气相色谱仪流量控制原理与维护 —— 压力测量元件压力表和压力传感器

安平

2022/09/15
红小豆

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气相色谱（GC）

气相色谱仪流量控制原理与维护 —— 压力测量元件
压力表和电子压力传感器

概述

气相色谱系统中的载气或者辅助气体控制器，一般需要装备有精确、可靠的压力测量元件，用以正确的显示流路压力。此外压力测量元件也是流量控制器——尤其是电子流量控制器——的重要组成部分，压力测量元件与比例电磁阀接受色谱系统的控制并协同工作，实现流路气体流量（或压力）的精确控制。

一般情况下，机械式气相色谱仪使用机械式压力表，电子式气相色谱仪使用压力传感器作为压力测量元件。气相色谱仪的外围气源、和某些外接设备中也会有压力测量元件，实时显示和辅助实现准确的压力（或流量）控制。

一机械流量式气相色谱仪的压力测量元件——压力表

压力表是一种以弹簧管为测量元件的指针式测量仪表，因其结构坚固、生产成本较低、性能可靠等特点，在机械式气相色谱仪的载气流量控制和检测器流量控制器中较为常见。

压力表的工作原理为：当待测气体压力发生变化时，表内的敏感元件（波登管、膜盒、波纹管）将会发生弹性形变，再由表内机芯的转换机构将压力形变传导至指针，引起指针转动来显示压力。压力表的结构如图1所示。

图1 压力表结构图

压力表中的弹簧管（也称为波登管）的自由端是封闭，通过机械传动装置驱动压力表指针。其内部压力发生变化时，弹簧管发生形变，自由端产生位移，其位移量与被测压力的大小成正比。通过机械传动装置驱动指针偏转，在度盘上指示出压力值，如图2所示。

图2 不同压力下压力表状态图示

如果表壳内通有大气，压力表测出的压力为相对压力，如果将表壳密封并抽真空，压力表测出的压力就是绝对压力。一般情况下，气相色谱仪的压力表均指示相对压力数值。

压力表一般用于气相色谱仪的载气控制器、检测器气体控制器和气源减压阀上，需要注意其响应速度一般极低，不适合测定极速变化的气体压力。

使用时需要注意气源清洁、气源的压力范围符合要求、尽量避免较为剧烈的压力冲击，以避免弹性元件发生故障造成压力显示数值不正确，气相色谱仪关机或者长时间不使用时，需要将气源的压力表泄压以保护弹性元件。

二、电子流量式气相色谱仪的压力测量元件——压力传感器

机械流量式气相色谱仪，流量控制系统较为复杂，较为笨重，使用较多的气流控制阀和压力表，调节效率较低，并且重现性较差。电子流量式的气相色谱仪，体积小，调控方法简易，重现性良好，目前在各个行业的实验室中逐渐得到较为广泛的应用。

电子流量控制器主要由比例电磁阀、流量传感器和压力传感器以及对应的控制系统组成，如图3所示（以压力传感器为例）：

图3 电子流量控制器组成结构图

某些固体（常见的材质是单晶硅片）收到力的作用后，其电阻值（或电阻率）会发生相应变化，这种现象称为压阻效应。压阻式传感器是利用固体的压阻效应制成的一种测定装置。

现代的压力传感器采用集成电路工艺制成，测量电路和半导体硅片扩散电阻可以集成到零点几毫米大小的尺寸，能够感知0.01kPa左右的压力变化，可以显著减小电子流量控制器的尺寸。压阻式传感器体积小、灵敏度较高，分辨率高，响应速度快，广泛的应用于航空、航天、化工、生物医学等多个领域。

需要注意压力传感器测定的气体，不能含有水、固体颗粒等杂质，避免剧烈的压力变化，长时间使用后，可能会产生一定的偏差，需要注意进行压力校准。

小结

简单叙述机械流量和电子流量控制方式气相色谱仪使用的压力测量元件——压力表和压力传感器的基本原理和使用注意事项。