CN113270308B - 可防灰除尘的采样套管、质谱采样接口和质谱采样方法 - Google Patents

Abstract

提供了一种可防灰除尘的采样套管、质谱采样接口和质谱采样方法。本发明的采样套管利用气动旋流件连接了两级采样端，整个采样接口布置符合气体动力学和传热原理，在真空超音速流动中保持气体的稳定性，对温度动态变化状态下的气体可高温采样，通过离心力排出未完全过滤的微小颗粒，可适用于各类微量进样气体分析仪测量各类复杂气相组分。本发明可以在不改变气体状态下，有效过滤灰尘极限达到5μm，在灰尘和腐蚀性环境中可长时间工作。

Description

可防灰除尘的采样套管、质谱采样接口和质谱采样方法

技术领域

本发明涉及分析仪器领域，尤其涉及可用于质谱分析的采样套管、采样接口及其使用方法。

背景技术

质谱分析仪作为一种高端的气体分析设备，广泛应用于各行各业的气体检测。采样是质谱分析工作的关键步骤，目前质谱分析仪产品的采样均为一级采样，采样空间内的待采样物质通过采样接口直接进入质谱分析仪。现有商业化质谱的采样接口主要包括毛细管采样接口和Skimmer采样接口两种。商业化质谱厂商对于气体样品的采集要求为纯气体进样，因此这两种采样接口均未设计过滤装置。但是在实际反应过程中气体往往夹杂大量杂质，样品采集过程需要独立设计前处理装置，现有的过滤装置都为常温过滤，反应过程中高沸点气体在常温下会发生冷凝变质，影响测量结果准确性。同时，在复杂的环境中，待采样物质往往含有灰尘，由于现有的商业化采样接口未设计过滤装置，当灰尘随气流进入到采样接口中，大粒径颗粒物易造成接口堵塞，影响采样工作。例如，毛细管采样接口采样孔直径为50-80μm，几十μm的灰尘即可堵塞毛细管或核心部件，最终导致硬件短路，质谱损坏，因此无法应对实际测量中复杂的灰分、腐蚀性等环境；Skimmer采样接口除易堵塞外，Al₂O₃或不锈钢材质的接口容易同灰尘中所含的盐类物质发生反应形成合金化，影响采样的正常进行。

此外灰尘如被真空带入质谱内部，将严重污染离子源、质量分析器等核心部件，灰尘如果进入核心部件内部，使核心部件造成瞬间短路损毁质谱硬件。

待采样气体往往处在高温的复杂反应状态，含有大量灰尘和易凝结变质气体，而常规的过滤装置在高温环境下会发生材料变质无法使用，同时高沸点气体也会发生凝结变质，因此亟需一种可在高温的复杂反应环境中使用的防灰尘污染物的质谱采样接口。

发明内容

本发明旨在至少部分解决上述现有技术中的问题，以提供一种可防灰除尘的采样接口设计。

为此，本发明的一个方面提供一种可防灰除尘的采样套管，其包括：

管状的采样套管外壳，所述采样套管外壳的一端为弧状盲端，另一端为开放端；

采样微孔入口，其设置在所述弧状盲端上，具有50-100微米的微孔直径；和

设置于所述采样套管外壳内部的气动旋流分离件，所述气动旋流分离件为与所述采样套管外壳共轴设置的管状结构，具有与所述采样套管外壳的弧状盲端同侧的、位于顶部的盲端和与所述采样套管外壳的开放端同侧的开放端，并且所述气动旋流分离件还包括设置于所述管状结构侧壁上的至少两个旋流孔，所述旋流孔是侧壁上的倾斜开口，其相对于所述采样套管外壳的中心轴或者所述气动旋流分离件的中心轴的倾斜角度在面对所述顶部的一侧为锐角，

其中，所述气动旋流分离件的外表面和所述采样套管外壳之间形成外涵道，所述气动旋流分离件的内部形成内涵道。

在某些实施方案中，所述旋流孔的孔径在0.5-2mm范围内。

在某些实施方案中，所述旋流孔相对于采样套管外壳的中心轴或者气动旋流分离件的中心轴所成的锐角在20-70°的范围内。

在某些实施方案中，所述气动旋流分离件在其侧壁上还设置有位于所述顶部和所述旋流孔之间的一个或多个凸起部，所述凸起部不与所述采样套管外壳的内表面接触。

在某些实施方案中，采样套管还包括用于支撑所述气动旋流分离件的支架。

在本发明的采样套管中，通过同轴设置采样套管外壳和气动旋流件形成内外涵道且在内外涵道之间设置旋流孔，利用气动旋流在内涵道形成旋风分离，实现了微小颗粒物(例如5μm以下的灰尘)的有效分离。

另外，通过在气动旋流分离件位于顶部(盲端)和旋流孔之间的侧壁上设置一个或多个凸起部，可加大气流流速并改变气流方向，减少微量颗粒进入内涵道。

本发明的另一个方面提供一种质谱采样接口，包括：

如上所述的采样套管；

毛细采样管，其一端在气动旋流分离件的内涵道中向所述气动旋流分离件的顶部一侧延伸，直至超过旋流孔的位置，另一端延伸出采样套管外壳的开放端；和

连接件，所述连接件连接至所述采样套管外壳的开放端，具有质谱连接端并设有用于连接至抽真空装置的接口，所述连接件具有与所述采样套管相通的中空结构。

在某些实施方案中，质谱采样接口还包括在所述采样套管外部、位于采样微孔入口一侧的多级过滤系统，所述多级过滤系统中的多个过滤器以由外至内过滤精度依次提高的顺序分布。

在某些实施方案中，所述多级过滤系统配置有恒温装置。

在某些实施方案中，所述连接件是可拆卸的。

在某些实施方案中，所述连接件为固定双通。

在某些实施方案中，所述连接件的质谱连接端具有锥形密封垫，内设中孔，所述毛细采样管从中通过。

本发明的质谱采样接口采用双采样接口模式，由Skimmer采样套管完成第一级采样，再由毛细管完成第二级采样，通过气动旋流分离件连接两级采样端，整个采样接口布置符合气体动力学和隔热原理，对温度动态变化状态下的气体可同温原位采样，可适用于各类复杂气相组分。

本发明的质谱采样接口利用过滤和(旋风)分离两种手段，有效解决了复杂反应中大量灰尘的过滤问题，保证质谱在5μm灰尘环境下正常工作，确保质谱采样精度。

本发明的质谱采样接口采用可拆卸的连接件，可以在拆卸后利用气体反吹采样接口，充分消除系统内的灰尘杂质，保证进入质谱前的清洁度。

本发明的再一个方面提供一种可防灰除尘的质谱采样方法，所述方法包括：

将上述的质谱采样接口连接于容纳有待采样气体的容器和质谱之间，其中将所述质谱采样接口的具有采样微孔入口的采样端通过插入孔插入所述容器中；和

通过抽真空装置在所述质谱采样接口的采样套管内部形成1-10Pa的真空度。

本发明的质谱采样方法实现了在含灰尘、杂质的复杂环境和反应过程中高温状态的反应逸出气体测量，能够在不改变特性下实时通过采样接口并快速进入微量进样的气体分析仪内，避免气体的变质和灰尘对采样造成的影响。

附图说明

图1为根据本发明一个实施例的可防灰除尘采样接口的示意图。

图2为根据本发明一个实施例的气动旋流件的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应理解的是，下述说明仅仅是示例性的，而非对本发明的范围及其应用的限制。

目前的质谱分析仪采样接口主要分为毛细管和Skimmer两大类，Skimmer可同温原位采集气体，但是不便于拆卸清理。毛细管采样接口易拆卸清理，但是温度只能维持230℃。这两类采样接口自身存在很多原理和技术上的缺陷，无法满足复杂反应过程全组分气体的高温状态采样。另外，在复杂环境中的待采样物质往往夹杂大量杂质(例如灰尘)，而目前的采样接口缺少有效的过滤装置，尤其是能够有效除去5μm灰尘的装置。

为此，本发明设计了一种可防灰除尘的采样接口，其结合毛细管与Skimmer两种采样接口的优势，技术原理上由Skimmer采样套管完成第一级采样，再由毛细管完成第二级采样，通过气动旋流分离件连接两级采样端，整个采样接口布置符合气体动力学和隔热原理，对温度动态变化状态下的气体可同温原位采样，可适用于各类复杂气相组分，其能够有效防灰除尘。

图1为根据本发明一个实施例的可防灰除尘采样接口的示意图。图2是图1中的气动旋流件的放大结构示意图。

如图1所示，根据本发明一个实施例的可防灰除尘采样接口包括采样微孔入口1、采样套管外壳3、气动旋流分离件5和毛细采样管7，采样接口的一端为采样端，可以通过设置于容纳待采样气体的容器上的插入孔插入所述容器中，另一端通过连接件8连接至质谱(所述连接件8还连接至抽真空装置)。本发明的采样接口还可以包括支架9，用于支撑毛细采样管7和气动旋流分离件5。

在某些实施例中，本发明的采样接口的采样端还设置有多级过滤系统2，所述多级过滤系统中的多个过滤器以由外至内过滤精度依次提高的顺序分布。通过使用不同级别的分级过滤装置，逐级改变压力，可以有效清除采样系统内的灰尘。例如，可以采取四级过滤系统，第一级是耐腐蚀过滤层，可过滤200μm以上的颗粒物，耐腐蚀层的材质可为Al₂O₃或特种陶瓷，第二级是初级过滤层，初级过滤层可过滤100μm以上的颗粒物，初级过滤材料可为纳米ZrO₂材质，第三级为精细过滤层，可过滤50μm的颗粒物，精细过滤层材质可选择镍铬合金烧结过滤滤芯，第四级为微量过滤层，可过滤5μm以上的颗粒物，精细过滤层可选择强化镍铬合金烧结过滤滤芯。多级过滤系统2作为通用型过滤装置，可应用于所有复杂环境采样，并适用于可在200℃以上温度采样的气体分析仪器如色谱分析仪、红外分析仪和质谱仪等。

在某些实施例中，多级过滤系统还配置有恒温装置，以保证经过多级过滤系统的被过滤气体的温度基本上不变。例如，可以利用加热装置加热过滤系统使整个过滤系统长期稳定在600℃，保证气体样品采集中的易凝结的高沸点气体维持气体状态，提升复杂环境下的采样精度。

本发明采样接口的采样端具有套管结构，包括管状的采样套管外壳3和设置在外壳3内部的管状结构的气动旋流分离件5，采样套管外壳3和气动旋流分离件5组成采样套管。

外壳3为一个长直管状结构，内部形成管状空间(其直径可以为例如40-50mm)，一端为弧状盲端，设置有取样微孔入口1，取样微孔入口的微孔直径可以在50-100μm之间，另一端为采样出口。采样套管的材质可以选择纯Al₂O₃或特种高温石英材质，可承受不超过1200℃的温度。

气动旋流分离件5与采样套管外壳3共轴设置(中心轴共线)，具有与所述采样套管外壳的弧状盲端同侧的、位于顶部的盲端和与所述采样套管外壳的开放端同侧的开放端，并且包括设置于管状结构侧壁上的至少两个旋流孔。所述旋流孔是倾斜开口，其相对于所述中心轴的倾斜角度(即，开口延长线与中心轴的夹角)在面对气动旋流分离件顶部的一侧为锐角。如图1和图2所示，气动旋流分离件5的外表面和采样套管外壳3之间形成外涵道4，气动旋流分离件5的内部形成内涵道6。

多个旋流孔在气动旋流分离件侧壁上的分布优选是对称的，例如，4个旋流孔可以以两两对称的方式分布，如图2所示。旋流孔的开口大小可以根据实际情况设定，通常在0.5mm至2mm范围内，例如0.5mm至1mm。旋流孔相对于中心轴的倾斜角度可以在20°至70°范围内，优选在30°至45°范围内。

在实际操作中，采样接口(采样套管)内部可以通过抽真空装置抽至真空度1-10Pa，这样，在采样气体压力与采样套管内压力形成接近10⁵压比，在采样套管的取样微孔入口处形成当地音速的气流，实现第一级采样；质谱工作真空度为10-³Pa，采样套管内压力与质谱工作压力形成接近10³压比，毛细管内形成当地温度条件下的音速气流，实现第二级采样，从而在整体上实现气体同温原位稳定采集。同时，外涵道中的气流在经过气动旋流分离件上的旋流孔(斜孔)进入内涵道时，会在内涵道中形成旋风分离形式，从而可以有效分离未过滤完全的微小颗粒物(例如5μm灰尘)，颗粒物随真空系统从旁路排空入大气，更有效减少颗粒物进入质谱的可能性。

在某些实施例中，气动旋流分离件5在其侧壁上还设置有位于顶部和旋流孔之间的一个或多个凸起部，例如环形凸起结构。凸起部的设置可加大气流流速并改变气流方向，减少微量颗粒进入内涵道。凸起部的位置(与旋流孔的相对位置)和大小(高度)可以根据实际需要设定。例如，可以在距离气动旋流件顶端25mm位置设置凸起，在距离气动旋流件顶端30mm的位置开设旋流孔。凸起的高度可以距离采样套管外壳的内表面2mm左右。

为了实现大幅减弱导热效应并避免高温辐射，优选气动旋流件本身的材质可隔离辐射换热的耐热材料。在可选的实施例中，气动旋流件的材质选择纯Al₂O₃或高温石英材质，可承受低于1000℃的温度。

毛细采样管7的一端在气动旋流分离件的内涵道中向所述气动旋流分离件的顶部一侧延伸，超过旋流孔的位置直至气动旋流分离件内部的旋流层(如图1所示)，另一端延伸出采样套管外壳的开放端并连接至质谱，其长度可以根据需要设置，例如为1m以上。毛细采样管7由支架9支撑，避免其在内部任意摆动。毛细采样管7的孔径可以为50μm左右，其材质为石英，表面钝化处理。

支架9可以与采样套管同轴布置，前端伸入采样套管内部，用于支撑气动旋流分离件5与毛细采样管7，后端固定在连接件8中，例如卡在固定双通内。支架的材质为耐高温1000℃-1200℃的金属材料。支架的前后端各设有小孔，以便毛细采样管通过。支架的前端可以设有卡位钩，通过例如三点卡位孔形式来支撑整流件。

连接件8用于连接采样套管与质谱并与抽真空装置连通。如图1所示，连接件8具有与采样套管流体相通的中空结构，其与采样套管一起构成相对封闭的内部空间。在抽真空装置的作用下，可以保持该内部空间处于稳定的真空度(1-10Pa)下。

连接件8可以为固定双通，其前部通过固定结构(例如卡座)与采样套管的开放端连接，后部具有质谱连接端，中部连接抽真空装置。固定双通的材质为刚度较高的材质，例如不锈钢。其前部可以形成与采样套管不锈钢卡座尺寸相同的卡座，形成一对匹配的卡座，卡座相连处开密封槽，用于布置密封件，例如紫铜垫圈。固定双通后部为锥形的密封面，内设中孔，由内固定装置固定密封垫，毛细管从中通过。毛细管和底座小孔可以使用锥形密封垫例如氟胶圈或锥形石墨垫圈密封。本发明单独设计的卡座结构(卡套)，可以实现采样套管与固定双通之间的灵活固定和拆卸。

在实际使用中，可以定期拆卸连接件，利用气体反吹采样接口，充分消除系统内的灰尘杂质(例如反应过程中沉积的灰尘)，并可以更换过滤器、密封垫等耗材。

相对于传统的质谱采样接口，本发明的可防灰除尘的采样接口至少具有以下优点之一：

1)本发明在不改变气体状态下，有效过滤灰尘极限达到5μm，在灰尘和腐蚀性环境中可长时间工作。

2)本发明利用气动旋流件连接了两级采样端，整个采样接口布置符合气体动力学和传热原理，在真空超音速流动中保持气体的稳定性，对温度动态变化状态下的气体可高温采样，通过离心力排出未完全过滤的微小颗粒，可适用于各类微量进样气体分析仪测量各类复杂气相组分。

3)可防灰除尘高温采样接口结构形式灵活，便于拆卸维护，能够及时清理接口内部的杂质；同时结构化的设计，可大幅度降低零部件的更换成本。

4)可防灰除尘高温采样接口利用多级过滤，结合了Skimmer与毛细管采样接口的特点，既可实现质谱的灵活布置，又可适应于复杂环境，保证了采样过程的可靠性。

5)本发明采样梯级过滤装置，利用不同材质开发过滤装置，根据实际反应过程特点可分级过滤5μm以下的灰尘及污染物质，保证气体采样的清洁度。

Claims (11)

1.一种可防灰除尘的采样套管，包括：

管状的采样套管外壳(3)，所述采样套管外壳的一端为弧状盲端，另一端为开放端；

采样微孔入口(1)，其设置在所述弧状盲端上，具有50-100微米的微孔直径；和

设置于所述采样套管外壳内部的气动旋流分离件(5)，所述气动旋流分离件为与所述采样套管外壳共轴设置的管状结构，具有与所述采样套管外壳的弧状盲端同侧的、位于顶部的盲端和与所述采样套管外壳的开放端同侧的开放端，并且所述气动旋流分离件还包括以对称方式设置于所述管状结构侧壁上的至少两个旋流孔，所述旋流孔是侧壁上的倾斜开口，其相对于所述采样套管外壳的中心轴或者所述气动旋流分离件的中心轴的倾斜角度在面对所述顶部的一侧为锐角，所述旋流孔的孔径在0.5mm至2mm范围内，

其中，所述气动旋流分离件的外表面和所述采样套管外壳之间形成外涵道(4)，所述气动旋流分离件的内部形成内涵道(6)。

2.根据权利要求1所述的采样套管，其中所述气动旋流分离件(5)在其侧壁上还设置有位于所述顶部和所述旋流孔之间的一个或多个凸起部，所述凸起部不与所述采样套管外壳的内表面接触。

3.根据权利要求1所述的采样套管，其还包括用于支撑所述气动旋流分离件的支架。

4.根据权利要求1所述的采样套管，其中所述锐角在20°至70°的范围内。

5.一种质谱采样接口，包括：

如权利要求1-4中任一项所述的采样套管；

毛细采样管(7)，其一端在气动旋流分离件的内涵道中向所述气动旋流分离件的顶部一侧延伸，直至超过旋流孔的位置，另一端延伸出采样套管外壳的开放端；和

连接件(8)，所述连接件连接至所述采样套管外壳的开放端，具有质谱连接端并设有用于连接至抽真空装置的接口，所述连接件具有与所述采样套管相通的中空结构。

6.根据权利要求5所述的质谱采样接口，其还包括在所述采样套管外部、位于采样微孔入口一侧的多级过滤系统，所述多级过滤系统中的多个过滤器以由外至内过滤精度依次提高的顺序分布。

7.根据权利要求6所述的质谱采样接口，其中所述多级过滤系统配置有恒温装置。

8.根据权利要求5所述的质谱采样接口，其中所述连接件是可拆卸的。

9.根据权利要求5所述的质谱采样接口，其中所述连接件为固定双通。

10.根据权利要求5所述的质谱采样接口，其中所述连接件的质谱连接端具有锥形密封垫，内设中孔，所述毛细采样管从中通过。

11.一种可防灰除尘的质谱采样方法，所述方法包括：

将根据权利要求5-10中任一项所述的质谱采样接口连接于容纳有待采样气体的容器和质谱之间，其中将所述质谱采样接口的具有采样微孔入口(1)的采样端通过插入孔插入所述容器中；和

通过抽真空装置在所述质谱采样接口的采样套管内部形成1-10Pa的真空度。