活塞式进样机构在元素分析仪中的应用

段伟锋，薄恩多，谢永华，罗明貌

(1.长沙开元仪器有限公司,湖南 长沙 410007；2.国电电力朝阳热电有限公司， 辽宁 朝阳 122000)

0 引 言

在当今快速发展的经济社会，环境科学、生物工程、生命科学、生态保护、现代医学、中医药物、材料科学等科技领域的基础研究以及食品、农业、石油化工、地矿等行业应用均离不开对碳(C)、氢(H)、氧(O)、氮(N)、硫(S)元素分析的需求[1-13]。为满足测试精密度要求，测定样品的称样量从最初几毫克到现在1 g左右[14-17]。目前在国内销售的国外元素分析仪主要德国elementar公司和美国 LECO 公司等[18-19]。根据中国合格评定国家认可委员会公布的数据，目前累计通过认可的实验室有9 143家，其中大部分实验室均对元素分析仪器有需求。再加上未通过认可的上万家有相关需求实验室，市场对元素分析仪器的年需求量预计将达到 2 000台套以上。

项目研制的元素分析仪器采用高通量全自动进样技术、大样品量的分解与净化技术、复杂基体样品测试自适应技术等关键技术[20-21]，并结合红外法和热导法联测方法的应用研究，综合安全通用、环境条件及可靠性等指标，与市场上现有的产品相比则在自动化程度、测试样品精密度和产品稳定性方面有明显的技术竞争优势，通过模块化设计，为用户提供不同元素组合的产品，可降低成本且能提高市场占有率，具有巨大的市场竞争力[22-24]。

进样器是元素分析仪器中重要的机械部件，其结构形式多样。市场上的进样机构主要是球阀式进样器，被测样品需要通过接样位、吹扫位和入炉位3个工位，从而完成1个样品的进样过程，结构复杂，不利于实现全自动进样技术且测量精度受外界因素影响大。采用球阀形式的进样器，通过旋转球阀中有盲孔的钢球，使被测样品落在盲孔中，实现接样(盲孔朝上)、吹扫(盲孔水平)、入炉(盲孔向下)动作。也可通过气缸的往复运动来实现进样[25-27],气缸形式的进样器体积大,往复运动时定位精度不高、密封性能不佳,炉口开合易引起炉压波动，导致测试时间加长，同时还降低测试精度[28-29]。球阀形式的进样器可精确控制转动角度，但成本高，不易维护。

为克服上述问题，活塞式进样机构已被成功开发，即活塞式进样机构采用电机驱动进样杆进行往复运动，将样品送到炉膛内从而实现自动进样。以下详细介绍活塞式进样机构在元素分析仪中的实际应用。

1 元素分析仪工作原理

元素分析仪按照测试元素可以配置多种测试模式，主要区分为非测氧模式和测氧模式，前者包括测碳(C)、氢(H)、氮(N)、硫(S)。元素分析仪气路原理图如图1所示。

图1 元素分析仪气路原理Fig.1 Schematic diagram of gas circuit in element analyzer

如图1所示，元素分析仪的气路部分包含氦气气路和氧气气路，其中氦气气路有氦气参考气路和氦气测量气路。气源的流量、压力、清洁度、干燥度、温度等直接影响分析仪的性能，因此需要图中各个气动元件保证气路性能。

测量C、H、N、S时，MFC1为He(氦气)参考气路，He通过Part I调压模块调整到规定压力，然后通过MFC1调整到规定的流量，再进入到TCD的参考臂。MFC2为氧气或氦气测量气路，样品从AS1进样机构送入R1后，MFC2根据样品量和样品类型控制通入氧气流量使样品完全燃烧氧化、还原反应，然后进入CC1色谱柱分离，再进入TCD的测量臂进行分析测量。测量氧元素时，MFC2为氦气参考气路，MFC1为测量气路。样品从AS2进样机构送入R2后，样品完全燃烧氧化，然后进入CC2色谱柱分离，再进入TCD的测量臂(除氧元素外的参考臂)进行分析测量。

2 元素分析仪组成

测量C、H、O、N、S五种元素可以在同一台仪器上实现，也可根据客户需求将测氧模块独立为1台仪器，C、H、N、S合并为1台仪器。仪器配置包含机械结构部分、电控部分和软件部分。

2.1 机械结构部分

项目的机械结构部分由机箱组件、进样机构、炉膛组件、净化组件、调压组件、气路控制组件及TCD组件构成,如图2所示。

图2 元素分析仪的机械结构布局Fig.2 Layout of mechanical structure of element analytzer

进样机构负责将被测样品从常压送至加热炉膛(炉膛内气路压力为0.25 MPa),进样过程中不引起气路压力波动是仪器的重要环节。调压组件主要通过调节阀和压力表的配合来调节气压的大小，保证实验所需的稳定气压。炉膛主要功能是加热和保温，通过下位机控制，为被测样品的燃烧裂解提供温度条件。机箱组件用于放置仪器所有零部件，对电控元器件进行强弱电的分离以减少电磁干扰。

气路控制组件根据不同的实验测试流程，通过气动元器件的配置可以自动切换到实验所需的气路。净化组件主要用以除去气体中的水汽，从而减少对被测样品所含元素的影响。热导检测器(TCD)是基于被测组分与载气的热导系数不同而进行检测，当通过热导池池体的样品组成及其浓度有所变化时就会引起热敏元件温度的变化，从而导致其电阻值的变化，此类阻值的变化可以通过惠斯登电桥进行测量[4-5]。

2.2 电控结构部分

电控部分是机械和软件之间的连接纽带，其在结构上分为上位机、下位机、采集元件和执行元件，如图3所示。

图3 元素分析仪的电控部分组成Fig.3 Composition of electric control part of element analyzer

电控部分上位机即工业平板，是界面软件的运行平台。下位机即此仪器的主控系统单元，采用公司自主开发设计的电路板，是整个电控部分的CPU，其一方面通过Modbus Tcp/IP以太网与上位机通讯，接收上位机的指令，同时将采集到得分析仪信息传递给上位机显示，另一方面通过指令和采集到信息对执行元件进行控制。

2.3 软件部分

软件部分即通常所说HMI(人机接口)，是操作人员与元素分析仪之间进行交互信息的接口，是元素分析仪的重要组成部分之一。分析仪软件界面如图4所示。

图4 分析仪软件界面Fig.4 Analyzer software interface

如图4所示，软件部分包含设置、方法、测试、调试和数据五大部分。设置主要包含用户管理、语言切换、仪器IP查看和设置。方法以模板的形式保存，模板可以选择、新建、保存、修改和删除。测试界面操作简洁，测试过程中的各种数据将以曲线图等合适的图像显示。调试画面主要采用手动操作时发送控制指令给下位机，包括气体控制、自动送样、气体泄漏测试等控制功能，还包含维护的功能，主要用于查看和设置燃烧管、还原管、净化管等各种耗材的使用次数。测试提供标准物质库，并通过ACCESS文件保存数据。标准库包含各种标样的名称以及C、H、O、N、S等元素的含量。用户根据具体需要，可对标准库进行编辑、删除和新增等操作，并根据选取的标准库进行结果比对计算。

3 活塞式进样机构

机械结构是整个项目的基础，如若设计有问题，整个项目将无法进行，而进样机构是机械结构的核心部分。

3.1 进样机构组成

进样机构由样盘单元和活塞式进样单元组成，样盘单元采用电机直连驱动提供动力，使用目前稳定可靠的角度传感器作为检测元件，通过控制程序实现样盘的位置控制，如图5、图6和图7所示。

图5 元素分析仪的进样机构结构Fig.5 Sample feeding mechanism of etement analyzer

图6 活塞式进样机构Fig. 6 Piston type sample feeding mechanism

图7 元素分析仪的进样机构运行图Fig. 7 Workingdiagram of feeding mechanism of element analyzer

活塞式进样机构主要由驱动装置、进样杆、进样座及燃烧管附件组成。驱动装置采用电机驱动进样杆进行往复运动，从而实现将样品逐个送入炉膛里。进样座顶部有与样盘相连的接样孔，中间有确保进样杆往复运动的腔体，下部有与炉膛连接的入炉孔组成，侧边有2个进气孔，其中之一与接样孔相通，其出气位置在接样孔中心的前端，称为接样进气孔，而另一个与入炉孔相连，称为入炉进气孔。进样杆上设置有存样孔，在其前端及存样孔两侧有安装密封件的沟槽，槽内分别设置密封件。燃烧管附件位于入炉孔下端，是进样座和炉膛燃烧管的连接装置，被测样品通过燃烧管附件被送入燃烧管内充分燃烧分解。

3.2 进样机构实施过程

样盘转动1个孔位，则有1个被测样品从样盘落入存样孔内，同时惰性气体(氦气) 通过接样进气孔进入存样孔底部，由于惰性气体(氦气)密度较小，其挤出存样孔内的空气，从而达到吹扫空气的目的；驱动装置向前运动，进样杆带动被测样品向入炉孔方向移动，当被测样品通过入炉孔进入燃烧管燃烧时，驱动装置停止运动；同时入炉进气孔通入惰性气体(氦气)，当被测样品到达入炉孔前，切换通入氧气，直到被测样品充分燃烧后，再切回惰性气体(氦气)[4]；驱动装置向后带动进样杆回位，当存样孔回到接样孔下方时，驱动装置停止运转，进样机构完成复位动作。重复上述动作，直至完成所有被测样品的实验。

3.3 进样机构气密性测试

活塞式进样机构的气密性程度直接影响被测样品实验结果的准确性。活塞式进样机构组件装配完毕后，进样杆上的存样孔处于接样位置，堵住燃烧管下的出气孔，将0.3 MPa惰性气体(氦气)通过入炉进气孔送入燃烧管，保压5 min，观察压力变化情况；然后进样杆向前移动，存样孔到达入炉孔的位置，堵住燃烧管下的出气孔，将0.3 MPa惰性气体(氦气)通过入炉进气孔送入燃烧管，并保压5 min，观察压力变化情况。2次压力均无明显下降，说明活塞式进样机构加工和装配密封性达到要求，该进样机构可以在实际中交付使用。

3.4 测试结果

以活塞式进样机构开发的元素分析仪分别采用煤样、土壤、扇贝和苯甲酸四种样品，各测一组平行样，得到了C、H、N、S、O等元素的含量及平行样的极差，见表1。

表1 元素分析仪测试结果Table 1 Test results of element analyzer

从测试结果可知，该元素分析仪2次重复测量结果的极差：Cad≤0.50%、Had≤0.15%、Nad≤0.08%，重复性限符合GB/T 30733—2014方法精密度规定的要求；St,ad≤0.05%(St,ad<1.5%)和St,ad≤0.10%(St,ad在1.5%～4.0%)，重复性限符合GB/T 25214—2010方法精密度规定的要求；氧元素测定的重复性限符合SN/T 3128—2012方法精密度规定的要求，即在重复性的条件下获得 2 次独立测定结果的绝对误差不得超过算术平均值的10%。准确度后期通过标样曲线标定，使其接近真值。

4 结 语

配备活塞式进样机构的元素分析仪和配备球阀式进样器的仪器相比，具有如下特点:

(1)活塞式进样结构简单、可靠，成本低，即其成本仅为球阀式进样器的一半左右。

(2)接样位和吹扫位合并，减少停留时间，从而提高了工作效率。

(3)从测量数据可看判断，活塞式进样机构元素分析仪的测量精密度满足需求。

该项目的成功开发可为客户提供较好的选择，1台仪器不但可测出5种元素，且还可根据用户需求配置不同的模式以达到节约客户成本之目的。用户只需完成称样操作，仪器测定可实现无人值守，避免手工操作使用所导致的误差。此款分析仪具有功能强大、测试速度快、测量精度高的特点，以期可成为客户元素微量定量分析的重要手段之一。