ФОТОИОНИЗАЦИОННЫЙ ГАЗОАНАЛИЗАТОР Российский патент 2015 года по МПК H01J37/00 

Изобретение относится к приборам для измерения содержания летучих веществ в воздухе, в частности к фотоионизационным газоанализаторам.

Известен фотоионизационный газоанализатор, содержащий фотоионизационный детектор, включающий ионизационную камеру, имеющую штуцера для подвода и вывода анализируемого газа, лампу вакуумного ультрафиолетового излучения с окном для вывода излучения в ионизационную камеру, источник питания лампы, побудитель расхода, соединенный с ионизационной камерой, и электронный блок, служащий для настройки газоанализатора, измерения сигнала ионизационной камеры и формирования управляющих воздействий (см. Instruction Manual VX500 Photoionization detector).

Недостатком известного фотоионизационного газоанализатора является то, что содержащиеся в анализируемом воздухе частицы пыли, состоящие в основном из кислородсодержащих соединений кремния, попадают в ионизационную камеру, оседают на окне лампы вакуумного ультрафиолетового излучения и электродах, что приводит к уменьшению потока излучения, а также к увеличению шума и дрейфа детектора. Все это вызывает уменьшение чувствительности фотоионизационного детектора. Кроме того, частицы пыли, осевшие на окно, и электроды являются центрами сорбции более мелких частиц, а также аэрозолей, воды, молекул многих органических соединений, что также приводит к падению чувствительности газоанализатора и ухудшению других его характеристик, например стабильности. Для того чтобы не допустить выхода характеристик газоанализатора за допустимые пределы, необходимо периодически разбирать фотоионизационный детектор, извлекать лампу вакуумного ультрафиолета и ионизационную камеру и производить очистку элементов от загрязнений с помощью растворителей и механических чистящих средств, затем производить сборку в обратном порядке. Этот очевидный недостаток усугубляется еще тем, что после очистки и сборки газоанализатора его необходимо снова настраивать, в том числе производить калибровку.

Известен фотоионизационный газоанализатор, содержащий фотоионизационный детектор, включающий ионизационную камеру, имеющую штуцера для подвода и вывода анализируемого газа, лампу вакуумного ультрафиолетового излучения с окном для вывода излучения в ионизационную камеру, источник питания лампы, побудитель расхода, соединенный с ионизационной камерой, две газовые линии, одна из которых служит для подвода анализируемого газа, а вторая - для подвода агента, используемого для очистки ионизационной камеры от загрязнения, и электронный блок, служащий для настройки газоанализатора, измерения сигнала ионизационной камеры и формирования управляющих воздействий (см. патент США №6734435, 5.12.2002 МПК H01j/080). В качестве вещества для получения агента для очистки ионизационной камеры в известном газоанализаторе, принятом за прототип, используется кислород. Кислород периодически подается в ионизационную камеру, где под действием вакуумного ультрафиолетового излучения превращается в озон, который и служит в качестве очищающего вещества. Озон, реагируя с органическими соединениями, окисляет их и препятствует полимеризации, что в некоторой степени уменьшает загрязнение элементов ионизационной камеры и окна лампы вакуумного ультрафиолетового излучения. Однако озон не устраняет загрязнения полностью, поскольку не взаимодействует с кислородсодержащими соединениями кремния и не может тем самым ликвидировать центры сорбции.

Задача изобретения состояла в том, чтобы обеспечить постоянство чувствительности фотоионизационного газоанализатора за счет периодической очистки окна лампы и электродов от кислородсодержащих соединений кремния.

Указанная задача решается тем, что предложен фотоионизационный газоанализатор, содержащий фотоионизационный детектор, включающий ионизационную камеру, имеющую штуцера для подвода и вывода анализируемого газа, лампу вакуумного ультрафиолетового излучения с окном для вывода излучения в ионизационную камеру, источник питания лампы, побудитель расхода, соединенный с ионизационной камерой, две газовые линии, одна из которых служит для подвода анализируемого газа, а вторая - для подвода агента, используемого для очистки ионизационной камеры от загрязнения, и электронный блок, служащий для настройки газоанализатора, измерения сигнала ионизационной камеры и формирования управляющих воздействий, в котором согласно изобретению во второй газовой линии установлен источник паров фтористого водорода, на выходе которого установлен запорный клапан, а на входе - фильтр для поглощения примесей в анализируемом воздухе и паров фтористого водорода.

Указанная задача решается также тем, что в качестве источника паров фтористого водорода используется проницаемая для паров фтористого водорода ампула, выполненная из фторопласта, частично заполненная плавиковой кислотой.

Другим отличием предложенного газоанализатора является то, что в газовой линии для подвода анализируемого газа также установлен запорный клапан.

Еще одним отличием газоанализатора является то, что газовая линия для подвода анализируемого газа и газовая линия, в которой установлен источник паров фтористого водорода, через тройник подключены к линии ввода газа, соединенной со штуцером для подвода газа в ионизационную камеру.

В числе отличий газоанализатора следует отметить то, что в него введена третья газовая линия, соединенная с линией ввода газа между тройником и штуцером для подвода анализируемого газа в ионизационную камеру, причем в этой линии установлен дополнительный побудитель расхода, на входе в который установлен запорный клапан и фильтр для очистки анализируемого газа от примесей.

Благодаря отмеченным выше особенностям выполнения газоанализатора обеспечивается достижение технического результата, который состоит в том, что полностью исключаются загрязнения на окне и электродах, ионизационной камеры, связанные с отложением кислородсодержащих соединений кремния, в результате чего чувствительность фотоионизационного детектора поддерживается постоянной.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена принципиальная схема предлагаемого газоанализатора.

Предлагаемый фотоионизационный газоанализатор содержит ионизационную камеру 1, имеющую штуцера 2 и 3 для подвода и отвода анализируемого газа. Ионизационная камера 1 снабжена лампой 4 вакуумного ультрафиолетового излучения с окном 5 для вывода излучения в ионизационную камеру 1. Лампа 4 вакуумного ультрафиолетового излучения соединена источником 6 питания, который возбуждает и поддерживает в ней электрический разряд, генерирующий вакуумное ультрафиолетовое излучение. Газоанализатор содержит также побудитель 7 расхода, установленный на выходе штуцера 3 для отвода анализируемого газа. Газоанализатор содержит две газовые линии 8 и 9, одна (8) из которых служит для подвода анализируемого газа, а вторая (9) - для подвода агента, используемого для очистки ионизационной камеры 1 от загрязнения. Газоанализатор имеет также электронный блок 10, служащий для настройки газоанализатора, измерения сигнала ионизационной камеры 1 (изображен в виде стрелки, соединяющей ионизационную камеру 1 и электронный блок 10) и формирования управляющих воздействий (изображены в виде стрелок, соединяющих электронный блок 10 и элементы управления). Во второй газовой линии 9 установлен источник паров фтористого водорода, выполненный в виде проницаемой для паров фтористого водорода ампулы 11, частично заполненной плавиковой кислотой 12 и установленной в контейнере 13, на выходе из которого установлен запорный кран 14 (например, электромеханического типа), управляемый от электронного блока 10. В первой газовой линии 8 также установлен запорный клапан 15 (электромеханического типа), управляемый от электронного блока 10. Газовая линия 8 для подвода анализируемого газа и газовая линия 9, в которой установлен источник 11 паров фтористого водорода, через тройник 16 подключены к линии 17 ввода газа, соединенной со штуцером 2 для подвода газа в ионизационную камеру 1. В газоанализатор введена третья газовая линия 18, соединенная с линией 17 ввода газа между тройником 16 и штуцером 2 для подвода газа в ионизационную камеру. В этой линии 18 установлены дополнительный побудитель 19 расхода, на входе которого установлен запорный клапан 20, управляемый от электронного блока 10, и фильтр 21 для очистки анализируемого газа. Перед побудителем 7 расхода на выходе из штуцера 3 установлен фильтр 22, назначение которого - очистка газа от паров фтористого водорода и продуктов реакции фтористого водорода с кислородсодержащими соединениями кремния. На входе в источник 11 паров фтористого водорода установлен фильтр 23 для поглощения примесей в анализируемом газе и паров фтористого водорода

Газоанализатор имеет три режима работы: "режим измерения", "режим очистки" и "режим отдувки".

Работа в режиме "измерения" - длительный режим и осуществляется большую часть времени эксплуатации прибора. Для стационарных приборов это может происходить в течение нескольких часов или нескольких десятков часов. При работе в режиме "измерения" открыт клапан 15 и включен побудитель 7 расхода газа. Клапаны 14 и 20 закрыты, а побудитель 19 расхода газа выключен. Анализируемый воздух, поступающий в газоанализатор по первой газовой линии 8 через штуцер 2, попадает в объем ионизационной камеры 1, где попадает под действие вакуумного ультрафиолетового излучения, испускаемого лампой 4. Часть примесных (анализируемых) веществ, содержащихся в объеме ионизационной камеры 1, ионизируется. Образовавшиеся ионы движутся между электродами, расположенными в ионизационной камене (не показаны), формируя электрический ток, величина которого пропорциональна концентрации анализируемых веществ. Электронный блок 10 измеряет этот сигнал, усиливает его и пересчитывает в концентрацию анализируемых веществ. Если величина концентрации превышает пороговые значения, имеющиеся в памяти электронного блока, электронный блок 10 формирует управляющие воздействия, которые приводят в действие световую и звуковую сигнализацию, а также вызывают срабатывание реле.

Работа в режиме "очистка" - кратковременный режим работы. Его продолжительность, как правило, составляет несколько десятков секунд. При работе в сильно загрязненных помещениях это время может быть увеличено. При переходе газоанализатора в режиме "очистка" клапан 15 закрывается, клапан 14 открывается. Остальные элементы схемы остаются в прежнем статусе. При этом анализируемый воздух под действием побудителя 7 расхода через фильтр 23 поступает в контейнер 13, где насыщается парами фтористого водорода, испускаемыми источником 11 паров фтористого водорода, и по второй линии 9 для подвода агента, используемого для очистки ионизационной камеры 1 от загрязнения, линию 18 подвода газа, а затем через штуцер 2 попадает в ионизационную камеру 1. В ионизационной камере 1 пары фтористого водорода взаимодействуют с отложениями кислородсодержащих соединений кремния на окне 5 лампы 4 вакуумного ультрафиолетового излучения и электродах. Образующиеся в результате реакции летучие вещества выводятся через штуцер 3 и поглощаются вместе с парами фтористого водорода фильтром-поглотителем 22. По окончании работы в режиме "очистка" отложения кислородсодержащих соединений кремния удалены, а объем ионизационной камеры 1, вторая линия 9 для подвода агента, используемого для очистки ионизационной камеры 1 от загрязнения, линия 18 ввода газа заполнены парами фтористого водорода.

Для удаления паров фтористого водорода из элементов газовой схемы используется режим "отдувки", который начинается непосредственно после режима "очистка". При работе в этом режиме клапаны 14 и 20 открыты, а клапан 15 закрыт. Побудитель 7 расхода газа отключен, а побудитель 19 расхода газа включен. Анализируемый газ под действием побудителя 19 расхода газа проходит через фильтр 21, запорный клапан 20 и по третьей газовой линии 18 поступает в линию 17 ввода газа, после чего часть потока поступает в ионизационную камеру 1 и освобождает ее от паров фтористого водорода, которые затем поглощаются фильтром 22, а другая часть потока через открытый запорный клапан 14, контейнер 13 и фильтр 23 для поглощения примесей и паров фтористого водорода выбрасывается в атмосферу. При этом происходит отдувка газовой линии 9 для подвода агента, используемого для очистки ионизационной камеры 1 от загрязнения. После завершения этого процесса газоанализатор переводится в режим " измерение" и цикл повторяется.

Продолжительность отдельных фаз цикла можно регулировать с помощью электронного блока 10. При непрерывной работе газоанализатора режимы "очистка" и "отдувка" могут включаться каждые 24 часа. Этого достаточно в большинстве применений фотоионизационного газоанализатора. При большей загрязненности объекта, где производится измерение, это время может быть сокращено. Продолжительность режима "очистка" составляет от 10 до 100 с, а режима "отдувка" от 10 до 30 с.

Следует отметить, что запрограммированный (автоматизированный) режим работы является предпочтительным. Однако не исключается и режим ручного управления, в котором включение режимов "очистка" и "отдувка" производится оператором путем нажатия дополнительной пусковой кнопки (не показана), при нажатии которой электронный блок 10 запускает эти режимы.

Важно, что конструкция газоанализатора исключает поступление паров фтористого водорода в атмосферу и делает эксплуатацию прибора безопасной. Это достигается благодаря установке фильтров-поглотителей в качестве оконечных элементов на всех газовых линиях, соединенных с атмосферой.

Изобретение относится к приборам для измерения содержания летучих веществ в воздухе, в частности к фотоионизационным газоанализаторам. Фотоионизационный газоанализатор содержит ионизационную камеру (1), лампу вакуумного ультрафиолетового излучения (4) с окном (5) для вывода излучения в ионизационную камеру, две газовые линии (8) и (9), одна из которых служит для подвода анализируемого газа, а вторая - для подвода агента, используемого для очистки ионизационной камеры от загрязнений, и электронный блок (10), служащий для настройки газоанализатора, измерения сигнала ионизационной камеры и формирования управляющих воздействий. Во второй газовой линии (9) установлен источник паров фтористого водорода, на выходе которого установлен запорный клапан (12). Технический результат - повышение чувствительности фотоионизационного детектора газоанализатора путем исключения загрязнений на окне и электродах ионизационной камеры, связанных с отложением кислородсодержащих соединений кремния. 4 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Фотоионизационный газоанализатор, содержащий фотоионизационный детектор, включающий ионизационную камеру, имеющую штуцера для подвода и вывода анализируемого газа, лампу вакуумного ультрафиолетового излучения с окном для вывода излучения в ионизационную камеру, источник питания лампы, побудитель расхода, соединенный с ионизационной камерой, две газовые линии, одна из которых служит для подвода анализируемого газа, а вторая - для подвода агента, используемого для очистки ионизационной камеры от загрязнения, и электронный блок, служащий для настройки газоанализатора, измерения сигнала ионизационной камеры и формирования управляющих воздействий, отличающийся тем, что во второй газовой линии установлен источник паров фтористого водорода, на выходе которого установлен запорный клапан, а на входе - фильтр для поглощения примесей и паров фтористого водорода.

2. Газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что в качестве источника паров фтористого водорода используется проницаемая для паров фтористого водорода ампула, выполненная из фторопласта, частично заполненная плавиковой кислотой.

3. Газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что в газовой линии для подвода анализируемого газа установлен управляемый запорный клапан.

4. Газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что газовая линия для подвода анализируемого газа и газовая линия, в которой установлен источник паров фтористого водорода, через тройник подключены к линии ввода газа, соединенной со штуцером для подвода газа в ионизационную камеру.

5. Газоанализатор по п. 1, отличающийся тем, что в него введена третья газовая линия, соединенная с линией ввода газа между тройником и штуцером для подвода анализируемого газа в ионизационную камеру, причем в этой линии установлен дополнительный побудитель расхода, на входе в который установлен запорный клапан и фильтр для очистки анализируемого газа от примесей.