Пламенно-ионизационный детектор

СОЮЗ СОВЕТСКИХМЦМЛНИФЕПИМРЕСПУБЛИК 0 Н ИСАНИЕ ИЗОБРЕТ исследовакий институ 01 ип) ИОНИЗАЦИОН НЫИ корпус, горелку, се, трубопрововодорода и ий горелку нкой, потенторный элек.но с горелелке няющ коло ллек оос ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТЙ АВ ЮРСКОМУ СВИДЕ(54)(57) 1. ПЛАМЕННОДЕТЕКТОР, содержащийустановленную в корпды дяя подвода к горвоздуха, канал, соедис хроматографическойциальный электрод, ктрод, установленный, 80, 1012121 А кой, устройство для поджига пламени и трубопровод для вывода нз корпуса отработанного газа и продуктов горения, о т л и ч а ю щи й с я тем, что, с целью повышения Ьтношения сиг нала к шуму и расширения.диапазона рабочих температур детектора, коллек торный электрод выполнен в виде стакана, имеющего форму усеченного кону са, дно которого соединено со стержнем, закрепленным в электронзоляторе а суженная открытая часть обрайЬна к соплу горелки, причем на боковой стенке коллекторного электрода выпол нено отверстие.2. Детектор по пп.1-2,о т л и - ч а ю щ и й с я тем, что в отверстии на боковой станке коллекторного, электрода с зазором установлен трубопровод для вывода из корпуса отработанного газа и продуктов горения.Изобретение относится к газовой хроматографии и может найти применение при анализе газовых и жидких смесейИзвестен пламенно-ионизационный детектор, содержаций корпус, горел ку, установленйую в корпусе, трубопроводы для подвода к,горелке водорода и воздуха, канал, соединяющий горелку с хроматографической колонкой, потенциальный электрод, совме-10 ценный с горелкой, коллекторный трубчатый электрод, установленный соосно с горелкой, имеюций форму полого цилиндра с внутренним сужением в конечной части, обращенной к горелке, 15 трубопровод для подвода к горелке воздуха, соединенный с кольцевым зазором между коллекторным электродом и корпусом, устройство для поджига пламени и трубопровод для вывода отработанного газа и продуктов горения из корпуса, являюцийся продолжением внутреннего канала коллекторного электрода 1, 1 .. Однако, использование трубчатого электрода, являющегося одновременно частью трубопровода для вывода отработанного газа и продуктов горенияиз корпуса ирасположенного соосно с горелкой, резко усиливает влияние ,внешних толчков давления на геометрическую форму пламени и его ориентацию относительно стенок коллЕктор- ного электрода, на температурные и концентрационные поля в районе факела. В результате этого, детектор ста новится чувствительным к саьым незначительным возмущениям давления на выходе и.в том числе к наружным конвективным потокам и толчкам давления в комнате, вызываемым даже открыванием 40 и закрыванием двери, Вследствие этого резко ухудйается стабильность нулевой линии.За счет осмоления поверхности электрода, спадания частиц сажи в пламя, нагрева поверхности коллектор- ного электрода, охлаждения пламени, колебаний факела в непосредственной близости к стенкам электрода резко повышается шум, снижается чувствитель ность, дестабилизируется нулевая линия и т.д. Кроме того, детектор требует частой разборки для очистки электрода, что существенно затрудняет его эксплуатацию. Коллекторный электрод, являюцийся одновременно частью трубопровода для вывода отработанного газа и продуктов горения из корпуса интенсивно охлаждается по всей длине за счет потока холодного воздуха, омываецего его наружную по верхность. В результате этого интенсифицируется процесс конденсации влаги и продуктов горения на внутрен. ней поверхности коллекторного электрода и в трубопроводе для вывода от. 65 работанного газа и продуктов горения из корпуса детектора. Конденсация па-. ров воды приводит к пульсации газового потока и, как следствие, к резкому увеличению уровня шумов выходного сигнала детектора. Осаждение продуктов горения на внутренней поверхности коллекторного электрода приводит, как отмечалось ранее, к снижению чувствительности, увеличению шумов, нестабильности нулевой линии и т.д. С целью устранения конденсации влаги, необходимо поддерживать температуру корпуса детектора на уровне не ниже 100-150 С.Установка устройства для контроля горения пламени возможна лишь в непосредственной"близости к пламени, т.е. практически в зоне ионизации и сбора зарядов. Это приводит к повышению уровня шумов и понижению чувствительности.эа счет загрязнений, испаряющихся с поверхности устройства для контроля пламени, ухудшения режима горения, деформации электрического поля и турбулизации газовых пО- токов в окрестностях пламени.Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является пламенно-ионизационный детектор, содержащий корпус, горелку, установленную в корпусе, трубопроводы для подвода к горелкеводорода и воздуха канал, соединяющийгорелку с хроматогоафической колонкой, потенциальный электрод, устройство для поджига пламени, уст-, ройство для контроля горения пламени, коллекторный цилиндрический электрод, установленный соосно с горелкой и трубопровод. для вывода из корпуса отработанного газа и продуктов горения, служаций продолжением внутреннего канала коллекторногоэлектрода23. Недостатком данного детектора является значительная зависимость от нулевой линии от колебаний давления на выходе из детектора, возникающих, вследствие колебаний конвективных потоков (вентиляционных, тепловых) в окрестностях детектора, открываний и.закрываний дверей и окон и т,д.Влияние колебаний давления на выходе иэ детектора проявляется в повышении уровня шумов, увеличении дрейфа нулевой линии и появлении ложных пиков, имеюцих значительную амплитуду,Причиной зависимости нулевой линии детектора от колебаний давления на выходе из детектора является то, что трубопровод для.вывода из корпуса отработанного газа и продуктов горения является непосредственным продолжением коллекторного электрода и располо жен как и коллекторный электрод соосно с горелкой.Таким образом, между пламенем и выходом из детектора находится корот.- кий цилиндрический канал, через который толчки давления на выходе безпрепятственно воздействуют на пламя, вызывая изменение его геометрической 5 формы, ориентации относительно стенок коллекторного электрода. При этом изменяются температурные и концентра. ционные поля, что существенно влияет на процессы, происходящие в пламени, 1 О особенна в данном случае, когда пламя диффузионное. Большая поверхность контакта электроизоляционных втулок с коллекторным электродом и корпусом снижает сопротивление изоляции и, как 5 следствие, приводит к уменьшению чувствительности. Кроме того, цилиндрическая форма внутреннего канала коллекторного электрода и электроизоляционных втулок создает условия для беспрепятственного попадания в пламя частиц продуктов горения, оторвавшихся от поверхности канала, что приводит к увеличению шумов, Использование электроизолятора коллектороого электрода в качестве элемента трубопровода для вывода из корпуса отработанного газа и продуктов горения, находящегося в непосредственном контакте с продуктами горения и парами влаги увеличивает опасность его загрязнения и, ЗО как следствие, сниженйя качества изоляции коллекторного электрода. Это вызывает необходимость поддержания температуры детектора на уровне не ниже 100 ф С, что исключает конденса цию влаги.В то же.время температура изоляционной. втулки должна быть не ниже температуры колонки, чтобы уст- ,Г.анить конденсацию на поверхности изолятора анализируемого вещества и 40 жидкой Фазы, уносимой из колонки.Поскольку сопротивление изоляторов .коллекторного электрода резко падает при температурах, близких к 400 С, .верхний предел рабочих температур 45 известного детектора ограничен400 С, причем, характеристики детекфтора (чувствительность, уровень шумов стабильность нулевой линии) при этих температурах резко ухудшается; Поэто О му предельные рабочие температуры детектора могут быть использованы только для анализа больших концентраций при высоком коэффициенте загрубления усилителя, Необходимо отметйть, что повышенные рабочие температуры цетектора не предохраняют изолятор от загрязнения, так как продукты горения и деструкции анализируемых веществ час;тично превращаются в аэрозоль (сажа), :оседающую на поверхностях коллекторно-: 6 О го электрода и изолятора даже при очень высоких температурах. В результате. загрязнения изолятора резко снижается чувствительностьувеличивается шум и дрейф нулевой линии. Для восстановления характеристик детекторанеобобходимо часто производить разборкудетектора для очистки изолятора коллекторного электрода, что в значительной степени затрудняет эксплуатацию детектора. Существенно ухудшаются характеристики детектора, и вследствие того, что устройство для поджига пламени (спираль) и устройстводля контроля горения пламени находятся на минимальном расстоянии от пламени. За счет загрязнения поверхнос- .ти этих устройств увеличивается шум,дестабилизируется нулевая линия. Кроме того, устройство для поджига пламени понижает температуру пламени исоздает турбулентность в потоке воздуха, что, в результате, понижаетчувствительность н увеличивает зависимость фонового тока и чувствительности от расходов воздуха и водорода. Детектор конструктивно сложен итребует для оптимизации характеристик тщательного соблюдения размеров.Так, например, расстояние, между кон-.чиком горелки и дном коллекторногоэлектрода должно находиться в пределах 1-3 мм, причем, оптимальным .является верхний предел - 3 вм. Внутренний диаметр коллекторного электрода выбран в интервале 2,9-7,6 мми должен составлять 5,1-6,35 мм;Целью изобретения является повышение отношения сигнала к шуму ирасширение диапазона температур детектора,Укаэанная цель достигается тем,что в пламени-ионизационном детек- .торе, содержащий корпус; горелку,установленную в корпусе, трубопроводы для подвода к горелке водородаи воздуха, канал соединяющий горелкус хроматографической колонкой,потенциальный электрод, коллекторныйэлектрод, установленный соосно с горелкой, устройство для поджога пламени и трубопровод для вывода изкорпуса отработанного газа.и продуктагорения, коллекторный электрод выполнен в виде стакана, имеющего Форму усеченного конуса, дно которогосоединено со стержнем, закрепленнымв электроизоляторе, а суженная откры:тая часть обращена к соплу горелки,причем, на боковой стенке коллекторного электрода выполнено отверстие.Благодаря тому, что коллекторныйэлектрод выполнен в виде стакана,имеющего Форму усеченного конуса,обращенного суженной открытой частьюк горелке, уменьшено осаждение нейтральных частиц продуктов горения ианализируемого вещества на начальномучастке поверхности, электрода. Этообусловлено тем, что дрейф частицы кповерхности электрода происходит одновременно с ее перемещением в осевощнаправлении в сторону увеличения диа-, 101212140 метра электрода. Таким образом, засчет конусности увеличен путь дрейфующей нейтральной частицы до поверхности, в результате чего нейтральные частицы оседают на поверхности электрода удаленной от пламени, а ионы, 5 под действием электрического поля собираются на незагрязненном начальном участке поверхности электрода, находящемся в непосредс 7 венной близости к пламени. Кроме того, конусностьколлекторного электрода препятствует отрыву частиц, осевших на его поверх. ности и их повторному попаданию в пламя, обеспечивает возможность при сохранении оптимального для сбора 15 ионов расстояния между поверхностью электрода и пламенем устранить контакт пламени с поверхности, так как по мере расширения факела увеличива ется диаметр электрода, В предлагаемом детекторе улучшено качество электроизоляции коллекторного электрода, так как поверхность контакта электро- изолятора с коллекторным электродом минимальная, электроизолятор удален от места выхода отработанного газа и продуктов горения из электрода, что предотвращает загрязнение его поверхности и обеспечивает воэможность понижения температуры корпуса в зоне расположения электроизолятора, например, за счет теплоотвода.Небольшая масса коллекторного электрода, минимальные концевые потери тепла, теплоиэоляция боковой поверхности электрода от корпуса воз З 5 душным зазором создают условия для быстрого разогрева коллекторного электрода за счет тепла, выделяемого в процессе горения до температуры, значительно превышающей точку росью, что устраняет конденсацию влаги на поверхности электрода, При этом отработанный газ и продукты горения выходят из коллекторного электрода имея высокую температуру, что 45 обеспечивает возможность размещения устройства для контроля горения пламени на выходе из коллекторного элек- трода, т.е. в отверстии на его боковой поверхности и, кроме того, уст О раняет необходимость подогрева корпуса детектора для предотвращения конденсации влаги, так как горячий газ, выходящий из коллекторного электрода не успевает остыть ниже точки росы в коротком трубопроводе для вывода из корпуса отработанного газа и про" дуктов горения.Еще одним отличием предлагаемого; :детектора является то, что в отверф стии на боковой стенке коллекторно О го электрода с зазором установлен трубопровод для вывода иэ корпуса отработанного газа и продуктов горения, благодаря чему уменьшеновлияние на характеристики детекто- . 65 ра толчков давления на выходе из детектора, так как колебания давления воздействуют на пламя симметрично в радиальном и осевом направлении, причем, воздействие толчков давления на пламя ослаблено демпфирующим влиянием зазора между корпусом и коллекторным электродом.На чертеже представлен предлагаемый детектор, продольное сечение.Детектор содержит корпус 1, горелку 2, установленную в корпусе 1, трубопроводы для подвода к горелке 2 водорода 3 и воздуха 4, канал 5, соединяющий горелку 2 с хроматографической колонкой 6, потенциальный электрод 7, коллекторный электрод 8, установленный соосно с горелкой 2, устройство для поджига пламени 9, совмещенное с устройством для контроля горения пламени 10, трубопровод 11 для вывода иэ корпуса 1 отработанного газа и продуктов горения, стержень 12, электроиэолятор 13, отверстие 14 на боковой стенке коллектор- ного электрода 8, трубопровод 15, дроссель 16, подключенный к выходу регулятора расхода газа-носителя 17 ,электроизолятор 18, электроизолятор 19.Детектор работает следующим образом.Газ-носитель с анализируемым веществом, выходящий из колонки 6 попадает в канал 5, где смешивается с хЬэом-носителем и водородом, поступающим в канал 5 по трубопроводам 15 и 3. Эта смесь через электроизолятор 19 и горелку 2 выходит в рабочий объем детектора, ограниченный корпусом 1 и смешивается с воздухом или кислородом, поступающим по трубопроводу 4. Б результате реакции водорода с кислородом образуется пламя, в котором происходит ионизация анализируемого вещества. Образовавшиеся заряженные частицы (электроны, отрицательные и положительные ионы) распределяются между горелкой 2, соединенной с потенциальным электродом 7 и коллекторным электродом 8, соединенным через стержень 12 и электро-. тметрический усилитель с "землей".аким образом в цепи коллекторного электрода 8 образуется электрический ток, величина которого зависит от потока анализируемого вещества, попадающего в единицу времени в водородное пламя. Ток в коллекторной цепи усиливается и регистрируется на диаграммной ленте самопишущего потенциометра или на диаграмме цифропечатающего устройства интегрирующего измерительного прибора. Коллекторный электрод 8 изолирован от корпуса 1 детектора электроизолятором 13, который должен обладать чрезвычайно высоким сопротивлением для того, чтобы1012121 8 В таблице приведены характеристи-. ки предлагаемого детектора и прототипа, полученнйе при сравнительныхиспытаниях в составе хроматограФа фКрусталь 5002". ааииииииа аии юю ащюииюиа а аииааа т и и иаТип прибора Чувствительность, кл/г С 44,нэо 0,012 0,011 0,015 0,015 0,014 О, 011 3,2 10423,5 103 б 510 2,0102,010 2,14 10 Стабильность выходного сигналаво времени (в течение 48 ч), %Пп высотам пиков 0,7 46 4 0,7 0,9 ток через электрометрический усили- тель был максимальным, т.е. для того, чтобы возможно в большей степени снизить токи утечки. Электроиэоляторы 18 и 19 должны дбеспечивать надежнуя изоляцию горелки 2 и потенци- ального электрода 7 от корпуса 1, поскольку потенциальное напряжение может составлять 150-300 В, Напротив отверстия 14 расположен трубопровод 11, через который из корпуса 1 выво дится отработанный гаэ, содержащий пары водя и продукты сгорания анализируемого вещества. Кроме того, напротив отверстия 14 размещено устройство для поджига пламени 9 и может 15 быть размещено устройство для контроля горения пламени 10, совмещенное с устройством для поджига пламени 9, как это сделано, например, в детекторе фирин Вариан. Труббпровод 15 со единен через дроссель 16 с .выходом регулятора расхода гаэа-носителя 17. Таким образом, суммарное количество газа-носителя, поступающего в детектор из колонки и линии 15, сохраняется постоянным вне зависимости от его расхода через колону.Преимуществами детектора в сравне-, нии с прототипом являются значитель но уменьшенное влияние на выходной: сигнал колебаний давления на выходе Наименование характеристики С Н16 34Порог чувствительности, г/сЪС3 оС Н из детектора, максимально повыденноесопротивление изоляции оллекторногоэлектрода от корпуса, устранение загрязнения изоляторов продуктами сгорания и конденсатом влаги, понижениетемпературы изолятора коллекторногоэлектрода, уменьшение опадания в пламя частиц, осевших на поверхностиколлекторного электрода, устранениеконтакта устройств для поджига и кон.троля пламени с пламенем и влиянияих на процессы формирования выходного сигнала, уменьшение зависимостивыходного сигнала от расстояния между коллекторным электродом и горелкой, устранение зависимости выходного сигнала от изменения расхода газаносителя через колонку. Вследствиеэтого повиаена чувствительность,уменьшен уровень шума, повиаена стабильность чувствительности и нулевойлинии, расширен диапазон рабочихтемператур. детектора, повнаена воспроизводимость характеристик:детек-тора в серийном производстве, улучшены эксплуатационные характеристики.: Предлагаемыйи Прототип10 1012121 Продолжение таблицы Тип прибора Найменование характеристики По площади пиков 3,5 4,15 С,р Но С Н, С 6 Н 54 2,3 0,5 0,5 Уровень флуктуационных шумов, АПри температуре,150 С 1,5 ф 10 1,510 1,5 10 2,0 10 8,010 400 С 450 С в прототипе. Вследствие этого в процессе эксплуатации нет необходимости разбирать детектор для.очистки коллекторного электрода так часто, как прототип, что упрощает. зксплуа- ЗО тацию Эксплуатация редлагаемо:одетектора упрощается и за счет отсутстъия необходимости перестройки расходов водорода и воздуха при изменении расходов через колонку. Пр 35 этом потребитель гарантированно иверет детектор с оптимализированными ,характеристиками для любого режима работы, в то время как при эксплуа:тации прототипа каждый .раз необхо О ,.димо искать оптимальный режим, который изменяется от перестройки расхода через колонку. Диапазон рабочих температур прототипа составляет 100-400.С, а предлагаемого детектора от комнатной до 500 С. У предлагаемого детектора практически отсутствует зависимость ,выходного сигнала от расстояния между горелкой и коллекторным электродом в интервале 1-12 мм, что упрощает сборку, снижает требования к изготовлению н обеспечивает воспроизводимость характеристик в серийном производстве. В то же время. у прото-, ,типа, как было указано выше, этот размер требует точного воспроизведе-, . ния в диапазоне 1-3 мм. Загрязнение коллекторного электрода в предлагае-, мом детекторе меньше влияет на его показания (за счет конусности),чем Предлагаемый Прототип.Товтин ТехредТ.фанта 2751/54 Тираж 871 ВНИИПИ Государственного по делам изобретений и 113035, Иосква, Ж, Рами тк ск одписна СССРийнаб.,