管完成最后一次抽气(
△
t3)，随后电磁阀控制活塞式储存管活塞解锁，升降机构向下运动而活塞不动，直到升降机构停止，完成n路气体同步采样；
36.步骤3)中，系统送样通路选取与送样分析，具体步骤是：
37.由控制系统从当前活塞式储气管作为第一个开始依次送样，由所述旋转压头机构定位所送活塞式储气管样气，由扫描切换阀连通对应管路，在通过所述控制系统与分析仪系统通讯完成后即分析仪的“准备接收样气信号”发出后，由升降机构推动所述活塞式储存管的活塞杆下行，向分析仪送出其中一路的样气，需时间
△
t4；依次送样，直至最后一路，分析总时间是：t＝
△
t1+
△
t2+
△
t3+(
△
t4×
n)，n为采样路数。
38.本发明相比现有技术具有如下优点：
39.1.本发明的气体同步采集装置可以在1-n个点的范围内任意选取采样点的位置和数量进行同步采样。提高了科学实验的灵活性。该系统能够实现风洞的大规模集群采样过程中保证样品的时效性和准确性。
40.2.本发明的自动气体同步采集分析系统能够对大规模多点气体进行同步采集暂存的，且有序发送到分析仪进行适时分析并计算出结果的系统。
41.3.本发明根据环境风洞模型所提出的样本数量要求，可自动地对数十个气体采样口同步进行样本采集，存储样本前自动清洗输送管路与存储管路(用置换法)，同步暂存，动选择样本分时切换发送至分析仪分析，它最大程度地克服测量中的误差因数，能直至得出最后结果并能保证期准确性。
42.4.本发明配套的分析仪与计算机可以和控制单元进行数据交换。本发明在环境科学实验中可完成人工采样等其它设备无法完成的任务其经济效益也十分明显。
附图说明
43.图1为气体同步采集装置的结构示意图；
44.图2为自动气体同步采集分析系统之一；
45.图3为自动气体同步采集分析系统之二；
46.图4为气体同步采集装置的立体图；
47.图5为气体同步采集装置的俯视图；
48.图6为排气阀的结构示意图；
49.图7为图6的侧视图；
50.图8为四通单向阀组件的结构示意图；
51.图9为扫描切换阀上盖示意图；
52.图10为扫描切换阀下盖示意图；
53.图11为系统控制时序图；
54.图中：1-采样头；2-单向阀四通组件；3-底盘；4-定位柱；5-储气管安装架；6-滑动层；7-安装支架；8-旋转臂；9-压注电机；10-旋转臂电机；11-活塞压头；12-上滑板；13-电磁阀；14-下滑板；15-中心支架；16-中心传动套；17-活塞式储气管；18-活塞杆；20-电机；21-流量计；22-调节阀；23-泵；24-排气阀；25-扫描切换阀；26-控制箱；27-气相色谱仪；28-计算机；29-旋转臂托架；30-转臂齿轮；31-n路入口；32-出口；33-开关活塞；34-复位弹簧；35-电磁线圈；36-气压表。
具体实施方式
55.实施例一：气体同步采集装置
56.如图1所示，本发明的气体同步采集装置，包括活塞式储气管17、旋转压头机构、吸排气机构和安装支架7。旋转压头机构、活塞式储气管17和吸排气机构由上至下依次设置在安装支架。活塞式储气管17设有若干组，每组包括活塞杆18和储气管，储气管经多通阀分别与采样、送样、排气的管路连接；若干活塞式储气管17沿圆周方向均匀布置，储气管设置在储气管安装架5上；
57.如图4、图5中，旋转压头机构包括旋转臂8、旋转臂电机10、以及安装在旋转臂上的压注电机9与活塞压头11；旋转臂8可绕安装支架7中心旋转动，进而带动活塞压头11对准下方不同位置上的活塞式储气管17；
58.吸排气机构包括上滑板12、下滑板14和升降机构，上、下滑板间隔式套装在安装支架7上并与升降机构连接，活塞式储气管的活塞杆尾部设在上、下滑板之间，并由升降机构带动随上、下滑板做上下运动；下滑板14上沿圆周方向均匀设有一圈孔，下方的活塞式储气管的活塞杆分别套装在各孔内；上滑板12上设有与下滑板14上相对应的孔，且上滑板12还连接有往复式回转机构，可带动上滑板往复式回转实现上、下滑板的孔对正或错位；
59.安装支架7包括底盘3、定位柱4和十字形支架，底盘3上面固定四个定位柱4；定位柱顶部与十字形支架固定，中间分五层设计，两层固定活塞式储气管17，活塞式储气管17围绕中心轴圆心360
°
分布。
60.上、下滑板和滑套形成滑动层6，上、下滑板层间距固定，上滑板做(360
°
/2n)的两限位旋转，由电磁阀控制，零位时上下两层滑板的所有孔位对齐，错位时上孔对齐下孔两孔圆心之间的中点；滑动层6由升降机构驱动。
61.管路清洗或吸取样气时，上、下滑板的圆孔错位时，升降机构经上、下滑板带动活塞杆作抽排气动作；送样时，上、下滑板的孔对正，压注电机9带动活塞压头下压活塞杆，将储气管中样气送出至采样单元。
62.上、下滑板通过滑套设置在安装支架7上，经中心支架15与升降机构连接。旋转臂电机10经齿轮传动构与旋转臂连接。
63.上、下滑的孔错位时，滑动层6向上运动带动所有活塞抽气；错位时向下运动带动所有活塞排气；上、下滑的孔对正时，即零位时，滑动层向下运动，活塞压头下压带动单个活塞排气，进行采样。
64.旋转压头机构中，每个活塞式储气管的活塞杆顶部设有活塞压头锁，用于零位时解锁。旋转臂以c为轴心，在旋转臂电机10带动下旋转；每转(3600/n)活塞压头就对准下一个活塞式储气管的活塞杆。在活塞压头锁解锁状态下，启动压注电机9便可向下压一个储气
管的活塞即给色谱仪送气。旋转压头机构还可设置旋转臂托架29，旋转臂通过转臂齿轮30与旋转臂电机10传动连接。
65.该气体同步采集装置可以在1-n个点的范围内任意选取采样点的位置和数量进行同步采样。提高了科学实验的灵活性。该系统能够实现风洞的大规模集群采样过程中保证样品的时效性和准确性。
66.实施例二：自动气体同步采集分析系统
67.本发明的自动气体同步采集分析系统，如图2所示，包括实施例一的气体同步采集装置、控制系统、分析仪系统、连接管路、多路采样头、多组四通单向阀组件、排气机构和扫描切换阀。分析仪系统还可以连接计算机系统。
68.控制系统包括电源、人机界面、机电逻辑控制器件和功率输出器件，控制系统以部分管路设置在采样箱内，人机界面用于调控和显示。分析仪系统采用气相色谱仪。
69.多路采样头为气体采集入口，每路采样头1连接一组活塞式储气管17；
70.如图8所示，多组四通单向阀组件为气体流向控制部件，每组连接一组活塞式储气管17；由三个单向阀和一个四通阀组合而成，入口与对应气路的采样头连接，三路出口：一路与活塞式储气管出入口连接(该路为双向通)，一路与排气阀入口连接，一路与扫描切换阀入口连接；四个接口分别为a、b、c、d，a双向连接储气管，b、c、d为单向，分别连接采样头、扫描切换阀和排气阀。
71.排气机构用于将多路气体合并成一路排出，设有多路入口，一路出口，每个入口与对应四通单向阀组件出口连接；
72.扫描切换阀为多选一样气分时切换分送机构，如图9、图10所示，包括多路入口和一路出口，每路入口经一组四通单向阀组件连接一组活塞式储气管，出口与分析仪系统口入连接；扫描切换阀25在不同时段将出口分别接通一路入口同时关闭其余各路入口。
73.升降机构，包括中心支架15、中心传动套16和电机20，用于固定垂直布置的多个活塞式储气管，同步驱动所有活塞杆上下运动，进行储气与排气；
74.如图5所示，旋转压头机构，设置在安装支架上，用于将活塞压头旋转至与一路活塞式储气管对应，推动该路的活塞杆，使该路气体送入分析仪系统。
75.清洗时，上、下滑板上的孔错位；上、下滑板向夹持各活塞式储气管的活塞杆尾部，驱动机构带动各活塞杆作吸、排动作(3-5次)；(每个活塞式储气管的活塞杆顶部设有活塞压头锁，用于零位时解锁，清洗时活塞压头锁解锁，排出的气体经排气机构排出；
76.采样时，上、下滑板上的孔错位；上、下滑板向夹持各活塞式储气管的活塞杆尾部，驱动机构带动上、下滑板及各活塞杆作提拉动作，各活塞式储气管吸取样气；
77.测量时，上、下滑板上的孔对正；驱动机构带动上、下滑板向下运动，活塞杆不动；压头机构的活塞压头下压，下压下方的一组活塞式储气管的活塞杆动作，使该活塞式储气管排气，排出的样气经四通阀经管路进入扫描切换阀，经扫描切换阀进入采样单元。本发明的自动气体同步采集分析系统能够对大规模多点气体进行同步采集暂存的，且有序发送到分析仪进行适时分析并计算出结果的系统。
78.本系统明根据环境风洞模型所提出的样本数量要求，可自动地对数十个气体采样口同步进行样本采集，存储样本前自动清洗输送管路与存储管路(用置换法)，同步暂存，动选择样本分时切换发送至分析仪分析，它最大程度地克服测量中的误差因数，能直至得出
最后结果并能保证期准确性。
79.本系统配套的分析仪与计算机可以和控制单元进行数据交换。在环境科学实验中可完成人工采样等其它设备无法完成的任务其经济效益也十分明显。
80.实施例三:
81.本实例进一步可选设计在于，自动气体同步采集分析系统中，多路采样头，每一路采样头1设有过虑器，并分别连接一个活塞式储气管的四通单向阀组件；采样头1是气体采集入口，安装过虑器(采用惰性材料制成的微型过滤器)是为防止被采气体中的颗粒物和悬浮物，以提高分析气体真实性。
82.实施例四:
83.本实例进一步可选设计在于，自动气体同步采集分析系统中，排气机构包括排气阀、流量计、旁路阀和抽气泵；
84.流量计，入口与排气阀出口连接；
85.旁路阀，入口与流量计出口连接；有两路出口，一路出口为排空口，用以调节流量，另一路出口与抽气泵入口连接；
86.抽气泵，入口与所属旁路阀出口连接。
87.排气阀，设有n路入口31，一路出口32，还设有开关活塞33，复位弹簧34，电磁线圈35，气压表36，如图6、图7所示。
88.排气阀每一入口与对应一路四通单向阀组件出口连接；排气阀用于将多路气体合并成一路排出；清洗管路时打开，气体分析时关闭。流量计的入口与所述排气阀出口连接，用以控制采样口的流速；旁路阀22的入口与流量计出口连接；排气阀设有两路出口，一路出口为排空口，用以调节流量；另一路出口与抽气泵入口连接。抽气泵23，入口与旁路阀一路出口连接；该泵为主清洗管路的动力源。
89.实施例五：
90.本发明自动气体同步采集分析方法，包括以下步骤：
91.1)管路组装及系统调试；在每一个采样的入口设置一个用惰性材料制成的微型过滤器，接着设置一个四通单向气阀；
92.2)管路清洗与样气采集；即用抽进被测气体的前段气体冲洗管路，将后段予以保存，具体步骤为：
93.打开真空泵和排气阀，当所有采样口的初始样气段经过
△
t1时间后关闭真空泵，然后启动升降机构进行至少大于一次的上下往复运动，经
△
t2时间，对所有储气管进行抽气和排气；向上运动时所有储气管抽气(此时真空泵排气阀在关闭状态)，向下运动时所有储气管排气(此时排气阀在打开状态)，通过流量计算表明是否已完成对主管路原气体的置换；之后储气管完成最后一次抽气(
△
t3)，随后电磁阀控制活塞式储存管活塞解锁，升降机构向下运动而活塞不动，直到升降机构停止，完成n路气体同步采样；
94.3)系统送样通路选取与送样分析，具体步骤是：
95.由控制系统从当前活塞式储气管作为第一个开始依次送样，由所述旋转压头机构定位所送活塞式储气管样气，由扫描切换阀连通对应管路，在通过所述控制系统与分析仪系统通讯完成后即分析仪的“准备接收样气信号”发出后，由升降机构推动所述活塞式储存管的活塞杆下行，向分析仪送出其中一路的样气，需时间
△
t4；依次送样，直至最后一路，分
析总时间是：t＝
△
t1+
△
t2+
△
t3+(
△
t4×
n)。
96.利用对活塞式储气管活塞、真空泵、排气阀的逻辑控制实现对所有管路的清洗；即用抽进被测气体的前段气体冲洗管路，将后段予以保存。
97.总管路的清洗是采用被测气体的前时段，顺序如图9所示：
98.(1)抽气泵开启，n合一排气阀开启，样气从采样头经主管路到泵排出(t0-t1)。
99.(2)抽气泵关闭，n合一排气阀开启，全体活塞上运动，样气被吸进储气管，全体活塞下运动，样气由储气管经n合一排气阀排出(t1-t2)。
100.样气的采集是用被测气体的第三时段(t2-t3)。
101.送样样品的分析段选取：设定分析仪接收气段的t3到r段为废气，分析仪自动舍弃该段气体，取r-f段之间的气体即储存管的中段气体进行分析。
102.该系统的独有设计与连接方法以及硬件的逻辑关系使得本系统可以在1-n的范围内任意选取采样点的位置和采样个数进行同步采样。
103.设备操作方法：
104.(1)n个样气可选任何一个和多个进行同步采样。
105.(2)可灵活控制活塞运行速度来调节采样口的流速。
106.参数设置完成后，一键完成所有工作。
107.如图11，(t3-t4)时段将被测样气循环(n次)逐个送入色谱分析仪。
108.四通单向阀在样气采集时段(t2-t3)阻止
‘
n合一排气阀’和
‘
扫描切换阀’方向的气体混入。
109.排气阀4为排气出口阀，在(t1-t3)阶段打开，在n次循环分析时段(t3-t4)，该阀必须关闭，从而保证储气管里的采样气体能有效的送入色谱分析仪。
110.扫描切换阀25，是通过程序事先设定好的顺序，依次将分析样本送入色谱分析仪。控制箱26的核心是一台可编程逻辑控制器加为其专门设计的驱动部件，它接收来自本系统的各种位置信号和应答信号，发出可使本系统运动的控制执行信号。