气相色谱仪实验教学模型的实现

黄浩颖　李乐　郑佳悦　周伟伟　毛广玮

摘要：针对气相色谱仪在高校实验教育中存在许多问题，我们利用单片机，将气相色谱仪实验教学模型与仿真系统相配合，完成全程模拟的仿真操作，从而实现虚拟仿真教学的实践与推广，充分锻炼学生动手能力并显著提高教育教学质量。

关键词：气相色谱仪；单片机；仿真教学

气相色谱仪（gas chromatograph，GC）是分析具有挥发性、热稳定性、沸点不超过400℃的有机化合物的仪器，该项技术是一种应用极为广泛的分离、分心复杂混合物的方法，在石油化工、环境科学、医药卫生、商品检验、药物分析等领域发挥着极为重要的作用。由于仪器设备的昂贵，一般大型企业才会配备，用于高校教学很少。在普通教学中，不正当操作极易造成仪器损坏，许多学生得不到动手的机会，无法深刻理解其中结构和工作原理，更难掌握具体的使用方法和操作，这对学习和理解仪器的工作原理带来极大的困难。

为了解决上述问题，我们利用设计仿真教学平台的理论思想，为高校教学提供了一种气相色谱仪实验教学模型，不需要价格昂贵的仪器设备、药品，只需要与仿真操作软件配合，就能够实现全程模拟的仿真操作，帮助同学们理解仪器工作原理，掌握仪器的操作。在日常的教学中应用仿真实验教学模型将显著提高高校实验教学的质量，并对推动和深化实验教学改革产生积极的影响。

1模型的总体设计

这种气相色谱仪教学实验学模型，包括气路系统、采集控制系统、计算机以及安装在计算机内的仿真系统。其中，由气路系统和采集控制系统构成的仿真仪器仿照真实仪器的运转流程与原理；利用VB6.0平台搭建的仿真工作站，能收集基本涵盖本科教学所需的实验数据。

1.1气路系统的设计

气路系统（如图1）包括载气瓶（11）、减压阀（12）、干燥管（13）、交换室（14）、螺旋玻璃管（15）、检测器（16）、集气瓶（17）和进样针（18），所述载气瓶（11）、减压阀（12）、干燥管（13）、交换室（14）、螺旋玻璃管（15）、检测箱（16）和集气瓶（17）通过管路（19）依次串联；所述进样针（18）通过管路（19）与交换室（14）相连；

1.2采集控制系统的设计

采集控制系统（如图2）包括进样控制单元（21）、加热单元（22）、信息采集单元（23）和通信单元（24）和单片机（25）；

单片机（25）通过进样控制单元（21）控制进样针（18）；

加热单元（22）包括加热部件（221）和加热开关（222），所述加热部件（221）置于交换室（15）内；加热开关（222）受单片机（25）控制；

信息采集单元（23）包括流速计（231）、温度传感器（232）和二氧化碳传感器（233），所述流速计（14）串接在气路系统中，所述温度传感器（231）置于交换室（15）内，所述二氧化碳传感器（232）置于检测箱（16）内；单片机（25）通过采样电路（234）采集流速计（231）、温度传感器（232）和二氧化碳传感器（233）的信息；

通信单元（24）用于单片机（25）和计算机之间的数据通信。

2、该实验教学模型的具体实施方式

这种气相色谱仪教学实验学模型的工作过程是这样的：载气瓶中的二氧化碳气体通过管路经减压阀进入干燥管进行干燥，再进入交换室；采集控制系统通过温度传感器采集交换室内温度，当温度低于设定温度时，单片机控制加热开关接通，加热部件开始加热；当温度达到目标温度时，单片机控制进样针将待测样气体通过管路注入交换室，两种气体在交换室充分混合、加热，然后进入螺旋玻璃管过滤吸收，再进入检测箱检测；单片机通过流速计和二氧化碳传感器采集气体流速和二氧化碳浓度，并通过通信单元将采集的信息发送给计算机；单片机还可以通过进样控制单元控制减压阀和进样针调节二氧化碳和待测样的进气速度；计算机接收到单片机发来的接收有气体通过的信号后，会读取根据设定好的样品名称，读取数据库相应的數据，查看相应的实验报告，动态波峰图等结果；废气经管路排入集气瓶。

3结论

这种气相色谱仪教学实验学模型简洁、方便、经济，不需要价格昂贵的专用仪器，选用易存储，易检测，价格低，安全性高的二氧化碳作为流动相，样品可用任何气体，降低成本的同时显著提高了安全性。且在现有计算机仿真系统的配合下，这种气相色谱仪教学实验学模型能完成全程模拟的仿真操作，达到明显的检测效果，在对帮助学生进一步理解仪器工作原理，掌握仪器的操作，提高学生动手能力和教学质量上有切实帮助。