专利名称：样品气体配气装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及气体检测和自动控制技术领域，是一种气体混合装置，样品气体配气系统适用于科研、化工、环境监测等方面。
背景技术：
在科研实验领域，进行气敏材料、气体传感器气体响应研究或进行气体传感器的标定，以及电子鼻系统研究时，需要用到具有一定浓度和流量的混合气体作为样品气体，要求该样品气体气流平稳，浓度准确，可以根据需要快速地改变样品气体的种类以及浓度，具有较高的重复性，这样可以减小环境变化、人为因素造成的影响，提高研究的可靠性。目前采用的配气方式有以下几种气源经气体流量计控制进入抽成真空或负压的混合气室中混合产生所需的样品气体；采用高压气瓶中的压缩气体作为气源，通过减压器、阀门等的调节进入混合气室产生样品气体，如中国实用新型专利00211457.7。这些方式一般采用手工调整阀门、气体质量流量控制器的方法对气体进行关断和流量调节，操作复杂，难以满足实际的要求。使用控制电路以及微处理器电路的配气装置可以提高装置的自动化水平，改善操作性能，提高一致性，如中国实用新型专利91227165.5、95222039.3。但这些装置没有涉及实时改变气体的流量和浓度，如果在研究过程中需要多次改变气体的浓度，控制电路就比较复杂，而且缺乏产生蒸汽类型混合气体(如乙醇蒸汽、汽油蒸汽等)的功能，整个系统的性能仍不能令人满意。因此我们提出了智能配气装置的设想，该系统可以在计算机上设定配气方案，由计算机来控制配气的过程，这样就简化操作过程，提高可靠性和一致性。另外该装置易于扩展，可以和其它实验系统集成。
新型内容为了提高气体流量装置的自动化水平，本实用新型提供了一种基于单片机和可编程控制技术的样品气体配气装置，它是一种多用途气体混合装置，可以快速便捷地按一定比例进行两种不同气体的混合，准确地配置样品气体的浓度和流量。本实用新型能根据预先设定产生浓度随时间变化的样品气体。
为达到上述目的，本实用新型的技术解决方案是提供一种样品气体配气装置，由样品气体配置气路、自动流量控制仪、计算机和计算机预装控制软件组成，其样品气体配置气路置于一恒温装置中，由复数个质量流量控制器、三通电磁阀、气体导管和一混合气室以及相应的控制电路接口组成；质量流量控制器的输入口与高压气体钢瓶相连，其中，一质量流量控制器的输出口经气体导管连接于混合气室，其余质量流量控制器的输出口经气体导管连接于三通电磁阀的输入口，三通电磁阀的输出口与混合气室相通，混合气室的输出口与配置气路输出口相通；自动流量控制仪，设有单片机，A/D、D/A电路，质量流量控制器信号接口，电磁阀驱动信号接口，图形液晶显示模块，计算机接口和自动/手动切换开关；样品气体配置气路的质量流量控制器的控制电路接口与质量流量控制器信号接口电连接；样品气体配置气路的三通电磁阀的控制电路接口与电磁阀驱动信号接口电连接；计算机通过计算机接口与自动流量控制仪电连接。
所述的样品气体配气装置，其所述样品气体配置气路中，有补偿载气气路或有微调载气流量装置。
所述的样品气体配气装置，其所述样品气体配置气路中，于一气体导管中段设有密闭容器。
所述的样品气体配气装置，其所述容器为烧瓶。
所述的样品气体配气装置，其所述三通电磁阀，为两位三通阀，其一输出口通混合气室，另一输出口通排气口。
所述的样品气体配气装置，其所述气体导管，以聚四氟乙烯材料制作。
所述的样品气体配气装置，其所述自动流量控制仪的面板上，还设有键盘，开关，旋钮。
所述的样品气体配气装置，其所述质量流量控制器的出气口气压接近于大气压。
所述的样品气体配气装置，其配有计算机接口，可以与其他系统集成。
本实用新型适用于需要准确地对气体进行配置、稀释的传感器性能分析，检验等科研场合，也能方便地集成在其他系统中，作为一台标准气体发生装置等等。
图1是本实用新型样品气体配气装置结构示意图；图2配气装置气路结构示意图；图3(a)、3(b)是气体流量控制仪控制面板正面和背面图；图4是本实用新型样品气体配气装置的气体流量控制仪电路原理框图；图5是气体流量控制仪单片机软件流程图；图6是计算机监控软件流程框图；图7是举例产生一段样品气体脉冲的具体控制流程图。
具体实现方式参见附图，本实用新型由样品气体配置气路1、气体流量控制仪2和计算机监控软件3组成。计算机监控软件3通过气体流量控制仪2监视气体配置气路1的工作状态，并根据预先的设定对气路1进行实时控制。
本实用新型所提供的样品气体配置气路1由质量流量控制器5、三通电磁阀6以及相互连接的气体导管7组成。其中质量流量控制器5带有模拟信号输入输出及控制接口，用于调节气路的气体流量；三通电磁阀6是两位三通阀，包括一个输入口和两个输出口，其中一路输出口与混合气室10相连，另一路与排气口相连，由控制电信号控制该电磁阀6的输入口和其中一路输出口导通而与另一路输出口关闭，在通气时该电磁阀6可以维持质量流量控制器5出气口气压的平稳(一直都是接近于大气压)，保证了气流的平稳，避免了使用两通阀气流在阀门开启时混合气室10内气压变化造成的气流的不稳。此外为了减少环境温度的影响，整个气路放在恒温装置8中。配制样品气体时，由高压气体钢瓶4输出待混合气体，通过各个质量流量控制器5设置气流流量，由三通电磁阀6进行气路的选择，使不同气体按一定比率进入到混合气室10进行混合最终输出所需的混合气体。通过质量流量控制器5和三通电磁阀6的配合使用可以快速改变混合气体的浓度和种类。在通气时，控制三通电磁阀6切换气流方向，可以使混合气室10中的气体浓度瞬时发生较大变化，即产生一段样品气体脉冲。此外该样品气体配置气路可以产生蒸汽类型气体(如乙醇，汽油等)，方法是将洁净载气经过质量流量控制器5调节流量，通过装有挥发性液体的容器9形成该液体的饱和蒸汽由该液体在环境所在温度下的饱和蒸汽压，计算出此时的气体浓度，蒸汽在气流稳定后可以由三通电磁阀6切换注入到混合气室10混合稀释。该气路有气流补偿气路的设计，以减少气路切换时的气流变化，保证气流流量的平稳，由质量流量控制器5调节流量以平衡气室10中总的气流流量。
本实用新型所提供的气体流量控制仪2驱动样品气体配置气路1的各个质量流量控制器5和三通电磁阀6，具有体积小、多路信号输出、可进行实时气体流量检测和显示的特点。它采用单片机作为处理核心，对气路装置中的质量流量控制器5和电磁阀6进行及时准确的控制，使不同的气体按一定的比例组成较复杂的混合气体，从而得到所需的样品气体。气体流量控制仪2的面板如图3a、图3b所示，具有液晶显示屏幕12，信号指示灯21、22、23，输入按键13、14、15，开关16、19，旋钮20和各个信号接口24、25、26；它可以工作于自动方式和手动方式，当工作于手动方式时，可以用手动开关19和旋钮20对气路中的质量流量控制器5和三通电磁阀6进行单独调整。当工作于自动方式时，可以实时地由计算机监控软件3灵活方便地改变所配置气体的流量和浓度，配置出的混合气体，具有流量稳定、浓度准确等优点。
本实用新型所提供的计算机监控软件3，通过计算机接口24与气体流量控制仪2通讯，进行实时监控。该软件除了提供参数设定和装置状态显示功能外，还能以编写流程脚本文件的方式设定工作流程，在配气时可以根据要求导入流程脚本文件，依据文件中的控制语句自动控制配气装置完成一系列的动作，输出浓度随时间变化的混合气体。
以下结合附图对本实用新型进行详细说明。
如图1所示，本实用新型样品气体配气装置由样品气体配置气路1、气体流量控制仪2和计算机控制软件3组成。
如图2所示，样品气体配置气路1由一系列质量流量控制器5(型号D7-7B)、三通电磁阀6(两位三通阀)和气体导管7(聚四氟乙烯材料)以及相应的控制电路接口组成，图2显示了该进样装置的基本结构，质量流量控制器5、三通电磁阀6通过气体导管7连接成密闭的气路1。高压气体钢瓶输出的气体通过质量流量控制器5的调节和三通电磁阀6的切换，在混合气室10中混合配比成一定浓度和流量的混合气体。实际应用中常用到的样品气体中主要成分是载气(如洁净空气，氮气等)。载气的流量较大，使用工作范围是0～1SLM质量流量控制器5-a(图2中)来调节流量。载气气体导管7的末端是混合气室10。高浓度标准气体(如CO、NO2，CH4等)、蒸汽类型气体(如乙醇，汽油等)由工作范围0～10SCCM的质量流量控制器5-b和5-c(图2中)调节流量。进行气体混合的具体方式是根据预先需要的浓度计算两种气体的流量，设定质量流量控制器5的流量。其中载气通过质量流量控制器5-a(图2中)调节到设定的流量后，经过气体导管7进入混合气室10，高浓度标准气体通过质量流量控制器5-b(图2中)调节到设定的流量，再由三通电磁阀6选择流向。当三通电磁阀6与混合气室10导通时，高浓度标准气体进入混合气室10与载气混合；当三通电磁阀6与废气排气口导通，则高浓度标准气体从排气口排出。在气流稳定后，通过三通电磁阀6的切换可以控制混合气体成分瞬时变化，通过质量流量控制器5调整两种气体的流量比率可以使混合气体浓度逐渐变化。同样由洁净气体通过装有挥发性液体的烧瓶9形成的蒸汽类气体也可以通过该方法稀释到需要的浓度。当高浓度样品气体流量较大时，在高浓度样品气体没有通入混合气室10时，需要有补偿气体通入以保持气室10中总气流量的稳定，补偿气体由质量流量控制器5-r(图2中)调节流量，成分与载气相同。在载气流量远大于高浓度样品气体流量的情况下，高浓度样品气体的通断对总气流量影响较小，可以认为气流是稳定的，可将补偿载气气路简化省略，而采用微调载气流量来保证总流量的稳定。如图3b所示，气体配置气路的质量流量控制器5由质量流量控制器信号接口26输入的电信号进行设定，三通电磁阀6由电磁阀驱动信号接口25输入电信号进行设定。
气体流量控制仪2用于监控样品气体配置气路1中各组成部分的工作状态。该气体流量控制仪2可以同时控制四路质量流量控制器5，它通过各个质量流量控制器信号接口26，设定质量流量控制器5的工作状态(阀控，关闭和清洗)和气体流量，并检测实际流量；通过电磁阀驱动信号接口25驱动三通电磁阀6的切换；另一方面通过计算机接口24(RS232串行端口，见图3b)与计算机相连，一方面接收并执行计算机监控软件3发出的各项动作指令，另一方面发送气体流量大小等信息数据。图4显示了气体流量控制仪2的电路原理框图。该电路以8051单片机30为处理核心，通过A/D电路31采集质量流量控制器5经质量流量控制器信号接口26输出的流量模拟信号，并转换为气体流量数据，同时通过D/A电路32输出质量流量控制器5的设定流量模拟信号，经质量流量控制器信号接口26来控制气体的通断或调节气流的大小；另外还输出三通电磁阀切换电平信号33，输出到电磁阀驱动信号接口25。图形液晶显示模块(LCD)12显示操作菜单界面，实时显示气体流量信息和电磁阀6的开闭状态；计算机接口24以9.6Kbps的速率与计算机交换数据。该气体流量控制仪2设置了自动/手动切换开关16(见图3a)，使配气装置既可以由计算机软件通过单片机30控制，也可以单独手工控制。当处于自动方式A时，气路1的气流流量设定，电磁阀6的开闭可以全部在计算机上操作，当气体流量控制仪2接收到计算机指令，迅速根据指令做出动作。当处于手动方式B时，由控制面板提供液晶屏幕12的菜单提示，进行键盘13、14、15输入，用手动开关19、29、旋钮20，能完全脱机工作。所以该流量控制仪2也能独立工作，能满足不同的测试需要。图5是该流量控制仪的单片机软件的流程框图。
计算机监控软件3能实时显示配气装置的工作状态，图6演示了计算机监控软件的运行流程。各个气路的气流量、各个电磁阀的状态都能单独设定，也可以编写流程脚本文件设定操作顺序。流程脚本文件中包含了控制函数和判断、转移、循环语句等等，计算机监控软件将流程脚本文件中的控制函数翻译为气体流量控制仪2的控制指令，这些指令根据设定的时间间隔发出，控制系统自动完成操作。这是一种可编程控制的机制，能完成不规则的配气过程。通过编写与系统相配套的软件，用户在计算机上就能了解掌握配气装置的实时工作状态，提高了工作效率。
如图7所示，某气敏传感器的气体响应、恢复特性研究中需要使用流量500SCCM的CO/N2混合气体，要求CO初始浓度0ppm，20秒后CO浓度变为50ppm，100秒后CO浓度恢复回0ppm。下面以产生这样一段样品气体脉冲为例，具体说明本实用新型的工作过程。采用贮存于高压气体钢瓶4的CO/N2标准气体(摩尔浓度19.3％)作为高浓度样品气体，计算可知配制流量为500 SCCM，CO浓度为50ppm的样品气体需要500SCCM的N2和0.13SCCM的CO/N2(摩尔浓度19.3％)标准气体，CO浓度为0ppm时只需要500SCCM的N2。由于载气流量远远大于CO/N2(摩尔浓度19.3％)标准气体的流量，补偿气路可以省略。在计算机监控软件3中编写产生该混合气体的流程脚本文件，内容包括初始化各部分参数，设定带有时间标记的控制指令，即20秒电磁阀6-b(图2中)状态1,100秒电磁阀6-b(图2中)状态0，其中状态1表示三通电磁阀6输入口与混合气室10导通，状态0表示三通电磁阀6输入口与排气口导通。
计算机监控软件3读取该文件后，根据文件中的初始化设定，向气体流量控制仪2发出控制指令，分别设定质量流量控制器5-a、5-b(图2中)使载气和19.3％浓度CO/N2标准气体流量为500SCCM和0.13SCCM，全部三通电磁阀6输入口与排气口导通。在软件的显示界面观察各气路气流到达稳定，点击界面上的“开始”按钮，进入自动配气程序，同时开始计时。此时配置气路输出口11输出的混合气体CO浓度是0ppm，其中19.3％浓度CO/N2标准气体通过电磁阀6-b(图2中)由排气口排出。计时到20秒时计算机监控软件3发出电磁阀6-b(图2中)状态1指令和流量调整指令，气体流量控制仪2驱动电磁阀6-b(图2中)输入口与混合气室10导通，19.3％CO/N2标准气体通过电磁阀6-b(图2中)进入混合气室10与载气N2混合，此时总流量大体不变，样品气体配置气路1输出50ppmCO/N2混合气体气流；到100秒时软件3发出电磁阀6-b(图2中6-b)状态0指令和流量调整指令，气体流量控制仪2驱动电磁阀6-b(图2中)输入口与排气口导通，CO/N2标准气体再次被切换回排气口，此时样品气体配置气路1恢复输出浓度0ppm的气体。这就完成一次样品气体脉冲产生的过程。在流程脚本文件中加入循环语句，可以多次重复该过程。
权利要求1.一种样品气体配气装置，由样品气体配置气路、自动流量控制仪、计算机和计算机预装控制软件组成，其特征在于样品气体配置气路置于一恒温装置中，由复数个质量流量控制器、三通电磁阀、气体导管和一混合气室以及相应的控制电路接口组成；质量流量控制器的输入口与高压气体钢瓶相连，其中，一质量流量控制器的输出口经气体导管连接于混合气室，其余质量流量控制器的输出口经气体导管连接于三通电磁阀的输入口，三通电磁阀的输出口与混合气室相通，混合气室的输出口与配置气路输出口相通；自动流量控制仪，设有单片机，A/D、D/A电路，质量流量控制器信号接口，电磁阀驱动信号接口，图形液晶显示模块，计算机接口和自动/手动切换开关；样品气体配置气路的质量流量控制器的控制电路接口与质量流量控制器信号接口电连接；样品气体配置气路的三通电磁阀的控制电路接口与电磁阀驱动信号接口电连接；计算机通过计算机接口与自动流量控制仪电连接。
2.如权利要求1所述的样品气体配气装置，其特征在于所述样品气体配置气路中，有补偿载气气路或有微调载气流量装置。
3.如权利要求1所述的样品气体配气装置，其特征在于所述样品气体配置气路中，于一气体导管中段设有密闭容器。
4.如权利要求1所述的样品气体配气装置，其特征在于所述容器为烧瓶。
5.如权利要求1所述的样品气体配气装置，其特征在于所述三通电磁阀，为两位三通阀，其一输出口通混合气室，另一输出口通排气口。
6.如权利要求1所述的样品气体配气装置，其特征在于所述气体导管，以聚四氟乙烯材料制作。
7.如权利要求1所述的样品气体配气装置，其特征在于所述自动流量控制仪的面板上，还设有键盘，开关，旋钮。
8.如权利要求1所述的样品气体配气装置，其特征在于所述质量流量控制器的出气口气压接近于大气压。
9.如权利要求1所述的样品气体配气装置，其特征在于配有计算机接口，可以与其他系统集成。
专利摘要本实用新型涉及气体检测和自动控制技术领域，是一种气体混合装置，由样品气体配置气路、自动流量控制仪、计算机和计算机预装控制软件组成，其样品气体配置气路置于一恒温装置中，由复数个质量流量控制器、三通电磁阀、气体导管和一混合气室以及相应的控制电路接口组成；质量流量控制器的输入口与高压气体钢瓶相连，其中，一质量流量控制器的输出口经气体导管连接于混合气室，其余质量流量控制器的输出口经气体导管连接于三通电磁阀的输入口，三通电磁阀的输出口与混合气室相通。本实用新型适用于需要准确地对气体进行配置、稀释的传感器性能分析，检验等科研场合，也能方便地集成在其他系统中，作为一台标准气体发生装置。
文档编号B01F3/00GK2715834SQ20032013042
公开日2005年8月10日 申请日期2003年12月18日 优先权日2003年12月18日
发明者李建平, 贾建, 高晓光, 何秀丽 申请人:中国科学院电子学研究所