Пламенно-ионизационный детектор

(ГОспАтент Е ПАТЕНТНО БРЕТЕНИЯ ТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ 4но-исслеститут х й 85003,овательскии оматографии льство 27/64,ЗАЦИОН Н Ы Й ДЕ- азо- нно- айти сится к области именно к плам торам; и может Данное изобретение относится к области газовой хрома 1 ографии и может найтиприменение при анализе газовых и жидких. смесей,Известен пламенно-ионизационный детектор для газовой хроматографии, содержащий корпус, горелку установленную вкорпус, трубопроводы для подвода к горелке водорода й воздуха, канал, соединяющийгорелку с хроматографической колонкой,потенциальный электрод, устройство дляподжига пламени, устройстводля контролягорения пламени, коллекторный цилиндри-ческий электрод, установленный соосно сгорелкой и трубопровод для вывода из корпуса отработанного газа и продуктов горения, служащий продолжением внутреннегоканала коллекторного электрода.В известном детекторе коллекторныйэлектрод представляет собой цилиндр с постоянным диаметром по всей длине, запресется й лие из коле- ционтора,. а явл улево выхо твие нтиля детек(71) Всесоюзный научи конструкторский ин(57) Изобретение о 1 новой хроматографии аионизационным детек йрименение при анализе газовых и жидких смесей. Целью изобретения является повышение стабильности выходного сигнала и улучшение эксплуатационных свойств детектора. В боковой стенке коллекторного электрода, выполненного в вйде усеченного конуса,.суженная открытая часть которого об- ращена к сойлу горелкй, вь полнены два или более отверстий и такое же количество про-дольных разрезов, соединенных с указанными отверстиями, Коллекторный электрод размещен внутриполого цилиндра,-который соединен с корпусом, По периметру корпуса симметрйчно расположены пазы или отверстия для сообщения внутреннего объема детектора с атмосферой. 1 табл., 2 ил.Фф чае Ус сованный в массивные втулки из электро- изоляционного материала, контактирующие с большейчастью поверхности коллекторного электрода.Указанные втулки обеспечивают электроизоляцию электрода от корпуса, его центровку и заданное расстояние от горелки, а также являются в сочетаниис коллектбрным электродом трубопроводом;для вывода из корпуса отработанного газа и продуктов горения; Устройстводл- .йоджига пламени, устройство для контроля горения пламени и потенцйальный электрод совмещены с горелкой и расположены в непосредственной близости к пламени.,Недостатком этого детектдзначительная зависимость егонии от колебаний давления надетектора, возникающих вследбаний конвективных потоков (веных, тепловых) в окрестностях1791769 3открываний и закрываний, дверей и окон ит. д, Влияние колебаний давления на выходе из детектора йроявляется в повьгшении:уровня шумов, увеличении дрейфа нулевойлинйи и появлении ложных пиков, имеющих 5 значительйую амплитуду. Причиной зависимости нулевой линиидетектора"от колебаний давления на выходеиз детектора является то, что трубопроводдля выводаиз 1 орпуса отработанного газа 10и йродуктов горения является непосрецственным продолжением коллекторного электрода и расположен, как и коллекторныйэлектрод, соосно с горелкои,Таким образом;между пламенеми выходом из детектора. находится короткий цилиндрический канал, через который толчкидавления на выходе безпрепятственно воздействуютна пламя, вызывая изменениеегогеометрической"формы, ориентации относительно Стенок коллекторного элЕктрода, При зтом изменяются температурные иконцентрационные поля, что существенновлияет на йроцессы, происходящие в пламени, особенно в данном случае, когда пламя диффузионное. Большая поверхностьконтакта электройзоляционных втулок" сколлекторным электродоми корпусом сни-жает Сопротивление изоляции и, как следствие, приводит к уменьшению 30чувствительности, Кроме того, цилиндрическая форма вйутрейнего канала когглектор-ного электрода и электроизоляционныхвтулок создает условия для беспрепятственногоо попадания в пламя частиц продуктов 35горения, оторвавшихся от поверхности канала, что приводит к увеличению шумов.Использование электроизолятора коллекторного электрода в качестве элемейта трубопровода длявывода из корйуса 40отработан ного газа и продуктов,горения,находящегося в непосредствейном койтак-те с продуктами горенияи парами влагиувеличивает опаСность его загрязнения и;как следствие; снижениекачестваизоляции 45коллекторного электрода. Это вызывает не-обходимость поддержания температуры детектора на уровне не ниже 100 С, чтоисключает конденсацию влаги, В то же время температура изоляционной втулки должна быть не"ниже температуры колонки,чтобы устранить койденсацию на поверхно-сти изолятора анализируемого вещества ижидкой фазы, уносимой из колойки, Поскольку Сопротивление изоляторов коллекторного электрода резко падает притемпературах близких к 400 С верхний предел рабочих температур известного детектора ограничен 400 С, причем,характеристики детектора (чувствительность, уровень шумов, стабильность нулевой линии) при этих температурах резко ухудшается. Поэтому предельны. 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 анализируемьГх веществ частично превращаются в аэрозоль (сажа), оседающую на поверхностях коллекторного электрода и "изолятора даже йри очень высоких температурах, .В результате загрязнения изолятора резко снижается чувствительность, 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, Существенно ухудшаются характеристики детектораи вследствие того, что устройство для поджига пламени (спираль) и устройство для контроля горения пламени находятсяна минимальное расстоянии от пламени. За счет загрязнения поверхности этих устройств увеличивается шум, дестабилизируется нулевая линия, Кроме того, устройство для поджилка пламейй понижает температуру пламени и создает турбулентность в потоке воздуха; что в резул ьтате, поникает чувствител ьность и увеличивает зависимость фонового тока и чувствительности от расходов воздуха и водородаНаиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому детектору является пламенно-ионизационнь.й детектор, содер- жащий корпус, горелку, установленную в корпусе, трубопроводы для подвода к горелке водорода и воздуха, канал, соединяющий горелку с хроматографической колонкой, потенциальный электрод, коллекторный электрод, установленный соосно с горелкой, выполненный в виде стакана, имеющего форму усеченного конуса, дно которого соедийено со стержнем, закрепленным в электройзоляторе, а суженная открытая чаСть-обращена к соплу горелки, причем на боковой стенке коллекторното электрода выполнено отверстие, в котором с зазором установлен трубопровод для вывода из корпуса отработанйого газа и продуктов горения и устройство для поджига пламени;В извьстном детекторе, принятом за прототип, благодаря тому, что коллекгорный электрод выполнен в виде стакана, име1791769 росы в коробом трубопроводе для вывода из корпуса отработанного газа и продуктов ющего форму усеченного конусаобращен ного суженой открытой частью к горелке,горения. Кроме того, благодаря тому, что в уменьшено осаждение нейтральных частиц продуктов горения и анализируемого вещества на начальном участке поверхности 5 электрода. Это обусловлено тем, что дрейф частиц к поверхности электрода происходит одновременно с ее перемещением в осевом направлении в сторону увеличейия диэметра электрода. Таким образом, за счет конус ности увеличен путь дрейфующей нейт- позволяет во многих случаях успешно ре ральной частицы до поверхности, в резуль- шать аналитические задачи, однако,"при из-.тате чего нейтральные частицы оседают мерениях на масштабах усилителя порядкана поверхности электрода удаленной от 1-1010 А, т. е, в случае реализации мак-г пламени, а ионы под действием электриче симальной чувствительности системы детектирования заметно проявляется эффект ского поля собираются на незагрязненном начальном участке поверхности электрода, "открывания двери", т, е, наблюдаются одинаходящемся в непосредственной близости ночные кратковременные изменения выходного сигнала, которые близки по к пламени. Кроме того, конусность коллек 20 характеру хроматографическим пикам при торного электрода препятствует отпыву чаработе с капиллярной колонкбй, В основе стиц; осевших на его поверхности и их повторному попаданию в пламя, обеспечивает возможность при сохранении оптиэтого явления лежит влияние резких изменений давления в помещении, где расположен хроматограф, Таким образом,мального для сбора ионов расстояния 25 установка трубопровода для вывода из кор, пуса отработанного газа и продуктбв горения в отверстйи на боковой стенке коллекторного электрода йе обеспечивает полйого устраненйя ложных пиков, возника 30 ющих от резких толчков давления в помещеции коллекторного электрода, т, к, поверхнии, поскольку демпфирующее влияние ность контакта электроизолятора с зазора между корпусом и коллекторным электродом недостаточно для подавления коллекторным электродом минимальна, злектроизолятор удален от места выхода отработанного газа и продуктов горения из толчков давления и, кроме того распьложе 35 ние трубопровода, соединяющего внутренНебольшая масса коллекторного элект 40 пламя и прилегающее к нему пространство Еще одним недостатком известного детектора "является сложная процедура подрода, минимальные концевые потери тепла, теплоизоляция боковой поверхности электжига пламени, связанная с необходимостью рода от корпуса воздушным зазором создают условия для быстрого разогрева перекрытия подачи воздуха или газа-носи 45 теля при поджиге, Следует отметить, что коллекторного электрода за счет тепла, выэтим недостатком страдают практически все известные конструкциипламейно-ионизационных детекторов, что существенно за- трудняет эксплуатацию этих усгеройств и 50 танный газ и продукты горения выходят из приводит к усложнению схем автоматичеколлекторного электрода имея высокую ского поджига пламени.Целью изобретения является повыше- ние стабильности выходного сигнала и улучшение эксплуатацйонньгх свойств температуру, что обеспечивает возможность размещения устройства для контроля горения пламени на выходе коллекторного электрода, т. е. в отверстии на его боковой 55 детектора Указанная цель достигается тем; чтопредложен пламенно-ионизациойный деповерхности и, кроме того; устраняет необходимость подогрева корпуса детектора для тектор, содержащий корпус, в котором распредотвращения конденсации влаги, так как горячий газ, выходящий из коллекторного электрода не успевает остыть ниже точки положены горелка, каналы для"подвода к горелке водорода и воздуха, отверстие для, между поверхноСтью электрода и пламенем устранить контакт пламени с поверхйостью, т. к. по мере расширения факела увеличивается диаметр электрода. В предлагаемом детекторе улучшено качество электроизоля. электрода, что предотвращает загрязнение его поверхности и обеспечивает возможность понижения температуры корпуса в зоне расположения электроизолятора, например, за счет теплоотвода,деляемого в процессе горения до температуры, значительно превышающей точку росы, что устраняе конденсацию влаги на поверхности электрода. При этом обрабоотверстии 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 ний объем детектора с атмосферой перпендикулярно относительно "оси горелки, очевидно, не обеспечивает полной симметрий воздействия толчков давления насообщения внутреннего обьема детектора с атмосферой, потейциальнйй электрод, коллекторный электрод, установленный соосно с тарелкой, выполненный в виде стакана; имеющего форму усеченного конуса, дно коТорого соединено"со стержнем закрейлей-" ным в электроизоляторе, а сужеййаячасть обращена к сойлу горелки и устройство дляподжига пламени,расположейнОевКорпусе, напротив отверстия в боковой стенке коллекторного электрода, в котором согласно изобретению в боковой стенке коллекторного электрода выйолненЫ двэ"йлй более отверстий симметрично распределенныхх по его периметру и такое же количество сквозных продольных разрезов, соединенных с указанными отверстиями, причем, коллекторный электрод размвщен внутри полого цилиндра, соединенного"с корпусом, а отверстия для сообщения внутреннегоо объема детектора .с атмосферой исимметрично распределены по периметрукорпуса расположенысо стороны места со- единений цилиндра и корпуса;Благодаря укаэанным особенностямкойструкцйи детектора толчки давления впомещении воздействуют нэ пламя й йриле-гэюЩее к нему пространство абсолютно.сймметрично; причем, толчки давления де мпфируются зазором между цилиндром икорпусом, а также зазором междуцилиндром и колпекторным элекгрсдом; т. е, степейь-"подавления толчков давления значительно выше, чем в известном детекторе, принятом за прототип, в котором тол: : чки давления демпфировались лишь зазороммежду коллекторным электродом и корпусом, В силу тех же причин уменьшено влияние на процесс формирования выходного сигнала детектора флуктуаций давлений впомещении и полностью устранена возможность изменения гидравлического сопротивлениявыхода детектора в атмосферу"за счет конденсации паров в дЕтекторе, по- скольку детектор может иметь любое необходимое для полного устранеййя влияния конденсата сечение зазора "между цилиндром и корпусом и сечение выходногопаза (отверстий) в корпусе, ДополнительнЫм фактором обеспечивающим указанное положительное свойство являетсято, что выходной паз (отверстия) распОложен в зоне . интенсивно прогреваемой плэменем,гдетемпература всегда выше точки росы для отработанного газа. Необходимо отметить, что увеличение сечения выходного паза (отверстий) не влечет за собой увеличения воздействия на выходной сигнал паводок, т, к, коллекторный электрод защищен от наводок цилиндром, являющимся длянего экра ном. Одновременно, благодаря тому, что в боковой стенке коллекторногоэлектрода вййоЫены два или более отверстий, симметрично распределенных по его перимет 5 ру,"и такое же количество сквозных продольйых разрезов, соединенных с указанными отверстиями создаются условия, п 1 и которых между горелкой и устройством для поджига пламени в зазоре мекду кол 10 лекторным электродом и цилиндром образуетсяполе концентраций водорода, кислорода и азота, содержащее зону с соотношеййемкойцентраций оптимальным для воспламенения и раСпространения реакции гбрения от устройства для поджига пламени 15 к горелке, подобно тому, как происходит поджигбикфордовым шнуром, Это позвол яет поджигать пламя.при тех же условиях, прикоторых затем детектор работает, В то 20 же время в большинстве известных конструкцйй таКой поджиг пламени невозможен и требуется либо перекрытие подачи в детектор газа-носителя из колонки, либо изменение"расхода" воздуха, либо и то и другое. Это существЕннО усложняет эксплуатацию прибора и усложняет систему поджига пламени, особенно автоматизированную. ской колонкой 6, пЬтенциальный электрод 7, коллекторный электрод 8, установленный соосно с горелкой 2, дно 9 которого соединено со стержнем 10, закрепленным в электроизоляторе 11, устройство" для подкига пламени 12, расположенное в корпусе 1, напротив одного из отверстий 13 в боковой 40 стенке коллекторного электрода 8, разрезы 14, соединенные с отверстиями 13, цилиндр 15 с разМещенным внутри него коллекторным электродом 8, соединенный с корпусом 1 паз 16 и отверстия 17, расположенные в корпусе 1 вблизи места соединения цилин 50 55 дра 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 Сущность иэобрегения поясняется чер. тежом (фиг, 1), на котором представлен30 предлэгаемйй детектор в продольном сечении и чертеком (фиг. 2), на котором пред.ставлен коллекторный электрод,Детектор содержит корпус 1, в которомрасйЬложена горелка 2, каналы для подвода35 к горелке 2 водорода 3 и воздуха 4, канал 5,соедйняющий горелку 2 с хроматографичекорпусом 1 и смешивается с воздухом или кислородом, поступающим по каналу 4, через отверстия 20 в гайке 21 в кольцевойзазор между внутренней стенкой гайки 21 и поверхностью горелки 2, изготовленной из неэлектропроводного материала, В результате реакции водорода с кислородом образуется пламя, в котором происходит ионизация анализируемого вещества. Образовавшиеся заряженные частицы электроны, отрицательные и положительные :ионы) распределяются между металлическим наконечником 22 горелки 2, соединенной с потенциальным электродом 7, закрепленным в электроизоляторе 23 и коллекторным электродом 8, соединенным че"рез дно 9, стержень 10, закрепленнь 1 й в электроизоляторе 11 и электрометрический усилитель с "землей". Таким образом, в цепи коллекторного электрода 8 образующего электрический ток, величина которого зависит от потока анализируемого вещества, попадающего в водородное пламя. Ток вцепй коллекторного электрода усиливается и регистрируется на дйаграммной ленте самопишущего потенциометрэ, либо поступает в интегрирующий измерительный прибор.Пары воды и продукты сгорания анали. зируемых веществ в потоке газа-носителя поступаот во внутренний объем коллектор- ного 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 1 и выходят из детектора через паз 1 б и отверстия 17 либо,ерез паз 1,б, если отверстия 17 отсутствуют и наоборот.Преимуществами детектора в сравнении с прототипом является значительное уменьшение влияния на выходной сигнал флуктуаций и резких толчков давления в окружающем детектор пространстве, полноЕ устранение возможности изменения давления в детекторе за счет конденсации влаги и продуктов сгорания анализируемых веществ, снижение давления в детекторе, уменьшение наводок на коллекторный электрод, упрощение процедуры поджига пла- мени и, связанное с этим упрощение конструкции системы газообеспечения детектора и системы автоматического поджига пламени. Вследствие этого, уменьшен уровень флуктуационных шумов, практиче Ж ски устранениложнйе пики от толчков дав лений 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 10 АГАТ, Результаты испытаний подтверждают сказанное, Уменьшены одиночные возмущения нулевол линии, основной причийой появления которьх являются толчки давлЕ- ния в помещении. Уменьшен уровень флуктуационных шумов за счет уменьшения влияния флуктуаций давления в помещении, Повышена чувствительность детектора за счет оптимизации конструкции и, в первую очередь, за счет обсспечения симметричного распределения потоков воздуха вобласти пламени. 20 Формула изобретения Пламенно-ионизационный детектор,содеркэщи 1 л корпус, в котором расположе 25 ны горелка, каналы для подвода к горелке " водорода и воздуха, канал, соединяющий горелку с хроматографической колонкой, отверстие для"сообщен ия внутрен него объема детектора с атмосферой, потенциальный 30 электрод, коллекторный электрод, установленный соосно с горелкой, выполненный в виде стакана, имеющего форму усеченного конуса, дно которого соединено со стержнем, закрепленным в электроизоляторе, а 35 "суженйая открытая часть обращена к соплугорелки, и устройство для поджига пламени, расположенное в корпусе, напротив отверстия в боковой стенке коллекторного элект"рода, отлйча ющийся тем,что,сцелью 40 повышения стабильности выходного сигнала и улучшения эксплуатационных свойств детектора,в боковой стенке коллекторного электрода выполнены два или более отверстий симметрично распределенных по его 45 периметру, и такое же количество сквозныхпродольных разрезов, соединенных с указанными отверстиями, причем коллекторный электрод размещен внутри полого цилиндра, соединенного с корпусом, а от верстия для сообщения внутреннего объемадетектора с атмосферойсимметрично распределень 1 по перйметру корпуса и распо-- лОжены со стороны места соединенияцилиндра и корпуса,1791769 Составйтель В,ПошеманскийТехред М,Моргентал " Корректор Н Коро Реда кто ри ГКНТ СССР. Производственно-издательский комбинат "Патент"., г. Ужгород,гарина,Заказ .150 . : ; Тираж. Подписное ВНИИПИ Государственногокомитета по изобретениям и откры 113035, Москва, Ж, Раушская наб 4/5