专利名称：一种低压气体自动进样装置及使用方法
技术领域：
本发明涉及一种检测器技术领域，特别是涉及一种用于检测分析仪器进样口 前端的低压气体自动进样装置及使用方法。
背景技术：
挥发性有机物(VOCs)是形成大气复合污染的主要成分之一，由于与人类生活 密切相关，因此备受关注。通常使用采样分析法对大气中的VOCs物种进行定性和 定量分析。国内外多采用美国环保局的标准方法，即用真空采样罐在现场直接采 集空气样品，将采样后的气体送回实验室，用气相色谱仪GC及其联用技术进行定 性、定量分析。但是对于同一采样钢罐的样品而言，在分析完VOCs后，通常都无 法用GC及其联用技术直接获得甲垸(CH4)、非甲烷总烃(NMHC)和一氧化碳(CO) 的检测数据。而要想获得这三者的相关数据，就需要分别选用合适的检测方法对 它们加以测定，但是由于检测的条件发生改变，检测所获得的数据与前面的V0Cs 组分不具备直接的可比性。
经过研究，CH4、 NMHC、 C0这三类气体，都可用气相色谱仪方法来进行检测。 鉴于这个共同的特点，对同一采样罐气体样品而言，用GC-MS进行常规的V0Cs分 析之后，剩余的气体可继续用来进行下一步的CH4、丽HC、 C0分析。这样做一方面， 可比较不同挥发性物种各自占气体样品总挥发性有机物(TV0Cs)的比值，从而确 定不同物种对TV0Cs的贡献率，为环保政策的制定提供重要的数据支持；另一方 面，这种分析过程还可充分利用采样罐内剩余的气体样品，提高样品的利用率， 从而节约配套费用，降低检测成本。
由于采样罐内的气体一部分已经先行用在常规VOCs分析中，因此将剩余的气 体导出进行后续CH4、 NMHC、 C0的检测分析并非易事。对于同一采样罐中的待测 气体样品而言，在经过最初的常规VOCs分析之后，罐内压强降至0.3个大气压左 右。由于剩余气体样品压强远小于1个大气压，因此难以导出到气相色谱仪中加 以分析。若想将剩余气体样品顺利导出并进行后续检测分析，就必须在保证气体 样品不被污染的前提下对其进行升压操作。目前，在气相色谱仪中，普遍采用气 体进样阀或手动注射器来进样，均难以实现低压气体自动进样。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的是提供一种用于气相色谱仪进样口前端，通过气路中的压强变换，使低压气体自动导出，提高了待测气体样品的利用率，并有 效避免二次污染的低压气体自动进样装置及使用方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案 一种低压气体样品自动进样装 置，其包括一个壳体，所述壳体内部设置有气路系统和电路系统，其特征在于 所述气路系统包括样品气路系统和空气气路系统，其中空气气路系统为样品气路 系统中气缸的往复运动提供动力。
所述样品气路系统包括第一电磁阔，第二电磁阀，第三电磁阀，第一三通， 第二三通， 一个四通， 一个真空泵， 一个压力传感器， 一个采样罐和一个压縮组 件；所述空气气路系统包括第一、第二三通电磁阀和气缸。
所述样品气路系统的四通其中三个接口连接所述第一、第二和第三电磁阀， 所述第一电磁阀的另一端通过串接的所述第一、第二三通与所述真空泵连接，所 述第二电磁阔的另一端口为气体样品的出口，所述第三电磁阀的另一端接所述采 样罐，所述四通剩余的一个接口连接所述压縮组件的出口，所述压力传感器连接 在所述四通与所述第三电磁阀之间。
所述空气气路系统的所述第一三通电磁阀的NC端与所述第一三通连接，其C
端与所述气缸连接；所述第二三通电磁阀的NC端与所述第二三通连接，其C端与 所述气缸连接；所述样品气路系统的压縮组件通过活塞连杆与所述空气气路系统 的气缸相连。
所述电路系统包括一单片机控制单元，与所述样品气路系统和所述空气气路 系统电连接。
所述压縮组件包括压缩套筒、活塞、垫圈、螺母、活塞连杆；所述活塞活动 设置在所述压縮套筒中，所述活塞上部镶嵌所述垫圈，所述螺母螺设在所述垫圈 上，所述活塞连杆的一端穿过所述垫圈和螺母，固定在所述活塞上，所述活塞连 杆的另一端伸设入所述气缸内，将所述气缸的气室分隔为上气室和下气室两部分。
所述电路系统的单片机控制单元包括I/0开关控制单元和模/数转换器，所述 第一电磁阀、第二电磁阔、第三电磁阔、第一三通电磁阀、第二三通电磁阀和真 空泵与单片机的1/0开关控制单元电连接，所述压力传感器与所述单片机的模/数 转换器电连接。
所述单片机上的I/O开关控制单元控制所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三 电磁阀、第一三通电磁阀、第二三通电磁阀和真空泵的打开和关闭。 所述气路中的压强大小由所述压力传感器测量。
所述活塞、连接各部件的管路和接头均采用物化性质稳定的材料。所述压縮套筒为玻璃套筒。
一种低压气体样品自动进样装置的使用方法，其包括以下步骤-
1) 设置一低压气体样品自动进样装置，其包括一个壳体，在壳体内部设置的 有气路系统和电路系统；所述气路系统中的第一电磁阀，第二电磁阀，第三电磁 阀，第一三通，第二三通，四通，真空泵以及采样罐的打开和关闭受所述电路系 统中的单片机控制。
2) 预清洗及抽真空
所述第一电磁阀和所述第一三通电磁阀打开，所述第二电磁阀、第三电磁阀 和第二三通电磁阀关闭，启动所述真空泵；当所述气路系统中压强降低到一定程 度时，所述第一电磁阀关闭，所述第三电磁阀打开；所述气路系统中压强稳定后， 所述第三电磁阔关闭，所述第一电磁阀打开，所述真空泵继续工作，直至完成抽 真空，所述第一电磁阀关闭。
3) 导出气体样品
所述第一电磁阀和所述第二电磁阔关闭，所述第三电磁阀打开，所述第一三 通电磁阀打开，导出所述采样罐气体样品；所述气路系统中压强稳定后，所述第 三电磁阀关闭。
4) 压縮气体样品
所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀保持关闭状态，所述第一三通电 磁阀关闭，第二三通电磁阀打开。
5) 进样分析
所述第一电磁阀、第三电磁阀和第一三通电磁阀保持关闭，所述第二三通电 磁阀打开，气体样品压缩完成后，所述第二电磁阀打开，气体样品进入检测仪器。
6) 提起活塞
气体样品进样结束后，所述第三电磁阀和第二三通电磁阀关闭，第一三通电 磁阀打开；当所述气路系统中压縮组件的活塞到达压縮套筒上端后，所述第一三 通电磁阀关闭，所述真空泵关闭。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点1、本发明样品气路系统的 管路均采用聚四氟乙烯管和聚四氟乙烯接头，利用聚四氟乙烯的物化稳定性来减 少有机物在气路上的吸附。2、本发明样品气路系统中的压縮组件，其活塞运动通 过与活塞杆相连的空气气路系统控制，利用真空泵改变气缸内两部分腔体的压力 差带动活塞杆，实现活塞的往复运动。3、本发明压縮组件中的活塞上加一不锈钢 垫圈，当垫圈上的螺母拧紧时，垫圈挤压活塞向压縮套筒内壁传递挤压力，极大地改善了活塞与压縮套筒内壁的密封性，有效地克服了活动件不易密封的缺陷。4、
本发明的装置整个系统共用一个真空泵，节省了一个动力装置，压縮了空间占用 量，同时有效节约了成本。本发明可以广泛用于气相色谱仪的自动进样，有效避 免了环境对被测气体样本造成污染。
图1是本发明系统总结构示意图
图2是本发明压縮组件结构示意图 图3是本发明控制电路连接示意图
具体实施例方式
针对上述低压气体样品自动进样难以实现，而手动进样误差较大的问题，本 发明提出一种低压气体自动进样装置及使用方法，以提高待测气体样品的利用率， 并且节约相关费用。
下面结合附图和实施例对本发明的进行详细的描述。
本发明包括一个壳体，在壳体内部设置有气路系统和电路系统。气路系统包 括样品气路系统和空气气路系统，其中空气气路系统为样品气路系统中气缸的往 复运动提供动力。
如图1所示，样品气路系统主要包括第一电磁阀l，第二电磁阀2，第三电 磁阀3，第一三通6，第二三通7， 一个四通8， 一个真空泵9， 一个压力传感器 10， 一个采样罐11和一个压縮组件12。如图2所示，压縮组件12包括压縮套 筒121，活塞122，不锈钢的垫圈123，螺母124，不锈钢的活塞连杆125，压縮套 筒121的出口为E。如图1所示，空气气路系统包括第一三通电磁阀4、第二三通 电磁阔5和气缸13，其中气缸13分为上气室A和下气室B两个气室。
本发明各部分的连接方式为四通8连接在第一电磁阀1和第三电磁阀3之 间，上端连接压縮组件12的出口 E，下端接第二电磁阀2。第二电磁阀2的另一 端为出口 F，是气体样本排出的通路。第三电磁阔3和四通8之间设置有压力传感 器10，以对气路中的压强大小进行测定。第三电磁阀3的另一端连接采样罐11， 采样罐11的出气口由采样罐手动阀G控制。第一电磁阀1的另一端与真空泵9之 间串接有连通气缸13的上气室A的第一三通6和连通气缸13的下气室B的第二 三通7。第一三通电磁阀4的NC端与第一三通6相连，其C端连接气缸13的上气 室A。第二三通电磁阀5的NC端与第二三通7相连，其C端连接气缸13的下气室 B。第一三通电磁阔4和第二三通电磁阀5的N0端均排空。上气室A与下气室B 由压縮组件12的活塞连杆125的末端分隔。上气室A与下气室B的压强变化推动
压縮组件12中的活塞连杆125做往复运动，控制气体样品的排出或吸进。
本发明的气路部件均严格密封，并且尽量缩短气体样品输送的管路。同时， 连接各气路部件的管路和接头以及活塞122，均采用物化性质稳定的材料，即不易 吸附有机物的材料，如聚四氟乙烯。以上设计为的是减少气体样品在流通过程中 的损耗和干扰，以最大限度的保持气体样品的原有特性。
如图2所示，压縮组件12中的压縮套筒121采用内径为22. 50mm的玻璃套筒， 该套筒物化性质稳定，并且内壁圆滑使活塞122在其中运行的摩擦力小，还可以 有效保证气体样品不被吸附。此外玻璃套筒造价低廉且容易获得，便于更换，节 省耗材费用。由于活塞122是一个活动件，因此其与压縮套筒121之间的密封性 就大大减弱。本发明为了克服这一问题，在活塞122的上部镶嵌一不锈钢垫圈123， 当垫圈123上部的螺母124拧紧后，垫圈123向压縮套筒121的内壁上传递挤压 力，极大地增强了活塞122与压縮套筒121之间密封性。活塞连杆125的一端穿 过垫圈123和螺母124，固定在活塞122上，使活塞122可随着活塞连杆125运动。
如图3所示，本发明的电路系统包括第一电磁阀1、第二电磁阀2、第三电磁 阀3和第一三通电磁阀4、第二三通电磁闽5，真空泵9，压力传感器10和一单片 机控制单元，单片机控制单元包括I/O开关控制单元和模/数(A/D)转换器。第 一电磁阀l、第二电磁阀2、第三电磁阀3和第一三通电磁阀4、第二三通电磁阀 5和真空泵9与单片机的I/O开关控制单元电连接，压力传感器10与单片机的A/D 转换器电连接。当I/O开关控制单元输出高电平时，第一电磁阀1、第二电磁阀2、 第三电磁阀3和第一三通电磁阀4、第二三通电磁阀5打开；1/0开关输出低电平 时，第一电磁阀l、第二电磁阀2、第三电磁阀3和第一三通电磁阔4、第二三通 电磁阀5关闭。压力传感器10输出气路压力信号到单片机上的模拟数字转换器 A/D。单片机又通过RS-232串行接口连接计算机Q。
本发明的工作过程是样品气路系统在进气阶段，由真空泵将压縮套筒和连 接管路中的压强降低，直至低于采样罐的压强。这样采样罐中的气体样品就可以 进入到压縮套筒和连接管路中。当气体样品被保存在压縮套筒121和连接管路中 时，启动空气气路系统控制压縮组件12中的活塞122，对压縮套筒121中的气体 样品进行压縮。气体样品的压强达到所需值之后，打开压縮套筒121的出口 E，使 气体样品顺利导出。整个过程中气体样品完全是自行流通，没有其他的外部设备 参与其中，从而有效避免了气体样品的二次污染。电路系统包括单片机控制单元 和由电流信号控制的5个电磁阀。
在气体样品的压縮过程中，活塞122的行程是根据气体样品需要增大的压强
倍数，通过气态方程计算得出。其计算过程如下
理想气态方程为PV二nRT。
p—气体压强
V—气体体积 n—物质的量 R—气体常数
T一温度
由于本发明的工作环境温度恒定，且系统密封性良好，T和n值保持不变。对 于由采样罐、压縮组件中的压縮套筒和连接管路所组成的封闭体系，有如下公式 fP,V,+P2V产(V,+V2) P。 ( 1)
其中
Pi —采样罐内的初始压强
p2 --气路中经过真空泵降压后气路中的压强
Vi —采样罐的体积
v2 --压縮组件中的压縮套筒与连接管路的体积之和
p。 一气体样品导出之后，气路中的平衡压强
在压縮气体样品的过程中，忽略装置内温度的细微变化，则有如下方程
PoV^P需V需 (2)
其中，
p需一气相色谱仪需要的压强， 一般为1个大气压
V需一气相色谱仪需要的气体样品进样体积， 一般为2ml左右 则等式(2)通过简单变形，可得
H:P需V需/(PoS) (3)
其中
S—压縮套筒的底面积 H—压縮过程中活塞的行程，且S'^ V2。 由上式可知，活塞的行程可由所需气体样品压强的增大倍数P JP。来确定。 本发明有5个操作过程，具体描述如下
(1)预清洗及抽真空
首先，打开第一电磁阀1和第一三通电磁阀4，保持第二电磁阀2、第三电磁 阀3和第二三通电磁阀5为关闭状态。启动真空泵9 (在此后的过程中，真空泵9 一直处于启动状态)，使得上气室A内压强不断减小，下气室B内压强不变。上气
室A与下气室B之间的压力差随之增大，推动活塞连杆125向上运动，从而带动 活塞122向上运动。最终活塞122静止在压縮套筒121的上端，此时样品气路系 统被抽成低压状态。当压力传感器10的读数小于0. l个大气压后，关闭第一电磁 阀l，打开第三电磁阀3和采样罐11的阀门G (在此后的过程中，采样罐ll的阀 门G—直处于打开状态)。当压力传感器10读数稳定后，关闭第三电磁阀3，并打 开第一电磁阀1，真空泵9继续工作为气路降压。这样使得气体样品充分稀释气路 中的杂质气体，并将其赶走，排除残余空气对后续实验的干扰。清洗气路的次数 依据待测样品气的总量而定， 一般重复操作2次左右。清洗气路结束后，将样品 气路系统再次抽为低压环境，之后关闭第一电磁阀l。
(2) 导出气体样品
此过程中保持活塞在压縮套管上端不动，保持第一电磁阀1和第二电磁阀2 为关闭状态，第一三通电磁阀4为打开状态，第三电磁阀3为打开状态。由于采 样罐11内的气体压强大于样品气路中的气体压强，使得采样罐11内气体样品能 够顺利导出。当压力传感器10读数稳定后，第三电磁阀3关闭。
(3) 压縮气体样品
保持第一电磁阀l、第二电磁阀2、第三电磁阀3和第一三通电磁阀4关闭状 态。1/0接口输出电平，第二三通电磁阀5打开。真空泵9将下气室B的气体不断 抽出，使得下气室B内的压强不断减小，上气室A与下气室B的压强差不断增大， 上下压力差使得气缸13的连杆向下运动，带动活塞122同步向下运动，从而压縮 套管121内空气，使得压縮套管121内待测气体压强逐渐增大，实现增大气体样 品压强的目的。
(4) 进样分析
保持第一电磁阀1、第三电磁阀3和第一三通电磁阀4均处于关闭状态，第二 三通电磁阀5保持打开状态。真空泵9开动将下气室B内的气体抽出，下气室B 内压强小于上气室A内压强，推动活塞连杆125继续向下运动，带动活塞122进 一步压縮套管121内气体样品。然后打开第二电磁阀2使得压縮后的气体样品通 过出口 F顺利进入气相色谱仪，进行后续分析。
(5) 提起活塞
气体样品进入气相色谱仪后，保持第二电磁阀2打开，关闭第二三通电磁闽5， 打开第一三通电磁阀4。使得上气室A内气体被不断抽出，其内部压强减小。下气 室B内气体得以补充，其内部压强增大。上下两气室的压力差推动汽缸13的连杆 向上运动，同时带动活塞122向上运动，等活塞122到达压縮套筒121的上端时，关闭第一三通电磁阀4。
上述5个过程结束后，即完成一次进样过程，真空泵9关闭。下次进样时， 循环操作上述过程。当对同一采样罐气体进行分析时，只需在第一次进样时进行 气路清洗操作，随后的循环进样过程中无需再重复进行清洗。
采用上述设计，本发明的整个低压气体自动进样装置操作简易、占用空间小、 维修方便、运行成本低，具有广阔的市场前景。本发明不仅可以用于提高常规采 样罐中剩余低压气体有效利用率，而且可以推广至其他情况下低压气体的检测之 用。在不引入二次污染物的前提下有效增加待测气体的压强(压强增大的倍数在 30倍左右)以满足分析仪器的进样需求，达到顺利进样，实现检测的目的。本发 明对于科研院校的科学研究、政府部门的常规检测、厂矿企业的污染检测等实验 室中进行的气体分析而言，不仅能满足低压气体的进样分析，还能大大的节约费 用。
权利要求
1、一种低压气体样品自动进样装置，其包括一个壳体，所述壳体内部设置有气路系统和电路系统，其特征在于所述气路系统包括样品气路系统和空气气路系统，其中空气气路系统为样品气路系统中气缸的往复运动提供动力；所述样品气路系统包括第一电磁阀，第二电磁阀，第三电磁阀，第一三通，第二三通，一个四通，一个真空泵，一个压力传感器，一个采样罐和一个压缩组件；所述空气气路系统包括第一、第二三通电磁阀和气缸；所述样品气路系统的四通其中三个接口连接所述第一、第二和第三电磁阀，所述第一电磁阀的另一端通过串接的所述第一、第二三通与所述真空泵连接，所述第二电磁阀的另一端口为气体样品的出口，所述第三电磁阀的另一端接所述采样罐，所述四通剩余的一个接口连接所述压缩组件的出口，所述压力传感器连接在所述四通与所述第三电磁阀之间；所述空气气路系统的所述第一三通电磁阀的NC端与所述第一三通连接，其C端与所述气缸连接；所述第二三通电磁阀的NC端与所述第二三通连接，其C端与所述气缸连接；所述样品气路系统的压缩组件通过活塞连杆与所述空气气路系统的气缸相连；所述电路系统包括一单片机控制单元，与所述样品气路系统和所述空气气路系统电连接。
2、 如权利要求l所述的一种低压气体样品自动进样装置，其特征在于所述 压縮组件包括压縮套筒、活塞、垫圈、螺母、活塞连杆；所述活塞活动设置在所 述压縮套筒中，所述活塞上部镶嵌所述垫圈，所述螺母螺设在所述垫圈上，所述 活塞连杆的一端穿过所述垫圈和螺母，固定在所述活塞上，所述活塞连杆的另一 端伸设入所述气缸内，将所述气缸的气室分隔为上气室和下气室两部分。
3、 如权利要求l所述的一种低压气体样品自动进样装置，其特征在于所述 电路系统的单片机控制单元包括I/O开关控制单元和模/数转换器，所述第一电磁 阀、第二电磁阀、第三电磁阀、第一三通电磁阀、第二三通电磁阀和真空泵与单 片机的1/0开关控制单元电连接，所述压力传感器与所述单片机的模/数转换器电 连接。
4、 如权利要求3所述的一种低压气体样品自动进样装置，其特征在于所述 单片机上的I/O开关控制单元控制所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀、 第一三通电磁阀、第二三通电磁阀和真空泵的打开和关闭。
5、 如权利要求1或2或3或4所述的一种低压气体样品自动进样装置，其特 征在于所述气路中的压强大小由所述压力传感器测量。
6、 如权利要求1或2或3或4所述的一种低压气体样品自动进样装置，其特 征在于所述活塞、连接各部件的管路和接头均采用物化性质稳定的材料。
7、 如权利要求5所述的一种低压气体样品自动进样装置，其特征在于所述 活塞、连接各部件的管路和接头均采用物化性质稳定的材料。
8、 如权利要求1或2或3或4或7所述的一种低压气体样品自动进样装置， 其特征在于所述压縮套筒为玻璃套筒。
9、 如权利要求5所述的一种低压气体样品自动进样装置，其特征在于所述压縮套筒为玻璃套筒。
10、 如权利要求6所述的一种低压气体样品自动进样装置，其特征在于所述压縮套筒为玻璃套筒。
11、 如权利要求1 10所述的一种低压气体样品自动进样装置的使用方法，其包括以下步骤1) 设置一低压气体样品自动进样装置，其包括一个壳体，在壳体内部设置的有气路系统和电路系统；所述气路系统中的第一电磁阀，第二电磁阀，第三电磁阀，第一三通，第二三通，四通，真空泵以及采样罐的打开和关闭受所述电路系统中的单片机控制；2) 预清洗及抽真空所述第一电磁阀和所述第一三通电磁阀打开，所述第二电磁阀、第三电磁阀 和第二三通电磁阀关闭，启动所述真空泵；当所述气路系统中压强降低到一定程 度时，所述第一电磁阀关闭，所述第三电磁阀打开；所述气路系统中压强稳定后， 所述第三电磁阀关闭，所述第一电磁阀打开，所述真空泵继续工作，直至完成抽 真空，所述第一电磁阀关闭；3) 导出气体样品所述第一电磁阀和所述第二电磁阀关闭，所述第三电磁阀打开，所述第一三 通电磁阀打开，导出所述采样罐气体样品；所述气路系统中压强稳定后，所述第 三电磁阀关闭；4) 压縮气体样品所述第一电磁阀、第二电磁阀、第三电磁阀保持关闭状态，所述第一三通电 磁阀关闭，第二三通电磁阀打开；5) 进样分析所述第一电磁阀、第三电磁阀和第一三通电磁阀保持关闭，所述第二三通电 磁阀打开，气体样品压縮完成后，所述第二电磁阀打开，气体样品进入检测仪器； 6)提起活塞气体样品进样结束后，所述第三电磁阔和第二三通电磁阀关闭，第一三通电 磁阀打开；当所述气路系统中压縮组件的活塞到达压縮套筒上端后，所述第一三通电磁阀关闭，所述真空泵关闭。
全文摘要
本发明涉及一种低压气体样品自动进样装置及使用方法，本发明的装置包括一个壳体，壳体内部设置有气路系统和电路系统，其特征在于气路系统包括样品气路系统和空气气路系统，其中空气气路系统为样品气路系统中气缸的往复运动提供动力；样品气路系统包括第一电磁阀，第二电磁阀，第三电磁阀，第一三通，第二三通，一个四通，一个真空泵，一个压力传感器，一个采样罐和一个压缩组件；空气气路系统包括第一、第二三通电磁阀和气缸；样品气路系统的压缩组件通过活塞连杆与空气气路系统的气缸相连；电路系统包括一单片机控制单元，与样品气路系统和空气气路系统电连接。本发明可以广泛用于气相色谱仪的自动进样，有效避免了环境对被测气体样本造成污染。
文档编号G01N30/24GK101339172SQ200810118360
公开日2009年1月7日 申请日期2008年8月14日 优先权日2008年8月14日
发明者吴丽玲, 曾立民 申请人:北京大学