专利名称：为分析器供应气体混合物的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于分析流体的装置和一种特别是给流体分析器输送至少一种 气体混合物的方法。
背景技术：
可被分析的流体可以是气体或者液体，这些流体可以为了质量控制的目的通过在 工业过程中直接取样获得，也可以为了监控或控制的目的通过在给定气氛(例如环境大 气)中取样获得。用于在流体样本中测量小浓度的化学物质的分析器对提供给分析器的纯气体和 气体混合物的特性很敏感。纯气体或气体混合物用于将样本适当地传送到检测器，并且在 校准过程中设置“零”点，这在流体分析领域十分重要。它们还可以用于操作装置本身。这 些纯气体或气体混合物叫做检测气。例如，这些检测气为氦气、氮气、空气或混合物，例如 H2/He, H2/Ar, CH4/Ar, C02/Ar 以及 H2/N2。存在于这些检测气中的杂质含量和关于生产检测气的操作明细(或技术规范)是 对分析器的灵敏度和分析的再现性产生影响的参数。包含在检测气中的杂质的水平和特性使得能达到相当于99. 999 %纯度的品质。最 常见的杂质是湿气和烃类。碳的氧化物(CO和co2)和氧气也可以成为保证物。由于越来越严格的法规，分析实验室必须测量越来越低的浓度。因此分析器特性 的改进集中在它们的检测限制和精度上。在检测气的情况下，如今所提供的保证物(杂质) 不再足以满足纯度和制造精度方面的这些要求，这是因为浓度太高的杂质干扰了分析器的 背景噪声，因而降低了其灵敏度。保证杂质的范围可能是不满足的并且成为测量中的干扰 源。例如，保证杂质是湿气和氧气，而那些对分析有关键影响的是烃类，(需要)能对分析 的干扰进行限制的附加规范。最后，在一种混合物与另一种混合物的组成方面的偏差之间 的差异是导致分析结果不精确的一个来源，与理论上期望产生的检测气的不同成分的比例 相比，该差异太高。作为分析器的火焰电离检测器(FID)的特定示例包括被供以氢气/氦气混合物和 空气的火焰以及收集极板。待分析的样本经过火焰，该火焰分解出有机分子并产生离子，在 偏压电极上这些分子和离子被收回并因此产生了电信号。FID非常灵敏并且提供了宽的动 态范围。FID用于检测烃类，例如甲烷、乙烷或甚至乙炔。在预热区中待分析的样本预先与易 燃的检测混合物混合。收集在火焰中形成的离子和电子并因此使电流在外围电路中流动。 电流与离子的数量成正比，而离子的数量取决于待分析的流体中烃类的浓度。电流由适合 的静电计测量并显示在模拟输出装置上。因此，FID提供了对烃类浓度的快速、精确(低于 ppb)和连续的读取。FID被供以两种气体混合物，即以适当限定的各自比例(例如40 %和60 % )混合 的氢气/氦气(H2/He)，和以适当限定的各自比例(例如20%和80%)混合的氧气/氮气 (02/N2)。在相对于理论上期望产生的一种混合物与另一种混合物的不同成分比例的偏差方面的变化构成了关于使用FID执行的分析所得到的结果的不确定性的一个来源。为了 改进由FID执行的分析的可靠性，被称为火焰气体的H2/He混合物和02/N2混合物因此必须 具有从一种混合物到另一种混合物的稳定的生产精度等级，从而能够限制此参数对测量的 影响。此外，检测气中存在的杂质的含量也是要考虑的因素，当不得不通过FID分析小的量 (小于或等于百万分之一)时尤应如此。因此，为了保证分析的可靠性，必须改进这些技术参量。例如在FID的情况下，目前以气瓶的形式输送火焰气体，其中在H2/He混合物情况 下关于氢气含量的生产精度等级在绝对的和2%之间，而在02/N2混合物情况下关于氧 气含量的生产精度等级在绝对的0.5%和之间。关于不同的气瓶中的这些混合物的组 成方面的变化对终端客户来说是一个误差来源。这是因为在H2/He混合物中关于H2浓度的 绝对2%的变化可能在分析烃类而获得的FID信号中产生高达30%的变化。类似地，在提 供给FID的02/N2混合物中氧气含量的2%的变化在FID信号中产生10%的变化。此外，杂质含量是关于分析的可靠性的一个关键参数。当通过总FID分析零级空 气样本时，40ppb的杂质浓度会导致信号中的23%的增量。然而，目前瓶装的混合物中的杂 质水平通常保证在50和lOOppbv之间。例如，在FID的情况下，用于供应给FID的瓶装H2/ He混合物和02/N2混合物的输送因而具有在分析结果中产生很大不确定性的缺点，这种不 确定性比要分析的低的杂质含量更关键。因此，这类瓶装混合物的输送不能保证混合物的 成分或者纯度随时间的再现性。这种保证对应于一种制备容器并用混合物填充它们的方法，该方法能够保证在经 济上可行的成本下生产大量要生产的混合物。关于精度和保证的杂质水平方面的要求的改 变意味着这些瓶装混合物的生产必须修改现有的工艺和设备，这将会导致产品成本的大幅 增加。因此，看起来对于这种类型的混合物、至少对于生产大量这种混合物，利用填充中心 达到的产品的精度等级如今已经到达了极限。关于杂质，所保证的水平随着使用的气源、生 产气瓶的工艺和填充气瓶的方法而波动。
发明内容
本发明的一个目的是消除部分或全部前述缺点。为此目的，本发明由用于分析流体的装置构成，其包括-分析器，和-将检测气供应给所述分析器的供给系统，其特征在于该供给系统包括产生所述检测气的至少一个混合器以及位于所述至 少一个混合器下游和该分析器上游的至少一个净化器。根据本发明的一个实施例，将检测气供应给所述分析器的系统还包括位于至少一 个混合器上游的至少一个净化器。在混合器下游设置单个净化器的优点是它简化了整个输送过程。不过，在该混合 器上游增加净化器使得有可能在进入之后从纯气体的至少一者中除去特定的杂质，由于技 术和/或安全限制这些杂质将不可能从最终的混合物中去除。此外，本发明的实施例可以包括一个或多个下述特征_分析器是火焰电离检测器。该分析器还可以从以下列表中选择导热析气计(或TCD)、电子俘获检测器(ECD)、光电离检测器、化学发光检测器、电化学检测器、氦电离检测 器、辉光放电检测器、等离子体发射检测器、原子发射检测器、还原气体分析器；-例如，火焰电离检测器被供以两 种检测气混合物，一种是氢气/氦气混合物，另 一种是氧气/氮气混合物。该供给系统由位于第一混合器下游和分析器上游的第一净化器 以及位于第二混合器下游和分析器上游的第二净化器形成，所述第一混合器产生氢气/氦 气混合物，所述第二混合器产生氧气/氮气混合物；_特别地，在待供应的分析器是火焰电离检测器时，氢气/氦气混合物中氢气的比 例是35 %至45 %，优选40 %，氦气的比例是55 %至65 %，优选60 %，且氧气/氮气混合物 中氧气的比例是15%至25%，优选20%，氮气的比例是75%至85%，优选80% ；-所述至少一个混合器包括选自质量流量调节器、音速孔板、不同直径的校准孔板 组或调节阀的部件。用于质量流量调节器的预定阈值的参数化或不同直径校准孔板组的使 用使得有可能产生具有不同浓度的混合物和/或改变总流量。诸如调节器或压力传感器和 气动阀的部件可以结合到所述至少一个混合器中以便确保流量调节件的最优运行；以及-根据进入的气体和要去除的杂质类型，所述至少一个净化器可以由选自下列单 元的一个或多个单元组成颗粒过滤器、包含贵金属和/或金属氧化物的催化剂、低温阱、 可能呈数个连续层分布的一种或多种吸附剂(例如活性炭、活性氧化铝或各种类型的沸 石)。在本发明的一个实施例中，所述至少一个净化器还可以包括警报或警告(例如可 听或可视信号)装置或者其它表明该净化器已经达到其保证的使用寿命的尽头的信息装 置。这样的装置能够告知使用者，以便使用者能够更换该净化器或者切换到应急供应装置， 该应急供应装置提供同样规格的供应。作为变型例，该警报装置可以耦合到自动的混合器 开关以防止由于该净化器性能下降而导致的错误分析。应急供应装置可以由具有已知成分的瓶装气体或者切换到另一个净化器的开关 装置构成。作为另外一个变化例，由自再生的净化装置提供净化。这样的净化装置是例如 PSA(变压吸附)单元或TSA(变温吸附)单元。在这后两个示例中，与气流平行地设置两个 储槽，并在其中填充吸附剂(例如活性炭、活性氧化铝或沸石)。当第一储槽能使气体流到 混合器时，第二储槽处于再生模式。此再生模式可以通过压力的改变(PSA单元)或气流下 的温度升高(TSA单元)实现。根据本发明的一个实施例，在所述至少一个净化器的下游设置有压力调节器。本发明的另一主题是一种用于给流体分析器供应检测气的供给系统，该供给系统 包括产生所述检测气的至少一个混合器与位于所述至少一个混合器下游的至少一个净化 器的组合，该供给系统结合到同一个流体分析装置中。本发明的另一主题是一种用于给火焰电离检测器供应检测气的供给系统，该供给 系统由两个各自产生检测气混合物的混合器形成，各混合器位于净化器的上游。本发明的另一主题是一种如前所述的供给系统的应用，用于将至少一种检测气混 合物输送至流体分析器。本发明的又一主题是一种将至少一种气体混合物输送至流体分析器的方法，该方 法包括如下步骤
a)使用混合器形成由至少两种纯气体组成的混合物；和b)通过净化器净化在步骤a)中获得的混合物，该净化器产生用于所述分析器的 检测气混合物，其特征在于通过单件设备在同一场所执行这些步骤。这样的方法还可以包括在步骤a)之前净化至少一种待混合的气体的步骤。本发明的另一主题是一种将两种气体混合物输送至火焰电离检测器的方法，该方 法包括如下步骤a)使用第一混合器形成由40%的氢气和60%的氦气组成的第一混合物，以及使 用第二混合器形成由20%的氧气和80%的氮气组成的第二混合物；和b)通过第一净化器净化在步骤a)中获得的第一混合物，该第一净化器产生用于 该火焰电离检测器的第一检测气混合物，以及通过第二净化器净化在步骤a)中获得的第 二混合物，该第二净化器产生用于该火焰电离检测器的第二检测气混合物，其特征在于通过单件设备在同一场所执行这些步骤。
通过阅读以下参照图1和图2给出的描述，本发明的其它特征和优点将变得清 晰图1示出根据本发明的用于分析流体的装置的示意图；以及图2示出根据本发明的用于分析流体的装置的一个变型的示意图。
具体实施例方式图1示出了用于分析容纳在储存器14中的流体2的装置1。流体2例如是环境大 气的样本或废气的样本。装置1由用于给分析器3供应检测气的设备4或者系统构成。这 里所述的设备4由两个同样的部分组成，每个部分由置于混合器7或8的下游的净化器9 或10形成。进入的气体G1至G4是纯气体，例如氦气、氮气、氢气、氩气、甲烷或二氧化碳。 这些纯气体特别地以瓶装形式输送或者来自发生器，它们关于杂质的技术规格与置于分析 器7或8上游的净化器9或10的净化能力相符。关于混合器7或8的现有技术允许在产生混合物5或6时在微量成分的浓度方面 存在不超过绝对的0. 5%的不确定性。它可以包括质量流量调节器或者音速孔板或者调节 阀。净化器9或10用于降低对分析有关键影响的杂质含量。例如，该净化器可以是由 金属氧化物构成的催化剂以便将烃类转化为co2和H2O。它可以与用于俘获这些杂质的吸 附剂相结合以限制这些杂质对测量的影响。所有的这种气体混合物输送设备能够产生具有低杂质含量的精确的混合物。本发 明的一个主题是一种用于降低由分析器的供应混合物对分析不确定性造成的影响的装置， 该主题构成相对于瓶装混合物的可选方案。纯气体(例如G1和G2 (或者G3和G4))进入混合器7 (或者8)，该混合器输送混 合物G1/G2在管线12中流动(或者G3/G4在管线13中流动)。净化器9 (或者10)用于降 低混合物G1/G2 (或者G3/G4)中关键杂质的含量并且输送混合物5 (或者6)。混合物5和
76各自代表一种用于分析来自所述储存器14的流体2的检测气。所述流体2在管线11中 流动进入分析器3，检测气也流入该分析器3。根据本发明的一个特定实施例，设备4由单 个节段构成。一节段由混合器7、净化器9和管线12组成，检测气在该管线12中流动。一 种根据本发明的装置还可以包括由多于两个的节段组成的设备4。如果分析器3是火焰电离检测器，则检测气供给系统或设备4包括位于第一混合 器7下游的第一净化器9，该第一净化器9产生在管线12中流动的氢气(G1)/氦气(G2)混 合物5。第二净化器10位于第二混合器8的下游，该第二净化器10产生在管线13中流动 的氧气(G3)/氮气(G4)混合物6。此净化器10位于分析器3的上游，该分析器意在分析来 自试样14的流体2，所述流体在管线11中经由入口 17流入分析器3。混合物5和6经由入口 15和16供应给分析器3，并且将试样14中的流体2导入 分析器3的将要执行测量的部分。这些火焰气体5和6还用于在校准分析器3时设定“零” 点o图2示出了用于分析容纳在储存器14中的流体2的装置1。与图1所示的装置不 同，在这里示意性地示出的装置还包括置于至少一个混合器7或8上游的至少一个净化器 18、19、20、21。因此，待混合的纯气体中的至少一者可以在进入混合器之前净化。在混合器 的上游增加净化器使得有可能从进入的纯气体G1至G4中的至少一者中除去特定的杂质， 由于技术和/或安全性的限制这些杂质不能从最终的混合器去除。根据要实现的目标，在 至少一个混合器7和8的上游仅净化一种进入气体，或者在进行混合之前净化数种进入气 体。最后，根据本发明的一个实施例，所有待混合的气体将首先被净化。因此，一般而言，本发明提出的解决方案一方面包括允许就地产生检测气的混合 器，另一方面包括置于该混合器下游和分析器上游的净化器。这两个部件组合起来并构成 了单件设备。混合器使得有可能保证混合物的成分随着时间的流逝保持稳定。根据客户所希望 的流体动力学特性，该混合器可以由质量流量调节器或者音速孔板构成。净化器例如使用 催化工艺通过将例如烃类的关键杂质转化为co2和H2O而去除。此净化器还可以包括用于 俘获这些杂质的呈连续层的吸附剂，例如用于俘获吐0的滤网第一层和用于俘获co2的沸石
弟"~ 层。混合器部件使得关于微量成分浓度的混合物生产精度可能达到绝对的0. 5%或者 更好。在客户的场所进行生产避免了形成检测气的混合物在混合物浓度方面的潜在波动。 例如在FID的情况下，在客户的场所进行生产避免了氢气/氦气混合物中氢气浓度和氧气 /氮气混合物中氧气浓度的潜在波动。通过保证此精度，改善了客户的分析的再现性。混合器能够使得在分析器上游获得的烃类杂质水平低于会干扰分析器的分析的 水平。净化器的连续运行使得在分析低的烃类含量时该分析器的“背景噪声”保持在令人 满意的水平。在FID的情况下，关键杂质是烃类——对于lOOppbv的烃类的分析，该净化器 必须使烃类含量达到低于lOppbv。整套设备为客户提供了由于混合器的精度混合物的成分随着时间的流逝保持稳 定、以及由于净化器的性能输送到使用位置的混合物的纯度保持恒定的保证。因而该解决 方案具有能够将具有随时间的流逝保持恒定的必要特性的混合物提供给客户的优点。因此 所提出的解决方案有助于降低由分析器的供给气体对分析不确定性造成的影响。而且，与瓶装输送相比，混合器和净化器的组合给客户提供了更简单的使用和更快捷的操作。
显然，本发明允许许多其它特定形式的实施例而不脱离本发明的应用域。因此，本 文的实施例必须被认为是示例性的，而这些实施例可以在由所附的权利要求的范围限定的 域内进行修改，并且本发明不限于以上给出的细节。
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权利要求
一种用于分析流体(2)的装置(1)，该装置包括分析器(3)；和给所述分析器供应检测气(5，6)的供给系统(4)，其特征在于，所述供给系统(4)包括产生所述检测气(5，6)的至少一个混合器(7，8)以及位于所述至少一个混合器(7，8)下游和所述分析器(3)上游的至少一个净化器(9，10)。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，给所述分析器(3)供应检测气(5，6)的所 述系统(4)还包括位于至少一个混合器(7，8)上游的至少一个净化器(18，19，20，21)。
3.根据权利要求1和2中任一项所述的装置，其特征在于，所述分析器(3)是火焰电离 检测器。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述供给系统(4)给所述分 析器(3)供应两种检测气混合物，其中一种(5)是氢气/氦气混合物，而另一种(6)是氧气 /氮气混合物，所述供给系统(4)由位于第一混合器(7)下游和所述分析器(3)上游的第一 净化器(9)以及位于第二混合器(8)下游和所述分析器(3)上游的第二净化器(10)形成， 所述第一混合器(7)产生所述氢气/氦气混合气(5)，所述第二混合器(8)产生所述氧气/ 氮气混合气(6)。
5.根据权利要求4所述的装置，其特征在于，所述供给系统(4)给所述分析器(3)供应 两种检测气混合物，其中一种(5)是各自比例为40%和60%的氢气/氦气混合物，而另一 种(6)是各自比例为20%和80%的氧气/氮气混合物。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个混合器(7，8) 包括至少一个选自质量流量调节器、音速孔板、不同直径的校准孔板组或调节阀的部件。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个净化器(9， 10)包括选自以下单元的一个或多个单元颗粒过滤器、包含贵金属和/或金属氧化物的催 化剂以及低温阱。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个净化器(9， 10)还包括至少一种吸附剂。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述至少一个净化器(9， 10)还包括警告所述净化器将要达到其保证的使用寿命的尽头的装置。
10.根据权利要求1至9中任一项所述的装置，其特征在于，在所述至少一个净化器 (9，10)的下游设置有压力调节器。
11.一种用于给流体(2)的分析器(3)供应检测气(5，6)的供给系统(4)，所述供给系 统包括产生所述检测气(5，6)的至少一个混合器(7，8)与位于所述至少一个混合器(7，8) 下游的至少一个净化器(9，10)的组合，其特征在于，所述供给系统(4)结合到同一个根据 权利要求1至10中任一项限定的装置(1)中。
12.根据权利要求11所述的用于给流体(2)的分析器(3)供应检测气(5，6)的供给系 统(4)，其特征在于，还包括位于至少一个混合器(7，8)上游的至少一个净化器(18，19，20， 21)。
13.根据权利要求11和12中任一项所述的用于给火焰电离检测器供应检测气(5，6) 的供给系统(4)，其特征在于，所述供给系统由两个各自产生检测气混合物(5，6)的混合器 (7,8)形成，各混合器位于净化器(9，10)的上游。
14.根据权利要求13所述的用于供应检测气(5，6)的供给系统(4)，其特征在于，每种 进入气体(Gl至G4)对应一个净化器(18，19，20，21)，所述净化器设置于各混合器(7，8)的 上游。
15.一种将至少一种气体混合物(5，6)输送到流体(2)的分析器(3)的方法，该方法包 括如下步骤a)使用混合器(7，8)形成由至少两种纯气体组成的混合物；禾口b)通过净化器(9，10)净化在步骤a)中获得的混合物，所述净化器产生用于所述分析 器(3)的检测气混合物，其特征在于，通过根据权利要求11至14中任一项限定的用于供应 检测气(5，6)的单个供给系统(4)在同一场所执行这些步骤。
16.根据权利要求15所述的将至少一种气体混合物(5，6)输送到流体(2)的分析器 (3)的方法，其特征在于，还包括在步骤a)之前净化至少一种待混合的气体的步骤。
17.根据权利要求11至14中任一项限定的用于供应检测气(5，6)的供给系统(4)的 应用，用于给流体(2)的分析器(3)输送至少一种检测气混合物(5，6)。
全文摘要
本发明涉及一种流体分析装置，包括分析器和用于给所述分析器供应检测气的系统，其特征在于，所述供应系统包括产生所述检测气的至少一个混合器，以及位于所述至少一个混合器下游和所述分析器上游的至少一个净化器。
文档编号G01N33/00GK101878418SQ200880118090
公开日2010年11月3日 申请日期2008年11月3日 优先权日2007年11月27日
发明者H·鲍里, J·科佩尔, S·莱匹克, V·博索特罗特 申请人:乔治洛德方法研究和开发液化空气有限公司