氦氬混合氣體的組成分析

高旭輝，吉雪梅，田 敏，王 璐

（陜西省計量科學研究院，陜西 西安 710065）

0 引 言

氦氬混合氣體產品廣泛應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，焊接的效果也會有很大差異[1]。此外，氦氬混合氣體產品還作為驅動氣體，應用于汽車安全氣囊產品[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將產生不同的打開效果。目前尚無該類混合氣體產品的國際標準和國家標準。因此，分析氦氬混合氣體的組成，對于保證焊接產品的質量，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行分析，并且結合氦、氬氣體的產品標準，對混合氣體產品的質量標準進行討論。

1 試驗方案設計與分析方法

1.1 儀器與試劑

氣相色譜儀，美國安捷倫公司7890A型；氣動六通閥氣體進樣器，μ-TCD檢測器。

微量氧分析儀，西安泰戈分析儀器有限責任公司DFY-VC型。

露點儀，西安泰戈分析儀器有限責任公司TG-1500型。

氦中氬混合氣體標準物質，氬的體積分數分別為20%、40%、50%、60%、80%（由中國計量科學研究院提供），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數為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，總容積640L，充裝壓力15MPa。按照GB/T 6681——2003《氣體化工產品采樣通則》的要求，將氣體樣品通過耐高壓不銹鋼軟管充入預抽真空的8L鋁合金無縫鋼瓶內，充裝壓力8～9MPa，然后放空至壓力約為1MPa，再充氣，重復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 標準曲線的制作以及樣品中氬體積分數的分析

將氦中氬混合氣體標準物質分別通入氣相色譜儀，每個標準物質重復測定兩次，以氬峰高平均值和標準物質中氬體積分數按最小二乘法擬合校準曲線，然后將樣品氣體分別通入氣相色譜儀，重復測定兩次，以氬峰高平均值定量計算氬的體積分數[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

氦中氬混合氣體標準物質在氣相色譜儀上的響應平均值如表1所示。

表1 氦中氬混合氣體標準物質響應值

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檢測器上的響應非完全線性，因此選取二次曲線作為分析用標準曲線。氦中氬混合氣體中氬的體積分數cAr與其在μ-TCD檢測器上的峰高h響應值之間的函數關系為：cAr=3.1743×10-7h2-2.9062×10-3h+17.956，其相關系數為r=0.9999。

實際上，這種色譜條件下，所出現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。

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 電化學法》和GB/T 5832.2——2008《氣體中微量水分的測定 第2部分：露點法》的要求使用微量氧分析儀和露點儀直接進行測定。

2 結果與分析

2.1 樣品中氬體積分數分析結果

樣品中氬體積分數分析結果如表2所示。

圖2 氦中氬混合氣體分析曲線

表2 樣品中氬體積分數分析結果

每種樣品兩瓶之間的氬含量分析結果極差分別為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性

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

2.3 樣品中氬體積分數的穩定性

選一瓶50%氦中氬混合氣體樣品，在測量氬峰高后一定時間間隔內重復測量，計算其體積分數，結果如表3所示。

表3 不同時間測定氬的體積分數測定結果

在48h內多次測量同一樣品，其體積分數的計算結果極差為0.4%，說明樣品在48h內穩定。

2.4 樣品壓力對測量結果的影響

選一瓶50%氦中氬混合氣體樣品，采樣時瓶內壓力為10MPa。在測量氬峰高后放氣，至瓶內壓力為8，5，3，1 MPa時分別測量氬峰高，計算其體積分數，結果如表4所示。

表4 不同樣品瓶內壓力測定氬的體積分數測定結果

在樣品氣瓶內不同壓力下體積分數計算結果極差為0.5%，說明樣品氣瓶內壓力對樣品測量結果的影響較小。

2.5 六通閥內氣體流速對測定結果的影響

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

圖3 測定六通閥內氣體流速

選一瓶50%氦中氬混合氣體樣品，設定進樣時樣品氣體流速分別為 0，100，200，500，800，1000mL/min，分別測量其氬峰高，結果如表5所示。

表5 不同樣品氣體流速測定氬峰高測量結果

可以看出樣品氣體流速對氬峰高測量結果有較大影響。由于定量管內徑較細，因而流速越高，定量管內壓力越高，導致測量結果越大。如圖4所示，在一定流速范圍內，氬峰高h與樣品氣體流速V之間呈線性關系。

當樣品氣體流速為0時，即進樣時定量管內氣體不流動，可能會與外界氣體發生交換，導致測量結果不準確；而樣品氣體流速較大，產生氣流不穩定的可能性較大，因而采用100mL/min氣體流速進樣較為合適。需要注意的是在制作氬體積分數與峰高的標準曲線時，所采用的氣體流速與分析樣品時采用的氣體流速相同，否則會產生較大的測量誤差。

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果

樣品中微量氧和微量水的測定結果（體積分數）如表6所示。

表6 微量氧和微量水測定結果

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 結束語

氣相色譜法作為一種準確、穩定的成分分析方法，廣泛應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行分析，可以作為混合氣體的質量控制方法，以保證混合氣體的組成符合使用要求。采用符合相應質量標準的純氣體生產混合氣體產品，同時對產品中的微量氧和微量水進行分析和控制，可以保證混合氣體產品的質量。

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

[2] 杜盛康.汽車安全氣囊的發展過程及國內外現狀[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用[M].北京：化學工業出版社，2008：41-53.

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

[6] GB/T 4842—2006氬[S].北京：中國標準出版社，2006.