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一種用于多組分氣體在線快速采樣的裝置及其采樣方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于多組分氣體在線快速采樣的裝置及其采樣方法，解決在線采樣方式難以滿足實(shí)驗(yàn)進(jìn)程短且壓力波動(dòng)大的非穩(wěn)態(tài)多組分氣體的在線測量要求的問題。本發(fā)明包括零死體積三通閥，通過連通管與該零死體積三通閥連通的零死體積六通閥，一端均與所述零死體積三通閥連接的樣氣進(jìn)氣通道和壓縮氣體通道，一端均與所述零死體積六通閥連接的載氣通道和樣氣出氣通道，以及兩端均與所述零死體積六通閥連接、用于采集實(shí)驗(yàn)過程氣體的采樣管。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，采樣方式快捷、有效，尤其適用于實(shí)驗(yàn)進(jìn)程短（可低至秒級）及壓力波動(dòng)幅度大的非穩(wěn)態(tài)多組分氣體的在線采樣，因此，其具有很高的應(yīng)用價(jià)值。
【專利說明】一種用于多組分氣體在線快速采樣的裝置及其采樣方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種氣體的在線采樣裝置，具體地說，是涉及一種用于實(shí)驗(yàn)進(jìn)程短(秒級)、壓力波動(dòng)大的多組分氣體在線快速采樣的裝置及其采樣方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前，為了對實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中氣體組分的變化有更為詳細(xì)的了解，需要對各種不同氣體的濃度變化情況進(jìn)行在線測量。在一些持續(xù)時(shí)間極短(秒級)或是被測氣體的壓力變化大的實(shí)驗(yàn)中，其對于在線測量的要求十分苛刻。常規(guī)的氣體在線取樣方法通常是采用定時(shí)間隔取樣的方式，在實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中的不同時(shí)間點(diǎn)采集樣氣，獲得一系列測量數(shù)據(jù)，從而獲悉實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中氣體組分的變化情況。
[0003]然而，目前的采樣方式由于受限于間隔取樣的速度，在秒級的時(shí)間內(nèi)，很難獲得足夠多的數(shù)據(jù)點(diǎn)來滿足在線測量的要求，因此，對于一些實(shí)驗(yàn)進(jìn)程短且壓力波動(dòng)大的非穩(wěn)態(tài)多組分氣體來說，現(xiàn)有的采樣手段很難滿足其在線快速采樣和測量的要求。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種用于多組分氣體在線快速采樣的裝置及其采樣方法，主要解決現(xiàn)有的在線采樣方式難以滿足實(shí)驗(yàn)進(jìn)程短且壓力波動(dòng)大的非穩(wěn)態(tài)多組分氣體的在線測量要求的問題。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
一種用于多組分氣體在線快速采樣的裝置，包括零死體積三通閥，通過連通管與該零死體積三通閥連通的零死體積六通閥，一端均與所述零死體積三通閥連接的樣氣進(jìn)氣通道和壓縮氣體通道，一端均與所述零死體積六通閥連接的載氣通道和樣氣出氣通道，以及兩端均與所述零死體積六通閥連接、用于采集實(shí)驗(yàn)過程氣體的采樣管。
[0006]具體地說，所述樣氣進(jìn)氣通道與零死體積三通閥的第一通道連接，所述壓縮氣體通道與零死體積三通閥的第二通道連接，所述連通管一端與零死體積三通閥的第三通道連接。
[0007]具體地說，所述連通管的另一端與零死體積六通閥的第一通道連接，所述載氣通道與零死體積六通閥的第四通道連接，所述樣氣出氣通道與零死體積六通閥的第三通道連接，所述采樣管分別與零死體積六通閥的第二和第五通道連接。
[0008]進(jìn)一步地，本發(fā)明還包括設(shè)置在所述零死體積六通閥的第六通道中、用于將該第六通道的端口完全密封的堵塞密封件。
[0009]作為優(yōu)選，所述采樣管為外徑l/16inch、內(nèi)徑0.03inch的內(nèi)拋光不銹鋼管。
[0010]基于上述結(jié)構(gòu)，本發(fā)明還提供了該用于多組分氣體在線快速采樣的裝置的采樣方法，包括以下步驟:
S1:將零死體積三通閥的第一和第三通道連通，第二通道單置，同時(shí)將零死體積六通閥的第一和第二、第三和第四、第五和第六通道各自連通； 52:將樣氣經(jīng)由樣氣進(jìn)氣通道持續(xù)通入到采樣管直至樣氣采集完成；
53:將零死體積三通閥的第二和第三通道連通，第一通道單置，并將壓縮氣體經(jīng)由壓縮氣體通道持續(xù)通入到采樣管直至壓縮氣體將連通管和采樣管中的樣氣一并壓縮到采樣管中；
54:將零死體積六通閥的第一和第六、第二和第三、第四和第五通道各自連通；
55:將載氣經(jīng)由載氣通道持續(xù)通入到采樣管，并將樣氣通過樣氣出氣通道全部被推入到檢測器中進(jìn)行檢測分析。
[0011]進(jìn)一步地，所述步驟S3中，壓縮氣體比樣氣壓力至少高出0.05MPa。
[0012]再進(jìn)一步地,所述步驟S5中，載氣比樣氣壓力至少高出0.08MPa。
[0013]本發(fā)明的設(shè)計(jì)原理在于，在主實(shí)驗(yàn)出口氣路上連接樣氣進(jìn)氣通道支路，同步采集樣氣，將實(shí)驗(yàn)過程中氣體組分變化的情況暫時(shí)“封存”在連通管和采樣管中。待主實(shí)驗(yàn)完成后，利用壓縮氣體將連通管和采樣管中的樣氣壓縮至采樣管中，而后通入載氣，在載氣推動(dòng)下，采樣管中的樣氣被送入到檢測器中進(jìn)行檢測分析。在采樣管內(nèi)徑較小的情況下，由于采樣管內(nèi)部前后采集氣體混合程度很低，不同位置處氣體的狀態(tài)對應(yīng)于實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中不同時(shí)間段氣體的狀態(tài)，因此，在獲知了采樣管內(nèi)不同位置氣體各組分豐度的變化情況下，即可獲得該實(shí)驗(yàn)進(jìn)程中氣體各組分濃度隨時(shí)間的變化曲線，從而實(shí)現(xiàn)多組分氣體的在線快速采樣和測量。
[0014]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
(I)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，構(gòu)思巧妙，流程簡潔，操作方便。
[0015](2)本發(fā)明采用零死體積三通閥和零死體積六通閥作為樣氣采集、壓縮和推動(dòng)三種狀態(tài)下的“聯(lián)接橋梁”，通過靈活切換閥門自身的連通狀態(tài)，實(shí)現(xiàn)了樣氣的在線快速采樣和測量。由于本發(fā)明中的三通閥和六通閥具有內(nèi)徑等徑且零死體積的特點(diǎn)，因此，氣體在三通閥和六通閥中可以快速并暢通無阻地流動(dòng)，不會發(fā)生回旋現(xiàn)象，因而也為樣氣的在線快速采樣提供了強(qiáng)有力的保障。實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明的氣體在線采樣效率相當(dāng)高，完全符合秒級采樣的苛刻要求，因此，其與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有突出的實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著的進(jìn)步。
[0016](3)本發(fā)明中的采樣管優(yōu)選為內(nèi)拋光不銹鋼管，由于內(nèi)拋光不銹鋼管具有表面完全鈍化、抗粘附性強(qiáng)、管壁光滑平整的特點(diǎn)，因此其可以進(jìn)一步提高整個(gè)采樣裝置的氣體采樣效率。
[0017](4)本發(fā)明實(shí)用性強(qiáng)，各個(gè)步驟和環(huán)節(jié)緊密相扣，氣體采樣方便快捷，能夠有效實(shí)現(xiàn)秒級實(shí)驗(yàn)進(jìn)程、壓力波動(dòng)幅度大的多組分氣體的在線快速采集，因此，本發(fā)明具有很高的實(shí)用價(jià)值和推廣價(jià)值。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0018]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0019]圖2為反復(fù)充注兩種不同氫氘混合氣體的測試曲線圖。
[0020]圖3為依次充注四種不同氫氘混合氣體的測試曲線與充注單一氫氘混合氣體的測試曲線比較示意圖。
[0021]圖4為充注不同壓力的同一氫氘混合氣體的測試曲線圖。
[0022]圖5為充注壓力與檢測信號平臺寬度曲線圖。[0023]圖6為氫含量與檢測信號平臺高度的標(biāo)準(zhǔn)曲線圖。
[0024]圖7為氫氘交換實(shí)驗(yàn)在線測量結(jié)果示意圖。
[0025]圖8為在線測量所得氘豐度變化曲線圖。
[0026]圖9為氫氘交換實(shí)驗(yàn)過程中氘豐度變化示意圖。
[0027]其中，附圖標(biāo)記對應(yīng)的零部件名稱為:
1-樣氣進(jìn)氣通道，2-零死體積三通閥，3-壓縮氣體通道，4-連通管，5-零死體積六通閥，6-采樣管，7-載氣通道，8-樣氣出氣通道。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，本發(fā)明的實(shí)施方式包括但不限于下列實(shí)施例。
實(shí)施例
[0029]如圖1所示，本發(fā)明主要用于多組分氣體的在線快速采樣，并送入到檢測器中進(jìn)行檢測分析。本發(fā)明包括樣氣進(jìn)氣通道1、零死體積三通閥2、壓縮氣體通道3、零死體積六通閥5、采樣管6、載氣通道7以及樣氣出氣通道8。所述樣氣進(jìn)氣通道I與零死體積三通閥2的第一通道連接，所述壓縮氣體通道3與零死體積三通閥2的第二通道連接。所述載氣通道7與零死體積六通閥5的第四通道連接，所述樣氣出氣通道8與零死體積六通閥5的第三通道連接，所述采樣管6分別與零死體積六通閥5的第二和第五通道連接。所述零死體積三通閥2的第三通道則通過連通管4與零死體積六通閥5的第一通道連通。此外，為防止氣體泄漏，所述零死體積六通閥5的第六通道的端口設(shè)有可將其完全密封的堵塞密封件，該堵塞密封件與現(xiàn)有的密封件結(jié)構(gòu)相同，主要由堵頭和墊圈構(gòu)成。
[0030]所述采樣管6用于采集實(shí)驗(yàn)過程中的氣體，其長度可根據(jù)實(shí)際需要自行設(shè)計(jì)，最好是以能夠全部采集到實(shí)驗(yàn)過程氣體為宜，并且作為優(yōu)選，本實(shí)施例中，該采樣管6為外徑l/16inch、內(nèi)徑0.03inch的內(nèi)拋光不銹鋼管。
[0031]下面對本發(fā)明的操作過程進(jìn)行詳細(xì)介紹，本發(fā)明的操作過程主要由取樣、進(jìn)樣和送入檢測三大步驟構(gòu)成，分別如下:
取樣:
將零死體積三通閥2的第一通道切換至與第三通道連通，第二通道單置，同時(shí)將零死體積六通閥5的第一和第二、第三和第四、第五和第六通道各自連通。將主實(shí)驗(yàn)氣路氣體(即樣氣)從樣氣進(jìn)氣通道I中通入，此時(shí)，由于零死體積三通閥2的第一通道與第三通道連通，零死體積六通閥5的第一和第二、第三和第四、第五和第六通道分別連通，因而樣氣會經(jīng)由零死體積三通閥2、連通管4和零死體積六通閥5直接進(jìn)入到采樣管6中。隨著樣氣的持續(xù)通入，采樣管6中會持續(xù)積累樣氣直至主實(shí)驗(yàn)完成，此時(shí)，停止通入樣氣，樣氣采集完畢。
[0032]進(jìn)樣:
將零死體積三通閥2的第二通道切換至與第三通道連通，第一通道單置。從壓縮氣體通道3中通入壓縮氣體，由于零死體積三通閥2的第二通道與第三通道連通，因而壓縮氣體會經(jīng)由零死體積三通閥2、連通管4和零死體積六通閥5直接進(jìn)入到采樣管6中。隨著壓縮氣體的持續(xù)通入，連通管4和采樣管6中的樣氣全部被壓縮至采樣管6中，此時(shí)，停止通入壓縮氣體，進(jìn)樣工作結(jié)束。在上述樣氣壓縮過程中，為能快速有效地將樣氣全部壓縮，本實(shí)施例中，所述壓縮氣體比樣氣壓力至少高出0.05MPa。
[0033]送入檢測:
將零死體積六通閥5的第一和第六、第二和第三、第四和第五通道各自連通,然后從載氣通道7中通入載氣。載氣經(jīng)由零死體積六通閥5進(jìn)入到采樣管6中，并將采樣管6中的氣體朝樣氣出氣通道8方向推動(dòng)。隨著載氣的持續(xù)通入，樣氣逐漸由采樣管6向樣氣出氣通道8移動(dòng)，并不斷從樣氣出氣通道8排出到檢測器中進(jìn)行檢測分析，當(dāng)樣氣全部排完時(shí)，停止通入載氣，送入檢測工作完畢。在上述樣氣推動(dòng)過程中，為能快速有效地將樣氣推出樣氣出氣通道8，并使其進(jìn)入到檢測器中進(jìn)行檢測分析，本實(shí)施例中，所述載氣比樣氣壓力至少高出0.08MPa。
[0034]為突顯本發(fā)明的技術(shù)效果，下面以一個(gè)實(shí)驗(yàn)案例來闡釋本發(fā)明的實(shí)施過程及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
[0035]實(shí)驗(yàn)所用的樣氣、壓縮氣體、載氣名稱及其參數(shù)如下:
樣氣:氫(H2)氘(D2)混合氣體；壓縮氣體:高純度氬(Ar)氣；載氣:高純度氦(He)氣；其中，壓縮氣體壓力:0.8MPa，載氣壓力:0.83MPa。
[0036]采樣管參數(shù)如下:
外徑:l/16inch ;內(nèi)徑:0.03inch ;采樣管長度:33m ;流速:10ml/min。
[0037]本實(shí)例所采用的檢測器為熱導(dǎo)檢測器。
[0038]氣體混合情況測試:
對采樣管充注幾種不同濃度的氫氘混合氣體，然后對裝置進(jìn)行氣體混合情況進(jìn)行測試。圖2為對采樣管先充注高純度氫氣再充注氘氫混合氣體(氘氣體積分?jǐn)?shù)占66.79%，余量為氫氣)，依此順序反復(fù)充注3次，再采用高純度氬氣壓縮后獲得的流出曲線示意圖。平臺前后的上升沿和下降沿反映的是采樣管中前后充注兩種不同氣體的混合情況。假設(shè)以平臺高度的2%?98%區(qū)間為前后兩種氣體的混合區(qū)域，則平臺高度的98%以上為前一種充注氣體平臺，2%以下為后一種充注氣體平臺。由圖2可知，第一個(gè)上升沿，即第一個(gè)混合界面反映的是高純度氫氣與上述氘氫混合氣體之間的混合情況，第二個(gè)下降沿，即第二個(gè)混合界面反映的是氘氫混合氣體與高純度氫氣之間的混合情況，依次類推，第三個(gè)上升沿即，第五個(gè)混合界面反映的是高純度氫氣與氘氫混合氣體的混合情況。
[0039]表I為樣氣之間的混合情況，其中，時(shí)間項(xiàng)為混合界面的流出時(shí)間，體積項(xiàng)為結(jié)合樣氣流速及壓力計(jì)算獲得，長度項(xiàng)為根據(jù)體積項(xiàng)和采樣管內(nèi)徑計(jì)算獲得。由表I知，前后兩種樣氣的混合長度約為0.50m?1.0lm之間，與采樣管長度33m相比較,混合比例約占2%?3%，前后兩種樣氣的混合程度較小。
【權(quán)利要求】
1.一種用于多組分氣體在線快速采樣的裝置，其特征在于，包括零死體積三通閥(2)，通過連通管(4)與該零死體積三通閥連通的零死體積六通閥(5)，一端均與所述零死體積三通閥(2)連接的樣氣進(jìn)氣通道(I)和壓縮氣體通道(3)，一端均與所述零死體積六通閥(5)連接的載氣通道(7)和樣氣出氣通道(8)，以及兩端均與所述零死體積六通閥(5)連接、用于采集實(shí)驗(yàn)過程氣體的采樣管(6 )。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于多組分氣體在線快速采樣的裝置，其特征在于，所述樣氣進(jìn)氣通道(I)與零死體積三通閥(2 )的第一通道連接，所述壓縮氣體通道(3 )與零死體積三通閥(2)的第二通道連接，所述連通管(4)一端與零死體積三通閥(2)的第三通道連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種用于多組分氣體在線快速采樣的裝置，其特征在于，所述連通管(4)的另一端與零死體積六通閥(5)的第一通道連接，所述載氣通道(7)與零死體積六通閥(5)的第四通道連接，所述樣氣出氣通道(8)與零死體積六通閥(5)的第三通道連接，所述采樣管(6)分別與零死體積六通閥(5)的第二和第五通道連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種用于多組分氣體在線快速采樣的裝置，其特征在于，還包括設(shè)置在所述零死體積六通閥(5)的第六通道中、用于將該第六通道的端口完全密封的堵塞密封件。
5.根據(jù)權(quán)利4所述的一種用于多組分氣體在線快速采樣的裝置，其特征在于，所述采樣管(6)為外徑l/16inch、內(nèi)徑0.03inch的內(nèi)拋光不銹鋼管。
6.一種用于多組分氣體在線快速采樣的裝置的采樣方法，其特征在于，包括以下步驟: 51:將零死體積三通閥的第一和第三通道連通，第二通道單置，同時(shí)將零死體積六通閥的第一和第二、第三和第四、第五和第六通道各自連通； 52:將樣氣經(jīng)由樣氣進(jìn)氣通道持續(xù)通入到采樣管直至樣氣采集完成； S3:將零死體積三通閥的第二和第三通道連通，第一通道單置，并將壓縮氣體經(jīng)由壓縮氣體通道持續(xù)通入到采樣管直至壓縮氣體將連通管和采樣管中的樣氣一并壓縮到采樣管中； 54:將零死體積六通閥的第一和第六、第二和第三、第四和第五通道各自連通； 55:將載氣經(jīng)由載氣通道持續(xù)通入到采樣管，并將樣氣通過樣氣出氣通道全部被推入到檢測器中進(jìn)行檢測分析。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種用于多組分氣體在線快速采樣的裝置的采樣方法，其特征在于，所述步驟S3中，壓縮氣體比樣氣壓力至少高出0.05MPa。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種用于多組分氣體在線快速采樣的裝置的采樣方法，其特征在于，所述步驟S5中，載氣比樣氣壓力至少高出0.08MPa。
【文檔編號】G01N35/10GK103869093SQ201410107979
【公開日】2014年6月18日 申請日期:2014年3月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月21日
【發(fā)明者】呂俊波, 閆霞艷, 秦城, 郭淑蘭, 魏英, 宋智蓉, 武志剛, 趙萍, 何勇 申請人:四川材料與工藝研究所