一种对真空腔体气体进行取样并满足正压分析的方法、装置及其组件与流程

本发明一种对真空腔体气体进行取样并满足正压分析的方法、装置及其组件，属于真空取样技术领域。

背景技术

目前，随着航天技术和金属热处理技术的不断发展，真空环境模拟和真空金属热处理得到极大的推广和应用，使得航天材料和元器件可以在地面提前进行有效的外太空空间低气压仿真模拟实验，可以提前发现问题，提早进行改进，防止了航天器进入外太空后的失效发生。

金属真空热处理，为金属提供无氧洁净的热处理环境，极大改善了金属热处理效果，同时真空反应釜、真空气氛炉的应用都极大的丰富了真空设备的应用领域。在各种使用环境中，随着加热及反应釜内物理和化学的变化真空腔体内气体成分可能会发生变化，研究该气体成分的变化对后续工艺参数的设定，设备的改进均有重要的研究意义和价值。

由于目前所有气体分析仪均需是正压供气才能测定，如何通过简单装置实现真空腔体内的正压气体采集就显得尤为重要。

现有对真空状态下的气体进行分析与目前所有气体分析仪均需是正压供气才能测定之间的矛盾，没有合适的方法解决。

技术实现要素：

本发明克服了现有技术存在的不足，提供了一种对真空腔体气体进行取样并满足正压分析的方法和装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种对真空腔体气体进行取样并满足正压分析的方法，按以下步骤进行：

第一步，制备一套密封且可变容积的装置，所述装置设置有n+1个真空密封阀门和n个焊接波纹管，且真空密封阀门和焊接波纹管间隔设置，所述装置的两端为真空密封阀门，所述焊接波纹管的压缩比大于或等于2；

第二步，将所述装置与被取样的真空腔体密封连接，对所述装置整体抽真空，使所述装置的真空度小于或等于被取样的真空腔室内的真空度，抽完真空后，使所述装置保持密封状态；

第三步，当第一步中n＝1时，将所述装置与真空腔体的内部空间互通，并使焊接波纹管处于拉伸状态，待所述装置的真空度稳定后，关闭所述装置与真空腔体的内部连通；

第四步，再压缩焊接波纹管，直到焊接波纹管的压力为正压即可。

进一步，在第四步中，当压缩焊接波纹管的长度为最短时，焊接波纹管的压力仍未负压时，需要在第三步中选择n等于2，打开第一真空隔膜阀和第二真空隔膜阀，将所述装置与真空腔体的内部空间互通，并使第一焊接波纹管和第二焊接波纹管处于拉伸状态，待所述装置的真空度稳定后，关闭第一真空隔膜阀和第二真空隔膜阀，然后再压缩第一焊接波纹管，然后打开第二真空隔膜阀，使得第一焊接波纹管和第二焊接波纹管内压力再平衡；

第五步，再关闭第二真空隔膜阀，打开第一真空隔膜阀，拉伸第一焊接波纹管，再关闭第一真空隔膜阀，然后再压缩第一焊接波纹管，再打开第二真空隔膜阀，直至第一焊接波纹管和第二焊接波纹管内压力稳定；

第六步：多次重复第五步的动作，再压缩第二焊接波纹管的长度，直到第二焊接波纹管的压力为正压即可。

进一步，当需要更多的正压样品气体时，n或为3，或为4，或为5，焊接波纹管的压缩比为5-10。

进一步，将多套所述装置并联后均与密封腔室相连，焊接波纹管的压缩比为2-10。

一种对真空腔体气体进行取样并满足正压分析的装置，所述装置设置有n+1个真空密封阀门和n个焊接波纹管，且真空密封阀门和焊接波纹管间隔设置，所述装置的两端为真空密封阀门，所述焊接波纹管的压缩比大于或等于。

进一步，所述装置或是三个真空密封阀门和两个焊接波纹管；所述装置或是两个真空密封阀门和一个焊接波纹管；所述装置或是四个真空密封阀门和三个焊接波纹管。

进一步，所述装置的真空密封阀门为真空隔膜阀，所述装置包括：第一真空隔膜阀、第一焊接波纹管、第二真空隔膜阀、第二焊接波纹管、第三真空隔膜阀；

所述第一真空隔膜阀的一端与真空腔室密封相连，第一真空隔膜阀的另一端与第一焊接波纹管的一端连通，所述第一焊接波纹管的另一端通过第二真空隔膜阀与第二焊接波纹管的一端连通，所述第二焊接波纹管的另一端通过第三真空隔膜阀与气体分析仪密封相连，所述第一焊接波纹管和第二焊接波纹管为压缩比5-10的焊接波纹管。

进一步，所述第一焊接波纹管和第二焊接波纹管的内径均为20mm，且压缩至最短后端面之间的距离为100mm，伸长至最长后端面之间的距离为1000mm。

进一步，所述真空腔室内的压力为1.0×10⁴pa～9.9×10⁴pa。

一种对真空腔体气体进行取样并满足正压分析的装置组件，由多套所述装置并联而成，所述装置的出口端均与密封腔室相连。

本发明与现有技术相比具有的有益效果是：本发明是通过设计一种新的气体采集装置，实现对真空腔体气体的正压采集，是直接从真空腔体上进行气体采集，避免从真空泵采集油气和泄露引起的气体成分误差，实现气体原样采集，系统升压到大于大气压力的目的，便于分析仪器进行气体的分析测定。

本发明的方法先制备一套密封且可变容积的装置，所述装置设置有n+1个真空密封阀门和n个焊接波纹管，且真空密封阀门和焊接波纹管间隔设置，所述装置的两端为真空密封阀门，所述焊接波纹管的压缩比大于或等于2，当被取样的真空腔体气体的压力大于5.5×10⁴pa时，焊接波纹管的压缩比等于2即可实现将取样负压气体压缩成正压气体，适用于分析仪器的工作状态，当焊接波纹管的压缩比越大时，该方法及装置满足较大范围的当被取样的真空腔体气体，一般可达到1.0×10⁴pa；按照第一步至第六步的描述，当n取足够大，并重复多次，或者多套并联的话，理论上一级多次压缩可提升约10倍压力，多级无限次压缩，本方法及装置满足1.0×10^-2pa—1.0×10⁴pa负压下的气体取样。

一种对真空腔体气体进行取样并满足正压分析的装置所述装置或是两个真空密封阀门和一个焊接波纹管，这种结构为一级压缩，如果当焊接波纹管的压缩比10时，理论上可将被取样气体的压力提升10倍；或是三个真空密封阀门和两个焊接波纹管，这种结构为两级压缩，如果当焊接波纹管的压缩比10时，理论上可将被取样气体的压力提升10×10＝100倍；所述装置或是四个真空密封阀门和三个焊接波纹管，这种结构为三级压缩，如果当焊接波纹管的压缩比10时，理论上可将被取样气体的压力提升10×10×10＝1000倍，相应的提高了本装置的工作范围。

并联多套装置组成组件时，会提升其工作效率，也能大大提升本组件的工作范围。

本装置根据实际要求做出全自动控制，那会大大提升其工作效率，降低了工作强度。

附图说明

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

图1为本发明一种对真空腔体气体进行取样并满足正压分析的装置的结构示意图；

图2为本发明一种对真空腔体气体进行取样并满足正压分析的装置组件的结构示意图。

图中：1为真空腔室、2为取样接口、3为第一真空隔膜阀、4为第一焊接波纹管、5为第二真空隔膜阀、6为第二焊接波纹管、7为第三真空隔膜阀、8为气嘴。

具体实施方式

如图1所示，本发明一种对真空腔体气体进行取样并满足正压分析的装置，包括真空腔室1、取样接口2、第一真空隔膜阀3、第一焊接波纹管4、第二真空隔膜阀5、第二焊接波纹管6、第三真空隔膜阀7和气嘴8，所述取样接口2的一端与真空腔室1连通，所述取样接口2的另一端通过第一真空隔膜阀3与第一焊接波纹管4的一端连通，所述第一焊接波纹管4的另一端通过第二真空隔膜阀5与第二焊接波纹管6的一端连通，所述第二焊接波纹管6的另一端通过第三真空隔膜阀7与气嘴8连通，所述第一焊接波纹管4和第二焊接波纹管6均为90％压缩比的波纹管，所述第一真空隔膜阀3、第二真空隔膜阀5和第三真空隔膜阀7的结构相同，所述第一焊接波纹管4和第二焊接波纹管6的结构相同。

所述第一焊接波纹管4和第二焊接波纹管6的内径均为20mm，且，压缩至最短后端面之间的距离100mm，伸长至最长后端面之间的距离1000mm。

所述真空腔室1内的压力为1.0×10⁴pa～9.0×10⁴pa。

所述取样接口2和气嘴8之间至少设置有三个真空隔膜阀和两个焊接波纹管，且真空隔膜阀和焊接波纹管间隔设置。

本发明一种可对真空腔体气体进行正压取样的方法，根据下述步骤实施：

第一步：先对整个装置进行抽真空，以减少装置内部空气对真空腔体1内气体的影响；

第二步：打开第一真空隔膜阀3和第二真空隔膜阀5，拉伸第一焊接波纹管4和第二焊接波纹管6，数秒后，第一焊接波纹管4和第二焊接波纹管6内压力稳定；

第三步：关闭第一真空隔膜阀3和第二真空隔膜阀5，然后再压缩第一焊接波纹管4，待压缩到最短后打开第二真空隔膜阀5，使得第一焊接波纹管4和第二焊接波纹管6内压力平衡；

第四步：再关闭第二真空隔膜阀5，打开第一真空隔膜阀3，拉伸第一焊接波纹管4到最长后，再关闭第一真空隔膜阀3，然后再压缩第一焊接波纹管4至最短，再打开第二真空隔膜阀5，直至第一焊接波纹管4和第二焊接波纹管6内压力稳定；

第五步：多次重复第四步的动作，直至第二焊接波纹管6内的压力逼近真空腔体1内压力的10倍；

第六步：确保第二焊接波纹管6内的压力大于标准大气压后，打开三真空隔膜阀7，将第二焊接波纹管6内的气体从气嘴8排出并收集。

从所述气嘴8排出的气体压力至少要高于真空腔体1内的压力一个数量级。

本发明通过第一真空隔膜阀与真空腔体连接，打开第一真空隔膜阀，使第一焊接波纹管处于最大伸长位置，此时波纹管内压力就和真空腔体内压力相同，然后关闭第一真空隔膜阀，压缩波纹管到最小位置，按照理想气态方程由于体积变为原来的十分之一，则波纹管内的压力会增加到原来的10倍，再通过第二真空隔膜阀打开，将增压的气体导入第二焊接波纹管，再关闭第二真空隔膜阀，如此往复多次后，可以实现得到近似10倍与真空腔体压力的气体，可实现气体压力一个数量级的增加，按照真空等级区分，从真空度到大气1.0×10⁵之间差几个数量级就可以增加几+1个波纹管来实现压力大于大气压力的要求。

当本发明中焊接波纹管压缩比为10，两端采取真空隔膜阀实现与真空腔体和下一级波纹管连接的作用，通过伸长和压缩实现体积和压力变化。

本发明是通过设计一种新的气体采集装置，实现对真空腔体气体的正压采集，是直接从真空腔体上进行气体采集，避免从真空泵采集油气和泄露引起的气体成分误差，实现气体原样采集，系统升压到大于大气压力的目的，便于分析仪器进行气体的分析测定。

本发明中波纹管内径20毫米，压缩后最短端面距离100毫米，伸长最长端面距离1000毫米，可将真空腔体内压力为1.0×10⁴pa～9.0×10⁴pa的压力升高到1.0×10⁵pa压力以上(表1为真空腔体压力1.0×10⁴pa多次压缩增压数据表)。

本发明可实现真空腔体内气体的正压采集，避免真空泵的油污及空气泄露对气体成分的影响，直接从真空腔体上采集气体，通过反复多次可以得到接近10倍腔体压力的气体，按照真空度的数量等级可在此基础上增加波纹管的级数来实现任意真空度的正压采集(表2真空度与波纹管级数对照表)。对与压缩比为x的波纹管，压缩n次后其压力可用公式计算：

p0为初始状态(被取样真空腔室)的压力；pn为压缩n次后波纹管中的压力

表1如下：

通过上表可以看出，随着压缩次数增加，二级波纹管内压力将无限接近腔体真空度的10倍压力，同样可以得出，任意压缩比的波纹管均可以得到腔体真空度×压缩比的压力。

本发明中压缩次数和压力变化趋势如表2所示：

真空度与波纹管级数对照表(1:10压缩比)如下：

一种对真空腔体气体进行取样并满足正压分析的方法，按以下步骤进行：

第一步，制备一套密封且可变容积的装置，所述装置设置有n+1个真空密封阀门和n个焊接波纹管，且真空密封阀门和焊接波纹管间隔设置，所述装置的两端为真空密封阀门，所述焊接波纹管的压缩比大于或等于2。

第二步，将所述装置与被取样的真空腔体密封连接，对所述装置整体抽真空，使所述装置的真空度小于或等于被取样的真空腔室内的真空度，抽完真空后，使所述装置保持密封状态。

第三步，当第一步中n为1时，将所述装置与真空腔体的内部空间互通，并使焊接波纹管处于拉伸状态，待所述装置的真空度稳定后，关闭所述装置与真空腔体的内部连通。

第四步，再压缩焊接波纹管，直到焊接波纹管的压力为正压即可。

在第四步中，当压缩焊接波纹管的长度为最短时，焊接波纹管的压力仍未负压时，需要在第三步中选择n为2，打开第一真空隔膜阀3和第二真空隔膜阀5，将所述装置与真空腔体的内部空间互通，并使第一焊接波纹管4和第二焊接波纹管6处于拉伸状态，待所述装置的真空度稳定后，关闭第一真空隔膜阀3和第二真空隔膜阀5，然后再压缩第一焊接波纹管4，然后打开第二真空隔膜阀5，使得第一焊接波纹管4和第二焊接波纹管6内压力再平衡。

第五步，再关闭第二真空隔膜阀5，打开第一真空隔膜阀3，拉伸第一焊接波纹管4，再关闭第一真空隔膜阀3，然后再压缩第一焊接波纹管4，再打开第二真空隔膜阀5，直至第一焊接波纹管4和第二焊接波纹管6内压力稳定。

第六步：多次重复第五步的动作，再压缩第二焊接波纹管6的长度，直到第二焊接波纹管6的压力为正压即可。

当需要更多的正压样品气体时，n或为3，或为4，或为5，焊接波纹管的压缩比为5-10，其工作方法与上述相似，这样可提升本装置的工作范围，即可以将被取样真空气体的压力提升几个数量级，相应的可以满足取样气体的压力到1.0pa，甚至更低，再在此不在赘述。

并联多套装置组成组件时，会提升其工作效率，也能大大提升本组件的工作范围，即可以将被取样真空气体的压力提升几个数量级，相应的可以满足取样气体的压力到1.0×10^-2pa，相应的工作的次数也要增加几个数量级。如何将真空密封阀门采用全自动控制的话，将大大降低工作强度，提升工作效率。同时选用焊接波纹管的压缩比为2-10的高性能焊接波纹管使其满足n次方的工作次数。

一种对真空腔体气体进行取样并满足正压分析的装置，所述装置设置有n+1个真空密封阀门和n个焊接波纹管，且真空密封阀门和焊接波纹管间隔设置，所述装置的两端为真空密封阀门，所述焊接波纹管的压缩比大于或等于2。

所述装置或是三个真空密封阀门和两个焊接波纹管；所述装置或是两个真空密封阀门和一个焊接波纹管；所述装置或是四个真空密封阀门和三个焊接波纹管。

所述装置为两个真空密封阀门和一个焊接波纹管时与图1描述的类似。

所述装置设置有n+1个真空密封阀门和n个焊接波纹管，且真空密封阀门和焊接波纹管间隔设置，所述装置的两端为真空密封阀门，所述焊接波纹管的压缩比大于或等于2。

所述装置或是三个真空密封阀门和两个焊接波纹管；所述装置或是两个真空密封阀门和一个焊接波纹管；所述装置或是四个真空密封阀门和三个焊接波纹管。

所述装置的真空密封阀门为真空隔膜阀，所述装置包括：第一真空隔膜阀3、第一焊接波纹管4、第二真空隔膜阀5、第二焊接波纹管6、第三真空隔膜阀7。

所述第一真空隔膜阀3的一端与真空腔室1密封相连，第一真空隔膜阀3的另一端与第一焊接波纹管4的一端连通，所述第一焊接波纹管4的另一端通过第二真空隔膜阀5与第二焊接波纹管6的一端连通，所述第二焊接波纹管6的另一端通过第三真空隔膜阀7与气体分析仪密封相连，所述第一焊接波纹管4和第二焊接波纹管6为压缩比5-10的焊接波纹管。

所述第一焊接波纹管4和第二焊接波纹管6的内径均为20mm，且压缩至最短后端面之间的距离为100mm，伸长至最长后端面之间的距离为1000mm，第一焊接波纹管4和第二焊接波纹管6为压缩比10。

所述真空腔室1内的压力为1.0×10³pa～9.9×10⁴pa。

图2为本发明一种对真空腔体气体进行取样并满足正压分析的装置组件的结构示意图，与一种对真空腔体气体进行取样并满足正压分析的装置类似，由多套所述装置并联而成，所述装置的出口端均与密封腔室相连，多套并联的话，取样的其他量大，速度快，用上全自动控制去取样，会大大提升工作效率。理论上一级多次压缩可提升约10倍压力，多级无限次压缩，本组件满足1.0×10^-2pa—1.0×10⁴pa负压下的气体取样。

上面结合实施例对本发明作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例，在本领域普通技术人员所具备的知识范围内，还可以在不脱离本发明宗旨的前提下做出各种变化。