气相色谱仪流量控制原理与维护 —— 压力控制部件减压阀、稳压阀和电子压力控制器

安平

2022/10/10
红小豆

私聊

气相色谱（GC）

气相色谱仪流量控制原理与维护 —— 压力控制部件
减压阀、稳压阀和电子压力控制器

概述

减压阀、稳压阀和电子压力控制器均为气相色谱仪重要的压力控制部件，这些部件协同工作，向气相色谱仪提供稳定可靠、压力大小可调节的气流。

一减压阀的基本原理和使用注意事项

减压阀一般安装于高压气体钢瓶出口或者气相色谱系统的气源流路中，可以将高达十余MPa的气源压力调节至气相色谱仪可以承受的压力范围内（一般在1MPa左右），并且可以长期稳定工作。减压阀由弹性元件（调节膜）、输出调节螺杆、输入调节弹簧、阀门密封弹簧、阀门密封垫等部件构成，其基本结构原理如图1所示。

图1 减压阀结构图

减压阀的工作原理，可以简单的理解为阀入口压力与阀出口压力之和等于输入弹簧压力，如图2所示，阀内部空间分为高压室和低压室，由调节膜隔开。调节膜的面积为So，阀输出压力为Po，阀输出压力作用与调节膜的压力为Fo，输入压力为Pi，阀芯面积为Si，输入压力作用于阀芯的压力为Fi。

图2 不同压力下压力表状态图示

当减压阀处于稳定工作状态时，调节膜受到来自输入弹簧（包括阀门密封弹簧）的压力F、高压室压力Fi和低压室压力Fo的综合作用，三种作用力达到平衡，可以使减压阀输出压力稳定。

即F = Fi + Fo。

减压阀通过输入调节螺杆的旋转，可以改变作用与调节膜片的压力F的大小，从而实现减压阀输出压力的调节。

当由于某种原因，减压阀输出气体压力Po增大，此时Fi+Fo >F，调节膜片上升，使得阀芯与阀体的空隙减小，高压室进入低压室的气体流量减小，导致Po下降，减压阀输出压力Po恢复；当由于某种原因造成减压阀输出压力Po减小，此时Fi+Fo，膜片下降，阀芯和阀体之间的空隙增大，高压室进入低压室的气体流量增大，减压阀阀输出压力Po恢复，实现稳定输出压力的功能。

当输入压力Pi发生变化时，由于阀芯的面积远小于调节膜片，则Fi远小于Fo，Fi的变化不会显著影响减压阀输出压力Po。

减压阀的使用注意事项

1 气源的清洁

来自气源或者管路中的油污、固体颗粒物将会造成减压阀工作的异常，例如减压阀输出压力不稳定，可能会导致正弦波状态的基线扰动；或者压力持续缓慢升高或者降低，此种现象可能会造成减压阀输出压力表或者色谱色谱仪的损坏。

减压阀安装之前，需要确认钢瓶接口的清洁，输送氧气的钢瓶、管路、减压阀都需要严格禁油，以免发生燃烧或爆炸等事故。

2 操作方法

减压阀安装到位之后，开启气源之前，需要首先调节输出螺栓，将减压阀关闭，此时阀芯位置上升，封闭低压室入口。气源开关开启之后，再缓慢旋转输出螺栓，开启减压阀调节输出压力。

由于机械稳压调节装置存在一定的时间滞后，如果在高压室内无压力、阀芯处于开启状态的情况下下打开高压气源，机械稳压调节装置不能及时完成控制，可能瞬间会有较大压力的气体输出至管路和气相色谱仪，造成减压阀出口压力表或者气相色谱仪损坏。

气相色谱仪关机之后，建议将载气钢瓶和减压阀关闭，首先放出减压阀输出端的气体，然后再释放输入端气体，最后松开减压阀。这样操作可以使减压阀和压力表中的弹性部件（弹簧、膜片）避免长期压紧造成疲劳。

3 压力和流量范围

减压阀不可以在超出其设计压力和流量范围下正常工作，否则不能实现稳压和调节压力功能，色谱工作者需要根据使用场合选择量程合适的减压阀。

4 不可以空载

减压阀出口必须连接阻尼合适的负载，否则稳压能力下降。

5 合适的压力差

减压阀的入口和出口需要有一定程度的压力差，否则无稳压作用。

二、稳压阀的原理

稳压阀与减压阀功能不同，一般安装于机械式气相色谱仪内部，向气相色谱仪的进样口、检测器或者阀切换系统提供稳定、可调节的气流压力。

与减压阀不同，稳压阀输入压力以及输入端和输出端一般压力差较低，常见的稳压阀输入压力为0.6MPa左右，其输入和输出端压力差范围约0.5MPa左右。稳压阀内部的弹性元件（一般使用波纹管）刚性较弱，调节螺杆的螺距较小，通过阀手柄的旋转可以实现精细的压力调控。

稳压阀内部结构原理与减压阀近似，主要由弹性元件、螺杆手柄、输出压力表组成（输入端一般不安装压力表指示输入压力），如图3所示。

图3 稳压阀结构原理图

在工作过程中，当稳压阀出口压力P3增大时，波纹管位置向上移动，针型阀与阀体之间的间隙减小，气体由输入端流入阀内的流量降低，从而使出口压力恢复。与减压阀不同，波纹管内的压力P2比输出压力P3略高，稳压阀的机械滞后更加明显，输出压力波动更低。

与减压阀相似，色谱工作者也需要注意气源的洁净程度、稳压阀的输出端也必须连接一定阻尼的负载，否则将无法稳定工作。此外需要注意稳压阀输入端的气流压力稳定，如果阀输入端存在频率较高（或者频率极低的）的压力扰动，稳压阀将不能良好实现稳压作用。

三、电子压力控制器

以减压阀和稳压阀为代表的的机械式压力控制器，制造成本低、结构坚固、运行可靠，在现代的气相色谱仪以及外围进样设备中仍旧有一定的使用量。

由于机械螺杆方式调节存在间隙和弹性元件的长期使用之后发生的磨损和疲劳问题，机械式压力控制器难以实现长期稳定的可靠性和重复性，机械部件存在一定的迟滞性，并且调节不便，手柄的旋转角度与输出压力无直接对应关系，必须依靠输出端安装压力表以监视压力，难以应对复杂样品、复杂分析系统的使用要求，其逐渐将被电子压力控制器所取代。

常见的电子压力控制器由比例电磁阀、压力计和阻尼等部件组成，各个部件构成负反馈压力控制系统，在气相色谱系统控制下协同工作，其典型结构如图3所示。

气相色谱仪系统根据分析条件的要求，不断比较实际输出压力与理论计算压力之间的差异，给予比例电磁阀合适的调节动作，实现电子压力控制器的输出压力稳定。良好的电气-机械系统设计，可以使气相色谱仪满足复杂样品分析、复杂分析系统的要求。

图4 电子压力（流量）控制器组成结构图

小结

气相色谱仪使用的常见压力控制器原理和使用注意事项介绍。