CN110060917B - 一种螺旋线式质谱仪连续性变压取样装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种螺旋线式质谱仪连续性变压取样装置，包括圆筒形外壳与质谱系统，所述外壳内部滑动安装有外表面开设有螺旋线状线式槽的内筒，所述螺旋线状线式槽由进气端向出气端逐渐增加截面面积，所述内筒外表面与圆筒形外壳内壁面紧密贴合，所述圆筒形外壳内壁面中部圆周上开设有环形的进气室，所述螺旋线状线式槽出气端开设有贯穿内筒近质谱系统端筒壁的出气通路，经连接管路穿透外壳侧壁与质谱系统连接，驱动电机通过丝杠机构带动内筒在外壳内滑动；本发明结构紧凑，具备对被分析气体连续在线取样能力；当内筒在外壳内滑动时，改变螺旋线状线式槽的气路长度和截面面积，从而具备了对大范围变压气体的高精度取样分析的能力。

Description

一种螺旋线式质谱仪连续性变压取样装置及方法

技术领域

本发明属于气体分析技术领域，尤其是涉及一种螺旋线式质谱仪连续性变压取样装置及方法。

背景技术

质谱仪又称质谱计，是分析检测气体中不同成分的仪器，它是根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理，按物质原子、分子或分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成的一类仪器。质谱仪测量技术现已大量应用于药品、食品、医学、地质、钢铁生产、真空系统检漏、环境模拟、载人航天等工业领域和科学技术研究中，对于现代科技的发展和国民经济的建设都起着重要的作用。

质谱仪的分析室必须工作在特定的高真空状态下，而被分析气体的初始压强常常是接近环境大气压力的不确定值；特别是应用于各种真空设备内气体成分监测的质谱仪，被测气体的压强更是可能从常压一直变化到高真空状态。因此，质谱仪必须配置有气体取样装置，以便将处于不同压强的气体在保持成分构成不发生变化的前提下减压输送至高真空状态的分析室。现有的气体取样装置(如膨胀法取样)工作方式大多是间歇作业的，不能对气体样品进行在线连续取样；而能够连续取样的气体取样装置(如针阀节流取样)通常只适用于测量单一固定气压的工况，难以对压力大范围变化的工况进行连续取样。例如采用针阀作为一种微调阀，可以调节气流量，但是限于其自身结构，可调节压力范围有限，且可调节精度不够高。目前，随着科学研究和工业生产技术水平的持续进步，对气体分析技术的要求也不断提高，在气体压力大范围变化条件下实现气体成分的高精度在线连续监测，已成为迫切的实际需求，现有的质谱仪气体取样方法与装置，无法满足在气体压力变化的情况下实现高精度连续取样的要求，制约了气体分析质谱仪的发展和应用，迫切需要一种全新的气体取样装置及方法。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供一种螺旋线式质谱仪连续性变压取样装置及方法，本发明可以在气体压力变化的情况下连续取样，填补了气体分析行业在这一方面的空白，且对于其他行业中在气体压力变化的情况下连续取样的工作同样适用，其技术方案如下：

一种螺旋线式质谱仪连续性变压取样装置，包括圆筒形外壳与质谱系统，所述圆筒形外壳内部滑动安装内筒，而内筒外表面开设有便于加工的规则截面的螺旋线状线式槽，且螺旋线状线式槽由进气端向出气端逐渐增加截面面积，所述内筒外表面与圆筒形外壳内壁面紧密贴合，所述圆筒形外壳内壁面中部圆周上开设有环形的进气室，且进气室贯穿圆筒形外壳与进气管路和进气阀门相连，所述螺旋线状线式槽出气端开设有贯穿内筒右筒壁的出气通路，所述圆筒形外壳右壳壁开设连接孔，且连接孔连接管路的一端，而管路的另一端穿过圆筒形外壳右壳壁后连接质谱系统，所述内筒左端固定安装固定架，且固定架中部焊接螺母，所述固定架开设有导向孔，所述圆筒形外壳左端固定安装法兰，法兰右壁面固定安装导向杆，且导向杆滑动安装在导向孔内，所述螺母配装有丝杠，且丝杠另一端贯穿远离质谱系统端的圆筒形外壳壳壁后配装减速器的输出端，所述减速器的输入端配装电动机的输出端，所述圆筒形外壳与质谱系统之间的管路依次安装节流阀门与真空泵，所述真空泵与节流阀门之间的管路中安装有真空规。

所述丝杠的螺纹表面长度略长于螺旋线状线式槽的排布长度，所述内筒长度等于圆筒形外壳一半长度。

所述内筒上螺旋线状线式槽两端外的内筒表面均开设有封闭槽，所述封闭槽内卡装橡胶密封圈。

所述法兰上端开设有排气孔。

一种螺旋线式质谱仪连续性变压取样方法，采用了所述的一种螺旋线式质谱仪连续性变压取样装置，包括如下步骤：

步骤1：关闭进气阀门，打开节流阀门，开启真空泵抽真空，气体通路内的气体压力逐渐下降到质谱仪的最大工作压强时，启动质谱系统内真空泵，加快抽真空的速度，抽真空的同时也清洁了分析气体成分的气体通路，直至真空度达到质谱仪的最佳工作压强；

步骤2：启动电动机，将内筒移动至最靠近质谱仪位置，使圆筒形外壳内壁进气室与螺旋线状线式槽的进气端最小截面处相通，打开进气阀门，被分析气体进入气体通路；

步骤3：根据真空规测量到的真空度反馈控制电动机，将内筒逐渐向远离质谱仪方向移动，使与圆筒形外壳内壁进气室接通的螺旋线状线式槽的气体通路长度逐渐变小，气体流量逐渐增大，通道内气体流量和真空度满足质谱仪工作的要求；

步骤4：当进气管中被分析气体压力变化时，根据真空规测量到的真空度反馈控制电动机，当取样气体压力大时，往质谱仪的方向移动内筒，以增长气体通路，减小压力，恢复至质谱仪工作压力；当取样气体压力小时，往远离质谱仪的方向移动内筒，以减短气体通路，增大压力，恢复至质谱仪工作压力，始终保证通道内收集到的取样气体具有稳定的压力和流量，保证真空度符合质谱仪工作真空度；

所述方法的工作过程是连续性过程，所述取样装置可以连续在线检测气体成分。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明通过流导可变的气体采样通道与真空泵的配合工作，可以使被分析气体能够持续流入采样系统，及时更新，从而实现了气体在线连续取样功能，具备了对分析气体连续在线检测能力，而且响应时间快，灵敏度高，克服了气体间歇采样的不足。

2、本发明提出的变截面、变长度的气体采样通道结构，配合可移动内筒，能够灵活地大范围调节气体采样通道的流导。当被分析气体的压力出现变化时，通过反馈调节内筒的位置，能够使气体采样通道具有合适的流导，从而始终保证在采样通道出口处具有稳定的气体压力和流量，保证质谱仪处于良好的工作状态。本发明突破了传统在线采样方法只能适用于单一压力下的限制，能在气体压力大范围变化情况下正常工作。

3、本发明将很长的气体管路变成螺旋线状曲线刻制在圆筒外壁上的气体通路，大大减小了设备体积和占用空间；在内筒螺旋线式槽两端分别设置密封圈，利用内筒外壁完全贴合于圆筒形外壳内壁，能够确保气体采样通道的气密性，减少外部气体进入采样通道，从而提高采样装置的测量精度。

4、本发明提出的变截面变长度螺旋线式槽形气体通道，可以根据实际工况需要分段设计加工其截面面积和长度，从而改变通道流导随内筒移动位置的变化关系，使其适合于不同压力段和不同流量要求的实际应用场合，并能专门提高某一压力段的调节精度。因此，本发明提出的气体采样装置，适用范围更加广泛，测量精度更高。

附图说明

图1为本发明的一种螺旋线式质谱仪连续性变压取样装置的结构原理图；

图2为本发明的内筒的主视结构示意图；

图3为本发明的内筒的左视结构示意图。

图中，1、电动机，2、减速器，3、排气孔，4、法兰，5、丝杠，6、圆筒形外壳，7、导向杆，8、螺母，9、进气室，10、进气阀，11、内筒，12、螺旋线状线式槽，13、出气通路，14、橡胶密封圈，15、节流阀门，16、真空规，17、质谱系统，18、真空泵，19、导向孔，20、固定架，21、封闭槽，22、管路。

具体实施方式

需要说明，本发明实施例中所有方向性指示(诸如上、下、左、右、前、后……)仅用于解释在某一特定姿态(如附图所示)下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果该特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。

如图1至图3所示，本发明提供了一种螺旋线式质谱仪连续性变压取样装置，包括圆筒形外壳6与质谱系统17，圆筒形外壳6为装置的外部安装基础结构，同时为内部结构提供保护，质谱系统17是对待检测气体进行质谱分析装置，所述圆筒形6外壳内部滑动安装内筒11，而内筒11外表面开设有便于加工的规则截面的螺旋线状线式槽12，为螺旋线状线式槽12提供开设基础，同时通过移动调节螺旋线状线式槽12与进气室9的相对位置，将原有的直线式线式槽进行螺旋设置，减小占用空间，且螺旋线状线式槽12由进气端向出气端逐渐增加截面面积，通过面积的持续性变化，及与进气室9相对位置的变化，实现对进气流量的控制，所述内筒11外表面与圆筒形外壳6内壁面紧密贴合，实现有效组合，配合螺旋线状线式槽12构成封闭的气体通路，所述圆筒形外壳6内壁面中部圆周上开设有环形的进气室9，配合螺旋线状线式槽12，控制进气口的截面面积，实现对螺旋在内筒11上的螺旋线状线式槽12的有效覆盖，且进气室9贯穿圆筒形外壳6与进气管路22和进气阀10相连，将气体可控的导入装置内，所述螺旋线状线式槽12出气端开设有贯穿内筒11右筒壁的出气通路13，将螺旋线状线式槽12连通圆筒形外壳6与内筒11右7端构成的封闭室，所述圆筒形外壳6右壳壁开设连接孔，且连接孔连接管路22的一端，将气体导向质谱系统17，而管路22的另一端穿过圆筒形外壳6右壳壁后连接质谱系统17，将导入的气体进行质谱分析，所述内筒11左端固定安装固定架20，为螺母8及导向孔19提供安装及开设基础，且固定架20中部焊接螺母8，配合丝杠5实现动力的传动，控制内筒11的滑动，所述固定架20开设有导向孔19，配合导向杆7对内筒11进行转动限位，避免随丝杠5进行同步转动，导致无法移动，所述圆筒形外壳6左端固定安装法兰4，对圆筒形外壳6进行封闭，构成封闭结构，法兰4右壁面固定安装导向杆7，配合固定导向孔19进行使用，且导向杆7滑动安装导向孔19内，所述螺母8配装有丝杠5，将动力导入装置内，且丝杠5另一端贯穿圆筒形外壳6左壳壁后配装减速器2的输出端，将电机输出的转速进行降速，继而保证装置控制的稳定性和精确性，同时本实施例采用齿轮固定连接，所述减速器2的输入端配装电动机1的输出端，为装置提供动力，所述圆筒形外壳6与质谱系统17之间的管路22依次安装节流阀门15与真空泵18，实现对气路的有控制，及对装置内部的真空度的调节，所述真空泵18上与节流阀门15之间的管路22安装真空规16，监测装置内的真空度。

所述丝杠5的螺纹表面长度略长于螺旋线状线式槽12的排布长度，所述内筒11长度等于圆筒形外壳6一半长度，使得丝杠5能给有效的拉动内筒11进行调节，同时避免丝杠5的脱落。

所述内筒11上螺旋线状线式槽12两端外内筒11的表面均开设有封闭槽21，所述封闭槽21内卡装橡胶密封圈14，增加内筒11与圆筒形外壳6配合的封闭性。

所述法兰4上端开设有排气孔3，对内筒11移动过程中产生的压力变化进行调节，避免影响装置的准确性。

一种螺旋线式质谱仪连续性变压取样装置的取样方法，包括如下步骤：

步骤1：关闭进气阀门10，打开节流阀门15，开启真空泵18抽真空，气体通路内的气体压力逐渐下降到质谱仪的最大工作压强时，启动质谱系统17内真空泵，加快抽真空的速度，抽真空的同时也清洁了分析气体成分的气体通路，直至真空度达到质谱仪的最佳工作压强；

步骤2：启动电动机1，将内筒11移动至最靠近质谱仪位置，使圆筒形外壳6内壁进气室9与螺旋线状线式槽12的进气端最小截面处相通，打开进气阀门10，被分析气体进入气体通路；

步骤3：根据真空规16测量到的真空度反馈控制电动机1，将内筒11逐渐向远离质谱仪方向移动，使与圆筒形外壳6内壁进气室9接通的螺旋线状线式槽12的气体通路长度逐渐变小，气体流量逐渐增大，通道内气体流量和真空度满足质谱仪工作的要求；

步骤4：当进气管中被分析气体压力变化时，根据真空规16测量到的真空度反馈控制电动机1，当取样气体压力大时，往质谱仪的方向移动内筒11，以增长气体通路，减小压力，恢复至质谱仪工作压力；当取样气体压力小时，往远离质谱仪的方向移动内筒11，以减短气体通路，增大压力，恢复至质谱仪工作压力，始终保证通道内收集到的取样气体具有稳定的压力和流量，保证真空度符合质谱仪工作真空度；

此工作过程是连续性过程，此设备可以连续在线检测气体成分。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细说明，领域的普通技术人员应当理解：依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种螺旋线式质谱仪连续性变压取样装置，包括圆筒形外壳与质谱系统，其特征在于，所述圆筒形外壳内部滑动安装内筒，而内筒外表面开设有便于加工的规则截面的螺旋线状线式槽，且螺旋线状线式槽由进气端向出气端逐渐增加截面面积，所述内筒外表面与圆筒形外壳内壁面紧密贴合，所述圆筒形外壳内壁面中部圆周上开设有环形的进气室，且进气室贯穿圆筒形外壳与进气管路和进气阀门相连，所述螺旋线状线式槽出气端开设有贯穿内筒右筒壁的出气通路，所述圆筒形外壳右壳壁开设连接孔，且连接孔连接管路的一端，而管路的另一端穿过圆筒形外壳右壳壁后连接质谱系统，所述内筒左端固定安装固定架，且固定架中部焊接螺母，所述固定架开设有导向孔，所述圆筒形外壳左端固定安装法兰，法兰右壁面固定安装导向杆，且导向杆滑动安装在导向孔内，所述螺母配装有丝杠，且丝杠另一端贯穿远离质谱系统端的圆筒形外壳壳壁后配装减速器的输出端，所述减速器的输入端配装电动机的输出端，所述圆筒形外壳与质谱系统之间的管路依次安装节流阀门与真空泵，所述真空泵与节流阀门之间的管路中安装有真空规。

2.根据权利要求1所述的一种螺旋线式质谱仪连续性变压取样装置，其特征在于，所述丝杠的螺纹表面长度略长于螺旋线状线式槽的排布长度，所述内筒长度等于圆筒形外壳一半长度。

3.根据权利要求1所述的一种螺旋线式质谱仪连续性变压取样装置，其特征在于，所述内筒上螺旋线状线式槽两端外的内筒表面均开设有封闭槽，所述封闭槽内卡装橡胶密封圈。

4.根据权利要求1所述的一种螺旋线式质谱仪连续性变压取样装置，其特征在于，所述法兰上端开设有排气孔。

5.权利要求1所述的一种螺旋线式质谱仪连续性变压取样装置的取样方法，包括如下步骤：

步骤1：关闭进气阀门，打开节流阀门，开启真空泵抽真空，气体通路内的气体压力逐渐下降到质谱仪的最大工作压强时，启动质谱系统内真空泵，加快抽真空的速度，抽真空的同时也清洁了分析气体成分的气体通路，直至真空度达到质谱仪的最佳工作压强；

步骤2：启动电动机，将内筒移动至最靠近质谱仪位置，使圆筒形外壳内壁进气室与螺旋线状线式槽的进气端最小截面处相通，打开进气阀门，被分析气体进入气体通路；

步骤3：根据真空规测量到的真空度反馈控制电动机，将内筒逐渐向远离质谱仪方向移动，使与圆筒形外壳内壁进气室接通的螺旋线状线式槽的气体通路长度逐渐变小，气体流量逐渐增大，通道内气体流量和真空度满足质谱仪工作的要求；

步骤4：当进气管中被分析气体压力变化时，根据真空规测量到的真空度反馈控制电动机，当取样气体压力大时，往质谱仪的方向移动内筒，以增长气体通路，减小压力，恢复至质谱仪工作压力；当取样气体压力小时，往远离质谱仪的方向移动内筒，以减短气体通路，增大压力，恢复至质谱仪工作压力，始终保证通道内收集到的取样气体具有稳定的压力和流量，保证真空度符合质谱仪工作真空度；

所述方法的工作过程是连续性过程，所述取样装置可以连续在线检测气体成分。

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