[发明专利]一种基于质谱分析的混合气体渗透率测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种基于质谱分析的混合气体渗透率测量装置及方法，该测量装置包括渗透系统、控温元件、抽空系统、充气系统和压力测量单元；基于质谱分析测出混合气体中任意一种气体成分的渗透率，并利用控温元件的辐射控温技术以及动态流导法，实现渗透元件在设定温度下的渗透率精确测量，降低了渗透率测量结果不确定度。本发明的测量装置及方法测量范围宽、可测气体种类多、结果准确，能够实现混合气体条件下的气体选择性渗透性能测试，以及金属和非金属材料的微小渗透率测试。

技术领域

本发明涉及真空材料性能测量与校准技术领域，具体涉及基于质谱分析的混合气体渗透率测量装置及方法。

背景技术

固体材料的气体渗透是材料固有特性之一，是影响密闭容器密封性能的原因之一。随着近空间平流层飞艇、长寿命航天器等任务在寿命、可靠性、安全性等方面提出更高的要求，以及在前沿科学研究中的长期真空获得与维持要求，其中许多场合材料渗透已经成为影响压力降低和真空失效的主要因素。目前，有关渗透率的测试方法很多，但是它们的测量范围和测量精度相差较大，一直缺少一种权威的方法和标准，也未见到标准的测试系统和装置，从计量学角度来看，不能实现不同测量方法和测量结果间的有效比对和量值传递，会影响测量结果的准确性。再者，现有渗透率的测试中未曾见到基于混合气体的测量装置及方法。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种基于质谱分析的混合气体渗透率测量装置及方法，该测量装置测量范围宽、可测气体种类多、结果准确，能够实现混合气体条件下的气体选择性渗透性能测试，以及金属和非金属材料的微小渗透率测试，且提高了渗透率测量的精确度。

本发明的具体实施方案如下：

一种基于质谱分析的混合气体渗透率测量装置，该测量装置包括渗透系统、控温元件、抽空系统、充气系统和压力测量单元；

所述渗透系统包括高压室、低压室、渗透元件、渗透工装、分压力真空计、辅助真空室及球状真空室；高压室通过渗透工装与低压室固定连接并保持真空密封，渗透元件安装在渗透工装上，辅助真空室设在渗透工装外围，球状真空室通过限流小孔与低压室固定连接；低压室通过管道与分压力真空计相连；

所述控温元件由加热器和低温冷板组成，加热器设置在高压室外部，低温冷板设置在高压室内部，采用辐射控温的方式实现对渗透元件的温度控制；

所述抽空系统用于对渗透系统抽真空，所述充气系统用于为高压室提供混合气体，所述压力测量单元用于测量工作工程中的气体压力。

进一步地，所述高压室和低压室均采用放气率低的金属材料制作，并在制作过程中采用表面钝化和烧氢处理；低压室采用球状真空室设计。

进一步地，所述分压力真空计采用四极质谱计，四极质谱计的探头安装在低压室的球心位置。

进一步地，所述渗透元件为圆片状结构，材料为金属材料或者非金属材料；所述渗透元件采用支撑环支撑，所述支撑环为圆片状多孔板。

进一步地，所述辅助真空室采用低真空设计，球状真空室采用极高真空设计。

一种基于质谱分析的混合气体渗透率测量方法，具体测量方法如下：

步骤一、将需要测试的渗透元件安装在渗透工装上；

步骤二、启动抽空系统对渗透系统的高压室、低压室、球状真空室以及辅助真空室进行抽真空；

步骤三、达到极限压力后，启动分压力真空计，对低压室的本底残余气体成分和含量进行测量，获得低压室的本底等效渗透率；

步骤四、停止对高压室抽真空，通过充气系统向渗透系统的高压室充入给定组份含量和压力的混合气体，启动控温元件对渗透元件进行控温，满足设定温度要求；