CN101226128A - 一种生成具有已知和可调相对湿度气体样品的系统和方法 - Google Patents

一种生成具有已知和可调相对湿度气体样品的系统和方法 Download PDF

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Abstract

本发明用于为目的点提供具有可选已知湿度的气体系统和方法。具有初始相对湿度的气体根据工作循环交替通过湿通道和干通道，湿通道用于加湿气体以提供湿气体，干通道用于维持气体的初始相对湿度或减湿以提供干气体。基于选定的工作循环，湿气体和干气体混合后产生具有可选相对湿度的混合气体。

Description

一种生成具有已知和可调相对湿度气体样品的系统和方法
背景技术
[0001]测量薄膜屏障性质的传统方法是在两室之间放置薄膜样品，第一室容纳有关注的测试气体，第二室容纳有载体气体。当测试气体渗透穿过薄膜样品时，测试气体被第二室收集，之后由合适的检测仪器测量。
[0002]影响测量值的因素通常涉及并且包括有：薄膜厚度、温度、相对湿度以及测试气体混合物的其他特性，比如存在的其他气体的比率。
[0003]测试应当典型地在不同的温度和相对湿度的条件下进行，以确定这些因素的每一个对于薄膜的渗透性的作用。
[0004]因此，需要一种能生成具有已知相对湿度的测试气体的成本有效系统和方法，其能快速、简单并准确地在0％-100％之间调节测试气体的相对湿度。
发明内容
[0005]本发明的第一方面是一种为目的点提供具有可选已知湿度的气体的系统。本发明的第一方面第一实施例是一种系统，包括：(i)具有初始相对湿度的气体源，(ii)与气体源流体连通的供给管道，其用于将气体从气体源导向目的点，其中所述供给管道包括：(A)湿通道，其用于将来自气体源的气体经过所述湿通道加湿到比初始相对湿度大的第一已知相对湿度，(B)干通道，其用于将来自气体源的气体经过所述干通道被维持在初始相对湿度，以及(C)处于湿通道和干通道下游以及目的点上游的交汇点，经过湿通道和干通道的气体在所述交汇点处汇合之后供给到目的点，以及(iii)至少一个与供给管道流体连通的阀门，用于相互排斥地使来自气体源的气体沿湿通道或干通道流动。该系统能：(a)通过引导气体只流经湿通道，给目的点提供第一已知相对湿度的气体，(b)通过引导气体只流经干通道，给目的点提供具有初始相对湿度的气体，以及(c)根据预定工作循环，使气体交替流经湿通道和干通道，为目的点提供具有介于初始相对湿度和第一相对湿度之间任一湿度的已知相对湿度。
[0006]本发明的第一方面第二实施例的系统，包括：(i)具有初始相对湿度的气体源，(ii)与气体源流体连通的供给管道，其用于将气体从气体源导向目的点，其中所述供给管道包括：(A)湿通道，其用于将来自气体源的气体经过湿通道加湿到比初始相对湿度大的第一已知相对湿度，(B)干通道，其用于将来自气体源的气体经过干通道被减湿到比初始相对湿度小的第二已知相对湿度，以及(C)处于湿通道和干通道下游以及目的点上游的交汇点，经过湿通道和干通道的气体在所述交汇点处汇合之后供给到目的点，以及(iii)至少一个与供给管道流体连通的阀门，用于相互排斥地使来自气体源的气体沿湿通道或干通道流动。该系统能：(a)通过引导气体只流经湿通道，给目的点提供具有第一已知相对湿度的气体，(b)通过引导气体只流经干通道，给目的点提供第二相对湿度的气体，以及(c)根据预定工作循环，使气体交替流经湿通道和干通道，给目的点提供具有介于第一相对湿度和第二相对湿度之间任一湿度的已知相对湿度。
[0007]本发明的第二方面是一种产生具有可选相对湿度气体的方法。本发明的第二方面第一实施例是一种方法，包括以下步骤：(i)根据预定循环时间和工作循环，使具有初始相对湿度的气体在以下两个通道之间交替流动：(A)湿通道，其用于使气体加湿到比初始相对湿度大的第一已知相对湿度，以产生湿气体，以及(B)干通道，其用于维持气体的初始相对湿度，以提供干气体，以及(ii)混合交替产生的湿气体和干气体块团，以产生具有可选相对湿度的混合气体。
[0008]本发明的第二方面第二实施例是一种方法，包括以下步骤：(i)根据预定循环时间和工作循环，使具有初始相对湿度的气体在以下两个通道之间交替流动：(A)湿通道，其用于使气体加湿到比初始相对湿度大的第一已知相对湿度，以产生湿气体，以及(B)干通道，其用于使气体的相对湿度降低到比初始相对湿度低的第二已知相对湿度，以产生干气体，以及(ii)混合交替产生的湿气体和干气体团，以产生具有可选相对湿度的混合气体。
附图说明
[0009]图1为本发明一实施例的示意图；
[0010]图2为本发明第二实施例的示意图。
具体实施方式
术语表
10       系统
20       带压气体源
30wet    加湿室
30dry    干燥室
40       阀门
40wet    湿通道中的阀门
40dry    干通道中的阀门
50       混合室
60       流量调节阀
70       湿度传感器
80       供给管道
80a      从气体源到湿通道和干通道的分叉点的供给管道的长度
80b      从湿通道和干通道的汇合点到目的点的供给管道的长度
80wet    形成湿通道的供给管道的长度
80dry    形成干通道的供给管道的长度
81       供给管道进入湿通道和干通道的分叉点
82       湿通道和干通道的汇合点
90       测试仪器
99       测试仪器的测试室
100      微处理器
定义
[0011]正如在这里使用的以及包括权利要求在内的短语“工作循环(dutycycle)”是指气体流经加湿室的时间与循环时间(cycle time)的比率，典型地表示为a％。
[0012]在这里使用的以及包括权利要求在内的短语“循环时间”是指完成提供通过湿通道的气体流和提供通过干通道的气体流的一个过程所需要的时间。
[0013]在这里使用的以及包括权利要求在内的短语“约0％的相对湿度”是指0％或由于去湿系统的些微变化、些微差别和难以预测的变化引起的稍微超过0％的相对湿度。典型地，约0％的相对温度应当为小于1％的相对湿度。
[0014]在这里使用的以及包括权利要求在内的短语“约100％的相对湿度”是指100％或由于去湿系统的些微变化、些微差别和难以预测的变化引起的稍微小于100％的相对湿度。典型地，约100％的相对温度应当为至少99％的相对湿度。
[0015]在这里使用的以及包括权利要求在内的短语“干气体”是指具有约0％相对湿度的气体。
结构
[0016]如图1和图2所示，本发明的第一方面涉及一种为目的点例如测试仪器90的测试室99提供一定数量加湿气体的系统10。参见图1，系统10的第一实施例包括：(i)具有初始相对湿度的气体源20，其与测试器90的测试室99流体连通，(ii)加湿室30wet，其设置在测试室99与气体源20之间，流经加湿室30wet的气体可被有效加湿，以产生具有大于初始相对湿度的第一已知相对湿度的湿气体，(iii)一定长度的供给管道80dry，其旁通加湿室30wet并与测试室99和气体源20流体连通，以有效地使气体从气体源20不流经加湿室30wet到达测试室99，以及(iv)至少一个阀门40，其能使来自气体源20的气体相互排斥地(mutually exclusively)流经加湿室30wet(即湿通道)或者流经旁通供给管道80dry(即干通道)到达测试室99。
[0017]参见图2，系统10的第二实施例包括：(i)具有初始相对湿度的气体源20，其与测试室99流体连通，(ii)加湿室30wet，其设置在测试室99与气体源20之间，流经加湿室30wet的气体可被有效加湿以产生具有大于初始相对湿度的第一已知相对湿度的湿气体，(iii)干燥室30dry，其设置在测试室99与气体源20之间，流经干燥室30dry的气体可被有效干燥，以产生具有小于初始相对湿度的第二相对湿度的干气体，以及(iv)至少一个阀门40，其能使来自气体源20的气体相互排斥地流经加湿室30wet(即湿通道)或者流经干燥室30dry(即干通道)到达测试室99。
[0018]具有约0％初始相对湿度的气体是优选的，因为初始相对湿度不会由于供应的不同批次的气体之间变化或者局部温度和/或压力变化而随时间波动很大。希望的第一相对湿度目标值(即湿气体的相对湿度)是约100％，因为这是基于一致性而要达到的最直接和简单的目标值。相似地，希望的第二相对湿度目标值(即干气体的相对湿度)是约0％，因为这是基于一致性而要达到的最直接和简单的目标值。
[0019]参见图1，系统10的第一实施例能通过调节流经加湿室30wet和旁通供给管道80dry的气体流量(即控制工作循环)，为目的点有效提供具有已知相对湿度(RH)的气体，该已知相对温度为气体的初始相对湿度(优选为约0％)与第一相对湿度(优选为约100％)之间的任意值。产生的混合气体的相对湿度(RHblended)可由下面列出的公式A计算得出：
公式A
RHblended＝(RHwet)(DutyCycle/100)+(RHinitial)((100-DutyCycle)/100)
[0020]参见图2，系统10的第二实施例能通过调节流经加湿室30wet和干燥室30dry的气体流量(即控制工作循环)，为目的点有效提供具有已知相对湿度的气体，该已知相对温度为气体的第二相对湿度(首选为约0％)与第一相对湿度(首选为约100％)之间的任意值。产生的混合气体的相对湿度可由下面列出的公式B计算得出：
公式B
RHblended＝(RHwet)(DutyCycle/100)+(RHdry)((100-DutyCycle)/100)
[0021]气体源20优选是一个容纳着相对干燥气体的压力容器(未示出)，当使用这种压力容器将气体输送至测试仪器90时，容器中应该没有测试仪器90可测量出的数量的分析物。测试仪器90测量的一般分析物包括：氧气(O2)、一氧化碳(CO)和挥发性有机化合物(VOC)。典型地用于测试仪器90的“载体”和/或“吹扫”气体采用的是氮气(N2)和二氧化碳(CO2)这些存在大气里的惰性的气体。
[0022]加湿室30wet包括位于加湿室30wet中的用于在气体流经加湿室30wet时饱和该气体的水源。这种加湿室的结构和设计属于所属技术领域普通技术人员的能力范畴之内。
[0023]同样，干燥室30dry包括位于加湿室30dry中的用于在气体流经加湿室30dry时干燥该气体的干燥剂。这种干燥室的结构和设计属于所属技术领域普通技术人员的能力范畴之内。
[0024]在气体源20和测试室99之间至少设置有一阀门40，其能使来自气体源20流向测试室99的气体相互排斥地交替流经湿通道(即流经加湿室30wet)和流经干通道(即在具有干燥室30dry或不具有干燥室30dry的情况下流经旁通供给管道80dry)。实现气体相互排斥地交替流经湿通道和干通道的必要和希望的功能由简单的三向阀40来实现，如图1所示，或者由一对阀40wet和40dry来控制，如图2所示。阀门40可以设置在加湿室30wet和干燥室30dry的上游或下游，如图1和图2分别所示。
[0025]混合室50优选地设置在加湿室30wet以及干燥室30dry与目的点(例如测试设备90)之间，以接收来自湿通道和干通道的气体流，和实现从两通道出来的干、湿气体“团”的混合，从而确保到达目的点的气体为具有一致和均匀相对湿度的混合气体。
[0026]流量调节阀60设置在气体源20与供给管道80分成湿通道和干通道(即80wet和80dry)的分叉点之间，以控制流体经系统10的气体流。流体控制阀60能通过微处理器100控制。
[0027]设置湿度传感器70以便与混合气体在测量上相关联，从而反馈混合气体的相对湿度并允许对工作循环细调以获得目标相对湿度。湿度传感器70可以设置成与微处理器100电连通，以将测试到的相对湿度数据传送给微处理器100，用于调节流体率或循环时间，从而可以减少由于湿和干气体“团”的不完全混合造成的混合气体相对湿度的周期性变化，或者用于调节工作循环，从而可以减少或消除混合气体的计算所得的相对湿度与实际或测量的相对湿度之间的误差。
[0028]供给管道与系统10的不同部件相互流体连接，并包括：从气体源20到分叉点81之间的第一部分80a，供给管道80在分叉点81处分支为湿通道80wet和干通道80dry；以及从湿通道80wet和干通道80dry的汇合点82到目的点的第二部分80b。
[0029]微处理器100优选地包括通常的用户界面部件(未示出)，比如监控器、键盘、鼠标等等，以允许用户跟踪计算和测量的相对湿度，和调节获得和改变希望的相对湿度所必需的有用的流量、循环时间和工作循环。
[0030]循环时间能由阀门40的响应时间来限制，但是应当被选择，以确保湿气体和干气体“团”的大小合适，使得它们在送到目的点之前可以被均匀混合。一般地，约0.1秒至约10秒之间的循环时间对于获得具有干、湿气体的均匀混合物的希望的目标是有效的，小于0.1秒的相应时间对于阀门40会产生显著的磨损和撕裂而无相应益处，而大于约10秒的相应时间会周期性地造成在输送到目的点之前干、湿气体不能完全混合。
例子
例1
[0031]具有表1列出的相对湿度(RHinitial)的气体流经图1所示的温度调节系统10。在系统10中设置的加湿室30wet被构造和设置成使气体的相对湿度增加至表1所列的第一相对湿度(RHwet)。实现表1所列的希望的最终相对湿度(RHFinal)所必须的工作循环DutyCycle由下面所列的公式C计算得出。计算得到的工作循环如表1所示。
公式C
DutyCycle＝100(1-(RHwet-RHFinal)/(RHwet-RHInitial))
表1
 RHInitial％   RHwet％   RHFinal％  DutyCycle％
  0   100   100   100
  0   100   0   0
  0   100   50   50
  10   100   50   44.5
  40   100   50   16.7
  0   90   50   55.6
  0   50   50   100
  0   100   30   30
  0   100   80   80
  10   90   50   50
  10   90   70   75
  0   90   20   22.2
例2
[0032]气体流经图2所示的湿度调节系统10。在系统10中设置的加湿室30wet被构造和设置成使气体的相对湿度增加至表2所列的第一相对湿度(RHwet)，在系统10中设置的干燥室30dry被构造和设置成使气体的相对湿度降低至表2所列的第二相对湿度(RHDry)。实现表2所列的希望的最终相对湿度(RHfinal)所必须的工作循环DutyCycle由下面所列的公式D计算得出。计算得到的工作循环如表2所示。
公式D
DutyCycle＝100(1-(RHwet-RHFinal)/(RHWet-RHDry))
表2
  RHDry％   RHwet％   RHFinal％   DutyCycle％
  0   100   100   100
  0   100   0   0
  0   100   50   50
  10   100   50   44.5
  0   90   50   55.6
  0   50   50   100
  0   100   30   30
  0   100   80   80
  10   90   50   50
  10   90   70   75
  0   90   20   22.2

Claims (30)

1.一种提供具有可调已知湿度气体流的系统，包括：
(a)具有初始相对湿度的气体源，
(b)与气体源流体连通的供给管道，其用于将气体从气体源导向目的点，供给管道包括：
(i)湿通道，其用于将来自气体源的气体经过所述湿通道被加湿到比初始相对湿度大的第一已知相对湿度，
(ii)干通道，其用于将来自气体源的气体经过干通道被维持在初始相对湿度，以及
(iii)处于湿通道和干通道下游以及目的点上游的交汇点，经过湿通道和干通道的气体在供给到目的点之前在所述交汇点处汇合，以及
(c)至少一个与供给管道流体连通的阀门，用于相互排斥地使来自气体源的气体沿湿通道或干通道流动，
(d)由此(i)使气体只沿湿通道流动，为目的点提供具有第一已知相对湿度的气体，(ii)使气体只沿干通道流动，为目的点提供具有初始相对湿度的气体，(iii)根据预定工作循环使气体交替流经湿通道和干通道，为目的点提供具有介于初始相对湿度和第一相对湿度之间的已知相对湿度的气体。
2.根据权利要求1所述的系统，还进一步包括设置在所述气体源和所述阀门之间的流量调节阀，以选择地控制通过系统的气体流量。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，还进一步包括微处理器，其与所述至少一个阀门电气上连通以控制工作循环，从而产生具有介于初始相对湿度和第一相对湿度之间的预定相对湿度的混合气体。
4.根据权利要求1所述的系统，其中目的点是测试仪器的测试室。
5.根据权利要求4所述的系统，其中测试仪器是渗透测试仪。
6.根据权利要求5所述的系统，其中渗透测试仪是氧气渗透仪。
7.根据权利要求5所述的系统，其中渗透测试仪是二氧化碳渗透仪。
8.根据权利要求1所述的系统，其中初始相对湿度约为0％。
9.根据权利要求1所述的系统，其中第一已知相对湿度约为100％。
10.一种提供具有可调已知湿度气体流的系统，包括：
(a)具有初始相对湿度的气体源，
(b)与气体源流体连通的供给管道，其用于将气体从气体源导向目的点，供给管道包括：
(i.)湿通道，其用于将来自气体源的气体经过所述湿通道加湿到比初始相对湿度大的第一已知相对湿度，
(ii.)干通道，其用于将来自气体源的气体的相对温度经过所述干通道降低到比初始相对湿度小的第二已知相对湿度，以及
(iii.)处于湿通道和干通道下游以及目的点上游的交汇点，经过湿通道和干通道的气体在供给到目的点之前在交汇点处汇合，以及
(c)至少一个与供给管道流体连通的阀门，用于相互排斥地使来自气体源的气体沿湿通道或干通道流动，
(d)由此(i)使气体只沿湿通道流动，为目的点提供具有第一已知相对湿度的气体，(ii)使气体只沿干通道流动，为目的点提供具有第二已知相对湿度的气体，(iii)根据预定工作循环使气体交替流经湿通道和干通道，为目的点提供具有介于第一相对湿度和第二相对湿度之间的已知相对湿度的气体。
11.根据权利要求10所述的系统，还进一步包括设置在气体源和所述阀门之间的流量控制阀，以选择地控制通过所述系统的气体流量。
12.根据权利要求10所述的系统，还进一步包括微处理器，其与所述至少一个阀门电气上连通以控制工作循环，从而产生具有介于第一相对湿度和第二相对湿度之间的预定相对湿度的混合气体。
13.根据权利要求10所述的系统，其中目的点是测试仪器的测试室。
14.根据权利要求13所述的系统，其中测试仪器是渗透测试仪。
15.根据权利要求14所述的系统，其中渗透测试仪是氧气渗透仪。
16.根据权利要求14所述的系统，其中渗透测试仪是二氧化碳渗透仪。
17.根据权利要求10所述的系统，其中第二已知相对湿度约为0％。
18.根据权利要求10所述的系统，其中第一已知相对湿度约为100％。
19.一种产生具有可选相对湿度的气体的方法，包括：
(a)根据预定循环时间和工作循环，使具有初始相对湿度的气体在以下两个通道之间交替流动：(i)湿通道，其用于使气体加湿到大于初始相对湿度的第一已知相对湿度，以提供湿气体，以及(ii)干通道，其用于维持气体的初始相对湿度，以提供干气体，以及
(b)混合交替产生的湿气体和干气体团，以产生具有可选相对湿度的混合气体。
20.根据权利要求19所述的方法，其中循环时间为约0.1-10秒之间。
21.根据权利要求19所述的方法，其中气体以约1-1000cm3/分钟的流量流经湿通道和干通道。
22.根据权利要求19所述的方法，其中混合气体供应给渗透测试仪。
23.根据权利要求19所述的方法，其中初始相对湿度约为0％。
24.根据权利要求19所述的方法，其中第一已知相对湿度约为100％。
25.一种产生具有可选相对湿度的气体的方法，包括：
(a)根据预定循环时间和工作循环，使具有初始相对湿度的气体在以下两个通道之间交替流动：(i)湿通道，其用于使气体加湿到比初始相对湿度大的第一已知相对湿度，以提供湿气体，以及(ii)干通道，其用于使气体的相对湿度降低到比初始相对湿度小的第二已知相对湿度，以提供干气体，以及
(b)混合交替产生的湿气体和干气体团，以产生具有可选相对湿度的混合气体。
26.根据权利要求25所述的方法，其中循环时间为约0.1-10秒之间。
27.根据权利要求25所述的方法，其中气体以约1-1000cm3/分钟的流量流经湿通道和干通道。
28.根据权利要求25所述的方法，其中混合气体供应给渗透测试仪。
29.根据权利要求25所述的方法，其中初始相对湿度约为0％。
30.根据权利要求25所述的方法，其中第一已知相对湿度约为100％。
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