一种热导式混合气体中氦气浓度检测的装置及其方法制造方法及图纸

本发明专利技术一种热导式混合气体中氦气浓度检测的装置及其方法，属于气体传感技术领域；首先利用多组分气体检测仪测量混合气中甲烷、二氧化碳、氢气、氧气、水蒸气等浓度；然后查询获取特定温度下样品各组分纯物质热导率，利用测量的浓度及其热导率计算已知浓度气体产生的热导率；利用第一温控装置将热导传感探头控制到预设温度，将80％氮气热导率和已知浓度气体热导率之和标定为热导传感器探头“零点”；利用第二温控装置调控混合气温度，读取热导传感器探头输出电压，未知组分热导率减去80％氮气热导率为热导传感器探头检测信号正比于输出电压，将特定温度上述关系联立方程组即得氦气浓度，本发明专利技术的方法为多元混合气中氦气浓度测量提供了一种新方法。

【技术实现步骤摘要】
一种热导式混合气体中氦气浓度检测的装置及其方法
本专利技术属于气体传感
，尤其涉及一种热导式混合气体中氦气浓度检测的装置及其方法。
技术介绍
地震是地球内部介质局部发生急剧的破裂，产生地震波，从而在一定范围内引起地面振动的现象，地震灾害给人民的生命、财产安全造成巨大损失。震前一段时间，蕴藏着大量地质信息的地球深部气体沿断裂带溢出地表，通过对这些气体准确检测是一种有效的地震预警手段，尤其是对性质稳定的氦气浓度检测具有重大的意义。目前，氦气浓度检测主要基于质谱技术、气相色谱技术、热导气体传感技术。质谱技术检测准确度高、检出限低，是目前氦气气体浓度检测的主要方式，但质谱技术存在很多缺点，成本高、体积庞大、结构复杂、需要在高真空(真空度低于10-6)的条件下对样品进行预处理。气相色谱技术适用于多组分检测，具有检测精度高的特点，但在使用过程中需要载气同时需要保证载气压力和流速，色谱柱需要定期更换，同样也具有结构复杂、成本高的特点。这些因素极大地限制了质谱技术和色谱技术在地球化学探测领域的应用。热导气体传感技术具有体积小，成本低的特点，受到国内外学者的青睐。目前，热导气体传感可以在检测背景气体不变的条件下，准确检测一种氦气浓度，由于热导气体传感技术检测待测气体热导率，不能分辨出背景气体中氦气，背景气体组分发生变化时将无法实现氦气浓度检测。综上所述，如何实现测量方便、成本低、稳定性好、灵敏度高的氦气浓度检测是地球化学探测领域的重要课题之一。
技术实现思路
本专利技术的目的是针对现有技术中热导传感器探头测量氦气浓度时，存在交叉敏感，背景气体浓度改变使热导传感器探头基线变化，造成测量不准确、甚至无法测量氦气浓度的问题，提供了一种热导式混合气体中氦气浓度检测的装置及其方法。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种热导式混合气体中氦气浓度检测的装置及其方法，其特征在于，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：一种热导式多元混合气体中氦气浓度检测装置，包括多组分气体检测仪和微型计算机，所述多组分气体检测仪通过第一阀门与样品吸收池进行连接；所述样品吸收池外表面设置第二温度传感器，内部设置第一温控装置，所述第一温控装置内设置热导传感器探头，所述热导传感器探头表面设置多个第一温度传感器；所述样品吸收池通过第二阀门与真空泵连接；所述样品吸收池、第二阀门和真空泵外侧设置第二温控装置；所述微型计算机一端通过采集电路与热导传感器探头、第一温度传感器和第二温度传感器电性连接，另一端通过控制电路与第一温控装置和第二温控装置电性连接。一种热导式多元混合气体中氦气浓度检测方法，包括以下步骤，且按以下步骤顺次进行：步骤1：利用高精度气体检测系统测量混合气中甲烷、二氧化碳、氢气、氧气、水蒸气的浓度，并分别标记为步骤2：通过查询数据库获取特定温度下混合气中所有组分纯物质的热导率λHe(Ti)、λAr(Ti)、λNe(Ti)、λKr(Ti)等，根据所述步骤1中测量的甲烷、二氧化碳、氢气、氧气、水蒸气的浓度和查询的甲烷、二氧化碳、水、氢气、氧气热导率，计算已知浓度气体热导率K1(Ti)，K1(Ti)公式如下：步骤3：依据第一温度传感器测量的温度，同时利用第一温控装置将热导传感器探头调控到预设温度，然后对热导传感器探头进行标定，将已知浓度气体热导率K1(Ti)和80％氮气热导率之和标定为热导传感器探头输出“零点”；步骤4：将混合物充入样品吸收池，依据第二温度传感器测量的温度，同时利用第二温控装置准确将样品吸收池温度调控到Ti，稳定10分钟后气体温度达到样品吸收池温度Ti，读取热导传感器探头输出电压Vi,i等于未知气体数量；步骤5：未知组分热导率减去80％氮气热导率即为热导传感器探头检测到的气体热导率，检测到的气体热导率与热导传感器探头输出电压成正比，利用所述步骤2中查询的纯物质热导率和热导传感器探头输出电压，在不同特定温度下联立方程组，求解方程组即可获得多元混合气体中氦气的浓度CHe。进一步，所述步骤3中，利用第一温控装置将热导传感器探头调控到预设温度过程中，热导传感器探头温度的测量方法为：在热导传感器探头外表面上下左右四个位置布置温度传感器，测量热导传感器探头温度T1、T2、T3、T4，当热导传感器探头各个位置温度相等时，即T1、T2、T3、T4相等时，认为热导传感器探头达到预设温度。进一步，所述步骤4中，测量混合物热导率的过程中，需要保证样品吸收池中混合物总量不变，测量过程中采用静态测量方式，第一次进样后立即关闭第一阀门和第二阀门及真空泵，同时保证样品吸收池气密性避免外界气体进入样品吸收池对测量造成干扰。进一步，所述步骤4中，样品吸收池温度的检测方法为：在混合物样品吸收池外表面选取1个测温点，利用第二温度传感器测量测温点温度，测温点温度稳定后一段时间后，即可得到混合物特征温度T，所述混合物特征温度为测量混合物热导值时，样品吸收池外表面温度。进一步，所述步骤5中，未知浓度组分气体的热导率与百分之80％氮气热导率之差等于热导传感器探头输出电压，可用如下公式表示：联立求解,即可获得多元混合物中氦气的浓度。本专利技术的一种热导式混合气体中氦气浓度检测的装置及其方法具有以下优点：利用热导气体传感器并结合多组分气体检测仪即可实现混合气体中氦气浓度的快速检测，具体的，根据不同气体热导率对温度的变化率不同，测量混合物在不同特定温度条件下的热导率，利用恒定温度下已知浓度气体热导率及80％氮气热导率作为热导传感器探头“零线”，利用不同温度下未知组分的热导率和热导传感器探头输出联立求解，即可获得氦气浓度。附图说明图1为本专利技术实施例中一种热导式混合气体中氦气浓度检测的装置及其方法采用的装置结构框图。图2为本专利技术的提出一种热导式混合气体中氦气浓度检测的装置及其方法的检测流程图。图中标记说明：1、多组分气体检测仪；2、微型计算机；3、第一阀门；4、样品吸收池；5、热导传感器探头；6、第一温度传感器；7、第一温控装置；8、第二阀门；9、真空泵；10、第二温控装置；11、进气口；12、采集电路；13、控制电路；14、第二温度传感器。具体实施方式为了更好地了解本专利技术的目的、结构及功能，下面结合附图，对本专利技术一种热导式混合气体中氦气浓度检测的装置及其方法做进一步详细的描述。如图1所示，一种热导式多元混合气体中氦气浓度检测装置，包括多组分气体检测仪1和微型计算机2，所述多组分气体检测仪1通过第一阀门3与样品吸收池4进行连接；所述样品吸收池4外表面设置第二温度传感器14，内部设置第一温控装置7，所述第一温控装置7内设置热导传感器探头5，所述热导传感器探头5表面设置多个第一温度传感器6；热导气体传感技术已经相当成熟，但其检测精度易受温度变化影响，利用第一温控装置7，维持热导传感器探头5和第一温度传感器6处于恒温状态，以保证检测精度；所述样品吸收池4通过第二阀门8与真本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种热导式混合气体中氦气浓度检测的装置，其特征在于，包括多组分气体检测仪(1)和微型计算机(2)，所述多组分气体检测仪(1)通过第一阀门(3)与样品吸收池(4)进行连接；/n所述样品吸收池(4)外表面设置第二温度传感器(14)，内部设置第一温控装置(7)，所述第一温控装置(7)内设置热导传感器探头(5)，所述热导传感器探头(5)表面设置多个第一温度传感器(6)；/n所述样品吸收池(4)通过第二阀门(8)与真空泵(9)连接；/n所述样品吸收池(4)、第二阀门(8)和真空泵(9)外侧设置第二温控装置(10)；/n所述微型计算机(2)一端通过采集电路(12)与热导传感器探头(5)、第一温度传感器(6)和第二温度传感器(14)电性连接，另一端通过控制电路(13)与第一温控装置(7)和第二温控装置(10)电性连接。/n

【技术特征摘要】
1.一种热导式混合气体中氦气浓度检测的装置，其特征在于，包括多组分气体检测仪(1)和微型计算机(2)，所述多组分气体检测仪(1)通过第一阀门(3)与样品吸收池(4)进行连接；
所述样品吸收池(4)外表面设置第二温度传感器(14)，内部设置第一温控装置(7)，所述第一温控装置(7)内设置热导传感器探头(5)，所述热导传感器探头(5)表面设置多个第一温度传感器(6)；
所述样品吸收池(4)通过第二阀门(8)与真空泵(9)连接；
所述样品吸收池(4)、第二阀门(8)和真空泵(9)外侧设置第二温控装置(10)；
所述微型计算机(2)一端通过采集电路(12)与热导传感器探头(5)、第一温度传感器(6)和第二温度传感器(14)电性连接，另一端通过控制电路(13)与第一温控装置(7)和第二温控装置(10)电性连接。


2.一种热导式混合气体中氦气浓度检测的方法，其特征在于，包括以下步骤，且以下步骤顺次进行：
步骤1：利用高精度气体检测系统测量混合气中甲烷、二氧化碳、氢气、氧气、水蒸气的浓度，并分别标记为
步骤2：通过查询数据库获取特定温度下混合气中所有组分纯物质的热导率等，根据所述步骤1中测量的甲烷、二氧化碳、氢气、氧气、水蒸气的浓度和查询的甲烷、二氧化碳、水、氢气、氧气热导率，计算已知浓度气体热导率K1(Ti)，K1(Ti)公式如下：



步骤3：依据第一温度传感器(6)测量的温度，同时利用第一温控装置(7)将热导传感器探头(5)调控到预设温度，然后对热导传感器探头(5)进行标定，将已知浓度气体热导率K1(Ti)和80％氮气热导率之和标定为热导传感器探头(5)输出“零点”；
步骤4：将混合物充入样品吸收池(4)，依据第二温度传感器(14)测量的温度，同时利用第二温控装置(10)准确将样品吸收池(4)温度调控到Ti，稳定10分钟后气体温度达到样品吸收池(4)温度Ti，读取热导传感器探头(5)输出电压Vi,i等于未知气体数...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈晨，王鹏，王言章，朴亨，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22