专利名称：自动控制气体混合泵的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种配制气体的气体混合泵，特别涉及一种由计算机控制的自动气体混合泵系统。
在各类气体传感器的研究过程中，需要配制各种各样的气体用于气体传感器的性能测试，以确定和评价气体传感器的性能。例如测定某一型号气体传感器对不同气体的选择性，对被测气体的灵敏度和长期工作的稳定性等。配制测试气体可采用静态和动态两种方法，前者简单快捷，适用于气体传感器的静态测试；后者适用于气体传感器的动态测试，但需要专用设备。不过，动态配气测试在气体传感器的研究与开发中是必不可少的，特别是在传感器的性能评估方面具有一定的优势。
气体混合泵有许多用途，不仅在气体传感器的测试和标定方面，在生物气象实验，工农业生产等方面都需要不同用途的混合气体。目前国内引进的这类设备主要是机械式手动调节系统，如北京劳保研究所和吉林大学等。它们需要有人现场监管才能运行，不能实现自动配气。
我国目前一般使用的是从西德进口的型号为2M300/a-F的气体混合泵，这种气体混合泵可同时进入两种气体进行混合，其配制气体浓度范围为1％-100％，以1％为进度增加或减少，其最低配气浓度为1％，将两台泵串连起来其最低配气浓度为1/10000(即100ppm)，而且可以配制三组分的混合气体。随着科研工作的深入以及其它方面的需要，对气体传感器的测试和标定提出了越来越多的要求，暴露出该气体混合泵的许多缺陷。如在无人监视的情况下长期连续多浓度点的自动测试、传感器性能的自动测试和标定、传感器长期稳定性的考查以及动态测试等，由于该气体混合泵是机械式的手动调节，不能自动配气，给测试带来了极大的不便。科研工作需要气体混合泵能在计算机控制下自动实现多浓度气体的自动配制。另外目前将两台气体混合泵连接起来使用最低配气浓度也只能达到100ppm，不能满足科研和开发的需要，最低配气浓度达不到1ppm。
本发明的目的之一就是要提供一种自动控制配气的气体混合泵和工作系统，由手动调节到程序控制的自动调节，只要将要配制的气体成分、浓度及时间等参数事先输入计算机，在计算机程序控制下就可以自动实现整个配气过程。本发明的目的之二是使最低配气浓度达到1ppm。
本发明的技术方案是一种自动控制气体混合泵，其特征在于采用两台气体混合泵串联与配气反馈装置。开始时泵1[10]和泵2[11]串联运行，经气体混合泵自动控制调节器[6]、[7]、[8]、[9]调节，其中阀1[3]的1开2闭，阀2[4]的1闭2开，混合后的气体浓度为100ppm进入储气箱[13]，再将浓度为100ppm的混合气体在恒定压力下经阀1[3]反馈至泵2[11]进气口与混合底气如空气或氮气在泵2[11]中混合，此时阀2[4]的2闭1开，再次混合后输出气体的浓度可达1ppm-100ppm，经阀2[4]中通道[1]输送到储气容器[12]或其它用气设备。
所述的配气反馈装置包括储气箱[13]、阀1[3]、阀2[4]、阀3[5]、压缩钢瓶[15]、气体压力检测与控制装置[14]等；所述的储气箱[13]是用金属材料制成的正方型容器，内置一橡胶气袋[16]用于储气；储气箱[13]上面有三个孔用于与自动三通阀阀1[3]、阀2[4]、阀3[5]以及气体压力检测与控制装置[14]连通，并通过自动控制阀3[5]与压缩钢瓶[15]相接，储气箱[13]密封并由气压控制装置[14]控制内部压力恒定。
所述的气体混合泵自动控制调节器是用来自动设置与调节气体混合比例的装置，它包括计算机、自动开关、步进电机、电机与开关驱动电路、旋钮位置检测传感器及其电路以及编码输出电路等；其核心结构是由三块圆盘组成的，该调节器的前面是步进电机[17]，后面是混合泵配气活塞[22]，用转轴[18]从中连接；最外层的圆盘[19]是一旋转转盘由金属材料制成，旋转转盘上安装一个发光二极管[23]与中间固定圆盘[20]上的透光孔[24]相对，该旋转转盘[19]随通过其中心并固定于其上的电机驱动的转轴[18]转动；中间的圆盘[20]和后面的圆盘[21]为固定式圆盘，通过固定螺丝孔[25]固定，中间的圆盘[20]有对应于调节配气浓度旋钮[6]、[7]、[8]、9]所在位置的透光孔[24]，即0-10共有11个小孔，每一个透光孔[24]在电路中有一个对应的编码；发光二极管[23]所发的光透过透光孔[24]使得后面圆盘即电路板[21]上的光电检测二极管[26]检测并由编码电路进行编码，用以确定自动控制调节器[6][7][8][9]的调节状态。
一种自动控制的气体混合泵系统方法，用程序指令控制设备运行过程，其特征在于所述的配气反馈装置以及其它系统开关如电源等都为计算机程序指令自动控制调节与开、关，系统在计算机程序指令下自动运行(a)启动计算机，用鼠标双击显示屏上的UCDOS，进入气体混合泵自动配气控制系统主菜单，同时启动混合泵电源并开始复位，回复到初始状态；(b)在初始状态下，界面上出现各种提示，根据提示，用键盘上的S键，进入S参数设置菜单，用上下方向键选择，可以设置各种参数；(c)单点浓度配制表示所配气体浓度值不变化，若配气浓度小于100ppm，除了输入配气浓度外，还要输入气袋充气时间和气袋放气时间；(d)多点浓度配制表示连续配制多个气体浓度，根据菜单上参数要求分别输入配制浓度、配气时间以及时间间隔等；(e)查询设定值可以查看输入值是否正确，以及系统应该显示的数字如运行时间以及目前所配浓度等；(f)按ESC键，再按T键，进入配气菜单，移动上下方向键选择，再按Enter键，就可以开始气体配制；(g)屏幕显示完成后，系统自动停止运行，或依据提示R表示继续配制，Q表示退出系统并复位。
下面结合附图以及具体实施方法对本发明作进一步详细地说明
图1是本发明所述的自动控制气体混合泵的配气系统结构框图。
图2是图1所示结构框图中储气室的结构图。
图3是图1所示结构框图中自动控制调节器的结构分析示意图。
图4是计算机自动控制系统框图。
图5是自动控制气体混合泵系统软件实施框图。
图6是气体混合泵的立体示意图。
图1是本发明所述的自动控制气体混合泵系统的配气系统结构框图。
图1(a)为主要部件结构图，图1(b)为对应的各个部件之间的连接方式和气流方向框图。如图1所示，A为稀释气体(或载气)如氮气，B为被稀释气体(或配制气体)如氧气，10(混合泵1)和11(混合泵2)为气体混和泵，每台混合泵最低配气浓度为1％，两台混合泵串联配气下限可达万分之一即100ppm，三台串联配气下限可达百万分之一即1ppm。为此，经泵1和泵2串联配制的气体输出后再反馈到泵2的进气口进一步稀释，可实现三台泵串联配气的效果。(阀1)3、(阀2)4、(阀3)5为电动三通控制阀，它们分别有1、2两个通道，开启其中一个通道时另一个通道关闭。储气容器或用气设备为12，储气室为13，储气室的气体压力检测与控制装置为14。与阀3相连的压缩气体钢瓶为15。气体混合泵的配气浓度调节器为6、7、8、9，它们分别相当于图4中泵1的b2、a2、b1、a1或泵2的b4、a4、b3、a3，详细的结构将在图3中说明。其中6、7两个调节器为载气(如N2)浓度调节器，由调节器6设定个位如设定为9，调节器7设定十位如设定为70，这样N2的浓度在混合气体中就为79％；8、9两个调节器为被配制气(如O2)浓度调节器，由调节器8设定个位例如设定为1，调节器9设定十位例如设定为20，这样O2的浓度在混合气体中就为21％。需要说明的是，两种混合气体的浓度相加要求为100％，否则误差较大。
在配制气体浓度低于100ppm的混合气体时，开始时泵1和泵2串联运行，其中阀1的1开2闭，阀2的1闭2开，阀3的1闭2开，此阶段混合后的气体浓度可达万分之一即100ppm，并进入储气箱13中的储气袋16。
上述串联运行t1时间后，储气袋16内已有足够气体，可进一步配制100ppm以下浓度的混合气体。此时阀1中的1闭2开；阀2中的1开2闭；阀3中的1开2闭，向储气箱13内充气，以使储气箱中储气袋16内的混合气体在恒定压力下经阀1反馈至混合泵2进气口，再次与载气混合。运行时间为t2。
在t2阶段，反馈气体经混合泵2再次混合输出至阀2，此时阀2中的2闭1开，输出气体浓度可达1ppm，经阀2中的1通道输送到用气设备或储气装置12。由于混合气体中各成分的比例与进气压力有关，所以在t2阶段储气袋16的排气必须加以控制，这里使用一套气体压力检测与控制装置14控制储气箱13中的压力，以使储气箱中气袋里的气体在恒定的压力下排出。
图2是图1所示结构框图中储气箱的结构图。储气箱内置一气袋16(体积为1m3)，与图1所示的阀1和阀2连接。储气箱13密封不透气，通过自动控制阀5(即图1b中的阀3)与压缩钢瓶15相连接。在储气袋需要排气的t2阶段，自动开启自动控制阀5，向储气箱内充气，并经过一气体压力检测与控制装置14使储气箱内的压力保持恒定，从而使气袋中的气体在恒定压力下排出。当t2阶段结束时，自动控制阀5自动关闭；在t1阶段气袋充气阶段，储气箱又通过阀5的2通道自动排气。当完成一个配气过程后，在计算机自动控制下关闭所有进气阀门，关闭配气系统。
图3是图1所示结构框图中自动控制调节器的结构分析示意图。自动控制调节器是用来自动设置与调节气体混合比例的装置，它的原始结构是图6中所示的手动步进式调节旋钮27、28、29、30，本发明将这些手动调节旋钮改变为自动控制调节器。每一个自动控制调节器包括步进电机17、电机驱动电路、旋钮位置检测传感器及其电路以及编码输出电路等。
图3a是自动控制调节器核心部分的结构关系图，由步进电机17驱动转轴18旋转，并带动固定于其上的转盘19旋转，转轴18穿过圆盘20和固定电路板21与气体混合泵内部的混合气体浓度调节活塞22连接，并驱动它动作以控制气体的流量，从而达到控制气体混合比例的目的。旋转转盘19上安装一个发光二极管23(图3b)，它与固定于气体混合泵10上的固定圆盘20(图3c)上的透光孔24(共有11个透光孔)相对。用于固定的螺丝孔为25(共四个)。固定圆盘20上的透光孔24对应于图6所示的混合气体浓度调节步进式旋钮位置，共有相对应的11个透光孔，并在电路中给于0-10的11个编码。紧接固定圆盘20后面的是固定圆盘21(图3d)，对应于每一个透光孔有一个光电检测二极管26(共11个)固定于其上，正对着透光孔以检测发光二极管23所发出的光，11个光电检测二极管分别用0-10进行编码，以确定发光二极管23所旋转到的位置。
工作时，计算机发出指令给编码驱动电路，编码驱动电路驱动步进电机17工作，以使转轴18带动转盘19转动，以及驱动混合泵配气活塞22工作，设置并调节混合气体比例。转盘19旋转时，发光二极管23跟着旋转到相应的位置，所发出的光通过透光孔24被光电检测二极管26所检测到，通过检测编码电路就知道自动控制调节器所调节到达的位置，通过与设定值进行比较，判断其是否正确，如果都正确无误，则可以开始配制气体；如果仍然没有到达设定的位置，则根据当时的位置情况，继续调节，直到调节到正确的位置为止。
图4是计算机自动控制系统框图。图中示出了在计算机控制下各个部分的关系，整个系统是怎样由计算机控制的。
当根据计算机的提示向计算机输入了需要配制气体的比例以后，计算机根据公式及事先编好的程序，计算出每台气体混合泵所应配制的气体的比例以及每一个自动控制调节器所在的位置及其编码，通过I/O接口使编码输出驱动电路驱动步进电机带动调节旋钮即转动轴转动到所应在的位置。此时，随着电机驱动的转轴转动使旋转转盘上的发光二极管到达所在位置即旋钮应该到达的位置。
判段自动控制调节器是否到达了所应在的位置，就要靠检测编码输出电路以及光电式传感器进行监测，信号采集检测电路将检测结果反馈到计算机，计算机进行判断，如还未到达所应在位置，则计算机通过前述方法继续控制电机的运行。在电机运行时，检测电路检测调节器的位置，并经编码器输出至信号采集卡再反馈到计算机中，直到将调节旋钮调节到工作位置为止。此时，电机停止运行，同时在计算机控制下自动开启气体混合泵电源、电动三通阀门，并确定和调节各个阀门的通道。一切准备就绪，开始进行气体混合，气体混合结束时系统自动关闭。
图5是自动控制气体混合泵系统软件实施框图。该图进一步说明了系统的运行、操作过程、软件的实现过程以及实施例。图6是气体混合泵的立体示意图。图中示出了控制面板31上的混合气体比例调节旋钮27、28、29和30，它们分别对应于本发明图1中的部件6、7、8、和9，其中27和28控制一种混合气体的比例，29和30控制另一种混合气体的比例；27和29的数字代表各自气体混合比例的个位，28和30的数字代表各自气体混合比例的十位。如图中所示，氮气的混合比例为29％，氧气的混合比例为71％。由于调节旋钮是步进式的，由图中可见，一台气体混合泵的最低气体混合比例为1％，最高为99％，以1％为步长增减。还可以看出，一台气体混合泵可以使两种气体混合，两台气体混合泵串联起来使用可以使三种气体混合，三台气体混合泵串联起来使用可以使四种气体混合，以此类推。
本发明将图6中所述的手动调节旋钮改变成自动控制调节旋钮，同时实现系统的全自动化。
本发明的有益效果是；1.实现了2M300/a-F气体混合泵由手动调节到自动调节。开机后，在计算机程序控制下达到了不同气体浓度配制的自动化，既可用于单点浓度配制，又可连续多浓度点配制。
2.原来的单台混合泵最低配气浓度为1％，两台混合泵串联最低配气浓度为1/10000，经过本发明以后，最低配制气体浓度达到了1ppm。
3.本发明的气体储存反馈装置，相当于增加一台气体混合，不仅使得气体混合比例可以更低，同时可以增加一种气体混合成分，每经过一次反馈，就可以增加一种气体混合成分。
权利要求
1.一种自动控制气体混合泵，其特征在于采用两台气体混合泵串联与配气反馈装置，泵1[10]和泵2[1]串联运行，经气体混合泵自动控制调节器[6]、[7]、[8]、[9]调节，其中阀1[3]的1开2闭，阀2[4]的1闭2开，混合后的气体浓度为100ppm进入储气箱[13]，再将浓度为100ppm的混合气体在恒定压力下经阀1[3]反馈至泵2[11]进气口与混合底气如空气或氦气在泵2[11]中混合，此时阀2[4]的2闭1开，再次混合后输出气体的浓度可达1ppm-100ppm，经阀2[4]中通道[1]输送到储气溶器[12]或其它用气设备。
2.一种自动控制气体混合泵，其特征在于所述的配气反馈装置包括储气箱[13]、阀1[3]、阀2[4]、阀3[5]、压缩钢瓶[15]、气体压力检测与控制装置[14]等；所述的储气箱[13]是用金属材料制成的正方型容器，内置一橡胶气袋[16]用于储气；储气箱[13]上面有三个孔用于与自动三通阀阀1[3]、阀2[4]、阀3[5]以及气体压力检测与控制装置[14]连通，并通过自动控制阀3[5]与压缩钢瓶[15]相接，储气箱[13]密封并由气压控制装置[14]控制内部压力恒定。
3.一种自动控制气体混合泵，其特征在于所述的气体混合泵自动控制调节器是用来自动设置与调节气体混合比例的装置，它包括计算机、自动开关、步进电机、电机与开关驱动电路、旋钮位置检测传感器及其电路以及编码输出电路等；其核心结构是由三块圆盘组成的，该调节器的前面是步进电机[17]，后面是混合泵配气活塞[22]，用转轴[18]从中连接；最外层的圆盘[19]是一旋转转盘由金属材料制成，旋转转盘上安装一个发光二极管[23]与中间固定圆盘[20]上的透光孔[24]相对，该旋转转盘[19]随通过其中心并固定于其上的电机驱动的转轴[18]转动；中间的圆盘[20]和后面的圆盘[21]为固定式圆盘，通过固定螺丝孔[25]固定，中间的圆盘[20]有对应于调节配气浓度旋钮[6]、[7]、[8]、[9]所在位置的透光孔[24]，即0-10共有11个小孔，每一个透光孔[24]在电路中有一个对应的编码；发光二极管[23]所发的光透过透光孔[24]使得后面圆盘即电路板[21]上的光电检测二极管[26]检测并由编码电路进行编码，用以确定自动控制调节器[6][7][8][9]的调节状态。
4.一种自动控制的气体混合泵系统方法，用程序指令控制设备运行过程，其特征在于所述的配气反馈装置以及其它系统开关如电源等都为计算机程序指令自动腔制调节与开、关，系统在计算机程序指下自动运行(a)启动计算机，用鼠标双击显示屏上的UCDOS，进入气体混合泵自动配气控制系统主菜单，同时启动混合泵电源并开始复位，回复到初始状态；(b)在初始状态下，界面上出现各种提示，根据提示，用键盘上的S键，进入S参数设置菜单，用上下方向键选择，可以设置各种参数；(c)单点浓度配制表示所配气体浓度值不变化，若配气浓度小于100ppm，除了输入配气浓度外，还要输入气袋充气时间和气袋放气时间；(d)多点浓度配制表示连续配制多个气体浓度，根据菜单上参数要求分别输入配制浓度、配气时间以及时间间隔等；(e)查询设定值可以查看输入值是否正确，以及系统应该显示的数字如运行时间以及目前所配浓度等。(f)按ESC键，再按T键，进入配气菜单，移动上下方向键选择，再按Enter键，就可以开始气体配帛；(g)屏幕显示完成后，系统自动停止运行，或依据提示 R表示继续配制，Q表示退出系统并复位。
全文摘要
一种自动控制气体混合泵,采用配气再反馈装置,预先混合后的气体浓度为100ppm进入储气室,再将气体浓度为100ppm的混合气体与混合底气如空气或氮气在一定压力下经阀1反馈至混合泵2进气口,再次混合输出气体浓度可达1ppm－100ppm,经阀2中1通道输入到用气装置。通过计算机自动控制的调节器调节所混合气体各成分的比例。
文档编号G05D11/08GK1255402SQ99114490
公开日2000年6月7日 申请日期1999年10月15日 优先权日1999年10月15日
发明者张正勇, 张耀华, 李民强, 张蓉 申请人:中国科学院合肥智能机械研究所