Газовый хроматограф Советский патент 1984 года по МПК G01N31/08 

Изобретение относится к аналитИ ческому приборостроению, а именно к газоанализаторам, и может быть исйользовано для хроматографического анализа состава многокомпонентных газовых смесей при исследовании окружающей среды.

Известны газовые хроматографы, содержащие системы газового и электрического питания, системы ввода пробы, хроматографическую колонку, селективный детектор, систему усиления и измерения аналогового сигнала- 1.

Недостатками известных хроматограФОБ являются значительный вес, габариты и энергопотребление, низкая точность измерения малых концентраций, обусловленная большим дрейфом фонового тока детектора при изменении внешних условий, помехами в измерительной системе при включении различных устройств, а также необходимость обработки показаний измерительных приборов после каждого анализа.

Наиболее близким к предлагаемому является газовый хроматограф, содержащий систему газового питания с емкостями высокого давления, расположенными внутри корпуса хроматографа, систему отбора и подготовки пробы, хроматографическую колонку и детектор, соединенные многопозиционным краном-переключателем, снабженным предохранительным устройством, таймер, систему усиления, цифровой индикатор, а также -систему электропитания 2J .

Недостатками известного хроматографа являются низкая точность, обусловленная дрейфом фонового тока детектора при изменении внешних условий, необходимость постоянного обслуживания оператором хроматографа.

Цель изобретения - повьпиение точности регистрации .и степени автоматизации.

Поставленная цель достигается тем, что в известный хроматограф, содержащий систему газового питания с емкостями высокого давления, расположен ными внутри корпуса хроматографа, систему отбора и подготовки пробы, хроматографическую колонку и детектор соединенные многопозиционным краномпереключателем, снабженным предокранительным устроством, таймер, систему усиления, цифровой индикаторi а также систему электропитания, введены компенсатор фонового тока детектора и аналого-цифровой пиковьш детектор, входы которых соединены с выходом усилителя, выход пикового детектора соединен с цифровым индикатором, выход компенсатора - с вторым входом усилителя, а выходы таймера через ключи связаны с исполнительными механизмами системы газового питания , системы отбора и подготовки пробы и крана-переключателя.

Предохранительное устройство крана-переключателя выполнено в виде элемента задержки, выход которого связан через формирователь с управляющими входами компенсатора и пикового детектора.

Система электропитания выполнена в виде инвертора, один из выходов которого связан с входом таймера и через формирователь - с управлякнцими входами компенсатора и пикового детектора.

Формирователь выполнен в виде двух логических элементов И, первые входы первого элемента И через логический элемент НЕ, а второго логрческого элемента И непосредственно соединены с выходом предохранительного устройства, вторые входы логических элементов И соединены с упомянутым выходом инвертора, а выходы первого и второго элементов И - с -управляющими входами соответственно компенсатора и пикового детектора.

На чертеже приведена функциональная схема хроматографа.

Хроматограф содержит систему 1 газового питания, включающую линию 2 газа-носителя, линию 3 водорода, линию 4 воздуха, причем линии 2 и 3 подсоединены к емкостям высокого давления, наполненным соответствующими газами, а линия 4 - к заборному клапану 5; систему 6 отбора и подготовк пробы с пробоотборньм клапаном 7. Система 6 отбора и подготовки пробы соединяется с линией 2 газа-носителя системы 1 газового питания двухпозиционным краном-переключателем 8 с поворотным механизмом 9. ВьЬсод крана 8 подключен черезхроматографическую колонку 10 к детектору 11, представляющему из себя комбинацию детекторов ионизации в пламени и пламенно-фотометрического, {)азмещенных в одном корпусе.. Выходы каждого канала детектора 11 подключены к сиетеме 12 усиления и регистрации сигна лов. Каждый из двух каналов системы 12состоит из усилителя 13, компенсатора 14 фонового тока детектора 1 аналого-цифрового пикового детектора 15 и соединенного с ним цифрового индикатора 16. Выход усилителя 13соединен с входами компенсатора 14и пикового детектора 15. Выход компенсатора 14 соединен с вторым входом усилителя 13, первый вход которого соединен с детектором 11. Система17 автоматического управления состоит из программируемого тай мера 18, соединенного выходами чере ключи 19 с исполнительными механизм ми системы 1 газового питания, сист мы 6 отбора и подготовки пробы, пов ротным механизмом 9 крана-переключателя 8. Электропитание хроматогра фа осуществляется инвертором 20 с самовозбуждением, собранным по двух тактной схеме. С первого выхода инвертора 20 через выпрямитель 21 с фильтром осуществляется электрическое питание детектора 11 и узлов хр матографа по шине 22, Кран-переключатель 8 механически связан с предохранительным устройством 23, выпо ненным в виде элемента задержки, и выходом соединен с формирователем 2 Формирователь 24 состоит из двух логических элементов И 25,. 26. Первый вход элемента И 25 через логический элемент НЕ 27, а первый вход элемента И 26 непосредственно соединены с выходом предохранительного устройства 23. Вторые входы элементов И 25 и 26 соединены с вторым вы ходом инвертора 20, соединенным так с входом синхронизации таймера 18. Выход элемента И 25 соединен с управляющим входом компенсатора 14, а выход элемента И 26 - с управляющим входом пикового детектора 15. Питание хроматографа осуществляется постоянным напряжением Up,MT - бата рей или аккумулятора по шине 28. Принцип работы хроматографа осно ван на хроматографическом разделени компонентов анализируемой смеси в хроматографической колонке с последующим детектированием, выделением пика с максимальной концентрацией целевого компонента по каждому канапу детектирования и идентификацией анализируемой смеси по соотношению сигналов. Система 1 газового питания по линиям 3 водорода и 4 воздуха обеспечивает устройство горение пламени детектора 11, а по линии 2 газаносителя - работу системы 6 отбора и подготовки пробы. Система 6 отбора и подготовки пробы в зависимости от назначения осуществляет через клапан 7отбор пылевидной, жидкой или газообразной пробы, ее очистку и сушку, испарение (или пиролиз для пылевидной пробы) и дозирование газообразных продуктов в положении крана-переключателя 8 Отбор. При переключении крана 8 в положение Анализ газ-носитель вытесняет из системы 6 отбора и подготовки пробы га.зообразные продукты в хроматографическую колонку 10. На колонке 10 происходит разделение газовой смеси на отдельные компоненты, которые поочередно поступают в рабочую камеру детектора 11. По окончании анализа кран 8 переводится с помощью поворотного механизма 9 в положение Отбор. При сгорании каждого компонента в пламени детектора 11 на его выходах формируются электрические сигналы, пропорциональные величине массы компонента. Электрические сигналы поступают в систему 12 усиления и регистрации сигналов по двум идентичным каналам. Усилитель 13 системы 12 служит для преобразования тока, поступающего от детектора 11, в нормированное по величине напряжение. Выходное напряжение усилителя 13 поступает на вход компенсатора 14, который осуществляет компенсацию части выходного напряжения усилителя 13, вызванного фоновым током детектора 11 (по обоим каналам), в промежутках между анализами. Выходное напряжение усилителя 13 поступает на вход пикового детектора 15, который осуществляет выделение максимального значения выходного напряжения усилителя 13 и преобразование его в единичный нормальный код. Цифровой код с пикового детектора 15 (поступает на цифровой индикатор 16. Управление компенсатором 14 и пиковым детектором 15 осуществляется от предохранительного устройства 23. При нахождении крана 8 в положении Отбор на выходе устройства 23 присутствует низкий уровень напряжения, который препятствует

прохождению тактовых импульсов через логический элемент 26 формирователя 24 на вход пикового детектора 15. В результате пиковый детектор 15 не измеряет выходное напряжение усилителя 13, и на индикаторе 16 индицируются нули. Инвертированный логическим элементом НЕ 27 уровень напряжения устройства .23 разрешает прохождение тактовых импульсов через логический элемент И 25 на вход компенсатора 14. В результате компенсатор 14 осуществляет сначала компенсацию, а затем отслеживание выходного напряжения усилителя 13, вызван кого фоновым током детектора 11 . При переключении крана 8 в положение Анализ через время, определяемое задержкой устройства 23, например до начала появления сигнала с детектора 11 от нужного компонента, уровень напряжения на выходе устройства 23 меняется на высокий, тактовые импульсы проходят теперь на вход пикового детектора 15 и не проходят на вход компенсатора 14. Таким образом, компенсатор 14 запоминает и хранит уровень фонового тока до конца анализа, а пиковый детектор 15 измеряет выходное напряжение усилителя 13 и преобразует его в единичный код. Этот код отслеживает изменение входного сигнала системы 12, причем, если входной сигнал уменьшается, то код не изменяется, а соответствует предыдущему значению входного сигнала. Частота слежения компенсатора 14 иПИКОВОГО детектора 15 определяется частотой тактовых импульсов, поступающих с инвертора 20. ТаКИМ образом, на выходе пикового детектора 15 запоминается, а на индикаторе 16 индицируется максимальное значение выходного напряжения усилителя 13, соответствующее высоте наибольшего хроматографического пика. Показания индикатора 16 индицируются некоторое время после анализа и пере проведением следующего анализа сбрасываются по сигналу системы 17 автоматического управления вместе с кодо пикового детектора 15. После окончания анализа кран 8 переключается в положение Отбор, и вьпиеописанный процесс повторяется. Система 12 имеет налоговый выход с усилителей 13 для подключения самопишущих потенциометров, если необходимо документирование пиков от всех разделенных компонентов, и цифровой выход единичного кода концентрации компонента с пикового детектора 15 для подключения ЭВМ, если необходима обработка результатов анализа без вмешательства оператора.

Управление процессами отбора пробы, ее подготовки, испарения или пиролиза, переноса в колонку 10, выжигания остатков, усиления и регистрации сигналов детектора 11 осуществляется с помощью системы 17 автоматического управления по определенному циклу. Временные интервалы этого цикла задает программируемый таймер 18. Импульсы таймера 18, воздействуя на силовые ключи 19, приводят в движение исполнительные механизмы системы 1 подготовки газов системы 6 отбора и подготовки пробы и поворотный механизм 9 крана-пере ключателя 8. Управление (программирование) таймеров 18 осуществляется либо с помощью клавиатуры, расположенной на передней панели хроматосрафа, либо от ЭВМ. Таймер 18 имеет выходные шины, по которым передает сигналы готовности к анализу, начала анализа, окончания циклаизмерения для управления обработкой данных на ЭВМ. Тактовые импульсы для формирования временных диаграмм формируются инвертором 20. I

Система электропитания хроматогра;фа служит для преобразования с наименьшими потерями напряжения батарей в необходимые для работы электронных узлов хроматографа напряжения. Этой цели полностью удовлетворяет инвертор 20. Кроме того, инвертор 2U выполняет функцию, аналогичную выполняемой .йством контроля питания в прототипе. При понижении U р,, ниже нормы колебания в инверторе 20 срыва ются, и хроматограф прекращает работу. Одновременно может быть включена сигнализация о прекращении работы. Со второй обмотки инвертора 20 на управлякшсие входы компенсатора 14 и пикового детектора 15 через формирователь 24, а на вход таймера 18 непосредственно поступают прямоугольные импульсы тактовой частотой, равн частоте переключения инвертора 20. За счет того, что помехи от переключения инвертора 20 на питающих компенсатор 14, пиковый детйстор 15 и

таймер 18 напряжениях совпадают с фронтами тактовых импульсов, повышена помехозащищенность электронных узлов хроматографа.

Предлагаемый хроматограф позволяет повысить точность определения концентрации компонентов за счет компенсации фонового тока детектора между анализами. Поскольку время анализа составляет около 1 мин, изменение фонового тока за это время несущественно. Кроме того, с помощью электронного предохранительного устройства компенсация фонового тока производится и после переключения крана, вплоть до начала выхода первого пика, что не только предохраняет хроматограф от ошибочного измерения помехи, возникающей при переключении крана, но и позволяет компенсировать изменение фонового тока вследствие изменения объема измерительной системы (линия газа-носителя, колонка, детектор) после подключения к ней магистралей системы отбора и подготовки пробы. База сравнения - лабораторный хроматограф ЛХМ-ЗО.

В предлагаемом хроматографе по сравнению с известными техническими решениями автоматизированы следующие операции: отбор и подготовка пробы, переключение крана, выбор и измерение максимальных пиков, компенсация фонового тока детектора, отключение хроматографа при напряжении питания, не гарантирующем работу хроматографа

с заданной точностью. Применение инвертора для электропитания и синхронизация его частотой всех электронных узлов хроматографа повышает по{ ехозащищенность последнего.

Применение селективного многоканального детектора в совокупности с вьщелением амплитуды максимального пика расширяет функциональные возможности хроматографа, так как позволяет одновременно определять концентрацию различных органических веществ, находящихся в атмосфере. Крме того, способ обработки информации о целевых компонентах и уровень автоматизации хроматографа позволяет осуществлять диртанционноо управление хроматографом с центрального

пульта или с помощью ЭВМ.

Емкости газов высокого давления, встроенные в корпус хроматографа, автономный источник питания и малые габариты позволяют использовать хроматограф в полевых условиях.

Разработан прибор для измерения концентрации биоаэрозолей со следующими основными характеристиками: время отбора пробы 3, 5, 10, 20 мин: расход прокачиваемого воздуха через систему отОора пробы 3 л/мин; предел обнаружения углеводородов 1,510 мг/л; емкость б.аллонов с водородом и газом-носителем О,4-л; время нопрерыпиой работы без заправки баллонов 12 ч; габаритные размеры 550 X 350 X 320 мм; масса 26 кг.

1. ГАЗОВЬЙ ХРОМАТОГРАФ, содержащий систему газового питания с емкостями высокого давления, расположенными внутри корпуса хроматографа, систему отбора и подготовки пробы, хроматографическую колонку и детектор, соединенные многопозиционйым краном-переключателем, снабженным предохранительным устройством, таймер, систему усиления, цифровой индикатор, а также систему электропитания, отличающийся тем, что, с целью повышения точности регистрации и степени автоматизации, в него введены компенсатор фонового тока детектора и аналого-цифровой пиковый детектор, входы которых соединены с выходом усилителя, вьпсод пикового детектора соединен с цифровым индикатором, выход компенсатора - с вторым входом усилителя, а выходы таймера через ключи связаны с исполнительными механизмами системы газового питания, системы отбора и подготовки пробы и крана-переключателя. 2.Хроматограф по п.1, о т л и чающийся тем, что предохранительное устройство крана-переключателя вьшолнено в виде элемента задержки, вьЬсод которого связан через введенный формирователь с управляющими входами компенсатора и пикового детектора. 3.Хроматограф по пп.1 и.2, о т личающийся тем, что система электропитания выполнена в виде инвертора, один из выходов которого свяяан с входом таймера и через формирователь г с управляющими входами компенсатора и пикового детектора. 4.Хроматограф по пп.1-3, отличающийся тем, что формирователь выполнен в виде двух логических элементов И, первые входы первого логического элемента И через логический элемент НЕ, а второго ло4ib гического элемента И непосредственно СП соединены с выходом предохранительного устройства, вторые входы логических элементов И соединены с упомянутым выходом инвертора, а выходы первого и второго элементов И - с управляющими входами соответственfto компенсатора и пикового детектора.