CN104142364A - 一种高真空微量气体自动进样***及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高真空微量气体自动进样***，该***包括自动控制装置、真空主管线及储样罐Ⅰ、Ⅱ、金属漏孔。真空主管线上设进样口，其前端伸入气体装置中，末端与高真空质谱仪、储样罐Ⅰ及Ⅱ相连；真空主管线上设真空支管Ⅰ、Ⅱ；真空支管Ⅱ连有分子泵；分子泵连有机械泵；真空主管线上设有4个气动高真空阀；真空支管Ⅰ、Ⅱ上设有2个气动高真空阀；储样罐Ⅰ、Ⅱ与真空主管线之间设有2个气动高真空阀；储样罐Ⅰ、Ⅱ与真空主管线相接；自动控制装置包括计算机、空气压缩机、继电器板、电源；继电器板分别连有与8个气动高真空阀一一对应相连的8个电磁阀。本发明还公开了该***的使用方法。本发明易测控、使用方便。

Description

一种高真空微量气体自动进样***及其使用方法

技术领域

本发明涉及气体地球化学领域，尤其涉及一种高真空微量气体自动进样***及分析方法。

背景技术

在气体地球化学研究过程中，有时要求对10ml以上常量气体中的微量成分进行定量，如天然气体；有时须要对实验产物100μl以下微量气体中的成分进行定量，如岩石真空热解或真空机械破碎脱出气体。气体质谱仪一般工作在高真空状态，工作压强往往低于1×10^-3Pa。因此，需要一个进样***将上述10ml以上常量气体或100μl以下微量气体，转化为低于1×10^-3Pa的气体，才能使用气体质谱仪分析其成分。

一些气体质谱仪采用细长毛细管，使气体样品以微小的流量源源不断流入质谱仪，质谱仪的高真空***不断地将流入的气体排出，形成动态真空，满足了工作压强低于1×10^-3Pa的要求。这种方法需要的气体压强较高，气体量也较多，气体流动过程复杂。有的分析***手动将样品引入一个容器，通过手动调节该容器与质谱仪之间的调节阀控制流入质谱仪的气体量，质谱仪的高真空***不断地将流入的气体排出，形成动态真空，使之满足工作压强低于1×10^-3Pa的要求。这种方法对气体压强及节流调节阀控制要求严格，操作难度较大。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种易测控、使用方便的高真空微量气体自动进样***。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供该高真空微量气体自动进样***的使用方法。

为解决上述问题，本发明所述的一种高真空微量气体自动进样***，其特征在于：该***包括自动控制装置、真空主管线及储样罐Ⅰ、储样罐Ⅱ、金属漏孔；所述真空主管线上设有进样口，其前端伸入高真空密封的气体装置中，其末端通过所述金属漏孔与高真空质谱仪相连，并与所述储样罐Ⅰ、所述储样罐Ⅱ相连；所述进样口与所述储样罐Ⅰ之间的所述真空主管线上设有真空支管Ⅰ；所述储样罐Ⅰ与所述储样罐Ⅱ之间的所述真空主管线上设有真空支管Ⅱ；所述真空支管Ⅰ的末端与所述真空支管Ⅱ相接，该真空支管Ⅱ的末端连有分子泵；所述分子泵连有机械泵；所述进样口与所述真空支管Ⅰ之间的所述真空主管线上设有气动高真空阀Ⅵ；所述真空支管Ⅰ上设有气动高真空阀Ⅲ；所述真空支管Ⅰ与所述储样罐Ⅰ之间的所述真空主管线上依次设有气动高真空阀Ⅴ、气动高真空阀Ⅱ；所述真空支管Ⅱ上设有气动高真空阀Ⅳ；所述储样罐Ⅰ通过气动高真空阀Ⅶ与所述真空主管线相接；所述储样罐Ⅱ通过气动高真空阀Ⅷ与所述真空主管线相接；所述储样罐Ⅱ与所述金属漏孔之间的所述真空主管线上设有气动高真空阀Ⅰ；所述自动控制装置包括设有RS232接口的计算机、空气压缩机、继电器板、电源；所述RS232接口与所述继电器板相连，该继电器板分别连有SV1~SV8共计8个电磁阀；所述8个电磁阀分别与所述空气压缩机和所述电源相连；所述8个电磁阀分别与所述气动高真空阀Ⅰ、气动高真空阀Ⅱ、气动高真空阀Ⅲ、气动高真空阀Ⅳ、气动高真空阀Ⅴ、气动高真空阀Ⅵ、气动高真空阀Ⅶ、气动高真空阀Ⅷ一一对应相连。

所述分子泵与所述机械泵之间设有低真空计。

所述分子泵无负载时入口压强小于1×10^-6Pa。

与所述气动高真空阀Ⅷ相对的所述真空主管线的另一侧设有薄膜真空计。

所述金属漏孔包括凹法兰和凸法兰；所述凹法兰与所述凸法兰之间设有带孔金属垫片。

如上所述的一种高真空微量气体自动进样***的使用方法，包括以下步骤：

⑴抽真空：

打开空气压缩机，进样口连接高真空密封的气体装置；

按下机械泵的电源开关，按下低真空计的电源开关，待低真空计显示压强<100Pa时，按下分子泵的电源开关，启动分子泵；

计算机控制电磁阀SV1打开，电磁阀SV2~SV8关闭，使气动高真空阀Ⅰ关闭，气动高真空阀Ⅱ、气动高真空阀Ⅲ、气动高真空阀Ⅳ、气动高真空阀Ⅴ、气动高真空阀Ⅵ、气动高真空阀Ⅶ、气动高真空阀Ⅷ打开，***抽真空，通过低真空计和薄膜真空计观察***的真空度；当低真空计显示压强<10Pa，薄膜真空计显示压强<0.2Pa时，进行气体样品引入和压强测量；

⑵气体样品引入和压强测量：

关闭气动高真空阀Ⅵ，等脱气完毕，关闭气动高真空阀Ⅱ、气动高真空阀Ⅲ、气动高真空阀Ⅳ、气动高真空阀Ⅴ、气动高真空阀Ⅶ、气动高真空阀Ⅷ，通过打开气动高真空阀Ⅵ，关闭气动高真空阀Ⅵ，打开气动高真空阀Ⅴ，关闭气动高真空阀Ⅴ，打开气动高真空阀Ⅱ，关闭气动高真空阀Ⅱ，将气体分步引入到薄膜真空计的测量区域，测量气体的压强；

当压强＞200Pa时，打开气动高真空阀Ⅶ或气动高真空阀Ⅷ，将样品扩散到储样罐Ⅰ或储样罐Ⅱ中；

当压强＜0.2Pa时，通过多次打开气动高真空阀Ⅵ，关闭气动高真空阀Ⅵ，打开气动高真空阀Ⅴ，关闭气动高真空阀Ⅴ，打开气动高真空阀Ⅱ，关闭气动高真空阀Ⅱ的过程，或者直接将打开气动高真空阀Ⅵ、气动高真空阀Ⅴ、气动高真空阀Ⅱ，全部打开后再全部关闭，将气体压强控制在0.2Pa ~200Pa范围内；

⑶气体样品引出到质谱仪：

当薄膜真空计测量的气体压强在0.2Pa ~200Pa之间时，打开气动高真空阀Ⅰ，金属漏孔控制出口气体压强，使其压强≤1×10^-3Pa，连有动态真空四极质谱仪或磁质谱仪分析气体的组成；

⑷剩余气体排出：

质谱分析完毕，关闭气动高真空阀Ⅰ，打开气动高真空阀Ⅳ、气动高真空阀Ⅶ、气动高真空阀Ⅷ，排出储样罐Ⅰ或储样罐Ⅱ中的气体，以及气动高真空阀Ⅰ、气动高真空阀Ⅳ、气动高真空阀Ⅶ、气动高真空阀Ⅷ和薄膜真空计之间的气体。

所述步骤⑴中进样口的最低气体量为常温常压下0.1μl。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

1、由于本发明将高真空密封的气体装置连接到高真空进样***，使得***中的空气背景压强很小（低于薄膜真空计的检测限0.1Pa），气体装置产生的微量气体在压差的作用下被引入到进样***并由薄膜真空计记录其压强，并由此确定其气体量，因此可以进行微量气体的分析。

2、本发明采用薄膜真空计检测气体的压强，气体压强与被检测气体的分子种类无关，气体压强易于测量。在实施过程中，从进样口注入已知气体量的气体（如20℃，101kPa下1ml空气），将其按照未知气体量的气体同样的步骤引入到薄膜真空计检测区域，通过二者压强的比，确定未知气体的气体量，因此定量方法简单。

3、本发明将进样口气体分段引入到检测区，并有两个不同体积储样罐作为缓冲，易于控制气体的压强，进样***末端通过金属漏孔与高真空质谱仪相连，控制进入高真空质谱仪的气体流量，不需要人为调节。

4、本发明由计算机自动控制高真空阀门的打开和关闭，避免了手动控制高真空阀关闭不严或关闭过死，造成高真空阀漏气或损伤的问题，也避免了操作人员由于频繁开关高真空阀而产生的劳累。

5、本发明气体压强控制在0.2Pa~200Pa范围内，气体以分子流的方式流入后续高真空质谱测量仪器，气体流动简单地服从分子流运动规律，简化了后续质谱的数据处理。

6、与常规气体分析质谱仪的进样***相比，本发明具有操作自动化、高真空样品引入、微量气体分析、气体压强易测控和定量方法简单等特点，可作为高真空质谱仪的进样***，以满足微量气体质谱分析的要求。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明。

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明中金属漏孔的结构示意图。

图3为本发明中自动控制装置的结构示意图。

图中：1—进样口2—薄膜真空计 3—金属漏孔 31—凹法兰 32—凸法兰  4—低真空计   5—分子泵   6—机械泵   7—气体装置   8—储样罐Ⅰ   9—储样罐Ⅱ 10—气动高真空阀Ⅰ 11—气动高真空阀Ⅱ12—气动高真空阀Ⅲ    13—气动高真空阀Ⅳ    14—气动高真空阀Ⅴ 15—气动高真空阀Ⅵ     16—气动高真空阀Ⅶ 17—气动高真空阀Ⅷ 18—真空主管线 19—真空支管Ⅰ     20—真空支管Ⅱ 21—计算机22—空气压缩机23—继电器板 24—RS232接口 25—电磁阀  26—电源。

具体实施方式

如图1~3所示，一种高真空微量气体自动进样***，该***包括自动控制装置、真空主管线18及储样罐Ⅰ8、储样罐Ⅱ9、金属漏孔3。

真空主管线18上设有进样口1，其前端伸入高真空密封的气体装置7中，其末端通过金属漏孔3与高真空质谱仪相连，并与储样罐Ⅰ8、储样罐Ⅱ9相连；进样口1与储样罐Ⅰ8之间的真空主管线18上设有真空支管Ⅰ19；储样罐Ⅰ8与储样罐Ⅱ9之间的真空主管线18上设有真空支管Ⅱ20；真空支管Ⅰ19的末端与真空支管Ⅱ20相接，该真空支管Ⅱ20的末端连有分子泵5；分子泵5连有机械泵6；进样口1与真空支管Ⅰ19之间的真空主管线18上设有气动高真空阀Ⅵ15；真空支管Ⅰ19上设有气动高真空阀Ⅲ12；真空支管Ⅰ19与储样罐Ⅰ8之间的真空主管线18上依次设有气动高真空阀Ⅴ14、气动高真空阀Ⅱ11；真空支管Ⅱ20上设有气动高真空阀Ⅳ13；储样罐Ⅰ8通过气动高真空阀Ⅶ16与真空主管线18相接；储样罐Ⅱ9通过气动高真空阀Ⅷ17与真空主管线18相接；储样罐Ⅱ9与金属漏孔3之间的真空主管线18上设有气动高真空阀Ⅰ10；自动控制装置包括设有RS232接口24的计算机21、空气压缩机22、继电器板23、电源26；RS232接口24与继电器板23相连，该继电器板23分别连有SV1~SV8共计8个电磁阀25；8个电磁阀25分别与空气压缩机22和电源26相连；8个电磁阀25分别与气动高真空阀Ⅰ10、气动高真空阀Ⅱ11、气动高真空阀Ⅲ12、气动高真空阀Ⅳ13、气动高真空阀Ⅴ14、气动高真空阀Ⅵ15、气动高真空阀Ⅶ16、气动高真空阀Ⅷ17一一对应相连。

其中：分子泵5与机械泵6之间设有低真空计4。分子泵5无负载时入口压强小于1×10^-6Pa。

与气动高真空阀Ⅷ17相对的真空主管线18的另一侧设有薄膜真空计2。

金属漏孔3包括凹法兰31和凸法兰32；凹法兰31与凸法兰32之间设有带孔金属垫片。

以岩石真空热解脱出气体为例，高真空密封的气体装置7是指将一端封闭高真空石英管伸入到井式电炉中，其另一端与进样口1相连。

该高真空微量气体自动进样***的使用方法，包括以下步骤：

⑴抽真空：

打开空气压缩机22，高真空石英管中装入岩石样品，进样口1连接高真空密封的气体装置7，井式电炉加热岩石样品即可产生微量气体。其中进样口1的最低气体量为常温常压下0.1μl。

按下机械泵6的电源开关，按下低真空计4的电源开关，待低真空计4显示压强<100Pa时，按下分子泵5的电源开关，启动分子泵5。

计算机21控制电磁阀25SV1打开，电磁阀25SV2~SV8关闭，使气动高真空阀Ⅰ10关闭，气动高真空阀Ⅱ11、气动高真空阀Ⅲ12、气动高真空阀Ⅳ13、气动高真空阀Ⅴ14、气动高真空阀Ⅵ15、气动高真空阀Ⅶ16、气动高真空阀Ⅷ17打开，***抽真空，通过低真空计4和薄膜真空计2观察***的真空度；当低真空计4显示压强<10Pa，薄膜真空计2显示压强<0.2Pa时，进行气体样品引入和压强测量。

⑵气体样品引入和压强测量：

关闭气动高真空阀Ⅵ15，等脱气完毕，关闭气动高真空阀Ⅱ11、气动高真空阀Ⅲ12、气动高真空阀Ⅳ13、气动高真空阀Ⅴ14、气动高真空阀Ⅶ16、气动高真空阀Ⅷ17，通过打开气动高真空阀Ⅵ15，关闭气动高真空阀Ⅵ15，打开气动高真空阀Ⅴ14，关闭气动高真空阀Ⅴ14，打开气动高真空阀Ⅱ11，关闭气动高真空阀Ⅱ11，将气体分步引入到薄膜真空计2的测量区域，测量气体的压强。

当压强＞200Pa时，打开气动高真空阀Ⅶ16或气动高真空阀Ⅷ17，将样品扩散到储样罐Ⅰ8或储样罐Ⅱ9中，以降低压强。

当压强＜0.2Pa时，通过多次打开气动高真空阀Ⅵ15，关闭气动高真空阀Ⅵ15，打开气动高真空阀Ⅴ14，关闭气动高真空阀Ⅴ14，打开气动高真空阀Ⅱ11，关闭气动高真空阀Ⅱ11的过程，或者直接将打开气动高真空阀Ⅵ15、气动高真空阀Ⅴ14、气动高真空阀Ⅱ11，全部打开后再全部关闭，将气体压强控制在0.2Pa ~200Pa范围内。

其中：气体样品引入和压强测量过程中，各高真空阀开启和关闭时间间隔控制到2s以上，以使得气体从进样口1到薄膜真空计2之间组成不发生分流。

⑶气体样品引出到质谱仪：

当薄膜真空计2测量的气体压强在0.2Pa ~200Pa之间时，打开气动高真空阀Ⅰ10，金属漏孔3控制出口气体压强，使其压强≤1×10^-3Pa，连有动态真空四极质谱仪或磁质谱仪（如MAT271型质谱计）分析气体的组成。

⑷剩余气体排出：

质谱分析完毕，关闭气动高真空阀Ⅰ10，打开气动高真空阀Ⅳ13、气动高真空阀Ⅶ16、气动高真空阀Ⅷ17，排出储样罐Ⅰ8或储样罐Ⅱ9中的气体，以及气动高真空阀Ⅰ10、气动高真空阀Ⅳ13、气动高真空阀Ⅶ16、气动高真空阀Ⅷ17和薄膜真空计2之间的气体。

上述步骤结束后，还可以按下述方法进行气体量的标定：

进样口1处连接改为一个三通接头，两头照原样连接气体装置7和气动高真空阀Ⅵ15，第三头用色谱垫堵住，执行步骤⑴抽真空；关闭气动高真空阀Ⅵ15，向色谱垫堵住的接头定量注入温度为20℃、压强为101kPa、体积为0.01~1ml的气体，除步骤⑵的中“关闭气动高真空阀Ⅵ15，等脱气完毕”不执行外，执行步骤⑵其余部分，阀门操作过程与岩石脱气时完全相同，由薄膜真空计2测得气体压强。假设通过步骤⑴和步骤⑵由薄膜真空计2测得岩石脱气气体压强为0.3Pa，向色谱垫堵住的接头注入的气体体积为1ml且由薄膜真空计2测得气体压强为60Pa，即可计算出岩石脱出气体在温度20℃，压强101kPa时的体积为5μl。

气体量的标定并不是每一次实施都需要的，对于阀门操作过程完全相同的一组实验，只需要做一次操作，建立气体量与薄膜真空计2测得的气体压强之间的关系就可以了。

Claims (7)

1.一种高真空微量气体自动进样***，其特征在于：该***包括自动控制装置、真空主管线（18）及储样罐Ⅰ（8）、储样罐Ⅱ（9）、金属漏孔（3）；所述真空主管线（18）上设有进样口（1），其前端伸入高真空密封的气体装置（7）中，其末端通过所述金属漏孔（3）与高真空质谱仪相连，并与所述储样罐Ⅰ（8）、所述储样罐Ⅱ（9）相连；所述进样口（1）与所述储样罐Ⅰ（8）之间的所述真空主管线（18）上设有真空支管Ⅰ（19）；所述储样罐Ⅰ（8）与所述储样罐Ⅱ（9）之间的所述真空主管线（18）上设有真空支管Ⅱ（20）；所述真空支管Ⅰ（19）的末端与所述真空支管Ⅱ（20）相接，该真空支管Ⅱ（20）的末端连有分子泵（5）；所述分子泵（5）连有机械泵（6）；所述进样口（1）与所述真空支管Ⅰ（19）之间的所述真空主管线（18）上设有气动高真空阀Ⅵ（15）；所述真空支管Ⅰ（19）上设有气动高真空阀Ⅲ（12）；所述真空支管Ⅰ（19）与所述储样罐Ⅰ（8）之间的所述真空主管线（18）上依次设有气动高真空阀Ⅴ（14）、气动高真空阀Ⅱ（11）；所述真空支管Ⅱ（20）上设有气动高真空阀Ⅳ（13）；所述储样罐Ⅰ（8）通过气动高真空阀Ⅶ（16）与所述真空主管线（18）相接；所述储样罐Ⅱ（9）通过气动高真空阀Ⅷ（17）与所述真空主管线（18）相接；所述储样罐Ⅱ（9）与所述金属漏孔（3）之间的所述真空主管线（18）上设有气动高真空阀Ⅰ（10）；所述自动控制装置包括设有RS232接口（24）的计算机（21）、空气压缩机（22）、继电器板（23）、电源（26）；所述RS232接口（24）与所述继电器板（23）相连，该继电器板（23）分别连有SV1~SV8共计8个电磁阀（25）；所述8个电磁阀（25）分别与所述空气压缩机（22）和所述电源（26）相连；所述8个电磁阀（25）分别与所述气动高真空阀Ⅰ（10）、气动高真空阀Ⅱ（11）、气动高真空阀Ⅲ（12）、气动高真空阀Ⅳ（13）、气动高真空阀Ⅴ（14）、气动高真空阀Ⅵ（15）、气动高真空阀Ⅶ（16）、气动高真空阀Ⅷ（17）一一对应相连。

2.如权利要求1所述的一种高真空微量气体自动进样***，其特征在于：所述分子泵（5）与所述机械泵（6）之间设有低真空计（4）。

3.如权利要求1所述的一种高真空微量气体自动进样***，其特征在于：所述分子泵（5）无负载时入口压强小于1×10^-6Pa。

4.如权利要求1所述的一种高真空微量气体自动进样***，其特征在于：与所述气动高真空阀Ⅷ（17）相对的所述真空主管线（18）的另一侧设有薄膜真空计（2）。

5.如权利要求1所述的一种高真空微量气体自动进样***，其特征在于：所述金属漏孔（3）包括凹法兰（31）和凸法兰（32）；所述凹法兰（31）与所述凸法兰（32）之间设有带孔金属垫片。

6.如权利要求1所述的一种高真空微量气体自动进样***的使用方法，包括以下步骤：

⑴抽真空：

打开空气压缩机（22），进样口（1）连接高真空密封的气体装置（7）；

按下机械泵（6）的电源开关，按下低真空计（4）的电源开关，待低真空计（4）显示压强<100Pa时，按下分子泵（5）的电源开关，启动分子泵（5）；

计算机（21）控制电磁阀（25）SV1打开，电磁阀（25）SV2~SV8关闭，使气动高真空阀Ⅰ（10）关闭，气动高真空阀Ⅱ（11）、气动高真空阀Ⅲ（12）、气动高真空阀Ⅳ（13）、气动高真空阀Ⅴ（14）、气动高真空阀Ⅵ（15）、气动高真空阀Ⅶ（16）、气动高真空阀Ⅷ（17）打开，***抽真空，通过低真空计（4）和薄膜真空计（2）观察***的真空度；当低真空计（4）显示压强<10Pa，薄膜真空计（2）显示压强<0.2Pa时，进行气体样品引入和压强测量；

⑵气体样品引入和压强测量：

关闭气动高真空阀Ⅵ（15），等脱气完毕，关闭气动高真空阀Ⅱ（11）、气动高真空阀Ⅲ（12）、气动高真空阀Ⅳ（13）、气动高真空阀Ⅴ（14）、气动高真空阀Ⅶ（16）、气动高真空阀Ⅷ（17），通过打开气动高真空阀Ⅵ（15），关闭气动高真空阀Ⅵ（15），打开气动高真空阀Ⅴ（14），关闭气动高真空阀Ⅴ（14），打开气动高真空阀Ⅱ（11），关闭气动高真空阀Ⅱ（11），将气体分步引入到薄膜真空计（2）的测量区域，测量气体的压强；

当压强＞200Pa时，打开气动高真空阀Ⅶ（16）或气动高真空阀Ⅷ（17），将样品扩散到储样罐Ⅰ（8）或储样罐Ⅱ（9）中；

当压强＜0.2Pa时，通过多次打开气动高真空阀Ⅵ（15），关闭气动高真空阀Ⅵ（15），打开气动高真空阀Ⅴ（14），关闭气动高真空阀Ⅴ（14），打开气动高真空阀Ⅱ（11），关闭气动高真空阀Ⅱ（11）的过程，或者直接将打开气动高真空阀Ⅵ（15）、气动高真空阀Ⅴ（14）、气动高真空阀Ⅱ（11），全部打开后再全部关闭，将气体压强控制在0.2Pa ~200Pa范围内；

⑶气体样品引出到质谱仪：

当薄膜真空计（2）测量的气体压强在0.2Pa ~200Pa之间时，打开气动高真空阀Ⅰ（10），金属漏孔（3）控制出口气体压强，使其压强≤1×10^-3Pa，连有动态真空四极质谱仪或磁质谱仪分析气体的组成；

⑷剩余气体排出：

质谱分析完毕，关闭气动高真空阀Ⅰ（10），打开气动高真空阀Ⅳ（13）、气动高真空阀Ⅶ（16）、气动高真空阀Ⅷ（17），排出储样罐Ⅰ（8）或储样罐Ⅱ（9）中的气体，以及气动高真空阀Ⅰ（10）、气动高真空阀Ⅳ（13）、气动高真空阀Ⅶ（16）、气动高真空阀Ⅷ（17）和薄膜真空计（2）之间的气体。

7.如权利要求6所述的一种高真空微量气体自动进样***的分析方法，其特征在于：所述步骤⑴中进样口（1）的最低气体量为常温常压下0.1μl。