氣相色譜中的流動相又稱作載氣。氣相色譜的分離作用正是通過目標(biāo)物在載氣與固定相兩相之間的反復(fù)分配平衡而實(shí)現(xiàn)的，是一個動態(tài)平衡過程。而推動這一過程的動力正是載氣的不斷流動。因此，氣流的控制是氣相色譜分析中需要解決的關(guān)鍵問題，氣路控制系統(tǒng)也是氣相色譜儀的核心技術(shù)之一。

　　作為檢測人員，其工作是使用氣相色譜儀，而不是維修和制造儀器。

　　因此很多人認(rèn)為把儀器當(dāng)做一個黑箱就好了，只需要把樣品放進(jìn)去，然后等儀器報告一個結(jié)果出來。

　　其實(shí)不然。把儀器當(dāng)做黑箱來使用，就永遠(yuǎn)只能進(jìn)行機(jī)械的重復(fù)，難以有所突破；只有了解儀器的結(jié)構(gòu)與特性，才能充分發(fā)揮儀器的潛力。

　　君不見，運(yùn)動員都要學(xué)習(xí)生理學(xué)和解剖學(xué)，這樣才能最充分的提升體能；手要對的結(jié)構(gòu)與性能了如指掌才能夠彈無虛發(fā)；甚至連廚師也必須對鍋的材質(zhì)、灶的火力了然于心，否則難以烹制出美味。因此，檢驗(yàn)人員也是應(yīng)當(dāng)對儀器原理與結(jié)構(gòu)有充分了解的。

　　目前國內(nèi)關(guān)于氣相色譜儀的教材與專著甚多，但是對于儀器結(jié)構(gòu)，特別是對于氣路控制系統(tǒng)的講解很少。有些只簡單介紹了大致框架，有些講解的內(nèi)容較為陳舊，與當(dāng)前的儀器相去甚遠(yuǎn)，甚至還有不少脫離實(shí)際、以訛傳訛的東西出現(xiàn)在教材上，對初學(xué)者產(chǎn)生誤導(dǎo)。

　　而儀器廠商出于保護(hù)商業(yè)利益的目的，提供的資料往往對結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)避而不談，或者對關(guān)鍵技術(shù)遮遮掩掩。為了能夠?qū)饬骺刂频脑淼姆椒ㄓ型暾睦斫?、能夠更好的使用和維護(hù)氣相色譜儀的氣路，我對相關(guān)資料進(jìn)行了收集和整理，編訂成4個部分的內(nèi)容，供大家學(xué)習(xí)參考。

　　氣流控制的基本原理

　　流體力學(xué)中對于氣體的流動有相當(dāng)龐雜的討論，涉及到很多復(fù)雜的概念和公式。但是作為化學(xué)檢測的相關(guān)人員，在這方面沒有必要進(jìn)行精確的計(jì)算，只需要進(jìn)行定性的理解和半定量的估算就夠了。

　　因此這里只對最基本的概念和最簡化的公式進(jìn)行介紹，對于概念只做描述而不下定義，對于數(shù)量關(guān)系只做估算或者半定量分析。想要深入學(xué)習(xí)，則需要詳細(xì)閱讀流體力學(xué)相關(guān)書籍。

　　1.1 基本概念

　　1.1.1 氣體

　　氣相色譜分析中常用的純氣體有氫氣、氮?dú)狻⒀鯕?、氬氣等，混合氣體有空氣、氬-甲烷（96/4）等。這些氣體在常用的工作條件下都可以近似認(rèn)為是理想氣體，服從理想氣體狀態(tài)方程：

　　

　　其中：p為氣體壓強(qiáng)，V為氣體體積，T為氣體溫度，m為氣體質(zhì)量，ρ為氣體密度，M為摩爾質(zhì)量（混合氣體時為平均摩爾質(zhì)量），n為物質(zhì)的量。

　　1.1.2 流量

　　流量是指單位時間內(nèi)通過某處的氣體的多少。氣體的多少可以用體積表示，相應(yīng)的有“體積流量”（用FV表示），也可以用質(zhì)量表示，相應(yīng)的是“質(zhì)量流量” （用Fm表示）。雖然也可以用物質(zhì)的量表示氣體的多少，但是實(shí)際上很少這樣用。

　　質(zhì)量流量與體積流量可以通過理想氣體狀態(tài)方程來進(jìn)行換算，公式如下：

　　雖然通常習(xí)慣使用體積流量較多，但應(yīng)該注意，體積是受壓強(qiáng)與溫度影響的，不同溫度、壓強(qiáng)下的體積流量的數(shù)值是不同的。因此我們在使用體積流量時，一般必須換算成標(biāo)態(tài)下（101 KPa、25℃）的體積流量FθV，這樣的流量數(shù)據(jù)才具有可比性，否則就無法提供參考價值。換算公式如下：

　　FθV與溫度壓強(qiáng)無關(guān)，使用起來比Fm更加直觀，因此對于很多測量和控制質(zhì)量流量的場合，也習(xí)慣使用FθV來表示。另外要注意，以上二者換算時要考慮氣體的種類。

　　1.1.3 壓力

　　通常所說的壓力，本質(zhì)上應(yīng)該是指氣體壓強(qiáng)。壓力這一說法并不規(guī)范，但習(xí)慣上卻廣泛使用，難以改正過來。我們在使用時應(yīng)對其真實(shí)含義有正確的認(rèn)識。

　　另一個要區(qū)分的概念是“壓力”與“表壓”。壓力就是指的物理定義上的氣體壓強(qiáng)。而表壓則是壓力測量裝置顯示出的壓強(qiáng)數(shù)值。由于對于大部分壓力測量裝置無法測量氣體壓強(qiáng)的值，只能測得對象與某參考點(diǎn)之間的壓強(qiáng)差值，因此必須一個參考點(diǎn)。通常都是以大氣壓作為參考點(diǎn)，所以：

　　氣體壓強(qiáng) = 表壓 101KPa

　　例如，某鋼瓶上的壓力表顯示讀書為5MPa，那么鋼瓶中充裝氣體的實(shí)際壓強(qiáng)應(yīng)該為5.1MPa；又例如，某色譜儀顯示柱前壓為80KPa，那么實(shí)際上色譜柱前端載氣的壓強(qiáng)是181KPa。

　　要注意的是，作為參考點(diǎn)的大氣壓并不是常數(shù)，而會隨天氣、地理位置發(fā)生變化，因此在需要準(zhǔn)確計(jì)算時不能直接算作101KPa，而是以大氣壓計(jì)實(shí)測為準(zhǔn)。另外要注意的是，并不是所有的壓力儀表都以大氣壓為參考點(diǎn)，也有少部分儀表的讀數(shù)是以真空為參考點(diǎn)，所以使用時要注意區(qū)別。

　　但是根據(jù)習(xí)慣，未指明時，表壓默認(rèn)都是以大氣壓為參考點(diǎn)。

　　在考慮流量問題時，只測量氣路中某一點(diǎn)的壓力是不夠的，我們一般更加關(guān)心的是氣路中某兩點(diǎn)之間的壓差（也叫做壓降）。

　　這一點(diǎn)實(shí)際上與電路中的電壓類似，分析電路時我們更加關(guān)心的實(shí)際上是電位差，而不是電位的值。對于一段管路，如果在其入口處安裝一個壓力表，出口處通大氣，那么出口處壓強(qiáng)是101KPa，入口處壓強(qiáng)是表壓 101KPa，所以這段管路上的壓降在數(shù)值上就等于表壓。但要明確的是，這只是數(shù)值上相等，壓強(qiáng)與壓降的物理意義是不同的。如果出口壓強(qiáng)不是大氣壓，表壓是不等于壓降的，必須通過兩個壓力表同時測定入口和出口壓強(qiáng)，相減之后得到管路上的壓降。

　　1.1.4 阻尼（或者叫做“氣阻”）

　　無論什么形狀的管路，氣流在通過的時候都不可能*暢通無阻，或者說任何管路對氣流的流動都有一定的阻礙。這種阻礙作用的大小可以用阻尼來表示。對阻尼的理解，可以類比電阻，電流流過導(dǎo)體時要克服一定阻力，這種阻力稱作電阻（一般用R表示）；氣流流過管路也需要克服一定阻力，這種阻力我們可以較為通俗的稱作“氣阻”（這里用r表示）。

　　1.2 壓力與阻尼對流量的影響

　　前面對于各個基本概念進(jìn)行了介紹，其實(shí)本質(zhì)目的是要進(jìn)一步討論上述幾個量之間的相互關(guān)系。前面為了便于理解，多次運(yùn)用了與電路基本概念類比的方法。這里為了避免引入復(fù)雜的流體力學(xué)推導(dǎo)過程，仍然采用類比的方法，相關(guān)結(jié)論雖然并不十分嚴(yán)謹(jǐn)，但基本上是符合原理和實(shí)驗(yàn)事實(shí)的。需要了解準(zhǔn)確結(jié)果和嚴(yán)格推導(dǎo)過程的，可以參閱流體力學(xué)相關(guān)教材。

　　在電路中，為了使電子流過電阻R，需要通過電勢差U來作為推動力。在電勢差U的推動作用下，流過電阻R的電流大小為I，符合歐姆定律：

　　類似的，在氣路中，為了是氣體流過阻尼為r的管路，需要壓強(qiáng)差Δp來作為推動力。在壓強(qiáng)差Δp的推動作用下，流過氣阻r的體積流量大小為FV，三者之間的關(guān)系與歐姆定律類似：

　　

　　其中pin、pout分別為入口氣體壓強(qiáng)和出口氣體壓強(qiáng)，k在一定條件下為常數(shù)，可通過實(shí)驗(yàn)測得。

　　上述公式并不*準(zhǔn)確，卻可以很好的幫助我們理解影響氣體流量的因素。根據(jù)上述公式可以得到如下結(jié)論：

　　當(dāng)管路阻力恒定時，維持壓差恒定就可以獲得恒定的流量。

　　當(dāng)管路阻力恒定時，通過改變壓差可以獲得任意需要的流量。

　　當(dāng)維持壓差恒定時，通過改變阻力大小可以獲得任意需要的流量。

　　當(dāng)管路阻力增大時，如果壓差維持恒定，流量將減??；反之亦然。

　　當(dāng)管路阻力增大時，為了維持流量恒定，則必須相應(yīng)的增加壓差；反之亦然。

　　如果維持流量恒定，壓差增大可以反映出管路阻力的增大（如堵塞現(xiàn)象）；壓差減小可以反映出管路阻力的減?。ㄈ缧孤┈F(xiàn)象）。

　　如果維持壓差恒定，流量的增大可以反映出管路阻力的減小（如泄漏現(xiàn)象）；流量減小可以反映出管路阻力的增大（如堵塞現(xiàn)象）

　　對于一個確定管路系統(tǒng)，如果其出口與大氣直接相通，則pout為恒定值且已知，此時根據(jù)入口壓就可以確定其流量。

　　如果其出口與大氣沒有直接連通，則必須分別測定其入口和出口的壓強(qiáng)才能計(jì)算其流量。

　　要注意的是，上述公式主要用于定性理解。由于氣體具有顯著的可壓縮性和熱膨脹性，準(zhǔn)確的計(jì)算公式十分復(fù)雜，不僅要考慮壓差，還要考慮壓強(qiáng)的值。而且管路的阻尼大小難以簡單的定量衡量，氣阻r只是為了理解方便而假想的一個物理量，因此遇到定量計(jì)算時必須要采用更加準(zhǔn)確的公式。

　　例如，對于內(nèi)徑均勻光滑的毛細(xì)管，其流量計(jì)算的準(zhǔn)確公式為：

　　而對于形狀不規(guī)則的管路，目前尚無有效的計(jì)算公式，只能通過實(shí)驗(yàn)測得經(jīng)驗(yàn)公式。

　　這種經(jīng)驗(yàn)公式一般具有冪函數(shù)F = kΔpa（1＜a＜2），或者二次函數(shù)F = aΔp2 bΔp的形式。較為典型的擬合圖形如下：

　　25℃時氫氣流經(jīng)毛細(xì)管（內(nèi)徑0.1mm，長100mm）的壓強(qiáng)-流量擬合（出口壓強(qiáng)101KPa）

　　1.3 影響阻尼的因素

　　前面已經(jīng)講到，阻尼（或氣阻）的大小很難定量表達(dá)和計(jì)算。但要對阻尼的大小進(jìn)行定性和半定量的討論卻是較為容易的，這種討論也有助于我們更加清楚的理解氣體流動時產(chǎn)生阻力的原因?？偟膩碚f，影響阻尼大小的因素包括管路幾何形狀、氣體粘度、管壁粗糙程度三個方面。

　　1.3.1 管路幾何形狀的影響

　　從生活常識中我們很容易知道，粗而短的水管阻力小、出水量大，細(xì)而長的水管阻力大、出水量小。氣體流動的規(guī)律也是符合這一生活常識的。一般來講，管路阻尼大小正比于管路的長度，而反比于其橫截面積的平方。對于截面為規(guī)則圓形的管路，則可以導(dǎo)出，阻尼大小與半徑的4次方成反比。對于截面大小不均勻的管路就難以用簡單數(shù)學(xué)關(guān)系表示，此時可以把不規(guī)則的管路分成若干節(jié)，每一節(jié)近似為均勻的，總的阻尼就可以理解為所有個節(jié)阻尼的加和。阻尼的變化可以從恒定壓差時流量的變化反映出來。對于截面為圓形的均勻毛細(xì)管，內(nèi)徑與長度對流量的影響如下圖：

　　內(nèi)徑0.2mm，長分別為100、200、300、400、500mm

　　長500mm，內(nèi)徑分別為0.10、0.15、0.20、0.25、0.30mm

　　25℃時氫氣流經(jīng)毛細(xì)管的壓強(qiáng)-流量擬合（入口壓強(qiáng)151KPa，出口壓強(qiáng)101KPa）

　　管路橫截面積對阻尼的影響，從本質(zhì)上講是氣流線速度對流動阻力的影響。顯然，體積流速FV是線速度u與橫截面積S截的乘積：

　　橫截面積越小則氣流的線速度越大，而流體力學(xué)中已經(jīng)證明，在大多數(shù)情況下，流動阻力與線速度的平方成正比。

　　從線速度的角度進(jìn)行分析，還可以發(fā)現(xiàn)影響氣體流動的另一個隱藏因素是溫度。因?yàn)闅怏w的體積與熱力學(xué)溫度T成正比，在質(zhì)量流量恒定（或者是標(biāo)態(tài)下的體積流量恒定）時，線速度近似正比于熱力學(xué)溫度，所以在溫度升高時，流動的阻力會顯著增加。而當(dāng)推動力恒定（也就是壓強(qiáng)恒定）時，質(zhì)量流量（或標(biāo)態(tài)下的體積流量）或顯著減小。根據(jù)這一原理，就能更好的理解，為什么毛細(xì)管柱程序升溫過程中柱壓恒定而柱流量逐漸減小，或者柱流量恒定而柱壓逐漸升高。這兩種變化如下圖所示：

　　pin=151KPa，pout=101KPa

　　FθV=2.5mL/min，pout=101KPa

　　毛細(xì)管柱（30m*0.32mm）程序升溫過程中柱流量、柱壓隨溫度的變化

　　1.3.2 氣體粘度的影響

　　根據(jù)線速度進(jìn)行分析，壓力恒定時，流量應(yīng)該與熱力學(xué)溫度的平方成反比。但上圖顯示，流量隨溫度變化的幅度略小于這一趨勢。這是因?yàn)殡S著溫度升高，氣體的粘度減小，這對氣體流動是有利的，因此抵消了一部分流量降低的趨勢。

　　粘度對氣體流動的影響是顯而易見的。

　　生活常識告訴我們，菜油這類粘稠液體比清水流動要困難得多。氣體流動也是類似的。除了前面提到溫度影響粘度的情況外，最主要的是不同種類氣體粘度不同。通常氫氣粘度是最小的，氦氣、氮?dú)狻鍤獾日扯纫蟮枚?。不同氣體流經(jīng)毛細(xì)管的流量-壓力曲線如下：

　　25℃時不同氣體流經(jīng)毛細(xì)管（內(nèi)徑0.1mm，長100mm）的壓強(qiáng)-流量擬合（出口壓強(qiáng)101KPa）

　　1.3.3 管壁粗糙度的影響

　　氣體流動的阻力除了來自氣體內(nèi)部的摩擦力外，還有氣體與管壁之間的摩擦力。色譜儀使用的管路和閥件一般有不銹鋼、黃銅、塑料、玻璃等材質(zhì)，這些材料表面一般都較為光滑，氣體與管壁之間的摩擦力不大。相對前面提到的各個因素來說，管壁造成的摩擦形成的阻力要小得多，基本上可以忽略不計(jì)，所以一般不予討論。