Пламенно-ионизационный детектор Советский патент 1983 года по МПК G01N27/64 

ю ю

Изобретение относится к газовой хроматографии и может найти примене-1 низ при анализе газовых и жидких смесей.

Известен пламенно-ионизационный детектор, содержащий корпус, горелку, установленйую в корпусе, трубопроводы для подвода к,горелке водорода и воздуха, канал, соединяющий горелку с хроматографической колонкой, потенциальный электрод, совмещенный с горелкой, коллекторный трубчатый электрод, установленный соосно с горелкой, имеющий форму полого цилиндра с внутренним сужением в конечной части, обращенной к горелке, трубопровод для подвода к горелке воздуха, соединенный с кольцевым зазором между коллекторным электродом и корпусом, устройство для поджига пламени и трубопровод, для вывода отработанного газа и продуктов горения из корпуса, являющийся продолжением внутреннего канала коллекторного электрода С ,

Однако, использование трубчатого электрода, являющегося одновременно частью трубопровода для вывода отработанного газа и продуктов горения из корпуса и расположенного соосно с горелкой, резко усиливает влияние внешних толчков давления на геометрическую форму пламени и его ориентацию относительно стенок коллекторного электрода, на температурные и концентрационные поля в районе факела. В результате этого, детектор становится чувствительным к самым незначительным возмущениям давления на выходе и в том числе к наружным конвективным потокам и;волчкам, давления в комнате, вызь ва:емым даже открыванием и зaJ Pывaн eм двери. Вследствие этого резко ухудвЬается стабильность нулевой линии.

За,счет осмрлёния поверхности э тектрода, опадания частиц сажи в пламя, нагрева поверхности коллекторного электрода, охлаждения пламени, колебаний факела в непосредственной близости к стенкам электрода резко повышается шум, снижается чувствитель ность, дестабилизируетря нулевая линия и т.д. Кроме того, детектор требует частой разборки для очистки электрода, что существенно затрудняет его эксплуатацию. Коллекторный электрод, являющийся одновременно частью трубопровода для вывода отработанного газа и продуктов горения из корпуса интенсивно охлаждается по всей длине за счет потока холодного воздуха, омывающего еТо наружную поверхность. В результате этого интенсифицируется процесс конденсации влаги и продуктов горения на внутренней noBepxHqcTH коллекторного электрода и в трубопроводе для вывода отработанного газа и продуктов горения из корпуса детектора. Конденсация паг ров воды приводит к пульсации газового потока и, как следствие, к резкому увеличению уровня шумов выходного сигнала детектора. Осаждение продуктов горения на внутренней поверхности коллекторного электрода приводит, как отмечалось ранее, к снижению чувствительности, увеличению шумов, нестабильности нулевой линии и т.д. С целью устранения конденсации влаги необходимо поддерживать температуру корпуса детектора на уровне не ниже 100-150°С.

Установка устройства для контроля горения пламени возможна лишь в непосредственной близости к пламени, т.е. практически в зоне ионизации и сбора зарядов. Это приводит к повышению уровня шумов и понижению чувствительности, за счет загрязнений, испаряющихся с поверхности устройства для контроля пламени, ухудшения рехсима горения, деформации электрического поля и турбулизации газовых питоков в окрестностях пламени.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является пламенно-ионизационный детектор, содержащий корпус, горелку, установленную в корпусе, трубопроводы для подвода к горелке водорода и воздуха канал, соединяющий горелку с хроматопэафичес1КОЙ колонкой, потенциальньй электрод устройство для поджига пламени, устройство для контроля горения пламени коллекторный цилиндрический электрод, установленный соосно с горелкой и трубопровод для вывода из корпуса отработанного газа и продуктов горения, служащий продолжение ем внутреннего канала коллекторного электрода 2J.

Недостатком данного детектора является значительная зависимость от нулевой линии от колебаний давления на выходе из детектора, возникаквдих . вследствие колебаний конвективных потоков (вентиляционных, тепловых) в окрестностях детектора, открываний и закрываний дверей и окон и т.д. Влияние колебаний давления на выходе из детектора проявляется в повышении уровня шумов, увеличении дрейфа нулевой линии и появлении ложных пиков, имеющих значительную амплитуду.

Причиной зависимости нулевой линии детектора от колебаний давления на выходе из детектора является то, что трубопровод для.вывода из корпуса отработанного газа и продуктов горения является непосредственным продолжением коллекторногчэ электрода и расположен как и коллекторный электрод соосно с горелкой. : Таким образом,: между пламенем и выходом из детектора находится короткий цилиндрический канал, через который толчки давления на выходе безпрепятственно воздействуют на пламя, вызывая изменение его геометрической формы, ориентации относительно стенок коллекторного электрода. При этом изменяются температурные и концентрационные поля, что существенно влияет на процессы, происходящие в пламени, особенна в данном случае, когда пламя диффузионное. Большая поверхность контакта электроизоляционных втулок с коллекторным электродом и корпусом снижает сопротивление изоляции и, как следствие, приводит к уменьшению чувствительности, того, цилиндрическая форма внутреннего канала коллекторного электрода и электроизоляционных втулок создает условия для беспрепятственного попадания в пламя частиц продуктов горения, оторвавшихся от поверхности канала, что приводит к увеличению шумов. Использование электрюизолятора коллекторного электрода в качестве элемента трубопровода для вывода из корпуса отработанного газа и продуктов горения, находящегося в непосредственном контакте с продуктами горения и парами влаги уве личивает опасность его загрязнения и йак следствие, снижения качества изоляции коллекторного электрода. Это вызывает необходимость поддержания температуры детектора на уровне не ниже , что исключает конденсацию влаги.В то же время температура изоляционной втулки должна быть не ниже температуры колонки, чтобы устранить конденсацию на поверхности изолятора анализируемого вещества и жидкой фазы, уносимой из колонки. Поскольку сопротивление изоляторов :коллекторного электрода резко падает при температурах, близких к , верхний предел рабочих температур известного детектора ограничен , причем, характеристики детектора (-чувствительность, уровень шумо стабильность нулевой линии) при этих температурах рез Ко ухудшается-. Поэтому предельные рабочие температуры Детектора могут быть использованы только для анализа больших концентраций при высоком коэффициенте загрубления усилителя. Необходимо отметить, что повышенные рабочие температуры детектора не предохраняют изолятор от загрязнения, так как продукты горения и деструкции анализируемых веществ час:тично превращаются в аэрозоль (сажа) :оседакхцую на поверхностях коллекторного электрода и изоляторУдаже при очень высоких температурах. В результате загрязнения изолятора резко снижается чувствительность, у.В1Влйчивается шум и ейф нулевой линии. Для восста но„вления характеристик детектора необ-j Обходима часто производить разборку дё тектора для очистки изолятора коллекторного электрода/ что в значительной степени затрудняет эксплуата цию детектора. Существенно ухудшаются характеристики детектора, и вследствие того, ;что устройство для по джига пламени (спираль) и устройство для контроля горения пламени находятся на минимальном расстоянии от пламени. За счет загрязнения поверхности этих устройств увеличивается шум, дестабилизируется нулевая линия. Кроме того, устройство для пЪджига пламени понижает температуру пламени и создает турбулентность в потоке воздуха, что, в результате, понижает чувствительность и увеличивает зави- симость фонового тока и чувствительности от расходов воздуха и водорода . Детектор конструктивно сложен и требует для оптимизации характеристик тщательного соблюдения размеров Так, например, расстояние, между кончиком горелки и дном коллекторного электрода должно находиться в пределах 1-3 мм, причем, оптимальным является верхний предел - 3 мм. Внутренний диаметр коллекторного электрода выбран в интервале 2,9-7,6 мм и должен составлять 5,1-6,35 мм .. Целью изобретения является повышение отношения сигнала к шуму -и расширение диапазона температур детектора.Указанная цель достигается тем, что в пламенно-ионизационном детекторе, содержащий корпус; горелку, установленную в корпусе, трубопроводы для подвода к горелке водорода и воздуха, канал соединяющий горелку с хроматографической колонкой, потенциальный электрод, коллекторный электрод, установленныйсоосно с горелкой, устройство для поджига пламени и трубопровод для вывода из корпуса отработанного газа и продукта горения, коллекторный электрод выполнен в виде стакана, имеющего форму усеченного конуса, дно которого соединено со стержнем, закрепленным в электроизоляторе, а суженная откры|тая часть обращена к соплу горелки, причем, на боковой стенке коллектор- ного электрода выполнено отверстие. Благодаря тому, что коллекторный электрод выполнен в виде стакана, имеющего форму усеченного конуса, обращенного суженной открытой частью к горелке, уменылено осаждение нейтральных частиц продуктов горения и анализируемого вещества на начальном участке поверхности.электрода. Это обусловлено тем, что дрейф частицы к поверхности электрода происходит одновременно с ее перемещением в осево1 4 направлении в сторону увеличения диа-.

метра электрода. Таким образом, за счет конусности увеличен путь дрейфующей нейтральной частицы до поверхности, в результате чего нейтральные частицы оседают на поверхности электрода удаленной от пламени, а ионы, под действием электрического поля собираются на незагряэгнвнном начальном участке поверхности электрода, находящемся в непосредственной близости к пламени. Кроме того, конусность коллекторного электрода препятствует отрыву частиц, осевших на его поверхности и их повторному попаданию в пламя, обеспечивает возможность при сохранении оптимального для сбора ионов расстояния между поверхностью электрода и пламенем устранить контакт пламени с поверхности, так как по мере расширения факела увеличива ется диаметр электрода. В предлагаемом детекторе улуч1аен о качество электроизоляции коллекторного электрода, так как поверхность контакта электроизолятора с коллекторным электродом минимальная, электроизолятор удален от места выхода отработанного газа и продуктов горения из электрода, что предотвращает загрязнение его поверхности и обеспечивает возможность понижения температуры.корпуса в зоне расположения электроизолятора, например, за счет теплоотвода.

Небольшая масса коллекторного электрода, минимальные концевые потери тепла, теплоизоляция боковой поверхности электрода от корпуса воздушным зазором создают условия для быстрого разогрева коллекторного электрода за счет тепла, выделяемого в процессе горения до температуры, значительно превышающей точку pocbf, что устраняет конденсацию влаги на поверхности электрода. При этом отработанный газ и продукты горения выходят из коллекторного электрода имея высокую температуру, что обеспечивает возможность размещения устройства для контроля горения плаени на выходе из коллекторного электрода, т.е. в отверстии на его боковой поверхности и, кроме того, устраняет необходимость подогрева корпуса детектора для предотвращения йоненсации влаги, так как горячий газ, выходящий из коллекторного электрода е успевает остыть ниже точки росы в оротком трубопроводе для вывода з корпуса отработанного газа и проуктов горения.

Еще одним отличием предлагаемого; етектора является то, что в отвер тии на боковой стенке коллекторного электрода с зазором установлен трубопровод для вывода из корпуса тработанного газа и продуктов горения, благодаря чему уменьшено влияние на характеристики детектора толчков давления на выходе из детектора, так как колебания давления воздействуют на пламя симметрично в радиальном и осевом направлении, причем, воздействие толчков давления на пламя ослаблено демпфирующим влиянием зазора между корпусом и коллекторным электродом.

На чертеже представлен предлагаемый детектор, продольное сечение.

Детектор содержит корпус 1, горелку 2, установленную в корпусе 1, трубопроводы для подвода к горелке 2 водорода 3 и воздуха 4, канал 5, соединяющий горелку 2 с хроматограт фической колонкой б, потенциальный электрод 7, коллекторный эле.ктрод 8, установленный соосно с горелкой 2, устройство для поджига пламени 9, совмещенное с устройством для контроля горения пламени 10, трубопровод 11 для вывода из корпуса 1 отработанного газа и продуктов горения, стержень 12, электроизолятор 13, отверстие 14 на боковой стенке коллекторного электрода 8, трубопровод 15, дроссель 16, подключенный к выходу ре.гулятора расхода газ а-носителя 17 рлектроизолятор 18, электроизолятор 19.

Детектор работает следующим образом.

Га з-носитель с анализируемым веществом, выходящий из колонки б попадает в канал 5, где смешивается с гЪзом-носителем и водородом, поступающим в канап 5 по трубопроводам 15 и 3, Эта смесь через электроизолятор 19 и горелку 2 выходит в рабочий объем детектора, ограниченный корпусом 1 и смешивается с воздухом или кислородом, поступаю1дим по трубопроводу 4. в результате реакции водорода с кислородом образуется пламя, в котором происходит ионизация анализируемого вещества. Образовавшиеся заряженные частицы (электроны, отрицательные и положительные ионы) распределяются между горелкой 2, соединенной с потенциальным электродом 7 и коллекторным электродом 8, соединенным через стержень 12 и электролютрический усилитель с землей.; та1сим образом в цепи коллекторного электрода 8 образуется электрический ток, величина которого зависит от потока анализируемого вещества, попадающего в единицу времени в водородное пламя. Ток в коллекторной цепи усиливается и регистрируется на диаграммной ленте самопишущего потенциометра или на диаграмме цифропечатающего устройства интегрирующего измерительного прибора. Коллекторный электрод 8 изолирован от корпуса 1 детектора электроизолятором 13, который должен обладать чрезвычайно высоким сопротивлением для того, чтобы

ток через электрометрический усилитель был максимальным, т.е. для того/ чтобы возможно в большей степени снизить Токи утечки. Электроизоляторы 18 и19 должны дбеспечиаать надежную изоляцию горелки 2 и потенциального электрода 7 от корпуса 1, поскольку потенциальное напряжение может составлять 150-300 В, Напротив отверстия 14 расположен -трубопровод 11, через который из корпуса 1 выводится от работанный газ, содержащий пары воды и продукты схчэрания анализируемого вещества. Кроме того, напротив отверстия 14 размещено устройство для поджига пламени 9 и можёт быть размещено устройство для контроля горения пламени 10, совме1Цённое с устройством для поджига пламени 9, как это сделано, например, в детекторе фирмы вариан Трубопровод 15 соединен через дроссель 16 с выходом регулятора расхода гг1за-носитедя 17. Таким образом, суммарное количество газа-носителя, поступающего в детектор из колонки и линии 15, сохраняется постоянньм вне зависимости от его расхода через колонку.

Преимуществами детектора в сравнении с прототипом являются значитель1 но уменьшенное влияние на выходной сигнал колебаний давления на выходе

из детектора, максимально повышенное сопротивление изоляции коллекторного электрода от ксзрпуса, устранение загрязнения изоляторов продуктами сгорания и конденсатом влаги,понижение температуры изолятора коллекторного электрода, уменьшение опадания в пламя частиц, осевших на поверхности

. коллекторного электрода, устранение контакта устройств для поджига и контроля пламени с пламенем и влияния

их на процессы формирования выходного сигнала, уменьшение зависимЬсти выходного сигнала от расстояния между коллекторным электродом и .горелкой, устранение згшйсимости выходного сигнала от изменения расхода газаносителя через колонку. Вследствие . этого повышена чувствительность j уменьшен уровень шума, повьшена стабильность чувствительности и нулевой линии, расширен диапазон рабочих ч температур, детектора, повышена воепроизводимость характеристик детектора в серийном производстве, улуч- . шены эксплуатационные характеристики.

В таблице приведены хгфактеристи-. ки предлагаемого детектора и прототипа, полученные при сравнительных испытаниях в составе хроматографа Хрусталь 5002.

Чувствительность, кл/г

6%

Порог чувствительности, г/с

- . ч

Ф зо

%v

Стабильность выходного сигнал во времени (в течение 48 4), По высотам пиков

4

0,012

0,011.

0,011

-42

3,2«10

-« 3,5-10

-«

f

2,14-10

3,65-10

Ы 1,1 0,9

Наименование характеристики

По площади пиков

С,,

Уровень флуктуационных

Диапазон рабочих температурпрототипа составляет 100-400 С, а предлагаемого детектора от комнатной до 500с. У предлагаемого детектора практически отс;5 тствует зависимость .выходного сигнала от расстояния между горелкой и коллекторным электродом в интервале 1-12 мм, что упрощает сборку, снижает требования к изготовлению и обеспечивает воспроизводимость характеристик в серийном производстве. В то же время, у прото-; :Типа, как было указано Btmie, этот ; размер требует точного воспроизведе-; ния в диапазоне 1-3 мм. Загрязнение коллекторного злектрода в предлагае-г мом «детекторе меньше влияет на eixS. показания (за счет конусности),чем

Продолжение таблицы

Тип прибора Предлагаемый Прототип

4,15

2,3

0,5

в прототипе. Вследствие этого в процессе эксплуатации нет необходимости разбирать детектор для очистки коллекторного электрода так часто, как прототип, что упрощает.эксплуатацию.. Эксплуатация предлагаемо детектора упрощается и за счет отсутствия необходимости перестройки расходов водорода и воздуха при из денений расходов через колонку. Прм

этом потребитель гарантированно имцет детектор с оптимализированными .характеристиками для любого режима работы, в то время как при эксплуа:ТсЩии прототипа каждый .раз необхо|ДИмо искать оптимальный режим, кото рый изменяется от перестройки расхода через колонку.

ftf