Устройство для детектирования водорода Советский патент 1992 года по МПК G01N27/62 

Изобретение относится к аналитическому приборостроению, в частности к иониза- ционному анализу, и может найти применение при разработке газоанализаторов, предназначенных для селективного анализа водорода в инертной среде.

Известен ионизационный метод, основанный на использовании ионизирующих свойств радиоактивных излучений а- или /J-частиц. Сущность ионизационного метода анализа состава при любом способе ионизации пробы анализируемой газовой смеси состоит в функциональной зависимости величины ионизационного тока от концентрации определяемого компонента анализируемой газовой смеси.

Недостатком этого метода является отсутствие селективной чувствительности к водороду на фоне гелия.

Известен детектор для газовой хроматографии, содержащий измерительный мосте низковольтным источником напряжения, регистратором и двумя измерительными ячейками с чувствительными элементами, один из которых выполнен в виде нагреваемой металлической нити, а другой в виде нагреваемой нити, покрытой катализатором, в ячейку введен дополнительный электрод, установленный над нитью и подключенный к измерителю малых токов, а сама нить подключена к положительному полюсу дополнительного высокоXI

о го ю кэ

вольтного источника напряжения, чей отрицательный полюс заземлен.

Недостатками данного устройства являются большая температурная погрешность и, в этой связи, необходимость термостати- рования детектора; большая потребляемая мощность для нагрева термостата, что при решении многих аналитических задач является недопустимым.

Наиболее близким по технической сущ- ности является устройство для детектирования примесей в газах, содержащее корпус со штуцерами для ввода и вывода анализируемого газа и газа-носителя, нагреваемый анод, представляющий собой платиновую спираль с нанесенной на ней окисью алюминия, покрытой пленкой палладия, который подключен к источнику питания, Между анодом и корпусом подключен источник питания, Электрод соединен с уси- лителем малых токов, а выход усилителя с регистрирующим прибором.

Недостатками известного устройства являются нестабильность чувствительности путем изменения температуры нагреваемого анода при воздействии окружающей температуры анализируемого газа; недопустимо большая температурная погрешность при изменении температур. анализируемого газа от -60 до 50°С; значи- тельная зависимость от стабильности расхода анализируемого газа путем изменения температуры анода.

Целью изобретения является повышение стабильности и чувствительности при одновременном уменьшении температурной погрешности.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для детектирования водорода в инертной среде, содержащее корпус со штуцерами для ввода и вывода анализируемого газа, нагреваемый анод, представляющий собой платиновую спираль, заключенную в активную окись алюминия, покрытую пленкой палладия, установлен- ный между корпусом и анод электрод, изолированный от корпуса, причем к аноду и корпусу подключен высоковольтный источник питания постоянного тока, электрод соединен с усилителем малых токов, а выход усилителя - с регистрирующим прибором, нагреваемый анод включен в плечо моста термонезависимых сопротивлений, диагональ которого подключена к регулируемому по разбалансу моста источника.постоян- ного тока, причем в качестве регулятора температуры нагреваемого анода использовано смежное с анодом плечо моста, выполненное в виде переменного сопротивления, откалиброванного до температуре анода.

Такое устройство позволяет достигнуть поставленную цель путем автоматического поддержания постоянной температуры анода, независимо от величины рассеянного анодом тепла, при этом в цепи измерения ионизационного тока сохраняется постоянство чувствительности, так как цепь автоматического поддержания температуры анода не связана с цепью измерения ионизацион ного тока.

Как показали результаты исследований, в устройствах для определения микроконцентраций водорода в инертной среде, не использовали нагреваемый анод, включенн- ный в мост сопротивлений, выполненных из материала с близким к нулю температурным коэффициентом сопротивления, не выбирали одно из сопротивлений моста переменным, а два других постоянными, одну диагональ моста через потенциометр не подключали к источнику постоянного тока, а вторую диагональ моста не подключали к входу фазочувствительного усилителя, выход которого подключен к реверсивному двигателю, ось которого механически связана с ползунком потенциометра, соединенного с мостом сопротивлений.

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства.

Устройство содержит корпус 1 со штуцерами для ввода 2 и вывода 3 анализируемого газа, нагреваемый анод 4, представляющий собой платиновую спираль, заключенную в активную окись алюминия, покрытую пленкой палладия, между корпусом 1 и анодом 4 установлен электрод 5, изолированный от корпуса 1, к аноду 4 и корпусу 1 подключен высоковольтный источник 6 питания постоянного тока, электрод 5 соединен с усилителем 7 малых токов, а выход усилителя 7 - с регистрирующим прибором 8, нагреваемый анод 4 включен в мост сопротивлений, причем сопротивления 9-11 выполнены из материала с близким к нулю температурным коэффициентом сопротивления, сопротивление 11 переменное, а сопротивления 9 и 10 постоянные, одна диагональ моста через потенциометр 12 подключена к источнику 13 постоянного тока, а вторая диагональ моста подключена к входу фазочувствительного усилителя 14, выход которого подключен к реверсивному двигателю 15, ось которого механически связана с ползунком потенциометра 12,

Работу устройства в динамике можно описать следующим образом.

Через штуцеры 2 и 3 корпуса пропускают анализируемый газ с расходом оптимальной йеличины (оптимальный расход газа выбирают иг условия необходимой чувствительности). С помощью потенциометра 12 устанавливают рабочий ток моста, состоящего из сопротивлений 9 - 11 и нагреваемого анода 4. Если мост равновесный (наилучшие характеристики в предлагаемом устройстве можно получить при использовании равновесного моста), то выбранные сопротивления должны быть равны между собой и сигналом на входе фазочувстви- тельного усилителя 14 и на управляющей обмотке реверсивного двигателя (РД) 15 равен нулю. В этом случае ось РД 15 неподвижна и неподвижен ползунок потенциометра 12. Если в процессе работы устройства изменяется величина рассеиваемого тепла нагреваемым анодом 4 за счет изменения температуры анализируемого газа или окружающей среды, то изменяется его сопротивление. В этом случае появляется разбаланс моста и на входе фазочувстви- тельного усилителя 14 сигнал отличен от нуля, усиленный сигнал попадает на управляющую обмотку РД 15 и заставляет вращаться его ось, механически связанную с ползунком потенциометра 12, увеличивая ток моста, если сопротивление нагреваемого анода 4 уменьшается путем его охлаждения, например анализируемым газом, или уменьшая ток моста, если сопротивление анода 4 увеличивается путем уменьшения величины рассеиваемого тепла в окружающую среду. Это имеет место, потому что направление вращения оси РД 15 зависит от полярности разбаланса моста, что определяется тем - уменьшается или увеличивается сопротивление нагреваемого анода 4. Ползунок потенциометра 12 перемещается до тех пор, пока не восстановится равновесие моста и сигнал на входе фазочувстви- тельного усилителя 14 не станет равным нулю. Изменяя положение ползунка сопротивления 11, можно задавать регулируемое значение температуры нагреваемого анода 4 (для определения значения температуры нагреваемого анода 4 от положения ползунка сопротивления 11 требуется предварительная калибровка).

Так как инерционность цепи высоковольтного источника 6 питания, нагреваемого анода 4, электрода 5, усилителя 7 и регистрирующего прибора 8 значительно меньше (инерционность этой цепи в пределе определяется временем пробега ионов между нагреваемым анодом 4 и электродом 5, что составляет милписекунды) инерционности цепи, содержащей измерительный мост, фазочувствительный усилитель 14, РД 15, потенциометр 12 и источник 13 постоянного тока (в пределе инерционность этой цепи определяется тепловой инерцией нагреваемого анода 4, что составляет секунды), то система стабилизации температуры нагреваемого анода 4 не влияет на величину полезного сигнала.

Предлагаемое устройство было реализовано в макете. В качестве нагреваемого анода 4 использован элемент Скочинского. Его сопротивление в холодном состоянии составляет 6,1 Ом, сопротивления 9 и 10

такой же величины изготовлены из констан- тановой проволоки диаметром 0,3 мм (температурный коэффициент сопротивления константа составляет менее 10 , что находится .за пределами чувствительности

измерительного моста). В качестве сопротивления 11 использовалось переменное сопротивление ППЗ-40, а потенциометра 12 - регулировочный многооборотный резистор с поступательным перемещением. В

макете также были использованы стандартный высоковольтный источник 6 питания постоянного тока в 300 В и низковольтный источник 13 питания постоянного тока с миллиамперметром (блок питания детекторов ионизации в водородном пламени и теплопроводности серийного хроматографа ЛХМ-80). Регистрирующий прибор КСП-4 использован в качестве фэзочувствитель- ного усилителя 14 и РД 15. ось которого

механически связана с ползунком сопротивления, В качестве усилителя 7 малых токов использован серийный прибор ИМТ-05, выход которого подключен к регистрирующему-прибору с временем пробега пером

всей шкалы менее одной секунды.

Проводился анализ водорода в азоте. Доза водорода в линию азота вводилась с помощью аттестованного до затвора Д-47. Основное внимание уделено изменению

порога чувствительности устройства в зависимости от изменения температуры окружающей среды в диапазоне от -60 до 50°С. Нагреваемый анод 4 в корпусе 1 помещен -в термостат хроматографа Вариан 3700.

П р и м е р 1. Через нагреваемый анод 4

установлен ток 190 мА. Система стабилизации температуры анода отключена, при этом предельная чувствительность к водороду в азоте изменялась от 6 .% при

температуре в термостате 50°С до об.% при температуре в термостате - 60°С. Необходимо отметить, что при -60°С более чем в 1000 раз ухудшается селективность к водороду по отношению к гелию в азоте по

сравнению с селективностью при температуре в термостате 50°С.

П р и м е р 2, Ток нагреваемого анода 4 при комнатной температуре установлен 190 мА, система стабилизации его температуры включена. При температуре окружающей среды (25°С) предельная чувствительность к водороду в азоте составляет об.%, при температуре в термостате -60°С 1,7-10 5об.%,апри50°С9,.%.

Результаты испытаний подтвердили работоспособность предлагаемого устройства.

Экономический эффект от внедрения устройства получен за счет значительного уменьшения температурной погрешности.

Формула изобретения

Устройство для детектирования водорода в инертной среде, содержащее корпус со штуцерами для ввода и вывода анализируемого газа, нагреваемый анод, представляющий собой платиновую спираль, заключенную в активную окись алюминия, покрытую пленкой палладия, установленный между корпусом и анодом электрод, изолированный от корпуса, причем к аноду и корпусу подключен высоковольтный источник питания постоянного тока, электрод

соединен с усилителем малых токов, а выход усилителя - с регистрирующим прибором, отличающееся тем, что, с целью повышения стабильности и чувствительности, уменьшения температурной погрешности, нагреваемый анод включен в плечо моста термонезависимых сопротивлений, диагональ которого подключена к регулируемому по разбалансу моста источнику постоянного тока, причем в качестве регулятора температуры нагреваемого анода использовано смежное с анодом плечо моста, выполненное в виде переменного сопротивления, откэлиброванного по температуре анода.

Использование, аналитическое приборостроение, в частности термохимический ионизационный анализ Сущность: содержит корпус со штуцерами для ввода и вывода анализируемого газа, нагреваемый анод, представляющий собой платиновую спираль, заключенную в активную окисью алюминия, покрытую пленкой палладия; между корпусом и анодом установлен электрод, изолированный от корпуса. К аноду и корпусу подключен высоковольтный источник питания постоянного тока, электрод соединен с усилителем малых токов, а выход усилителя - с региструющим прибором Нагреваемый анод включен в мост сопротивлений, причем сопротивления выполнены из материала, обладающего близким к нулю температурным коэффициентом сопротивления. Одно из сопротивлений переменное а два других - постоянные. 1 ил сл t

S

7J