УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЗЯТИЯ ПРОБ В ПАРООБРАЗНОМ СОСТОЯНИИ Российский патент 1995 года по МПК G01N1/22 

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

От таких устройств требуется, чтобы они, 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, откачанный 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 несколько литров, трубопровод для подачи жидкости из бачка в вакуумную систему через регулируемый вентиль и бустерную систему откачки полости этого трубопровода (см. Бернард Дж. Современная масс-спектрометрия. М.: Иностран. лит., 1957).

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

Поэтому стремятся уменьшить объем каналов натекания.

Из числа таких устройств к предлагаемому наиболее близко устройство для введения проб жидких смесей в масс-спект- рометр по а.с. СССР N 231196. Оно 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 расширение диапазона и повышение точности регулирования расхода отбираемой жидкости.

Цель изобретения - создание такого устройства для взятия проб 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 решена тем, что в устройстве для взятия проб в парообразном состоянии, имеющем источник жидкости, капиллярный натекатель, одним концом введенный в источник жидкости, соединенную с источником вакуума испарительную камеру, в полость которой открыт второй конец капиллярного натекателя, и регулятор расхода, согласно изобретению капиллярный натекатель выполнен из диэлектрического материала, регулятор расхода установлен внутри испарительной камеры и выполнен в виде пары электродов, один из которых выполнен игольчатым и установлен вдоль стенки выходного конца капиллярного натекателя, а второй выполнен плоским и расположен напротив выходного торца капиллярного натекателя, при этом электроды подключены к регулируемому источнику напряжения.

По имеющимся данным из источников информации неизвестно идентичное или эквивалентное заявляемому техническое решение задачи, и поэтому оно соответствует критерию "новизна".

Это техническое решение соответствует и критерию "существенные отличия", поскольку в нем капилляры из диэлектрического материала и электроды для создания электрического поля в новом взаимном расположении с другими элементами устройства сообщают ему в целом новое качество - способность с достаточной точностью регулировать расход отбираемой жидкости в широком диапазоне. Изменение же взаиморасположения элементов исключает возможность получения такого эффекта.

Дополнительное отличие авторы усматривают в том, что игольчатый и плоский электроды установлены с возможностью относительного возвратно-поступательного перемещения, что позволяет наряду с регулированием величины напряженности электрического поля между электродами путем изменения на них напряжения, регулировать напряженность электрического поля механически.

На фиг. 1 изображена базовая конструкция устройства для взятия проб в парообразном состоянии с неподвижно установ- ленными электродами; на фиг.2 - конструкция устройства, предусматривающая возвратно-поступательное перемещение плоского электрода относительно игольчатого электрода; на фиг.3 - зависимость величины ионного тока воды (в относительных единицах), дозируемой через натекатель, от величины потенциала между электродами (кВ) - для базовой конструкции предлагаемого устройства.

Базовая конструкция устройства для взятия проб жидкостей в парообразном состоянии схематически изображена в продольном разрезе на фиг.1.

Устройство имеет 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 4 испарительной камеры 5 и открыт в полость этой камеры. Стенка 4 герметично соединена с испарительной камерой 5 с помощью уплотнения 6 и накидной гайки 7. Камера 5 имеет патрубок 8 для подключения к источнику вакуума прибора-анализатора химической природы дозируемой через натекатель 1 жидкости. Внутри испарительной камеры 5 установлен регулятор расхода жидкости, который представляет собой пару электродов. Один из электродов 9 выполнен игольчатым и с помощью той же втулки 3 герметично встроен в съемную стенку 4 камеры 5 вдоль выходного конца капиллярного натекателя 1 на некотором удалении от его торца. Второй электрод 10 выполнен плоским и расположен напротив выходного тоpца капиллярного натекателя 1. При этом электрод 10 одновременно выполняет роль противоположной (по отношению к стенке 4) съемной стенки испарительной камеры 5. Герметичность соединения электрода 10 с испарительной камерой 5 обеспечивается с помощью уплотнения 11 и накидной гайки 12. Электроды 9 и 10 подключены к регулируемому источнику напряжения постоянного или переменного тока.

На фиг.2 в продольном разрезе схематически изображено устройство, в котором плоский электрод 10 установлен с возможностью возвратно-поступательного перемещения относительно игольчатого электрода 9. Приспособление, с помощью которого обеспечивается перемещение электрода 10 в вакууме, изображено на фиг.2. Основным элементом приспособления является сильфон 13, который размещен в полости втулки 14, герметично соединен со стороны испарительной камеры 5 с фланцем 15, имеющим центральное сквозное отверстие в качестве направляющего для штыря 16, на конце которого жестко закреплен плоский электрод 10. С противоположной стороны сильфон 13 герметично соединен с утолщенным основанием 17 штыря 16. В основании 17 выполнено осевое глухое резьбовое отверстие 18, в которое ввинчен винт 19. Винт 19 в средней части имеет утолщение, которое расположено между торцевой стенкой втулки 14 и шайбой 20. Последняя жестко крепится винтами к торцевой поверхности втулки 14. При этом винт 19 установлен с возможностью свободного вращательного движения между деталями 14 и 20. На противоположном резьбовом конце винта 19 жестко закреплен стакан 21. На внешних поверхностях стакана 21 и втулки 14 нанесены риски (на фиг.2 не показаны) для измерения величины перемещения плоского электрода 10 при вращении стакана 21. Электроды 9 и 10 соединены с регулируемым источником напряжения. Причем, подвижный плоский электрод 10 соединен с источником через накидную гайку 12, имеющую электрический контакт с электродом 10 через втулку 14, фланец 15, сильфон 13 и штырь 16.

Пробы веществ в парообразном состоянии (на примере воды) с помощью устройства в базовом варианте и его частичной модификации отбирают следующим образом. (Поскольку следы воды присутствуют практически в любых материалах и при масс-спектрометрическом и иных качественных анализах веществ необходимо "отстраиваться" от фоновых концентраций воды, постольку именно вода выбрана для обоснования работоспособности предлагаемого устройства).

В базовом варианте устройства (см. фиг.1) патрубок 8 испарительной камеры 5 присоединяют к прибору-анализатору или реактору, соединенным с системой откачки, и вакуумируют полость испарительной камеры 5 до остаточного (рабочего) давления (10^-2 - 10^-6 мм рт.ст. - в зависимости от типа прибора или реактора, куда вводят пары исследуемой жидкости).

Входной конец капиллярного натекателя 1 вводят в сосуд с исследуемой жидкостью 2 (источник жидкости). Под действием капиллярных сил и атмосферного давления жидкость достигает противоположного выходного конца капиллярного натекателя 1 и испаряется с постоянной скоростью в отвакууммированную полость испарительной камеры 5, из которой пары жидкости поступают через патрубок 8 в прибор-анализатор или реактор, соединенные с постоянно включенной системой откачки.

Электроды 9 и 10 подключают к регулируемому высоковольтному источнику напряжения (постоянного или переменного тока). При использовании источника напряжения постоянного тока, на игольчатом электроде 9 может быть создан как положительный, так и отрицательный потенциал, а на плоском электроде 10 - соответственно потенциал противоположного знака. Включают источник напряжения и плавно или ступенчато повышают напряжение на электродах 9 и 10. При этом между электродами 19 и 10 возникает неоднородное электрическое поле, напряженность которого увеличивается по мере увеличения напряжения на электродах 9 и 10. Область наибольшей неоднородности поля (максимальное значение его напряженности) приходится на торцевую поверхность игольчатого электрода 9. В результате возникает сила, действующая на молекулы жидкости, и которая направлена в сторону возрастания абсо- лютной величины вектора напряженности электрического поля (независимо от направления этого вектора), что позволяет резко замедлить процесс вакуумного испарения жидкости из выходного конца капиллярного натекателя 1. Изменение же напряжения на электродах 9 и 10 позволяет управлять процессом испарения жидкости.

На фиг.3 представлена графическая зависимость ионного тока воды (в отн. ед. ) от величины потенциала между электродами 9 и 10 (кВ), построенная по результатам масс-спектрометрического анализа возможностей базового варианта предлагаемого устройства, изображенного на фиг.1. Измерения проведены на масс-спектрометре типа МХ-7304. Патрубок 8 устройства подключали к масс-спектрометру вблизи области ионизации прибора. Откачивали масс-спектрометр и полость испарительной камеры 5 устройства до остаточного давления 10^-6 мм рт. ст. Сосуд 2 (источник жидкости) заполняли бидистиллированной водой и вводили в него капиллярный натекатель 1. В качестве капиллярного натекателя 1 был использован цилиндрический кварцевый капилляр с диаметром канала 12 мкм и длиной 30 мм. Выходной конец капиллярного натекателя 1 выступал за пределы стенки 4 на 2 мм. Игольчатый электрод 9 представлял собой проволоку диаметром 0,1 мм из нержавеющей стали. Этот электрод выступал за пределы стенки 4 на 1 мм. Втулка 3 для герметичного крепления натекателя 1 и электрода 9 была выполнена из отвердевшего клея на эпоксидной основе марки ЭКФ. Плоский электрод 10 представлял собой шайбу из нержавеющей стали диаметром 50 и толщиной 3 мм. Расстояние между электродами 9 и 10 в осевом направлении было 13 мм. В качестве регулируемого источника напряжения был использован источник марки ВС-23. Плюс выходного напряжения источника соединяли с игольчатым электродом 9, минус - с плоским электродом 10. Напряжение на электродах 9 и 10 увеличивали ступенчато от нуля до 3,5 кВ через 500 В. При каждом значении напряжения измеряли ионный ток воды с массовым числом 18 атомных единиц массы (а.е.м.).

Как видно из графика на фиг.3, при выключенном высоковольтном источнике питания фоновый ионный ток при испарении воды из капиллярного натекателя 1 (фиг. 1) в вакуум составляет около 1 отн.ед. При включении источника и увеличении напряжения на электродах 9 и 10 до 1,5 кВ ионный ток воды (ее количество, подаваемое на анализатор) уменьшается до 0,3 отн.ед. (примерно в 3 раза. График зависимости ионного тока воды от напряжения на электродах 9 и 10 на участке 0-1,5 кВ примерно линеен. При дальнейшем увеличении напряжения на электродах 9 и 10 до 2,5 кВ влияние напряжения на величину ионного тока несколько слабее, а после 2,5 кВ увеличение напряжения практически не влияет на величину ионного тока. При этом конечное значение ионного тока (примерно 0,1 отн.ед.) приблизительно соответствует фоновому ионному току воды самого масс-спектрометра в отсутствии устройства для взятия проб в парообразном состоянии.

В таблице приведены данные, полученные по результатам использования модификации устройства, изображенного на фиг.2.

Измерения были проведены на масс-спектрометре того же типа. В качестве регулируемого источника напряжения был использован такой же источник, как в предыдущем примере. В качестве капиллярного натекателя 1 использован цилиндрический стеклянный капилляр с внутренним диаметром 12 мкм и длиной 30 мм. Игольчатый электрод 9 по форме, размерам и материалу, из которого изготовлен, был идентичен описанному в предыдущем примере. Плоский электрод 10 был изготовлен из нержавеющей стали и имел форму шайбы диаметром 40 и толщиной 2 мм.

Минус выходного напряжения источника соединяли с игольчатым электродом 9, плюс - с плоским подвижным электродом 10. Измерения были проведены при двух фиксированных значениях напряжения на электродах 9 и 10 по следующей схеме. Вначале на электроды 9 и 10 подавали напряжение величиной 1 кВ и вращением стакана 21 против часовой стрелки перемещали плоский электрод 10 в направлении к игольчатому электроду 9 на расстояние 8 мм с шагом 2 мм (начальное расстояние между электродами 9 и 10 - 10 мм, конечное - 2 мм). Затем напряжение на электродах 9 и 10 увеличивали до 2 кВ и вращением стакана 21 по часовой стрелке перемещали плоский электрод 10 в обратном направлении на то же расстояние. При перемещении электрода 10 измеряли ионный ток воды.

Как видно из таблицы, значение ионного тока воды (количество воды, поступающей на анализатор) при напряжении на электродах 9 и 10 величиной 1 кВ и перемещении плоского электрода 10 в направлении к игольчатому 9 на расстояние 8 мм уменьшается с 0,42 до 0,15 отн.ед. (примерно в 3 раза). При напряжении на электродах 9 и 10 величиной 2 кВ и перемещении плоского электрода 10 на то же расстояние в обратном направлении значение ионного тока воды увеличивается с 0,11 до 0,23 отн.ед. (примерно в 2,3 раза). Следовательно, механическим перемещением одного из электродов (преимущественно плоского - по конструктивным соображениям) достигается точная регулировка процесса испарения жидкости из капиллярного натекателя.

Таким образом, 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 жидкостей;
соответственно, указанные преимущества создают возможность изготовления универсальных устройств-натекателей и комплектации ими различных приборов-анализаторов или химических реакторов.

Использование: взятие проб в парообразном состоянии в устройствах для отбора проб жидкостей при испарении жидкости на выходе из пробоотборного канала. Сущность изобретения: устройство содержит капиллярный натекатель из диэлектрического материала, соединенный одним концом с источником жидкости и другим - с испарительной камерой, установленный внутри испарительной камеры регулятор расхода, который выполнен в виде пары электродов, один из которых выполнен игольчатым и установлен вдоль стенки выходного конца капиллярного натекателя, а второй выполнен плоским и расположен напротив торца капиллярного натекателя, при этом электроды подключены к регулируемому источнику напряжения. 1 з.п.ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ВЗЯТИЯ ПРОБ В ПАРООБРАЗНОМ СОСТОЯНИИ, содержащее источник жидкости, капиллярный натекатель, одним концом введенный в источник жидкости, соединенную с источником вакуума испарительную камеру, в полости которой размещен другой открытый конец капиллярного натекателя, и регулятор расхода, отличающееся тем, что, с целью расширения диапазона и повышения точности регулирования расхода отбираемой жидкости, капиллярный натекатель выполнен из диэлектрического материала, регулятор расхода установлен внутри испарительной камеры и выполнен в виде пары электродов, один из которых выполнен игольчатым и установлен вдоль стенки выходного конца капиллярного натекателя, а другой выполнен плоским и расположен напротив выходного торца капиллярного натекателя, при этом электроды снабжены регулируемым источником напряжения. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что игольчатый и плоский электроды установлены с возможностью относительного возвратно-поступательного перемещения.