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广州市谱源气体有限公司
电光源照明混合气体的正确验收方法
2011-10-28 13:41:55
摘要：采用压力法验收电光源混合气体是不科学的，而采用称重法进行验收，仅需要简单的精密称重设备和简易操作就可以进行较为科学准确的验收，便于日常生产进货监测。不但可以对气体的总量进行检验，而且也能对简单的混合气体配比是否准确做出判断，实现对混合气体的质和量同时进行验收。
关键词：电光源，卤素气，混合气体，称重法，压力法
1、什么是正确的验收方法
电光源用混配气体各组分比例的准确性会对灯的各方面性能产生较大影响，而且也会大幅影响购买气体的成本（如贵重气体含量较低，那对于使用方则是很大损失）。使用称重法可以简单的在精确度不高的情况下大致判断主要气体组分的含量情况。实现气体原料的简单质控。
目前普遍采用的压力法验收气体是不科学、不正确的，会导致高估气体货值，造成经济损失，增加企业成本并直接影响产品质量。现今验收气体含量的一般方法为压力法测定，即在装上减压器后打开瓶阀观察进气口压力表，以判断气体的量准确与否。但是压力法存在许多影响因素，会干扰判断，无法真正判断气体组分与真正含量正确与否，原因主要有：
(1)、即使压力足够高也不能真正证明有效组分氙气、氪气等含量充足，如在气瓶中含有过多较为廉价的氮气等气体就会使得钢瓶压力升高许多，但是氙气、氪气等并不一定满足要求的比例；
(2)、不同气体压缩比有明显差异，重气体（如氙气等）较容易压缩甚至会在室温较低时液化，压力与气体含量不呈正比，使用前期压力变化并不明显，呈非线性；
(3)、压力与温度关系密切，会随着温度升高而升高，相反，在温度较低时也会相应降低；
(4)、压力表是弹簧结构，需要在专业计量机构定期校准，否则随着弹簧出现疲劳，减压阀内部隔膜老化出现泄漏，压力显示都会不准确。
综上所述，压力法判断气体的配比与含量是不科学、不正确的。只有气体质量（重量）才是准确计量气体含量的准确科学方法，因为不同的气体的标准密度是不一样的，所以根据质量可以准确的判断气体含量与配比。
采用压力法等不准确验收方案对于实际生产成本会造成大幅不良影响。对于生产成本的影响我们可举例如下：一瓶1 m3标称含氙50%、含氪40%、含氮10%的气体，按照氙气120元/L，氪气12元/L，氮气忽略不计，不计算混配设备折旧、人工与混配时的损耗的情况下，气体原材料花费为(120×0.50+12×0.40) ×1000=64800元/瓶，而如果实际含氙量仅为30%、含氪60%、含氮10%，那么实际气体原材料货值仅为(120×0.30+12×0.60) ×1000=39600元，气体价值减少25200元。如果对于实际含氙量仅为30%、含氪60%的气体，如果用含氙50%、含氪40%的气体价格来购买，对于电光源生产企业来说，实际气体进货成本上升了近25200元/瓶，按照真实货值计算实际使用者多支付了63.6%的货款！如果使用称重法来监测和验收，则能够比较准确地保证气体的质量、数量与成本，减少不必要的损失。
2、称重验收方法的原理
根据阿伏伽德罗定律，同温同压同体积的气体含有相同的分子数。因此，对于不同分子量的气体，在同温同压时的密度也不相同。因此在知道某一温度下一种混配气体的组成比例与在该温度时各种组分气体的标准密度，忽略偏摩尔体积等因素的影响后，就可以粗略的计算出该种气体的量。反过来，我们也可以根据气体的质量和体积来计算2种主要成分的混配气体比例，或3种及以上主要组分混合气体的大致组成比例范围，精确度能够达到3%以内。
3、设备
德国赛多利斯Sartorius IW2P1-30ED-B 工业用电子平台秤，量程30kg ，计量认证精度10g ；
或 瑞士梅特勒-托利多 Mettler-Toledo WS-30R或 WS-30RS(不锈钢)电子平台秤，量程30kg ，计量认证精度10g ；
对于40L 大钢瓶，Sartorius IW2P1-150ED-B，或Mettler-Toledo WS-150L 或 WS-150LS(不锈钢)电子平台秤，计量认证精度50g 。
注：对新购买的计量器具，使用单位须请国家相关计量部门检定后方可合法使用，在使用中须按照计量部门要求定期检定。
4、操作步骤：
(1)、电子台秤安置于无风无强电磁干扰环境中，放置在平坦地面上，调整秤盘达到水平后，通电打开开关预热，电子秤自检通过显示平稳后，按去皮键将显示数字清零。
(2)、将装满气体未使用的钢瓶去除瓶帽，轻轻直立置于台秤台面正中央，待显示数字稳定后，将数字记录，即为m满，单位为kg。切忌大力将气瓶置于秤盘之上，以免损坏秤盘与传感器。
(3)、在该瓶气使用完毕后，对钢瓶进行抽真空处理，压力表显示负压，瓶内气体基本抽空后，关紧阀门，卸下气瓶。
(4)、将气瓶卸下后，按照步骤1-2称量抽空的气瓶，记录数据即为m空，单位为kg。
5、数据处理：
(1) Kr+N2混合气
1000ppm以下的卤素对质量影响小于千分之三，故忽略。
Kr气所占的比例XKr=[(m满-m空) ÷V气-1.153] ÷2.316
公式中：m满=满瓶质量（单位为kg），m空=抽空瓶质量（单位为kg），V气=购买的气体的总体积（单位为立方米，即瓶中所装气体在21.1摄氏度 、1个标准大气压下的体积）
1.153kg/m3为N2在21.1摄氏度 、1个标准大气压下的密度，3.4688 kg/m3为Kr在21.1摄氏度 、1个标准大气压下的密度，两者密度差为2.316kg/m3。
计算即得Kr在该瓶气体中的大概含量。
例一、 某灯厂新购买一瓶1立方米（21.1摄氏度 、1个标准大气压条件下计量）的标称为90%Kr+10%N2的卤素气体（用10L 钢瓶装），入库前称得钢瓶质量为17.06kg ，去掉压力表，抽真空，关好钢瓶称重得重量为14.12kg ，假设气体的体积准确为1 m3，试判断气体组分是否合格。
解：X氪= [(m满-m空) ÷V气-1.153]÷2.316= [(17.06-14.12) ÷1 -1.153]÷2.316=77.16%
则可知，如果该瓶气1m3体积准确，那么其Kr气含量仅为77.16%，低于90%超过5%，不合格。
(2) Xe+N2混合气
1000ppm以下的卤素对质量影响小于千分之三，故忽略。
Xe气所占的比例X氙=[(m满-m空) ÷V气-1.153] ÷4.319
公式中m满=满瓶质量（单位为kg），m空=抽空瓶质量（单位为kg）, V气=购买的气体的总体积（单位为立方米，即瓶中所装气体在21.1摄氏度 、1个标准大气压下的体积）
1.153 kg/m3为N2在21.1摄氏度 、1个标准大气压下的密度，5.472 kg/m3为Xe在21.1摄氏度 、1个标准大气压下的密度，两者密度差为4.319 kg/m3。
计算即得Xe在该瓶气体中的大概含量。
例二、 某灯厂新购买一瓶1 m3（21.1摄氏度 、1个标准大气压条件下计量）的标称为90%Xe+10%N2的气体（用10L 钢瓶装），入库前称得钢瓶质量为19.08kg，使用完毕后抽真空关好钢瓶阀门后称重得重量为14.02kg ，假设气体的体积准确为1 m3，试判断气体组分是否合格。
解：XXe=[(m满-m空) ÷V气-1.153]÷4.319= [(19.08-14.02) ÷ 1-1.153]÷4.319=90.46%
则可知，如果该瓶气1 m3体积准确，那么其Xe气含量为90.46%，接近于90%，相差不超过5%，合格。
(3) Xe+Kr+N2混合气
三种主要气体，仅靠简单称重法无法确定每一种气体的含量，但可以初步估计Xe，Kr等稀有气体是否偏少，1000ppm以下的卤素对质量影响小于千分之三，故忽略。
简化计算式得使用的气体应有质量：
m应=[5.472×X氙+3.4688×X氪 +1.153 (1-X氙-X氪)] ×V气
公式中m满为满瓶质量（单位为kg），m空为抽空瓶质量（单位为kg），V气=购买的气体的总体积（单位为立方米，即瓶中所装气体在21.1摄氏度 、1个标准大气压下的体积），X氙为该混合气中氙气所占百分比，X氪为该混合气中氙气所占百分比。
1.153 kg/m3为N2在21.1摄氏度 、1个标准大气压下的密度，3.4688 kg/m3为Kr在21.1摄氏度 、1个标准大气压下的密度，5.472 kg/m3为Xe在21.1摄氏度 、1个标准大气压下的密度。
上式左侧计算得到的结果为严格按照配方配置的气体的被用掉的大致质量，如果您使用前和使用并抽空后的钢瓶质量差（m满-m空）明显小于计算得到的量m应，可认为Xe或Kr等重稀有气体的含量较配方偏低。
例三、 某灯厂新购买一瓶1 m3（21.1摄氏度 、1个标准大气压条件下计量）的标称为50%Xe+40%Kr+10%N2的气体（用10L 钢瓶装），入库前称得钢瓶质量为17.90kg ，使用完毕后抽真空，关好钢瓶后称重得重量为14.20kg ，假设气体的体积准确为1 m3，试判断气体组分是否合格。
解：使用的气体应有的质量为
m应=5.472 × X氙+3.4688× X氪 +1.153 (1-X氙-X氪) =4.24kg
而m满-m空= 17.90-14.20=3.70kg
实际使用的气体质量比应有的气体质量少了(4.24-3.70)/4.24=0.127=12.7%
如果气体的体积准确为1 m3，则说明Xe气含量偏少。
(4) Kr+Ar混合气
用于节能灯。一般使用40L 大瓶，要求使用量程150kg 的台秤。
Kr气所占的比例X氪=[(m满-m空)÷V气-0.606]÷2.863
公式中：m满=满瓶质量（单位为kg），m空=抽空瓶质量（单位为kg）
V气=购买的气体的总体积（单位为立方米，即瓶中所装气体在21.1摄氏度 、1个标准大气压下的体积），
0.606kg/m3为Ar在21.1摄氏度 、1个标准大气压下的密度，3.4688 kg/m3为Kr在21.1摄氏度 、1个标准大气压下的密度，两者密度差为2.863 kg/m3。
计算即得Kr在该瓶气体中的大概含量。
例四、 某灯厂新购买一瓶5m3（21.1摄氏度 、1个标准大气压条件下计量）的标称为30%Kr+70%Ar的卤素气体（用10L 钢瓶装），入库前称得钢瓶质量为55.20kg ，使用完毕后抽真空，去掉压力表，关好钢瓶称重得重量为48.30kg ，假设气体的体积准确为5 m3，试判断Kr含量是否合格。
解：Kr气所占的比例X氪=[(m满-m空) ÷V气-0.606]÷2.863= [(55.20-48.30) ÷5-0.606]÷2.863=0.2703= 27.03%
则可知，如果该瓶气5 m3体积准确，那么其Kr气含量为27.03%，接近于30%。
注：所占的比例均表示为小数，如30%，即0.30。
6、总结
因为目前普遍采用的压力法验收气体是不科学、不正确的，会导致高估气体货值，增加企业成本并直接影响产品质量。所以建议应该通过本文所建议的称重法来验收混合气体。
通过简单称重法来准确验收混合气体的含量与配比，对生产与原料质量控制与生产成本控制具有参考与指导意义，能够避免高估货值所造成的经济损失，保证光源产品质量。该方法操作简便，快捷，成本低（一台梅特勒-托利多或赛多利斯的世界著名品牌电子台秤仅需不到5000元）。计算中将相对于系统误差来说对结果影响并不是很大的一些因素进行了简化和省略，使得计算过程较为简单，易于掌握。
如光源生产企业能够将该称重法作为混合气的验收的标准流程，会大大降低实际生产成本，提高产品的质量，提升企业竞争力。
