一種智能恒流低流量氣體采集檢測裝置與方法
【專利摘要】本發明公開了一種智能恒流低流量氣體采集檢測裝置，包括吸收器、氣體流量傳感器、抽氣泵、以及用于接收、分析、處理氣體流量傳感器產生的信號和控制抽氣泵的中央控制系統和閉環控制電路，在吸收器與氣體流量傳感器之間設有用于濾除氣流中波動的尖峰并削減氣流波動幅值的氣路阻尼濾波器，在氣體流量傳感器與抽氣泵之間設有用于緩沖和平穩抽氣泵所產生的抽氣氣流的緩沖氣容。本發明通過氣路阻尼濾波器濾波和緩沖氣容緩沖氣流，同時結合電路脈寬調制調速，保證了采氣體積的準確度和儀器的負載能力，流量電信號輸出，數字顯示，實現了流量閉環自動控制和自動恒流采樣，提高了被測氣體質量濃度的準確度。
【專利說明】一種智能恒流低流量氣體采集檢測裝置與方法

【技術領域】
[0001]本發明屬于環境監測【技術領域】，涉及氣體有害成分的采集檢測裝置與方法，具體涉及一種智能恒流低流量氣體采集檢測裝置及方法。

【背景技術】
[0002]低流量個體空氣采樣器是用于采集大氣環境及車間現場中的二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等有害氣體的專用必備儀器，廣泛適用于室內外大氣環境監測、疾病預防、安監、軍事、氣象、科研教學、冶金、化工、鐵路、建材等領域的衛生監測和評價。空氣采樣器測量空氣中有害氣體質量濃度的方法是計重法，其原理是先抽取一定體積的空氣，空氣中的有害成分被米樣瓶中的吸收液吸收，在實驗室分析出吸收液中有害成分的質量，再根據下列公式計算出空氣中有害成分的質量濃度:
m
[0003]P = -XlOOO
qt
[0004]式中:P——氣體的質量濃度，mg/m3 ；
[0005]m——吸收液中有害氣體的質量，mg ；
[0006]q-采樣流量，L/min ；
[0007]t-采樣時間，min;
[0008]由上式可知，準確測量有害氣體的質量濃度，在于控制好采樣流量(q)和采樣時間(t)，采樣時間控制不存在大的問題，關鍵在于控制采樣流量，采樣流量的波動，必然導致采氣累計體積的誤差，由此導致氣體質量濃度的誤差，為了精確計量累計采氣體積，提出了控制采樣流量、恒流采樣的課題。現有的氣體采樣器大多采用轉子流量計計量瞬時采氣流量，它存在兩個問題:一是在采樣時，當采樣器轉子流量計調定瞬時流量后，采樣器隨采樣時間的增加，由于采樣器的抽氣泵震動頭、氣路阻力的變化，原調定的瞬時流量就會隨之變化，由此帶來了采氣體積的誤差；二是轉子流量計不是電信號輸出，無法實現反饋控制、自動補償修正，即不能構成閉環控制系統。為了保證氣體采樣充分吸收，通常要求低流量采集吸收，這是因為過大流量采氣會導致吸收液吸收采集對象不充分，在低流量閉環控制采氣系統中，如何解決采樣流量低端啟動、低端流量平穩性及采樣負載能力是問題的關鍵。


【發明內容】

[0009]本發明的目的是針對上述缺陷，提供一種智能恒流低流量氣體采集檢測裝置，該裝置解決了氣體采樣低端啟動流量波動大的問題，并且兼顧了流量下限的平穩啟動與流量上限的負載能力，實現了采樣流量的自動閉環控制，提高了采氣體積的準確性。
[0010]一種智能恒流低流量氣體采集檢測裝置，包括吸收器、氣體流量傳感器、抽氣泵、以及用于接收、分析、處理氣體流量傳感器產生的信號和控制抽氣泵的中央控制系統和閉環控制電路，所述吸收器的出氣口通過管道與氣體流量傳感器的進氣口連通，所述氣體流量傳感器的出氣口通過管道與抽氣泵的進氣口連通，在吸收器與氣體流量傳感器之間設有用于濾除氣流中波動的尖峰并削減氣流波動幅值的氣路阻尼濾波器，在氣體流量傳感器與抽氣泵之間設有用于緩沖和平穩抽氣泵所產生的抽氣氣流的緩沖氣容。
[0011]優選的，所述氣路阻尼濾波器由依次密閉連通的進氣管、氣容管、出氣管組成，所述氣容管的內徑為進氣管或出氣管的內徑的3?5倍，所述氣容管內設有氣體過濾膜，所述氣體過濾膜的孔徑為0.15?0.6 μ m,厚度為0.3?1.5mm。
[0012]優選的，所述氣容管由進氣端氣容管和出氣端氣容管兩部分組成，所述進氣端氣容管和出氣端氣容管之間氣密封連接。
[0013]優選的，所述出氣端氣容管的內部設有卡簧，所述氣體過濾膜的邊緣固定在卡簧上，所述氣體過濾膜與出氣端氣容管之間設有密封圈。
[0014]優選的，在吸收器與氣路阻尼濾波器之間設有用于分離并吸收水分的氣水分離器。
[0015]一種智能恒流低流量氣體采集檢測方法，包括以下步驟:
[0016]I)通過中央控制系統啟動抽氣泵，并通過緩沖氣容平穩抽氣泵所產生的抽氣氣流，使密閉的管路內形成負壓；
[0017]2)采集的氣體在負壓的作用下進入密閉的管路，首先通過吸收器，氣體中的待測成分被吸收器中的吸收液吸收，然后檢測待測成分的質量；
[0018]3)吸收待測成分后的氣體通過氣水分離器分離水分后進入氣路阻尼濾波器，濾除氣流中波動的尖峰并削減氣流波動的幅值；
[0019]4)氣體濾波后進入氣體流量傳感器，氣體流量傳感器將檢測到的流量數據反饋到中央控制系統，由中央控制系統對數據進行分析、處理，并根據設定流量的大小對抽氣泵進行調節；
[0020]5)氣體通過緩沖氣容和抽氣泵排出；
[0021]6)根據待測成分的質量和氣體流量、時間計算氣體中的待測成分的濃度。
[0022]吸收器內裝有分析對象的相應吸收液，用于吸收空氣中的待測成分(如二氧化硫、一氧化碳、氮氧化物等有害氣體)，待測成分被吸收后，即可用對應的化學分析方法測出其質量；氣水分離器用于防止吸收液竄入氣路阻尼濾波器、氣體流量傳感器等部件進入儀器內部，從而影響儀器的檢測準確性和使用壽命。
[0023]氣路阻尼濾波器中的氣體過濾膜不僅能過濾空氣中的固體雜質，防止雜質對流量檢測的準確性造成影響和損壞后面的儀器部件，同時能增加氣流的阻尼，使輸出的氣流變得更加平穩，氣容管內較大直徑的氣容腔起濾除氣流波動的尖峰及削減氣流波動幅值的作用。氣路阻尼濾波器中氣體過濾膜的孔徑、厚度是調節氣流阻尼大小的關鍵，膜的孔徑太小、厚度太大，會造成阻尼過大，負載能力過多地消耗在阻尼上，導致檢測的流量上限達不到；反之，阻尼過小會造成氣流不夠平穩，影響檢測結果。氣容管的內徑還會對檢測的誤差和靈敏度造成影響，氣容管的內徑太小，就起不到濾除氣流的尖峰及削減氣流波動幅值的作用，檢測儀器顯示的數值就會劇烈波動，從而增加了檢測的誤差，氣容管的內徑太大，又會造成檢測的靈敏度達不到，檢測儀器響應過慢，再者也受到采樣儀器體積的限制。因此，阻尼的大小既要滿足檢測流量下限的準確度和穩定性，又要使流量上限具有滿足要求的負載能力。氣容管由兩段組成是為了便于拆卸、更換氣體過濾膜，防止過濾膜破損或吸附過多的雜質后影響阻尼濾波的效果。
[0024]氣體流量傳感器能計量采氣流量，并為中央控制系統提供流量電信號；緩沖氣容用于緩沖平穩抽氣氣流，在采樣器流量范圍的高端，在沒有緩沖氣容時，抽氣泵脈動抽氣產生的氣流尖峰以及氣流的波動，會造成氣體流量傳感器不能讀數，而有了緩沖氣容，就會使氣體采樣的進氣(瞬時流量)變得很平穩，從而進一步提高氣體流量檢測的準確度。
[0025]本發明還具有操作簡單、快速，使用方便等特點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0026]圖1是本發明裝置的結構示意圖；
[0027]圖2是本發明裝置中氣路阻尼濾波器的剖面結構示意圖；
[0028]圖3是本發明裝置中緩沖氣容的剖面結構示意圖。
[0029]圖中:1-吸收器，2-氣體流量傳感器，3-抽氣泵，4-氣路阻尼濾波器，41-進氣管，42-氣容管(421-進氣端氣容管、422-出氣端氣容管、423-密封墊、424-卡簧、425-密封圈)，43_出氣管，44-氣體過濾膜，5-緩沖氣容(51-鎖緊板、52-壓板、53-腔室、54-膜片、55-彈簧、56-進氣口、57-出氣口、58-螺釘)，6_氣水分離器，7-中央控制系統，8-閉環控制電路。

【具體實施方式】
[0030]下面結合具體實施例對本發明進行詳細說明。
[0031]實施例1
[0032]一種智能恒流低流量氣體采集檢測裝置，包括吸收器1、氣體流量傳感器2、抽氣泵3、以及用于接收、分析、處理氣體流量傳感器2產生的信號和控制抽氣泵3的中央控制系統7和閉環控制電路8，所述吸收器I的出氣口通過管道與氣體流量傳感器2的進氣口連通，所述氣體流量傳感器2的出氣口通過管道與抽氣泵3的進氣口連通，在吸收器I與氣體流量傳感器2之間設有用于濾除氣流中波動的尖峰并削減氣流波動幅值的氣路阻尼濾波器4，在氣體流量傳感器2與抽氣泵3之間設有用于緩沖和平穩抽氣泵3所產生的抽氣氣流的緩沖氣容5，在吸收器I與氣路阻尼濾波器4之間設有用于分離并吸收水分的氣水分離器6。
[0033]所述氣路阻尼濾波器4由依次密閉連通的進氣管41、氣容管42、出氣管43組成，所述氣容管42的內徑為進氣管41或出氣管43的內徑的4倍，所述氣容管42內設有氣體過濾膜44，所述氣體過濾膜44的孔徑為0.3 μ m，厚度為0.8mm。所述氣容管42由進氣端氣容管421和出氣端氣容管422兩部分組成，所述進氣端氣容管421和出氣端氣容管422之間通過密封墊423氣密封連接。所述出氣端氣容管422的內部設有卡簧424，所述氣體過濾膜44的邊緣固定在卡簧424上，所述氣體過濾膜44與出氣端氣容管422之間設有密封圈425。
[0034]所述緩沖氣容5包括鎖緊板51和壓板52，鎖緊板51和壓板52之間設有用于氣體流通的密閉的腔室53，腔室53內設有兩塊平行的膜片54，膜片54之間設有彈簧55，腔室53上設有進氣口 56和出氣口 57，鎖緊板51和壓板52通過螺釘58固定。
[0035]在抽氣泵3抽氣時，則膜片54在負壓的作用下向內收縮，當負壓過大時，則膜片54在自身彈性和彈簧55回復力的作用下阻止膜片54向內收縮，阻止腔室53的體積減小，起到削減抽氣尖峰能量的作用，從而使得進氣氣流相對平穩。
[0036]檢測方法是:
[0037]I)先通過中央控制系統7和閉環控制電路8啟動抽氣泵3，并通過緩沖氣容5平穩抽氣泵3所產生的抽氣氣流，使密閉的管路內形成負壓；
[0038]2)采集到的氣體在負壓的作用下進入密閉的管路，首先通過吸收器1，氣體中的待測成分被吸收器I中的吸收液吸收，然后檢測待測成分的質量；
[0039]3)吸收待測成分后的氣體通過氣水分離器6分離水分后進入氣路阻尼濾波器4，濾除氣流中波動的尖峰并削減氣流波動的幅值；
[0040]4)氣體濾波后進入氣體流量傳感器2，氣體流量傳感器2將檢測到的流量數據反饋到中央控制系統7，由中央控制系統7對數據進行分析、處理，中央控制系統根據設定流量的大小對抽氣泵3的抽氣流量進行調節，閉環自動控制，實現恒定流量采樣；
[0041]5)氣體通過緩沖氣容5和抽氣泵3排出；
[0042]6)根據待測成分的質量和氣體流量、時間計算氣體中的待測成分的濃度。
[0043]本實施例與同類產品或檢測方法相比具有以下優勢:
[0044]通過增加氣路阻尼濾波器4和緩沖氣容5，有利于抽氣泵3在流量低端的平穩啟動，也保證了儀器在流量上限的負載能力；抽氣泵3采用PWM脈寬調制，調整脈寬的占空比來調速，用流量信號作為反饋信號，進行流量閉環控制，從而自動恒流采集被測空氣，大大提高了氣體流量的穩定性及累計采氣體積的準確度，保證了監測有害物質濃度的可靠性。
[0045]本發明通過氣路阻尼濾波器4濾波和緩沖氣容5緩沖氣流，同時結合電路脈寬調制調速，保證了采氣體積的準確度和儀器的負載能力，測得的流量電信號輸出后用數字顯示，實現了流量閉環自動控制和自動恒流采樣，從而提高了被測氣體質量濃度的準確度。
[0046]與沒有氣路阻尼濾波器4的檢測裝置相比，在同一系統中檢測的流量下限由
0.30L/min降低到0.05L/min，滿足流量范圍要求:0.05L/min?1.0OL/min ;流量穩定性由5 %提高到2.5 %以內，準確度提高到2.5 %以內。
[0047]與沒有緩沖氣容5的檢測裝置相比，在同一系統中檢測的流量下限由0.35L/min降低到0.20L/min，流量穩定性由8%提高到5%，準確度提高3%。
[0048]與CN 103512587 A公開的氣路檢測濾波器相比，檢測的流量下限均可達到
0.05L/min的要求,在0.10L/min采樣流量時本發明流量穩定顯示響應時間可縮短3?5秒，流量上限的負載能力在正常配置下還有不低于-SkPa的負載能力，流量上限增加0.4L/min。CN 103512587 A公開的氣路檢測濾波器不太適合串接于氣路中采樣，氣路阻力大，流量范圍不夠寬，只適于氣路壓力信號濾波測量。
[0049]本發明中所涉及到的吸收器1、氣體流量傳感器2、抽氣泵3、氣水分離器6、中央控制系統7等均為本領域的常用設備，可通過各種商業途徑獲得。
【權利要求】
1.一種智能恒流低流量氣體采集檢測裝置，包括吸收器(I)、氣體流量傳感器(2)、抽氣泵(3)、以及用于接收、分析、處理氣體流量傳感器(2)產生的信號和控制抽氣泵(3)的中央控制系統(7)和閉環控制電路(8)，所述吸收器(I)的出氣口通過管道與氣體流量傳感器(2)的進氣口連通，所述氣體流量傳感器(2)的出氣口通過管道與抽氣泵(3)的進氣口連通，其特征在于:在吸收器(I)與氣體流量傳感器(2)之間設有用于濾除氣流中波動的尖峰并削減氣流波動幅值的氣路阻尼濾波器(4)，在氣體流量傳感器(2)與抽氣泵(3)之間設有用于緩沖和平穩抽氣泵(3)所產生的抽氣氣流的緩沖氣容(5)。
2.如權利要求1所述的智能恒流低流量氣體采集檢測裝置，其特征在于:所述氣路阻尼濾波器(4)由依次密閉連通的進氣管(41)、氣容管(42)、出氣管(43)組成，所述氣容管(42)的內徑為進氣管(41)或出氣管(43)的內徑的3?5倍，所述氣容管(42)內設有氣體過濾膜(44),所述氣體過濾膜(44)的孔徑為0.15?0.6 μ m,厚度為0.3?1.5mm。
3.如權利要求2所述的智能恒流低流量氣體采集檢測裝置，其特征在于:所述氣容管(42)由進氣端氣容管(421)和出氣端氣容管(422)組成，所述進氣端氣容管(421)和出氣端氣容管(422)氣密封連接。
4.如權利要求2所述的智能恒流低流量氣體采集檢測裝置，其特征在于:所述出氣端氣容管(422)的內部設有卡簧(424)，所述氣體過濾膜(44)的邊緣固定在卡簧(424)上，所述氣體過濾膜(44)與出氣端氣容管(422)之間設有密封圈(425)。
5.如權利要求1-4任何一項所述的智能恒流低流量氣體采集檢測裝置，其特征在于:在吸收器(I)與氣路阻尼濾波器(4)之間設有用于分離并吸收水分的氣水分離器(6)。
6.一種智能恒流低流量氣體采集檢測方法，其特征在于包括以下步驟: 1)通過中央控制系統(7)啟動抽氣泵(3)，并通過緩沖氣容(5)平穩抽氣泵(3)所產生的抽氣氣流，使密閉的管路內形成負壓； 2)采集的氣體在負壓的作用下進入密閉的管路，首先通過吸收器(1)，氣體中的待測成分被吸收器(I)中的吸收液吸收，然后檢測待測成分的質量； 3)吸收待測成分后的氣體通過氣水分離器(6)分離水分后進入氣路阻尼濾波器(4)，濾除氣流中波動的尖峰并削減氣流波動的幅值； 4)氣體濾波后進入氣體流量傳感器(2)，氣體流量傳感器(2)將檢測到的流量數據反饋到中央控制系統(7)，由中央控制系統(7)對數據進行分析、處理，并根據設定流量的大小對抽氣泵(3)進行調節； 5)氣體通過緩沖氣容(5)和抽氣泵(3)排出； 6)根據待測成分的質量和氣體流量、時間計算氣體中的待測成分的濃度。
7.如權利要求6所述的智能恒流低流量氣體采集檢測方法，其特征在于:所述氣路阻尼濾波器(4)由依次密閉連通的進氣管(41)、氣容管(42)、出氣管(43)組成，所述氣容管(42)的內徑為進氣管(41)或出氣管(43)的內徑的3?5倍，所述氣容管內設有氣體過濾膜，所述氣體過濾膜的孔徑為0.15?0.6 μ m,厚度為0.3?1.5mm。
8.如權利要求6所述的智能恒流低流量氣體采集檢測方法，其特征在于:所述緩沖氣容(5)包括鎖緊板(51)和壓板(52)，鎖緊板(51)和壓板(52)之間設有用于氣體流通的密閉的腔室(53)，腔室(53)內設有兩塊平行的膜片(54)，膜片(54)之間設有彈簧(55)，腔室(53)上設有進氣口 (56)和出氣口(57)，鎖緊板(51)和壓板(52)通過螺釘(58)固定。
【文檔編號】G01N33/00GK104165785SQ201410362301
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年7月28日 優先權日:2014年7月28日
【發明者】劉立明, 楊樂群 申請人:武漢碧海云天科技股份有限公司