一种惰性气体分析方法与流程

1.本发明属于气体分析技术领域，具体涉及一种惰性气体分析方法，利用惰性气体分析系统实现了惰性气体性能的全面自动评价。


背景技术：

2.氦气、氩气作为典型的惰性气体（稀有气体）材料，广泛应用于生物医疗、芯片生产、分析检测、航空航天、超导体等众多领域。氦气、氩气中的杂质会对材料的性能产生严重影响，尤其是生物医疗和高端芯片生产等对气体杂质要求极其苛刻的领域。
3.现有的惰性气体性能分析方法，主要是依照国家《gbt4844-2011纯氦、高纯氦和超纯氦》、《gb/t4842-2017氩》、gb/t 16943-2009《电子工业用气体氦》《gb/t16945-2009电子工业用气体氩》等标准，对气体中的不同杂质，分别采用不同设备进行检测，各检测过程相互独立，存在检测步骤复杂、耗时长、易混入污染、检测项目不全面等技术缺陷，造成测量结果偏差大、气体性能评价不全面等问题。


技术实现要素：

4.为了解决上述技术问题，本发明提供一种惰性气体分析方法，利用惰性气体分析系统，通过一次性对惰性气体（典型为氦气、氩气）中的杂质水、氧气、一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氮气、氢气、颗粒物和金属元素含量检测，实现气体性能的快速、全面、精确分析。本发明所采用的技术方案如下：一种惰性气体分析方法，包括以下步骤：步骤1、设置惰性气体分析系统，包括：人机交互模块、数据处理模块、数据采集模块、分析模块一、分析模块二、分析模块三、分析模块四、金属元素捕集模块、分析模块五和校准气体发生模块，校准气体发生模块通过管道分别连接分析模块一、分析模块二和分析模块三的进口以及废气收集模块；载气通过管道连接分析模块一的进口，样品气体通过管道分别连接分析模块一、分析模块二和分析模块三的进口以及废气收集模块，样品气体通过管道分别连接分析模块四和金属元素捕集模块的进口，金属元素捕集模块连接分析模块五的进口，分析模块一、分析模块二、分析模块三、分析模块四和金属元素捕集模块的出口通过管道分别连接至废气收集模块，分析模块五的出口通过管道连接废液收集模块，分析模块一、分析模块二、分析模块三、分析模块四和分析模块五分别连接数据采集模块，数据采集模块经数据处理模块与人机交互模块连接；管道中安装有开关阀、减压阀和旁通阀。
5.步骤2、通过人机交互模块输入待测气体的基本信息。
6.步骤3、控制模块将命令发送至分析模块一、分析模块二、分析模块三、分析模块四、金属元素捕集模块和分析模块五，各模块根据基本信息自动调整参数至最优。
7.步骤4、各分析模块和金属元素捕集模块分别完成各自的任务，并且将分析数据发送至数据采集模块；具体包括：分析模块一基于等离子体气相色谱法或氦离子化气相色谱法，分析气体中一氧化
碳、二氧化碳、甲烷、氮气和氢气杂质的含量；分析模块二基于光腔衰荡光谱法，分析气体中水杂质的含量；分析模块三基于库伦电量法，分析气体中氧杂质的含量；分析模块四基于光散射法，分析气体中不同粒径大小的颗粒物含量；金属元素捕集模块对高纯气体中的痕量金属杂质进行集中捕获；分析模块五基于电感耦合等离子体质谱法或电感耦合等离子体发射光谱法，对金属元素捕集模块得到的含有气体中金属元素杂质的溶液进行分析；数据采集模块将各分析模块所得数据收集整理，汇总记录各分析模块测量到的杂质浓度值、进样压力和进样流量，后发送至数据分析模块，数据分析模块根据数据结合气体的流量、压力参数，综合分析出样品的性能指标，发送至人机交互模块显示；校准气体发生模块产生校准用气体，定期对分析模块一、分析模块二和分析模块三进行校准，校准示值误差。
8.本发明的有益效果：本发明的系统和方法，针对气体中的不同杂质，分别采用不同原理检测手段并且合理组成了一个完整的系统进行检测，检测步骤简单、耗时短、不易混入污染、检测项目全面，测量结果准确、气体性能评价全面。
附图说明
9.图1是本发明实施例的惰性气体分析系统的结构示意图。
具体实施方式
10.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。
11.一种惰性气体分析方法，包括以下步骤：步骤1、设置惰性气体分析系统，如图1所示，是本发明实施例的惰性气体分析系统的结构示意图。惰性气体分析系统，包括：人机交互模块、数据处理模块、数据采集模块、分析模块一、分析模块二、分析模块三、分析模块四、金属元素捕集模块、分析模块五和校准气体发生模块。校准气体发生模块通过校准气体管道连接开关阀的进气端口，开关阀的出气端口通过校准气体管道分成三路校准气体支路管道，三路校准气体支路管道分别通过各校准气体支路管道上的开关阀和减压阀连接分析模块一、分析模块二和分析模块三的进气端口，分析模块一、分析模块二和分析模块三的进气端口与各自的减压阀之间的校准气体支路管道上分别并联安装有旁通阀，三个旁通阀分别连接至废气收集模块，废气收集模块用于将分析之前多余的校准气体作为废气收集。
12.载气通过载气管道连接开关阀的进气端口，开关阀的出气端口通过载气管道连接分析模块一。
13.样品气体通过样品气体管道连接开关阀的进气端口，开关阀的出气端口通过样品气体管道分成五路样品气体支路管道，五路样品气体支路管道分别通过各样品气体支路管道上的减压阀连接分析模块一、分析模块二、分析模块三、分析模块四和金属元素捕集模块的进气端口，其中，分析模块一、分析模块二和分析模块三与其各自支路的减压阀之间装有
旁通阀并且连接至废气收集模块，旁通阀用于将分析之前多余的样品气体作为废气收集。
14.金属元素捕集模块连接分析模块五的进口，将捕集到的溶液样品送至分析模块五进行分析，分析模块五的出口连接废液收集模块，废液收集模块将分析模块五完成检测后产生的废液收集起来。
15.分析模块一、分析模块二、分析模块三、分析模块四和金属元素捕集模块的出气端口分别连接废气收集模块，废气收集模块将分析和捕集之后的多余气体作为废气收集起来。
16.分析模块一、分析模块二、分析模块三、分析模块四和分析模块五分别连接数据采集模块，数据采集模块经数据处理模块与人机交互模块连接，图中的虚线表示表示信号传输，实线表示样品流向。这里的连接方式采用有线或者无线方式均可，只要能够传输信号就可以。
17.所述的金属元素捕集模块的结构，参见专利“高纯气体中痕量金属元素自动捕获消解器”（专利申请号cn202110989288.x），包括捕获箱、收集瓶、金属捕获柱、电磁六通选择阀、操作机构、处理箱、储液箱、第一恒流泵和第二恒流泵，所述金属捕获柱的顶部固定安装有连接板，所述捕获箱的顶部贯穿开设有通槽，且连接板与通槽的内壁滑动连接。
18.惰性气体分析系统设置有机柜外壳，惰性气体分析系统的机柜外壳材质为碳钢喷塑；机柜结构为立式机柜，底部固定安装移动式滚轮，可固定；尺寸为1200mm
×
1500mm
×
2500mm；整个系统设有一个样品气入口、一个载气入口、一个气体标准物质入口、一个废气出口和一个样品溶液出口。
19.分析模块一是现有技术，采用等离子发射气相色谱原理（参见：赵贵喜，梁冰，杨永坛.等离子体原子发射光谱检测器在气相色谱中的应用进展[j].现代科学仪器，2005(2):5.），主要由增强型等离子发射光谱传感器、色谱柱温箱、载气纯化器、色谱切换阀、色谱接头和电子压力控制器组成；分析模块二是现有技术，采用光腔衰荡原理（参见：林宇巍.光腔衰荡光谱技术及其在痕量气体分析中的应用[j].低温与特气，2011，29(1):5-7.），主要由连续波二极管激光器、压力调节器、样品腔、激光接收器组成；分析模块三是现有技术，采用库伦电量微量氧检测原理（参见：徐振忠，姚伟，秦浩.电化学氧传感器研究进展[j].民营科技，2011(10):1.），主要由库伦电量氧传感器、电解液储罐、流量计组成；分析模块四是现有技术，采用光散射原理（参见：胡光夏.光散射法用于空气颗粒物浓度的检测[j].中国设备工程，2018(20):2.），主要由质量流量控制器、激光源、光学器件、样品腔、接收器组成；分析模块五采用耶拿公司plasma quant ms型电感耦合等离子体质谱仪。分析模块一、分析模块二、分析模块三、分析模块四和金属元素捕集模块采用层叠式安装于机柜中，分析模块五置于机柜旁，与气体分析部分样品溶液出口相连。
[0020]
步骤2、通过人机交互模块输入待测气体的基本信息，包括：气体种类、杂质组分和预计纯度。
[0021]
步骤3、控制模块将命令发送至分析模块一、分析模块二、分析模块三、分析模块四、金属元素捕集模块和分析模块五，各模块根据设定的基本信息自动调整参数至最优。控
制模块是一个软件功能模块，通过rs485通信形式发送控制命令给各分析模块，实现各分析模块的检测功能。控制模块的实现方法是现有技术，在此不再赘述。
[0022]
步骤4、各分析模块和金属元素捕集模块分别完成各自的分析任务，具体包括：分析模块一：是基于等离子体气相色谱法或氦离子化气相色谱法的分析模块（上述方法需要提供一路单独的载气），用于准确分析气体中一氧化碳、二氧化碳、甲烷、氮气和氢气杂质的含量，分析数据发送至数据采集模块。
[0023]
分析模块一的分析方法如下：气体组分在等离子体发射或氦离子化作用形成等离子体，待测气体组分的等离子体发出的光经过了过滤选择后通过光电转换将光信号转变为电信号，而待测气体组分的含量与电信号强度有正比关系，通过比较标准样品信号与待测组分信号计算出待测气体组分的含量。
[0024]
待测气体组分i的含量按式（1）计算：
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（1）；式中：xi——样品其中组分i的含量，用体积分数标示；——样品其中组分i的响应（色谱峰面积）值的平均值；——标准气体其中组分i的响应（色谱峰面积）值的平均值；xs——标准气体其中组分i的含量，用体积分数标示。
[0025]
分析模块二：是基于光腔衰荡光谱法的分析模块，用于准确分析气体中水杂质的含量，分析数据发送至数据采集模块。
[0026]
分析模块二的分析方法如下：一束单波长激光进入光腔后，光束在腔镜之间来回反射振荡。当切断光源后，其能量就会随时间而衰减，衰减的速度与光腔自身的损耗（包括投射和散射）和腔内被测组分（介质）的吸收有关。对于给定的光腔，其自身的损耗为常量。光能量衰减的速度与被测组分的含量有关，被测组分的含量与其分子在光腔内的密度成正比，分子的密度由衰荡时间按式（2）确定：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（2）；式中：d——被测分子密度，与含量成正比，单位为个每立方米（个/m3）；c——光速，299762458m/s；——分子在激光频率的吸收横截面，单位为平方米（m2）；——有吸收介质的衰荡时间，单位为秒（s）；——无吸收介质的衰荡时间，单位为秒（s）。
[0027]
被测的水组分的含量根据式（3）确定： （3）；
式中：x——被测的水组分含量；d0——气体分子总密度，单位为个每立方米（个/m3）；v——光腔池的体积，单位为立方米（m3）；na——阿伏伽德罗常数，6.0221407
×
10
23
个/mol；p——光腔池中的压力，单位为帕（pa）；r——气体常数，8.314510pa
·
m3/(mol
·
k)；t——光腔池中的温度，单位为开（k）。
[0028]
分析模块三：是基于库伦电量法的分析模块，用于准确分析气体中氧杂质的含量，分析数据发送至数据采集模块。
[0029]
分析模块三的分析方法如下：待测气体通入由阴极、阳极和电解液构成的化学电池，对电池施加直流电压以提供电子转移的能量。待测气体中的氧组分在电池电极上发生的电解反应，电解过程中消耗的电量与电极反应的氧组分含量成正比，通过测量电量计算出待测气体中氧组分的含量。
[0030]
分析模块四：是基于光散射法的分析模块，用于准确分析气体中不同粒径大小的颗粒物含量，分析数据发送至数据采集模块。
[0031]
分析模块四的分析方法如下：光在行进过程中遇到粉体颗粒（障碍物）时，将偏离原来的传播方向继续传播，这种现象被称为光的散射或者衍射。颗粒尺寸越小，散射角越大；颗粒尺寸越大，散射角越小。分析模块四就是根据光的散射角度来测定颗粒的大小，根据散射强度来测定颗粒的数量。
[0032]
金属元素捕集模块用于对高纯气体中的痕量金属杂质进行集中捕获，以便分析模块五能够提取高纯气体中的金属杂质进行分析。
[0033]
分析模块五：是基于电感耦合等离子体质谱法或电感耦合等离子体发射光谱法的分析模块，用于对金属元素捕集模块得到的含有气体中金属元素杂质的溶液进行分析，分析数据发送至数据采集模块。
[0034]
分析模块五的分析方法如下：分析模块五利用电磁学原理，使带电的样品离子按质荷比进行分离。离子电离后经加速进入磁场中，其动能与加速电压及电荷数z有关，即：
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
（4）；式中：z——电荷数；e——元电荷（e=1.60
×
10-19
c）；u——加速电压；m——离子的质量；v——离子被加速后的运动速度。
[0035]
具有速度v的带电粒子进入质谱分析器的电磁场中，根据所选择的分离方式，最终实现各种离子按m/z分离，检测器将分离后离子转换成电信号，电信号的大小与试样中分析离子的浓度有关。通过与已知的标准或参考物质比较，实现试样的中金属元素含量的分析。
[0036]
数据采集模块将各分析模块所得数据收集整理，汇总记录各分析模块测量到的杂质浓度值、进样压力、进样流量等数据，后发送至数据分析模块，数据分析模块根据数据结合气体的流量、压力等参数，综合分析出样品的性能指标，发送至人机交互模块显示。
[0037]
校准气体发生模块：为确保整套分析系统结果的准确可靠，配有基于动态体积法的校准气体发生模块，用于产生校准用气体，定期对分析模块一、分析模块二和分析模块三进行校准，校准示值误差。
[0038]
最后需要说明的是：以上实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此。本领域技术人员应该理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。