CN101187667A - 一种气体分压测量装置 - Google Patents

Abstract

一种气体分压测量装置，涉及一种气体测量装置。提供一种可使环境气氛稳定、测量准确度高，用于测量高温环境模拟气氛中气体分压，尤其是可在线检测控制气体流量的气体分压测量装置。设气体预处理系统与气体压力检测系统。气体预处理系统设氧气输送装置、氩气输送装置、气体混合器、进气管垂直升降调节装置和水气预处理装置，氧气输送装置与氩气输送装置之间经三通连接，三通与气体混合器之间经气管连接，气体混合器经气管、进气管垂直升降调节装置与水气预处理装置连接。气体压力检测系统设氧气检测装置、水气检测装置和高温环境箱，氧气检测装置与水气检测装置之间经气体保温管、三通连接，水气检测装置经传感器、水气样室、气管接高温环境箱。

Description

一种气体分压测量装置

技术领域

本发明涉及一种气体测量装置，尤其是涉及一种高温环境模拟气氛中气体分压测量装置。

背景技术

耐高温高性能纤维(如SiC纤维)是陶瓷纤维制品的一种，是用于金属基、陶瓷基复合材料的一种重要的高性能增强陶瓷纤维，具有强度与硬度高、热稳定性与耐氧化性好和热膨胀系数与密度低等优点，它是高温陶瓷基复合材料的最佳增强纤维，因此在航空、航天和原子能等领域具有良好的应用前景。

由于SiC纤维增韧补强SiC陶瓷基复合材料的应用目标大都是在含有氧、水分及腐蚀性介质的高温环境中使用，因此材料的高温环境力学性能引起了广泛的关注，是目前陶瓷基复合材料研究的热点之一。作为增强体的SiC纤维在正常使用条件下虽然不会直接接触到环境介质，但是实际上在制备复合材料过程中不可避免地在复合材料中留下微孔隙，使得部分纤维得以接触到高温介质。介质中含有的氧、水分和其它腐蚀介质，在高温和应力的催化作用下，可对SiC纤维造成损伤，从而影响高温力学性能。

目前国内外尚未见到SiC纤维在模拟航空发动机服役环境中的力学性能和微结构演变的相关研究报道。航空发动机热端部件环境介质是水氧耦合环境，与纯氧环境不同，纯氧环境不能替代水氧耦合环境，研究水氧耦合环境下纤维性能演变具有现实意义。

研究SiC纤维在水氧耦合环境下纤维性能演变的一个重要技术问题，就是SiC纤维在高温模拟环境气氛中的退火处理。目前单纯的采用气体流量来计算混合气体中各气体(氩气、水气、氧气)的分压是不够准确的，只能得出理论值，而无法得到实际炉子进气环境气氛气体的分压值，并且无法在线实时监控气体流量。

日本野口康夫等(中国专利CN85105865)发明了利用超声波在气体中传播速度对气体浓度的依赖性的气体浓度测量仪，包括一个防潮超声波传感器，由于它有一层利用蒸发方式沉积在密封材料表面上的金属或类似材料。因此该仪器几乎不受温度和湿度的影响，可在高湿度下长时间连续高精度测量气体浓度。但是该测量仪吸收了混合气里的被测气体，并且无法达到SiC纤维在高温模拟环境气氛中气体分压在线检测的目的。

美国专利US 4852395公布了一种装置，通过在两种不同的已知压力下测量透过流体的微波辐射的透射率，确定流动中流体的气体含量。芬兰皮卡·亚库拉等(CN99808467.0)发明了一种用于测量流体中气体含量的方法和测量装置。流体含有气泡，在此方法中，通过流体发送微波辐射，在微波测量装置中形成一个指示辐射的传播时间、相或振幅的信号，并且气体测量设备借助信号确定流体的气体含量。在两个已知压力下进行微波测量的问题是：必须从要进行微波测量的特殊点准确地测量用于测量的压力，必须准确地校准压力指示器。而后一种方法在微波辐射已通过流体传播以后测量至少一个微波辐射变量，并且根据由微波辐射变量中气泡引起的变化，确定流体的气体含量，此方法精度高，但都是只局限于测量流体中的气体，而无法测量混合气体中的各气体分量。

美国安东尼·T·皮埃里等(中国专利CN200480007569.5)发明了一种气体监控系统与适合于主流气体测量系统连通的测流气体测量系统。在保留主流气体测量系统的情况下增加测流气体测量能力，同时能按照需要增加测量气体测量特征，能够使用户不必为了获得主流气体测量的优点又能使用测流气体测量而背负必须使用整个系统的负担，或背负沉重的主流气体测量系统的负担。但是该系统是适用于呼吸气体监控系统，而无法适用于高温环境模拟气氛中气体分压的测量。

德国于尔根·鲁特(中国专利CN200510135771.2)发明了一种气体测量传感器，可确定被测气体的物理特性、尤其是温度或气体混合物如内燃机的排气中气体成分的浓度，该传感器具有一个壳体及一个离其壳体内壁具有间距地被保持在该壳体中的传感元件，该传感元件以一个被测气体侧的端部区段及以一个连接侧的端部区段从壳体中伸出并且在这些端部区段之间相对壳体内壁密封，其中：该传感元件具有一个环形法兰，该环形法兰被设置在这些端部区段之间的区域之间中并且与该传感元件对气体密封地相连接，并且该环形法兰被经过一个置入在一个径向肩与环形法兰之间的密封圈轴向固定夹紧在该构造在壳体内壁上的环形的径向肩上。该传感器主要适合测量如内燃机的排气中气体成分的浓度和氮氧化合物的浓度，无法测量高温下水氧氩的浓度。

发明内容

本发明的目的旨在克服现有技术中存在的无法在线检测气体分压等不足，提供一种可使环境气氛相对稳定、测量准确度较高，用于测量高温环境模拟气氛中的各气体分压，尤其是可在线检测控制气体流量的气体分压测量装置。

本发明设有气体预处理系统与气体压力检测系统。

气体预处理系统设有氧气输送装置、氩气输送装置、气体混合器、进气管垂直升降调节装置和水气预处理装置，氧气输送装置与氩气输送装置之间通过三通连接，三通与气体混合器之间通过气管连接，气体混合器通过气管、进气管垂直升降调节装置与水气预处理装置连接。

气体压力检测系统设有氧气检测装置、水气检测装置和高温环境箱，氧气检测装置与水气检测装置之间通过气体保温管、三通连接，水气检测装置通过超声波传感器、水气样室、气管与高温环境箱连接。

氧气输送装置可设有氧气钢瓶、微调针阀、玻璃浮子流量计和减压阀，氧气钢瓶与微调针阀之间通过减压阀连接，微调针阀通过气管与玻璃浮子流量计连接。

氩气输送装置可设有氩气钢瓶、微调针阀、玻璃浮子流量计和减压阀，氩气钢瓶与微调针阀之间通过减压阀连接，微调针阀通过气管与玻璃浮子流量计连接。

气体混合器与三通通过气管连接。

水气预处理装置可设有不锈钢圆柱形水桶和测控温装置。测控温装置通过热电偶与圆柱形水桶连接，圆柱形水桶设有桶体、法兰、气体保温管、水位计和多孔陶瓷爆气头，桶体上设有进气口、进水口、出气口和出水口，法兰置于桶体顶部，起密封作用，进气管垂直升降调节装置通过水管与多孔陶瓷爆气头连接，起调节水气流量的作用，气体保温管起保温混合气体的作用，气体保温管置于圆柱形水桶的出气口处。水位计位于桶体的侧边，水位计可实时观测圆柱形水桶里的水位。测控温装置包括热电偶、加热带、保温棉、控温器、变压器、电流接触器，热电偶、加热带和电流接触器与控温器电连接，变压器与电流接触器电连接，保温棉直接套在桶体外表面，热电偶可感应不锈钢圆柱形水桶内均温区温度，通过控温器可显示实时温度值，控温器通过变压器、电流接触器可调节电压达到控制内炉均温区温度的目的。

氧气检测装置可设有三通、玻璃冷凝器、无水CaCl₂干燥器、分子筛干燥器、变色硅胶干燥器、传送器、变送器、玻璃浮子流量计和微调针阀，玻璃冷凝器、无水CaCl₂干燥器、分子筛干燥器、变色硅胶干燥器按顺序通过气管连接，变色硅胶干燥器与微调针阀和玻璃浮子流量计连接，传送器和变送器之间通过数据线连接。玻璃冷凝器里有水冷循环起到冷凝水气的作用，无水CaCl₂干燥器、分子筛干燥器和变色硅胶干燥器等3种干燥器可继续干燥水气，微调针阀可调气体流量，控制为200ml/min。传送器是氧气检测装置的核心组件，传送器上设有进气口和出气口，是检测氧气的环室。变送器为传送器提供恒定的电流，实施恒温控制，对测量输出信号进行放大，显示测量数值。

水气检测装置可设有水气样室、玻璃浮子流量计、微调针阀、水气监控器、超声波传感器和热电偶，水气样室通过超声波传感器与水气监控器连接，超声波传感器通过数据线与水气监控器连接，由超声波传感器检测水气，通过数据线传送到水气监控器，水气监控器对测量输出信号进行放大，显示测量数值。热电偶设于水气样室内，热电偶起到在线监视临近高温环境箱进气口处混合气体温度的作用。

所述的控温器可采用大华仪表厂生产的XMTD型控温器，其技术性能达到：(1)设定及显示≤±1.0％FS；(2)冷却补偿误差≤±2℃，温度系数≤0.05％℃；(3)控制点不灵敏区：＜0.5％。

所述的气体混合器可采用成都市高新仪器厂生产的HQP-2型气体混合器，其(1)额定气压力：0.2MPa；(2)配比误差：±1.5％；(3)配比范围：0-100％可调。

所述的氧气检测装置中的传送器、变送器可采用南京南分分析仪器有限责任公司生产的CD-3636型，其(1)测量范围：0-21％O₂；(2)稳定性：零位飘移小于基本误差/24h，量程飘移小于基本误差/24h；(3)重复性误差：小于1/2基本误差；(4)输出信号：隔离直流4～20mA(负载电阻小于550Ω)。

所述的水气检测装置中的水气监控器及超声波传感器可选用哈尔滨宇达电子技术有限公司生产的型号GS-ZS在线气体水气监控器，其(1)测量水分范围：0～50％；(2)显示时间：1s；(3)温度补偿：-10～100℃。

其测量高温环境模拟气氛气体分压的原理是通过输送氩气与氧气在混合器中混合均匀后，再通入水气预处理装置的不锈钢圆柱形水桶中带水气，不锈钢圆柱形水桶中的进气管装有进气管垂直升降调节装置可上下调节，不锈钢圆柱形水桶桶身外表面缠有加热体，可调节水箱温度，这两者都可控制水气的流量，三种气体混合均匀后，就通过气管直接与气体压力检测系统连接。

与现有的测量装置相比，本发明的突出优点是：采用了气体预处理系统，使得三者气体可按要求的比例得到充分混合均匀，通过气体压力检测系统实现检测，气体压力测量系统中的氧气检测装置采用热磁式原理，因为氧气是顺磁物质，具有很高的磁化率，在磁场的作用下敏感元件内形成热磁对流，对敏感元件产生冷却作用，使其电阻发生变化而进行工作。而水分分析仪采用超声波原理，这样能够科学准确地测量出环境气氛中各气体分压，并在线检测控制气体流量，使得整个实验过程的环境气氛相对稳定。该装置的测量目标如——气体分压力：氩气：78％、水气：14％、氧气：8％，通过测出压力相对较小的氧气、水气分压，然后用标准大气压来扣减得到氩气的分压。而所采用的氧气、氩气都是5个9高纯气体，保证精度。本发明具有测量准确、操作简便、可靠性高的特点。

附图说明

图1是本发明实施例的原理方框图。图1中的A是气体预处理系统、B是气体压力检测系统、1是氧气输送装置、2是氩气输送装置、3是气体混合器、4是水气预处理装置、5是氧气检测装置、6是水气检测装置、7是高温环境箱。

图2是本发明实施例的气体预处理装置设备剖面结构示意图。图2中的41是不锈钢圆柱形水桶、411是法兰、412是进气管垂直升降调节装置、413是进气口、414是进水口、415是气体保温管、416是出气口、417是水位计、418是多孔陶瓷爆气头、419是出水口、42是测控温装置、421是热电偶、422是加热带、423是保温棉、424是控温器、428是加热体、429是保温棉。

图3是本发明实施例的剖面结构示意图。图3中的11是氧气钢瓶、12是微调针阀、13是玻璃浮子流量计、14是减压阀、21是氩气钢瓶、22是微调针阀、23是玻璃浮子流量计、24是减压阀、31是三通、32是气体混合器、41是不锈钢圆柱形水桶、411是法兰、412是进气管垂直升降调节装置、413是进气口、414是进水口、415是气体保温管、416是出气口、417是水位计、418是多孔陶瓷爆气头、419是出水口、421是热电偶、422是加热带、423是保温棉、424与425是控温器、426是变压器、427是电流接触器、428是加热体、429是保温棉、51是三通、52是玻璃冷凝器、53是无水CaCl₂干燥器、54是分子筛干燥器、55是变色硅胶干燥器、56是传送器、561是进气口、562是出气口、57是变送器、58是玻璃浮子流量计、59是微调针阀、61是水气样室、62是玻璃浮子流量计、63是微调针阀、64是水气监控器、65是超声波传感器、66是热电偶、7是高温环境箱。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构和工作原理作详细说明。

参见图1～3，本发明包括气体预处理系统A与气体压力检测系统B两部分。

气体预处理系统A通过氧气输送装置1与氩气输送装置2在气体混合装置3中的气体混合器32中混合均匀后，再通入水气预处理装置4中带水气，水气预处理装置中的进气管可通过进气管垂直升降调节装置412上下调节，及加热体428的温度两者可控制水气的流量，三种气体混合均匀后，就通过气管直接与气体压力检测系统B连接。气体压力检测系统包括有氧气检测装置5和水气检测装置6，所检测的气体可为氧气、高纯惰性气体、水气。气体压力检测系统可同时在线实时测量氧气与水气压力，并且可预先控制其流量。

在气体预处理系统A中氩气(流量1L/min)与氧气(流量100mL/min)气管都装有微调针阀12、22与玻璃浮子流量计13、23，经三通31一起进入气体混合器32中，充分混合均匀后通过管道进入水气预处理装置4，在水气预处理装置4的顶部进气管413带有进气管垂直升降调节装置412，可调节进气管413插入水气预处理装置4的深度，从而控制水分流量。通气之前，先预热气体压力检测系统B，传送器56为5h，水气监控器64为5min，气体预处理系统A中的不锈钢圆柱形水桶41加热2h到70℃保温，气体保温管415保温60℃，这样保证混合气体的温度均匀且流量稳定。混合气体经过多孔陶瓷爆气头418向四周均匀扩散，产生大量气泡，匀速上升，通过出气口416进入气体压力检测系统B。在水气预处理装置4中，装有热电偶421、加热带422、保温棉423、控温器424、425、变压器426、电流接触器427，可对水气预处理装置4进行控温，从而达到控制水气流量的目的。

混合气从水气预处理装置4出来后经过三通分成两段，向左流的混合气进入气体检测系统的氧气检测装置5前，管道装有微调针阀59，微调针阀59可微调混合气体的流量，测量时混合气体先进入冷凝装置52冷凝，通过三道干燥器，分别为无水CaCl₂干燥器54、分子筛干燥器55、变色硅胶干燥器56，再通过流量计58，控制气体流量为200ml/min，最后通入传送器56的进气口561，经检测后从出气口562出来直接排出室外，这一段气气体流量在整个高温环境模拟气氛气体分压测量装置中通过多道针阀与流量计控制，精度高、流量稳定；另一段混合气向右通过气体保温管415输送，气体保温管415上包有一层加热带422和一层保温棉423，可对气体进行保温，在水分检测装置6的管道上也装有微调针阀63，并有超声波传感器65密封装置水气样室61，混合气体直接通入水气样室61，通过水气样室61上的超声波传感器65就可测得水气分压值，数据通过数据线送到水气监控器64。最后混合气体直接进入高温环境箱7，在高温环境箱7的入口处装有热电偶66进行混合气体进气温度监控，保证气体流量的稳定性。因此本发明通过测量混合气体中含量较小的两种气体压力(氧气与水气分压)，通过一个标准大气压来减去所测数据得到含量较大的氩气分压，从而得到高温环境箱中模拟气氛的各个气体分压值。

其主要技术性能：

1)目标气体分压力：氩气为78％、水气为14％、氧气为8％，控制精度：0.01％；

2)水气预处理装置的保持温度：60±5℃；

3)氧气检测装置：测量范围：0～21％O₂；稳定性：零位飘移小于基本误差/24h，量程飘移小于基本误差/24h；重复性误差：小于1/2基本误差；输出信号：隔离直流4～20mA(负载电阻小于550Ω)；

4)水气检测装置；测量水分范围：0～50％；显示时间：1s；探针长度：50mm；温度补偿：-10～100℃；

5)微调针阀精度：0.5％；

6)水气预处理装置可调温度范围：0～100℃；气体保温管可调温度范围：0～199℃；

7)水气预处理装置功率：1KW。

高温环境模拟气氛气体分压测量装置混合气体可配比测量范围与精度可参见表1。

表1

气体	测量范围	精度	基本误差
				氧气水气氩气	0～21％0～50％0～100％	0.01％0.01％0.01％	±5％FS±5％FS±5％FS

Claims (9)

1.一种气体分压测量装置，其特征在于设有气体预处理系统与气体压力检测系统；

气体预处理系统设有氧气输送装置、氩气输送装置、气体混合器、进气管垂直升降调节装置和水气预处理装置，氧气输送装置与氩气输送装置之间通过三通连接，三通与气体混合器之间通过气管连接，气体混合器通过气管、进气管垂直升降调节装置与水气预处理装置连接；

气体压力检测系统设有氧气检测装置、水气检测装置和高温环境箱，氧气检测装置与水气检测装置之间通过气体保温管、三通连接，水气检测装置通过超声波传感器、水气样室、气管与高温环境箱连接。

2.如权利要求1所述的一种气体分压测量装置，其特征在于氧气输送装置设有氧气钢瓶、微调针阀、玻璃浮子流量计和减压阀，氧气钢瓶与微调针阀之间通过减压阀连接，微调针阀通过气管与玻璃浮子流量计连接。

3.如权利要求1所述的一种气体分压测量装置，其特征在于氩气输送装置设有氩气钢瓶、微调针阀、玻璃浮子流量计和减压阀，氩气钢瓶与微调针阀之间通过减压阀连接，微调针阀通过气管与玻璃浮子流量计连接。

4.如权利要求1所述的一种气体分压测量装置，其特征在于气体混合器与三通通过气管连接。

5.如权利要求1所述的一种气体分压测量装置，其特征在于水气预处理装置设有圆柱形水桶和测控温装置，测控温装置通过热电偶与圆柱形水桶连接。

6.如权利要求5所述的一种气体分压测量装置，其特征在于圆柱形水桶设有桶体、不法兰、气体保温管、水位计和多孔陶瓷爆气头，桶体上设有进气口、进水口、出气口和出水口，法兰置于桶体顶部，进气管垂直升降调节装置通过水管与多孔陶瓷爆气头连接，气体保温管置于圆柱形水桶的出气口处，水位计位于桶体的侧边。

7.如权利要求5所述的一种气体分压测量装置，其特征在于测控温装置设有热电偶、加热带、保温棉、控温器、变压器、电流接触器，热电偶、加热带和电流接触器与控温器电连接，变压器与电流接触器电连接，保温棉直接套在桶体外表面。

8.如权利要求1所述的一种气体分压测量装置，其特征在于氧气检测装置设有三通、玻璃冷凝器、无水CaCl₂干燥器、分子筛干燥器、变色硅胶干燥器、传送器、变送器、玻璃浮子流量计和微调针阀，玻璃冷凝器、无水CaCl₂干燥器、分子筛干燥器、变色硅胶干燥器按顺序通过气管连接，变色硅胶干燥器与微调针阀和玻璃浮子流量计连接，传送器和变送器之间通过数据线连接。

9.如权利要求1所述的一种气体分压测量装置，其特征在于水气检测装置设有水气样室、玻璃浮子流量计、微调针阀、水气监控器、超声波传感器和热电偶，水气样室通过超声波传感器与水气监控器连接，超声波传感器通过数据线与水气监控器连接。

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