主题：【分享】电子流量控制下的压力和流量换算

在之前两节的内容中，我们介绍了气相色谱仪使用的电子流量控制装置的组成和简单原理；同时介绍了电子流量控制装置常用的三种控制模式：流量模式、压力模式和背压模式。对于气相色谱仪器的使用者来说，无论是流量模式、压力模式或者背压模式，在仪器面板和工作站软件上，能够呈现出来的直观量化参数和进行沟通交流时候使用的参数最常用的为流量和压力两种——即载气/空气/氢气的流量是多少，色谱柱的柱头压/柱前压是多少等等。

我们在使用各种机械阀操作仪器时候，接触的更多的是以压力来描述仪器的各种气体参数，当使用电子流量控制装置进行仪器操作时候，多数情况下呈现的是流量的数值。因此，可以说，即可使用流量来描述气相色谱仪的气体参数，也可以使用压力来描述气相色谱仪的气体参数。那么，压力和流量之间如何互通，如何进行转换，本节将进行介绍。

一 流量和压力的简单对应

以单气路通道电子流量控制装置的结构为例（见下图），如果同时安装了流量传感器和压力传感器，当采用流量传感器-控制电路-比例阀 来进行流量调节和控制的时候，可以通过压力传感器得到此时出口处的压力值；当采用压力传感器-控制电路-比例阀 来进行压力调节和控制的时候，可以通过流量传感器得到此时出口处的流量值。



需要说明的是，这种情况下的流量值和压力值是分别通过传感器获得的，只是简单地测量，彼此之间没有换算关系。

二 流量-压力曲线方式进行换算

对于检测器（如FID）而言，在使用机械阀的情况下，部分厂家采用稳压阀-气阻的形式进行流量控制。即保持气阻不变的情况下，调节气阻前面的压力（调节稳压阀的压力）来改变进入检测器中的气体的流量，见下图：



此种情况下，新仪器出厂时候，厂家都会附带压力-流量曲线表，便于用户通过调节稳压阀压力来调节流量。

对于使用电子流量装置的仪器而言（见下图示意），在出厂之前，也需要进行压力-流量的校准，建立压力-流量曲线，并将其存入电子流量装置内部——即仪器面板上所显示出来的的流量值，在仪器内部的需要通过压力-流量曲线换算成压力值，再通过电子流量装置的比例阀进行控制。



三 毛细管柱流量压力的换算和泊肃叶方程

在气相色谱分析中，如果使用毛细柱进行分析，经常会听到流量模式或者压力模式——这里所指的毛细柱分析的流量、压力模式与上一篇文章中所介绍的电子流量控制装置控制模式中的流量模式和压力模式并不相同——详细而言，毛细柱进样口的电子流量控制中并不存在简单的流量控制。

进样口涉及到的流量中，抛开分流流量和隔垫吹扫流量，毛细柱的流量实际上采用的压力控制模式（或是背压控制模式）——即控制柱前压使毛细柱的流量达到设定的数值。具体而言，日常所说的毛细柱分析的流量、压力模式实际上指的是电子流量控制装置采用压力控制模式（或是背压控制模式），使毛细柱的分析实现恒压（恒定柱前压）、恒流（恒定柱流量）、程序压力（脉冲压力）、程序流量等功能。

那么，电子流量控制装置是如何将压力转化为流量以实现恒流（恒定柱流量）和程序流量等功能的呢？

涉及到这个问题，则需要用到泊肃叶方程（Poiseuille’sEquation）和理想气态方程（PV=nRT）共同推导出来的压力流量计算公式，见下图：



通过以上公式，可以对毛细柱分析时候的压力和流量进行换算。同时，根据以上公式，还可以对毛细柱程序升温分析中流量和压力的变化进行探讨。

对于确定了毛细柱的气相色谱分析，毛细柱的长度（L）和内径（r）都是常量；色谱柱出口压力（P0）、标准温度（Tref）和标准压力（Pref）亦为常量；气体的粘滞系数（η）则随着温度升高而增长；因此可以得出以下结论：

（1）毛细柱程序升温中，如果柱前压恒定，温度升高，色谱柱流量降低。其变化趋势可见下图：



（2）毛细柱分析中，如果柱前压升高，温度恒定，色谱柱流量升高。其变化趋势可见下图：



因此而言，在毛细柱程序升温分析中，当升温引起柱流量下降时候，可以通过提高柱前压来实现流量保持不变。

四 一点题外话：毛细管柱分析中的线速度

在不同厂家的电子流量控制装置中，一般会提供恒压和恒流量控制模式两种，但是有的厂家也提供了恒线速度控制模式。一般我们认为线速度和柱流量是等效的，认为载气线速度等于流量除以色谱柱截面积。实际上，载气柱流量的计算公式和线速度的计算公式并不一样，分析结果也会略有差异。计算公式见下图：



根据色谱动力学理论中的范第姆特（van Deemter）方程



塔板高度（H）与线速度（u）相关的，因此保证线速度（平均线速度）不变，则可以保持恒定的柱效（塔板数n=色谱柱长度L/塔板高度H）。

以下是采用恒定流量和恒定线速度进行的同一样品的分析，在后期出峰的样品的保留时间略有差异。



以上是本节的全部内容，尤其需要说明的是，对于毛细柱分析，我们可以选择恒定流量、恒定压力或者恒定线速度等方式进行分析。无论采用何种方式进行分析，其都是电子流量装置进行计算后的结果，了解其计算原理，有利于更好的使用仪器