CN223940887U - 集成式自动化气相色谱仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种集成式自动化气相色谱仪，涉及分离分析仪器技术领域。包括壳体和设置在壳体内部的主体结构，主体结构包括送样模块、反应模块、送气模块、分析模块和控制模块；送样模块包括多通阀，多通阀具有载气入口、待检测气体入口以及与反应模块连通的样品气体出口；反应模块包括沿样品气体流向依次设置的反应室和火焰离子化检测器；反应室的入口与多通阀的样品气体出口连通、出口与火焰离子化检测器连通，反应室内设有色谱柱；分析模块包括气体分析单元，气体分析单元通过信号线与火焰离子化检测器电连接。基于此，本实用新型解决了现有气相色谱仪在内部核心组件的集成布局以及自动化控制协同性方面存在缺陷的问题。

Description

集成式自动化气相色谱仪

技术领域

本实用新型涉及分离分析仪器技术领域，具体为一种集成式自动化气相色谱仪。

背景技术

气相色谱仪是一种对混合气体中各组分进行分离和检测的分析仪器，已被广泛应用于环境监测、工业安全、食品安全、生物医药等领域。传统的实验室型气相色谱仪受限于设计理念与技术架构，通常采用分体式组装结构，存在整体体积庞大、重量沉，难以灵活适应现场机动检测场景的问题；而且其内部气路管线、电路系统与核心部件的连接布局复杂，会使得操作、维护不便；另外，还需要具备专业色谱分析知识的技术人员进行参数调试、样品前处理及仪器维护等一系列操作。

目前，市场对便携式、自动化、高集成度的气相色谱仪的需求日益增长。随着科研技术的发展，现有便携式色谱仪虽然在体积上有所优化，但在内部核心组件的集成布局以及自动化控制协同性方面仍存在显著改进空间；在实际应用中，气路连接复杂、各功能部件分散等问题，会对检测的稳定性和可靠性产生较大影响。例如公开号为CN105974023A的专利提供了一种便携式气相色谱—质谱联用装置，该装置将气相色谱模块、电离源模块、质谱检测器模块拆分为三个独立模块，虽通过同轴布置优化了连接精度，但并未实现核心部件的协同联动控制，存在协同性不足的问题，会导致仪器在参数调试、样品检测过程中的响应效率受限；又例如公告号为CN223624193U的专利提供了一种便携式气相色谱仪，采用主机部、电源部、气源部分体设计，气路管线需要根据使用场景进行拼接，存在连接复杂、占用空间大的问题。

综上所述，如何将进样阀、色谱柱、检测器、控制电路等核心部件进行高度集成化、模块化设计，以实现结构更紧凑、性能更稳定、操作更便捷的自动化色谱仪，是本领域亟待解决的技术问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种集成式自动化气相色谱仪，以解决上述背景技术中提到的，现有气相色谱仪在内部核心组件的集成布局以及自动化控制协同性方面存在缺陷的问题。

本实用新型是采用以下技术方案实现的：

一种集成式自动化气相色谱仪，包括壳体和设置在壳体内部的主体结构，所述主体结构包括送样模块、反应模块、送气模块、分析模块和控制模块；所述送样模块和送气模块的输出端分别与反应模块连接，所述反应模块的输出端与分析模块连接，所述控制模块分别与送样模块、送气模块、分析模块电性连接。所述送样模块用于将待检测的样品气体送入反应模块，具体包括多通阀，所述多通阀具有载气入口、待检测气体入口以及与反应模块连通的样品气体出口。所述反应模块用于对样品气体中各组分进行分离和电离检测，具体包括沿样品气体流向依次设置的反应室和火焰离子化检测器；所述反应室的入口与多通阀的样品气体出口连通、出口与火焰离子化检测器连通，所述反应室内设有色谱柱。所述送气模块用于将燃料气体送入火焰离子化检测器，具体包括燃料气体送气控制阀。所述分析模块用于对气体组分进行分析和生成谱图，具体包括气体分析单元，所述气体分析单元通过信号线与火焰离子化检测器电连接。

本实用新型提供了一种结构高度集成、可自动化协同工作的气相色谱仪，具体而言：对色谱仪的核心部件进行了模块化设计，并将各模块集成在壳体内，避免了传统分体式结构存在的走线复杂、结构繁琐、使用不便的问题；其中，将色谱柱和火焰离子化检测器集成为反应模块，有效缩短了连接气路、减少了气路冷点，有助于提高气相分析效率和灵敏度。基于控制模块，可实现送样模块、送气模块、分析模块的自动工作和各模块之间的协同配合，进而实现了自动化检测作业，可大大提高作业效率与效果。

进一步地，所述送样模块还包括与控制模块电性连接的驱动器，所述驱动器被配置为驱动多通阀在进样状态和送样状态之间切换；所述多通阀被配置为：进样状态下，多通阀接收并储存待检测气体；送样状态下，多通阀将样品气体送入反应模块。

本方案中，通过进样状态和送样状态的切换，能够实现精确、可重复的定量进样，进而使得检测过程更加可控。通过驱动器可实现多通阀状态切换的自动化，避免了手动操作的误差。

进一步地，所述多通阀内设有可暂时储存待检测气体的定量管，所述定量管为体积固定的螺旋状弯管；所述定量管被配置为：进样状态下，定量管的入口与待检测气体入口连通、定量管的出口不与样品气体出口连通；送样状态下，定量管的入口与载气入口连通、定量管的出口与样品气体出口连通。

本方案中，通过体积固定的定量管，可保证每次进入色谱柱的样品气体量一致，这是实现定量分析的基础。其中，进样状态下，载气经载气入口到达样品气体出口，载气通路与定量管互不干预；送样状态下，载气经载气入口到达定量管入口，以将定量管内暂存的待检测气体推送至样品气体出口，进而使样品气体到达反应模块。

进一步地，所述燃料气体送气控制阀与控制模块电性连接，所述燃料气体送气控制阀的出口与火焰离子化检测器连通。

本方案中，控制模块可通过控制燃料气体送气控制阀来控制燃料气体的通断，以与送样模块、反应模块的工作相配合。在实际应用中，火焰离子化检测器优选为氢火焰离子化检测器（FID），其对绝大多数有机物具有很高的灵敏度、宽的线性范围和良好的稳定性，是检测烃类等有机物的理想选择。

进一步地，还包括显示模块，所述显示模块与控制模块电性连接；所述显示模块包括设置在壳体外表面上的本机显示屏和/或基于无线通信模块的远程显示屏。

本方案中，提供了灵活的人机交互方式，现场人员可以通过壳体上的本机显示屏直观了解设备状态和检测结果，而远程显示屏则方便中控室或办公室进行远程监控和数据管理，满足了不同应用场景的需求。

进一步地，还包括伴热模块；所述伴热模块包括包覆多通阀、反应室的加热层或加热管路。

本方案中，基于伴热模块，可实现样品气体输送与反应过程中的伴热，使得从进样到检测的整个气路处于恒定的高温状态，进而保证了样品气体中各组分的气化和稳定分离，从而有助于提高检测结果的准确性和重复性。

进一步地，所述气体分析单元和控制模块集成在一块电路板上，所述电路板固定安装在壳体内。

本方案中，通过采用集成式的电路板，使得结构更加紧凑、坚固，并且便于安装和维护。

进一步地，所述显示模块为支持外部输入的显示模块。

本方案中，增加了设备的灵活性和可维护性；在进行参数调控、设备校准、方法开发或故障排查时，操作人员可以切换到手动模式，以灵活控制各个阀门的流量和状态，便于调试和优化分析条件。

本实用新型实现的有益效果是：

提供一种集成式自动化气相色谱仪，通过设置安装在壳体内的送样模块、反应模块、分析模块和控制模块，实现了对色谱仪核心部件的模块化设计与集中布置；并且，通过控制模块与送样模块、送气模块、分析模块之间的电性连接，实现了各模块的自动化工作和模块间的协同配合。与采用分体式组装结构、各功能部件分散、缺乏自动与协同控制的现有色谱仪相比，本实用新型的结构更紧凑、性能更稳定、操作更便捷。

附图说明

图1是本实用新型实施例所述气相色谱仪的组成结构示意图；

图2是本实用新型实施例所述多通阀的进样状态示意图；

图3是本实用新型实施例所述多通阀的送样状态示意图；

图中：1、壳体；2、驱动器；3、反应室；4、多通阀；5、火焰离子化检测器；6、信号线；7、电路板；8、本机显示屏；9、燃料气体送气控制阀；10、待检测气体入口；11、定量管一的入口；12、载气入口一；13、样品气体出口一；14、定量管一的出口；15、定量管二的出口；16、样品气体出口二；17、载气入口二；18、定量管二的入口；19、待检测气体出口。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

实施例1

本实施例提供一种集成式自动化气相色谱仪，请参照图1（为便于阅读，图中部分气路管线、电路管线未示出，具体连接关系请以下文相关描述为准），包括方形的壳体1和设置在壳体1内部的主体结构，主体结构包括送样模块、反应模块、送气模块、伴热模块、分析模块、显示模块和控制模块，具体地：

送样模块和送气模块的输出端分别与反应模块连接，反应模块的输出端与分析模块连接，控制模块分别与送样模块、送气模块、分析模块、伴热模块、显示模块电性连接。其中：

关于送样模块：

送样模块用于将待检测的样品气体送入反应模块，具体包括多通阀4和驱动器2。驱动器2与控制模块电性连接，被配置为驱动多通阀4在进样状态和送样状态之间切换。多通阀4被配置为：进样状态下，多通阀4接收并暂存待检测气体；送样状态下，多通阀4将样品气体送入反应模块。

多通阀4具有载气入口、待检测气体入口10以及与反应模块连通的样品气体出口。多通阀4内设有可暂存待检测气体的定量管，定量管为体积固定的螺旋状弯管，定量管被配置为：进样状态下，定量管的入口与待检测气体入口10连通，此时定量管的出口不与样品气体出口连通；送样状态下，定量管的入口与载气入口连通、定量管的出口与样品气体出口连通。

请参照图2和图3，本实施例中具体地：

载气入口的数量为两个，分别为载气入口一12和载气入口二17；除了一个待检测气体入口10外，还设有一个待检测气体出口19；定量管的数量为两个，分别为定量管一和定量管二；样品气体出口的数量为两个，分别为样品气体出口一13和样品气体出口二16；载气入口一12、待检测气体入口10、定量管一和样品气体出口一13位于同一侧，载气入口二17、待检测气体出口19、定量管二和样品气体出口二16位于同一侧。

进样状态下，待检测气体入口10与定量管一的入口11连通，定量管一的出口14与定量管二的出口15连通，定量管二的入口18与待检测气体出口19连通；载气入口一12与样品气体出口一13连通，载气入口二17与样品气体出口二16连通；样品气体出口一13和样品气体出口二16分别与反应模块连通。基于此，外部的待检测气体被泵入待检测气体入口10，而后流经并充满体积固定的定量管一和定量管二，多余气体则从待检测气体出口19（作为排空口）排出；此时，载气（如除烃空气）分别从载气入口一12、载气入口二17进入，但不经过定量管一和定量管二，而是直接通过样品气体出口一13和样品气体出口二16流向反应模块（或排空）。

送样状态下，待检测气体入口10与待检测气体出口19连通；载气入口一12与定量管一的入口11连通，定量管一的出口14与样品气体出口一13连通；载气入口二17与定量管二的入口18连通，定量管二的出口15与样品气体出口二16连通；样品气体出口一13和样品气体出口二16分别与反应模块连通。基于此，高压的载气分别流经定量管一和定量管二，以将管内储存的待检测气体推送至样品气体出口一13和样品气体出口二16，进而使样品被送入反应模块。

驱动器2具体采用电磁驱动器或步进电机，其接收来自控制模块的指令，可精确地驱动多通阀4的阀芯旋转到指定位置；多通阀4通过旋转阀芯可改变内部流路的连通方式，进而实现两个状态之间的切换。

关于反应模块、伴热模块、送气模块、分析模块、控制模块和显示模块：

反应模块用于对样品气体中各组分进行分离和电离检测，具体包括沿样品气体流向依次设置的反应室3和火焰离子化检测器5。反应室3是一个经过精密加工的金属块（如不锈钢），具有良好的导热性，内部设有中空空间，并被伴热模块包覆。本实施例中伴热模块还将多通阀4的外周包覆，伴热模块具体采用与控制模块电连接的加热层（图中未示出；或可采用加热管路等结构形式）和温度传感器。

反应室3的中空空间内设有色谱柱（图中未示出），反应室3的入口与多通阀4的样品气体出口连通、出口与火焰离子化检测器5连通。本实施例中，色谱柱为填充柱或毛细管柱，其内部填充有或内壁涂覆有特定的固定相材料；火焰离子化检测器5为氢火焰离子化检测器，包括喷嘴、收集极和点火装置；燃料气体包括作为助燃气体的空气和作为可燃气体的氢气。

送气模块用于将燃料气体送入火焰离子化检测器5，具体包括与控制模块电连接的燃料气体送气控制阀9。分析模块用于对气体组分进行分析和生成谱图，具体包括与控制模块电连接的气体分析单元，气体分析单元通过信号线6与火焰离子化检测器5电连接；气体分析单元和控制模块集成在一块电路板7上，该电路板7固定安装在壳体1内壁上。

控制模块包括微处理器、存储器和通信单元等。显示模块与控制模块电性连接，包括设置在壳体1外表面上的本机显示屏8和基于无线通信模块的远程显示屏；并且，本机显示屏8和远程显示屏均支持外部输入。用户可以通过两个显示屏查看数据，并进行手动干预，如启动/停止检测、调整阀门流量、调控检测参数等。

上述色谱仪的整体工作流程如下：

准备：仪器上电后，伴热模块开始工作，将气路系统加热至设定温度。氢气和空气通过燃料气体送气控制阀9进入火焰离子化检测器5，并完成点火。

进样与送样：控制模块控制驱动器2将多通阀4切换至进样状态，使待检测气体填充定量管；进样状态持续特定时间后，将多通阀4切换至送样状态，以将样品气体送入反应模块。

分离与检测：多通阀4送出的样品气体会先进入反应室3内的色谱柱；含有混合组分的样品气体流经色谱柱时，由于各气体组分与固定相的作用力（如吸附力）不同，移动速度也不同，故而可实现分离，使得作用力强的气体组分后出柱，作用力弱的气体组分先出柱。

分离后的各气体组分按时间顺序依次从色谱柱末端流出，进入紧邻的火焰离子化检测器5；由燃料气体送气控制阀9精确控制的氢气和空气也被送入火焰离子化检测器5，并通过内部的点火装置点燃，形成稳定的氢火焰。当含有机物的气体组分进入火焰时，会发生复杂的电离反应，产生微弱的离子流；火焰离子化检测器5内部设有一对电极（喷嘴本身可作为一极，其上方设有收集极），通过在电极间施加直流电压，可使离子流在外加电场的作用下定向移动，形成微弱的电流信号；该电流信号的强度与进入火焰的有机物质量成正比。

数据处理与显示：信号线6采集电流信号并将信号传输至气体分析单元，气体分析单元接收并放大该微弱的电流信号，通过内置的模数转换器将其数字化，然后内置的微处理器会根据时间序列绘制出色谱图；而后，微处理器中写入的分析程序执行峰面积积分和标准曲线校准等计算，以得出各气体组分的浓度。

在控制模块的联动控制下，色谱图和各气体组分的浓度信息被显示在本机显示屏8和远程显示屏上。

需要特别说明的是，本文中未详细或展开描述的部分，例如色谱柱、火焰离子化检测器5、气体分析单元、驱动器2、多通阀4的阀芯等部件的具体结构和具体工作原理，均为现有技术，不属于本实用新型针对现有技术所做的改进，亦不属于本实用新型技术方案的保护范围，因此本文中不再进行赘述。

当然，上述内容仅为本实用新型的较佳实施例，不能被认为用于限定对本实用新型的实施例范围。本实用新型也并不仅限于上述举例，本技术领域的普通技术人员在本实用新型的实质范围内所做出的均等变化与改进等，均应归属于本实用新型的专利涵盖范围内。

Claims (8)

1.一种集成式自动化气相色谱仪，包括壳体(1)和设置在壳体(1)内部的主体结构，其特征在于：

所述主体结构包括送样模块、反应模块、送气模块、分析模块和控制模块；所述送样模块和送气模块的输出端分别与反应模块连接，所述反应模块的输出端与分析模块连接，所述控制模块分别与送样模块、送气模块、分析模块电性连接；

所述送样模块包括多通阀(4)；所述多通阀(4)具有载气入口、待检测气体入口(10)以及与反应模块连通的样品气体出口；

所述反应模块包括沿样品气体流向依次设置的反应室(3)和火焰离子化检测器(5)；所述反应室(3)的入口与多通阀(4)的样品气体出口连通、出口与火焰离子化检测器(5)连通，所述反应室(3)内设有色谱柱；

所述送气模块包括燃料气体送气控制阀(9)；

所述分析模块包括气体分析单元，所述气体分析单元通过信号线(6)与火焰离子化检测器(5)电连接。

2.根据权利要求1所述的集成式自动化气相色谱仪，其特征在于：

所述送样模块还包括与控制模块电性连接的驱动器(2)，所述驱动器(2)被配置为驱动多通阀(4)在进样状态和送样状态之间切换；

所述多通阀(4)被配置为：进样状态下，多通阀(4)接收并储存待检测气体；送样状态下，多通阀(4)将样品气体送入反应模块。

3.根据权利要求2所述的集成式自动化气相色谱仪，其特征在于：

所述多通阀(4)内设有可储存待检测气体的定量管，所述定量管为体积固定的螺旋状弯管；

所述定量管被配置为：进样状态下，定量管的入口与待检测气体入口(10)连通、定量管的出口不与样品气体出口连通；送样状态下，定量管的入口与载气入口连通、定量管的出口与样品气体出口连通。

4.根据权利要求1所述的集成式自动化气相色谱仪，其特征在于：

所述燃料气体送气控制阀(9)与控制模块电性连接，所述燃料气体送气控制阀(9)的出口与火焰离子化检测器(5)连通。

5.根据权利要求1所述的集成式自动化气相色谱仪，其特征在于：

还包括显示模块，所述显示模块与控制模块电性连接；所述显示模块包括设置在壳体(1)外表面上的本机显示屏(8)和/或基于无线通信模块的远程显示屏。

6.根据权利要求1所述的集成式自动化气相色谱仪，其特征在于：

还包括伴热模块；所述伴热模块包括包覆多通阀(4)、反应室(3)的加热层或加热管路。

7.根据权利要求1所述的集成式自动化气相色谱仪，其特征在于：

所述气体分析单元和控制模块集成在一块电路板(7)上，所述电路板(7)固定安装在壳体(1)内。

8.根据权利要求5所述的集成式自动化气相色谱仪，其特征在于：

所述显示模块为支持外部输入的显示模块。