ФОТОИОНИЗАЦИОННЫЙ ДЕТЕКТОР ГАЗОВ

Полезная модель относится к области аналитической техники, а именно, к средствам измерений концентраций компонентов при газовом хроматографическом анализе.
Известен фотоионизационный детектор газов и паров (Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-Заде А.Ю, Автоматические детекторы газов и жидкостей, М.: Энергоатомиздат, 1983 г., с.96), состоящий из ионизационной камеры, снабженной двумя электродами для создания коронного разряда, поляризующего электрода и коллекторного электрода, для измерения количества образовавшихся ионов. Также в камере находятся отверстия для ввода и вывода анализируемого газа. Принцип действия детектора состоит в том, что в потоке дополнительного газа, например аргона, возбуждается коронный газовый разряд постоянного тока. В результате разряда образуются метастабильные атомы аргона, которые при высвечивании создают поток ионов, на пути которых помещают коллекторный электрод. Фотоионы либо непосредственно ионизируют молекулы компонентов смеси, либо ионизация происходит за счет передачи энергии фотонов через вновь образующие метастабильные атомы аргона. Ионный ток между поляризующим и коллекторным электродом, к которым приложена разность потенциалов равна 240 B, измеряется с помощью электрометра.
Недостатком такого фотоионизационного детектора является высокий уровень шума сигнала, возникающий за счет того, что в камере детектора возбуждается коронный газовый разряд.
Наиболее близким по технической сущности является фотоионизационный детектор для газоаналитической аппаратуры (RU №115072, Кл. G01N 27/64, 2011), содержащий электрометр и регистратор сигнала детектора, подключенный к выходу электрометра, а также лампу ультрафиолетового излучения, снабженную плоским выходным окном, над которым размещена проточная камера, образованная двумя дисковыми электродами, расположенными друг над другом и выполненными из металлов с различной работой выхода электронов с центральными отверстиями одинакового диаметра, между которыми расположена дисковая фторопластовая прокладка с центральным отверстием, диаметр которого превышает диаметр отверстий электродов, причем оси симметрии центральных отверстий электродов и прокладки совмещены, а в центральное отверстие нижнего электрода вмонтировано прозрачное для ультрафиолетового излучения окно.
Недостатком данного детектора является высокий уровень его начального выходного сигнала, что требует использования дополнительных электрических устройств для компенсации этого начального уровня.
Задачей данной полезной модели является создание фотоионизационого детектора газов с малым начальным уровнем выходного сигнала.
Технический результат - повышение чувствительности детектора.
Поставленная задача и указанный технический результат достигаются тем, что в фотоионизационном детекторе газов, содержащем электрометр и регистратор сигнала детектора, подключенный к выходу электрометра, а также лампу ультрафиолетового излучения, снабженную плоским выходным окном, над которым размещена проточная камера, образованная двумя дисковыми электродами, расположенными друг над другом и выполненными из металлов с различной работой выхода электронов с центральными отверстиями одинакового диаметра, между которыми расположена дисковая фторопластовая прокладка с центральным отверстием, диаметр которого превышает диаметр отверстий электродов, причем оси симметрии центральных отверстий электродов и прокладки совмещены, а в центральное отверстие нижнего электрода вмонтировано прозрачное для ультрафиолетового излучения окно, согласно полезной модели он дополнительно содержит дисковую кварцевую пластину, размещенную на верхнем электроде, и дополнительную проточную камеру, идентичную по конструкции и параметрам проточной камеры, установленной на кварцевой пластине так, что ось симметрии дополнительной проточной камеры совпадает с осью симметрии проточной камеры, при этом два электрода проточной и дополнительной проточной камер, изготовленные из одинаковых металлов и электрически соединены, а два других электрода этих камер подключены к электрометру.
Такая конструкция детектора обеспечивает уменьшение начального уровня выходного сигнала за счет того, что он содержит две идентичные по характеристикам проточные камеры, электрически включенные встречно, то есть такой детектор является дифференциальным. Поэтому начальные сигналы проточной камеры с электродами и дополнительной проточной камеры практически полностью компенсируют друг друга. Реализация данного технического решения основывается на том, что за счет малых расстояний между электродами в названных камерах одной лампой ультрафиолетового излучения обеспечивается независимая ионизация газов.
По сравнению с прототипом, заявляемая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов и их взаимном расположении.
Схема фотоионизационнго детектора газов показана на фиг.1.
Фотоионизационный детектор газов содержит электрометр 1 и регистратор 2 сигнала детектора, подключенный к выходу электрометра, а также лампу 3 ультрафиолетового излучения, снабженную плоским выходным окном 4, над которым размещена проточная камера, образованная двумя дисковыми электродами 5 и 6, расположенными друг над другом и выполненными из металлов с различной работой выхода электронов с центральными отверстиями 7 и 8 одинакового диаметра, между которыми расположена дисковая фторопластовая прокладка 9 с центральным отверстием 10, диаметр которого превышает диаметр отверстий электродов 5 и 6, причем оси симметрии центральных отверстий электродов 5 и 6 и прокладки 9 совмещены, а в центральное отверстие 10 нижнего электрода 5 вмонтировано прозрачное для ультрафиолетового излучения окно 11. Детектор дополнительно содержит дисковую кварцевую пластину 12, размещенную на верхнем электроде 6, и дополнительную проточную камеру, которая образована двумя дисковыми электродами 13 и 14 из металлов с различной работы выхода с центральными отверстиями 15 и 16, между которыми расположена дисковая фторопластовая прокладка 17 с центральным отверстием 18. Также детектор снабжен корпусом 19 из фторопласта и металлическим экраном 20. К лампе 3 ультрафиолетового излучения подводится напряжение от источника питания 21 лампы 3. Проточная камера содержит штуцера 22 и 24 для подвода и вывода анализируемого газа, а дополнительная проточная камера штуцера 23 и 25 для подвода и вывода сравнительного газа.
Работа фотоионизационного детектора газов осуществляется следующим образом.
Анализируемый газ поступает в детектор через штуцеру 22, проходит через проточную камеру и выходит из нее через штуцер 24, а сравнительный газ поступает через штуцер 23, а выходит через штуцер 25. В пространстве камеры между электродом 5 и 6 анализируемый газ ионизируется тонким лучом ультрафиолетового излучения лампы 3, прошедшим плоское окно 4 лампы 3, а в пространстве между электродами 13 и 14 сравнительный газ ионизируется ультрафиолетовым излучением, прошедшим не только плоское окно 4 лампы 3, но и через тонкую кварцевую дисковую пластину 12. Так как электроды 5 и 6 и электроды 7 и 8 выполнены из различных металлов с отличающимися работами выхода, то между ними возникает разность потенциалов. В проточной камере и в дополнительной проточной камере возникает электрическое поле. Под действием этого поля ионы перемещаются в камере к соответствующим электродам. Значение сигнала детектора, пропорционального разности сигналов проточной камеры и дополнительной проточной камеры, измеряется и регистрируется с помощью электрометрического усилителя 1 и регистратора 2. Получаемый сигнал пропорционален концентрации определяемых компонентов анализируемого газа.
Экспериментальным путем установлено, что предлагаемый фотоионизационный детектор газа при использовании в качестве электродов никель и алюминий, фторопластовых прокладок толщиной 300 мкм, ультрафиолетовую лампу с длиной волны равную 180 нм позволяет получить для ряда углеводородов, например пропана, пропилена, гексана, гептана чувствительность в 8-10 раз большую, чем чувствительность пламенно-ионизационного детектора, при использовании газа-носителя азота или гелия.
Преимуществом предлагаемого технического решения является:
- простота конструкции,
- возможность использования в портативных газовых хроматографических анализаторах и анализаторах концентрации отдельных углеводородов.
Детектор может найти применение для измерения концентраций компонентов в газовой хроматографии, а также в качестве автоматического анализатора состава бинарных и псевдобинарных газовых сред.