CN109798443A - 用于月球样品实验室高纯氮气供给系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于月球样品实验室高纯氮气供给系统，包括氮气供应单元，所述氮气供应系统包括供气模块、一级调压模块、稳压模块以及二级调压模块；供气模块、一级调压模块、稳压模块以及二级调压模块依次串联；供气模块用以提供稳定的氮气；一级调压模块、二级调压模块用以调节气压至所需值；稳压模块用以对一级调压模块输出的气压进行调节；氮气质谱分析单元；监视单元。本发明的用于月球样品实验室高纯氮气供给系统，可持续、稳定的为月球样品实验室相关设备提供高纯氮气；具备样品存储处理等设备内部维持正压高纯氮气环境和对高纯氮气进行净化与补给的能力。

Description

用于月球样品实验室高纯氮气供给系统

技术领域

本发明涉及深空探测研究设备技术领域，尤其涉及一种用于月球样品实验室高纯氮气供给系统。

背景技术

月球和地球含有相同的化学元素，和地球相比，各元素的比例不同。有一些地球上很常见的元素在月球上却非常稀少，例如一个黄金戒指上的微小颗粒物会对月球样品中黄金含量的测量值带来较大的影响，会使测量值增加很多倍，会对样品在月球上的来源及位置带来错误的引导，并产生错误的结论。另外，样品在月球上被采集前，它们在真空环境中存在了数百万到数亿年。

如果这些样品暴露在地球潮湿的空气中，它们将发生化学反应；样品中的铁元素将和空气中的氧反应并生锈，样品中的矿物质将和空气中的水反应形成粘土，这样便会造成样品报废。

因此，有必要提供一种新的用于月球样品实验室高纯氮气供给系统解决上述技术问题。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种操作简便、供气稳定的用于月球样品实验室高纯氮气供给系统。

为解决上述技术问题，本发明提供的用于月球样品实验室高纯氮气供给系统包括：氮气供应单元，所述氮气供应系统包括供气模块、一级调压模块、稳压模块以及二级调压模块；供气模块、一级调压模块、稳压模块以及二级调压模块依次串联；供气模块用以提供稳定的氮气；一级调压模块、二级调压模块用以调节气压至所需值；稳压模块用以对一级调压模块输出的气压进行调节；氮气质谱分析单元，所述氮气质谱分析单元与氮气供应单元相互连通，基于质谱分析设备对氮气供应系统中的微量杂质进行检测；监视单元，所述监视单元用以对氮气供应单元中的各个设备进行管理和检测。

优选的，所述供气模块、一级调压模块二级调压模块均设有两条结构相同的管路，两条管路相互并联且一条使用、另一条备用。

其中，一级调压模块主要功能是将供气模块的氮气压力减至1.6MPa以下后供给二级调压模块。

优选的，所述供气模块包括气瓶组、第一手阀、第一压力传感器、第一电动阀、第二手阀、第一压力表以及第二压力传感器，所述气瓶组、第一手阀、第一电动阀以及第二手阀依次串联，所述第一压力传感器安装于第一手阀和第一电动阀之间；所述第一压力表和所述第二压力传感器安装于第二手阀的出口合并管路处。

优选的，所述一级调压模块包括第三手阀、第二电动阀、第一过滤器、一级减压阀、第二压力表、第三压力传感器、第四手阀以及第一单向阀；所述第三手阀与第二手阀的出口合并管路处连通，所述第三手阀、第二电动阀、第一过滤器、一级减压阀、第四手阀以及第一单向阀之间依次串联，所述第二压力表和所述第三压力传感器安装于所述一级减压阀、所述第四手阀之间，所述一级减压阀用以降低气压。

优选的，所述稳压模块的入口端与所述第一单向阀的出口合并管路处连通，所述稳压模块的出口端连通至所述二级调压模块。

优选的，所述二级调压模块包括第五手阀、第三电动阀、第二过滤器、二级减压阀、第三压力表、第四压力传感器、第六手阀以及第二单向阀；所述第五手阀与稳压模块的出口管路连通，所述第五手阀、第三电动阀、第二过滤器、二级减压阀、第六手阀以及第二单向阀之间依次串联，所述第三压力表和所述第四压力传感器安装于所述二级减压阀、所述第六手阀之间，所述二级减压阀用以降低气压，所述第二单向阀的出口端连通至用气设备。

其中，二级调压模块主要功能是将从稳压模块输送过来的氮气压力减至0.6MPa以下后供给用气设备使用。

优选的，所述氮气质谱分析单元包括第七手阀、第三过滤器、调节阀、第四压力表、第八手阀以及质谱仪，所述第七手阀的入口端连通至气瓶组的入口处、所述不锈钢缓冲罐的出口处以及用气设备的进气处；所述第七手阀、第三过滤器、调节阀以及第八手阀依次连通，所述第八手阀的出口端连通至所述质谱仪。

优选的，所述监视单元包括主控电脑和电缆，所述主控电脑通过电缆电性连接至各个电动阀和现场传感器。

与相关技术相比较，本发明提供的用于月球样品实验室高纯氮气供给系统具有如下有益效果：

1)可持续、稳定的为月球样品实验室相关设备提供高纯氮气；

2)具备样品存储处理等设备内部维持正压高纯氮气环境和对高纯氮气进行净化与补给的能力；

3)具备氮气供给过程中氮气纯度、氧/水含量分析和监测功能。

附图说明

图1为本发明提供的用于月球样品实验室高纯氮气供给系统的一种较佳实施例的结构示意图；

图2为图1所示的供气模块结构示意图；

图3为图1所示的一级调压模块结构示意图；

图4为图1所示的二级调压模块结构示意图；

图5为图1所示的氮气质谱分析单元结构示意图；

图6为图1所示的监视单元连接结构示意图。

图中标号：1、供气模块；11、气瓶组；12、第一手阀；13、第一压力传感器；14、第一电动阀；15、第二手阀；16、第一压力表；17、第二压力传感器；2、一级调压模块；21、第三手阀；22、第二电动阀；23、第一过滤器；24、一级减压阀；25、第二压力表；26、第三压力传感器；27、第四手阀；28、第一单向阀；3、稳压模块；4、二级调压模块；41、第五手阀；22、第三电动阀；23、第二过滤器；24、二级减压阀；25、第三压力表；26、第四压力传感器；27、第六手阀；28、第二单向阀；5、用气设备；7、氮气质谱分析单元；71、第七手阀；72、第三过滤器；73、调节阀；74、第四压力表；75、第八手阀；76、质谱仪；8、监视单元；81、主控电脑；82、电缆。

具体实施方式

下面结合附图和实施方式对本发明作进一步说明。

请结合参阅图1，其中，图1为本发明提供的用于月球样品实验室高纯氮气供给系统的一种较佳实施例的结构示意图；

氮气供应单元，所述氮气供应系统包括供气模块1、一级调压模块2、稳压模块3以及二级调压模块4；供气模块1、一级调压模块2、稳压模块3以及二级调压模块4依次串联；供气模块1用以提供稳定的氮气；一级调压模块2、二级调压模块4用以调节气压至所需值；稳压模块3用以对一级调压模块2输出的气压进行调节；氮气质谱分析单元7，所述氮气质谱分析单元7与氮气供应单元相互连通，氮气质谱分析单元7基于质谱分析设备对氮气供应系统中的微量杂质进行检测；所述供气模块1、一级调压模块2以及二级调压模块4均设有两条结构相同的管路，两条管路相互并联且一条使用、另一条备用；所述稳压模块3示例性的为不锈钢缓冲罐，所述不锈钢缓冲罐的入口端与所述第一单向阀28的出口合并管路处连通，所述不锈钢缓冲罐的出口端连通至所述二级调压模块4；氮气供应单元采用氮气钢瓶集装供给方式，经稳压装置后，稳压后的气体经调阀进入各用氮设备，各设备出口设置排气阀，以保证用氮设备内部气体的微流动；氮气质谱分析单元7用于检测氮气源及各用氮设备内部的氮气成分，以确保氮气满足使用要求；质谱分析单元由气流选择器及在线质谱仪组成；监视单元8需满足月球样品存储、制备、处理等操作的不间断供气，需具备各设备自动补气功能，实现整个氮气制备及供给系统的工作流程控制；稳压模块3主要通过一个不锈钢缓冲罐实现对一级调压模块2过来的气体压力轻微波动的现象进行调整，并具有一定的储气功能。

请结合参阅图2，其中，图2为图1所示的供气模块结构示意图；

所述供气模块1包括气瓶组11、第一手阀12、第一压力传感器13、第一电动阀14、第二手阀15、第一压力表16以及第二压力传感器17，所述气瓶组11、第一手阀12、第一电动阀14以及第二手阀15依次串联，所述第一压力传感器13安装于第一手阀12和第一电动阀14之间；所述第一压力表16和所述第二压力传感器17安装于第二手阀15的出口合并管路处；供气管路一用一备，工作时，手动阀常开，通过第一电动阀14、压力表和压力传感器对气体进行实时监测。

请结合参阅图3，其中，图3为图1所示的一级调压模块结构示意图；

所述一级调压模块2包括第三手阀21、第二电动阀22、第一过滤器23、一级减压阀24、第二压力表25、第三压力传感器26、第四手阀27以及第一单向阀28；所述第三手阀21与第二手阀15的出口合并管路处连通，所述第三手阀21、第二电动阀22、第一过滤器23、一级减压阀24、第四手阀27以及第一单向阀28之间依次串联，所述第二压力表25和所述第三压力传感器26安装于所述一级减压阀24、所述第四手阀27之间，所述一级减压阀24用以降低气压；一级调压模块2由一用一备的两路调压管路组成，一级调压模块2主要功能是将供气模块1的氮气压力由15MPa减至1.6MPa后供给二级调压模块4。

请结合参阅图4，其中，图4为图1所示的二级调压模块结构示意图；

所述二级调压模块4包括第五手阀41、第三电动阀42、第二过滤器43、二级减压阀44、第三压力表45、第四压力传感器46、第六手阀47以及第二单向阀48；所述第五手阀41与不锈钢缓冲罐的出口管路连通，所述第五手阀41、第三电动阀42、第二过滤器43、二级减压阀44、第六手阀47以及第二单向阀48之间依次串联，所述第三压力表45和所述第四压力传感器46安装于所述二级减压阀44、所述第六手阀47之间，所述二级减压阀44用以二次降低气压，所述第二单向阀48的出口端连通至用气设备5；二级调压模块4和用气设备5均置于实验舱内；二级调压模块4也由一用一备的两路调压管路组成，二级调压模块4主要功能是将从稳压模块输送过来的氮气压力由1.6MPa减至0.6MPa后供给用气设备5使用。

请结合参阅图5，其中，图5为图1所示的氮气质谱分析单元结构示意图；

所述氮气质谱分析单元7包括第七手阀71、第三过滤器72、调节阀73、第四压力表74、第八手阀75以及质谱仪76，所述第七手阀71的入口端连通至气瓶组11的入口处、所述不锈钢缓冲罐的出口处以及用气设备的进气处；所述第七手阀71、第三过滤器72、调节阀73以及第八手阀75依次连通，所述第八手阀75的出口端连通至所述质谱仪76；质谱分析单元用于检测氮气源及各用氮设备内部的氮气成分，以确保氮气满足使用要求；质谱分析单元所用到的质谱分析仪可用于检测高纯氮中的微量杂质O₂、H₂O、H₂、CO₂、CH₄等；第七手阀71入口所连接的各个接入点，均预留有管路，管路上均设有手阀，实验人员可通过各个手阀调节各个管路的通断，进而对各个位置进行质谱分析检测；对供气口的气体成份检测的检测点设置在稳压罐之后，对用气设备内气体成份检测的检测点设置在各工位氮气入口处，检测时，将质谱分析仪推送至检测位置，检测管路的一端接至预留检测口，另一端接质谱仪，通过操作相应的手阀及调节阀73进行检测。

请结合参阅图6，其中，图6为图1所示的监视单元连接结构示意图。

监视单元8，所述监视单元8用以对氮气供应单元中的各个设备进行管理和检测；所述监视单元8包括主控电脑81和电缆82，所述主控电脑81通过电缆82电性连接至各个电动阀和现场传感器；各个传感器以及质谱仪所监测到的数据通过电缆82传输至主控电脑81，主控电脑81内置有监测软件，以完成对高纯氮气供给控制系统的自检，对系统中的各个设备进行管理和检测，并具有对测试到的各项参数、数据保存、存储以及数据回放等功能。

示例性的，用于月球样品实验室高纯氮气供给系统的工作方法：

工作时，各个手阀常开，手阀均采用球阀；气瓶组11内的高纯度氮气通过第一手阀12、第一电动阀14、第二手阀15输出，高纯度氮气随后依次经过第三手阀21、第二电动阀22，第一过滤器23对氮气进行过滤净化，一级减压阀24将气体压力从15MPa减至1.6MPa，减压阀采用高精度减压稳压阀，阀前压力可以从15MPa至2.5MPa，阀后压力一直保持1.6MPa的输出；减压完毕的高纯氮气再通过一个公称压力2MPa的不锈钢缓冲罐进行稳压；氮气经过稳压后进入二级调压模块4中；氮气依次通过第五手阀41、第三电动阀22，经过第二过滤器23被再次过滤净化，二级减压阀24将管路压力从1.6MPa减至0.6MPa，再供给设备使用。

与相关技术相比较，其主要用于为月球样品存储及操作设备提供持续的、稳定的质量保证的高纯氮气；可对月球样品的存储、制备、处理等提供高纯氮气，该设施是保证月球样品能在地面存储、处理和制备的关键设备；并可推广至其他样品实验实高纯气体供给系统，广泛应用于各实验室，因此具有良好的经济效益和推广应用前景。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其它相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (9)

1.用于月球样品实验室高纯氮气供给系统，其特征在于，包括：

氮气供应单元，所述氮气供应系统包括供气模块（1）、一级调压模块（2）、稳压模块（3）以及二级调压模块（4）；供气模块（1）、一级调压模块（2）、稳压模块（3）以及二级调压模块（4）依次串联；供气模块（1）用以提供稳定的氮气；一级调压模块（2）、二级调压模块（4）用以调节气压至所需值；稳压模块（3）用以对一级调压模块（2）输出的气压进行调节；

氮气质谱分析单元（7），所述氮气质谱分析单元（7）与氮气供应单元相互连通，氮气质谱分析单元（7）基于质谱分析设备对氮气供应单元中的微量杂质进行检测；

监视单元（8），所述监视单元（8）用以对氮气供应单元中的各个设备进行管理和检测。

2.根据权利要求1所述的用于月球样品实验室高纯氮气供给系统，其特征在于，所述供气模块（1）、一级调压模块（2）以及二级调压模块（4）均设有两条结构相同的管路，两条管路相互并联且一条使用、另一条备用。

3.根据权利要求2所述的用于月球样品实验室高纯氮气供给系统，其特征在于，所述供气模块（1）包括气瓶组（11）、第一手阀（12）、第一压力传感器（13）、第一电动阀（14）、第二手阀（15）、第一压力表（16）以及第二压力传感器（17），所述气瓶组（11）、第一手阀（12）、第一电动阀（14）以及第二手阀（15）依次串联，所述第一压力传感器（13）安装于第一手阀（12）和第一电动阀（14）之间；所述第一压力表（16）和所述第二压力传感器（17）安装于第二手阀（15）的出口合并管路处。

4.根据权利要求3所述的用于月球样品实验室高纯氮气供给系统，其特征在于，所述一级调压模块（2）包括第三手阀（21）、第二电动阀（22）、第一过滤器（23）、一级减压阀（24）、第二压力表（25）、第三压力传感器（26）、第四手阀（27）以及第一单向阀（28）；所述第三手阀（21）与第二手阀（15）的出口合并管路处连通，所述第三手阀（21）、第二电动阀（22）、第一过滤器（23）、一级减压阀（24）、第四手阀（27）以及第一单向阀（28）之间依次串联，所述第二压力表（25）和所述第三压力传感器（26）安装于所述一级减压阀（24）、所述第四手阀（27）之间，所述一级减压阀（24）用以降低气压。

5.根据权利要求4所述的用于月球样品实验室高纯氮气供给系统，其特征在于，所述稳压模块（3）的入口端与所述第一单向阀（28）的出口合并管路处连通，所述稳压模块（3）的出口端连通至所述二级调压模块（4）。

6.根据权利要求5所述的用于月球样品实验室高纯氮气供给系统，其特征在于，所述二级调压模块（4）包括第五手阀（41）、第三电动阀（42）、第二过滤器（43）、二级减压阀（44）、第三压力表（45）、第四压力传感器（46）、第六手阀（47）以及第二单向阀（48）；所述第五手阀（41）与稳压模块（3）的出口管路连通，所述第五手阀（41）、第三电动阀（42）、第二过滤器（43）、二级减压阀（44）、第六手阀（47）以及第二单向阀（48）之间依次串联，所述第三压力表（45）和所述第四压力传感器（46）安装于所述二级减压阀（44）、所述第六手阀（47）之间，所述二级减压阀（44）用以二次降低气压，所述第二单向阀（48）的出口端连通至用气设备（5）。

7.根据权利要求6所述的用于月球样品实验室高纯氮气供给系统，其特征在于，所述氮气质谱分析单元（7）包括第七手阀（71）、第三过滤器（72）、调节阀（73）、第四压力表（74）、第八手阀（75）以及质谱仪（76），所述第七手阀（71）的入口端连通至气瓶组（11）的入口处、所述稳压模块（3）的出口处以及用气设备（5）的进气处；所述第七手阀（71）、第三过滤器（72）、调节阀（73）以及第八手阀（75）依次连通，所述第八手阀（75）的出口端连通至所述质谱仪（76）。

8.根据权利要求1-7中的任意一项所述的用于月球样品实验室高纯氮气供给系统，其特征在于，所述监视单元（8）包括主控电脑（81）和电缆（82），所述主控电脑（81）通过电缆（82）电性连接至各个电动阀和现场传感器。

9.用于月球样品实验室的高纯氮气供给方法，其特征在于，包括：

供气模块输出高纯氮气；

一级调压模块将氮气压力进行一级减压；

稳压模块对氮气压力进行微调，并储气；

二级调压模块对稳压后的氮气进行二级减压并稳压；

高纯氮气输出至用气设备。