CN104655457A - 一种气体光谱分析真空采样器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种气体光谱分析真空采样器，包括通过三通管连接的一次减压阀（1）、分析仪（2）和微喷射流真空发生器（3），所述分析仪（2）和微喷射流真空发生器（3）通过管道连通；所述三通管的接头（4）与分析仪（2）之间设置有二次减压阀（5）；所述三通管的接头（4）与微喷射流真空发生器（3）之间设置有针阀（6）；所述分析仪（2）和微喷射流真空发生器（3）之间设置有单向阀（7）。本发明的有效提高吸收光谱分析仪的测量精度和吸收峰的选择性。成本低，设备结构简单，安装方便。运行费用低，利用气体本身的压差产生真空，无需外部功能。设备不涉及电路、泵或转子部件等不安全的因素，运行过程安全、稳定、可靠。

Description

一种气体光谱分析真空采样器

技术领域

本发明涉及一种气体分析仪器，尤其涉及一种气体光谱分析真空采样器。

背景技术

光和物质之间的相互作用，使物质对光产生了吸收、发射或散射。将物质吸收、发射或散射光的强度对频率作图所形成的演变关系，称为光谱，是测定和鉴别物质的重要实验手段。常见的气体吸收光谱分析技术有：广谱的ND I R技术和窄线宽的TDLAS技术。其中，TDLAS技术是通过对激光器施加调谐信号实现波长扫描，获得气态物质的吸收谱线，进而推算其成分和状态信息的检测技术，具有高灵敏度,高分辨率等优点，可广泛应用于石油化工、大气环境、家庭民用等领域的相关气体检测。

吸收光谱技术基于比尔朗伯定律，即强度为I₀，频率为v的单色激光，通过吸收介质后，在接收端测得的强度为I，其基本形式为：

I_(v)＝I₀exp(-α(v)CL)

其中，C为被测气体的浓度，α(v)是频率v处介质的吸收截面，L为光程，是光与气体作用的长度。

比尔朗伯定律的物理意义是：当单色光通过某一均匀非散射的吸光物质时,其吸光度与吸光物质的浓度成正比。由此可见，在其他条件已知的情况下，可以通过测量光强的变化即吸光度来计算气体浓度。当气体浓度一定时，光程L越长，吸光度越高，因此在工程应用中，可以采用增加气室长度的方法来提高测量精度。但是增加气室的长度，一方面对激光的亮度、方向性和汇聚度具有很高的要求，更重要的是，若要将测量精度提高一位，气室长度需增长十倍。受空间和成本的限制，气室长度显然不能无限增长。另外一种方法是空腔振荡的方法，即在气室长度一定的情况下，通过光的多次反射来增加光程，该方法对光路的精度要求很高，显著增加了系统的复杂程度和加工成本，不利于工业生产应用。

由比尔朗伯定律可知，除了光程L之外，气体的吸收还受介质的吸收截面α(v)的影响，它是压力的函数。在高压下，分子间的碰撞会使气体分子对光谱的吸收产生碰撞展宽，让气体对激光的吸收谱线变矮变宽，不利于仪器寻找合适的吸收峰和测量精度的提高，而且如果多个吸收峰相隔较近，甚至产生叠加，直接影响仪器对吸收峰位置的判断，使得测量结果不准确，如图4所示，在300K、1atm条件下，气体组成为95％CH4、5％C2H6和10ppm H2O时的吸收谱线，图中可以看到常压条件下，当H2O的浓度很低时，其吸收峰完全被湮没在CH4的吸收峰之下，仪器无法追踪到水的吸收峰位置；而在低压环境下，吸收峰变得细高，可将不同的吸收峰分离开，如图5所示，同样的气体组分在相同的温度条件下，压力降至0.1atm时，H2O和CH4的各个吸收峰被分离开，提高吸收峰的选择性，可从本质上提高测量的准确性和精确度，因此在基于吸收光谱技术的气体分析仪中，降低样品气室的压力具有重要的意义。

目前对于降低气室压力的方法，一般采用抽气泵抽气的方式。但是抽气泵作为转子部件，是利用叶轮或活塞等部件实现抽气和排气的机械，一方面需要消耗额外的能量，一方面会给整个系统带来振动和可靠性问题。

发明内容

本发明针对背景技术中存在的问题，设计了一种可以自动降低进入分析仪气室压力的采气装置。利用上游高压气体与下游排气的压力差，以高压气体为工作介质做功产生微喷射流，高速气体的粘滞力将仪器内的气体抽吸出来，以降低气室内的压力，其具体技术方案如下：

一种气体光谱分析真空采样器，其特征在于：包括通过三通管连接的一次减压阀(1)、分析仪(2)和微喷射流真空发生器(3)，所述分析仪(2)和微喷射流真空发生器(3)通过管道连通；所述三通管的接头(4)与分析仪(2)之间设置有二次减压阀(5)；所述三通管的接头(4)与微喷射流真空发生器(3)之间设置有针阀(6)；所述分析仪(2)和微喷射流真空发生器(3)之间设置有单向阀(7)。

所述微喷射流真空发生器(3)包括一个三通状腔体，所述腔体上设置有高压气体进气口(31)、低压气体进气口(32)、出气管(33)，微喷射流真空发生器(3)通过高压气体进气口(31)与针阀(6)连接，微喷射流真空发生器(3)通过低压气体进气口(32)与单向阀(7)连接。

所述高压气体进气口(31)设置有喷管(8)。

所述喷管(8)为缩放喷管、渐缩喷管、微喷管或喷射流装置。

所述出气管(33)为直管、渐缩喷管或缩放喷管。

本专利在现有技术的基础上，增设一个以微喷射流喷管为主要元件的真空发生器，以降低气室内的压力。通过射流装置的气体为工作气体，被真空装置吸出的气体为抽吸气体。工作气体是从高压采气口采入，经过第一个减压阀减压至0.3MPa～0.5MPa后通过三通，其中一部分气体作为工作气体流经射流喷管加速，形成高速气流后排出，另一部分气体再经过第二个减压阀减压至0.1Mpa左右，作为待测气体进入低压管道，由于低压管道与真空发生器相连，高速气流可利用气体的粘滞力卷吸出低压管道内的气体，使仪器气室内的压力最终低于0.1MPa，另加一个单向阀阻止高压工作气向其中泄漏。该真空发生器的流量和真空度取决于工作气体的上流压力，可由针阀来调节流量，当真空度达到要求时，停止抽气。

上述微喷射流真空发生器是靠喷管产生高速微喷射流来工作的，微喷射流产生的高速工作气体分为亚声速、声速和超声速三种，这取决于高低压气体的压力差、气流的流动损失以及喷管的形状是渐缩喷管还是缩放喷管，但无论是哪种喷管，只要能够对气流进行加速，都能够形成一定的负压，在应用中，都是可行的方案。

本发明的有益技术效果为：

1、有效提高吸收光谱分析仪的测量精度和吸收峰的选择性。

2、设备结构简单，安装方便，制作和安装成本低，。

3、利用气体本身的压差能产生真空，无需外部供能，运行费用低。

4、设备没有转动部件，合理设计工况下无震动、无噪音，运行更安全、更稳定、更可靠。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中微喷射流真空发生器的结构示意图；

其中：一次减压阀1、分析仪2、微喷射流真空发生器3、三通管的接头4、二次减压阀5、针阀6、单向阀7、高压气体进气口31、低压气体进气口32、出气管33、喷管8；

图3为本发明中微喷射流真空发生器的截面结构示意图；

其中0-截面0、1-截面1、2-截面2、3-截面3、4-截面4；

图4为为300K、1atm条件下，气体组成为95％CH4、5％C2H6和10ppm H2O时的吸收谱线：

图5为300K、0.1atm条件下，气体组成为95％CH4、5％C2H6和10ppm H2O时的吸收谱线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

一种气体光谱分析真空采样器，其特征在于：包括通过三通管连接的一次减压阀(1)、分析仪(2)和微喷射流真空发生器(3)，所述分析仪(2)和微喷射流真空发生器(3)通过管道连通；所述三通管的接头(4)与分析仪(2)之间设置有二次减压阀(5)；所述三通管的接头(4)与微喷射流真空发生器(3)之间设置有针阀(6)；所述分析仪(2)和微喷射流真空发生器(3)之间设置有单向阀(7)。

所述微喷射流真空发生器(3)包括一个三通状腔体，所述腔体上设置有高压气体进气口(31)、低压气体进气口(32)、出气管(33)，微喷射流真空发生器(3)通过高压气体进气口(31)与针阀(6)连接，微喷射流真空发生器(3)通过低压气体进气口(32)与单向阀(7)连接。

所述高压气体进气口(31)设置有喷管(8)。

所述喷管(8)为缩放喷管、渐缩喷管、微喷管或喷射流装置。

所述出气管(33)为直管、渐缩喷管或缩放喷管。

1、本发明中低压气体进气口的布置位置可位于分析仪前端或后端，即在气体进入仪器前且位于二次减压阀后或排出仪器后进行真空化处理均为可行方案。

2、喷管的作用是产生高速气流，因此其结构可采用缩放喷管、渐缩喷管、微喷管或任意微喷射流装置。

3、高压进气压力可根据需要的真空度变化，不影响装置功能。

4、可根据需要在出气管的管口处增加低压排气的处理系统，可根据出口压力和耗气量选择排空、燃烧、回收等处理方式。

5、真空腔的形状可以任意选择，只要能够保证一定膨胀空间和气流混合空间即可。

6、根据需要设计多级射流系统。

7、出气管道也可以为直管、渐缩喷管或缩放喷管。

结合如图3所示，本发明中喷管形状对气流速度的影响原理如下，其中截面0——喷灌进气口，截面1——喷灌出气口，截面2——低压气体进气口，截面3——工作气体和抽吸气体于该截面混合均匀，截面4——排气口：

定义气体质点的速度u与当地声速c的比值为马赫数，记为Ma，根据定义得：

$\mathrm{Ma}=\frac{u}{c}$

根据连续性方程: $\frac{\mathrm{d\ρ}}{\mathrm{\ρ}}+\frac{\mathrm{du}}{u}+\frac{\mathrm{dA}}{A}=0,$ 和运动方程： $\mathrm{udu}=-\frac{1}{p}\mathrm{dp},$ 可得：

$\frac{\mathrm{d\ρ}}{\mathrm{\ρ}}=\frac{\mathrm{d\ρ}}{\mathrm{dp}}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{\ρ}}=\frac{1}{c^2}\frac{\mathrm{dp}}{\mathrm{\ρ}}=-\frac{u}{c^2}\mathrm{du}=-{\mathrm{Ma}}^2\frac{\mathrm{du}}{u}$

$({\mathrm{Ma}}^2-1)\frac{\mathrm{du}}{u}=\frac{\mathrm{dA}}{A}$

上式说明，对于亚声速流动的气体，Ma＜1,气体流动速度u随管道截面积A的减小而增大；对于超声速流动的气体，Ma＞1,气体流动速度u随管道截面积A的增大而增大。若入口截面压强为p₀，出口背压为p_b，当p_b＜p₀时，拉法尔喷管中出现正向气体流动，在收缩段内马赫数增大，压强减小，然后在扩散段内马赫数变小，压力增大直到等于出口背压。

因此，在整个流动过程中，如果采用渐缩喷管，则出气口气流速度最高Ma＜1；若是采用缩放喷管，则管道喉部为Ma临界点，出口气流速度最高Ma＞1。高压气流将分析仪气室内的气体抽出，降低气室压力，提高测量精度。

本专利中真空发生器数学模型的建立，气流在装置内的流动特征点：

高压工作气体从截面0到截面1通过喷管的流量特性：

根据可压缩流体一维流动的基本理论，将喷管的质量流量表示为压强和滞止参数的函数，即：

$u=\sqrt{{2C}_p{T}_0[1-{\left(\frac{P}{P_0}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}-1}{\mathrm{\γ}}}]}$

$Q_m=\mathrm{\ρuA}={\mathrm{\ρ}}_{0}A{\left(\frac{P}{P_0}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\γ}}}\sqrt{2C_P{T}_0[1-{\left(\frac{P}{P_0}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}-1}{\mathrm{\γ}}}]}$

简单变形后得到：

$Q_m=\mathrm{\ρuA}=P_{0}A\sqrt{\frac{2\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}\frac{1}{{\mathrm{RT}}_0}[{\left(\frac{P}{P_0}\right)}^{\frac{2}{\mathrm{\γ}}}-{\left(\frac{P}{P_0}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}+1}{\mathrm{\γ}}}]}$

式中：Q_m——气体质量流量，kg/s；

P₀——气体滞止压力，Pa；

T₀——气体滞止温度，K；

P——喷管下游压力，Pa；

A——喷管的截面面积，m²；

γ——气体绝热系数；

R——气体常数，J/(kg.K)(对于甲烷：R＝501J/(kg.K))。

由上式可见，当气体的滞止状态一定时，可压缩流体通过喷管的质量流量Q_m只跟背压与滞止压力之比P/P₀有关。当时达到最大值，此时的压强为临界压强(对于甲烷γ＝1.3， $\frac{P_{*}}{P_0}={\left(\frac{2}{1.3+1}\right)}^{\frac{1.3}{1.3-1}}\≈0.5457$ )，此时的流量为最大流量：

$Q_m=P_{0}A\sqrt{\frac{\mathrm{\γ}}{{\mathrm{RT}}_0}{\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}+1}{\mathrm{\γ}-1}}}$

低压卷吸气体从截面2到截面3的流量特性：

当卷吸气体未达到临界状态时，被吸入的流体的流量为：

${Q_m}^{\′}={\mathrm{\ρ}}^{\′}{u}^{\′}{A}^{\′}={{\mathrm{\ρ}}_0}^{\′}{A}^{\′}{\left(\frac{P^{\′}}{{P_0}^{\′}}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\γ}}}\sqrt{{2C}_P{T_0}^{\′}[1-{\left(\frac{P^{\′}}{{P_0}^{\′}}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}-1}{\mathrm{\γ}}}]}$

当卷吸气体达到临界状态时，被吸入的流体的流量为：

$Q_m^{\′}=P_0^{\′}{A}^{\′}\sqrt{\frac{\mathrm{\γ}}{{{\mathrm{RT}}_0}^{\′}}{\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}+1}{\mathrm{\γ}-1}}}$

对于混流管道的等面积段，有：

Q＝Q_m+Q′_m

工作气体和抽吸气体在截面3处完全混合，此时可视两种气体的温度和流速相等。

专利实施的典型运算

工作气体从0截面进入到截面4排出，上游气体为滞止状态，P₀＝0.3MPa，T₀＝320K，截面4的压力P₄＝0.1MPa，为减小耗气量，喷管的出口截面可尽量小，取A＝10^-8m²，

由于临界压强 $P_{*}=P=P_0{\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}}{\mathrm{\γ}-1}}=0.5457*0.3=0.16371\mathrm{MPa}>P_4,$ 故工作气体的流动在喷管出口1处可以达到临界值，且P₁＝P_*＝0.16371MPa，由此得到流经喷管的工作气体流量达到最大，为：

$\begin{array}{c}{Q}_m=P_{0}A\sqrt{\frac{\mathrm{\γ}}{{\mathrm{RT}}_0}{\left(\frac{2}{\mathrm{\γ}+1}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}+1}{\mathrm{\γ}-1}}}=0.3\×{10}^6\×{10}^{-8}\×\sqrt{\frac{1.3}{520\×320}{\left(\frac{2}{1.3+1}\right)}^{\frac{1.3+1}{1.3-1}}}\\ =4.9073\×{10}^{-6}\mathrm{kg}/s\end{array}$

出口处的理想气流速度为：

$u_{\mathrm{id}}=\sqrt{{2C}_P{T}_0[1-{\left(\frac{P}{P_0}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}-1}{\mathrm{\γ}}}]}=\sqrt{{2C}_P{T}_0[1-{\left(\frac{P_{*}}{P_0}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}-1}{\mathrm{\γ}}}]}=\sqrt{\frac{2\mathrm{\γ}{\mathrm{RT}}_0}{\mathrm{\γ}+1}}=433m/s$

但是在实际运行中，由于流动损失的存在，速度往往取一定的系数作为修正，η＝0.94～0.69，因此出口的气体流速为：

u＝η*u_id＝0.95×433＝411m/s

又根据可得出口温度为：

$T=T_0-\frac{u^2(\mathrm{\γ}-1)}{2\mathrm{\γR}}=320-\frac{{411}^2\×(1.3-1)}{2\×1.3\×520}=282.5K$

对于抽吸的气体，由于吸力的作用，从管道内抽吸出来被加速到与工作气体的速度一致且温度在混合后相等，忽略抽气温度，设其加速后温度与工作气体的温度相等，且抽气前的滞止压力为P′₀＝0.1MPa，T′₀＝310K，由伯努利方程：

${P_0}^{\′}=P^{\′}+\frac{{\mathrm{\ρu}}^2}{2}=P^{\′}+\frac{P^{\′}{u}^2}{2\mathrm{RT}}$

可以得到真空腔压力为：

$P^{\′}=\frac{{P_0}^{\′}}{(1+\frac{u^2}{2\mathrm{RT}})}=\frac{0.1\×{10}^5}{1+\frac{{411}^2}{2\×520\×282.5}}=63.5\mathrm{kPa}$

由于：

$\frac{P^{\′}}{{P_0}^{\′}}=0.635>0.5457$

因此，抽吸的气体未达到临界状态。

由于抽气管道截面积为A′＝10^-8m²，故抽气流量：

$\begin{array}{c}{Q}_m^{\′}={\mathrm{\ρ}}^{\′}u{A}^{\′}={{\mathrm{\ρ}}_0}^{\′}{A}^{\′}{\left(\frac{P^{\′}}{{P_0}^{\′}}\right)}^{\frac{1}{\mathrm{\γ}}}\sqrt{{2C}_P{T_0}^{\′}[1-{\left(\frac{P^{\′}}{{P_0}^{\′}}\right)}^{\frac{\mathrm{\γ}-1}{\mathrm{\γ}}}]}\\ =\frac{{10}^5}{520\×310}\×{10}^{-8}\×0.635^{\frac{1}{1.3}}\\ \×\sqrt{2\×\frac{1.3\×520}{1.3-1}\×310\×(1-0.635^{\frac{1.3-1}{1.3}})}=1.6309\×{10}^{-6}\mathrm{kg}/s\end{array}$

由此整个装置的耗气量为：

Q＝Q_m+Q′_m＝(4.9073×10^-3+1.6309×10^-3)kg/s＝6.5382×10^-3g/s

标准状态下每分钟耗气量为：

$Q_v=\frac{Q*60}{16}*22.4=\frac{6.5382\×{10}^{-3}\×60}{16}\×22.4=0.5492L/\min$

由本计算可以得到：

1.在该工作条件下，装置可产生绝对压力为63.5kPa左右的真空。

2.该装置耗气量少，无特殊要求的情况下排气可直接向100kPa左右的环境排空。

3.常见的0.3～0.5Mpa的工作气体压力足以满足真空发生器的正常工作需要，运

行安全，无需额外配备高压管道。

Claims (5)

1.一种气体光谱分析真空采样器，其特征在于：包括通过三通管连接的一次减压阀（1）、分析仪（2）和微喷射流真空发生器（3），所述分析仪（2）和微喷射流真空发生器（3）通过管道连通；所述三通管的接头（4）与分析仪（2）之间设置有二次减压阀（5）；所述三通管的接头（4）与微喷射流真空发生器（3）之间设置有针阀（6）；所述分析仪（2）和微喷射流真空发生器（3）之间设置有单向阀（7）。

2.如权利要求1所述的气体光谱分析真空采样器，其特征在于：所述微喷射流真空发生器（3）包括一个三通状腔体，所述腔体上设置有高压气体进气口（31）、低压气体进气口（32）、出气管（33），微喷射流真空发生器（3）通过高压气体进气口（31）与针阀（6）连接，微喷射流真空发生器（3）通过低压气体进气口（32）与单向阀（7）连接。

3.如权利要求2所述的气体光谱分析真空采样器，其特征在于：所述高压气体进气口（31）设置有喷管（8）。

4.如权利要求3所述的气体光谱分析真空采样器，其特征在于：所述喷管（8）为缩放喷管、渐缩喷管、微喷管或喷射流装置。

5.如权利要求2所述的气体光谱分析真空采样器，其特征在于：所述出气管（33）为直管、渐缩喷管或缩放喷管。