SP-3400型氣相色譜儀用于地下氣體定量分析典型故障排除

邰垣東 劉國(guó)俊

(1.山西省臨汾中心地震臺(tái),臨汾 041000; 2山西省夏縣中心地震臺(tái),夏縣 044400;3.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,太原 030025)

SP-3400型氣相色譜儀用于地下氣體定量分析典型故障排除

邰垣東1,3劉國(guó)俊2,3

(1.山西省臨汾中心地震臺(tái),臨汾 041000; 2山西省夏縣中心地震臺(tái),夏縣 044400;3.太原大陸裂谷動(dòng)力學(xué)國(guó)家野外科學(xué)觀測(cè)研究站,太原 030025)

介紹了SP-3400氣相色譜儀的工作原理和構(gòu)成各部件在日常使用中的要求以及容易出現(xiàn)的故障問(wèn)題，并以夏縣中心地震臺(tái)SP-3400儀工作情況為例介紹了對(duì)氣相色譜儀的故障診斷及日常維護(hù)工作 。

氣相色譜儀 日常維護(hù) 故障排除

地下流體具有可自由流動(dòng)性，是地殼動(dòng)力過(guò)程中最活躍的因素，地殼中的幾乎所有動(dòng)力作用均與地下流體活動(dòng)有關(guān)。地下流體多種物理、化學(xué)測(cè)項(xiàng)在多個(gè)中震地震前有突出表現(xiàn)[1，2]，車用太等[3]在對(duì)汶川Ms 8.0地震震前異常研究中發(fā)現(xiàn)地下流體異常幾乎達(dá)到全部震前異常的46%，地下流體觀測(cè)在地震預(yù)測(cè)工作中具有重要的意義。

2013年，山西省地震信息工程項(xiàng)目引進(jìn)了氣相色譜儀，用于地下氣體定量的分析。充分掌握儀器的工作原理和結(jié)構(gòu)組成，正確操作及維護(hù)保養(yǎng)，確保儀器的良好工作狀態(tài)，使分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確、可靠，是對(duì)臺(tái)站工作人員的基本技能要求。在儀器使用過(guò)程中，不可避免會(huì)遇到各種各樣的故障，影響分析測(cè)試工作，如何迅速、準(zhǔn)確地判斷故障原因，及時(shí)地予以排除，是觀測(cè)人員經(jīng)常面臨和急需解決的問(wèn)題。作者結(jié)合這幾年的使用操作、維修維護(hù)經(jīng)驗(yàn)和體會(huì) ，以夏縣中心地震臺(tái)SP-3400型氣相色譜儀為例，介紹了該型號(hào)氣相色譜儀工作原理和結(jié)構(gòu)組成，對(duì)儀器常見(jiàn)的故障現(xiàn)象、產(chǎn)生故障的原因及排除方法進(jìn)行了研究和歸納，供儀器操作人員參考。

1 SP-3400型氣相色譜儀的工作原理、構(gòu)成及環(huán)境要求

1.1 氣相色譜儀的工作原理

氣相色譜儀根據(jù)試樣中各組分在色譜柱中的氣相和固定相間的分配系數(shù)不同對(duì)試樣進(jìn)行度量。當(dāng)汽化后的試樣被載氣帶入色譜柱中運(yùn)行時(shí)，組分就在其中的兩相間進(jìn)行反復(fù)多次(103～106)的分配(吸附-脫附-放出)，由于固定相對(duì)各種組分的吸附能力不同(即保存作用不同)，因此各組份在色譜柱中的運(yùn)行速度就不同，經(jīng)過(guò)一定的柱長(zhǎng)后，便彼此分離；分離后的組分按保留時(shí)間的先后順序進(jìn)入檢測(cè)器，檢測(cè)器根據(jù)組份的物理化學(xué)性質(zhì)將組份按順序檢測(cè)出來(lái)并自動(dòng)記錄檢測(cè)信號(hào)，產(chǎn)生的信號(hào)經(jīng)放大后，在記錄器上描繪出各組分的色譜峰，最終依據(jù)試樣中各組分保留時(shí)間(出峰位置)進(jìn)行定性分析或依據(jù)響應(yīng)值(峰高或峰面積)對(duì)試樣中各組分進(jìn)行定量分析。

1.2 SP-3400型氣相色譜儀的構(gòu)成

SP-3400氣相色譜儀主要組成部分：①氣路系統(tǒng)：包括氣源、氣體凈化、氣體流速控制閥門和壓力表等；②進(jìn)樣系統(tǒng)：包括進(jìn)樣器、汽化室(將液體樣品瞬間汽化為蒸氣)等；③分離系統(tǒng)：包括色譜柱和柱溫控制裝置(色譜柱箱)等；④檢測(cè)系統(tǒng)：包括檢測(cè)器，控溫裝置等；⑤操作系統(tǒng)：包括中文顯示器、觸摸式參數(shù)輸入鍵盤；⑥記錄系統(tǒng)：包括放大器、數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(色譜工作站)等(圖1)。

圖1 SP-3400氣相色譜儀組成圖

1.3 SP-3400型氣相色譜儀的環(huán)境要求

SP-3400型氣相色譜儀對(duì)環(huán)境有較嚴(yán)格的要求。實(shí)驗(yàn)室環(huán)境溫度5～35℃，相對(duì)濕度≤85%，室內(nèi)應(yīng)空氣流通及防火設(shè)施，如滅火器。周圍不得有強(qiáng)磁場(chǎng)，易燃、強(qiáng)腐蝕性氣體。 因?yàn)閮x器本身需要散熱，如果環(huán)境溫度太，會(huì)燒壞電路板。濕度30%～60%最適合。太潮濕的環(huán)境，如果長(zhǎng)時(shí)間不開(kāi)機(jī)會(huì)使電路板受潮，且載氣管路里的水氣會(huì)很多，最好單獨(dú)安裝空調(diào)來(lái)控溫和控濕 。用電要保持電壓穩(wěn)定，接地良好，接地電阻小于1歐姆即可。(建議電源和外殼都接地，這樣效果更好)。推薦安裝UPS 斷電保

護(hù)裝置，防止斷電后立即來(lái)電對(duì)電路沖擊過(guò)大，或者安裝空氣開(kāi)關(guān)，斷電后手動(dòng)打開(kāi)。實(shí)驗(yàn)室應(yīng)配備 UPS 或單相穩(wěn)壓電源。穩(wěn)壓電源功率要求5kW。標(biāo)準(zhǔn)15A 插頭的插線板 2 個(gè)，插座不少于6個(gè) 。

2 SP-3400型氣相色譜儀日常維護(hù)及典型故障排除

2.1 載氣系統(tǒng)維護(hù)及故障排除

2.1.1 載氣的純度要求及故障現(xiàn)象

SP-3400型氣相色譜儀常用的載氣為氬氣，純度要求達(dá)到99.999% 以上。只有選擇99.999% 以上高純度的氬氣才能維持色譜的高真空和色譜儀的潔凈。載氣純度不夠或者剩余的載氣量不夠時(shí)會(huì)造成樣品失真或消失、色譜柱失效、產(chǎn)生假峰等。例如，2014年7月由于當(dāng)?shù)毓?yīng)商提供的是99.9%的氬氣，導(dǎo)致峰分離不好(圖2)。圖2a為正常水樣記錄的峰值N2峰高達(dá)300m/v，色譜柱污染后峰疊加，N2峰高達(dá)500 m/v，逐漸引起色譜柱失效。當(dāng)氣瓶余壓1MPa 左右時(shí)，需要換氣，主要原因?yàn)橛鄽饪赡艽嬖陔s質(zhì) 。

圖2 水樣He、O2、N2色譜對(duì)比圖

另外氣瓶在使用時(shí)應(yīng)保持直立，嚴(yán)防陽(yáng)光直射。換氣時(shí)將氣瓶拆下后馬上換上， 同時(shí)注意氣瓶頭沒(méi)有保護(hù)套的，接口處較臟，要用紙巾擦拭干凈后裝上[4，5]。

2.1.2 更換載氣時(shí)的操作要求

換氣時(shí)，柱溫箱溫度、注樣器、檢測(cè)器溫度下降50 ℃ 后關(guān)閉載氣，這主要是由于在沒(méi)有載氣的條件下過(guò)高的溫度會(huì)把柱子燒壞。氣相載氣關(guān)閉后，將氣瓶上總閥門關(guān)閉，分壓閥擰松。換好氣后，把氣瓶總閥打開(kāi)，順時(shí)針擰緊分壓閥至0.4MPa 左右，并保持10min 左右，升高氣相的各項(xiàng)溫度。

2.1.3 氣體過(guò)濾器故障的干擾與排查

對(duì)于樣品分析，必須安裝過(guò)濾器過(guò)濾載氣中的水氣和氧氣，否則色譜圖會(huì)產(chǎn)生很多干擾，一般條件下，3～4瓶氬氣要對(duì)過(guò)濾器進(jìn)行老化，以延長(zhǎng)色譜柱使用壽命，減少色譜柱固定相流，降低背景噪聲，使基線更加穩(wěn)定。

2.2 進(jìn)樣系統(tǒng)維護(hù)及故障排除

2.2.1 進(jìn)樣器維護(hù)

進(jìn)樣器一般情況會(huì)出現(xiàn)兩種情況：①出現(xiàn)堵塞；②密封不好現(xiàn)象。樣針使用一段時(shí)間后，需取下后用甲醇清洗[3]。為了保證進(jìn)樣針通暢，需要及時(shí)更換進(jìn)樣器。進(jìn)樣器密封不好，同一組峰前后峰相差很大，既延長(zhǎng)觀測(cè)時(shí)間，又影響觀測(cè)結(jié)果。

2.2.2 進(jìn)樣墊的更換及檢查

更換進(jìn)樣墊時(shí)先將柱溫箱的溫度降到50°C，關(guān)掉進(jìn)樣口溫度和載氣。如果不將載氣關(guān)閉 ，在更換進(jìn)樣墊時(shí)，載氣會(huì)從進(jìn)樣口處泄漏 。如果進(jìn)樣口的螺母擰的過(guò)緊，墊片失去彈性，則會(huì)形成打孔效應(yīng)，易形成漏氣。一般建議進(jìn)50針以上就要做一次檢查，觀察是否有漏氣。(氣相漏氣一般發(fā)生在墊片，裝柱子兩端)少量漏氣不易察覺(jué)，可能會(huì)造成目標(biāo)物提前出峰，爐溫較高時(shí)空氣中的氧氣會(huì)氧化色譜柱，降低柱效。

2.2.3 保護(hù)柱(預(yù)柱)污染故障的現(xiàn)象及排除

保護(hù)柱(預(yù)柱)的作用是加速樣品的氣化和保護(hù)色譜柱。預(yù)柱可以讓不揮發(fā)的組分滯留在預(yù)柱內(nèi) ，從而保護(hù)色譜柱 。但是當(dāng)污染物積累到一定程度時(shí)，就會(huì)吸附樣品，從而造成峰拖尾或出現(xiàn)鬼峰，使儀器檢測(cè)的靈敏度下，甚至無(wú)法出峰。2014年11月，我臺(tái)SP-3400型氣相色譜儀的預(yù)柱充填物液化，導(dǎo)致氣路堵塞(無(wú)流量)，峰高降低，甚至不出峰現(xiàn)象(圖3)。正確選擇預(yù)柱，可以減少污染物造成的樣品損失或峰形異常 。

圖3 水樣CO2色譜對(duì)比圖

2.3 分離系統(tǒng)(色譜柱)維護(hù)及故障排除

2.3.1 色譜柱的選擇與使用

色譜柱的選擇一般從固定相的類型 、長(zhǎng)度、口徑和膜厚 4個(gè)方面考慮 ，我臺(tái)根據(jù)具體分析要求選定5A分子篩、TDX-01，規(guī)格為3×3色譜柱，5A分子篩很容易吸水，吸水后水分子占據(jù)了分子篩的空穴，使其失去活性，為提高觀測(cè)結(jié)果的可靠性，須常對(duì)色譜柱進(jìn)行老化處理，一般不超過(guò)半年為宜。使用時(shí)應(yīng)注意說(shuō)明書中標(biāo)明的最低和最高溫度 ， 一般應(yīng)在低于最高溫度10 ～20°C的范圍內(nèi)使用 ， 否則會(huì)造成對(duì)檢測(cè)器的污染 。 要設(shè)定最高允許使用溫度，如遇人為或不明原因的突然升溫 ，GC 會(huì)自動(dòng)停止升溫以保護(hù)色譜柱。保存柱子時(shí)需注意將兩端用廢棄的隔墊密封好，避免水和空氣破壞柱子內(nèi)涂層[6]。

2.3.2 色譜柱安裝注意事項(xiàng)

色譜柱安裝的好壞直接影響到檢測(cè)結(jié)果，初次安裝時(shí)無(wú)方向性，一旦使用過(guò)，不能再改變進(jìn)樣端和檢測(cè)器端的方向。不同規(guī)格管柱選用不同大小的石墨墊。檢測(cè)端柱接頭螺帽不要上得太緊，否則容易壓碎石墨墊造成漏氣，一般用手?jǐn)Q緊后再用扳手緊四分之一圈即可 。嚴(yán)禁無(wú)載氣通過(guò)時(shí)高溫烘烤色譜柱，以免造成固定液被氧化流失而損壞色譜柱[6]。

3 結(jié)束語(yǔ)

氣相色譜儀的正確操作和良好維護(hù)是保證分析數(shù)據(jù)準(zhǔn)確可靠的重要前提。觀測(cè)人員需要加強(qiáng)對(duì)儀器結(jié)構(gòu)、功能和控制原理的了解，做好儀器的日常記錄和維護(hù)，逐漸積累經(jīng)驗(yàn)，減少儀器故障，延長(zhǎng)儀器的使用壽命，更好地為地震監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)服務(wù)。

[1] 范雪芳，劉耀煒，吳桂娥，等．華北地區(qū)水位與水氡中期、中短期前兆異常特征研究[J]．地震研究，2010．33(2)：147-158．

[2] 國(guó)家地震局預(yù)測(cè)預(yù)防司．地下流體地震預(yù)報(bào)方法[M]．北京：地震出版社，1997：28-50.

[3] 車用太，劉成龍，魚金子，等．汶川Ms8．0地震的地下流體與宏觀異常及地震預(yù)測(cè)問(wèn)題的思考[J]．地震地質(zhì)，2008，30(4)：828-838．

[4] 郭麗，潘英，亢銳. 氣相色譜‐質(zhì)譜聯(lián)用儀的日常維護(hù)[J]．計(jì)量與測(cè)試技術(shù),2011，38(7)：4-5，7．

[5] 張寶華，韓江振， 白月霞，蘇果歲. 提高氣相色譜‐質(zhì)譜聯(lián)用儀靈敏度的方法[J]．化學(xué)分析計(jì)量,2008，17(5)：63-66．

[6] 于雅琴，吳光紅. 氣相色譜-質(zhì)譜聯(lián)用儀的維護(hù)及保養(yǎng)[J]．分析試驗(yàn)室，,2008， 27(增刊)：410-412．

邰垣東，男，1964年出生，1989年畢業(yè)于廣播電視大學(xué)，工程師。

10.3936/j.issn.1001-232x.2015.04.022

2015-01-16