CN105954071A - 一种用于气体取样的小型化样品采集装置 - Google Patents

Abstract

本发明采用隔膜泵与四通球阀相结合，提供一种小型化气体样品采集装置。该装置由隔膜气泵、四通球阀、采样气瓶和气体管道四部分组成。隔膜泵采用正负压两用型气泵，既可以用来产生真空低压条件，又可以用来获得高压气体；四通球阀采用可快速连接的卡套管接口，并分别与隔膜泵的进气口、出气口、采样气瓶和采样气体接口相连；采样气瓶采用国标全金属气雾罐，小型轻便，成本低廉，无污染；气体管道全部采用卡套管接口相互连接。通过四通球阀切换隔膜泵的工作状态，分别对采样气瓶进行抽气和充气；循环切换实现采样气瓶的清洗预处理，并最终将高压样品气体充入到采样气瓶中。

Description

一种用于气体取样的小型化样品采集装置

技术领域

本发明涉及一种用于气体取样的小型化样品采集装置，可根据需要进行快速、便携的气体采样，适用于无法进行在线检测或者不需要实时测量，通过气体采样进行离线分析的领域。

背景技术

在进行气体分析时，首先需要对气体进行采样。根据分析的目的、样品的组成及其浓度水平、样品的物理化学性质(样品的溶解性、蒸气压、化学反应活性等)决定采用哪一种采集样品方法。通常用的采样方法有在线采样和离线采样，离线采样方法主要有直接采集、富集采集和化学反应采集等。其中直接采集法是最常用的方法之一，也是最简单和费用最低的方法，它只需将样品直接引进到采样容器之中就完成了采样的全过程。

采样容器主要分为刚性容器和塑性容器：刚性容器主要由玻璃或金属合金材料制成，如玻璃采样瓶，气密性玻璃注射器、不锈钢采样瓶等；塑性容器主要为高分子合成材料制成的气袋，如聚酯袋、聚四氟乙烯袋和铝箔加固的塑性气体袋等。使用容器直接采集空气和蒸气样品时，都存在着样品在容器中由于被吸附和渗透现象而引起样品组成发生变化或者它们的浓度出现损失的问题。与塑性容器相比，刚性容器在这方面具有较好的保存样品的特性，可以反复使用，特别是不锈钢容器是比较理想的采样工具；同时刚性容器也存在成本较高，需要复杂的清洗程序，采集的样品需要高纯惰性气体的加压操作后才能获得更大的样品利用率等缺点。当采样容器需要重复使用时，必须在每次采集样品之前对样品容器进行清洗、检漏和检测等程序。通常的清洗方法是反复地对容器进行抽真空和充入高纯氮气或零空气成正压的操作数次。通过压力变化检查容器的密闭情况，通过抽取容器中部分的空气样品进行分析以检查容器的清洗结果。

刚性容器可采用预先抽真空的方法进行现场的样品收集：即在样品收集之前将刚性容器抽成真空，在样品采集地点或者空间位置打开容器开关即可将气体样品自动地引进到容器之中，这种方法可在现场直接采集空气样品而无需任何动力设备。也可以利用采样气泵将气体样品直接引进到容器内，使容器形成正压，这样就可以将容器中的样品自动地和准确地释放出来，以进行进一步的样品分析。

气体样品采集过程的控制因素主要包括采集时间控制、采集流量控制和样品采集体积的控制等。刚性容器上装有真空压力表和气体流量调节阀等，可通过控制采样泵的流量的方法控制采集样品的时间周期。通过使用的容器体积大小和容器内的压力来控制样品的采集量。一般来说采集气体和蒸气样品都是瞬间完成的。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：

采用预抽真空方式进行气体样品采集时，如果需要经过长途运输才能到达样品采集位置，在运输过程中预抽真空的容器有可能发生泄漏，不能保证气体采集的可靠性；如果在采集样品的位置进行预处理，则需要额外的真空设备，对运输、供电等带来很多问题，也无法适应野外采集工作。另外，气体容器的选用也必须考虑成本和运输的问题，高压气瓶成本较高，且不能采用普通的运输途径运输。本发明意在解决上述预抽真空方法导致的泄露问题和气体容器成本高、不便于运输的问题，提出一种小型化气体样品采集解决方案。

本发明所采用的技术方案是：

利用采样泵充正压气体的方法进行气体采样：选用正负压两用的隔膜气泵进行气体采样，该泵既可以抽真空，也可以作为空气压力机使用，在气体采集现场利用样品气体对采样气瓶进行清洗预处理，并将样品气体充装到采样气瓶中；采样气瓶选用全金属国标气雾罐，该容器采用铝合金材料一体冲压或者马口铁材料电阻焊接而成，保证气密性的同时，还可在正压下工作；最高可达13个大气压，可以通过提高充装气体压力的方法减小气体容器体积，减小运输难度和成本；采样气瓶阀门采用国标气雾阀门，气密封性能良好，可反复进行充放气操作，使用寿命长；采样气瓶总体重量轻便，为批量化生产商品，成本低廉，适合气体采样和长时间保存等应用；采用四通球阀实现采样气瓶抽气和充气的一键切换，简便快捷，减少误操作的风险。

本发明的原理是：

采用样品气体对采样气瓶进行清洗，解决了预抽真空方法在运输过程中大气泄露进入气瓶的问题；经过多次反复抽真空充正压操作后，气瓶中原有污染物的含量降低到可以忽略的水平，避免了样品采集过程中的误差；采样气瓶中充正压气体，使得采样结束后环境中的气体不能进入气瓶，确保采样结果的正确性。隔膜气泵为完全无油泵，不会对样品产生污染。全金属采样气瓶也不会因为吸附气体等而引入采样偏差。

本发明与现有技术相比所具有的优点如下：

本发明采用正负压两用微型隔膜气泵，既可以用来产生真空低压条件，又可以用来获得高压气体，采用同一仪器即可实现对采样气瓶的清洗预处理与高压气体充装；

本发明采用采用手动式四通球阀进行***工作状态之间的切换，实现抽真空与充高压的一键式操作，非常适合野外采样操作；

本发明采用全金属快速接口一体化设计，总体结构体积小巧(135mm*110mm*101mm)，重量轻便(小于3公斤)，携带和使用方便，适合各类气体采集应用。

附图说明

图1为小型化气体样品采集装置抽气原理示意图；

图2为小型化气体样品采集装置充气原理示意图；

其中：1是正负压两用隔膜气泵，2是四通球阀，3是采样气瓶，4是空气压力表。

具体实施方式

隔膜泵采用德国KNF公司生产的微型气泵NPK 09DC，该泵为正负压两用型气泵：既可以用来抽真空，产生低压环境，又可以用来对气体进行压缩，获得高压气体。负压可以达到100mbar的真空度，高压最高可以获得7bar的输出压力，抽速15升/分钟，体积小巧(尺寸129mm*107mm*65mm)，重量轻便(1.6公斤)，采用直流供电(24V2.6A)，非常适合小型化仪器设备使用。

四通球阀采用美国世伟洛克生产的40系列一体式仪表球阀，工作压力可达170bar，在压降为0.68bar、3.4bar和6.8bar时空气流量分别可达到25L/min、67L/min和120L/min。阀座最大漏率为10^-4L/min。采用卡套管快速接头，满足采样***便携、易维护的使用状况。

采用铝合金板制成仪器盒，首先将隔膜气泵通过紧固螺丝固定在仪器盒的底部，隔膜泵供电接口在仪器盒的侧下方，采用标准直流供电接头连接；其次将四通球阀固定在相应的侧板上，将四通球阀的四个端口分别与隔膜泵进气口、出气口、采样气瓶转接管和样品气源转接管相连接；最后将仪器盒盖板安装好，通过球阀上的仪表固定螺纹将四通球阀固定在上盖板上，并在采样气瓶转接管道上安装压力表。

工作时首先将采样气瓶连接到设备上，连接电源，打开电源开关，隔膜泵开始工作：首先将四通球阀置于抽气方向，隔膜气泵进气口与采样气瓶连通，采样气瓶中原有的气体被抽出，形成低压真空环境；当压力到达隔膜气泵低压极限时，将四通球阀置于充气方向，隔膜气泵出气口与采样气瓶连通，向采样气瓶中充入高压气体。利用与采样气瓶连通的压力表监视压力变化。每次抽气最低气压为0.1bar，充气最高气压为7bar，一次充气-抽气循环仅有小于1.5％的气体残余。如此充气-抽气反复循环3次，则采样气瓶中原有残余气体的比例将降低到3ppm以下，达到可以忽略的水平。最后一次充气完成后，关闭采样气瓶上的阀门，并将其从采样装置上移除，采样完成。

Claims (3)

1.一种用于气体取样的小型化样品采集装置，其特征在于：采用直流供电的正负压两用微型隔膜气泵，对采样气瓶先预抽真空，再充装高压气体，在抽真空-充正压循环处理的过程中实现采样气瓶的清洗预处理；在气体采集量确定时，通过提高采样气体压力以减小采样气瓶的体积，增加采样***的便携性。

2.一种用于气体取样的小型化样品采集装置，其特征在于：采用四通球阀进行***工作状态之间的切换，实现抽真空与充高压的一键式操作，使用简便，避免误操作。

3.一种用于气体取样的小型化样品采集装置，其特征在于：采用国标气雾罐和配套接口组成采样气瓶，可充装13bar压力的气体，结构可靠，接口一致，价格低廉，可根据取样需要灵活更换不同容积的气瓶并进行长期保存。