CN2856975Y - 低温制备流体样品的监控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种低温制备流体样品的监控装置。该装置主要包括由低温制样靶，液氮容器、波纹管和橡胶管构成的低温制冷单元；由冲洗阀，安全阀，控制器，加热器和计算机监控系统构成的低温控制单元；由光纤传感器，温度传感器，光电倍增管和计算机监控系统构成的低温监测单元的物相非接触监控装置。利用该装置解决了低温密闭真空环境下制备77K以上透明小分子材料高纯样品的方法。本实用新型不仅可直接操作和监控待制备流体样品的状态和相变过程，且具有结构简单、操作方便、安全可靠、成本低廉、重复制样效果均匀可靠等特点；在航空航天，石油化工和轻工业日化等领域均有着广泛的实用价值。

Description

低温制备流体样品的监控装置

一、技术领域

本实用新型涉及一种低温制备流体样品的监控装置，特别是涉及一种在液氮等冷媒作用下多工作层低温密闭真空环境中进行液体和液-液混合体透明小分子材料高纯度样品制备的物相非接触监控装置。

二、背景技术

众所周知，适当改变环境的温度和压力，组成物质的基本粒子-分子、原子和电子不仅惰性增大，其结构也会发生全体或局部重组，即相变。利用这一现象，可将物质材料的研究范围拓展到如高温高压，低温低压和低温高压等极端条件，例如微量元素的物相分析，特定流体物质的成分提纯以及专用流体样品的制备等。这方面的研究成果已长期以来被广泛应用于制氧、化肥生产及其他石油、化工、炼油等设备中。所以，精确测量低温环境下流体物质的相转变就显得格外重要。特别是许多流体物质的相变区很窄，例如二氧化碳在临界点附近的液体-固体转变压力仅为10kPa。由于一般设备在低温下很难对待制取流体样品直接操作和观测，因此，导致许多实时工序和操作工艺无法实现，样品和或产品的质量也很难保证。例如，中药有效成分和生物蛋白制剂的筛选与提纯，速溶微粒食品、饮料的开发等。所以了解待制备流体样品的状态显得十分重要。利用低温环境冷凝制备流体样品是近代物理实验；生物化学、生物医学制剂开发；精细食品加工和石油化工原料提纯等领域经常使用的方法。但是要在真空容器中的极低温度下，如77K，亦即温度-196℃以上进行高纯流体样品的萃取则非常困难。其主要原因是目前还没有使技术人员能够直接操作内部容器和监测流体样品冷凝过程和状态的装置，因而也不可能直接监测到流体样品的液化状态和相变过程。在本实用新型作出之前，发明人早期研究的有关装置《利用光纤传感器对冷凝制备高纯CO₂液体样品实时监测》(低温物理学报，1995，17，4，318.)，该装置的低温靶为组装式，组装式低温靶还存在结构复杂，冷却效率不高的一些缺陷；另外，沿同心半径方向排布的冷媒入/出口不利于加工和使用；双面对射传感方式的光纤传感器增大了加工和调试的难度，而且不利于提高低温密封的可靠性等。近年来，我们陆续对原装置进行了多处改进。在改进方案中，考虑导光材料的密度与光折射率相关，即众所周知的固相材料的密度最大，液相材料次之，气相材料又次之。因此，如果能够根据物质材料密度的性质，对透明小分子材料在低温和极低温密闭真空环境中进行冷凝制备高纯度流体样品，即固体-液体高纯度流体样品；并使技术人员通过监控装置能够直接操作和观测到流体样品的液相状态和相变过程；从而使这一技术能够应用在现代物理与化学、分子热力学、生物医学材料、精密机电加工、微电子学等领域中的低温和极低温条件下的物相非接触制备流体样品与测试技术中，这正是本发明人对本实用新型所作出的贡献。

 三、发明内容

本实用新型的目的是为了克服低温环境下对透明小分子材料制备高纯流体样品中所存在的缺陷，提供一种在低温和极低温环境下能够直接操作内部容器和监测待制备流体样品的液相状态和相变过程的新装置；该装置解决了在液氮等冷媒作用下多工作层低温密闭真空环境中对透明小分子材料液体和液-液混合体高纯度样品的制备、液相样品的状态、满充装量以及相变过程的实时监控；并具有结构简单、操作方便、安全可靠、成本低廉等特点；利用该装置低温制备流体样品的方法易于操作、确保制取273K度以下、77K以上的单组分透明小分子材料高纯度流体样品，对那些物性接近的双组分样品，也能可靠地实现均匀混合及制备。

本实用新型的目的由以下措施构成的技术方案来实现的。

本实用新型低温制备流体样品的监控装置，该装置主要包括低温制样靶，光源、光纤传感器、光电倍增管、冷媒入口及冷媒出口，按照本实用新型，还包括由一体化年轮式结构的低温制样靶、液氮容器和冷媒输送管路中波纹管和增强橡胶管构成的低温制冷单元；由冲洗阀、安全阀、第一压力控制器和第二压力控制器、温度控制器、加热器和计算机监控及数据自动采集系统构成的低温控制单元；由光纤传感器、温度传感器、光电倍增管和计算机监控及数据自动采集系统构成的低温监测单元，一体化年轮式结构的低温制样靶安装在密闭真空环境中，低温制样靶通过与冷媒入口连接的冷媒输送管路中的双层绝热波纹管、以及插接在双层绝热波纹管中的第二压力控制器与液氮容器连接，还通过增强橡胶管、第一压力控制器与气样罐连接，安全阀分别与第一压力控制器和第二压力控制器连接，还通过与计算机监控及数据自动采集系统后连接在液氮容器上，安装在液氮容器内底部的加热器与温度控制器连接，第一温度传感器和第二温度传感器均安装在低温制样靶样品室内，并与计算机监控及数据自动采集系统连接，冲洗阀由法兰连接在低温制样靶上，光纤传感器光发射端与光源连接，光纤传感器光接收端与光电倍增管连接，光电倍增管的工作电源由与它连接的高压电源提供，光电倍增管输出的电信号交由与它连接的计算机监控及数据自动采集系统处理，同时该电信号还要提供给与计算机监控及数据自动采集系统连接的冗余设备笔式记录仪记录，以及提供给与计算机监控及数据自动采集系统连接的实时显示物相变化曲线的CRT，CRT同时对曲线进行后台保存，其输出电信号也交由计算机监控及数据自动采集系统处理。

上述方案中，所说一体化年轮式结构的低温制样靶由年轮式冷盾壁、冷媒循环槽、冷盾和样品室构成，即样品室与冷媒循环槽共用腔体壁，而冷媒循环槽又与年轮式冷盾壁共用腔体壁，样品室位于低温制样靶中央；这样的结构保证了冷媒在循环槽中流动时样品室能被持续稳定均匀地降温，而冷盾同时大量吸收“冷能”增加系统热惰性减小外界温度波动对内部制样过程的影响。

上述方案中，所说冷媒循环槽、年轮式冷盾和样品室是在同一铝合金锭上一次加工成型的。

上述方案中，所说冷媒输送管路中波纹管采用不锈钢材料的双层绝热波纹管。

上述方案中，为便于加工和管路连接，所说冷媒入口及冷媒出口采用两者互相平行排布在低温制样靶上。

上述方案中，为便于加工，并提高低温密封的可靠性，光纤传感器采用同侧单面对射排布的方式。

本实用新型监控装置中年轮式低温制样靶采用年轮式冷盾，冷媒循环槽和样品室一体化设计及加工，简化了系统结构，提高了制样效率；冷媒入口和冷媒出口采用两者互相平行排布，而不用径向偏角排布，以方便加工和管路连接；光纤传感器采用同侧单面对射方式，而不用两侧双面对射方式，以便于加工，并提高低温密封的可靠性；增设压力控制器，既可以自动控制，也可以手动进行控制，而不用单纯的手动控制压力，提高控制的准确度和可靠性；冷媒输送管采用双层不锈钢波纹管，以提高制冷效率和有压低温管路的可靠性；采用计算机监控及数据自动采集系统作主存储/显示器，而将笔式记录仪作为冗余的辅助设备。

本实用新型监控装置中低温制冷单元首先将液氮转换成有压过冷汽-液两相流冷媒，然后通过绝热性能良好的增强橡胶管导入真空环境的低温制样靶强制实施冷却，直至低温制样靶芯的样品室内的温度达到77K附近；在低温控制单元中以计算机监控及数据自动采集系统为核心，辅以相应的手动控制压力控制器和温度控制器，实现加热器功率控制、冲洗阀和安全阀控制，平滑、安全和可靠地调节制冷速率；在低温监测单元中，光纤传感器感知光线在不同相样品密度的强度变化并传输到光电倍增管实现光强-电压的变换与放大，以便于笔式记录仪直接在记录纸上绘制曲线，同时便于计算机监控及数据自动采集系统通过A/D转换记录在计算机硬盘中，亦可将曲线显示在屏幕上。上述三个单元有机地形成一个紧凑的整体，协同工作，由于该监控装置结构的高度模块化，故还可以使该装置根据不同的试验目的和指标要求灵活地增减系统部件。

本实用新型低温制备流体样品的监控装置具有的特点及产生的有益效果：

1、本监控装置中低温制样靶采用年轮式冷盾，冷媒循环槽和样品室一体化年轮式结构设计及加工，不仅简化了系统结构，且提高了制样效率。

2、本监控装置所用部件全部采用通用部件，高度模块化设计，结构简单，操作方便，安全可靠，成本低廉，且自动/手动控制双重冗余。

3、本监控装置中冷媒入/出口采用平行排布，方便了器件加工和管路连接；光纤传感器采用同侧单面对射方式，不仅便于加工，并提高了低温密封的可靠性。

4、本监控装置中制冷速率可调，有效地减缓热冲击，将热胀冷缩引起的系统泄漏机率降低到最低。

5、本监控装置通过光纤传感器观测待制样品的状态和相变过程；样品室内部温度和压力可以通过调节汽-液两相冷媒流控制；以准确监测真空系统内低温样品所处的相区，可清晰地分辨固体-液体-气体物质的三相区信号。

6、本监控装置还能定性地监测低温临界液体中气泡和杂质的分布。

7、本监控装置能确保在真空环境中液氮冷却容器内制备273K度以下，77K度以上的透明小分子材料高纯固-液形态样品。

8、本监控装置不仅对凝点77K以上的单组分透明小分子材料高纯液体样品制备方便，而且对少数物性接近的双组分物质也能可靠地实现均匀混合。

四、附图说明

图1本实用新型监控装置整体结构示意图。

图2本实用新型光电探测系统中光纤传感器排布示意图。

图3本实用新型光纤传感器监测流体样品的曲线图。

图4现有光电探测系统中光纤传感器排布示意图。

附图中各代号的含义：

1低温制样靶，2年轮式冷盾壁，3冷媒循环槽，4年轮式冷盾，5样品室，6安全阀，7波纹管，8液氮容器，9第一压力控制器，10第二压力控制器，11加热器，12气样罐，13增强橡胶管，14光源，15光纤传感器，16光电倍增管，17计算机监控及数据自动采集系统，18笔式记录仪，19CRT，20高压电源，21第一温度传感器，22冷媒入口，23冷媒出口，24冲洗阀，25温度控制器，26第二温度传感器。

五、具体实施方式

下面结合附图并通过实施例对本实用新型作进一步的详细说明，但不意味着对本实用新型的任何限制。

图1中，由一体化年轮式结构的低温制样靶1、液氮容器8和冷媒输送管路中的双层绝热波纹管7、增强橡胶管13构成的低温制冷单元为核心部分；该单元中一体化年轮式结构的低温制样靶1由冷媒循环槽3，年轮式冷盾4和样品室5构成，它们是在同一铝合金锭上一次加工成型的；低温制样靶安装在密闭真空环境中，低温制样靶1通过与冷媒入口22连接的冷媒输送管路中的双层绝热波纹管7、以及插接在双层绝热波纹管7中的第二压力控制器10与液氮容器8连接，第二压力控制器控制冷媒的流动；低温制样靶还通过增强橡胶管13和第一压力控制器9与气样罐12连接；安全阀6分别与第一压力控制器和第二压力控制器连接，还通过计算机监控及数据自动采集系统17后连接在液氮容器8上，安装在液氮容器8内底部的加热器11与温度控制器25连接，使液氮容器获得不同的加热功率，第一温度传感器21和第二温度传感器26安装在低温靶样品室5内，并与计算机监控及数据自动采集系统连接，从安全操作和工艺过程的要求出发，该低温制冷单元中直通样品室5的冲洗阀24由法兰连接在低温制样靶1上；而低温监测单元中的光纤传感器15的光发射端与光源14连接，光纤传感器15的光接收端与光电倍增管16连接，光电倍增管16的工作电源由与它连接的高压电源20提供，光电倍增管输出的光电信号交由与它连接的计算机监控及数据自动采集系统17处理，同时该光电信号还要提供给与计算机监控及数据自动采集系统连接的冗余设备笔式记录仪18记录；以及提供给与计算机监控及数据自动采集系统17中的实时显示物相变化曲线的CRT19，CRT同时对物相变化曲线进行后台保存，其输出信号也交由计算机监控及数据自动采集系统17处理。

一体化年轮式结构的低温制样靶1内的冷媒循环槽3、年轮式冷盾4和样品室5，它们实际上是在同一铝合金锭上一次加工成型的，以获得彼此之间良好的导热性，可调电功率加热器11直接置于液氮容器8内底部，当样品室内安装的第一温度传感器21感知温度抵达-196℃左右时，控制外部高纯气样罐12将高压气体充入样品室5进行液化，在样品室内温度和压力的共同作用下，样品的状态，包括固体-液体-气体相变都通过光纤传感器15转换成不同的光通量进行遥测，当样品室中已生成低温液体的充装量抵达容量上限时，预置在液氮容器顶部的第一温度传感器21根据气-液相间存在的温差进行监测。

图2中，为了减小调整光纤传感器15位置的工作量，提高测量精度，本发明对原光电探测系统中的光纤传感器的排布进行了改进，将接收光纤传感器15从后面板改接到前面板，使原来样品室中光线的两侧双面对射变成同侧单面对射排布，因此，不仅减少了调整光纤传感器15位置的工作量，还使得监测效果大为改进。

图4中，在原光电探测系统中，光纤传感器15采用两侧双面对射，即光源14提供入射光线，通过光纤传感器15从前面板进入样品室。当其中样品发生相变时，入射光产生不同的衰减，则从后面板光纤传感器15导出折射光，这样则增加了调整光纤传感器15位置的工作量。

本监控装置中稳定光源14发出的光线穿过样品室5中冷凝的液体样品，当冷凝控制条件在所控制的温度和压力下，样品发生相变；密度的迅速变化导致光折射率突变，从可替换透明观察窗可以直观地监测相变过程；连接计算机监控系统的CRT19和笔试记录仪18可如实地记录现场数据，图3则是用光纤传感器记录的被制备样品的状态变化曲线图。

下面进一步描述和理解本监控装置的工作过程及原理：

本监控装置工作时，在常温下用增压样品气体反复冲洗样品室5后关闭冲洗阀24，然后在液氮容器8内装入液氮，并对液氮升温，过冷汽体持续通过冷媒循环槽3，当第一温度传感器21反馈的数据低于计算机设定温度时，加热温度不断升高，过冷汽体的压力也随之升高，直至冷却温度等于设定温度；当过冷汽体压力高于计算机设定值时，安全阀6开启泄压，进行过压保护。将计算机设定温度定于气体样品凝点时，在约2kg/cm²的压力作用下气体样品发生液化，随着液化程度加深，样品室器壁和光纤内端面将冷凝出液珠，由于液珠的聚光作用，光纤中的光强有所增强；当样品室中的液体逐渐升高至第一温度传感器端面位置时，液珠被下拉成楔形，导致入射光偏离，光强减弱；若继续降温或升压，则液体样品将向固体转化，此时入射光将严重偏离光轴，所传输的光强也将被大大衰减，如图3所示曲线图。因此，可以由光强间接判断样品当时所处的相。类似地，将第一温度传感器21安置在样品室的顶部，还可判断液体样品是否已经充满，原因是空气与液体之间存在温差。

本装置部件全部采用市售材料，具有成本低，组装调试简单，重复制样效果均匀可靠，直接观测液体样品的状态及相转变过程和制样过程完全可控等特点。在航空航天，石油化工和轻工业日化等领域有着广泛的实用价值。

实施例一

使用本实用新型监控装置制备CO高纯液体样品。按照图1中结构连接好各部件，检查整个装置导通状态，检测连接低温管路的泄漏状况，应避免泄漏出现，并在通风好的环境中操作。在液氮容器8中装入20升液氮，所用光源14为白炽灯，第一温度传感器21用铜-康铜电热偶。具体操作步骤是：

1、打开冲洗阀24，用2kg/cm²的CO样品气体吹洗样品室5，保证残余气样不影响制样纯度；

2、利用第一温度传感器21控制加热器11对液氮容器8中的液氮加热，以便在液氮容器中产生具有不大于5kg/cm²压力的汽化液氮；

3、调节温度控制器25使加热器11的功率在10～30W之间，获得不大于2kg/cm²的汽-液两相冷媒流，经过双层绝热不锈钢波纹管7从低温制样靶1的冷媒入口22输送至循环槽3，对样品室5和年轮式冷盾4进行强制冷却，在该过程中，安全阀6、第二压力控制器10，温度控制器25和计算机监控及数据自动采集系统17联合作用在各低温制冷单元，保证在液化样品CO过程中系统能安全工作以及冷却控制的精度；

4、在气体样品冷凝时，其状态由光纤传感器15和铜-康铜电热偶的第一温度传感器21检测：气体样品密度低，光折射率小，所以光纤传感器15检测的光强度大，可由光电倍增管16转换出较大的电压信号，此时，既可由笔式记录仪18直接绘出该信号曲线，亦可用计算机监控及数据自动采集系统17进行A/D转换后由CRT19显示，当气体样品液化时，密度增大，光折射率也增大，所以，光纤传感器15检测的光强度较小，由光电倍增管16转换出较小的电压信号，同样既可由笔式记录仪直接绘出该信号曲线，亦可用计算机监控及数据自动采集系统17进行A/D转换后由CRT19显示，在此基础上，若继续缓慢降温或升压，则液体样品发生固化，如果降温或升压速度快时，气体样品直接进入固化区域。由于此时样品密度相对最大，光折射率也最大，所以光纤传感器15检测的光强度最小，由光电倍增管16转换出最小的电压信号，此时同样既可由笔式记录仪直接绘出该信号曲线，亦可用计算机监控及数据自动采集系统17进行A/D转换后由CRT19显示；

5、在液化过程中，由于相变弛豫，不稳定过程必然出现。表现就是，液体中会出现大量气泡，而这些气泡将影响溶液的局部均匀度，化学平衡以及热力学不平衡，若有气泡和杂质通过光纤传感器端面时，将对光强形成干扰，监测曲线出现波动，如图3所示曲线，这则是分辨小分子材料发生相变的特征。

实施例二

使用本实用新型监控装置制备CO+N₂高纯混合液体样品。所用实验设备和实验环境与实施例一相同，工艺过程略有差异，第二温度传感器26同样用铜-康铜电热偶。

其中步骤1-3与实施例一相同，确保在液化混合样品CO+N₂的过程中系统能安全工作以及冷却控制的精度，进行下面操作：

a.先用1.4×10⁵Pa的N₂充入低温样品室5，当液化的N₂导致光纤传感器_前面板半径高度上安置的第二温度传感器26指示值突变时，表明样品液氮已经充装二分之一样品室体积，此时用CO气样罐12更换成N₂气样罐，利用第二压力控制器10将CO的充装压力提高到2.8×10⁵Pa继续液化；当第一温度传感器21信号发生突变时，说明样品液体已经充满样品室，信号突变的原因是，原来悬空的热电偶突然浸没在液氮中；

b.调节温度控制器25和压力控制器，并监视光纤信号，使处于临界的液化样品不断沸腾，起到强制搅拌的作用，如此得到的混合样品不但是均匀的，而且体积混合比也是可以定量求得的；

c.用实施例一4-5的步骤即得混合气体样品的物相。

Claims (6)

1.一种低温制备流体样品的监控装置，该装置包括低温制样靶(1)、光源(14)、光纤传感器(15)、光电倍增管(16)、冷媒入口(22)及冷媒出口(23)，其特征在于还包括由一体化年轮式结构的低温制样靶(1)、液氮容器(8)和冷媒输送管路中波纹管(7)和增强橡胶管(13)构成的低温制冷单元；由冲洗阀(24)、安全阀(6)、第一压力控制器(9)、第二压力控制器(10)、温度控制器(25)、加热器(11)和计算机监控及数据自动采集系统(17)构成的低温控制单元；由光纤传感器(15)、第一温度传感器(21)和第二温度传感器(26)、光电倍增管(16)和计算机监控及数据自动采集系统(17)构成的低温监测单元，一体化年轮式结构的低温制样靶(1)安装在密闭真空环境中，低温制样靶(1)通过与冷媒入口(22)连接的冷媒输送管路中的双层绝热波纹管(7)、以及插接在双层绝热波纹管中的第二压力控制器(10)与液氮容器(8)连接，还通过增强橡胶管(13)、第一压力控制器(9)与气样罐(12)连接，安全阀(6)分别与第一压力控制器、第二压力控制器连接，还通过与计算机监控及数据自动采集系统(17)后连接在液氮容器上，安装在液氮容器内底部的加热器(11)与温度控制器(25)连接，第一温度传感器(21)和第二温度传感器(26)均安装在低温制样靶样品室(5)内，并与计算机监控及数据自动采集系统连接，冲洗阀(24)由法兰连接在低温制样靶上，光纤传感器(15)光发射端与光源(14)连接，光纤传感器光接收端与光电倍增管(16)连接，光电倍增管的工作电源由与它连接的高压电源(20)提供，光电倍增管输出的电信号交由与它连接的计算机监控及数据自动采集系统处理，同时该电信号还要提供给与计算机监控及数据自动采集系统连接的笔式记录仪(18)记录，以及提供给与计算机监控及数据自动采集系统连接的实时显示物相变化曲线的CRT(19)。

2.按照权利要求1所述的监控装置，其特征在于所说一体化年轮式结构低温制样靶(1)由年轮式冷盾壁(2)、冷媒循环槽(3)、冷盾(4)和样品室(5)构成的，即样品室(5)与冷媒循环槽(3)共用腔体壁，而冷媒循环槽(3)又与年轮式冷盾壁(2)共用腔体壁，样品室(5)位于低温制样靶(1)中央。

3.按照权利要求2所述的监测装置，其特征在于所说年轮式冷盾壁(2)、冷媒循环槽(3)、冷盾(4)和样品室(5)是在同一铝合金锭上一次加工成型的。

4.按照权利要求1所述的监控装置，其特征在于所说冷媒输送管路中波纹管(7)采用不锈钢材料的双层绝热波纹管。

5.按照权利要求1所述的监测装置，其特征在于所说冷媒入口(22)及冷媒出口(23)两者互相平行排布在低温制样靶(1)上。

6.按照权利要求1所述的监测装置，其特征在于将光电探测系统中光纤传感器(15)采用同侧单面对射排布的方式。

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