專利名稱：脈沖熱導(dǎo)法測(cè)定金屬中氦裝置及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及將脈沖熱導(dǎo)定氫儀轉(zhuǎn)換成定氦儀的技術(shù)，具體為一種脈沖熱導(dǎo)法測(cè)定金屬中氦裝置及其應(yīng)用。
背景技術(shù)：
金屬中氦含量低，幾十年沒(méi)有測(cè)定金屬中氦的需求。近年來(lái)，隨著儲(chǔ)氦合金的研制和發(fā)展，金屬中氦的測(cè)定對(duì)此類新材料的研制必不可少。國(guó)外應(yīng)用惰氣熔融質(zhì)譜或氣相色譜法測(cè)定金屬中氦，國(guó)內(nèi)未見(jiàn)先例。為配合中國(guó)科學(xué)院金屬研究所儲(chǔ)氦合金研制課題，開(kāi)展金屬中氦測(cè)定的工作。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種可以將脈沖熱導(dǎo)定氫儀轉(zhuǎn)換成定氦儀的脈沖熱導(dǎo)法測(cè)定金屬中氦裝置及其應(yīng)用，應(yīng)用內(nèi)置氣標(biāo)腔氦氣標(biāo)定，固體氮鋼標(biāo)驗(yàn)證計(jì)算過(guò)程。
本發(fā)明的技術(shù)方案是脈沖熱導(dǎo)法測(cè)定金屬中氦裝置，包括快速接口、氧化銅爐，氧化銅爐包括石英爐管、玻璃棉、線狀氧化銅、電爐絲、加熱電源、溫控器，與石英爐管相連，石英爐管內(nèi)裝玻璃棉、線狀氧化銅，兩頭采用玻璃棉，中間采用線狀氧化銅，石英爐管外側(cè)設(shè)有電爐絲和測(cè)溫?zé)犭娕?，測(cè)溫?zé)犭娕寂c溫控器相連，電爐絲的加熱電源與溫控器相連，由溫控器控制加熱。
所述電爐絲外側(cè)設(shè)有保溫層，保溫層由石棉或硅藻土等材料制成。
所述脈沖熱導(dǎo)法測(cè)定金屬中氦裝置及其應(yīng)用，將定氫儀的蘇茨試劑管取下，用脈沖熱導(dǎo)法測(cè)定金屬中氦裝置的快速接口替換蘇茨試劑管，快速接口與氬氣出入口分別相通，進(jìn)行定氦，氬氣攜帶的氫氣、二氧化碳、一氧化碳、氦氣、氮?dú)庀冉?jīng)過(guò)氧化銅爐，由線狀氧化銅將CO完全氧化成CO2，H2氧化為H2O；再由凈化管的堿石棉和吸水劑將CO2和H2O吸收去除；He和N2被載入色譜柱進(jìn)行分離后，氦先出峰，設(shè)置積分時(shí)間在熱導(dǎo)檢測(cè)器檢測(cè)到氦峰后自動(dòng)停止，以去除氮峰的影響；計(jì)算機(jī)仍按氫的熱導(dǎo)系數(shù)積分計(jì)算氦峰，以[H]ppm的形式顯示和打印出來(lái)；最終經(jīng)校正和計(jì)算得到氦含量的結(jié)果。
所述氧化銅爐由溫控器控制溫度在580-600℃，以利于去除氫氣。
本發(fā)明的有益效果是1、本發(fā)明將定氫儀稍加改造就可以測(cè)定金屬中的氦含量。
2、本發(fā)明以儀器內(nèi)置氣標(biāo)系統(tǒng)結(jié)合快速接口轉(zhuǎn)換測(cè)定金屬中氦的方法簡(jiǎn)便有效。
3、本發(fā)明采用脈沖加熱、惰氣熔融熱導(dǎo)法能夠準(zhǔn)確測(cè)定固態(tài)試樣中氦。


圖1為RH-404型脈沖熱導(dǎo)定氫儀結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為氦氣氣標(biāo)的線性曲線。
具體實(shí)施例方式
如圖1所示RH-404脈沖熱導(dǎo)定氫儀，包括分析單元1和加熱提氣單元2，分析單元1包括氣路單元11、計(jì)算機(jī)12和檢測(cè)器13，氣路單元11設(shè)有凈化爐111、流量計(jì)112、凈化管113、蘇茨試劑管114、壓力表115、吸收管116等，加熱提氣單元2設(shè)有可以升降的脈沖電極爐21、吸塵器22等。脈沖電極爐21將金屬熔融過(guò)程中，通入氬氣進(jìn)行保護(hù)，氬氣經(jīng)凈化爐111、壓力表115、凈化管113至脈沖電極爐21，脈沖電極爐21工作過(guò)程中產(chǎn)生氫氣、二氧化碳、一氧化碳、氦氣、氮?dú)獾?，以氬氣為載氣，將氫氣、二氧化碳、一氧化碳、氦氣、氮?dú)鈹y帶，經(jīng)蘇茨試劑管114、吸收管116至檢測(cè)器13，凈化爐111的作用是去除氬氣中的雜質(zhì)，凈化管113和吸收管116內(nèi)裝堿石棉和吸水劑，堿石棉在上層，吸水劑在下層，可以吸收二氧化碳和水等，蘇茨試劑管114內(nèi)裝五氧化二碘，可以將一氧化碳轉(zhuǎn)化為二氧化碳。
如圖2所示本發(fā)明脈沖熱導(dǎo)法測(cè)定金屬中氦裝置結(jié)構(gòu)示意圖，包括快速接口3、氧化銅爐4，氧化銅爐4包括石英爐管41、玻璃棉42、線狀氧化銅43、電爐絲44、加熱電源45、溫控器46、金屬接頭47、保溫層48(石棉或硅藻土等材料制成)、測(cè)溫?zé)犭娕?9等，快速接口3取代蘇茨試劑管114，安裝于氬氣回路上，快速接口3兩端通過(guò)管路經(jīng)金屬接頭47與石英爐管41相連，石英爐管41內(nèi)裝玻璃棉42、線狀氧化銅43，兩頭采用玻璃棉42，中間采用線狀氧化銅43，石英爐管41外側(cè)設(shè)有電爐絲44，在石英爐管41與電爐絲44之間、于石英爐管41中部外側(cè)設(shè)有測(cè)溫?zé)犭娕?9，測(cè)溫?zé)犭娕?9與溫控器46相連，電爐絲44的加熱電源45與溫控器46相連，由溫控器46控制加熱。圖中箭頭A為氣入口，箭頭B為氣出口，箭頭C為氣路回路。
本發(fā)明研制過(guò)程如下1實(shí)驗(yàn)部分1.1儀器應(yīng)用美國(guó)力可公司產(chǎn)RH-404定氫儀，采用脈沖電極爐加熱、惰氣熔融法提氣；熱導(dǎo)法檢測(cè)。
1.2原理脈沖電極爐將試樣加熱，最高溫度可達(dá)3000℃。試樣在惰氣保護(hù)下熔融，氣體釋放，氬載氣將釋放的氣體帶入分析單元，經(jīng)氧化銅爐將CO氧化成CO2，H2氧化成H2O，然后再經(jīng)吸收管將雜質(zhì)氣吸收，由分析單元內(nèi)的熱導(dǎo)檢測(cè)器檢測(cè)被測(cè)氣體，再將測(cè)得信號(hào)送入計(jì)算機(jī)，按氫的系數(shù)計(jì)算出最終結(jié)果顯示和打印出來(lái)，經(jīng)過(guò)計(jì)算后得到氦的測(cè)定值。熱導(dǎo)系數(shù)為熱導(dǎo)法檢測(cè)和計(jì)算的重要參數(shù)，H2、He、N2、Ar四種氣體的分子量和熱導(dǎo)系數(shù)見(jiàn)表1。儀器出廠時(shí)，廠家給出了用氦氣替代氫做氣標(biāo)的標(biāo)定值，分析單元可以檢測(cè)到1.0μg/g數(shù)量級(jí)的氦氣。
表1四種氣體的摩爾量和熱導(dǎo)系數(shù)
孫傳經(jīng)，氣相色譜分析原理與技術(shù)，19811.3儀器的改造自制快速接口氧化銅爐，替換RH-404定氫儀上的蘇茨試劑管。氧化銅可將氫氧化成水后，由吸水劑去除；同時(shí)又可替代蘇茨試劑將一氧化碳氧化成二氧化碳。從整體上不改變?cè)鋬x功能，又將氫完全去除。
1.4定氦流程試樣投入加樣口，經(jīng)加熱脫氣后，自動(dòng)落入灼熱的石墨坩堝中。脈沖電極爐將坩堝加熱到2000-2200℃，在此溫度下，金屬中氦、氫和氮以單質(zhì)形式從熔融的試樣中釋放。試樣中的氧被石墨還原為CO和少量的CO2。氬載氣將釋放的氣體帶入分析單元，先經(jīng)過(guò)(改加的)氧化銅爐，將CO完全氧化成CO2。H2氧化為H2O，再由堿石棉和吸水劑將CO2和H2O吸收去除。He和N2被載入色譜柱進(jìn)行分離后，氦先出峰，設(shè)置積分時(shí)間在熱導(dǎo)檢測(cè)器檢測(cè)到氦峰后自動(dòng)停止，以去除氮峰的影響。由于未更改計(jì)算機(jī)軟件程序，計(jì)算機(jī)仍按氫的熱導(dǎo)系數(shù)積分計(jì)算氦峰，以[H]ppm的形式顯示和打印出來(lái)。最終經(jīng)校正和計(jì)算得到氦含量的結(jié)果。
2結(jié)果與討論2.1氦氣氣標(biāo)標(biāo)定本RH-404定氫儀出廠時(shí)，定量管自動(dòng)注射系統(tǒng)注入一針氫氣的氣標(biāo)值為16.12μg/g，注入一針氦氣的氣標(biāo)顯示值為9.82μg/g。兩種氣標(biāo)在相同的壓力，相同的溫度下，注入相同體積的標(biāo)氣。依據(jù)理想氣體狀態(tài)方程PV＝nRT，則每針注入氣體的摩爾數(shù)相同n氦＝n氫，設(shè)M為氣體的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)，μ為分子量則有M氦/μ氦＝M氫/μ氫；M氦＝(μ氦/μ氫)M氫＝(4.0026/2.0159)16.12＝32.01μg/g由此計(jì)算得注入一針氦氣的實(shí)際氣標(biāo)值為32.01μg/g，不同于顯示值9.82μg/g是因?yàn)橛?jì)算機(jī)按氫的熱導(dǎo)系數(shù)等參數(shù)計(jì)算造成。
氦含量∶顯示值＝32.01∶9.82氦含量＝(32.01/9.82)顯示值＝3.26顯示值2.2氦氣氣標(biāo)的線性氦氣氣標(biāo)的線性如圖3所示，當(dāng)注入氦氣的體積以整數(shù)倍增加時(shí)，氣標(biāo)檢測(cè)值也以相同的整數(shù)倍增加。
2.3氮鋼標(biāo)的標(biāo)定由于目前還沒(méi)有氦固態(tài)標(biāo)樣，用氮鋼標(biāo)進(jìn)行標(biāo)定，以驗(yàn)證氣態(tài)標(biāo)樣和固態(tài)標(biāo)樣的一致性。因?yàn)閺S家并未給出本儀器的氮?dú)鈽?biāo)定值，先用高純氮自行標(biāo)定，測(cè)得氮標(biāo)顯示值為1.42μg/g，據(jù)理想氣體狀態(tài)方程，注入一針氣體的摩爾數(shù)相同，按前述公式計(jì)算M氦=(μ氮/μ氫)M氫＝(28.0134/2.0159)16.12＝224.01μg/g氮含量＝(224.01/1.42)顯示值＝157.75顯示值應(yīng)用氮鋼標(biāo)[N]＝440±10μg/g標(biāo)定，實(shí)際測(cè)得顯示值為2.84μg/g，計(jì)算得[N]＝157.75×2.84＝448μg/g，落在標(biāo)樣允差范圍內(nèi)。應(yīng)用LECO氮鋼標(biāo)502-195[N]＝564±13μg/g標(biāo)定，顯示值為3.55μg/g，實(shí)測(cè)值[N]＝157.75×3.55＝560μg/g，完全落在標(biāo)樣允差范圍內(nèi)。
2.4金屬中氦的測(cè)定結(jié)果2.4.1試驗(yàn)條件分析條件采用錫囊包裹合金粉末試樣，5300W脫氣，5000W分析。
空白值石墨坩堝和錫囊的氦空白值均為0.00μg/g。
2.4.2實(shí)測(cè)結(jié)果測(cè)定了幾種合金的氦含量，Zr-Co合金1Al#試樣[He]＝5.3μg/g；Zr-Co合金5C3#的[He]＝2.4μg/g；La-Ni合金7R2#的[He]＝5.9μg/g；La-Ni合金8E5#的[He]＝9.8μg/g。
2.5討論2.5.1氣標(biāo)腔的絕對(duì)值問(wèn)題傳統(tǒng)氣標(biāo)用μl級(jí)微量注射器注入，本儀器用不銹鋼定量管機(jī)械注射，注入一針氫氣的氣標(biāo)絕對(duì)值為16.12μg或n＝7.996×10-6mol(樣重按1.0000g計(jì)算)。氣標(biāo)腔V的絕對(duì)值可以通過(guò)兩種途徑得到(1)由理想氣體狀態(tài)方程PV＝nRT；P＝40psi＝2.71atm；R＝0.08206atm·L/mol·K；T＝298K計(jì)算得V≈72μL或72mm3。然而2.7大氣壓的標(biāo)氣，并非理想氣體，計(jì)算出的V僅為近似值。(2)將氣標(biāo)腔管拆下后，用物理的方法量取V。拆氣標(biāo)腔管將會(huì)破壞原氣標(biāo)氣路，造成無(wú)法挽回的損失。測(cè)量定量管外壁直徑為Φ1.5mm長(zhǎng)度為40-60mm，由此估算出定量管的體積為62-92mm3，由此可見(jiàn)該儀器在標(biāo)定狀態(tài)下注入一針標(biāo)氣的體積約72μL，量值約為8.0×10-6mol。本文以注入一針標(biāo)氣的摩爾量相同為計(jì)算依據(jù)，氣標(biāo)腔的絕對(duì)值問(wèn)題并未影響到計(jì)算的精確度。
2.5.2氮固標(biāo)的可靠性RH-404定氫儀測(cè)定氦的修正系數(shù)為3.26，基本上可以接受。而氮的修正系數(shù)高達(dá)157.75，由此修正得到的氮含量的精確度比氫和氦大大降低。熱導(dǎo)檢測(cè)器的基本檢測(cè)原理基于載氣和被測(cè)氣體熱導(dǎo)系數(shù)之差，兩種氣體熱導(dǎo)系數(shù)差越大，相同條件下，測(cè)量臂和參考臂差值越大信號(hào)越強(qiáng)。由表1可見(jiàn)氫、氦與氬的熱導(dǎo)系數(shù)差大，分別為37.6和30.8；氮與氬的熱導(dǎo)系數(shù)差小，僅為1.8。氬作載氣熱導(dǎo)法檢測(cè)氮，信號(hào)弱靈敏度低，幾乎末見(jiàn)用氬作載氣的脈沖熱導(dǎo)定氮儀。本文中用氮鋼標(biāo)標(biāo)定，并未涉及氫和高氮聯(lián)測(cè)靈敏度的問(wèn)題，僅為驗(yàn)證計(jì)算方式的正確性，氣標(biāo)和固標(biāo)的一致性。
3結(jié)論3.1RH-404定氫儀稍加改造就可以測(cè)定金屬中氦。
3.2以儀器內(nèi)置氣標(biāo)系統(tǒng)結(jié)合快速接口轉(zhuǎn)換測(cè)定金屬中氦的方法簡(jiǎn)便有效。
3.3脈沖加熱、惰氣熔融熱導(dǎo)法能夠準(zhǔn)確測(cè)定固態(tài)試樣中氦。
權(quán)利要求
1.脈沖熱導(dǎo)法測(cè)定金屬中氦裝置，其特征在于包括快速接口(3)、氧化銅爐(4)，氧化銅爐包括石英爐管(41)、玻璃棉(42)、線狀氧化銅(43)、電爐絲(44)、加熱電源(45)、溫控器(46)，快速接口(3)兩端通過(guò)管路與石英爐管(41)相連，石英爐管(41)內(nèi)裝玻璃棉(42)、線狀氧化銅(43)，兩頭為玻璃棉(42)，中間為線狀氧化銅(43)，石英爐管(41)外側(cè)設(shè)有電爐絲(44)和測(cè)溫?zé)犭娕?49)，測(cè)溫?zé)犭娕?49)與溫控器(46)相連，電爐絲(44)的加熱電源(45)與溫控器(46)相連，由溫控器(46)控制加熱。
2.按照權(quán)利要求1所述脈沖熱導(dǎo)法測(cè)定金屬中氦裝置，其特征在于所述電爐絲外側(cè)設(shè)有保溫層，保溫層由石棉或硅藻土材料制成。
3.按照權(quán)利要求1所述脈沖熱導(dǎo)法測(cè)定金屬中氦裝置的應(yīng)用，其特征在于將RH-404定氫儀的蘇茨試劑管取下，用所述脈沖熱導(dǎo)法測(cè)定金屬中氦裝置的快速接口替換蘇茨試劑管，快速接口與氬氣出入口分別相通，進(jìn)行定氦，氬氣攜帶的氫氣、二氧化碳、一氧化碳、氦氣、氮?dú)庀冉?jīng)過(guò)氧化銅爐，將CO完全氧化成CO2，H2氧化為H2O；再由凈化管的堿石棉和吸水劑將CO2和H2O吸收去除；He和N2被載入色譜柱進(jìn)行分離后，氦先出峰，設(shè)置積分時(shí)間在熱導(dǎo)檢測(cè)器檢測(cè)到氦峰后自動(dòng)停止，以去除氮峰的影響；計(jì)算機(jī)仍按氫的熱導(dǎo)系數(shù)積分計(jì)算氦峰，以[H]ppm的形式顯示和打印出來(lái)；最終經(jīng)校正和計(jì)算得到氦含量的結(jié)果。
4.按照權(quán)利要求3所述脈沖熱導(dǎo)法測(cè)定金屬中氦裝置的應(yīng)用，其特征在于所述氧化銅爐由溫控器控制溫度在580-600℃。
全文摘要
本發(fā)明涉及將脈沖熱導(dǎo)定氫儀轉(zhuǎn)換成定氦儀的脈沖熱導(dǎo)法測(cè)定金屬中氦裝置及其應(yīng)用，該裝置包括快速接口、氧化銅爐，氧化銅爐包括石英爐管、玻璃棉、線狀氧化銅、電爐絲、加熱電源、溫控器，快速接口兩端通過(guò)管路與石英爐管相連，石英爐管內(nèi)裝玻璃棉、線狀氧化銅，兩頭采用玻璃棉，中間采用線狀氧化銅，石英爐管外側(cè)設(shè)有電爐絲；將脈沖熱導(dǎo)定氫儀的蘇茨試劑管取下，用本發(fā)明裝置的快速接口替換蘇茨試劑管，快速接口與氬氣出入口分別相通，進(jìn)行定氦。本發(fā)明將脈沖熱導(dǎo)定氫儀稍加改造就可以測(cè)定金屬中氦，以儀器內(nèi)置氣標(biāo)系統(tǒng)結(jié)合快速接口轉(zhuǎn)換測(cè)定金屬中氦的方法簡(jiǎn)便有效，脈沖加熱、惰氣熔融熱導(dǎo)法能夠準(zhǔn)確測(cè)定固態(tài)試樣中氦。
文檔編號(hào)G01N30/14GK1758055SQ200410050569
公開(kāi)日2006年4月12日 申請(qǐng)日期2004年10月10日 優(yōu)先權(quán)日2004年10月10日
發(fā)明者朱躍進(jìn), 李素娟 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院金屬研究所