УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЗЯТИЯ ПРОБ В ПАРООБРАЗНОМ СОСТОЯНИИ Российский патент 1994 года по МПК G01N1/22 

Изобретение относится к конструкции устройств для отбора проб жидкости и их испарения на выходе из пробоотборного канала и могут быть использованы в качестве регулируемых натекателей в вакуумные системы аналитических приборов типа масс-спектрометров или в вакуумные камеры химических реакторов для исследования кинетики газофазных реакций.

Необходимо, чтобы эти устройства, во-первых, обеспечивали полное превращение жидкости в пар идентичного химического состава, во-вторых, могли работать в широком диапазоне потоков, начиная с нуля (фона прибора), если возникает необходимость в периодическом отборе проб.

Первое условие обычно выполняют путем напуска жидкости в широкий канал, откаченный до остаточного давления 10^-4-10^-6 мм рт.ст., где (в вакууме) и происходит интенсивное испарение жидкости. Устройства такого типа имеют напускной бачок емкостью в несколько литров, трубопровод для подачи жидкости из бачка в вакуумную систему через регулируемый вентиль и бустерную систему откачки полости этого трубопровода.

Сорбционные процессы, протекающие в указанных значительных объемах каналов натекания, существенно отражаются на точности результатов исследований. Поэтому стремятся уменьшить объем каналов натекания.

Наиболее близким устройством к заявленному является устройство для введения проб жидких смесей в масс-спектрометр, которое имеет источник жидкости (именуемый "сосудом"), капиллярный натекатель, один конец которого выполнен щелевидным и введен в сосуд-источник исследуемой жидкости, испарительную камеру (в частности, вакуумную камеру масс-спектрометра), в которую введен второй конец капиллярного натекателя, и вентиль-регулятор расхода паров исследуемой жидкости, установленный в тракте подачи паров в масс-спектрометр.

Поскольку в описанном устройстве интенсивность натекания определяется в основном пропускной способностью (проходным сечением) щелевидной части капилляра и глубиной вакуума в испарительной камере (в меньшей степени), поскольку широкий диапазон подачи жидкости на испарение может быть обеспечен только при использовании набора капиллярных натекателей с разными проходными сечениями, а возможности регулирования расхода исследуемой жидкости на испарение при использовании каждого из таких капилляров существенно ограничены.

Целью изобретения является повышение точности регулирования расхода отбираемой жидкости в широком диапазоне.

В основу изобретения положена задача создать такое устройство для взятия проб жидкостей в парообразном состоянии, которое при использовании одного и того же стабильного по проходному сечению капиллярного натекателя вследствие дополнительных воздействий на поток жидкости в капилляре (и интенсивность ее испарения) приобрело бы возможность регулирования расхода отбираемой жидкости в широком диапазоне и повышенную точность такого регулирования.

Поставленная цель достигается тем, что в устройстве для взятия проб в парообразном состоянии, содержащем источник жидкости, введенный в источник жидкости одним концом капиллярный натекатель, связанные друг с другом источник вакуума и испарительная камера, в полость которой введен второй конец капиллярного натекателя, и регулятор расхода, капиллярный натекатель выполнен из диэлектрического материала, а регулятор расхода установлен внутри испарительной камеры и состоит из пары электродов, один из которых выполнен плоским и установлен концентрично выходному концу натекателя со стороны испарительной камеры, а второй выполнен в виде полой иглы, установленной по оси испарительной камеры напротив выходного отверстия капиллярного натекателя и соединяющей испарительную камеру с источником вакуума, причем указанные электроды подключены к регулируемому источнику напряжения.

Дополнительное отличие состоит в том, что электрод в виде полой иглы и капиллярный натекатель установлены с возможностью относительного возвратно-поступательного перемещения, что позволяет, наряду с регулирования величины напряженности электрического поля между электродами путем изменения на них напряжения, регулировать напряженность электрического поля механически.

Другим дополнительным отличием является то, что испарительная камера выполнена сужающейся к электроду в виде полой иглы в сторону источника вакуума. Такая форма испарительной камеры предложена, исходя из положения силовых линий электрического поля, создаваемого двумя электродами, один из которых плоский, а второй - игольчатый в виде трубки. Это позволяет, в свою очередь, исключить балластный объем из объема испарительной камеры, а следовательно, и возможность нежелательной адсорбции паров жидкости на стенках камеры и связанной с ней неточностью анализа.

Сущность изобретения поясняется следующим чертежом и графиком, где изображены: на фиг.1 - конструкция предлагаемого устройства для взятия проб в парообразном состоянии; на фиг.2 - зависимость величины ионного тока, дозируемой через натекатель, от величины потенциала между электродами.

Устройство содержит капиллярный натекатель 1 из диэлектрического материала (например, стекла или кварца), который одним концом введен в источник жидкости 2. Второй конец капиллярного натекателя 1 с помощью втулки 3 герметично закреплен в съемной стенке испарительной камеры 4 и открыт в полость этой камеры. Испарительная камера 4 выполнена сужающейся в направлении от капиллярного натекателя 1. Регулятор расхода жидкости установлен внутри испарительной камеры 4 и выполнен в виде плоского электрода 5 и полого электрода - иглы 6, причем плоский электрод 5 (выполняющий также роль съемной стенки испарительной камеры 4) концентрично охватывает выходной конец капиллярного натекателя 1, в полый электрод-игла 6 представляет собой тонкую трубку с острой торцовой кромкой, обращенной острием в сторону капиллярного натекателя 1. Герметичность плоского электрода-стенки 5 относительно испарительной камеры 4 обеспечивается уплотнением 7 и накидной гайкой 8. Полый электрод-игла 6 с помощью эластичного уплотнения 9 и накидной гайки 10 герметично закреплен в корпусе испарительной камеры 4 на продолжении геометрической оси напротив выходного отверстия капиллярного натекателя 1. Выступающий за пределы испарительной камеры 4 конец полого электрода-иглы 6 служит для подключения его к источнику вакуума прибора-анализатора или реактора. Электроды 5 и 6 подключены (плоский 5 - через контактирующую с ним накидную гайку 8, а полый электрод-игла 6 - непосредственно) к регулируемому источнику напряжения (постоянного или переменного тока).

Работа устройства осуществляется следующим образом.

Пробы веществ в парообразном состоянии (на примере воды) с помощью описанного устройства отбиpают следующим образом. (Вода выбрана для обоснования работоспособности устройства потому, что ее следы присутствуют практически в любых материалах и поэтому при масс-спектрометрических и иных качественных анализах веществ необходимо "отстраиваться" от фоновых концентраций воды).

Выступающий за пределы испарительной камеры 4 конец полого электрода-иглы 6 присоединяют к прибору-анализатору или реактору, соединенным с системой откачки, и вакуумируют через полость этого электрода 6 полость испарительной камеры 4 до остаточного (рабочего давления (10^-2-10^-6 мм рт. ст. - в зависимости от типа прибора-анализатора или реактора, куда предполагается вводить пары исследуемой жидкости.

Входной конец капиллярного натекателя 1 вводят в сосуд с исследуемой жидкостью 2. При этом жидкость под действием капиллярных сил и атмосферного давления достигает противоположного выходного конца капиллярного натекателя 1 и с постоянной скоростью испаряется в отвакуумированную полость испарительной камеры 4, и пары жидкости поступают через полость электрода-иглы 6 в прибор-анализатор или реактор, соединенными с постоянно включенной системой откачки.

Электроды 5 и 6 подключают к регулируемому высоковольтному источнику напряжения (постоянного или переменного тока), В случае использования источника постоянного тока на плоском электроде 5 может быть создан как положительный, так и отрицательный потенциал, а на электроде-игле 6 - соответственно потенциал противоположного знака. Включают источник регулируемого напряжения и плавно или ступенчато повышают напряжение на электродах 5 и 6. При этом между электродами 5 и 6 возникает неоднородное электрическое поле, напряженность которого увеличивается по мере увеличения напряжения на электродах 5 и 6. Максимальное значение напряженности электрического поля (область наибольшей неоднородности поля) приходится на торцевую поверхность острой кромки электрода-иглы 6. В результате возникает сила, действующая на молекулы жидкости и направленная в сторону возрастания абсолютной величины вектора напряженности электрического поля (независимо от направления этого вектора), что наряду с вакуумом способствует интенсивному извлечению жидкости из капиллярного натекателя 1. Процесс извлечения жидкости из натекателя 1 регулируют изменением напряжения на электродах 5 и 6.

При необходимости в уменьшении или увеличении расстояния между электродами 5 и 6, отсоединяют устройство от прибора - анализатора или реактора, отвинчивают накидную гайку 10, перемещают электрод-иглу 6 на нужное расстояние в направлении к плоскому электроду 5 или в обратном направлении, после чего завинчивают накидную гайку 10 и повторно готовят устройство к работе.

На фиг. 2 представлена графическая зависимость ионного тока воды от величины потенциала между электродами 5 и 6, полученная по результатам масс-спектрометрических измерений. Измерения проведены на масс-спектрометре типа МХ-7304. Устройство для взятия проб в парообразном состоянии подключали к масс-спектрометру вблизи области ионизации. Сосуд 2 устройства заполняли бидистиллированной водой, вводили в него капиллярный натекатель 1, через который вода поступала в полость испарительной камеры 4, предварительно откачанной до остаточного давления порядка 10^-6 мм рт.ст. системой откачки масс-спектрометра. В качестве капиллярного натекателя был использован цилиндрический стеклянный капилляр с диаметром канала 12 мкм и длиной 30 мм. Плоский электрод 5 представлял собой шайбу из нержавеющей стали диаметром 50 и толщиной 3 мм. Втулка 3 для крепления капиллярного натекателя 1 выполнена из отвердевшего клея на эпоксидной основе марки ЭКФ. Выходной конец капиллярного натекателя 1 выступал за пределы плоского электрода 5 на 3 мм. Полый электрод-игла 6 представлял собой трубку из нержавеющей стали с внешним диаметром 2 мм, толщиной стенки 0,3 мм и длиной 40 мм. Толщина электрода-иглы 6 на конце, обращенном в сторону плоского электрода 5, была доведена до 0,05 мм. Расстояние между электродами 5 и 6 было 10 мм. Минус выходного напряжения высоковольтного источника напряжения (в качестве такого источника был использован прибор марки ВС-23) соединяли с плоским электродом 5, плюс - с электродом-иглой 6. Напряжение на этих электродах повышали ступенчато от 0 до 4 кВ с шагом в 500 В. Для каждого значения напряжения на электродах 5 и 6 измеряли ионный ток воды с массовым числом 18 атомных единиц массы (а.е.м).

Как видно из графика (фиг.2), при отсутствии напряжения на электродах 5 и 6 фоновый ток, обусловленный испарением воды из капиллярного натекателя 1 (фиг. 1) в вакуум, составляет около 0,9 отн.ед, При включении высоковольтного источника и увеличении напряжения на электродах 5 и 6 до 1,5 кВ ионный ток воды (а, следовательно, количество воды, поступающей на анализатор, увеличивается до 1,7 отн. ед. (примерно в 2 раза). Дальнейшее увеличение напряжения на электродах 5 и 6 оказывает более сильное воздействие на жидкость: при увеличении напряжения от 2 до 4 кВ ионный ток воды увеличивается от 2,4 до 11,8 отн.ед. (примерно в 5 раз). Причем, как на участке графика 0-1,5 кВ, так и на участке 2-4 кВ, зависимость ионного тока воды от величины напряжения на электродах 5 и 6 - линейна. Дальнейшее увеличение напряжения на электродах 5 и 6 для конструкции устройства с перечисленными выше параметрами нецелесообразно, так как следует искровой разряд (пробой) и становится затруднительным управление процессом отбора пробы жидкости.

Условия, однако, при которых происходит пробой могут быть изменены путем перемещения электрода-иглы 6 в направлении к плоскому или от плоского электрода 5. Так, при уменьшении межэлектродного расстояния уменьшается и значение напряжения на электродах 5 и 6, при котором достигается максимальное значение напряженности электрического поля на торце электрода-иглы 6, а также наступает пробой. И, наоборот, при увеличении расстояния между электродами максимальное значение напряженности поля на торце электрода 6 и пробой наблюдаются при больших значениях напряжения на электродах 5 и 6. Поэтому расстояние между электродами 5 и 6 может быть выбрано, исходя из максимального значения напряжения источника, точности измерения величины напряжения при его ступенчатом изменении.

Настоящее устройство для взятия проб в парообразном состоянии имеет следующие преимущества, в сравнении с выбранным прототипом:
- в техническом отношении работа устройства основана на комплексном воздействии на жидкость капиллярных сил, неоднородного электрического поля и вакуума;
это в свою очередь позволяет существенно расширить диапазон регулирования потоков жидкости, дозируемой через капиллярный натекатель на испарение, повысить точность такого управления процессом отбора проб;
- соответственно, указанные преимущества создают возможность изготовления универсальных устройств-натекателей и комплектации ими различных приборов-анализаторов или химических реакторов.

Использование: в устройствах для отбора проб жидкости и их испарения на выходе из пробоотборного канала, в качестве регулируемых натекателей в вакуумные системы аналитических приборов типа масс-спектрометров или в вакуумные камеры химических реакторов для исследования кинетики газофазных реакций. Сущность изобретения: в устройстве, содержащем источник жидкости, введенный в него одним концом капиллярный натекатель, связанные друг с другом источник вакуума и испарительная камера, в полость которой введен второй конец капиллярного натекателя, и регулятор расхода, капиллярный натекатель выполнен из диэлектрического материала, регулятор расхода установлен внутри испарительной камеры и состоит из пары электродов, один из которых выполнен плоским и установлен концентрично выходному концу капиллярного натекателя со стороны испарительной камеры, а второй выполнен в виде иглы, установленной по оси испарительной камеры напротив выходного отверстия капиллярного натекателя и соединяющей испарительную камеру с источником вакуума, причем указанные электроды подключены к регулируемому источнику напряжения. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЗЯТИЯ ПРОБ В ПАРООБРАЗНОМ СОСТОЯНИИ, содержащее источник жидкости, введенный в источник жидкости одним концом капиллярный натекатель, связанные друг с другом источник вакуума и испарительная камера, в полость которой введен второй конец капиллярного натекателя, и регулятор расхода, отличающееся тем, что, с целью повышения точности регулирования расхода отбираемой жидкости в широком диапазоне, капиллярный натекатель выполнен из диэлектрического материала, а регулятор расхода установлен внутри испарительной камеры и состоит из пары электродов, один из которых выполнен плоским и установлен концентрично выходному концу капиллярного натекателя со стороны испарительной камеры, а другой выполнен в виде полой иглы, установленной по оси испарительной камеры напротив выходного отверстия капиллярного натекателя и соединяющей испарительную камеру с источником вакуума, причем указанные электроды подключены к регулируемому источнику напряжения. 2. Устройство поп.1, отличающееся тем, что электрод в виде полой иглы в капиллярный натекатель установлены с возможностью относительного возвратно-поступательного перемещения. 3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что испарительная камера выполнена сужающейся к электроду в виде полой иглы в сторону источника вакуума.