用于录井专用气相色谱仪的FID检测器

气相色谱仪是综合录井仪的核心部分，而FID 检测器又是气相色谱仪气体分析的重要组成部分。现有录井用的气相色谱仪采用的FID 检测器为通用型气相色谱FID 检测器，其结构决定了色谱柱由下至上垂直插入，因此，增大了检测器的占据空间，从而导致整个气相色谱仪的占据空间较大，在实际使用过程中还存在保养维修不便等问题。本设计提供了一种用于录井专用气相色谱仪的石英喷嘴型FID 检测器，克服了上述现有技术之不足，其效解决了现有通用型气相色谱FID 检测器与录井气相色谱适应差的问题。

1 FID检测器工作原理

如图1,氢火焰离子化检测器(Flame Ionization Detector，FID) 简称氢焰检测器。它的主要部件是一个用不锈钢制成的离子室。离子室由收集极、极化极(发射极)、气体入口及火焰喷嘴组成。在离子室下部，氢气与气混合后通过喷嘴，再与空气混合点火燃烧，形成氢火焰。无样品时两极间离子很少，当有机物进入火焰时 ，发生离子化反应，生成许多离子。在火焰上方收集极和极化极所形成的静电场作用下，离子流向收集极形成离子流。离子流经放大、记录即得色谱峰。有机物在氢火焰中离子化反应的过程如下：当氢和空气燃烧时，进入火焰的有机物发生高温裂解和氧化反应生成自由基，自由基又与氧作用产生离子。在外加电压作用下，这些离子形成离子流，经放大后被记录下来。所产生的离子数与单位时间内进入火焰的碳原子质量有关，因此，氢焰检测器是一种质量型检测器。这种检测器对绝大多数有机物都有响应，其灵敏度高，适合烃类有机物分析检测。

图1 FID检测器系统示意图

2 原用FID检测器结构缺点

公司录井色谱分析仪器，采用的是外购整套的通用型气相色谱FID 检测器， 这种FID检测器与色谱柱连接方式是由下至上垂直插入FID 检测器下部的连接通道内，此结构决定了检测器的垂直尺寸大，在色谱柱箱内占据空间，色谱柱安装更换不方便等的问题。原有结构中：点火头为耗材，需要经常更换，但其采用的是定做的铂合金点火头，批量小，成本高；收集极绝缘垫采用的陶瓷垫片，在安装受力时，易破碎；收集极输出线缆采用的是压接方式，直接压接在陶瓷片和收集极的凸台之间，连接可靠性差，长时间使用易生锈，断裂，更换也不方便;加热块采用的是普通加热棒加热方式，在温控失效的情况下，加热棒温度会不断上升，整个加热体甚至会烧红，造成整个检测器甚至整套仪器的损坏。如图2，为原用FID检测器结构图。

图2 原用FID检测器结构图

3 改进设计后的FID结构特点

针对上述原有FID检测器的缺陷，全新设计了一款FID检测器，提供了一种用于录井专用气相色谱仪FID 检测器，克服了上述现有技术之不足，其有效解决现有通用型气相色谱FID 检测器与录井专用色谱仪的适用性问题。其结构包括收集极、点火头、喷嘴、喷嘴固定座、燃烧室和加热装座等。具体构成形式，整个检测器固定在加热座内，收集极的下端与燃烧室的上端固定在一起，在燃烧腔内有呈直角的喷嘴，在收集极内侧固定有收集极筒，喷嘴固定座的右端与燃烧室的左端外侧固定在一起，在喷嘴固定座内有横向贯通的色谱柱安装通道，喷嘴的左下部固定在色谱柱安装通道右部，喷嘴的右部上端与收集极筒的下端内外对应，在喷嘴固定座上固定有与色谱柱安装通道相通的氢气管，在燃烧室的左部固定有与内腔相通的空气管，在收集极的上部固定有点火头，在收集极的中部固定有导电杆，导电杆的左端与收集极筒固定在一起，导电杆的右端固定安装有SMA 接头，在燃烧室的上部固定有极化电极，极化电极的左部与喷嘴的上部固定在一起。如图3，全新设计的FID检测器结构。

本检测器针对原有检测器，有以下改进特点：

1)将检测器下部的燃烧室，进行了优化设计，采用圆形腔体型结构，将喷嘴固定座座与色谱柱接头部分独立为单独部件，喷嘴采用独特的L型结构，色谱柱可在色谱柱箱内横向插入，喷嘴座内部安装通道内，从而改变了色谱柱与检测器的连接形式，大大降低了柱箱的高度。

2)收集极与离子信号线缆连接方式的优化设计，将收集极筒中间凸台加大，在凸台侧面开有螺纹孔，通过螺纹孔与不锈钢针型导电杆的一端连接，导电杆的另一端与标准SMA接头连接，离子信号线缆接头与标准SMA接头连接，这样优化设计使离子信号连接传输的可靠性大大加强了。

3)将收集极与外壳之间的绝缘垫材质改为聚四氟(PTFE)材质，其具有良好绝缘性，耐高温性，和易加工性且受外时不会破裂，相比陶瓷材质更适合在此应用。

4)将原有点火头更换为航模用的热火头，可以达到同样的点火性能，价格只有原来的1/10左右，大大降低了使用成本。

图3 全新设计的FID检测器结构图

1.PTC加热器2.加热座3.燃烧室4. 极化电极组件5.收集极触杆组件6.点火头7.收集极上盖8.绝缘垫9.收集极筒10.收集极座11.喷嘴组件 12.载气管线13.色谱柱插入通道14.喷嘴固定座15.空气管线

4 应用效果

在经过测试后，全新设计的FID检测器各项性能参数都达达到使用要求。如图4，为新检测器的C1-C5的分析图谱，最小检测浓度10ppm ，检测范围10ppm～100%，线性度：99.9%。在公司的色谱分析仪器开发设计中，此款检测器应用，使色谱分析仪器达到了小型化设计需求，将原有色谱主机的6U机箱缩小到现在的4U机箱，体积大大缩小，结构更加简单紧凑，方便运输携带，安装。

图4 C1-C5色谱分析图谱

5 结论

录井专用气相色谱仪FID检测器的结构设计创新。使录井专用的气相色谱仪有了配套的专用FID检测器，提高了录井核心仪器的整体水平，使之能更好的服务于现场工作，有利于提高新疆石油企业的勘探开发生产水平，有利于提高企业经济效益。