CN211825881U - 一种自顶空气相色谱进样器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种自顶空气相色谱进样器，包括：控制系统、气路系统、定位系统以及底板；其中，所述控制系统包括控制面板和单片机，所述控制面板与所述单片机通过排线相连接；所述定位系统包括样品盘、齿轮盘、电机、气缸、气缸臂、中轴杆、旁轴杆；所述气路系统包括三通进针阀、三通退针阀、空气稳压阀、二通进气阀、限流过滤器、六通进样阀、二通出气阀、三通排气阀、真空泵、进样针。本实用新型可以通过与气相色谱联用实现气体样品的自动自顶空进样。

Description

一种自顶空气相色谱进样器

技术领域

本实用新型涉及气体检测技术领域，更具体的说是涉及一种自顶空气相色谱进样器。

背景技术

人类活动会向大气中排放各种气体，比如空调制冷剂氟里昂；炼钢及燃煤产生的二氧化硫、硫化氢、二氧化碳、一氧化碳；水泥制造业或农业土壤施肥产生的氧化亚氮；水稻种植或煤矿开采产生的甲烷等，都会对大气环境产生污染，大气污染防治刻不容缓。对排放的污染气体进行取样分析监测是研究气体污染并进行针对性防治的前提，但有很多气体在大气中的含量浓度很低，需要将样品气体取样后送到实验室内的专门仪器进行分析。玻璃容器因其对气体吸附性小，可作为痕量气体样品装载的首选容器，同时也是自动化气体进样器分析的首选容器。气体容易压缩，易于扩散或泄漏，受温度的影响大，一般采用气密针注射至色谱进样口进行分析，自动进样也一般采用机械臂带动气密针注射进行，但结构复杂，成本也很高。

顶空进样是气相色谱法中一种方便快捷的样品进样处理方式，其原理是将待测样品置入一密闭的容器中，通过加热升温使挥发性组分从样品基体中挥发出来，在气液(或气固)两相中达到平衡，直接抽取顶部气体进行色谱分析, 从而检验样品中挥发性组分的成分和含量。使用顶空进样技术可以免除冗长繁琐的样品前处理过程，避免有机溶剂对分析造成的干扰、减少对色谱柱及进样口的污染。

但是，现有的进样器，在对物体抽样时不能及时将进样器内部的抽样物快速排出，不仅降低了进样器的工作效率，而且还使抽样物体的活性降低，保护措施不当，而且，传统的顶空进样主要是针对气液或气固混合样品，并且都要用到加热技术。

由于气体样品中各组分均呈气态，且气体易于压缩保存，可以在很小的体积中贮存更多的样品，无需加热就可以压缩产生进样的动力。而气体对压力较敏感，采用进样阀和定量管在常压下的定量进样是气体分析领域最为简便高效的进样方式。

因此，如何提供一种适合于气体样品的简便高效的自动进样技术是本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种自顶空气相色谱进样器，本实用新型结合了顶空进样技术、阀进样技术和单片机自动控制技术，采用控制系统、气路系统以及定位系统可以实现气体样品的自动自顶空进样。

为了达到上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种自顶空气相色谱进样器，包括控制系统、气路系统、定位系统以及底板；所述定位系统与所述控制系统电性连接；所述定位系统固定于所述底板上；

其中，所述气路系统包括气缸、气缸驱动装置、三通进针阀、三通退针阀、空气稳压阀、二通进气阀、限流过滤器、六通进样阀、定量管、二通出气阀、三通排气阀、真空泵、注射装置；

所述三通进针阀、所述三通退针阀以及所述空气稳压阀通过三通接头相连通；所述三通进针阀与所述气缸的上气室连通；所述三通退针阀与所述气缸的下气室连通；所述六通进样阀与所述限流过滤器连通；所述真空泵、所述三通排气阀、所述二通出气阀、所述六通进样阀、所述限流过滤器、所述二通进气阀以及所述注射装置依次连通；

所述六通进样阀的第1接口接高纯氮气，所述六通进样阀上装有定量管，所述定量管两头位于所述六通进样阀的第2和第5接口，所述六通进样阀的第3接口和第4接口分别接所述二通出气阀和所述限流过滤器，所述六通进样阀第6接口接入气相色谱；

具体地说，三通排气阀、三通进针阀、三通退针阀的类型均为常闭二位三通电磁阀，这种阀有三个接口，分别是进气口、出气口和排气口，排气口位于阀的顶部，在阀不通电的关闭状态下进气口由密封垫密封，气体不能通过，而出气口和排气口气路连通；在阀通电的状态下进气口与出气口相通，而排气口不通；二通进气阀和二通出气阀为常闭二位二通电磁阀，其只有进气口和出气口，阀不通电关闭时进气口与排气口不通气，阀通电打开时进气口与出气口连通。

进一步地，二通进气阀的进气口与针座相连，其出气口与限流过滤器相连；二通出气阀的出气口与六通进样阀第3接口相连，其进气口连接三通排气阀的出气口，三通排气阀的进气口与真空泵相连，其排气口与大气相通；三通进针阀的出气口与方形气缸的上气室相连，其进气口与三通接头相连，排气口与大气相通；三通退针阀的出气口与方形气缸的下气室相连，其进气口与三通接头另一接口相连，排气口与大气相通。

优选的，所述限流过滤器主体为不锈钢材质，内部气体通道填充有微米级的不锈钢粉末，所述粉末在高温下烧结固定，所述限流过滤器可以起到三方面的作用，其一是可以过滤气体样品中的微米级以上的粉尘颗粒，其二是此过滤器只占用微升量级的死体积，可以极大减少过滤器样品气体残留或交叉污染的影响；其三是可以限制气体样品的进气流速，使进气管道中的气体样品流动呈一种慢速的稳流状态，防止所进气样与进气管道内的残留气体乱流混合，新进样品气体采用慢速推动置换的方式冲洗掉原先管道旧样品气体，提高了进样的精度并缩短了冲洗的时间。

优选的，此气路连接系统提供了两种自顶空进样模式，一种是直接自顶空进样模式，样品气体以压缩的形式贮存于顶空样品瓶中，当采用直接顶空进样方式时，所述二通进气阀及所述二通出气阀处于打开状态，而所述三通排气阀处于关闭状态，当所述进样针插入所述顶空样品瓶中时，顶空瓶内压缩的气体样品在自身压力的作用下依次经所述针座、所述限流过滤器、所述六通进样阀第4、第5、第2及第3接口，然后再通过所述二通出气阀和所述三通排气阀的排气口排入大气中，所述压缩样品气体在通过时以慢速推动置换的方式冲洗进气管道，直至其压力与大气压平衡，待分析的气体样品存入所述六通进样阀的定量管，多余的样品气体排入大气，实现气体样品的自动装载，当样品装载完成后，打开所述六通进样阀，存储于所述定量管内的样品气体被载气带入色谱中进样分析；另外一种顶空进样模式是使用了所述真空泵及二通出气阀和三通排气阀作为的辅助部件，可以在进样前使用少量的气体样品清洗进气管道，提高清洗效率及洗净度，其主要作用方式是当所述进样针插入所述顶空样品瓶后，先打开所述真空泵、所述三通排气阀和所述二通出气阀，真空泵将所述二通进气阀后端的所述进气管道、所述限流过滤器和所述定量管抽取真空，然后关闭所述二通出气阀、打开所述二通进气阀，让所述顶空样品瓶中的气体样品在自顶空压力的作用下冲洗相应的进气管道和所述定量管，然后关闭所述二通进气阀、打开所述二通出气阀，由所述真空泵将所述定量环抽取真空，然后再关闭所述二通出气阀、打开所述二通进气阀，使用样品气清洗所述定量环，如此流程多清洗几次，可以提高进气管道的净度，提高进样精度，当冲洗完成后，保持所述二通进气阀打开、所述二通出气阀打开、所述三通排气阀和所述真空泵关闭，多余的样品气将通过所述三通排气阀的排气口排入大气中，使待分析的样品气体以常压的形式存于所述定量环中，完成样品装载过程。由于进气管道及定量环的体积相对于气体样品瓶容积而言很小，因而采用抽真空辅助自顶空进样模式可以在样品量很少的情况下也能满足自动进样分析所需的体积。

所述气缸固定于所述定位系统上；并与气缸驱动装置连接；

所述注射装置与所述气缸连接；

所述气缸驱动装置、三通进针阀、三通退针阀、二通进气阀、六通进样阀、二通出气阀、三通排气阀、真空泵、气相色谱分别与所述控制系统电性连接。

优选的，所述气缸驱动装置包括：三通进针阀、三通退针阀和空气稳压阀；所述三通进针阀出气口、所述三通退针阀出气口分别与所述气缸连通；所述三通进针阀进气口、所述三通退针阀进气口分别与所述空气稳压阀出气口连通；所述空气稳压阀进气口与压缩空气连通；所述三通进针阀、三通退针阀分别与所述控制系统电性连接；

所述气缸包括：缸筒、活塞、气缸轴；所述活塞将气缸分为上气室和下气室；

所述上气室与所述三通进针阀出气口连通，所述下气室与所述三通退针阀出气口连通；

所述缸筒顶部安装有针位探头；所述活塞安装有针位磁铁；针位探头与所述控制系统电性连接；

所述气缸轴一端与所述活塞连接，另一端与所述注射装置连接。

所述注射装置包括：针座和进样针，所述针座一端与所述气缸轴，另一端与所述进样针连接，且所述针座内部与所述二通进气阀的进气口相连通。

其中，针座两端均为外螺纹，中间为六角棱柱，上部外螺纹连接气缸轴，气缸轴与活塞为一体结构，下部外螺纹连接内部带螺纹的进样针。在针座内部连接针头外螺纹内部中心与六角棱柱的其中一个面中心有一个呈90度的气体通道孔，在棱柱面上还有一个进气通道。进样针内部加工有螺纹，通过这个螺纹连接在针座上，在靠近针尖的针管侧壁上加工有一个长方形的小孔，防止针头刺破橡胶密封垫时产生碎沫堵塞针管。在针头内部有一个中间开有圆孔的锥形密封圈，将针座螺纹端面和侧孔针头内部的锥面贴合形成密封的空间。

优选的，所述定位系统包括：样品盘、齿轮盘、气缸臂、中轴装置、旁轴装置、滑臂、齿轮和动力装置；

所述样品盘和所述齿轮盘均固定安装在所述中轴装置上，且所述样品盘位于所述齿轮盘的上部；所述样品盘设有渐开线式排列的瓶位孔；所述齿轮盘盘面上设置有与所述瓶位孔相对应的滑槽；

所述中轴装置和所述旁轴装置均垂直安装在所述底板上；

所述滑臂与所述气缸臂一端均安装在所述旁轴装置上，且所述滑臂与所述气缸臂平行；所述滑臂上还固定设置有导向头，所述导向头在所述滑槽内滑动；所述气缸固定于所述气缸臂上；

所述齿轮与所述动力装置连接，且所述齿轮与所述齿轮盘相适配。

进一步的，所述滑臂包括：上滑片和下滑片，所述上滑片和所述下滑片固定安装于所述旁轴装置上，所述上滑片和下滑片是焊有元器件的PCB电路板，所述导向头设置于所述上滑片上；

所述上滑片和下滑片分别以导电线与控制系统电性连接；

所述滑槽的起始位置和结束位置分别设置有始位磁铁和终位磁铁；所述上滑片设置有始位探头和终位探头；所述始位探头和终位探头均与控制装置电性连接。

所述上滑片焊有容栅位移传感器，所述容栅位移传感器头部位于所述导向头内，在滑槽的内部粘贴有容栅电路；所述容栅位移传感器由所述上滑片供电。

进一步的，所述中轴装置包括：中轴轴承部、中轴杆；所述中轴杆下端配装于所述中轴轴承部内；且所述样品盘和所述齿轮盘均固定套装在所述中轴杆上；

所述旁轴装置包括：旁轴轴承部和旁轴杆；所述旁轴杆下端配装于所述旁轴轴承部内；且所述上滑片和下滑片均固定套装在所述旁轴杆上；

且，所述中轴轴承部和所述旁轴轴承部均垂直安装在所述底板上。

更进一步地，所述气缸臂中的方形气缸固定孔用来固定方形气缸，中间的大圆孔可以使气缸轴及相连的针座顺畅穿过。在气缸臂的右端有一气缸臂锁定孔，通过这个孔可以将气缸臂恰好套设于旁轴杆上，气缸臂可在旁轴杆上下滑动，当滑动到合适的高度位置时，可以使用长螺钉旋入锁定螺纹孔将气缸臂夹紧锁定在旁轴杆上，在对应锁定孔的另一边还有一个锁定孔缺口，可以使锁定的夹持形变力量分配均匀，更易于夹持拧紧。

更进一步的，所述注射装置还包括调节杆和挡瓶片，所述挡瓶片为设有一个中心和两个侧孔的金属片；所述气缸通过调节杆固定于所述气缸臂上；所述调节杆至少为两个，且对称设置，所述调节杆包括：螺杆、螺母和螺钉，所述螺杆一端为外螺纹，一端外部为六角棱柱内部为内螺纹；所述螺杆的外螺纹一端穿过所述气缸臂与所述气缸连接，并用螺母锁紧；所述螺钉穿过所述挡瓶片的侧孔旋入所述螺杆的内螺纹中。

具体地说，所述调节杆呈一长杆状，一端为外螺纹，一端外部为六角棱柱内部为内螺纹；挡瓶片外形为一长方体金属片，片中心有一个能让进样针头顺畅通过的小圆孔，此小孔还有扶正针头的作用；挡瓶片的左右两端中间均有一个螺钉孔，螺钉穿过挡瓶片旋入调节杆的内螺纹，调节杆的外螺纹上先旋入一个六角螺帽作为锁姆，然后再将调节杆的外螺纹穿过气缸臂上的固定孔旋入方形气缸上的螺纹固定孔内。

当需要调节挡瓶片的高度时，先松开固定的螺钉和锁姆，再旋转调节杆上的六角棱柱，顺时针旋转时调节杆外螺纹旋进气缸螺纹孔，调节片位置升高，逆时针旋转时调节杆外螺纹旋出气缸螺纹孔，调节片位置降低，调节到当针头处于最上位置时针尖刚好隐藏在挡瓶片的小孔中为准，并且两边的调节杆位置一样高，再依次旋紧锁姆和螺钉即可。

优选的，所述中轴轴承部件和所述旁轴轴承部件相同，均包括：轴承座、轴承和轴筒；所述轴承座上部开口，呈圆柱状，中空，底部有外螺纹接口，通过外螺纹接口拧到底板上；轴承套底部连接底板内部有一个环状凹陷；所述轴承为两个，分别位于轴承座内部上下两端，轴筒为中空的圆柱状，且内径大于轴承的内径，位于两个轴承中间，且轴筒的两端面与上下轴承的内圈端面紧密接触；所述中轴杆和旁轴杆位于轴承和轴筒内部。

优选的，所述样品盘和所述齿轮盘通过盘座套装于所述中轴杆上，所述盘座包括：位于中心的锁定孔、位于四角的螺钉孔和位于一侧的锁钉孔，所述锁定孔的一侧设有锁定孔缺口，与锁定孔缺口相对应的另一侧设有贯穿的锁定孔通槽，所述锁钉孔与所述锁定孔通槽垂直；所述齿轮盘与所述样品盘上设有与所述螺钉孔相一致的螺钉孔。

具体地说，两个轴的轴承座结构相同，上部开口，呈圆柱状，中空，底部有外螺纹接口，通过外螺纹接口可以拧到底板上。轴承套底部连接底板内部有一个环状凹陷，便于轴承座外圈减小轴与底板的接触面，保持轴承座与底板紧密接触并与底板垂直；在轴承座的中部侧壁上有两个小圆孔，便于使用杆状工具(如螺丝刀)伸入孔中助力将轴承座螺纹拧紧或拧松拆下来。

将中轴杆底端依次配合穿设一个轴承、轴筒及另一个轴承，轴承内圈与中轴杆紧密接触配合，而轴筒为中空的圆柱状，轴筒的两端面与轴承的内圈端面接触，但不与中轴杆接触，支撑上下两个轴承，保持中轴杆的垂直，并且使中轴杆与轴承内圈及轴筒可同时顺畅转动。然后再将穿设有轴承及轴筒的中轴杆压入轴承座内，使上下两轴承的外圈与轴承座内壁紧密接触，使中轴杆能在轴承座内顺畅转动。旁轴的装配方式与中轴装配一样。

进一步地，在中轴杆上还有一长条形圆角凹槽，里面可以放置标准的圆角平键，圆角平键放置在里面后，有一半高度突出轴杆表面，可以在将样品盘的盘轴套套设于中轴上时，使突出的圆角平键卡住盘轴套上的缺口，并在盘轴套顶部旋入手拧锁钉，使样品盘精准定位于中轴杆上。

优选的，所述样品盘包括上盘片、中盘片、下盘片、单通铜柱、双通铜柱和固定螺钉；所述中盘片设置于所述上盘片和所述下盘片的中间，通过单通铜柱、双通铜柱和固定螺钉相连接；所述上盘片和所述中盘片的结构相同，其中心位置设置有一中轴孔，盘面上设置有渐开线式排列的瓶位孔；所述下盘片除未设置瓶位孔外，其它结构与所述上盘片相同。

优选的，所述控制系统包括控制面板和单片机，所述控制面板以排线与单片机相连；所述定位系统、三通进针阀、三通退针阀、二通进气阀、六通进样阀、二通出气阀、三通排气阀、真空泵、气缸驱动装置分别以导电线与单片机相连，受单片机中的程序控制。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本实用新型有益效果如下：

本实用新型可以实现

1)快速高精度准确定位。采用渐开线结合容栅电路及电机变速技术，使定位速率可达1米/秒高速，移动定位只需几秒就可实现，而位移检测精度提高到0.02毫米，且能在快到达目标瓶位时程控减速，防止高速移动带来的惯性影响，使得定位精准高效；

2)本进样器能控制六通进样阀及气相色谱，采用阀切换进样的方式，使得进样器能适用各种型号和进样方式的气相色谱，只需要将六通进样阀的第6 出气口接入色谱相应的进样口并控制色谱启动即可实现自动进样；

3)本进样器采用自顶空的进样方式，极大的节省了样品贮存空间和进样器的占位体积。气体样品采用压缩的方式密封贮存于顶空样品瓶中，当进样时样品瓶内的压力提供冲洗管道和进样的动力，实现自顶空进样。气体的压缩存贮使得只需较少的气体样品就可以实现进样，对于样品量较少的情况也适用，而且进样器在一定体积情况下可以提供更多量的样品位，提高自动化的效率；

4)采用了限流过滤器，保证了气体样品以稳流慢速推进的方式置换旧的样品，使用较少的气体就清洗了进气管路，提高了进样的精度，防止样品的交叉污染；

5)除了提供自顶空的进样方式外，还使用真空泵辅助自顶空进样，使得很少的气体样品也可实现自顶空进样，同时还可以提高管路清洗的效率及洁净度。使用真空泵辅助自顶空进样，先使用真空泵将进气管路及定量管抽取真空，然后使用样品气自顶空充满管道进行清洗，循环几次，最后使用自顶空技术将定量管充满。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本实用新型的整体结构示意图；

图2附图为本实用新型的气路系统结构示意图，其中六通进样阀呈关闭状态；

图3附图为六通进样阀打开状态时示意图；

图4附图为本实用新型的气缸臂结构示意图；

图5附图为本实用新型的齿轮盘结构示意图；

图6附图为本实用新型的样品盘上盘片的结构示意图；

图7附图为本实用新型的盘座结构示意图。

其中，图中，

1-控制面板；2-单片机；3-三通进针阀；4-三通退针阀；5-空气稳压阀； 6-三通排气阀；7-二通出气阀；8-二通进气阀；9-真空泵；10-六通进样阀；101- 定量管；11-气相色谱；12-限流过滤器；13-样品盘；131-上盘片；132-中盘片； 133-下盘片；134-轴套孔；135-瓶位孔；14-齿轮盘；141-滑槽；142-始位磁铁； 143-终位磁铁；144-容栅电路；15-气缸；151-活塞；152-上气室；153-下气室； 16-气缸臂；17-中轴杆；18-旁轴杆；19-针座；20-进样针；21-针位探头；22- 滑臂；221-上滑片；222-下滑片；23-导向头；24-进气管道；25-底板；26-电机；27-齿轮；28-调节杆；29-挡瓶片；30-盘座；31-轴承座；32-轴承；33-轴筒。

具体实施方式

下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例

如图1-7所示，本实用新型的装置主要组成部分：

1)控制系统：主要包含控制面板1和单片机2(基于宏晶STC12C5A设计定制)；而控制面板1、电机26(行星减速电机)、六通进样阀10、真空泵9、二通出气阀7、二通进气阀8、三通排气阀6、气相色谱11、针位探头 21、三通进针阀3、三通退针阀4、上滑片221及下滑片222分别以导电线与单片机2相连，受单片机2中的程序控制。控制面板1以排线与单片机2相连，上面有液晶屏显示信息，有按键输入参数或命令。终位探头、始位探头和针位探头21均是可通过磁感应获取位置信息的霍尔传感器；上滑片221和下滑片222是焊有元器件的长矩形PCB电路板，终位探头、始位探头及容栅位移传感器焊接于上滑片221上，均由上滑片221供电，容栅位移传感器头部位于导向头23内。容栅电路144以背胶粘贴于齿轮盘14滑槽141内。

2)气路系统(如图2所示)：

三通排气阀6、三通进针阀3、三通退针阀4的类型均为常闭二位三通电磁阀，这种阀有三个接口，分别是进气口、出气口和排气口，排气口位于阀的顶部，在阀不通电的关闭状态下进气口由密封垫密封，气体不能通过，而出气口和排气口气路连通；在阀通电的状态下进气口与出气口相通，而排气口不通；二通进气阀8和二通出气阀7为常闭二位二通电磁阀，其只有进气口和出气口，阀不通电关闭时进气口与排气口不通气，阀通电打开时进气口与出气口连通；六通进样阀上装有定量管101，分别连接于六通进样阀10的第2和第5接口，待分析的样品定量贮存于此管中。气路连接如图2所示，二通进气阀8的进气口与针座4相连，其出气口与限流过滤器12相连，限流过滤器12的另一端连接六通进样阀10的第4接口；二通出气阀7的出气口与六通进样阀10的第3接口相连，其进气口连接三通排气阀6的出气口，三通排气阀6的进气口与真空泵9相连，其排气口与大气相通；三通进针阀3 的出气口与方形气缸15的上气室152相连，其进气口与三通接头相连，排气口与大气相通；三通退针阀4的出气口与方形气缸15的下气室153相连，其进气口与三通接头另一接口相连，排气口与大气相通；

图2也显示了针头注射装置的结构。针座19两端均为外螺纹，中间为六角棱柱，上部外螺纹连接气缸轴，下部外螺纹连接内部带螺纹的进样针(侧孔针头)，在针座19内部连接针头外螺纹内部中心与六角棱柱的其中一个面中心有一个呈90度的气体通道孔，在棱柱面上还有一个气管接头(进气管道 24)。侧孔针头内部加工有螺纹，通过这个螺纹连接在针座19上，在靠近针尖的针管侧壁上加工有一个长方形的小孔，防止针头刺破橡胶密封垫时产生碎沫堵塞针管。在针头内部有一个中间开有圆孔的锥形密封圈，将针座19螺纹端面和侧孔针头内部的锥面贴合形成密封的空间。

调节杆28呈一长杆状，一端为外螺纹，一端外部为六角棱柱内部为内螺纹；挡瓶片29外形为一长方体金属片，片中心有一个能让侧孔针头顺畅通过的小圆孔，此小孔还有扶正针头的作用；挡瓶片29的左右两端中间均有一个螺钉孔，螺钉穿过挡瓶片29旋入调节杆28的内螺纹，调节杆28的外螺纹上先旋入一个六角螺帽作为锁姆，然后再将调节杆28的外螺纹穿过气缸臂16 上的固定孔旋入方形气缸15上的螺纹固定孔内。图4显示了气缸臂16的结构。当需要调节挡瓶片29的高度时，先松开固定的螺钉和锁姆，再旋转调节杆28上的六角棱柱，顺时针旋转调节杆28外螺纹旋进气缸螺纹孔，调节片位置升高，逆时针旋转调节杆28外螺纹旋出气缸螺纹孔，调节片位置降低，调节到当针头处于最上位置时针尖刚好隐藏在挡瓶片29的小孔中为准，并且两边的调节杆28位置一样高，再依次旋紧锁姆和螺钉即可。

压缩空气通过空气稳压阀5及三通接头后，给三通进针阀3和三通退针阀4供气，如图2所示，当需要进针时，打开三通进针阀3，压缩气体通过方形气缸15上部进气口进入上气室152，而下气室153为常压，压缩气体推动气缸内部的活塞151及缸轴向下运动，并带动针座19及侧孔针头一起向下运动，针头刺破下方的顶空瓶的橡胶密封垫，伸入顶空瓶内，此时关闭三通进针阀3，使上气室152中的压缩气体通过三通进针阀3的排气口排出，保持上气室152内为常压状态，完成进针动作。当需要退针时，打开三通退针阀4，压缩气体进入方形气缸15的下气室153，推动活塞151及气缸轴向上运动，并带动针座19、侧孔针头向上运动，此时侧孔针头处于顶空瓶中，由于顶空瓶盖中的橡胶密封垫与针头之间的摩擦力，带动顶空瓶也向上运动，当顶空瓶盖接触到挡瓶片29后，挡瓶片29阻止顶空瓶进一步向上运动，使侧孔针头克服摩擦阻力从橡胶密封垫中拔出并将针尖藏于挡瓶片29内，顶空瓶在重力的作用下回落。当活塞151杆移动到最上部时，位于活塞151杆顶部中心小圆形磁铁靠近了方形气缸外面顶部固定的针位探头21，指示针头已移动到位，此时系统关闭三通退针阀4，下气室153内压缩气体从三通退针阀4的排气口排出，完成退针动作。

图4显示的是气缸臂16的剖面图，方形气缸固定孔用来固定方形气缸，中间的大圆孔可以使气缸轴及相连的针座19顺畅穿过。在气缸臂16的左端有一气缸臂16锁定孔，通过这个孔可以将气缸臂16恰好套设于旁轴杆18上，气缸臂16可在旁轴杆18上下滑动，当滑动到合适的高度位置时，可以使用长螺钉旋入锁定螺纹孔将气缸臂16夹紧锁定在旁轴杆18上，在对应锁定孔的另一边还有一个锁定孔缺口，可以使锁定的夹持形变力量分配均匀，更易于夹持拧紧。

3)定位系统

图5列出了齿轮盘14的结构图，图5列出了样品盘13上盘片131的结构图。如图4所示，齿轮盘14呈圆盘状，中心有一个大圆孔和4个底盘固定孔，通过螺钉可将齿轮盘14锁定于盘座30上，再通过长螺钉将盘座30锁固于中轴上。在齿轮盘14的外圈均匀分布有一圈齿。在齿轮盘14正面按渐开线形状加工有滑槽141，在滑槽141外圈的起始位置和滑槽141里圈的结束位置分别埋设有圆柱状的始位磁铁142和终位磁铁143，用来指示滑槽141的起始位置和终止位置。在滑槽141的内部中间粘贴有带背胶的容栅电路144，可以用来指示滑块在滑槽141中的位移量。

图6是样品盘13上盘片131的结构图。在上盘片131的中间有一个大圆 (轴套孔134)和四个螺钉固定孔，可以使用螺钉将盘片固定到盘座30上，然后再将盘座30通过长螺钉锁固于轴套上。中盘片132的结构与上盘片131 一样，而底盘片上除了没有瓶位孔135外，其余的部分与上盘片131一样。

图7是盘座30剖面结构示意图。通过螺钉可以将上盘片131或底盘片133 固定于盘座30上，轴套从锁定孔中穿过，而使用锁钉旋入锁钉孔，可将样品盘13的盘座30夹持锁紧在轴套上。

样品盘13的结构如图1所示，样品盘13主要组成为上盘片131、中盘片 132、下盘片133、盘轴套、盘座30、单通铜柱、双通铜柱和固定螺钉组成。如图5所示，在上盘片131的外圈分别有四个螺钉孔，上盘片131上部用螺钉与单通铜柱联接，将上盘片131夹持在螺钉与单通铜柱中间，中盘片132 由单通铜柱的螺纹端与双通铜柱夹持，底盘片由螺钉与双通铜柱夹持，四根单通铜柱与双通铜柱及锁定螺钉将三块盘片的外圈联接起来，而在盘片的中心部位，上盘片131及下盘片133均使用螺钉固定在盘座30上，然后将盘轴套穿设于上盘座30、中盘片132和下盘座30，并通过上盘座30及下盘座30 的螺钉锁固于盘轴座上。

中轴杆17及旁轴杆18的结构如图1中所示。中轴的组成包括轴承座31、轴承32、轴筒33、轴座孔、中轴杆17、键槽及手拧锁钉。旁轴承的组成包括轴承座31、轴承32、轴筒33、轴座孔、旁轴杆18；两个轴的轴承座31结构相同，上部开口，呈圆柱状，中空，底部有外螺纹接口，通过外螺纹接口可以拧到底板25上。轴承套底部连接底板25内部有一个环状凹陷，便于轴承座31外圈减小轴与底板25的接触面，保持轴承座31与底板25紧密接触并与底板25垂直；在轴承座31的中部侧壁上有两个小圆孔，便于使用杆状工具(如螺丝刀)伸入孔中助力将轴承座31螺纹拧紧或拧松拆下来。中轴及旁轴的装配结构也如图1所示，将中轴杆17底端依次配合穿设一个轴承、轴筒 33及另一个轴承，轴承内圈与中轴杆17紧密接触配合，而轴筒33为中空的圆柱状，轴筒33的两端面与轴承的内圈端面接触，但不与中轴杆17接触，支撑上下两个轴承，保持中轴杆17的垂直，并且使中轴杆17与轴承内圈及轴筒33可同时顺畅转动。然后再将穿设有轴承及轴筒33的中轴杆17压入轴承座31内，使上下两轴承的外圈与轴承座31内壁紧密接触，使中轴杆17能在轴承座31内顺畅转动。旁轴的装配方式与中轴装配一样。在中轴杆17上还有一长条形圆角凹槽，里面可以放置标准的圆角平键，圆角平键放置在里面后，有一半高度突出轴杆表面，可以在将样品盘13的盘轴套套设于中轴上时，使突出的圆角平键卡住盘轴套上的缺口，并在盘轴套顶部旋入手拧锁钉，使样品盘13精准定位于中轴杆17上。

定位原理：装配时气缸臂16与滑臂22同轴固定于旁轴杆18上，针头的垂直位置与导向头23的垂直位置一致，而样品盘13与齿轮盘14也同轴固定于中轴杆17上。在需要定位时单片机2依据滑臂22上的始位探头检测导向头23所处的滑臂22内的位置，当位置不满足特定的位置时，单片机2驱动行星减速电机26旋转，电机26上的齿轮27带动齿轮盘14旋转，固定于中轴上的样品盘13同轴旋转，并且由于滑臂22上的导向头23处于齿轮盘14 的滑槽141内，以渐开线分布的滑槽141会推动导向头23，导向头23推动滑臂22，滑臂22推动旁轴杆18旋转，旁轴杆18带动同轴固定的气缸臂16旋转，气缸臂16带动针头移动到相应滑槽141的上方，当导向头23在滑槽141 中滑动时，导向头23内的容栅位移传感器记录其位移距离，当达到移动的距离时，停止移动，使针位停在样品盘13上相应的孔位，完成针位的定位。

而且由于齿轮盘14的槽呈渐开线分布，齿轮传动时导向头23在滑槽141 外圈和里圈的速度会相差很大，单片机2系统会依渐开线函数记录盘子的位置，调整电机26的转速，控制导向头23在滑槽141内的移动速度，在离目标瓶位很远时高速运转，而快要接近目标瓶孔位时，降低速度，防止转动惯性过大而影响定位精度。采用容栅定位后移动最高速度可达1.8米/秒，而位移分辨率可达0.02毫米，可以变速快速精确定位样品瓶的位置。

4)功能实现主要流程

当行星齿轮电机26转动定位到相应的样品瓶位后，有两种自顶空进样流程：

(1)普通自顶空进样流程：单片机2控制打开三通进针阀3，压缩空气进入方形气缸15的上气室152推动活塞151，活塞带动针座9及进样针20，使进样针20刺破顶空瓶密封垫进入顶空瓶内部，此时关闭三通进针阀3，上气室152内的压缩气体从三通进针阀3的排气口排出，152气室内恢复常压；接着单片机打开二通进气阀8及二通出气阀7，顶空样品瓶内的压缩样品气体在自身压力的作用下，依次通过进样针的侧孔、针座9内的“L”型通道、二通进气阀7、限流过滤器、六通进样阀10上的第4接口、第5接口、定量管 101、第2接口、第3接口，再经过二通出气阀7和三通排气阀6的排气口进入大气中，在此过程中，限流过滤器会过滤样品中的颗粒并且限制气体的流速，使进气管道内的气体呈稳流状态将原管道内的气体推动置换到大气中，同时使用样品气体冲洗进气管道，直至顶空瓶内的压力与外部大气压一致后，单片机2分别关闭二通进气阀8和二通出气阀7，此时定量管中已充满了纯净的常压的样品气体，单片机2打开三通退针阀4，压缩空气进入方形气缸15 的下气室153，推动气缸内的活塞向上运动，带动针座9、进样针及顶空瓶向上运动，顶空瓶受上方挡瓶片的限制使进样针从顶空瓶内拔出，顶空瓶在重力作用下回位，当活塞到达气缸顶端后，方形气缸10上的针位探头侦测到针头回位，退针电磁阀4关闭，下气室153内的压缩气体从三通退针阀4的排气口排出，下气室内气压恢复常压；然后单片机2控制打开六通进样阀10，切换至图3中的气体流路，同时单片机2控制气相色谱11启动分析功能，此时高纯的载气(如氮气)依次流过六通进样阀10上的第1接口、第2接口、定量管101、第5接口和第6接口，将定量管101中常压的待分析样品带入到气相色谱11中进样分析，当所有的样品气体在一定时间内都被带入到气相色谱11中后，单片机2关闭六通进样阀10，回复到图2所示的气体流路，完成了一次气体进样。然后单片机2控制移动样品盘至下一个瓶位，单片机2侦测气相色谱11是否已完成上一个样品的分析并准备好，当侦测到上一个样品分析完成并准备好后，单片机2自动控制进行再次进样，直至设定的进样数目完成为止。

(2)真空清洗辅助自顶空进样流程：此流程使用真空泵结合自顶空清洗进气管道及定量管，其工作步骤是单片机2控制打开三通进针阀3，压缩空气进入方形气缸15的上气室152推动活塞151，活塞带动针座9及进样针20，使进样针20刺破顶空瓶密封垫进入顶空瓶内部，此时关闭三通进针阀3，上气室152内的压缩气体从三通进针阀3的排气口排出，152气室内恢复常压；接着单片机打开真空泵9、三通排气阀6及二通出气阀7，抽取从二通进气阀8至真空泵9之间的进气管道24以及定量管101和限流过滤器12的真空，然关闭二通出气阀7并打开二通进气阀8，顶空样品瓶内的压缩样品气体在自身压力的作用下，依次通过进样针的侧孔、针座9内的“L”型通道、二通进气阀7、限流过滤器、六通进样阀10上的第4接口、第5接口、定量管101、第2接口、第3接口直至二通出气阀7的进气口，清洗这部分进气管道；然后可以根据需要重复以上的抽真空和清洗流程，循环次数越多则使用样品气体冲洗进气管道24越彻底；当循环清洗完成后，保持真空泵9和三通排气阀 6处于关闭状态，而二通进气阀和二通出气阀处于打开状态，顶空瓶内残余的压缩样品气体依次流过进样针、针座9内的“L”型通道、二通进气阀7、限流过滤器、六通进样阀10上的第4接口、第5接口、定量管101、第2接口、第3接口，再经过二通出气阀7和三通排气阀6的排气口进入大气中，在此过程中，限流过滤器会过滤样品中的颗粒并且限制气体的流速，使进气管道内的气体呈稳流状态将原管道内的气体推动置换到大气中，同时使用样品气体冲洗进气管道，直至顶空瓶内的压力与外部大气压一致，单片机2分别关闭二通进气阀8和二通出气阀7，此时定量管中已充满了纯净的常压的样品气体，单片机2打开三通退针阀4，压缩空气进入方形气缸15的下气室153，推动气缸内的活塞向上运动，带动针座9、进样针及顶空瓶向上运动，顶空瓶受上方挡瓶片的限制使进样针从顶空瓶内拔出，顶空瓶在重力作用下回位，当活塞到达气缸顶端后，方形气缸10上的针位探头侦测到针头回位，退针电磁阀4关闭，下气室153内的压缩气体从三通退针阀4的排气口排出，下气室内气压恢复常压；然后单片机2控制打开六通进样阀10，切换至图3中的气体流路，同时单片机2控制气相色谱11启动分析功能，此时高纯的载气(如氮气)依次流过六通进样阀10上的第1接口、第2接口、定量管101、第5 接口和第6接口，将定量管101中常压的待分析样品带入到气相色谱11中进样分析，当所有的样品气体在一定时间内都被带入到气相色谱11中后，单片机2关闭六通进样阀10，回复到图2所示的气体流路，完成了一次气体进样。然后单片机2控制移动样品盘至下一个瓶位，单片机2侦测气相色谱是否已完成上一个样品的分析并准备好进样条件，当侦测到上一个样品分析完成并准备好后，单片机2自动控制进行再次进样，直至设定的进样数目完成为止。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种自顶空气相色谱进样器，其特征在于，包括控制系统、气路系统、定位系统以及底板；所述定位系统与所述控制系统电性连接；所述定位系统固定于所述底板上；

其中，所述气路系统包括气缸、气缸驱动装置、三通进针阀、三通退针阀、空气稳压阀、二通进气阀、限流过滤器、六通进样阀、定量管、二通出气阀、三通排气阀、真空泵、注射装置；

所述三通进针阀、所述三通退针阀以及所述空气稳压阀通过三通接头相连通；所述三通进针阀与所述气缸的上气室连通；所述三通退针阀与所述气缸的下气室连通；所述六通进样阀与所述限流过滤器连通；所述真空泵、所述三通排气阀、所述二通出气阀、所述六通进样阀、所述限流过滤器、所述二通进气阀以及所述注射装置依次连通；

所述六通进样阀的第1接口接高纯氮气，所述六通进样阀上装有定量管，所述定量管两头位于所述六通进样阀的第2和第5接口，所述六通进样阀的第3接口和第4接口分别接所述二通出气阀和所述限流过滤器，所述六通进样阀第6接口接入气相色谱；

所述气缸固定于所述定位系统上方；并与气缸驱动装置连接；

所述注射装置与所述气缸螺纹连接；

所述气缸驱动装置、二通进气阀、六通进样阀、二通出气阀、三通排气阀、真空泵分别与所述控制系统电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种自顶空气相色谱进样器，其特征在于，所述气缸驱动装置包括：三通进针阀、三通退针阀和空气稳压阀；所述三通进针阀出气口、所述三通退针阀出气口分别与所述气缸连通；所述三通进针阀进气口、所述三通退针阀进气口分别与所述空气稳压阀出气口连通；所述空气稳压阀进气口与压缩空气连通；所述三通进针阀、三通退针阀分别与所述控制系统电性连接；

所述气缸包括：缸筒、活塞、气缸轴；所述活塞将气缸分为上气室和下气室；

所述上气室与所述三通进针阀出气口连通，所述下气室与所述三通退针阀出气口连通；

所述气缸轴一端与所述活塞连接，另一端与所述注射装置连接；

所述缸筒顶部安装有针位探头；所述活塞安装有针位磁铁；所述针位探头与所述控制系统电性连接；

所述注射装置包括：针座和进样针，所述针座一端与所述气缸轴螺纹连接，另一端与所述进样针连接，且所述针座内部与所述二通进气阀的进气口相连通。

3.根据权利要求1所述的一种自顶空气相色谱进样器，其特征在于，所述定位系统包括：样品盘、齿轮盘、气缸臂、中轴装置、旁轴装置、滑臂、齿轮和动力装置；

所述样品盘和所述齿轮盘均固定安装在所述中轴装置上，且所述样品盘位于所述齿轮盘的上方；所述样品盘设有渐开线式排列的瓶位孔；所述齿轮盘盘面上设置有与所述瓶位孔相对应的滑槽；

所述样品盘包括上盘片、中盘片、下盘片、单通铜柱、双通铜柱和固定螺钉；所述中盘片设置于所述上盘片和所述下盘片的中间，通过单通铜柱、双通铜柱和固定螺钉相连接；所述上盘片和所述中盘片的结构相同，其中心位置设置有一中轴孔，盘面上设置有渐开线式排列的瓶位孔；所述下盘片除未设置瓶位孔外，其它结构与所述上盘片相同；

所述中轴装置和所述旁轴装置均垂直安装在所述底板上；

所述滑臂与所述气缸臂一端均垂直安装在所述旁轴装置上，且所述滑臂与所述气缸臂平行；所述滑臂上还固定设置有导向头，所述导向头在所述滑槽内滑动；所述气缸固定于所述气缸臂上；

所述齿轮与所述动力装置连接，且所述齿轮与所述齿轮盘相适配。

4.根据权利要求3所述的一种自顶空气相色谱进样器，其特征在于，所述滑臂包括：上滑片和下滑片，所述上滑片和所述下滑片固定安装于所述旁轴装置上，所述上滑片和下滑片是焊有元器件的PCB电路板，所述导向头设置在所述上滑片上；

所述上滑片和下滑片分别以导电线与控制系统电性连接；

所述滑槽的起始位置和结束位置分别设置有始位磁铁和终位磁铁；所述上滑片设置有始位探头和终位探头；所述始位探头和终位探头均与控制装置电性连接。

5.根据权利要求4所述的一种自顶空气相色谱进样器，其特征在于，所述上滑片焊有容栅位移传感器，所述容栅位移传感器头部位于所述导向头内，在滑槽的内部粘贴有容栅电路；所述容栅位移传感器由所述上滑片供电。

6.根据权利要求4所述的一种自顶空气相色谱进样器，其特征在于，所述中轴装置包括：中轴轴承部、中轴杆；所述中轴杆下端配装于所述中轴轴承部内；且所述样品盘和所述齿轮盘均固定套装在所述中轴杆上；

所述旁轴装置包括：旁轴轴承部和旁轴杆；所述旁轴杆下端配装于所述旁轴轴承部内；且所述上滑片和下滑片均固定套装在所述旁轴杆上；

且，所述中轴轴承部和所述旁轴轴承部均垂直安装在所述底板上。

7.根据权利要求6所述的一种自顶空气相色谱进样器，其特征在于，所述中轴轴承部件和所述旁轴轴承部件相同，均包括：轴承座、轴承和轴筒；所述轴承座上部开口，呈圆柱状，中空，底部有外螺纹接口，通过外螺纹接口拧到底板上；轴承套底部连接底板内部有一个环状凹陷；所述轴承为两个，分别位于轴承座内部上下两端，轴筒为中空的圆柱状，且内径大于轴承的内径，位于两个轴承中间，且轴筒的两端面与上下轴承的内圈端面紧密接触；所述中轴杆和旁轴杆穿过轴承和轴筒内孔。

8.根据权利要求6所述的一种自顶空气相色谱进样器，其特征在于，所述样品盘和所述齿轮盘通过盘座套装于所述中轴杆上，所述盘座包括：位于中心的锁定孔、位于四角的螺钉孔和位于一侧的锁钉孔，所述锁定孔的一侧设有锁定孔缺口，与锁定孔缺口相对应的另一侧设有贯穿的锁定孔通槽，所述锁钉孔与所述锁定孔通槽垂直；所述齿轮盘与所述样品盘上设有与所述螺钉孔相一致的螺钉孔。

9.根据权利要求1-8任一项所述的一种自顶空气相色谱进样器，其特征在于，所述控制系统包括控制面板和单片机，所述控制面板以排线与单片机相连；所述定位系统、三通进针阀、三通退针阀、二通进气阀、六通进样阀、二通出气阀、三通排气阀、真空泵分别以导电线与单片机相连，受单片机中的程序控制。

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