气相色谱仪的两种液体样品自动进样器的兼容设计与研制.pdf

第44卷
分析化学( FENXI HUAXUE)仪器装置与实验技术
第8期
2016年8月
Chinese Joumal of Analytical Chemistry
1308~1313
DOI:10.11895/.Issn.0253-3820.160219
仪器装置与实验技术
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气相色谱仪的两种液体样品自动进样器的兼容设计与研制
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(中国政法大学科学技术教学部,北京10249)(北京世能通宇科技有限公司,北京10017)
(清华大学信息科学技术学院,北京100084
摘要设计和构建了多轴多模式、闭环伺服控制系统的研发平台,实现了用于气相色谱仪的不同结构的两
种液体自动进样器的并行设计与研制。基于兼容与互换的思路,开发出一体化嵌入式控制驱动模块,采用
相同的直流电机、编码器,电气与机械接口统一标准,实现了上述组件在两种机型间的直接代换。研制的标
准型110个样品位和平台型40个样品位两种液体自动进样器,与气相色谱仪联机,采用1L手动进样针,
对于0.5uL十六烷异辛烷标准液体样品,6个不同瓶位连续6次进样测试,重复进样的信号峰面积RSD分
别为1.1%和1.5%,取0.1,0.3,0.5,0.7和0.9uL进样,峰面积与进样量的线性相关系数为0.9947。
关键词气相色谱;自动进样器;平台化设计;模块;兼容
引言
气相色谱仪所用液体自动进样器从功能上可分为传统单一型液体样品自动进样器和平台型多功能
自动进样器两大类-?。近年来,分析仪器前端的样品自动处理与自动进样装置已成为关注热点。国
内对气相色谱仪所用液体自动进样器研发起步较晚?,虽然发展迅速,但与国外同类产品相比尚有较
大差距。因此,研制多功能自动进样器,对于提升我国仪器研制水平,具有重要意义。
标准型110个样品位气相色谱仪自动进样器是一种传统大容量转盘型液体样品自动进样器,通常
安装在气相色谱仪的侧面,具有占用空间小操作方便等优点;缺点是拓展性较差。平台型40个样品
位自动进样器具有体积小巧的特点,适用于样品的进样分析批次少的情况,可用于车载和便携仪器。
将两种不同结构的气相色谱仪用通用型液体样品自动进样器并行研发,具有较高的应用研究价值和良
好的市场应用前景。
基于平台化、模块化兼容性的设计理念62,本研究提出标准型110个样品位和平台型40个样
品位两种不同结构的气相色谱仪液体样品自动进样器并行研发的构想。设计的核心是构建一个多模式
多轴伺服控制系统,以此搭建共用研发平台,实现设计方案的快速验证与不同结构自动进样器的研
发。通过模块、组件与机械部件的组合集成的方法,快速高效地开发出两种不同结构的自动进样器。
2实验部分
2.1自动进样结构
标准型110个样品位自动进样器和平台型40个样品位自动进样器的的结构示意图见图1。自动
进样器主体主要由基本外形组件、机械结构组件、齿轮减速组件、运动丝杠和机械接口组件等构成,基本
外形组件由机塔和机座、圆形旋转式样品托盘(标准型)、平台型X-Y方向运动样品托盘(平台型),机械
结构组件包括注射针拖车、注射针夹具拖车滑杄等,以及控制系统和控制软件组成。
2.2系统研发平台设计
本系统研发平台设计的基本原则包括:系统共用、控制策略、兼容与互换、并行与高效、可重组、多目
201603-22收稿;201606-18接受
本文系国家“十ー五”科技支撑计划课题(No.2006BAKO3A04)、教育部人文社会科学研究青年基金项目(No.12Y]C880123)资助
E-mail13901130196@139.com
第8期
陈除莲等:气相色谱仪的两种液体样品自动进样器的兼容设计与研制
1309
(b
机塔(旋转式)
注射针推拉杆驱动电机
机塔(固定式)
injection needle trive motor
注射针推拉杆驱动电机一
wer stationary (rotary
注射针推拉杆
neelde rod drive
射针推拉杆
jection needle rod
射针拖车
注射针
njection needle tracto
注射针拖车驱动电机
needle
射针拖车
注射针
Injection needle tractor
注射针拖车驱动电机
Iniection needle tractor
Injection neelde
Injection needle rod drive motor
样品托盘
平台型样品托盘
注射针拖车
Sample holder
注射直拖车滑杆
Platform sample holder
Injection needle tractor slider
Injection needle
注射针头
注射针头
Injection needl tip
22
机塔塔座
Tower bas
样品托盘驱动电机
机塔態转驱动电机
ample holder drive motor Tower rotation drive motor
样品托盘y轴驱动电机
样品托盘X轴驱动电机
Sample holder Y-axis drive motor
图1标准型110个样品位自动进样器(a)和平台型40个样品位自动进样器(b)的结构示意图
Fig 1 Schematic illustration of standard 110 digit position auto sampler(a)and 40 digit position auto sampler(b
标配置与快速制造。设计核心是寻求两种自动进样器的共性部分,达到二者最大程度的共用或复用
(软件部分),这是平台设计中的关键环节。
2.2.1共性问题自动进样器的核心是运动组件。标准型自动进样器由4个部分组成:圆形样品托盘
旋转组件和3个机塔组件,机塔部件分別为机塔旋转、注射针托车和注射针推拉杆组件。平台型自动
进样器也由4个部分组成:样品托盘为X-Y方向运动的2个组件,另外两个是注射针托车和注射针推
拉杆组件,机塔为固定设计。
两种自动进样器的工作流程都可归结为5个基本步骤:(1)样品瓶位的定位;(2)液体样品的抽
取;(3)色谱进样口定位;(4)样品注射;(5)注射针清洗。可见,控制软件的主体框架是相同的,这是
两种自动进样器的共性部分。
兼容性设计方面,两种进样器的进样针组件和控制电路采用通用结构设计,电气和机械接口作统
一标准化设计。
2.2.2系统研发平台的架构研发平台由控制器、驱动器、电机、传感器、PC计算机和自动进样器主体
6个部分组成,如图2所示,核心是构建一个共用的多模式多轴伺服控制系统。多模式是指步进电机、
直流电机、步进电机和直流电机混合控制,以及开环和闭环控制等方式,多轴是指由多个电机控制,伺
服控制用于精确跟随某个过程的反馈控制系统
2.3控制策略系统控制采用分散型策略,将控制器、驱动器、电机位置传感器彼此完全独立成
对一的子系统,如图2所示,可将故障引起的危险分散,且易于进行多路拓展
2.2.4控制器与驱动器通讯控制器和控制器1~4采用高性能