一种双组份气体混合装置的创新设计

袁佳炜 石复习

摘 要：该文介绍一种双组份气体精量混合装置的创新设计，该装置由气体量取、压强比较、气体混合和控制系统4部分组成，其中混合缸最大容积为4L。该设计引入U型管，利用连通器原理和等压定容原理，实现气体物质量的等量计量，利用小截面放大原理，提高摩尔数计量精度；通过电动推杆批次推送两个进气缸内气体，实现气体在混合缸内成比例混合。该装置可实现两种气体按比例精确混合，气体混合比例误差小于±3%。该装置对双组分气体生物、化学反应中，实现混合气的组分精确配比具有一定现实意义。

关键词：双组份气体 气体计量 比例混合 装置设计

中图分类号：TH814 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2019）02（b）-0226-05

Abstract： This paper introduces an innovative design of a two-component gas precision mixing device， which is composed of four parts： gas measurement， pressure comparison， gas mixing and control system. The maximum volume of the mixing cylinder is 4L. In this design， the u-shaped tube is introduced to realize the equal measurement of gas mass by using the principle of equal pressure and equal height and the principle of constant pressure and constant volume， and the principle of small section amplification is used to improve the measurement accuracy of mole number. The gas in the two air cylinders is pushed through the batch of electric push rod， and the gas is proportionally mixed in the mixing cylinder. The device can realize the accurate mixing of two kinds of gases in proportion， and the error of gas mixing proportion is less than 3%. The device is of practical significance to realize the accurate mixture ratio in the biological and chemical reactions of multi-component gases.

Key Words： Two-component gas； Gas metering； Proportion mixing； Device design

双组份气体混合装置是一种能将两种气体按一定比例混合的装置。在工业生产、医疗卫生、食品工业、实验研究等领域，对双组分气体的高精度配比均有一定需求[1]，尤其在有关双组份气体的生物化学实验中，气体精确配比往往是控制反应进程的关键性因素。现有装置主要包括3类：第一类是基于压力法，即向集气装置中通入不同气体的同时监测气压變化，根据其差值实现多气体比例混合。这种方法混合精度较高，但装置繁琐，需要应用较高精度的压力传感器，配气前混合缸的真空度有限，影响配气精度[2]。第二类是基于流量法，即通过控制流量阀打开时间来控制气体输送量。这类装置成本较低，效率较高，但混合精度有限，混合气压较低[3]。第三类是应用气动比例阀调节多种气体压强，使之实现气体按比例精确混合，此类装置手段先进，但气动比例阀价格昂贵，同时入口气体压力偏离常引起混合比例变化[4]。以上几类气体混合装置各有其优点，但其在混合精度的控制上，多依赖高精度压力传感器及高精度阀体，导致混合精度难以提升，限制了其在食品加工、实验研究等领域的应用。因此，亟待研究一种以物理方法控制配气精度的双组份气体精量混合装置。

该装置通过两等容活塞式进气缸实现两种气体进气；引入U型管，利用连通器原理，通过控制U型管两侧液面高度一致，实现两进气缸内两种气体压强统一，并利用等压定容原理，实现两种气体摩尔量一致，显著提高了气体摩尔量的计量精度；以电动推杆推动进气缸活塞实现进气缸内气体稳定输出；通过改变两进气缸内气体向混合缸的推送次数，实现双组份气体灵活配比；混合缸采用排水法实现排气、混气和定量供气，避免抽真空的繁琐和抽真空不足引起的混合误差。该装置具有结构简洁、混合精度高、操作简单、成本低等优点，可实现两种气体在最大混合比例1∶7内任意比例精确混合，气体混合比例误差小于±3%，对于有关双组分气体的生物、化学实验研究[5]具有重要意义。

1 系统方案

1.1 整机结构

双组份气体混合装置由左、右电动推杆，左、右气体量气装置，U型管压强比较装置，混合缸，水泵，水池，单向阀，节流阀，电磁阀，控制系统组成，如图1所示。

其具体的工作过程分为5个阶段：混合缸排气阶段、进气缸量气阶段、压强比较阶段、气体混合阶段、气体排出阶段。

混合缸排气阶段：开始工作时，先打开混合缸放气口手动阀、水泵口手动阀，并开启水泵，将水泵入混合缸中，将原有气体从放气口排出，当水位上涨至装满混合缸时，关闭放气口手动阀，并关闭水泵口手动阀，打开排水口手动阀，排水口联通一根玻璃管插入至混合缸底面5mm处，使之后气体进入时水方便流出。

气体量取阶段：左右压缩瓶内两种气源打开进气。左、右进气缸均为无盖圆柱体，进气前，活塞位于进气缸底部；进气后，活塞上的重物平衡气压力，使气体推动圆形盖活塞逐渐上升；当上升至顶端时触动行程开关，左、右进气口电磁阀关闭，左、右压强比较口电磁阀打开，左、右进气缸内气体进入U型管。

压强比较阶段：U型管内装一定液体，当两侧有压力差时U型管两侧液位不同，液位较高一侧的液位传感器向控制器发送信号，通过控制进气口电磁阀短暂开闭，使压强小的那边进一小股气，不断反复，当传感器一段时间两边都不响应，则两个进气缸内气体压强基本相等，左、右出气口电磁阀开启。

气体混合阶段：压强比较完成后打开配置比例大的一侧的出气口手动阀，按下该侧电动推杆开关，电动推杆推动该侧活塞下行，使其气体先充入混合缸，将液体从混合缸排水口压出，完全充入后触发行程开关，电动推杆回收，同时关闭该侧出气口电磁阀，打开该侧进气口电磁阀，重新充入气体，如此循环，达到预定比例后，同时打开左、右出气口手动阀，按下左、右电动推杆开关，使所有气体进行混合。混合缸内水位随着气体进入不断降低，当水位下降至据混合缸底10mm处的标示线时，关闭排水口手动阀，使液体不能流出，混合缸内气压上升，溢流阀维持混合缸气压不超过最大气压。

气体排出阶段：打开混合缸排气口手动阀，并开启水泵，由泵入混合缸中的液体将混合气体排出，通过观察液面与混合缸容积刻线，适时关停水泵实现定量供气。

1.2 控制系统

气体比例混合装置控制系统由控制器、电磁阀、行程开关、液位传感器、LED灯、电动推杆、继电器、开关电源等组成（见图2）。

控制器是STC公司的STC89C52控制器，其成本较低，低功耗、高性能，具有512字节RAM，32位I/O口线，3个16位定时器/计数器，能满足控制器对各外设的控制需求[6]。

行程开关被触发时，向控制器传送位置检测信号，使控制器向电磁阀和电动推杆发出控制信号，利用继电器，实现电动推杆换向和电磁阀开闭；液位传感器被触发时，向控制器传送液位检测信号，使控制器控制进气口电磁阀短暂开闭；当液位传感器不再发出信号时，控制器向LED灯发出控制信号，点亮LED灯，提示可以进入加一阶段。

2 关键部件设计

双组份气体混合装置的关键部件有左、右气体量取装置，U型管压强比较装置和混合缸，其结构参数直接影响装置性能。

2.1 气体量取装置设计

气体量取装置要求具有较好的气密性；充气、排气速度均匀；考虑密封胶气密性和快速接头可靠性，调节装置内气压1.80bar；考虑实验室气体用量和配气比例灵活性，充气量取0.5L。为满足以上要求，设计气体量取装置由进气缸，活塞，上、下行程开关，重物，溢流阀组成。左右两个进气缸的体积相同，有效容积为0.5L；材料为5mm有机玻璃，承压大于2bar；两个溢流阀的设定压强相同，可以初步控制两进气缸内压强为1.81bar；活塞上压重物以限制气体充满气缸的速度；理论上来讲每次量取的左右气体比例都为1∶1，只需改变气体缸充气次数即可控制混合比例。一侧气体量取装置结构如图3所示。

进气口由进气口电磁阀控制，压强比较口由压强比较口电磁阀控制由，出气口由出气口手动阀和出气口电磁阀一同控制。进气口、出气口、比较口分别用于实现气体进入进气缸，排出进气缸，进入U型管比较装置；溢气口用于配合溢流阀，压强过高时排出气体；活塞与进气缸筒壁配合，形成体积可变的密闭气室；重物用于控制活塞上升速度；上、下行程开关用于判断活塞位置，向控制器传输位置信息，控制电磁阀和电动推杆；行程开关触发点用于当活塞到达进气缸顶端及底端时，使行程开关触发。

2.1.1 活塞设计

活塞的尺寸对于气体量取装置气密性有重要影响，尺寸过小易造成气密性不足，尺寸过大易使摩擦阻力过大，影响活塞上下行运动，故要求活塞和密封圈能够与进气缸紧密配合，同时活塞可以灵活上下运动。

活塞结构如图4所示。

考虑有效充气体积0.5L，密封圈尺寸应较小以加强装置气密性，依据密封圈标准，采用O型密封圈60×2.65，-A-N-GB/T3452.1-2005（内径为60mm，截面直径为2.65mm）嵌入活塞。依据活塞与O型密封圈配合标准及缸体与O型密封圈配合标准[7]，活塞直径取63mm，卡槽深1.5mm，宽3.8mm，进气缸内径64.14mm；考虑活塞在进气缸内平衡性和间隙[8]，依据设计经验，得活塞高为：

hb=（0.6-1.0）×d （1）

其中，d为进气缸内径（mm）。

计算得hb=60mm，密封圈卡槽位于活塞中部。

O型圈弹性模量7.8MPa，泊松系数约为0.2，与缸体配合情况下密封圈外径64.14mm，线径2.65mm，缸体取用有机玻璃材料，密封圈与缸体壁摩擦系数干摩擦下为0.6～0.9，油润滑下位0.3。由此可得，O型密封圈摩擦力为：

Ff=0.19×π×π×f×e×E×d×d/1-μ×μ[7] （2）

其中，E为O型圈弹性模量（MPa）；

μ为O型圈泊松系数；

e为收缩率；

d为密封圈外径（mm）；

d为密封圈线径（mm）；

f为密封圈与进气缸壁之间的摩擦系数。

计算得（干摩擦）Ff=385.17-577.76N。（油润滑）Ff=192.59N。

依据气缸内的气体经过减压阀后，压力达到1.80bar，进气缸半径由密封环确定为30.69mm。由此可得，进气缸内气压力为：

F=P×π×r×r （3）

其中，p為进气缸内气压（bar）；

r为进气缸半径（mm）。

计算得F=532.70N，大气压力Fb=295.94N。

若电动推杆选取YS-NZ150，额定电压12V，推动力1000N，推程200mm，速度12mm/s，由此可得，下行推动力为：

F推=Fb+F电 （4）

其中，Fb为大气压力（N）；

F电为电动推杆推动力（N）。

计算得F推=1295.94N。

进气缸内气压力为532.70N，油润滑条件下O型密封圈摩擦力192.59N，由此可得下行阻力为：

F阻=F+Ff （5）

其中，F为进气缸内气压力（N）；

Ff为O型密封圈摩擦力（N）。

计算得F阻=725.29N。

F推>F阻，在油润滑条件下，可以推动活塞下行，满足设计要求。

当进气时，气压力需推动活塞上行，由以上数据可得，上行推动力与上行阻力之差为：

△F=F-Fb-Ff （6）

其中，F为进气缸内气压力（N）；

Fb为大气压力（N）；

Ff为O型密封圈摩擦力（N）。

计算得△F=44.17N。

为平衡气压力，在活塞正中心处，固定一个平头重物砝码，取砝码质量4kg，基本平衡上行推动力与上行阻力之差，以限制圆柱盖活塞上升速度，满足设计要求。

2.1.2 进气缸

要求左、右进气缸均为上开口空心圆柱体，有效体积V1均为0.5L，有效高度小于电动推杆推程。依据所选O型密封圈尺寸，进气缸内壁直径d=64.14mm，则进气缸有效高度为：

h1=4×V1/π×d2， （7）

其中，V1为进气缸有效体积（L）；

d为进气缸内壁直径（mm）。

计算得h1=154.83mm，小于电动推杆推程，满足设计要求。

常规柱塞式行程开关高度24mm，活塞高70mm，由此可得，进气缸总高度为：

H=h1+ha+hb （8）

其中，h1为进气缸有效高度（mm）；

ha为柱塞式行程开关高度（mm）；

hb为活塞高（mm）。

计算得H=280mm。

行程开关固定位置如图4所示，上方行程开关固定在活塞上部，在上升至距进气缸上部约24mm时触发，下方行程开关固定在圆柱盖活塞下部，在下降至距进气缸底部约24mm时触发，左右行程开关由于安装和器件本身存在的误差，二者触发距离最大误差4mm，由此得，最大体积偏差为：

△V=π×d2×△h/4=0.114L， （9）

其中，d为进气缸内壁直径（mm）；

△h为触发距离最大误差（mm）。

计算得△V=0.114L，误差率±2.3%。

2.2 U型管压强比较装置设计

压强比较装置要求调节两进气缸内气压基本一致，这是提高双组份气体混合精度的核心。为解决该问题，设计了U型管压强比较装置，由U型管，左、右液位传感器，液体组成，U型管压强比较装置如图5所示。

在两进气缸比较口之间，连接一个装有液体的U型管，左、右非接触式液位传感器固装于U型管两侧略高于液面的位置，以检测U型管两侧液面高度是否一致。

若一侧压强大则另一侧液面升高，液面升高促使一侧液位传感器向控制器传输低电平，使进气缸一侧进气口电磁阀打开，经试验确定延时0.3s后立即关闭，使压强低的一侧进一部分气以减小压差，反复直至两侧气压平衡，传感器不再触发。

U型管内液体取用25号绝缘油，密度895kg/m3，相比于水，相同压差下液位变化更明显。U型管比较装置要求两侧最大压差情况下，U型管内液柱仍位于U型管顶部以下。

依据溢流阀初步控制进气缸气压，两进气缸气压差△p不会超过0.01bar，由此可得，U型管预留液位高度为：

h'=△pp/（p×g）， （10）

其中，△p为两进气缸气压差（bar）；

ρ为液体密度（kg/m3）；

g为重力加速度（m/s2）。

计算得h≈90mm，则U型管选取20×200mm的U型干燥管，绝缘油高度左右均为80mm，预留120mm液柱的压强比较空间，满足设计要求。

为满足对U型管内液面检测的要求，取用非接触式液位传感器XKC-Y25-MC，通过检测装置前端发出的红外束是否受到阻隔来检测液位，最大触发误差0.5mm，当液面触及红外束时，装置向控制器传一个低电平，控制一侧进气口电磁阀短暂开启。为避免液位传感器因触发点偏移始终触发，非接触式液位传感器布置在U型管左、右82mm处，即液面向上2mm的位置，由此产生的最大误差小于5mm液柱，由此可得，液柱引起气压误差为：

△pmax=ρ×g△hmax （11）

其中，ρ為液体密度（kg/m3）；

g为重力加速度（m/s2）；

△hmax为最大液柱误差（mm）。

计算得△pmax=44.75Pa进气缸内压强要求为1.80bar，误差率0.025%。

2.3 混合缸设计

混合装置要求具有较好气密性；能够满足一般生物、化学实验气体用量；能够定量输出混合气体。为满足该要求，设计了混合缸，混合缸结构如图6所示。

混合缸由缸体，溢气口，排气口，排水口，水泵口，左侧、右侧混合缸进气口组成。左侧、右侧混合缸进气口位于混合缸下部，以使进气缸内气体进入混合缸；排气口通过手动阀控制以取用混合缸气体；排水口下连玻璃管深入混合缸底部，用于在气体进入混合缸时方便水流回水池；放气口由手动阀控制，用于向混合缸中泵水时排出原有气体；溢气口接溢流阀，用于控制混合缸内压强不超过1.80bar；混合缸排出混合气体时，除出气口手动阀、水泵手动阀打开，其余阀门均关闭避免溢气；混合缸充入混合气体时，除排水口手动阀打开，其余阀门均关闭；缸体标有容积刻度，以定量输出气体。

混合缸气压需低于进气缸气压，进气缸有效容积0.5L，则混合缸可以接受合计8次输入内的任意整数比组分混合气体。输入最多8次，混合缸内气压为1.80bar；输入最少5次，混合缸内气压为1.125bar。

依据一般实验用气体量不大，混合缸设计最大容积V2=4L；材料为5mm有机玻璃，承受压强大于2bar；要求混合缸气压大于混合缸内液柱压强，依据混合缸内最小气压1.125bar，大气压1.01bar，得气压差为：

△p=pmin-pb （12）

其中，pmin为混合缸内最小气压（bar）；

pb为大气压强（bar）。

计算得△p=0.124bar，则混合缸最大高度为：

h=△p/（ρ×g）， （13）

其中，△p为气压差（bar）；

ρ为液体密度（kg/m3）；

g为重力加速度（m/s2）。

计算得h=1.24m，依据混合缸稳定性和装置总体尺寸，取混合缸高h2=150mm，由此得混合缸底面直径。

（14）

其中，V2为混合缸设计最大容积（L）；

h2为混合缸高（mm）。

计算得D=184.3mm。

3 结语

针对双组份气体精确比例混合的需求，设计的双组份气体混合装置有以下几点创新。

（1）气体比例混合装置利用相同压强下U型管两侧液面等高原理，配合液位传感器，对与之相连的两等容进气缸进行压强调节。

（2）气体比例混合装置通过恒压条件下对等容进气缸内气体的批次推送和分批计量，实现了气体的混合比例控制。

（3）该装置无需高精度电子设备和阀体，较好满足了双气体的低成本精量混合要求，为食品工业及有关双组份气体反应的生物、化学实验提供了便利。

综上所述，该研究设计的创新型双组份气体混合装置实用性强、易于操作、混合精度高、成本低，在食品工业和气体混合相关实验中都具有较好的应用前景。

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