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一、前言

气路系统是元素分析仪的“血液循环系统”，负责将氧气、载气等气体精确输送至燃烧、还原、分离及检测各个环节。其设计与性能直接影响分析的准确性、重复性和稳定性。

赛默飞 FlashSmart 元素分析仪 采用模块化气路设计，结合精密的电子质量流量控制系统（MFC）与高纯气体净化路径，实现了对气体流量、压力与纯度的全自动化精密控制。它不仅能够保证燃烧与反应完全，还能稳定检测信号，减少背景干扰。

本篇文稿将从气路结构原理、主要部件功能、流向逻辑、控制方式、维护管理等方面，系统介绍 FlashSmart 元素分析仪的气路设计与工作原理，帮助使用者全面理解气体系统的运行机制。

二、气路系统的总体结构概述

FlashSmart 的气路系统由多个子系统组成，形成一个封闭、连续、可控的气体通路。整体可分为以下五个部分：

1. 气源供应系统 —— 提供高纯氧气与载气（氦气或氩气）；

2. 气体控制与分配系统 —— 控制气流方向与流量；

3. 反应区气路系统 —— 燃烧炉、还原炉气体流通通道；

4. 分离与检测气路系统 —— 将生成气体送入分离柱及热导检测器（TCD）；

5. 排气系统 —— 排出废气，保持系统平衡。

气体流动路径以惰性材料为主，采用耐高温不锈钢管线与密封接头，确保气体纯度与压力稳定。

三、气路原理图整体说明

在 FlashSmart 的结构设计中，气体流动方向大体呈“Z”字型布局：

• 氧气由气瓶经减压器进入仪器，通过电磁阀与流量控制器进入燃烧区；

• 载气（氦气或氩气）从另一气瓶进入，作为气体传输与稀释介质；

• 燃烧后生成的混合气体经还原管、吸附管净化后，被送入分离柱；

• 最终进入检测器（TCD）完成信号检测，残余气体通过排气系统排出。

整个气路形成一个密闭循环，无外部气体进入，确保测量结果不受外界干扰。

四、气源供应系统

1. 氧气系统

功能：提供燃烧所需氧化剂，使样品完全氧化。

主要组成：

• 高纯氧气瓶（纯度 ≥99.999%）；

• 双级减压阀（控制输出压力，一般设定为 2–3 bar）；

• 电磁阀（控制氧气通断）；

• 电子质量流量控制器（MFC-O₂）。

流向：
氧气 → 减压阀 → 电磁阀 → MFC → 燃烧炉反应区。

控制特点：
FlashSmart 软件可根据分析阶段自动调节氧气流量，分阶段供氧以防爆燃。例如在进样初期供氧量较低，燃烧后期自动提高流速以确保反应完全。

2. 载气系统

功能：

1. 作为惰性传输介质，将燃烧产物送至检测系统；

2. 稀释反应气体，降低背景噪声；

3. 维持系统压力与气体循环。

主要组成：

• 高纯氦气或氩气瓶（纯度 ≥99.999%）；

• 减压阀与过滤器；

• 主载气控制阀（Solenoid Valve）；

• MFC-He（电子流量控制器）。

流向：
氦气瓶 → 减压器 → MFC → 分配阀 → 反应区 → 分离柱 → TCD。

控制特点：
MFC 根据方法参数自动设定流速（通常为 90–130 mL/min）。系统通过压力传感器监测稳定性，若压力偏差超过 ±0.05 bar，会触发自动报警。

五、反应区气路结构

反应区是气路系统的核心部分，包含燃烧管与还原管两级反应通道。

1. 燃烧区气路

主要结构：

• 燃烧炉（950–1050°C）；

• 石英燃烧管；

• 氧化填料（氧化铜、铬氧化物等）；

• 进样通道。

工作原理：
样品通过进样系统进入燃烧管，在高温与氧气作用下被完全氧化生成 CO₂、H₂O、NOx、SO₂ 等气体。

气体流动路径：
进样口 → 燃烧管 → 氧化区 → 出口连接还原管。

气体控制逻辑：
氧气通过电磁阀和 MFC 控制，载气持续流动以输送生成气体。燃烧区与还原区之间由高温阀门隔离，防止气体倒流。

2. 还原区气路

主要结构：

• 还原炉（650–700°C）；

• 铜还原剂管；

• 防返流阀与连接管。

作用：
将燃烧产物中的 NOx 还原为 N₂，去除过量氧气，稳定混合气组成。

气体流动路径：
燃烧区出口 → 还原管 → 干燥管 → 分离系统。

设计特点：

• 铜粉床具有强还原性，可高效转化 NOx；

• 系统内设温控传感器，确保还原温度恒定；

• 气体流动单向，防止逆流造成污染。

六、分离与检测气路

此部分决定了分析结果的分辨率与灵敏度。

1. 分离柱系统

组成：

• 微量气体色谱柱（GC Column）；

• 柱温控制模块；

• 定量环与切换阀。

功能：
将混合气体按时间顺序分离为单一组分（CO₂、H₂O、N₂ 等）。

气流路径：
还原管出口 → 定量环 → 分离柱 → 检测器入口。

控制逻辑：
FlashSmart 软件可设定切换阀的时序，实现不同模式下的分离，如 CHN 或 CHNS 模式。

2. 检测器系统

检测类型：热导检测器（TCD）。

结构：

• 检测池（含钨丝或镍丝桥）；

• 参考气通道；

• 信号放大与采集模块。

工作原理：
气体通过检测池时，因导热性能不同而引起检测丝温度变化。温差转化为电信号，经放大后输出为峰形图。

气流方向：
分离柱出口 → TCD 检测池 → 排气口。

检测精度控制：
系统实时监测检测池温度（保持恒温 ±0.1°C），防止信号漂移。

七、辅助气路与排气系统

1. 辅助气体通路

部分模式下（如氧分析或硫分析）需要使用辅助气体，如氩气冲洗或高流量氧气助燃。该气路通过额外的电磁阀与 MFC 控制，与主气路并联。

作用：

• 加速系统清洗；

• 提高特殊样品的燃烧效率；

• 降低残留气体干扰。

2. 排气系统

构成：

• 排气阀；

• 导气管（连接实验室排气管道）；

• 安全过滤器。

功能：
将分析后的废气（CO₂、N₂、H₂O 蒸汽等）安全排出；防止倒吸污染；保持系统压力平衡。

安全设计：

• 采用单向止回阀结构，防止外界气体倒流；

• 排气管采用耐高温材料，防止冷凝。

八、电子质量流量控制系统（MFC）

1. MFC 的作用

电子质量流量控制器是 FlashSmart 气路控制的核心部件，用于调节和稳定气体流量。它可实现：

• 自动精确控制气体流速；

• 实时反馈调节；

• 与分析方法同步切换。

2. 工作原理

MFC 由热式传感器、比例阀和控制电路组成。当气体流经传感器时，其温度变化与流速成正比。控制器通过反馈信号调节比例阀开度，保证流量恒定。

3. 在 FlashSmart 中的应用

• 氧气 MFC：控制燃烧阶段的供氧速率；

• 载气 MFC：维持恒定载气流量；

• 辅助气 MFC：用于清洗或特殊分析模式。

系统可在软件中监控 MFC 状态，并自动记录每次分析的流量数据。

九、气路控制与自动化逻辑

FlashSmart 的气路系统由中央控制单元（CPU）和软件协同管理，具有高度自动化特征：

1. 自动启动程序：开机时自动检测气体压力与阀门状态；

2. 阶段性供气控制：根据燃烧阶段动态调整氧气流速；

3. 安全锁定功能：若检测到压力异常或漏气，系统立即停止供气；

4. 自动清洗程序：分析结束后自动切换气路，清除残留气体；

5. 远程监控：软件可实时显示各气体流量、压力与阀门状态。

十、气路维护与检查

保持气路清洁与密封是长期稳定运行的关键。

1. 定期维护周期

2. 漏气检测方法

• 使用电子检漏仪或肥皂水测试所有连接点；

• 检查 MFC、阀门及接头是否松动；

• 若发现漏气，应及时更换密封圈或重新紧固。

3. 清洗注意事项

• 关闭所有气源并切断电源；

• 使用惰性气体（氦气）低流速冲洗系统；

• 禁止使用含水或含有机溶剂的清洗方法。

十一、气路异常与故障排查

十二、气路系统的优势与创新

赛默飞 FlashSmart 的气路设计相较传统元素分析仪具有以下特点：

1. 双通道独立控制 —— 氧气与载气分别由独立 MFC 控制，提高反应精确度；

2. 全自动阀组切换 —— 通过软件控制阀门时序，适应不同元素模式（CHN、CHNS、O）；

3. 惰性材料路径 —— 降低气体吸附与污染；

4. 模块化设计 —— 便于维护、更换与升级；

5. 智能自诊断 —— 实时监测气压与流量，异常自动报警；

6. 能耗低、效率高 —— 气体利用率高，减少实验成本。