СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ ПРИМЕСИ В ГАЗОВОЙ СРЕДЕ Российский патент 2005 года по МПК G01N27/62 

Изобретение относится к индикаторам примесей в газовой среде, прежде всего к течеискателям, регистрирующим появление электроотрицательного газа в атмосфере азота или воздуха.

В современном производстве все больше используются приборы и устройства, требующие применения вакуумных технологий. Это диктует разработку современных методов контроля герметичности технологического оборудования.

Известен способ обнаружения пробного газа, вытекающего из негерметичных мест тестируемого объема, основанный на изменении параметров возбуждаемой высокочастотным электрическим полем плазмы от наличия в ней пробного газа. (Течеискатель плазменный ТП-4. Техническое описание и инструкция по эксплуатации. ЕУНИ.407212.005 ТО).

При прокачивании вакуумным насосом воздуха через регулируемый натекатель в камере ионизации, находящейся между обкладками конденсатора, входящего в контур генератора, при давлении от 100 до 200 Па под воздействием высокочастотного электрического поля возникает плазма, демпфирующая контур и срывающая генерацию. Последующая рекомбинация носителей зарядов приводит к восстановлению генерации и повторному возникновению плазмы.

При протекании через камеру ионизации воздуха, не содержащего пробного газа, процесс повторяется с частотой не более 10 кГц. Появление пробного газа в воздухе увеличивает скорость рекомбинации носителей зарядов и увеличивает частоту повторения процесса гашения - загорания разряда (до 200 кГц).

Недостатком указанного способа является необходимость иметь прокачивающее устройство (форвакуумный насос).

Другим недостатком метода является необходимость поджигать разряд в атмосфере воздуха, поскольку это требует дополнительных энергозатрат.

Перечисленные два фактора утяжеляет прибор и увеличивает его энергопотребление (потребляемая мощность 40 ВА и вес более 5 кГ).

Наиболее близким к заявляемому является способ, использующийся в электронозахватном течеискателе (Течеискатель ГЭТЭ-9-001. Техническое описание и инструкция течеискателя).

В данном способе измеряется электрическая проводимость газоразрядного промежутка при заборе воздуха в межэлектродный промежуток. Наличие в воздухе электроотрицательного газа, свидетельствующего о наличии течи, приводит к уменьшению проводимости плазмы.

Недостатком данного способа является необходимость поджигать разряд при атмосферном давлении, что связано с использованием экологически вредного (радиоактивного) предыонизатора и требующего высокого энергопотребления (Потребляемая мощность 20 ВА, вес прибора 4.4 кг).

Целью данного изобретения является обнаружение примеси в газовой среде, используемое, в частности, для определения течей из замкнутых объемов, экологически безвредным способом с меньшим энергопотреблением по сравнению с имеющимися способами.

Задача решается тем, что способ обнаружения примеси в газовой фазе основан на измерении изменения величины электрического тока, проходящего через анализируемую среду при изменении ее состава при помещении среды в пространство между катодом и анодом ячейки. При этом пространство между анодом и катодом облучают ультрафиолетовым излучением и между катодом и анодом прикладывают электрическое напряжение. Для изменения чувствительности метода изменяют расстояние между катодом и источником ультрафиолетового излучения для того, чтобы за счет поглощения излучения примесью изменить плотность потока излучения.

Преимущества описываемого способа состоит прежде всего в том, что он позволяет избежать использования экологически вредного радиоактивного предыонизатора среды, который используется в описывавшемся выше методе.

Другим важным преимуществом является малое энергопотребление при использовании предлагаемого метода из-за того, что в данном методе нет необходимости поджигать разряд в анализируемой среде при атмосферном давлении, как это делается в прототипе. Разряд, используемый в облучающих лампах в предлагаемом методе, потребляет электрической энергии в несколько раз меньше, чем и объясняется его экономичность.

Пример. Способ обнаружения примеси в газовой среде опробывался в специальной герметичной камере, заполнявшейся контролируемой газовой смесью. В камеру помещалась ячейка, состоящая из металлического пластинчатого катода и металлического сетчатого анода. В эту же камеру помещался источник ультрафиолетового излучения для облучения катода. (фиг.1). Мощность, потребляемая источником от электрической сети, составляла 5 Вт. Герметичная камера с ячейкой и источником УФ излучения откачивалась до высокого вакуума и затем заполнялась смесью азота с кислородом заданного процентного состава. Диапазон изменения примеси кислорода в азоте был от 1 до 10000 Па. Между анодом и катодом прикладывалось электрическое напряжение (100 В), создававшее ток в межэлектродном промежутке. Величина тока при постоянном напряжении между электродами зависела от концентрации электроотрицательного газа (кислорода) в смеси (при давлении смеси 1 атм).

Результаты экспериментов представлены на фиг.2. Из полученной зависимости легко оценить максимальную чувствительность метода обнаружения кислорода, она равна 100 нА/10^-5 атм. кислорода. Это означает, что при регистрации изменений токов на уровне 1 нА таким методом можно “почувствовать” 10^-5% содержание кислорода в азоте. Современные методы измерения обеспечивают регистрацию малых токов вплоть до 10^-15 А. Это означает, что потенциально предлагаемый метод может служить индикатором кислорода на уровне 10^-10-10^-10%, что выходит далеко за рамки существующих практически реализуемых возможностей создания сред с контролируемыми параметрами примесей в них.

Для изменения чувствительности метода расстояние между катодом и источником ультрафиолетового излучения изменялось для того, чтобы за счет поглощения излучения примесью изменить плотность потока излучения. Тем самым изменялся поток электронов, вырываемых с поверхности катода, что приводило к изменению тока ячейки при сохранении концентрации примеси.

Таким образом, был достигнут результат без использования экологически вредного препарата с потреблением энергии 5 Вт.

Использование: для обнаружения примеси в газовой среде. Сущность заключается в том, что обнаружение примеси в газовой среде осуществляется по изменению электрического тока, проходящего через среду. С этой целью ячейку, состоящую из металлического катода и анода, между которыми приложено электрическое напряжение, помещают в анализируемую среду. Ячейка облучается ультрафиолетовым излучением, выбивающим с поверхности фотоэлектроны, что является причиной электропроводности среды. Приложенное к межэлектродному промежутку напряжение создает в этом промежутке электрический ток свободных электронов и ионов, образовавшихся при прилипании электронов к электроотрицательному газу. При изменении состава газовой среды происходит изменение электрического тока в межэлектродном промежутке. Чувствительность метода можно изменять, изменяя такие параметры как напряжение на межэлектродном промежутке, расстояние между поверхностью катода и окном лампы. Технический результат: повышение экологической безопасности из-за отсутствия радиоактивного препарата в данном методе и повышение экономичности из-за малого энергопотребленния прибора. 2 ил.

Способ обнаружения примеси в газовой среде, основанный на измерении изменения электрического тока, проходящего в ячейке, находящейся в газовой среде и включающей в себя катод и анод, между которыми приложено электрическое напряжение, отличающийся тем, что ячейку облучают ультрафиолетовым излучением, способным вызвать фотоэффект, обеспечивающий электрическую проводимость газовой среды, находящейся в ячейке, при этом расстояние между катодом и источником ультрафиолетового излучения может изменяться, что приводит к изменению ультрафиолетового потока излучения на поверхность катода и, соответственно, к изменению чувствительности обнаружения примеси.