取样管道对分子流气体分压力测量的影响

[db:作者]

　　在管道吸附作用非稳态气体分析研究的基础上，提出管道末端分子流气体以单位时间碰壁数进入质谱室，由真空系统抽除的物理机理，建立了第三类边界条件的气体在管道取样分压力分布的输运方程和质谱室抽气方程，得到了质谱室分压力任意时间的分析解，研究了管道内压力、质谱室压力、稳定压力、稳定时间和分析时间、真空泵对质谱室的抽速、气体分子质量、管道长度的关系。以一些惰性气体和特定的航天器推进剂工质气体为算例，分析了取样管道对质谱分压力测量的影响。
　　在危险气体检测、环境监测及吸枪检漏中，需要远距离取样，取样点和测试仪器必须要有一定的距离，一般都通过取样管道连接。当被取样测试点的输入端的气体压力、成分等物理化学特性发生变化时，通过管道连接的测量仪器能否快速、准确地测试就十分重要，而取样管道必然对测量仪器的测试结果产生较大的影响，该问题作为真空技术的基础问题，James M.Lafferty及本文作者也曾从气体扩散理论出发，对该问题进行了研究。
　　近年来，随着管道取样的质谱分析和吸枪检漏技术的发展，取样管道对分压力测量的影响机理需要更进一步深入的研究。在借鉴王欲知对管道吸附作用的非稳态气体分析研究的基础上，建立了数学方程，探究在分子流气体状态下，分压力测量中，真空泵对质谱室抽气和管道动态取样的物理过程，分析取样管道对分压力测量的影响。
# H7 v! V1 n6 i5 h  `　　1、物理分折
3 p# M/ r# \  E1 F9 e+ N　　通过长管道取样的分压力质谱测量系统，可以等效为如图1所示的示意图。假设质谱测量的气体只有被分析的气体和空气。长为l的取样管道一端和取样点相连接，一端和分压力质谱计的质谱室连接。在管道的取样端，空气的分压力pa保持不变，被测量气体的分压力p0也保持不变，取样管道的长为l。
; @3 K% i, i  ~, X# }! k* W
图1 管道取样分压力测量示意图
　　如图2所示，当气体通过直径为2r的长园取样管道的输运进入质谱计时，在取样管道截面x 及x+dx 处，单位长度的流导如果为c1，在分子流状态下，近似认为气体通过x 处的压力p 处的压力的流量Q为
, g' J( W, v, U! g) ~' n$ [- }

/ T- i& C8 C: Q图2 气体通过长园管道的输运示意图
　　4、结论
  v2 k* \3 ~+ z5 {. f3 c2 {　　管道取样对于分压力测量会产生较大的影响，通过对分子流气体流态和管道取样物理过程分析，得到如下结论：
1 |' _" G5 I1 p; O4 Z) p　　(1)直接取样被测量气体进入具有抽速的质谱室，其管道内压力和管道位置及取样时间成复杂的指数关系，被分析气体在质谱室中的动态压力和测量时间也成复杂指数关系；
' \5 [7 P8 F0 q% ^' J　　(2)通过取样管道在质谱室中建立的平衡压力正比于取样点被测量气体的分压力；
　　(3)管道取样改变了混合气体的分压力比值，在气体趋于稳定时，分压力比值和被测量气体的分子质量比的均方根成反比；
4 L1 r9 N4 z  N- {0 A% L  h' |　　(4)在取样相当长时间后，进入质谱室中的气体稳定，对于长园管道，其被测量的气体在质谱室中的分压力和管道长度成反比；
/ ]$ q! ]  f; l4 r  b3 I　　(5)对于大抽速的质谱分析系统，质谱室中取样得到的稳定压力最短稳定时间和管道长度的平方成正比，同被测量气体平均速度成反比。