Газовый хроматограф и устройство для программирования расхода газа

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИН й 31/О ПИСАНИЕ РЕТЕНИ ИДЕТЕПЬСТН В ТОРС 1.ОМ(71)тель хроморде иссл тут (53) (56) Патент 73-23.1,Авторс 8072, клЭлектр 6, "Матес. 42 СОА38799 опублик. 19 ое свидетел 601 й 31/О иная техник иалы", 1980 3, рис. 3(п л.3 тво ССС 1981. Сборни вып. 12 тотип/ . хоса 54) ГАЗОВ О ДЛЯ ПРО ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИИ 3414938/23-2531.038223.07.83. Бюл, Р 27Д.Д. Матвеев, Л.И. Дьяконов,Клибанер, А.И, Бутурлин,Гладкой, В.В. Бражников,Пошеманский, Б.ПСиняговскийАлехинВсесоюзный научно-исследовакий и конструкторский институттографии и Государственныйа Октябрьской Революции научнодовательский и проектный инстиедкометаллической промышленности543,544(088.8)1. Авторское свидетельство СССР806, кл. 001 й 31/08, опублик. ОМАТОГРАФ И УСТРОЙСТИРОВАНИЯ РАСХОДА ГАЗА БО 1030722 А(57) 1. Газовый хроматограф, содеркащий источник газа-носителя, основную газовую линию, в которой последовательно установлены датчик расхода, пробовводное устройство, хроматографическая колонка и детектор, вспомогательную газовую линию и исполнительный пневмоэлемент, включающий управляющую камеру, проточную камеру,. со ло и заслонку, о т л ич аю щ и й с я тем, что, с целью снижения инерционности программирования расхода газа-носителя в хроматографической колонке, заслонка сопла управляющей камеры исполнительного пневмоэлемента выполнена в виде эластичной мембраны, закреп- щ ленной по периметру в держателе, связанном с постоянным магнитом, закрепленным в центре многовитковой плоской пружины, причем постоянный магнит установлен в катушке электромагнита, вход проточной камеры исполнительного пневмоэлемента соединен с газовым выходом датчика расда, выход проточной камерысвязан входом в пробовводное устройство, вход управляющей камеры соединен со вспомогательной газовой линией.1030722 2. Хроматограф по и. 1, о т л ич а ю щ и й с я тем, что входыосновной и вспомогательной газовыхлиний объединены и на общем входеустановлен регулятор давления.3, Хроматограф по и. 1, о т -л и ч а ю щ и й с я тем, что наобщем входе основной и вспомогательной газовых линий установлен регулятор расхода, а газовый выход управляющей камеры исполнительногопневмоэлемента соединен с выходомхроматографической колонки переддетектором, причем выходное соплопроточной камеры пневмоэлемента пере.крыто дросселирующим элементом,установленным и подпружиненным состороны выхода газового потока изпневмоэлемента в хроматографическуюколонку и связанным с мембраной,разделяющей проточную и управляющиекамеры пневмоэлемента, посредствомштока, проходящего по оси выходного сопла,4, Хроматограф по пп. 1-3, о тл и ч а ю щ и й с я тем, что в него введены блок задания расходагаза-носителя, сОединенный с электрическимвыходом датчика расходаи блок формирования сигнала управления, соединенный с блоком заданиярасхода и с катушкой электромагнита.5. Устройство для программирования расхода газа, содержащее основ 1Изобретение относится к газовойхроматографии и может быть использовано для программирования расходагаза-носителя, поступающего в хроматографическую колонку, или вспомогательных газов водорода, возду-ха и др), поступающих в детекторгазового хроматографа, например вплазменно-ионизационный детектор.Изобретение может быть использовано в химической, полупроводниковойотраслях промышленности, медицине,биологии и других отраслях нароцногохозяйства,Известен газовый хроматограф спрограммированием расхода газа-носителя, содержащий хроматографическую колонку, на выходе которой установлен детектор, измеритель и регулятор расхода газа-носителя, установленные на входе в колонку, терморегулятор и программатор температуры,в котором регулятор расхода газавыполнен в виде термочувствительногодросселя с нагревателем, подсоединенным к терморегулятору, вход которого ную газовую линию, в которой установлен датчик расхода, исполнительный пневмоэлемент, включающий управляющую камеру, проточную камеру, сопла и заслонку, и вспомогательную газовую линию, соединенную с управляющей камерой пневмоэлемента, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью снижения инерционности и упрощения конструкции, заслонка сопла управляющей камеры исполнительного пневмоэлемента выполнена в виде эластичной мембраны( закрепленной по периметру в держателе, связанном с постоянным магнитом,закреп ленным в центре многовитковой плоской пружины, причем постоянный магнит установлен в катушке электромагнита.б. Устройство по п.5,о т л и ч а ю щ е е с я тем, что исполнительный пневмоэлемент снабжен крышкой, установленной со стороны управлянщей камеры, причем в крышке размещена катушка электромагнита и по центру ее установлен регулировочный винт, взаимодействуощий через пружину с постоянным магнитом,7. Устройство по пп. 5 и б, о, тл и ч а ю щ е е с я тем, что вспомогательная газовая линия соединена с управляющей камерой пневмоэлемента через регулируеьий дроссель,2соединен с выходом измерителя расхода, соединенного с программатором температуры 1.Недостатком известного хроматографа является то, что используемый в нем термочувствительный дроссель обеспечивает изменение скорости газа-носителя в процессе хроматограФического анализа в сравнительно узких пределах. Так, изменение температуры дросселя от комнатной до 300 ОС .приводит к изменению расхода от 50 до 35 см /мин, что явно недостаточно дл целей йрограммирования.Известен газовый хроматограф с программированием расхода газа- носителя, содержащий основную газовую линию, в которой последовательно установлены регулятор давления, хроматографическая колонка и детектор, и вспомогательную байпасную линию, в которой установлен переменный дроссель. Изменение расхода газа-носителя в основной газовой линии, связанной с хроматографической1030722 10 20 колонкой, осуществляется путем изме. нения сопротивления газовому потоку в байпасной газовой линии, причем этом суммарный поток газа-носителя в основной и байпасных линиях остается постоянным. Это обеспечивает постоянство расхода газа-носителя через детектор при изменении его расхода через колонку21.Недостатком известного газового хроматографа является то, что в нем не обеспечивается непрерывный контроль скорости потока газа-носителя через, хроматографическую колонку, а изменения расхода газа-носителя осуществляется либо вручную с помощью регулятора, либо ступенчато путем переключения клапанов. Это ограничивает функциональные возможности газового хроматографа.Наиболее близким к.предлагаемому по технической сущности. является газовый хроматограф, содержащий источник газа-носителя, основную газовую линию, в которой последователь но установлены датчик расхода газа,пробовводное устройство, .хроматографическая колонка и детектор,вспомогательную газовую линию и одно- или двухкамерный пневмоэлемент,включающий управляющую камеру, про" точную камеру, сопло и заслонку.В основной газовой линии установлено термостатируемое пневмосопротивление, вход которого связан с выходом регулятора расхода и с управляющей камерой пневмоэлемента,а выход - с проточной камерой пневмозлемента 31.Недостатком газового хроматографа является то, что используемоев нем термостатируемое пневмосопротивление обладает значительной инференционностью 30 с и более),что делает практически непригоднымиспользование данного хроматографав сочетании с мини-ЭВМ или микропроцессором. Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности являетсяустройство для программированиярасхода газа, содержащее основную газовую линию, в которой установлендатчик расхода, исполнительный пневмозлемент, включающий управляющую камеру, проточнУю камеру, сопло и заслонку, а также вспомогательную газовую линию, соединенную с удравлякхцей камерой пневмоэлемента 14 3. Недостатком известного устройстваявляется сложность конструкции,обусловленная наличием несколькихпневмодатчиков и системы коммутации управляющего сигнала. Кроме того, в замкнутой системе регулирования через тепловой расходомер с испольэОванием известного устрбйства такжепроявляется значительная его инер ционность 10-15 с). Это ограничивает возможности его использованиядля целей программирования расходагаза-носителя в автоматичеСких газовых хроматографах.Целью изобретения является снижение инерционности программированиярасхода газа-носителя в хроматографической колонке и упрощение конструкции газового хроматографа спрограммированием расхода газа-носителя.Указанная цель обеспечиваетсятем, чтов газовом хроматографе, содержащем источник газа-носителя,основную газовую линию, в которойпоследовательно установлены датчикрасхода, пробовводное устройство,хроматографическая колонка и детектор, вспомогательную газовую линиюи исполнительный пневмоэлемент,включающий управляющую камеру, проточную камеру, сопло и заслонку,заслонка сопла управляющей камерыисполнительного пневмоэлемента выполнена в виде эластичной мембраны,закрепленной по периметру в держателе, связанном с постоянным магнитом, закрепленным в центре многовитковой плоской пружины, при этомпостоянный магнит установлен в катушке электромагнита, вход проточной камеры исполнителЬного пневмоэлемента соединен с газовым выходомдатчика расхода, выход проточной камеры связан с входом в про 6 овводноеустройство, а вход управляющей камеры соединен со всйомогательной газовой линией.Причем входы основной и вспомогательной линий объединены и на общемвходе установлен регулятор давления.Кроме того, на общем входе основной и вспомогательной газовыхлиний установлен регулятор расхода,а газовый выход управляющей камерыисполйительного пневмоэлемента соединен с выходом хроматографическойколонки перед детектором, причемвыходное сопло проточной камерыпневмоэлемента перекрыто коническимклапаном, установленным и подпружиненным состороны выхода газовогопотока из пневмоэлемента в хроматографическую колонку и связанным смембраной, разделяющей проточную иуправляющие камерьГ пневмоэлемента,посредством штока, проходящего пооси выходного сопла,При этом в хроматографе может быть предусмотрено наличие блока задания расхода газа-носителя, соединенного с электрическим выходом датчика расхода, и блока формирования сигнала управления, соединенного с блоком задания расхода и с катушкой электромагнита, 1030722В устройстве для программирования расхода газа, содержащем основную газовую линию, в которой установлен датчик расхода, исполнительный пневмоэлемецт, включающий уп -равляющую камеру, проточную камеру,сопла и заслонку, и вспомогательную газовую линию, соединенную с управллющейг каглерой исполнительногопцевмоэлаглента, заслонка сопла управляющей камеры исполнительногопцевмоэлемента выполцена в видеэластичной мембраны, закрепленнойпо периметру в держателе, связанномс постоянным магнитом, закрепленнымв центре мцоговитковой плоской пру,жины, при этом постоянный магнитустановлен в. катушке электромагнита.Кроме того, исполнительный пневмоэлемецт снабжен крышкой, установленной со стороны управляющей камеры, причем в крышке размещена катушка электромагнита и по центруее установлен регулировочный винт,взаимодействующий через пружину спостоянным магнитом,Причем вспомогательная газоваялиния соединена с управляющей камерой пцевмоэлемента через регулируемгл дроссель,данное устройство для программирования расхода газа может бытьиспользовано це только в газовомхроматографе, но и в других системах, например, в процессе производства полупроводниковых материаловпри легировации из газовой фазы,где не только требуется точное поддержание заданного расхода лигатурыво времени, цо и изменение его позаданной программе,Благодаря отмеченным особенностямвыполнения предлагаемого устройствадля программирования расхода газарезко 1 с против 5-6 с у известно. го) снижается инерционность процесса программирования расхода газа,Как следствие, при использованииэтого устройства в газовом хроматографе при отмеченных особенностяхего взаимосвязи с другими блокамигазовой схемы хроглатографа повышаются точность воспроизведения программы изменения расхода газа-носителя в колонке и, соответственно,точность хроматографического анализа.На фиг, 1 изображен один из примеров выполнения предлагаемогоустройства для программирования расхода газа с частичным вырезом;, наФиг. 2-то же, вид сверху с частичным вырезом; на Фиг. 3 - принципиальная схема предлагаемого газовогохроматографа с устройством дляпрограммирования расхода газа-носителя, на Фиг, 4 - то же, другойвозможный вариант выполнения,5 10 15 20 25 ЗО 35 40 45 50 55 60 65 на Фиг, 5 - кривая переходного процесса устройства,устройство для программированиярасхода газа содержит корпус 1,в котором установлен датчик расхода 2 (например, тепловой расходомерс наружным или внутренним расположением нагревателяи термоприемников) и исполнительный пцевмоэлемент3. г 1 ежду пневмоэлемецтом 3 и выходом датчика расхода 2 установленрегулируемый дроссель 4. Пцевмоэлемент 3 снабжен герметизирующей крышкой 5, Пневмоэлемецт 3 включаетпроточную камеру, 6 и управляющуюкамеру 7, разделенные мембраной 8 сжесткигл центром 9, перекрывающимвыходное сопло 10. Пневмоэлемент 3включает также постоянный дроссель11, через котрый в него поступаетвспомогательный управляющий газовыйпоток, Формирующее сопло 12, перекрытое заслонкой 13, выполненнойв виде эластичной мембраны, многовитковую плоскую пружину 14, угрепленную между винтом 15 и постоянныммагнитом 16, а также катушку 17электромагнита, которая закрепленав магнитопроводе 18, и пружину 19с регулировочным винтом 20.Устройство для программированиярасхода газа работает следующим образом.В исходном состоянии за счет упругих свойств плоской многовитковойпружины 14 и пружины 19 эластичнаямембрана-заслонка 13 прижата к Формирующему соплу 12. В управляющейкамере 7 при этом устанавливаетсядавление, равное давлению питаниявспомогательного ( управляющего)газа. С помощью винта 20 можно изменять степень сжатия пружины 19,изменяя тем самым начальное положение эластичной мембраны-заслонки13 относительно формирующего сопла12. В этом положении перепад давления на регулируемом дросселе 4 ирасход основного ( управляемого) потока газа через проточную камеру 6и выходное сопло 10 равны нулю.Во время работы устройства сигналуправления, формируемый системойавтоматического регулирования 1 наФиг, 1 и 2 не показана), поступаетна катушку 17 электромагнита, чтоприводит к изменению магнитногополя, создаваемого ею. Соответственно, изменяется положение постоянного магнита 16, который отжимает эластичную мембрану-заслонку 13 от формирующего сопла 12. В результатеэтого уменьшается давление в управляющей камере 7 и, следовательно,давление в проточнбй камере 6. Приэтом возрастает перепад давленияЬР на регулируемом дросселе 4. Сувеличением перепада давления АРпропорционально увеличивается расходосновного (управляемого) потокагаза. Постоянный дроссель 11, установленный в потоке вспомогательного( управляющего) газа, ограничиваетего максимальный расход, а регулируе 5мый дроссель 4 устанавливает диапазон регулирования расхода основногогаза при минимальном давлении вспомогательного газа в управляющейкамере 7.Благодаря тому, что заслонка 13формирующего сопла 12 пневмоэлемента, выполнена в виде эластичноймембраны, закрепленной по периметрув держателе, соединенном с постоянным магнитом 16, который установленв центре плоской многовитковойпружины 14, обеспечивается достижение одновреМенно двух. положительныхэффектов: упрощается устрбйство для 2 Опрограммирования расхода газа иснижается его инерционность.Упрощение конструкции предлагаемого устройства в сравнении с извест.ным достигнуто за счет устранениянескольких пневмозадатчиков, элементов ИЛИ, сложной системы газовой коммутации.Снижение инерционности достигнутопутем замены электропневматического преобразователя со сложной системой упругих рычажных элементов собратной связью, которые использовались в известном устройстве плоскоймноговитковой пружиной 14 с эластичной мембраной-заслонкой 13. Причемпомимо своей основной функции - прижатие эластичной мембраны-заслонки13 к формирующему соплу 12 - плоская многовитковая пружина 14 центрирует заслонку 13 относительно сопла 12, Одновременно с этим в предлагаемом устройстве значительно уменьшены паразитные объемы в системеуправления, что также способствовало уменьшению инерционности устройства.Газовый хроматограф с программированием расхода газа-носителя( фиг. 3) содержит источник газа-носителя 21 и установленный за ним регулятор давления 22,На выходе регулятора давления 22поток газа-носителя раздваиваетсяна основной (управляемый) и вспомогательный (управляющий). В основномпотоке газа-носителя последовательно установлены датчик расхода 2,регулируемый дроссель 4, проточнаякамера б исполнительного пневмоэлемента 3, выходное сопло 10 которой соединено с пробовводным устройством 23, связанным со входом вхроматографическую колонку 24, навыходе которой установлен детектор25. Во вспомогательном ( управляющем) потоке газа-носителя установ лен постоянный дроссель 11, выхолкоторого связан с управляющей камерой 7.Вспомогательный поток газа-носителя через формирующее сопло 12управляющей камеры 7 и выходнойканал 26 сбрасывается в атмосферу.Пневмоэлемент 3 включает все тефункциональные элементы (заслонку13, выполненную в виде эластичноймембраны плоскую многовитковуюпружину 14, постоянный магнит 16,катушку 17 электромагнита, пружину19 и регулировочный винт 20), которыеболее подробно охарактеризованыпри описании устройства для программирования расхода газа со ссылкойна фиг. 1 и 2Дополнительно в схему управления программированием расхода газаносителя включены блок задания 27расхода газа-носителя и блок формирования сигнала управления 28, соединенный с катушкой электромагнита,Блок задания 27 расхода газа-носителя соединен с электрическим выходомдатчика расхода 2 и входом блокаформирования сигнала управления 28,В качестве блока формированиясигнала .управления можно испольэовать любой регулятор с ПИ-закономрегулирования, построенный, например, на микросхемах К 553 УД 1 А иК 140 УД 8 Б, а также можно применятьлюбой стандартный регулятор с аналоговым выходом, например типаВРУ,Описанный вариант выполнения газового хроматографа с программированием расхода газа-носителя работает следующим образом.В исходном состоянии за счетупругих свойств плоской,многовитковой пружины 14 эластичная мембраназаслонка 13 прижата к формулирующемусоплу 12, В управляющей камере 7при этом устанавливается давление,равное давлению на выходе регулятора давления 22. В этом положенииперепад давления на регулируемомдросселе 4 и расход основного ( управляемого) потока газа-носителячерез проточную камеру б, выходноесопло 10 и, соответственно, хроматографическую колонку 24 равнынулю, Перед началом хроматографического анализа с помощью блока задания 27 расхода газа-носителя задается исходное значение расходагаза-носителя через колонку 24. Сигнал рассогласования между датчикомрасхода 2 и блоком задания 27 расхода поступает в блок формированиясигнала управления 28, который вырабатывает сигнал управления, поступающий в катушку 17 электромагнита,что приводит к изменению магнитногополя, создаваемого ею. Соответствен 1030722 10но изменяется полокение постоянного магнита 16, который отжимает эластичную мембрану-заслонку 13 от формирующего сопла 12. В результате этогоуменьшается давление в управляющейкамере 7 и, следовательно, давлениев проточной камере б. При этом возникает перепад давления ЬР на регулируемом дросселе 4, С увеличением перепада давления ЪР пропорциональНо возрастает расход основного( управляелого) потока газа-носителячерез проточную камеру б, выходноесопло 10, хроматографическую колонку 24 и детектор 25. Датчик расхода 2 Фиксирует изменение расхода основного потока газа-носителя, и после того, как выходной сигнал датчика расхода 2 сравнивается с сигналом блока задания 27 расхода, происходит стабилизация расхода гаэа-носителя через хроматографическую колонку 24 и детектор 25. После выхода хроматогра 4 а на рабочий режим, т.е. когда стабилизирУется нулевая линия детектора 25, производят ввод пробы анализируемой смеси с помощью пробовводного устройства 23 в поток газа-носителя, поступающего вхроматографическую колонку 24. Впроцессе хроматографического анализа с помощью блока задания 27 расхода газа-носителя по заданнойпрограмме производят изменения сигнала управления, Формируелого блоком 28, который подается в катушку17 электромагнита. Это приводит кизменению положения эластичноймембраны-заслонки 13 относительноФормирующего сопла 12 и, соответственно, к изменениям давления в 30 таким образом, осуществляется программирование расхода газа-носителя через хроматографическую колонкув сторону его увеличения. По завершению хроматографического анализас помощью блока задания 27 расходагаза-носителя устанавливается постоянный расход газа-носителя в основной линии, отвечающий заданномузначению расхода на момент началанового цикла анализа. Предпочтительный вариант выполнения газовогохроматографа с программированиел расхода газа-носителяФиг. 4) отличается от описанного тем, что вместо регулятора давления 22 установлен регулятор расхода 29 газа-носителя. При этом выходной канал 26,связанный через Формирующее сопло12 с управляющей камерой 7, соединен с выходом хроматографическойколонки 24 перед детектором 25. Выходное сопло 10 проточной камеры 6перекрыто коническим клапаном 30,установленным и подпружиненным со 60 управляющей 7 и проточной б камерах. 40 стороны выхода основного потока газа из пневмозлемента 3 в хроматогра. Фическую колонку 24 и жестко соединенным с мембраной 8 посредством стержня 31, проходящегб по оси сопла 10, В этом варианте выполнения газового хроматографа увеличение расхода вспомогательного потока газагосителя через управляющую камеру 7 приводит к уменьшению расхода основного потока газа-носителя, протекающего через проточную камеру б пневмоэлемента 3, и наоборот. При этом суммарный поток газа-носителя через детектор 25 остается постоянным благодаря наличию регулятора расхода газа 29 на входе в основной и вспомогательный потоки газа- носителя.На фиг, 5 приведена кривая переходного процесса предлагаемого устройства для программирования расхода газа, полученная с помощью осциллографа с запоминанием типа С 8-13. Датчиком расхода служил тепловой датчик с внутренним расположением нагревателя и термоприемников, инерционность которого составляла 0,5-0,6 с. Как видно из полученной кривойпереходного пр)цесса, инерционностьпредлагаемого устройства составляетоколо 0,8 с, что значительно меньшеинерционности известного устройства,При этом упростилась и конструкцияустройства.Как следствие, при использованииэтого устройства для программирования расхода газа-носителя в газовомхроматографе повышается точностьвоспроизведения программы изменениярасхода газа-носителя в хроматограФической колонке. Это, в свою очередь, повышает точность хроматографического анализа эа счет повышениявоспроизводимости времен удержаниякомпонентов анализируемой смеси.Снижение инерционности системыпрограммирования расхода и повышениевоспроизводимости времен удерживаниякомпонентов при работе в режиме про"граммирования расхода газа-носителяделает возможным использованиепредлагаемого газового хроматогра.а в сочетании с микро-ЭВИ или микропроцессором, которые служат не только для целей расчета результатованализа, но и для целей регулирования режимными параметрами газовогохроматографа по заданной програыле.Это позволяет оптимизировать условия хроматографического анализа и,в конечном итоге, приводит к сокращению времени анализа,а следовательно, к повышению производительностигазового хроматографа, 10307221030722 д 2 Заказ 5203/45 Тиран 873 Подписное ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж, Раушская наб д. 4/5