CN112403296B - 一种模拟金星表面大气环境的配气方法及配气系统 - Google Patents

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Abstract

本申请提供一种模拟金星表面大气环境的配气方法及配气系统，所述方法包括如下步骤：S1、确定模拟大气环境的气体组成及含量；S2、设定SO2、CO、COS、H2S、HCL以及HF分别与CO2混合的配气浓度；S3、采用稀释法，分别将SO2、CO、COS、H2S、HCL和HF与CO2进行配气，得到六种混合气体；S4、计算六种混合气体、CO2、N2以及H2O(气态)的进气量；S5、将步骤S3中得到的六种混合气体依次通入大气环境模拟容器；S6、将N2和H2O(气态)通入大气环境模拟容器；S7、将CO2通入大气环境模拟容器；S8、配气结束。本申请可以准确地完成对金星表面大气环境的气体成分进行模拟。

Description

一种模拟金星表面大气环境的配气方法及配气系统
技术领域
本申请涉及地外星球气体环境模拟技术领域，尤其涉及一种模拟金星表面大气环境的配气方法及配气系统。
背景技术
金星是太阳系中距离地球最近的行星，而且在体积和质量上与地球相近。金星的表面压力约为地球的90倍，其主要成分是二氧化碳，金星表面具有极端高温，最高可达760K。金星大气成分主要由二氧化碳和氮气组成，其余成分主要由氩气和一氧化碳，少量的水蒸气(与地球相比)，大量的二氧化硫(与地球相比)组成，同时还观察到少量的HCL和HF。表1简要对比了金星表面大气与地球表面大气的气体组分及含量。
表1金星与地球表面气体组分
序号 气体种类 金星 地球
1 CO<sub>2</sub> 96％ 0.03％
2 N<sub>2</sub> 3.5％ 77.0％
3 A<sub>r</sub> 0.007％ 0.93％
4 N<sub>e</sub> 0.0005％(5ppm) 0.0018％(18ppm)
5 H<sub>2</sub>O 30ppm ～1％
6 HDO 3ppm ～1ppm
7 SO<sub>2</sub> 150ppm 0.2ppb
8 COS 4ppm 0.5ppb
9 CO 0.004％(40ppm) 0.000012％(120ppb)
10 HCL 0.5ppm 微量
11 HF 0.005ppm 微量
12 原子氧O 微量 微量
13 羟基OH 微量 微量
14 原子氢H 微量 微量
目前，我国的金星表面探测任务尚处于起步阶段，金星表面探测任务离不开探测设备的研发，探测设备的研发阶段需要进行大量的模拟试验，模拟试验离不开对金星表面大气环境的模拟，金星表面大气环境具有压力高、气体组分多、差异大的特点，气体组分中存在部分微量气体，微量气体的含量较小，现有的工业传感器无法计量，采用现有的配气方法所模拟的金星表面大气环境误差较大。
发明内容
本申请的目的是针对以上问题，提供一种模拟金星表面大气环境的配气方法及配气系统。
第一方面，本申请提供一种模拟金星表面大气环境的配气方法，所述方法包括如下步骤：
S1、根据金星表面的大气成分确定模拟大气环境的气体组成及含量，所述气体组成包括CO2、N2、H2O(气态)、SO2、CO、COS、H2S、HCL和HF；
S2、根据步骤S1中各气体的含量设定SO2、CO、COS、H2S、HCL以及HF分别与CO2混合的配气浓度；
S3、根据步骤S2中各气体的配气浓度，采用稀释法，分别将SO2、CO、COS、H2S、HCL和HF与CO2进行配气，得到六种混合气体；
S4、根据步骤S1中各气体的含量、步骤S2中各气体的配气浓度以及大气环境模拟容器的容积，计算六种混合气体、CO2、N2以及H2O(气态)的进气量；
S5、按照步骤S4中计算的进气量，将步骤S3中得到的六种混合气体依次通入大气环境模拟容器；
S6、按照步骤S4中计算的进气量，将N2和H2O(气态)通入大气环境模拟容器；
S7、按照步骤S4中计算的进气量，将CO2通入大气环境模拟容器；
S8、配气结束。
进一步的，在步骤S7完成之后，对大气环境模拟容器内的气体进行取样分析，判断各组分气体含量是否达到要求，如果未达到要求，则对未达到要求的气体单独控制进行补气。
进一步的，在进行步骤S5之前，对大气环境模拟容器进行抽真空以抽除大气环境模拟容器内的气体。
进一步的，按照步骤S4中计算的进气量，将N2和H2O(气态)通入大气环境模拟容器，具体包括：将N2分流，一部分经加湿器形成H2O(气态)后通入大气环境模拟容器，另一部分直接通入大气环境模拟容器。
进一步的，按照步骤S4中计算的进气量，将CO2通入大气环境模拟容器，具体包括：将CO2分流，一部分经六种混合气体的通气管路通入大气环境模拟容器，另一部分直接通入大气环境模拟容器。
第二方面，本申请提供一种模拟金星表面大气环境的配气系统，包括大气环境模拟容器以及连接在所述大气环境模拟容器的进气端的CO2配气支路、N2配气支路、H2O配气支路以及六个混合气体配气支路；六个混合气体配气支路分别为SO2与CO2的混合配气支路、CO与CO2的混合配气支路、COS与CO2的混合配气支路、H2S与CO2的混合配气支路、HCL与CO2的混合配气支路以及HF与CO2的混合配气支路。
进一步的，所述大气环境模拟容器上连接有真空系统；所述真空系统配置用于在通气之前对所述大气环境模拟容器进行抽真空。
进一步的，所述大气环境模拟容器上还连接有气体分析仪，用于对所述大气环境模拟容器内的气体进行分析。
进一步的，所述大气环境模拟容器上设有温度传感器和压力传感器，分别用于检测所述大气环境模拟容器内的温度和压力。
与现有技术相比，本申请的有益效果：该模拟金星表面大气环境的配气方法可以准确地对金星表面大气环境的气体成分进行模拟，根据金星表面真实的大气成分确定了模拟大气环境的气体组成成分为CO2、N2、H2O(气态)、SO2、CO、COS、H2S、HCL和HF，既能保证模拟的真实性，又可以降低模拟难度；通过稀释法可以实现ppb级微量气体的控制，从而有效地提高了配气精度。
附图说明
图1为本申请实施例1提供的模拟金星表面大气环境的配气方法的流程图；
图2为本申请实施例2提供的模拟金星表面大气环境的配气系统的结构示意图；
图3为图2中配气模块的结构示意图。
图中所述文字标注表示为：
1、大气环境模拟容器；2、真空系统；3、气体分析仪；4、温度传感器；5、压力传感器；6、加湿器；7、配气模块。
具体实施方式
为了使本领域技术人员更好地理解本申请的技术方案，下面结合附图对本申请进行详细描述，本部分的描述仅是示范性和解释性，不应对本申请的保护范围有任何的限制作用。
实施例1
本实施例提供一种模拟金星表面大气环境的配气方法，其方法流程图如图1所示，包括如下步骤：
S1、根据金星表面的大气成分确定模拟大气环境的气体组成及含量，所述气体组成包括CO2、N2、H2O(气态)、SO2、CO、COS、H2S、HCL和HF，既能保证模拟的真实性，又可以降低模拟难度。
根据表1所示的金星表面的大气成分，氖气(Ne)和氩气(Ar)属于惰性气体，重水(HDO)和水(H2O)的化学性质相似，因此金星表面大气环境的模拟按照表2进行，表2示出了模拟大气环境的气体组成及含量。
表2
序号 成分 摩尔比含量
1 CO<sub>2</sub> 0.965
2 N<sub>2</sub> 0.035
3 H<sub>2</sub>O(气态) 3.00E-5
4 SO<sub>2</sub> 18.0E-5
5 CO 1.20E-5
6 COS 5.10E-5
7 H<sub>2</sub>S 0.20E-5
8 HCL 5.00E-7
9 HF 2.50E-9
表2中，模拟大气环境的混合气体中CO2的含量占96.5％，以CO2的物性参数代替混合气体的物性参数，计算混合气体的热力学状态。CO2的高精度热力学模型选用SW96。该模型也是美国国家标准与技术局(National Institute of Standards and Technology,NIST)所推荐的参考模型。根据该模型，CO2在金星表面温度压力环境(金星表面温度743.15K，金星表面压力9.2MPa)状态下的密度为65.117kg/m3(1479.6mol/m3)。
S2、根据步骤S1中各气体的含量设定SO2、CO、COS、H2S、HCL以及HF分别与CO2混合的配气浓度。
根据表2中各气体的含量，设定SO2、CO、COS分别与CO2混合的配气浓度为1％，H2S、HCL、HF分别与CO2混合的配气浓度为100ppm,如表3所示。按照此种方法，需要计量的最小体积(HF)为780ml，可以实现微量气体控制，并能够有效提高气体计量的精度。
表3
Figure BDA0002789852700000051
S3、根据步骤S2中各气体的配气浓度，采用稀释法，分别将SO2、CO、COS、H2S、HCL和HF与CO2进行配气，得到六种混合气体。
稀释法进行气体混合的步骤是由气瓶厂家将微量气体与CO2进行配气，配好的六种混合气体分装在各自的气瓶内。稀释法可以有效地提高配气精度。
S4、根据步骤S1中各气体的含量、步骤S2中各气体的配气浓度以及大气环境模拟容器的容积，计算六种混合气体、CO2、N2以及H2O(气态)的进气量。
假设大气环境模拟容器的容积为1m3，可根据步骤S1中各气体的含量计算各种气体组分在标况下的体积，再根据步骤S2中设定的配气浓度计算得到六种混合气体、CO2、N2以及H2O(气态)的进气量，如表3所示。
在向大气环境模拟容器内通气之前，利用真空系统对大气环境模拟容器以及各配气管路进行抽真空以预先抽除大气环境模拟容器内的气体，达到洗气的目的。
S5、按照步骤S4中计算的进气量，将步骤S3中得到的六种混合气体依次通入大气环境模拟容器。
SO2、CO2混合气进气总量约为562NL，质量流量控制器选型为0～50NL/min，所以最快配气时间约为：562/50≈12min。
CO、CO2混合气进气总量约为37.5NL，质量流量控制器选型为0～5NL/min，所以最快配气时间约为：37.5/5≈8min。
COS、CO2混合气进气总量约为159NL，质量流量控制器选型为0～20NL/min，所以最快配气时间约为：159/20≈8min。
H2S、CO2混合气进气总量约为625NL，质量流量控制器选型为0～50NL/min，所以最快配气时间约为：625/50≈13min。
HCL、CO2混合气进气总量约为156NL，质量流量控制器选型为0～20NL/min，所以最快配气时间约为：156/20≈8min。
HF、CO2混合气进气总量约为780mL，质量流量控制器选型为0～100mL/min，所以最快配气时间约为：780/100≈8min。
S6、按照步骤S4中计算的进气量，将N2和H2O(气态)通入大气环境模拟容器。采用干燥氮气加湿的方法来通入水蒸气，具体包括：将N2分流，一部分N2经加湿器形成H2O(气态)后通入大气环境模拟容器，另一部分通过质量流量计控制直接通入大气环境模拟容器。
N2进气总量约为1093NL，质量流量控制器选型为0～100NL/min，所以最快配气时间约为1093/100≈11min。
S7、按照步骤S4中计算的进气量，将CO2通入大气环境模拟容器。具体包括：将CO2分流，少量的CO2经六种混合气体的通气管路通入大气环境模拟容器，对六种混合气体的通气管路进行冲洗，另一部分通过质量流量计控制直接通入大气环境模拟容器。通过CO2冲刷管路内的残余气体，可以减小因管路中残余气体而带来的误差，提高配气精度。
CO2进气总量约为27415NL，质量流量控制器选型为0～250NL/min，所以最快配气时间约为27415/250≈110min。
在此之后，对大气环境模拟容器内的气体进行取样分析，判断各组分气体含量是否达到要求，如果未达到要求，则对未达到要求的气体单独控制进行补气。
S8、配气结束。
实施例2
本实施例提供一种模拟金星表面大气环境的配气系统，用于完成实施例1所提供的模拟金星表面大气环境的配气方法。该配气系统的结构如图2所示。配气系统包括大气环境模拟容器1以及连接在所述大气环境模拟容器1的进气端的CO2配气支路、N2配气支路、H2O配气支路以及六个混合气体配气支路；六个混合气体配气支路分别为SO2与CO2的混合配气支路、CO与CO2的混合配气支路、COS与CO2的混合配气支路、H2S与CO2的混合配气支路、HCL与CO2的混合配气支路以及HF与CO2的混合配气支路。
每个混合气体配气支路包括各自的气瓶和配气模块7。配气模块的具有结构组成参考图3，配气模块7至少包括依次串联的过滤器、电磁阀1、减压阀、质量流量控制器、电磁阀2；电磁阀3的一端接到减压阀的输出端，另一端接到电磁阀2的输出端。每个混合气体配气支路的混合气体的进气方式包括：过滤器对混合气体进行过滤，减压阀对高压气源气体减压至质量流量控制器的合适的压力。打开电磁阀1、电磁阀3，关闭电磁阀2，当气体流量稳定后，再打开电磁阀2，关闭电磁阀3，气体进入到大气环境模拟容器1之中。当进入大气环境模拟容器1中的量达到设定值时，各个电磁阀自动切断。
CO2配气支路包括CO2气瓶、配气模块7，CO2气瓶内的CO2气体经国配气模块7之后分成七个分支，其中一个分支通入大气环境模拟容器1，其余六个分支分别通向六个混合配气支路，用于对混合配气支路的管路内从残余气体进行冲刷，从而可以减小因管路中残余气体而带来的误差，提高配气精度。
N2配气支路包括氮气瓶，氮气瓶内的N2分成两个分支，其中一个分支通入大气环境模拟容器1，另外一个分支经过加湿器6形成H2O配气支路，干燥的氮气经加湿器6加湿形成水蒸气通入大气环境模拟容器1。
进一步的，所述大气环境模拟容器1上连接有真空系统2；所述真空系统2配置用于在通气之前对所述大气环境模拟容器1进行抽真空，预先抽除大气环境模拟容器内的气体，达到洗气的目的。
进一步的，所述大气环境模拟容器1上还连接有气体分析仪3，用于对所述大气环境模拟容器1内的气体进行分析。
进一步的，所述大气环境模拟容器1上设有温度传感器4和压力传感器5，分别用于检测所述大气环境模拟容器1内的温度和压力。
本申请提供的模拟金星表面大气环境的配气方法，包含了混合气体状态计算、微量气体流量控制和微量水蒸气输入方法。具体地，根据金星表面真实的大气成分确定了模拟大气环境的气体组成成分为CO2、N2、H2O(气态)、SO2、CO、COS、H2S、HCL和HF，既能保证模拟的真实性，又可以降低模拟难度；通过稀释法可以实现ppb级微量气体的控制，从而有效地提高了配气精度；通过利用CO2冲刷六个混合管路内的残余气体，可以减小因管路中残余气体而带来的误差，提高了配气精度；采用干燥氮气加湿的方法通入水蒸气，最后根据气体分析仪的测量结果进行反馈调节，从而完成了金星表面大气环境的模拟。
本文中应用了具体个例对本申请的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本申请的方法及其核心思想。以上所述仅是本申请的优选实施方式，应当指出，由于文字表达的有限性，而客观上存在无限的具体结构，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进、润饰或变化，也可以将上述技术特征以适当的方式进行组合；这些改进润饰、变化或组合，或未经改进将发明的构思和技术方案直接应用于其他场合的，均应视为本申请的保护范围。

Claims (3)

1.一种模拟金星表面大气环境的配气方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
S1、根据金星表面的大气成分确定模拟大气环境的气体组成及含量，所述气体组成包括CO2、N2、气态水、SO2、CO、COS、H2S、HCl和HF；
S2、根据步骤S1中各气体的含量设定SO2、CO、COS、H2S、HCl以及HF分别与CO2混合的配气浓度；
S3、根据步骤S2中各气体的配气浓度，采用稀释法，分别将SO2、CO、COS、H2S、HCl和HF与CO2进行配气，得到六种混合气体；
S4、根据步骤S1中各气体的含量、步骤S2中各气体的配气浓度以及大气环境模拟容器的容积，计算六种混合气体、CO2、N2以及气态水的进气量；
S5、按照步骤S4中计算的进气量，将步骤S3中得到的六种混合气体依次通入大气环境模拟容器；
S6、按照步骤S4中计算的进气量，将N2和气态水通入大气环境模拟容器；采用干燥氮气加湿的方法来通入水蒸气，具体包括：将N2分流，一部分N2经加湿器形成气态水后通入大气环境模拟容器，另一部分通过质量流量计控制直接通入大气环境模拟容器；
S7、按照步骤S4中计算的进气量，将CO2通入大气环境模拟容器；将CO2分流，少量的CO2经六种混合气体的通气管路通入大气环境模拟容器，对六种混合气体的通气管路进行冲洗，另一部分通过质量流量计控制直接通入大气环境模拟容器；
S8、配气结束。
2.根据权利要求1所述的模拟金星表面大气环境的配气方法，其特征在于，在步骤S7完成之后，对大气环境模拟容器内的气体进行取样分析，判断各组分气体含量是否达到要求，如果未达到要求，则对未达到要求的气体单独控制进行补气。
3.根据权利要求1所述的模拟金星表面大气环境的配气方法，其特征在于，在进行步骤S5之前，对大气环境模拟容器进行抽真空以抽除大气环境模拟容器内的气体。
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