一种用于反应气氛切换的自动控制气路系统
技术领域
本实用新型属于气体控制技术领域，更具体地，涉及一种用于反应气氛切换的自动控制气路系统。
背景技术
目前，在很多高校及科研院所的实验研究中，需要将实验材料长时间置于一定的高温和循环切换的反应气氛中以测试其长周期循环反应性能(如：化学链过程)，过程中涉及到在几种不同反应气氛(如还原性气氛、惰性吹扫气氛和氧化性气氛等)之间的循环切换。
现有的处理方式是通过人工控制若干个气体流量计的开闭以实现反应气氛的切换，使用过程中需要操作者手动开关多个气体流量计(或阀门)。这种人工操作方式可靠度差(无法精确控制开关时间，进而无法精确控制进入反应系统的气体流量)、耗时且效率低(特别是对于那些需要进行几十甚至上百次循环测试的实验过程)，无法达到自动切换的目的。这种人工控制的方式在使用过程中的可靠度低，会给实验过程引入较大误差，进而导致实验数据的准确性无法得到可靠保证，阻碍了科研工作的高效开展。
实用新型内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种用于反应气氛切换的自动控制气路系统，其中利用电磁阀控制气路管线的开闭，同时利用自动控制装置控制电磁阀的开闭，从而实现反应气氛切换的自动控制，进而有效解决人工切换反应气氛造成误差较大的问题，因而尤其适用于需要多次循环切换反应气氛的应用场合。
为实现上述目的，本实用新型提出了一种用于反应气氛切换的自动控制气路系统，该自动控制气路系统包括气路连接装置、流量控制装置和自动控制装置，其中：所述气路连接装置包括预设数量的气路管线和电磁阀，所述气路管线用于为气体输送提供通道，所述电磁阀用于控制各个气路管线的开闭，从而实现反应气氛的切换；所述流量控制装置包括预设数量的质量流量计，分别用于控制各个气路管线中的气体流量，进而控制气体浓度；所述自动控制装置用于控制所述电磁阀的开闭，从而实现反应气氛切换的自动控制。
作为进一步优选地，所述电磁阀为两位三通电磁阀，所述电磁阀处于开启状态时气体进入所述气路管线，所述电磁阀处于关闭状态时气体排空。
作为进一步优选地，所述气路管线之间通过机械连接件进行连接。
作为进一步优选地，所述机械连接件为三通阀或四通阀。
作为进一步优选地，所述自动控制装置包括PLC单元和计算机单元，所述PLC单元用于对所述电磁阀发出逻辑控制信号，从而控制所述电磁阀的开闭，所述计算机单元用于对所述电磁阀的开闭顺序、开闭时间和循环次数进行设置。
总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1.本实用新型利用自动控制装置对电磁阀的开闭进行控制，从而实现对各个气路管线开闭的自动控制，与传统的人工切换方式相比，阀门开闭的时间精确可调(精度为0.1s)，并且具有可靠性高、操作简单的优势，能够最大程度减少人为因素对实验过程的影响，并且减少人力成本，省去大量人工切换气路阀门的时间投入；
2.尤其是，本实用新型采用两位三通电磁阀和机械连接件将气路管线进行集成设置，能够灵活改变进入反应系统的反应气氛及浓度，具有结构紧凑、操作简单的优势，可省去厂家配气所产生的额外成本，适用于各类反应设备和科学实验；
3.此外，本实用新型采用PLC单元和计算机单元对电磁阀的开闭顺序、开闭时间和循环次数等参数进行设置，能够满足不同实验对反应气氛、反应时间、循环次数等条件的不同要求，灵活度高并且适用性广。
附图说明
图1是按照本实用新型优选实施例构建的用于反应气氛切换的自动控制气路系统的示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
F1-高纯H2，F2-高纯CO，F3-高纯Ar，F4-高纯O2，M1-第一质量流量计，M2-第二质量流量计，M3-第三质量流量计，M4-第四质量流量计，M5-第五质量流量计，V1-第一电磁阀，V2-第二电磁阀，V3-第三电磁阀，V4-第四电磁阀，V5-第五电磁阀，V6-第六电磁阀，H1-第一三通阀，H2-第二三通阀，H3-第三三通阀，H4-四通阀，C1-PLC单元，C2-计算机单元，R-反应器系统。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本实用新型实施例提出了一种用于反应气氛切换的自动控制气路系统，该自动控制气路系统包括气路连接装置、流量控制装置和自动控制装置，其中：气路连接装置包括预设数量的气路管线和电磁阀，气路管线用于为气体输送提供通道，电磁阀用于控制各个气路管线的开闭，从而实现反应气氛的切换；流量控制装置包括预设数量的质量流量计，分别用于控制各个气路管线中的气体流量，进而控制气体的浓度；自动控制装置用于控制电磁阀的开闭，从而实现反应气氛切换的自动控制。
进一步，电磁阀为两位三通电磁阀，电磁阀的进气口与质量流量计连接，电磁阀的一个出气口与气路管线连接，该电磁阀的另一个出气口作为排气口，电磁阀处于开启状态时气体进入气路管线，电磁阀处于关闭状态时气体排空。
进一步，气路管线之间通过机械连接件进行连接，机械连接件优选为三通阀或四通阀，这些机械连接件通过合理的布置，可实现气路管线的集成，以满足不同实验工况对不同反应气氛及浓度的需求。
进一步，自动控制装置包括PLC单元C1和计算机单元C2，PLC单元C1包含多通道信号输入/输出端口，可同时对多个电磁阀发出逻辑控制信号，以程序自动控制电磁阀的开启和闭合，计算机单元用于对电磁阀的开闭顺序、开闭时间和循环次数进行设置，以满足不同实验工况下对反应气氛、反应时间和循环次数的灵活调整。
下面根据氧载体在合成气化学链燃烧中的循环氧化还原反应性能测试的具体实施例对本实用新型作进一步说明。
如图1所示，将本实用新型用于氧载体在合成气(H2+CO)化学链燃烧中的循环氧化还原反应性能测试，反应气体分别为H2、CO、Ar和O2，该测试包括四个步骤的循环，即氩气吹扫阶段(Ar)，合成气还原阶段(H2/CO/Ar)，氩气吹扫阶段(Ar)和氧化阶段(O2/Ar)，此外实施例中合成气还原阶段通入10vol.％H2+10vol.％CO(Ar平衡)，氧化阶段通入20vol.％O2(Ar平衡)，吹扫阶段通入纯Ar，且不同阶段的气体总流量均保持为100mL/min，图中带箭头实线为气体管线，箭头表示气体流动方向，虚线为PLC单元1与各个电磁阀之间的信号连接线，PLC单元C1和计算机单元C2之间通过通讯网线连接，
气体F1为高纯H2，经第一质量流量计M1调节流量为10mL/min，气体F2为高纯CO，经第二质量流量计M2调节流量为10mL/min，气体F3为高纯Ar，F3分为两路，经第三质量流量计M3和第四质量流量计M4调节流量为80mL/min和20mL/min，气体F4为高纯O2，经第五质量流量计M5调节流量为20mL/min,表1是上述四个反应阶段中不同反应气氛切换时电磁阀的开关状态。
表1四个反应阶段中电磁阀的开关状态
说明：x表示阀门关闭，o表示阀门开启
在Ar吹扫阶段，仅第四电磁阀V4和第五电磁阀V5为开启状态，其它电磁阀均为关闭状态，Ar通过第二三通阀H2分流，然后经过第三质量流量计M3和第四质量流量计M4在四通阀H4处汇合，随后进入反应器系统R并对整个系统进行吹扫；
在合成气还原阶段，控制第一电磁阀V1，第二电磁阀V2和第三电磁阀V3为开启状态，其它电磁阀为关闭状态，此时经第一质量流量计M1的H2和经第二质量流量计M2的CO在第一三通阀H1处汇合，然后与经第三质量流量计M3的Ar在四通阀H4处汇合，随后进入反应系统并开始对氧载体进行还原；
在随后的Ar吹扫阶段，开启第四电磁阀V4和第五电磁阀V5，而关闭其它四个电磁阀，纯Ar进入反应系统并将反应器内残留的H2和CO吹扫出去，以避免可燃性气体与下一步骤中引入的O2混合而导致爆炸危险；
在氧化阶段，控制第五电磁阀V5和第六电磁阀V6为开启状态，其它电磁阀均为关闭状态，此时经第五质量流量计M5的O2和经第三质量流量计M3的Ar在第三三通阀H3处汇合，随后进入反应器对还原态的氧载体进行氧化再生
值得说明的是，在以上每一个步骤中，阀门开闭的时间都可任意设置，也即每个步骤的时间都任意可调，五个质量流量计的流量也可以根据特定的实验要求进行调整，以适应不同实验工况对反应时间和反应气氛浓度的不同要求；另外，对于以上实施例，在氧载体还原和氧化步骤，第四电磁阀V4均为关闭状态，也即经第四质量流量计M4的Ar没有进入到反应器中而是直接排空，事实上如果实验工况需要，在还原或氧化步骤将第四电磁阀V4置于开启状态也是完全可行的；对于循环实验，循环次数可以进行任意设置。
上述实施例是将该反应气氛程序切换的自动控制气路系统用于合成气的化学链燃烧过程，还可将该系统应用其他气体燃料(如CH4等)的化学链燃烧过程，也可以将其应用于化学链部分氧化、化学链氧化脱氢、化学链CO2还原等诸多过程，另外，上述的五个质量流量计、四种反应气氛、六个电磁阀等也只是为说明实施例而设置，对于有更多/更少气氛需求的反应系统，可以很容易地将系统中质量流量计、气体种类、电磁阀等的数量进行相应增减。得益于电磁阀的程序自动切换，可保证实验数据的准确可靠，同时对于需要多次循环切换反应气氛的反应过程可大大减少人力投入，提高运行效率和可靠度。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
