CN117404595B - 一种深潜呼吸器气瓶的充配气系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深潜呼吸器气瓶的充配气系统，包括：配气系统，充气系统，预混气瓶，深潜呼吸器气瓶；配气系统包括：氮气气源瓶，氧气气源瓶，氦气气源瓶，氮气增压装置，氧气增压装置，氦气增压装置，真空泵；真空泵用于将预混气瓶抽真空；氮气增压装置用于将第一预混质量的氮气以第一压力范围充入预混气瓶中；氦气增压装置用于将第二预混质量的氦气以第二压力范围充入预混气瓶中；氧气增压装置用于将第三预混质量的氧气以第三压力范围充入预混气瓶中；充气系统包括混气增压装置；混气增压装置用于将预混气瓶内的混合气体以第四压力范围充入深潜呼吸器气瓶中。本发明充配气系统的配气过程不受压力、温度等环境因素的影响，保证配气更加准确。

Description

一种深潜呼吸器气瓶的充配气系统

技术领域

本发明涉及深潜呼吸器的混气、充气领域，尤其涉及一种深潜呼吸器气瓶的充配气系统，用于配置作为人工空气的混合气体并将混合气体充入深潜呼吸器的气瓶中。

背景技术

深潜呼吸器是深水、大规模、长期水下施工和打捞作业必需配备的潜水装备，作为唯一一种可使潜水员直接暴露于高压环境开展水下作业的个人潜水防护装备，深潜呼吸器已广泛应用于失事潜艇救援、海底施工作业、水下资源勘探、海洋科学考察等军事和民用领域。

众所周知，在深海探索中，潜水员需要面对极大的压力环境，在潜水后若减压处理不当，极易发生减压病，减压病是由于高压环境作业后减压不当，体内原已溶解的气体超过了过饱和界限，在血管内外及组织中形成气泡所致的全身性疾病。为了保障潜水员的安全，减少减压病的发生，混合气开始被广泛应用于深水潜水，例如，2019年，法国潜水员下潜到马里亚纳海沟10928米深处，创造了人类深潜的纪录，这次潜水使用了氦氧混合气，成功避免了减压病的发生，证明了氦氧混合气在深潜水的安全性和有效性。混合气是一种按照一定比例混合的气体，在深水潜水中，由于氦气的分子较小，能够更好地穿过潜水员的身体组织，从而降低减压病的风险，氦气还能减少空气的密度，使潜水员能够更加轻松地在水下活动。同时，根据水下作业的实际环境，用户还会对混合气体中的氧气、氮气含量按要求进行调整，达到适应不同情况下潜水作业的要求。绝大多数的休闲潜水者所背的气瓶内是压缩空气，即氮气、氧气的比例近似79：21，经过一定训练的潜水者可以采用高氧空气，即氧气占32%。随着科技的发展，未来将开发出更加高效的气体混合比例，从而提高潜水员的安全性和舒适度。此外，随着深海探索领域的不断拓展，氮氦氧混合气在海洋资源开发、科学研究等方面也将发挥重要作用。

混合气体的配比精度是保障潜水员安全、顺利完成深潜水工作的关键。作为深潜呼气器核心部件的深潜呼吸器气瓶需要进行配气和充气，在配气时，需要按照使用需求将相应比例的各种气体通入预混气瓶进行混合，然后进行充气，即：将预混气瓶中配制好的混合气体加压充装到深潜呼吸器气瓶中。早期深潜呼吸器的配气工作是采用眼看、手记再计算的办法进行的，这种方法的最大缺点就是充、配气效率低，配气精度低，需要反复进行充气校正，而且影响设备的安全使用。现有深潜呼吸器混合气充配气系统采用传统的分压力配气方法，由于实际配气过程中气体会被压缩，根据理想气体状态方程PV=nRT，随着气体压力的变化，预混气瓶的温度会呈非线性上升，又会影响预混气瓶中的配气压力，所以采用分压配气方法的配气精度很难保证精确。又由于充配气过程是根据预设混合气瓶压力首先计算出各种气体的压力值，然后用承装某种气体的气瓶作为预混气瓶，这样就需要首先放掉该气瓶中超出气体压力计算值的多余气体，导致浪费了大量的气源，例如，配制氦氧混合气体时，以承装氦气的气瓶作为预混气瓶，按比例放掉其中多余的氦气，以便充入相应比例的氧气，这就导致大量氦气的浪费。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种深潜呼吸器气瓶的充配气系统，以便克服现有深潜呼气器配气系统配气精度低、配气效率低和浪费大量某一气源气体的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种深潜呼吸器气瓶的充配气系统，包括：配气系统，充气系统，预混气瓶，深潜呼吸器气瓶；

所述配气系统包括：氮气气源瓶，氧气气源瓶，氦气气源瓶，氮气增压装置，氧气增压装置，氦气增压装置，真空泵；

所述真空泵用于将所述预混气瓶抽真空；所述氮气增压装置用于将第一预混质量的氮气以第一压力范围充入所述预混气瓶中；所述氦气增压装置用于将第二预混质量的氦气以第二压力范围充入所述预混气瓶中；所述氧气增压装置用于将第三预混质量的氧气以第三压力范围充入所述预混气瓶中；

所述充气系统包括混气增压装置；

所述混气增压装置用于将所述预混气瓶内的混合气体以第四压力范围充入所述深潜呼吸器气瓶中。

进一步，所述氧气增压装置包括氧气气动泵和驱动气泵，所述氧气气动泵用于为待充入所述预混气瓶的氧气升压，所述驱动气泵用于为所述氧气气动泵提供驱动气源。

进一步，所述氮气增压装置和所述氦气增压装置分别包括电动固体润滑升压泵，所述电动固体润滑升压泵分别用于将待充入所述预混气瓶的氮气和氦气升压。

进一步，所述配气系统还包括称重装置，所述称重装置用于实时称量所述预混气瓶的质量。

进一步，所述配气系统还包括计算机，当所述配气系统配制深潜呼吸器的氦氧混合气体时，所述计算机用于计算氦气的第二预混质量和氧气的第三预混质量。

进一步，所述配气系统还包括控制设备，所述控制设备用于控制所述氦气增压装置对氦气增压至第二压力范围后充入所述预混气瓶，当所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为抽真空后所述预混气瓶的质量与氦气的第二预混质量之和时，所述控制设备用于控制停止向所述预混气瓶充入氦气。

进一步，所述控制设备还用于控制所述氧气增压装置对氧气增压至第三压力范围后充入所述预混气瓶，当所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为抽真空后所述预混气瓶的质量、氦气的第二预混质量与氧气的第三预混质量之和时，所述控制设备用于控制停止向所述预混气瓶充入氧气。

进一步，所述配气系统还包括计算机，当所述配气系统配制深潜呼吸器的氮氦氧混合气体时，所述计算机用于计算氮气的第一预混质量、氦气的第二预混质量和氧气的第三预混质量。

进一步，所述配气系统还包括控制设备，所述控制设备用于控制所述氮气增压装置对氮气增压至第一压力范围后充入所述预混气瓶，当所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为抽真空后所述预混气瓶的质量与氮气的第一预混质量之和时，所述控制设备用于控制停止向所述预混气瓶充入氮气。

进一步，所述控制设备还用于控制所述氦气增压装置对氦气增压至第二压力范围后充入所述预混气瓶，当所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为抽真空后所述预混气瓶的质量、氮气的第一预混质量与氦气的第二预混质量之和时，所述控制设备用于控制停止向所述预混气瓶充入氦气。

进一步，所述控制设备还用于控制所述氧气增压装置对氧气增压至第三压力范围后充入所述预混气瓶，当所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为抽真空后所述预混气瓶的质量、氮气的第一预混质量、氦气的第二预混质量与氧气的第三预混质量之和时，所述控制设备用于控制停止向所述预混气瓶充入氧气。

进一步，所述配气系统还包括氧气浓度分析仪，所述氧气浓度分析仪用于检测配制好的所述预混气瓶中混合气体的氧气浓度；

当氧气浓度不在要求氧气浓度的允许误差范围内时，由所述称重装置称量此时所述预混气瓶的总质量，若测量的氧气浓度小于要求氧气浓度，由所述计算机按下式计算需要向所述预混气瓶补充氧气的质量，并以第三压力范围向所述预混气瓶补充质量为的氧气；

若测量的氧气浓度大于要求氧气浓度，由所述计算机按下式计算需要向所述预混气瓶补充氦气的质量，并以第二压力范围向所述预混气瓶补充质量为的氦气；

上述式中，为抽真空后且未充入所述混合气体前的所述预混气瓶的质量。

进一步，当向所述预混气瓶中补充氧气时，所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为时，所述控制设备还用于控制停止向所述预混气瓶充入氧气；

当向所述预混气瓶中补充氦气时，所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为时，所述控制设备还用于控制停止向所述预混气瓶充入氦气。

进一步，所述配气系统还包括摇匀装置，所述摇匀装置用于将充入所述预混气瓶的混合气体摇匀。

进一步，所述充气系统还包括：充氧气源瓶，充氧增压装置；所述充氧增压装置用于将氧气增压至第五压力范围充入所述深潜呼吸器气瓶中。

进一步，所述混气增压装置包括混气气动泵和混气驱动气泵，所述混气气动泵用于为待充入所述深潜呼吸器气瓶的混合气体升压，所述混气驱动气泵用于为所述混气气动泵提供驱动气源。

进一步，所述充氧增压装置包括充氧气动泵和混气驱动气泵，所述充氧气动泵用于为待充入所述深潜呼吸器气瓶的氧气升压，所述混气驱动气泵用于为所述充氧气动泵提供驱动气源。

进一步，所述充气系统还包括充气防护箱，所述深潜呼吸器气瓶置于所述充气防护箱中。

在本发明深潜呼吸器气瓶的充配气系统中，根据欲配制的混合气体中各种气体所占比例计算每种气体的充气质量后，将相应质量的各种气体以相应的压力充入预混气瓶中，完成预混气瓶的相应混合气体的配制。本发明的充配气系统通过混合气体中各种气体的体积转化成质量配比完成预混气瓶中混合气体的配制，并保证各种气体能够以相应的压力顺利充入预混气瓶中，使配气过程不受压力、温度等环境因素的影响，从而保证配气精度更加准确，然后将预混气瓶中的混合气体以相应的压力充装到深潜呼吸器气瓶中，保证了深潜呼吸器气瓶中的混气精度。

附图说明

图1为本发明实施例提供的深潜呼吸器气瓶的充配气系统中的配气系统的组成示意图；

图2为本发明实施例提供的深潜呼吸器气瓶的充配气系统中的充气系统的组成示意图；

图中：

101—氮气气源瓶；102—氦气气源瓶；103—氧气气源瓶；104—氮气气动泵；105—氦气气动泵；106—氧气气动泵；107、108—预混气瓶；109、110—称重装置；111—真空泵；112—驱动气泵；113、114、115、116、117、118、119、120、121、122、123、124、125、126—电磁阀；127、128—气动阀；129—氧气浓度分析仪；130—二级减压阀；

201—预混气瓶；202—充氧气源瓶；203—混气气动泵；204—充氧气动泵；205—混气驱动气泵；206—充气防护箱；207、208、209、210、211、212、213—电磁阀。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的方案，下面结合本发明示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，所描述的示例仅仅是本发明的一部分示例，而不是全部的示例。基于本发明中的示例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施方式都应当属于本发明保护的范围。

在本实施方式的描述中，术语“第一”、“第二”等仅用于区别类似的对象，而不能理解为特定的顺序或先后次序，应该理解这样的使用在适当情况可以互换。

实施例

如图1~2所示，本实施例提供了一种深潜呼吸器气瓶的充配气系统，包括：配气系统，充气系统，预混气瓶107、108，深潜呼吸器气瓶。

参见图1，配气系统包括：氮气气源瓶101，氧气气源瓶103，氦气气源瓶102，氮气增压装置，氧气增压装置，氦气增压装置，真空泵111。

氮气气源瓶101用于为充配气系统供应氮气；氦气气源瓶102用于为充配气系统供应氦气；氧气气源瓶103用于为充配气系统供应氧气。

本发明的配气系统可同时向多个预混气瓶充入混合气体，本实施例的混合气体配气系统中具有两个预混气瓶107和108。

真空泵111用于将预混气瓶107、108分别抽真空，使预混气瓶107、108达到指定负压力状态，为配气做配气前准备工作，保障配气精度的准确。本实施例的真空泵可采用通用旋片式真空泵，其抽气速率可达4.1m³/h，可在1min内将预混气瓶107、108的压力下降到-0.05MPa ~-0.07MPa。

氮气增压装置用于将第一预混质量的氮气以第一压力范围充入预混气瓶中；氦气增压装置用于将第二预混质量的氦气以第二压力范围充入预混气瓶中；氧气增压装置用于将第三预混质量的氧气以第三压力范围充入预混气瓶中。

氮气的第一预混质量、氦气的第二预混质量和氧气的第三预混质量可采用如下方法进行计算：

根据理想气体方程：

式中，P为气体的压力（Pa），V为气体的体积（m³），m是气体质量（g），R是摩尔气体常数（8.31441Pa﹒m³/mol﹒K），T是气体温度（K），M是摩尔质量（g/mol）；

混合气体各个配气成分的质量为：

式中，为充入预混气瓶某一气体的质量（g），为配制好混合气体的预混气瓶的预设压力值（MPa），为预混气瓶的容积（m³），为混合气体中该气体的百分比，R为摩尔气体常数（8.31441Pa﹒m³/mol﹒K），为配制混合气体时该气体温度（K），表示该气体的摩尔质量（g/mol）。

从理想气体方程来看，质量与体积成正比，同时气体的质量不受温度、压力的影响。混合气体中各种气体的浓度比，实际上是各种气体的质量比，本申请的配气方法就是直接测量配气过程中各种气体的质量，控制配气后的混合气体的质量比实现浓度比配气，所以此方法为配气最直接的方法。由于使用称量质量的方法配制混合气体，因此，质量测量是唯一影响配气精度的因素，质量测量精度越高，配气精度越高。

原呼吸器配气采用分压配气法，分压配气法是根据道尔顿定律（Dalton’s law）得出的。道尔顿定律描述的是混合气体总压与各组成气体分压的关系，即：当温度不变时，混合气体总压等于各组成气体的分压之和。以公式表示即为：

可以通过气体的总压和各组成气体的百分比推算出某一组成气体的分压值，其公式为：

式中，表示某一气体的分压，为混合气体的总压，表示混合气体中该气体的百分比。通过上述的公式显示道尔顿定律在温度不变的情况下才能成立，也就是说温度和压力是影响分压配气法配气精度的因素。分压配气法在配气过程中认为温度是不变的，但是实际上在配气过程中随着气体压力增加，气体的温度也是上升的，同时气体与环境存在热交换，从而气体实际温度呈现非线性上升，所以根据道尔顿定律演算出分压配气方法的配气精度很难精确。

综上所述，本发明的采用质量配气的方法相较于分压配气方法，其原理简单、应用容易、配气精度高。

第一压力范围、第二压力范围和第三压力范围均大于或等于2.5MPa。

在本实施例中，氮气增压装置包括氮气气动泵104和驱动气泵112，氮气气动泵104用于为待充入预混气瓶的氮气升压，氦气增压装置包括氦气气动泵105和驱动气泵112，氦气气动泵105用于为待充入预混气瓶的氦气升压，氧气增压装置包括氧气气动泵106和驱动气泵112，氧气气动泵106用于为待充入预混气瓶的氧气升压，驱动气泵112分别用于为氮气气动泵104、氦气气动泵105和氧气气动泵106提供驱动气源。

氮气气动泵104、氦气气动泵105和氧气气动泵106的工作动力均为气体驱动，分别采用驱动气泵112供气，氮气气动泵104、氦气气动泵105和氧气气动泵106均为气动增压泵，本身无电弧及火花，适合应用于易燃、易爆的场所，且输出压力稳定，产生的脉冲小，在对氧气进行增压时，具有更高的安全性。本实施例的驱动气泵112采用通用气体压缩机，具有达到0.8MPa压力停机功能。

本实施例的驱动气泵112还用于为气动阀127、128提供驱动气体。

在其他实施方式中，氮气增压装置和氦气增压装置分别包括电动固体润滑升压泵，电动固体润滑升压泵分别用于将待充入预混气瓶的氮气和氦气升压。

本实施例的配气系统还包括称重装置109、110，称重装置119和110分别用于实时称量预混气瓶107和108的质量。称重装置109、110可采用电子称量装置。

本实施例的称重装置109、110用于在整个配气过程中分别实时称量预混气瓶107、108的质量，以40L的预混气瓶为例，抽真空状态下的质量为50kg左右，因此，用于称量质量的称重装置的称量范围需要达到60kg左右，质量称量精度越高，配气精度越高，需要称重装置的称量精度也得很高。那么，采用称量质量的方法配气必须选择一个测量范围大于等于60kg、称量精度高的测量装置。例如，称重装置称量范围为80kg、称量精度1g，完全满足配气的需要；再如，称重装置称量范围为120kg，精度达到1×30000e，检定分度值5g，氧气比重1.429g/L，按照40L/20MPa充装25%氧气计算，氧气的质量为2858g，电子天平精度为5g，因此，理论计算的称重误差为0.175%，满足称量范围和称量精度的要求。

本实施例的配气系统包括氮气气路、氦气气路和氧气气路，可用于配制氦氧混合气体、氮氦氧混合气体，这两种混合气体也是深潜呼吸器常用的混合气体，下文以这两种气体的配制为例，详细介绍本实施例深潜呼吸器气瓶的充配气系统的组成和各部分功能。如果需要的话，本实施例的充配气系统还可以配制氮氧混合气体、氮氦混合气体。

本实施例的配气系统还包括计算机（图中未示出）和控制设备。

当配气系统用于配制氦氧混合气体时，计算机用于计算氦气的第二预混质量和氧气的第三预混质量。控制设备用于控制氦气增压装置对氦气增压至第二压力范围后充入预混气瓶107、108，当称重装置109、110称量预混气瓶107、108的质量为抽真空后预混气瓶的质量与氦气的第二预混质量（计算得到的氦气充气质量）之和时，控制设备用于控制停止向预混气瓶107、108充入氦气。控制设备还用于控制氧气增压装置对氧气增压至第三压力范围后充入预混气瓶107、108，当称重装置109、110称量预混气瓶107、108的质量为抽真空后预混气瓶的质量、氦气的第二预混质量与氧气的第三预混质量（计算得到的充氧质量）之和时，控制设备用于控制停止向预混气瓶107、108充入氧气。

当充配气系统用于配制深潜呼吸器的氮氦氧混合气体时，计算机用于计算氮气的第一预混质量、氦气的第二预混质量和氧气的第三预混质量。控制设备用于控制氮气增压装置对氮气增压至第一压力范围后充入预混气瓶107、108，当称重装置109、110称量预混气瓶107、108的质量为抽真空后预混气瓶的质量与氮气的第一预混质量（计算得到的氮气充气质量）之和时，控制设备用于控制停止向预混气瓶107、108充入氮气。控制设备还用于控制氦气增压装置对氦气增压至第二压力范围后充入预混气瓶107、108，当称重装置109、110称量预混气瓶107、108的质量为抽真空后预混气瓶的质量、氮气的第一预混质量与氦气的第二预混质量（计算得到的氦气充气质量）之和时，控制设备用于控制停止向预混气瓶107、108充入氦气。控制设备还用于控制氧气增压装置对氧气增压至第三压力范围后充入预混气瓶107、108，当称重装置109、110称量预混气瓶107、108的质量为抽真空后预混气瓶的质量、氮气的第一预混质量、氦气的第二预混质量与氧气的第三预混质量（计算得到的充氧质量）之和时，控制设备用于控制停止向预混气瓶107、108充入氧气。

本实施例控制设备还可以与计算氮气的第一预混质量、氦气的第二预混质量与氧气的第三预混质量的计算机通信，以便控制设备获取氮气的第一预混质量、氦气的第二预混质量与氧气的第三预混质量的具体数值。

本实施例的配气系统还包括摇匀装置（图中未示出），摇匀装置用于将充入预混气瓶107、108的混合气体（氦氧混合气体或氮氦氧混合气体等）摇匀。充分利用离心力原理，反复摆动预混气瓶107、108，加速预混气瓶107、108内各种气体成分的混合速度，提高摇匀效率和混合气质量。摇匀装置具有设定转速、摆动幅度、摆动时间等功能，传统的摇匀方式有静置和人工摇匀两种，人工摇匀（滚动方式）和静置混合气体，气体混合时间较长，达不到完全混合均匀的目的。摇匀装置减少了配气后的预混气瓶107、108内气体混合时间，大幅提高了混气的效率，使预混气瓶107、108内部混合气体达到充分混合并稳定。

需要注意的是，本实施例的配气系统不仅可用于配气，还可用于配制好混合气体的预混气瓶107、108的氧气浓度检测，对于当氧气浓度不在要求氧气浓度的允许误差范围内时，进行补气操作，以便通过补气，使预混气瓶中的氧气浓度满足配气要求。

配气系统还包括氧气浓度分析仪129，氧气浓度分析仪129用于分别检测配制好的预混气瓶107、108中混合气体的氧气浓度。

当氧气浓度不在要求氧气浓度的允许误差范围内，称重装置109、110分别称量此时预混气瓶107、108的总质量（预混气瓶107和108分别称量）；

若测量的氧气浓度小于要求氧气浓度，计算机按下列公式计算需要向预混气瓶107或108补充氧气的质量，并通过氧气增压装置以第三压力范围向预混气瓶107或108补充质量为的氧气；

若测量的氧气浓度大于要求氧气浓度，计算机按下列公式计算需要向预混气瓶107或108补充氦气的质量，并通过氦气增压装置以第二压力范围向预混气瓶107或108补充质量为的氦气；

上述式中，为充入混合气体前抽真空的预混气瓶107或108的质量，为要求充入预混气瓶107或108中混合气体的质量，为要求充入预混气瓶107或108中氧气的质量。

需要注意的是，无论预混气瓶中承装的是氦氧混合气体还是氮氦氧混合气体，当检测的氧气浓度小于要求氧气浓度，需要向预混气瓶中补充氧气，当检测的氧气浓度大于要求氧气浓度，则需要向预混气瓶中补充氦气，这是由于氦气比氮气更为稳定。

当向预混气瓶107、108中补充氧气时，称重装置109、110称量预混气瓶107、108的质量为时，控制设备还用于控制停止向预混气瓶107、108充入氧气。

当向预混气瓶107、108中补充氦气时，称重装置109、110称量预混气瓶107、108的质量为时，控制设备还用于控制停止向预混气瓶107、108充入氦气。

需要说明的是，本发明的配气系统既可用于预混气瓶的初始混气，又可用于检测预混气瓶中的氧气浓度是否满足配气要求，当氧气浓度不满足配气要求时，该配气系统还可以向预混气瓶中补充相应质量的氧气或氦气。

参见图1，以向预混气瓶中分别充入氦氧混合气体和氮氦氧混合气体为例说明本实施例配气系统的工作过程。

示例1：

以在常温状态下配制1瓶15MPa、40L氦氧混合气体（氦气95%、氧气5%）为例，通过计算机计算充入预混气瓶中氦气的第二预混质量和氧气的第三预混质量，计算过程如下：

使用纯氦（不低于99.99%），混合气体中氦气的质量为

使用医用氧（不低于99.5%）混合气体中氧气的质量为

混合气体的总质量为

得到待充入预混气瓶107、108的氦气质量和氧气质量后（每个预混气瓶中均充入上述质量的氦气和氧气），开启电磁阀122、123、124、气动阀127和128，使用真空泵111对预混气瓶107、108进行抽真空，当预混气瓶107、108满足真空度的要求时，即预混气瓶107、108的压力下降到-0.05MPa ~-0.07MPa时，关闭电磁阀122、123、124、气动阀127和128；向预混气瓶107、108充氦气时，开启电磁阀114和120，使氦气气源瓶102中的氦气通过管路进入到氦气气动泵105，利用驱动气泵112为氦气气动泵105提供驱动气体，以便对氦气进行增压，将氦气增压至大于或等于2.5 MPa，开启电磁阀117、122、123、气动阀127和128，将增压后的氦气充入预混气瓶107、108中，当称重装置109、110称量预混气瓶107、108的质量为抽真空后预混气瓶107、108的质量与氦气的第二预混质量（每个预混气瓶可对应一个氦气的第二预混质量，本实施例中预混气瓶105和106的规格相同，两个氦气的第二预混质量也相同）之和时，关闭电磁阀117、122、123、气动阀127和128，停止向预混气瓶107、108充入氦气，若预混气瓶107先达到上述质量之和时，先关闭电磁阀122和气动阀127，同理，若预混气瓶108先达到上述质量之和时，先关闭电磁阀123和气动阀128；向预混气瓶107、108充氧气时，开启电磁阀115和121，使氧气气源瓶103中的氧气通过管路进入到氧气气动泵106，利用驱动气泵112为氧气气动泵106提供驱动气体，以便对氧气进行增压，将氧气增压至大于或等于2.5MPa，开启电磁阀118、122、123、气动阀127和128，将增压后的氧气充入预混气瓶107、108中，当称重装置109、110称量预混气瓶107、108的质量为抽真空后预混气瓶107、108的质量、氦气的第二预混质量（每个预混气瓶可对应一个氦气的第二预混质量，本实施例中预混气瓶107和108的规格相同，两个氦气的第二预混质量也相同）、氧气的第三预混质量（每个预混气瓶可对应一个氧气的第三预混质量，本实施例中预混气瓶107和108的规格相同，两个氧气的第三预混质量也相同）之和时，关闭电磁阀114、117、118和气动阀121、122，停止向预混气瓶105、106充入氧气，若预混气瓶107先达到上述质量之和时，先关闭电磁阀122和气动阀127，同理，若预混气瓶108先达到上述质量之和时，先关闭电磁阀123和气动阀128，直到得到符合浓度配比要求的氦氧混合气体。配制好混合气体后，关闭预混气瓶107、108上的瓶阀，打开电磁阀117、118和125，释放配气系统中氦气气动泵105、氧气气动泵106和管路中多余的气体，以保证该配气系统能够持续安全使用。

在配制氦氧混合气体的过程中，氮气气源瓶101和氮气气动泵104所在管路未被使用，电磁阀113、116、119始终处于关闭状态。

当预混气瓶107、108完成初始配气之后，采用本实施例的浓度检测方法进行预混气瓶中氧气浓度的检测，当存在氧气浓度不符合配气要求的预混气瓶，采用本实施例的补气方法向其中进行补气。

本实施例预混气瓶的配气系统氧气浓度检测和补充气体的工作过程可以是：

利用氧气浓度分析仪129分别检测预混气瓶107和108的混合气体中氧气的浓度，开启电磁阀122、126和气动阀127，氧气浓度分析仪129检测预混气瓶107中氧气的浓度，关闭电磁阀122、126和气动阀127，开启电磁阀123、126和气动阀128，氧气浓度分析仪129检测预混气瓶108中氧气的浓度，关闭电磁阀123、126和气动阀128，分别得到预混气瓶107和108的氧气浓度，若氧气浓度符合要求氧气浓度的允许误差范围，说明相应预混气瓶中的混合气体配比精度是合格的，此时，不用向该预混气瓶补充气体；否则，需要利用称重装置109和110分别称量预混气瓶107和108的质量，通过计算机计算需要向预混气瓶107和108中补充氧气的质量或者补充氦气的质量。例如，预混气瓶107中的氧气浓度不符合配气要求，预混气瓶108中的氧气浓度符合配气要求，经过称重装置109的称量以及计算机的计算，需要向预混气瓶107中补充质量的氧气，补充的过程可以是：

开启电磁阀115和121，使氧气气源瓶103中的氧气通过管路进入到氧气气动泵106，利用驱动气泵112为氧气气动泵106提供驱动气体，以便对氧气进行增压，将氧气增压至大于或等于2.5 MPa，开启电磁阀118、122和气动阀127，将增压后的氧气充入预混气瓶107中，当称重装置109称量预混气瓶107的质量为预混气瓶107的质量与补充氧气的质量之和时，关闭电磁阀118、122和气动阀127，停止向预混气瓶106充入氧气，得到符合氧浓度配比要求的混合气体；关闭预混气瓶107上的瓶阀，开启电磁阀118和125，释放补充系统中氧气气动泵106和管路中多余的气体，以保证该配气系统能够持续进行气体浓度检测及补充，保证向其他预混气瓶补充气体的纯度。

示例2：

以在常温状态下配制1瓶15MPa、40L氮氦氧混合气体（氮气60%、氦气15%、氧气25%）为例，通过计算机计算混合气体中氮气的第一预混质量、氦气的第二预混质量和氧气的第三预混质量，具体计算过程如下：

使用纯氮（不低于99.99%），混合气体中氮气的质量为

使用纯氦（不低于99.99%），混合气体中氦气的质量为

使用医用氧（不低于99.5%）混合气体中氧气的质量为

混合气体的总质量为

得到待充入预混气瓶107、108的氮气质量、氦气质量和氧气质量后（每个预混气瓶中均需充入上述质量的氮气、氦气和氧气），开启电磁阀122、123、124、气动阀127和128，使用真空泵111对预混气瓶107、108进行抽真空，当预混气瓶107、108满足真空度的要求时，即预混气瓶107、108的压力下降到-0.05MPa ~-0.07MPa时，关闭电磁阀122、123、124、气动阀127和128；向预混气瓶107、108充氮气时，开启电磁阀113和119，使氮气气源瓶101中的氮气通过管路进入到氮气气动泵104，利用驱动气泵112为氮气气动泵104提供驱动气体，以便对氮气进行增压，将氮气增压至大于或等于2.5 MPa，开启电磁阀116、122、123和气动阀127、128，将增压后的氮气充入预混气瓶107、108中，当称重装置109、110称量预混气瓶107、108的质量为抽真空后预混气瓶207、208的质量与氮气的第一预混质量（每个预混气瓶可对应一个氮气的第一预混质量，本实施例中预混气瓶107和108的规格相同，两个氮气的第一预混质量也相同）之和时，关闭电磁阀116、122、123和气动阀127、128，停止向预混气瓶107、108充入氮气，若预混气瓶107先达到上述质量之和时，先关闭电磁阀122和气动阀127，同理，若预混气瓶108先达到上述质量之和时，先关闭电磁阀123和气动阀128；向预混气瓶107、108充氦气时，开启电磁阀114和120，使氦气气源瓶102中的氦气气通过管路进入到氦气气动泵105，利用驱动气泵112为氦气气动泵105提供驱动气体，以便对氦气进行增压，将氦气增压至大于或等于2.5 MPa，开启电磁阀117、122、123和气动阀127、128，将增压后的氦气充入预混气瓶107、108中，当称重装置109、110称量预混气瓶107、108的质量为抽真空后预混气瓶107、108的质量、氮气的第一预混质量和氦气的第二预混质量（每个预混气瓶可对应一个氦气的第二预混质量，本实施例中预混气瓶107和108的规格相同，两个氦气的第二预混质量也相同）之和时，关闭电磁阀117、122、123和气动阀127、128，停止向预混气瓶107、108充入氦气，若预混气瓶107先达到上述质量之和时，先关闭电磁阀122和气动阀127，同理，若预混气瓶108先达到上述质量之和时，先关闭电磁阀123和气动阀128；向预混气瓶107、108充氧气时，开启电磁阀115和121，使氧气气源瓶103中的氧气通过管路进入到氧气气动泵106，利用驱动气泵112为氧气气动泵106提供驱动气体，以便对氧气进行增压，将氧气增压至大于或等于2.5 MPa，开启电磁阀118、122、123和气动阀127、128，将增压后的氧气充入预混气瓶107、108中，当称重装置109、110称量预混气瓶107、108的质量为抽真空后预混气瓶107、108的质量、氮气的第一预混质量（每个预混气瓶可对应一个氮气的第一预混质量，本实施例中预混气瓶107和108的规格相同，两个氮气的第一预混质量也相同）和氦气的第二预混质量（每个预混气瓶可对应一个氦气的第二预混质量，本实施例中预混气瓶107和108的规格相同，两个氦气的第二预混质量也相同）和氧气的第三预混质量（每个预混气瓶可对应一个氧气的第三预混质量，本实施例中预混气瓶107和108的规格相同，两个氧气的第三预混质量也相同）之和时，停止向预混气瓶107、108充入氧气，若预混气瓶107先达到上述质量之和时，先关闭电磁阀122和气动阀127，同理，若预混气瓶108先达到上述质量之和时，先关闭电磁阀123和气动阀128，直到得到符合浓度配比要求的氮氦氧混合气体。配制好混合气体后，关闭预混气瓶107、108上的瓶阀，打开电磁阀116、117、118和125，释放配气系统中氮气气动泵104、氦气气动泵105、氧气气动泵106和管路中多余的气体，以保证该配气系统能够持续安全使用。

当预混气瓶107、108完成初始配气之后，采用本实施例的浓度检测方法进行预混气瓶中氧气浓度的检测，当存在氧气浓度不符合配气要求的预混气瓶，采用本实施例的补气方法向其中进行补气。

本实施例预混气瓶的配气系统氧气浓度检测和补充气体的工作过程可以是：

采用氧气浓度分析仪129分别检测预混气瓶107和108的混合气体中氧气的浓度，开启电磁阀122、126和气动阀127，氧气浓度分析仪129检测预混气瓶107中氧气的浓度，关闭电磁阀122、126和气动阀127，开启电磁阀123、126和气动阀128，氧气浓度分析仪129检测预混气瓶108中氧气的浓度，关闭电磁阀123、126和气动阀128，分别得到预混气瓶107和108的氧气浓度，若氧气浓度符合要求氧气浓度的允许误差范围，说明相应预混气瓶中的混合气体配比精度是合格的，此时，不用向该预混气瓶补充气体；否则，需要利用称重装置109和110分别称量预混气瓶107和108的质量，通过计算机计算需要向预混气瓶107和108中补充氧气的质量或者补充的氦气的质量。例如，预混气瓶107中的氧气浓度符合配气要求，预混气瓶108中的氧气浓度不符合配气要求，经过称重装置110的称量以及计算机的计算，需要向预混气瓶108中补充质量的氦气，补充的过程可以是：

开启电磁阀114和120，使氦气气源瓶102中的氦气通过管路进入到氦气气动泵105，利用驱动气泵112为氦气气动泵105提供驱动气体，以便对氦气进行增压，将氦气增压至大于或等于2.5 MPa，开启电磁阀117、123和气动阀128，将增压后的氦气充入预混气瓶108中，当称重装置110称量预混气瓶108的质量为预混气瓶108的质量与补充氦气的质量之和时，关闭电磁阀117、123和气动阀128，停止向预混气瓶108充入氦气，得到符合氧浓度配比要求的混合气体；关闭预混气瓶108上的瓶阀，开启电磁阀117和125，释放补充系统中氦气气动泵105和管路中多余的气体，以保证该配气系统能够持续进行气体浓度检测及补充，保证向其他预混气瓶补充气体的纯度。

需要说明的是，本实施例中，电磁阀113、114、115、116、117、118、124、125、126为高压电磁阀，电磁阀119、120、121、122、123为低压电磁阀；电磁阀122、123与驱动气泵112配合使用，控制驱动气泵112向气动阀127和128供应驱动气体。

本实施例配气系统的气体浓度检测及补充功能，对已充混合气体的预混气瓶107和108中氧气浓度分别进行检测，当氧气浓度不在要求氧气浓度的允许误差范围内时，通过相应的称重装置109和110分别测量预混气瓶107和108质量，根据测得的氧气浓度和预混气瓶107和108的质量计算需要向预混气瓶107和108中补充氧气的质量或补充氦气的质量，向预混气瓶107和108中补充相应质量的氧气或相应质量的氦气。预混气瓶107或108经过补充气体后，还可利用氧气浓度分析仪129再次进行氧气浓度的检测，确保补充气体后，相应预混气瓶的混合气体满足配气要求。

本实施例的配气系统的补气功能通过计算需要向预混气瓶107、108中补充的氧气质量或氦气质量，根据质量配比完成预混气瓶中相应气体的补充，使补气过程不受压力、温度等环境因素的影响，从而保证深潜呼吸器的预混气瓶中混合气体的配气精度。

需要说明的是，在本发明配气系统中，在完成预混气瓶的初始配气或补充相应质量的氧气或氦气后，控制设备均可控制摇匀装置对预混气瓶进行摇匀，以便其中的气体能够充分混合，使氧气浓度的检测结果更加准确。

图2为本实施例的充气系统，用于将氧气浓度检测合格的预混气瓶201中的混合气体充入深潜呼吸器气瓶中。

充气系统包括混气增压装置，混气增压装置用于将预混气瓶内的混合气体以第四压力范围充入深潜呼吸器气瓶中，本实施例的深潜呼吸器气瓶置于充气防护箱206中，第四压力范围大于或等于2.5MPa。

深潜呼吸器气瓶为高压气瓶，在充气过程中，若深潜呼吸器气瓶意外发生泄露或爆裂时，充气防护箱可对操作人员起到防护作用。充气防护箱采用翻转门设计，方便使用，安全可靠，坚固耐用。本实施例的充气系统可对多个深潜呼吸器气瓶同时充气，本实施例的充气防护箱206可对四只1.3L深潜呼吸器气瓶同时充气，充气防护箱206内设有压力监测和到压声光报警装置，当充气压力达到设定压力时闪光蜂鸣器报警，红色指示灯闪烁，提示操作人员对充气防护箱206进行维护。

本实施例的充气系统还包括：充氧气源瓶202，充氧增压装置；充氧增压装置用于将氧气增压至第五压力范围充入深潜呼吸器气瓶中。充氧气源瓶202和充氧增压装置形成氧气充气管路，增加了充气系统单独充氧气的功能。第五压力范围大于或等于2.5MPa。

本实施例的混气增压装置包括混气气动泵203和混气驱动气泵205，混气气动泵203用于为待充入深潜呼吸器气瓶的混合气体升压，混气驱动气泵205用于为混气气动泵203提供驱动气源。本实施例的充氧增压装置包括充氧气动泵204和混气驱动气泵205，充氧气动泵204用于为待充入深潜呼吸器气瓶的氧气升压，混气驱动气泵205用于为充氧气动泵204提供驱动气源。混气气动泵203和充氧气动泵204均为气动增压泵，本身无电弧及火花，适合应用于易燃、易爆的场所，且输出压力稳定，产生的脉冲小，在对氧气进行增压时，具有更高的安全性。

使用本实施例的充气系统向呼吸器气瓶充入混合气体的过程可以是：开启电磁阀207和211，使预混气瓶201中的混合气体通过管路进入到混气气动泵203，利用驱动气泵205为混气气动泵203提供驱动气体，以便对混合气体进行增压，将混合气体增压至大于或等于2.5 MPa，开启电磁阀213，将增压后的混合气体充入深潜呼吸器气瓶中。

使用本实施例的充气系统向呼吸器气瓶充入氧气的过程可以是：开启电磁阀208和212，使充氧气源瓶202中的氧气通过管路进入到充氧气动泵204，利用驱动气泵205为充氧气动泵204提供驱动气体，以便对氧气进行增压，将氧气增压至大于或等于2.5 MPa，开启电磁阀213，将增压后的氧气充入深潜呼吸器气瓶中。

需要说明的是，本实施例中，电磁阀207、208、209、210、213为高压电磁阀，电磁阀211、212为低压电磁阀。

最后，可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (13)

1.一种深潜呼吸器气瓶的充配气系统，其特征在于，包括：配气系统，充气系统，预混气瓶，深潜呼吸器气瓶；

所述配气系统包括：氮气气源瓶，氧气气源瓶，氦气气源瓶，氮气增压装置，氧气增压装置，氦气增压装置，真空泵；

所述真空泵用于将所述预混气瓶抽真空；所述氮气增压装置用于将第一预混质量的氮气以第一压力范围充入所述预混气瓶中；所述氦气增压装置用于将第二预混质量的氦气以第二压力范围充入所述预混气瓶中；所述氧气增压装置用于将第三预混质量的氧气以第三压力范围充入所述预混气瓶中；

氮气的第一预混质量、氦气的第二预混质量和氧气的第三预混质量采用如下公式进行计算：

，

式中，为充入预混气瓶某一气体的质量（g），为配制好混合气体的预混气瓶的预设压力值（MPa），为预混气瓶的容积（m³），为混合气体中该气体的百分比，R为摩尔气体常数（8.31441Pa﹒m³/mol﹒K），为配制混合气体时该气体温度（K），表示该气体的摩尔质量（g/mol）；

所述充气系统包括混气增压装置；

所述混气增压装置用于将所述预混气瓶内的混合气体以第四压力范围充入所述深潜呼吸器气瓶中；

所述配气系统还包括称重装置，所述称重装置用于实时称量所述预混气瓶的质量；

所述配气系统还包括计算机，当所述配气系统配制深潜呼吸器的氦氧混合气体时，所述计算机用于计算氦气的第二预混质量和氧气的第三预混质量；

所述配气系统还包括控制设备，所述控制设备用于控制所述氦气增压装置对氦气增压至第二压力范围后充入所述预混气瓶，当所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为抽真空后所述预混气瓶的质量与氦气的第二预混质量之和时，所述控制设备用于控制停止向所述预混气瓶充入氦气；

所述配气系统还包括氧气浓度分析仪，所述氧气浓度分析仪用于检测配制好的所述预混气瓶中混合气体的氧气浓度；

当氧气浓度不在要求氧气浓度的允许误差范围内时，由所述称重装置称量此时所述预混气瓶的总质量，若测量的氧气浓度小于要求氧气浓度，由所述计算机按下式计算需要向所述预混气瓶补充氧气的质量，并以第三压力范围向所述预混气瓶补充质量为的氧气；

，

若测量的氧气浓度大于要求氧气浓度，由所述计算机按下式计算需要向所述预混气瓶补充氦气的质量，并以第二压力范围向所述预混气瓶补充质量为的氦气；

，

上述式中，为抽真空后且未充入所述混合气体前的所述预混气瓶的质量；

当向所述预混气瓶中补充氧气时，所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为时，所述控制设备还用于控制停止向所述预混气瓶充入氧气；

当向所述预混气瓶中补充氦气时，所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为时，所述控制设备还用于控制停止向所述预混气瓶充入氦气。

2.根据权利要求1所述的深潜呼吸器气瓶的充配气系统，其特征在于，所述氧气增压装置包括氧气气动泵和驱动气泵，所述氧气气动泵用于为待充入所述预混气瓶的氧气升压，所述驱动气泵用于为所述氧气气动泵提供驱动气源。

3.根据权利要求1所述的深潜呼吸器气瓶的充配气系统，其特征在于，所述氮气增压装置和所述氦气增压装置分别包括电动固体润滑升压泵，所述电动固体润滑升压泵分别用于将待充入所述预混气瓶的氮气和氦气升压。

4.根据权利要求1所述的深潜呼吸器气瓶的充配气系统，其特征在于，所述控制设备还用于控制所述氧气增压装置对氧气增压至第三压力范围后充入所述预混气瓶，当所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为抽真空后所述预混气瓶的质量、氦气的第二预混质量与氧气的第三预混质量之和时，所述控制设备用于控制停止向所述预混气瓶充入氧气。

5.根据权利要求1所述的深潜呼吸器气瓶的充配气系统，其特征在于，所述配气系统还包括计算机，当所述配气系统配制深潜呼吸器的氮氦氧混合气体时，所述计算机用于计算氮气的第一预混质量、氦气的第二预混质量和氧气的第三预混质量。

6.根据权利要求5所述的深潜呼吸器气瓶的充配气系统，其特征在于，所述配气系统还包括控制设备，所述控制设备用于控制所述氮气增压装置对氮气增压至第一压力范围后充入所述预混气瓶，当所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为抽真空后所述预混气瓶的质量与氮气的第一预混质量之和时，所述控制设备用于控制停止向所述预混气瓶充入氮气。

7.根据权利要求6所述的深潜呼吸器气瓶的充配气系统，其特征在于，所述控制设备还用于控制所述氦气增压装置对氦气增压至第二压力范围后充入所述预混气瓶，当所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为抽真空后所述预混气瓶的质量、氮气的第一预混质量与氦气的第二预混质量之和时，所述控制设备用于控制停止向所述预混气瓶充入氦气。

8.根据权利要求7所述的深潜呼吸器气瓶的充配气系统，其特征在于，所述控制设备还用于控制所述氧气增压装置对氧气增压至第三压力范围后充入所述预混气瓶，当所述称重装置称量所述预混气瓶的质量为抽真空后所述预混气瓶的质量、氮气的第一预混质量、氦气的第二预混质量与氧气的第三预混质量之和时，所述控制设备用于控制停止向所述预混气瓶充入氧气。

9.根据权利要求1所述的深潜呼吸器气瓶的充配气系统，其特征在于，所述配气系统还包括摇匀装置，所述摇匀装置用于将充入所述预混气瓶的混合气体摇匀。

10.根据权利要求1所述的深潜呼吸器气瓶的充配气系统，其特征在于，所述充气系统还包括：充氧气源瓶，充氧增压装置；所述充氧增压装置用于将氧气增压至第五压力范围充入所述深潜呼吸器气瓶中。

11.根据权利要求10所述的深潜呼吸器气瓶的充配气系统，其特征在于，所述充氧增压装置包括充氧气动泵和混气驱动气泵，所述充氧气动泵用于为待充入所述深潜呼吸器气瓶的氧气升压，所述混气驱动气泵用于为所述充氧气动泵提供驱动气源。

12.根据权利要求1所述的深潜呼吸器气瓶的充配气系统，其特征在于，所述混气增压装置包括混气气动泵和混气驱动气泵，所述混气气动泵用于为待充入所述深潜呼吸器气瓶的混合气体升压，所述混气驱动气泵用于为所述混气气动泵提供驱动气源。

13.根据权利要求1所述的深潜呼吸器气瓶的充配气系统，其特征在于，所述充气系统还包括充气防护箱，所述深潜呼吸器气瓶置于所述充气防护箱中。