گاز آرگون صنعتی و آزمایشگاهی و روش‌های دقیق سنجش خلوص

روش‌های دقیق سنجش خلوص گاز آرگون صنعتی و آزمایشگاهی

گاز آرگون در صنعت و آزمایشگاه در درجه‌های مختلف خلوص استفاده می‌شود. نوع روش اندازه‌گیری خلوص بستگی به سطح مورد نیاز دارد (مثلاً ۹۹٫۹٪ برای صنعتی یا ۹۹٫۹۹۹۹٪ برای آزمایشگاهی). روش‌های اصلی سنجش خلوص به ترتیب دقت و کاربرد عبارت‌اند از:

۱. کروماتوگرافی گازی (Gas Chromatography – GC)

این روش دقیق‌ترین و استانداردترین شیوه تعیین خلوص گاز آرگون است. در این تکنیک، گاز وارد ستون کروماتوگرافی می‌شود و ناخالصی‌هایی مانند اکسیژن، نیتروژن، هیدروژن، مونوکسید کربن، دی‌اکسید کربن و متان تفکیک و اندازه‌گیری می‌شوند.

آشکارسازهایی که استفاده می‌شوند معمولاً TCD برای گازهای دائمی مانند نیتروژن و اکسیژن، FID برای هیدروکربن‌ها و PDD یا HID برای تشخیص ناخالصی‌های بسیار جزئی در حد قسمت در میلیارد (ppb) هستند.

این روش در آزمایشگاه‌های گاز و مراکز کنترل کیفیت سیلندرهای آرگون رایج است.

۲. طیف‌سنجی جرمی (Mass Spectrometry یا RGA)

در روش طیف‌سنجی جرمی، گاز‌های موجود یونیزه می‌شوند و بر اساس نسبت جرم به بار جدا و شناسایی می‌گردند.

این روش بسیار حساس است و قادر است مقدار بسیار اندک از گاز‌های دیگر مانند N₂، O₂، CO₂ و H₂ را تشخیص دهد.

برای آرگون فوق‌خالص (گرید 5 تا گرید 6، روش اصلی سنجش دقیق نهایی همین است.

البته هزینه تجهیز و نگهداری آن بالاست.

۳. آنالایزر اکسیژن (Oxygen Analyzer)

الکترودهای زیرکونیا (Zirconia Cell) قادرند اکسیژن موجود در گاز را به صورت مستقیم و سریع شناسایی کنند.

این روش برای پایش در محل (on-line) بسیار کاربردی است و مقادیر اکسیژن تا کمتر از ۱ قسمت در میلیون را تشخیص می‌دهد.

در پر کردن سیلندرها معمولاً از این سنسورها برای کنترل لحظه‌ای مقدار O₂ استفاده می‌شود.

۴. اندازه‌گیری نقطه شبنم (Dew Point Analyzer)

این ابزار میزان رطوبت (H₂O) موجود در گاز آرگون را مشخص می‌کند.

هرچه دمای نقطه شبنم پایین‌تر باشد، رطوبت کمتر است.

در گازهای با خلوص بالا باید نقطه شبنم حدود منفی هفتاد درجه سانتی‌گراد یا کمتر باشد (معادل حدود ۱ قسمت در میلیون بخار آب).

۵. اسپکترومتری نشر نوری (Glow Discharge OES)

این روش به‌ویژه برای بررسی ناخالصی‌های فلزی یا پلاسما کاربرد دارد و بیشتر در صنایع فولادسازی که آرگون در پاتیل یا کوره استفاده می‌شود مورد استفاده قرار می‌گیرد.

۶. آنالیز آنلاین صنعتی (Multi-gas Online Analyzer)

در خطوط پر کردن سیلندر یا پالایش گاز، دستگاه‌های چندآنالیزکننده وجود دارند که هم‌زمان چند سنسور دارند (مثلاً برای O₂، CO₂، CH₄ و H₂O).

آن‌ها معمولاً با سامانه PLC کنترل می‌شوند و تا رسیدن خلوص گاز به حالت هدف (مثلاً ۹۹٫۹۹۹٪) روند پر کردن را تنظیم می‌کنند.

دقت‌شان کمی کمتر از روش GC یا Mass Spectrometry است، ولی برای کاربرد صنعتی بسیار کارآمدند.

1- کروماتوگرافی گازی (Gas Chromatography – GC)

ماهیت روش:

پایه‌ای‌ترین روش اندازه‌گیری ترکیب انواع گازهاست. گاز نمونه وارد ستون GC می‌شود، که در آن مولکول‌ها بر اساس نقطه جوش یا برهم‌کنش با ماده ساکن در ستون جدا می‌شوند. هر جزء با سرعت متفاوت از ستون خارج شده و به دتکتور می‌رسد.

دتکتورها:

TCD (Thermal Conductivity Detector): برای گازهای دائمی مثل O₂، N₂، CO.

FID (Flame Ionization Detector): برای هیدروکربن‌ها (مثل CH₄).

HID یا PDD: بسیار حساس برای آشکارسازی ناخالصی‌های فوق‌العاده کم (در حد ppb).

حساسیت و کاربرد:

در مدل‌های پیشرفته، حتی مقادیر زیر ۱ قسمت در میلیارد (ppb) را هم می‌توان تشخیص داد.

ویژگی دیگر:

نیاز به گاز حامل (Carrier Gas) دارد.

تنظیم ستون و شرایط دمایی دقیق لازم است.

دستگاه‌های متداول: Agilent 7890 GC, Shimadzu GC‑2030, و Thermo Trace GC Ultra.

2- طیف‌سنجی جرمی (Mass Spectrometry – MS / RGA)

ماهیت روش:

مولکول‌های گاز با الکترون بمباران شده و یونیزه می‌شوند. دستگاه با جدا کردن یون‌ها بر اساس نسبت جرم به بار (m/z) آنها، نوع مولکول‌ها و مقدارشان را مشخص می‌کند.

مزیت عمده:

برخلاف GC، نیازی به تفکیک در ستون ندارد. بنابراین می‌تواند به سرعت تمام گازهای موجود را طیف‌سنجی کند و تشخیص دهد.

کاربرد:

در تولید گازهای فوق‌العاده خالص (Ultra High Purity)، و در صنایع الکترونیک، لیزر، و نیمه‌هادی.

دقت:

توانایی تشخیص در محدوده زیر ۱ ppb؛ می‌تواند حضور حتی ردپای نیتروژن، اکسیژن، یا هیدروکربن را گزارش کند.

نمونه دستگاه‌ها:

Pfeiffer PrismaPlus QMG 220، Extorr XT‑300 RGA، Hiden Analytical HAL series.

۳. آنالیز اکسیژن (Zirconia Oxygen Analyzer)

اصل کار:

بر مبنای اختلاف پتانسیل الکتروشیمیایی اکسیژن روی سلول زیرکونیا در دمای بالا (حدود 700 °C).

اختلاف پتانسیل تولید شده به نسبت غلظت O₂ در گاز بستگی دارد.

مزیت‌ها:

پاسخ‌دهی بسیار سریع (چند ثانیه)

توانایی اندازه‌گیری از سطح درصد تا زیر ppm

قابلیت نصب در خط تولید (Online Detection)

کاربرد:

پایش لحظه‌ای خلوص در خطوط پر کردن سیلندرها یا سیستم‌های جوشکاری گازی.

برندهای رایج: Servomex, AMETEK, Systech Illinois.

۴. آنالیزر نقطه شبنم (Dew Point Analyzer)

هدف:

اندازه‌گیری میزان بخار آب (رطوبت) موجود در گاز.

روش اندازه‌گیری:

دمایی که در آن بخار آب موجود در گاز شروع به چگالش می‌کند، “نقطه شبنم” نام دارد.

هر چه این دما پایین‌تر باشد، نشان‌دهنده رطوبت کمتر است.

استاندارد خلوص:

برای آرگون با خلوص بالا — نقطه شبنم باید کمتر از منفی 70 °C باشد (که معادل حدود 1 ppm بخار آب است).

انواع حسگر:

آینه خنک‌شونده (Chilled Mirror Dew Point Meter) برای دقت بالا

Capacitive Polymer Sensors برای اندازه‌گیری سریع و آنلاین

برندهای رایج: Michell Instruments, Vaisala, CS Instruments.

۵. اسپکترومتری نشر نوری (Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy – GD‑OES)

نقش در صنعت:

در فولادسازی، آرگون برای پاک کردن ناخالصی‌ها و کنترل ترکیب گازها در کوره استفاده می‌شود. این روش به کمک تخلیه الکتریکی و طیف‌سنجی نوری، ترکیبات شیمیایی و فلزات جزئی را مشخص می‌کند.

کاربرد محدود به فرآیندهای ذوب و پلاسما است، نه سنجش مستقیم گاز سیلندرها.

۶. آنالیزرهای چندگازه آنلاین (Multi‑Gas Analyzer)

ساختار:

در خطوط صنعتی پر کردن سیلندر، مجموعه‌ای از سنسورها در قالب یک سیستم واحد نصب می‌شود که قادر به شناسایی همزمان چند نوع ناخالصی است (مثل O₂، CO، CO₂، CH₄، H₂O).

تکنولوژی‌های به‌کاررفته:

TCD، سنسورهای الکتروشیمیایی، NDIR، و اپتیکی پیشرفته برای ردیابی CO₂ و CH₄.

قابلیت:

اتصال مستقیم به سیستم PLC کارخانه برای پایش خودکار؛ تنظیم توقف یا ادامه پر کردن گاز بر اساس رسیدن به مقدار خلوص هدف.

موارد استفاده:

تولیدکنندگان گاز صنعتی (مانند شرکت‌های پرکننده سیلندر) برای اطمینان از کیفیت نهایی.

۷. روش‌های ساده‌تر و میدانی (Field Analytic Techniques)

در برخی کاربردهای صنعتی ساده‌تر مثل جوشکاری یا برش پلاسما، اندازه‌گیری دقیق در سطح ppb ضرورتی ندارد. در نتیجه:

حسگرهای اکسیژن قابل حمل برای بررسی باقی‌مانده هوا در مخزن کافی هستند.

روش‌های تجربی ساده‌تری مانند اندازه‌گیری هدایت حرارتی نسبی نیز گاهی به‌کار می‌رود.

برای کنترل آزمایشگاهی یا تولید آرگون بسیار خالص

استفاده از GC + Mass Spectrometry + Dew Point + Oxygen Analyzer الزامی است.

    برای نظارت تولید صنعتی یا پر کردن سیلندر:

کافی است GC یا آنالیزر چندگازه آنلاین با سنجش اکسیژن و رطوبت نصب شود.

برای مصارف عمومی (جوشکاری، برش):

یک سنسور اکسیژن قابل حمل و کنترل دوره‌ای خلوص از طریق آنالیزر ساده مناسب است.

برای خرید گاز آرگون آزمایشگاهی میتوانید با کارشناسان شرکت سپهر گاز کاویان دارنده گواهینامه iso17025 و آزمایشگاه مرجع اداره استاندارد در تماس باشید.

09120253891

02146837072