氣相色譜儀實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型的實(shí)現(xiàn)

黃浩穎　李樂(lè)　鄭佳悅　周偉偉　毛廣瑋

摘要：針對(duì)氣相色譜儀在高校實(shí)驗(yàn)教育中存在許多問(wèn)題，我們利用單片機(jī)，將氣相色譜儀實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型與仿真系統(tǒng)相配合，完成全程模擬的仿真操作，從而實(shí)現(xiàn)虛擬仿真教學(xué)的實(shí)踐與推廣，充分鍛煉學(xué)生動(dòng)手能力并顯著提高教育教學(xué)質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：氣相色譜儀；單片機(jī)；仿真教學(xué)

氣相色譜儀（gas chromatograph，GC）是分析具有揮發(fā)性、熱穩(wěn)定性、沸點(diǎn)不超過(guò)400℃的有機(jī)化合物的儀器，該項(xiàng)技術(shù)是一種應(yīng)用極為廣泛的分離、分心復(fù)雜混合物的方法，在石油化工、環(huán)境科學(xué)、醫(yī)藥衛(wèi)生、商品檢驗(yàn)、藥物分析等領(lǐng)域發(fā)揮著極為重要的作用。由于儀器設(shè)備的昂貴，一般大型企業(yè)才會(huì)配備，用于高校教學(xué)很少。在普通教學(xué)中，不正當(dāng)操作極易造成儀器損壞，許多學(xué)生得不到動(dòng)手的機(jī)會(huì)，無(wú)法深刻理解其中結(jié)構(gòu)和工作原理，更難掌握具體的使用方法和操作，這對(duì)學(xué)習(xí)和理解儀器的工作原理帶來(lái)極大的困難。

為了解決上述問(wèn)題，我們利用設(shè)計(jì)仿真教學(xué)平臺(tái)的理論思想，為高校教學(xué)提供了一種氣相色譜儀實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型，不需要價(jià)格昂貴的儀器設(shè)備、藥品，只需要與仿真操作軟件配合，就能夠?qū)崿F(xiàn)全程模擬的仿真操作，幫助同學(xué)們理解儀器工作原理，掌握儀器的操作。在日常的教學(xué)中應(yīng)用仿真實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型將顯著提高高校實(shí)驗(yàn)教學(xué)的質(zhì)量，并對(duì)推動(dòng)和深化實(shí)驗(yàn)教學(xué)改革產(chǎn)生積極的影響。

1模型的總體設(shè)計(jì)

這種氣相色譜儀教學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)模型，包括氣路系統(tǒng)、采集控制系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)以及安裝在計(jì)算機(jī)內(nèi)的仿真系統(tǒng)。其中，由氣路系統(tǒng)和采集控制系統(tǒng)構(gòu)成的仿真儀器仿照真實(shí)儀器的運(yùn)轉(zhuǎn)流程與原理；利用VB6.0平臺(tái)搭建的仿真工作站，能收集基本涵蓋本科教學(xué)所需的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1.1氣路系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

氣路系統(tǒng)（如圖1）包括載氣瓶（11）、減壓閥（12）、干燥管（13）、交換室（14）、螺旋玻璃管（15）、檢測(cè)器（16）、集氣瓶（17）和進(jìn)樣針（18），所述載氣瓶（11）、減壓閥（12）、干燥管（13）、交換室（14）、螺旋玻璃管（15）、檢測(cè)箱（16）和集氣瓶（17）通過(guò)管路（19）依次串聯(lián)；所述進(jìn)樣針（18）通過(guò)管路（19）與交換室（14）相連；

1.2采集控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

采集控制系統(tǒng)（如圖2）包括進(jìn)樣控制單元（21）、加熱單元（22）、信息采集單元（23）和通信單元（24）和單片機(jī)（25）；

單片機(jī)（25）通過(guò)進(jìn)樣控制單元（21）控制進(jìn)樣針（18）；

加熱單元（22）包括加熱部件（221）和加熱開關(guān)（222），所述加熱部件（221）置于交換室（15）內(nèi)；加熱開關(guān)（222）受單片機(jī)（25）控制；

信息采集單元（23）包括流速計(jì)（231）、溫度傳感器（232）和二氧化碳傳感器（233），所述流速計(jì)（14）串接在氣路系統(tǒng)中，所述溫度傳感器（231）置于交換室（15）內(nèi)，所述二氧化碳傳感器（232）置于檢測(cè)箱（16）內(nèi)；單片機(jī)（25）通過(guò)采樣電路（234）采集流速計(jì)（231）、溫度傳感器（232）和二氧化碳傳感器（233）的信息；

通信單元（24）用于單片機(jī)（25）和計(jì)算機(jī)之間的數(shù)據(jù)通信。

2、該實(shí)驗(yàn)教學(xué)模型的具體實(shí)施方式

這種氣相色譜儀教學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)模型的工作過(guò)程是這樣的：載氣瓶中的二氧化碳?xì)怏w通過(guò)管路經(jīng)減壓閥進(jìn)入干燥管進(jìn)行干燥，再進(jìn)入交換室；采集控制系統(tǒng)通過(guò)溫度傳感器采集交換室內(nèi)溫度，當(dāng)溫度低于設(shè)定溫度時(shí)，單片機(jī)控制加熱開關(guān)接通，加熱部件開始加熱；當(dāng)溫度達(dá)到目標(biāo)溫度時(shí)，單片機(jī)控制進(jìn)樣針將待測(cè)樣氣體通過(guò)管路注入交換室，兩種氣體在交換室充分混合、加熱，然后進(jìn)入螺旋玻璃管過(guò)濾吸收，再進(jìn)入檢測(cè)箱檢測(cè)；單片機(jī)通過(guò)流速計(jì)和二氧化碳傳感器采集氣體流速和二氧化碳濃度，并通過(guò)通信單元將采集的信息發(fā)送給計(jì)算機(jī)；單片機(jī)還可以通過(guò)進(jìn)樣控制單元控制減壓閥和進(jìn)樣針調(diào)節(jié)二氧化碳和待測(cè)樣的進(jìn)氣速度；計(jì)算機(jī)接收到單片機(jī)發(fā)來(lái)的接收有氣體通過(guò)的信號(hào)后，會(huì)讀取根據(jù)設(shè)定好的樣品名稱，讀取數(shù)據(jù)庫(kù)相應(yīng)的數(shù)據(jù)，查看相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，動(dòng)態(tài)波峰圖等結(jié)果；廢氣經(jīng)管路排入集氣瓶。

3結(jié)論

這種氣相色譜儀教學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)模型簡(jiǎn)潔、方便、經(jīng)濟(jì)，不需要價(jià)格昂貴的專用儀器，選用易存儲(chǔ)，易檢測(cè)，價(jià)格低，安全性高的二氧化碳作為流動(dòng)相，樣品可用任何氣體，降低成本的同時(shí)顯著提高了安全性。且在現(xiàn)有計(jì)算機(jī)仿真系統(tǒng)的配合下，這種氣相色譜儀教學(xué)實(shí)驗(yàn)學(xué)模型能完成全程模擬的仿真操作，達(dá)到明顯的檢測(cè)效果，在對(duì)幫助學(xué)生進(jìn)一步理解儀器工作原理，掌握儀器的操作，提高學(xué)生動(dòng)手能力和教學(xué)質(zhì)量上有切實(shí)幫助。