一种动态配气系统、气体配气方法及气液配气方法

1.本发明涉及标准气体发生技术领域，特别是涉及一种动态配气系统、气体配气方法及气液配气方法。


背景技术：

2.气体传感器多用于气体检测、监控、分析、报警，用于气体传感器标定和测试的标准气体主要由静态配气和动态配气两种方法获得。
3.静态配气一般采用重量法配制，以气相色谱法测定的结果作为组分浓度的标准值。采用这种方法标准气体受充装容器体积限制，且每瓶浓度固定，用于气体传感器的浓度标定时，需要经常更换气瓶，费时费力。而利用已知浓度的目标气体进行动态稀释配气的方法能很好解决此类问题。
4.目前用于气体传感器标定和测试的标准气体发生装置配气量程较小，不适用于量程大、浓度范围广的场景，如飞机防火领域探测灭火剂在空间的浓度分布。哈龙类灭火剂灭火效率高、毒性低、易扩散，在飞机上广泛使用了很多年。但哈龙类灭火剂存在环保问题，逐步被限制使用，高效清洁的哈龙替代灭火剂应运而生，主要包括哈龙替代气体灭火剂(如hfc-125等)与常温下为液体的高沸点灭火剂(如全氟己酮、2-btp等)。为了完成新型哈龙替代灭火系统适航验证，亟需一种能够适用于多种哈龙替代灭火剂，且量程大、浓度范围广的动态配气技术，从而可以应用于灭火剂浓度测试设备的标定及浓度测量试验。


技术实现要素：

5.基于此，有必要针对现有技术中动态配气的类别、量程以及浓度范围有限，从而对灭火剂浓度测试设备的标定以及测量试验造成限制的技术问题，本发明提供一种动态配气系统、气体配气方法及气液配气方法。
6.本发明公开一种动态配气系统，其用于配置特定浓度的混合气体。配气系统包括：混合装置、输送装置、切换装置以及控制器。
7.混合装置包括混合管路以及加热机构。混合管路用于将定量的目标气体或目标液体与定量的载气混合以进行动态稀释配气，进而得到混合气体并由出口排出。加热机构用于加热并蒸发进入混合输送管路内的目标液体。
8.输送装置包括分别用于向混合管路输送载气、目标气体以及目标液体的载气输送机构、气体输送机构以及液体输送机构。载气输送机构包括载气输送管路。载气输送管路的出口与混合管路的入口连通。气体输送机构包括气体输送管路。气体输送管路的出口与混合管路的入口连接。液体输送机构包括液体输送管路。液体输送管路的出口与混合管路的入口连接。其中，载气输送机构、气体输送机构以及液体输送机构三者向混合管路的输送量分别通过各自管路上的调节组件实现实时的采集和调节。
9.切换装置用于将气体输送管路和液体输送管路二者的其中一者切换至与混合管路连通，并同时将其中另一者切换至与混合管路断开。
10.控制器用于：(a)获取所需的配气种类、配气浓度值以及载气流量。(b)根据配气种类控制切换装置调节气体输送管路和液体输送管路二者与混合管路的连通状态。(c)根据配气浓度值以及载气流量控制载气输送机构、气体输送机构以及液体输送机构三者向混合管路的输送量大小，还控制加热机构的加热温度，进而配置得到混合气体。
11.作为本发明的进一步改进，混合管路包括干路管道、支路管道一、支路管道二以及三通接头。干路管道的一端通过三通接头分别与支路管道一和支路管道二连通，另一端作为混合管路排出混合气体的出口。支路管道一远离三通接头的一端与切换装置连接，进而接收目标气体或目标液体。支路管道二远离三通接头的一端与载气输送机构连接，进而接收载气。
12.作为本发明的进一步改进，混合装置还包括混合罐。混合罐固定套设在干路管道上。干路管道经由混合罐内部的一段呈螺旋结构。
13.加热机构包括加热带以及温度传感器。加热带设置在混合罐，以及位于混合罐与三通接头之间的干路管道的表面上。温度传感器用于实时检测加热带的温度。
14.作为本发明的进一步改进，载气输送机构还包括载气瓶以及载气流量调节阀。载气瓶的出气口与载气输送管路的入口连通。载气流量调节阀设置在载气输送管路上，并用于实时采集和调节载气瓶向混合管路的输送量。
15.作为本发明的进一步改进，气体输送机构还包括气体瓶以及气体流量调节阀。气体瓶的出气口与气体输送管路的入口连通。气体流量调节阀设置在气体输送管路上，并用于实时采集和调节气体瓶向混合管路的输送量。
16.作为本发明的进一步改进，液体输送机构还包括注射泵、流量计以及注射器。注射器的一端连通在注射泵的输出口上，另一端通过流量计与液体输送管路连通。流量计用于显示注射泵向混合管路的输送量。
17.作为本发明的进一步改进，切换装置包括三通电磁阀。三通电磁阀包括两个进介质端和一个出介质端。两个进介质端分别与气体输送管路以及液体输送管路的出口连通。出介质端与混合管路的入口连通。
18.作为本发明的进一步改进，动态配气系统还包括至少两个减压阀。其中两个减压阀分别设置在载气输送管路以及气体输送管路上。
19.本发明还公开一种气体配气方法，其应用于上述任意一项动态配气系统。气体配气方法包括以下步骤：
20.a1：设定所需的配气浓度值一和载气体积流量一。
21.a2：根据配气浓度值一以及载气体积流量一，计算出目标气体体积流量一：
22.c1＝v2/(v1 v2)
23.式中，c1为配气浓度值一。v1为载气体积流量一。v2为目标气体体积流量一。
24.a3：初始化动态配气系统，控制切换装置调节气体输送管路与混合管路连通。
25.a4：根据载气体积流量一以及目标气体体积流量一的大小，控制载气输送机构以及气体输送机构分别向混合管路输送对应量的载气以及目标气体，进而由混合管路的出口得到所需浓度的混合气体。
26.本发明还公开一种气液配气方法，其应用于上述任意一项动态配气系统。气液配气方法包括以下步骤：
27.b1：设定所需的配气浓度值二和载气体积流量二。
28.b2：根据配气浓度值二和载气体积流量二，计算出目标液体在蒸发后的目标气体体积流量二：
29.c2＝v3/(v3 v4)
30.式中，c2为配气浓度值二。v3为载气体积流量二。v4为目标气体体积流量二。
31.b3：根据载气流量二v3和目标液体的蒸发温度t，确定在一个环境温度t0时的初始载气体积流量v0：
[0032][0033]
b4：根据目标气体体积流量二计算出在环境温度t0时，目标液体在蒸发前的目标液体体积流量v
20
。
[0034]
b5：初始化动态配气系统，控制切换装置调节液体输送管路与混合管路连通，并控制加热机构将混合输送管路加热到蒸发温度t。
[0035]
b6：根据初始载气体积流量v0以及目标液体体积流量v
20
的大小，控制载气输送机构以及液体输送机构分别向混合管路输送对应量的载气以及目标液体，进而由混合管路的出口得到所需浓度的混合气体。
[0036]
与现有技术相比，本发明公开的技术方案具有如下有益效果：
[0037]
1、该动态配气系统通过设置可加热式的混合装置，在输送装置中分别设置与混合管路入口连接的载气输送机构、气体输送机构以及液体输送机构，并设置能够改变气体输送机构和液体输送机构二者与混合管路连通状态的切换装置，从而可以根据所需配置灭火剂的体系种类(如气体灭火剂、高沸点灭火剂)来选择性调控切换装置，使得对应的介质与载气一同输送到混合管路中进行动态稀释配气，进而使得整个配气系统能够适用于较多类别的配气。在此基础上，通过各个输送管路上设置的调节组件，可以根据所需配气浓度值利用控制器对各输送机构的输送量以及混合管路的加热温度进行自适应调控，从而有效拓展了配气系统能够配置的浓度范围。另外，介质与载气流经到混合管路内能够实现充分的混合，从而可以持续配气，大大提高了配气的量程和效率。
[0038]
2、该气体配气方法可应用于上述动态配气系统进行气体配气，其他有益效果与上述动态配气系统相同，在此不再赘述。
[0039]
3、该气液配气方法也应用于上述动态配气系统进行气液配气，其他有益效果与上述动态配气系统相同，在此不再赘述。
附图说明
[0040]
图1为本发明实施例1中动态配气系统的整体示意图；
[0041]
图2为图1中混合管路的局部结构示意图；
[0042]
图3为图1中混合罐的内部示意图。
[0043]
主要元件符号说明
[0044]
11、混合管路；111、支路管道一；112、支路管道二；113、三通接头；114、干路管道；12、加热机构；13、混合罐；21、载气输送机构；211、载气输送管路；212、载气瓶；213、载气流量调节阀；22、气体输送机构；221、气体输送管路；222、气体瓶；223、气体流量调节阀；23、液
体输送机构；231、液体输送管路；232、注射泵；233、流量计；234、注射器；31、三通电磁阀；4、减压阀。
[0045]
以上主要元件符号说明结合附图及具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
具体实施方式
[0046]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通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例，都属于本发明保护的范围。
[0047]
需要说明的是，当组件被称为“安装于”另一个组件，它可以直接在另一个组件上或者也可以存在居中的组件。当一个组件被认为是“设置于”另一个组件，它可以是直接设置在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。当一个组件被认为是“固定于”另一个组件，它可以是直接固定在另一个组件上或者可能同时存在居中组件。
[0048]
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“或/及”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。
[0049]
实施例1
[0050]
请参阅图1，本实施例提供一种动态配气系统，其用于配置特定浓度的混合气体。配气系统包括：混合装置、输送装置、切换装置、控制器(图未示)以及至少两个减压阀4。
[0051]
混合装置包括混合管路11以及加热机构12，本实施例中，混合装置还可以包括混合罐13。混合管路11用于将定量的目标气体或目标液体与定量的载气混合以进行动态稀释配气，进而得到混合气体并由出口排出。加热机构12用于加热并蒸发进入混合输送管路内的目标液体。
[0052]
请结合图2和图3，本实施例中，混合管路11可以包括干路管道114、支路管道一111、支路管道二112以及三通接头113。干路管道114的一端通过三通接头113分别与支路管道一111和支路管道二112连通，另一端作为混合管路11排出混合气体的出口。支路管道一111远离三通接头113的一端与切换装置连接，进而接收目标气体或目标液体。支路管道二112远离三通接头113的一端与载气输送机构21连接，进而接收载气。混合罐13固定套设在干路管道114上。干路管道114经由混合罐13内部的一段呈螺旋结构。
[0053]
加热机构12可以包括加热带以及温度传感器。加热带设置在混合罐13，以及位于混合罐13与三通接头113之间的干路管道114的表面上。温度传感器用于实时检测加热带的温度，从而可以将温度数据采集并发送给控制器。
[0054]
本实施例中，加热带具有加热速度快、热效率高、可塑性强等优点，其规格可以设置在直径为12mm、长度为2m，并且最高温控范围在200℃内可调。加热带可以均匀地缠绕在混合管路以及混合罐13上，从而可以在气液配气过程中将目标液体升高至蒸发温度，并且防止液体蒸发后的蒸汽在输送过程中发生冷凝。另外，干路管道114以及混合罐13在缠绕加热带后，其外部还可以附加保温材料，从而在加热时减少热量流失，保证载气与目标液体的充分混合蒸发。
[0055]
在一些实施例中，加热带的附近还可以设置有用于实时显示温度的显示单元，以便更直观地为操作人员提供数据。
[0056]
输送装置包括载气输送机构21、气体输送机构22以及液体输送机构23。载气输送机构21、气体输送机构22以及液体输送机构23三者分别用于向混合管路11输送载气、目标气体以及目标液体。
[0057]
载气输送机构21包括载气输送管路211，本实施例中，载气输送机构21还可以包括载气瓶212以及电控式的载气流量调节阀213。载气输送管路211的出口与混合管路11的入口连通。载气输送管路211上的调节组件即为载气流量调节阀213。载气瓶212的出气口与载气输送管路211的入口连通。载气流量调节阀213设置在载气输送管路211上，并用于实时采集和调节载气瓶212向混合管路11的输送量。这里需要说明的是，流量调节阀一般作为调节组件来执行输送量的调节功能，本实施例中，载气流量调节阀213上或者相邻处可以集成有电控流量计，进而实现输送量/流量的采集功能，并且电控流量计可以将数据采集给控制器。
[0058]
气体输送机构22包括气体输送管路221。本实施例中，气体输送机构22还可以包括气体瓶222以及气体流量调节阀223。气体输送管路221的出口与混合管路11的入口连接。气体输送管路221上的调节组件即为气体流量调节阀223。气体瓶222的出气口与气体输送管路221的入口连通。气体流量调节阀223设置在气体输送管路221上，并用于实时采集和调节气体瓶222向混合管路11的输送量。气体流量调节阀223的采集、调节功能与上述载气流量调节阀213类似，在此不再赘述。
[0059]
另外，本实施例中的两个减压阀4可以分别设置在载气输送管路211以及气体输送管路221上。具体地，其中一个减压阀4可以设置在载气流量调节阀213与载气瓶212之间的管路上，另一个减压阀4可以设置在气体流量调节阀223与气体瓶222之间的管路上，从而可以将两个气瓶输出的气体减少至各自预设的压力大小，避免过大压力对流量调节阀以及后端部件造成精度偏差或者是损坏。
[0060]
液体输送机构23包括液体输送管路231，在本实施例中，液体输送机构23还可以包括注射泵232、流量计233以及注射器234。液体输送管路231的出口与混合管路11的入口连接。注射器234的一端连通在注射泵232的输出口上，另一端(即出口)可以采用螺旋接口，通过耐腐软管及卡套接头与流量计233相连，进而与液体输送管路231连通。流量计233用于显示注射泵232向混合管路11的输送量。另外，可以根据液体种类更换为不同材质的注射器234，如塑料、金属或玻璃等注射器。不同类型的注射器234不混用，更换液体种类时，需要同时更换注射器234。
[0061]
本实施例中，流量计233可以采用电控式的流量计，例如科里奥利流量计，当然也可以采用起显示作用的其他类型流量计。在其他实施例中也可以不设置流量计233。因为注射泵232可以采用现有的一些电控式的注射泵，其本身就能够起到调节组件的兼顾流量采集以及流量控制的作用。需要补充的是，上述的流量计233、注射泵232、载气流量调节阀213以及气体流量调节阀223均需要定期进行校准，以保证配气精度。
[0062]
因此，载气输送机构21、气体输送机构22以及液体输送机构23三者向混合管路11的输送量分别通过上述各自管路上的调节组件实现实时的采集和调节。
[0063]
切换装置用于将气体输送管路221和液体输送管路231二者的其中一者切换至与
混合管路11连通，并同时将其中另一者切换至与混合管路11断开。本实施例中，切换装置可以包括一个三通电磁阀31。
[0064]
三通电磁阀31包括两个进介质端和一个出介质端。两个进介质端分别与气体输送管路221以及液体输送管路231的出口连通。出介质端与混合管路11的入口连通。三通电磁阀31的工作原理就是“二进一出”的电磁阀，当其内部的电磁阀线圈通电时，其中一个进介质端打开，另一个进介质端关闭。而当电磁阀线圈断电时，情况相反。因此，通过改变切换装置的状态，可以实现气体输送管路221与混合管路11的连通，与载气输送机构21共同为混合管路11提供“气-气”配气所需的介质。或者是液体输送管路231与混合管路11的连通，与载气输送机构21共同为混合管路11提供“气-液”配气所需的介质。
[0065]
本实施例中，三通电磁阀31可以通过三个1/4npt外螺纹转1/4卡套的不锈钢接头分别与载气输送管路211、气体输送管路221以及液体输送管路231相连，形成三通管路。
[0066]
控制器用于：(a)获取所需的配气种类、配气浓度值以及载气流量。(b)根据配气种类控制切换装置调节气体输送管路221和液体输送管路231二者与混合管路11的连通状态。(c)根据配气浓度值以及载气流量控制载气输送机构21、气体输送机构22以及液体输送机构23三者向混合管路11的输送量大小，还控制加热机构12的加热温度，进而配置得到混合气体。
[0067]
实施例2
[0068]
本实施例提供一种气体配气方法，其应用于实施例1中的动态配气系统。气体配气方法包括以下步骤：
[0069]
a1：设定所需的配气浓度值一和载气体积流量一。
[0070]
a2：根据配气浓度值一以及载气体积流量一，计算出目标气体体积流量一：
[0071]
c1＝v2/(v1 v2)
[0072]
式中，c1为配气浓度值一。v1为载气体积流量一。v2为目标气体体积流量一。
[0073]
a3：初始化动态配气系统，控制切换装置调节气体输送管路221与混合管路11连通；气体瓶222处于打开状态，对应的减压阀2也处于预设调节状态。
[0074]
a4：根据载气体积流量一以及目标气体体积流量一的大小，控制载气输送机构21以及气体输送机构22分别向混合管路11输送对应量的载气以及目标气体，进而由混合管路11的出口得到所需浓度的混合气体。
[0075]
本实施例中，气体配气方法还可以包括步骤：
[0076]
a5：控制气体输送机构22保持停止输出目标气体，并控制载气输送机构21向混合管路11内持续通入载气并保持一个预设时间段。这样能确保混合管路内的目标气体被冲洗干净，以免影响配气的准确性。
[0077]
实施例3
[0078]
本实施例提供一种气液配气方法，其可以应用于实施例1中的动态配气系统。气液配气方法包括以下步骤：
[0079]
b1：设定所需的配气浓度值二和载气体积流量二。
[0080]
b2：根据配气浓度值二和载气体积流量二，计算出目标液体在蒸发后的目标气体体积流量二：
[0081]
c2＝v3/(v3 v4)
[0082]
式中，c2为配气浓度值二。v3为载气体积流量二。v4为目标气体体积流量二。
[0083]
b3：根据载气流量二v3和目标液体的蒸发温度t，确定在一个环境温度t0时的初始载气体积流量v0：
[0084][0085]
b4：根据目标气体体积流量二计算出在环境温度t0时，目标液体在蒸发前的目标液体体积流量v
20
。
[0086]
本实施例中，根据质量守恒定律，目标液体蒸发前后的质量流量相等，则蒸发后产生的目标气体质量流量q4和目标气体体积流量二v4分别表示为：
[0087]
q4＝v
20
·
ρ
[0088]v4
＝q4·s[0089]
式中，ρ为目标液体在环境温度t0下的密度；s表示蒸发后的目标气体在标准大气压下的比容，单位为m3/kg。比容s由下式求得：
[0090][0091]
式中，m为蒸发后的目标气体分子量；v为蒸发后的目标气体摩尔体积。
[0092]
根据peng-robinson状态方程计算目标气体的摩尔体积，如下所示：
[0093][0094][0095][0096][0097]
κ＝0.37464 1.54226ω-0.26992ω2[0098][0099]
式中t为蒸发温度；rc为通用气体常数；tc为临界温度，单位为k；tr为对比温度；pc为临界压力；ω为偏心系数。
[0100]
根据上述计算过程，最终能够确定注射泵232设定的环境温度下的目标液体体积流量v
20
。
[0101]
b5：初始化动态配气系统，控制切换装置调节液体输送管路231与混合管路11连通，并控制加热机构12将混合输送管路加热到蒸发温度t。
[0102]
b6：根据初始载气体积流量v0以及目标液体体积流量v
20
的大小，控制载气输送机构21以及液体输送机构23分别向混合管路11输送对应量的载气以及目标液体，进而由混合管路11的出口得到所需浓度的混合气体。
[0103]
本实施例中，气液配气方法还可以包括步骤：
[0104]
b7：控制液体输送机构23保持停止输出目标液体，并控制载气输送机构21向混合
管路11内持续通入载气并保持一个预设时间段，直至混合管路11内的温度恢复至室温。
[0105]
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
[0106]
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明的保护范围应以所附权利要求为准。