氦氬混合氣體的組成分析

高旭輝，吉雪梅，田 敏，王 璐

（陜西省計(jì)量科學(xué)研究院，陜西 西安 710065）

0 引 言

氦氬混合氣體產(chǎn)品廣泛應(yīng)用于金屬材料的焊接過程中。混合氣體的組成不同，在焊接過程中對電弧的影響也不同，焊接的效果也會(huì)有很大差異[1]。此外，氦氬混合氣體產(chǎn)品還作為驅(qū)動(dòng)氣體，應(yīng)用于汽車安全氣囊產(chǎn)品[2]和氣囊防摔服裝[3]中，不同組成的混合氣體在氣囊工作時(shí)將產(chǎn)生不同的打開效果。目前尚無該類混合氣體產(chǎn)品的國際標(biāo)準(zhǔn)和國家標(biāo)準(zhǔn)。因此，分析氦氬混合氣體的組成，對于保證焊接產(chǎn)品的質(zhì)量，保證汽車及人員的安全性能，都有著重要的意義。本文采用氣相色譜法對氦氬混合氣體的組成進(jìn)行分析，并且結(jié)合氦、氬氣體的產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)，對混合氣體產(chǎn)品的質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行討論。

1 試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)與分析方法

1.1 儀器與試劑

氣相色譜儀，美國安捷倫公司7890A型；氣動(dòng)六通閥氣體進(jìn)樣器，μ-TCD檢測器。

微量氧分析儀，西安泰戈分析儀器有限責(zé)任公司DFY-VC型。

露點(diǎn)儀，西安泰戈分析儀器有限責(zé)任公司TG-1500型。

氦中氬混合氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)，氬的體積分?jǐn)?shù)分別為20%、40%、50%、60%、80%（由中國計(jì)量科學(xué)研究院提供），不確定度U=1%，k=2。

1.2 色譜條件

分析用載氣為高純氦（99.999%），載氣流速40mL/min；柱箱溫度40℃；色譜柱為13X分子篩，長度1m，直徑3mm；六通閥定量體積為0.25mL。

1.3 試驗(yàn)方法

1.3.1 混合氣體樣品的采集

本文所分析的混合氣體樣品是體積分?jǐn)?shù)為50%氦中氬和75%氦中氬混合氣體，由高純氦和高純氬混合充裝于16瓶組立式集裝格內(nèi)，總?cè)莘e640L，充裝壓力15MPa。按照GB/T 6681——2003《氣體化工產(chǎn)品采樣通則》的要求，將氣體樣品通過耐高壓不銹鋼軟管充入預(yù)抽真空的8L鋁合金無縫鋼瓶內(nèi)，充裝壓力8～9MPa，然后放空至壓力約為1MPa，再充氣，重復(fù)3次，最后充裝壓力不小于5MPa，每種樣品平行采樣兩份。

1.3.2 標(biāo)準(zhǔn)曲線的制作以及樣品中氬體積分?jǐn)?shù)的分析

將氦中氬混合氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)分別通入氣相色譜儀，每個(gè)標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)重復(fù)測定兩次，以氬峰高平均值和標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)中氬體積分?jǐn)?shù)按最小二乘法擬合校準(zhǔn)曲線，然后將樣品氣體分別通入氣相色譜儀，重復(fù)測定兩次，以氬峰高平均值定量計(jì)算氬的體積分?jǐn)?shù)[4-5]。氦中氬混合氣體的色譜圖如圖1所示。

圖1 氦中氬混合氣體色譜圖

氦中氬混合氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)在氣相色譜儀上的響應(yīng)平均值如表1所示。

表1 氦中氬混合氣體標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)響應(yīng)值

按最小二乘法擬合一次曲線和二次曲線如圖2所示，可以看出氦中氬混合氣體在μ-TCD檢測器上的響應(yīng)非完全線性，因此選取二次曲線作為分析用標(biāo)準(zhǔn)曲線。氦中氬混合氣體中氬的體積分?jǐn)?shù)cAr與其在μ-TCD檢測器上的峰高h(yuǎn)響應(yīng)值之間的函數(shù)關(guān)系為：cAr=3.1743×10-7h2-2.9062×10-3h+17.956，其相關(guān)系數(shù)為r=0.9999。

實(shí)際上，這種色譜條件下，所出現(xiàn)的色譜峰為氬和氧的合峰，但由于氧的含量低于氬含量的十萬分之一，因此氧帶來的測量誤差可以忽略不計(jì)。

1.3.3 微量氧和水分的分析

樣品中的微量氧和微量水分別可以按照GB/T 6285——2003《氣體中微量氧的測定 電化學(xué)法》和GB/T 5832.2——2008《氣體中微量水分的測定 第2部分：露點(diǎn)法》的要求使用微量氧分析儀和露點(diǎn)儀直接進(jìn)行測定。

2 結(jié)果與分析

2.1 樣品中氬體積分?jǐn)?shù)分析結(jié)果

樣品中氬體積分?jǐn)?shù)分析結(jié)果如表2所示。

圖2 氦中氬混合氣體分析曲線

表2 樣品中氬體積分?jǐn)?shù)分析結(jié)果

每種樣品兩瓶之間的氬含量分析結(jié)果極差分別為0.9%（75%氦中氬）和0.3%（50%氦中氬），說明所采樣品的均勻性較好。

2.2 樣品中氬峰高的測量重復(fù)性

選一瓶50%氦中氬混合氣體樣品連續(xù)進(jìn)樣6次，測量其氬峰高分別為 13724.3，13716.8，13633.2，13680.5，13641.4，13684.9（25μV），其相對標(biāo)準(zhǔn)偏差（RSD）為0.27%，說明分析方法的測量重復(fù)性較好[6]。

2.3 樣品中氬體積分?jǐn)?shù)的穩(wěn)定性

選一瓶50%氦中氬混合氣體樣品，在測量氬峰高后一定時(shí)間間隔內(nèi)重復(fù)測量，計(jì)算其體積分?jǐn)?shù)，結(jié)果如表3所示。

表3 不同時(shí)間測定氬的體積分?jǐn)?shù)測定結(jié)果

在48h內(nèi)多次測量同一樣品，其體積分?jǐn)?shù)的計(jì)算結(jié)果極差為0.4%，說明樣品在48h內(nèi)穩(wěn)定。

2.4 樣品壓力對測量結(jié)果的影響

選一瓶50%氦中氬混合氣體樣品，采樣時(shí)瓶內(nèi)壓力為10MPa。在測量氬峰高后放氣，至瓶內(nèi)壓力為8，5，3，1 MPa時(shí)分別測量氬峰高，計(jì)算其體積分?jǐn)?shù)，結(jié)果如表4所示。

表4 不同樣品瓶內(nèi)壓力測定氬的體積分?jǐn)?shù)測定結(jié)果

在樣品氣瓶內(nèi)不同壓力下體積分?jǐn)?shù)計(jì)算結(jié)果極差為0.5%，說明樣品氣瓶內(nèi)壓力對樣品測量結(jié)果的影響較小。

2.5 六通閥內(nèi)氣體流速對測定結(jié)果的影響

按照圖3所示，在氣相色譜儀的進(jìn)樣六通閥樣品出口安裝流量計(jì)，測定進(jìn)樣時(shí)樣品氣體的流量。

圖3 測定六通閥內(nèi)氣體流速

選一瓶50%氦中氬混合氣體樣品，設(shè)定進(jìn)樣時(shí)樣品氣體流速分別為 0，100，200，500，800，1000mL/min，分別測量其氬峰高，結(jié)果如表5所示。

表5 不同樣品氣體流速測定氬峰高測量結(jié)果

可以看出樣品氣體流速對氬峰高測量結(jié)果有較大影響。由于定量管內(nèi)徑較細(xì)，因而流速越高，定量管內(nèi)壓力越高，導(dǎo)致測量結(jié)果越大。如圖4所示，在一定流速范圍內(nèi)，氬峰高h(yuǎn)與樣品氣體流速V之間呈線性關(guān)系。

當(dāng)樣品氣體流速為0時(shí)，即進(jìn)樣時(shí)定量管內(nèi)氣體不流動(dòng)，可能會(huì)與外界氣體發(fā)生交換，導(dǎo)致測量結(jié)果不準(zhǔn)確；而樣品氣體流速較大，產(chǎn)生氣流不穩(wěn)定的可能性較大，因而采用100mL/min氣體流速進(jìn)樣較為合適。需要注意的是在制作氬體積分?jǐn)?shù)與峰高的標(biāo)準(zhǔn)曲線時(shí)，所采用的氣體流速與分析樣品時(shí)采用的氣體流速相同，否則會(huì)產(chǎn)生較大的測量誤差。

圖4 氬峰高與樣品氣體流速曲線

2.6 樣品中微量氧和微量水的測定結(jié)果

樣品中微量氧和微量水的測定結(jié)果（體積分?jǐn)?shù)）如表6所示。

表6 微量氧和微量水測定結(jié)果

可以看出，由于樣品是由高純氦和高純氬混合而成，因此其中的氧含量和水含量均符合GB/T 4844——2011《純氦、高純氦和超純氦》以及GB/T 4842——2006《氬》中關(guān)于高純氦和高純氬的氧含量（≤1.5×10-6）和水含量（≤3×10-6）要求。

3 結(jié)束語

氣相色譜法作為一種準(zhǔn)確、穩(wěn)定的成分分析方法，廣泛應(yīng)用于混合氣體組成的定量分析。用氣相色譜法對氦中氬混合氣體的組成進(jìn)行分析，可以作為混合氣體的質(zhì)量控制方法，以保證混合氣體的組成符合使用要求。采用符合相應(yīng)質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的純氣體生產(chǎn)混合氣體產(chǎn)品，同時(shí)對產(chǎn)品中的微量氧和微量水進(jìn)行分析和控制，可以保證混合氣體產(chǎn)品的質(zhì)量。

[1] 徐晨明.氬氦混合氣體保護(hù)焊接電弧光譜診斷[D].哈爾濱：哈爾濱工業(yè)大學(xué)，2005.

[2] 杜盛康.汽車安全氣囊的發(fā)展過程及國內(nèi)外現(xiàn)狀[J].世界汽車，2001（11）：18-21.

[3] Buckman Robert F， Jay A， Donald L， et al.Air bag inflation device：US，7017195 B2[P].2003-12-18.

[4] 梁漢昌.氣相色譜法在氣體分析中的應(yīng)用[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008：41-53.

[5] GB/T 4844—2011純氦、高純氦和超純氦[S].北京：中國質(zhì)檢出版社，2011.

[6] GB/T 4842—2006氬[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.