CN104459036A - 一种密闭容器内高纯氙气pvt性质测试装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种密闭容器内高纯氙气PVT性质测试装置及方法，装置包括氦气瓶、氦气阀、氙气储罐、气源阀、真空阀、真空泵、中转阀、中转气瓶、中转气瓶电子秤、数据采集系统、纯度分析仪、加注阀、温控设备、回收阀、回收模块、液氮阀、液氮罐和放气阀。本发明研究得出了适用于密闭容器内高纯氙气PVT性质的测试方法，运用该方法，完成了高纯氙气PVT性质的验证测试试验，证明了该试验方法合理可行。在摸清密闭容器中氙PVT关系、积累氙气物理特性试验数据的同时，也为后续氙气的工程应用打下良好的基础。

Description

一种密闭容器内高纯氙气PVT性质测试装置及方法

技术领域

本发明涉及卫星电推进系统所使用的高纯氙气的PVT性质测试装置及方法，属于高纯氙气物理特性试验技术领域。

背景技术

目前，在轨飞行的推进系统类型较多，其中电推进系统由于具有很高的比冲，近些年来发展迅速，尤其以霍尔电推进系统和离子电推进系统倍受青睐，常用于静止轨道卫星平台执行南北位置保持、姿态控制(动量轮卸载)和轨道控制，甚至同步轨道转移等任务。此外电推进系统可以完成常规推进系统无法完成的任务，如深空探测、星际旅行等需要大△y的任务以及卫星、微小卫星的精确姿态控制和卫星星座组网控制等任务。

卫星霍尔电推进系统和离子电推进系统大多使用高纯氙气作为推进剂工质，在卫星发射前需要进行氙气加注，加注方法一般采用利用氙物理性质的热增压氙气加注方法，该加注方法是利用密闭容器内氙的PVT物理性质，通过对中转高压容器升温或降温，使储罐中的氙气经中转高压容器流入星上气瓶。加注过程中要保证氙加注质量、氙纯度以及系统压力等指标满足任务要求，并确保氙处于气态或超临界态。

研究密闭容器内高纯氙气的PVT性质，一方面可以为卫星电推进系统的高纯氙气加注试验提供设计依据和理论支撑，确保高纯氙气在卫星电推进系统中的成功应用；同时也为氙气物理性质的后续研究工作积累试验数据。

国外从上世纪80年代就开始了对高纯氙气物理性质的研究工作，投入了巨大的人力和物力，进行了大量的验证试验，通过多年的技术积累，在高纯氙气物理性质测试试验方面已具备了较强的技术能力。国内高纯氙气物理性质的研究工作尚处空白。

由于高纯氙气的应用领域为航天军工领域，其物理性质的测试技术和相关试验验证涉及到国家安全，掌握了该项技术的国家往往进行技术封锁，能够查到的国外资料只是提供了氙物理性质的一些参数，对物理性质测试方法的原理以及实施的具体步骤均未提及。所以对高纯氙气的PVT性质测试技术的研究需要自行开展大量的验证试验，总结试验验证方法，得到充分的第一手资料，这些基础资料是不可能从国外资料中获得的。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种密闭容器内高纯氙气PVT性质测试装置及方法，能够有效地完成氙气PVT性质的测试任务

本发明的技术方案是：一种密闭容器内高纯氙气PVT性质测试装置，包括氦气瓶、氦气阀、氙气储罐、气源阀、真空阀、真空泵、中转阀、中转气瓶、中转气瓶电子秤、数据采集系统、纯度分析仪、加注阀、温控设备、回收阀、回收模块、液氮阀、液氮罐和放气阀；

所述温控设备包括高压气瓶和高压气瓶电子秤，高压气瓶上装有压力传感器和温度传感器，用于测量高压容器的温度和压力；

回收模块包括回收气瓶、密封盖和液氮盛放容器，所述液氮盛放容器为上开口且带有保温层的圆筒状容器；密封盖盖在液氮盛放容器的上开口上；密封盖上装有液氮管路；回收气瓶的瓶身部分位于液氮盛放容器中，回收气瓶的瓶口端穿过密封盖并置于液氮盛放容器外；

氦气瓶通过氦气阀、中转阀与中转气瓶连接；

氦气瓶通过氦气阀与纯度分析仪连接；

氦气瓶通过氦气阀、加注阀与温控设备中的高压气瓶连接；

氦气瓶通过氦气阀、回收阀与回收模块中的回收气瓶连接；

氙气储罐通过气源阀和中转阀与中转气瓶连接；

氙气储罐通过气源阀与纯度分析仪连接；

氙气储罐通过气源阀和加注阀与温控设备中的高压气瓶连接；

氙气储罐通过气源阀和回收阀与回收模块中的回收气瓶连接；

真空泵通过真空阀、中转阀与中转气瓶连接；

真空泵通过真空阀与纯度分析仪连接；

真空泵通过真空阀、加注阀与温控设备中的高压气瓶连接；

真空泵通过真空阀、回收阀与回收模块中的回收气瓶连接；

中转气瓶放置于中转气瓶电子秤之上，并通过中转阀、加注阀与温控设备中的高压气瓶连接；

数据采集系统用于采集中转气瓶电子秤获得的重量参数、压力传感器获得的压力参数、温度传感器获得的温度参数以及高压气瓶电子秤获得的重量参数；

高压气瓶放置于高压气瓶电子秤之上；

高压气瓶和高压气瓶电子秤放置于温控设备中；

回收模块通过回收阀、中转阀与中转气瓶连接；

回收模块通过回收阀、加注阀与温控设备中的高压气瓶连接；

液氮罐通过液氮阀与回收模块中的液氮盛放容器连接；

放气阀连接在氦气阀、气源阀、真空阀、中转阀、加注阀、回收阀的公共端，用于装置中气体的释放。

所述的氦气阀、气源阀、真空阀、中转阀、加注阀、回收阀和放气阀均采用隔膜阀。

所述所有部件间的连接方式均采用VCR连接。

装置中部件间的所有管路中，除回收模块与液氮罐之间的管路外，均采用高抛光的不锈钢高压管路。

所述回收模块与液氮罐之间的管路采用液氮管路。

一种利用密闭容器内高纯氙气PVT性质测试装置进行测试的方法，包括下列步骤：

1)启动真空泵，打开真空阀、中转阀、加注阀和回收阀，对中转气瓶、高压气瓶以及回收气瓶抽真空，真空度达到10Pa时关闭真空阀；

2)打开氦气阀，给中转气瓶、高压气瓶以及回收气瓶充入氦气，关闭氦气阀；通过纯度分析仪分析氦气纯度是否满足水、氧含量的阈值要求，分析完成后打开放气阀，放掉装置中的氦气；放气结束后关闭放气阀；

3)重复步骤1)～步骤2)，直至氦气纯度满足水、氧含量的阈值要求后，进入步骤)；

4)打开真空阀，对中转气瓶、高压气瓶和回收气瓶抽真空，真空度达到10Pa时关闭真空阀；

5)打开气源阀，利用氙气储罐给中转气瓶、高压气瓶和回收气瓶充入氙气，关闭气源阀；通过纯度分析仪分析氙气纯度是否满足水、氧含量的阈值要求；分析完成后打开液氮阀给液氮盛放容器供给液氮，关闭液氮阀；将液氮通入液氮盛放容器，对回收气瓶降温，之后打开回收阀，可完成对装置中氙气的回收；回收结束后关闭回收阀和加注阀；

6)重复步骤4)～步骤5)，直至氙气纯度满足水、氧含量的阈值要求后，关闭真空泵并进入步骤)；

7)打开气源阀，将氙气储罐中的氙气填充至中转气瓶，并关闭气源阀；

8)打开加注阀，将中转气瓶中的氙气填充至高压气瓶内；填充至压力平衡后，启动温控设备对高压气瓶进行降温，并继续将中转气瓶中的氙气吸入高压气瓶；通过高压气瓶电子秤对氙气吸入量进行测量，当吸入量达到要求值时关闭加注阀和中转阀；

9)启动温控设备将高压气瓶控制到指定温度值，待温度传感器数值稳定后，记录压力传感器的数值，即为氙气在该温度下的测试结果；关闭温控设备；

10)打开回收阀、中转阀和加注阀，将中转气瓶和高压气瓶中的氙气回收至回收气瓶中；回收结束后关闭回收阀、中转阀和加注阀。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明根据高纯氙气PVT性质测试的技术要求，合理设计了高纯氙气PVT测试试验方法。该方法具有洁净度高、能够进行精确的温度控制、可靠性高、模块置换方便、测量数据全面完整等优点，能够有效满足高纯氙气PVT性质测试的试验要求。

(2)本发明采用的所有部件间的连接方式均采用VCR连接，阀门采用隔膜阀，管路采用高抛光的不锈钢高压管路，在保证装置密闭性的同时，使装置中的水、氧等杂质气体易于置换。

(3)本发明采用的试验方法合理、可行，可操作性强，中转气瓶的设置，可使氙气吸入时气流稳定，吸入量容易控制；试验温度的精确控制，能够保障氙气PVT性质试验安全、可靠进行。高纯氙气PVT性质测试技术的实现，在摸清密闭容器中氙PVT关系、积累氙气物理特性试验数据的同时，也为后续氙气的工程应用打下良好的基础。

附图说明

图1为本发明的装置的组成示意图；

图2为本发明的方法的流程示意图；

图3为回收模块的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明装置包括氦气瓶1、氦气阀2、氙气储罐3、气源阀4、真空阀5、真空泵6、中转阀7、中转气瓶8、中转气瓶电子秤9、数据采集系统10、纯度分析仪11、加注阀12、温控设备13、回收阀14、回收模块15、液氮阀16、液氮罐17和放气阀18。

回收模块15与液氮罐17之间的管路为液氮专用管路，装置连接所用的其余管路均为高抛光的不锈钢高压管路，具体连接方式如下：氦气瓶1通过氦气阀2和中转阀7与中转气瓶8连接；氦气瓶1通过氦气阀2与纯度分析仪11连接；氦气瓶1通过氦气阀2和加注阀12与温控设备13中的高压气瓶131连接；氦气瓶1通过氦气阀2和回收阀14与回收模块15中的回收气瓶151连接；氙气储罐3通过气源阀4和中转阀7与中转气瓶8连接；氙气储罐3通过气源阀4与纯度分析仪11连接；氙气储罐3通过气源阀4和加注阀12与温控设备13中的高压气瓶131连接；氙气储罐3通过气源阀4和回收阀14与回收模块15中的回收气瓶151连接；真空泵6通过真空阀5和中转阀7与中转气瓶8连接；真空泵6通过真空阀5和加注阀12与温控设备13中的高压气瓶131连接；真空泵6通过真空阀5和回收阀14与回收模块15中的回收气瓶151连接；中转气瓶8放置于中转气瓶电子秤9之上，并通过中转阀7和加注阀12与温控设备13中的高压气瓶131连接；数据采集系统10连接在加注阀12的上游，用于采集重量、压力、温度等参数；纯度分析仪11连接在加注阀12的上游；高压气瓶131放置于高压气瓶电子秤132之上；高压气瓶131和高压气瓶电子秤132放置于温控设备13中；压力传感器1311和温度传感器1312装在高压气瓶131上，用于测量高压容器131的温度和压力；回收模块15中的回收气瓶151通过回收阀14和中转阀7与中转气瓶8连接，管路采用液氮专用管路，管路外壁裹有保温层；回收模块15中的回收气瓶151通过回收阀14和加注阀12与温控设备13中的高压气瓶131连接；液氮罐17通过液氮阀16与回收模块15中的液氮盛放容器153连接；放气阀18连接在加注阀12的上游，用于放掉装置中的气体，其中放气管路需要连接至室外。

采用高纯氙气PVT性质测试试验装置，并采用高纯氙气和氦气作为试验工质，可以完成整个氙气PVT性质测试过程，包括抽真空、氦气置换、氙气置换、氙气吸入、PVT测试、氙气回收等过程，从而验证高纯氙气PVT性质测试方法的可行性和合理性。

如图2所示，具体步骤如下：试验开始前，应准备好试验装置中的所有部件，分别采用高抛光的不锈钢高压管路和液氮管路将各部件连接，具体连接方法如前文所述，从而完成整个试验装置的搭建；试验过程中，通过数据采集系统10进行重量、压力、温度等参数的采集；启动真空泵6，并打开真空阀5、中转阀7、加注阀12、回收阀14，对中转气瓶8、高压气瓶131以及回收气瓶151抽真空，真空度抽至10Pa，关闭真空阀5；

打开氦气阀2，中转气瓶8、高压气瓶131以及回收气瓶151充入氦气，充入的氦气压力为1MPa，关闭氦气阀2；通过纯度分析仪11对充入装置中的氦气进行纯度分析，然后打开放气阀18，放掉装置中的氦气，关闭放气阀18；重复上述抽真空、氦气置换过程，直至装置中水含量≤2ppm，氧含量≤2ppm；打开真空阀5，对对中转气瓶8、高压气瓶131和回收气瓶151抽真空，真空度抽至10Pa，关闭真空阀5；打开气源阀4，利用氙气储罐3给中转气瓶8、高压气瓶131和回收气瓶151充入氙气，氙气压力充至0.5MPa，关闭气源阀4；对充入装置中的氙气进行纯度分析；打开液氮阀16，回收模块15中充入液氮，关闭液氮阀16，将纯度分析后装置中剩余的氙气回收，关闭加注阀12、回收阀14；重复上述抽真空、氙气置换过程，直至装置中水含量≤2ppm，氧含量≤2ppm；关闭真空泵6；打开气源阀4，中转气瓶8中充入1kg氙气，充入过程中观察中转气瓶电子秤9读数，充入量达到1kg时关闭气源阀4；打开加注阀12，将中转气瓶8中的氙气落压填充至高压气瓶131，待压力平衡后启动温控设备进行降温，继续进行氙气吸入，吸入过程中观察高压气瓶电子秤132，当吸入量达到0.9kg时关闭加注阀12、中转阀7；控制温控设备，使高压气瓶131温度依次达到-30℃、-20℃、-10℃、0℃、10℃、20℃、30℃、40℃、50℃、60℃，待温度传感器1312数值稳定后，记录各点温度对应的压力传感器1311数值，即为氙气在各温度下的测试结果；打开回收阀14、中转阀7和加注阀12，将中转气瓶8和高压气瓶131中的氙气回收至回收气瓶151中；回收结束后关闭回收阀14、中转阀7和加注阀12。

高纯氙气PVT性质测试过程结束。

如图3所示，所述的回收模块15包括回收气瓶151、密封盖152和液氮盛放容器153，其中液氮盛放容器153为上开口、带有保温层的圆筒状容器；密封盖152上装有液氮管路，用于将液氮通入液氮盛放容器153中；首先将回收气瓶151放置于液氮盛放容器153中，盖好密封盖152，回收时将液氮通入液氮盛放容器153，对回收气瓶151降温，之后打开回收阀14即可完成对装置中氙气的回收。

本发明未详细说明部分属本领域技术人员公知常识。

Claims (6)

1.一种密闭容器内高纯氙气PVT性质测试装置，其特征在于：包括氦气瓶(1)、氦气阀(2)、氙气储罐(3)、气源阀(4)、真空阀(5)、真空泵(6)、中转阀(7)、中转气瓶(8)、中转气瓶电子秤(9)、数据采集系统(10)、纯度分析仪(11)、加注阀(12)、温控设备(13)、回收阀(14)、回收模块(15)、液氮阀(16)、液氮罐(17)和放气阀(18)；

所述温控设备(13)包括高压气瓶(131)和高压气瓶电子秤(132)，高压气瓶(131)上装有压力传感器(1311)和温度传感器(1312)，用于测量高压容器(131)的温度和压力；

回收模块(15)包括回收气瓶(151)、密封盖(152)和液氮盛放容器(153)，所述液氮盛放容器(153)为上开口且带有保温层的圆筒状容器；密封盖(152)盖在液氮盛放容器(153)的上开口上；密封盖(152)上装有液氮管路；回收气瓶(151)的瓶身部分位于液氮盛放容器(153)中，回收气瓶(151)的瓶口端穿过密封盖(152)并置于液氮盛放容器(153)外；

氦气瓶(1)通过氦气阀(2)、中转阀(7)与中转气瓶(8)连接；

氦气瓶(1)通过氦气阀(2)与纯度分析仪(11)连接；

氦气瓶(1)通过氦气阀(2)、加注阀(12)与温控设备(13)中的高压气瓶(131)连接；

氦气瓶(1)通过氦气阀(2)、回收阀(14)与回收模块(15)中的回收气瓶(151)连接；

氙气储罐(3)通过气源阀(4)和中转阀(7)与中转气瓶(8)连接；

氙气储罐(3)通过气源阀(4)与纯度分析仪(11)连接；

氙气储罐(3)通过气源阀(4)和加注阀(12)与温控设备(13)中的高压气瓶(131)连接；

氙气储罐(3)通过气源阀(4)和回收阀(14)与回收模块(15)中的回收气瓶(151)连接；

真空泵(6)通过真空阀(5)、中转阀(7)与中转气瓶(8)连接；

真空泵(6)通过真空阀(5)与纯度分析仪(11)连接；

真空泵(6)通过真空阀(5)、加注阀(12)与温控设备(13)中的高压气瓶(131)连接；

真空泵(6)通过真空阀(5)、回收阀(14)与回收模块(15)中的回收气瓶(151)连接；

中转气瓶(8)放置于中转气瓶电子秤(9)之上，并通过中转阀(7)、加注阀(12)与温控设备(13)中的高压气瓶(131)连接；

数据采集系统(10)用于采集中转气瓶电子秤(9)获得的重量参数、压力传感器(1311)获得的压力参数、温度传感器(1312)获得的温度参数以及高压气瓶电子秤(132)获得的重量参数；

高压气瓶(131)放置于高压气瓶电子秤(132)之上；

高压气瓶(131)和高压气瓶电子秤(132)放置于温控设备(13)中；

回收模块(15)通过回收阀(14)、中转阀(7)与中转气瓶(8)连接；

回收模块(15)通过回收阀(14)、加注阀(12)与温控设备(13)中的高压气瓶(131)连接；

液氮罐(17)通过液氮阀(16)与回收模块(15)中的液氮盛放容器(153)连接；

放气阀(18)连接在氦气阀(2)、气源阀(4)、真空阀(5)、中转阀(7)、加注阀(12)、回收阀(14)的公共端，用于装置中气体的释放。

2.根据权利要求1所述的一种密闭容器内高纯氙气PVT性质测试装置，其特征在于：所述的氦气阀(2)、气源阀(4)、真空阀(5)、中转阀(7)、加注阀(12)、回收阀(14)和放气阀(18)均采用隔膜阀。

3.根据权利要求1所述的一种密闭容器内高纯氙气PVT性质测试装置，其特征在于：所述所有部件间的连接方式均采用VCR连接。

4.根据权利要求1所述的一种密闭容器内高纯氙气PVT性质测试装置，其特征在于：装置中部件间的所有管路中，除回收模块(15)与液氮罐(17)之间的管路外，均采用高抛光的不锈钢高压管路。

5.根据权利要求1所述的一种密闭容器内高纯氙气PVT性质测试装置，其特征在于：所述回收模块(15)与液氮罐(17)之间的管路采用液氮管路。

6.一种利用权利要求1所述的密闭容器内高纯氙气PVT性质测试装置进行测试的方法，其特征在于包括下列步骤：

1)启动真空泵(6)，打开真空阀(5)、中转阀(7)、加注阀(12)和回收阀(14)，对中转气瓶(8)、高压气瓶(131)以及回收气瓶(151)抽真空，真空度达到10Pa时关闭真空阀(5)；

2)打开氦气阀(2)，给中转气瓶(8)、高压气瓶(131)以及回收气瓶(151)充入氦气，关闭氦气阀(2)；通过纯度分析仪(11)分析氦气纯度是否满足水、氧含量的阈值要求，分析完成后打开放气阀(18)，放掉装置中的氦气；放气结束后关闭放气阀(18)；

3)重复步骤1)～步骤2)，直至氦气纯度满足水、氧含量的阈值要求后，进入步骤4)；

4)打开真空阀(5)，对中转气瓶(8)、高压气瓶(131)和回收气瓶(151)抽真空，真空度达到10Pa时关闭真空阀(5)；

5)打开气源阀(4)，利用氙气储罐(3)给中转气瓶(8)、高压气瓶(131)和回收气瓶(151)充入氙气，关闭气源阀(4)；通过纯度分析仪(11)分析氙气纯度是否满足水、氧含量的阈值要求；分析完成后打开液氮阀(16)给液氮盛放容器(153)供给液氮，关闭液氮阀(16)；将液氮通入液氮盛放容器(153)，对回收气瓶(151)降温，之后打开回收阀(14)，可完成对装置中氙气的回收；回收结束后关闭回收阀(14)和加注阀(12)；

6)重复步骤4)～步骤5)，直至氙气纯度满足水、氧含量的阈值要求后，关闭真空泵(6)并进入步骤7)；

7)打开气源阀(4)，将氙气储罐(3)中的氙气填充至中转气瓶(8)，并关闭气源阀(4)；

8)打开加注阀(12)，将中转气瓶(8)中的氙气填充至高压气瓶(131)内；填充至压力平衡后，启动温控设备(13)对高压气瓶(131)进行降温，并继续将中转气瓶(8)中的氙气吸入高压气瓶(131)；通过高压气瓶电子秤(132)对氙气吸入量进行测量，当吸入量达到要求值时关闭加注阀(12)和中转阀(7)；

9)启动温控设备(13)将高压气瓶(131)控制到指定温度值，待温度传感器(1312)数值稳定后，记录压力传感器(1311)的数值，即为氙气在该温度下的测试结果；关闭温控设备(13)；

10)打开回收阀(14)、中转阀(7)和加注阀(12)，将中转气瓶(8)和高压气瓶(131)中的氙气回收至回收气瓶(151)中；回收结束后关闭回收阀(14)、中转阀(7)和加注阀(12)。