CN102288660A

CN102288660A - 一种工业气体中痕量水份和痕量氧检测的联检方法和装置

Info

Publication number: CN102288660A
Application number: CN2011102084224A
Authority: CN
Inventors: 袁万德
Original assignee: 袁万德
Current assignee: Chongqing Zhongke Analytical Instrument Co., Ltd.
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2011-07-25
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2031-07-25
Also published as: CN102288660B

Abstract

本发明提供一种工业气体中痕量水份和痕量氧检测的联检方法和装置，装置由下述五个部分组成：痕量水份检测：电解测水份的尾气用于氧量标校；痕量氧检测：脱氧气用于校零，测量尾气用于清除空气污染；共用旁路排放和压力调控与水、氧检测并联；使水氧联检具备“检测”和“待命”功能及状态自动转换的辅助气系统；快速清除采样污染的排洗式采样输入部分。装置用于检测含水份和氧＜3PPMv的工业气体时，五分钟内就能获取准确含量值。本发明可以彻底解决在检测范围内的工业气体中，痕量水份和痕量氧长期以来检测不准，传感器容易损坏，检测系统操作费时费事等一系列老大难题，使中国工业气体痕量水份和痕量氧检测技术，首次步入国际同行的前列。

Description

一种工业气体中痕量水份和痕量氧检测的联检方法和装置

技术领域

本发明涉及一种工业气体中痕量水份和痕量氧检测的联检方法和装置，特别是一种一次进样，就能快速准确地检测工业气体中痕量水份和痕量氧的联检方法和装置。

背景技术

痕量水份和痕量氧的含量，是工业气体最主要的质量指标，也是必检的项目。过去的检测方法一直都是两种成分由痕量水份检测仪器、痕量氧检测仪器分别检测。没有一次进样，就能快速准确地检测痕量水份和痕量氧的联检方法和装置。

目前市场上使用的燃料电池传统痕量氧检测器，用的都是外带标准，检测过程费时费事，检测结果的较零、标校受外界干扰因素较多，检测结果还不准确。

另外，由于痕量水份检测气路中避不开空气中水份的污染，痕量氧检测气路中避不开空气中大量氧的污染，检测结果不准确。

检测时气路需吹洗时间较长，有时需7-8小时，甚至2-5天或更长时间。

传统的检测时间太长，不论是气体生产厂家还是气体用户，要检测一瓶含氧和水份＜3PPMv的工业气体，在较顺利的情况下，两个项目的检测也需要用数十分钟，甚至更长时间。

实际检测时，由于气路的压力控制不好，经常由于压力过大，造成传感器损坏，影响正常生产和工作。

由于两个项目都很难测准，所以过去痕量氧和痕量水份的检测数据，一直比较混乱。

痕量氧的检测面临许多困难，而痕量水份的检测，多年来更一直是国内外公认的难题。因此，痕量氧和痕量水份的检测仪器，其功能及配套采样系统都急待改进，否则，不仅难以改变检测数据混乱的状况，还经常会因为电子气质量不过关，造成电器产品报废率过高及其他严重后果。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题缺陷，提供了一种工业气体中痕量水份和痕量氧检测的联检方法和装置，特别是只需一次进样，就能快速准确地检测工业气体中痕量氧和痕量水份的联检方法和装置。

一种检测工业气体中痕量水份和痕量氧的联检方法，痕量水份检测气路和痕量氧检测气路并联连接，同时测量；经痕量水份检测器电解池检测后的尾气，作为痕量氧检测器的标校气。

所说的痕量水份检测气路和痕量氧检测气路另并联一旁路压力调控器，待测气在旁通气路中流过时，产生水份和痕量氧检测所需的稳定的工作压力，旁路多余的待测气经放空口排出。

其校零四通阀转到“校零”时，待测气经过校零四通阀的脱氧管，对痕量氧检测器进行校零。

待测气通过痕量氧检测器检测后的尾气，吹洗氧检测器和三个四通阀的壳套内空隙，然后放空。

待测气经组合排洗式采样阀与痕量水份检测气路和痕量氧检测气路联接，排洗式采样阀由并联的阀门(2a)，和串联的阀门(2b)、(2c)构成。

所说的痕量水份检测气路上串联有一常用电磁阀，开启或关闭气路。

待测气检测系统并联有一路辅助气进样系统，待测气关闭时，辅助气即流过痕量水份检测气路和痕量氧检测气路，联检装置进入待命态。

其辅助气输出管路上另有一旁路压力调控器，提供辅气进入水氧联检系统的入口压力，多余的辅气经排放口排出。

一种工业气体中痕量水份和痕量氧检测的联检装置，其水份检测气路和氧检测气路并联联接，标校四通阀(14)串联在与氧检测器(16)之前，水份检测器(5)的气体输出管道，与标校四通阀(14)联接。

所说的痕量水份检测气路和痕量氧检测气路另并联一旁路压力调控器(21)，经流量计(22)连接到样气旁通排放口(23)。

在标校四通阀(14)之前，串联有校零四通阀(12)，校零四通阀(12)联接有脱氧管(13)。

其痕量氧检测器的输出管道，连接到痕量氧检测器(16)、检测四通阀(15)、标校四通阀(14)和校零四通阀(12)壳套至内部空隙的通道口，然后连接到氧量出口(19)。

其待测气输出管道与组合排洗式采样阀(2)联接，然后与痕量水份检测气路和痕量氧检测气路联接，排洗式采样阀由并联的阀门(2a)，和串联的阀门(2b)、(2c)组成。

所说的痕量水份进样气路上串联有一电磁阀(8)，连接于流量调节阀(7)之后。

其待测气进样系统另并联一路辅助气进样系统，辅助气经减压、稳压和限流阀(25)后的输出管道经流量调节阀(28)与痕量水份检测气路、痕量氧检测气路联接。

其辅助气输出管路上连接有一旁路压力调控器(30)，调控器(30)出口和流量计(31)相连，流量计(31)出口连接到辅气旁通排放口(32)。

该方法和装置的检测原理为：

痕量水份采用国内外最常用也是最可靠的电解法检测，即使用电解池。本发明的电解池为玻璃内绕式，内径0.08mm，电极距0.1mm，为国内最先进的。其检测原理为：当仪器连续取样，待测气样流经检测器电解池时，其水份被池内的P₂O₅膜层吸收，并同时电解为H₂和O₂，产生相应的电解电流“I”。反应方程如下：

P₂O₅+H₂O→2HPO₃……………………………………(1)

合并(1)和(2)式得：

在完全吸收和电解前提下，在1大气压、20℃、理想气体以及100mL/min流量的设定条件下，按照法拉第定律和气态方程，1PPMv的水份，产生的相应的电解电流为13.4μA，因此测定电流，即知水份含量，它们之间具有非常准确的一次函数线性关系。电解法是一种绝对方法，在规定条件下，自身就是一种标准。

另，大量的实验数据证明，采用玻璃内绕式电解池作检测器时，即使在＜3PPMv极低湿度下，其电解电流与电解发生的氧之间的也具有非常准确的一次函数线性关系。因此，本发明又用该电解池电解产生的氧，作为痕量氧检测的标校气，用痕量氧，标校氧检测器的测量数值，这是本方法和装置特有的内标方法。这是此方法和装置的化学原理基础。大量实验数据证明，该标校方法既科学、简便又准确。

痕量氧检测采用的是当今国内外最流行的方法-燃料电池法检测，其检测原理为：传感器由高活性的氧电极和铅电极构成，浸没在KOH的溶液中。氧在阴极被还原成氢氧根离子，在阳极铅被氧化。

O₂+2H₂O+4e→4OH^-

2Pb+4OH^-→2Pb(OH)₂+4e

该燃料电池的KOH溶液与外界由一层高分子薄膜隔开，检测时，样气中的氧分子通过高分子薄膜扩散到氧电极中进行电化学反应，样气不直接进入传感器，因而溶液与铅电极不需定期清洗或更换。该电化学反应中产生的电流取决于扩散到氧电极的氧分子数，而氧的扩散率又正比于样气中的氧含量，由此，传感器输出的信号大小只与样气中的氧含量相关，而与通过传感器的气体总量无关。通过外部电路的连接，反应中的电荷转移即电流的大小与参加反应的氧成正比关系。

标校时，将标校四通阀转到“标定”，用检测器电解产生的标准量的氧(氧的摩尔含量为

水的摩尔含量)，来校准氧检测器显示的氧含量数值。标校后，即将标校四通阀转到“检测”，待测气通过时，即可显示待测气中的氧含量。

校零的原理为：校零四通阀转到“校零”时，样气通过脱氧管，此时氧含量应该为零，但由于被测气体中存在空气污染及其它原因，使传感器连接的显示器数值不为零，此数值即-本底。将显示器数值减去该本底，即为氧的含量。

在校零时，将校零四通阀转到“校零”，测出本底，将显示器数值减去该本底。然后将校零四通阀转到“检测”，即可进行测量。

吹洗四通阀的原理：四通阀的壳套与阀芯和阀座间的空隙间，空气有可能从此处进入气路，导致痕量检测，出现错误数据。一直用检测后依然高纯的气体吹洗空隙，可以带走里面可能进入的空气，避免空气污染，保证检测的准确度。并保证检测器的快速响应。

目前市场上的检测仪器进入空气后，检测时气路需吹洗时间较长，有时需7-8小时，甚至2-5天或更长时间。而本发明的仪器检测时用样气吹洗几分钟即可。

本发明采用如下五个子系统，组成工业气体中痕量氧和痕量水份的联检装置。

第一痕量水份检测子系统：

气路流程：

待测气入口(3)→滤器(4)→电解式水份检测器(5)(输出数字数据(6))→流量调节阀(7)→电磁阀(8)→氧量标校四通阀(14)→流量计(9)→水份出口(10)。

功能和特点：

1、水份检测器为电解池，用来检测痕量水份；

2、流量调节阀用于调节测量气体流量；

3、电磁阀为开关，点压一下即可开、可关。其作用为：

(1)停电时，能自动关断气路，停止电解池反应。避免电路断，气路不断，气体过于饱和，损坏仪器部件。

(2)测定电解池本底，进行校零。关断后，电解池停止反应，稳定下来后就没有氢气了，应该为零。但由于气体中其他物质的存在，对传感器有响应，与传感器连接的显示器数值不为零，此数值即为气体中其他物质干扰--本底。减去该本底即可校零。

(3)使仪器迅速响应，关断后，点压一下，仪器重新开启，系统马上进入测试状态，即可检测。

4、经水份检测器检测后的尾气作为痕量氧检测器的标校气(原理见前)。

第二痕量氧检测子系统：

气路流程：

待测气入口(3)→滤器(4)→调节阀(11)→校零四通阀(12)→脱氧管(13)→标校四通阀(14)→检测四通阀(15)→氧传感器(16)(输出数据(17))→检测四通阀(15)→流量计(18)→氧传感器(16)壳套→检测四通阀(15)壳套→标校四通阀(14)壳套→校零四通阀(12)壳套→氧量出口(19)。

功能和特点

1、痕量氧测量传感器采用的是燃料电池式；

2、校零四通阀中的脱氧管，能够提供机内脱氧气，用于痕量氧检测器的校零(原理见前)；

3、标校四通阀用于痕量氧检测值的校验，原理如前；

4、检测四通阀，氧停检时转到“关闭”，测量时转到“检测”，即可开关氧量检测器，保护检测器，延长检测器的使用寿命；

5、流量计用于计量气体流量；

6、待测气通过痕量氧检测器检测后的尾气，吹洗氧检测器和三个四通阀的壳套与阀芯或/和阀座间的空隙，以清除残留空气和防止空气中的氧渗入四通阀内，尾气最后经氧量出口放空；

第三耦合并联子系统

气路流程

待测样气(1)→压力表(20)→压力调控器(21)→流量计(22)→放空(23)。

功能和特点

1、旁路压力调控器与水份检测和氧量检测系统，构成并联；

2、旁路压力调控器用于调控水份和氧检测子系统的压力；

3、实现水份和氧检测的待命态和检测态的自动转换。

第四辅助气子系统

气路流程

功能和特点

1、样气关断时，辅助气自动进入氧和水份检测系统，这样，

(1)可防止空气污染；

(2)使检测系统保持处于待命状态；

(3)养护电解池；

(4)保证低本底低水份即低湿气样时的水检测器能快速响应。

2、在样气检测时，辅助气自动退出检测系统，辅气转入待命状态。

第五采样子系统

气路流程

待测气1→采样排洗阀2(→阀门2a→阀门2b→阀门2c)→采样输出管道→检测输入接口3

功能和特点

1、阀门2a为并联，用于快速清除气瓶阀门出口通道内的残留空气。

2、阀门2b、2c用于减压、限流。

3、阀门输出开关2c用于防止采样时，空气串入联检系统。

五个子系统按附图结构，组成痕量水份和痕量氧检测的联检装置。在这套装置上，只需一次进样，就能又快又准的检测工业瓶装气体中的痕量氧和痕量水份。

本发明所述的联检装置，已制作成正式样机四台，并已试用两年以上，所有功能全部达到或超过设计指标，与同类产品相比，其优点是：

1、检测快速、准确，操作安全、简便；

2、能快速彻底的消除空气污染；

3、彻底避免了氧和水份检测器在瓶装气体检测中，因操作不慎所致的传感器过压损坏；

4、氧检测有机内脱氧气和标校气，能确保检测数据准确、可靠；

5、水份检测，在辅助气的养护下，能保证低本底下的反应速度；

6、节约检测时间90％以上；

7、装置的使用寿命长，而且几乎是免维修。

本发明的总体效果是：使费时、费事的分别检测，改进为一次进样，3～5分钟就能又快又准的完成工业气体中＜3PPMv的氧和水份的检测。本发明的推广、应用，必将使国内痕量水份和痕量氧的检测，在本方法检测范围内，告别多年检测数据混乱的局面。并可彻底解决工业气体检测领域长期存在传感器容易损坏和检测操作费时、费事等一系列老大难题。这种检测技术和装置的应用可使中国痕量氧和痕量水份的检测技术，首次步入国际同行的前列。

下面结合附图，通过实施例的具体实施方式再对本发明的上述内容作进一步的详细说明。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下实施例。在不脱离本发明上述技术思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包括在本发明的保护范围内。

附图说明

图1为工业气体中痕量水份和痕量氧检测的联检装置气路系统图。

具体实施方式

结合图1说明本发明工业气体中痕量氧和痕量水份联检方法和装置检测过程中的技术参数设定：

待测气瓶(1)经过采样阀(2)，连接于主机(33)机箱的样气入口(3)处。

辅助气(24)经过减压器(25)，连接于主机(33)机箱的辅气入口(26)处。

辅助气一般和待测气成分相同(或者为氮和氩)，但纯度较低，价格低廉。

待测气在检测时流量一般为500～800mL/min，检测结束，即刻关断；辅助气流量120mL/min，在气瓶使用检测中为常开，气瓶停检后，可关断。

气瓶检测时，待测气分为三路同时进入氧量和水份检测系统：

第一路经电解池(5)检测痕量水份含量，并输出数据(6)，然后经流量调节阀(7)和开关电磁阀(8)。待测气一般以100mL/min的流量进行水份检测。检测后的尾气输入氧量检测的标校四通阀(14)，作为氧量检测的标校气，最后经出口流量计(9)计量后，从水份出口(10)放空；

第二路经流量调节阀(11)调节至100mL/min，再经校零四通阀(12)、通过脱氧管(13)，标校四通阀(14)、检测四通阀(15)，进入氧传感器(16)检测氧含量，并输出数据，检测后的尾气再经检测四通阀(15)、流量计(18)进入(16)、(15)、(14)、(12)的壳套以清除四通阀内残留空气和防止空气的渗入，最后经氧量出口(20)放空；

第三路经压力表(20)、调控阀(21)，提供氧量和水份检测子系统的工作压力，尾气经流量计(22)计量后，从放空口(23)放空口。

辅助气(24)经减压器(25)减压、稳压(0.3MPa)、排洗后，调至120mL/min，再经输出管道和滤器(27)之后分为两路，

一路经压力表(29)、压力调控器(30)，提供辅助气的工作压力，然后经流量计(21)计量后，从放空口(32)放空。

另一路则经调节阀(28)调节流量后，在样气停检时，自动进入氧量和水份检测子系统，使联检系统处于待命态；

在样气检测时，自动退出氧量和水份检测系统，转入压力调控器(30)和流量计(31)，从放空口(32)放空。

本装置的优点：

1.一台仪器拥有两种不同的传感器；

2.水份传感器采用国际上通用的内绕式玻璃电解池(内径0.8mm极距0.08mm或内径1.0mm极距0.1mm)和特制涂液，膜层附着均匀、牢固、不流失、响应快，使用周期长；

3.氧传感器系选用进口燃料电池传感器，不仅性能好，而且响应快，寿命可达五年以上；

4.具有机内脱氧气，装置校零简便、快速；

5.配套高效采样器，能迅速清除采样污染；

6.机内自带标准，在样气检测中，随时可标定，并可在一分钟完成；

7.一次进样，能同时完成样气中痕量水和痕量氧含量的分析检测。既保证了检测的简便、快速和准确，又省时、省气，大大提高了检测效率，具有明显的经济效益，很适合于高纯、超纯和贵重气体中的痕量水份检测；

8.独特而又先进的气路系统，即使用于高压的不稳定气源，仪器的工作压力和测量流量仍十分稳定；

9.多功能的检测操作盘，能快速完成仪器的“吹扫”、“检测”、“标定”和“校零”；

10.特制的辅气系统，使仪器的检测系统长期处于＜5PPMv的待命态，痕级量的检测只需3～5分钟就可完成，测量精度可达±0.01PPMv。

该仪器主要用于工业在线、实验室以及瓶装高纯气中痕量水和氧的检测，尤其实用于空分装置和各气体分装厂高纯气体中的痕量水、氧的快速检测。同时也适用于石油化工、电子、冶金等行业的高纯度工艺性气体、保护性气体中的痕量水、氧的检测。

Claims

1.一种检测工业气体中痕量水份和痕量氧的联检方法，其特征是：痕量水份检测气路和痕量氧检测气路并联连接，同时测量；经痕量水份检测器电解池检测后的尾气，作为痕量氧检测器的标校气。

2.如权利要求1所述的联检方法，其特征是：痕量水份检测气路和痕量氧检测气路另并联一旁路压力调控器，待测气在旁通气路中流过时，产生水份和痕量氧检测所需的稳定的工作压力，旁路多余的待测气经放空口排出。

3.如权利要求1所述的联检方法，其特征是：校零四通阀转到“校零”时，待测气经校零四通阀脱氧，对痕量氧检测器进行校零。

4.如权利要求1所述的联检方法，其特征是：待测气通过痕量氧检测器检测后的尾气，吹洗氧检测器和三个四通阀的壳套内空隙，然后放空。

5.如权利要求1所述的联检方法，其特征是：待测气经组合排洗式采样阀与痕量水份检测气路和痕量氧检测气路联接，排洗式采样阀由并联的阀门(2a)，和串联的阀门(2b)、(2c)构成。

6.如权利要求1所述的联检方法，其特征是：痕量水份检测气路上串联有一常用电磁阀，开启或关闭气路。

7.如权利要求1所述的联检方法，其特征是：待测气进样系统并联有一路辅助气进样系统，待测气关闭时，辅助气即流过痕量水份检测气路和痕量氧检测气路，联检装置进入待命态。

8.如权利要求1所述的联检方法，其特征是：辅助气输出管路上另有一旁路压力调控器，提供辅气进入水氧联检系统的入口压力，多余的辅气经排放口排出。

9.一种工业气体中痕量水份和痕量氧检测的联检装置，其特征是：其水份检测气路和氧检测气路并联联接，标校四通阀(14)串联在与氧检测器(16)之前，水份检测器(5)的气体输出管道，与标校四通阀(14)联接。

10.如权利要求9所述的联检装置，其特征是：痕量水份检测气路和痕量氧检测气路另并联一旁路压力调控器(21)，经流量计(22)连接到样气旁通排放口(23)。

11.如权利要求(9)所述的联检装置，其特征是：在标校四通阀(14)之前，串联有校零四通阀(12)，校零四通阀(12)联接有脱氧管(13)。

12.如权利要求9所述的联检装置，其特征是：痕量氧检测器的输出管道，连接到痕量氧检测器(16)、检测四通阀(15)、标校四通阀(14)和校零四通阀(12)壳套至内部空隙的通道口，然后连接到氧量出口(19)。

13.如权利要求9所述的联检装置，其特征是：待测气输出管道与组合排洗式采样阀(2)联接，然后与痕量水份检测气路和痕量氧检测气路联接，排洗式采样阀由并联的阀门(2a)，和串联的阀门(2b)、(2c)组成。

14.如权利要求9所述的联检装置，其特征是：痕量水份进样气路上串联有一电磁阀(8)，连接于流量调节阀(7)之后。

15.如权利要求9所述的联检装置，其特征是：待测气进样系统另并联一路辅助气进样系统，辅助气经减压、稳压和限流阀(25)后的输出管道经流量调节阀(28)与痕量水份检测气路、痕量氧检测气路联接。

16.如权利要求9所述的联检装置，其特征是：辅助气输出管路上连接有一旁路压力调控器(30)，调控器(30)出口和流量计(31)相连，流量计(31)出口连接到辅气旁通排放口(32)。