一种红外光谱分析含氟气体用气体池及在含氟气体分析检测中的应用

摘要

本发明公开了一种红外光谱分析含氟气体用气体池及在含氟气体分析检测中的应用，包括基座、池体、池窗和温度压力数显控制器；所述基座位于池体底部用于架设池体；所述温度压力数显控制器集成有加热器、温度传感器和压力传感器，用于控制池体内部的温度和压力；所述池体两端各设置有一个端口，所述池窗分别与所述池体的两端的端口密封连接。该气体池耐腐蚀性好、密封性能高、安全性能好、残留和污染少、窗片使用寿命长、操作方便快捷，且能够更稳定、准确地取样、检测。还提供了此气体池在含氟气体分析检测中的应用，主要用于样品为含氟气体样品或具有挥发性的含氟液体样品如WF6、SF6、NF3、HF等的红外光谱分析。

说明书

技术领域

本发明涉及红外光谱检测领域，特别是涉及一种用于含氟气体样品检测的红外光谱分析用气体池及在含氟气体分析检测中的应用。

背景技术

目前现有的红外光谱气体池，如图1所示，常用于检测常规不含氟气体样品，但对于含氟且易产生相变分层或冷凝的气体样品却难以达到稳定准确检测的目的。这是因为大部分的含氟气体样品或具有挥发性的含氟液体样品如WF₆、SF₆、NF₃、HF等本身具有有毒有害、腐蚀性强、易冷凝或吸附的特性，而现有气体池对密封性要求的标准较低，易造成有毒有害气体泄漏。而如果被检测样品具有易冷凝或吸附的特性，使用后，现有的气体池存在清洗不便或者难以彻底清洗而存在残留的问题，而且在取样时也会存在误差大的问题。所以用现有气体池来做含氟样品的检测，不仅会对检测人员带来安全隐患也无法保证检测结果的稳定准确。

例如，对WF₆样品中HF含量进行分析时，一般红外光谱气体池常常因为材质耐腐蚀性弱或检查密封性不严格等问题而使WF₆泄漏接触空气产生大量的HF造成分析系统污染和对仪器更严重的腐蚀。如果没有有效的抽气装置和检查密封保压措施，气体池池体内空气或样品置换不彻底，在取气过程中WF₆与残留空气中水反应也会产生HF造成检测结果失真，或在下一次检测时因样品残留而造成检测结果不准确。如果没有加热恒温措施，WF₆遇冷液化粘附于池体而使检测样品没有代表性。另一方面，WF₆还会在其窗片上形成粘附残留，造成窗片清洗困难。如果没有温度压力控制，不仅会使窗片骤冷骤热或压力过大而受损坏，还可能因无法判断WF₆在池内的状态而造成不必要的安全隐患。

专利申请CN103808661A公开的一种红外光谱分析气体池，主要针对一般挥发性（或加热挥发性）不具有毒有害、暴露空气中不易发生化学反应、分析操作者安全风险较小气体的红外光谱分析气体池。并且CN103808661A公开的一种红外光谱分析气体池对气体样品瓶的高度要求必须一致。此外，CN103808661A公开的一种红外光谱分析气体池没有涵盖对于本身具有有毒有害、腐蚀性强、易冷凝或吸附特性的含氟气体样品或具有挥发性的含氟液体样品如WF₆、SF₆、NF₃、HF等气体的检测应用方法。

发明内容

针对现有技术中气体池耐腐蚀性能弱、气体在气体池内壁吸附脱附不稳定、样品检测温度压力无法精准判断、窗片易污染或损坏等问题，本发明提供了一种耐腐蚀、密封性能好、残留和污染少、窗片使用寿命长、操作方便快捷，且能够更稳定、准确地取样、检测的红外分析用气体池及在含氟气体分析检测中的应用。采用本发明的气体池，实验前开启气体池加热装置，采用高纯惰性气体清洗、吹扫气体池，保证空白背景干净无污染；检测待测样品时，可精准调节池体温度、压力，保证分析条件稳定；检测结束后，无需更换窗片，只需及时采用高纯惰性气体加热吹扫气体池即可避免样品残留或污染。若遇到特殊含氟样品致使窗片严重污染，只需在高纯惰性气体加热吹扫结束后，拆下窗片，使用有机溶剂清洗或者三氧化二铝（Al₂O₃）打磨均匀，再次清洗窗片并干燥，即可安装重复使用。

为达到上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种红外光谱分析含氟气体用气体池，包括池体和两个池窗，还包括基座和温度压力数显控制器；所述基座可拆卸式连接于池体底部用于架设池体；所述温度压力数显控制器集成有加热器、温度传感器和压力传感器，用于控制池体内部的温度和压力；所述池体相对两端各设置有一个端口，所述两个池窗分别与两个端口密封连接；池体顶部设置有进气口和出气口，所述进气口能与气源形成可拆卸连接；所述出气口为三通接头，第一端与池体连接，第二端与抽真空装置可拆卸连接，第三端与压力传感器可拆卸连接；所述池体外部还包覆有加热板，所述加热板外部再包覆有一层保温板。

进一步，所述池窗包括O型圈、窗片、窗片压盖、保温隔垫、光衰减片；所述池窗包括O型圈之一、窗片、O型圈之二、窗片压盖、保温隔垫、光衰减片，依次靠近池体端口排列；所述O型圈之一用于密封窗片与池窗；O型圈之二用于密封窗片与窗片压盖；所述窗片压盖通过内螺纹与所述池体端口连接，用于固定窗片；保温隔垫和光衰减片转动连接。进一步，光衰减片和保温隔层成转动连接。

进一步，所述O型圈优选为全氟醚材质。

进一步，所述光衰减片为圆形不锈钢筛网。

进一步，所述窗片为CaF₂或BaF₂（氟化钙或氟化钡）材质，且应满足以下条件：

在红外光谱分析中，所述窗片扣背景后的红外光谱图中，在5000cm^-1～1000cm^-1范围内无吸收峰；

在红外光谱分析中，所述窗片扣背景后的红外光谱图中，在5000cm^-1～1000cm^-1范围内光透过率≥80%。

进一步，所述池体为金属或金属镍膜材质加工而成；

可选的，所述加热板为温控数显硅胶加热板，所设保温板为柔性橡塑板。

进一步，所述出气口和进气口均连接有可拆卸的调节阀，进气口通过调节阀与气源连接，出气口的第二端和第三端通过调节阀分别与抽真空装置和压力传感器连接。

进一步，所述基座上设置有套管，所述池体下部设置有套杆，所述套杆可以套设在所述套管内实现池体可以相对于基座上下移动和左右旋转，还包括固定装置，所述固定装置可以使所述套杆与套管固定的。

采用本发明所述气体池对含氟气体红外光谱的检测应用方法，主要包括以下三个步骤：

检测含氟气体样品或具有挥发性的含氟液体样品前，先从进气口将高纯惰性气体充入池体，通过压力传感器检查池体密封性，正压检漏，检漏压力0.3MPa，漏率应低于0.6KPa/h；检漏结束，开启抽真空装置抽掉高纯惰性气体并充入不高于50.0Kpa的高纯惰性气体然后对池体程序升温至120℃；再开启抽真空装置，重复充入不高于100.0KPa的高纯惰性气体、抽气操作至少5次后，调整光路至光学台能量最大并稳定在测量范围时，充入高纯惰性气体60.0KPa并红外光谱检测无明显水汽吸收峰和CO2吸收峰即可；

检测时，将池体加热升温为待测温度120℃并稳定5-10分钟，从出气口开启抽真空装置保持负压-100.0KPa稳定，从进气口放入含氟气体样品或含氟液体挥发后的气体，重复充气、抽气至少5次操作后，开启进气阀门放入含氟气体样品或含氟液体挥发后的气体，将池体压力设定为待测压力60.0KPa并稳定5-10分钟，进行红外光谱检测；

检测后，从进气口将不高于100.0KPa的高纯惰性气体充入池体，再开启抽真空装置，重复充气、抽气操作至少5次后，充入高纯惰性气体60.0KPa并红外光谱检测无明显样品特征吸收峰即可结束检测，并对池体程序降温至室温即可。

本发明具有下列有益效果：

1、气体池的池体与基座为不连通可拆卸连接，且进气口、出气口均有阀门控制开关，便于在池体严重脏污的情况下，安全、彻底地拆卸清洗池体。

2、气体池的池体顶部出气口连接的可拆卸压力传感器可以保证充气置换、样品检测时压力的精准控制，保证检测结果的稳定性和准确性；协助判定气体池的气密性，防止含氟有害气体泄漏；且具有保护窗片的作用，防止充气压力过大而损坏窗片。且出气口一侧连接有可拆卸抽真空装置，比使用注射器抽气置换气体更为彻底、快速、方便，并且避免了传统注射用硅胶塞的消耗使用。本发明在气体池密封性、安全性考虑得更加全面，且更加注重预防性事前控制。

3、气体池上连接的温度压力数显控制器，可精准调节池体温度、压力，保证分析条件稳定，防止窗片因骤冷骤热而爆裂。且池体外围所设加热板为温控数显硅胶加热板，升温迅速，避免样品冷凝粘附于池体和窗片，同时有利于充气置换时残留样品的彻底脱附，减少清洗频次，甚至可免洗。所设保温材质为柔性橡塑板，保持池体温度恒定。本发明在气体池的气体检测温度、压力条件控制更加严谨，有效地保证检测结果的稳定性和准确性。

4、清洗方便，检测结束后，无需更换窗片，只需及时采用高纯惰性气体加热吹扫气体池即可避免样品残留或污染。若遇到特殊含氟样品致使窗片严重污染，只需在高纯惰性气体加热吹扫结束后，拆下窗片，使用有机溶剂清洗或者Al₂O₃打磨均匀，再次清洗窗片并干燥，即可安装重复使用。

5、池体用池体金属或金属镍膜材质精密加工而成，密封圈为优选全氟醚O型圈，大大提高了气体池密封性和耐腐性。

6、气体池基座设有调节装置，可调节池体的水平角度和纵向高度。本发明对气体样品瓶的高度没有要求，只要调节气体池基座就可调节池体的水平角度和纵向高度，更加使用并方便操作。

7、本发明的气体池窗片压盖外侧固定有保温隔垫，既能减少气体池热量损耗保持温度恒定又能与外界空气隔离减少光谱背景干扰，更有利于分析检测的稳定和准确。

8、气体池窗片压盖外侧固定有可调光衰减片，在红外光能量溢出情况下可适当调节光衰减片在光路中的面积，方便快捷免拆卸。

本发明所述红外光谱分析含氟气体用气体池，无论是在所测气体密封性、安全防御性、操作便利性，还是在分析检测条件的可控性、稳定性，分析结果准确性等方面都较一般的红外光谱分析用气体池更加实用可靠。同时对含氟气体红外光谱的检测应用过程快捷、安全。

附图说明

图1是常用气体池的结构示意图；

图2是本发明的气体池整体结构示意图；

图3是本发明的气体池池窗结构示意图；

图4是本发明的气体池（氟化钙窗片）采用高纯氮气为背景的红外透过率光谱谱图；

图5是本发明的气体池（氟化钙窗片）扣高纯氮气背景后空白的红外吸收光谱谱图；

图6是本发明的气体池（氟化钙窗片）扣高纯氮气背景后的HF气体红外吸收光谱谱图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。本发明的描述中，“第一”、“第二”、“第三”等为指代或描述方便，不能理解为有顺序关系或者有相对重要性指示，除非另有说明。实施例中未注明具体技术或条件者，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

请参阅图2至图3所示，一种红外光谱分析含氟气体用气体池，包括基座1、池体3、池窗5和温度压力数显控制器4；所述基座1位于池体3底部用于架设池体3，所述池窗5位于池体3两端的端口处，和所述两个端口密封连接；所述温度压力数显控制器4集成有加热器41、温度传感器42和压力传感器43，所述基座1上设置有套管2，所述池体3下部设置有套杆21，所述套杆21可以套设在所述套管2内后，用固定装置固定，池体3可以相对于基座1上下移动和左右旋转，从而调节池体3的水平角度和纵向高度。所述池体3为金属或金属镍膜材质加工而成，且所述池体3外部还包括有加热板7和保温板71，加热板7为温控数显硅胶加热板，加热板7与加热器41和温度传感器42连接，保温板71为柔性橡塑板。池体3顶部设置有进气口6和出气口8，所述进气口6连接有可拆卸的调节阀，进气口6通过调节阀与气源连接，所述出气口8为三通接头，三通接头的第一端81与池体3连接，第二端82和第三端83通过调节阀分别与抽真空装置和压力传感器43连接。

所述气体池的池窗5，如图3所示，所述池窗5包括两个O型圈12、CaF₂/BaF₂窗片13、窗片压盖14、保温隔垫15、光衰减片16。所述O型圈12之一先放入池体外侧两个端口的端面环形内沿，依次放入CaF₂/BaF₂（氟化钙/氟化钡）窗片13和另一个O型圈12，再将窗片压盖14与池体外侧两个端口的内螺纹旋接。保温隔垫15、窗片压盖14采用螺钉与池体外侧两个端口对应的4个内螺纹小孔旋紧密封即可。光衰减片16采用螺钉与保温隔垫15端面对应的1个小孔作可活动连接。

采用本发明所述红外光谱分析含氟气体用气体池，在检测含氟气体样品或具有挥发性的含氟液体样品如WF₆、SF₆、NF₃、HF等之前，首先需要正压检查池体密封性，检漏压力0.3MPa，漏率应低于0.6KPa/h。池体加热时应程序升温至120℃，重复充气、抽气操作至少5次置换空气后，充入高纯惰性气体如N₂，调整气体池基座和光衰减片获得能量稳定的光路，红外光谱扫描得到高纯N₂为背景的红外光谱谱图，如图4所示，谱图无明显水汽吸收峰和CO₂吸收峰即可，同时理想状态空白的红外吸收光谱谱图的基线应为一平滑直线，如图5所示。

采用本发明所述红外光谱分析含氟气体用气体池，在检测含氟气体样品或具有挥发性的含氟液体样品如WF₆、SF₆、NF₃、HF等时，将池体程序升温为待测温度120℃并稳定至少5-10分钟，从出气端口Ⅲ开启抽真空装置保持负压-100.0KPa稳定，从进气口放入含氟气体样品或含氟液体挥发后的气体，重复充气、抽气操作至少5次润洗置换后，放入含氟气体样品或含氟液体挥发后的气体，将池体压力设定为待测压力60.0KPa并稳定至少5-10分钟，进行红外光谱检测即可。本发明所述红外光谱分析含氟气体用气体池以扣高纯N₂背景后的HF气体红外光谱谱图为例，如图6所示。

采用本发明所述红外光谱分析含氟气体用气体池，在检测含氟气体样品或具有挥发性的含氟液体样品如WF₆、SF₆、NF₃、HF等之后，从进气口将高纯惰性气体充入池体，再从出气口开启抽真空装置，重复充气、抽气操作至少5次置换残留后，充入高纯惰性气体红外光谱检测无明显样品特征吸收峰即可结束检测并对池体程序降温至室温。

综上所述，本发明所述红外光谱分析含氟气体用气体池，无论是在所测气体密封性、安全防御性、操作便利性，还是在分析检测条件的可控性、稳定性，分析结果准确性等方面都较一般的红外光谱分析用气体池更加实用可靠。同时对含氟气体红外光谱的检测应用过程快捷、安全。

以上所记载，仅为利用本创作技术内容的实施例，任何熟悉本项技艺者运用本创作所做的修饰、变化，皆属本创作主张的专利范围，而不限于实施例所揭示者。