CN111595994A - 集成化便携式高精度MicroGC-μTCD检测仪 - Google Patents

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Abstract

一种气体检测仪，包括热导检测器、色谱柱和进样器；进样器，与一载气源相连；所述进样器包括超低温冷凝富集器，用于对待测物进行富集，并将富集后的待测物通过载气的推送注入到色谱柱中；色谱柱，与进样器的后端相连，用于将载气推送来的待测物进行分离；热导检测器，与所述色谱柱的后端相连，用于将分离后的待测物组分进行检测。本发明针对轻质气体检测的需求，提供一种集成化便携式高精度MicroGC‑μTCD检测仪，实现对亚ppm级轻质气体高灵敏高精度现场快速检测。

Description

集成化便携式高精度MicroGC-μTCD检测仪
技术领域
本发明涉及气体检测技术领域，尤其涉及一种集成化便携式高精度MicroGC-μTCD检测仪。
背景技术
针对电力变压器故障在线诊断(通过油中溶解的轻质气体(如H2、C2H2、CO、CH4、C2H4、C2H6等)的种类来诊断故障的类型)、油井勘探(判断探头所钻位置轻质气体的浓度来判断油层的位置及丰度)、工业锅炉排放的废气监测等领域，对轻质气体在线监测的亟需，迫切的需要开发出高灵敏高精度在线检测仪。
而现有的轻质气体检测仪，如光声光谱、氢火焰离子化检测器及脉冲放电氦离子化检测器等，不仅价格昂贵，而且不适合现场快速检测。此外，还有采用传感器集成方式，但这种技术缺陷十分明显，一方面该技术检测灵敏度低，很难有效检测痕量组分；另一方面该技术分析速度慢、操作复杂、准确度低。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于提供一种集成化便携式高精度MicroGC-μTCD检测仪，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。
为实现上述目的，本发明的技术方案为：
一种气体检测仪，包括热导检测器、色谱柱和进样器；
进样器，与一载气源相连；所述进样器包括超低温冷凝富集器，用于对待测物进行富集，并将富集后的待测物通过载气的推送注入到色谱柱中；
色谱柱，与进样器的后端相连，用于将载气推送来的待测物进行分离；
热导检测器，与所述色谱柱的后端相连，用于将分离后的待测物组分进行检测。
基于上述技术方案，本发明相较于现有技术至少具有以下有益效果的其中之一或其中一部分：
(1)本发明通过进样器、色谱柱和热导检测器的结合，且利用超低温冷凝富集器对待测物的富集，实现对轻质气体(如H2、C2H2、CO、CH4、C2H4、C2H6等)的富集以及快速、准确、高灵敏的检测；
(2)本发明的气体检测仪采用高灵敏微型热导检测器(MicroTCD，μTCD)，该热导检测器具有高灵敏及广谱的特点，对轻质气体(如H2、C2H2、CO、CH4、C2H4、C2H6等)仍具有较高灵敏度，这是其他高灵敏传感器如FID、PID、SAW等传感器无法比拟的；
(3)色谱柱和热导检测器是加工在同一基底上，色谱柱的出口端直接与热导检测器测试臂的入口端相连，无外部连接，因此两者连接部分死体积为零，提高了检测仪的灵敏度；
(4)该气体检测仪采用微型填充式气相色谱柱来分离混合气体，该技术可以实现混合气体快速高分辨率分离，而且功耗低，分析速度快，实现了检测技术兼具快速、准确、高灵敏的特点；
(5)该气体检测仪采用了超低温冷凝富集器，可实现亚ppm级(浓度低至0.01ppm)轻质气体的高灵敏有效检测，这是目前技术无法实现的；
(6)本发明采用了微型化H2源，可大幅降低气体检测仪的体积，提高便携性。
附图说明
图1是本发明实施例气体检测仪结构示意图；
图2是本发明实施例一种超低温冷凝富集器结构示意图；
图3是本发明实施例另一种超低温冷凝富集器结构示意图；
图4是本发明实施例多组检测气路的结构示意图。
上述附图中，附图标记含义如下：
1-微型填充式气相色谱柱；2-MicroTCD检测器；3-净化器；4-采样泵；5-微型隔膜六通阀；6-电子压力控制阀；7-三通阀；8-微型化H2源；9-超低温冷凝富集器；10-色谱图；11-液氮散热器；12-富集器本体；13-帕尔贴制冷器；14-铜座散热器；15-开关阀。
具体实施方式
针对轻质气体高灵敏高精度现场快速检测的需求，本发明提供一种集成化便携式高精度MicroGC-μTCD检测仪，实现轻质气体高灵敏高精度现场快速检测。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明提供一种气体检测仪，包括热导检测器、色谱柱和进样器；
进样器，与一载气源相连；进样器包括超低温冷凝富集器，用于对待测物进行富集，并将富集后的待测物通过载气的推送注入到色谱柱中；
色谱柱，与进样器的后端相连，用于将载气推送来的待测物进行分离；
热导检测器，与色谱柱的后端相连，用于将分离后的待测物组分进行检测。
在本发明的实施例中，超低温冷凝富集器包括富集器本体、帕尔贴制冷器和散热器；富集器本体的相对侧分别设置帕尔贴制冷器，两个帕尔贴制冷器的相背对面分别设置散热器。
在本发明的实施例中，散热器包括液氮散热器和/或铜座散热器。在本发明实施例中，两个帕尔贴制冷器的相背对面可以分别设置液氮散热器，但并不局限于此，还可分别设置为液氮散热器和铜座散热器。
在本发明的实施例中，为提高对超痕量气体的响应灵敏度，集成了超低温冷凝富集技术，设计了超低温冷凝富集器，可实现对亚ppm级(浓度低至0.01ppm)轻质气体的高灵敏高精度检测。
在本发明的实施例中，进样器还包括六通阀，六通阀包括样气入口、样气出口、载气入口、载气出口、超低温冷凝富集器入口和超低温冷凝富集器出口；超低温冷凝富集器的两端分别与超低温冷凝富集器入口和超低温冷凝富集器出口相连；载气入口与载气源相连；载气出口与色谱柱相连。
在本发明的实施例中，气体检测仪还包括净化器和采样泵，净化器与样气入口相连，用于对待测物进行干燥净化处理；采样泵与载气出口相连，用于输送待测物。
在本发明的实施例中，气体检测仪还包括三通阀；热导检测器为微型热导检测器；热导检测器包括参考臂和测试臂；
色谱柱与热导检测器加工在同一基底上；测试臂的入口端直接与色谱柱的出口端相连；参考臂和载气入口分别通过三通阀与载气源相连。
在本发明实施例中，采用了高灵敏广谱型MicroTCD检测器，该MicroTCD检测器可响应几乎所有的气体，没有局限性，不像其他高灵敏传感器(如FID，PID等)，存在检测的盲区。此外，MicroTCD检测器相比传统的TCD检测器，具有高灵敏特性，可以响应ppm级浓度的痕量气体。更值得一提的是，色谱柱和热导检测器是加工在同一基底上，色谱柱的出口端直接与热导检测器测试臂的入口端相连，无外部连接，因此两者连接部分死体积为零，提高了气体检测仪的灵敏度。
在本发明的实施例中，气体检测仪还包括电子压力控制阀，电子压力控制阀分别设置于三通阀与载气入口之间，以及三通阀与参考臂之间。
为提高气路流速的控制精度，本发明采用了高精度电子压力控制阀(EPC)，EPC不仅体积小、利于微型化，而且控制精度高，可实现0.1ml/min的控制精度，提高了气体检测仪的稳定性及一致性。
在本发明的实施例中，载气源为微型化氢气源。微型化氢气源作为载气，一方面安全系数高，无事故威胁，另一方面，体积小，功耗低，利于便携应用。
在本发明的实施例中，六通阀为微型隔膜六通阀，响应速度小于等于30ms；微型隔膜六通阀的隔膜采用聚酰亚胺材质。
六通阀作为进样阀采用了微型隔膜六通阀，该微型隔膜六通阀不仅体积小，而且响应速度快(≤30ms)，此外，该微型隔膜六通阀，其隔膜采用聚酰亚胺材质，这种材料对分析物的吸附很少，利于提高检测精度。
在本发明的实施例中，色谱柱可以为毛细色谱柱，但并不局限于此，还可以为微型填充式气相色谱柱。采用微型填充式气相色谱柱，可提高分析速度，这种微型填充式气相色谱柱，不仅体积小、功耗低，而且分辨率高、分析速度快。
在本发明的实施例中，在进样器后端设置多组检测气路，每组检测气路上分别设置开关阀、色谱柱和热导检测器；
多组检测气路的各个色谱柱填充的固定相材料不同。
为了提高单次的分析效率，该气体检测仪可采用多通道并行设置的方式。该结构由多个微型填充式气相色谱柱及MicroTCD检测器组成，这些并行的微型填充式气相色谱柱，其填充的固定相材料不一样，因此分析物也有所区别。通过这种并行结构，可将分析时间大幅缩短，达到1min以内，这是传统的分析技术所不具备的。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
如图1所示，提供一种集成化便携式高精度MicroGC-μTCD检测仪，包括MicroTCD检测器2、微型填充式气相色谱柱1、净化器3、采样泵4、微型隔膜六通阀5、电子压力控制阀6、三通阀7、微型化H2源8和超低温冷凝富集器9；微型化H2源8产生热导系数大的高纯H2，经三通阀7后，气流被分为两路，两个电子压力控制阀6分别调节这两路中的流速使基本一致，其中一路经六通阀5，进入微型填充式气相色谱柱1，另一路则直接进入MicroTCD检测器2的参考臂。
工作流程：分析时，先进样，此时，微型隔膜六通阀5中的第4端与第3端(即超低温冷凝富集器入口和载气入口)相连，载气推动超低温冷凝富集器9中的样品，从微型隔膜六通阀5中连通的第6端、第5端(即超低温冷凝富集器出口和载气出口)进入微型填充式气相色谱柱1，混合气体被微型填充式气相色谱柱1分离后进入MicroTCD检测器2中的测试臂，MicroTCD检测器2得到相应组分的色谱图10及浓度信息。
本发明采用的超低温冷凝富集器9，结构如图2所示，其帕尔贴制冷器13的制冷面与富集器本体12紧密贴合在一起，两个散热面分别与铜座散热器14和液氮散热器11紧密贴合；或者结构如图3所示，其帕尔贴制冷器13的制冷面与富集器本体12紧密贴合在一起，两个散热面均与液氮散热器11紧密贴合。
其具体工作原理：进样时，打开采样泵4及帕尔贴制冷器13，待测样品持续进入富集器本体12，此时，富集器本体12处于超低温状态，温度可达到-80℃～120℃，在这种低温环境下，轻质气体被吸附在富集器本体12中，当达到吸附饱和后，将液氮散热器11中的液氮抽出，并将两个帕尔贴制冷器13的正负极方向(电流反向后，加热与制冷面交换)，瞬态加热富集器本体12，热解析所吸附的气体分子，提高样品的瞬态浓度，使其进入微型填充式气相色谱柱1。
为了提高单次的分析效率，该气体检测仪可采用多通道并行设置的方式，如图4所示。该结构由多个微型填充式气相色谱柱1、开关阀15及MicroTCD检测器2组成，这些并行的微型填充式气相色谱柱1，其填充的固定相材料不一样，因此分析物也有所区别。通过这种并行结构，可将分析时间大幅缩短，达到1min以内，这是传统的分析技术所不具备的。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种气体检测仪，其特征在于，包括热导检测器、色谱柱和进样器；
进样器，与一载气源相连；所述进样器包括超低温冷凝富集器，用于对待测物进行富集，并将富集后的待测物通过载气的推送注入到色谱柱中；
色谱柱，与进样器的后端相连，用于将载气推送来的待测物进行分离；
热导检测器，与所述色谱柱的后端相连，用于将分离后的待测物组分进行检测。
2.如权利要求1所述的气体检测仪，其特征在于，所述超低温冷凝富集器包括富集器本体、帕尔贴制冷器和散热器；所述富集器本体的相对侧分别设置帕尔贴制冷器，两个所述帕尔贴制冷器的相背对面分别设置散热器。
3.如权利要求2所述的气体检测仪，其特征在于，所述散热器包括液氮散热器和/或铜座散热器。
4.如权利要求1所述的气体检测仪，其特征在于，所述进样器还包括六通阀，所述六通阀包括样气入口、样气出口、载气入口、载气出口、超低温冷凝富集器入口和超低温冷凝富集器出口；所述超低温冷凝富集器的两端分别与超低温冷凝富集器入口和超低温冷凝富集器出口相连；载气入口与所述载气源相连；载气出口与色谱柱相连。
5.如权利要求4所述的气体检测仪，其特征在于，所述气体检测仪还包括净化器和采样泵，所述净化器与样气入口相连，用于对待测物进行干燥净化处理；所述采样泵与载气出口相连，用于输送待测物。
6.如权利要求4所述的气体检测仪，其特征在于，所述气体检测仪还包括三通阀；所述热导检测器为微型热导检测器；所述热导检测器包括参考臂和测试臂；
所述色谱柱与所述热导检测器加工在同一基底上；
所述测试臂的入口端直接与色谱柱的出口端相连；
所述参考臂和载气入口分别通过三通阀与载气源相连。
7.如权利要求6所述的气体检测仪，其特征在于，所述气体检测仪还包括电子压力控制阀，所述电子压力控制阀分别设置于三通阀与载气入口之间，以及三通阀与参考臂之间；
所述电子压力控制阀为0.1ml/min的控制精度；所述载气源为微型化氢气源。
8.如权利要求1所述的气体检测仪，其特征在于，所述六通阀为微型隔膜六通阀，响应速度小于等于30ms；
所述微型隔膜六通阀的隔膜采用聚酰亚胺材质。
9.如权利要求1所述的气体检测仪，其特征在于，所述色谱柱包括毛细色谱柱或者微型填充式气相色谱柱。
10.如权利要求1至9任一项所述的气体检测仪，其特征在于，在所述进样器后端设置多组检测气路，每组检测气路上分别设置开关阀、色谱柱和热导检测器；
所述多组检测气路的各个色谱柱内填充的固定相材料不同。
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