CN109752442A - 一种基于吸附富集原理的高压气体微量组份检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于吸附富集原理的高压气体微量组份检测装置及方法，检测装置包括高压气体源、缓充室、吸附组件、质谱分析单元及真空泵组件；真空泵组件用于维持缓充室、吸附组件及质谱分析单元所需的压力，通过管路分别与缓充室、吸附组件及质谱分析单元相连；高压气体源向缓充室输入被测高压气体，被测高压气体由高压力减压至常压状态后进入吸附组件，吸附组件基于吸附富集原理将被测高压气体中的微量活性气体吸附后再次释放；释放后的微量活性气体进入质谱分析单元中，根据质谱分析获得被测高压气体的不同微量活性气体浓度含量。本发明的检测方法不需要配制标样气体，可以实现对微量活性气体含量的精确检测。

Description

一种基于吸附富集原理的高压气体微量组份检测装置及方法

技术领域

本发明涉及真空技术领域，具体涉及基于吸附富集原理的高压气体微量组份检测装置及方法。

背景技术

目前，对微量气体进行检测的方法一般是通过配制比例不一的样品气进行分析，然而配制工艺和人为因素影响较大，配制的样品气浓度与实际分析的微量气体浓度差距较大，在用质谱计分析质谱室中的微量气体成分时，为了计算出主要的几种气体的分压，需要分析清楚所观察到的谱峰与气体之间的关系。如果给出的标样气体浓度本身就偏差很大，那么计算误差将会更大，导致最终结果不准确。其次，在检测高压气体时，高压气体并不能直接进入质谱室进行分析，高压气体即为高于1个大气压的气体。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于吸附富集原理的高压气体微量组份检测装置及方法，不需要配制标样气体，可以实现对微量活性气体含量的精确检测。

本发明的技术方案如下：

一种基于吸附富集原理的高压气体微量组份检测装置，包括高压气体源、缓充室、吸附组件、质谱分析单元及真空泵组件；

所述真空泵组件用于维持缓充室、吸附组件及质谱分析单元所需的压力，通过管路分别与缓充室、吸附组件及质谱分析单元相连；

所述高压气体源向缓充室输入被测高压气体，被测高压气体由高压力减压至常压状态后进入吸附组件，所述吸附组件基于吸附富集原理将被测高压气体中的微量活性气体吸附后再次释放；释放后的微量活性气体进入质谱分析单元中，根据质谱分析获得被测高压气体的不同微量活性气体浓度含量。

进一步地，所述吸附组件包括吸附室、加热器及锆钒铁吸附剂，加热器及锆钒铁吸附剂设置在吸附室内，锆钒铁吸附剂安装在加热器表面；

被测高压气体中的微量活性气体由吸附室内的锆钒铁吸附剂吸附，经过加热器加热后释放。

进一步地，所述质谱分析单元包括质谱分析室和四极质谱计，四极质谱计通过管路与质谱分析室相连。

进一步地，所述检测装置进一步包括真空计，真空计Ⅰ通过管路与缓充室相连，真空计Ⅱ通过管路与吸附室相连，真空计Ⅲ通过管路与质谱分析室相连。

进一步地，所述真空计Ⅰ和真空计Ⅱ均采用电容薄膜真空计。

一种基于吸附富集原理的高压气体微量组份检测方法，采用上述检测装置，具体操作步骤如下：

步骤一、使用真空泵分别对吸附室、质谱分析室进行抽真空；

步骤二、吸附室压力达到1×10^-2Pa以下后，启动加热器，激活锆钒铁吸附剂；

步骤三、当锆钒铁吸附剂激活结束并冷却到工作温度后，停止对吸附室抽真空，利用真空泵对缓充室进行抽真空；

步骤四、当缓冲室内压力达到1Pa以下后，停止抽真空，由高压气体源向缓充室输入被测高压气体，确保缓充室内压力不大于大气压，并记录缓充室充气压力；

步骤五、将缓充室内的气体膨胀到吸附室中，被测高压气体中的微量活性气体由锆钒铁吸附剂吸附直至压力稳定，记录吸附室的平衡压力，之后利用真空泵对缓充室和吸附室进行抽真空；

步骤六、启动加热器，再次激活锆钒铁吸附剂，释放所述微量活性气体，记录吸附室的平衡压力；

步骤七、将吸附室中的微量活性气体引入到质谱分析室中，根据质谱分析获得被测高压气体的不同气体浓度含量。

进一步地，所述步骤五中通过安装在吸附室上的真空计观测吸附室的平衡压力。

进一步地，所述真空计采用电容薄膜真空计。

进一步地，所述质谱分析方法具体为：使用四极质谱计对微量活性气体的不同气体的离子流强度进行比对分析，获得吸附室内微量活性气体中某种气体的浓度含量；根据锆钒铁吸附剂吸附、释放微量活性气体后吸附室内的平衡压力得到微量活性气体中所述气体的分压力；利用所述分压力及缓充室充气压力计算获得被测高压气体中不同微量活性气体浓度含量。

有益效果：

1、本发明基于吸附富集原理，不需要配制标样气体，可以实现对微量活性气体的精确检测。其次，采用定容法测量吸附剂的吸附压力随时间变化曲线和吸附等温线，并获得对应压力下的吸气量，有效保证了被检测气体的浓度，排除了杂质气体的干扰；在此基础上，根据质谱分析获得的不同气体浓度含量和吸附室的激活脱附平衡压力，计算出不同组份的分压力值，再根据缓充室充气压力，计算出被测高压气体中不同组份气体的浓度含量值，这样既解决了高压气体不能直接进入质谱室分析的问题，也可通过吸附、富集、再次脱附的过程中，提高了质谱分析气体的体积浓度，实现高压气体中的微量组份含量测量，保证了分析结果的准确性。

2、本发明真空计选用高精度电容薄膜真空计，能精确测量缓充室充气压力和吸附室平衡压力，提高测量结果准确性。

附图说明

图1是本发明整体结构示意图。

其中，1-高压气体源、2-微调阀Ⅰ、3-缓充室、4-真空计Ⅰ、5-高真空阀Ⅰ、6-加热器、7-吸附室、8-真空计Ⅱ、9-吸附剂、10-微调阀Ⅱ、11-质谱分析室、12-真空计Ⅲ、13-四极质谱计、14-高真空泵Ⅰ、15-低真空泵Ⅰ、16高真空阀Ⅱ、17-高真空泵Ⅱ、18-低真空阀Ⅰ、19-低真空泵Ⅱ、20-低真空阀Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

本实施例提供了一种基于吸附富集原理的高压气体微量组份检测装置，如图1所示，该装置包括高压气体源1、微调阀、缓充室3、真空计、高真空阀、加热器6、吸附室7、吸附剂9、质谱分析室11、四极质谱计13、高真空泵、低真空泵、低真空阀及管路组成，如图1所示。

高压气体源1用于提供被测高压气体，主要组份应为惰性气体，微量组份为H2、H2O、N2、O2等活性气体。

微调阀包括微调阀Ⅰ2和微调阀Ⅱ10，微调阀Ⅰ2用于将被测高压气体引入缓充室3；微调阀Ⅱ10用于将吸附室7内的微量活性气体引入质谱分析室11。

缓充室3用于实现被测气体由高压力减压至常压状态。

真空计包括真空计Ⅰ4、真空计Ⅱ8及真空计Ⅲ12，真空计Ⅰ4通过管路与缓充室3相连，用于测量缓充室3内的气体压力；真空计Ⅱ8通过管路与吸附室7相连，用于测量吸附室7气体压力；真空计Ⅲ12通过管路与质谱分析室11相连用于测量质谱分析室11压力。

高真空阀与高真空泵配套使用，包括高真空阀Ⅰ5、高真空阀Ⅱ16，高真空阀Ⅰ5用于隔断缓充室3和吸附室7；高真空阀Ⅱ16用于隔断吸附室7和高真空泵114。

高真空泵一般为分子泵，包括高真空泵Ⅰ14、高真空泵Ⅱ17，高真空泵Ⅰ14用于实现质谱分析室11的高真空；高真空泵Ⅱ17用于实现吸附室7高真空。

低真空泵一般为机械泵，作为高真空泵的前级维持，包括低真空泵Ⅰ15、低真空泵Ⅱ19，低真空泵Ⅰ15用于实现质谱分析室11的低真空以及作为高真空泵Ⅰ14的前级维持；低真空泵Ⅱ19用于实现吸附室7的高真空以及作为高真空泵Ⅱ17的前级维持。

低真空阀与低真空泵配套使用，包括低真空阀Ⅰ18、低真空阀Ⅱ20，低真空阀Ⅰ18用于实现高真空泵Ⅱ17和低真空泵Ⅱ19间的隔离；低真空阀Ⅱ20用于实现缓充室3和低真空泵Ⅱ19间的隔离。

高压气体源1通过管路与缓冲室3相连，微调阀Ⅰ2设置在高压气体源1与缓冲室3之间的管路上。缓冲室3通过管路与吸附室7相连，高真空阀Ⅰ5设置在该管路上。低真空泵Ⅱ19通过管路与高真空泵Ⅱ17相连，低真空阀Ⅰ18设置在该管路上，同时，低真空泵Ⅱ19通过管路与缓冲室3相连，低真空阀Ⅱ20设置在低真空泵Ⅱ19与缓冲室3之间的管路上；高真空泵Ⅱ17通过管路与吸附室7相连，高真空阀Ⅱ16设置在该管路上。加热器6及锆钒铁吸附剂9设置在吸附室7内，锆钒铁吸附剂9安装在加热器6表面。吸附室7通过管路与质谱分析室11相连，微调阀Ⅱ10设置在该管路上。低真空泵Ⅰ15通过管路与高真空泵Ⅰ14相连，高真空泵Ⅰ14与质谱分析室11相连为质谱分析室11提供真空环境。四极质谱计13通过管路与质谱分析室11相连。

检测方法具体步骤如下：

步骤一、首先将加热器6和锆钒铁吸附剂9安装在吸附室7内，然后打开高真空阀Ⅱ16、低真空阀Ⅱ18，使用高真空泵Ⅱ17和低真空泵Ⅱ19对吸附室7进行抽空，使用高真空泵Ⅰ14和低真空泵Ⅰ15对质谱分析室11进行抽空；

步骤二、利用真空计Ⅱ8检测吸附室7压力并记录，当吸附室7压力达到1×10^-2Pa以下后，启动加热器6，采用高温加热的方式对锆钒铁吸附剂9进行激活处理，激活过程中通过真空计Ⅱ8以压力值的形式观测激活过程中的气体释放；

步骤三、当锆钒铁吸附剂9激活并冷却到工作温度后，关闭高真空阀Ⅱ16和低真空阀Ⅰ18，打开低真空阀Ⅱ20对缓充室3进行抽空，并通过真空计Ⅰ4观察缓充室3的压力变化情况；

步骤四、当真空计Ⅰ4指示的压力低于1Pa后，关闭低真空阀Ⅱ19，调节微调阀Ⅰ2，将被测高压气体引入缓充室3，确保缓充室3内的压力不大于1×10⁵Pa，并记录充气后的缓充室3充气压力；

步骤五、打开高真空阀Ⅰ5，将缓充室3内的气体膨胀到吸附室7中，被测高压气体中的微量活性气体由锆钒铁吸附剂9吸附；

步骤六、稳定一段时间，一般大于30min后，记录吸附室7的平衡压力，打开低真空阀Ⅱ20，对缓充室3和吸附室7进行抽空，抽空至吸附室3压力低于1Pa后，关闭高真空阀Ⅰ5和低真空阀Ⅱ20；

步骤七、启动加热器6，采用高温加热的方式对锆钒铁吸附剂9进行再次激活处理，释放微量活性气体，激活过程中通过真空计Ⅱ8以压力值的形式观测激活中的微量活性气体释放情况，并记录吸附室7的平衡压力；

步骤八、当真空计Ⅱ8指示的压力无明显上升后，调节微调阀Ⅱ10，将吸附室7中的微量活性气体引入到质谱分析室11中，调节过程中应维持质谱室工作压力范围在8×10^-4Pa～1×10^-3Pa，采用真空质谱分析方法对进样气体含量进行分析，读取不同组分气体的离子流信号，与进样前质谱计本底离子流信号进行比对分析，得出不同组分气体的离子流强度，采用公式(1)计算出吸附室7内残余气体即微量活性气体浓度含量：

式中：

c_i-四极质谱计13给出的吸附室某种i气体体积浓度含量；

I_i-吸附室7微量活性气体引入质谱分析室11过程中，四极质谱计13给出的某种气体i的离子流强度，A；

I_i0-质谱分析室11本底残余气体测量过程中，四极质谱计13给出的某种气体i的离子流强度，A；

n-四极质谱计13给出的残余气体种类，一般仅考虑特征峰离子流强度高于最高峰0.01％以上的残余气体，其它微小离子强度谱峰及其对应的气体种类可以忽略。

步骤九、依据公式(2)计算吸附室7中的残余气体分压力：

p_i＝(p-p₀)c_i (2)

式中：

p_i-吸附室7中的某种i气体的分压力，Pa；

p-锆钒铁吸附剂9激活达到平衡后，真空计Ⅱ8给出的吸附室7平衡压力，Pa；

p₀-锆钒铁吸附剂9未激活前，真空计Ⅱ8给出的吸附室7平衡压力，Pa。

步骤十、依据公式(3)计算被测高压气体不同组份气体的体积浓度含量：

式中：

C_i-被测高压气体中某i气体的体积浓度含量，ppm；

P-被测高压气体引入缓充室3过程中，真空计Ⅰ4给出的缓充室3充气压力，Pa。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于吸附富集原理的高压气体微量组份检测装置，其特征在于，包括高压气体源、缓充室、吸附组件、质谱分析单元及真空泵组件；

所述真空泵组件用于维持缓充室、吸附组件及质谱分析单元所需的压力，通过管路分别与缓充室、吸附组件及质谱分析单元相连；

所述高压气体源向缓充室输入被测高压气体，被测高压气体由高压力减压至常压状态后进入吸附组件，所述吸附组件基于吸附富集原理将被测高压气体中的微量活性气体吸附后再次释放；释放后的微量活性气体进入质谱分析单元中，根据质谱分析获得被测高压气体的不同微量活性气体浓度含量。

2.如权利要求1所述的基于吸附富集原理的高压气体微量组份检测装置，其特征在于，所述吸附组件包括吸附室、加热器及锆钒铁吸附剂，加热器及锆钒铁吸附剂设置在吸附室内，锆钒铁吸附剂安装在加热器表面；

被测高压气体中的微量活性气体由吸附室内的锆钒铁吸附剂吸附，经过加热器加热后释放。

3.如权利要求2所述的基于吸附富集原理的高压气体微量组份检测装置，其特征在于，所述质谱分析单元包括质谱分析室和四极质谱计，四极质谱计通过管路与质谱分析室相连。

4.如权利要求1所述的基于吸附富集原理的高压气体微量组份检测装置，其特征在于，所述检测装置进一步包括真空计，真空计Ⅰ通过管路与缓充室相连，真空计Ⅱ通过管路与吸附室相连，真空计Ⅲ通过管路与质谱分析室相连。

5.如权利要求1所述的基于吸附富集原理的高压气体微量组份检测装置，其特征在于，所述真空计Ⅰ和真空计Ⅱ均采用电容薄膜真空计。

6.一种基于吸附富集原理的高压气体微量组份检测方法，其特征在于，采用如权利要求3所述的装置，具体操作步骤如下：

步骤一、使用真空泵分别对吸附室、质谱分析室进行抽真空；

步骤二、吸附室压力达到1×10^-2Pa以下后，启动加热器，激活锆钒铁吸附剂；

步骤三、当锆钒铁吸附剂激活结束并冷却到工作温度后，停止对吸附室抽真空，利用真空泵对缓充室进行抽真空；

步骤四、当缓冲室内压力达到1Pa以下后，停止抽真空，由高压气体源向缓充室输入被测高压气体，确保缓充室内压力不大于大气压，并记录缓充室充气压力；

步骤五、将缓充室内的气体膨胀到吸附室中，被测高压气体中的微量活性气体由锆钒铁吸附剂吸附直至压力稳定，记录吸附室的平衡压力，之后利用真空泵对缓充室和吸附室进行抽真空；

步骤六、启动加热器，再次激活锆钒铁吸附剂，释放所述微量活性气体，记录吸附室的平衡压力；

步骤七、将吸附室中的微量活性气体引入到质谱分析室中，根据质谱分析获得被测高压气体的不同气体浓度含量。

7.如权利要求6所述的基于吸附富集原理的高压气体微量组份检测方法，其特征在于，所述步骤五中通过安装在吸附室上的真空计观测吸附室的平衡压力。

8.如权利要求7所述的基于吸附富集原理的高压气体微量组份检测方法，其特征在于，所述真空计采用电容薄膜真空计。

9.如权利要求7所述的基于吸附富集原理的高压气体微量组份检测方法，其特征在于，所述质谱分析方法具体为：使用四极质谱计对微量活性气体的不同气体的离子流强度进行比对分析，获得吸附室内微量活性气体中某种气体的浓度含量；根据锆钒铁吸附剂吸附、释放微量活性气体后吸附室内的平衡压力得到微量活性气体中所述气体的分压力；利用所述分压力及缓充室充气压力计算获得被测高压气体中不同微量活性气体浓度含量。