取樣管道對分子流氣體分壓力測量的影響

　　在管道吸附作用非穩態(tài)氣體分析研究的基礎上，提出管道末端分子流氣體以單位時(shí)間碰壁數進(jìn)入質(zhì)譜室，由真空系統抽除的物理機理，建立了第三類(lèi)邊界條件的氣體在管道取樣分壓力分布的輸運方程和質(zhì)譜室抽氣方程，得到了質(zhì)譜室分壓力任意時(shí)間的分析解，研究了管道內壓力、質(zhì)譜室壓力、穩定壓力、穩定時(shí)間和分析時(shí)間、真空泵對質(zhì)譜室的抽速、氣體分子質(zhì)量、管道長(cháng)度的關(guān)系。以一些惰性氣體和特定的航天器推進(jìn)劑工質(zhì)氣體為算例，分析了取樣管道對質(zhì)譜分壓力測量的影響。

　　在危險氣體檢測、環(huán)境監測及吸槍檢漏中，需要遠距離取樣，取樣點(diǎn)和測試儀器必須要有一定的距離，一般都通過(guò)取樣管道連接。當被取樣測試點(diǎn)的輸入端的氣體壓力、成分等物理化學(xué)特性發(fā)生變化時(shí)，通過(guò)管道連接的測量?jì)x器能否快速、準確地測試就十分重要，而取樣管道必然對測量?jì)x器的測試結果產(chǎn)生較大的影響，該問(wèn)題作為真空技術(shù)的基礎問(wèn)題，James M.Lafferty及本文作者也曾從氣體擴散理論出發(fā)，對該問(wèn)題進(jìn)行了研究。

　　近年來(lái)，隨著(zhù)管道取樣的質(zhì)譜分析和吸槍檢漏技術(shù)的發(fā)展，取樣管道對分壓力測量的影響機理需要更進(jìn)一步深入的研究。在借鑒王欲知對管道吸附作用的非穩態(tài)氣體分析研究的基礎上，建立了數學(xué)方程，探究在分子流氣體狀態(tài)下，分壓力測量中，真空泵對質(zhì)譜室抽氣和管道動(dòng)態(tài)取樣的物理過(guò)程，分析取樣管道對分壓力測量的影響。

　　1、物理分折

　　通過(guò)長(cháng)管道取樣的分壓力質(zhì)譜測量系統，可以等效為如圖1所示的示意圖。假設質(zhì)譜測量的氣體只有被分析的氣體和空氣。長(cháng)為l的取樣管道一端和取樣點(diǎn)相連接，一端和分壓力質(zhì)譜計的質(zhì)譜室連接。在管道的取樣端，空氣的分壓力pa保持不變，被測量氣體的分壓力p0也保持不變，取樣管道的長(cháng)為l。

圖1 管道取樣分壓力測量示意圖

　　如圖2所示，當氣體通過(guò)直徑為2r的長(cháng)園取樣管道的輸運進(jìn)入質(zhì)譜計時(shí)，在取樣管道截面x 及x+dx 處，單位長(cháng)度的流導如果為c1，在分子流狀態(tài)下，近似認為氣體通過(guò)x 處的壓力p 處的壓力的流量Q為

圖2 氣體通過(guò)長(cháng)園管道的輸運示意圖

　　4、結論

　　管道取樣對于分壓力測量會(huì )產(chǎn)生較大的影響，通過(guò)對分子流氣體流態(tài)和管道取樣物理過(guò)程分析，得到如下結論：

　　(1)直接取樣被測量氣體進(jìn)入具有抽速的質(zhì)譜室，其管道內壓力和管道位置及取樣時(shí)間成復雜的指數關(guān)系，被分析氣體在質(zhì)譜室中的動(dòng)態(tài)壓力和測量時(shí)間也成復雜指數關(guān)系；

　　(2)通過(guò)取樣管道在質(zhì)譜室中建立的平衡壓力正比于取樣點(diǎn)被測量氣體的分壓力；

　　(3)管道取樣改變了混合氣體的分壓力比值，在氣體趨于穩定時(shí)，分壓力比值和被測量氣體的分子質(zhì)量比的均方根成反比；

　　(4)在取樣相當長(cháng)時(shí)間后，進(jìn)入質(zhì)譜室中的氣體穩定，對于長(cháng)園管道，其被測量的氣體在質(zhì)譜室中的分壓力和管道長(cháng)度成反比；

　　(5)對于大抽速的質(zhì)譜分析系統，質(zhì)譜室中取樣得到的穩定壓力最短穩定時(shí)間和管道長(cháng)度的平方成正比，同被測量氣體平均速度成反比。