CN114384145A - 行星大气成分配比在线检测系统、混合系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种行星大气成分配比在线检测系统，包括气体混合腔和质谱仪，气体混合腔连接漏孔取样装置，漏孔取样装置包括取样阀和多级漏孔装置，多级漏孔装置包括本体，本体设有凹腔，凹腔的底面设置出气口，凹腔的前端螺纹连接进气头，进气头设有进气孔，进气头与凹腔的底面间若干轴向贴合的漏孔板，漏孔板两端设有密封圈，相邻的漏孔板上的漏孔相互不重叠且在外圆周密封，取样阀的连接于本体和与气体混合腔之间，多级漏孔装置的出气口端与质谱仪连接，多级漏孔装置的出气口端与质谱仪之间的连接管路上连接有抽气装置。本发明还公开了行星大气成分配比混合系统以及在线检测方法，本发明不需要设置单独的过渡腔进行取样，可实现在线成分检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种气体检测系统，特别是涉及一种行星大气成分配比在线检测系统、行星大气成分配比混合系统和行星大气成分混合方法。
背景技术
在空间科学行星探索中进行各种研究分析往往需要对行星环境进行模拟，其中对行星大气的压力、气体成分模拟尤为重要。公开号为CN111579261 A的中国专利公开了一种火星表面气体成分模拟装置及方法，该装置在真空腔室内模拟火星大气环境，真空腔室由第二真空阀门连接减压舱，减压舱再通过第四真空阀门连接电离系统和质谱系统。该方案的缺点在于，利用质谱系统对真空腔室内气体进行成分分析时，需要将真空腔室内气体引入减压舱，并由第二真空阀门隔断，然后使减压舱压力满足质谱系统要求，再进行成分分析，这相当于一个离线测量系统。调整真空腔室内气体组成时，无法进行实时进行成分分析。因此为了建立符合要求的真空腔室内气体成分，每次调整真空腔室的进气都需要通过第二真空阀门和第四真空阀门的反复开关以进行成分分析，操作过程复杂，气氛建立过程漫长。
发明内容
针对上述现有技术的缺陷，本发明提供了一种行星大气成分配比在线检测系统，解决由于质谱仪对真空度要求导致需要设置一个过渡腔进行气压调整而无法实时在线分析的问题。本发明还提供一种行星大气成分配比混合系统，以及一种行星大气成分配比在线检测方法。
本发明技术方案如下：一种行星大气成分配比在线检测系统，包括气体混合腔和质谱仪，所述气体混合腔通过管路连接漏孔取样装置，所述漏孔取样装置包括由管路连接的取样阀和多级漏孔装置，所述多级漏孔装置包括本体，所述本体设有一凹腔，所述凹腔的底面设置出气口，所述凹腔的前端设有内螺纹，一进气头与所述凹腔的前端螺纹连接，所述进气头设有贯穿的进气孔，所述进气头的底面与所述凹腔的底面设置若干片轴向贴合的漏孔板，所述进气头的底面与所述漏孔板之间以及所述漏孔板与所述凹腔的底面之间设有密封圈，相邻的所述漏孔板上的漏孔相互不重叠且所述漏孔板之间的外圆周密封，所述取样阀的一端与所述本体设有所述进气头的一端连接，所述取样阀的另一端与所述气体混合腔连接，所述多级漏孔装置的出气口端与所述质谱仪连接，所述多级漏孔装置的出气口端与所述质谱仪之间的连接管路上连接有抽气装置。
进一步地，所述气体混合腔与所述质谱仪之间并连接有多个所述漏孔取样装置，多个所述漏孔取样装置之间为并列连接，不同的漏孔取样装置中的多级漏孔装置具有不同的漏孔板数量。通过配置多个独立运作的漏孔取样装置，可以适应气体混合腔内不同的气压，在多个气压段实施连续的实时取样分析。
进一步地，所述抽气装置包括依次连接的抽气阀、分子泵、前级阀和干泵，所述气体混合腔通过主抽阀连接至所述分子泵的入口端以及通过粗抽阀连接至所述干泵的入口端。
本发明的另一技术方案为：
一种行星大气成分配比混合系统，包括上述行星大气成分配比在线检测系统和若干供气单元，所述供气单元包括依次连接的储气罐、稳压阀、流量计、流量阀和单向阀，所述单向阀的出口连接至所述气体混合腔。
进一步地，所述行星大气成分配比混合系统包括预混稳压腔，所述单向阀的出口连接至所述预混稳压腔，所述预混稳压腔出口依次通过充气阀和充气调节阀连接至所述气体混合腔。
本发明的又一技术方案为：
一种行星大气成分配比在线检测方法，基于上述的行星大气成分配比在线检测系统进行，取样前关断所述漏孔取样装置中的取样阀，开启所述抽气装置对所述取样阀至所述质谱仪的管段进行抽真空至质谱仪的工作压力，所述抽气装置持续工作并打开所述取样阀使所述气体混合腔内气体通过所述多级漏孔装置流入所述质谱仪进行成分分析。
进一步地，所述漏孔取样装置设置三个，分别为一级漏孔取样装置、二级漏孔取样装置和三级漏孔取样装置，所述一级漏孔取样装置的漏孔板数量大于所述二级漏孔取样装置的漏孔板数量，所述二级漏孔取样装置的漏孔板数量大于所述三级漏孔取样装置的漏孔板数量，取样前分别关断所述一级漏孔取样装置、二级漏孔取样装置和三级漏孔取样装置中的取样阀，然后进行判断取样分析步骤，所述判断取样分析步骤具体是：判断所述气体混合腔内气压，根据所述气体混合腔内气压的不同，开启所述抽气装置对所述取样阀至所述质谱仪的管段进行抽真空至质谱仪的工作压力，所述抽气装置持续工作并打开不同的漏孔取样装置的取样阀使所述气体混合腔内气体通过所述多级漏孔装置流入所述质谱仪进行成分分析。
进一步地，所述判断取样分析步骤具体是：若气体混合腔内气压为[1atm,2atm]，开启所述抽气装置对所述取样阀至所述质谱仪的管段进行抽真空至质谱仪的工作压力，所述抽气装置持续工作并打开所述一级漏孔取样装置取样阀使所述气体混合腔内气体通过所述多级漏孔装置流入所述质谱仪进行成分分析；若气体混合腔内气压为
[100Pa,1atm)，开启所述抽气装置对所述取样阀至所述质谱仪的管段进行抽真空至质谱仪的工作压力，所述抽气装置持续工作并打开所述二级漏孔取样装置取样阀使所述气体混合腔内气体通过所述多级漏孔装置流入所述质谱仪进行成分分析；若气体混合腔内气压为小于100Pa，开启所述抽气装置对所述取样阀至所述质谱仪的管段进行抽真空至质谱仪的工作压力，所述抽气装置持续工作并打开所述三级漏孔取样装置取样阀使所述气体混合腔内气体通过所述多级漏孔装置流入所述质谱仪进行成分分析。
本发明所提供的技术方案的优点在于：
利用多级漏孔装置中多个漏孔板贴合时对气体的微小渗漏，使得质谱仪前不需要设置过渡腔，在连接多级漏孔装置和质谱仪的管路中真空度满足要求(一般为6.7×10-2Pa)后，即可直接打开取样阀连续取样，实现了对气体混合腔内气体的在线检测，方便实时调整气体混合腔内气体组分使其达到试验要求。本发明可满足气体混合腔内气体压力在不大于2atm范围(包括真空环境)内的在线气体成分检测，操作简单方便，还进一步减小了系统构建成本。
附图说明
图1是实施例1的行星大气成分配比混合系统结构示意图。
图2是多级漏孔装置结构示意图。
图3是实施例2的一种行星大气成分配比混合系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明作进一步说明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本说明之后，本领域技术人员对本说明的各种等同形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定的范围内。
实施例1，请结合图1及图2所示，本实施例的行星大气成分配比混合系统包括行星大气成分配比在线检测系统以及多个供气单元1，其中行星大气成分配比在线检测系统包括一个真空室，该真空室即气体混合腔2以模拟行星大气环境，气体混合腔2设置有压阻规18、薄膜规3、电阻规4和电离规5。气体混合腔2通过管路连接一个漏孔取样装置6，漏孔取样装置6包括由管路连接的取样阀61和多级漏孔装置62。请结合图2所示，多级漏孔装置62包括本体6201，该本体6201为KF16真空快接头，不锈钢制成。本体设有一凹腔6202，凹腔6202的底面设置出气口6203，凹腔6202的前端设有内螺纹，一个沉头螺钉作为进气头6204与凹腔6202的前端螺纹连接。进气头6204设有贯穿的进气孔6205，也就是进气孔6205连通至本体6201的凹腔6202。在进气头6204的底面与凹腔6202的底面设置若干片轴向贴合的漏孔板6206，每个漏孔板6206上均有一个微小的漏孔6207，一般这些漏孔6207的直径小于0.1mm。这些漏孔板6206上的漏孔6207位置随机分布，并使得相邻漏孔板6206上的漏孔6207相互不重叠，漏孔板之间在外圆周焊接封死。在进气头6204的底面与漏孔板6206之间以及漏孔板6206与凹腔6202的底面之间设有密封圈6208，当拧紧进气头6204时，密封圈6208被压缩以实现密封。取样阀61的一端与本体6201设有进气头6204的一端连接，取样阀61的另一端则与气体混合腔2连接，多级漏孔装置62的出气口端与四极杆质谱仪7连接，多级漏孔装置62的出气口端与质谱仪7之间的连接管路上连接有抽气装置。具体的抽气装置包括依次连接的抽气阀8、分子泵9、前级阀10和干泵11，抽气阀8一端与多级漏孔装置62和质谱仪7之间的管路连接。由于气体混合腔2也有进行抽真空处理的需要，因此可以与质谱仪7共用一套抽气装置以及降低系统构建成本，气体混合腔2通过主抽阀12连接至分子泵9的入口端以及通过粗抽阀13连接至干泵11的入口端，另外在粗抽阀13与气体混合腔2之间设置一个放气阀14。
供气单元1设有四组，分别提供氧气、氮气、氦气和二氧化碳，每组供气单元1包括依次连接的储气罐101、稳压阀102、流量计103、流量阀104和单向阀105，单向阀105的出口连接至一个预混稳压腔15，预混稳压腔15的出口依次通过充气阀16和充气调节阀17连接至气体混合腔2。流量阀104受控制单元控制调节各种气体的流量以达到向气体混合腔2提供设定比例混合气体的目的。
实施例2，请结合图3所示，由于行星大气成分配比混合系统需要模拟各种行星大气环境，气体混合腔内压力范围需要在2atm～1.0×10-3Pa变化，单个漏孔取样装置无法满足不同压力下的取样需求，因此本实施例的行星大气成分配比混合系统中设置三个漏孔取样装置，分别为一级漏孔取样装置6a、二级漏孔取样装置6b和三级漏孔取样装置6c，这些漏孔取样装置并列连接，即均连接在气体混合腔与质谱仪之间。每个漏孔取样装置的结构与实施例相同，而三个漏孔取样装置之间有区别的是，每个漏孔取样装置中多级漏孔装置内漏孔板的数量不同，其中一级漏孔取样装置6a的漏孔板数量最多为7片，二级漏孔取样装置6b的漏孔板数量次之为4片，三级漏孔取样装置6c的漏孔板数量最小，为2片。应当指出的是，前述漏孔板数量为本实施例的一个示例，具体数量需通过根据实际测试确定。漏孔板的目的是使微量的气体渗漏至连接质谱仪的管路中，并且保证不破坏管路内真空，满足四极杆质谱仪的高真空使用要求，当气体混合腔内可能的压力越大时应设置数量较多的漏孔板。行星大气成分配比混合系统的其他结构与实施例1相同，不再赘述。
本实施例的行星大气成分配比混合系统进行行星大气成分配比在线检测的方法是这样的：取样前分别关断一级漏孔取样装置6a、二级漏孔取样装置6b和三级漏孔取样装置6c中的取样阀，判断气体混合腔内气压，若气体混合腔内气压为[1atm,2atm]，开启抽气装置对取样阀至质谱仪的管段进行抽真空至质谱仪的工作压力，抽气装置持续工作并打开一级漏孔取样装置6a取样阀使气体混合腔内气体通过多级漏孔装置流入质谱仪进行成分分析；若气体混合腔内气压为[100Pa,1atm)，开启抽气装置对取样阀至质谱仪的管段进行抽真空至质谱仪的工作压力，抽气装置持续工作并打开二级漏孔取样装置6b取样阀使气体混合腔内气体通过多级漏孔装置流入质谱仪进行成分分析；若气体混合腔内气压为小于100Pa，开启抽气装置对取样阀至质谱仪的管段进行抽真空至质谱仪的工作压力，抽气装置持续工作并打开三级漏孔取样装置6c取样阀使气体混合腔内气体通过多级漏孔装置流入质谱仪进行成分分析。
Claims (8)
1.一种行星大气成分配比在线检测系统，包括气体混合腔和质谱仪，其特征在于，所述气体混合腔通过管路连接漏孔取样装置，所述漏孔取样装置包括由管路连接的取样阀和多级漏孔装置，所述多级漏孔装置包括本体，所述本体设有一凹腔，所述凹腔的底面设置出气口，所述凹腔的前端设有内螺纹，一进气头与所述凹腔的前端螺纹连接，所述进气头设有贯穿的进气孔，所述进气头的底面与所述凹腔的底面间设置若干片轴向贴合的漏孔板，所述进气头的底面与所述漏孔板之间以及所述漏孔板与所述凹腔的底面之间设有密封圈，相邻的所述漏孔板上的漏孔相互不重叠且所述漏孔板之间的外圆周密封，所述取样阀的一端与所述本体设有所述进气头的一端连接，所述取样阀的另一端与所述气体混合腔连接，所述多级漏孔装置的出气口端与所述质谱仪连接，所述多级漏孔装置的出气口端与所述质谱仪之间的连接管路上连接有抽气装置。
2.根据权利要求1所述的行星大气成分配比在线检测系统，其特征在于，所述气体混合腔与所述质谱仪之间并连接有多个所述漏孔取样装置，多个所述漏孔取样装置之间为并列连接，不同的漏孔取样装置中的多级漏孔装置具有不同的漏孔板数量。
3.根据权利要求1所述的行星大气成分配比在线检测系统，其特征在于，所述抽气装置包括依次连接的抽气阀、分子泵、前级阀和干泵，所述气体混合腔通过主抽阀连接至所述分子泵的入口端以及通过粗抽阀连接至所述干泵的入口端。
4.一种行星大气成分配比混合系统，其特征在于：包括上述行星大气成分配比在线检测系统和若干供气单元，所述供气单元包括依次连接的储气罐、稳压阀、流量计、流量阀和单向阀，所述单向阀的出口连接至所述气体混合腔。
5.根据权利要求4所述的行星大气成分配比混合系统，其特征在于：包括预混稳压腔，所述单向阀的出口连接至所述预混稳压腔，所述预混稳压腔出口依次通过充气阀和充气调节阀连接至所述气体混合腔。
6.一种行星大气成分配比在线检测方法，其特征在于，基于权利要求1所述的行星大气成分配比在线检测系统进行，取样前关断所述漏孔取样装置中的取样阀，开启所述抽气装置对所述取样阀至所述质谱仪的管段进行抽真空至质谱仪的工作压力，所述抽气装置持续工作并打开所述取样阀使所述气体混合腔内气体通过所述多级漏孔装置流入所述质谱仪进行成分分析。
7.一种行星大气成分配比在线检测方法，其特征在于，基于权利要求2所述的行星大气成分配比在线检测系统进行，所述漏孔取样装置设置三个，分别为一级漏孔取样装置、二级漏孔取样装置和三级漏孔取样装置，所述一级漏孔取样装置的漏孔板数量大于所述二级漏孔取样装置的漏孔板数量，所述二级漏孔取样装置的漏孔板数量大于所述三级漏孔取样装置的漏孔板数量，取样前分别关断所述一级漏孔取样装置、二级漏孔取样装置和三级漏孔取样装置中的取样阀，然后进行判断取样分析步骤，所述判断取样分析步骤具体是：判断所述气体混合腔内气压，根据所述气体混合腔内气压的不同，开启所述抽气装置对所述取样阀至所述质谱仪的管段进行抽真空至质谱仪的工作压力，所述抽气装置持续工作并打开不同的漏孔取样装置的取样阀使所述气体混合腔内气体通过所述多级漏孔装置流入所述质谱仪进行成分分析。
8.根据权利要求7所述的行星大气成分配比在线检测方法，其特征在于，所述判断取样分析步骤具体是：若气体混合腔内气压为[1atm,2atm]，开启所述抽气装置对所述取样阀至所述质谱仪的管段进行抽真空至质谱仪的工作压力，所述抽气装置持续工作并打开所述一级漏孔取样装置取样阀使所述气体混合腔内气体通过所述多级漏孔装置流入所述质谱仪进行成分分析；若气体混合腔内气压为[100Pa,1atm)，开启所述抽气装置对所述取样阀至所述质谱仪的管段进行抽真空至质谱仪的工作压力，所述抽气装置持续工作并打开所述二级漏孔取样装置取样阀使所述气体混合腔内气体通过所述多级漏孔装置流入所述质谱仪进行成分分析；若气体混合腔内气压为小于100Pa，开启所述抽气装置对所述取样阀至所述质谱仪的管段进行抽真空至质谱仪的工作压力，所述抽气装置持续工作并打开所述三级漏孔取样装置取样阀使所述气体混合腔内气体通过所述多级漏孔装置流入所述质谱仪进行成分分析。
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2021
- 2021-12-27 CN CN202111610718.9A patent/CN114384145B/zh active Active
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