CN110749686B - 一种用于微型氢火焰离子化检测器的喷嘴组件 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种微型氢火焰离子化检测器的喷嘴组件，由喷嘴、引管、上密封件、套管、下密封件、上压体、下压体及检测器体组成。上压体的下表面、下压体的上表面和套管的上下表面分别设有圆锥形环形刃口，压紧过程中，四个圆锥形环形刃口分别嵌入上密封件和下密封件的上下表面，实现嵌入式密封；同时圆锥形环形刃口在嵌入过程中向内挤压上下密封件，使其内孔变小从而将引管挤住，最终密封氢气腔、空气腔和上下密封件的内孔与引管外径处的接触缝隙。本发明的喷嘴组件具有以下优点：密封的机械结构简单、紧凑、更可靠；减小燃烧室的死体积，空气流更稳定，使得μ‑FID噪声更小。

Description

一种用于微型氢火焰离子化检测器的喷嘴组件

技术领域

本发明涉及氢火焰离子化检测器技术领域，更具体地说，涉及一种微型氢火焰离子化检测器的喷嘴组件。

背景技术

氢火焰离子化检测器(FID)是气相色谱仪上应用最广泛的检测器，该类检测器使用氢火焰作电离源，使被测物质电离，产生的微电流被放大后检测。FID的突出优点是对几乎所有的有机物均有响应，特别是对烃类化合物灵敏度高(ppb级)；气体流速、压力和温度等条件变化对其响应影响不大；FID的线性范围达6个数量级，检测器的时间常数在2-5ms之间，死体积几乎为零。便携式微型气相色谱仪因其具有的现场实时分析能力而受到重视。传统的FID由于体积大、能耗高、工作气消耗量高，不适合便携式微型气相色谱仪，发达国家都在研究微型氢火焰离子化检测器(μ-FID)。我们深入研究常规FID的结构和原理，发现了助燃空气影响基流噪音的原因，重新设计了助燃空气的引入方式和检测器结构，有效地抑制了检测器的噪音水平；采用了高场强(800V极化电压)提高喷口粒子发射密度和初速度，同时抑制产生二次电子；实现了μ-FID比常规FID有更高的灵敏度，且气体消耗量减少70％左右(Jianwei Wang,Hua Wang,Chunfeng Duan,Yafeng Guan*,Micro-flame ionizationdetector with a novel structure for portable gas chromatograph,Talanta,82,1022-1026,2010；关亚风，王建伟，朱道乾，倪丽娟，熊艳，一种小型氢火焰离子化检测器，中国发明专利，授权号：ZL200810229985.X)。但该μ-FID由于材料和机械结构等原因，只能长期工作在200-220℃。为改进其不足，关亚风等设计了一种用于微型氢火焰离子化检测器的锥卡套式密封的喷嘴组件(关亚风，耿旭辉，张健，陈洋，高岩，一种用于微型氢火焰离子化检测器的喷嘴组件，中国发明专利，授权号：ZL201410772021.5)，改进了现有μ-FID的密封机械结构复杂、不耐高温的问题，也提高了喷嘴区域的可靠性。但其上下锥卡套式密封方式属于接触式“线环密封”，在长期使用过程中会有反复的高低温热循环，而聚酰亚胺/Vespel锥形卡套的热膨胀系数和不锈钢又有差异，因此有可能使得该“密封线环”松动、导致密封不可靠。

发明内容

为了改进现有技术的不足，本发明提供一种新型的微型氢火焰离子化检测器的喷嘴组件，可有效地解决检测器反复高低温循环下密封不可靠的问题，提高喷嘴区域的密封可靠性。

本发明的技术方案是：

一种微型氢火焰离子化检测器的喷嘴组件，其特征在于：包括同轴放置的喷嘴、引管、上密封件、套管、下密封件、上压体、下压体和检测器体；喷嘴和引管分别为二端开口的直通圆管；上密封件和下密封件为沿轴线开设有通孔的圆柱体，下密封件包括同轴设置的上端圆柱体和下端圆柱体，下端圆柱体的直径小于上端圆柱体直径，上端圆柱体和下端圆柱体构成同轴“T型”圆柱体，上密封件、上端圆柱体和下端圆柱体上部沿轴线开设的通孔直径相同，下端圆柱体下部沿轴线开设的通孔直径小于与其相连通的上部沿轴线开设的通孔直径，即于下端圆柱体内的通孔处形成一环形台阶，且下端圆柱体下端通孔的开口端为圆锥台形的喇叭口，方便色谱柱插入；

检测器体为从上至下设有圆形通孔的中空结构，其上下端面上均设有螺纹孔；于检测器体圆形通孔的上下二开口端分别设有带有与圆形通孔同轴通孔的上压体和下压体，于上压体下端圆形通孔四周设有与通孔同轴的圆环形突起，下圆环形突起从检测器体圆形通孔的上开口端伸入至检测器体圆形通孔内，于下压体上端圆形通孔四周设有与通孔同轴的上圆环形突起，上圆环形突起从检测器体圆形通孔的下开口端伸入至检测器体圆形通孔内；

喷嘴的管状下端插入引管的上开口端，喷嘴和引管置于上压体、下压体和检测器体的圆形通孔内部，喷嘴和引管与检测器体的圆形通孔同轴设置；通过上密封件和下密封件上的通孔，处于检测器体内部的引管外壁面上由上自下依次穿套有上密封件、套管和下密封件，引管下端面与下端圆柱体内的通孔环形台阶相抵接，上密封件下端面和下密封件上端面均分别与套管的上端面和下端面相抵接接触；检测器体的中部侧壁面设有一通孔，触针穿过通孔与套管外壁面相抵接；

上压体的下表面、下压体的上表面和套管的上下表面分别设有环形刃口，上压体和下压体通过螺钉经螺纹孔与检测器体压紧；压紧过程中，四个环形刃口分别嵌入上密封件和下密封件的上下表面，实现嵌入式密封；同时环形刃口在嵌入过程中向内挤压上密封件和下密封件，使其内孔变小从而将引管挤住，实现挤压密封；最终密封下压体下部圆形通孔处的氢气腔、上压体上部圆形通孔处的空气腔和上、下密封件的内通孔与引管外壁处的接触缝隙。

所述的喷嘴、引管和套管的材料为金属；上密封件和下密封件的材料为聚酰亚胺、或Vespel、或其它耐高温且绝缘电阻大于1010欧姆的高分子材料。

所述喷嘴的内径为0.05～0.3mm，外径为0.3～0.79mm；引管的内径为0.4～0.8mm，外径0.8～2.0mm，长15～35mm，喷嘴插入引管的长度为3～5mm，通过焊接方式将二者接触缝隙处密封。

所述的引管上端伸出或高出上密封件上端面0.5～2.5mm，引管插入下密封件内7～8mm，挤压前与上密封件和下密封件的内孔为间隙配合或紧密贴接配合。

所述上密封件的外径6～10mm、厚度1～3mm；下密封件的上端圆柱体外径6～10mm、上端圆柱体厚度1～3mm。

所述环形刃口的宽度和高度都是0.3～0.6mm；其直径根据其他部件的尺寸具体优化。

所述套管的外径5～7mm，高6～8mm，尺寸设计保证其挤压前与引管为间隙配合或紧密贴接配合，挤压后与引管形成良好密封，极化电压通过触针、套管及引管加到喷嘴上。

所述上压体、下压体、检测器体和触针的材料为金属，优选不锈钢材料。

引管下端通孔的开口端为圆锥台形的喇叭口。

上压体的下表面、下压体的上表面和套管的上下表面分别设有圆锥形环形刃口，上压体和下压体通过螺丝与检测器体压紧；压紧过程中，四个圆锥形环形刃口分别嵌入上密封件和下密封件的上下表面，实现嵌入式密封；同时圆锥形环形刃口在嵌入过程中向内挤压上密封件和下密封件，使其内孔变小从而将引管挤住，最终密封氢气腔、空气腔和上下密封件的内孔与引管外径处的接触缝隙。本发明依据机械和材料原理，创新性地设计了喷嘴组件结构，套管除了支撑作用外，还可以引入极化电压到喷嘴上；零部件均是一件多功能。

另外，聚酰亚胺有弹性形变，可用于嵌入式密封。其300℃下的体积电阻10¹¹-10¹²Ω/cm，保证了μ-FID高温下仍有很好的电绝缘性；耐高温聚酰亚胺长期使用温度300℃以上，玻璃化温度320℃以上，美国杜邦公司生产的全芳香族聚酰亚胺(Vespel)更是没有玻璃化温度，长期高温耐压下也不会软化。

与现有技术相比，本发明的喷嘴组件具有如下优点：

1、创新地设计了上下压体和硬金属套管与上下密封件挤压，实现刃口嵌入式密封方式，一件多功能，无需附加额外的二通和拧帽，密封结构更简单。

2、新的刃口嵌入式密封设计，刃口嵌入后，各个密封面均彼此紧压，相比于之前的锥卡套式“密封线环”，于多次高低温循环下密封更可靠。

3、新喷嘴组件结构使燃烧室的死体积和空气流的微扰动更小，有利于提高μ-FID的稳定性。

4、密封件使用有弹性、耐高温绝缘和密封性优越的聚酰亚胺或Vespel材料，保证μ-FID在高温300-350℃下有稳定的绝缘和耐压密封性。

附图说明

图1为喷嘴组件的剖面示意图。图中：1-喷嘴，2-引管，3-上密封件，4-套管，5-下密封件，6-上压体，7-下压体，8-检测器体，9-环形刃口，10-触针，11-螺丝，12-下氢气腔，13-上空气腔。

图2为使用本设计新喷嘴组件研制的μ-FID的实验谱图。

图3为现有技术的μ-FID的实验谱图。

具体实施方式

一种微型氢火焰离子化检测器的喷嘴组件，其特征在于：包括同轴放置的喷嘴1、引管2、上密封件3、套管4、下密封件5、上压体6、下压体7和检测器体8；喷嘴1和引管2分别为二端开口的直通圆管；上密封件3和下密封件5为沿轴线开设有通孔的圆柱体，下密封件5包括同轴设置的上端圆柱体和下端圆柱体，下端圆柱体的直径小于上端圆柱体直径，上端圆柱体和下端圆柱体构成同轴“T型”圆柱体，上密封件3、上端圆柱体和下端圆柱体上部沿轴线开设的通孔直径相同，下端圆柱体下部沿轴线开设的通孔直径小于与其相连通的上部沿轴线开设的通孔直径，即于下端圆柱体内的通孔处形成一环形台阶，且下端圆柱体下端通孔的开口端为圆锥台形的喇叭口，方便色谱柱插入；

检测器体8为从上至下设有圆形通孔的中空结构，其上下端面上均设有螺纹孔；于检测器体8圆形通孔的上下二开口端分别设有带有与圆形通孔同轴通孔的上压体6和下压体7，于上压体6下端圆形通孔四周设有与通孔同轴的圆环形突起，下圆环形突起从检测器体8圆形通孔的上开口端伸入至检测器体8圆形通孔内，于下压体7上端圆形通孔四周设有与通孔同轴的上圆环形突起，上圆环形突起从检测器体8圆形通孔的下开口端伸入至检测器体8圆形通孔内；

喷嘴1的管状下端插入引管2的上开口端，喷嘴1和引管2置于上压体6、下压体7和检测器体8的圆形通孔内部，喷嘴1和引管2与检测器体8的圆形通孔同轴设置；通过上密封件3和下密封件5上的通孔，处于检测器体8内部的引管2外壁面上由上自下依次穿套有上密封件3、套管4和下密封件5，引管2下端面与下端圆柱体内的通孔环形台阶相抵接，上密封件3下端面和下密封件5上端面均分别与套管4的上端面和下端面相抵接接触；检测器体8的中部侧壁面设有一通孔，触针10穿过通孔与套管4外壁面相抵接；

上压体6的下表面、下压体7的上表面和套管4的上下表面分别设有环形刃口9，上压体6和下压体7通过螺钉11经螺纹孔与检测器体8压紧；压紧过程中，四个环形刃口9分别嵌入上密封件3和下密封件5的上下表面，实现嵌入式密封；同时环形刃口9在嵌入过程中向内挤压上密封件3和下密封件5，使其内孔变小从而将引管2挤住，实现挤压密封；最终密封下压体7下部圆形通孔处的氢气腔12、上压体6上部圆形通孔处的空气腔13和上、下密封件的内通孔与引管2外壁处的接触缝隙。

喷嘴1、引管2和套管4的材料为金属；上密封件3和下密封件5的材料为聚酰亚胺、或Vespel、或其它耐高温且绝缘电阻大于1010欧姆的高分子材料。

喷嘴1的内径为0.05～0.3mm，外径为0.3～0.79mm；引管2的内径为0.4～0.8mm，外径0.8～2.0mm，长15～35mm，喷嘴1插入引管2的长度为3～5mm，通过焊接方式将二者接触缝隙处密封。

引管2上端伸出或高出上密封件3上端面0.5～2.5mm，引管2插入下密封件5内7～8mm，挤压前与上密封件3和下密封件5的内孔为间隙配合或紧密贴接配合。

上密封件3的外径6～10mm、厚度1～3mm；下密封件5的上端圆柱体外径6～10mm、上端圆柱体厚度1～3mm。

环形刃口9的宽度和高度都是0.3～0.6mm；其直径根据其他部件的尺寸具体优化。

套管4的外径5～7mm，高6～8mm，尺寸设计保证其挤压前与引管2为间隙配合或紧密贴接配合，挤压后与引管2形成良好密封，极化电压通过触针10、套管4及引管2加到喷嘴1上。

上压体6、下压体7、检测器体8和触针10的材料为金属，优选不锈钢材料。

引管2下端通孔的开口端为圆锥台形的喇叭口。

实施例1

使用新喷嘴组件研制了μ-FID，其喷嘴剖面示意图如图1所示，由喷嘴1、引管2、上密封件3、套管4、下密封件5、上压体6、下压体7、和检测器体8组成。喷嘴1、引管2和套管4的材料为不锈钢，上密封件3和下密封件5的材料为耐高温全芳香族聚酰亚胺。喷嘴1的内径为0.18mm，外径为0.38mm，喷嘴1伸入引管2的长度为3mm，再于接缝处钎焊固定。引管2的内径0.5mm，外径1.6mm，长17mm；引管2比上密封件3高出2mm，插入下密封件5深度7mm，挤压前与上密封件3和下密封件5的内孔间隙配合。上密封件3直径8mm、凸起台阶高2mm，壁厚2mm，下密封件5的顶部直径8mm、壁厚2mm，底部直径4mm，底部高7.5mm，下密封件5的下部同轴设有直径3mm的喇叭口，方便色谱柱插入引管2中。套管4的外径6mm，高7mm，挤压前与引管2间隙配合，挤压后与引管2接触良好，极化电压通过触针10、套管4及引管2加到喷嘴1上。四个宽度和高度都是0.3mm的环形刃口9分别嵌入上密封件3和下密封件5的上下表面，实现嵌入式密封；同时环形刃口9在嵌入过程中向内挤压上密封件3和下密封件5，使其内孔变小从而将引管2挤住，最终密封下氢气腔12、上空气腔13和上下密封件的内孔与引管2外径处的接触缝隙。

图2为使用本技术方案的喷嘴组件的μ-FID的色谱图，色谱条件为：OV-1色谱柱，内径0.32mm，长30m，膜厚0.4μm；载气氢气流量4mL/min，燃烧气氢气流量7mL/min，助燃气空气流量110mL/min；进样口220℃，柱箱150℃，检测器315℃，进样100ppm正十六烷/异辛烷，进样量0.2μL，分流比10:1。由图可见，检测器的基线在315℃下很稳定，对正十六烷的检测限为0.8pg/s。

使用(Jianwei Wang,Hua Wang,Chunfeng Duan,Yafeng Guan*,Micro-flameionization detector with a novel structure for portable gas chromatograph,Talanta,82,1022-1026,2010；一种小型氢火焰离子化检测器，中国发明专利，ZL200810229985.X)研制的μ-FID，由于绝缘密封材料使用聚四氟乙烯，最高长期工作温度只有200-220℃。如果在300℃下反复升降温使用，检测器的基线将不稳定，出现上下波动，并伴随有毛刺，如图3所示。

可见，采用本发明的技术方案后，μ-FID的喷嘴组件密封更可靠、能够耐受更高的工作温度。

本发明不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文公开的一般原理和新颖特点相一致的最宽范围。凡依据本发明设计思想所做的任何无创造性劳动的改变都在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种微型氢火焰离子化检测器的喷嘴组件，其特征在于：包括同轴放置的喷嘴（1）、引管（2）、上密封件（3）、套管（4）、下密封件（5）、上压体（6）、下压体（7）和检测器体（8）；喷嘴（1）和引管（2）分别为二端开口的直通圆管；上密封件（3）和下密封件（5）为沿轴线开设有通孔的圆柱体，下密封件（5）包括同轴设置的上端圆柱体和下端圆柱体，下端圆柱体的直径小于上端圆柱体直径，上端圆柱体和下端圆柱体构成同轴“T型”圆柱体，上密封件（3）、上端圆柱体和下端圆柱体上部沿轴线开设的通孔直径相同，下端圆柱体下部沿轴线开设的通孔直径小于与其相连通的上部沿轴线开设的通孔直径，即于下端圆柱体内的通孔处形成一环形台阶，且下端圆柱体下端通孔的开口端为圆锥台形的喇叭口，方便色谱柱插入；

检测器体（8）为从上至下设有圆形通孔的中空结构，其上下端面上均设有螺纹孔；于检测器体（8）圆形通孔的上下二开口端分别设有带有与圆形通孔同轴通孔的上压体（6）和下压体（7），于上压体（6）下端圆形通孔四周设有与通孔同轴的圆环形突起，下圆环形突起从检测器体（8）圆形通孔的上开口端伸入至检测器体（8）圆形通孔内，于下压体（7）上端圆形通孔四周设有与通孔同轴的上圆环形突起，上圆环形突起从检测器体（8）圆形通孔的下开口端伸入至检测器体（8）圆形通孔内；

喷嘴（1）的管状下端插入引管（2）的上开口端，喷嘴（1）和引管（2）置于上压体（6）、下压体（7）和检测器体（8）的圆形通孔内部，喷嘴（1）和引管（2）与检测器体（8）的圆形通孔同轴设置；通过上密封件（3）和下密封件（5）上的通孔，处于检测器体（8）内部的引管（2）外壁面上由上自下依次穿套有上密封件（3）、套管（4）和下密封件（5），引管（2）下端面与下端圆柱体内的通孔环形台阶相抵接，上密封件（3）下端面和下密封件（5）上端面均分别与套管（4）的上端面和下端面相抵接接触；检测器体（8）的中部侧壁面设有一通孔，触针（10）穿过通孔与套管（4）外壁面相抵接；

上压体（6）的下表面、下压体（7）的上表面和套管（4）的上下表面分别设有环形刃口（9），上压体（6）和下压体（7）通过螺钉（11）经螺纹孔与检测器体（8）压紧；压紧过程中，四个环形刃口（9）分别嵌入上密封件（3）和下密封件（5）的上下表面，实现嵌入式密封；同时环形刃口（9）在嵌入过程中向内挤压上密封件（3）和下密封件（5），使其内孔变小从而将引管（2）挤住，实现挤压密封；最终密封下压体（7）下部圆形通孔处的氢气腔（12）、上压体（6）上部圆形通孔处的空气腔（13）和上、下密封件的内通孔与引管（2）外壁处的接触缝隙；

所述的喷嘴（1）、引管（2）和套管（4）的材料为金属；上密封件（3）和下密封件（5）的材料为聚酰亚胺、或其它耐高温且绝缘电阻大于10¹⁰欧姆的高分子材料。

2.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于：所述喷嘴（1）的内径为0.05-0.3 mm，外径为0.3-0.79 mm；引管（2）的内径为0.4-0.8 mm，外径0.8-2.0 mm，长15-35 mm，喷嘴（1）插入引管（2）的长度为3-5 mm，通过焊接方式将二者接触缝隙处密封。

3.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于：所述的引管（2）上端伸出或高出上密封件（3）上端面0.5-2.5 mm，引管（2）插入下密封件（5）内7-8 mm，挤压前与上密封件（3）和下密封件（5）的内孔为间隙配合或紧密贴接配合。

4.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于：所述上密封件（3）的外径6-10 mm、厚度1-3 mm；下密封件（5）的上端圆柱体外径6-10 mm、上端圆柱体厚度1-3 mm。

5.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于：所述环形刃口（9）的宽度和高度都是0.3-0.6 mm。

6.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于：所述套管（4）的外径5-7 mm，高6-8mm，尺寸设计保证其挤压前与引管（2）为间隙配合或紧密贴接配合，挤压后与引管（2）形成良好密封，极化电压通过触针（10）、套管（4）及引管（2）加到喷嘴（1）上。

7.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于：所述上压体（6）、下压体（7）、检测器体（8）和触针（10）的材料为金属。

8.根据权利要求1所述的喷嘴组件，其特征在于：引管（2）下端通孔的开口端为圆锥台形的喇叭口。

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