黃浩穎　李樂　鄭佳悅　周偉偉　毛廣瑋

摘要：針對氣相色譜儀在高校實驗教育中存在許多問題，我們利用單片機，將氣相色譜儀實驗教學模型與仿真系統(tǒng)相配合，完成全程模擬的仿真操作，從而實現(xiàn)虛擬仿真教學的實踐與推廣，充分鍛煉學生動手能力并顯著提高教育教學質量。

關鍵詞：氣相色譜儀；單片機；仿真教學

氣相色譜儀（gas chromatograph，GC）是分析具有揮發(fā)性、熱穩(wěn)定性、沸點不超過400℃的有機化合物的儀器，該項技術是一種應用極為廣泛的分離、分心復雜混合物的方法，在石油化工、環(huán)境科學、醫(yī)藥衛(wèi)生、商品檢驗、藥物分析等領域發(fā)揮著極為重要的作用。由于儀器設備的昂貴，一般大型企業(yè)才會配備，用于高校教學很少。在普通教學中，不正當操作極易造成儀器損壞，許多學生得不到動手的機會，無法深刻理解其中結構和工作原理，更難掌握具體的使用方法和操作，這對學習和理解儀器的工作原理帶來極大的困難。

為了解決上述問題，我們利用設計仿真教學平臺的理論思想，為高校教學提供了一種氣相色譜儀實驗教學模型，不需要價格昂貴的儀器設備、藥品，只需要與仿真操作軟件配合，就能夠實現(xiàn)全程模擬的仿真操作，幫助同學們理解儀器工作原理，掌握儀器的操作。在日常的教學中應用仿真實驗教學模型將顯著提高高校實驗教學的質量，并對推動和深化實驗教學改革產(chǎn)生積極的影響。

1模型的總體設計

這種氣相色譜儀教學實驗學模型，包括氣路系統(tǒng)、采集控制系統(tǒng)、計算機以及安裝在計算機內(nèi)的仿真系統(tǒng)。其中，由氣路系統(tǒng)和采集控制系統(tǒng)構成的仿真儀器仿照真實儀器的運轉流程與原理；利用VB6.0平臺搭建的仿真工作站，能收集基本涵蓋本科教學所需的實驗數(shù)據(jù)。

1.1氣路系統(tǒng)的設計

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）、檢測器（16）、集氣瓶（17）和進樣針（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）、檢測箱（16）和集氣瓶（17）通過管路（19）依次串聯(lián)；所述進樣針（18）通過管路（19）與交換室（14）相連；

1.2采集控制系統(tǒng)的設計

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

單片機（25）通過進樣控制單元（21）控制進樣針（18）；

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

信息采集單元（23）包括流速計（231）、溫度傳感器（232）和二氧化碳傳感器（233），所述流速計（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）置于檢測箱（16）內(nèi)；單片機（25）通過采樣電路（234）采集流速計（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（25）和計算機之間的數(shù)據(jù)通信。

2、該實驗教學模型的具體實施方式

這種氣相色譜儀教學實驗學模型的工作過程是這樣的：載氣瓶中的二氧化碳氣體通過管路經(jīng)減壓閥進入干燥管進行干燥，再進入交換室；采集控制系統(tǒng)通過溫度傳感器采集交換室內(nèi)溫度，當溫度低于設定溫度時，單片機控制加熱開關接通，加熱部件開始加熱；當溫度達到目標溫度時，單片機控制進樣針將待測樣氣體通過管路注入交換室，兩種氣體在交換室充分混合、加熱，然后進入螺旋玻璃管過濾吸收，再進入檢測箱檢測；單片機通過流速計和二氧化碳傳感器采集氣體流速和二氧化碳濃度，并通過通信單元將采集的信息發(fā)送給計算機；單片機還可以通過進樣控制單元控制減壓閥和進樣針調節(jié)二氧化碳和待測樣的進氣速度；計算機接收到單片機發(fā)來的接收有氣體通過的信號后，會讀取根據(jù)設定好的樣品名稱，讀取數(shù)據(jù)庫相應的數(shù)據(jù)，查看相應的實驗報告，動態(tài)波峰圖等結果；廢氣經(jīng)管路排入集氣瓶。

3結論

這種氣相色譜儀教學實驗學模型簡潔、方便、經(jīng)濟，不需要價格昂貴的專用儀器，選用易存儲，易檢測，價格低，安全性高的二氧化碳作為流動相，樣品可用任何氣體，降低成本的同時顯著提高了安全性。且在現(xiàn)有計算機仿真系統(tǒng)的配合下，這種氣相色譜儀教學實驗學模型能完成全程模擬的仿真操作，達到明顯的檢測效果，在對幫助學生進一步理解儀器工作原理，掌握儀器的操作，提高學生動手能力和教學質量上有切實幫助。