气体比重瓶和气体吸附分析仪校准的系统和方法与流程

在一个方面，本公开涉及用于校准测量设备的系统和方法，更具体地说，涉及用于利用具有低热膨胀系数的定制体积参考标准体材料校准气体比重瓶或气体吸附分析仪(以下称为比重瓶设备)的系统和方法。也描述了其他方面。

背景技术：

1、气体比重瓶用于非破坏性地测量各种材料的体积，例如粉末、泥浆、多孔材料等，并确定其各种性质，例如被测材料的真实密度，类似地，气体吸附分析仪用于非破坏性地测量可能被粉末和多孔材料吸附的流体的量。然而，为了确保准确测量和确定材料或吸附流体的体积和密度，比重瓶设备依赖于使用已知的参考体积标准体进行精确校准。过去，已经出售了形成用于特定测量设备的特定尺寸样品杯、容器或室的参考体积标准体。通常，这些参考体积标准体由诸如碳化钨或不锈钢等金属形成，并形成球体，以便它们可以在所需的公差范围内和以特定尺寸(被设计成匹配此类特定尺寸的样品容器/杯)加工。然而，这些参考体积标准体的生产通常非常昂贵，因为它们的加工具有必要的高精度，这使得为客户提供各种不同尺寸/形状的容器和/或定制的样品测量解决方案变得困难且通常成本过高。此外，如果这种传统的参考体积标准体处理不当或损坏，例如掉落，以至于即使是轻微影响/改变其尺寸或圆度，那么参考体积标准体可能会变得不准确并需要更换。此外，这些体积参考标准体的热膨胀系数(cte)和密度通常也相对较高；例如，碳化钨的cte为5.5μm/m-℃，密度至少为15g/cc，而不锈钢的cte为17.5μm/m-℃，密度约为7.9g/cc。此类材料的高cte意味着它们在暴露于较高温度和至少间接地暴露于压力下往往会发生膨胀，这种膨胀会影响体积参考标准体的体积，因此必须在体积校准期间加以考虑。

2、因此，本公开涉及用于校准比重瓶设备的系统和方法的实施例，其解决了相关领域中的前述和其他相关和不相关的问题。

技术实现思路

1、简要描述，本公开包括用于校准测量系统(例如气体比重瓶或气体吸附分析仪)的系统和方法。在一些方面，系统和方法可以适用于使用定制形状的样品杯、辅助样品杯、容器或样品室校准气体比重瓶或气体吸附分析仪。这种校准可以利用由具有低热膨胀系数(cte)的各种材料形成的体积参考标准体，其可以以高尺寸精度和/或密度精度生产，以提供将具有可以高精度确定的体积的体积参考标准体，以便能够校准可以包含各种不同尺寸和/或配置样品室的气体比重瓶。与传统的体积参考标准体材料相比，这些材料也将可以低得多的成本生产；并且可以以各种不同的和/或可定制的尺寸和/或配置生产，以及具有已知和/或少量的杂质、已知的高纯度和/或已知的密度，而不会实质上影响其参考体积计算。因此，通过使用此类材料，可以精确校准利用客户指定或以其他方式定制配置的样品杯或室的气体比重瓶。

2、因此，在一个方面，本公开涉及一种用于校准气体比重瓶的方法。该方法可包括将定制体积参考标准体放入样品杯或样品室中，定制体积参考标准体由具有低热膨胀系数的陶瓷或光学玻璃材料(例如，小于5.5-6.0μm/m-℃，并且在实施方案中，在约0.005μm/m-℃至约4.5μm/m-℃的范围内；或0.05μm/m-℃至约3.0μm/m-℃；并且具有精度为±0.00005"(50微英寸)的已知体积)形成。定制体积参考标准体还将形成有适于与样品杯或容器的配置或尺寸大体匹配的配置或参考形状尺寸，样品杯或容器将被放入气体比重瓶的样品室中，并将气体引入样品室。在另一个实施方案中，定制体积参考标准体还将形成与要测量或分析的样品的体积大体匹配的体积。在此类实施方案中，气体比重瓶可以在没有样品杯或容器的情况下操作，并且参考标准体可以具有选定的已知形状(包括已知尺寸的长度、宽度和深度)和体积，用于校准气体比重瓶，而无需样品杯或容器。例如，定制体积参考标准体可以用选定的参考形状形成，例如但不限于圆盘、圆柱体、圆锥形、截圆锥形或其他形状，而不必形成球体。

3、在样品室内气体的压力和温度达到压力和/或温度平衡后，测量样品室的第一压力。然后使来自样品室的气体流入膨胀室，直到膨胀室被填充，然后测量样品室的第二个压力。根据气体膨胀后的第一测量压力和第二测量压力确定定制体积参考标准体的体积。然后将定制体积参考标准体的该测量体积与定制体积参考标准体的已知体积进行比较，并根据比较对样品室的平均校准体积进行调整。

4、在实施例中，定制参考体积标准体将由具有低cte的材料组成，例如锂铝硅酸盐微晶玻璃。在一些实施方案中，定制体积参考标准体可以由光学玻璃材料(如蓝宝石、硅和熔融石英)组成。也可以使用其他陶瓷、玻璃和/或类似的晶体材料，其cte小于6μm/m-℃，在一些实施方案中，小于约3μm/m-℃，包括可以以所需的定制参考形状生长或实验室形成以匹配客户指定/定制样品杯或容器的晶体材料。定制体积参考标准体还可以包括指定数量的杂质或高纯度，这使得以高精度使密度已知。在另一方面，处理不当的定制体积参考标准体在清洁和/或重新称量后可重复使用。

5、在另一方面，所述样品杯或样品室可以是定制形状。定制形状可能包括或具有高纵横比。样品杯或样品室可以被配置成接受具有多种配置的定制体积参考标准体，包括但不限于薄盘、长杆、圆柱体、球体或其它配置。样品杯或样品室可由与定制参考体积标准体相同的低cte材料组成。

6、本公开的另一方面涉及一种用于气体比重瓶校准的系统。该系统可包括可与气体比重瓶一起使用的一个或多个样品杯、样品室或容器，其尺寸和/或形状可以不同，包括客户指定的形状和尺寸。该系统将进一步包括一个或多个高纵横比定制体积参考标准体，每个可以形成为以高尺寸精度匹配这种不同或定制尺寸和/或形状的样品杯、样品室或容器。该系统将包括控制器，该控制器配置为利用定制体积参考标准体校准气体比重瓶，当插入样品杯时，以校准气体比重瓶的平均体积。

7、在另一方面，当将高纵横比定制体积参考标准体插入样品杯中时，高纵横比可占据样品杯、样品室或容器的约90％。

8、本公开的另一方面针对用于校准气体比重瓶的定制体积参考标准体，其将包括具有低cte和高精度尺寸的材料。定制体积参考标准体的参考形状可适于与定制样品杯的内部区域相对应。定制体积参考标准体还可以包括指定数量的杂质或由高纯度组成，并且具有已知体积，因为这可能以高精度使标准体的密度已知。

9、本公开的另一方面涉及用于确定吸附等温线的设备的校准。特别地，在实施例中，本公开涉及或提供基于测压的吸附仪器，其利用压力、温度和校准体积来确定被测试材料所占据的体积；类似地，在已知压力和温度下作为校准体积的流体(通常是蒸汽)的总量。这种设备的校准可以以与气体比重瓶基本相同或类似的方式进行。比重瓶和吸附设备二者需要具有明确定义的和热稳定的尺寸的参考体积，如果温度依赖性被最小化，则这两种设备可以实现更精确的校准。

10、本公开的另一方面涉及确定已知或未知材料的热膨胀系数(cte)。具有高精度校准的比重瓶设备可用于确定在一系列不同测试条件下由样品移位(displace)的体积。作为示例，在一个实施方案中，可以在从低于环境温度到高于环境温度的几个温度下评估移位的样品的体积；然后可以根据作为温度函数移位的体积计算样品的cte。cte相对于参考温度的每度温度变化(以摄氏度为单位)计算为尺寸的线性或体积变化，其中参考温度约为20℃。

11、本公开的另一方面针对使用低cte材料作为需要精确线性移位校准的测量设备的校准的参考标准体；例如用于填充床的渗透率测量，或用于确定填充到粉末床中的粉末或物体的密度，和/或可用于确定具有明确定义直径的圆柱形设备中的填充床长度的那些。通常，可以使用尺寸范围为20至60+/-0.01mm的工具钢销或其他圆柱形钢圆柱体来校准线性移位设备。例如，50毫米长的304不锈钢杆(cte为17.3x 10-6/℃)，在10-35℃的允许仪器操作范围内作为参考进行测试，长度变化为+0.022mm。在这种情况下，可以通过使用低cte材料来提高校准精度，以最小化传统工具钢参考标准体的热膨胀的影响，从而可以大大消除可能的热膨胀对线性移位设备的体积校准的影响。

12、这些实施例和其它实施例的其它方面和优点在此详细讨论。此外，应当理解，前述信息和以下详细描述仅提供了各个方面和实施例的说明性示例，并且旨在提供用于理解本文所公开的各个方面和实施例的性质和特征的概述或框架。因此，这些和其它目的，以及本文所公开的本公开的优点和特征，将通过参考以下描述和附图变得明显。此外，应当理解，这里描述的各种实施例的特征不是相互排斥的，并且可以以各种组合和排列形式存在。