CN115031441A - 一种应用于痕量VOCs检测的双通道三级制冷系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于痕量VOCs检测的双通道三级制冷系统及方法，所述系统具有除水单元、富集单元、聚焦单元、核心控制单元、供电模块，电磁阀、EPC压力控制器、十四通阀、十通阀、六通阀一、六通阀二、采样流量控制模块、采样泵组、针形阀组、压力表组。本发明的系统由除水单元构成一级制冷，富集单元构成二级制冷，聚焦单元构成三级制冷，通过三级制冷技术同时解决了进样量与脱附效率的平衡问题，在二级富集时保证了大流量进样，大流量载气脱附，提高了富集能力，在第三级聚焦时考虑了为了保证较高的出峰效果而采用了较低的载气流量，平衡了进样量和洗脱效率的问题。

Description

一种应用于痕量VOCs检测的双通道三级制冷系统及方法

技术领域

本发明属于环境检测领域，特别涉及一种应用于痕量VOCs检测的双通道三级制冷系统及方法。

背景技术

随着人们生活水平的提高，对于环境的治理受到人们越来越多的关注，特别是对VOCs的检测治理达到一个小高潮。VOCs的检测类型从单纯的非甲烷总烃以及苯系物这类单元的组分增加到了pams57种C2-C12碳氢化合物再发展为现今的包括醛酮等衍生物在内的117种有机物的检测要求。检测范围的要求从4个直辖市，15个省会城市及计划单列市以及59个地级城市，扩大为337个地级及以上城市甚至更多。检测的复杂性也从原来的固定源排放发展为现今的环境空气的痕量检测需求。

根据预测， 环境空气在线监测系统的市场需求将由现在的数百台增加至数千台，新增和老化到期更换的数量将达到数百台、套/年。同样实验室检测领域的市场需求只增不减。富集装置作为重要组成部分，其需求量也在数千台/年。面对如此庞大的市场需求量，据调查目前的市场主要份额掌握在少数的进口厂家手中且价格高昂。

目前国内对于富集装置的技术壁垒主要集中在高效除水技术、低碳、高碳捕集效率的参差、富集时间全覆盖以及复杂的流程切换的自动化控制技术。

如专利申请201620063127.2公开了一种电子制冷二级冷冻收集VOC连续在线分析仪，是采用第一收集器与第二收集器同时冷冻到各自设定的温度点后串联进样，其中样品中的水以及VOC中的高碳化合物被冷冻在第一收集器，样品中的低碳化合物被吸附在第二收集器，进样完毕后将第一收集器缓慢升温到不高于50℃，将停留在第一收集器中的高碳化合物进一步转移到第二收集器，样品中的水留在第一收集器，物理除去样品中的水，提高氢火焰离子化检查器的稳定性，然后将第二收集器快速升温同时启动独创的气体推动触发器技术，将吸附在第二收集器中的VOC集中快速的推入色谱柱进行分离，使得从C2到C12所有的VOC都能很好的分离，利用氢火焰离子化检查器检测出每个化合物的浓度。

然而，目前市面上主流制冷技术存在如下问题：a、对C2-C3这类轻组分无法进行有效捕集，达不到富集效果，检出限无法满足检测要求；b、仅一级脱附即进入分析系统进行分析，导致脱附洗脱气体流量过小具有残留问题；c、一级富集采样量小导致检出限无法满足检测要求；d、流路切换自动化程度低，使用大量电磁阀支撑流量切换以及流程控制，导致阀与阀之间存在控制时间差，阀体本身样品残留等问题出现；e、使用冷凝器除水，除水的同时将样品中的醛酮等亲水因子也一同除掉，造成检测数据偏低的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明的首要目的在于提供一种应用于痕量VOCs检测的双通道三级制冷系统及方法，该系统及方法解决痕量VOCs检测领域低碳轻组分捕集效率低，一级脱附导致的洗脱效果差存在残留的问题，采样量有限，阀路设计复杂切换不合理，冷凝器除水数据偏低以及单通道导致采集数据流失等一些列的影响测量指标的问题。

本发明的另一目的在于提供一种应用于痕量VOCs检测的双通道三级制冷系统及方法，该系统及方法通过控制电磁阀组的工作状态间接调控多通阀的状态，使其完成三级制冷不同阶段气路变化，提高了控制的准确性和可靠性。

本发明的再一目的在于提供一种应用于痕量VOCs检测的双通道三级制冷系统及方法，该系统及方法使用三级制冷方式，其中一级阱用于水分去除，二级阱用于C2-C12的大流量富集，此时的富集量较大，所使用的吸附管体积管径均比一般吸附管要大，三级阱用于对有机物的聚焦作用，在较高的效率下，使用低流量完成洗脱任务，保证出峰的效果。

本发明的又一目的在于提供一种应用于痕量VOCs检测的双通道三级制冷系统及方法，该系统及方法采用了双通道无干扰的富集模式，两个通道的富集阱、采样泵等均采用独立系统，在同一个阀控系统下有序运行，保证采集数据的全面性更具代表意义。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下。

一种应用于痕量VOCs检测的双通道三级制冷系统，所述系统包括除水单元、富集单元、聚焦单元、核心控制单元、供电模块，电磁阀、EPC压力控制器、 十四通阀、十通阀、六通阀一、六通阀二、采样流量控制模块、采样泵组、针形阀组、压力表组，其中：

所述除水单元，为一级除水阱，所述一级除水阱通过空柱低温除水技术，实现去除水分的同时保留VOCs无损失；

所述富集单元，为二级富集阱，所述二级富集阱利用低温环境下的填料选择性吸附大流量样品气体中的全组分VOCs，为聚焦单元做样品准备；

所述聚焦单元，为三级聚焦阱，所述三级聚焦阱对富集单元中富集的样品进行三次富集，保证小流量的脱附气体下的洗脱效率；

所述核心控制单元，根据对采集的信息控制供电模块选择性工作，间接实现对制冷加热的控制功能以及对整个系统的阀、泵流程控制作用；

所述供电模块，为系统元件提供使用电源；

所述电磁阀，通过开关量控制下，选择性的给十四通阀、十通阀、六通阀一、六通阀二提供状态转换以驱动气体；

所述EPC压力控制器，用于对聚焦单元脱附气体进行精准流量控制，通过压力控制间接实现流量控制；

所述十四通阀，用于实现双通道中两个采样路径的选择功能，实现连续无盲点采样目的，在此阀控制下实现一级除水、二级富集功能；

所述十通阀，用于提供除水使用干燥气源，为达到较好效果此处流量较大；

所述六通阀一，对二级富集后的低碳有机物进行第三次富集；

所述六通阀二，为二级富集洗脱提供脱附气体，协助聚焦功能的实现；

其中，

一级除水阱采用直径5mm、长度10CM以上的空管，能够在大流量采集的情况下，无填料的针对性捕集仅将水分以液态形式保存下来；

二级富集阱采用直径5mm、长度10CM以上的复合型填料冷阱管，二级富集采用大管径冷阱管，允许大流量采集，提高低碳的捕集量；

三级聚焦阱采用直径3mm、长度8cm的小孔径吸附管对二级捕集的低碳进行第三次捕集，保证在小流量的情况下捕集高纯度的低碳组分提高分析能力。

所述除水单元构成一级制冷，富集单元构成二级制冷，聚焦单元构成三级制冷，通过三级制冷技术同时解决了进样量与脱附效率的平衡问题，在二级富集时保证了大流量进样，大流量载气脱附，提高了富集能力，在第三级聚焦时考虑了为了保证较高的出峰效果而采用了较低的载气流量，平衡了进样量和洗脱效率的问题。

所述除水单元，包括有除水阱一、除水阱二，除水阱一、除水阱二分别接于十四通阀。

所述富集单元，包括有捕集阱一、捕集阱二，捕集阱一、捕集阱二分别接于十四通阀。

所述聚焦单元三级聚焦阱内设置有若干根孔径填料管，利用孔径填料管对富集单元中富集的样品进行富集。

所述除水阱/捕集阱/聚焦阱包括有：阱上盖、腔体、风扇、散热块、冷阱管模块、制冷片；其中，腔体内设置有冷阱管模块和制冷片，腔体上设置有风扇和散热块；

风扇和散热块此两部分组成了单元散热，其中散热块为金属材质，背面具有齿状结构，降低整体质量的同时形成散热风道，制冷片的热端直接接触散热块；冷阱管模块直接作用在制冷片的冷端，能够在最快的时间降至需求温度，阱上盖和腔体密闭连接，保证了腔体内部的气密性。

所述EPC压力控制器，通过六通阀一、六通阀二接于聚焦阱，用于对聚焦阱脱附气体进行精准流量控制。

进一步包括有采样流量控制模块、采样泵组、针形阀组及压力表组，其中：

所述采样流量控制模块，由多个质量流量计组成，根据设置的流量进行精准控制，流量控制范围0-300sccm之间，协助定量功能的实现；

所述采样泵组，由多个采样泵组成，根据设置的时间，选择性的工作，协助定量功能的实现；

所述针形阀组，用于稳定系统中的除水、活化的流量，达到更好的净化效果；

所述压力表组，与针形阀组配合工作，可进行该路气体的压力显示以及控制功能。

进一步，所述采样流量控制模块，由质量流量计一、质量流量计二组成，质量流量计一、质量流量计二分别接于采样泵一、采样泵二与十通阀之间，根据设置的流量进行精准控制，流量控制范围0-300sccm之间，协助定量功能的实现；

所述采样泵组，由采样泵一、采样泵二组成，采样泵一、采样泵二分别接于质量流量计一、质量流量计二。

所述针形阀组，包括有针形阀一、针形阀二、针形阀三，其中，针形阀一和针形阀二接于十通阀，针形阀三接于六通阀二，用于稳定系统中的除水、活化的流量；

所述压力表组，包括有压力表一、压力表二、压力表三，压力表一、压力表二、压力表三分别搭配于针形阀一、针形阀二、针形阀三。

一种应用于痕量VOCs检测的双通道三级制冷方法，该方法包括如下步骤：

101. 一级阱除水、二级阱富集；

进气的样气分样气1和样气2两路：

样气1的气路走向：样气1进入除水阱一，经过十四通阀的孔位14、孔位13进入捕集阱一，之后进入十四通阀的孔位10、孔位9过渡到十通阀9的孔位1、孔位2进入质量流量计一，控流后进入采样泵一之后将多余的气体排出；

样气2的气路走向：样气2进入除水阱二，经过十四通阀的孔位3、孔位4进入捕集阱二，之后进入十四通阀的孔位7、孔位8、孔位1、孔位2过渡到十通阀的孔位6、孔位5进入质量流量计二，控流后进入采样泵二之后将多余的气体排出；

说明：

步骤101中，进气的进样量控制在200sccm以上，保证了第二次的富集浓度，为接下来的聚焦做准备；

为避免质量流量计以及采样泵有残留的可能，将两个质量流量计及采样泵设置在整个气路的尾端。

其中样气1采集气体专门用来做高碳组分的分析，样气2将进入三次聚焦用于低碳的组分分析。

102. 高碳进样分析，低碳三级聚焦；

将十四通阀、十通阀、六通阀二通过电磁阀组的从状态1切换至状态2，六通阀一保持状态不变；其中，将阀孔位1与孔位2相通定义为状态1，将阀孔位2与孔位3相通定义为状态2；

高碳组分气路走向：MS气路出口经过十四通阀的孔位11、孔位10反向将捕集阱一中的气体吹扫出来回到MS入口进行内部的分离分析；

低碳组分气路走向：吹扫气N2，4经过EPC压力控制器控流后从六通阀二的孔位4进入孔位5，同时，经过孔位5进入十四通阀的孔位6、孔位7反向吹扫捕集阱二，集阱二中的捕集组分经过孔位4、孔位3进入六通阀一的孔位5、孔位6进入聚焦阱，进行三级聚焦后多余的气体从孔位3、孔位4流出，途径六通阀二的孔位1、孔位6排出系统；

吹扫气（N2，1）：洁净气体经过针形阀一，通过压力表一，调节压力后进入十通阀的孔位10、孔位1进入十四通阀的孔位9、孔位8、孔位1、孔位4，将除水阱一中的水分反向排出。此步骤为反向将除水阱中的水杂质吹出设备。

吹扫气（N2，2）：洁净气体经过针形阀二，通过压力表二，调节压力后进入十通阀的孔位7、孔位6进入十四通阀的孔位2、孔位3进入除水阱二排出系统外。此步骤为反向将除水阱二中的杂质吹出设备，达到清洗管路目的。

103. 低碳进样。

此时六通阀一、十通阀保持状态不变，十四通阀、六通阀通过电磁阀组的驱动气作用下从状态2切换至状态1，其中，将阀孔位1与孔位2相通定义为状态1，将阀孔位2与孔位3相通定义为状态2。

吹扫气（N2，1）：洁净气体经过针形阀一，通过压力表一，调节压力后进入十通阀的孔位10、孔位1后进入十四通阀的孔位9、孔位10反向进入捕集阱一的孔位13、孔位14、除水阱一排出。此步骤为反向将捕集阱一、除水阱一中的杂质吹出设备，达到清洗管路的作用，为下次的捕集做准备。

吹扫气（N2，2）：洁净气体经过针形阀二，通过压力表二，调节压力后进入十通阀的孔位7、孔位6后进入十四通阀的孔位2、孔位1、孔位8、孔位7反向进入捕集阱二的孔位4、孔位3、除水阱二排出。此步骤为反向将捕集阱二、除水阱二中的杂质吹出设备，达到清洗管路的作用，为下次的捕集做准备。

低碳组分气路走向：GC气路出口进入六通阀一的孔位2经过孔位3反向进入聚焦阱，经过孔位6、孔位1回到GC入口进行内部的分离分析。

104. 聚焦阱活化。

先将多通阀回到初始状态；

吹扫气（N2，3）：洁净气体经过针形阀三，通过压力表三，调节压力后进入六通阀二的孔位2、孔位1进入六通阀一的孔位4、孔位3进入聚焦阱，将吹扫的废气经过孔位6、孔位5进入十四通阀的孔位5、孔位6回到六通阀二的孔位5后进过孔位6排出。

本发明通过控制电磁阀组的工作状态间接调控多通阀的状态，使其完成三级制冷不同阶段气路变化，从而完成一级制冷用于水分的去除，二级富集提高低碳的捕集量，三级聚焦捕集高纯度的低碳组分提高分析能力，摒弃了传统的橡胶密封的两位、三位电磁阀阀组的方式，更大现度的降低了电磁阀切换过程中可能带入的不同步等联动问题所带来的分析数据不准确的影响。

本发明的有益效果在于：

本发明为达到低碳C2-C3这类轻组分的有效捕集，创新性的使用了三级制冷技术，一级制冷用于水分的去除，消除了水分对填料的无效占位，使同量的吸附填料最大限度的捕集VOCs的组分，提高填料的使用寿命以及使用效率。二级富集采用大管径冷阱管，允许大流量采集，提高低碳的捕集量。三级聚焦使用小孔径吸附管对二级捕集的低碳进行第三次捕集，保证在小流量的情况下捕集高纯度的低碳组分提高分析能力。三级制冷技术同时解决了进样量与脱附效率的平衡问题，创新性的在二级富集时保证了大流量进样，大流量载气脱附，提高了富集能力，在第三级聚焦时考虑了为了保证较高的出峰效果而采用了较低的载气流量，平衡了进样量和洗脱效率的问题。

考虑到本发明应用场景为浓度较低，组分复杂的工况环境，在系统中样品气体所走路径上创新性的使用了四个一体多通阀，摒弃了传统的橡胶密封的两位、三位电磁阀阀组的方式。更大现度的降低了电磁阀切换过程中可能带入的不同步等联动问题所带来的分析数据不准确的影响。同时此次使用的一体多通阀阀体均采用了钝化处理，进一步消除了高碳组分可能存在的残留问题。

本发明有别于常规的冷凝器、压缩机以及nafion管的除水方式，创新性的使用了空柱冷阱模块的形式，有效的做到仅去除水分保存醛酮等亲水性VOCs组分的效果。除水阱中积攒的水分会在每次的进样同时，使用大流量载气在高温300℃的情况下吹扫出设备外部，消除了其可能对下次进样的出峰结果造成的影响。

本发明为保证数据的全面性以及其可代表性。采用双通道的模式，使用两个独立的定量采集系统，保证本系统无数据的漏测情况出现，降低了工况的短暂变化带来的可能数据影响。

附图说明

图1是本发明实施例的三级制冷气路原理图；

图2是本发明实施除水阱结构示意图；

图3是本发明实施除水阱内部结构图；

图4是本发明实施例电路原理框图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参照图1所示，为本发明所实现应用于痕量VOCs检测的双通道三级制冷系统的气路原理图，其包括有：除水阱一101 、除水阱二102、捕集阱一201、捕集阱二202、聚焦阱3、EPC压力控制器7、十四通阀8、十通阀9、六通阀一 10、六通阀二 11、质量流量计一 1201、质量流量计二1202、采样泵一1301、采样泵二1302、针形阀一 1401、针形阀二1402、针形阀三1403、压力表一1501、压力表二1502、压力表三 1503。

图中，气相色谱-质谱联用仪GC-MS接于十四通阀8和六通阀一10，以进行检测。

其中，所述除水单元，包括有除水阱一101 、除水阱二102，除水阱一101 、除水阱二102分别接于十四通阀8，除水阱一101 、除水阱二102通过空柱低温除水技术，实现去除水分的同时保留VOCs无损失。

所述富集单元，包括有捕集阱一201、捕集阱二202，捕集阱一201、捕集阱二202分别接于十四通阀8，利用低温环境下的填料选择性吸附大流量样品气体中的全组分VOCs，为聚焦阱做样品准备。

所述聚焦单元，为聚焦阱3，聚焦阱3内设置有若干根孔径填料管，利用孔径填料管对富集单元中富集的样品进行三次富集，保证小流量的脱附气体下的洗脱效率。

所述核心控制单元（参见图2），根据对采集的信息控制供电模块选择性工作，间接实现对冷阱的制冷加热的控制功能以及对整个系统的阀、泵流程控制作用。

所述供电模块，为系统元件提供使用电源。

所述电磁阀，通过开关量控制下，选择性的给十四通阀等多通阀提供状态转换驱动气体。

所述EPC压力控制器7，通过六通阀一 10、六通阀二 11接于聚焦阱3，用于对聚焦阱3脱附气体进行精准流量控制，通过压力控制间接实现流量控制。

所述十四通阀8，用于实现双通道中两个采样路径的选择功能，实现连续无盲点采样目的，在此阀控制下实现一级除水、二级富集功能；

所述十通阀9，用于提供除水使用干燥气源，为达到较好效果此处流量较大。

所述六通阀一10，对二级富集后的低碳有机物进行第三次富集，也称为聚焦功能。

所述六通阀二11，为二级富集洗脱提供脱附气体，协助聚焦功能的实现。

其中，一级除水阱采用直径5mm、长度10CM以上的空管，能够在大流量采集的情况下，无填料的针对性捕集仅将水分以液态形式保存下来；

二级富集阱采用直径5mm、长度10CM以上的复合型填料冷阱管，二级富集采用大管径冷阱管，允许大流量采集，提高低碳的捕集量；

三级聚焦阱采用直径3mm、长度8cm的小孔径吸附管对二级捕集的低碳进行第三次捕集，保证在小流量的情况下捕集高纯度的低碳组分提高分析能力。

所述采样流量控制模块，由质量流量计一 1201、质量流量计二1202组成，质量流量计一 1201、质量流量计二1202分别接于采样泵一1301、采样泵二1302与十通阀9之间，根据设置的流量进行精准控制，流量控制范围0-300sccm之间，协助定量功能的实现。

所述采样泵组，由采样泵一1301、采样泵二1302组成，采样泵一1301、采样泵二1302分别接于质量流量计一 1201、质量流量计二1202，根据设置的时间，选择性的工作，协助定量功能的实现；

所述针形阀组，包括有针形阀一 1401、针形阀二1402、针形阀三1403，其中，针形阀一 1401和针形阀二1402接于十通阀9，针形阀三1403接于六通阀二 11，用于稳定系统中的除水、活化的流量，达到更好的净化效果；

所述压力表组，包括有压力表一1501、压力表二1502、压力表三 1503，压力表一1501、压力表二1502、压力表三 1503分别搭配于针形阀一 1401、针形阀二1402、针形阀三1403，压力表组与针形阀组配合工作，可进行该路气体的压力显示以及控制功能。

实例说明。

1. 一级阱除水、二级阱富集实现方式。

样气1的气路走向：样气1进入除水阱一101，经过十四通阀8的孔位14→孔位13进入捕集阱一201，之后进入孔位10→孔位9过渡到十通阀9的孔位1→孔位2进入质量流量计一1201，控流后进入采样泵一1301之后多余的气体排出。

样气2的气路走向：样气2进入除水阱二102，经过十四通阀8的孔位3→孔位4进入捕集阱二202，之后进入孔位7→孔位8→孔位1→孔位2过渡到十通阀9的孔位6→孔位5进入质量流量计二1202，控流后进入采样泵二1302之后多余的气体排出。

说明：

此时的样品进样量较大控制在200sccm以上，保证了第二次的富集浓度，为接下来的聚焦做准备。

为避免质量流量计以及采样泵有残留的可能，将两个部件放在整个气路的尾端。

其中样气1采集气体专门用来做高碳组分的分析，样气2将进入三次聚焦用于低碳的组分分析。

2. 高碳进样分析，低碳三级聚焦。

此时十四通阀8、十通阀9、六通阀二11通过电磁阀组6的驱动气作用下从状态1切换至状态2（将阀孔位1与孔位2相通定义为状态1，将阀孔位2与孔位3相通定义为状态2）。六通阀一10 保持状态不变。

高碳组分气路走向：MS气路出口经过十四通阀8的孔位11→孔位10反向将捕集阱一201中的气体吹扫出来经过孔位13→孔位12回到MS入口进行内部的分离分析。

低碳组分气路走向：N2，4经过EPC压力控制器7控流后从六通阀二11的孔位4进入孔位5，经过孔位5进入十四通阀8的孔位6→孔位7反向吹扫捕集阱二202，集阱二202中的捕集组分经过孔位4→孔位3进入六通阀一10的孔位5→孔位6进入聚焦阱3，进行三级聚焦后多余的气体从孔位3→孔位4流出，途径六通阀二11 的孔位1→孔位6排出系统。

吹扫气（N2，1）：洁净气体经过针形阀一1401，通过压力表一1501，调节压力后进入十通阀9的孔位10→孔位1进入十四通阀8的孔位9→孔位8→孔位1→孔位4，将除水阱一101中的水分反向排出。此步骤为反向将除水阱中的水杂质吹出设备。

吹扫气（N2，2）：洁净气体经过针形阀二1402 ，通过压力表二1502，调节压力后进入十通阀9的孔位7→孔位6进入十四通阀8的孔位2→孔位3进入除水阱二102排出系统外。此步骤为反向将除水阱二102中的杂质吹出设备，达到清洗管路目的。

3. 低碳进样。

此时六通阀一10、十通阀9保持状态不变，十四通阀8、六通阀11通过电磁阀组6的驱动气作用下从状态2切换至状态1（将阀孔位1与孔位2相通定义为状态1，将阀孔位2与孔位3相通定义为状态2）。

吹扫气（N2，1）：洁净气体经过针形阀一 1401，通过压力表一1501，调节压力后进入十通阀9的孔位10→孔位1后进入十四通阀8的孔位9→孔位10反向进入捕集阱一201的孔位13→孔位14→除水阱一101排出。此步骤为反向将捕集阱一201、除水阱一101中的杂质吹出设备，达到清洗管路的作用，为下次的捕集做准备。

吹扫气（N2，2）：洁净气体经过针形阀二 1402，通过压力表二1502，调节压力后进入十通阀9的孔位7→孔位6后进入十四通阀8的孔位2→孔位1→孔位8→孔位7反向进入捕集阱二202的孔位4→孔位3→除水阱二102排出。此步骤为反向将捕集阱二202、除水阱二102中的杂质吹出设备，达到清洗管路的作用，为下次的捕集做准备。

低碳组分气路走向：GC气路出口进入六通阀一10的孔位2经过孔位3反向进入聚焦阱3，经过孔位6→孔位1回到GC入口进行内部的分离分析。

4. 聚焦阱活化。

此时多通阀均回到初始状态。

吹扫气（N2，3）：洁净气体经过针形阀三1403 ，通过压力表三1503，调节压力后进入六通阀二11的孔位2→孔位1进入六通阀一10的孔位4→孔位3进入聚焦阱3，将吹扫的废气经过孔位6→孔位5进入十四通阀8的孔位5→孔位6回到六通阀二11的孔位5后进过孔位6排出。

以上为一次分析的完整流程说明。

由此，本发明所实现的制冷方法，通过控制电磁阀组的工作状态间接调控多通阀的状态，使其完成三级制冷不同阶段气路变化，从而完成一级制冷用于水分的去除，二级富集提高低碳的捕集量，三级聚焦捕集高纯度的低碳组分提高分析能力，摒弃了传统的橡胶密封的两位、三位电磁阀阀组的方式，更大现度的降低了电磁阀切换过程中可能带入的不同步等联动问题所带来的分析数据不准确的影响，提高了控制的准确性和可靠性。

本发明涉及除水阱、富集阱、聚焦阱，三者整体结构、原理类似、仅使用冷阱管规格不同。以除水阱101结构为例进行冷阱结构说明。

参阅图2，为本发明实施除水阱的外部结构，其包括：阱上盖1011、腔体1012、风扇1013、散热块1014。

参阅图3，为本发明实施例冷阱内部结构，其包括：冷阱管模块1015、制冷片1016。

由图知，风扇1013、散热块1014此两部分组成了单元散热的主要结构。其中散热块1014使用导热性质好重量小的金属材质，背面具有齿状结构，降低整体质量的同时形成散热风道。为最大限度的增加散热的效率，制冷片1016的热端直接接触散热块1014。冷阱管模块1015直接作用在制冷片1016的冷端，保证冷阱管单元可以在最快的时间降至需求富集温度0~-35℃。阱上盖1011、腔体1012的连接保证了腔体内部的气密性，防止外部潮湿气体进入造成内部低温结霜附着情况，避免闪蒸环节，300℃高温情况下阱内部器件长期在潮湿环境下使用造成的损坏。

本发明为达到低碳C₂-C₃这类轻组分的有效捕集，创新性的使用了不同的冷阱模块，达到不同的效果。一级除水阱制冷用于水分的去除，消除了水分对填料的无效占位，使用大管径冷阱管，直径5mm、长度10CM以上的空管，在大流量采集的情况下，无填料的针对性捕集仅将水分以液态形式保存下来。二级富集阱制冷用于大流量VOCs的无差别捕集作用，使用大管径冷阱管，直径5mm、长度10CM以上的复合型填料冷阱管，二级富集采用大管径冷阱管，允许大流量采集，提高低碳的捕集量。三级聚焦阱聚焦使用直径3mm、长度8cm的小孔径吸附管对二级捕集的低碳进行第三次捕集，保证在小流量的情况下捕集高纯度的低碳组分提高分析能力。

参阅图4，为本发明实施流程控制的工作原理框图，其包括：除水单元1、富集单元2、聚焦阱3、核心控制单元4、供电模块5、电磁阀组6、EPC压力控制器7、采样流量控制模块12、采样泵组13、 流程控制软件16。

本发明电路部分包括10部分，各部分的电路以及通讯关系说明如下：

整机电路控制组是本系统核心控制单元4，也就是主控板。由供电模块5提供其正常工作所需电量。

流程控制软件16对主控板卡下发指令控制，使其控制设备内部阀、泵等执行相应工作。

核心控制单元4根据接收到的屏控指令对6、电磁阀组进行开关量控制促使电磁阀为后端的多通阀提供一定压力的驱动气驱动多通阀的状态改变，达到流路转换的目的。

核心控制单元4根据接收到的屏控指令（二级富集）对采样泵组13进行开关量控制，对采样流量控制模块12进行供电的同时，做0-5V信号采集，转换为流量显示以及反控。核心控制单元4根据接收到的屏控指令（闪蒸、脱附、活化）除水单元1、富集单元2、聚焦阱3阱内的加热丝进行加热控制以达到温度设置值并保持。

核心控制单元4根据接收到的屏控指令（降温、富集）控制除水单元 1、富集单元2、聚焦阱3对应阱执行制冷动作。

核心控制单元4给采样流量控制模块12进行供电的同时，进行I2C信号采集，转换为流量进行显示。

核心控制单元4给EPC压力控制器7供电的同时，采集0-5V信号，转换为流量进行显示以及反控。

以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应用于痕量VOCs检测的双通道三级制冷系统，所述系统包括除水单元、富集单元、聚焦单元、核心控制单元、供电模块，电磁阀、EPC压力控制器、 十四通阀、十通阀、六通阀一、六通阀二、采样流量控制模块、采样泵组、针形阀组、压力表组，其中：

所述除水单元，为一级除水阱，所述一级除水阱通过空柱低温除水技术，实现去除水分的同时保留VOCs无损失；

所述富集单元，为二级富集阱，所述二级富集阱利用低温环境下的填料选择性吸附大流量样品气体中的全组分VOCs，为聚焦单元做样品准备；

所述聚焦单元，为三级聚焦阱，所述三级聚焦阱对富集单元中富集的样品进行三次富集，保证小流量的脱附气体下的洗脱效率；

所述核心控制单元，根据对采集的信息控制供电模块选择性工作，间接实现对制冷加热的控制功能以及对整个系统的阀、泵流程控制作用；

所述供电模块，为系统元件提供使用电源；

所述电磁阀，通过开关量控制下，选择性的给十四通阀、十通阀、六通阀一、六通阀二提供状态转换以驱动气体；

所述EPC压力控制器，用于对聚焦单元脱附气体进行精准流量控制，通过压力控制间接实现流量控制；

所述十四通阀，用于实现双通道中两个采样路径的选择功能，实现连续无盲点采样目的，在此阀控制下实现一级除水、二级富集功能；

所述十通阀，用于提供除水使用干燥气源，为达到较好效果此处流量较大；

所述六通阀一，对二级富集后的低碳有机物进行第三次富集；

所述六通阀二，为二级富集洗脱提供脱附气体，协助聚焦功能的实现；

其中，

一级除水阱采用直径5mm、长度10CM以上的空管，能够在大流量采集的情况下，无填料的针对性捕集仅将水分以液态形式保存下来；

二级富集阱采用直径5mm、长度10CM以上的复合型填料冷阱管，二级富集采用大管径冷阱管，允许大流量采集，提高低碳的捕集量；

三级聚焦阱采用直径3mm、长度8cm的小孔径吸附管对二级捕集的低碳进行第三次捕集，保证在小流量的情况下捕集高纯度的低碳组分提高分析能力。

2.如权利要求1所述的应用于痕量VOCs检测的双通道三级制冷系统，其特征在于所述除水单元，包括有除水阱一、除水阱二，除水阱一、除水阱二分别接于十四通阀。

3.如权利要求1所述的应用于痕量VOCs检测的双通道三级制冷系统，其特征在于所述富集单元，包括有捕集阱一、捕集阱二，捕集阱一、捕集阱二分别接于十四通阀。

4.如权利要求1所述的应用于痕量VOCs检测的双通道三级制冷系统，其特征在于所述聚焦单元三级聚焦阱内设置有若干根孔径填料管，利用孔径填料管对富集单元中富集的样品进行富集。

5.如权利要求2所述的应用于痕量VOCs检测的双通道三级制冷系统，其特征在于除水阱/捕集阱/聚焦阱包括有：阱上盖、腔体、风扇、散热块、冷阱管模块、制冷片；其中，腔体内设置有冷阱管模块和制冷片，腔体上设置有风扇和散热块；

风扇和散热块此两部分组成了单元散热，其中散热块为金属材质，背面具有齿状结构，降低整体质量的同时形成散热风道，制冷片的热端直接接触散热块；冷阱管模块直接作用在制冷片的冷端，能够在最快的时间降至需求温度，阱上盖和腔体密闭连接，保证了腔体内部的气密性。

6.如权利要求1所述的应用于痕量VOCs检测的双通道三级制冷系统，其特征在于所述EPC压力控制器，通过六通阀一、六通阀二接于三级聚焦阱，用于对聚焦阱脱附气体进行精准流量控制。

7.如权利要求1所述的应用于痕量VOCs检测的双通道三级制冷系统，其特征在于进一步包括有采样流量控制模块、采样泵组、针形阀组及压力表组，其中：

所述采样流量控制模块，由多个质量流量计组成，流量控制范围0-300sccm之间，协助定量功能的实现；

所述采样泵组，由多个采样泵组成，协助定量功能的实现；

所述针形阀组，用于稳定系统中的除水、活化的流量；

所述压力表组，与针形阀组配合工作，可进行该路气体的压力显示以及控制功能；

其中，所述采样流量控制模块，由质量流量计一、质量流量计二组成，质量流量计一、质量流量计二分别接于采样泵一、采样泵二与十通阀之间，根据设置的流量进行精准控制，流量控制范围0-300sccm之间，协助定量功能的实现；

所述采样泵组，由采样泵一、采样泵二组成，采样泵一、采样泵二分别接于质量流量计一、质量流量计二；

所述针形阀组，包括有针形阀一、针形阀二、针形阀三，其中，针形阀一和针形阀二接于十通阀，针形阀三接于六通阀二，用于稳定系统中的除水、活化的流量；

所述压力表组，包括有压力表一、压力表二、压力表三，压力表一、压力表二、压力表三分别搭配于针形阀一、针形阀二、针形阀三。

8.一种应用于痕量VOCs检测的双通道三级制冷方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

一级阱除水、二级阱富集；

进气的样气分样气1和样气2两路：

样气1的气路走向：样气1进入除水阱一，经过十四通阀的孔位14、孔位13进入捕集阱一，之后进入十四通阀的孔位10、孔位9过渡到十通阀9的孔位1、孔位2进入质量流量计一，控流后进入采样泵一之后将多余的气体排出；

样气2的气路走向：样气2进入除水阱二，经过十四通阀的孔位3、孔位4进入捕集阱二，之后进入十四通阀的孔位7、孔位8、孔位1、孔位2过渡到十通阀的孔位6、孔位5进入质量流量计二，控流后进入采样泵二之后将多余的气体排出；

高碳进样分析，低碳三级聚焦；

将十四通阀、十通阀、六通阀二通过电磁阀组的从状态1切换至状态2，六通阀一保持状态不变；其中，将阀孔位1与孔位2相通定义为状态1，将阀孔位2与孔位3相通定义为状态2；

高碳组分气路走向：MS气路出口经过十四通阀的孔位11、孔位10反向将捕集阱一中的气体吹扫出来回到MS入口进行内部的分离分析；

低碳组分气路走向：吹扫气N2，4经过EPC压力控制器控流后从六通阀二的孔位4进入孔位5，同时，经过孔位5进入十四通阀的孔位6、孔位7反向吹扫捕集阱二，集阱二中的捕集组分经过孔位4、孔位3进入六通阀一的孔位5、孔位6进入聚焦阱，进行三级聚焦后多余的气体从孔位3、孔位4流出，途径六通阀二的孔位1、孔位6排出系统；

低碳进样；

此时六通阀一、十通阀保持状态不变，十四通阀、六通阀通过电磁阀组的驱动气作用下从状态2切换至状态1，其中，将阀孔位1与孔位2相通定义为状态1，将阀孔位2与孔位3相通定义为状态2；

低碳组分气路走向：GC气路出口进入六通阀一的孔位2经过孔位3反向进入聚焦阱，经过孔位6、孔位1回到GC入口进行内部的分离分析；

聚焦阱活化；

先将多通阀回到初始状态；

吹扫气（N2，3）：洁净气体经过针形阀三，通过压力表三，调节压力后进入六通阀二的孔位2、孔位1进入六通阀一的孔位4、孔位3进入聚焦阱，将吹扫的废气经过孔位6、孔位5进入十四通阀的孔位5、孔位6回到六通阀二的孔位5后进过孔位6排出。

9.如权利要求8所述的应用于痕量VOCs检测的双通道三级制冷方法，其特征在于步骤101中，进气的进样量控制在200sccm以上，保证了第二次的富集浓度，为接下来的聚焦做准备；

为避免质量流量计以及采样泵有残留的可能，将两个质量流量计及采样泵设置在整个气路的尾端。

10.如权利要求8所述的应用于痕量VOCs检测的双通道三级制冷方法，其特征在于所述步骤102中，还包括有：

吹扫气（N2，1）：洁净气体经过针形阀一，通过压力表一，调节压力后进入十通阀的孔位10、孔位1进入十四通阀的孔位9、孔位8、孔位1、孔位4，将除水阱一中的水分反向排出；

吹扫气（N2，2）：洁净气体经过针形阀二，通过压力表二，调节压力后进入十通阀的孔位7、孔位6进入十四通阀的孔位2、孔位3进入除水阱二排出系统外；

所述步骤103中，还包括有：

吹扫气（N2，1）：洁净气体经过针形阀一，通过压力表一，调节压力后进入十通阀的孔位10、孔位1后进入十四通阀的孔位9、孔位10反向进入捕集阱一的孔位13、孔位14、除水阱一排出；

吹扫气（N2，2）：洁净气体经过针形阀二，通过压力表二，调节压力后进入十通阀的孔位7、孔位6后进入十四通阀的孔位2、孔位1、孔位8、孔位7反向进入捕集阱二的孔位4、孔位3、除水阱二排出。

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