CN109799227A - 真空热试验用航天器密封舱气体取样分析系统及分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了真空热试验用航天器密封舱气体取样分析系统，包括空间环境模拟器、取样分析系统和气体取样管路，所述空间环境模拟器内设置有密封舱，所述取样分析系统包括取样仓、气体分析装置、气压检测装置、泵组和阀门组，所述密封舱通过气体取样管路与取样仓连通连接。本发明结构简单，稳定性能高，能够监测密封舱中的气体成分，监测误差小、精度高，能够规避密封舱后期存在的风险，且监测过程操作流程简单，在密封舱压力低于50Pa时，无需依靠抽真空压差取样，降低了能源损坏，能够依靠热运动扩散至取样仓并通过光谱质谱计直接分析密封舱内气体成分。

Description

真空热试验用航天器密封舱气体取样分析系统及分析方法

技术领域

本发明属于真空热试验气体分析技术领域，具体为一种真空热试验用航天器密封舱气体取样分析系统，同时也公开了一种真空热试验用航天器密封舱气体取样分析方法。

背景技术

在化工、真空镀膜、有毒有害气体检定、医疗卫生等领域均需要对气体成分进行检测分析，用以指导生产，规避风险，保护人体健康。

载人航天器密封舱需要实时监测气体成分和含量，气体的成分和含量对宇航员的生命安全至关重要。在航天器真空热试验领域，特别是密封舱泄复压试验中，需要实时监测舱内气体成分与含量大小，保持较低的水蒸气含量，维持舱内合理的气体组分。目前，一般采用质谱计对气体成分进行分析，质谱计的工作压力较低，因此需要设计气体取样系统保证质谱计正常工作。

在航天器真空热试验气体取样与分析方面，相关文献和专利只涉及到了传统的气相色谱气体分析仪、红外光谱分析仪、激光气体分析、四极质谱等气体成分分析手段，通过这些手段测得的气体成份精度不高,而且现有的取样系统结构比较复杂，操作起来流程较多

发明内容

本发明的目的在于：为了解决现实存在的技术问题，提供一种真空热试验用航天器密封舱气体取样分析系统及方法。

本发明采用的技术方案如下：真空热试验用航天器密封舱气体取样分析系统，包括空间环境模拟器、取样分析系统和气体取样管路，所述空间环境模拟器内设置有密封舱，所述取样分析系统包括取样仓、气体分析装置、气压检测装置、泵组和阀门组，所述密封舱通过气体取样管路与取样仓连通，所述气体分析装置和气压检测装置均固定设置在取样仓上，所述泵组通过阀门组与取样仓连通。

其中，所述气体取样管路包括螺旋渐扩进气管、温控管、第一电磁阀和蝶阀，所述螺旋渐扩进气管一端连通连接于取样仓，螺旋渐扩进气管另一端通过蝶阀与温控管一端连通连接，所述温控管另一端通过第一电磁阀与密封舱连通连接。

其中，所述泵组包括分子泵和涡旋泵，所述阀门组包括第二电磁阀和第三电磁阀，所述第二电磁阀一端与取样仓连通连接，第二电磁阀另一端分别与分子泵及第三电磁阀一端连通连接，所述涡旋泵一端分别与分子泵及第三电磁阀另一端连通连接。

其中，所述螺旋渐扩进气管一端进口的口径尺寸小于另一端出口的口径尺寸，其进气口呈螺旋渐扩结构。

其中，所述温控管内设置有电阻丝加热带，且温控管表面安装有与电阻丝加热带连接的温控开关。

其中，所述气体分析装置为光谱质谱计，光谱质谱计的检测端位于取样仓内。

其中，所述气压检测装置为真空规管，真空规管的感应端密封插设于取样仓中。

真空热试验用航天器密封舱气体取样分析方法，包括以下步骤：

S1、将环境模拟器抽真空；

S2、打开第一电磁阀，同时启动电阻丝加热带，通过温控开关控制电阻丝加热带温度，使温控管保持在室温20度；

S3、打开第三电磁阀和第二电磁阀；

S4、使用涡旋泵与分子泵将气体取样仓压力抽至低于1E-3Pa；

S5、关闭分子泵，涡旋泵保持启动状态；

S6、打开蝶阀，通过调节蝶阀的开度使取样仓获得稳定的动态平衡压力50Pa；

S7、启动光谱质谱计，定量分析气体成分；

S8、密封舱压力低于50Pa时，关闭涡旋泵与第二电磁阀，蝶阀开度调至最大，光谱质谱计直接分析密封舱内气体成分。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1、本发明真空热试验用航天器密封舱气体取样分析系统结构简单，稳定性能高，通过等离子体发射光谱的质谱分析仪用于大气压至高真空范围内的在线全程质谱监测，能够时间监测密封舱中的气体成分，监测误差小、精度高，能够规避密封舱后期存在的风险。

2、本发明监测过程的操作流程简单，在密封舱压力低于50Pa时，无需依靠抽真空压差取样，降低了能源损坏，密封舱内气体能够依靠热运动扩散至取样仓并通过光谱质谱计直接分析密封舱内气体成分。

附图说明

图1为本发明的真空热试验用航天器密封舱气体取样分析系统的结构示意简图；

图2为本发明的真空热试验用航天器密封舱气体取样分析方法的流程图。

图中标记：1、空间环境模拟器；2、密封舱；3、第一电磁阀；4、温控管；5、蝶阀；6、螺旋渐扩进气管；7、取样仓；8、真空规管；9、光谱质谱计；10、第二电磁阀；11、分子泵；12、涡旋泵；13、第三电磁阀。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

实施例一、参照图1所示，真空热试验用航天器密封舱气体取样分析系统，包括空间环境模拟器1、取样分析系统和气体取样管路，空间环境模拟器1内设置有密封舱2，取样分析系统包括取样仓7、气体分析装置、气压检测装置、泵组和阀门组，密封舱2通过气体取样管路与取样仓7连通连接，气体分析装置和气压检测装置均固定安装在取样仓7上，泵组通过阀门组与取样仓7连通连接。

实施例二、气体取样管路包括螺旋渐扩进气管6、温控管4、第一电磁阀3和蝶阀5，螺旋渐扩进气管6一端连通连接于取样仓7，螺旋渐扩进气管6另一端通过蝶阀5与温控管4一端连通连接，温控管4另一端通过第一电磁阀3与密封舱2连通连接。

实施例三、泵组包括分子泵11和涡旋泵12，分子泵11为高真空分子泵，型号为TwisTorr 704F，有更高的压缩比和前级耐压。更高的压缩比(特别是对小分子气体的高压缩比)可以带来更好的极限真空，而更高的前级耐压允许使用更小的前级泵，从而降低了整个真空系统的成本和尺寸，涡旋泵12为Agilent Varian涡旋式干泵SH-100，阀门组包括第二电磁阀10和第三电磁阀13，第二电磁阀10一端与取样仓7连通连接，第二电磁阀10另一端分别与分子泵11及第三电磁阀13一端连通连接，涡旋泵12一端分别与分子泵11及第三电磁阀13另一端连通连接，由于使用涡旋泵12抽真空，其对不同种类气体的抽速是不变的，保证了取样仓7内气体成分与密封舱2内气体成分完全一致。

实施例四、螺旋渐扩进气管6一端进口的口径尺寸小于另一端出口的口径尺寸，其进气口呈螺旋渐扩结构，其管径渐变增大，保证进入取样仓7的气体为常温低速微扰动状态，保证采样气体的流动平稳性，避免气流对光谱质谱计9的冲击影响，使得光谱质谱计9能够正常工作。

实施例五、温控管4内设置有电阻丝加热带，且温控管4表面安装有与电阻丝加热带连接的温控开关，当密封舱2内气体压力降低到一定程度时，密封舱2内气体能够依靠热运动扩散至取样仓7。

实施例六、气体分析装置为光谱质谱计9，具体为等离子体发射光谱的质谱分析仪，光谱质谱计9的检测端位于取样仓7内，光谱质谱计9为光谱计和质谱计的统称，能够检测取样仓7中气体存在何种元素和同位素。

实施例七、气压检测装置为真空规管8，真空规管8的感应端密封插设于取样仓7中。

参阅图2所示、真空热试验用航天器密封舱气体取样分析方法，步骤如下；将环境模拟器1抽真空，其压力P1会逐步降至低于1×10^-3Pa，密封舱2内压力P2亦会不断降低，整个试验过程中P2均大于P1；打开第一电磁阀3，使取样管路与密封舱2处于连通状态，同时启动电阻丝加热带，通过温控开关控制电阻丝加热带温度，使温控管保持在室温20度；打开第三电磁阀13和第二电磁阀10；S4、使用涡旋泵12与分子泵11将气体取样仓7压力抽至低于1E-3Pa，该过程为启动涡旋泵12，当取样室压力降低至20Pa时启动分子泵11，关闭第三电磁阀13；当取样仓7压力降低至1×10^-3Pa时，关闭分子泵11，涡旋泵12保持启动状态；打开蝶阀5，通过调节蝶阀5的开度使取样仓7获得稳定的动态平衡压力50Pa，密封舱2内气体在压差作用下进入取样室，在蝶阀5放气和涡旋泵12抽气的共同作用下，取样室达到动态平衡压力50Pa；启动光谱质谱计9，能够实时定量监测取样仓7内气体成分；取样仓7压力低于50Pa时，关闭涡旋泵12与第二电磁阀10，蝶阀5开度调至最大，无需依靠抽真空压差取样，密封舱2内气体依靠热运动扩散至取样仓7并通过光谱质谱计9直接分析取样仓7内气体成分。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.真空热试验用航天器密封舱气体取样分析系统，包括空间环境模拟器、取样分析系统和气体取样管路，其特征在于：所述空间环境模拟器内设置有密封舱，所述取样分析系统包括取样仓、气体分析装置、气压检测装置、泵组和阀门组，所述密封舱通过气体取样管路与取样仓连通连接，所述气体分析装置和气压检测装置均固定安装在取样仓上，所述泵组通过阀门组与取样仓连通连接。

2.如权利要求1所述的真空热试验用航天器密封舱气体取样分析系统，其特征在于：所述气体取样管路包括螺旋渐扩进气管、温控管、第一电磁阀和蝶阀，所述螺旋渐扩进气管一端连通连接于取样仓，螺旋渐扩进气管另一端通过蝶阀与温控管一端连通连接，所述温控管另一端通过第一电磁阀与密封舱连通连接。

3.如权利要求1所述的真空热试验用航天器密封舱气体取样分析系统，其特征在于：所述泵组包括分子泵和涡旋泵，所述阀门组包括第二电磁阀和第三电磁阀，所述第二电磁阀一端与取样仓连通连接，第二电磁阀另一端分别与分子泵及第三电磁阀一端连通连接，所述涡旋泵一端分别与分子泵及第三电磁阀另一端连通连接。

4.如权利要求2所述的真空热试验用航天器密封舱气体取样分析系统，其特征在于：所述螺旋渐扩进气管一端进口的口径尺寸小于另一端出口的口径尺寸，其进气口呈螺旋渐扩结构。

5.如权利要求2所述的真空热试验用航天器密封舱气体取样分析系统，其特征在于：所述温控管内设置有电阻丝加热带，且温控管表面安装有与电阻丝加热带连接的温控开关。

6.如权利要求1所述的真空热试验用航天器密封舱气体取样分析系统，其特征在于：所述气体分析装置为光谱质谱计，光谱质谱计的检测端位于取样仓内。

7.如权利要求1所述的真空热试验用航天器密封舱气体取样分析系统，其特征在于：所述气压检测装置为真空规管，真空规管的感应端密封插设于取样仓中。

8.利用权利要求3所述的真空热试验用航天器密封舱气体取样系统进行取样分析的方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、将空间环境模拟器抽真空;

S2、打开第一电磁阀，同时启动电阻丝加热带，通过温控开关控制电阻丝加热带温度，使温控管保持在室温20度；

S3、打开第三电磁阀和第二电磁阀；

S4、使用涡旋泵与分子泵将气体取样仓压力抽至低于1E-3Pa；

S5、关闭分子泵，涡旋泵保持启动状态；

S6、打开蝶阀，通过调节蝶阀的开度使取样仓获得稳定的动态平衡压力50Pa；

S7、启动光谱质谱计，定量分析气体成分；

S8、密封舱压力低于50Pa时，关闭涡旋泵与第二电磁阀，蝶阀开度调至最大，光谱质谱计直接分析密封舱内气体成分。