Пламенно-ионизационный детектор Советский патент 1980 года по МПК G01N27/62 

воздуха от 30 до 100%, Инерционность индикатора контроля пламени у прото- . типа хотя и несколько меньше, чем у аналога, однако остается относительно большой - время срабатывания 30 с Время инерционности в определенной степени зависит от механизма дейстния индикатора контроля пламени. Например ДЛЯ; того, чтобы сформировался сигнал, достаточный для управления, необходимо,: чтобы после погасания (срыва) пла мени из камеры детектора вьвила бы определенная часть объема газовоэдушной| смеси с той влажностью, которая устанавливалась во время горения водо родЬ. В первый момент времени после погасания пламени (т.е. при t 0) в патрубок, где находится чувствиталь ный| элемент - человеческий волос, поCTyfiaex газовоздушная смесь той же влажности, которая установилась во время горения. Затем по мере понижения температурь и поступления в камеру детектора новых порций водорода, воздуха и газа-носителя, которые смешиваются с имеющейся гам газовоздушной смесью и выходят в патрубок с уменьшающейся влажностью (имеет место переходный процесс) и, когда влажност достигает такой величины, при которой бы одно сопло открывалось, а другое закрывалось,только тогда сработает пневматическая система и водород будет отключен. Поэтому данная система (индикатор контроля пламени) не может обеспечить высокого быстродействия. Индикатор контроля пламени имеет и другие существенные недостатки, которые нередко проявляются при пуске детектора в работу и могут возникать в процессе работы хроматографа. Один из этих недостатков характеризуется тем, что при нажатии кнопки поджига появляется сигнал фонового тока, а при отпускании ее отсутствует, т.е. пламя не горит, при повторных нажатиях происходит то же самое. Другой недостаток состоит в том, что при нажатии кнопки в течение установленного времени (2-3 с) не происходит поджига водорюдного пламени. При повторных нажатиях иногда не удается поджечь до тех пор, пока не будет определена и устранена прич на неполадки. Целью изобретения является повыше ние надежности работы детектора и ув личение быстродействия срабатывания. Эта цель достигается тем, что узел блокировки подачи водорода выполнен виде реле времени и счетчика импульсов, выходы которых соединены с логи ческим элементом ИЛИ, а входы их сое динены с выходами индикатора контроля пламени, выполненного в виде допо нительного электрода-коллектора, уст новленного в корпусе детектора и сое диненного с компаратором индикатора контроля пламени,при этом один из ыходов индикатора контроля пламени одключен к спирали поджига, выход огического элемента ИЛИ подключен электромагнитному клапану в линии одачи водорода. На чертехсе предс авлена принципиальная схема пламенно-ионизационного детектора. Пламенно-ионизацконный детектор состоит из корпуса 1, входного штуцера 2, связанного с выходом хроматографической колонки (не показана), выходного штуцера 3, электрода питания 4, к .которому в процессе работы прикладывается напряжение 300 В, электрода-коллектора 5, подключенного к входной измерительной цепи электрометрического усилителя (на чертеже не показан), сопла горелки 6,спирали 7 поджига, диффузора 8, штуцера 9, связанного с источником 10 сжатого воздуха, штуцера 11, связанного с источником JOдopoдa 12. Кроме того, детектор содержит дополнительно введекнЕзй электрод-коллектор 13. Он представляет собой стержень из нержавеющей стали, расположенный над пламенем и не имеющий с ним контакта. Электродколлектор 13 подключен ко входу компаратора 14, содержащегося в блоке 15 индикатора контроля пламени. Kot napaтор 14 выполнен на базе дифференциального усилителя с положительной обратной связью и обладает высоким входным сопротивлением, величина которого не меньше чем у электрического усилителя, Индикатор контроля пламени также содержит усилитель мощности, выполненный на транзисторе 16, используемый в режиме переключения. Нагрузкой транзистора 16 является электромагнитное реле 17 с контактами 18-21. Контактами 18 и 19 (выход 1) обеспечивается кo 5мyтaция напряжения питания спирали 7 поджига. Контактами 20 обеспечивается подключение индикаторной лампы 22, предназначенной для сигналнзации о горении водородного пламени. Контакты 21 подк.шочекы к формирователю 23 одиночных импульсов (имеющему выход 3). Лампа 24, подключенная параллельно резистору 25, предназначена для сигнализации прохождения тока через спиргшь 7 поджига. Контакты 26 соединены со входом реле времени 27, содержащегося в узле блокировки 28. Узел блокировки 28 также содержит счетчик импульсов 29, вход которого соединен с формирователем одиночных импульсов 23, а выход - со входом логического элемента ИЛИ 30. Со входом логического элемента ИЛИ 30 соединен выход реле времени 27. Выход логического элемента ИЛИ 30 соединен с электромагнитным клапаном 31, установленным в линии подачи водорода. (Общеизвестные цепи, как например, сОрос показаний счетчика и др. на чертеже не показаны.

Другие-входы логического элемента ИЛИ 30 соединены с источником сигналов , получаемых при нарушении температуры, давлений и др. параметров (на чертеже не показаны).

Работа устройства происходит следующим образом.

Установив заданные расходы воздуха и газа-носителя, пускают водород и включают электропитание устройства После этого примерно 2-3 с автоматически происходит поджиг водородного пламени, так как при включении электропитания переменное напряжение 6,3 В от вторичной обмотки трансформатора (на чертеже не показан) поступает через нормально замкнутые контакты 18 и 19 на спираль поджига 7 и происходит ее нагрев до температуры воспламенения водорода Как только загорится водородное пламя между электродами 4 и 5 образуется ионизированная среда, в которой количество ионов (образукмдихся в исчезающих) может быть описано следующим выражением:

-o.-.rVZ:i),

dt.

eu

число ионов в данный момент

де n времениfc,

oi - количество ионов, образующихся в единице объема за единицу времени;

« - коэффициент рекомбинации

(молизации);

2,) П - число ионов , рекомбинирующих в единицу времени;

j - плотность тока;

е - заряд иона; считается,что

ион несет однократный заряд е 1,601

L - расстояние между электродами. При наступлении равновесия, когда

О, количество обра- const и

dt

эующихся ионов будер равно

(2).

При этом j en (Уц. -I-V-) (3), где V+ и скорость соответственно положительных и отрицательных ионов.

Ионы под действием электрического поля Е, образованного между электродми 4 и 5 , будут двигаться к электродам и нейтрализоваться на них (отдавать заряды) , тем саьвлм будет создаваться ток во внешней цепи, который будет усилен электрометрическим усилителем и зарегистрирован как фоновый ток - величина последнего чаще бывает в Пределах 110д (в зависимости, в основном, от расхода водорода . Выражение для определения величины этого тока может быть записано в следующем виде;

3 - enS(K+. + К)Е(4),

где К и К - подвижности соответственно положительных и отрицательных нонов. В образовании тока во внешней цепи принимает участие только часть ионов, возникишх в водородном пламени. Другая часть нонов рекомбинируется в межзлектродном пространстве и за его. пределами. За пределами межэлектродного пространства рекомбинируются HOHEJ, выдyвae вJe потоком газа-носитеo ля

азота и воздухом, концентрируемым вокруг водородного пламени. Закон спсщания числа ионов, выдувае№лх из зоны ионизации, определяется след1ккдчм выражением:

5

(5),

пL

где Пд - число ионов в единице объема в момент выхода их из зоны ионизации (т.е. в момент прекращения действия ионизатора) .

Продолжительность времени жизни ионов, выдутых из зоны ионизации, исчисляется десятыми долями секунды. Дополнительно введенный электрод 13 расположен над пламенем на пути выдуваемых ионов на расстоянии 20-25 мм от зоны возникновения ионов (пояска у основания пламени). И поскольку между электродами 4 и 13 тоже образовано электрическое поле, то выдуваеNttse ионы под действием этого поля будут растягиваться между этими электродами и нейтрализоваться на них, создавая во внешней цепи ток, т.е. ток во входной цепи индикатора 15 контроля пламени, который вызывает срабатывание компаратора 14.

Таким образом, в предлагаемом детекторе используются ионы, которые ранее не участвовали в создании положительного эффекта. При этом скорость срабатывания и передачи информации о возникновении пламени, погасании и отключении водорода возросла более чем в 10, раз. Суммарная постоянная времени возникновения сигнала в пламенно-ионизационном детекторе не превышает 1«10 с. Однако скорость срабатывания и передачи информации при возникновении пламени будет определяться постоянными времени блока индикатора контроля пламени и узла блокировки 28, у которых постоянные времени составляют сотые доли секунды. Скорость срабатывания при погасании пламени будет определяться продолжительностью существования ионов (после прекращения горения) , т.е. десятыми долями секунды.

Таким образом, под действием появившегося ионного тока при загорании водородного пламени происходит срабатывание компаратора 14, усилителя мощности 16 и электромагнитного реле

17. При этом контакты 18 и 19 размыкаются, отключая спираль поджига от источника напряжения, гаснет лампа 24 сигнализировавшая подачу напряжения на спираль поджига 7 и прохождение через нее тока, контакты 20 замьокаются и загорается лампа 21, сигнализирукйцая о горении водоролного пламени. ; Поскольку контакты 26 при включении электропитания устройства остаютОя замкнутыми, то с момента включения электропитания начинается отсчет времени блоком реле времени 27 до моменяа загорання водородного пламени. Вели загорание водородного пламени Произошло до истечения 9 с от момента включения электропктания, то реле вре йенн 27 возвратится в исходное состоя ние и на выходе его сигнала не появнт оя, При этом контакты 22, подключенные к формирователю 23 одиночных имНульсов, замкнутся, и он вьщаст на дчетчик 29 импульс. Счетчик 29 его эапомккт. Это условие нормальной работы (при запуске) пламенно-нонизацион к о го дет е к тора. В случае необходимости работы при минимально допустимых расходах водорода, пониженной температуре и других не вполне благоприятных условиях (но которые находятся EI пределах допустиi.fcy. условий эксплуатации) , нередко нарушается нормальная работа и запуск детектора. Например, при включении электропитакня устройства накаляется спираль гюл5хига 7, по истечении 2-3 с срабатывает сигнализация о горении пламени, но затем сразу отключается, после снова включается и т.д. При квждок срабатывании электромагнитного реле 17 на счетчик 29 будет поступать импульс. После импульсов счетчик 29 выдаст уровень напряжения, который подается на логический элемент ИЛИ 30, выходной сигнал которюго обеспечи эает включение электромагнитного кла пана 31, перекрыванвдего (блокирующего доступ водорода в детектор. При этом после выдачи третьего импульса tta счетчике 29 загорается лампа (не пок зана), сигнализирундаая о том, что )зодо1хэд отключен счетчиком после 3-х импульсов, т.е. cв здeтeльcтвyeт режиме работы н условиях отключения. Необходимость срабатывания устрой ства при трех импульсах обусловлена тем, что первый импульс появляется при начальном включении, т.е. ив то случае, когда в системе нет отклонений от заданных режимов, второй импульс свидетельствует о нарушении режима третий - подтверждает нарушение нормальнор работы. Нередко при включении детектора в работу происходят отклонения от нормального режима иного характера.. Например, при неправильном соотношении расхода яоздуха и водорода {расход воздуха больше допустимого}, недоста - ТОЧ.НОМ накале и др. При включении электропитания устроства напряжение 6.3 Впоступает на спираль поджига 7, загорается лампа 24, но через 2-3 с не выкпючается так как пламя не загорелось), лампа продолжает гореть. В это время (с момента включения устройства) начинается отсчет времени с помощью реле времени 27. По истечении 9 с реле времени 27 сработает и вьщаст уровень напряжения, подаваемь й на логический элемент ИЛИ 30, выходной сигнал которого обеспечивает включение электромагнитного клапана 31, перекрывающего доступ водорода в детектор.После срабатывания реле времени 27 на нем загорается лампа, сигнализирующая о том, что водород отключен с помощью реле-времани 27 через S с, т.е. сигнализирующая о режиме работы и услозиях отключе ния Незамедлительное отключение водорО7да (в случае нарушения работы) и сигнализация характера нарушения предлагаемым устройством выполняются не только в момент запуска прибора, но также в любое время з процессе работы хроматографа. В аналогах и прототипе четко не выделялись (не фиксировались) какиелибо критерии, по KOTOpbUvi можно было разграничить области нарушения нормальной работы и незамедлительно принять соответствуюшие меры. В предлагаемом устройстве это выполняется в основном автоматически. Б нефтеперерабатывающей и нефтехимической промыыленности автоматические пpo -ihв Iлeнныe хроматографы эксплуатир1тотся во взрывоопасны1х помещениях всех классов, а также и на наружных установках (например класса В-11), где могут образоваться взрывоопасные смеси газов и паров с воздухом. Поэтому нэлежное обеспечение вэрывоопасности на предприятиях нефтепереработки и нефтехимии имеет первостепенное зкачйние. С этой целью на промышленных, хроматографах предусматривают устройства блокировки, которые предназначены для предотвращения возмож1-юсти возникновения взрывоопасного состояния при нарушении какого-либо из режимов, услозий эксплуатации или появления наисправности. За счет совокупности отличительных признаков обеспечивается повышение надежности работы предложенного детектора, скорость срабатывания и передачи информации о воэникноэении пламени, погасании его и отключении водорода возросла более чем в 10 раз по сравнению с извэсткы -4И констрг- кциЕми. При этом сокращается время простоев 3 работе хроматографа при определении к устранении неполадок. Формула изобретения Пламенно-иониЭЕционн,.1й детектор для газового хроматографа, содержащий корпус, штуцер для выхода газов в атмосферу, входные штуцер, связанньае газ выми линиями с источниками сжатого во духа, водорода и выходом хроматографической колонки, электромагнитньгй клапан в линии подачи водорода, установленные внутри корпуса спираль поджига пламени, электроды, сопло горелки и индикатор контроля пламени в горелке, включенный в узел блокировки подачи водорода, отлич. ающий с я тем, что, с целью повьгшения надежности его работы и увеличения быстродействия срабатывания, узел блокировки подачи водорода выполнен а виде реле времени и счетчика импульсов, выходы которых соединены с логическим элементом ИЛИ, а входы их соединены с выходами индикатора контроля пла1 5ени, выполненного в виде дополнительного электрода-коллектора, установленного в корпусе детектора и соединенного с компаратором индикатора контроля пламени, при этом один из выходов индикатора контроля пламени подключен к спирали поджига, выход логического элемента ИЛИ подключен к электромагнитному клапо.ну в линии подачи водорода. Источники информацииf принятые во внимание при экспертизе 1. Бражников 3, Дифференциальные летекторы для газовой хро 5атографии. И., Наука, 1974, с.85-94. 2„ Авторское свидетельство СССР № 587384, кл, G 01 N 31/08, 1976 {прототип).

Вых. 1

-6,3В