CN110624425A - 一种气体标准物质的动态稀释配制系统以及配制方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及本一种气体标准物质的动态稀释配制系统以及配制方法，所述系统包括稀释气体源(10)，原料气体源(20)，多个流量计(30)，加湿装置(40)，连接管线，混合室(50)，温湿度计(60)，加热装置(70)，稀释气体源(10)通过连接管线经由第一流量计(30‑1)连接至加湿装置(40)，加湿装置(40)经由连接管线连接至混合室(50)；原料气体源(20)通过连接管线经由第二流量计(30‑2)连接至混合室(50)；温湿度计(60)连接至混合室(50)的出口连接管线(51)上；加湿装置(40)、混合室(50)以及温湿度计设置在所述加热装置(70)之中。

Description

一种气体标准物质的动态稀释配制系统以及配制方法
技术领域
本发明涉及气体标准物质技术领域，具体涉及一种气体标准物质的动态稀释配制系统以及配制方法。
背景技术
对于化学性质不稳定或者浓度较低易吸附的气体组分，采用瓶装的标准气体难以满足实验的要求，此时通常需要用动态配气法。这种方法使已知浓度的原料气与稀释气按恒定比例连续不断地进入混合器混合，从而可以连续不断地配制并供给一定浓度的标准气体，根据两股气流的流量比可计算出稀释倍数，然后根据稀释倍数计算出标准气的浓度。动态配气法不但能提供大量的标准气体，而且可通过调节原料气和稀释气的流量比获得所需浓度的标准气，这种方法尤其适用于配制低浓度或者具有反应活性的标准气体。
但是，上述现有技术让存在一些缺陷，例如对于不稳定性的气体组分，如挥发性有机物类，其在稀释过程中易于吸附在容器内壁，而造成量值降低，从而使得发生的标准气体的准确量值发生偏移；对于低浓度组分，由于存在吸附现象，因此往往需要长时间吹扫才能使得系统达到稳定，这大大降低了标准稀释装置的使用效率；另外，现有技术的主要目标是获得特定浓度的标准气体，但所发生的标准气体均为干燥气体，与真实空气样品仍有差异，而对于湿度影响较大的传感器，如电化学传感器或质谱等组分，用干燥标准气体校准的结果与真实值有较大偏差。
因此，存在对气体标准物质的新的配制技术和装备的需求。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的至少一部分问题，本发明的技术目的在于提供一种气体标准物质的动态稀释配制系统以及配制方法，其能够减少稀释系统内壁对组分的吸附，降低了系统达到稳定浓度的吹扫时间，提高系统工作效率，并且能够控制标准气体中的湿度水平，并消除气体混合池的内壁水凝结等问题。
根据本发明的一方面，提供一种气体标准物质的动态稀释配制系统，其包括：
稀释气体源(10)，原料气体源(20)，多个流量计(30)，加湿装置(40)，连接管线，混合室(50)，温湿度计(60)，加热装置(70)，
稀释气体源(10)通过连接管线经由第一流量计(30-1)连接至加湿装置(40)，
加湿装置(40)经由连接管线连接至混合室(50)；
原料气体源(20)通过连接管线经由第二流量计(30-2)连接至混合室(50)；
温湿度计(60)连接至混合室(50)的出口连接管线(51)上；
加湿装置(40)、混合室(50)以及温湿度计设置在所述加热装置(70)之中。
根据本发明的一个实施方案，其中，在所述第一流量计(30-1)与所述加湿装置(40)之间设置第三流量计(30-3)，在所述第一流量计(30-1)与所述第三流量计(30-3)之间引出连接管线，连接至所述加湿装置(40)与所述混合室(50)之间的连接管线上，由此构成旁路。
根据本发明的一个实施方案，其中，所述混合室为硅烷化玻璃混合室或316L钝化混合室。
根据本发明的一个实施方案，其中，所述加热装置(70)的加热方式选自气浴加热，加热套以及电阻丝加热。
根据本发明的一个实施方案，其中，所述加湿装置(40)选自鼓泡瓶、nafion加湿管、超声加湿器。
根据本发明的一个实施方案，其中，所述加湿装置(40)为二级玻璃鼓泡瓶。
根据本发明的一个实施方案，其中，上述各部件之间的连接管线为硅烷化玻璃管线或316L钝化管线。
根据本发明的一个实施方案，其中，所述流量计(30)选自质量流量计、毛细管限流计、音速喷嘴流量计、层流式流量计以及电子针阀流量计。
根据本发明的一个实施方案，其中，所述气体标准物质的动态稀释配制系统还包括设置在所述加湿装置(40)入口和出口管线上和/或设置在所述旁路上的流量控制阀(41)。
根据本发明的一个实施方案，其中，所述气体标准物质的动态稀释配制系统还包括控制模块，所述流量计，温湿度计以及加热装置连接所述控制模块。
根据本发明的另一方面，提供一种气体标准物质的动态稀释配制方法，所述方法包括预吹扫步骤，所述预吹扫步骤包括：
a.利用加热装置(70)将加湿装置(40)以及混合室(50)加热至预定温度；
b.将混合室(50)的出口关闭，然后打开稀释气体源(10)使得稀释气体气路中压力上升到预定压力，之后关闭稀释气体源(10)；
c.打开混合室(50)的出口以放空压力，
d.重复步骤b-c多次，使得得稀释气体气路中充满稀释气体，然后关闭稀释气体气路；
e.关闭混合室(50)的出口，然后打开原料气体源(20)使得原料气体气路中压力上升到预定压力，之后关闭原料气体源(20)；
f.打开混合室(50)的出口以放空压力，
g.重复步骤e-f多次，使得得原料气体气路中充满原料气体。
根据本发明的一个实施方案，其中，所述方法还包括在预吹扫步骤之后进行气体标准物质的动态稀释配制步骤，所述动态稀释配制步骤包括利用加湿装置(40)对稀释气体进行加湿。
根据本发明的一个实施方案，其中，所述加湿装置(40)为二级玻璃鼓泡瓶。
根据本发明的一个实施方案，其中，所述稀释气体气路分为两路，其中一路不经由所述加湿装置(40)，另一路经由所述加湿装置(40)进行加湿，之后两路再汇合。
根据本发明的一个实施方案，其中，稀释气体气路以及原料气体气路中的连接管线为硅烷化玻璃管线或316L钝化管线。
根据本发明的一个实施方案，其中，所述混合室为硅烷化玻璃混合室或316L钝化混合室。
本发明采用了钝化管线，大大降低了稀释系统内壁对不稳定组分的吸附。在稀释前，对系统进行吹扫清洁，采用系统闭压-烘烤-放空-吹扫多次循环的清理模式，大大降低了系统达到稳定浓度的吹扫时间。在气体的混合池(混合室)采用硅烷化玻璃气池或钝化混合室，管线和混合气池均可控温加热，最大限度的降低了气体混合池的内壁吸附和水凝结等问题。另外，本发明采用湿气与干气按照比例混合的方法发生特定湿度的稀释气，并与样品气再次混合形成具有一定浓度的、特定湿度和温度下的标准气体，将定量加湿功能与定量稀释功能集成为一体。
附图说明
附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：
图1为根据本发明一个实施方案的气体标准物质的动态稀释配制系统的示意图。
图2为本发明一个实施方案的控制软件操作界面的示意图。
图3为本发明一个实施方案的单级玻璃瓶加湿性能与双级玻璃瓶加湿性能对比实验结果示意图。
图4为本发明一个实施方案的不同混合器材质下系统稳定时间的影响的实验结果示意图。
图5为本发明一个实施方案的不同温度对系统稳定性时间的影响的实验结果示意图。
具体实施方式
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的具体实施例。
图1为根据本发明一个实施方案的气体标准物质的动态稀释配制系统的示意图。参考图1，本发明的挥发性有机物气体标准物质的配制系统可以包括：稀释气体源(10)，原料气体源(20)，多个流量计(30)，加湿装置(40)，连接管线，混合室(50)，温湿度计(60)，加热装置(70)，稀释气体源(10)通过连接管线经由第一流量计(30-1)连接至加湿装置(40)，加湿装置(40)经由连接管线连接至混合室(50)；原料气体源(20)通过连接管线经由第二流量计(30-2)连接至混合室(50)；温湿度计(60)连接至混合室(50)的出口连接管线(51)上；加湿装置(40)、混合室(50)以及温湿度计设置在所述加热装置(70)之中。
更具体地，稀释气体源(10)为载气，例如可以为高纯氮、氢气或氦气等，装载在高压气瓶中，作为稀释气体源(10)。稀释气体经第一减压阀11进行减压。例如，可根据用户需求，将高压气瓶中的气体压力降低至指定的范围。之后经过过滤装置进行过滤，以进一步净化载气。例如，可以采用活性炭过滤器12和以及5A分子筛过滤装置13进行过滤。
净化后的载气流经第一流量计(30-1)，之后分为两路气。一路流经第三流量计(30-3)以及流量控制阀(41)进入加湿装置(40)进行加湿。另一路流经流量控制阀(41-2)而不加湿。流量计可以选自质量流量计、毛细管限流计、音速喷嘴流量计、层流式流量计以及电子针阀流量计等，可以精确地控制和计量气体的流量。流量控制阀(41)可以为截止阀等，可以用来调节气路开合的程度以及开关。
如图1所示，在加湿的流路上设置有加湿装置40，并且在所述加湿装置(40)入口和出口管线上可以设置流量控制阀(41-1，41-3)，由此便于加湿装置40的操控。加湿装置40例如可以是鼓泡瓶、nafion加湿管、超声加湿器等等，在图中示出了两个串联的鼓泡瓶，鼓泡瓶上设置有加水口，便于加水。
在非加湿的流路上，还可以设置浮子流量计42。该浮子流量计完全放空，仅起到指示流量的功能。
当需要干式稀释功能时，第三流量计30-3、流量控制阀41-1和流量控制阀41-3截至，以关闭加湿流路。载气通过第一流量计30-1限制流量，以固定的流量流过流量控制阀41-1以及浮子流量计42，浮子流量计完全放空，仅起到指示流量的功能，然后进入混合室(50)。
当需要湿式稀释功能时，第一流量控制阀41-1和第三流量控制阀41-3开放，载气通过第一流量计30-1限制流量后，分成两路，其中一路再次经过第三流量计30-3控制流量，进入二级玻璃瓶鼓泡，形成具有一定湿度例如湿度饱和的气体；另一路通过第二流量控制阀41-2以及浮子流量计42，与湿度饱和的气体混合，形成特定湿度的载气。
原料气体源(20)例如可以是较高浓度的待稀释的高压样品气体，例如可以苯乙烯、二甲苯、甲醛等等。原料气体经由第二减压阀21进行减压。例如，可根据用户需求，将高压气瓶中的气体压力降低至指定的范围。之后经过通过第二流量计30-2限制流量，以固定的流量流至混合室50。在此与上述载气进行稀释混合，由此形成特定浓度和特定湿度的样品气。为了减少或防止气体的吸附，所述混合室可以为经过钝化处理的混合室，例如可以为硅烷化玻璃混合室或316L钝化混合室。
混匀后的湿气分成2路，一路经过温湿度计60测量温湿度后排空，也可以在此流路设置浮子流量计42-2以指示流量；另一路则进入采样设备或者分析设备。
在本发明的气体标准物质的动态稀释配制系统中，上述各部件之间的连接管线可以为钝化管线，例如可以为硅烷化玻璃管线或316L钝化管线，由此减少或者防止样品气体的吸附。
参考附图1，本发明的气体标准物质的动态稀释配制系统还可以包括加热装置(70)(虚线所示)，所述加湿装置(40)、混合室(50)以及温湿度计(60)设置在所述加热装置(70)之中。例如加热装置(70)可以是在整体形成为一个腔室，所述加湿装置(40)、混合室(50)以及温湿度计(60)设置该腔室中，加热装置(70)可以采用气浴加热、加热套以及电阻丝加热等多种方式来加热该腔室，使得其中的加湿装置(40)、混合室(50)以及温湿度计(60)保持预定的温度。
采用加热装置(70)可以实现特定温度的下湿度精确调节和计算，并且将加湿装置以及混合室(50)设置在加热装置(70)中，由此可以降低或者防止气体混合池的内壁吸附和水凝结等问题。
本发明的气体标准物质的动态稀释配制系统还包括控制模块(未示出)。例如可以通过控制软件来实现阀门的开闭和气体流量、温度及湿度的控制以及相应数据的采集。图2是本发明一个实施方案的控制软件操作界面的示意图。参考2所示。各个流量计30的设定流量可直接在对应的窗口，输入数据，并点击″发送″键进行设置。加热的温度，可在″PID温度″下方栏目中输入目标温度，点击″发送″键进行设置。当需要长期监控流量、气体温湿度的波动时，可设定″采样周期″(数据采集频率)和″采样时间″，并点击″开始″键进行数据采集，数据采集的结果在软件界面的右上角中实时更新。当需要分析处理数据时，可用″数据导出″功能，将采集的数据转为excel软件可识别的文件进行分析。
另外，由于加热装置(70)、钝化管线以及混合室的采用，使得本发明的系统可以通过″系统闭压-烘烤-放空-吹扫″模式来进行预吹扫步骤，由此使得系统能够在简短时间内实现稳定，大大提高了系统利用效率。
下面结合附图，详细说明本发明系统的″系统闭压-烘烤-放空-吹扫″模式的预吹扫步骤。
首先，a.利用加热装置(70)将加湿装置(40)以及混合室(50)加热至预定温度；
b.将混合室(50)的出口关闭，然后打开稀释气体源(10)使得稀释气体气路中压力上升到预定压力，例如缓慢上升至例如约10个大气压，之后关闭稀释气体源(10)；
c.打开混合室(50)的出口以放空压力，
d.重复步骤b-c多次，例如3-5次，使得得稀释气体气路中充满稀释气体，然后关闭稀释气体气路；
e.关闭混合室(50)的出口，然后打开原料气体源(20)使得原料气体气路中压力缓慢上升到预定压力，例如约10个大气压，之后关闭原料气体源(20)；
f.打开混合室(50)的出口以放空压力，
g.重复步骤e-f多次例如3-5次，使得得原料气体气路中充满原料气体。
之后打开各个流量计以及流量控制阀阀1-3，正常设定所有流量，即可使系统快速达到稳定状态。然后根据需要来调节精确的流量以及温度，以配置具有特定湿度和浓度的标准气体。
由于采用钝化管线和混合室，结合系统闭压-烘烤-放空-吹扫多次循环的清理模式，能够大大降低系统达到稳定的时间。
实施例1——单级玻璃瓶加湿性能与双级玻璃瓶加湿性能对比
采用当环境温度为25℃，设定气体流量为5L时，分别检测具有单级玻璃瓶与双级玻璃瓶的系统出口的载气湿度。
单级和双级玻璃瓶加湿性能实验结果如图3所示。当采用单级玻璃瓶鼓泡饱和时，最大加湿能力仅为40％R.H.，而采用双级玻璃瓶鼓泡时，最大加湿能力可达90％R.H.。这说明双级玻璃瓶串联后，系统加湿能力显著高于单机玻璃瓶加湿能力。因此，采用双级玻璃瓶鼓泡能够大大提高加湿效率。
实施例2——不同混合器材质下系统稳定时间的影响
加热温度选为28℃，选用40ppm氮中苯乙烯为样品气(苯乙烯具有较强的吸附性)，高纯氮气为稀释气，分别采用硅胶、聚四氟乙烯、普通不锈钢、316L钝化不锈钢和硅烷化玻璃不同材质混合器，考察稀释后气体的浓度稳定性。设定目标稀释浓度为110.3ppb。浓度测量采用安捷伦气相色谱质谱联用仪，色谱柱采用Stable-Wax 30m＊0.32mm＊1.0μm，分析采用SCAN全扫描模式，定量积分用峰面积自动积分模式。
实验结果如图4所示，从图4可知，硅胶混合管线经过150分钟的吹扫，出口浓度值仅为102.3ppb，仍未达到稳定。钝化玻璃管线达到稳定的吹扫时间最短，只需10分钟，出口气浓度已接近110ppb；316L钝化不锈钢管线的吹扫其次，需要约20分钟达到110ppb浓度量级；普通不锈钢和聚四氟乙烯达到110ppb所需时间分别为50分钟和110分钟。
达到稳定的目标稀释浓度110ppb所需的时间可反映出材质对于目标物质的吸附性。当材质吸附性越小时，达到稳定的目标浓度所需时间就越短。从结果可见，当采用钝化玻璃管线和316L钝化不锈钢管线时，所需的吹扫时间都小于20分钟。因此采用这两种材质可显著提高稀释的效率。
实施例3——不同温度对系统稳定性时间的影响
选用40ppm氮中苯乙烯为样品气，设定目标稀释浓度为110.3ppb，采用316L钝化不锈钢和硅烷化玻璃进行试验。
试验结果如图5所示，与图4中28℃下的数据相比，将温度加温至50℃显著降低了316L钝化不锈钢系统稳定的时间，原来20分钟吹扫达到稳定的系统，只需经过10分钟吹扫，浓度已达到110ppb浓度量级。对钝化玻璃材质的稳定时间也有所改善，但是不如316L钝化不锈钢改善的显著。由此可见，温度对于系统的稳定也具有重要的影响。
实施例4——温度、流量和湿度稳定性实验
设定系统温度为30℃，记录气体出口的温湿度，各流量计流量，并计算其实验标准差与平均值的比值，考察系统稳定性。
实验结果如下表1所示：
实验结果表明，系统流量的波动性较小，最大的相对标准偏差在0.016％以内，说明稀释比可控制在稳定的范围内。此外气体温度、湿度和PID加热温度的相对标准偏差分别为1.095％、0.577％和0.572％，说明在实验时间内，可较好的将稀释气体的浓度、温度和湿度控制在设定范围内。
在本发明的描述中，需要说明的是，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。此外，在本发明的描述中，除非另有说明，″多个″的含义是两个或两个以上。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，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、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气体标准物质的动态稀释配制系统，其特征在于，包括：
稀释气体源(10)，原料气体源(20)，多个流量计(30)，加湿装置(40)，连接管线，混合室(50)，温湿度计(60)，加热装置(70)，
稀释气体源(10)通过连接管线经由第一流量计(30-1)连接至加湿装置(40)，
加湿装置(40)经由连接管线连接至混合室(50)；
原料气体源(20)通过连接管线经由第二流量计(30-2)连接至混合室(50)；
温湿度计(60)连接至混合室(50)的出口连接管线(51)上；
加湿装置(40)、混合室(50)以及温湿度计设置在所述加热装置(70)之中。
2.根据权利要求1所述的气体标准物质的动态稀释配制系统，其特征在于，在所述第一流量计(30-1)与所述加湿装置(40)之间设置第三流量计(30-3)，在所述第一流量计(30-1)与所述第三流量计(30-3)之间引出连接管线，连接至所述加湿装置(40)与所述混合室(50)之间的连接管线上，由此构成旁路。
3.根据权利要求1所述的气体标准物质的动态稀释配制系统，其特征在于，所述混合室为硅烷化玻璃混合室或316L钝化混合室。
4.根据权利要求1所述的气体标准物质的动态稀释配制系统，其特征在于，所述加湿装置(40)为二级玻璃鼓泡瓶。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的气体标准物质的动态稀释配制系统，其特征在于，上述各部件之间的连接管线为硅烷化玻璃管线或316L钝化管线。
6.根据权利要求1所述的气体标准物质的动态稀释配制系统，其特征在于，还包括控制模块，所述流量计，温湿度计以及加热装置连接所述控制模块。
7.一种气体标准物质的动态稀释配制方法，包括预吹扫步骤，所述预吹扫步骤包括：
a.利用加热装置(70)将加湿装置(40)以及混合室(50)加热至预定温度；
b.将混合室(50)的出口关闭，然后打开稀释气体源(10)使得稀释气体气路中压力上升到预定压力，之后关闭稀释气体源(10)；
c.打开混合室(50)的出口以放空压力，
d.重复步骤b-c多次，使得得稀释气体气路中充满稀释气体，然后关闭稀释气体气路；
e.关闭混合室(50)的出口，然后打开原料气体源(20)使得原料气体气路中压力上升到预定压力，之后关闭原料气体源(20)；
f.打开混合室(50)的出口以放空压力，
g.重复步骤e-f多次，使得得原料气体气路中充满原料气体。
8.根据权利要求7所述的方法，还包括在预吹扫步骤之后进行气体标准物质的动态稀释配制步骤，所述动态稀释配制步骤包括利用加湿装置(40)对稀释气体进行加湿。
9.根据权利要求7所述的方法，其中所述加湿装置(40)为二级玻璃鼓泡瓶。
10.根据权利要求7所述的方法，其中稀释气体气路以及原料气体气路中的连接管线以及所述混合室为硅烷化玻璃管线或316L钝化管线。
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