注射泵在仪器设计中的选型方法和故障处理

冯小丽

(河南省舞阳县农业机械学校，河南 舞阳 462400)

0 引 言

注射泵是一种液体计量和传输机构，它具有结构紧凑、高性能、高可靠性、高精密度等优点，已广泛配套应用于实验室分析仪器及样品前处理设备中，实现液体样品的准确计量、传输、稀释和分配。

目前，注射泵作为液体计量的关键部件，在原子吸收分光光度计、原子荧光分光光度计、液相及气相色谱仪等液体进样的仪器中的应用非常普遍。注射泵的技术和性能指标的好坏，直接决定着分析仪器测试指标的精度和运行的可靠性。实验室分析仪器中常用的是推拉式单通道注射泵。详细介绍了注射泵在分析仪器设计中的选型方法和常见故障处理方法，对实验室分析仪器的设计和使用具有非常重要的指导价值和借鉴意义。

1 注射泵的结构和工作原理

1.1 注射泵的结构

注射泵的结构如图1所示。注射泵的核心元件是注射器。注射器在步进电机的驱动下，带动同步带和丝杆传动，完成注射器的推拉动作，实现吸液和排液功能[1-2]。步进电机上的编码器用于位置反馈。

注射阀为两位三通阀，具有1个 “NO”，1个 “NC”口和1个 “COM”，阀芯在步进电机直接驱动下完成阀口转换。通常， COM”直接或通过管路与注射器的注射口相连，“NO”和“NC”口一端与待吸样品或试剂相连，另一端与分析仪器的检测器相连。

图1 注射泵结构图1.注射阀 2.步进电机(驱动注射阀用) 3.注射阀用编码器 4.注射阀定位光电开关 5.注射器 6.注射器驱动元件 7.丝杆传动机构 8.同步带传动机构 9.步进电机(驱动注射器用) 10.注射器定位编码器 11.注射器定位光电开关

1.2 注射泵的工作原理

注射泵的工作原理如图2所示。注射泵的工作过程包括吸液和排液两个过程。

吸液时，注射阀的“NO”口与“COM”口连通，步进电机推动注射器的活塞杆向下运动，把液体样品吸入注射器或与注射器相连的管路中。

排液时，注射阀切换位置“COM”口与“NC”口连通。步进电机推动注射器的活塞杆向上运动，将吸入的液体样品通过注射阀的“NC”口输送给至分析仪器以供检测。

注射泵的吸液速度和排液速度以及一次的吸液量通过软件控制步进电机的运动来实现。

图2 注射泵工作原理图

2 注射泵的选型步骤

注射泵在选型时需要考虑以下因素：计量范围(或线性范围)；计量精度及分辨率；计量准确度；计量重复性；液体中的化学成分及其特性，如酸碱性、腐蚀性、是否为有机溶剂等；液体的流量、压力；使用寿命等。具体的选型步骤：

(1) 根据一次进样体积选择注射器规格

注射器的规格应与进样体积相匹配，根据仪器所需一次进样体积的大小，确定注射器的规格。常见的注射器规格有100 μL、500 μL、1 mL、5 mL、10 mL。否则，容易产生较大的体积误差。

(2) 根据介质的特性选择注射泵接液部位材质

实验室常用的液体试剂都具有一定的酸碱性、化学腐蚀性或为有机溶剂，接液部位的材质不得与介质发生反应或干扰分析结果。化学分析常用的注射器针筒采用硼硅酸盐玻璃，活塞采用聚四氟乙烯，注射阀阀体采用聚三氟氯乙烯，保证注射泵具有很高的耐化学腐蚀性和较长的使用寿命。如果计量的液体为有机溶剂，可以考虑PEEK材质的注射阀和注射器。PEEK材料具有优异的机械性能、耐化学品腐蚀、耐有机溶剂，但价格较贵。

(3) 根据设计空间选择注射泵额定行程，根据进样精度选择注射泵的行程分辨率

目前，市场上标准的注射泵的额定行程分为30 mm和60 mm两种。根据预留的设计空间选择采用30 mm或60 mm行程的注射泵。注射泵的行程分辨率有：0.01 mm/步、0.03 mm/步、0.06 mm/步等规格，需要根据化学测试过程中的进样精度要求合理选择。

(4) 选择注射泵的分配点精度和分配重复精度

根据仪器对样品的计量精度和计量重复性的要求，选择注射泵的分配点精度和分配重复精度。目前，注射泵的分配精度的测试方法没有统一的标准，有在全行程测量的，也有在1/10行程。例如：保定兰格的MSP1-D1注射泵的液量准确度误差和重复性误差均在额定行程时测量；北昂仪器公司S60系列注射泵其测量数值为全行程测量，采用5 000 μL注射器，室温下蒸馏水环境；美国IMI公司NX3注射泵的测量数值是在1/10行程，去离子水环境下测量的。此外，每个厂家的性能指标也有差异，选型时需要注意。

(5) 确认注射泵的通信接口和通信协议，能否与设计的仪器主机匹配。

3 注射泵的常见故障和处理方法

注射泵的常见故障主要有：注射器腐蚀、注射器内产生气泡、液体管路渗漏、液路交叉污染等。

(1) 注射器腐蚀问题

原因：具有腐蚀性的液体样品直接进入注射器内或挥发性腐蚀样品的挥发气体进入注射器内，造成注射器腐蚀。处理方法：注射器与注射阀的“COM”口之间用一段较长的聚四氟管连接，保证吸液时，样品不进入注射器，而是充满在连接管中[3]。

(2) 液体管路渗漏问题

注射器筒体渗漏、管路接头处渗漏。渗漏的原因有：样品结晶，造成注射器密封不严；注射器安装固定后不呈垂直状态造成活塞磨损严重或针筒及注射阀产生裂纹；排液时注射速度过快，管路接头未拧紧等[4]。处理方法： ①装配校正，保证注射器固定后在运动过程中不产生附件应力；②在注射器活塞底部固定螺帽和金属垫中间加弹性固定垫，吸收振动；③设计专用的手拧接头拧紧工装，确保接头拧紧[5]。

(3) 注射器内部产生气泡

注射器内产生气泡影响进样的准确度，从而影响测试结果。气泡产生的原因主要有：①样品内部产生气体。处理方法：用脱气机或超声波清洗机脱气，或者将蒸馏水加热除气；②注射器内壁及活塞不洁净造成清洗液表面张力的改变，产生了气泡。处理方法：定期用稀盐酸、稀硝酸、蒸馏水或有机溶剂清洗注射器的针筒内壁和活塞；③活塞密封环漏气。处理方法：更换密封环或更换注射器；④管路接头处漏气。处理方法：增加密封圈。

(4) 管路交叉污染问题

分析仪器测试样品种类繁多，浓度高低不同。不同种类的样品及不同浓度的同类样品之间均会对管

路产生交叉污染。处理方法：每次测试前后及测试过程中，均要对管路进行充分的清洗。清洗溶剂可选择蒸馏水、去离子水、酒精或稀酸溶液或其它有机溶剂。

(5) 延长注射器使用寿命的方法

注射器长时间使用后，把注射器推杆头取出，浸入去离子水或蒸馏水里面清洗，然后再推入注射针筒，反复推5～6次。

4 结 语

注射泵是常见的液体计量装置，在实验中合理使用注射泵能够精确地控制各种试剂的使用量，并可以大大减轻工作人员的劳动强度。详细介绍了注射泵在分析仪器设计中的选型方法步骤和实际应用过程中的常见故障及处理方法，对仪器的设计人员和使用人员具有重要的借鉴意义。

参考文献：

[1] 沈亚斌，张晨东，赵 涛.基于HMI多通道注射泵控制系统的设计[J].自动化仪表，2014(8):52-55.

[2] 汪宝亮，汪 诤.含有推力保护PLC 控制的恒流量辅助注射装置研发[J].机械研究与应用，2014(203)：80-83.

[3] 孙生才，张 冰.液相色谱的故障排除——自动进样器的维护[J].色谱，1998， 16(1):35-37.

[4] 李雪源，杨春光，武振虎. 注射泵质控检测发现的问题及解决方法探讨[J].医疗卫生装备，2013 34(4):109-111.

[5] 李塔春，邵剑威，赵延昌.介绍一种全自动生化分析仪样品注射器渗漏的修复[J].中华医学检验杂志，1994(3)：163.