一种深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气方法

摘要

本发明公开了一种深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气方法，包括：将预混气瓶抽真空；根据预配制的混合气体中各种气体体积浓度计算每种气体的充气质量，得到每种气体的预混质量；将第一预混质量的氦气充入所述预混气瓶中；将第二预混质量的氧气充入所述预混气瓶中。本发明深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气方法，根据预配制的混合气体中各种气体的体积比例计算每种气体的充气质量，向预混气瓶中充入相应质量的各种气体，完成混合气体的配制。本发明的混合气体配气方法能够精确控制配制混合气体各配气成分的质量，使配气过程不受压力、温度等环境因素的影响，从而保证配气精度更加准确。

权利要求

1.一种深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气方法，其特征在于，包括：将预混气瓶抽真空；

根据预配制的混合气体中各种气体体积浓度计算每种气体的充气质量，得到每种气体的预混质量；混合气体各个配气成分的质量为，

式中， 为充入预混气瓶某一气体的质量（g）， 为配制好混合气体的预混气瓶的预3

设压力值（MPa）， 为预混气瓶的容积（m）， 为混合气体中该气体的百分比，R为摩尔气3

体常数（8.31441Pa﹒m/mol﹒K）， 为配制混合气体时该气体温度（K）， 表示该气体的摩尔质量（g/mol）；

将第一预混质量的氦气充入所述预混气瓶中；

将第二预混质量的氧气充入所述预混气瓶中；

将所述预混气瓶中的混合气体摇匀；

检测所述预混气瓶的混合气体中氧气的浓度；

若氧气浓度少于预定浓度，根据氧气的浓度计算向所述预混气瓶中应充装氧气的质量：，即 ；

若氧气浓度多于预定浓度，根据氧气的浓度计算向所述预混气瓶中应充装氦气的质量：，即 ，

式中， 为混合气体的总质量， 为测得的氧气浓度， 为第一预混质量， 为第二预混质量。

2.根据权利要求1所述的深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气方法，其特征在于，在将预混气瓶抽真空的步骤后，所述方法还包括：称取抽真空后所述预混气瓶质量。

3.根据权利要求2所述的深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气方法，其特征在于，在向所述预混气瓶中充入氦气时，所述方法还包括：实时检测所述预混气瓶的质量，当所述预混气瓶的质量达到抽真空后的预混气瓶质量与氦气的第一预混质量之和时，停止向所述预混气瓶充入氦气。

4.根据权利要求2所述的深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气方法，其特征在于，在向所述预混气瓶中充入氧气时，所述方法还包括：实时检测所述预混气瓶的质量，当所述预混气瓶的质量达到抽真空后的预混气瓶质量、氦气的第一预混质量与氧气的第二预混质量之和时，停止向所述预混气瓶充入氧气。

5.根据权利要求2所述的深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气方法，其特征在于，在将第一预混质量的氦气充入所述预混气瓶中的步骤前，所述方法还包括：将第三预混质量的氮气充入所述预混气瓶中。

6.根据权利要求5所述的深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气方法，其特征在于，在向所述预混气瓶中充入氮气时，所述方法还包括：实时检测所述预混气瓶的质量，当所述预混气瓶的质量达到抽真空后的预混气瓶质量与氮气的第三预混质量之和时，停止向所述预混气瓶充入氮气。

7.根据权利要求5所述的深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气方法，其特征在于，在向所述预混气瓶中充入氦气时，所述方法还包括：实时检测所述预混气瓶的质量，当所述预混气瓶的质量达到抽真空后的预混气瓶质量、氮气的第三预混质量与氦气的第一预混质量之和时，停止向所述预混气瓶充入氦气。

8.根据权利要求5所述的深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气方法，其特征在于，在向所述预混气瓶中充入氧气时，所述方法还包括：实时检测所述预混气瓶的质量，当所述预混气瓶的质量达到抽真空后的预混气瓶质量、氦气的第一预混质量、氧气的第二预混质量与氮气的第三预混质量之和时，停止向所述预混气瓶充入氧气。

说明书

一种深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气方法

技术领域

[0001] 本发明涉及深潜呼吸器预混气瓶的混气领域，尤其涉及一种混合气体的配气方法，用于为深潜潜水呼吸器配制混合气体作为人工空气。

背景技术

[0002] 深潜呼吸器是深水、大规模、长期水下施工和打捞作业必需配备的潜水装备，作为唯一一种可使潜水员直接暴露于高压环境开展水下作业的个人潜水防护装备，深潜呼吸器已广泛应用于失事潜艇救援、海底施工作业、水下资源勘探、海洋科学考察等军事和民用领域。

[0003] 众所周知，在深海探索中，潜水员需要面对极大的压力环境，在潜水后若减压处理不当，极易发生减压病，减压病是由于高压环境作业后减压不当，体内原已溶解的气体超过了过饱和界限，在血管内外及组织中形成气泡所致的全身性疾病。为了保障潜水员的安全，减少减压病的发生，混合气开始被广泛应用于深水潜水，例如，2019年，法国潜水员下潜到马里亚纳海沟10928米深处，创造了人类深潜的纪录，这次潜水使用了氦氧混合气，成功避免了减压病的发生，证明了氦氧混合气在深潜水的安全性和有效性。混合气是一种按照一定比例混合的气体，在深水潜水中，由于氦气的分子较小，能够更好地穿过潜水员的身体组织，从而降低减压病的风险，氦气还能减少空气的密度，使潜水员能够更加轻松地在水下活动。同时，根据水下作业的实际环境，用户还会对混合气体中的氧气、氮气含量按要求进行调整，达到适应不同情况下潜水作业的要求。绝大多数的休闲潜水者所背的气瓶内是压缩空气，即氮气、氧气的比例近似79：21，经过一定训练的潜水者可以采用高氧空气，即氧气占32%。随着科技的发展，未来将开发出更加高效的气体混合比例，从而提高潜水员的安全性和舒适度。此外，随着深海探索领域的不断拓展，氮氦氧混合气在海洋资源开发、科学研究等方面也将发挥重要作用。

[0004] 混合气体的配比精度是保障潜水员安全、顺利完成深潜水工作的关键。作为深潜呼气器核心部件的深潜呼吸器气瓶需要进行配气和充气，在配气时，需要按照使用需求将相应比例的各种气体通入预混气瓶进行混合，然后进行充气，即将预混气瓶中配制好的混合气体加压充装到深潜呼吸器气瓶中。早期深潜呼吸器的配气工作是采用眼看、手记再计算的办法进行的，这种方法的最大缺点就是充、配气效率低，配气精度低，需要反复进行配气校正，而且影响设备的安全使用。现有深潜呼吸器混合气充配气系统，其采用计算机的计算与监控，免去了人工计算、手动控制，提高了效率，保证了配气精度以及设备的使用安全，现有混合气充配气系统采用传统的分压力配气方法，由于实际配气过程中气体会被压缩，根据理想气体状态方程PV=nRT，随着气体压力的变化，预混气瓶的温度会呈非线性上升，又会影响预混气瓶中的配气压力，所以采用分压配气方法的配气精度很难保证精确。又由于充配气过程是根据预设混合气瓶压力首先计算出各种气体的压力值，然后用承装某种气体的气瓶作为预混气瓶，这样就需要首先放掉超出气体压力计算值的多余气体，导致浪费了大量的气源，例如，配制氦氧混合气体时，以承装氦气的气瓶作为初始充配气气瓶，按比例放掉其中多余的氦气，以便充入相应比例的氧气，这就导致大量氦气的浪费。

发明内容

[0005] 针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气方法，以便克服现有深潜呼气器配气方法配气精度低、配气效率低和浪费大量某一气源气体的问题。

[0006] 为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

[0007] 一种深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气方法，包括：

[0008] 将预混气瓶抽真空；

[0009] 根据预配制的混合气体中各种气体浓度计算每种气体的充气质量，得到每种气体的预混质量；

[0010] 将第一预混质量的氦气充入所述预混气瓶中；

[0011] 将第二预混质量的氧气充入所述预混气瓶中。

[0012] 进一步，在将预混气瓶抽真空的步骤后，所述方法还包括：称取抽真空后所述预混气瓶质量。

[0013] 进一步，在向所述预混气瓶中充入氦气时，所述方法还包括：实时检测所述预混气瓶的质量，当所述预混气瓶的质量达到抽真空后的预混气瓶质量与第一预混氦气质量之和时，停止向所述预混气瓶充入氦气。

[0014] 进一步，在向所述预混气瓶中充入氧气时，所述方法还包括：实时检测所述预混气瓶的质量，当所述预混气瓶的质量达到抽真空后的预混气瓶质量、第一预混氦气质量与第二预混氧气质量之和时，停止向所述预混气瓶充入氧气。

[0015] 进一步，在将第一预混质量的氦气充入所述预混气瓶中的步骤前，所述方法还包括：将第三预混质量的氮气充入所述预混气瓶中。

[0016] 进一步，在向所述预混气瓶中充入氮气时，所述方法还包括：实时检测所述预混气瓶的质量，当所述预混气瓶的质量达到抽真空后的预混气瓶质量与第三预混氮气质量之和时，停止向所述预混气瓶充入氮气。

[0017] 进一步，在向所述预混气瓶中充入氦气时，所述方法还包括：实时检测所述预混气瓶的质量，当所述预混气瓶的质量达到抽真空后的预混气瓶质量、第三预混氮气质量与第一预混氦气质量之和时，停止向所述预混气瓶充入氦气。

[0018] 进一步，在向所述预混气瓶中充入氧气时，所述方法还包括：实时检测所述预混气瓶的质量，当所述预混气瓶的质量达到抽真空后的预混气瓶质量、第一预混氦气质量、第二预混氧气质量与第三预混氮气质量之和时，停止向所述预混气瓶充入氧气。

[0019] 进一步，在将第二预混质量的氧气充入所述预混气瓶中的步骤后，所述方法还包括：将所述预混气瓶中的混合气体摇匀。

[0020] 进一步，在将所述预混气瓶中的混合气体摇匀的步骤后，所述方法还包括：检测所述预混气瓶的混合气体中氧气的浓度。

[0021] 进一步，若氧气浓度少于预定浓度，根据氧气的浓度计算向所述预混气瓶中应充装氧气的质量。

[0022] 进一步，若氧气浓度多于预定浓度，根据氧气的浓度计算向所述预混气瓶中应充装氦气的质量。

[0023] 本发明深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气方法，根据预配制的混合气体中各种气体的比例计算每种气体的充气质量，向预混气瓶中充入相应质量的各种气体，完成混合气体的配制。本发明的混合气体配气方法能够精确控制配制混合气体各配气成分的质量，使配气过程不受压力、温度等环境因素的影响，从而保证配气精度更加准确。

附图说明

[0024] 图1为本发明实施例1提供的深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气方法流程图；

[0025] 图2为本发明实施例2提供的深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气方法流程图。

具体实施方式

[0026] 为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的方案，下面结合本发明示例中的附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的示例仅仅是本发明的一部分示例，而不是全部的示例。基于本发明中的示例，本领域的普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下，所获得的所有其他实施方式都应当属于本发明保护的范围。

[0027] 在本实施方式的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于区别类似的对象，而不能理解为特定的顺序或先后次序，应该理解这样的使用在适当情况可以互换。实施例1

[0028] 如图1所示，本实施例提供了本发明一种深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气方法，包括：

[0029] S101、将预混气瓶抽真空：使预混气瓶达到指定负压力状态，为配气做配气前准备工作，保障配气精度的准确。本实施例用于抽真空的真空泵可采用通用旋片式真空泵，其抽3
气速率可达4.1m/h，可在1min内将预混气瓶的压力下降到‑0.05MPa  ‑0.07MPa。
~

[0030] S102、称取抽真空后预混气瓶的质量 ：可采用电子测量装置测量预混气瓶的质量，在整个配气过程中，电子测量装置还可以实时检测预混气瓶的质量。

[0031] 本实施例混合气体配制的过程中测量的是整个预混气瓶的质量，以40L的预混气瓶为例，抽真空状态下的质量为50kg左右，因此，用于测量质量的测量装置的测量范围需要达到60kg左右，质量测量精度越高，配气精度越高，需要测量装置的测量精度也得很高。那么，采用称量质量的方法配气必须选择一个测量范围大于等于60kg、测量精度高的测量装置。例如，测量装置测量范围为80kg、测量精度1g，完全满足配气的需要。

[0032] S103、计算混合气体中每种气体的充气质量：根据欲配制的混合气体中各种气体的比例计算每种气体的充气质量，得到每种气体的预混质量，具体计算方法如下：

[0033] 根据理想气体方程：

[0034] 式中，P为气体的压力（Pa），V为气体的体积（m3），m是气体质量（g），R是摩尔气体常3
数（8.31441Pa﹒m/mol﹒K），T是气体温度（K），M是摩尔质量（g/mol）；

[0035] 那么，混合气体各个配气成分的质量为

[0036] 式中， 为充入预混气瓶某一气体的质量（g）， 为配制好混合气体的预混气瓶3
的预设压力值（MPa）， 为预混气瓶的容积（m）， 为混合气体中该气体的百分比，R为摩
3
尔气体常数（8.31441Pa﹒m /mol﹒K）， 为配制混合气体时该气体温度（K）， 表示该气体的摩尔质量（g/mol）。

[0037] 从理想气体方程来看，质量与体积成正比，同时气体的质量不受温度、压力的影响。混合气体中各种气体的浓度比，实际上是各种气体的质量比，本申请的配气方法就是直接测量配气过程中各种气体的质量，控制配气后的混合气体的质量比实现浓度比配气，所以此方法为配气最直接的方法。由于使用称量质量的方法配制混合气体，因此，质量测量是唯一影响配气精度的因素，质量测量精度越高，配气精度越高。

[0038] 以在常温状态下配制1瓶15MPa、40L氦氧混合气体（氦气95%、氧气5%）为例，计算混合气体中每种气体的充气质量步骤为：

[0039] 使用纯氦（不低于99.99%），混合气体中氦气的质量 为

[0040]

[0041] 使用医用氧（不低于99.5%）混合气体中氧气的质量 为

[0042]

[0043] 混合气体的总质量 为

[0044]

[0045] 原呼吸器配气采用分压配气法，分压配气法是根据道尔顿定律（Dalton’s law）得出的。道尔顿定律描述的是混合气体总压与各组成气体分压的关系；即：当温度不变时，混合气体总压等于各组成气体的分压之和。以公式表示即为：

[0046] 可以通过气体的总压和各组成气体的百分比推算出某一组成气体的分压值，其公式为：

[0047] 式中， 表示某一气体的分压，为混合气体的总压， 表示混合气体中该气体的百分比。通过上述的公式显示道尔顿定律在温度不变的情况下才能成立，也就是说温度和压力是影响分压配气法配气精度的因素。分压配气法在配气过程中认为温度是不变的，但是实际上在配气过程中随着气体压力增加，气体的温度也是上升的，同时气体与环境存在热交换，从而气体实际温度呈现非线性上升，所以根据道尔顿定律演算出分压配气方法的配气精度很难精确。

[0048] 综上所述，本发明的采用质量配气的方法相较于分压配气方法，其原理简单、应用容易、配气精度高。

[0049] S104、向预混气瓶充入氦气。

[0050] S105、当充入氦气的质量为第一预混质量 时，停止充入氦气：在本实施例中，通过实时检测预混气瓶的质量来判断充入氦气的质量是否符合要求，即当预混气瓶的质量达到抽真空后的预混气瓶质量 与氦气的第一预混质量 之和时，停止向预混气瓶充入氦气。

[0051] S106、向预混气瓶充入氧气。

[0052] S107、当充入氧气的质量为第二预混质量 时，停止充入氧气：在本实施例中，通过实时检测预混气瓶的质量来判断充入氧气的质量是否符合要求，即当预混气瓶的质量达到抽真空后的预混气瓶质量 、氦气的第一预混质量 与氧气的第二预混质量之和时，停止向预混气瓶充入氧气。

[0053] S108、将预混气瓶中的混合气体摇匀：可将预混气瓶存放到摇匀装置，通过摇匀装置的工作，使预混气瓶内部的混合气体达到充分混合。通过对预混气瓶进行摇匀操作，减少了配气后预混气瓶内混合气体的混合时间，可以减少向呼气器气瓶进行充气的充气等待时间。

[0054] S109、检测混合气体的氧气浓度：即检测混合均匀后预混气瓶中混合气体的氧气浓度。可利用氧气分析仪测量预混气瓶内混合气体的氧气浓度。

[0055] S1091、若氧气浓度少于预定浓度，充入应充装质量的氧气：根据测得的混合气体的总质量 和氧气浓度 计算向预混气瓶中应充装氧气的质量 ，

[0056] 。

[0057] S1092、若氧气浓度多于预定浓度，充入应充装质量的氦气：根据测得的混合气体的总质量 和氧气浓度 计算向预混气瓶中应充装氦气的质量 ，。

[0058] 需要说明的是，当氧气浓度不在预定范围，向预混气瓶中充入相应量的氧气或氦气后，可以继续执行S108摇匀混合气体和S109检测氧气浓度的操作。实施例2

[0059] 如图2所示，本实施例提供了本发明另一种深潜呼吸器预混气瓶的混合气体配气方法，包括：

[0060] S201、将预混气瓶抽真空：使预混气瓶达到指定负压力状态，为配气做配气前准备工作，保障配气精度的准确。本实施例用于抽真空的真空泵可采用通用旋片式真空泵，其抽3
气速率可达4.1m/h，可在1min内将预混气瓶的压力下降到‑0.05MPa  ‑0.07MPa。
~

[0061] S202、称取抽真空后预混气瓶的质量 ：可采用电子测量装置测量预混气瓶的质量，在整个配气过程中，电子测量装置还可以实时检测预混气瓶的质量。

[0062] 本实施例混合气体配制的过程中测量的是整个预混气瓶的质量，以40L的预混气瓶为例，抽真空状态下的质量为50kg左右，因此，用于测量质量的测量装置的测量范围需要达到60kg左右，质量测量精度越高，配气精度越高，需要测量装置的测量精度也得很高。那么，采用称量质量的方法配气必须选择一个测量范围大于等于60kg、测量精度高的测量装置。例如，测量装置测量范围为120kg，精度达到1×30000e，检定分度值5g，氧气比重1.429g/L，按照40L/20MPa充装25%氧气计算，氧气的质量为2858g，电子天平精度为5g，因此，理论计算的称重误差为0.175%，满足测量范围和测量精度的要求。

[0063] S203、计算混合气体中每种气体的充气质量：根据欲配制的混合气体中各种气体的比例计算每种气体的充气质量，得到每种气体的预混质量，具体计算方法与实施例1中的计算方法相同。

[0064] 以在常温状态下配制1瓶15MPa、40L氮氦氧混合气体（氮气60%、氦气15%、氧气25%）为例，计算混合气体中每种气体的充气质量步骤为：

[0065] 使 用纯 氮（不低 于 99 .9 9 %），混 合气 体 中氮 气的 质量 为[0066] 使 用纯 氦（不低 于 99 .9 9 %），混 合气 体 中氦 气的 质量 为[0067] 使 用 医 用氧（不 低 于 99 .5 %）混合 气 体 中 氧 气的 质 量 为[0068] 混合气体的总质量 为

[0069] S204、向预混气瓶充入氮气。

[0070] S205、当充入氮气的质量为第三预混质量 时，停止充入氮气：在本实施例中，通过实时检测预混气瓶的质量来判断充入氮气的质量是否符合要求，即当预混气瓶的质量达到抽真空后的预混气瓶质量 与氮气的第三预混质量 之和时，停止向预混气瓶充入氮气。

[0071] S206、向预混气瓶充入氦气。

[0072] S207、当充入氦气的质量为第一预混质量 时，停止充入氦气：在本实施例中，通过实时检测预混气瓶的质量来判断充入氦气的质量是否符合要求，即当预混气瓶的质量达到抽真空后的预混气瓶质量 、氮气的第三预混质量 与氦气的第一预混质量之和时，停止向预混气瓶充入氦气。

[0073] S208、向预混气瓶充入氧气。

[0074] S209、当充入氧气的质量为第二预混质量 时，停止充入氧气：在本实施例中，通过实时检测预混气瓶的质量来判断充入氧气的质量是否符合要求，即当预混气瓶的质量达到抽真空后的预混气瓶质量 、氮气的第三预混质量 、氦气的第一预混质量与氧气的第二预混质量 之和时，停止向预混气瓶充入氧气。

[0075] S210、将预混气瓶中的混合气体摇匀：可将预混气瓶存放到摇匀装置，通过摇匀装置的工作，使预混气瓶内部的混合气体达到充分混合。通过对预混气瓶进行摇匀操作，减少了配气后预混气瓶内混合气体的混合时间，可以减少向呼气器气瓶进行充气的充气等待时间。

[0076] S211、检测混合气体的氧气浓度：即检测混合均匀后预混气瓶中混合气体的氧气浓度。可利用氧气分析仪测量预混气瓶内混合气体的氧气浓度。

[0077] S2111、若氧气浓度少于预定浓度，充入应充装质量的氧气：根据测得的氧气浓度计算向预混气瓶中应充装氧气的质量 ， ，即。

[0078] S2112、若氧气浓度多于预定浓度，充入应充装质量的氦气：根据测得的氧气浓度计算向预混气瓶中应充装氦气的质量 ，即。

[0079] 需要说明的是，当氧气浓度不在预定范围，向预混气瓶中充入相应量的氧气或氦气后，可以继续执行S210摇匀混合气体和S211检测氧气浓度的操作。

[0080] 最后，可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域普通技术人员而言，在不脱离本发明的原理和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。