具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明一种超低浓度流动配气系统及配气方法作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。

实施例一

如图所示，一种超低浓度流动配气系统，包括：

气体质量流量控制模块，用于控制背景气和测试气以一定的质量和流量进入配气系统；

VOCs注入控制模块，用于实现液态VOCs以一定的流速注入管路；

配气控制模块，包括对VOCs注入控制模块注入的液态VOCs进行汽化的加热装置、用于对温度保持的恒温装置以及用于对测试气进行二次浓度调配的二次配气装置；

主控制模块，与气体质量流量控制模块连接用于控制背景气和测试气的质量和流量，与VOCs注入控制模块连接用于控制液态VOCs注入的开闭及流速，与配气控制模块连接用于控制加热及恒温温度并接收反馈数据，以及控制二次配气的浓度。

实施例二

本实施例提出的一种超低浓度流动配气系统，其在实施例一的基础上对气体质量流量控制模块的具体结构进行了进一步说明。本实施例中，气体质量流量控制模块包括背景气路、测试气路和分别控制各个气路流量值的第一质量流量控制器，第一质量流量控制器与主控制模块连接，背景气路包括至少三路：第一路稀释背景气1、第二路稀释背景气2和第三路稀释背景气3，各个背景气路的进气端均连接背景气源，测试气路的进气端连接测试气源，测试气路与第一路稀释背景气混合形成混合气并进入配气控制模块进行二次浓度调配；第二路稀释背景气进入配气控制模块用作稀释气；第三路稀释背景气与测试腔连接用作测试背景气。作为测试气的微量气体相较于作为背景气的标准气体含量较少、流速较小，因此将测试气路设置在第一路稀释背景气的前方，混合时有助于背景气体带走测试气体进入管道，不造成残留或堵塞现象。

本实施例中，背景气源包括氮气源4和氧气源5，氮气源分别接入三个背景气路，氧气源同样分别接入三个背景气路；测试气源6、7包括两个（VOCs1、VOCs2），测试气源分别接入两路测试气路。本实施例中，第一质量流量控制器8有八个，其中六个用于分别控制背景气路中氮气源和氧气源的质量流量。

实施例三

本实施例提出的一种超低浓度流动配气系统，其在上述实施例的基础上对VOCs注入控制模块的具体结构进行了进一步说明。本实施例中，VOCs注入控制模块包括液态VOCs源9、动力推进器10、针筒（未图示）和三通阀11，液态VOCs源通过针筒与三通阀11的一端连接，三通阀11的另两端分别连接在第一路稀释背景气1上，动力推进器10与主控制模块连接，用于控制液态VOCs以一定的流速注入第一路稀释背景气1中，与背景气混合形成液气混合路12。VOCs注入控制模块可以实现VOCs以液体的形式均匀注入管路，并且使得VOCs在管路中达到沸点迅速汽化，汽化后的VOCs会和管路中的背景气体快速混合。设置三通阀的直通两端与第一路稀释背景气连接用于通气，三通阀的第三端内部设有橡胶圈，针筒的针头从三通阀的第三端插入橡胶圈内，实现VOCs的注入与密封。

实施例四

本实施例提出的一种超低浓度流动配气系统，其在上述实施例的基础上对配气控制模块的具体结构进行了进一步说明。本实施例中，加热装置设置有两组，每组均包括有加热器和热电偶，第一组设置在液气混合路12上且位于三通阀11的前端（未图示），用于控制加热温度将液态VOCs汽化，第二组加热装置18设置在恒温装置内，用于控制恒温温度，设置位置不限于此。主控制模块中设置有温控表和可控硅（未图示），加热器、热电偶与温控表、可控硅之间形成PID闭环控制，通过温控表来调节可控硅导通角的大小，从而改变加载到加热器上电压大小来实现温度输出，温度输出后通过热电偶读回相应测量端实时的实际温度并反馈给温控表，温控表利用PID闭环控制实现温度的精准控制，实际应用表明在加热至一千多度时，加热效果依旧不错，控制精度很高。

二次配气装置包括二次稀释气路13以及依次设置在二次稀释气路13上的针阀14和第二质量流量控制器15，二次稀释气路13的进气端连接液气混合路12，二次稀释气路13的出气端连接测试腔16，第二质量流量控制器15和测试腔16之间连接有第二路稀释背景气2的出气端，针阀14与主控制模块连接用于控制气路中气体的释放，第二质量流量控制器15与主控制模块连接用于控制二次稀释气路中气体的流量。

恒温装置包括将液气混合路12和二次稀释气路13均包覆在内的恒温腔17，恒温腔由保温材质制得，第二组加热装置18设置在恒温腔17内，用于维持恒温腔内的温度保证VOCs始终为气态进行配气，热电偶测得恒温腔内实际温度并向主控制模块反馈。

由此，针阀的设计可以使混合气大部分被排出管路，以释放混合气在管路中的存量及压力，避免对二次配气的干扰；通过针阀的排空操作可以使动态二次配气甚至多次配气成为可能。第二质量流量控制器配合针阀的使用可以实现留在管路中的少量的混合气按照设定的气体流量通过MFC，以完成和第二路稀释背景气混合，微量气体在混合后的比例可以低至十亿分之一，实现ppb级超低浓度流动配气的目的。

恒温区二次配气能够精确配比ppb级超低浓度气氛，并且结合主控制模块采用例如STM32软件设定可以实现ppb级任意超低浓度值的流动气体调配；此外如果对气氛浓度有更低需求可以重复二次配气单元进行三次、四次配气。控制模块可以实现包括MFC参数、蠕动泵参数、注射泵参数、恒温区温度等参数在内的自动化控制，方便实验人员对气氛、温度环境的控制操作。

本实施例中，配气控制模块还包括缓冲区19，缓冲区19设置在液气混合路12和二次稀释气路13之间，汽化后的VOCs和背景气一同进入缓冲区19并在内混合均匀，然后流至二次稀释气路13内，缓冲区19的容积为0.5-1.0L。缓冲区可以采用缓冲瓶，该结构可以使汽化后的VOCs同管路中的背景气体混合的更加均匀充分，并且在恒温条件下不再液化，提升配气效果。

实施例五

本实施例提出的一种超低浓度流动配气系统，其在上述实施例的基础上对气路的具体结构进行了进一步说明。本实施例中，第三路稀释背景气3的出气端连接在测试腔16的前端，配气系统还包括与主控制模块连接的第一电磁阀20和第二电磁阀21，第一电磁阀20设置在二次稀释气路13上，且位于第二路稀释背景气2的出气端和第三路稀释背景气3的出气端之间，第二电磁阀21设置在第三路稀释背景气3上，第一电磁阀20和第二电磁阀21分别与废气管路22连接。两个电磁阀的设计可以使得第三路稀释背景气与配制好的ppb级超低浓度气氛快速切换，以达到测试时敏感材料对测试气体和背景气体快速切换时的不同响应，满足测试需要。当一路气体进入测试腔时，另一路气体时刻或提前处在流动状态，通过手动或自动控制实现两路气体在某一刻瞬间切换，从而改善现有的配气装置存在气体切换响应缓慢及管路内气体易变质的问题，本结构响应迅速，减小传感器测试干扰，使测试结果更准确。

实施例六

本实施例中，动力推进器10采用注射泵或蠕动泵，

采用注射泵时其输出均匀稳定但每次用完后需要更换，可用于短时间气体测试。

蠕动泵则可持续输出，但因其输出方式（弹性输送软管的交替挤压和释放）使得配出的气浓度不均匀，因此缓冲装置的设置也能改善配气不均的问题，使汽化后的VOCs同管路中的背景气体混合的更加均匀充分，提升配气效果。

本发明的配气系统在液体汽化方面，只需要采用注射泵或蠕动泵，恒温加热装置和缓冲腔，设备简单可靠，汽化通道短，在保证精度和稳定性的前提下汽化方式更简单、更可靠，成本更低。

实施例七

采用上述任一实施例的一种超低浓度流动配气系统的配气方法，包括以下步骤：

将背景气源分为至少三路：第一路稀释背景气、第二路稀释背景气和第三路稀释背景气，并通过气体质量流量控制器对每一路中各背景气进行一次稀释；

将测试气选择通过测试气源进样或液态VOCs源进样，若通过测试气源进样，则采用气体质量流量控制器进行一次稀释后接入第一路稀释背景气，形成混合气；若通过液态VOCs源进样，则采用动力推进器控制液态VOCs的流量接入第一路稀释背景气，并在入口处加热至汽化，形成混合气；

二次稀释：将上述混合气通过针阀排出设定量的气体，再通过气体质量流量控制器与第二路稀释背景气均匀混合，完成测试气的二次稀释，即为超低浓度测试气；

将第三路稀释背景气用作测试背景气；

在超低浓度测试气管路上和测试背景气管路上分别设置电磁阀，通过两个电磁阀依次轮流打开和关闭来切换往测试腔输送超低浓度测试气和测试背景气。

如图所示，第一电磁阀20和第二电磁阀21均采用三通阀，三个端口依次标注为a、b、c，20a、21a为进气口，20b、21b，20c、21c为出气口。第一电磁阀20的初始状态为20a、20b为通路，20a、20c为闭路，上电后20a、20c为通路，20a、20b为闭路，20b、20c始终为闭路。第二电磁阀21的原理相同。工作时，第一电磁阀20和第二电磁阀21依次轮流切换工作状态，当第一电磁阀20上电，第二电磁阀21为初始状态，此时20a、20c为通路，20a、20b为闭路，且21a、21b为通路，21a、21c为闭路，表现为超低浓度测试气进入测试腔16，测试背景气作为废气排出。然后通过控制模块控制，切换第二电磁阀21上电，第一电磁阀20为初始状态，此时20a、20b为通路，20a、20c为闭路，且21a、21c为通路，21a、21b为闭路，表现为测试背景气进入测试腔16，超低浓度测试气作为废气排出。该配气装置结合配气方法实现了测试气和背景气轮流切换进入后续测试夹具中，以完成传感器响应。保证了测试时气体浓度的快速切换，以保证传感器的快速响应，不会造成气体滞留，极大地提升了测试效果和性能。且被排出的气体相较于测试用气体来说流量很小，但是测试性能却得到了极大的提升。本发明可以根据测试需求的不同，搭配使用不同的测试腔等测试夹具，更加方便，适用性更广泛。

本实施例中，在接入背景气和测试气之前还包括：

对针阀的开口进行调节：根据所需测试气的浓度值，计算在针阀处所需排出的气体体积，调节针阀开口大小；

设置气体质量流量控制器的参数，控制每一路流过气体的质量流量；

设置动力推进器的参数，控制液态VOCs每分钟的进样速率；

设定对液态VOCs入口处的汽化温度和恒温区的保持温度，汽化温度由VOCs的沸点确定，保持温度略低于汽化温度。

本发明的一种超低浓度流动配气系统，其工作原理如下：

（1）气体配气原理：氮气和氧气的气瓶阀门开关打开后，氮气和氧气通过气道进入MFC模块。打开待测试微量气体（VOCs1、VOCs2）的气瓶阀门开关，一种或者两种待测试的微量气体通过气道后进入MFC模块。MFC按设定好的气体流速和比例进行配气，氮气、氧气和待测试的微量气体在管路中混合，形成第一路稀释背景气。此时共有三路不同配比的一次稀释背景气往后续气道输送，其中第一路一次稀释背景气含有待测试的微量气体，第二、第三路一次稀释背景气不含待测试的微量气体。此时VOCs注入模块不工作。第一路一次稀释背景气在往后续气道输送后进入恒温缓冲区，在针阀处被大量排出，少部分按照设定的流速通过恒温区的MFC模块，通过MFC模块的含有待测试的微量气体的第一路稀释背景气与第二路稀释背景气再次配比形成二次稀释背景气，稀释的比例和倍数可通过针阀和MFC精确调节。该二次稀释背景气已达到ppb级，即为超低浓度测试气，将第三路稀释背景气作为测试背景气，随后这两路气体分别通过两个电磁阀模块控制，依次交替往测试腔或高温炉输送测试气和背景气做响应测试。

（2）液体配气原理：与气体配气的区别如下，当氮气和氧气的气瓶阀门开关打开后，第一、二路待测试微量气体的气瓶阀门开关保持关闭。将动力推进器（注射泵或蠕动泵）打开，控制一种或者两种待测试微量样品通过液体的形式注入气路，该液体在恒温区加热后汽化与第一路稀释背景气混合，混合气经过缓冲区混合均匀后在针阀处被大量排出。

（3）气体、液体混合配气原理：与上述不同的是，同时打开待测试微量气体的气瓶阀门开关和动力推进器（注射泵或蠕动泵）的开关进行进样。

本发明的一种超低浓度流动配气系统可以实现ppb级超低浓度流动配气，可以实现敏感材料在超低浓度气氛下进行测试，且流动配气可以实现测试气氛的快速切换或保持，保证测试环境的稳定性和一致性。该系统配合原位测试腔使用可以实现使用红外光谱或者拉曼光谱在高温环境下进行原位反应动力学过程的表征。

MFC流速控制模块的9个不同量程的MFC使各路气体在管道中的含量控制得更加精准。MFC流速控制模块前8个第一质量流量控制器的设计可以配制三路相同或不同的一次稀释背景气，同时可以向系统提供两路微量测试气体，并且可以根据实际需求增加或减少MFC的数量，使得测试条件及氛围可以满足个性化的需求；第9个第二质量流量控制器的设计可以实现一次稀释背景气同VOCs混合后通过的质量流量，以实现二次稀释配气。

值得注意的是，以上所述仅为本发明的较佳实施例，并非因此限定本发明的专利保护范围，本发明还可以对上述各种零部件的构造进行材料和结构的改进，或者是采用技术等同物进行替换。故凡运用本发明的说明书及图示内容所作的等效结构变化，或直接或间接运用于其他相关技术领域均同理皆包含于本发明所涵盖的范围内。