多相态二氧化碳注入系统及注入方法

本申请涉及一种注入系统及注入方法。

背景技术：

1、当前用于将二氧化碳、甲烷或氢气等注入目标容器的注入系统，存在注入速率控制精度差的问题；尤其是目标容器为微流控芯片或低容量差示扫描量热仪等微孔隙体积(几毫升)设备时，目前的注入系统及注入方法难以实现高精度可控的注入过程。

技术实现思路

1、本申请第一方面提供一种注入系统。该注入系统用于向目标容器注入预设相态的目标物，目标物为二氧化碳、甲烷或氢气之一。该注入系统包括供气装置、活塞容器、柱塞泵、保温管、水浴槽、循环水浴、第一温度传感器、第二温度传感器、温度控制器、压力传感器以及数据采集与控制系统。供气装置用于提供气态的目标物。活塞容器包括腔体及位于腔体内的活塞，活塞将腔体分割为顶部空间和底部空间，顶部空间与供气装置连接。柱塞泵与底部空间连接。保温管与顶部空间及目标容器分别连接。水浴槽用于容纳活塞容器。循环水浴与水浴槽连接。第一温度传感器用于检测水浴槽的实时水温。第二温度传感器用于检测保温管的实时管温；温度控制器与保温管连接。压力传感器用于检测保温管的实时压力。数据采集与控制系统与柱塞泵、第一温度传感器、循环水浴、第二温度传感器、温度控制器、保温管及压力传感器分别连接。数据采集与控制系统用于采集实时水温、实时管温及实时压力，并用于通过控制循环水浴使水浴槽中的水温维持在目标水温，通过控制温度控制器使保温管的管温维持在目标管温以及用于迭代计算并自动控制在预设增压速率下，活塞容器向目标容器注入预设相态的目标物时，柱塞泵向底部空间的实时注液速率。

2、本申请实施例的注入系统，通过数据采集与控制系统、第一温度传感器、循环水浴及水浴槽的设置，可自动控制水浴槽中的水温维持在目标水温；通过数据采集与控制系统、第二温度传感器、温度控制器的设置，可自动控制保温管的管温维持在目标管温；通过数据采集与控制系统、压力传感器及柱塞泵的设置，可监控注入过程中目标容器的实时压力，并基于实时压力以及实时水温迭代计算在预设增压速率下，活塞容器向目标容器注入预设相态的目标物时，柱塞泵向活塞容器的底部空间的实时注液速率，并自动控制柱塞泵以实时注液速率向活塞容器的底部空间注入液体。可见，该注入系统能够根据注入过程中的实时数据(如实时压力、实时水温等)自动调节实时注液速率，确保注入过程的最优化。因此，该注入系统有利于实现二氧化碳、甲烷或氢气等的高精度可控的注入过程。

3、本申请第二方面提供一种注入方法，该注入方法采用本申请第一方面的注入系统实现。该注入方法包括初始准备、选择注入方式、第一步注入以及第二步注入。初始准备包括清除底部空间的液体以及清除顶部空间的空气。选择注入方式中，当目标物为二氧化碳时，注入方式为气态注入方式、气态转超临界态注入方式、超临界态注入方式、液态注入方式中的任意一种；当目标物为甲烷或氢气时，注入方式为气态注入方式。第一步注入包括控制水浴槽中的水温维持在目标水温，通过供气装置向顶部空间注入目标物，使顶部空间内的压力达到初始压力；其中，气态注入方式和气态转超临界态注入方式中，顶部空间中目标物呈气态，超临界态注入方式和液态注入方式中，顶部空间中目标物呈液态。第二步注入包括将目标容器与保温管连接，控制保温管的管温在目标管温，根据初始压力、活塞容器的体积、目标容器的体积以及目标容器的实时压力计算预设增压速率下的实时注液速率，并使柱塞泵以实时注液速率向底部空间注入液体，直至目标容器的压力达到目标压力；其中，气态注入方式、气态转超临界态注入方式、超临界态注入方式及液态注入方式中，目标物分别以气态、气态转超临界态、超临界态及液态的形式注入目标容器中。

4、本申请第二方面的注入方法，有利于实现二氧化碳、甲烷或氢气等的高精度可控的注入过程。此外，本申请第二方面的注入方法中，目标物为二氧化碳时，通过改变柱塞泵向活塞容器的底部空间的实时注水速率改变注入系统中目标容器的体积与活塞容器的顶部空间的总体积方式进行加压与降压，并通过循环水浴及保温管自动控制二氧化碳注入的温度，进而改变二氧化碳的相态，有利于实现多相态二氧化碳转化以及高精度低速率的在微量设备中的注入。

技术特征：

1.一种注入系统，其特征在于，所述注入系统用于向目标容器注入预设相态的目标物，所述目标物为二氧化碳、甲烷或氢气之一，所述注入系统包括：

2.如权利要求1所述的注入系统，其特征在于，所述保温管包括可视化视窗，所述注入系统还包括相机，所述相机用于在向所述目标容器注入所述目标物的过程中，通过所述可视化视窗记录所述保温管内的所述目标物的实时图像，所述数据采集与控制系统还与所述相机连接，并用于采集所述实时图像并实时识别所述保温管内的所述目标物的相态。

3.如权利要求2所述的注入系统，其特征在于，所述供气装置包括气瓶、与所述气瓶及所述保温管连接的管线及设于所述管线上的第一阀门；

4.如权利要求3所述的注入系统，其特征在于，所述注入系统还包括三通管和排液阀，所述三通管的三个输出口分别与所述柱塞泵、所述底部空间及所述排液阀连接。

5.如权利要求2至4中任意一项所述的注入系统，其特征在于，所述数据采集与控制系统为计算机；或，所述数据采集与控制系统包括计算机以及与所述计算机连接的数据采集仪，所述数据采集仪与所述压力传感器、所述第一温度传感器、所述第二温度传感器、所述相机中的至少一个连接。

6.一种注入方法，其特征在于，所述注入方法采用如权利要求1至5中任意一项所述的注入系统实现，所述注入方法包括：

7.如权利要求6所述的注入方法，其特征在于，所述第二步注入还包括：所述目标容器的压力达到所述目标压力后，将所述柱塞泵改为恒压模式。

8.如权利要求6所述的注入方法，其特征在于，在所述注入系统还包括三通管和排液阀的情况下，所述初始准备包括：

9.如权利要求6所述的注入方法，其特征在于，在所述注入系统还包括相机的情况下，所述注入方法还包括：在所述第一步注入的过程中和第二步注入的过程中，通过所述相机及所述可视化视窗实时观察所述保温管内的所述目标物的相态变化。

10.如权利要求6至9中任意一项所述的注入方法，其特征在于，所述预设增压速率与所述实时注液速率的关系满足：

技术总结本申请实施例涉及一种注入系统及注入方法。该注入系统包括供气装置、活塞容器、柱塞泵、保温管、水浴槽、循环水浴、第一温度传感器、第二温度传感器、温度控制器、压力传感器及数据采集与控制系统。供气装置用于提供气态的目标物。活塞容器包括与供气装置连接的顶部空间和与柱塞泵连接的底部空间。保温管与顶部空间及目标容器分别连接。水浴槽用于容纳活塞容器。循环水浴与水浴槽连接。第一温度传感器用于检测水浴槽的实时水温。第二温度传感器用于检测保温管的实时管温。温度控制器与保温管连接。压力传感器用于检测保温管的实时压力。数据采集与控制系统用于迭代计算并自动控制在预设增压速率下柱塞泵向底部空间的实时注液速率。技术研发人员：殷振元,张吉东,刘学健受保护的技术使用者：清华大学深圳国际研究生院技术研发日：技术公布日：2024/7/11