本實(shí)用新型涉及一種基于銅氨法的高精度、自動(dòng)化氧濃度檢測(cè)裝置，屬于氣體濃度檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

銅氨法是目前國(guó)際公認(rèn)的氣體氧濃度測(cè)量金標(biāo)準(zhǔn)，現(xiàn)行相關(guān)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)中，均采用銅氨法對(duì)氣體中氧濃度進(jìn)行標(biāo)定。該方法采用純化學(xué)方法，測(cè)量結(jié)果與環(huán)境溫度、壓力無關(guān)，測(cè)量性能穩(wěn)定可靠，適于高原低壓等特殊環(huán)境下的氧濃度檢測(cè)。然而，現(xiàn)有銅氨法測(cè)量裝置是全玻璃器皿，測(cè)量過程均為人工操作，程序繁瑣，主觀因素影響大，測(cè)量自動(dòng)化程度低，便攜性差。針對(duì)大型制氧設(shè)備和特殊用途醫(yī)療設(shè)備原位、快速、精確的氧濃度測(cè)量的實(shí)際需求，特別是提升測(cè)量裝置在特殊環(huán)境下的適應(yīng)性，需要在現(xiàn)有銅氨法測(cè)量原理的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步加強(qiáng)銅氨法氧濃度測(cè)量裝置的自動(dòng)化、智能化和便攜性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是公開一種基于銅氨法的高精度、自動(dòng)化氧濃度檢測(cè)裝置，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)銅氨法測(cè)量裝置，并綜合采用電子技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、傳感器技術(shù)，提升銅氨法氧濃度測(cè)量裝置的測(cè)量精度、測(cè)量效率、便攜性和自動(dòng)化程度。

為達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采用了以下技術(shù)方案：

一種基于銅氨法的高精度、自動(dòng)化氧濃度檢測(cè)裝置，包括水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶、量氣管、反應(yīng)瓶和自動(dòng)化控制系統(tǒng)；

所述的水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶?jī)?nèi)部裝銅氨溶液，底部設(shè)置兩個(gè)接口，兩個(gè)接口上分別設(shè)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(yīng)瓶底部接口；第一閥門通過第二連接管連接三通活塞的B2端口，水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶頂部設(shè)置第三連接管，第三連接管的一端伸入水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶的液面以下，另一端連接三通活塞的B1端口，第三連接管上設(shè)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端口上分別連接排氣管、第四連接管，第四連接管連接反應(yīng)瓶頂部，反應(yīng)瓶中裝有銅氨溶液和銅絲；

所述的自動(dòng)化控制系統(tǒng)包括控制器、升降裝置和液位采集裝置；所述的升降裝置驅(qū)動(dòng)水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶在豎直方向上運(yùn)動(dòng)，所述的液位采集裝置采集水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶和量氣管內(nèi)部液位高度，所述的控制器控制雙向泵、液位采集裝置和升降裝置。

所述的升降裝置為步進(jìn)電機(jī)，步進(jìn)電機(jī)安裝在底座上，水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶設(shè)置在第一工作臺(tái)上，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)第一工作臺(tái)在豎直方向運(yùn)動(dòng)。

所述的液位采集裝置為測(cè)量光幕傳感器，第一測(cè)量光幕傳感器設(shè)置在量氣管外壁上；第二測(cè)量光幕傳感器設(shè)置在水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶外壁上。

第一測(cè)量光幕傳感器包括一組投光器和一組接收器，其分別設(shè)置在量氣管兩側(cè)外壁上；第二測(cè)量光幕傳感器包括一組投光器和一組接收器，其分別設(shè)置在水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶?jī)蓚?cè)外壁上。

所述的控制器為單片機(jī)，第一測(cè)量光幕傳感器、第二測(cè)量光幕傳感器的輸出信號(hào)經(jīng)過外部信號(hào)調(diào)理電路后，輸入單片機(jī)；單片機(jī)還連接有鍵盤，鍵盤用于測(cè)量過程中控制信號(hào)的輸入和第二工作臺(tái)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，中部管的直徑大于上端管和下端管的直徑；上端管、中部管和下端管均設(shè)置有刻度。

所述的四通活塞的A3端口上連接測(cè)量管，測(cè)量管的測(cè)量端水平放置，用于測(cè)量氧濃度高于99％的氣體，測(cè)量管的管徑為量氣管上端管徑的1/10～1/5。

所述的反應(yīng)瓶底部設(shè)置有旋轉(zhuǎn)葉輪，旋轉(zhuǎn)葉輪與控制器連接，旋轉(zhuǎn)葉輪為渦輪結(jié)構(gòu)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型至少具有以下技術(shù)效果：

本實(shí)用新型的氧濃度檢測(cè)裝置，包括水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶、反應(yīng)瓶、量氣管和控制系統(tǒng)。通過管路優(yōu)化設(shè)計(jì)將水準(zhǔn)瓶和補(bǔ)液瓶合并為一個(gè)瓶，簡(jiǎn)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。升降裝置用于控制升降臺(tái)的升降，測(cè)量光幕傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶液面同量氣管液面是否保持在同一高度，和所述步進(jìn)電機(jī)協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)雙液面的自動(dòng)調(diào)平。采用雙向泵作為驅(qū)動(dòng)裝置，取代人工調(diào)節(jié)瓶子高度利用大氣壓驅(qū)動(dòng)被測(cè)氣體流動(dòng)的方式，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量過程的自動(dòng)化控制。雙向泵實(shí)現(xiàn)對(duì)氣液管路的自動(dòng)化調(diào)節(jié)。旋轉(zhuǎn)葉輪采用渦輪驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的自動(dòng)化操作，取代人工手動(dòng)搖瓶促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)方式?？刂破骰趩纹瑱C(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。本實(shí)用新型作為一種高精度、自動(dòng)化、便攜式的氧濃度檢測(cè)裝置，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)銅氨法測(cè)量裝置，并綜合采用電子技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、傳感器技術(shù)，提升銅氨法氧濃度測(cè)量裝置的測(cè)量精度、測(cè)量效率、便攜性和自動(dòng)化程度。不僅提高了氧濃度檢測(cè)效率和環(huán)境適應(yīng)性，減少測(cè)量過程中的人為誤差，而且進(jìn)一步提高了銅氨法氧濃度檢測(cè)的精確度，具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

進(jìn)一步，采用高純氧測(cè)量管結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，對(duì)高純氧的測(cè)量精度可達(dá)0.01％，有效提升了對(duì)高純氧的氧濃度測(cè)量精度。

本實(shí)用新型的試驗(yàn)方法依次為：管路充液排氣、量氣管灌充被測(cè)氣體、被測(cè)氣體灌充反應(yīng)瓶、殘余氣體灌充量氣管、測(cè)量氧氣濃度和排除管路殘氣。采用雙向泵作為驅(qū)動(dòng)裝置，取代人工調(diào)節(jié)瓶子高度利用大氣壓驅(qū)動(dòng)被測(cè)氣體流動(dòng)的方式，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量過程的自動(dòng)化控制。綜合采用電子技術(shù)、自動(dòng)化控制技術(shù)、傳感器技術(shù)，提升銅氨法氧濃度測(cè)量裝置的測(cè)量精度、測(cè)量效率、便攜性和自動(dòng)化程度。不僅提高了氧濃度檢測(cè)效率和環(huán)境適應(yīng)性，減少測(cè)量過程中的人為誤差，而且進(jìn)一步提高了銅氨法氧濃度檢測(cè)的精確度，具有重要的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

【附圖說明】

圖1為本實(shí)用新型裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型裝置的系統(tǒng)控制原理框圖；

圖3為本實(shí)用新型裝置的雙液面自動(dòng)調(diào)平技術(shù)原理圖；

其中：1為底座；2為步進(jìn)電機(jī)；3為第一工作臺(tái)；4為第一連接管；5為第二閥門；6為第一閥門；7為水準(zhǔn)與補(bǔ)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(yīng)瓶；14為旋轉(zhuǎn)葉輪；15為第二工作臺(tái)；16為第一測(cè)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(cè)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(cè)量管；19為第三連接管；20為第二連接管。

【具體實(shí)施方式】

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行詳細(xì)說明。

如圖1所示，本實(shí)用新型是一種基于銅氨法的高精度、自動(dòng)化氧濃度檢測(cè)裝置，包括步進(jìn)電機(jī)2、水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶7、量氣管10和反應(yīng)瓶13；步進(jìn)電機(jī)2安裝在底座1上，水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶7設(shè)置在第一工作臺(tái)3上，步進(jìn)電機(jī)2驅(qū)動(dòng)第一工作臺(tái)3在豎直方向運(yùn)動(dòng)。水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶7的底部設(shè)置兩個(gè)接口，兩個(gè)接口處分別設(shè)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(yīng)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端口；水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶7頂部設(shè)置第三連接管19，第三連接管19的一端伸入水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶7的液面以下，另一端連接三通活塞9的B1端口，第三連接管19上設(shè)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端口上分別連接排氣管、測(cè)量管18和第四連接管12，第四連接管12連接反應(yīng)瓶13頂部，反應(yīng)瓶13設(shè)置在第二工作臺(tái)15上，反應(yīng)瓶13底部設(shè)置有旋轉(zhuǎn)葉輪14。水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶7內(nèi)部為銅氨溶液，反應(yīng)瓶13內(nèi)部為銅氨溶液和足量的銅絲。

本實(shí)用新型的量氣管10和水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶7上還設(shè)置有測(cè)量光幕傳感器，第一測(cè)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(shè)置在量氣管10兩側(cè)外壁上；第二測(cè)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(shè)置在水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶7兩側(cè)外壁上。測(cè)量光幕傳感器液面檢測(cè)精度不小于3mm。

其中，所述高純氧測(cè)量管水平放置，管徑為量氣管上端管徑的1/5～1/10,對(duì)高純氧的測(cè)量精度可達(dá)0.01％。

所述測(cè)量光幕傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶液面同量氣管液面是否保持在同一高度，與所述步進(jìn)電機(jī)協(xié)同工作實(shí)現(xiàn)雙液面的自動(dòng)調(diào)平。

所述雙向泵作為驅(qū)動(dòng)裝置，取代人工調(diào)節(jié)瓶子高度利用大氣壓驅(qū)動(dòng)被測(cè)氣體流動(dòng)的方式，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量過程的自動(dòng)化控制。

所述旋轉(zhuǎn)葉輪采用渦輪驅(qū)動(dòng)方式，實(shí)現(xiàn)化學(xué)反應(yīng)的自動(dòng)化操作。

所述單片機(jī)基于單片機(jī)自動(dòng)控制技術(shù)，通過對(duì)所述雙向泵、所述步進(jìn)電機(jī)和所述旋轉(zhuǎn)葉輪的控制，以及對(duì)所述測(cè)量光幕傳感器16和17的信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)測(cè)量系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。

如圖2所示，采用單片機(jī)控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的自動(dòng)化控制。雙向泵8的正反轉(zhuǎn)狀態(tài)，利用單片機(jī)向其發(fā)送正轉(zhuǎn)或者反轉(zhuǎn)信號(hào)而實(shí)現(xiàn)。步進(jìn)電機(jī)2的升降動(dòng)作，利用單片機(jī)向步進(jìn)電機(jī)2發(fā)送升降信號(hào)而實(shí)現(xiàn)。旋轉(zhuǎn)葉輪14的控制，通過單片機(jī)向旋轉(zhuǎn)葉輪14發(fā)送啟停信號(hào)而實(shí)現(xiàn)。測(cè)量光幕傳感器16和17的輸出信號(hào)經(jīng)過外部信號(hào)調(diào)理電路后，輸入單片機(jī)，經(jīng)過相應(yīng)的信號(hào)處理算法，實(shí)時(shí)計(jì)算水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶7的液面和量氣管10的液面高度。鍵盤用于測(cè)量過程中控制信號(hào)的輸入和第二工作臺(tái)15初始高度的輸入。

本實(shí)用新型的試驗(yàn)方法實(shí)施步驟依次為：管路充液排氣、量氣管灌充被測(cè)氣體、被測(cè)氣體灌充反應(yīng)瓶、殘余氣體灌充量氣管、測(cè)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端口、三通活塞9的B1端口、第一閥門6、第二閥門5，啟動(dòng)雙向泵8正轉(zhuǎn)，排空量氣管10、第二連接管12和反應(yīng)瓶13中的全部氣體，直至液體充滿整個(gè)管路。利用同樣方法排空四通活塞11的A1端口上端氣體和四通活塞11的A3端口上端測(cè)量管18氣體。

2.量氣管灌充被測(cè)氣體。打開四通活塞11的A2端口、三通活塞9的B1端口、第一閥門6，關(guān)閉第二閥門5，被測(cè)氣體經(jīng)由四通活塞11的A1端口沖壓入量氣管，致使量氣管10中的液面下移至100ml刻度附近。啟動(dòng)步進(jìn)電機(jī)2，調(diào)整水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶7的液面高度同量氣管10中的液面平齊，量氣管10內(nèi)液面與100ml刻度平齊后，關(guān)閉第一閥門6、四通活塞11和三通活塞9，停止步進(jìn)電機(jī)2。

3.被測(cè)氣體灌充反應(yīng)瓶。打開四通活塞11的A1端口、三通活塞9的B2端口、第二閥門5，關(guān)閉第一閥門6，啟動(dòng)雙向泵8正轉(zhuǎn)，將測(cè)量管10內(nèi)100ml樣品全部推至反應(yīng)瓶13，啟動(dòng)反應(yīng)瓶13底部的旋轉(zhuǎn)葉輪14。

4.殘余氣體灌充量氣管。啟動(dòng)雙向泵8反轉(zhuǎn)，抽回全部殘余氣體至量氣管10上端。

5.測(cè)量氧氣濃度。打開三通活塞9的B2口、第一閥門6，關(guān)閉四通活塞11、第二閥門5，打開步進(jìn)電機(jī)2，調(diào)整水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶7的液面高度同量氣管10液面平齊，然后讀數(shù)，測(cè)出氧濃度。如果氧濃度大于99％，啟動(dòng)雙向泵8正轉(zhuǎn)，使量氣管中的極少量殘余氣體進(jìn)入四通活塞11的A3端口上方的測(cè)量管18，當(dāng)殘余氣體全部進(jìn)入測(cè)量管18后，關(guān)閉四通活塞11，測(cè)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，采用步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)技術(shù)和測(cè)量光幕傳感器技術(shù)實(shí)現(xiàn)水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶同量氣管間雙液面的自動(dòng)調(diào)平。以固定第二工作臺(tái)15為基準(zhǔn)，測(cè)量第一工作臺(tái)3與第二工作臺(tái)15之間的高度，記為第一工作臺(tái)3的初始高度H20。當(dāng)步進(jìn)電機(jī)2上下移動(dòng)時(shí)，利用第二測(cè)量光幕傳感器17和第一測(cè)量光幕傳感器16分別實(shí)時(shí)檢測(cè)水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶7液面和量氣管10液面與第二工作臺(tái)15之間的高度，當(dāng)兩者高度一樣時(shí)，則水準(zhǔn)與補(bǔ)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(cè)量光幕傳感器16底端與第二工作臺(tái)15之間的高度，H12是實(shí)時(shí)測(cè)量的量氣管10液面與第一測(cè)量光幕傳感器16底端的高度。水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶7中的液面高度為H2＝H20+H21+H22+H23，其中，H20是第一工作臺(tái)3的初始高度，H21是第一工作臺(tái)3在步進(jìn)電機(jī)的作用下移動(dòng)的高度，可由步進(jìn)電機(jī)的步距和步數(shù)計(jì)算獲得，H22是第二測(cè)量光幕傳感器17底端與第一工作臺(tái)3之間的高度，H23是實(shí)時(shí)測(cè)量的水準(zhǔn)與補(bǔ)液瓶液面同第二測(cè)量光幕傳感器17底端的高度。

以上，僅為本實(shí)用新型的較佳實(shí)施例，并非僅限于本實(shí)用新型的實(shí)施范圍，凡依本實(shí)用新型專利范圍的內(nèi)容所做的等效變化和修飾，都應(yīng)為本實(shí)用新型的技術(shù)范疇。