СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ МАЛЫХ ПРИМЕСЕЙ В ГАЗЕ Российский патент 2005 года по МПК G01N15/00 

Изобретение относится к способам обнаружения малых примесей в газе, измерения их концентрации и определения типа примеси и может быть использовано в задачах газового анализа, включающих обнаружение и измерение малых и ультрамалых концентраций примесей в воздухе или в других газах. Варианты способа могут быть также использованы для определения и измерения ультрамалых включений на особо чистой поверхности твердых веществ.

Известен способ анализа примесей в газах, основанный на образовании аэрозольных частиц на отдельных молекулах (СССР, кл. G 01 N 15/00, а.с. №188132 от 23.06.61 г.). Этот способ наиболее близок к предложенному по основному принципу, по совпадающим действиям и по достигаемому результату. В нем предложено из примеси или с ее помощью образовывать молекулы веществ, способные играть роль ядер конденсации в пересыщенных парах малолетучего вещества. В течение более 40 лет практики использования этого способа установилась общепринятая терминология и технические приемы его осуществления. Ядра конденсации, состоящие из единичных молекул, называют “молекулярными ядрами конденсации” (МоЯК), вещества, в пересыщенных парах которых образуются на МоЯК первичные ультрадисперсные аэрозольные частицы, называют “проявителями”, а вещества, конденсирующиеся на первичных частицах, укрупняя их до размеров, удобных для оптических измерений - “укрупнителями”. Сохранение многих технических приемов известного способа и достигаемый в нем результат (высокая чувствительность) делают его очевидным прототипом предлагаемого изобретения.

Недостатки способа-прототипа, на устранение которых нацелен предлагаемый способ, заключаются в его эксплуатационных неудобствах. В прототипе считалось обязательным последовательное воздействие пересыщенного пара сначала проявляющего вещества, потом укрупняющего. Соответственно требуются два однотипных устройства. В первом устройстве вспомогательный малый поток газа контактирует с нагретым веществом проявителя и смешивается с основным потоком газа комнатной температуры, содержащим ядра конденсации. Во втором устройстве другой вспомогательный малый поток контактирует с нагретым веществом укрупнителя и смешивается с основным потоком, поступающим из первого устройства с образованными в нем частицами ультрадисперсного аэрозоля укрупнителя.

Другой эксплуатационный недостаток способа-прототипа заключается в том, что насыщенные пары во вспомогательных потоках, соприкасаясь с диафрагмой смесителей, частично конденсируются на ней и окисляются на воздухе. Окисленный конденсат представляет собой вязкое, а иногда твердое вещество, которое постепенно забивает отверстие диафрагмы, изменяя режим работы способа.

Главный же принципиальный недостаток способа-прототипа выяснился при исследовании нового предложенного способа. Оказалось, что чувствительность определения примесей в способе-прототипе на несколько порядков хуже, чем в предлагаемом способе. Различие в чувствительности особенно велико для малоактивных ядер конденсации.

Технический результат изобретения - повышение чувствительности определения примесей и расширение круга веществ, определяемых методом МоЯК при существенном упрощении аппаратурного оформления способа.

Указанный технический результат достигается тем, что в предложенном способе определения малых примесей в газе, включающем образование МоЯК в потоке газа из примесей или с их участием, испарение проявляющих и укрупняющих МоЯК веществ путем их дозированного нагрева в потоках газа, образование аэрозольных частиц и измерение их концентрации, определяющей концентрацию примесей, нагретые потоки газа с испаренными веществами объединяют в общий поток, создают пересыщение смеси паров веществ и образуют аэрозольные частицы совместной конденсацией на МоЯК паров смеси проявляющих и укрупняющих веществ.

Кроме того, перед созданием пересыщения общий поток со смесью паров испаренных веществ может быть дополнительно подогрет без контакта с испаренными веществами, а для образования МоЯК в потоке газа с участием примеси в поток помещают нагреваемую проволоку из устойчивого против коррозии металла.

Главным отличием предлагаемого способа является то, что нагретые потоки газа с испаренными веществами объединяют в общий поток, создают пересыщение смеси паров и образуют аэрозольные частицы совместной конденсацией на МоЯК паров смеси проявляющих и укрупняющих веществ.

Это отличие позволяет проводить эффективное образование аэрозольных частиц на МоЯК почти при нулевом уровне фона в отсутствие МоЯК. В способе-прототипе фон составляет обычно 3-4 порядка частиц в 1 см³. Соответственно в предложенном способе повысилась чувствительность определений, особенно для малоактивных МоЯК. Малоактивные МоЯК характерны для большинства актуальных задач определения (обнаружения и измерения концентрации) отравляющих, взрывчатых и других опасных веществ в воздухе. Так, например, проба иприта в 100 пикограмм, адсорбированная в накопителе и введенная в поток, при новом способе дает сигнал, превышающий фон в 10⁴ раз. В способе-прототипе такая проба дает сигнал на уровне фона. В предложенном методе аэрозольные частицы образуются на некоторых МоЯК, которые вообще не проявляются в способе-прототипе.

Кроме принципиального преимущества в чувствительности данное отличие существенно упрощает схему способа. Вместо двух однотипных устройств для создания пересыщения пара сначала проявляющего, потом укрупняющего вещества в схеме предлагаемого метода требуется одно устройство. В нем создается пересыщенный пар смеси веществ.

Другое отличие предложенного способа заключается в том, что общий поток со смесью паров веществ перед созданием их пересыщения дополнительно подогревают без контакта с испаряемыми веществами.

Это отличие позволяет сохранять стабильность условий при длительных режимах эксплуатации способа. Перегрев насыщенных паров предотвращает их конденсацию на диафрагме смесителя разнотемпературных потоков, применяемого для создания пересыщения. Предотвращается окисление конденсата и постепенное забивание диафрагмы.

Третье отличие предложенного способа заключается в том, что для образования МоЯК в потоке газа с участием примеси помещают в поток нагреваемую проволоку из коррозионно-устойчивого металла.

В способе-прототипе для этой цели используется термореактор. Он представляет собой кварцевую трубку с электрообмоткой и теплоизоляцией. Роль источника МоЯК, зависящего от концентрации определяемой примеси, термореактор выполняет при накале трубки до температуры 600-800°С. В потоке газа через термореактор образуются МоЯК за счет испарения включений в кварце, более летучих, чем сам кварц. Определяемая примесь ускоряет испарение МоЯК, и по изменению их концентрации судят о концентрации примеси.

Недостатком термореактора является его громоздкость и необходимость охлаждения потока газа перед смешением с пересыщенным паром проявителя. В коммуникации холодильника происходит потеря МоЯК.

В предложенном способе функцию термореактора успешно выполняет миниатюрная проволочная петля, нагреваемая в потоке газа электротоком. Нагрев потока петлей незначителен, и холодильник не требуется.

Способ осуществляется следующим образом. Как и в способе-прототипе все воздействия на поток газа носителя осуществляются непрерывно и имеют целью создание стационарной готовности к измерению вводимой в поток пробы. Поток газа, в большинстве случаев воздуха, под избыточным давлением пропускается через адсорбенты и аэрозольные фильтры для очистки от паровоздушных и дисперсных примесей. Расход очищенного газа в зависимости от конкретных условий анализа обычно применяют от 0,5 до 10 л/мин. От общего потока ответвляют два вспомогательных потока для раздельного испарения проявляющих и укрупняющих МоЯК. Расход газа на каждый вспомогательный поток обычно составляет около 0,1 части общего потока. Дозирование испарения осуществляется эмпирическим подбором режима нагрева для каждого применяемого проявляющего и укрупняющего вещества, контактирующего со вспомогательными потоками газа.

Нагретые и насыщенные парами проявляющих и укрупняющих МоЯК веществ потоки объединяют в общий поток и дополнительно нагревают его без контакта с испаряемыми веществами. При этом в потоке смесь насыщенных паров переходит в перегретое состояние.

Для создания пересыщения смеси в потоке газа известны три типа воздействия: смешение разнотемпературных потоков, охлаждение потока через стенку коммуникации, адиабатическое расширение струи сжатого газа. В практике способа в большинстве задач предпочтение отдается первому типу воздействия. Общий нагретый вспомогательный поток с перегретыми парами проявляющих и укрупняющих МоЯК веществ смешивают с потоками газа комнатной температуры. Соотношение расходов в смешиваемых потоках обычно в диапазоне 1:(5-10). Образованное пересыщение максимально в начальной зоне смесителя и падает по мере конденсации пара на его стенках. Вклад второго типа воздействия от охлаждения смеси через стенку смесителя при этом незначителен.

При постоянстве параметров режима (расхода потоков, температуры испарителей) поддерживается стационарное состояние пересыщения смеси конденсирующихся паров. Поток газа из смесителя направляется в аэрозольный фотометр для измерения концентрации аэрозольных частиц, когда в потоке оказываются МоЯК.

В этом стационарном состоянии осуществляется готовность способа к определению малых примесей в пробе газа.

Для введения пробы применяются несколько различных приемов в зависимости от решаемой задачи и типа определяемой примеси.

Наиболее эффективно с феноменальной чувствительностью, скоростью и надежностью способ может применяться для контроля герметичности. В этом случае применяется пробное вещество, молекулы которого легко конвертируются в МоЯК. Это могут быть органические соединения, содержащие в молекуле атом металла. Многие из этих веществ конвертируются в МоЯК при облучении ультрафиолетом или при контакте с озоном. Такие вещества обнаруживаются в воздухе предложенным способом при концентрациях до 100 молекул в 1 см³. При упругости пара 1 мм рт.ст. перепад концентраций на течи может достигать 14 десятичных порядков. При этом поиск течи в крупных объектах осуществляют перемещением обдувочного устройства, охватывающего несколько квадратных дециметров обследуемой поверхности в минуту. Герметичность мелких изделий проверяется обычно в общей емкости, вмещающей десятки изделий одновременно. Если молекулы определяемой примеси не конвертируются в МоЯК непосредственно, то применяют источник - посредник. В предложенном методе роль такого источника выполняет нагреваемая проволока из коррозионно-устойчивого металла, например золота, платины или их сплавов. Проволочная петля, нагреваемая электротоком в потоке газа, испаряет в него МоЯК. Скорость испарения зависит от концентрации определяемой примеси. Когда проба отбирается из атмосферы, загрязненной дисперсными примесями, применяют адсорбционные накопители определяемой примеси.

Накопители устраняют помехи от дисперсных примесей и концентрируют пробу определяемой примеси. Десорбция пробы производится в основной поток чистого газа.

Способ может применяться для определения малых включений на особо чистых поверхностях твердых тел. При нагреве поверхности до температуры свыше приблизительно 200°С молекулы испарений включения в потоке газа представляют собой МоЯК. Их активность тем выше, чем выше температура испарения. Температурная зависимость концентрации МоЯК в воздухе, обдувающем нагретую поверхность, является информацией о составе поверхностных включений. Об их концентрации можно судить по убыли концентрации МоЯК после фиксированных режимов их испарения. В этом качестве способ пока не был востребован.

Таким образом, предложенный способ позволяет существенно увеличить чувствительность измерений, расширить область его использования, упростить схему применяемых устройств и значительно уменьшить их габариты.

Использование: в газовом анализе, включающем обнаружение и измерение малых и ультрамалых концентраций примесей в воздухе или других газах. Сущность изобретения: способ включает образование молекулярных ядер конденсации (МоЯК) в потоке газа из примесей или с их участием, испарение проявляющих и укрупняющих МоЯК веществ путем их дозированного нагрева в потоках газа, образование аэрозольных частиц и измерение их концентрации, определяющей концентрацию примесей. Нагретые потоки газа с испаренными веществами объединяют в общий поток, создают пересыщение смеси паров веществ и образуют аэрозольные частицы совместной конденсацией на МоЯК паров смеси проявляющих и укрупняющих веществ. Технический результат: повышение чувствительности определения примесей и расширение круга веществ, определяемых методом МоЯК при упрощении аппаратурного оформления способа. 2 з.п. ф-лы.

1. Способ определения малых примесей в газе, включающий образование в потоке газа из примесей или с их участием молекулярных ядер конденсации (МоЯК), испарение проявляющих и укрупняющих МоЯК веществ путем их дозированного нагрева в потоках газа, образование аэрозольных частиц и измерение их концентрации, определяющей концентрацию примесей, отличающийся тем, что нагретые потоки газа с испаренными веществами объединяют в общий поток, создают пересыщение смеси паров и образуют аэрозольные частицы совместной конденсацией на МоЯК паров смеси проявляющих и укрупняющих веществ.2. Способ по п.1, отличающийся тем, что перед созданием пересыщения общий поток со смесью паров испаренных веществ дополнительно подогревают без контакта с испаренными веществами.3. Способ по п.1, отличающийся тем, что для образования МоЯК в потоке газа с участием примеси помещают в поток нагреваемую проволоку из устойчивого против коррозии металла.