Детектор теплопроводности Советский патент 1982 года по МПК G01N31/08 

(54) ДЕТЕКТОР ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ

1

Изобретение относится к аналитической технике, в частности к датчикам состава газовой смеси и паров, и может быть использовано в газовых хроматографах и газоанализаторах.

Известны детекторы теплопроводности, содержащие корпус штуцера для ввода газовых потоков, чувствительные элементы, которые изготавливаются из платиновых , никелевых, вольфрамовых, вольфрам-рениевых нитей 1.

Однако эти детекторы обладают низкими ю чувствительностью и точностью измерений.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является детектор теплопроводности, содержащий корпус с цилиндрическими каналами, по оси которых расположены рабо- s НИИ и сравнительный чувствительные элементы, штуцера для подвода и вывода анализируемого газа и газа-носителя 2.

Недостатком этого устройства также является низкая чувствительность, обусловленная малым 20 удельным сопротивлением материалов нитей. Кроме того, в процессе анализа чувствительное детектора меняется за счет взаимодействия

нитей с химически активными анализируемыми веществами, а покрытие нитей инертными материалами, например, золотом, вызывает резкое падение чувствительности за счет уменьшения сопротивления.

Цель изобретения - повышение чувствительности детектирования.

Указанная цель достигается тем, что в детекторе теплопроводности, содержащем корпус с цилиндрическими каналами, по оси которых расположены рабочий и сравнительный .чувствительнь1е элементы, щтуцера для подвода и вывода анализируемого газа и газа-носителя, в котором согласно изобретению, чувствительные элементы выполнены в виде. графитовых нитей, причем соотнощение размеров нити и цилиндрического канала, в котором они установлены, выбраны из следующего условия

.;.,

где dj - диаметр нити, см; dj - диаметр канала, .см; L - длина нити, см; 39 k - постоянный коэффициент; W - объемный расход газа-носителя, D - коэффициент диффузии анализируемого газа, . При анализе химически активных , вступающих в химическое взаимодействие с графитовыми нитями сигнал складывается из двух составляющих. Первая из них связана с , теплопроводностью, а вторая - с изменением электрических свойств нитей за счет взаимодействия с ними анализируемого вещества. При пропускании анализируемой среды через каналы с чувствительными элементами, количество мoлeкyл попадающих на поверхность нити ДМ, пропорщюнально концентрации примеси N, диффузионной скорости молекул примеси в направлении нити s , величине объемного расхода газа-носителя W AN 4n;daW НW Если Л N/N через k, то L 4 k .Для выбора доли молекул, которая может : попасть на поверхность чувствительного элемента, первоначально получают калибровочную кривую зависимости удельного сопротивления градитовой нити от времени его прибывания в среде с постоянной концентрацией агрессивной примеси при рабочей температуре. Так, например получена указанная кривая для среды А г (аргона) с 1% примеси кислорода при температуре 500°С. Из этой кривой получено соотношение Д5/Д1 1/15, т. е. ежесекундно величина удельного сопротивления графита изменяется на 1/5 своей величины. Количество молекул кислорода попадающих на единицу по верхности графитовой нити в единицу времени ,д N. где N - молекулярная концентрация кислорода;скорость теплового движения молекул кислорода (500 м/с) 2,1 500 ,4-10 а на все поверхность графитовой нити А ,. 2lt-10r -10-. 2ii4 -10 / частиц / объем этого числа частид 1,510 см 1, 06hi4HO в мостовых схемах реализуется соотнощение между минимально измеряемой величиной и значением верхнего предела диапазона измерения - 10. Поэтому целесообразно учесть количество газа, попадающего на,поверхность графито вой нити и изменяющего величину ее сопротивления на 1/100, го составляет Х 2,25-10 мл/с. При расходе 0,5 см /с поток кислорода составит 4,610 доли. Получив численное значение для доли анализируемых молекул, можно определить , например, необходимую величину диаметра графитовой нити. Длина ее диаметра канала и расход газа-носителя как правило определены; d, .47c k 4-3,14-4,6-10-5 .14 МО- см. На чертеже представлена схема детектора теплопроводности. Устройство содержит корпус 1, чувствительные элементы 2, иггуцера ввода анализируемого газа и газа-носителя 3, сравнительные камерь 4, щтуцера для ввода газа 5, рабочие камеры 6. Элементы 2 включены в мостовую схему измерителя (на чертеже не показано). Детектор работает следующим образом. Через штуцер 3 подают анализируемый газ, например, элемент, который попадает на чувствительные элементы 2 в рабочей камере 6. В сравнительные камеры 4 попадает газ-сравнение. Сигнал с мостовой схемы в отсутствии анализируемого компонента, равен нулю., Если теплопроводность анализируемого газа изменяется за счет появления определяемого компонента, температура чувствительных j элементов 2 рабочей камеры 6 изменяется, нарушая равновесие моста. Образующийся сигнал пропорционален концентрации определяемого компонента. Был изготовлен макет детектора теплопроводности на базе серийно выпускаемого отечественной промышленностью детектора Г-26. Чувствительный элемент выполнен из графитовой нити, диаметр которой выбран в соответствии с расчетом (15-10 см),длина нити составила 20 мм. Сопротивление графитового элемента при комнатной температуре составило величину / 1700 ом. Детектор испытывался в комплекте с хроматографом ЛХМ-8МД модели 1, причем испытуемый детектор был включен последовательно с детектором Г-26. Проводился анализ гелия в азоте. В результате анализа получена чувствительность детектора с графитовым чувствительным элементом примерно на порядок выше детектора 1-26. Затем, проводился анализ кислорода в азоте. Соотношение чувствительностей детекторов осталась прежней, что говорит о том, что сигнал детектора связан только с изменением теплопроводности анализируемой смеси. Необходимо отметить, чтр указанная чувствительность для детектора с графитовыми чувствительными элементами не является предельной. Это вызвано тем, что температурный коэффициент сопротивления графита не посто