一種基於銅氨法的高精度、自動化氧濃度檢測裝置的製作方法
2023-11-11 01:09:31 1
本實用新型涉及一種基於銅氨法的高精度、自動化氧濃度檢測裝置，屬於氣體濃度檢測技術領域。
背景技術：
銅氨法是目前國際公認的氣體氧濃度測量金標準，現行相關國家標準中，均採用銅氨法對氣體中氧濃度進行標定。該方法採用純化學方法，測量結果與環境溫度、壓力無關，測量性能穩定可靠，適於高原低壓等特殊環境下的氧濃度檢測。然而，現有銅氨法測量裝置是全玻璃器皿，測量過程均為人工操作，程序繁瑣，主觀因素影響大，測量自動化程度低，便攜性差。針對大型制氧設備和特殊用途醫療設備原位、快速、精確的氧濃度測量的實際需求，特別是提升測量裝置在特殊環境下的適應性，需要在現有銅氨法測量原理的基礎上，進一步加強銅氨法氧濃度測量裝置的自動化、智能化和便攜性。
技術實現要素：
本實用新型的目的是公開一種基於銅氨法的高精度、自動化氧濃度檢測裝置，通過優化設計銅氨法測量裝置，並綜合採用電子技術、自動化控制技術、傳感器技術，提升銅氨法氧濃度測量裝置的測量精度、測量效率、便攜性和自動化程度。
為達到上述目的，本實用新型採用了以下技術方案：
一種基於銅氨法的高精度、自動化氧濃度檢測裝置，包括水準與補液瓶、量氣管、反應瓶和自動化控制系統；
所述的水準與補液瓶內部裝銅氨溶液，底部設置兩個接口，兩個接口上分別設置有第一閥門、第二閥門；第二閥門通過第一連接管連接反應瓶底部接口；第一閥門通過第二連接管連接三通活塞的B2埠，水準與補液瓶頂部設置第三連接管，第三連接管的一端伸入水準與補液瓶的液面以下，另一端連接三通活塞的B1埠，第三連接管上設置有雙向泵；三通活塞上端與量氣管連接，量氣管上端與四通活塞連接，四通活塞的A1、A2埠上分別連接排氣管、第四連接管，第四連接管連接反應瓶頂部，反應瓶中裝有銅氨溶液和銅絲；
所述的自動化控制系統包括控制器、升降裝置和液位採集裝置；所述的升降裝置驅動水準與補液瓶在豎直方向上運動，所述的液位採集裝置採集水準與補液瓶和量氣管內部液位高度，所述的控制器控制雙向泵、液位採集裝置和升降裝置。
所述的升降裝置為步進電機，步進電機安裝在底座上，水準與補液瓶設置在第一工作檯上，步進電機驅動第一工作檯在豎直方向運動。
所述的液位採集裝置為測量光幕傳感器，第一測量光幕傳感器設置在量氣管外壁上；第二測量光幕傳感器設置在水準與補液瓶外壁上。
第一測量光幕傳感器包括一組投光器和一組接收器，其分別設置在量氣管兩側外壁上；第二測量光幕傳感器包括一組投光器和一組接收器，其分別設置在水準與補液瓶兩側外壁上。
所述的控制器為單片機，第一測量光幕傳感器、第二測量光幕傳感器的輸出信號經過外部信號調理電路後，輸入單片機；單片機還連接有鍵盤，鍵盤用於測量過程中控制信號的輸入和第二工作檯初始高度的輸入。
所述的量氣管由上端管、中部管和下端管組成，中部管的直徑大於上端管和下端管的直徑；上端管、中部管和下端管均設置有刻度。
所述的四通活塞的A3埠上連接測量管，測量管的測量端水平放置，用於測量氧濃度高於99％的氣體，測量管的管徑為量氣管上端管徑的1/10～1/5。
所述的反應瓶底部設置有旋轉葉輪，旋轉葉輪與控制器連接，旋轉葉輪為渦輪結構。
與現有技術相比，本實用新型至少具有以下技術效果：
本實用新型的氧濃度檢測裝置，包括水準與補液瓶、反應瓶、量氣管和控制系統。通過管路優化設計將水準瓶和補液瓶合併為一個瓶，簡化系統結構。升降裝置用於控制升降臺的升降，測量光幕傳感器實時檢測水準與補液瓶液面同量氣管液面是否保持在同一高度，和所述步進電機協同工作實現雙液面的自動調平。採用雙向泵作為驅動裝置，取代人工調節瓶子高度利用大氣壓驅動被測氣體流動的方式，實現了測量過程的自動化控制。雙向泵實現對氣液管路的自動化調節。旋轉葉輪採用渦輪驅動方式，實現化學反應的自動化操作，取代人工手動搖瓶促進化學反應方式。控制器基於單片機控制技術實現測量系統的自動化控制。本實用新型作為一種高精度、自動化、可攜式的氧濃度檢測裝置，通過優化設計銅氨法測量裝置，並綜合採用電子技術、自動化控制技術、傳感器技術，提升銅氨法氧濃度測量裝置的測量精度、測量效率、便攜性和自動化程度。不僅提高了氧濃度檢測效率和環境適應性，減少測量過程中的人為誤差，而且進一步提高了銅氨法氧濃度檢測的精確度，具有重要的實際意義和應用價值。
進一步，採用高純氧測量管結構設計，對高純氧的測量精度可達0.01％，有效提升了對高純氧的氧濃度測量精度。
本實用新型的試驗方法依次為：管路充液排氣、量氣管灌充被測氣體、被測氣體灌充反應瓶、殘餘氣體灌充量氣管、測量氧氣濃度和排除管路殘氣。採用雙向泵作為驅動裝置，取代人工調節瓶子高度利用大氣壓驅動被測氣體流動的方式，實現了測量過程的自動化控制。綜合採用電子技術、自動化控制技術、傳感器技術，提升銅氨法氧濃度測量裝置的測量精度、測量效率、便攜性和自動化程度。不僅提高了氧濃度檢測效率和環境適應性，減少測量過程中的人為誤差，而且進一步提高了銅氨法氧濃度檢測的精確度，具有重要的實際意義和應用價值。
【附圖說明】
圖1為本實用新型裝置的結構示意圖；
圖2為本實用新型裝置的系統控制原理框圖；
圖3為本實用新型裝置的雙液面自動調平技術原理圖；
其中：1為底座；2為步進電機；3為第一工作檯；4為第一連接管；5為第二閥門；6為第一閥門；7為水準與補液瓶；8為雙向泵；9為三通活塞；10為量氣管；11為四通活塞；12為第四連接管；13為反應瓶；14為旋轉葉輪；15為第二工作檯；16為第一測量光幕傳感器；161、162、…、16n為第一組投光器；161′、162′、…、16n′為第一組接收器；17為第二測量光幕傳感器；171、172、…、17n為第二組投光器；171′、172′、…、17n′為第二組接收器；18為測量管；19為第三連接管；20為第二連接管。
【具體實施方式】
下面結合附圖和具體實施方式對本實用新型進行詳細說明。
如圖1所示，本實用新型是一種基於銅氨法的高精度、自動化氧濃度檢測裝置，包括步進電機2、水準與補液瓶7、量氣管10和反應瓶13；步進電機2安裝在底座1上，水準與補液瓶7設置在第一工作檯3上，步進電機2驅動第一工作檯3在豎直方向運動。水準與補液瓶7的底部設置兩個接口，兩個接口處分別設置有第一閥門6、第二閥門5；第二閥門5通過第一連接管4連接反應瓶13底部的接口；第一閥門6通過第二連接管20連接三通活塞9的B2埠；水準與補液瓶7頂部設置第三連接管19，第三連接管19的一端伸入水準與補液瓶7的液面以下，另一端連接三通活塞9的B1埠，第三連接管19上設置有雙向泵8；三通活塞9上端與量氣管10連接，量氣管10上端與四通活塞11連接，四通活塞11的A1、A2、A3埠上分別連接排氣管、測量管18和第四連接管12，第四連接管12連接反應瓶13頂部，反應瓶13設置在第二工作檯15上，反應瓶13底部設置有旋轉葉輪14。水準與補液瓶7內部為銅氨溶液，反應瓶13內部為銅氨溶液和足量的銅絲。
本實用新型的量氣管10和水準與補液瓶7上還設置有測量光幕傳感器，第一測量光幕傳感器16包括一組投光器161、162、…、16n和一組接收器161′、162′、…、16n′，分別設置在量氣管10兩側外壁上；第二測量光幕傳感器17包括一組投光器171、172、…、17n和一組接收器171′、172′、…、17n′，分別設置在水準與補液瓶7兩側外壁上。測量光幕傳感器液面檢測精度不小於3mm。
其中，所述高純氧測量管水平放置，管徑為量氣管上端管徑的1/5～1/10,對高純氧的測量精度可達0.01％。
所述測量光幕傳感器實時檢測水準與補液瓶液面同量氣管液面是否保持在同一高度，與所述步進電機協同工作實現雙液面的自動調平。
所述雙向泵作為驅動裝置，取代人工調節瓶子高度利用大氣壓驅動被測氣體流動的方式，實現了測量過程的自動化控制。
所述旋轉葉輪採用渦輪驅動方式，實現化學反應的自動化操作。
所述單片機基於單片機自動控制技術，通過對所述雙向泵、所述步進電機和所述旋轉葉輪的控制，以及對所述測量光幕傳感器16和17的信號處理，實現測量系統的自動化控制。
如圖2所示，採用單片機控制技術實現系統的自動化控制。雙向泵8的正反轉狀態，利用單片機向其發送正轉或者反轉信號而實現。步進電機2的升降動作，利用單片機向步進電機2發送升降信號而實現。旋轉葉輪14的控制，通過單片機向旋轉葉輪14發送啟停信號而實現。測量光幕傳感器16和17的輸出信號經過外部信號調理電路後，輸入單片機，經過相應的信號處理算法，實時計算水準與補液瓶7的液面和量氣管10的液面高度。鍵盤用於測量過程中控制信號的輸入和第二工作檯15初始高度的輸入。
本實用新型的試驗方法實施步驟依次為：管路充液排氣、量氣管灌充被測氣體、被測氣體灌充反應瓶、殘餘氣體灌充量氣管、測量氧氣濃度、排除管路殘氣。具體包括以下步驟：
1.管路充液排氣。打開四通活塞11的A2埠、三通活塞9的B1埠、第一閥門6、第二閥門5，啟動雙向泵8正轉，排空量氣管10、第二連接管12和反應瓶13中的全部氣體，直至液體充滿整個管路。利用同樣方法排空四通活塞11的A1埠上端氣體和四通活塞11的A3埠上端測量管18氣體。
2.量氣管灌充被測氣體。打開四通活塞11的A2埠、三通活塞9的B1埠、第一閥門6，關閉第二閥門5，被測氣體經由四通活塞11的A1埠衝壓入量氣管，致使量氣管10中的液面下移至100ml刻度附近。啟動步進電機2，調整水準與補液瓶7的液面高度同量氣管10中的液面平齊，量氣管10內液面與100ml刻度平齊後，關閉第一閥門6、四通活塞11和三通活塞9，停止步進電機2。
3.被測氣體灌充反應瓶。打開四通活塞11的A1埠、三通活塞9的B2埠、第二閥門5，關閉第一閥門6，啟動雙向泵8正轉，將測量管10內100ml樣品全部推至反應瓶13，啟動反應瓶13底部的旋轉葉輪14。
4.殘餘氣體灌充量氣管。啟動雙向泵8反轉，抽回全部殘餘氣體至量氣管10上端。
5.測量氧氣濃度。打開三通活塞9的B2口、第一閥門6，關閉四通活塞11、第二閥門5，打開步進電機2，調整水準與補液瓶7的液面高度同量氣管10液面平齊，然後讀數，測出氧濃度。如果氧濃度大於99％，啟動雙向泵8正轉，使量氣管中的極少量殘餘氣體進入四通活塞11的A3埠上方的測量管18，當殘餘氣體全部進入測量管18後，關閉四通活塞11，測出高純氧的濃度。
6.排除管路殘氣的方法同管路充液排氣。
如圖3所示，採用步進電機驅動技術和測量光幕傳感器技術實現水準與補液瓶同量氣管間雙液面的自動調平。以固定第二工作檯15為基準，測量第一工作檯3與第二工作檯15之間的高度，記為第一工作檯3的初始高度H20。當步進電機2上下移動時，利用第二測量光幕傳感器17和第一測量光幕傳感器16分別實時檢測水準與補液瓶7液面和量氣管10液面與第二工作檯15之間的高度，當兩者高度一樣時，則水準與補液瓶7的液面和量氣管10的液面保持平齊。量氣管10液面高度為H1＝H11+H12。其中，H11是第一測量光幕傳感器16底端與第二工作檯15之間的高度，H12是實時測量的量氣管10液面與第一測量光幕傳感器16底端的高度。水準與補液瓶7中的液面高度為H2＝H20+H21+H22+H23，其中，H20是第一工作檯3的初始高度，H21是第一工作檯3在步進電機的作用下移動的高度，可由步進電機的步距和步數計算獲得，H22是第二測量光幕傳感器17底端與第一工作檯3之間的高度，H23是實時測量的水準與補液瓶液面同第二測量光幕傳感器17底端的高度。
以上，僅為本實用新型的較佳實施例，並非僅限於本實用新型的實施範圍，凡依本實用新型專利範圍的內容所做的等效變化和修飾，都應為本實用新型的技術範疇。