一种过滤排气集成系统及其控制系统的制作方法

1.本发明涉及尾气处理设备技术领域，更具体涉及一种过滤排气集成系统及其控制系统。


背景技术：

2.气体处理系统可对腔体内的气体实现过滤、排气、抽除及气体流量测量控制、排气压力测量控制，以及气体成分检测等功能。
3.现有专利公告号为wo2005113950a2的专利文献公开了一种壁流微粒捕集器系统，其通过过滤排气在多个管状通道的多孔壁上的反向压降再生，压降和持续时间足以排出收集的烟尘和灰烬。该系统包括具有入口和出口的微粒收集器，从微粒收集器的入口偏移的模式阀组件；从至少一个微粒收集器的出口偏移的远程驱动安全阀，位于微粒收集器和模式阀组件之间的管道转子，管道转子具有第一端和第二端，管道转子的第二端与模式阀组件工作连通，管道转子的第一端与微粒收集器的入口流体连通；以及与所述管道转子驱动连接的转子驱动器。
4.气体处理系统在天然气处理领域有大量的应用，现有的气体处理系统控制点位多，通道复杂。设计的高集成度气体处理系统结构复杂，体积庞大，由种类繁多的零部件组成，分布着实现气体供应的气体输入模块，实现同步实时检测气体成分的气体检测模块，实现采样不同压力下的气体取样模块，实现制造输送管道内真空环境的真空模块，以及多种监测压力、气体流量等反应条件的仪器仪表等。
5.阀门是高集成度气体传输系统中的重要部件，当前，国内阀门多为手动机械阀门，智能控制阀门仍处于起步阶段，且为单线式控制，而高集成度气体传输系统功能丰富，需要安全可靠、操作便捷的总线式控制，考虑在高集成度气体传输系统中采用模块化阀门。目前日本富士金集团和fitok研制的模组化气体系统主要应用于半导体行业的气体控制设备，均采用符合semi标准的表面安装元件，进行模块化设计，在缩小设备体积的同时，安装和维护变得简单。但是，设计高集成度气体传输系统需要实现高流量，现有设备无法实现。因此，研制一种智能模组化阀门，实现高集成度气体传输系统的多功能、高流量、快连接和智能控制。
6.当前，整个过滤排气系统集成后连接管路复杂，其公开的阀组及连接管路设置数量多，且占用空间大，无法满足集成需求。因此，在过滤排气系统领域存在两个亟待解决的技术问题，一是设计研制新的阀门，使其具有多通功能且可以进行总线式集中控制；二是实现过滤排气系统中零部件的小型化、整体结构的集成化设计。
7.当整个过滤排气系统集成后连接管路复杂，其公开的阀组及连接管路设置数量多，且占用空间大，无法满足集成需求。


技术实现要素：

8.本发明所要解决的技术问题在于，如何实现系统的小型化，减小安装尺寸，节省安
装空间。
9.本发明通过以下技术手段实现解决上述技术问题的：一种过滤排气集成系统，包括依次连通的进气单元、过滤单元、排气单元、储气单元，所述排气单元包括气体模组、质谱检测模块、真空泵组，所述进气单元依次通过质谱检测模块、气体模组与储气单元相连，所述气体模组包括相互连通的流量控制模块、气体取样模块，所述流量控制模块分别通过阀组模块与气体取样模块和真空泵组相连，所述阀组包括设有多个切换通道的控制阀，多个切换通道均设于所述控制阀的阀杆内，且其输入端共用一个接口，所述气体取样模块、真空泵组的输入端口分别与控制阀的切换通道对应连接。
10.通过多个带有多个切换通道的控制阀的设置，使得多个切换通道集成在控制阀的阀杆内，减少了原先设置的多个控制阀门及连接管路的占用空间，可根据阀组间阀位逻辑实现不同切换通道的组合，减小了气体模组的安装尺寸，节省了安装空间。
11.作为优选的技术方案，所述流量控制模块包括流量控制器，所述流量控制器设有输入端转接头和输出端转接头，所述流量控制器的输入端转接头和输出端转接头分别通过密封连接件与相邻控制阀相连，所述流量控制器固定设于密封连接件上，且其与密封连接件、控制阀相连的端部均为平面密封。
12.作为优选的技术方案，所述密封连接件为l型转接板，两个所述l型转接板均包设于流量控制器底部，且关于流量控制器轴线对称分布，所述l型转接板包括竖直段和水平段，其竖直段朝向流量控制器的一端与流量控制器的转接头密封固定，其竖直段背离流量控制器的一端与控制阀密封固定，所述流量控制器设有两组，且并排设置。
13.通过两组流量控制器的设置，实现一用一备，提高了系统运行稳定性，通过密封连接件及其两端均设置平面密封，提高了密封可靠性，同时采用密封连接件代替原有的螺纹密封，缩小了整体尺寸，提高了与模组组装后外观的一致性。
14.作为优选的技术方案，所述控制阀的阀杆周向开设有多个开孔，多个开孔沿阀杆周向呈螺旋分布，所述阀杆与阀组的驱动电机传动连接，所述驱动电机驱动阀杆以其轴线为转轴转动，以开启和关闭相应所述切换通道。
15.作为优选的技术方案，所述过滤单元包括过滤单元箱体、多级过滤器，所述多级过滤器固定设于过滤单元箱体内，且其输入端和输出端分别与进气单元的输出端和排气单元的输出端相连，所述多级过滤器包括多个依次串联的次级过滤器，所述次级过滤器包括壳体、支撑板、压环、滤芯，所述壳体内壁固定有环状支撑板，所述环状支撑板中心线处开设有通孔，所述滤芯嵌设于通孔内并通过压环连接紧固，所述过滤单元的输入端口和输入端口均设有压力传感器。
16.作为优选的技术方案，所述滤芯包括沿多级过滤器周向依次分布的第一滤芯、第二滤芯、多个第三滤芯，所述第一滤芯为粗海绵，所述第二滤芯为细海绵和聚丙烯，所述次级过滤器内壁开设有安装凹槽，所述第三滤芯与次级过滤器相连的一端伸入安装凹槽内部并与其粘接固定，所述第三滤芯与次级过滤器相连的一端为锯齿状，所述安装凹槽与其相连的端面开设有与其相适配的对接凸起。
17.通过将第三滤芯与次级过滤器相连的一端设置为锯齿状并伸入安装凹槽内，并设置对接凸起与第三滤芯锯齿状连接部配合，增大了第三滤芯与次级过滤器的接触面积，提高了第三滤芯的连接强度，通过第三滤芯与次级过滤器粘接固定，可防止污染气体从边缘
处泄漏，通过在第三滤芯两端设置钢丝网压环，可防止气体冲击力过大使得滤芯变形过大损坏密封结构。
18.作为优选的技术方案，所述排气单元还包括在线监测模块，所述在线监测模块包括检测支路、气体检测仪、成分检测缓冲罐，所述检测支路两端均与排气单元的主管路相连，且检测支路与主管路相连的一端均设有控制阀门，所述检测支路上设有成分检测缓冲罐和与检测气体相适配的气体监测仪。
19.一种过滤排气集成系统的控制系统，包括如下步骤：
20.步骤1：根据过滤排气系统气动控制原理，确定电气结构，进行分块式控制设计；步骤2：确定过滤排气系统硬件系统选型和总线式通信方式；步骤3：设计控制系统关键流程程序，确定过滤排气系统自动化流程算法；
21.步骤1中，具体包括：
22.步骤11：分配排气系统控制单元；大容量高压气体过滤排气系统功能复杂、流程秩序性强、电气设备较多，为了实现既可以集中管理、又可以分散控制，同时实现数据共享，将排气系统分为两个独立的控制单元，一个为过滤单元的控制单元，只包含过滤模块，一个为排气单元的控制单元，主要包括气体模组、气体取样模块、在线检测模块；
23.步骤12：搭建过滤控制单元；过滤控制单元主要包含高压气体进入管路，到最后流出高效过滤器的部分，由气源、多级过滤器、电动控制阀门、压力传感器、温度湿度传感器、冷却风机、冷却机组等组成，采用多个电动控制阀门配合，通过传感器反馈信号，利用plc输出工作状态及报警信息，控制电磁阀来实现电动控制阀门的气缸动作、冷风机组的开关动作，完成过滤和冷却工序；
24.步骤13：搭建排气控制单元；排气控制单元主要包含对经过过滤后的气体进行取样、成分检测和排气排出等流程，由电动控制阀门、压力传感器、温度湿度传感器、气体检测仪、真空泵冷却机组、质量流量计、减压阀、取样瓶等组成，同样是采用多个电动阀门配合，通过传感器反馈信号，利用plc输出工作状态及报警信息，控制电磁阀来实现电动控制阀门的气缸动作、真空泵机组的开关动作，完成相应工序；
25.步骤2中：具体包括：
26.步骤21：搭建控制系统硬件；控制系统由plc控制器、上位机和各模组单元子站组成，采用rs485总线式通信，完成对系统中各类信号采集，各设备的控制、状态监控及自动流程的逻辑运算和判断，对系统的故障诊断与预警；
27.步骤22，搭建信号采集模块；信号采集模块主要测量管路分布中关键节点的压力，作为整个系统过滤排气操作流程的判断指标；利用温湿度传感器，测量管路内温湿度，便于启闭冷却模块对过滤模块进行降温冷却；采集质量流量计信号和电磁阀的开关信号，进行管路的实时气体流速反馈和智能电动阀门的状态输出；
28.步骤23：搭建信息处理模块；采用plc，通过rs485总线式通信，进行各电动阀门的启闭控制，通过设计的自动操作流程运算判断，实现系统的逻辑功能，进行相应工序的命令输出，实现与plc的实时数据交换；实时进行管路内压力、温度、湿度等关键数据显示，实现管路内的状态监控；实现历史数据记录、数据处理分析等功能；
29.步骤24：搭建动作执行模块；通过传输的信号指令，各电动阀门、冷却机组、真空泵机组等相互配合，实现系统的相应工序；
30.步骤25：搭建故障报警模块；故障报警模块对出现的故障进行报警灯提示，同时给出初步处理措施，提示现场操作人员进行及时处理；为提高系统安全系统，系统设计安全互锁程序，有逻辑冲突的操作、误操作等无法执行，对于高风险操作，设置确认程序；
31.步骤26：搭建自动控制系统。
32.作为优选的技术方案，所述步骤3中，具体包括：
33.步骤31：一键过滤排气程序设计；过滤排气系统需要控制启闭的电动阀门不仅数量大，而且需满足适用于各项操作工序的启闭顺序逻辑要求，人为误操作的可能性较大，因此，需要设计一键过滤排气程序，实现大容量高压气体的自动排放；过滤单元和排气单元各采用型号为haiwellah16s0r的plc，需要设定不同信号的modbus通讯协议地址，进行过滤单元与排气单元之间的温度、压力、湿度及阀门状态和结果等互相传输，便于程序的自动逻辑运算。一键过滤排气逻辑流程图如图所示；
34.过滤单元按照工序顺序依次标定第i(i＝1,2
…imax
)个阀门，i
max
为此单元最后一个阀门；排气单元按照工序顺序依次标定第j(j＝1,2
…jmax
)个阀门，j
max
为此单元最后一个阀门。
35.步骤32，点击一键过滤排气开始按钮后，设计自动过滤排气算法。
36.步骤33，搭建一键取样程序。在高压气体排泄过程中，抽取特定压力下的气体样本进行成分检测，开始取样前需要清洗取样管路，减少卸压前期气体中颗粒物沉淀对样本气体的影响。清洗流程分为两种，一种为直接动力卸压清洗，一种为n2清洗。采用动力泵进行卸压清洗时，需要卸压管路中的压力降为负压，关闭取样管路前端阀门，同时启闭泵对管路前后压力以及通断要求较高，启动泵需要保证管路后端压力低于大气压且后端必须是通路，否则将泵会烧坏。利用n2清洗时只需要清洗取样管路，因此需要将取样管路前端和后端的阀门关闭。在前期准备完成后，进行气体取样时，需要将取样管路前端开通，取样管路后端关闭，保证气体流入取样瓶。取样工序对管路的智能阀门和动力泵的状态要求高且变化多，因此设计取样流程自动化算法，减少人为误操作风险。
37.作为优选的技术方案，所述步骤32中，具体包括：
38.步骤321，输出打开第i(＝1)个阀门命令至电动阀门的执行器，当第i个阀门已完全打开，反馈其开关结果；
39.步骤322，自动控制打开第i+1个阀门，直至第i
max
个阀门完全打开，完成一键过滤排气前段，并传输一键过滤排气前段完成信号至排气单元；
40.步骤323，排气单元按照工序要求依次打开第j个阀门，当第j
max
个阀门完全打开输出反馈信号；
41.步骤324，自动设置气体流量为f_set1,同时输出完成一键过滤排气完成信号至上位机，并且将信号反馈至过滤单元；
42.步骤325，过滤排气运行30分钟后，将气体流量设置为f_set2，持续进行卸压。
43.本发明的优点在于：
44.(1)本发明中，通过多个带有多个切换通道的控制阀的设置，使得多个切换通道集成在控制阀的阀杆内，减少了原先设置的多个控制阀门及连接管路的占用空间，可根据阀组间阀位逻辑实现不同切换通道的组合，减小了气体模组的安装尺寸，节省了安装空间。
45.(2)本发明中，通过两组流量控制器的设置，实现一用一备，提高了系统运行稳定
性，通过密封连接件及其两端均设置平面密封，提高了密封可靠性，同时采用密封连接件代替原有的螺纹密封，缩小了整体尺寸，提高了与模组组装后外观的一致性。
46.(3)本发明中，通过将第三滤芯与次级过滤器相连的一端设置为锯齿状并伸入安装凹槽内，并设置对接凸起与第三滤芯锯齿状连接部配合，增大了第三滤芯与次级过滤器的接触面积，提高了第三滤芯的连接强度，通过第三滤芯与次级过滤器粘接固定，可防止污染气体从边缘处泄漏，通过在第三滤芯两端设置钢丝网压环，可防止气体冲击力过大使得滤芯变形过大损坏密封结构。
附图说明
47.图1为本发明实施例提供的整体系统示意图；
48.图2为本发明实施例提供的气体模组箱体内部结构示意图；
49.图3为本发明实施例提供的第一阀组结构示意图；
50.图4为本发明实施例提供的第一杆套剖面结构示意图；
51.图5为本发明实施例提供的第二阀组结构示意图；
52.图6为本发明实施例提供的第二阀组阀杆剖面结构示意图；
53.图7为本发明实施例提供的第二杆套剖面结构示意图；
54.图8为本发明实施例提供的第五阀组结构示意图；
55.图9为本发明实施例提供的第五杆套剖面结构示意图；
56.图10为本发明实施例提供的第五阀杆结构示意图；
57.图11为本发明实施例提供的气道板结构示意图；
58.图12为本发明实施例提供的排气单元内部结构示意图；
59.图13为本发明实施例提供的流量控制器结构示意图；
60.图14为本发明实施例提供的l型转接板结构示意图；
61.图15为本发明实施例提供的过滤单元结构示意图；
62.图16为本发明实施例提供的过滤单元内部结构示意图；
63.图17为本发明实施例提供的多级过滤器剖面结构示意图；
64.图18为本发明实施例提供的第四气道结构示意图；
65.图19为本发明实施例提供的基础阀组结构示意图；
66.图20为本发明实施例提供的基础阀组工作模式结构示意图；
67.图21为本发明实施例提供的阀杆截面结构示意图；
68.图22为本发明实施例提供的基础阀组的出气口结构示意图；
69.图23为本发明实施例提供的过滤器应力实验数据示意图；
70.图24为本发明实施例提供的外筒体应力实验数据示意图；
71.图25为本发明实施例提供的滤芯有效过滤面积结构示意图；
72.图26为本发明实施例提供的压降位置曲线示意图；
73.图27为本发明实施例提供的过滤效率曲线示意图；
74.图28为本发明实施例提供的压降实验结构示意图；
75.图29为本发明实施例提供的过滤器压降测试平台结构示意图；
76.附图标号：
77.1、过滤单元；11、过滤单元箱体；12、多级过滤器；121、次级过滤器；1211、安装凹槽；1212、对接凸起；122、支撑板；1221、通孔；123、压环；13、滤芯；131、第一滤芯；132、第二滤芯；133、第三滤芯；2、排气单元；21、气体模组；210、气体模组箱体；22、质谱检测模块；221、流量控制模块；2211、流量控制器；2212、l型转接板；222、气体取样模块；223、在线检测模块；2231、检测支路；2232、气体检测仪；2233、成分检测缓冲罐；23、真空泵组；24、总控模块；25、阀组模块；2501、第一阀组；2501、第一阀组；25011、第一阀组壳体；25012、第一阀杆；25013、第一杆套；25014、第一通孔；25015、第一连接通道；25016、第二连接通道；2502、第二阀组；25021、第二阀组壳体；25022、第二阀杆；25023、第二杆套；250231、第一导通孔；250232、第二导通孔；250233、第三导通孔；250234、第四导通孔；25024、第一输入通道；25025、第一输出通道；25026、第二输出通道；25027、第三输出通道；25028、第一环状腔室；2503、第三阀组；2504、第四阀组；2505、第五阀组；25051、第五阀组壳体；25052、第五阀杆；25053、第五杆套；25054、第二环状腔室；250531、第五导通孔；250532、第六导通孔；250533、第七导通孔；2506、第六阀组；2507、第七阀组；2508、基准阀组；25081、外安装座；250811、第一出气口；250812、第二出气口；250813、第三出气口；250814、第一进气口；25082、内密封衬套；250821、导气通孔；25083、轴承上密封盖；25084、旋转切换芯轴；250841、第一出气孔；250842、第二出气孔；25085、轴承；25086、卡簧；25087、下密封压盖；251、控制阀；2511、阀杆；2512、开孔；252、驱动电机；253、气道板；2531、气道；25311、第一气道；25312、第二气道；25313、第三气道；25314、第四气道；25315、第五气道；26、排气单元箱体；3、储气罐；4、氮气罐；5、压力传感器；61、空气净化模块；62、污染物注入口；63、上游采样口；64、压差采样口；65、待测过滤器；66、第一下游采样口；67、第二下游采样口；68、选配管道；69、喷嘴箱。
具体实施方式
78.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
79.参阅图1、图10，一种过滤排气集成系统，包括依次连通的进气单元、过滤单元1、排气单元2、储气单元，本实施例中，储气单元为储气罐3，排气单元2包括气体模组21、质谱检测模块22、真空泵组23、总控模块24、阀组模块25、排气单元箱体26，气体模组21、质谱检测模块22、真空泵组23、总控模块24均固定连接在排气单元箱体26内，本实施例中，四位三通阀为第二阀组2502，其中，真空泵组23固定在排气单元箱体26底部，质谱检测模块22位于真空泵组23顶部，进气单元依次通过质谱检测模块22、气体模组21与储气罐3相连，气体模组21设有两个分支通路，分别为高压排气直排通路和通过真空泵的负压排气通路，管道内气体压力较高时，通过直排通路排气；当首次排放后，腔内压力降为常压，再通过真空泵从腔内抽气，达到负压状态(约20kpa)，进行真空动力排气，出现问题时有备用手动阀门通路可以保证排气功能实现；
80.气体模组21包括相互连通的流量控制模块221、气体取样模块222、多个旋转多通阀、多个单通阀、主流道，多个旋转多通阀、多个单通阀、流量控制模块、流量控制模块221、气体取样模块222分别连接在主流道的上下游，气体取样模块222位于真空泵组23顶部，流
量控制模块221分别通过阀组模块25内的不同阀组与气体取样模块222和真空泵组23相连，阀组模块25包括设有多个切换通道的控制阀251，多个切换通道均设于控制阀251的阀杆2511内，且其输入端共用一个接口，气体取样模块222、真空泵组23的输入端口分别与控制阀251的切换通道对应连接；旋转多通阀包括转子、定子、驱动部，转子转动设于旋转多通阀内且与驱动部的输出端传动连接，定子固定设于旋转多通阀内并与转子转动配合，定子上开设有输入端口和多个输出端口，输入端口和多个输出端口分别形成多个切换通道；
81.需要说明的是，排气单元箱体26内设有氮气冲洗接口，氮气冲洗接口与外部氮气罐4相连，可实现对整个管路的冲洗。
82.集成式气体模组中的旋转多通阀或单通阀的设计方法包括如下步骤：
83.需要说明的是，本实施例中以旋转多通阀为例；
84.s1：设计圆柱形旋转多通阀结构，确定圆柱形多通阀的工作模式；
85.s2：根据功能与密封要求，设计圆柱形旋转多通阀的孔径和阀杆；
86.s3：基于动力学软件分析圆柱形旋转多通阀的流阻特性，确定通孔的位置；
87.s4：计算圆柱形旋转多通阀的漏率，保证高密封性；
88.s5：基于圆柱形旋转多通阀设计集成式气体处理模组系统，并开展实验测试，保证集成式气体模组系统满足功能要求。
89.其中步骤s1包括如下步骤：
90.s11：确定圆柱形高密封旋转阀的主要结构构成；参阅图19，以基准阀组2508为例，圆柱形高密封旋转阀左端上部为气体输入端口，下端分别设计三个气体出口(即输出端口)和对应的封堵结构，基准阀组2508包括有外安装座25081、内密封衬套25082；轴承上密封盖25083、旋转切换芯轴25084、轴承25085、卡簧25086、下密封压盖25087；其中，外安装座25081上开设有气体输入通道和气体输出通道，旋转切换芯轴25084通过轴承5转动连接在外安装座25081内，轴承5通过轴承上密封盖25083和下密封盖25087密封固定，旋转切换芯轴25084底部设有卡簧25086，外安装座25081内固定连接有内密封衬套25082，内密封衬套25082位于旋转切换芯轴25084外侧，旋转切换芯轴25084内部开设有一个密闭的腔体结构，且其通过一个输入端口始终与气体输入通道连通，旋转切换芯轴25084周向开设有输出的通孔；
91.s12：确定圆柱形旋转多通阀的密封方式，密封采用球阀的密封方式，静密封采用间隙配合，轴承上密封盖25083和下密封压盖25087与外安装座25081过盈装配，动密封采用球阀密封方式实现气密密封，内密封衬套25082材质为聚四氟乙烯，其有自润滑特性，采用间隙配合进行动密封；
92.s13：确定圆柱形旋转多通阀的工作模式；以第二类阀组中的第二阀组2502即四位三通阀结构为例，参阅图20，外安装座25081上开设有三个出气口和一个进气口，分别记为第一出气口250811、第二出气口250812、第三出气口250813和第一进气口250814，旋转切换芯轴25084即阀杆上开设有第一出气孔250841、第二出气孔250842，内密封衬套25082即杆套上开设有导气通孔250821；那么对应的工作模式有4种；工作模式1：第一出气口250811导通，第二出气口250812、第三出气口250813切断；工作模式2：第二出气口250812导通，第一出气口250811和第三出气口250813切断；工作模式3：第三出气口250813导通，第一出气口250811、第二出气口250812切断；工作模式4：全部通道切断；
93.s2：根据功能与密封要求，设计圆柱形旋转多通阀的孔径和阀杆；
94.其中，步骤s2包括如下步骤：
95.步骤21，确定相邻出气口之间的夹角，旋转切换芯轴25084中心为o，外径为d,阀杆内部气道直径为d，在阀杆不同高度相对于中心o的不同角度设计出气口，出气口孔径为r，为方便不同通道之间旋转切换角度控制，相邻出气口之间角度确定为90℃。
96.步骤22，建立临界截止状态模型，当第一出气孔250841与导气通孔250821完全相对，气体从出第一出气孔250841流通，此时第一出气孔250841与导气通孔250821的左右边界为a1和b1，第二出气孔250842的左右边界为a2和b2，出气口边界与圆心o的夹角为θ，大小为arcsin(r/d)。
97.参阅图21，在切换过程中，临界截止状态为第一出气孔250841刚关闭时，第二出气孔250842即将与导气通孔产生缝隙，气体将要从第二出气孔250842流出，建立临界截止状态几何模型，阀杆逆时针旋转，第一出气孔250841的左边界a1’与导气通孔右边界b1相交于一线，第二出气孔250842的右边界b2’与导气通孔左边界a1相交于一线，第一出气孔250841与导气通孔、第二出气孔250842与导气通孔此时均处于线封闭状态，出气口边界与圆心o的夹角为临界截止角度β，计算得到临界截止角度β为π/8。
98.为保证阀门动态截止性，第一出气孔250841和第二出气孔250842不能存在同时打开的状态，即θ≤β，得到：θ＝arcsin(r/d)≤β＝π/8，r/d≤sin(π/8)
99.对20℃空气在圆截面长管道(l》20φ)中的流导公式为：
[0100][0101]
式中：c20℃为长管对20℃空气的流导，m3/s；φ为管道最小直径，m；l为管道长度，m；为管道中平均压力，pa；p1、p2分别为管道两端气体压力，pa。
[0102]
由流量的定义可知，管路流量为
[0103]
q＝c
20℃
×
δp
ꢀꢀꢀ
(3)
[0104]
式中q为气体质量流量，pa
·
m3/s；
△
p为管路两端压差，pa；将式(3)带入式(2)可得
[0105][0106][0107]
管道前后压差为150kpa，即
△
p为150kpa，管路末端压力p2为大气压，则管路前端压力p1为251kpa，将各已知参数带入公式(5)中，且q取值为最低可接受流量160slm，计算得出管路的最小内径尺寸φ为5.26mm。
[0108]
因此，为方便加工，多通阀的进气口与出气口直径r设计为6mm，阀杆内径需满足公式1，阀杆内径最小值为16mm。
[0109]
s3：基于动力学软件分析圆柱形旋转多通阀的流阻特性，确定通孔的位置；其中步骤s3包括如下步骤：
[0110]
s31，建立阀门管道流阻模型。流体通过阀门时，其流体阻力损失以阀门前后的流
体压力降
△
p表示，如式(6)
[0111][0112]
式中：
△
p为压差，pa；v为m/s；ρ为密度，气体密度设置为1.225kg/m3；故流阻系数为：
[0113][0114]
s32，基于动力学软件分析圆柱形旋转多通阀的流阻特性，确定通孔的位置。保证气体阻力较小，实际加工过程中还需要综合考虑设备整个空间体积的影响，在满足尺寸约束的条件下，可以将出口设计在离入口较远的地方，使得每个流道的阻力损失最小。
[0115]
s4：计算圆柱形旋转多通阀的漏率，保证高密封性；其中，s4包括如下步骤：
[0116]
s41：确定圆柱形阀泄露通道。对于单个圆柱形阀来说，气体的泄漏主要有两种途径，一是密封孔与通孔之间，阀芯与内密封衬套结合不紧密导致的泄漏，一种是密封口与通孔之间圆柱形曲面与内密封衬套结合连接不紧密导致的泄漏。
[0117]
参阅图22，对于四位三通阀来说，在第二出气口250812开通，第一出气口250811和第三出气口250813关闭的情况下，对于第三出气口250813来说，其泄漏路径有2个，一是第三出气口250813与第二出气口250812之间路径l1(图中标为l1)，另一个是第三出气口250813与第二出气口250812之间圆柱形横截面1/4圆周长的路径l2(图中标为l2)。
[0118]
s42：建立圆柱形阀泄漏量计算模型。根据泄漏率计算式
[0119][0120]
式中，ql为泄漏率，pa
·
m3/s；l为通孔与密封孔之间路径长度，m；η为空气动力粘度，1.81
×
10-5
pa
·
s；p1是高压力端口压力，在检漏时为大气压大小，p1＝101325pa；p2是低压力端口压力，在检漏时为真空状态，故p2＝0pa；为压力均值；rf为泄漏缝隙大小，是待求数值，在第二出气口250812开通，第一出气口250811和第三出气口250813关闭的情况下，对于第三出气口250813，总的泄漏为两条路径泄漏之和，即
[0121][0122]
式中
[0123]
s43：确定最小泄露缝隙；作为优选的技术方案，要求阀的漏率最大为9
×
10-10
pa
·
m3/s，l1为36mm，l2＝π/4
·
dmm，计算得到l
总
为9.3mm，那么泄漏缝隙rf求解为
[0124][0125]
s5：基于圆柱形旋转多通阀设计集成式气体处理模组系统，并开展实验测试，保证集成式气体模组系统满足功能要求。
[0126]
s51：确定气体处理模组系统整体结构设计方案，主流道包括气道板253，气道板253内开设有一个密闭的腔体结构，气道板253上开设有贯穿腔体第一气道25311、第二气道25312、第三气道25313、第四气道和第五气道。
[0127]
s52；确定所需不同类别阀组结构设计方案：第ⅰ类阀组为圆柱形旋转单通阀包括第一阀组2501、第三阀组2503、第四阀组2504，第ⅱ类阀组为圆柱形旋转四位三通阀包括第二阀组2502、第七阀组2507，第ⅲ类阀组为圆柱形旋转三位两通阀包括第五阀组2505，第ⅳ类阀组为圆柱形旋转两位两通阀包括第六阀组2506；
[0128]
s53：确定流量控制器的密封结构设计，即流量控制器221与第五阀组2505和第七阀组2507之间的密封结构采用l型转接板2212进行连接。
[0129]
参阅图1、图2，阀组模块25固定连接在气体模组21内，气体模组21包括气体模组箱体210，阀组模块25包括七个控制阀251、驱动电机252、气道板253，以下记为第一阀组2501、第二阀组2502、第三阀组2503、第四阀组2504、第五阀组2505、第六阀组2506、第七阀组2507；控制阀251上均对应连接有驱动电机252，驱动电机252均与总控模块24电性连接，分为四类阀组，第ⅰ类阀组为圆柱形旋转单通阀包括第一阀组2501、第三阀组2503、第四阀组2504，其中第一阀组2501、第三阀组2503、第四阀组2504结构相同，第ⅱ类阀组为圆柱形旋转四位三通阀包括第二阀组2502、第七阀组2507，第二阀组2502、第七阀组2507结构相同，第ⅲ类阀组为圆柱形旋转三位两通阀包括第五阀组2505，第ⅳ类阀组为圆柱形旋转两位两通阀包括第六阀组2506；
[0130]
气体模组箱体210顶部从左至右依次连接有第一阀组2501、气道板253、第二阀组2502，气体模组箱体210底部从左至右依次固定连接有第四阀组2504、气道板253、第五阀组2505、流量控制模块221、第六阀组2506、第七阀组2507，参阅图11，主流道包括气道板253，气道板253上设有五个气道2531，以下记为第一气道25311、第二气道25312、第三气道25313、第四气道25314、第五气道25315，第一气道25311与第一阀组2501的输出端相连，第一阀组2501的输入端与外部输入管路相连，气道板253通过第四气道25314与第二阀组2502的输入端相连，第一阀组2501和与第四阀组2504之间还设有第三阀组2503，气道板253通过第二气道25312与第三阀组2503的输入端相连，气道板253与压力传感器7相连，气道板253通过第三气道25313与第四阀组2504的输入端相连，第四阀组2504的输出端与另一外部管路相连，气道板253通过第五气道25315与第五阀组2505输入端相连，第五阀组2505的输出端通过流量控制模块221的输入端相连，流量控制模块221的输出端通过第六阀组2506与第七阀组2507相连。
[0131]
参阅图3-图10，每个控制阀251上均设有与其对应的驱动电机252，驱动电机252与控制阀251的阀杆2511传动连接，阀杆2511周向开设有多个开孔2512，多个开孔2512沿阀杆
2511周向呈螺旋分布，阀杆2511与阀组模块25的驱动电机252传动连接，驱动电机252驱动阀杆2511以其轴线为转轴转动，以开启和关闭相应切换通道。
[0132]
参阅图3、图4，第一阀组2501为单通阀，仅实现开启和关断功能，第一阀组2501包括第一阀组壳体25011、第一阀杆25012、第一杆套25013、第一通孔25014、第一连接通道25015、第二连接通道25016，第一阀组壳体25011内中心处开设有同轴且不连续的第一连接通道25015和第二连接通道25016，第一阀杆25011上开设有两个第一通孔25014，两个第一通孔25014形成一个贯穿阀杆2511的通路，第一杆套25013固定连接在第一阀组壳体25011内，且与第一阀杆25012转动配合，第一杆套25013左右两端分别开设有与第一连接通道25015、第二连接通道25016的截面端口相适配的导通孔，当两个第一通孔25014分别与第一连接通道25015、第二连接通道25016的截面端口、第一杆套25013上的两个导通孔对齐时，第一连接通道25015、第二连接通道25016导通，当两个第一通孔25014分别与两个导通孔无重合区域时，第一连接通道25015、第二连接通道25016被第一阀杆25012截断，第一阀组2501处于关断状态。
[0133]
参阅图5、图6、图7，第二阀组2502为四位三通阀，第二阀组2502包括第二阀组壳体25021、第二阀杆25022、第二杆套25023、四个第二通孔25024，第一输入通道25025、第一输出通道25026、第二输出通道25027、第三输出通道25028；其中，第二阀杆25022和第二杆套25023为间隙配合，第一输入通道25025通过第一气道25311与第二连接通道25016相连通，第一输出通道25026、第二输出通道25027、第三输出通道25028分别与气体取样模块222的三个输入端口相连，第二阀杆25022转动连接在第二阀组壳体25021内，第二杆套25023固定连接在第二阀组壳体25021内，且与第二阀杆25022转动配合，第二杆套25023上开设有第一导通孔250231、第二导通孔250232、第三导通孔250233、第四导通孔250234，第一导通孔250231与第一输入通道25024右端对齐，第二导通孔250232、第三导通孔250233、第四导通孔250234分别与第一输出通道25026、第二输出通道25027、第三输出通道25028对齐；
[0134]
四个第二通孔25024分别记为以下分别记为a、b、c、d孔，呈螺旋分布，其中，a、d孔位于第二阀杆25022同一侧，b孔位于与其相对的一侧，阀位逻辑：当b孔通过第二导通孔250232与第一输出通道25026连通时，可实现第一取气样瓶的取样；当c孔通过第三导通孔250233与第二输出通道25027连通时，可实现第二取气样瓶的取样，当d孔通过第四导通孔250234与第三输出通道25028连通时，可实现第三取气样瓶的取样；当b、c、d孔均不与第二导通孔250232、第三导通孔250233、第四导通孔250234连通时，第一输出通道25026、第二输出通道25027、第三输出通道25028均为非导通状态。
[0135]
参阅图6，第二杆套25023内开设有第一环状腔室25029，a孔与第一环状腔室25029相连通，使得气体可通过a孔进入第一环状腔室25029内，气体依次通过第一输入通道25025、第一导通孔250231、第一环状腔室25029、a孔进入第二阀杆25022内腔，使得a孔始终处于导通状态；
[0136]
第二阀组2502与第七阀组2507结构相同，第二阀组2502与第七阀组2507的区别在于，输入端和输出端连接的设备不同，第七阀组2507的三个输出端分别与真空泵组23的两个输入端和储气罐3相连，第三阀组2503的输入端与第六阀组2506的输出端相连。
[0137]
参阅图8、图9、图10，第五阀组2505为三位两通阀，第五阀组2505包括第五阀组壳体25051、第五阀杆25052、第五杆套25053；第五杆套25053上开设有第五导通孔250531、第
六导通孔250532、第七导通孔250533，第五杆套25053固定连接在第五阀组壳体25051内，其内转动连接有第五阀杆25052，其中第六导通孔250532、第七导通孔250533位于同一侧，第五导通孔250531位于另一侧，第五阀杆25052上开设有三个开孔2512，以下分别记为e、f、g孔，其中e、f孔位于同一侧，g孔位于第五阀杆25052另一侧，f孔、第五导通孔250531均为输入端口，e孔和g孔分别对应连接两个流量控制器2211的输入端口；第五杆套25053上开设有第二环状腔室25054，第二环状腔室25054与e孔始终处于连通状态，气体自第五导通孔250531进入第二环状腔室25054，并从e孔进入第五阀杆25052内腔，当e孔与第六导通孔250532对齐时，气体由第六导通孔250532排出，当g孔与第七导通孔250533对齐时，气体由第七导通孔250533排出。
[0138]
参阅图，第六阀组2506为两位两通阀，第六阀组2506包括第六阀组壳体25061、第六阀杆25062、第六杆套25063，第六阀杆25062转动连接在第六阀组25061壳体内，第六杆套25063固定连接在第六阀组壳体25061内并与第六阀杆25062转动配合，第六阀杆25062上开设有三个第三通孔25064，以下分别记为h、i、j孔，第六杆套上开设有第八导通孔250631、第九导通孔250632、第十导通孔25633，第三输入通道、第四输入通道、第四输出通道，第三输入通道、第四输入通道分别与质量流量器另一端相连，第四输出通道与第七阀组2507输入通道相连，第六阀杆25062的三个第三通孔25064孔径分别与第三输入通道、第四输入通道、第四输出通道截面相适配，第六阀杆25062上与第三输入通道适配的通孔、与第四输出通道适配的通孔均建立环形气室。
[0139]
参阅图13、图14，流量控制模块221包括两个质量流量控制器2211、l型转接板2212，两个质量流量控制器2211并排设置，每个质量流量控制器2211底部固定连接有两个l型转接板2212，且关于流量控制器轴线对称分布，l型转接板2212固定连接在气体模组箱体210内壁，l型转接板2212包括竖直段和水平段，其竖直段朝向流量控制器2211的一端与流量控制器2211的转接头通过橡胶圈密封固定，其竖直段背离流量控制器2211的一端分别与第五阀组2505和第六阀组2506通过橡胶圈密封固定。
[0140]
参阅图1，排气单元2还包括在线检测模块223，在线检测模块223包括检测支路2231、气体检测仪2232、成分检测缓冲罐2233，检测支路2231两端均与排气单元2的主管路相连，且检测支路2231与主管路相连的一端均设有控制阀门，检测支路2231上设有成分检测缓冲罐2233和与检测气体相适配的气体检测仪2232，本实施例中以三个气体检测仪2232为例，分别为co检测仪、h2检测仪、sf6检测仪，需要说明的是，检测时，先把减压阀调整到微正压，然后再通过s-9手阀控制后端压力，为检测仪创造一个微正压使用环境，co、sf6的最佳检测流量为100ml-150ml/min，设计缓冲罐容积为1l，理论上最少可支持3次取样分析，抽取过滤后的气体到取样瓶中，用于后续一些特殊成分气体检测。
[0141]
参阅图15、图16、图17，过滤单元1包括过滤单元箱体11、两个多级过滤器12，多级过滤器12对排出的高温高压并含有粉尘颗粒杂质的，气体进行过滤，为满足过滤效率，需要通过质量流量器控制气体流速，此外，当高温高压气体排泄至低压约30kpa时，气体将会含有水蒸气，需要设计冷凝除水模块，使高温高湿气体经过冷凝除水模块的换热器后，气体温度被换热器内的冷却水降至常温或更低的温度，其中的冷凝水析出，设置专用的封闭腔体储存冷凝水，通过检测过滤器后端气体的颗粒成分满足要求后，进入后续单元；
[0142]
两个多级过滤器12固定设于过滤单元箱体11内，且多级过滤器12的输入端和输出
端分别与进气单元的输出端和排气单元2的输出端相连，多级过滤器12的输入端和输出端分别设置有控制阀门，进气单元的输出端和排气单元2的输出端的连接管路上设置有控制阀门，两个多级过滤器12对称分布在过滤单元箱体11内，一用一备，多级过滤器12的输入端与进气单元的输出端相连，多级过滤器12的输出端与质谱检测模块22的输入端相连，过滤单元箱体11的输入端和输出端均设置有压力传感器，压力传感器与总控模块24电性连接，用来检测多级过滤器12的一个运行状态，如果多级过滤器12前后压差过大，则需要更换新的过滤器，更换的时候只需要将控制阀门关死；同时，为便于更换多级过滤器12，将过滤单元箱体11上设计有可拆卸的箱门。
[0143]
参阅图17，多级过滤器12包括多个依次串联的次级过滤器121，次级过滤器121从左至右依次为第一次级过滤器、第二次级过滤器、五个第三次级过滤器，次级过滤器121包括壳体、支撑板122、压环123，次级过滤器121采用相同结构，便于过滤器改型，整体重量小于1.8公斤，次级过滤器121内壁固定有环状支撑板122，环状支撑板122中心线处开设有通孔1221，滤芯13嵌设于通孔1221内并通过压环123连接紧固，其中压环123位钢丝网压片，可防止气体冲击力过大使得滤芯13变形过大损坏密封结构；滤芯13包括沿多级过滤器12轴向依次分布的第一滤芯131、第二滤芯132、多个第三滤芯133，本实施例中，以五个第三滤芯133为例，第一滤芯131为粗海绵，第二滤芯132为细海绵和聚丙烯，第三滤芯133材质为h14级高效滤芯(高效玻璃纤维滤纸)，次级过滤器121内壁开设有安装凹槽1211，第三滤芯133与次级过滤器121相连的一端伸入安装凹槽1211内部并与其粘接固定，第三滤芯133与次级过滤器121相连的一端为锯齿状，安装凹槽1211与其相连的端面开设有与其相适配的对接凸起1212。
[0144]
通过将第三滤芯133与次级过滤器121相连的一端设置为锯齿状并伸入安装凹槽1211内，并设置对接凸起1212与第三滤芯133锯齿状连接部配合，增大了第三滤芯133与次级过滤器121的接触面积，提高了第三滤芯133的连接强度，通过第三滤芯133与次级过滤器121粘接固定，并在其连接处灌胶，可防止污染气体从边缘处泄漏，需要说明的是，第一滤芯131、第二滤芯132与第三滤芯133的安装结构相同，但不限于此。
[0145]
相邻的次级过滤器121之间采用法兰连接，并焊接固定，由于次级过滤器121尺寸较小，为防止次级过滤器121在焊接时由于焊接产生的高温烧坏密封胶水，从而产生烟雾污染过滤器，在焊接时通过水冷装置对焊点处进行降温，同时焊接采用一个周段一个周段的间歇焊接，同时采用耐高温密封胶水，从而避免局部温度过高烧坏胶水和滤芯13。
[0146]
使用方法：待过滤的气体从过滤单元箱体11进入多级过滤器12内进行过滤，过滤后的气体进入排气单元2，先经过质谱检测模块22检测后，流入流量控制器2211，在真空泵组23的抽吸下进入储气罐3。
[0147]
其中，一种基于动力学分析的多级过滤器的设计方法，包括以下步骤：
[0148]
s1：获取多级过滤器的结构参数，在动力学分析的基础上得到各个结构参数与过滤器过滤效率和压降之间的关联关系，确定最优的结构参数；
[0149]
其中s1包括以下步骤：
[0150]
s11：根据过滤器承压能力p(1.6mpa)和过滤器内部管路直径d设计要求(124mm)，确定管道计算壁厚，其中管道计算壁厚的计算公式为：
[0151][0152]
式中，sc为过滤器计算壁厚，mm；p为设计压力，1.6mpa；d为过滤器内径，124mm；[δ]
t
为设计温度(-12℃)下的许用应力，137mpa；φ为焊接系数，取1；c为腐蚀裕量，取1mm，带入公式得到，过滤器计算壁厚为1.73mm。安全系数取1.5，则过滤器实际壁厚sn取3mm，那么过滤器外径φ为130mm；
[0153]
s12：根据管道壁厚和其他相应参数，进行三维建模和动力学分析，校核过滤器设计的强度。过滤器使用的304钢材的许用应力[δ]
t
为137mpa，通过动力学分析可以知道在外筒体承受1.6mpa内压条件下，最大应力为82.5mpa，小于材料屈服强度，如图23、图24所示；
[0154]
s13：根据过滤器管道面积确定过滤器滤芯面积。基于过滤器筒体通径为124mm，滤芯后续要用胶水固定，则滤芯外径设计为110mm。为不增加空气流阻，滤芯有效截面积应尽可能的增大，滤芯结构设计为折叠形式。过滤器结构尺寸较小，滤纸折叠厚度不能太厚，根据滤芯加工工艺现状，折叠厚度最小可为25mm，故折叠深度设计为25mm，在110mm的宽度折叠21层；
[0155]
由于滤芯是折叠后切割成圆形的，所以滤芯实际展开图为椭圆，椭圆长径为560mm，短径为110mm，如图25所示。滤芯在封装的时候周边会有胶水粘到，经过实验论证，除掉胶水粘到的位置之外，滤芯实际有效过滤面积如阴影部分所示，长径a为525mm，短径b为100mm。过滤器的有效面积a
dn
计算如公式为：
[0156][0157]
s14：选择过滤器滤芯材料。考虑过滤效率同时兼顾阻力、耐湿性能等指标，通过调研现有滤芯材料技术指标和实际测试，滤芯选择h14等级的高效玻璃纤维滤纸，该滤纸对0.5微米以下粉尘颗粒的过滤效率达到99.9％以上，在工作压力范围内阻力小于10kpa。
[0158]
s15：计算过滤器滤芯性能。过滤器气体处理量的计算公式为：
[0159]
q＝a
dnv[0160]
式中：q为气体处理量，m3/h；v为气体进出管道的流速，m/s。根据技术设计指标要求，流量q最大可达到160slm，则v最大为那么过滤器的处理量q最大为:q＝0.041*0.34＝0.014m3/s＝840l/min。
[0161]
出口压力与入口压力的压差即为压降，计算公式如下：
[0162][0163]
式中：h为压降，mpa，ξ为局部阻力系数，v为进出管道的流速，m/s；局部阻力系数ξ通常取24，流速取正常流速0.06m/s，则压力损失为0.0044mpa，满足技术要求。
[0164]
s16：根据动力学分析结果确定过滤器夹层厚度与级数。按照技术指标要求，过滤器总长保持480mm不变，改变级数和空气夹层厚度，采用动力学仿真分析压降随着空气夹层厚度的变化关系，表明随着空气夹层厚度的增加，压降是逐渐减小的，本质是过滤器滤芯层数变少了，所以压降会降低，如图27所示。另一方面随着滤芯层数的减少，过滤效率会下降。
综合考虑压降和过滤效率，当空气夹层厚度为25mm，过滤器级数为7级时，过滤器综合性能最优，如图28所示。
[0165]
其中s2包括以下步骤：
[0166]
s2：根据获取的多层过滤器结构参数进行加工和装配，过滤器每一级之间焊接连接，保证密封效果；其中s2包括以下步骤：
[0167]
s21：加工过滤器；根据s1分析结果，采用7级过滤器效果较好，加工出7级过滤器；过滤器模块主要由过滤器每一级子单元、vcr接头及电动阀组成，过滤器每一级之间焊接连接。
[0168]
s22：装配过滤器；过滤器整体结构有7级，前面两级滤芯为聚丙烯和黑海绵加聚丙烯，后面五级均采用h14高效滤纸，实验用过滤器每级均采用法兰连接，方便拆卸，最终定型过滤器每一级焊接构成，以保证密封性。
[0169]
s3：根据加工装配得到的紧凑型多层极过滤器，进行过滤效率测试和压降测试，判断设计的过滤器是否满足技术指标要求，其中，s3包括以下步骤：
[0170]
s31：过滤器压降实验测试，具体流程如图28所示，具体包括：
[0171]
s311：搭建过滤器压降测试平台，平台由针阀、差压计、流量计、氮气源、试验过滤器以及若干管道组成，如图28所示；具体包括：
[0172]
s3111：将氮气源输出端与针阀相连，针阀与流量计输入端相连，流量计输出端与过滤器输入端相连。
[0173]
s3112：将差压计两端放在在过滤器的输入端和输出端，用电流计来测差压计信号。
[0174]
s312：打开气源针阀与流量计，使过滤器输入端气体压力达到pi(0.2mpa≤pi≤1.6mpa)。
[0175]
s313采用电流计测试差压计信号，转换成对应的压力值，得到过滤器压降。
[0176]
s314：加大气源输出流量，使过滤器输入端气体压力达到pi＝pi+0.2mpa，返回s313。
[0177]
s315：重复s313-s314，直到测试得到8组数据，求得8组压降δpi。
[0178]
s316：判断每一组过滤器压降δpi是否满足要求，如果不同输入气体压力下过滤器的压降在3-5kpa之间则满足使用要求，否则不满足，进行全流程检查或者重新设计。
[0179]
s32：过滤器过滤效率测试，具体包括：
[0180]
s321：搭建过滤器过滤效率测试平台；过滤效率测试平台由气溶胶发生器，风机和收集装置、风压管路和过滤器组成，如图28所示。
[0181]
s3211：将风机与气溶胶发生器相连，风机风量可以确保110mm气体管路流量可以达到160l/min，气溶胶发生器的颗粒物粒径在0.3μm以上，颗粒物初始浓度可以达到105个/l～106个/l。
[0182]
s3212：将试验风道与过滤器气体输入端进行相连，试验风道如图29所示，试验风道包括依次设置在试验风道上的空气净化模块61、污染物注入口62、上游采样口63、压差采样口64、待测过滤器65、第一下游采样口66、第二下游采样口67、选配管道68、喷嘴箱69；其中，试验风道管道的材料采用不锈钢，第一下游采样口66用于颗粒物及微生物采样，第二下游采样口67用于气体污染物采样，选配管道68用于气态污染物试验；
[0183]
s322：启动风机，调节风量至受试空气过滤器的额定风量；
[0184]
s323：开启气溶胶发生器，气溶胶的发生浓度确保下游浓度测试时每次采样的粒子数不少于100个；
[0185]
s324：采用计数器测试；气溶胶稳定后，在受试过滤器上游采样处和下游采样处用粒子计数器进行测试，应待数值稳定后，先下风侧，后上风侧各测5次，取5次平均值，求颗粒物过滤效率。过滤效率的计算公式为；
[0186][0187]
式中，n1为过滤器下游采样处测试5次得到的粒子数平均值，n2为过滤器上游采样处测试5次得到的粒子数平均值；
[0188]
s325：评价过滤器过滤效率，当高效过滤器过滤效率测试结果为99.999％，满足技术指标要求，否则不满足，展开全流程检查或重新设计。
[0189]
一种过滤排气集成系统的控制系统，包括如下步骤：
[0190]
步骤1：根据过滤排气系统气动控制原理，确定电气结构，进行分块式控制设计；步骤2：确定过滤排气系统硬件系统选型和总线式通信方式；步骤3：设计控制系统关键流程程序，确定过滤排气系统自动化流程算法；
[0191]
步骤1中，具体包括：
[0192]
步骤11：分配排气系统控制单元；大容量高压气体过滤排气系统功能复杂、流程秩序性强、电气设备较多，为了实现既可以集中管理、又可以分散控制，同时实现数据共享，将排气系统分为两个独立的控制单元，一个为过滤单元1的控制单元，只包含过滤模块，一个为排气单元2的控制单元，主要包括气体模组21、气体取样模块222、在线检测模块223；
[0193]
步骤12：搭建过滤控制单元；过滤控制单元主要包含高压气体进入管路，到最后流出高效过滤器的部分，由气源(进气单元)、多级过滤器12、电动控制阀门、压力传感器5、温度湿度传感器、冷却风机、冷却机组等组成，采用多个电动控制阀门配合，通过传感器反馈信号，利用plc输出工作状态及报警信息，控制电磁阀来实现电动控制阀门的气缸动作、冷风机组的开关动作，完成过滤和冷却工序；
[0194]
步骤13：搭建排气控制单元；排气控制单元主要包含对经过过滤后的气体进行取样、成分检测和排气排出等流程，由电动控制阀门、压力传感器5、温度湿度传感器、气体检测仪2232、真空泵冷却机组、质量流量计、减压阀、取样瓶等组成，同样是采用多个电动阀门配合，通过传感器反馈信号，利用plc输出工作状态及报警信息，控制电磁阀来实现电动控制阀门的气缸动作、真空泵机组的开关动作，完成相应工序；
[0195]
步骤2中：具体包括：
[0196]
步骤21：搭建控制系统硬件；控制系统由plc控制器、上位机和各模组单元子站组成，采用rs485总线式通信，完成对系统中各类信号采集，各设备的控制、状态监控及自动流程的逻辑运算和判断，对系统的故障诊断与预警；
[0197]
步骤22，搭建信号采集模块；信号采集模块主要测量管路分布中关键节点的压力，作为整个系统过滤排气操作流程的判断指标；利用温湿度传感器，测量管路内温湿度，便于启闭冷却模块对过滤模块进行降温冷却；采集质量流量计信号和电磁阀的开关信号，进行管路的实时气体流速反馈和智能电动阀门的状态输出；
[0198]
步骤23：搭建信息处理模块；采用plc，通过rs485总线式通信，进行各电动阀门的启闭控制，通过设计的自动操作流程运算判断，实现系统的逻辑功能，进行相应工序的命令输出，实现与plc的实时数据交换；实时进行管路内压力、温度、湿度等关键数据显示，实现管路内的状态监控；实现历史数据记录、数据处理分析等功能；
[0199]
步骤24：搭建动作执行模块；通过传输的信号指令，各电动阀门、冷却机组、真空泵机组等相互配合，实现系统的相应工序；
[0200]
步骤25：搭建故障报警模块；故障报警模块对出现的故障进行报警灯提示，同时给出初步处理措施，提示现场操作人员进行及时处理；为提高系统安全系统，系统设计安全互锁程序，有逻辑冲突的操作、误操作等无法执行，对于高风险操作，设置确认程序；
[0201]
步骤26：搭建自动控制系统；自动控制系统具备的特点：(1)既可以集中管理、又需要分散控制，同时实现数据共享；(2)具有较强的兼容性、开放性可扩展性，同时保证稳定可靠性和安全性；(3)人机交互界面设计，需要直观性、便捷性、易于操作使用与修改；
[0202]
步骤3中，具体包括：
[0203]
步骤31：一键过滤排气程序设计；过滤排气系统需要控制启闭的电动阀门不仅数量大，而且需满足适用于各项操作工序的启闭顺序逻辑要求，人为误操作的可能性较大，因此，需要设计一键过滤排气程序，实现大容量高压气体的自动排放；过滤单元1和排气单元2各采用型号为haiwellah16s0r的plc，需要设定不同信号的modbus通讯协议地址，进行过滤单元与排气单元之间的温度、压力、湿度及阀门状态和结果等互相传输，便于程序的自动逻辑运算。一键过滤排气逻辑流程；
[0204]
过滤单元按照工序顺序依次标定第i(i＝1,2
…imax
)个阀门，i
max
为此单元最后一个阀门；排气单元按照工序顺序依次标定第j(j＝1,2
…jmax
)个阀门，j
max
为此单元最后一个阀门。
[0205]
步骤32，点击一键过滤排气开始按钮后，设计自动过滤排气算法。
[0206]
上述任一项技术方案中，进一步地，步骤32中，具体包括：
[0207]
步骤321，输出打开第i(＝1)个阀门命令至电动阀门的执行器，当第i个阀门已完全打开，反馈其开关结果；
[0208]
步骤322，自动控制打开第i+1个阀门，直至第i
max
个阀门完全打开，完成一键过滤排气前段，并传输一键过滤排气前段完成信号至排气单元；
[0209]
步骤323，排气单元按照工序要求依次打开第j个阀门，当第j
max
个阀门完全打开输出反馈信号；
[0210]
步骤324，自动设置气体流量为f_set1,同时输出完成一键过滤排气完成信号至上位机，并且将信号反馈至过滤单元；
[0211]
步骤325，过滤排气运行30分钟后，将气体流量设置为f_set2，持续进行卸压；
[0212]
步骤33，搭建一键取样程序。在高压气体排泄过程中，抽取特定压力下的气体样本进行成分检测，开始取样前需要清洗取样管路，减少卸压前期气体中颗粒物沉淀对样本气体的影响。清洗流程分为两种，一种为直接动力卸压清洗，一种为n2清洗。采用动力泵进行卸压清洗时，需要卸压管路中的压力降为负压，关闭取样管路前端阀门，同时启闭泵对管路前后压力以及通断要求较高，启动泵需要保证管路后端压力低于大气压且后端必须是通路，否则将泵会烧坏。利用n2清洗时只需要清洗取样管路，因此需要将取样管路前端和后端
的阀门关闭。在前期准备完成后，进行气体取样时，需要将取样管路前端开通，取样管路后端关闭，保证气体流入取样瓶。取样工序对管路的智能阀门和动力泵的状态要求高且变化多，因此设计取样流程自动化算法，减少人为误操作风险。
[0213]
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

技术特征：
1.一种过滤排气集成系统，其特征在于，包括依次连通的进气单元、过滤单元、排气单元、储气单元，所述排气单元包括气体模组、质谱检测模块、真空泵组，所述进气单元依次通过质谱检测模块、气体模组与储气单元相连，所述气体模组包括相互连通的流量控制模块、气体取样模块，所述流量控制模块分别通过阀组模块与气体取样模块和真空泵组相连，所述阀组包括设有多个切换通道的控制阀，多个切换通道均设于所述控制阀的阀杆内，且其输入端共用一个接口，所述气体取样模块、真空泵组的输入端口分别与控制阀的切换通道对应连接。2.根据权利要求1所述的一种过滤排气集成系统，其特征在于，所述流量控制模块包括流量控制器，所述流量控制器设有输入端转接头和输出端转接头，所述流量控制器的输入端转接头和输出端转接头分别通过密封连接件与相邻控制阀相连，所述流量控制器固定设于密封连接件上，且其与密封连接件、控制阀相连的端部均为平面密封。3.根据权利要求2所述的一种过滤排气集成系统，其特征在于，所述密封连接件为l型转接板，两个所述l型转接板均包设于流量控制器底部，且关于流量控制器轴线对称分布，所述l型转接板包括竖直段和水平段，其竖直段朝向流量控制器的一端与流量控制器的转接头密封固定，其竖直段背离流量控制器的一端与控制阀密封固定，所述流量控制器设有两组，且并排设置。4.根据权利要求1所述的一种过滤排气集成系统，其特征在于，所述控制阀的阀杆周向开设有多个开孔，多个开孔沿阀杆周向呈螺旋分布，所述阀杆与阀组的驱动电机传动连接，所述驱动电机驱动阀杆以其轴线为转轴转动，以开启和关闭相应所述切换通道。5.根据权利要求1所述的一种过滤排气集成系统，其特征在于，所述过滤单元包括过滤单元箱体、多级过滤器，所述多级过滤器固定设于过滤单元箱体内，且其输入端和输出端分别与进气单元的输出端和排气单元的输出端相连，所述多级过滤器包括多个依次串联的次级过滤器，所述次级过滤器包括壳体、支撑板、压环、滤芯，所述壳体内壁固定有环状支撑板，所述环状支撑板中心线处开设有通孔，所述滤芯嵌设于通孔内并通过压环连接紧固，所述过滤单元的输入端口和输入端口均设有压力传感器。6.根据权利要求5所述的一种过滤排气集成系统，其特征在于，所述滤芯包括沿多级过滤器周向依次分布的第一滤芯、第二滤芯、多个第三滤芯，所述第一滤芯为粗海绵，所述第二滤芯为细海绵和聚丙烯，所述次级过滤器内壁开设有安装凹槽，所述第三滤芯与次级过滤器相连的一端伸入安装凹槽内部并与其粘接固定，所述第三滤芯与次级过滤器相连的一端为锯齿状，所述安装凹槽与其相连的端面开设有与其相适配的对接凸起。7.根据权利要求1所述的一种过滤排气集成系统，其特征在于，所述排气单元还包括在线监测模块，所述在线监测模块包括检测支路、气体检测仪、成分检测缓冲罐，所述检测支路两端均与排气单元的主管路相连，且检测支路与主管路相连的一端均设有控制阀门，所述检测支路上设有成分检测缓冲罐和与检测气体相适配的气体监测仪。8.一种如权利要求5任一项所述的过滤排气集成系统的控制系统，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：根据过滤排气系统气动控制原理，确定电气结构，进行分块式控制设计；步骤2：确定过滤排气系统硬件系统选型和总线式通信方式；步骤3：设计控制系统关键流程程序，确定过滤排气系统自动化流程算法；
步骤1中，具体包括：步骤11：分配排气系统控制单元；大容量高压气体过滤排气系统功能复杂、流程秩序性强、电气设备较多，为了实现既可以集中管理、又可以分散控制，同时实现数据共享，将排气系统分为两个独立的控制单元，一个为过滤单元的控制单元，只包含过滤模块，一个为排气单元的控制单元，主要包括气体模组、气体取样模块、在线检测模块；步骤12：搭建过滤控制单元；过滤控制单元主要包含高压气体进入管路，到最后流出高效过滤器的部分，由气源、多级过滤器、电动控制阀门、压力传感器、温度湿度传感器、冷却风机、冷却机组等组成，采用多个电动控制阀门配合，通过传感器反馈信号，利用plc输出工作状态及报警信息，控制电磁阀来实现电动控制阀门的气缸动作、冷风机组的开关动作，完成过滤和冷却工序；步骤13：搭建排气控制单元；排气控制单元主要包含对经过过滤后的气体进行取样、成分检测和排气排出等流程，由电动控制阀门、压力传感器、温度湿度传感器、气体检测仪、真空泵冷却机组、质量流量计、减压阀、取样瓶等组成，同样是采用多个电动阀门配合，通过传感器反馈信号，利用plc输出工作状态及报警信息，控制电磁阀来实现电动控制阀门的气缸动作、真空泵机组的开关动作，完成相应工序；步骤2中：具体包括：步骤21：搭建控制系统硬件；控制系统由plc控制器、上位机和各模组单元子站组成，采用rs485总线式通信，完成对系统中各类信号采集，各设备的控制、状态监控及自动流程的逻辑运算和判断，对系统的故障诊断与预警；步骤22，搭建信号采集模块；信号采集模块主要测量管路分布中关键节点的压力，作为整个系统过滤排气操作流程的判断指标；利用温湿度传感器，测量管路内温湿度，便于启闭冷却模块对过滤模块进行降温冷却；采集质量流量计信号和电磁阀的开关信号，进行管路的实时气体流速反馈和智能电动阀门的状态输出；步骤23：搭建信息处理模块；采用plc，通过rs485总线式通信，进行各电动阀门的启闭控制，通过设计的自动操作流程运算判断，实现系统的逻辑功能，进行相应工序的命令输出，实现与plc的实时数据交换；实时进行管路内压力、温度、湿度等关键数据显示，实现管路内的状态监控；实现历史数据记录、数据处理分析等功能；步骤24：搭建动作执行模块；通过传输的信号指令，各电动阀门、冷却机组、真空泵机组等相互配合，实现系统的相应工序；步骤25：搭建故障报警模块；故障报警模块对出现的故障进行报警灯提示，同时给出初步处理措施，提示现场操作人员进行及时处理；为提高系统安全系统，系统设计安全互锁程序，有逻辑冲突的操作、误操作等无法执行，对于高风险操作，设置确认程序；步骤26：搭建自动控制系统。9.根据权利要求8所述的一种过滤排气集成系统的控制系统，其特征在于，所述步骤3中，具体包括：步骤31：一键过滤排气程序设计；过滤排气系统需要控制启闭的电动阀门不仅数量大，而且需满足适用于各项操作工序的启闭顺序逻辑要求，人为误操作的可能性较大，因此，需要设计一键过滤排气程序，实现大容量高压气体的自动排放；过滤单元和排气单元各采用型号为haiwellah16s0r的plc，需要设定不同信号的modbus通讯协议地址，进行过滤单元与
排气单元之间的温度、压力、湿度及阀门状态和结果等互相传输，便于程序的自动逻辑运算。一键过滤排气逻辑流程图如图所示；过滤单元按照工序顺序依次标定第i(i＝1,2
…
i
max
)个阀门，i
max
为此单元最后一个阀门；排气单元按照工序顺序依次标定第j(j＝1,2
…
j
max
)个阀门，j
max
为此单元最后一个阀门。步骤32，点击一键过滤排气开始按钮后，设计自动过滤排气算法。步骤33，搭建一键取样程序。在高压气体排泄过程中，抽取特定压力下的气体样本进行成分检测，开始取样前需要清洗取样管路，减少卸压前期气体中颗粒物沉淀对样本气体的影响。清洗流程分为两种，一种为直接动力卸压清洗，一种为n2清洗。采用动力泵进行卸压清洗时，需要卸压管路中的压力降为负压，关闭取样管路前端阀门，同时启闭泵对管路前后压力以及通断要求较高，启动泵需要保证管路后端压力低于大气压且后端必须是通路，否则将泵会烧坏。利用n2清洗时只需要清洗取样管路，因此需要将取样管路前端和后端的阀门关闭。在前期准备完成后，进行气体取样时，需要将取样管路前端开通，取样管路后端关闭，保证气体流入取样瓶。取样工序对管路的智能阀门和动力泵的状态要求高且变化多，因此设计取样流程自动化算法，减少人为误操作风险。10.根据权利要求9所述的一种过滤排气集成系统的控制系统，其特征在于，所述步骤32中，具体包括：步骤321，输出打开第i(＝1)个阀门命令至电动阀门的执行器，当第i个阀门已完全打开，反馈其开关结果；步骤322，自动控制打开第i+1个阀门，直至第i
max
个阀门完全打开，完成一键过滤排气前段，并传输一键过滤排气前段完成信号至排气单元；步骤323，排气单元按照工序要求依次打开第j个阀门，当第j
max
个阀门完全打开输出反馈信号；步骤324，自动设置气体流量为f_set1,同时输出完成一键过滤排气完成信号至上位机，并且将信号反馈至过滤单元；步骤325，过滤排气运行30分钟后，将气体流量设置为f_set2，持续进行卸压。

技术总结
本发明公开了一种过滤排气集成系统，包括依次连通的进气单元、过滤单元、排气单元、储气单元，所述排气单元包括气体模组、质谱检测模块、真空泵组，所述进气单元依次通过质谱检测模块、气体模组与储气单元相连，所述气体模组包括相互连通的流量控制模块、气体取样模块，所述流量控制模块分别通过阀组模块与气体取样模块和真空泵组相连。本发明中，通过多个带有多个切换通道的控制阀的设置，使得多个切换通道集成在控制阀的阀杆内，减少了原先设置的多个控制阀门及连接管路的占用空间，可根据阀组间阀位逻辑实现不同切换通道的组合，减小了气体模组的安装尺寸，节省了安装空间。节省了安装空间。节省了安装空间。


技术研发人员：请求不公布姓名
受保护的技术使用者：西北核技术研究所
技术研发日：2023.06.26
技术公布日：2023/9/23