专利名称：一种常压平衡逐级定容式气体中痕量组分的配制装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种组分气体配制装置，尤其是涉及一种常压平衡逐级定容式气体中痕量组分的配制装置。
背景技术：
目前，随着国民经济和科技水平的不断发展，特别是化学、电子工业的不断进步，对各种特殊气体纯度的要求也越来越高例如在测量高纯气体中10_6到10_9mOl/mOl的痕量杂质时，需要更高纯度的“零点气”，这种零点气中相关组分气体的含量应当比待测样品气体中未知组分气体的含量还要低1-2个数量级，如何方便且快速准确的配制出在背景气中含有痕量(ppbv，即体积分数十亿分之一量级)组分气体的混合气体成为目前需要解决的一项工程问题。如今，痕量组分气体配制技术主要是借助于分压控制技术，这依赖于较为昂贵的分压系统，且具有一定的危险性。在常压下利用体积控制来完成痕量组分混合气体的配制目前还没有相关报道。针对这一现实，我们提出了一种常压平衡逐级定容式气体中痕量组分的配制装置，该装置能够在无需精确调控背景气体和组分气体分压的条件下，配制出在背景气中含有痕量组分气体的混合气体，具有方便、安全、快捷、经济的特点，因而将会具有较广泛的开发应用前景。
发明内容
本发明的目的在于开发一种常压平衡逐级定容式气体中痕量组分的配制装置，以解决目前采用的分压控制配气系统安全性及价格昂贵等问题。本发明的目的可以通过以下技术方案来实现常压平衡逐级定容式气体中痕量组分的配制装置主要采用模块化思路，将各类气瓶、定容换向阀、定容瓶、真空泵等装置通过气路系统有机的结合起来。该套装置中首先是利用了定容换向阀这一特殊装置，相当于一个定量进样器，能够做到每次向定容瓶中输入一定体积的组分气体用于配气。其次是在定容瓶塞处集成了瓶口换向阀，类似三通阀的设计可以气路灵活的在混合器和真空泵之间切换。还有定容瓶中内置的弹性气囊，气囊的出口通过调节阀与大气相连接，其内部的气压因此可以在常压和真空之间切换，气囊的作用是利用其与外界气压平衡膨胀时，将定容瓶中的混合气排出。最后，在定容瓶的底部装有电磁搅拌桨，其作用是可以加速定容瓶中气体的混合。该装置具体包括以下组成结构定容瓶组件设有两组，包括硬质玻璃制成的定容瓶壳体、与瓶塞集成为一体的瓶口换向阀，定容瓶壳体内置弹性气囊及电磁搅拌器；定容换向阀组件设有两组，由阀体、组分气体出入口及背景气体出入口组成，阀体内具有一段相当于定量环的封管，定容换向阀组件分别位于两组定容瓶组件的前端，通过质量流量计和压力表与定容瓶组件连接；CN 102921338 A
书
明
说
2/5页气瓶及气路组件包括组分气体钢瓶、背景气体钢瓶、不锈钢管路及管路上设置的阀门，通过不锈钢管路串联连接组分气体钢瓶、背景气体钢瓶、定容瓶组件、定容换向阀组件；真空泵连接在定容瓶组件的下方，由两级泵体组成，其中机械泵作为前级泵，扩散泵或分子泵作为次级泵。所述的瓶口换向阀为类似三通阀的部件，瓶口换向阀的水平面上分布着混合气体出入口及抽真空口，中垂线上端通过调节阀通大气，下端与弹性气囊连接。所述的瓶口换向阀的水平部分气路采取类似三通阀的设计，阀体上水平的呈“T”字型开有3个孔，两个相对的孔分别为混合气体出入口，与之垂直方向还有抽真空口，瓶口换向阀的内芯能够旋转，并可以切换到混合气体模式/真空模式。当切换到混合气体模式时，关闭混合气体出口处的调节阀，将含有定量体积组分气体的混合气体引入定容瓶中进行充分混合；当配气结束，即大部分混合气体经由膨胀的弹性气囊排出定容瓶后，旋转阀体的内芯切换到真空模式，即瓶内空间与真空泵连接，可以将定容瓶抽真空，避免残余气体造成的污染，垂直方向上，瓶口换向阀与气囊相连的管路穿过瓶口换向阀的内芯。所述的弹性气囊设在定容瓶壳体的内部，气囊的上部出口通过调节阀与大气相通，使用中，气囊预先被抽真空，待定容瓶中的气体混合均匀后，缓缓打开气囊上部的调节阀，使其充气，并利用其膨胀的过程将定容瓶中配置好的的气体排出。所述的弹性气囊采用表面高平整度的聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜材料制造，在常压下的体积相对于定容瓶内部体积可以忽略；弹性很好能够耐受压力变化，常温下表面对各种气体分子的吸附作用小。所述的电磁搅拌器安装在定容瓶的底部，由可折叠式的桨叶和底部的电磁驱动装置组成，使用时，通过电磁驱动装置的高速旋转，利用离心力将桨叶甩开。所述的桨叶由柔性的高分子材料制成，选自表面高平整度的聚偏氟乙烯(PVDF)材料，不使用时向心折叠成较小的体积，方便通过瓶口装入定容瓶中安装，在常温下其表面对各种气体分子的吸附作用较小。`所述的封管通过阀体旋转可以分别与组分气体/背景气体气路连接，使用时先将其转至与组分气体气路相连接，使其中保存一定体积的组分气体，然后快速旋转阀体使之与背景气体气路相连接，利用背景气体吹扫将这一段组分气体带入定容瓶组件中。所述的封管采用表面高平整度的聚四氟乙烯(PTFE)或高密度聚丙烯(HDPP)材料制造。所述的定容瓶组件及定容换向阀组件设有一组或多组，通过不锈钢管路依次串联连接。 本发明首先是设计利用了定容换向阀这一特殊装置，相当于一个定量进样器，能够做到每次向定容瓶中输入一定体积的组分气体用于配气。其次是在定容瓶塞处集成了瓶口换向阀，类似三通阀的设计可以气路灵活的在混合器和真空泵之间切换。还有定容瓶中内置的弹性气囊，气囊的出口通过调节阀与大气相连接，其内部的气压因此可以在常压和真空之间切换，气囊的作用是利用其与外界气压平衡膨胀时，将定容瓶中的混合气排出。最后，在定容瓶的底部装有电磁搅拌桨，其作用是可以加速定容瓶中气体的混合。总之，本装置通过一系列特殊的模块化的结构设计，能够在避免使用复杂的分压设备的前提下，达到
5定量配制极低浓度的组分气体的目的；同时，欲配制不同浓度的气体，只需要更换不同型号(定容管体积)的定容换向阀组件，或者增减“定容换向阀组件-定容瓶组件”稀释装置的级数即可实现。与现有技术相比，本发明通过一系列特殊的模块化的结构设计，能够在避免使用复杂的分压设备的前提下，达到定量配制极低浓度的组分气体的目的；同时，欲配制不同浓度的气体，只需要更换不同型号(定容管体积)的定容换向阀组件，或者增减“定容换向阀组件-定容瓶组件”稀释装置的级数即可实现；整个装置具有简便、安全、成本低等特点，主要利用了两级串联的“定容换向阀-定容瓶”稀释装置，使得该装置能够在无需精确调控背景气体和组分气体分压的条件下，配制出在背景气中含有痕量(ppbv，即体积分数十亿分之一量级)组分气体的混合气体。
图I为本发明的结构示意图；图2为定容瓶组件的结构示意图；图3为定容换向阀组件的结构示意图；图4为定容换向阀组件的结构示意图；图5为瓶口换向阀的结构示意图；图6为弹性气囊的结构示意图；图7为电磁搅拌器的结构示意图；图8为电磁搅拌器的结构示意图。图中，I为背景气体钢瓶、2为组分气体钢瓶、3为调节阀、4为质量流量计、5为定容换向阀组件、51为封管、52为背景气体入口、53为组分气体入口、6为压力表、7为定容瓶组件、71为瓶口换向阀、711为混合气体入口、712为混合气体出口、713为抽真空口、714为通气囊出口、72为弹性气囊、73为电磁搅拌器、731为桨叶、732为电磁驱动装置、733为支架、8为真空泵、9为气体出口。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。实施例常压平衡逐级定容式气体中痕量组分的配制装置的结构如图I所示，采用模块化结构组成，具体包括以下部件定容瓶组件7，其结构如图2所示设有两组，包括硬质玻璃制成的定容瓶壳体、与瓶塞集成为一体的瓶口换向阀71，定容瓶壳体内置弹性气囊72及电磁搅拌器73。定容换向阀组件5，其结构如图3-4所示设有两组，分别作为初级定容及次级定容，由阀体、背景气体入口 52、组分气体入口 53组成，阀体内具有一段相当于定量环的封管51，定容换向阀组件5分别位于两组定容瓶组件7的前端，通过质量流量计4和压力表6与定容瓶组件7连接，定容换向阀组件5还连接有气体出口 9。气瓶及气路组件包括组分背景气体钢瓶I、气体钢瓶2、不锈钢管路及管路上设置的阀门，通过不锈钢管路串联连接背景气体钢瓶I、气体钢瓶2、定容瓶组件7、定容换向阀组件5。真空泵8 :连接在定容瓶组件7的下方，由两级泵体组成，其中机械泵作为前级泵，扩散泵或分子泵作为次级泵。瓶口换向阀71的结构如图5所示，水平部分气路采取类似三通阀的设计，阀体上水平的呈“T”字型开有3个孔，两个相对的孔分别为混合气体入口 711、混合气体出口 712，与之垂直方向还有抽真空口 713以及与弹性气囊72连接的通气囊出口 714，瓶口换向阀的内芯能够旋转，并可以切换到混合气体模式/真空模式。当切换到混合气体模式时，关闭混合气体出口 712处的调节阀，将含有定量体积组分气体的混合气体引入定容瓶中进行充分混合；当配气结束，即大部分混合气体经由膨胀的弹性气囊72排出定容瓶后，旋转阀体的内芯切换到真空模式，即瓶内空间与真空泵8连接，可以将定容瓶抽真空，避免残余气体造成的污染，垂直方向上，瓶口换向阀与气囊相连的管路穿过瓶口换向阀的内芯。弹性气囊72的结构如图6所示，设在定容瓶壳体的内部，气囊的上部出口通过调节阀与大气相通，使用中，气囊预先被抽真空，待定容瓶中的气体混合均匀后，缓缓打开气囊上部的调节阀，使其充气，并利用其膨胀的过程将定容瓶中配置好的的气体排出。弹性气囊72采用表面高平整度的聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜材料制造，在常压下的体积相对于定容瓶内部体积可以忽略；弹性很好能够耐受压力变化，常温下表面对各种气体分子的吸附作用小。电磁搅拌器73安装在定容瓶的底部，其结构如图7-8所示，由可折叠式的桨叶731、底部的电磁驱动装置732和支架733组成，使用时，通过电磁驱动装置的高速旋转，利用离心力将桨叶731甩开，图7和图8分别为桨叶731折叠和打开时的情况。桨叶731由柔性的高分子材料制成，选自表面高平整度的聚偏氟乙烯(PVDF)材料，不使用时向心折叠成较小的体积，方便通过瓶口装入定容瓶中安装，在常温下其表面对各种气体分子的吸附作用较小。封管51通过阀体旋转可以分别与组分气体/背景气体气路连接，使用时先将其转至与组分气体气路相连接，使其中保存一定体积的组分气体，然后快速旋转阀体使之与背景气体气路相连接，利用背景气体吹扫将这一段组分气体带入定容瓶组件中。封管51采用表面高平整度的聚四氟乙烯(PTFE)或高密度聚丙烯(HDPP)材料制造。含有痕量组分气体的混合气配制过程中，打开背景气体钢瓶I和组分气体钢瓶2，打开调节阀3，在质量流量计4的控制下待流速稳定在恒流，先将作为初级定容的定容换向阀组件5拧到与组分气体气路相连接，使其中保存一定体积的组分气体，然后快速旋转定容换向阀组件5的阀体使之与背景气体气路相连接，利用背景气体吹扫将这一段组分气体带入定容瓶组件7中。关闭定容瓶顶部的瓶口换向阀71的各个气体出入口，打开定容瓶底部的电磁搅拌器73，待定容瓶中的混合气体混合均匀后，打开定容瓶项部的瓶口换向阀71中的混合气体出口 712，然后再缓缓打开弹性气囊72上部的调节阀，使弹性气囊72充气，并利用弹性气囊72的膨胀将定容瓶组件7中配置好的混合气体排出。利用类似的作为次级定容的第2级“定容换向阀组件5-定容瓶组件7”稀释装置，可以进一步对组分气体进行稀释。针对该型常压平衡逐级定容式气体中痕量组分的配制装置配气效果的简单估算
7如下假设所使用的定容管体积为O. 1ml，定容瓶组件7内部体积为1000ml(约为定容管体积的IO4倍)；这样经过两级连续稀释，可以制备组分气体浓度在10_8(10ppbv，即体积分数一亿分之一量级)的混合气体。欲配制不同浓度的气体，只需要更换不同型号(定容管体积)的定容换向阀组件5，或者增减“定容换向阀组件5-定容瓶组件7”稀释装置的级数即可实现，整个装置具有简便、安全、模块化、成本低等特点。本技术领域中的普通技术人员应当认识到，以上的具体实施方式
仅是用来说明本发明专利，而并非用作为对本发明专利的限定，只要在本发明专利的实质精神范围内，对以上所述具体实施方式
的变化、变型都将落在本发明专利的权利要求书范围内。
权利要求
1.一种常压平衡逐级定容式气体中痕量组分的配制装置，其特征在于，该装置包括 定容瓶组件包括硬质玻璃制成的定容瓶壳体、与瓶塞集成为一体的瓶口换向阀，定容瓶壳体内置弹性气囊及电磁搅拌器； 定容换向阀组件由阀体、组分气体出入口及背景气体出入口组成，阀体内具有一段相当于定量环的封管，定容换向阀组件分别位于两组定容瓶组件的前端，通过质量流量计和压力表与定容瓶组件连接； 气瓶及气路组件包括组分气体钢瓶、背景气体钢瓶、不锈钢管路及管路上设置的阀门，通过不锈钢管路串联连接组分气体钢瓶、背景气体钢瓶、定容瓶组件、定容换向阀组件； 真空泵连接在定容瓶组件的下方，由两级泵体组成，其中机械泵作为前级泵，扩散泵或分子泵作为次级泵。
2.根据权利要求I所述的一种常压平衡逐级定容式气体中痕量组分的配制装置，其特征在于，所述的瓶口换向阀为类似三通阀的部件，瓶口换向阀的水平面上分布着混合气体出入口及抽真空口，中垂线上端通过调节阀通大气，下端与弹性气囊连接。
3.根据权利要求2所述的一种常压平衡逐级定容式气体中痕量组分的配制装置，其特征在于，所述的瓶口换向阀的水平部分气路采取类似三通阀的设计，阀体上水平的呈“T”字型开有3个孔，两个相对的孔分别为混合气体出入口，与之垂直方向还有抽真空口，瓶口换向阀的内芯能够旋转，并可以切换到混合气体模式/真空模式。当切换到混合气体模式时，关闭混合气体出口处的调节阀，将含有定量体积组分气体的混合气体弓I入定容瓶中进行充分混合；当配气结束，即大部分混合气体经由膨胀的弹性气囊排出定容瓶后，旋转阀体的内芯切换到真空模式，即瓶内空间与真空泵连接，可以将定容瓶抽真空，避免残余气体造成的污染，垂直方向上，瓶口换向阀与气囊相连的管路穿过瓶口换向阀的内芯。
4.根据权利要求I所述的一种常压平衡逐级定容式气体中痕量组分的配制装置，其特征在于，所述的弹性气囊设在定容瓶壳体的内部，气囊的上部出口通过调节阀与大气相通，使用中，气囊预先被抽真空，待定容瓶中的气体混合均匀后，缓缓打开气囊上部的调节阀，使其充气，并利用其膨胀的过程将定容瓶中配置好的的气体排出。
5.根据权利要求4所述的一种常压平衡逐级定容式气体中痕量组分的配制装置，其特征在于，所述的弹性气囊采用表面高平整度的聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜材料制造，在常压下的体积相对于定容瓶内部体积可以忽略；弹性很好能够耐受压力变化，常温下表面对各种气体分子的吸附作用小。
6.根据权利要求I所述的一种常压平衡逐级定容式气体中痕量组分的配制装置，其特征在于，所述的电磁搅拌器安装在定容瓶的底部，由可折叠式的桨叶和底部的电磁驱动装置组成，使用时，通过电磁驱动装置的高速旋转，利用离心力将桨叶甩开。
7.根据权利要求6所述的一种常压平衡逐级定容式气体中痕量组分的配制装置，其特征在于，所述的桨叶由柔性的高分子材料制成，选自表面高平整度的聚偏氟乙烯(PVDF)材料，不使用时向心折叠成较小的体积，方便通过瓶口装入定容瓶中安装，在常温下其表面对各种气体分子的吸附作用较小。
8.根据权利要求I所述的一种常压平衡逐级定容式气体中痕量组分的配制装置，其特征在于，所述的封管通过阀体旋转可以分别与组分气体/背景气体气路连接，使用时先将其转至与组分气体气路相连接，使其中保存一定体积的组分气体，然后快速旋转阀体使之与背景气体气路相连接，利用背景气体吹扫将这一段组分气体带入定容瓶组件中。
9.根据权利要求8所述的一种常压平衡逐级定容式气体中痕量组分的配制装置，其特征在于，所述的封管采用表面高平整度的聚四氟乙烯(PTFE)或高密度聚丙烯(HDPP)材料制造。
10.根据权利要求I所述的一种常压平衡逐级定容式气体中痕量组分的配制装置，其特征在于，所述的定容瓶组件及定容换向阀组件设有一组或多组，通过不锈钢管路依次串联连接。
全文摘要
本发明涉及一种常压平衡逐级定容式气体中痕量组分的配制装置，包括气瓶和气路组件、定容换向阀组件、定容瓶组件、真空泵；作为核心组件的定容瓶组件由以下部件组成瓶口换向阀兼瓶塞、弹性气囊、电磁搅拌器，定容换向阀组件由阀体、组分气体出入口及背景气体出入口组成。与现有技术相比，本发明通过一系列特殊的模块化的结构设计，能够在避免使用复杂的分压设备的前提下，达到定量配制极低浓度的组分气体的目的；同时，欲配制不同浓度的气体，只需要更换不同型号(定容管体积)的定容换向阀组件，或者增减“定容换向阀组件-定容瓶组件”稀释装置的级数即可实现，整个装置具有简便、安全、成本低等特点。
文档编号B01F15/04GK102921338SQ20121041807
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月26日 优先权日2012年10月26日
发明者刘刚, 张小沁, 储德韧, 薛晓康 申请人:上海天科化工检测有限公司, 上海化工研究院