一种基于铜氨法的高精度、自动化氧浓度检测装置的制作方法

本实用新型涉及一种基于铜氨法的高精度、自动化氧浓度检测装置，属于气体浓度检测技术领域。

背景技术：

铜氨法是目前国际公认的气体氧浓度测量金标准，现行相关国家标准中，均采用铜氨法对气体中氧浓度进行标定。该方法采用纯化学方法，测量结果与环境温度、压力无关，测量性能稳定可靠，适于高原低压等特殊环境下的氧浓度检测。然而，现有铜氨法测量装置是全玻璃器皿，测量过程均为人工操作，程序繁琐，主观因素影响大，测量自动化程度低，便携性差。针对大型制氧设备和特殊用途医疗设备原位、快速、精确的氧浓度测量的实际需求，特别是提升测量装置在特殊环境下的适应性，需要在现有铜氨法测量原理的基础上，进一步加强铜氨法氧浓度测量装置的自动化、智能化和便携性。

技术实现要素：

本实用新型的目的是公开一种基于铜氨法的高精度、自动化氧浓度检测装置，通过优化设计铜氨法测量装置，并综合采用电子技术、自动化控制技术、传感器技术，提升铜氨法氧浓度测量装置的测量精度、测量效率、便携性和自动化程度。

为达到上述目的，本实用新型采用了以下技术方案：

一种基于铜氨法的高精度、自动化氧浓度检测装置，包括水准与补液瓶、量气管、反应瓶和自动化控制系统；

所述的水准与补液瓶内部装铜氨溶液，底部设置两个接口，两个接口上分别设置有第一阀门、第二阀门；第二阀门通过第一连接管连接反应瓶底部接口；第一阀门通过第二连接管连接三通活塞的B2端口，水准与补液瓶顶部设置第三连接管，第三连接管的一端伸入水准与补液瓶的液面以下，另一端连接三通活塞的B1端口，第三连接管上设置有双向泵；三通活塞上端与量气管连接，量气管上端与四通活塞连接，四通活塞的A1、A2端口上分别连接排气管、第四连接管，第四连接管连接反应瓶顶部，反应瓶中装有铜氨溶液和铜丝；

所述的自动化控制系统包括控制器、升降装置和液位采集装置；所述的升降装置驱动水准与补液瓶在竖直方向上运动，所述的液位采集装置采集水准与补液瓶和量气管内部液位高度，所述的控制器控制双向泵、液位采集装置和升降装置。

所述的升降装置为步进电机，步进电机安装在底座上，水准与补液瓶设置在第一工作台上，步进电机驱动第一工作台在竖直方向运动。

所述的液位采集装置为测量光幕传感器，第一测量光幕传感器设置在量气管外壁上；第二测量光幕传感器设置在水准与补液瓶外壁上。

第一测量光幕传感器包括一组投光器和一组接收器，其分别设置在量气管两侧外壁上；第二测量光幕传感器包括一组投光器和一组接收器，其分别设置在水准与补液瓶两侧外壁上。

所述的控制器为单片机，第一测量光幕传感器、第二测量光幕传感器的输出信号经过外部信号调理电路后，输入单片机；单片机还连接有键盘，键盘用于测量过程中控制信号的输入和第二工作台初始高度的输入。

所述的量气管由上端管、中部管和下端管组成，中部管的直径大于上端管和下端管的直径；上端管、中部管和下端管均设置有刻度。

所述的四通活塞的A3端口上连接测量管，测量管的测量端水平放置，用于测量氧浓度高于99％的气体，测量管的管径为量气管上端管径的1/10～1/5。

所述的反应瓶底部设置有旋转叶轮，旋转叶轮与控制器连接，旋转叶轮为涡轮结构。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下技术效果：

本实用新型的氧浓度检测装置，包括水准与补液瓶、反应瓶、量气管和控制系统。通过管路优化设计将水准瓶和补液瓶合并为一个瓶，简化系统结构。升降装置用于控制升降台的升降，测量光幕传感器实时检测水准与补液瓶液面同量气管液面是否保持在同一高度，和所述步进电机协同工作实现双液面的自动调平。采用双向泵作为驱动装置，取代人工调节瓶子高度利用大气压驱动被测气体流动的方式，实现了测量过程的自动化控制。双向泵实现对气液管路的自动化调节。旋转叶轮采用涡轮驱动方式，实现化学反应的自动化操作，取代人工手动摇瓶促进化学反应方式。控制器基于单片机控制技术实现测量系统的自动化控制。本实用新型作为一种高精度、自动化、便携式的氧浓度检测装置，通过优化设计铜氨法测量装置，并综合采用电子技术、自动化控制技术、传感器技术，提升铜氨法氧浓度测量装置的测量精度、测量效率、便携性和自动化程度。不仅提高了氧浓度检测效率和环境适应性，减少测量过程中的人为误差，而且进一步提高了铜氨法氧浓度检测的精确度，具有重要的实际意义和应用价值。

进一步，采用高纯氧测量管结构设计，对高纯氧的测量精度可达0.01％，有效提升了对高纯氧的氧浓度测量精度。

本实用新型的试验方法依次为：管路充液排气、量气管灌充被测气体、被测气体灌充反应瓶、残余气体灌充量气管、测量氧气浓度和排除管路残气。采用双向泵作为驱动装置，取代人工调节瓶子高度利用大气压驱动被测气体流动的方式，实现了测量过程的自动化控制。综合采用电子技术、自动化控制技术、传感器技术，提升铜氨法氧浓度测量装置的测量精度、测量效率、便携性和自动化程度。不仅提高了氧浓度检测效率和环境适应性，减少测量过程中的人为误差，而且进一步提高了铜氨法氧浓度检测的精确度，具有重要的实际意义和应用价值。

【附图说明】

图1为本实用新型装置的结构示意图；

图2为本实用新型装置的系统控制原理框图；

图3为本实用新型装置的双液面自动调平技术原理图；

其中：1为底座；2为步进电机；3为第一工作台；4为第一连接管；5为第二阀门；6为第一阀门；7为水准与补液瓶；8为双向泵；9为三通活塞；10为量气管；11为四通活塞；12为第四连接管；13为反应瓶；14为旋转叶轮；15为第二工作台；16为第一测量光幕传感器；161、162、…、16n为第一组投光器；161′、162′、…、16n′为第一组接收器；17为第二测量光幕传感器；171、172、…、17n为第二组投光器；171′、172′、…、17n′为第二组接收器；18为测量管；19为第三连接管；20为第二连接管。

【具体实施方式】

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

如图1所示，本实用新型是一种基于铜氨法的高精度、自动化氧浓度检测装置，包括步进电机2、水准与补液瓶7、量气管10和反应瓶13；步进电机2安装在底座1上，水准与补液瓶7设置在第一工作台3上，步进电机2驱动第一工作台3在竖直方向运动。水准与补液瓶7的底部设置两个接口，两个接口处分别设置有第一阀门6、第二阀门5；第二阀门5通过第一连接管4连接反应瓶13底部的接口；第一阀门6通过第二连接管20连接三通活塞9的B2端口；水准与补液瓶7顶部设置第三连接管19，第三连接管19的一端伸入水准与补液瓶7的液面以下，另一端连接三通活塞9的B1端口，第三连接管19上设置有双向泵8；三通活塞9上端与量气管10连接，量气管10上端与四通活塞11连接，四通活塞11的A1、A2、A3端口上分别连接排气管、测量管18和第四连接管12，第四连接管12连接反应瓶13顶部，反应瓶13设置在第二工作台15上，反应瓶13底部设置有旋转叶轮14。水准与补液瓶7内部为铜氨溶液，反应瓶13内部为铜氨溶液和足量的铜丝。

本实用新型的量气管10和水准与补液瓶7上还设置有测量光幕传感器，第一测量光幕传感器16包括一组投光器161、162、…、16n和一组接收器161′、162′、…、16n′，分别设置在量气管10两侧外壁上；第二测量光幕传感器17包括一组投光器171、172、…、17n和一组接收器171′、172′、…、17n′，分别设置在水准与补液瓶7两侧外壁上。测量光幕传感器液面检测精度不小于3mm。

其中，所述高纯氧测量管水平放置，管径为量气管上端管径的1/5～1/10,对高纯氧的测量精度可达0.01％。

所述测量光幕传感器实时检测水准与补液瓶液面同量气管液面是否保持在同一高度，与所述步进电机协同工作实现双液面的自动调平。

所述双向泵作为驱动装置，取代人工调节瓶子高度利用大气压驱动被测气体流动的方式，实现了测量过程的自动化控制。

所述旋转叶轮采用涡轮驱动方式，实现化学反应的自动化操作。

所述单片机基于单片机自动控制技术，通过对所述双向泵、所述步进电机和所述旋转叶轮的控制，以及对所述测量光幕传感器16和17的信号处理，实现测量系统的自动化控制。

如图2所示，采用单片机控制技术实现系统的自动化控制。双向泵8的正反转状态，利用单片机向其发送正转或者反转信号而实现。步进电机2的升降动作，利用单片机向步进电机2发送升降信号而实现。旋转叶轮14的控制，通过单片机向旋转叶轮14发送启停信号而实现。测量光幕传感器16和17的输出信号经过外部信号调理电路后，输入单片机，经过相应的信号处理算法，实时计算水准与补液瓶7的液面和量气管10的液面高度。键盘用于测量过程中控制信号的输入和第二工作台15初始高度的输入。

本实用新型的试验方法实施步骤依次为：管路充液排气、量气管灌充被测气体、被测气体灌充反应瓶、残余气体灌充量气管、测量氧气浓度、排除管路残气。具体包括以下步骤：

1.管路充液排气。打开四通活塞11的A2端口、三通活塞9的B1端口、第一阀门6、第二阀门5，启动双向泵8正转，排空量气管10、第二连接管12和反应瓶13中的全部气体，直至液体充满整个管路。利用同样方法排空四通活塞11的A1端口上端气体和四通活塞11的A3端口上端测量管18气体。

2.量气管灌充被测气体。打开四通活塞11的A2端口、三通活塞9的B1端口、第一阀门6，关闭第二阀门5，被测气体经由四通活塞11的A1端口冲压入量气管，致使量气管10中的液面下移至100ml刻度附近。启动步进电机2，调整水准与补液瓶7的液面高度同量气管10中的液面平齐，量气管10内液面与100ml刻度平齐后，关闭第一阀门6、四通活塞11和三通活塞9，停止步进电机2。

3.被测气体灌充反应瓶。打开四通活塞11的A1端口、三通活塞9的B2端口、第二阀门5，关闭第一阀门6，启动双向泵8正转，将测量管10内100ml样品全部推至反应瓶13，启动反应瓶13底部的旋转叶轮14。

4.残余气体灌充量气管。启动双向泵8反转，抽回全部残余气体至量气管10上端。

5.测量氧气浓度。打开三通活塞9的B2口、第一阀门6，关闭四通活塞11、第二阀门5，打开步进电机2，调整水准与补液瓶7的液面高度同量气管10液面平齐，然后读数，测出氧浓度。如果氧浓度大于99％，启动双向泵8正转，使量气管中的极少量残余气体进入四通活塞11的A3端口上方的测量管18，当残余气体全部进入测量管18后，关闭四通活塞11，测出高纯氧的浓度。

6.排除管路残气的方法同管路充液排气。

如图3所示，采用步进电机驱动技术和测量光幕传感器技术实现水准与补液瓶同量气管间双液面的自动调平。以固定第二工作台15为基准，测量第一工作台3与第二工作台15之间的高度，记为第一工作台3的初始高度H20。当步进电机2上下移动时，利用第二测量光幕传感器17和第一测量光幕传感器16分别实时检测水准与补液瓶7液面和量气管10液面与第二工作台15之间的高度，当两者高度一样时，则水准与补液瓶7的液面和量气管10的液面保持平齐。量气管10液面高度为H1＝H11+H12。其中，H11是第一测量光幕传感器16底端与第二工作台15之间的高度，H12是实时测量的量气管10液面与第一测量光幕传感器16底端的高度。水准与补液瓶7中的液面高度为H2＝H20+H21+H22+H23，其中，H20是第一工作台3的初始高度，H21是第一工作台3在步进电机的作用下移动的高度，可由步进电机的步距和步数计算获得，H22是第二测量光幕传感器17底端与第一工作台3之间的高度，H23是实时测量的水准与补液瓶液面同第二测量光幕传感器17底端的高度。

以上，仅为本实用新型的较佳实施例，并非仅限于本实用新型的实施范围，凡依本实用新型专利范围的内容所做的等效变化和修饰，都应为本实用新型的技术范畴。