CN105765365A - 气体透过率测量装置和气体透过率测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及气体透过率测量装置和测量方法。所述气体透过率测量装置包括：充满测量气体且被保持为恒定压力的第一腔室；与所述第一腔室串联连接的第二腔室；与所述第二腔室串联连接的第三腔室；具有通孔且使所述第二腔室和所述第三腔室彼此分隔开的分隔板；流导调节部，其被设置于所述第二腔室与所述第三腔室之间的连接部处，并且调节经过所述分隔板的所述通孔的流导；连接至所述第三腔室且从所述第三腔室排出空气的真空泵；以及测量所述第二腔室与所述第三腔室之间的差压的差压计。样本被安置在所述第一腔室与所述第二腔室之间的连接部处，并且测量气体在透过所述样本后被运送至所述第二腔室。而且，所述流导调节部依次提供至少两个不同的流导。

Description

气体透过率测量装置和气体透过率测量方法

技术领域

本发明涉及气体透过率(gaspermeability)测量装置，并且更具体地，涉及能够减小由寄生流导(parasiticconductance)造成的误差的气体透过率测量装置。

背景技术

差压法是气体透过率测量方法之一。根据差压法，当将气体引入到样本的一侧并且该样本的相反一侧被保持为真空状态时，通过测量由于透过的气体而造成的真空侧的压力增长率和具有已知流导的孔隙(通孔)的相反两端之间的差压，由此确定气体透过率。

然而，因为真空侧的寄生流导的存在，差压法在准确地测量气体透过率方面受到限制。

发明内容

要解决的技术问题

本发明的示例性实施例旨在提供精确的气体透过率测量方法。

解决技术问题的技术方案

根据本发明的示例性实施例的气体透过率测量装置包括：第一腔室，其充满测量气体，并且被保持为恒定压力；第二腔室，其与所述第一腔室串联连接；第三腔室，其与所述第二腔室串联连接；分隔板，其具有通孔，并且将所述第二腔室和所述第三腔室彼此分隔开；流导调节部，其被设置于所述第二腔室与所述第三腔室之间的连接部处，以调节经过所述分隔板的所述通孔的流导；真空泵，其被连接至所述第三腔室，以从所述第三腔室中排出空气；以及差压计(differentialpressuregauge)，其测量所述第二腔室与所述第三腔室之间的差压。在所述第一腔室与所述第二腔室之间的连接部处可以安置有样本，所述测量气体可以在透过所述样本之后被运送至所述第二腔室，并且所述流导调节部可以依次提供至少两个不同的流导。

在示例性实施例中，所述气体透过率测量装置可以进一步包括：压力计，其被连接至所述第一腔室；辅助真空泵，其被连接至所述第一腔室；第一阀，其被设置于所述第一腔室与用于从所述第一腔室中排出空气的所述辅助真空泵之间；气体容器，其存储着所述测量气体；以及第二阀，其被设置于所述气体容器与所述第一腔室之间，以将存储于所述气体容器中的所述测量气体运送至所述第一腔室。

在示例性实施例中，所述流导调节部可以包括：转动板，其设置有具有不同半径的孔隙(orifice)，这些孔隙都被设置于与所述转动板的中心轴相距恒定半径的圆周上；转动轴，其将所述转动板固定到所述分隔板上，并且提供所述转动板的转动运动；辅助转动板，其与形成于所述转动板的外缘表面上的锯齿咬合以提供转动力；以及辅助转动轴，其向所述辅助转动板提供所述转动力。所述辅助转动轴可以在被固定至所述第二腔室的情形下进行转动。

根据本发明的另一个示例性实施例的气体透过率测量装置包括：第一腔室，其充满测量气体，并且被保持为恒定压力；第二腔室，其与所述第一腔室串联连接；第三腔室，其与所述第二腔室串联连接；分隔板，其具有通孔，并且将所述第二腔室和所述第三腔室彼此分隔开；流导调节部，其被设置于所述第二腔室与所述第三腔室之间的连接部处，以调节经过所述分隔板的所述通孔的流导；真空泵，其被连接至所述第三腔室，以从所述第三腔室中排出空气；顶部压力计，其测量所述第二腔室的压力；底部压力计，其测量所述第三腔室的压力；以及处理部，其使用所述顶部压力计的测量信号和所述底部压力计的测量信号来计算样本的气体透过率。所述样本可以被安置在所述第一腔室与所述第二腔室之间的连接部处，所述测量气体可以在透过所述样本之后被运送至所述第二腔室，并且所述流导调节部可以提供至少两个不同的流导。

根据本发明的示例性实施例的气体透过率测量方法包括：将样本装载到彼此串联连接的第一腔室与第二腔室之间；从所述第一腔室、所述第二腔室和第三腔室中排出空气；使所述第一腔室充满测量气体，且保持为固定压力；在充满所述第一腔室的所述测量气体透过所述样本之后，将该测量气体运送至所述第二腔室；通过所述第二腔室与所述第三腔室之间的具有第一流导的第一孔隙，将已被运送至所述第二腔室的所述测量气体运送至所述第三腔室；测量所述第二腔室与所述第三腔室之间的由所述第一孔隙生成的第一差压；通过所述第二腔室与所述第三腔室之间的具有第二流导的第二孔隙，将已被运送至所述第二腔室的所述测量气体运送至所述第三腔室；测量所述第二腔室与所述第三腔室之间的由所述第二孔隙生成的第二差压；并且使用所述第一差压、所述第二差压、所述第一流导和所述第二流导来计算所述样本的气体透过率。

本发明的效果

根据本发明的示例性实施例的气体透过率测量方法能够通过消去寄生流导来计算精确的气体透过率。

附图说明

图1图示了根据本发明的示例性实施例的气体透过率测量装置。

图2是图1中的流导调节部的分解立体图。

图3图示了根据本发明的修改实施例的气体透过率测量装置。

具体实施方式

附图示出了一些示例性实施例，现在将会参照附图更充分地说明本发明的示例性实施例。然而，示例性实施例可以被体现为许多不同的形式，并且不应当被理解为受限于这里所说明的实施例；相反，提供这些示例性实施例是为了让本发明的公开内容变得全面和完整，并且是为了将发明构思的示例性实施例的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。在附图中，为了清晰起见，夸大了各层和各区域的厚度。附图中的相同的参考符号和/或附图标记表示相同的元件，并因此可以省略这些元件的说明。

图1图示了根据本发明的示例性实施例的气体透过率测量装置。

图2是图1中的流导调节部的分解立体图。

参照图1和图2，气体透过率测量装置100包括：第一腔室110，其充满了测量气体并且被保持为恒定压力；第二腔室120，其与第一腔室110串联连接；第三腔室130，其与第二腔室120串联连接；分隔板140，其具有通孔142，并且将第二腔室120和第三腔室130彼此分隔开；流导调节部150，其被设置于第二腔室120与第三腔室130之间的连接部处，以调节经过所述分隔板的通孔142的流导；真空泵160，其被连接至第三腔室130，以从第三腔室130中排出空气；以及差压计170，其测量第二腔室120与第三腔室130之间的差压。在第一腔室110与第二腔室120之间的连接部处安置有样本10，测量气体在透过该样本10之后被运送至第二腔室120，并且流导调节部150依次提供至少两个不同的流导。

样本10的气体透过率K被定义如下：

等式(1)

$\begin{array}{c}Q=K\·\frac{A}{L}\·(P_{ex}^{1/2}-P_1^{1/n})\\ -C\·(P_1-P_2)\end{array}$

在上式中，Q表示每单位时间内透过的气体的流量，A表示样本10的面积，K表示样本10的气体透过率，L表示样本10的厚度，C表示孔隙的流导，P_ex表示在样本10的外部的压力，P₁表示在孔隙的上部的压力，P₂表示在孔隙的下部的压力，并且n表示气体分子的分离率(dissociationrate)。在非金属的情况下，n＝1。在能让氢气透过的金属的情况下，n＝2。

可以将P_ex设定成大气压，并且可以将P₁设定成低压力。因此，P_ex-P₁可以近似为P_ex。

透过样本10的气体可以被提供给第二腔室120，并且第二腔室120中的气体可以在经过具有预定流导的孔隙之后全部被排出到第三腔室130。在这种情况下，可以如下地给出流量Q：

等式(2)

Q＝C·ΔP

在上式中，C表示孔隙的流导，并且ΔP＝P₁-P₂。

可以使用等式(1)和(2)来测量样本10的气体透过率。

按照惯例，当施加至样本外部的压力P_ex是1个大气压时，通过测量出孔隙的相反两端之间的差压来计算气体透过率。在这种情况下，孔隙的流导被准确地定义，但是在实际应用中，有效流导可能受到各种乘法因子的影响。因此，气体透过率的准确度减小了。

根据示例性实施例，如果在使孔隙的直径或流导发生改变的同时来测量同一个流量Q，那么可以准确地测量气体透过率。

当孔隙的流导分别是C₁和C₂时，使用具有不同流导的两个孔隙可以使得未知的同一个流量能够被确定。

等式(3)

Q＝(C₁+c)·ΔP₁

在等式(3)中，c表示与测量系统相关的寄生流导，并且C₁表示第一孔隙的第一流导。第一流导是利用几何结构而被确定的。此外，ΔP₁表示第一孔隙的相反两侧之间的差压。C₁和ΔP₁是准确值。具体地，C₁是在数学上被定义和计算的值，并且ΔP₁是所测量的第一孔隙的相反两侧之间的差压。

当使用具有利用几何结构而被确定的流导C₂的第二孔隙时，可以如下地给出未知的同一个流量Q：

等式(4)

Q＝(C₂+c)·ΔP₂

在上式中，C₂表示第二孔隙的流导，c表示与测量系统相关的寄生流导，并且ΔP₂表示第二孔隙的相反两侧之间的差压。

利用等式(3)和(4)，可以如下地给出想要获得的气体透过率：

等式(5)

$Q=\frac{(C_1-C_2)\·{\mathrm{\ΔP}}_1\·{\mathrm{\ΔP}}_2}{{\mathrm{\ΔP}}_2-{\mathrm{\ΔP}}_1}$

因此，可以计算出准确的流量Q。结果，利用等式(1)可以计算出气体透过率K。

第一腔室110可以具有柱状结构。第一腔室110可以由金属制成。压力计112可以测量第一腔室110的压力。在第一腔室110与辅助真空泵116之间可以设置有第一阀114。当打开第一阀114时，辅助真空泵116可以从第一腔室110中排出空气从而使第一腔室110变为超高真空。在第一腔室110被排出空气从而变为超高真空的时候，可以关闭第一阀114。

气体容器118可以存储着测量气体。测量气体可以是氮气或氩气。在气体容器118与第一腔室110之间可以设置有第二阀116，以便将存储于气体容器118中的测量气体运送至第一腔室110。在第一腔室110被保持为超高真空状态的同时，可以打开第二阀116，以用测量气体填充第一腔室110。因此，第一腔室110可以充满测量气体。当第一阀114和第二阀116都被关闭时，第一腔室110可以被保持为恒定压力(例如，大气压)。

在第一腔室110与第二腔室120之间的连接部处可以设置有样本支架119。样本支架119可以使第一腔室110与第二腔室120在空间上分隔开，并且可以将样本10装载到该样本支架119上。样本10可以是金属板、膜或电介质材料。样本10可以被固定到样本支架119上然后被密封。因此，测量气体可以在仅透过样本10之后被传输至第二腔室120。

第一腔室110可以被保持为大气压或以Torr(托)为单位的高压力，并且第二腔室120可以被保持为大约10^-6Torr。

第二腔室120可以呈柱面的形状。第二腔室120可以由金属材料制成。第二腔室120的上部的直径可以大于第一腔室110的直径。第二腔室120的下部的直径可以大于第二腔室120的上部的直径。

第三腔室130可以呈柱面的形状。第三腔室130可以由金属材料制成。第三腔室130的上部的直径可以等于第二腔室120的下部的直径。第三腔室130的下部的直径可以小于第三腔室130的上部的直径。

在第二腔室120与第三腔室130之间的连接部处可以设置有分隔板140。分隔板140可以使第二腔室120与第三腔室130在空间上分隔开。分隔板140可以具有形成于其中心处的通孔142。通过扩散，测量气体可以从第二腔室120经由通孔142而被运送至第三腔室130。

在第二腔室120的下部可以设置有流导调节部150。流导调节部150可以将分隔板140的通孔142部分地关闭以调节流导。更具体地，流导调节部150可以包括转动板152、转动轴154、辅助转动板156和辅助转动轴154。转动板152设置有具有不同半径的孔隙153a至153d，这些孔隙153a至153d被设置于与该转动板的中心轴相距恒定半径的圆周上。转动轴154将转动板152固定到分隔板140上并且提供转动板152的转动运动。辅助转动板156与形成于转动板152的外缘表面上的锯齿咬合以提供转动力。辅助转动轴154向辅助转动板156提供所述转动力。辅助转动轴158可以在被固定到第二腔室120上的同时进行转动。

转动板152可以是圆盘的形状。转动板152可以包括多个孔隙153a至153d。孔隙153a至153d可以与分隔板140的通孔142对齐。因此，可以调节第二腔室120与第三腔室130之间的流导。

孔隙153a至153d中的每一者可以是圆圈的形状。在转动板152的中央，孔隙153a至153d可以按照规则的间隔而被布置于具有恒定直径的圆周上。

转动轴154可以被连接至转动板152的中心轴。转动轴154可以被固定到分隔板140上。转动板152可以在转动轴154上转动。因此，可以依赖于对齐的孔隙的直径来使流导发生改变。

辅助转动板156可以是圆盘的形状。辅助转动板156可以将转动运动提供给转动板152。辅助转动板156的放置平面可以与转动板152的放置平面为同一个平面。转动板152的外缘表面上可以形成有锯齿。此外，辅助转动板156的外缘表面上可以形成有锯齿。当辅助转动板156转动时，转动板152可以通过齿轮啮合而转动。

辅助转动轴154可以被设置于辅助转动板156的中心轴上。辅助转动轴158可以被连接至辅助转动板156的中心轴。辅助转动轴158可以突出至第二腔室120的外部。当辅助转动轴158转动时，转动板152可以转动。

根据修改实施例，流导调节部150可以被设置于第三腔室130的上端部处。

根据修改实施例，用于调节第二腔室120与第三腔室130之间的流导的装置可以被改变成为相机光圈的形式。

第三腔室130的下端部可以被连接至真空泵160。真空泵160可以从第三腔室130和第二腔室120中排出空气从而使它们两者变为超高真空。

差压计170可以测量第二腔室120与第三腔室130之间的差压。

压力计112的外部压力和差压计170的差压信号可以被提供给处理部180。处理部180可以对该外部压力和依赖于流导的该差压信号进行处理，以计算样本10的气体透过率。

现在，将会在下面说明根据本发明的示例性实施例的气体透过率测量方法。

将样本10装载到样本支架119上。将样本支架119安置到彼此串联连接的第一腔室110与第二腔室120之间。在打开第一阀114并且关闭第二阀116的情形下，从第一腔室110、第二腔室120和第三腔室130中排出空气。当第一腔室110、第二腔室120和第三腔室130的压力达到超高真空时，可以关闭第一阀114。然后，可以打开第二阀116，并且可以将测量气体提供给第一腔室110。当第一腔室110的压力达到预定压力时，可以关闭第二阀116。

测量气体可以在透过样本10之后被提供给第二腔室120。流导调节部150可以提供具有第一流导的第一孔隙。在第一孔隙被安装着的情形下，可以测量第二腔室120与第三腔室130之间的第一差压。

然后，流导调节部150可以提供具有第二流导的第二孔隙。在第二孔隙被安装着的情形下，可以测量第二腔室120与第三腔室130之间的第二差压。

处理部180可以使用第一差压、第二差压、第一流导和第二流导来计算样本10的气体透过率。

图3图示了根据本发明的修改实施例的气体透过率测量装置。在图3中，与图1中所示的组件或部件相同的组件或部件用相同的附图标记来表示，并且将会省略这些组件或部件的说明。

参照图3，气体透过率测量装置100a包括：第一腔室110，其充满了测量气体并且被保持为恒定压力；第二腔室120，其与第一腔室110串联连接；第三腔室130，其与第二腔室120串联连接；分隔板140，其具有通孔142，并且将第二腔室120和第三腔室130彼此分隔开；流导调节部150，其被设置于第二腔室120与第三腔室130之间的连接部处，以调节经过所述分隔板的通孔142的流导；真空泵160，其被连接至第三腔室130，以从第三腔室130中排出空气；顶部压力计171a，其测量第二腔室120的压力；底部压力计171b，其测量第三腔室130的压力；以及处理部180，其使用顶部压力计171a的测量信号和底部压力计171b的测量信号来计算样本10的气体透过率。样本10被安置在第一腔室110与第二腔室120之间的连接部处，测量气体在透过该样本10之后被运送至第二腔室120，并且流导调节部150提供至少两个不同的流导。

顶部压力计171a可以测量与流导调节部150的流导相应的第二腔室120的压力。底部压力计171b可以测量与流导调节部150的流导相应的第三腔室130的压力。

虽然已经详细说明了本发明及其优点，但是应当理解的是，在不脱离由随附的权利要求所限定的本发明的精神和范围的情况下，这里可以做出各种改变、替代和变更。

Claims (5)

1.一种气体透过率测量装置，其包括：

第一腔室，所述第一腔室充满测量气体，并且被保持为恒定压力；

第二腔室，所述第二腔室与所述第一腔室串联连接；

第三腔室，所述第三腔室与所述第二腔室串联连接；

分隔板，所述分隔板具有通孔，并且将所述第二腔室和所述第三腔室彼此分隔开；

流导调节部，所述流导调节部被设置于所述第二腔室与所述第三腔室之间的连接部处，以调节经过所述分隔板的所述通孔的流导；

真空泵，所述真空泵被连接至所述第三腔室，以从所述第三腔室中排出空气；以及

差压计，所述差压计测量所述第二腔室与所述第三腔室之间的差压，

其中，在所述第一腔室与所述第二腔室之间的连接部处安置有样本，

所述测量气体在透过所述样本之后被运送至所述第二腔室，并且

所述流导调节部依次提供至少两个不同的流导。

2.如权利要求1所述的气体透过率测量装置，其还包括：

压力计，所述压力计被连接至所述第一腔室；

辅助真空泵，所述辅助真空泵被连接至所述第一腔室；

第一阀，所述第一阀被设置于所述第一腔室与用于从所第一腔室中排出空气的所述辅助真空泵之间；

气体容器，所述气体容器存储着所述测量气体；以及

第二阀，所述第二阀被设置于所述气体容器与所述第一腔室之间，以将存储于所述气体容器中的所述测量气体运送至所述第一腔室。

3.如权利要求1所述的气体透过率测量装置，其中所述流导调节部包括：

转动板，所述转动板设置有具有不同半径的孔隙，这些孔隙都安置于与所述转动板的中心轴相距恒定半径的圆周上；

转动轴，所述转动轴将所述转动板固定到所述分隔板上，并且提供所述转动板的转动运动；

辅助转动板，所述辅助转动板与形成于所述转动板的外缘表面上的锯齿咬合以提供转动力；以及

辅助转动轴，所述辅助转动轴向所述辅助转动板提供所述转动力，

其中，所述辅助转动轴在被固定至所述第二腔室的情形下进行转动。

4.一种气体透过率测量装置，其包括：

第一腔室，所述第一腔室充满测量气体，并且被保持为恒定压力；

第二腔室，所述第二腔室与所述第一腔室串联连接；

第三腔室，所述第三腔室与所述第二腔室串联连接；

分隔板，所述分隔板具有通孔，并且将所述第二腔室和所述第三腔室彼此分隔开；

流导调节部，所述流导调节部被设置于所述第二腔室与所述第三腔室之间的连接部处，以调节经过所述分隔板的所述通孔的流导；

真空泵，所述真空泵被连接至所述第三腔室，以从所述第三腔室中排出空气；

顶部压力计，所述顶部压力计测量所述第二腔室的压力；

底部压力计，所述底部压力计测量所述第三腔室的压力；以及

处理部，所述处理部使用所述顶部压力计的测量信号和所述底部压力计的测量信号来计算样本的气体透过率，

其中，所述样本被安置在所述第一腔室与所述第二腔室之间的连接部处，

所述测量气体在透过所述样本之后被运送至所述第二腔室，并且

所述流导调节部提供至少两个不同的流导。

5.一种气体透过率测量方法，其包括：

将样本装载到彼此串联连接的第一腔室与第二腔室之间；

从所述第一腔室、所述第二腔室和第三腔室中排出空气；

使所述第一腔室充满测量气体，且保持为固定压力；

在充满所述第一腔室的所述测量气体透过所述样本之后，将该测量气体运送至所述第二腔室；

通过所述第二腔室与所述第三腔室之间的具有第一流导的第一孔隙，将已被运送至所述第二腔室的所述测量气体运送至所述第三腔室；

测量所述第二腔室与所述第三腔室之间的由所述第一孔隙生成的第一差压；

通过所述第二腔室与所述第三腔室之间的具有第二流导的第二孔隙，将已被运送至所述第二腔室的所述测量气体运送至所述第三腔室；

测量所述第二腔室与所述第三腔室之间的由所述第二孔隙生成的第二差压；并且

使用所述第一差压、所述第二差压、所述第一流导和所述第二流导来计算所述样本的气体透过率。