脈沖氦離子化氣相色譜儀權(quán)利要求

1.一種脈沖氦離子化氣相色譜儀，包括載氣單元、取樣單元、氣路控制單元，電路控制單元，分離單元和檢測(cè)單元，其特征在于：還包括尾氣處理單元及信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理單元，所述的尾氣處理單元接收分離單元排出的廢氣，所述尾氣處理單元是加吸附劑的高溫解毒裝置，所述信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理單元為反控色譜工作站，完成譜圖的采集和數(shù)據(jù)后處理工作，對(duì)分離單元的被測(cè)氣體進(jìn)行各組分的定性定量分析，所述載氣單元為載氣處理單元，由固態(tài)過(guò)濾器和氦氣純化器構(gòu)成，提供高純度載氣給分離單元，所述取樣單元為取樣和自動(dòng)進(jìn)樣單元，由無(wú)死體積帶放空取樣閥、帶吹掃十通閥和定體積采樣管構(gòu)成，樣品氣進(jìn)入分離單元時(shí)，保證切換時(shí)無(wú)空氣滲漏而影響分析系統(tǒng)，所述分離單元為三閥四柱切換流程，所述的三閥四柱為第一帶吹掃四通閥（2-8）、第二帶吹掃四通閥（2-9）、帶吹掃十通閥（2-7）、第一高分子聚合物色譜柱（2-11）、第一5A分子篩色譜柱（2-12）、第二高分子聚合物色譜柱（2-13）和第二5A分子篩色譜柱（2-14）構(gòu)成，采用前切、后切、中心切割手段完成組分的全分離，所述檢測(cè)單元為脈沖氦離子化檢測(cè)器和熱導(dǎo)檢測(cè)器；分析高純氬氣時(shí)，分析過(guò)程如下：帶吹掃十通閥（2-7）切換，定體積采樣管中的樣品在99.999％高純氦載氣（2-4）的帶動(dòng)下進(jìn)入第一高分子聚合物色譜柱（2-11）預(yù)分離，當(dāng)主峰完全進(jìn)入第一5A分子篩色譜柱（2-12）轉(zhuǎn)動(dòng)帶吹掃十通閥（2-7）讓剩余組分進(jìn)入第二高分子聚合物色譜柱（2-13）再次分離，進(jìn)入第一5A分子篩色譜柱（2-12）中的樣品再次分離H₂最先流出進(jìn)脈沖氦離子化檢測(cè)器檢測(cè)，H₂出完后轉(zhuǎn)動(dòng)第一帶吹掃四通閥（2-8）讓主組分Ar通過(guò)熱導(dǎo)檢測(cè)器監(jiān)測(cè)放空，當(dāng)N₂出來(lái)之前轉(zhuǎn)動(dòng)第一帶吹掃四通閥（2-8）讓剩余的Ar、N₂、CH₄、CO進(jìn)入第二5A分子篩色譜柱（2-14）再次分離，經(jīng)過(guò)第二5A分子篩色譜柱（2-14）分離出來(lái)的Ar通過(guò)切換第二帶吹掃四通閥（2-9）來(lái)選擇放空或進(jìn)脈沖氦離子化檢測(cè)器，通過(guò)調(diào)整載氣流速使第二高分子聚合物色譜柱（2-13）中分離出的CO₂在H₂出完后進(jìn)脈沖氦離子化檢測(cè)器檢測(cè)。

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的脈沖氦離子化氣相色譜儀，其特征在于：所述氣路控制單元設(shè)有確保載氣壓力和流量穩(wěn)定的載氣穩(wěn)壓裝置流量控制器。

《脈沖氦離子化氣相色譜儀》涉及一種用于高純氣體和電子工業(yè)氣體檢測(cè)領(lǐng)域的脈沖氦離子化氣相色譜儀。

圖1是《脈沖氦離子化氣相色譜儀》安裝布局示意圖；

圖2是《脈沖氦離子化氣相色譜儀》氣路流程圖；

圖3是《脈沖氦離子化氣相色譜儀》的氦離子化檢測(cè)器示意圖；

圖4是《脈沖氦離子化氣相色譜儀》尾氣處理單元示意圖；

圖中：1-1、色譜柱箱；1-2、氦離子化檢測(cè)器；1-3、輔助柱箱；1-4、自動(dòng)切換閥；1-5、電路控制單元；1-6、氣路控制單元；1-7、信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理單元；1-8、尾氣處理單元；

2-1、樣品氣；2-2、帶放空取樣針閥；2-3、固態(tài)過(guò)濾器；2-4、99.999％高純氦載氣；2-5、固態(tài)過(guò)濾器；2-6、氦氣純化器；2-7、帶吹掃十通閥；2-8、帶吹掃四通閥；2-9、帶吹掃四通閥；2-10、定體積采樣管；2-11、高分子聚合物色譜柱（預(yù)切柱）；2-12、5A分子篩色譜柱；2-13、高分子聚合物色譜柱；2-14、5A分子篩色譜柱；2-15、脈沖氦離子化檢測(cè)器；

3-1、放電氣入口；3-2、放電電極；3-3、收集極；3-4、色譜柱接口；3-5、尾氣出口；3-6、偏轉(zhuǎn)電極；3-7、透光管；3-8、檢測(cè)器池體上座；3-9、檢測(cè)器池體下座；3-10、加熱棒和鉑電阻；

4-1、兩通電磁閥；4-2、兩通電磁閥；4-3、兩通電磁閥；4-4、真空泵；4-5、三通電磁閥；4-6、三通電磁閥；4-7、兩通電磁閥；4-8、吸收瓶；4-9、高溫反應(yīng)裝置。

脈沖氦離子化氣相色譜儀專(zhuān)利目的

《脈沖氦離子化氣相色譜儀》的目的是提出一種可一次進(jìn)樣完成氣體所有雜質(zhì)組分全分析的儀器，公開(kāi)一種脈沖氦離子化氣相色譜儀。

脈沖氦離子化氣相色譜儀技術(shù)方案

《脈沖氦離子化氣相色譜儀》是這樣實(shí)現(xiàn)的：一種脈沖氦離子化氣相色譜儀，包括載氣單元、取樣單元、氣路控制單元，電路控制單元，分離單元和檢測(cè)單元，其特征在于：還包括尾氣處理單元及信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理單元，所述的尾氣處理單元接收分離單元排出的廢氣，它是加吸附劑的高溫解毒裝置。所述信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理單元為反控色譜工作站，可完成譜圖的采集與數(shù)據(jù)后處理工作，對(duì)分離單元的被測(cè)氣體進(jìn)行各組分的定性定量分析。所述載氣單元為載氣處理單元由固態(tài)過(guò)濾器和氦氣純化器構(gòu)成，提供高純度載氣給分離單元。所述取樣單元為取樣和自動(dòng)進(jìn)樣單元，由無(wú)死體積帶放空取樣閥、帶吹掃自動(dòng)六通閥和定體積采樣管構(gòu)成，采樣氣進(jìn)入分離單元時(shí)，保證切換時(shí)無(wú)空氣滲漏而影響分析系統(tǒng)。所述分離單元設(shè)有3個(gè)帶吹掃的自動(dòng)切換閥：1個(gè)為帶吹掃的六通閥，2個(gè)為帶吹掃的四通閥。采用三閥四柱切換流程，運(yùn)用前切、后切、中心切割手段完成組分的全分離。所述檢測(cè)單元為脈沖氦離子化檢測(cè)器。所述氣體控制單元設(shè)有確保載氣壓力和流量穩(wěn)定的載氣穩(wěn)壓裝置流量控制器。

所述電路控制單元設(shè)有操作和控溫電路，信號(hào)放大電路、檢測(cè)器脈沖高壓電路。所述分離單元設(shè)有三個(gè)帶吹掃的自動(dòng)切換閥。所述檢測(cè)單元為脈沖氦離子化檢測(cè)器。

高純氣體的分析是受多方面因素制約的，光有高靈敏度檢測(cè)器并不能解決問(wèn)題，《脈沖氦離子化氣相色譜儀》產(chǎn)品脈沖氦離子化氣相色譜儀從取樣方式、載氣處理、檢測(cè)器、分離方法、色譜柱和管道處理等幾個(gè)方面做了重大突破。

一、樣品取樣方式的改變

配備了無(wú)死體積帶放空專(zhuān)用取樣閥，取樣閥是帶放空吹掃的耐高壓針型閥，樣品進(jìn)口加裝高精度的固態(tài)過(guò)濾器，降低了樣品中固體顆粒對(duì)閥件的損害。采用帶吹掃保護(hù)的進(jìn)樣方式，避免了空氣滲入的問(wèn)題，使所取樣品具有代表性，將取樣過(guò)程對(duì)分析的影響降至最低。

二、載氣純度的提高

從色譜的檢測(cè)原理來(lái)看，載氣的純度至少要高于樣品一個(gè)數(shù)量級(jí)，要檢測(cè)高純度的氣體，所用載氣純度就要更高，所以?xún)x器在高純度氦載氣出口處配備了高精度的固態(tài)過(guò)濾器和氦氣純化器，固態(tài)過(guò)濾器可將載氣中固體顆粒降至2微米以下，氦氣純化器的純化機(jī)制是一種無(wú)揮發(fā)性的吸附合金，具有良好的熱穩(wěn)定性，理論上可將載氣純化到10十億分比濃度以下，雜質(zhì)吸附能力強(qiáng)，使用方便，直接接通電源即可完成操作，載氣純度可達(dá)8N級(jí)。

三、采樣的準(zhǔn)確性、進(jìn)樣閥和切換閥空氣吹掃及滲漏問(wèn)題的解決

分析所用樣品定量由定體積采樣管和通過(guò)采樣管的氣體流量決定，流量可由樣品出口處安裝的流量計(jì)調(diào)節(jié)，采用帶吹掃功能的進(jìn)樣閥和切換閥，使閥平面始終處于載氣氛圍中，保證切換時(shí)無(wú)空氣滲漏而影響分析系統(tǒng)。

四、切換流程的選擇

儀器上的兩個(gè)輔助柱箱可分別隨意設(shè)定溫度，根據(jù)具體分析要求可放置不同的色譜柱，設(shè)定不同的溫度條件。采用三閥四柱的切換流程，樣品通過(guò)在不同色譜柱間的切割與反吹，將主組分放空，雜質(zhì)組分通過(guò)改變各自分析柱的條件分別流入檢測(cè)器。解決了主組分和相鄰雜質(zhì)的分離問(wèn)題，可實(shí)現(xiàn)一次進(jìn)樣完成所有雜質(zhì)組分的分離，也可以滿(mǎn)足吸附氧和吸附二氧化碳的流程。

五、色譜柱和管道的處理

流程圖中的色譜柱為60~80目的高分子聚合物擔(dān)體，和60~80目分子篩色譜柱，色譜擔(dān)體均經(jīng)過(guò)特殊處理，有效的避免了氧、一氧化碳的吸附問(wèn)題，采用直徑1/8英寸的色譜柱，色譜柱管和氣路管道內(nèi)壁經(jīng)過(guò)鈍化處理，避免吸附問(wèn)題，所有的色譜柱接頭和氣路接頭均采用卡套式無(wú)死體積兩通接頭，確保系統(tǒng)氣路的氣密性。

六、檢測(cè)器的靈敏度

選用該公司的氦離子化檢測(cè)器，檢測(cè)限可達(dá)納克/克（十億分比濃度）級(jí)，是2009年8月前靈敏度最高的通用型檢測(cè)器，對(duì)除氖以外的所有無(wú)機(jī)和有機(jī)物均有很高響應(yīng)，非常適合永久性氣體的分析。

脈沖氦離子化氣相色譜儀有益效果

1、使用了新型的氦離子化檢測(cè)器，靈敏度更高，且無(wú)放射源存在，檢測(cè)器本身為一種脈沖高壓放電模式，對(duì)人無(wú)傷害，不污染環(huán)境。

2、閥切換流程使主組分不進(jìn)入檢測(cè)器，增加了分離度，提高了靈敏度。

3、所有進(jìn)樣和切換閥都是自動(dòng)運(yùn)行，比以往的手動(dòng)閥切換更準(zhǔn)確，更方便，而且分析時(shí)間縮短，提高了工作效率。

4、增加了尾氣處理單元，尤其對(duì)電子氣分析更加安全，減少對(duì)分析人員的傷害。

截至2009年8月，中國(guó)國(guó)內(nèi)對(duì)于高純氣體和電子工業(yè)氣體還沒(méi)有一種可以同時(shí)測(cè)定所有雜質(zhì)的儀器，傳統(tǒng)的氣相色譜儀配備轉(zhuǎn)化爐加氫火焰離子化檢測(cè)器，雖然靈敏度高，但只能測(cè)定一氧化碳、二氧化碳和碳?xì)浠衔?。而熱?dǎo)檢測(cè)器能測(cè)定無(wú)機(jī)組分但靈敏度又太低。也有一些配有高靈敏度檢測(cè)器的儀器出現(xiàn)，如氧化鋯檢測(cè)器，氬離子檢測(cè)器等，靈敏度雖然很高，但因?yàn)槎季哂羞x擇性，只能檢測(cè)某一種氣體或者要和其他分析儀器配合才能完成所有雜質(zhì)組分測(cè)定，所以換不能被大多數(shù)用戶(hù)接受。

高靈敏度檢測(cè)器的出現(xiàn)，將高純氣體分析至少提高2個(gè)數(shù)量級(jí)，脈沖氦離子化檢測(cè)器是一個(gè)通用檢測(cè)器，它對(duì)無(wú)機(jī)和有機(jī)組分都有很高的響應(yīng)，所以雜質(zhì)組分的分離又成了一個(gè)新問(wèn)題，傳統(tǒng)的高純氣體和電子工業(yè)氣體分析都采用六通閥進(jìn)樣，一根色譜柱分析，這樣主組分后的相鄰雜質(zhì)組分都在主峰的拖尾上，離主組分越近分離就越難。成為制約高純氣體檢測(cè)的又一瓶頸。

美國(guó)GOW-MAC也生產(chǎn)有一種氣體分析儀，其所用檢測(cè)器為直流氦離子化檢測(cè)器，雖然可以達(dá)到分析要求，但沒(méi)有取樣處理、尾氣處理和計(jì)算機(jī)反控單元，而且整機(jī)價(jià)格昂貴每臺(tái)達(dá)七十到一百多萬(wàn)元，很難被中國(guó)國(guó)內(nèi)用戶(hù)廣泛接受。因此，能滿(mǎn)足檢測(cè)結(jié)果的靈敏度，重復(fù)性，符合行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)且價(jià)格合理能為廣泛用戶(hù)接受的氦離子化色譜儀成為研究方向。

《脈沖氦離子化氣相色譜儀》通過(guò)以下方式實(shí)施：一種用于高純氣體和電子工業(yè)氣體檢測(cè)的氦離子化氣相色譜儀包括載氣處理單元、取樣和進(jìn)樣單元、氣路控制單元、電路控制單元、分離單元、檢測(cè)單元、尾氣處理單元、信號(hào)采集和數(shù)據(jù)處理單元。

載氣處理單元是在純度高于99.999％的高純氦氣2-4后面，接一高精度的固態(tài)過(guò)濾器2-5，后面再接一個(gè)氦氣純化器2-6。

取樣單元為取樣和自動(dòng)進(jìn)樣單元，由無(wú)死體積帶放空取樣閥、帶吹掃十通閥和定體積采樣管構(gòu)成，是一連接在樣品氣2-1鋼瓶上的帶放空取樣針閥2-2，后接一高精度固態(tài)過(guò)濾器2-3，通過(guò)不銹鋼管道再連接到帶吹掃十通閥2-7上，進(jìn)樣體積取決于裝在帶吹掃十通閥2-7上的定體積采樣管2-10。

氣路控制單元1-6位于儀器右側(cè)箱體，由載氣穩(wěn)定和控制流量部分組成，確保載氣壓力和流量的穩(wěn)定。

電路控制單元1-5位于所述氣路控制單元下部箱體，主要有操作和控溫電路，信號(hào)放大電路，檢測(cè)器脈沖高壓電路，合理的布局和高質(zhì)量的電器元件使電路部分更加穩(wěn)定，確保儀器的長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行。

分離單元由一個(gè)帶吹掃十通閥2-7，第一帶吹掃四通閥2-8、第二帶吹掃四通閥2-9第一高分子聚合物色譜柱2-11、第一5A分子篩色譜柱2-12、第二高分子聚合物色譜柱2-13和第二5A分子篩色譜柱2-14構(gòu)成，如附圖2連接而成，三個(gè)自動(dòng)切換閥1-4位于儀器上部，3根色譜柱位于中部色譜柱箱內(nèi)1-1，一根分子篩色譜柱位于輔助柱箱1-3中，通過(guò)在工作站上設(shè)定三個(gè)自動(dòng)閥的時(shí)間程序來(lái)完成切割。以分析高純氬氣為例，分析過(guò)程如下：帶吹掃十通閥2-7切換，定體積采樣管中的樣品在99.999％高純氦載氣2-4的帶動(dòng)下進(jìn)入第一高分子聚合物色譜柱2-11（即預(yù)切柱）預(yù)分離，當(dāng)主峰完全進(jìn)入第一5A分子篩色譜柱2-12轉(zhuǎn)動(dòng)帶吹掃十通閥2-7讓剩余組分進(jìn)入第二高分子聚合物色譜柱2-13再次分離，進(jìn)入第一5A分子篩色譜柱2-12中的樣品再次分離H₂最先流出進(jìn)氦離子化檢測(cè)器檢測(cè)，H₂出完后轉(zhuǎn)動(dòng)第一帶吹掃四通閥2-8讓主組分Ar通過(guò)熱導(dǎo)（TCD）檢測(cè)器監(jiān)測(cè)放空，當(dāng)N₂出來(lái)之前轉(zhuǎn)動(dòng)第一帶吹掃四通閥2-8讓剩余的Ar、N₂、CH₄、CO進(jìn)入第二5A分子篩色譜柱2-14再次分離，因?yàn)锳r為主組分，含量非常大，所以從第一5A分子篩色譜柱2-i2中出來(lái)的N₂、CH₄在主峰Ar的拖尾上，必須再次分離，經(jīng)過(guò)第二5A分子篩色譜柱2-14分離出來(lái)的Ar可通過(guò)切換第二帶吹掃四通閥2-9來(lái)選擇放空或進(jìn)氦離子化檢測(cè)器。通過(guò)調(diào)整載氣流速使第二高分子聚合物色譜柱2-13中分離出的CO₂在H₂出完后進(jìn)脈沖氦離子化檢測(cè)器檢測(cè)。對(duì)于不同氣體分析流程不變，只是三個(gè)閥的切換時(shí)間不同。

檢測(cè)單元為脈沖氦離子化檢測(cè)器和熱導(dǎo)檢測(cè)器。脈沖氦離子化檢測(cè)器1-2，位于儀器柱箱上部輔助柱箱1-3的前面。脈沖氦離子化檢測(cè)器結(jié)構(gòu)原理如附圖3所示，一路氦載氣從放電氣入口3-1處進(jìn)入檢測(cè)器池體，在放電電極3-2產(chǎn)生的高壓電場(chǎng)激發(fā)躍遷至基態(tài)，形成連續(xù)的高能輻射光，這個(gè)能量可電離除氖外的所有物質(zhì)，色譜柱接在色譜柱接口3-4。當(dāng)從色譜柱流出的組分被電離，在偏轉(zhuǎn)電極3-6的作用下形成離子流，被收集極3-3收集放大產(chǎn)生信號(hào)。氦離子化檢測(cè)器，包括放電部分、與放大器相連的信號(hào)收集部分和色譜柱，放電部分為置于檢測(cè)器池體上座3-8中的脈沖放電部分；信號(hào)收集部分和色譜柱依次置于檢測(cè)器池體下座3-9中；色譜柱旁設(shè)有加熱棒和鉑電阻3-10。

直流放電部分由兩個(gè)位置相對(duì)的發(fā)射極、一個(gè)透光管組成的放電部分。信號(hào)收集部分由位置相對(duì)的偏轉(zhuǎn)電極3-6和收集極3-3構(gòu)成，且位于透光管3-7的下方。上座與下座通過(guò)密封層相連，透光管的兩端位于發(fā)射極和收集極之間。

發(fā)射極的電極為0.2~0.5毫米的白金絲，其間距為0.8~1.2毫米。透光管3-7為無(wú)色藍(lán)寶石透光管。尾氣排出口3-5位于偏轉(zhuǎn)電極的下端。

信號(hào)采集與數(shù)據(jù)處理單元1-7為一安裝色譜工作站的電腦，電腦和儀器用數(shù)據(jù)線連接，通過(guò)工作站可實(shí)現(xiàn)電腦對(duì)色譜儀的控制，而且可完成對(duì)譜圖的結(jié)果處理和數(shù)據(jù)保存。在儀器開(kāi)始進(jìn)樣啟動(dòng)的同時(shí)，工作站也啟動(dòng)，開(kāi)始信號(hào)的采集并記錄，等采樣結(jié)束，譜圖讀取到后處理界面時(shí)，系統(tǒng)按照已存的標(biāo)準(zhǔn)信息表自動(dòng)計(jì)算結(jié)果并按默認(rèn)路徑保存。界面清楚，操作簡(jiǎn)單。

尾氣處理單元1-8是指將樣品出口和分析完的廢氣通過(guò)該裝置處理，使其可直接排入大氣中，對(duì)分析人員不會(huì)造成危害，也不會(huì)污染環(huán)境。分析中，由于樣品種類(lèi)多，有些腐蝕性氣體或毒性氣體不可直接排放，如附圖4所示：對(duì)于無(wú)毒、無(wú)腐蝕性的惰性氣體可打開(kāi)三通電磁閥4-5直接排空。對(duì)于有毒氣體如H₂S、SO₂等氣體則打開(kāi)三通電磁閥4-6和兩通電磁閥4-7將尾氣用堿液吸收。對(duì)于硅烷等氫化物氣體，則要先關(guān)閉兩通電磁閥4-2和4-3，打開(kāi)兩通電磁閥4-1和4-7，吹掃整個(gè)樣品氣路空氣，吹掃完成后，關(guān)閉兩通電磁閥4-1、4-2、4-7。打開(kāi)真空泵4-4和兩通電磁閥4-3對(duì)氣路抽真空，抽完后，再關(guān)閉兩通電磁閥4-3打開(kāi)兩通電磁閥4-2和三通電磁閥4-6，硅烷尾氣經(jīng)高溫反應(yīng)裝置吸收。高溫反應(yīng)裝置為內(nèi)裝吸附劑GDK-210，外加熱至380~450攝氏度的反應(yīng)裝置。《脈沖氦離子化氣相色譜儀》所采用的電磁閥和真空泵都可通過(guò)工作站控制，也可編時(shí)間程序自動(dòng)運(yùn)行。

《脈沖氦離子化氣相色譜儀》將幾個(gè)重要的部件有效地結(jié)合在一起，達(dá)到了理想的效果，穩(wěn)定的氣路控制和電路控制部分能確保儀器長(zhǎng)時(shí)間開(kāi)機(jī)工作，對(duì)于高純氣體中各項(xiàng)雜質(zhì)均能表現(xiàn)出很好的響應(yīng)，測(cè)定結(jié)果能滿(mǎn)足氣體標(biāo)準(zhǔn)要求。而且操作簡(jiǎn)單，整個(gè)運(yùn)行過(guò)程全部自動(dòng)化控制。

2021年6月24日，《脈沖氦離子化氣相色譜儀》獲得第二十二屆中國(guó)專(zhuān)利優(yōu)秀獎(jiǎng)。 2100433B