УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОТБОРА И ВВОДА ПРОБ Российский патент 2024 года по МПК G01N30/24 

Заявляемое устройство относится к газовому анализу и может применяться с газовыми хроматографами или хромато-масс-спектрометрами для определения количественного или качественного состава компонентов в газовых смесях. Данное изобретение может применяться для ввода в измерительное оборудование малых количеств парогазовой пробы, что может найти широкое применение в анализе газовых сред при работе с веществами первого и второго класса опасности.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является расширение возможности аналитического оборудования при построении градуировачных зависимостей и возможность проводить анализ парогазовых образцов с малым количеством пробы и отсутствием избыточного давления.

Известно устройство отбора и ввода пробы, содержащее последовательно соединенные между собой через ограничители потока линию отбора пробы, сообщающуюся с анализируемой атмосферой, промежуточную камеру, подсоединенную через клапан к насосу, и линию ввода пробы в анализатор, причем промежуточная камера и линия ввода пробы подсоединены через клапаны к источнику газа-носителя (патент РФ №2125723, МПК G01N 30/16, опубл. 27.01.1999). Известное устройство работает следующим образом: в режиме отбора пробы газ-носитель поступает в линию ввода пробы, где делится на два потока. Один из потоков поступает в хромато графическую колонку, затем в детектор и сбрасывается. Другой поток газа-носителя через ограничитель потока, клапан и насос сбрасывается в атмосферу, при этом анализируемая проба через линию отбора и ограничитель потока поступаете промежуточную камеру, заполняет ее, замещая газ-носитель. После наполнения промежуточной камеры пробой происходит переключение клапанов, в результате чего один из потоков газа-носителя, поступая в промежуточную камеру, захватывает пробу и вместе с ней через ограничитель потока поступает в линию ввода пробы, затем в хроматографическую колонку и детектор. Другой поток газа-носителя поступает в линию отбора и сбрасывается в атмосферу.

К недостаткам известного устройства можно отнести сложность конструкции и громоздкость устройства, что может иметь негативные последствия при вводе его в эксплуатацию и применении, так как при нарушении герметичности устройства снижается точность и достоверность результатов анализа. Применение в качестве дозирующего объема промежуточной камеры с заданным объемом снижает эксплуатационные характеристики устройства, что связано с возможностью анализировать пробы с высокой концентрацией компонентов или с низкой. Обычно в системах отбора и ввода газовой пробы в качестве дозирующего объема применяются легкосъемные элементы с разными объемами, что позволяет анализировать пробы, как с низкой концентрацией компонентов, так и с высокой.

Известно устройство для отбора и ввода проб под разрежением в хроматограф, содержащее переключающее устройство, соединяющее линию анализируемого газа, уравнительную емкость с поршнем и дозирующий объем, подключенный к хроматографу через четырехходовое переключающее устройство (авторское свидетельство №384067, МПК. G01N 31/08 и G01F 1 1/00, опубл. 23.05.1973 Бюл. №24). Извести ое у стройство работает следующим образом: в линии отбора пробы, дозирующем объеме и уравнительной емкости создают разрежение, которое заполняют анализируемым газом и с помощью поршня увеличивают давление пробы в дозирующем объеме; затем происходит переключение пробоотборного крана, и проба из дозирующего объема в токе газа-носителя поступает в хроматограф.

Недостатком известного устройства является отсутствие контроля задаваемого давления, при котором осуществляется ввод пробы в хроматографическую колонку. Это приводит к снижению воспроизводимости анализов за счет различного давления пробы в дозаторе и на входе хроматографической колонки. При смене дозирующих объемов, при изменении пневматического сопротивления колонки и в случае отбора проб из линий с различным разрежением требуется подбор величины давления в дозирующем объеме и его измерение.

Наиболее близким аналогом, выбранным за прототип, является «Устройство для отбора и ввода проб в газовый хроматограф» (авторское свидетельство SU 1062601 А, МПК G01N 31/08, опубликован 23.12.1983 Бюл. №47). Устройство состоит из крана-дозатора поворотного типа с дозирующим объемом, канала для подачи анализируемого газа, крана-переключателя потока, установленного между каналом для подачи анализируемого газа и дозирующим объемом крана-дозатора, трехмембранного элемента сравнения 5 типа П2ЭС-1 из серии элементов УСЭПТ1А, пневмоуправляемого клапана с приводом и индикатором срабатывания и уравнительной емкости. Устройство работает следующим образом. В соединительных линиях, дозирующем объеме и уравнительной емкости создают разрежение, которое заполняют анализируемым газом, и с помощью трехмембранного элемента сравнения и поршня привода в уравнительной емкости устанавливают давление пробы в дозирующем объеме, равное давлению на входе в колонку. Затем происходит переключение крана-дозатора, и проба из дозирующего объема в токе газа-носителя поступает в хроматограф.

К недостаткам известного устройства можно отнести отсутствие датчика для измерения давления в дозирующем объеме, при котором осуществляется ввод пробы в хроматографическую колонку. Это приводит к невозможности дозировать в измерительное оборудование пробы с заданным объемом и давлением, а также проводить калибровку измерительного оборудования с применением одной поверочной газовой смеси, В связи с этим не удается снизить токсическое воздействие на персонал при работе с веществами первого и второго класса опасности, уменьшить расходы на закупку поверочных газовых смесей.

Техническим результатом заявляемого изобретения является осуществление дозирования проб в измерительное оборудование с заданным объемом и давлением, что дает возможность проводить калибровку измерительного оборудования с применением одной поверочной газовой смеси. Кроме того, устройство позволяет повысить безопасность персонала при работе с веществами первого и второго класса опасности, уменьшить расходы на закупку поверочных газовых смесей и, в целом, снизит негативное воздействие на окружающую среду.

Указанный технический результат достигается за счет того, что устройство для отбора и ввода проб, содержащее кран-дозатор с дозирующим объемом, подключенный к линии газа-носителя и к входу линии отбора пробы, подключенной к баллону с анализируемым газом через пневмоуправляемый клапан, а выход линии отбора соединен с насосом для разрежения, и дополнительно введены вакуумметр, подключенный к входу линии отбора и запорный клапан, подключенный к выходу линии отбора пробы.

Кроме того, кран-дозатор с дозирующим объемом может быть размещен в термостате.

Все это обусловлено тем, что запорный клапан, подключенный к выходу линии отбора пробы, позволяет прекратить вакуумирование линии отбора пробы насосом для разрежения после достижения необходимого вакуума. В свою очередь, вакуумметр в сочетании с пневмоуправляемым клапаном позволяют дозировать газовую пробу с заданным объемом и давлением в дозирующий объем за счет перепада давления между линией отбора пробы и баллоном с анализируемым газом. Размещение крана-дозатора с дозирующим объемом в термостате позволит дозировать в измерительное оборудование парогазовые пробы.

В целом, применение устройства позволит повысить безопасность персонала при работе с веществами первого и второго класса опасности, уменьшить расходы на закупку поверочных газовых смесей и снизить негативное воздействие на окружающую среду.

Работу устройства поясняет функциональная схема, представленная на фиг. 1.

Устройство для отбора и ввода пробы содержит насос для разрежения 1, запорный клапан 2, баллон с анализируемым газом 3, пневмоуправляемый запорный клапан 4, линию отбора пробы 5, вакуумметр 6, кран-дозатор 7, дозирующий объем 8, термостат 9, регулятор расхода газа 11, линию газа-носителя 12 и подключено к измерительному оборудованию 10. В устройстве отбора и ввода пробы обозначен вход для линии отбора пробы 13 и выход -линии отбора пробы 14.

Устройство отбора и ввода пробы работает следующим образом. При положении крана-дозатора 7 «отбор пробы» баллон с анализируемым газом 3 перекрывается пневмоуправляемым клапаном 4 и линия отбора пробы 5 с дозирующим объемом 8 вакуумируется насосом для разрежения 1. При этом газ-носитель по линии 12 через регулятор расхода 11 поступает в кран-дозатор 7 и измерительное оборудование 10. Затем запорный клапан 2 закрывают, и газовая проба из баллона с анализируемым газом 3 дозируется пневмоуправляемым клапаном 4 в дозирующий объем 8. Степень разрежения и давление пробы измеряются вакуумметром 6. Далее кран-дозатор 7 переводят в положение «анализ» и проба из дозирующею объема 4 переносится газом-носителем в измерительное оборудование 10.

В случае размещения крана-дозатора 7 с дозирующим объемом 8 в термостате 9, устройство отбора и ввода пробы позволит дозировать в измерительное оборудование 10 парогазовые пробы без сорбции веществ на поверхности крана-дозатора 7.

Предлагаемое устройство отбора и ввода пробы позволяет вводить пробу для анализа при любых перепадах (в том числе отрицательных) давления между его выходом и входом хроматографической колонки, обеспечивая при этом хорошую воспроизводимость результатов анализа и высокую надежность работы. Данное устройство отбора и ввода пробы совместимо практически со всеми известными типами хроматографических колонок и детекторов, позволит осуществлять ввод в измерительное оборудование малых количеств парогазовой пробы, что повысит безопасность при работе с веществами первого, второго класса опасности.

Устройство отбора и ввода пробы было реализовано в газовом хроматографе с детектором по теплопроводности (ДТП) и насадочной колонкой, содержащей молекулярные сита 5А-2, и использовалось для установления градуировочных зависимостей, отображающих изменение площади хроматографических пиков в зависимости от парциального давления водорода, которые представлены на фиг. 2, фиг. 3, фиг. 4.

Для установления градуировочной зависимости применяли метод абсолютной градуировки. Градуировочную зависимость представляли в виде

где S_H - сигнал детектора, площадь хроматографического пика водорода, мкВ⋅мин;

КГ_Н и b_H - градуировочные коэффициенты по водороду, рассчитанные по методу наименьших квадратов, мкВ⋅мин/Па и мкВ-мин соответственно;

X_H - парциальное давление водорода в дозирующем объеме, Па:

где Р - давление поверочной газовой смеси в дозиру ющем объеме, Па;

C_H- объемная доля водорода в поверочной газовой смеси;

t_k - температура крана-дозатора, °С.

Для получения градуировомной зависимости устанавливались следующие параметры системы: температура крана-дозатора - 25°С, температура хроматографической колонки - 50°С, температура детектора - 150°С, расход газа-носителя через колонку - 30 см³/мин, длительность режима отбора составляла 2 мин, длительность ввода пробы - 0,4 с, длительность хроматографического анализа - 5 мин.

Пример 1.

Градуировочную зависимость для водорода (см. фиг. 2) устанавливали по пяти точкам, дозируя поверочную газовую смесь с объемной долей водорода 0,01% в хроматограф при давлениях 8080, 26260, 44440, 62620, 80800 Па, и регистрировали время удерживания компонента г, мин., и площадь хроматографических пиков S, мкВ⋅мин. Каждую точку получали по результатам пяти параллельных определений.

Установленная градуировочная зависимость позволяет выполнять измерение объемной доли водорода в диапазоне от 0,001% до 0,1%, что достигается за счет возможности задавать давление анализируемой пробы в дозирующем объеме.

В отличие от прототипа градуировочная зависимость была установлена с применением одной поверочной газовой смеси.

Пример 2.

Граду ировочную зависимость для водорода (см. фиг. 3) устанавливали по пяти точкам, дозируя поверочную газовую смесь с объемной долей водорода 0,1% в хроматограф при давлениях 8080, 26260, 44440, 62620, 80800 Па, и регистрировали время удерживания компонента т.мин., и площадь хроматографических пиков S, мкВ⋅мин. Каждую точку получали по результатам пяти параллельных определений.

Установленная градуировочная зависимость позволяет выполнять измерение объемной доли водорода в диапазоне от 0,01% до 1%, что достигается за счет возможности задавать давление анализируемой пробы в дозирующем объеме.

В отличие от прототипа градуировочная зависимость была установлена с применением одной поверочной газовой смеси.

Пример 3.

Градуировочную зависимость для водорода (см. фиг. 4) устанавливали по пяти точкам, дозируя поверочную газовую смесь с объемной долей водорода 1% в хроматограф при давлениях 8080, 26260, 44440, 62620, 80800 Па, и регистрировали время удерживания компонента г, мин., и площадь хроматографических пиков S, мкВ⋅мин. Каждую точку получали по результатам пяти параллельных определений.

Установленная градуировочная зависимость позволяет выполнять измерение объемной доли водорода в диапазоне от 0,1% до 10%, что достигается за счет возможности задавать давление анализируемой пробы в дозирующем объеме.

В отличие от прототипа градуировочная зависимость была установлена с применением одной поверочной газовой смеси.

Результаты измерений в условиях данных примеров сведены в таблицу 1.

Из данных, приведенных в таблице 1, можно сделать вывод, что заявляемое устройство для отбора и ввода проб позволяет проводить калибровку измерительного оборудования с применением одной поверочной газовой смеси в отличие от прототипа.

Изобретение относится к области устройств газового анализа. Задача: задачей изобретения является расширение эксплуатационных возможностей устройства для отбора и ввода пробы, обеспечивающих его применение в измерительном оборудовании, предназначенном для обнаружения и измерения концентрации веществ в атмосфере и в газовых смесях с давлением как выше, так и ниже атмосферного, при одновременном повышении достоверности и чувствительности анализа. Сущность изобретения: устройство для отбора и ввода проб, содержащее кран-дозатор с дозирующим объемом, подключенный к линии газа-носителя и к входу линии отбора пробы, подключенной к вакуумметру и баллону с анализируемым газом через пневмоуправляемый клапан, а выход линии отбора соединен с насосом для разрежения через запорный клапан, позволяющее дозировать пробы в измерительное оборудование с заданным объемом и давлением и возможностью размещения крана-дозатора с дозирующим объемом в термостате. Технический результат, обеспечиваемый при использовании предлагаемого устройства, заключается в расширении функциональных возможностей измерительного оборудования, что отражается в возможности дозировать парогазовые пробы в измерительное оборудование с заданным объемом и давлением и проводить калибровку измерительного оборудования с применением одной поверочной газовой смеси. 1 з.п. ф-лы, 4 ил., 1 табл.

1. Устройство для отбора и ввода проб, содержащее кран-дозатор с дозирующим объемом, подключенный к линии газа-носителя и к входу линии отбора пробы, подключенной к баллону с анализируемым газом через пневмоуправляемый клапан, а выход линии отбора соединен с насосом для разрежения, отличающееся тем, что дополнительно введены вакуумметр, подключенный к входу линии отбора, и запорный клапан, подключенный к выходу линии отбора.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что кран-дозатор с дозирующим объемом размещен в термостате.