CN108554207B - 一种低浓度标准气体持续发生装置及其发生方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低浓度标准气体持续发生装置及其发生方法，该发生装置包括进气管路、气源室、主气室和配气管路，气源室通过第一气泵与主气室连通，主气室内安装有压差传感器，主气室的出气端通过传质控制装置与配气管路连通，进气管路分别与气源室和配气管路连通。与现有技术相比，本发明的技术方案利用传质控制装置控制气室容积，使气室压力稳定，可配置并持续输出低浓度、流速均匀的标准气体，配气操作简便，效率高，稳定性好。

Description

一种低浓度标准气体持续发生装置及其发生方法

技术领域

本发明涉及标准气体发生技术领域，具体涉及一种低浓度标准气体持续发生装置及其发生方法。

背景技术

甲醛是室内最广泛存在的空气污染物之一，已引起严重的环境卫生问题，随着人们对甲醛的危害的了解越来越多，对室内甲醛浓度进行检测的需求越来越强，目前只有专业的检测机构能提供较为准确的室内甲醛浓度测量，这是因为准确的甲醛浓度测量较为复杂，利用气体传感器对室内甲醛浓度进行检测虽然较为便捷，但由于室内甲醛检测测量浓度范围低(ppb范围)，对传感器的灵敏度、选择性及稳定性要求高，在缺少专业维护的条件下很难保证测量的可靠性。不论是专业分析，还是利用分析仪在现场进行测量，为了获得准确可靠的测量结果，经常需要配制低浓度的甲醛标准气体来检定和校准室内外空气中甲醛含量检测仪，检验甲醛分析测试方法和进行分析质量控制等

甲醛化学性质不稳定，易溶于水，也易聚合，没有甲醛纯品，这给配置甲醛标准气带来不少困难。

目前甲醛标准气体的配制方法主要有：静态体积比混合法、动态流量比混合法、以扩散管或渗透管为标准气源的动态方法。目前国内应用比较成熟的是以三聚甲醛为原料的扩散管。在申请号为CN200610103424.6的中国专利申请中公开了一种利用三聚甲醛扩散管和化学裂解方法来动态产生甲醛标准气体。该仪器设备较为复杂，价格昂贵，需要专业人员进行维护，很难推广使用。

在实验室可通过微升级的微量注射器吸取微量甲醛溶液(1～10ul)在气袋中稀释到一定体积，或在固定体积的容器中配制ppm浓度范围的甲醛气体，实际上对室内甲醛气体检测，所需要的甲醛标准气浓度一般在ppb浓度范围，这可能需要至少进行二次稀释操作才能满足要求，如果不对配气人员进行适当的培训，并对所述配气过程进行严格的控制，在标准甲醛溶液配制、保存、吸取、转移及气体稀释过程中都会引入人为配气误差，也会造成较大的配气误差，不便推广使用。

获取标准甲醛气体的另一种方法为由有资质的厂商提供甲醛钢瓶气，在准确度要求不高的情况下在保质期内可以使用，但甲醛钢瓶气不稳定，且不能提供ppb浓度范围的气体，运输也不方便。

发明内容

本发明的目的是提供一种低浓度标准气发生装置生及其发生方法，该发生方法具有设备简单、成本低，使用方便，可靠性高和便于推广使用等优点。

本发明的为达到上述目的，具体通过以下技术方案得以实现的：

一种低浓度标准气体持续发生装置，包括进气管路、气源室、主气室和配气管路，气源室通过第一气泵与主气室连通，主气室内安装有压差传感器，主气室的出气端通过传质控制装置与配气管路连通，进气管路分别与气源室和配气管路连通。

进一步地，进气管路包括依次连通的第一过滤器、第二气泵和流量传感器。

进一步地，气源室为内装有固定量气源溶液的容器。

进一步地，气源室与第一气泵之间还连通有第二过滤器和中转气室。

进一步地，传质控制装置为毛细管、针阀、惰性多孔透气膜或采用惰性多孔透气材料制成的其他部件。

进一步地，主气室为容积可变的气室结构。

进一步地，主气室内设置有移动活塞或伸缩气囊。

进一步地，主气室为由柔性惰性材料制成的气袋。

本发明还提供了一种利用上述的发生装置的低浓度标准气体持续发生方法，操作简单，气体发生持续时间长，该方法包括以下步骤：

1)由已知体积的干净空气通过进气管路将气源室中的固定量气源全部吹扫到主气室中，获得已知较高浓度的目标气体；

2)控制并保持传质控制装置两端压差恒定，已知较高浓度的目标气体通过传质控制装置流入配气管路中；

3)已知流量的干净气体通过进气管路流入配气管路中，稀释配气管路中已知较高浓度的目标气体并流出，获得低浓度的目标气体。

进一步地，在上述步骤2)中，保持传质控制装置两端压差恒定是通过压差传感器的压差测量并及时反馈、调整主气室中的气体体积来实现。

与现有技术相比，本发明的技术方案利用传质控制装置控制气室容积，使气室压力稳定，可配置并持续输出低浓度、流速均匀的标准气体，配气操作简便，效率高，稳定性好。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明另一实施例的结构示意图。

图中，1、进气管路；11、第一阀门；12、第一过滤器；13、第二气泵；14、流量传感器；15、第四阀门；2、气源室；21、第二阀门；22、第三阀门；3、主气室；31、排气管路；32、排气阀门；4、第一气泵；5、压差传感器；6、传质控制装置；7、配气管路；71、出口阀门；8、第二过滤器；9、中转气室。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明的一种低浓度标准气体持续发生装置，包括进气管路1、气源室2、主气室3和配气管路7。气源室2通过第一气泵4与主气室连通，优选地，在第一气泵4与主气室3之间安装有第二阀门21。主气室3内安装有压差传感器5，主气室3的出气端通过传质控制装置6连通有配气管路7，进气管路1通过第一阀门11与气源室2，并通过第一阀门11和第四阀门15与配气管路7连通。

优选地，进气管路1包括依次连通的第一过滤器12、第二气泵13和流量传感器14。第一过滤器12用于过滤空气，优选为高锰酸钾氧化铝颗粒和活性炭颗粒按3：1的比例混合制成。

气源室2为内装有固定量气源溶液的容器，包括玻璃瓶、管、胶囊、气袋，该部件可由专业厂家提供，配气时将其用定量气体稀释到中转气室9中。由此方法获得的中转气室9中的气体浓度是已知的。在气源室2及管路中获得已知浓度的目标气体，在主气室3及配气管路7中获得所需要低浓度的目标标准气体。

在气体流速低的情况下，如连续用气4小时，主气室3压力变化小于5％时，主气室3可采用固定体积的气室结构。当一次连续用气主气室3的压力变化大于5％时，优选地主气室3可采用固定体积主气室3为容积可变的气室结构，优选地，主气室3可采用内部设置有可移动的活塞或伸缩气囊，或采用主气室3为由柔性惰性材料制成的气袋的方式，或内含一由柔性惰性材料制成的“鱼泡”或“风箱”，可通过向“鱼泡”或“风箱”内通入或排出气体或液体将其鼓起或压缩达到调整气室体积的目的，最终实现主气室3内部容积的可变调整。优选地，在主气室3还连接有排气管路31和排气阀门32，用于主气室3正常大排量流通气体或清洗时方便排气。

如图2所示，气源室2与第一气泵4之间还连通有第二过滤器8和中转气室9。第二过滤器8与气源室2之间具有第三阀门22。第二过滤器8用于除去气源室2的气源物质中的水气或有机蒸气，中转气室9可作为一级配气室，用于保持在气体由气源室2向主气室3转移过程中的稳定。

优选地，传质控制装置6为毛细管、针阀、惰性多孔透气膜或采用惰性多孔透气高分子、陶瓷材料制成的其他部件。传质控制装置6用于将主气室3中的气体以恒定流速传递到配气管路7中。其气相传质阻力大小可根据实际需要调整，一种优选的方案为选择合适内径及长度的气相色谱用毛细管。根据伯努利方程，当传质控制装置6气相传质阻力固定后，只要其两端压差保持恒定，通过该阻力件的气体流量是确定的，我们可以通过控制压差来实现对通过毛细管的气体流量的精确控制。

由于配气管路7阻力较小，传质控制装置6处的压力变化不大，这样只要控制好主气室3中的压力使传质控制装置6出口处的压力变化远小于传质控制装置6两端压差变化，则可以忽略传质控制装置6出口处压力变化对气体传质速度的影响，此时只要直接测量控制主气室3中的压力即可。主气室3中的气体压力可根据需要调整，优选范围为200～1000Pa，这样传质控制装置6出口处的压力波动对毛细管传质速度的影响较小。

主气室3中含高灵敏的压差传感器5，用于测量传质控制装置5两端气体压差，从而调整主气室3与配气管路7之间的压力差至恒定。一种方式，在传质控制装置7压差发生变化时，及时通过压差传感器5实时监控及压力反馈信息，快速调整主气室3的活塞、伸缩气囊或鱼泡结构以维持传质控制装置7两端压差恒定。给主气室3加压的方法也可以通过气泵补气加压的方法实现。另一种方式，在一次连续用气后，主气室3压力变化小于5％时，可忽略压力差变化，不需调整主气室3的容积以保证压力差恒定。配气管路7中的稀释气以固定流速由主气室3中流出的目标气体带出，气体稀释比例通过流量比计算得到。

优选地在配气管路7上安装有出气阀门71，出气阀门71用于控制配气管路7出气端的启闭。

本发明还提供了一种利用上述的发生装置的低浓度标准气体持续发生方法，该方法包括以下步骤：

步骤1)由已知体积的干净空气通过进气管路1将气源室2中的固定量气源全部吹扫到主气室3中，获得已知较高浓度的目标气体，具体为获得ppm浓度范围的目标气体；或用已知体积的干净空气通过进气管路1将气源室2中的固定量气源全部吹扫到中转气室9中，获得ppm浓度范围的目标气体，随后通过第一气泵4经由第三阀门22将中转气室9中ppm浓度范围的目标气体转移到主气室3中。

步骤2)控制并保持传质控制装置6两端压差恒定，已知较高浓度的目标气体通过传质控制装置6流入配气管路7中。待主气室3中的气压稳定后，具体为传质控制装置6两端压差，通过传质控制装置6中的目标气体流量即视为恒定，进而由主气室3输出至配气管路7中的目标气体流量也恒定。

步骤3)已知流量的干净气体通过进气管路1流入配气管路7中，稀释配气管路7中已知较高浓度的目标气体并流出，持续获得低浓度目标标准气体。打开第一阀门11，向配气管路7通入恒定的外部稀释气源(一般为干净空气)，打开与配气管路7相连通的出口阀门23，即可得到ppb级目标气体。

在步骤2)中，保持传质控制装置6两端压差恒定是通过压差传感器5的压差测量并及时反馈、调整主气室3中的气体体积来实现。

以下为具体以配制100ppb甲醛气体为例说明本发明装置的使用方法：

实施例一

步骤1)气源室1选择由5微升2.8％甲醛溶液制备的甲醛定量管，用1L的干净空气将其冲扫到主气室3中；

步骤2)将主气室3压力控制在1.02～1.1kPa范围内以控制通过传质控制装置6的气体流量为0.2ml/min，配制得到100ppm左右的甲醛气，具体浓度由定量管甲醛含量及所用稀释气体积计算得到。

步骤3)选择以干净空气作为稀释气，以流速200ml/min在配气管路7中稀释通过以毛细管作为传质控制装置6传质过来的甲醛气，这样稀释后得到的甲醛气浓度约为100ppb。

在上述配气参数条件下，连续用气4小时，主气室3内气压变化小于5％，配气的稳定性能够得到保证。

实施例二

步骤1)选择5微升7％甲醛溶液制备的甲醛定量管，用5L的干净空气经第二过滤器8将其冲洗到中转气室9中，获得50ppm甲醛气。通过控制第三阀门22、排气阀门32及第一气泵4，将中转气室9中50ppm甲醛气体转移到主气室3中，其中主气室3的体积优选为100～200ml。

步骤2)控制主气室3中的气体压力，优选为200～1000Pa，使气体通过作为传质控制装置6的毛细管的传质速度控制在1ml/min，毛细管尺寸固定，压力与流量的关系通过标准曲线确定，该曲线在设备出厂前预先标定好。

步骤3)选择以干净空气作为稀释气，以流速500ml/min在配气管路7中稀释通过以毛细管作为传质控制装置6传质过来的甲醛气，这样稀释后得到的甲醛气浓度约为100ppb。

如主气室3的体积为200ml，按上述配气参数，主气室3充满一次可连续供气3小时左右，能满足大部分客户的应用需求。

本发明的配气装置可根据用气准确度的需求进行简化设计，例如选择合适的气室大小，使其在用气时间内保证主气室压力变化小于5％，这样在保证一定配气准确性的前提下，可选择固定体积的气室以简化设计。如在上述配气参数下，为保证1小时的用气准确性，主气室11体积可选择1.5L左右。

通过调整传质控制装置6阻力及其两端压差的大小，可以控制更小的出气量，主气室3体积可进一步减小，如0.1ml/min的出气量配150ml主气室体积，相应的，中转气室9的体积也可缩小，可制成便携式设备。

本发明中的具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (7)

1.一种低浓度标准气体持续发生装置，其特征在于，包括进气管路(1)、气源室(2)、主气室(3)和配气管路(7)，气源室通过第一气泵(4)与主气室连通，主气室内安装有压差传感器(5)，主气室的出气端通过传质控制装置(6)与配气管路(7)连通，进气管路分别与气源室和配气管路连通；

传质控制装置(6)为毛细管、针阀、惰性多孔透气膜或采用惰性多孔透气材料制成的其他部件；

主气室为容积可变的气室结构；通过压差传感器的压差测量并及时反馈、调整主气室(3)中的气体体积来实现保持传质控制装置(6)两端压差恒定。

2.根据权利要求1所述的低浓度标准气体持续发生装置，其特征在于，进气管路包括依次连通的第一过滤器(12)、第二气泵(13)和流量传感器(14)。

3.根据权利要求1所述的低浓度标准气体持续发生装置，其特征在于，气源室为内装有固定量气源溶液的容器。

4.根据权利要求1所述的低浓度标准气体持续发生装置，其特征在于，气源室与第一气泵之间还连通有第二过滤器(8)和中转气室(9)。

5.根据权利要求1所述的低浓度标准气体持续发生装置，其特征在于，主气室内设置有移动活塞或伸缩气囊。

6.根据权利要求1所述的低浓度标准气体持续发生装置，其特征在于，主气室为由柔性惰性材料制成的气袋。

7.一种利用权利要求1至6任一所述的发生装置的低浓度标准气体持续发生方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

1)由已知体积的干净空气通过进气管路(1)将气源室(2)中的固定量气源全部吹扫到主气室(3)中，获得已知较高浓度的目标气体；

2)控制并保持传质控制装置(6)两端压差恒定，已知较高浓度的目标气体通过传质控制装置(6)流入配气管路(7)中；

3)已知流量的干净气体通过进气管路(1)流入配气管路(7)中，稀释配气管路(7)中已知较高浓度的目标气体并流出，持续获得低浓度目标标准气体。