ПОТОКОВЫЙ ХРОМАТОГРАФ Российский патент 2012 года по МПК G01N30/60 

Изобретение относится к области приборов для анализа состава вещества, а именно к потоковым хроматографам для анализа состава газов, в частности природного газа, например, на газораспределительных и газоизмерительных станциях при транспортировке газа по трубопроводам.

Известен потоковый газовый хроматограф по патенту RU 2073862, содержащий герметичный резервуар с газом-носителем. Во внутреннем объеме резервуара расположен анализатор, содержащий соединенные между собой блок переключения потоков газа, блок хроматографических колонок и блок детектора. Во внутреннем объеме резервуара расположен также вход газа-носителя, соединенный с блоком переключения потоков, представляющим собой систему клапанов, насос-дозатор для анализируемой среды, соединенный через блок переключения потоков с выходом для сброса пробы анализируемой среды. Вне резервуара размещены вход анализируемой среды и выход газа-носителя и пробы анализируемой среды, соединенный с блоком детектора. Анализатор включает также расположенные во внутреннем объеме резервуара компрессор, соединенный с входом газа-носителя и блоком хроматографических колонок, и два фильтра-поглотителя. Компрессор соединен с входом газа-носителя через блок клапанов и фильтр-поглотитель, а с блоком хроматографических колонок - через блок клапанов, причем выход газа-носителя размещен во внутреннем объеме резервуара и соединен с блоком детектора через второй фильтр-поглотитель.

Недостатками данного хроматографа являются низкая точность измерения, обусловленная низкой точностью (повторяемостью) дозирования анализируемого газа, которая зависит от величины давления анализируемого газа и атмосферного давления.

Наиболее близким к настоящему изобретению является хроматограф ХПУ-2 (Руководство по эксплуатации 5Е1.550.146 РЭ, 2005 г., г.Дзержинск). Данный хроматограф содержит корпус с закрепленными на нем штуцерами для ввода газа-носителя, анализируемого газа и градуировочной смеси, два штуцера для сброса газов, устройство для подготовки и ввода пробы, термостатированные кран с дозирующей петлей, хроматографическую колонку и детектор.

Данный хроматограф имеет следующие недостатки.

Известно, что количество анализируемого газа в дозирующем объеме пропорционально давлению газа и обратно пропорционально абсолютной температуре. В процессе отбора пробы постоянство давления в дозирующем объеме зависит от перепада давлений на входе в линию подачи анализируемого газа и на выходе из линии сброса анализируемого газа. В устройстве для подготовки и ввода пробы известного хроматографа на линии подачи анализируемого газа отсутствуют регуляторы давления, а на линии сброса пробы регулирование давления осуществляется вручную с помощью переменного дросселя под визуальным контролем по манометру. Такой режим отбора пробы не обеспечивает постоянства давления в дозирующем объеме и, следовательно, количества вещества, вводимого в хроматографическую колонку при анализе и градуировке, что ведет к снижению точности измерений компонентного состава анализируемого газа.

В известном устройстве продувка дозирующего объема от остатков пробы осуществляется таким образом, что остатки пробы выдуваются в хроматографическую колонку, что приводит к дополнительному размыванию хроматографических пиков, увеличению шумов и, как следствие, к дополнительному ограничению точности измерений и увеличению времени продувки магистрали перед новым анализом.

Кроме того, в данном устройстве регулирование потока на линии сброса анализируемого газа осуществляется вручную под визуальным контролем по манометру, что ограничивает уровень автоматизации анализа.

Задачей изобретения является повышение точности измерения состава газа и повышение уровня автоматизации анализа.

Указанная задача решена в потоковом хроматографе, содержащем корпус с установленными на нем штуцерами ввода газа-носителя, анализируемого газа и градуировочной смеси, первым и вторым штуцерами сброса газов, устройство для подготовки и ввода пробы, а также термостатированные хроматографическую колонку, детектор и кран-дозатор с дозирующей петлей, в одном положении соединяющий детектор с хроматографической колонкой непосредственно, а в другом - через дозирующую петлю. Согласно изобретению устройство подготовки и ввода пробы содержит регулятор расхода газа, установленный на линии ввода газа-носителя на входе в детектор, измеритель расхода газа, установленный между вторым штуцером сброса и выходом детектора, прецизионный регулятор давления, четырехпортовый кран и три пневмосопротивления, при этом первый вход четырехпортового крана соединен со штуцером ввода газа-носителя через первое пневмосопротивление, второй и третий входы четырехпортового крана соединены со штуцерами ввода анализируемого и градуировочного газов соответственно, а выход четырехпортового крана соединен с входом прецизионного регулятора давления, выход которого связан с краном-дозатором, в одном положении соединяющим выход прецизионного регулятора давления с дозирующей петлей и через нее со вторым пневмосопротивлением, а в другом положении - непосредственно со вторым пневмосопртивлением, соединенным с первым штуцером сброса, который через третье пневмосопротивление соединен со штуцером ввода анализируемого газа.

Такое выполнение хроматографа позволяет поддерживать с высокой точностью давление в дозирующей петле, что в сочетании с термостатированием крана-дозатора с дозирующей петлей обеспечивает высокую сходимость при дозировании газа, вводимого в хроматографическую колонку. Кроме того, за счет поддержания избыточного давления в дозирующей петле относительно атмосферного давления обеспечивается автоматическая компенсация изменения атмосферного давления, что дополнительно повышает точность дозирования. За счет сжимаемости газа путем изменения величины давления в дозирующей петле обеспечивается изменение объема вводимой в хроматограф пробы и, следовательно, регулирование чувствительности хроматографа. Продувка всех объемов устройства подготовки и ввода пробы газом-носителем исключает возможность накопления в устройстве и последующего несанкционированного ввода в хроматограф остатков пробы от предыдущего анализа и, следовательно, устраняет влияние предыдущего анализа на последующие, что очень важно при значительных изменениях концентрации компонентов анализируемого газа, протекающего по трубопроводу.

Предпочтительно регулятор расхода и измеритель расхода выполнены электронными, что обеспечивает возможность сравнения в автоматическом режиме величины расхода потока газа-носителя, формируемого электронным регулятором расхода, на входе хроматографа с величиной расхода газа на выходе хроматографа (детектора), измеренного электронным измерителем расхода, как во время проведения анализа, так и во время ввода пробы. Это позволяет контролировать герметичность магистралей и узлов хроматографа, влияющую на достоверность результатов анализа.

На фиг.1 показана принципиальная схема хроматографа, находящегося в режиме «Анализ»;

на фиг.2 - принципиальная схема хроматографа, находящегося в режиме «Ввод пробы»;

на фиг.3 - то же, но при градуировке прибора.

Как показано на фиг.1, хроматограф содержит корпус 1 с закрепленными на нем штуцером 2 для ввода газа-носителя, штуцером 3 для ввода анализируемого газа, штуцером 4 для подвода градуировочного газа, штуцером 5 для сброса анализируемого газа и штуцером 6 для сброса газа. В корпусе 1 расположено устройство для подготовки и ввода пробы, включающее в себя регулятор 7 расхода газа, измеритель 8 расхода газа, прецизионный регулятор 9 давления, четырехпортовый кран 10 и три пневмосопротивления 11, 12 и 13. Кроме того, в корпусе 1 имеется термостатированный отсек 14, в котором расположены детектор 15, хроматографическая колонка 16 и кран-дозатор 17 с дозирующей петлей 18. Детектор 15 включает в себя сравнительную ячейку 19 по теплопроводности и измерительную ячейку 20. Предпочтительно регулятор 7 расхода газа и измеритель 8 расхода газа выполнены электронными. Прецизионный регулятор 9 давления также может быть выполнен электронным.

Штуцер 2 для ввода газа-носителя соединен с первым входом 22 четырехпортового крана 10 через первое пневмосопротивление 11 и с входом регулятора 7 расхода газа, выход которого соединен с входом сравнительной ячейки 19 детектора 15. Штуцер 3 для ввода анализируемого газа соединен со вторым входом 21 четырехпортового крана 10 и через третье пневмосопротивление 13 со штуцером 5 для сброса анализируемого газа, который, в свою очередь, через второе пневмосопротивление 12 соединен с краном-дозатором 17. Штуцер 4 для подвода градуировочного газа соединен с третьим входом 23 четырехпортового крана 10. Штуцер 6 для сброса газа соединен с выходом измерителя 8 расхода газа, вход которого соединен с выходом измерительной ячейки 20 детектора 15. Выход 24 четырехпортового крана 10 соединен с входом прецизионного регулятора 9 давления, выход которого соединен с краном-дозатором 17. Кран-дозатор 17 соединен также с выходом сравнительной ячейки 19 детектора 15 и с входом хроматографической колонки 16, выход которой соединен с входом измерительной ячейки 20 детектора 15.

Хроматограф работает в двух режимах - в режиме «Анализ», в котором производят продувку, и в режиме «Ввод пробы», в котором производят ввод анализируемой смеси и осуществляют градуировку прибора.

В режиме «Анализ» (фиг.1) кран-дозатор 17 устанавливается в положение, при котором вход хроматографической колонки 1 6 соединен с выходом сравнительной ячейки 19 детектора 15, а дозирующая петля 18 крана-дозатора 17 соединяется одним концом с выходом прецизионного регулятора 9 давления, а другим концом - через второе пневмосопротивление 12 со штуцером 5 сброса анализируемого газа. При этом четырехпортовый кран 10 устанавливается в положение, в котором с его выходом 24 соединен его первый вход 22.

В режиме «Ввод пробы» (фиг.2) кран-дозатор 17 устанавливается в положение, при котором вход хроматографической колонки 16 соединен через дозирующую петлю 18 крана-дозатора 17 с выходом сравнительной ячейки 19 детектора 15, а выход прецизионного регулятора 9 давления - через второе пневмосопротивление 12 со штуцером 5 сброса анализируемого газа. При этом четырехпортовый кран 10 устанавливается в положение, в котором с его выходом 24 соединен его второй вход 21.

При градуировке прибора (фиг.3) кран-дозатор 17 устанавливается в то же положение, что и в режиме «Анализ», а четырехпортовый кран 10 устанавливается в положение, в котором с его выходом 24 соединен его третий вход 23.

Хроматограф работает следующим образом.

Через штуцер 2 в хроматограф подается газ-носитель (гелий). Электронным регулятором расхода 7 формируется поток газа-носителя, величина расхода которого определяется режимом работы хроматографической колонки 16. Из регулятора расхода 7 газ-носитель поступает в сравнительную ячейку 19 детектора 15 по теплопроводности, а затем через кран-дозатор 17 в хроматографическую колонку 16, выход которой соединен с измерительной ячейкой 20 детектора 15. От выхода измерительной ячейки 20 детектора 15 газ-носитель через измеритель расхода 8 поступает на штуцер 6 сброса газа в атмосферу. Величина расхода газа-носителя, формируемого регулятором расхода 7, сравнивается с величиной расхода газа-носителя, проходящего через измеритель расхода 8, их равенство означает наличие герметичности в магистралях и узлах хроматографа и, следовательно, готовность его к работе.

Затем осуществляется нагрев расположенных в термостатированном отсеке 14 крана-дозатора 17, хроматографической колонки 16 и детектора 15 до рабочей температуры, после чего подается питающее напряжение на чувствительные элементы сравнительной 19 и измерительной 20 ячеек детектора 15. В то же время газ-носитель через первое пневмосопротивление 11 поступает на первый вход 22 четырехпортового крана 10. В исходном положении (режим «Анализ») четырехпортового крана 10 его первый вход 22 соединен с его выходом 24, соединенным, в свою очередь, с входом электронного прецизионного регулятора давления 9, выход которого через дозирующую петлю 18 крана-дозатора 17 соединен со вторым пневмосопротивлением 12, выход которого соединен со штуцером 5 сброса анализируемого газа.

На выходе из прецизионного регулятора давления 9 формируется избыточное давление (0,1-0,05 атм), величина которого в сочетании с проходным сечением второго пневмосопротивления 12 определяет величину расхода газа через устройство подготовки и ввода пробы.

В режиме «Анализ» потоком газа-носителя осуществляется продувка системы подготовки и ввода пробы, т.е. из нее удаляются воздух и другие газы, находившиеся в системе перед началом ее работы, удаляются также, при их наличии, остатки проб от проводившихся ранее анализов. После выхода хроматографа на режим и готовности к проведению анализа хроматограф переводится в режим подготовки к вводу пробы, для чего четырехпортовый кран 10 переводится в положение, при котором его второй вход 21 крана, соединенный со штуцером 3, соединяется с его выходом 24, и анализируемый газ начинает поступать в систему подготовки и ввода проб. На выходе прецезионного регулятора давления 9 формируется давление, соответствующее необходимому объему пробы, предназначенной для ввода в хроматографическую колонку 16. Оптимальным давлением в дозирующей петле 18 будет давление, равное давлению перед хроматографической колонкой 16. В этом случае при вводе пробы краном-дозатором 17 будет отсутствовать скачок давления и соответственно реакция детектора 15 на ввод пробы, т.е. будут отсутствовать ложные сигналы и дрейф базовой линии при вводе пробы. Для обеспечения представительности пробы, т.е. соответствия состава анализируемого газа с составом газа, протекающего в настоящий момент времени через контролируемый участок газопровода, анализируемый газ из штуцера 3 постоянно перетекает через третье пневмосопротивление 13 в штуцер 5 сброса анализируемого газа. Таким образом, за счет постоянной продувки магистрали, соединяющей газопровод с хроматографом, обеспечивается представительность пробы газа, вводимой в хроматограф.

После заполнения и продувки устройства подготовки и ввода проб анализируемым газом осуществляется перевод хроматографа в режим «Ввод пробы», для чего кран-дозатор 17 переводится из положения «Отбор», в котором он находился в режиме «Анализ», в положение «Ввод пробы» (фиг.2), соответствующее описанному выше режиму «Ввод пробы». При переводе крана-дозатора 17 в это положение дозирующая петля 18 включается в разрыв между выходом сравнительной ячейки 19 детектора 15 и входом хроматографической колонки 16. Потоком газа-носителя, формируемым регулятором расхода 7, анализируемый газ вытесняется из дозирующей петли 18 в хроматографическую колонку 16, в которой происходит деление анализируемого газа на компоненты и осуществляется их регистрация по мере прохождения через детектор 15. Длительность ввода пробы определяется объемом дозирующей петли 18 и расходом газа-носителя до полного перехода анализируемого газа в хроматографическую колонку 16, после чего кран-дозатор 17 возвращается в положение «Анализ» (фиг.1), и дозирующая петля 18 подключается к выходу электронного прецизионного регулятора давления 9, выходное давление которого снижается до величины, выбранной ранее для режима продувки газом-носителем устройства подготовки и ввода проб.

Аналогично осуществляется градуировка хроматографа (фиг.3), только в этом случае четырехпортовый кран 10 переводится в положение, в котором его выход 24 соединяется с его третьим входом 23, соединенным со штуцером 4 для подвода градуировочного газа.

Сочетание продувки системы подготовки и ввода проб газом-носителем с поддержанием с высокой точностью давления в термостатированной дозирующей петле относительно изменяющегося атмосферного давления позволяет производить дозирование с высокой точностью и повторяемостью, исключая при этом влияние на точность дозирования и результаты анализа колебаний давления в магистралях анализируемого газа и градуировочной смеси, колебаний температуры и атмосферного давления, а также влияния остатков пробы от предыдущих анализов на результаты анализа.

Потоковый хроматограф предназначен для анализа состава газов, в частности природного газа, например, на газораспределительных и газоизмерительных станциях при транспортировке газа по трубопроводам. Потоковый хроматограф содержит корпус (1) с установленными на нем штуцерами (2, 3, 4) ввода газа-носителя, анализируемого газа и градуировочной смеси, первым и вторым штуцерами (5, 6) сброса газов, устройство для подготовки и ввода пробы, а также термостатированные хроматографическую колонку (16), детектор (15) и кран-дозатор (17) с дозирующей петлей (18), в одном положении соединяющий детектор (15) с хроматографической колонкой (16) непосредственно, а в другом - через дозирующую петлю (18). Согласно изобретению устройство подготовки и ввода пробы содержит регулятор (7) расхода газа, установленный на линии ввода газа-носителя на входе в детектор (15), измеритель (8) расхода газа, установленный между вторым штуцером (6) сброса и выходом детектора (15), прецизионный регулятор давления (9), четырехпортовый кран (10) и три пневмосопротивления (11, 12, 13). При этом первый вход (22) четырехпортового крана (10) соединен со штуцером (2) ввода газа-носителя через первое пневмосопротивление (11), второй и третий входы (21, 23) соединены со штуцерами (3, 4) ввода анализируемого и градуировочного газов соответственно, а выход (24) четырехпортового крана (10) соединен с входом прецизионного регулятора давления (9), выход которого связан с краном-дозатором (17), в одном положении соединяющим выход прецизионного регулятора давления (9) с дозирующей петлей (18) и через нее со вторым пневмосопротивлением (12), а в другом положении - непосредственно с вторым пневмосопртивлением (12), соединенным с первым штуцером (5) сброса, который через третье пневмосопротивление (13) соединен со штуцером (3) ввода анализируемого газа. Техническим результатом изобретения является разработка устройства, позволяющего производить дозирование с высокой точностью и повторяемостью, исключая при этом влияние на точность дозирования и результаты анализа колебаний давления в магистралях анализируемого газа и градуировочной смеси, колебаний температуры и атмосферного давления, а также влияния остатков пробы от предыдущих анализов на результаты анализа. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Потоковый хроматограф для анализа состава газа, содержащий корпус с установленными на нем штуцерами ввода газа-носителя, анализируемого газа и градуировочной смеси, первым и вторым штуцерами сброса газов, устройство для подготовки и ввода пробы, а также термостатированные хроматографическую колонку, детектор и кран-дозатор с дозирующей петлей, в одном положении соединяющий детектор с хроматографической колонкой непосредственно, а в другом - через дозирующую петлю, отличающийся тем, что устройство подготовки и ввода пробы содержит регулятор расхода газа, установленный на линии ввода газа-носителя на входе в детектор, измеритель расхода газа, установленный между вторым штуцером сброса и выходом детектора, прецизионный регулятор давления, четырехпортовый кран и три пневмосопротивления, при этом первый вход четырехпортового крана соединен со штуцером ввода газа-носителя через первое пневмосопротивление, второй и третий входы соединены со штуцерами ввода анализируемого и градуировочного газов, соответственно, а выход четырехпортового крана соединен с входом прецизионного регулятора давления, выход которого связан с краном-дозатором, в одном положении соединяющим выход прецизионного регулятора давления с дозирующей петлей и через нее со вторым пневмосопротивлением, а в другом положении - непосредственно с вторым пневмосопротивлением, соединенным с первым штуцером сброса, который через третье пневмосопротивление соединен со штуцером ввода анализируемого газа.

2. Потоковый хроматограф по п.1, отличающийся тем, что регулятор расхода газа и измеритель расхода газа выполнены электронными.

3. Потоковый хроматограф по п.1, отличающийся тем, что прецизионный регулятор давления выполнен электронным.