CN110383058A - 包括气相色谱柱的气体检测设备 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于检测环境空气中的目标气体的设备。该设备包括GC柱(118)；传感器(126)，位于GC柱(118)下游；泵(110)；储气室(114)和气动回路。气动回路有两种状态。在第一状态下，泵(110)抽取环境空气，并将其供应到储气室(114)，以便在压力下将环境空气储存在储气室(114)内，同时将环境空气的样品捕获在气动回路内。在第二状态下，将储气室连接到GC柱，以使得从储存室(114)抽取加压空气用作用于使捕获样品前进通过GC柱和传感器的载气。提供过滤器(116)用来过滤掉进入储存室(114)或从储存室(114)抽取的空气中存在的任何目标气体，以避免载气中存在任何目标气体。

Description

包括气相色谱柱的气体检测设备

技术领域

本发明涉及用于选择性检测环境空气中特定目标气体的存在的设备。

背景技术

需要检测和测量空气中不同浓度的化合物的存在。许多这样的化合物被归类为挥发性有机化合物(VOC)，其可能对人类、动物和植物生命有害，或者可能存在着火的风险，或者具有其他感兴趣的性质。

由于未受污染的空气含有非常低浓度的VOC，因此通常有兴趣共同寻找气态物质的存在，因此空气中任何VOC的指示通常可归因于特定来源。例如，VOC泄漏源可能是各种化学品的泄漏、筛选的土壤样品、化学品罐中的泄漏点、或纵火袭击中的促进剂。在这种情况下，优选的是，传感器和检测器提供对空气中目标分析物的浓度的快速和定量测量，从而可以实时确定它们的来源。采用光电离检测(PID)、火焰电离检测(FID)、热传导检测(TCD)和电流滴定的传感器和检测器适用于此目的。

特定的VOC(例如苯)对健康构成严重风险，特别希望能快速测量其在环境空气中的浓度。这些化合物可以表现为与对健康不产生这种危害的其他VOC的混合物。在检测所关注的特定VOC，例如苯(以下为了方便称为目标气体)时，众所周知的是，气相色谱(GC)提供了将测试气体样品中的目标气体与其他可检测化合物预分离的有效方法。

在气相色谱中，使得用于待分析目标气体的存在的少量气体样品进入含有介质(称为固定相)的色谱柱中，在色谱柱上气体偶尔被吸附和脱附。在引入样品之后的延长时间，使得不含有目标气体的载气流过GC柱。通过固定相上的可变气体吸附性，在被称为气体洗脱时间的特征时间处，原始样品气体中的每种气体成分从GC柱中排出。通过将离开色谱柱的气体提供给传感器，可以根据其洗脱时间的先验知识来检测目标气体。

几十年来，GC柱和传感器(通常是PID传感器)的组合已经用于实验室中使用的分析设备。然而，这种称为GC-PID的技术迄今仅用于庞大的固定设备中。

期望在便携式设备(即，足够轻且紧凑以便由个人携带的设备)中使用该技术，从而当呼吸具有高浓度目标气体的空气时，可以警告处于危险中的人员。然而，常规GC-PID设备中常用的一些处理与使该技术易于携带是不兼容的。具体地：

·许多GC柱需要载气(如氦气或氩气)来抽取样品气体经过GC柱。这在便携式设备中是不切实际的。

·分析型GC-PID可能需要将色谱柱加热至高温。这将给小型便携式设备带来巨大的电力负担。

·固定设备具有大型GC柱，洗脱时间长，通常在数十分钟内测量。结果，不能实现在便携式设备中原位测量的所需的近乎即时性。

从上述内容可以理解，为了实用，便携式设备需要短柱(为了更短的洗脱时间)，加入固定相，该固定相在连续暴露于空气时是稳定的(以避免供应惰性载气的需要)并且可在仅在略高于通常遇到的环境温度的温度下操作(以减少电力负担)。

可在空气中操作并满足上述要求的GC柱可由容易获得的材料和组分构成。举例来说，该柱可以包括金属管，所述金属管的长度为5cm至50cm，直径为1.2mm，并且其中填充有硅藻土支撑物，例如120，GC柱已经事先涂覆有合适的固定相以用于分离目标VOC，例如苯。双-氰丙基相往往适合此目的。

在使检测设备便携时遇到的另一个困难既与GC柱的性能无关，也与PID FID或TCD的传感器无关，而与气体处理的气动回路有关。

为了使GC-PID设备操作成功，在引入待分析的气体样品之前，需要规律流动的气体经过GC柱来设置背景信号。这通常要求包含载气的压力缸或恒定操作的第一泵。为了将气体样品引入GC柱，还需要在较高压力下操作的第二泵以及各种阀门、管道和连接器。

在设计便携式设备时，诸如泵和电控阀之类的部件存在若干问题。具体地：

·这些组件给便携式检测系统带来了相当大的电力负担。

·传统的阀门可具有大量的封闭容积，这会阻止将非常小的气体样品引入色谱柱。

·小型商用高性能泵通常不能被配置为提供微型GC-PID检测所需的低气流。虽然这可以通过旁路流来避免，但是在便携式检测系统中难以气动且可靠地平衡。

·离开GC柱并进入检测器的气体通常处于比环境压力低的压力。这是不希望的，因为检测器外壳中的任何泄漏都会导致环境空气与离开GC柱的气体混合。

·传统泵和气动回路的物理尺寸使其不适用于便携式设备。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于检测环境空气中的目标气体的设备，该设备包括GC柱、位于GC柱下游的传感器、泵、储气室和气动回路，所述气动回路在第一状态下操作以将泵连接到储气室，以便在压力下将环境空气存储在储气室内，同时将环境空气的样品捕获在气动回路内，并且在第二状态下、将储气室连接至GC柱以使得从储存室抽取的加压空气充当用于使捕获样品前进通过GC柱和传感器的载气，其中提供过滤器以过滤掉进入储存室或从储存室抽取的空气中存在的任何目标气体，以避免载气中存在任何目标气体。

虽然可以过滤空气以在被泵送到储存室之前从所述空气中除去任何目标气体，但是在优选实施例中，过滤器被定位成过滤从储存室流到GC柱的空气。

在一些实施例中，储气室是可变容积的工作腔。

可变容积的工作腔可以方便地由波纹管形成，但是也可以使工作腔具有由活塞或滚动隔膜形成的可移动壁。

除了从载气中除去目标气体之外，还希望通过使用干燥剂过滤掉水蒸气，以避免由水冷凝引起的问题。

储气室的设计应确保：至少在GC柱分析样品和传感器正在工作期间，载气压力和通过GB柱的气体流速应尽可能恒定和均匀。

气动回路可以适当地包括阀和管道，所述阀和管道设计成使得环境空气通过管道被供应到储气室，过滤后的气体沿相反方向通过该管道流向GC柱，使得在管道的后段内捕获的环境空气可以用作气体样品。

例如在WO2016/054585中描述的常规环境空气采样系统依赖于氦气或除环境空气之外的气体来充当载气。这种系统采用6端口阀，所述6端口阀具有：定子，其具有设置在同一平面中且间隔60°的六个端口；以及转子，其具有两个位置。在一位置处，三个端口中的每一个沿顺时针方向连接到下一端口，而在第二位置处，相同的三个端口中的每一个沿逆时针方向连接到下一端口。

在本发明的一些实施例中，气动回路采用旋转的4端口二位转换阀，利用管道形成转子，该管道在阀的一个位置处连接四个端口中的两个，并且在阀的其他位置处连接四个端口中的另外两个端口。管道可操作以捕获一定体积的气体以用作待分析样品。

PID检测器适合用作传感器，但所使用的传感器的类型对于本发明并不是至关重要的，只要它能够在目标气体离开GC柱时产生电信号即可。

附图说明

现在将参考附图通过示例进一步描述本发明，其中：

图1和图2是示出在传统GC-PID设备中使用6端口阀的方式的示意图，

图3和图4是本发明实施例的使用4端口转换阀的示意图，

图5示出了可用于图3的实施例的4端口旋转阀的示意剖视图，

图6是图5的阀沿平面A-A的剖视图，以及

图7是图5的阀沿平面B-B的剖视图。

具体实施方式

图1和图2示出了传统的GC-PID设备10。该设备包括GC柱12，后面是PID传感器14。该设备还包括气泵16、载气源18和二位6端口阀20。

在阀20的第一位置，如图1所示，不含有目标气体的载气在压力下从供应18馈送给GC柱12，并通过PID传感器14流出到环境大气中。气体供应18可以是包含载气的压力气缸，或者气源18可以包括泵，该泵将环境空气泵送通过过滤器(例如活性炭过滤器)进入GC柱12中。同时，单独的泵16将环境空气吸入包含用于待分析样品的样品池22的环路中。

为了将样品引入GC柱，将阀20旋转到图2中所示的位置。在该位置，将载气供应到包含样品池22的环路中，以将样品输送到GC柱12中用于分析。在此期间，泵16仅抽取环境空气并将其作为排气排出。

由于上述几个原因，这种设备难以小型化。如果气体供应18是压力气缸，则允许设备连续操作长达可接受的时间长度将是耗时和繁重的。如果气体供应18包括泵，则需要该泵和泵16连续运行将对电源造成沉重的负担。样品池和GC柱的尺寸导致长的洗脱时间，然而在便携式设备中，希望检测时间最小化。

另一个缺点是环境空气被吸入样品池22中，并且样品在低于大气压的压力下驻留在样品池22中。如果样品在到达PID传感器14时保持在低于环境压力下，在传感器的密封不完美的情况下，则会产生环境空气被抽取至传感器的风险。

如图1和图2所示的在气动回路中使用的现有类型的阀具有其他固有的缺点，即，它们具有使样品劣化的未扫掠(un-swept)和扭曲(contorted)的死体积(dead volume)。此外，也很昂贵，需要的电流较高，并且可能包括与样品相互作用的成分。

图3和图4示出了体现本发明并使用4端口转换阀120的设备100。该阀120具有固定容积的内部管道，该内部管道形成在阀的转子中并且在图中由箭头125表示。图3中的管道连接被标记为122和124的端口，而在图4中，该管道连接被标记为121和123的另外两个端口。

连接端口122以接收待分析的环境大气128。在图3A中所示的阀120的位置处，连接到端口124的泵110从端口122通过阀120的内部管道125抽取环境大气，并在压力下将空气馈送至图中由波纹管114表示的可变容积储存室中。检测泵110的输出压力的压力传感器112用于控制所述泵110。该泵110的输出和波纹管114的口也通过碳过滤器116连接至端口121。

阀120的端口123连接到GC柱118。从GC柱排出的气体在被排出排气之前流过PID传感器126。在图3中所示的阀120的位置处，端口121和123被隔离，使得没有气体可以到达GC柱118，也不会流过碳过滤器116。

为了开始样品分析，阀120的转子转到图4所示的位置处，在该位置处端口122和124是隔离的，而阀120的内部管道125将端口121连接到端口123。在阀120的该位置处，存储在波纹管114中的压力环境空气流过碳过滤器116，以产生不含目标气体的载气。载气流过内部管道125流到GC柱118，在这之前吹扫被捕获在内部管道125中的固定体积的环境空气，该体积是待分析样品。

现在，气体样品流过GC柱118，并且其成分在不同的洗脱时间后离开柱118。目标气体(如果存在的话)将在阀120的位置转换之后的已知时间处到达PID传感器126，并且此时PID传感器126的输出信号的强度将指示该目标气体的浓度。

应当理解，碳过滤器可以定位在泵110的输出和储存室114的输入之间，以在环境空气进入储存室114之前从环境空气中移除目标气体，而不是在环境空气离开储存室114之后清洁空气，以允许其充当载气。

除了过滤掉目标气体或VOC之外，通常，过滤器116或包含干燥剂的单独的过滤器可用于降低载气中的水分含量以避免冷凝。

虽然可以使用固定容积的储存室114，但是具有可变容积的储存室是理想的，因为它有助于将必须泵送和过滤的空气体积保持最小。如果使用可变容积的工作腔，则已发现滚动隔膜是实现可移动壁的最有效方式。

图5至图7示出了4端口阀200的合适结构。该阀具有转子210，转子210的顶表面上加工有螺旋槽212，如图6中所示最佳，这是内部储存有样品的内部管道。螺旋槽212的内端和外端连接到孔214、216，所述孔214、216位于距离转子210的旋转轴相等的距离处。如图7所示，定子220具有四个端口222，每个端口装配有O形环230可以一次选择性地对准两个O形环230，定子中的孔214和216连接到螺旋槽212的端部。

在操作中，该设备从图3所示的位置开始，在该位置处波纹管被充气，直到传感器112感测到期望的压力为止。可替代地或另外，对于压力传感器112，可以使用机械传感器来指示可变容积的工作腔114何时已扩展到所需尺寸。一旦储存室114已经被充分地充气，泵110关闭，且阀120移动到图4所示的位置。在完成对存储在阀120的内部管道125中的样品的分析之后，阀120返回到图3所示的位置，并且泵110在一段短暂的间隔内再次操作，足以对储存室114再充气。

图5至图7中所示的阀提供了几个重要的优点。具体地，应注意，端口222布置成两对，每对端口彼此靠近。除了允许快速转换并且需要转子的少量移动(从而功率消耗最小化)之外，在各端口之间转换期间的全部时间内，与含有样品体积的螺旋槽连通的孔214和216的口部基本上由O形环230密封，从而避免被捕获样品的任何污染。此外，那些在任何时候与阀的转子中的内部管道不连通的端口被密封转子210的下表面的O形环230阻挡(如图5所示)。因此，在图3所示的阀的位置处，空气不能通过端口121流入或流出碳过滤器，并且气体不会从端口123到达GC柱118。在波纹管114被再次充气期间，GC柱仍然被前一个感测循环的载气充满，因此可以准备好接收下一个样品以开始新的感测循环。在图4所示的位置处，端口124的阻塞防止波纹管由于空气通过泵110的反向流动而被放气。

尽管所描述和示出的4端口阀具有许多优点，但应该强调的是，它不构成本发明的基本部分，并且可以例如由静电阀代替。实际上，使用四端口阀的整个气动回路仅作为本发明的示例性实施方式给出。

与现有技术提供的GC-PID设备相比，本发明公开的实施例具有几个优点。具体地：

·与便携式系统的要求一致，该设备仅使用一个泵，该泵仅在一小部分循环时间内运行。使用一个泵减小了便携式设备的尺寸，并提供了相对容易的制造和服务。

·可以设计可变容积的储存室，例如通过使用滚动隔膜来设计，以确保在充气循环期间，该泵提供与其标准操作相称的流量和压力。

·在双通道中不“浪费”任何流动，节省能量。

·通过提供夹带气体样品的简单的两阶段过程，大大简化了气动装置。

·排气口附近的气体传感器的配置避免了从泄漏点处拾取到可检测的气体。

·可以提供单个的绝对压力传感器来维护系统故障诊断。

·实现了更小的注射组件。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种用于检测环境空气中的目标气体的设备，所述设备包括气相色谱柱(118)；传感器(126)，其位于所述气相色谱柱(118)的下游；泵(110)；储气室(114)；和包含阀(120)的气动回路，所述阀(120)在第一状态(图3)下操作以将所述泵(110)连接至所述储气室(114)，以便在压力下将所述环境空气储存在所述储气室(114)中，同时将环境空气的样品捕获在所述所述阀(120)的内部管道(125)中，以及在第二状态(图4)下将所述储气室(114)连接到所述气相色谱柱(118)，使得从所述储气室(114)抽取加压空气作为用于使捕获样品前进通过所述气相色谱柱(118)和所述传感器(126)的载气，其中

提供过滤器(116)，其过滤掉进入所述储气室(114)或从所述储气室(114)抽取的空气中存在的任何目标气体，以避免在所述载气中存在任何目标气体。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述过滤器(116)位于从所述储气室(114)抽取空气的路径中。

3.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述储气室(114)是可变容积的工作腔。

4.如权利要求3所述的设备，其中，所述可变容积的工作腔(114)具有由滚动隔膜限定的可移动壁。

5.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述阀(120)是旋转的4端口二位转换阀，所述内部管道(125)形成在转子内，以在所述阀(120)的一个位置处连接四个端口中的两个端口(122、124)，在所述阀(120)的另一位置处连接四个端口中的另外两个端口(121、123)。

6.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述传感器(126)是PID传感器。

7.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述过滤器(116)或附加过滤器用于从用作所述载气的空气中去除水蒸气。

Claims (8)

1.一种用于检测环境空气中的目标气体的设备，所述设备包括气相色谱柱；传感器，其位于所述气相色谱柱的下游；泵；储气室；和气动回路，所述气动回路在第一状态下操作以将所述泵连接至所述储气室，以便在压力下将所述环境空气储存在所述室中，同时将环境空气的样品捕获在所述气动回路内，以及在第二状态下将所述储气室连接到所述气相色谱柱，使得从所述储室抽取加压空气作为用于使捕获样品前进通过所述气相色谱柱和所述传感器的载气，其中

提供过滤器，其过滤掉进入所述储室或从所述储室抽取的空气中存在的任何目标气体，以避免在所述载气中存在任何目标气体。

2.如权利要求1所述的设备，其中，所述过滤器位于从所述储室抽取空气的路径中。

3.如权利要求1或2所述的设备，其中，所述储气室是可变容积的工作腔。

4.如权利要求3所述的设备，其中，所述可变容积的工作腔具有由滚动隔膜限定的可移动壁。

5.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述气动回路包括阀和管道系统，所述阀和管道系统被设计成使得所述环境空气通过管道的一部分而被供应到所述储气室，在所述气动回路的所述第二状态下、经过滤的气体通过所述管道的一部分流入至所述气相色谱柱，使得在所述管道的后段内包含的未过滤的环境空气用作所述捕获样品。

6.如权利要求5所述的设备，其中，所述气动回路采用旋转的4端口二位转换阀，转子由管道形成，所述管道在所述阀的一个位置处连接四个端口中的两个端口，在所述阀的另一位置处连接四个端口中的另外两个端口，所述管道可操作以捕获一定体积的气体用作待分析样品。

7.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述传感器是PID传感器。

8.如前述权利要求中任一项所述的设备，其中，所述过滤器或附加过滤器用于从用作所述载气的空气中去除水蒸气。