Пламенно-ионизационный детектор Советский патент 1993 года по МПК G01N30/68 G01N27/62 

j.- .

Изобретение относится к области газовой хроматографии а именно к пламенно- ионизационным детекторам, и может найти примёнение при анализе газовых и жидких смесей Целью изобретения является по вы- шенйе стабильности выходного сигнала и улучшение эксплуатационных свойств детектора. В боковой стенкеколлекторного электрода, выполненного в виде усеченного конуса, суженная открытая часть которого обращена к соплу горелки, выполнены два или более отверстий и такое же количество продольных разрезов, соединенных с указан- нь1мй отверстиями. Коллекторный электрод размещен внутри полого цилиндра, который соединен 6 корпусом. По периметру корпуса симметрично расположены пазы или отверстия для сообщения внутреннего объема детекторас атмосферой. 1 табл., 2 йл.

Данное изобретение относится к области газовой хроматографии и может найти применение при анализе газовых и жидких смесей.. . .... . -.... .. .- . :: , .-

Известен пламенно-ионизационный детектор для газовой хроматографии, содержащий (корпус, горелку установленную в корпус, трубопроводы для подвода к горел- ке водорода и воздуха, канал, соединяющий горелку с хроматографической колонкой, потенциальный 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 продолжением внутреннего канала коллекторного электрода.

В известном детекторе коллекторный электрод представляет собой цилиндр с постоянным диаметром по всей длине, запрессованный в массивные втулки из элёктрб- йзоляциОннОго материала, контактирующие с больщей частью поверхности коллекторного электрода.

Указанные втулки обеспечивают электроизоляцию электрода От корпуса, его центровку и заданное расстояние от горелки, а также являются в сочетании с коллекторным электродЬм трубопроводом, для вывода из корпуса отработанного газа и продуктов горения. Устройство длТ(ТсГДжйга пламени, устройство для контроля горения пламени и потенциальный электрод совмещены с горелкой и расположены в непосредственной близости к пламени. .

Недостатком этого дётектйра является значительная зависимость его нулевой линии от колебаний давления на выходе из детектора, возникающих вследствие колебаний конвектийных потоков (вентиляционных, тепловых) в окрестностях детектора.

х|

якяз

открываний и закрываний,дверей и окон и т. д. Влияние колебаний давления на выходе ш детект.ор а проявляется в (й№ний уровня шумов, увеличении дрейфа нулевой линии и появлении ложных пиков, имеющих значительную а мтШт ду . Причиной, завйс ймости нулевой линии детект брТа от колебаний давления на выходе из детектора .является то, что трубопровод для ;вывсГдй V3 корпуса отработанного газа и продуктов гЬрё ния является Нёпрсредст- венным продоЯж еГнием коллекторного элёк- трода и расположён, как и коллекторный электрод, соосно с горелкой. ;:- -. N ; Таким образом; между пламенем и. вы- ходом из детёктора находится короткий цйлиндрйческий канал, через который толчки давления на выходе безпрепятственно воз- дёй ствую т; на пл аЦя,1 в ызы вая йЗм% нёнйё его геометрической формы, ориентации от- носительно стенок коллекторного, элёктрб- да . При этом изменяются температурные и концентрационные поля, что существенно влияет .на процессы , происходящие в пламени,особенно в данном случае, когда пламя диффузионное. БольЩая поверхность ко нтакта элёктрби зй ля цибннйх втулок с коллекторным электродом и корпусом снй ж еУСопрЬтивление изоляций и, как следс твйе, приводит к уменьшению чувствительности. Кроме того, цилинд|э йче ская форма внутреннего канала бЯлёктор- нб го электрода и1 электр рйзоляционных втуло к создает условия для беспрепятствен- ного попадания в пламя частиц продуктов горения, оторвавшихся от повё рхно стм ка- нала, что приводит к увеличению шумов; Использование электроизолятора1 коллек- торного электрода в качестве элемента тру- ббпрбвода для вывода из корпуса отработанного газа, и продуктов горения, находящегося и непосредственном конт а к те; с продуктами горения и.Н§ 3 а м й Шаги

увеличивает оИабйость его загрязнения и; ка ксле стви е с-..ен ё к а ч йёт а йзШ к-оллекторнЬго электрода. Это вызываетне- обхбДйм Ьст ь п О дДержания тёмп ературы детектора .на уровне не ниже 100° С, что

исключает конденсацию влаги. В то же вре- мя температура изоляционной втулки дрлж- на быть не ниже температуры колонки, чтобы устранить конденсацию на пойерхности изолятора анализируемого вещества и жидкой фазы, уносимой из колонки. По- скольку СопротиЁлёнйё изоляторов кол лек- торного электрода резко падает при температурах близких к 400° С верхний прё- дел рабочих температур известного детектора ограничен 400° С, причём, характеристики детектора (чувствитель

ность, уровень шумов, стабильность нулевой линии) при этих температурах резко ухудшается. Поэтому предельные рабочие температуры детектора могут, быть использованы только для анализа больших концентраций при высоком коэффициенте заглубления усилителя: Необходимо отметить, что повышенные рабочие температуры детектора не предохраняют изолятор от загрязнения, т, к. продукты горения и деструкции анализируетKTx веществ частично превращаются в аэрозоль (сажа), оседающую на поверхностях коллекторного элект- рбда и йзЪляТорйi даже при очень высоких Температурах, В результате загрязнения изолятора резко снижается чувствитель- ность, увеличивается шум и дрейф нулевой линии. Для восстановления характеристик, детектора .необходимо часто производить разборку детектора для очистки изолятора

коллекторного электрода, что в значительной степени затрудняет эксплуатацию детектора. СущёствённЬ ухудшаются характеристики детектора и вследствие того , что устройство для п оджига пламени (спираль) и устройство для контроля горе ния. пламени находятся на минйм альное

рассто янии от пламени. За счет загрязне-. кия поверхности этих, устройств увелйчива-. ется шум, дестабилизируется нулевая линия, Кроме того, устройство для поджига

пламени;понижает температуру пламени и создает турбулентность в-потоке воздуха,

что в результате, понижает чувствительность и увеличивает зависимость фонового тока и чувствительности от расходов возду- ха и водорода.. .. . .

.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому-резул.ьтату к предлагаемомудетектору является п ламённо-й онйзационн ый детектор, содер-.

жащий корпус, горелку, установленную в корпусе, трубопроводы для подвода к горел- кёводор6да:й воздуха,.кайзл, соединяющий горелку с хроматографической колонкой, потенциальный электрод, коллекторный электрод, установленный соосно с горелкой, выполненный в виде стакана, имеющео форму усеченного конуса, дно которого соёДинёно сб стёряснём, закрепленным в электроизоляторе, а сухсенная открытая ча сть обраще на к соплу горелки, причем на

боковой стенке коллекторного электрода выполнено отверстие, в котором с зазором

установлен трубопровод для вывода из корпуса отработаннЪго газа и продуктов горения и устройство дли поджига пламени;

В известном детекторе, принятом за прототип, благодаря тому, что коллек горный электрод выполнен в емде CTa Kafj a, ммеющего форму усеченного конуса,.обращенного суженой открытой честью к горелке, уменьшено осаждение нейтральных частиц продуктов горения и анализируемого вещества на начальном участке поверхности электрода. Это обусловлено тем, что дрейф частиц к поверхности электрода происходит одновременно с ее перемещением в осевом направлении в сторону увеличения диаметра электрода. Таким образом, за счет конусности увеличен путь дрейфующей н ё й.тральной чзстицы до поверхности, в результате чего нейтральные частицы оседают на поверхности электрода удаленной от пламени, а ионы под действием электрического поля собираются на незагрязненном начальном участке поверхности электрода, находящемся в непосредственной близости к пламени. Кроме того, конусность коллекторного электрода препятствует отлыву частиц; осевших на его поверхности и их повторному попаданию в пламя, рбеспечи- вает возможность при сохранении оптимального для сбора ионов расстояния

между поверхностью электрода и пламенем устранить контакт пламени с поверхностью, т. к. по мере расширения факела увеличивается диаметр электрода. В предлагаемом детекторе улучшено качество электроизоля- ции коллекторного; электрода, т. к. поверхность контакта электроизолятора с

коллекторным электродом минимальна, электроизолятор удален отместа 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 счеттеллоотеода.; :

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

росы в корЪ тМм трубопроводе для вывода из корпуса отработанного газа и продуктов горения. Кроме того, благодаря тому, что в отверстии на боковой стенке коллекторного

электрода с зазором установлен трубопровод для вывода из Корпуса отработанного газа и продуктов горения уменьшено влияние на характеристики детектора толчков давления на выходе детектора,

Хотя описанная конструкция детектора позволяет во многих случаях успешно решать аналитические задачи, однако, при из.- мерениях на Масштабах усилителя порядка 1-10 А, т. е. в случае реализации максимальной чувствительности системы детектирования заметно проявляется эффект открывания двери, т. е. наблюдаются одиночные кратковременные изменения выходного сигнала, kotopbie близки по

характеру хроматографйческйм пикам при работе с капиллярной колонкой. В основе этого явления лежит влияние резких изменений давления в помещении, где расположен хроматограф. Таким образом,

установка трубопровода для вывода из кОрпуса отработанного газа и продуктов горения в отверстии на боковой стенке .коллекторного электрода не обеспечивает полного устранения ложных пиков; вознйкающих от резких толчков давления в помещении, поскольку демпфирующее влияние зазора между корпусом и коллекторным эле тродом недостаточно для подавления толчков давления и, кроме того расположение трубопровода/соединяющего внутренний, объем детектора с атмосферой перпендикулярно относительно оси горелки, очевидно, не обеспечивает полной симметрии, воздействия толчков давления на

пламя и прилегающее к нему пространство. Еще одним недостатком известного детектора является сложная процедура поДжига пламени, связанная с необходимостью перекрытия подачи воздуха или газа-ноШ-

теля при лоджиге. Следует отметить, что этим недостатком страдают практически все известные конструкций пламенно-ионизационных детекторов что существенно затрудняет эксплуатацию этих устройств и

приводит к усложнению схем автоматического поджига пламени.- .,. Целью изобретения является повышение стабильности выходного сигнала и улучшение эксплуатационных свойств

детектора.,

Указанная цель достигается тем, что предложен пламенно-ионизационный детектор, содержащий корпус, в котором расположены горелка, каналы для подвода к горелке водорода и воздуха, отверстие для

сообщения внутреннего объема детектора с атмосферой, потенциальный электрод, коллекторный электрод, установленный соосно с горелкой, выполненный в виде стакана, имеющего форму усеченного конуса, дно ко- T op oro соёдйн ёнр Ш стержй ей Э крёп лёй- ным в электроизолятрр е, а суженная чйСть Обращена к соплу горелки и устройства Длчя поджигапламеШ, расположённое в корпу-. - cei напротив отверстия в боковой стенке коллекторного электрода, в котором согласно изобретению в боковой стенке колйе к- торного электрода ыЛолЙенй более отверстий симметрично распределенных пЪ его периметру и такое же; количеств Ь с к в оз н bi х гг р о д о л ь н ы х раз ре з о в, соединенных с указанными Ьтвёрс тий ми, причем, коллекторный электрод размещён внутри полого цилиндра, соединенного с корпусом, а отверстия для сообщения внутреннего объема детектора .с атмосферой и симметрймно распределены по периметру корпуса расположеныест сторбйьт места со- : единений цилиндра и корпусам; /:-;::-

Благйдарял у казэнным (эсо ен ностям конструкции детектора толчки давления в пбмешГёнйи воздёйст вуюТ на п ламя и ггрил ё- гаюЩёё к; нему пространство абсолютно. симметрично причем, толчки давления д е- мпфируются зазором между цилиндром и корпусом,:а также зазором между цилиндром и кол/гекторным электродом, т. ё. сте- ;; пень подавления только в давления значительно выше, чем в известном детек- торе, принятом за прототип, в котором тол- ;чШ давления демпфировались лишь зазором умёжду коллекторнУм электродом и корпу- сом.-В силу тех же причин уменьшено влияние на процесс формирования выходного сигнала детектора флуктуации давлений в помещении и полностью устранена возмож- ность Изменения гидравлического сопротивления выхода детектора в атмосферу за счет/конденсации паров в детекторе, по- сколь ку детектор может иметь любое необходимое для полного устранения влйят-шя конденсата сечение зазора между цилиндром и корпусом и сечение выходного паза (отверстий) в корпусе, ДополнИтеЯь;ныМ факторЪм обеспечивающим указанное положительное свойство является тб, что в ы- хЬдной паз (отверстия) расположен в зоне интенсивно прогреваемой nifeMeHeffi YRe температура всегда выше точки росы для отработанного газа. Необходимо отметить, что увеличение сечения выходного паза (отверстий) не влечет за собой увеличения воздействия на выходной сигнал -наводок, т. к. коллекторный электрод защищен от наводок цилиндром, йвляющимся дли него экраном. Одновременно, благодаря тому, что в боковой стенке коллекторного э лектрода etfnOnfteHbi два или более отверстий, симметрично распределенных по его периметру, чй такое же количество сквозных

продШьЙ ых разрезов, соединенных с указанй ыми отверстиями создаются условия,

при:которых между горелкой и устройством

для подвига .пламени в зазоре между коллекторным элeкfродом и цилиндром образуется поле концентраций водорода, кислорода и азота, содержащее зону с соотношением концентраций оптимальным для воспламенения и распространения реакции

горения от устройства для поджига пламени к горелке, подобно тому, как происходит

поджигйикфордовым шнуром, Это позволяет поджигать пламя .при тех же условиях, прй котОрых затем детектор работает. В то

же время в большинстве известиых. конструкций так 6 й поджиг пламени невозможен и требуется либо перекрытие подачи в детектО р rasa-HOCHtehri из колонки, либо изменён И ё ратбхоДа1 воздуха, либо и то и другое. Это существенно усложняет эксплуатацию

прибора и усложняет систему поджига пламени, особенно автоматизированную.

:. Сущность изобрегения поясняется чер- тежом (фиг. 1), н а котором представлен

прёДЯЗГаёмый детектор в продольном сечении и чертежом (фиг. 2), на котором представлен коллекторный электрод.

Детектор содержит корпус 1, в котором ра сгТЬложена горелка 2, каналы для подвода

к горелке 2 водорода 3 и воздуха 4, канал 5, соединяющий горелку 2 с хроматографической колонкой 6, пЬт ёнциальный электрод 7, кол лёкторн ый электрод 8, установленный соосно с горелкой 2, дно 9 которого соеди.йено со стержнем 10, закрепленным ё электроизоляторе 11, устройство дл я поджига

пламени 12, расположенное в корпусе 1,

напротив одного из отверстий 13 в боковой

стенке коллекторного электрода 8, разрезы

14, соединенныес отверстиями 13, цилиндр 15 с размещенйым внутри него коллекторным электродом 8, соединенный с корпусом 1 паз 16 и отверстия 17, расположенные в корпусе вблизи места соединения цилиндра 15 и корпуса 1, канал 18, сопло 19, отверстия 20, гайку 21, металлический наконечник 22, электроизолятор 23.

Детектор работает следующим образом. - :: - ,..

Газ-носитель с анализируемым веществом, выходящий Из колонки 6 попадает в канал 5, где смешивается с водородом, поступающим в канал 5 по каналу 3. Эта смесь через канал 18 и сопло 19 горелки 2 выходит в рабочий объем детектора, ограниченный

корпусом 1 и смешивается с воздухом или кислородом, поступающим по каналу 4, через отверстия 20 в гайке 21 в кольцевой ; зазор между внутренней стенкой гайки 21 и поверхностью горелки 2, изготовленной из 5

неэлектропроводного материала. В резуль- . тате реакции водорода с кислородом образуется пламя, в котором происходит .ионизация анализируемого вещества. Образовавшиеся заряженные частицы (элект- 10 роны, отрицательные и положительные .ионы) распределяются между металличе- ским наконечником 22 горелки 2, соединенной с потенциальным электродом 7, закрепленным в электроизоляторе 23 и кол- 15 лекторным электродом 8, соединенным через дно 9, стержень 10, закрепленный, в электроизоляторе 11 и электрометрический усилитель с землёй. Таким образом, в це- пи коллекторного электрода 8 образующего 20 электрический ток, величина которого зави- сит от потока анализируемого вещества, попадающего в водородное, пламя. Ток в цепи коллекторного, электрода усиливается и регистрируется на диаграммной ленте само- 25 пишущего потенциометра, либо поступает в;;: - интегрирующий измерительный прибор. .

Пары воды и продукты сгорания аналои - зируемых веществ в потоке газа-носителя ; поступают во внутренний объем коллектор- 30 :нрго электрода 8, затем через отверстия 13 и разрезы 14 выходят в поток воздуха, перемещающийся по зазору между коллекторным электродом 8 и цилиндром 15, проходят ; по зазору между цилиндром 15 и корпусом 35 1 и выходят из детектора через паз 16.и отверстия 17 либо через паз 1.6, если отверстия 17 отсутствуют и наоборот. ...,. ; |

Преимуществами детектора в сравне- .нии с прототипом является значительное .40 уменьшение влияния на выходной сигнал флуктуации и резких толчков давления в окружающем детектор пространстве, полное устранение возможности изменения Давле- ; У ния в детекторе за счет конденсации влаги 45 и продуктов сгорания анализируемых веществ, снижение давления в детекторе, уменьшение наводок на коллекторный эле к- трод, упрощение процедуры поджига пла- : мени и, связанное с этим упрощение 50. конструкции системы газообеспечения детектора и системы автоматического поджига пл аме ни. Вследствие этого, уменьшен уровень флуктузционных шумов, практмче- .

ски устранены ложные пики от толчков дав- . ления в окружающем детектор пространстве, уменьшен дрейф нуля и повышена Стабильность чувствительности во времени, упрощена эксплуатация детектора. .

В таблице приведены характеристики предлагаемого детектора и прототипа. Характеристики предлагаемого детектора получены в процессе испытаний хроматографа АГАТ, Результаты испытаний подтверждают сказанное, Уменьшены одиночные возмущения нулевой линий, основной причиной появления которых являются толчки давления в помещении. Уменьшен уровень флуктуационных шумов за счет уменьшения влияния флуктуации давления в помещении. Повышена чувствительйость дётектора За счет оптимизации конструкции и, в первую очередь, за счет обеспечения симметричного распределения потоков воздуха в: области пламени. . Ф о р м у л а. и з о б р е т е н и я. ;

Пламейно-ионизационный детектор, содержащий корпус, в котором расположены горелка, каналы для подвода к гор елке водорода и воздуха, канал, соединяющий горелку с хрбм атографической колонкой, отверстие для сообщения внутреннего объема детектора с, атмосферой, потенциальный электрод, коллекторный электрод, устайов- лённый соосно с горелкой, выполненный в виде стакана, имеющего форму усеченного конуса, дн о которого соединено со стерж- не м, закрепленным в злектроизолятор е, а суженная открытая часть Обращена к соплу горелки, и устройств о для поджига пламени, расположенное в корпусе, напротив отверстия в боковой стенке коллекторного элект- рода, о т ли ч а ю щ и и с я тем, что, с целью првь шения стабильности выходного сигна- ла и улучшения эксплуатационных свбйств :детектЬ1ра7в боковой стенке коллекторного эдёктрода в ыполне ны два или более отвер- бти й симм етричнй распрёделенн.ых по его периметру, и такое же количество сквозных продольных разрезов, соединенных с ука- .занными отверстиями, причем коллекторный электрод размещен внутри полого цилиндра, соединенного с корпусом, а отверстия для сообщения внутреннего объёма детектора с атмосферой симметрично распределены по периметру корпуса и расположены со стороны места соединения цилиндра и корпуса.

/4

Л ФигГё.