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廣州市譜源氣體有限公司
電光源照明混合氣體的正確驗收方法
2011-10-28 13:41:55
摘要：采用壓力法驗收電光源混合氣體是不科學的，而采用稱重法進行驗收，僅需要簡單的精密稱重設備和簡易操作就可以進行較為科學準確的驗收，便于日常生產進貨監測。不但可以對氣體的總量進行檢驗，而且也能對簡單的混合氣體配比是否準確做出判斷，實現對混合氣體的質和量同時進行驗收。
關鍵詞：電光源，鹵素氣，混合氣體，稱重法，壓力法
1、什么是正確的驗收方法
電光源用混配氣體各組分比例的準確性會對燈的各方面性能產生較大影響，而且也會大幅影響購買氣體的成本（如貴重氣體含量較低，那對于使用方則是很大損失）。使用稱重法可以簡單的在精確度不高的情況下大致判斷主要氣體組分的含量情況。實現氣體原料的簡單質控。
目前普遍采用的壓力法驗收氣體是不科學、不正確的，會導致高估氣體貨值，造成經濟損失，增加企業成本并直接影響產品質量。現今驗收氣體含量的一般方法為壓力法測定，即在裝上減壓器后打開瓶閥觀察進氣口壓力表，以判斷氣體的量準確與否。但是壓力法存在許多影響因素，會干擾判斷，無法真正判斷氣體組分與真正含量正確與否，原因主要有：
(1)、即使壓力足夠高也不能真正證明有效組分氙氣、氪氣等含量充足，如在氣瓶中含有過多較為廉價的氮氣等氣體就會使得鋼瓶壓力升高許多，但是氙氣、氪氣等并不一定滿足要求的比例；
(2)、不同氣體壓縮比有明顯差異，重氣體（如氙氣等）較容易壓縮甚至會在室溫較低時液化，壓力與氣體含量不呈正比，使用前期壓力變化并不明顯，呈非線性；
(3)、壓力與溫度關系密切，會隨著溫度升高而升高，相反，在溫度較低時也會相應降低；
(4)、壓力表是彈簧結構，需要在專業計量機構定期校準，否則隨著彈簧出現疲勞，減壓閥內部隔膜老化出現泄漏，壓力顯示都會不準確。
綜上所述，壓力法判斷氣體的配比與含量是不科學、不正確的。只有氣體質量（重量）才是準確計量氣體含量的準確科學方法，因為不同的氣體的標準密度是不一樣的，所以根據質量可以準確的判斷氣體含量與配比。
采用壓力法等不準確驗收方案對于實際生產成本會造成大幅不良影響。對于生產成本的影響我們可舉例如下：一瓶1 m3標稱含氙50%、含氪40%、含氮10%的氣體，按照氙氣120元/L，氪氣12元/L，氮氣忽略不計，不計算混配設備折舊、人工與混配時的損耗的情況下，氣體原材料花費為(120×0.50+12×0.40) ×1000=64800元/瓶，而如果實際含氙量僅為30%、含氪60%、含氮10%，那么實際氣體原材料貨值僅為(120×0.30+12×0.60) ×1000=39600元，氣體價值減少25200元。如果對于實際含氙量僅為30%、含氪60%的氣體，如果用含氙50%、含氪40%的氣體價格來購買，對于電光源生產企業來說，實際氣體進貨成本上升了近25200元/瓶，按照真實貨值計算實際使用者多支付了63.6%的貨款！如果使用稱重法來監測和驗收，則能夠比較準確地保證氣體的質量、數量與成本，減少不必要的損失。
2、稱重驗收方法的原理
根據阿伏伽德羅定律，同溫同壓同體積的氣體含有相同的分子數。因此，對于不同分子量的氣體，在同溫同壓時的密度也不相同。因此在知道某一溫度下一種混配氣體的組成比例與在該溫度時各種組分氣體的標準密度，忽略偏摩爾體積等因素的影響后，就可以粗略的計算出該種氣體的量。反過來，我們也可以根據氣體的質量和體積來計算2種主要成分的混配氣體比例，或3種及以上主要組分混合氣體的大致組成比例范圍，精確度能夠達到3%以內。
3、設備
德國賽多利斯Sartorius IW2P1-30ED-B 工業用電子平臺秤，量程30kg ，計量認證精度10g ；
或 瑞士梅特勒-托利多 Mettler-Toledo WS-30R或 WS-30RS(不銹鋼)電子平臺秤，量程30kg ，計量認證精度10g ；
對于40L 大鋼瓶，Sartorius IW2P1-150ED-B，或Mettler-Toledo WS-150L 或 WS-150LS(不銹鋼)電子平臺秤，計量認證精度50g 。
注：對新購買的計量器具，使用單位須請國家相關計量部門檢定后方可合法使用，在使用中須按照計量部門要求定期檢定。
4、操作步驟：
(1)、電子臺秤安置于無風無強電磁干擾環境中，放置在平坦地面上，調整秤盤達到水平后，通電打開開關預熱，電子秤自檢通過顯示平穩后，按去皮鍵將顯示數字清零。
(2)、將裝滿氣體未使用的鋼瓶去除瓶帽，輕輕直立置于臺秤臺面正中央，待顯示數字穩定后，將數字記錄，即為m滿，單位為kg。切忌大力將氣瓶置于秤盤之上，以免損壞秤盤與傳感器。
(3)、在該瓶氣使用完畢后，對鋼瓶進行抽真空處理，壓力表顯示負壓，瓶內氣體基本抽空后，關緊閥門，卸下氣瓶。
(4)、將氣瓶卸下后，按照步驟1-2稱量抽空的氣瓶，記錄數據即為m空，單位為kg。
5、數據處理：
(1) Kr+N2混合氣
1000ppm以下的鹵素對質量影響小于千分之三，故忽略。
Kr氣所占的比例XKr=[(m滿-m空) ÷V氣-1.153] ÷2.316
公式中：m滿=滿瓶質量（單位為kg），m空=抽空瓶質量（單位為kg），V氣=購買的氣體的總體積（單位為立方米，即瓶中所裝氣體在21.1攝氏度 、1個標準大氣壓下的體積）
1.153kg/m3為N2在21.1攝氏度 、1個標準大氣壓下的密度，3.4688 kg/m3為Kr在21.1攝氏度 、1個標準大氣壓下的密度，兩者密度差為2.316kg/m3。
計算即得Kr在該瓶氣體中的大概含量。
例一、 某燈廠新購買一瓶1立方米（21.1攝氏度 、1個標準大氣壓條件下計量）的標稱為90%Kr+10%N2的鹵素氣體（用10L 鋼瓶裝），入庫前稱得鋼瓶質量為17.06kg ，去掉壓力表，抽真空，關好鋼瓶稱重得重量為14.12kg ，假設氣體的體積準確為1 m3，試判斷氣體組分是否合格。
解：X氪= [(m滿-m空) ÷V氣-1.153]÷2.316= [(17.06-14.12) ÷1 -1.153]÷2.316=77.16%
則可知，如果該瓶氣1m3體積準確，那么其Kr氣含量僅為77.16%，低于90%超過5%，不合格。
(2) Xe+N2混合氣
1000ppm以下的鹵素對質量影響小于千分之三，故忽略。
Xe氣所占的比例X氙=[(m滿-m空) ÷V氣-1.153] ÷4.319
公式中m滿=滿瓶質量（單位為kg），m空=抽空瓶質量（單位為kg）, V氣=購買的氣體的總體積（單位為立方米，即瓶中所裝氣體在21.1攝氏度 、1個標準大氣壓下的體積）
1.153 kg/m3為N2在21.1攝氏度 、1個標準大氣壓下的密度，5.472 kg/m3為Xe在21.1攝氏度 、1個標準大氣壓下的密度，兩者密度差為4.319 kg/m3。
計算即得Xe在該瓶氣體中的大概含量。
例二、 某燈廠新購買一瓶1 m3（21.1攝氏度 、1個標準大氣壓條件下計量）的標稱為90%Xe+10%N2的氣體（用10L 鋼瓶裝），入庫前稱得鋼瓶質量為19.08kg，使用完畢后抽真空關好鋼瓶閥門后稱重得重量為14.02kg ，假設氣體的體積準確為1 m3，試判斷氣體組分是否合格。
解：XXe=[(m滿-m空) ÷V氣-1.153]÷4.319= [(19.08-14.02) ÷ 1-1.153]÷4.319=90.46%
則可知，如果該瓶氣1 m3體積準確，那么其Xe氣含量為90.46%，接近于90%，相差不超過5%，合格。
(3) Xe+Kr+N2混合氣
三種主要氣體，僅靠簡單稱重法無法確定每一種氣體的含量，但可以初步估計Xe，Kr等稀有氣體是否偏少，1000ppm以下的鹵素對質量影響小于千分之三，故忽略。
簡化計算式得使用的氣體應有質量：
m應=[5.472×X氙+3.4688×X氪 +1.153 (1-X氙-X氪)] ×V氣
公式中m滿為滿瓶質量（單位為kg），m空為抽空瓶質量（單位為kg），V氣=購買的氣體的總體積（單位為立方米，即瓶中所裝氣體在21.1攝氏度 、1個標準大氣壓下的體積），X氙為該混合氣中氙氣所占百分比，X氪為該混合氣中氙氣所占百分比。
1.153 kg/m3為N2在21.1攝氏度 、1個標準大氣壓下的密度，3.4688 kg/m3為Kr在21.1攝氏度 、1個標準大氣壓下的密度，5.472 kg/m3為Xe在21.1攝氏度 、1個標準大氣壓下的密度。
上式左側計算得到的結果為嚴格按照配方配置的氣體的被用掉的大致質量，如果您使用前和使用并抽空后的鋼瓶質量差（m滿-m空）明顯小于計算得到的量m應，可認為Xe或Kr等重稀有氣體的含量較配方偏低。
例三、 某燈廠新購買一瓶1 m3（21.1攝氏度 、1個標準大氣壓條件下計量）的標稱為50%Xe+40%Kr+10%N2的氣體（用10L 鋼瓶裝），入庫前稱得鋼瓶質量為17.90kg ，使用完畢后抽真空，關好鋼瓶后稱重得重量為14.20kg ，假設氣體的體積準確為1 m3，試判斷氣體組分是否合格。
解：使用的氣體應有的質量為
m應=5.472 × X氙+3.4688× X氪 +1.153 (1-X氙-X氪) =4.24kg
而m滿-m空= 17.90-14.20=3.70kg
實際使用的氣體質量比應有的氣體質量少了(4.24-3.70)/4.24=0.127=12.7%
如果氣體的體積準確為1 m3，則說明Xe氣含量偏少。
(4) Kr+Ar混合氣
用于節能燈。一般使用40L 大瓶，要求使用量程150kg 的臺秤。
Kr氣所占的比例X氪=[(m滿-m空)÷V氣-0.606]÷2.863
公式中：m滿=滿瓶質量（單位為kg），m空=抽空瓶質量（單位為kg）
V氣=購買的氣體的總體積（單位為立方米，即瓶中所裝氣體在21.1攝氏度 、1個標準大氣壓下的體積），
0.606kg/m3為Ar在21.1攝氏度 、1個標準大氣壓下的密度，3.4688 kg/m3為Kr在21.1攝氏度 、1個標準大氣壓下的密度，兩者密度差為2.863 kg/m3。
計算即得Kr在該瓶氣體中的大概含量。
例四、 某燈廠新購買一瓶5m3（21.1攝氏度 、1個標準大氣壓條件下計量）的標稱為30%Kr+70%Ar的鹵素氣體（用10L 鋼瓶裝），入庫前稱得鋼瓶質量為55.20kg ，使用完畢后抽真空，去掉壓力表，關好鋼瓶稱重得重量為48.30kg ，假設氣體的體積準確為5 m3，試判斷Kr含量是否合格。
解：Kr氣所占的比例X氪=[(m滿-m空) ÷V氣-0.606]÷2.863= [(55.20-48.30) ÷5-0.606]÷2.863=0.2703= 27.03%
則可知，如果該瓶氣5 m3體積準確，那么其Kr氣含量為27.03%，接近于30%。
注：所占的比例均表示為小數，如30%，即0.30。
6、總結
因為目前普遍采用的壓力法驗收氣體是不科學、不正確的，會導致高估氣體貨值，增加企業成本并直接影響產品質量。所以建議應該通過本文所建議的稱重法來驗收混合氣體。
通過簡單稱重法來準確驗收混合氣體的含量與配比，對生產與原料質量控制與生產成本控制具有參考與指導意義，能夠避免高估貨值所造成的經濟損失，保證光源產品質量。該方法操作簡便，快捷，成本低（一臺梅特勒-托利多或賽多利斯的世界著名品牌電子臺秤僅需不到5000元）。計算中將相對于系統誤差來說對結果影響并不是很大的一些因素進行了簡化和省略，使得計算過程較為簡單，易于掌握。
如光源生產企業能夠將該稱重法作為混合氣的驗收的標準流程，會大大降低實際生產成本，提高產品的質量，提升企業競爭力。
