氦氩混合气体的组成分析

高旭辉，吉雪梅，田 敏，王 璐

（陕西省计量科学研究院，陕西 西安 710065）

0 引 言

氦氩混合气体产品广泛应用于金属材料的焊接过程中。混合气体的组成不同，在焊接过程中对电弧的影响也不同，焊接的效果也会有很大差异[1]。此外，氦氩混合气体产品还作为驱动气体，应用于汽车安全气囊产品[2]和气囊防摔服装[3]中，不同组成的混合气体在气囊工作时将产生不同的打开效果。目前尚无该类混合气体产品的国际标准和国家标准。因此，分析氦氩混合气体的组成，对于保证焊接产品的质量，保证汽车及人员的安全性能，都有着重要的意义。本文采用气相色谱法对氦氩混合气体的组成进行分析，并且结合氦、氩气体的产品标准，对混合气体产品的质量标准进行讨论。

1 试验方案设计与分析方法

1.1 仪器与试剂

气相色谱仪，美国安捷伦公司7890A型；气动六通阀气体进样器，μ-TCD检测器。

微量氧分析仪，西安泰戈分析仪器有限责任公司DFY-VC型。

露点仪，西安泰戈分析仪器有限责任公司TG-1500型。

氦中氩混合气体标准物质，氩的体积分数分别为20%、40%、50%、60%、80%（由中国计量科学研究院提供），不确定度U=1%，k=2。

1.2 色谱条件

分析用载气为高纯氦（99.999%），载气流速40mL/min；柱箱温度40℃；色谱柱为13X分子筛，长度1m，直径3mm；六通阀定量体积为0.25mL。

1.3 试验方法

1.3.1 混合气体样品的采集

本文所分析的混合气体样品是体积分数为50%氦中氩和75%氦中氩混合气体，由高纯氦和高纯氩混合充装于16瓶组立式集装格内，总容积640L，充装压力15MPa。按照GB/T 6681——2003《气体化工产品采样通则》的要求，将气体样品通过耐高压不锈钢软管充入预抽真空的8L铝合金无缝钢瓶内，充装压力8～9MPa，然后放空至压力约为1MPa，再充气，重复3次，最后充装压力不小于5MPa，每种样品平行采样两份。

1.3.2 标准曲线的制作以及样品中氩体积分数的分析

将氦中氩混合气体标准物质分别通入气相色谱仪，每个标准物质重复测定两次，以氩峰高平均值和标准物质中氩体积分数按最小二乘法拟合校准曲线，然后将样品气体分别通入气相色谱仪，重复测定两次，以氩峰高平均值定量计算氩的体积分数[4-5]。氦中氩混合气体的色谱图如图1所示。

图1 氦中氩混合气体色谱图

氦中氩混合气体标准物质在气相色谱仪上的响应平均值如表1所示。

表1 氦中氩混合气体标准物质响应值

按最小二乘法拟合一次曲线和二次曲线如图2所示，可以看出氦中氩混合气体在μ-TCD检测器上的响应非完全线性，因此选取二次曲线作为分析用标准曲线。氦中氩混合气体中氩的体积分数cAr与其在μ-TCD检测器上的峰高h响应值之间的函数关系为：cAr=3.1743×10-7h2-2.9062×10-3h+17.956，其相关系数为r=0.9999。

实际上，这种色谱条件下，所出现的色谱峰为氩和氧的合峰，但由于氧的含量低于氩含量的十万分之一，因此氧带来的测量误差可以忽略不计。

1.3.3 微量氧和水分的分析

样品中的微量氧和微量水分别可以按照GB/T 6285——2003《气体中微量氧的测定 电化学法》和GB/T 5832.2——2008《气体中微量水分的测定 第2部分：露点法》的要求使用微量氧分析仪和露点仪直接进行测定。

2 结果与分析

2.1 样品中氩体积分数分析结果

样品中氩体积分数分析结果如表2所示。

图2 氦中氩混合气体分析曲线

表2 样品中氩体积分数分析结果

每种样品两瓶之间的氩含量分析结果极差分别为0.9%（75%氦中氩）和0.3%（50%氦中氩），说明所采样品的均匀性较好。

2.2 样品中氩峰高的测量重复性

选一瓶50%氦中氩混合气体样品连续进样6次，测量其氩峰高分别为 13724.3，13716.8，13633.2，13680.5，13641.4，13684.9（25μV），其相对标准偏差（RSD）为0.27%，说明分析方法的测量重复性较好[6]。

2.3 样品中氩体积分数的稳定性

选一瓶50%氦中氩混合气体样品，在测量氩峰高后一定时间间隔内重复测量，计算其体积分数，结果如表3所示。

表3 不同时间测定氩的体积分数测定结果

在48h内多次测量同一样品，其体积分数的计算结果极差为0.4%，说明样品在48h内稳定。

2.4 样品压力对测量结果的影响

选一瓶50%氦中氩混合气体样品，采样时瓶内压力为10MPa。在测量氩峰高后放气，至瓶内压力为8，5，3，1 MPa时分别测量氩峰高，计算其体积分数，结果如表4所示。

表4 不同样品瓶内压力测定氩的体积分数测定结果

在样品气瓶内不同压力下体积分数计算结果极差为0.5%，说明样品气瓶内压力对样品测量结果的影响较小。

2.5 六通阀内气体流速对测定结果的影响

按照图3所示，在气相色谱仪的进样六通阀样品出口安装流量计，测定进样时样品气体的流量。

图3 测定六通阀内气体流速

选一瓶50%氦中氩混合气体样品，设定进样时样品气体流速分别为 0，100，200，500，800，1000mL/min，分别测量其氩峰高，结果如表5所示。

表5 不同样品气体流速测定氩峰高测量结果

可以看出样品气体流速对氩峰高测量结果有较大影响。由于定量管内径较细，因而流速越高，定量管内压力越高，导致测量结果越大。如图4所示，在一定流速范围内，氩峰高h与样品气体流速V之间呈线性关系。

当样品气体流速为0时，即进样时定量管内气体不流动，可能会与外界气体发生交换，导致测量结果不准确；而样品气体流速较大，产生气流不稳定的可能性较大，因而采用100mL/min气体流速进样较为合适。需要注意的是在制作氩体积分数与峰高的标准曲线时，所采用的气体流速与分析样品时采用的气体流速相同，否则会产生较大的测量误差。

图4 氩峰高与样品气体流速曲线

2.6 样品中微量氧和微量水的测定结果

样品中微量氧和微量水的测定结果（体积分数）如表6所示。

表6 微量氧和微量水测定结果

可以看出，由于样品是由高纯氦和高纯氩混合而成，因此其中的氧含量和水含量均符合GB/T 4844——2011《纯氦、高纯氦和超纯氦》以及GB/T 4842——2006《氩》中关于高纯氦和高纯氩的氧含量（≤1.5×10-6）和水含量（≤3×10-6）要求。

3 结束语

气相色谱法作为一种准确、稳定的成分分析方法，广泛应用于混合气体组成的定量分析。用气相色谱法对氦中氩混合气体的组成进行分析，可以作为混合气体的质量控制方法，以保证混合气体的组成符合使用要求。采用符合相应质量标准的纯气体生产混合气体产品，同时对产品中的微量氧和微量水进行分析和控制，可以保证混合气体产品的质量。

[1] 徐晨明.氩氦混合气体保护焊接电弧光谱诊断[D].哈尔滨：哈尔滨工业大学，2005.

[2] 杜盛康.汽车安全气囊的发展过程及国内外现状[J].世界汽车，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] 梁汉昌.气相色谱法在气体分析中的应用[M].北京：化学工业出版社，2008：41-53.

[5] GB/T 4844—2011纯氦、高纯氦和超纯氦[S].北京：中国质检出版社，2011.

[6] GB/T 4842—2006氩[S].北京：中国标准出版社，2006.