Всесоюзнаяi

О П И С А Н И Е 370522ИЗОБРЕТЕН ИЯК АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ Союа Советсииз Социалистичесиип Респтблипявлено 24,7111.1970 ( 147408926-25) с присоединением заявкиПриоритет -Котпитет по делаюеаобрвтеннй и аткрытнпри Совете МинистровСССР УДК 543.544(088,8) еньликовано 15.11.1973, Бюлл.17.1973 Дата опубликования описа т-СКСОЮЗНАдттгт г,д 1-:-и . гЦ:1 РЦб злиоена Мд Автор1 зобретени. Е, Казакевич Заявитель СПОСОБ ДЕТЕКТИРОВАНИЯ КОМПОНЕНТО РАЗДЕЛЕННОЙ СМЕСИ2 импульс достигнет поверхности оляции (и там будет зарегистИзобретение относится к области разделения смесей.Известны и широко используются ионизационные способы, обеспечивающие высо. кую чувствительность детектирования, Однако эти способы требуют обязательного использования, например в хроматографии, в качестве газа-носителя определенных и особо чистых веществ (аргона, гелия, водорода), что часто неприемлемо. Поэтому большее распространение получили универсальные способы детектирования, например по теплопроводности, когда регистрируют величину теплового потока и ее изменение во времени в связи с изменением теплопроводности участка газа в детекторе.Однако эти способы требуют использования высокостабильных устройств питания, нагревателей, высокостабильных устройств регистрации сигналов, прецизионного термостатирования, а недостаточная стабильность упомянутых устройств ведет к уменьшению порога чувствительности и снижению точности детектирования.Предлагаемый способ детектирования компонентов смеси позволяет детектировать с высокой чувствительностью и точность 1 о даже при использовании малостабильных устройств питания и регистрации.Предлагаемый способ основан на использовании различия в величинах теплоемкости компонентов разделенной смеси и соответственно на возможности аккумулирования одп.паковыми количествами разных по составу и концентрации компонентов одинаковых пор ций тепла в течение различного времени; при этом мерой аккумулированного тепла, как и в ряде других случаев, служит темгература.Слой исследуемого вещества с изменяю щейся во времени концентраций компонентов, например элюирующих из хроматографической колонки, располагают вблизи теплопоглотителя. В качестве теплопоглотителя может быть использована стенка трубопро вода, корпус детектирующего устройстваи пр. Слой исследуемого вещества отделяют от теплопоглотителя слоем термоизоляции, причем теплоемкость ее выбирают равной или близкой к удельной теплоемкости слоя 20 исследуемого вещества. На слой исследуемого вещества направляют пульсирующий (модулированный поток тепла). Тепло распространяется в сторону теплопоглотителя, и каждый импульс тепла при таком распрост ранении последовательно нагревает сначаласлои исследуемого вещества, потом слои термоизоляции и затем отводится теплопоглоти.телем.ТепловойЗ 0 слоя термоизрирован термоприемником, в качестве кото рого может быть использован термистс 1 р, термосопротивление и пр,) лишь через некоторое время после его подачи на поверхность слоя исследуемого вещества, Время задерж ки будет зависеть от величины теплоемкости, находящихся в слое компонентов разделенной смеси и их концентрации, например в газе-носителе. Если слой исследуемого вещества будет представлять собой поток газа- носителя с пачками последовательно элюирующих из хроматографической колонки компонентов разделенной смеси, то при прохождении участка с чистым газом-носителем время задержки будет одной величины (в зависимости от теплоемкости газа-носителя), а при прохождении пачки компонента - станет больше или меньше, в зависимости от величины теплоемкости элюирующего компонента и его концентрации в потоке газа.носителя.Таким образом, начало изменения времени задержки будет индицировать начало выхода компонента, а величина, на которую изменится время задержки, - характеризовать концентрацию компонента в потоке газа-носителя.При периодических тепловых импульсах(модулированном тепловом потоке) время задержки будет представлять собой сдвиг фаз между импульсами модуляции падающего потока тепла и импульсами тепла на поверхности термоизоляции, принятыми тепло- приемником. Понятно, что и те и другие импульсы тепла могут быть представлены в виде импульсов температуры и зарегистрированы соответствующими устройствами, а также преобразованы в электрические сигналы.Более подробно процесс и характер образования времени задержки может быть пояснен с помощью модельного аналогового представления тепловых процессов, протекающих при таком способе детектирования, Так, рас пределение температуры в нестационарном тепловом поле удовлетворяет уравнению теплопроводности фурье:т.Т = Сг, - ,эТ ппгде 1 - время;Т - температура;г- удельное тепловое сопротивление;С- полная удельная теплоемкостьучастка.Распределение напряжений электрическойцепи, состоящее из пассивных элементов,удовлетворяет уравнению аналогичного вида:гдев ,время;С/ - напряжение;Я - удельное сопротивление участкацепи;5 С - удельная емкость участка цепи,Используя эту аналогию описания и говедения тепловых процессов и электрических процессов, тепловые процессы можно рассматривать с точки зрения отработанных и наглядных правил и приемов рассмотрения электрических процессов, Так, для некоторых участков вещества толщиной аХ (см, фиг. 1) можно записать уравнение теплопроводности в конечных разностях в виде:15 ХХ Ы Т; 1 Т; Т(+1 - О У(-1 40 Применительно к предлагаемому способу с последовательным расположением слоев исследуемого вещества (газа-носителя с компонентами), термоизоляции и теплопоглотителя эквивалентная электрическая схема в упрощенном виде может быть представлена, как показано на фиг. 3, где Рь С, - относятся к слою исследуемого вещества, Р С - к слою термоизоляции и Й, - теплопоглотителю.Рассмотрение электрической схемы показывает, что при подаче на ее вход сигнала в форме, например в точке А схемы (ца границе между слоем исследуемого вещества и слоем термоизоляции в тепловом варианте), сигнал напряжения будет с некоторым сдвигом фазы ч и с уменьшенной амплитудой вида: У = КУзп(а 1 + ),Величина сдвига фазы р (и ее знак) будет зависеть от величины активных и реак тивных сопротивлений на данной частоте с. 20где С - коэффициент теплоемкости материала участка;р - плотность;Х - толщина участка;- коэффициент теплопроводности материала участка вещества,Тогда этому выбранному участку можетбыть поставлена в соответствие электрическая цепь из пассивных элементов, представленная на фиг. 2. Соответственно для этого участка Ьх/), будет соответствовать электрическое сопротивление Я; К, где Я- некоторый коэффициент масштаба; величине Ср лХ будет соответствовать емкость Л, С, где Я, - ,коэффициент масштаба. Точно также выполняются з 5 соотношения вида:Величина амплитуды в тсчке А судет загисеть от коэффициента деления делителя, образованного сопротивлениями Я Я;, Я, ипри достаточно больших величинах Я, Я, ослабление сигнала по амплитуде может быть 5сделано приемлемым для регистрации, В тепловом варианте при достаточно малыхобеспечиваются приемлемые условия регистрации тепловых импульсов.Более подробный расчет показывает, что 1 онаилучшие условия регистрации тепловых импульсов реализуются при равенстве тепловыхсопротивлений участка (слоя) исследуемоговещества и слоя термоизоляции. Изменениефазы сигнала зависит от изменения реактивного сопротивления 1 щС поскольку С термоизоляции постоянно. Варьируя величиныЯь С й, Сг, можно выбрать условия, прикоторых изменения фазы в точке А при изменении величины емкости С, максимальны 20В тепловом варианте емкостному сопротивлению соответствует значение 1/2 ср Ьх,где- частота модуляции теплового потока,а активному сопротивлению соответствуетзначение ЛхЯ, 25Для выбора нужных (оптимальных) условий по величине реактивного сопротивления можно воспользоваться подбором частоты модуляции и толщины слоя исследуемоговещества; при этом, как и в электрическом 30аналоге, может быть достигнута максимальная чувствительность к изменению фазы,Следует отметить, что это изменение будетсвязано с изменением величины Ср, котораязависит от концентрации компонента в газеносителе применительно к хроматографииили от изменения состояния исследуемоговещества в общем случае.Из приведенных формул видно также, чтона сдвиг фаз может влиять активное сопротивление Ьх,й, которое также будет менятьсяпри изменении концентрации компонента, Од.пако, как видно из формул, это влияние мо.жет быть элиминировано созданием разницыв величинах изменением коэффициентов при 45СР, т. е. выбором достаточно высокой частоты модуляции (в пределах допустимых значений по постоянной, времени ЛС),Рассматривая эквивалентную схему (см.фиг. 3), видно, что изменение величины сопротивления Р, при достаточно большом сопротив: енин Д, будет влиять только на коэффициент К деления, т. е. на изменение ампли. туды сигнала в точке Л, а не на его фазу,В тепловом варианте тепловое сопротивление Яз теплопоглотителя мало (стенки обычно металлические с большими /) и, следовательно, нестабильность теплоотвода не скажется на фазе. Это означает, что устройства, работающие по предлагаемому способу, могут быть практически не термостатироэанными снаружи. С другой стороны, сам способ регистрации изменения фазы сигнала не требует сколь-нибудь стабильного значения амплитуды. Это означает также, что при таком способе к датчикам температуры не предъявляются требования высокой стабильности и широты динамического диапазона, Все это существенно упрощает аппаратуру и устройства и, как следствие, повышает их надежность.Таким образом, предлагаемый способ позволяет проводить детектирование компонентов смеси при высокой пороговой чувствительности, достигнуть высокой точности из. мерений, не налагает требований высокой стабильности датчиков и термостатирования и позволяет повысить надежность устройств.Предлагаемый способ детектирования может быть использован при разделении смесей ректификацией, в хроматографии, а также при других измерениях, где исследуемое ве щество (или его участок) меняет во времени свои тепловые характеристики.Предмет изобретенияСпособ детектирования компонентов разделенной смеси, заключающийся в измерении теплоемкости потока носителя с переменной концентрацией, от 1 ичающийся тем, что, с целью повышения точности детектирования, поток носителя с исследуемыми компонентами отделяют от теплопоглотителя слоем термоизоляции, теплоемкость которой близка к теплоем кости слоя исследуемого вещества, пропускают через поток тепловые импульсы, на границе между потоком и слоем термоизоляции измеряют сдвиг фаз между направленными и принятыми на теплопоглотитель тепловыми импульсами, по которому судят о концентрации компонентов смеси.l г 1 с ф Фиг 5 оставитель дактор атыги Заказ 191/676ЦНИИПИ Комит Тип. Харьк. фил. пред, Патент Изд.226о делам изобретений Москва, Ж, Рау 2лг Жаркова чко Корректор В. Жолуд Тираж 755 Подписное открытий при Совете Министров СССР кая наб., д. 4/5