《脈衝氦離子化氣相色譜儀》是上海華愛色譜分析技術有限公司於2009年8月12日申請的發明專利，該專利申請號為2009100577431，公布號為CN101629936A，公布日為2010年1月20日，發明人是方華、李建浩、莊鴻濤。
《脈衝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，分離單元和檢測單元，其特徵在於：還包括尾氣處理單元及信號採集與數據處理單元，所述的尾氣處理單元接收分離單元排出的廢氣，所述信號採集和數據處理單元為反控色譜工作站，所述載氣單元為載氣處理單元由固態過濾器和氦氣純化器構成，提供高純度載氣給分離單元，所述取樣單元為取樣和自動進樣單元，所述分離單元為三閥四柱切換流程，所述檢測單元為脈衝氦離子化檢測器。該發明穩定的氣路控制和電路控制部分能確保儀器長時間開機工作，對於高純氣體中各項雜質均能表現出很好的回響，測定結果能滿足氣體標準要求，操作簡單、全程自動化控制。
2021年6月24日，《脈衝氦離子化氣相色譜儀》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
（概述圖為《脈衝氦離子化氣相色譜儀》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：脈衝氦離子化氣相色譜儀
- 申請人：上海華愛色譜分析技術有限公司
- 發明人：方華、李建浩、莊鴻濤
- 申請號：2009100577431
- 申請日：2009年8月12日
- 公布號：CN101629936A
- 公布日：2010年1月20日
- 地址：上海市徐匯區康健路135號524室
- 代理機構：上海浦東良風專利代理有限責任公司
- 代理人：陳志良
- Int. Cl.：G01N30/02; G01N30/20; G01N30/72; G01N30/00
- 類別：發明專利
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,有益效果,附圖說明,技術領域,權利要求,實施方式,專利榮譽,
專利背景
截至2009年8月，中國國內對於高純氣體和電子工業氣體還沒有一種可以同時測定所有雜質的儀器，傳統的氣相色譜儀配備轉化爐加氫火焰離子化檢測器，雖然靈敏度高，但只能測定一氧化碳、二氧化碳和碳氫化合物。而熱導檢測器能測定無機組分但靈敏度又太低。也有一些配有高靈敏度檢測器的儀器出現，如氧化鋯檢測器，氬離子檢測器等，靈敏度雖然很高，但因為都具有選擇性，只能檢測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組分測定，所以換不能被大多數用戶接受。
高靈敏度檢測器的出現，將高純氣體分析至少提高2個數量級，脈衝氦離子化檢測器是一個通用檢測器，它對無機和有機組分都有很高的回響，所以雜質組分的分離又成了一個新問題，傳統的高純氣體和電子工業氣體分析都採用六通閥進樣，一根色譜柱分析，這樣主組分後的相鄰雜質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的又一瓶頸。
美國GOW-MAC也生產有一種氣體分析儀，其所用檢測器為直流氦離子化檢測器，雖然可以達到分析要求，但沒有取樣處理、尾氣處理和計算機反控單元，而且整機價格昂貴每台達七十到一百多萬元，很難被中國國內用戶廣泛接受。因此，能滿足檢測結果的靈敏度，重複性，符合行業標準且價格合理能為廣泛用戶接受的氦離子化色譜儀成為研究方向。
發明內容
專利目的
《脈衝氦離子化氣相色譜儀》的目的是提出一種可一次進樣完成氣體所有雜質組分全分析的儀器，公開一種脈衝氦離子化氣相色譜儀。
技術方案
《脈衝氦離子化氣相色譜儀》是這樣實現的：一種脈衝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，分離單元和檢測單元，其特徵在於：還包括尾氣處理單元及信號採集與數據處理單元，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。所述信號採集與數據處理單元為反控色譜工作站，可完成譜圖的採集與數據後處理工作，對分離單元的被測氣體進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過濾器和氦氣純化器構成，提供高純度載氣給分離單元。所述取樣單元為取樣和自動進樣單元，由無死體積帶放空取樣閥、帶吹掃自動六通閥和定體積採樣管構成，採樣氣進入分離單元時，保證切換時無空氣滲漏而影響分析系統。所述分離單元設有3個帶吹掃的自動切換閥：1個為帶吹掃的六通閥，2個為帶吹掃的四通閥。採用三閥四柱切換流程，運用前切、後切、中心切割手段完成組分的全分離。所述檢測單元為脈衝氦離子化檢測器。所述氣體控制單元設有確保載氣壓力和流量穩定的載氣穩壓裝置流量控制器。
所述電路控制單元設有操作和控溫電路，信號放大電路、檢測器脈衝高壓電路。所述分離單元設有三個帶吹掃的自動切換閥。所述檢測單元為脈衝氦離子化檢測器。
高純氣體的分析是受多方面因素制約的，光有高靈敏度檢測器並不能解決問題，《脈衝氦離子化氣相色譜儀》產品脈衝氦離子化氣相色譜儀從取樣方式、載氣處理、檢測器、分離方法、色譜柱和管道處理等幾個方面做了重大突破。
一、樣品取樣方式的改變
配備了無死體積帶放空專用取樣閥，取樣閥是帶放空吹掃的耐高壓針型閥，樣品進口加裝高精度的固態過濾器，降低了樣品中固體顆粒對閥件的損害。採用帶吹掃保護的進樣方式，避免了空氣滲入的問題，使所取樣品具有代表性，將取樣過程對分析的影響降至最低。
二、載氣純度的提高
從色譜的檢測原理來看，載氣的純度至少要高於樣品一個數量級，要檢測高純度的氣體，所用載氣純度就要更高，所以儀器在高純度氦載氣出口處配備了高精度的固態過濾器和氦氣純化器，固態過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制是一種無揮發性的吸附合金，具有良好的熱穩定性，理論上可將載氣純化到10十億分比濃度以下，雜質吸附能力強，使用方便，直接接通電源即可完成操作，載氣純度可達8N級。
三、採樣的準確性、進樣閥和切換閥空氣吹掃及滲漏問題的解決
分析所用樣品定量由定體積採樣管和通過採樣管的氣體流量決定，流量可由樣品出口處安裝的流量計調節，採用帶吹掃功能的進樣閥和切換閥，使閥平面始終處於載氣氛圍中，保證切換時無空氣滲漏而影響分析系統。
四、切換流程的選擇
儀器上的兩個輔助柱箱可分別隨意設定溫度，根據具體分析要求可放置不同的色譜柱，設定不同的溫度條件。採用三閥四柱的切換流程，樣品通過在不同色譜柱間的切割與反吹，將主組分放空，雜質組分通過改變各自分析柱的條件分別流入檢測器。解決了主組分和相鄰雜質的分離問題，可實現一次進樣完成所有雜質組分的分離，也可以滿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體，和60~80目分子篩色譜柱，色譜擔體均經過特殊處理，有效的避免了氧、一氧化碳的吸附問題，採用直徑1/8英寸的色譜柱，色譜柱管和氣路管道內壁經過鈍化處理，避免吸附問題，所有的色譜柱接頭和氣路接頭均採用卡套式無死體積兩通接頭，確保系統氣路的氣密性。
六、檢測器的靈敏度
選用該公司的氦離子化檢測器，檢測限可達納克/克（十億分比濃度）級，是2009年8月前靈敏度最高的通用型檢測器，對除氖以外的所有無機和有機物均有很高回響，非常適合永久性氣體的分析。
有益效果
1、使用了新型的氦離子化檢測器，靈敏度更高，且無放射源存在，檢測器本身為一種脈衝高壓放電模式，對人無傷害，不污染環境。
2、閥切換流程使主組分不進入檢測器，增加了分離度，提高了靈敏度。
3、所有進樣和切換閥都是自動運行，比以往的手動閥切換更準確，更方便，而且分析時間縮短，提高了工作效率。
4、增加了尾氣處理單元，尤其對電子氣分析更加安全，減少對分析人員的傷害。
附圖說明
圖1是《脈衝氦離子化氣相色譜儀》安裝布局示意圖；
圖2是《脈衝氦離子化氣相色譜儀》氣路流程圖；
圖3是《脈衝氦離子化氣相色譜儀》的氦離子化檢測器示意圖；
圖4是《脈衝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、氦離子化檢測器；1-3、輔助柱箱；1-4、自動切換閥；1-5、電路控制單元；1-6、氣路控制單元；1-7、信號採集與數據處理單元；1-8、尾氣處理單元；
2-1、樣品氣；2-2、帶放空取樣針閥；2-3、固態過濾器；2-4、99.999％高純氦載氣；2-5、固態過濾器；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、定體積採樣管；2-11、高分子聚合物色譜柱（預切柱）；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、脈衝氦離子化檢測器；
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、偏轉電極；3-7、透光管；3-8、檢測器池體上座；3-9、檢測器池體下座；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、高溫反應裝置。
技術領域
《脈衝氦離子化氣相色譜儀》涉及一種用於高純氣體和電子工業氣體檢測領域的脈衝氦離子化氣相色譜儀。
權利要求
1.一種脈衝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，分離單元和檢測單元，其特徵在於：還包括尾氣處理單元及信號採集與數據處理單元，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，所述信號採集和數據處理單元為反控色譜工作站，完成譜圖的採集和數據後處理工作，對分離單元的被測氣體進行各組分的定性定量分析，所述載氣單元為載氣處理單元，由固態過濾器和氦氣純化器構成，提供高純度載氣給分離單元，所述取樣單元為取樣和自動進樣單元，由無死體積帶放空取樣閥、帶吹掃十通閥和定體積採樣管構成，樣品氣進入分離單元時，保證切換時無空氣滲漏而影響分析系統，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）構成，採用前切、後切、中心切割手段完成組分的全分離，所述檢測單元為脈衝氦離子化檢測器和熱導檢測器；分析高純氬氣時，分析過程如下：帶吹掃十通閥（2-7）切換，定體積採樣管中的樣品在99.999％高純氦載氣（2-4）的帶動下進入第一高分子聚合物色譜柱（2-11）預分離，當主峰完全進入第一5A分子篩色譜柱（2-12）轉動帶吹掃十通閥（2-7）讓剩餘組分進入第二高分子聚合物色譜柱（2-13）再次分離，進入第一5A分子篩色譜柱（2-12）中的樣品再次分離H2最先流出進脈衝氦離子化檢測器檢測，H2出完後轉動第一帶吹掃四通閥（2-8）讓主組分Ar通過熱導檢測器監測放空，當N2出來之前轉動第一帶吹掃四通閥（2-8）讓剩餘的Ar、N2、CH4、CO進入第二5A分子篩色譜柱（2-14）再次分離，經過第二5A分子篩色譜柱（2-14）分離出來的Ar通過切換第二帶吹掃四通閥（2-9）來選擇放空或進脈衝氦離子化檢測器，通過調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出完後進脈衝氦離子化檢測器檢測。
2.根據權利要求1所述的脈衝氦離子化氣相色譜儀，其特徵在於：所述氣路控制單元設有確保載氣壓力和流量穩定的載氣穩壓裝置流量控制器。
實施方式
《脈衝氦離子化氣相色譜儀》通過以下方式實施：一種用於高純氣體和電子工業氣體檢測的氦離子化氣相色譜儀包括載氣處理單元、取樣和進樣單元、氣路控制單元、電路控制單元、分離單元、檢測單元、尾氣處理單元、信號採集和數據處理單元。
載氣處理單元是在純度高於99.999％的高純氦氣2-4後面，接一高精度的固態過濾器2-5，後面再接一個氦氣純化器2-6。
取樣單元為取樣和自動進樣單元，由無死體積帶放空取樣閥、帶吹掃十通閥和定體積採樣管構成，是一連線在樣品氣2-1鋼瓶上的帶放空取樣針閥2-2，後接一高精度固態過濾器2-3，通過不鏽鋼管道再連線到帶吹掃十通閥2-7上，進樣體積取決於裝在帶吹掃十通閥2-7上的定體積採樣管2-10。
氣路控制單元1-6位於儀器右側箱體，由載氣穩定和控制流量部分組成，確保載氣壓力和流量的穩定。
電路控制單元1-5位於所述氣路控制單元下部箱體，主要有操作和控溫電路，信號放大電路，檢測器脈衝高壓電路，合理的布局和高質量的電器元件使電路部分更加穩定，確保儀器的長時間運行。
分離單元由一個帶吹掃十通閥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構成，如附圖2連線而成，三個自動切換閥1-4位於儀器上部，3根色譜柱位於中部色譜柱箱內1-1，一根分子篩色譜柱位於輔助柱箱1-3中，通過在工作站上設定三個自動閥的時間程式來完成切割。以分析高純氬氣為例，分析過程如下：帶吹掃十通閥2-7切換，定體積採樣管中的樣品在99.999％高純氦載氣2-4的帶動下進入第一高分子聚合物色譜柱2-11（即預切柱）預分離，當主峰完全進入第一5A分子篩色譜柱2-12轉動帶吹掃十通閥2-7讓剩餘組分進入第二高分子聚合物色譜柱2-13再次分離，進入第一5A分子篩色譜柱2-12中的樣品再次分離H2最先流出進氦離子化檢測器檢測，H2出完後轉動第一帶吹掃四通閥2-8讓主組分Ar通過熱導（TCD）檢測器監測放空，當N2出來之前轉動第一帶吹掃四通閥2-8讓剩餘的Ar、N2、CH4、CO進入第二5A分子篩色譜柱2-14再次分離，因為Ar為主組分，含量非常大，所以從第一5A分子篩色譜柱2-i2中出來的N2、CH4在主峰Ar的拖尾上，必須再次分離，經過第二5A分子篩色譜柱2-14分離出來的Ar可通過切換第二帶吹掃四通閥2-9來選擇放空或進氦離子化檢測器。通過調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出完後進脈衝氦離子化檢測器檢測。對於不同氣體分析流程不變，只是三個閥的切換時間不同。
檢測單元為脈衝氦離子化檢測器和熱導檢測器。脈衝氦離子化檢測器1-2，位於儀器柱箱上部輔助柱箱1-3的前面。脈衝氦離子化檢測器結構原理如附圖3所示，一路氦載氣從放電氣入口3-1處進入檢測器池體，在放電電極3-2產生的高壓電場激發躍遷至基態，形成連續的高能輻射光，這個能量可電離除氖外的所有物質，色譜柱接在色譜柱接口3-4。當從色譜柱流出的組分被電離，在偏轉電極3-6的作用下形成離子流，被收集極3-3收集放大產生信號。氦離子化檢測器，包括放電部分、與放大器相連的信號收集部分和色譜柱，放電部分為置於檢測器池體上座3-8中的脈衝放電部分；信號收集部分和色譜柱依次置於檢測器池體下座3-9中；色譜柱旁設有加熱棒和鉑電阻3-10。
直流放電部分由兩個位置相對的發射極、一個透光管組成的放電部分。信號收集部分由位置相對的偏轉電極3-6和收集極3-3構成，且位於透光管3-7的下方。上座與下座通過密封層相連，透光管的兩端位於發射極和收集極之間。
發射極的電極為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為無色藍寶石透光管。尾氣排出口3-5位於偏轉電極的下端。
信號採集與數據處理單元1-7為一安裝色譜工作站的電腦，電腦和儀器用數據線連線，通過工作站可實現電腦對色譜儀的控制，而且可完成對譜圖的結果處理和數據保存。在儀器開始進樣啟動的同時，工作站也啟動，開始信號的採集並記錄，等採樣結束，譜圖讀取到後處理界面時，系統按照已存的標準信息表自動計算結果並按默認路徑保存。界面清楚，操作簡單。
尾氣處理單元1-8是指將樣品出口和分析完的廢氣通過該裝置處理，使其可直接排入大氣中，對分析人員不會造成危害，也不會污染環境。分析中，由於樣品種類多，有些腐蝕性氣體或毒性氣體不可直接排放，如附圖4所示：對於無毒、無腐蝕性的惰性氣體可打開三通電磁閥4-5直接排空。對於有毒氣體如H2S、SO2等氣體則打開三通電磁閥4-6和兩通電磁閥4-7將尾氣用鹼液吸收。對於矽烷等氫化物氣體，則要先關閉兩通電磁閥4-2和4-3，打開兩通電磁閥4-1和4-7，吹掃整個樣品氣路空氣，吹掃完成後，關閉兩通電磁閥4-1、4-2、4-7。打開真空泵4-4和兩通電磁閥4-3對氣路抽真空，抽完後，再關閉兩通電磁閥4-3打開兩通電磁閥4-2和三通電磁閥4-6，矽烷尾氣經高溫反應裝置吸收。高溫反應裝置為內裝吸附劑GDK-210，外加熱至380~450攝氏度的反應裝置。《脈衝氦離子化氣相色譜儀》所採用的電磁閥和真空泵都可通過工作站控制，也可編時間程式自動運行。
《脈衝氦離子化氣相色譜儀》將幾個重要的部件有效地結合在一起，達到了理想的效果，穩定的氣路控制和電路控制部分能確保儀器長時間開機工作，對於高純氣體中各項雜質均能表現出很好的回響，測定結果能滿足氣體標準要求。而且操作簡單，整個運行過程全部自動化控制。
專利榮譽
2021年6月24日，《脈衝氦離子化氣相色譜儀》獲得第二十二屆中國專利優秀獎。
