Фотоионизационный детектор газов

Полезная модель относится к области аналитической техники, а именно, к средствам измерений концентраций компонентов при газовом анализе.
Известен фотоионизационный генераторный детектор (RU №115072, кл. G01N 27/64, 2012), содержащий лампу ультрафиолетового излучения, снабженную плоским выходным окном, над которым размещена проточная камера, образованная двумя дисковыми электродами, расположенными друг над другом, изготовленными из металлов различной работы выхода электронов и разделенные кольцеобразной фторопластовой прокладкой, а также электрометр, к которому подключены электроды, и регистратор сигнала детектора, подключенный к выходу электрометра. В нижнем электроде выполнено центральное отверстие, в которое вмонтировано окно из прозрачного для ультрафиолетового излучения материала. Верхний электрод снабжен отверстиями для входа и выхода потока анализируемого газа.
В этом детекторе анализируемый газ непрерывно прокачивается через входное и выходное отверстие проточной камеры фотоионизационного генераторного детектора. В пространстве камеры между электродами анализируемый газ ионизируется тонким лучом ультрафиолетового излучения лампы. Так как электроды выполнены из различных металлов с отличающимися работами выхода электронов, то между ними возникает разность потенциалов, в проточной камере возникает электрическое поле. Под действием этого поля ионы перемещаются в камере. Значение сигнала детектора измеряется и регистрируется с помощью электрометра и регистратора. Получаемый сигнал пропорционален концентрации определяемых компонентов в анализируемом газе.
Недостатком такого фотоионизационного генераторного детектора являются его узкие функциональные возможности, которые ограничиваются измерением концентрации веществ в потоке газа-носителя.
Наиболее близким по технической сущности является фотоионизационный детектор для газоаналитической аппаратуры (RU №2523765, кл. G01N 27/64, 2014), содержащий лампу ультрафиолетового излучения с плоским выходным окном, над которым размещена проточная камера, образованная двумя дисковыми электродами, расположенными друг над другом, изготовленными из металлов с различной работой выхода электронов разделенными кольцеобразной фторопластовой прокладкой, электрометр, к которому подключены электроды, а также регистратор сигнала детектора, подключенный к выходу электрометра, причем нижний электрод выполнен с центральным отверстием, а верхний, покрытый снизу палладийсодержащим материалом и снабжен каналом для входа потока газа. Нагреватель и теплоизолирующий цилиндр из диэлектрического материала, размещен между нижним электродом и плоским выходным окном лампы ультрафиолетового излучения, снабженный центральным отверстием и отверстием для выхода потока газа.
Проблемой данного детектора является относительно небольшой срок службы его, связанный с изменениями характеристик электродов, покрытых палладийсодержащим материалом, при контакте с серосодержащими веществами.
Разрешением проблемы данной полезной модели является создание фотоионизационного детектора, обладающего повышенной чувствительностью к серосодержащим веществам.
Техническим результатом полезной модели является увеличение срока службы детектора.
Технический результат достигается тем, что фотоионизационный детектор газов содержит лампу ультрафиолетового излучения с плоским выходным окном, над которым размещена проточная камера, образованная двумя дисковыми электродами, расположенными друг над другом, изготовленными из металлов с различной работой выхода электронов разделенными кольцеобразной фторопластовой прокладкой, электрометр, к которому подключены электроды, а также регистратор сигнала детектора, подключенный к выходу электрометра. Нижний электрод выполнен с центральным отверстием, а верхний - покрыт снизу слоем палладийсодержащего материала и снабжен каналом для входа потока газа. Нагреватель и теплоизолирующий цилиндр из диэлектрического материала, размещенный между нижним электродом и плоским выходным окном лампы ультрафиолетового излучения, снабжен центральным отверстием и каналом для выхода потока газа. Согласно полезной модели детектор дополнительно включает диффузионную ячейку, состоящую из двух проточных камер, снабженных входными и выходными штуцерами и отделенных друг от друга проницаемой мембраной. Линии анализируемого и вспомогательного газов, снабжены стабилизаторами расхода газа. Входной штуцер одной из камер соединен с линией анализируемого газа, а ее выходной штуцер соединен с атмосферой. Входной штуцер второй камеры соединен с линией вспомогательного газа, а ее выходной штуцер через канал для входа потока газа - с проточной камерой.
Такая конструкция детектора обеспечивает увеличение срока его службы, за счет уменьшения концентрации серосодержащего анализируемого вещества, поступающего к слою палладийсодержащего материала электрода. Это обеспечивается диффузионной ячейкой, в которой анализируемый поток поступает первоначально в одну из камер, при этом основная часть потока сбрасывается в атмосферу, а лишь небольшая доля анализируемого газа поступает через мембрану во вторую камеру ячейки. В эту камеру подается поток газа-носителя, который подхватывает молекулы диффундирующего через мембрану серосодержащих веществ, а затем транспортирует его в камеру детектора. Таким образом, к электроду, покрытому слоем палладийсодержащего материала, поступает поток газа, содержащего в 20-50 меньшую концентрацию серосодержащего вещества. Такая конструкция, с учетом высокой чувствительности фотоионизационного генераторного детектора к серосодержащим веществам, обеспечивает возможность значительного увеличения срока службы детектора.
По сравнению с прототипом заявляемая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов и их взаимном расположении.
Схема фотоионизационного детектора газов показана на чертеже.
Фотоионизационный детектор газов содержит лампу 1 ультрафиолетового излучения с плоским выходным окном 2, над которым размещена проточная камера 3, образованная двумя дисковыми электродами, нижним 4 и верхним 5, расположенными друг над другом, изготовленными из металлов с различной работой выхода электронов. Электроды 4 и 5 разделены кольцеобразной фторопластовой прокладкой 6. Электрометр 7 с подключенными к нему электродами 4 и 5. Регистратор сигнала 8 детектора, подключен к выходу электрометра 7. Нижний электрод 4 выполнен с центральным отверстием 9, а верхний электрод 5 снабжен каналом 10 для входа потока газа и снизу покрыт слоем 11 палладийсодержащего материала. Нагреватель 12 и теплоизолирующий цилиндр 13 из диэлектрического материала, размещенный между нижним электродом 4 и плоским выходным окном 2 лампы 1 ультрафиолетового излучения, снабжен центральным отверстием 14 и каналом 15 для выхода потока газа. При этом ось цилиндра 13 из теплоизоляционного материала совпадает с осью 26 симметрии проточной камеры 3.
Детектор дополнительно содержит диффузионную ячейку 16, состоящую из двух проточных камер 17 и 18, снабженных входными штуцерами 19, 20 и выходными штуцерами 21, 22 и отделенных друг от друга проницаемой мембраной 23. Линии анализируемого и вспомогательного газов снабжены стабилизаторами 24 и 25 расхода газа. Входной штуцер 19 камеры 18 соединен с линией анализируемого газа, а ее выходной штуцер 21 соединен с атмосферой. Входной штуцер 20 камеры 17 соединен с линией вспомогательного газа, а ее выходной штуцер 22 с каналом 10 для входа потока газа. Детектор снабжен фторопластовой изоляцией 27 и металлическим защитным экраном 28.
Работа фотоионизационного детектора осуществляется следующим образом.
Анализируемый газ непрерывно прокачивается через входной штуцер 19 диффузионной ячейки 16. В пространстве проточной камеры 18 этой ячейки молекулы анализируемого газа частичной диффундируют через проницаемую мембрану 23 и попадают в проточную камеру 17. В эту же ячейку 16 через входной штуцер 20 непрерывно подается с постоянным объемным расходом газ-носитель. Поток газа-носителя подхватывает продиффундирующие молекулы анализируемого газа и транспортирует их через выходной штуцер 22 диффузионной ячейки 16 в проточную камеру 3. В пространстве камеры 3 анализируемый газ между нижним дисковым электродом 4 и верхним дисковым электродом 5, покрытым слоем 11 из палладийсодержащего материала, ионизируется лучом ультрафиолетового излучения лампы 1. Так как электроды 4 и 5 выполнены из различных металлов с отличающимися работами выхода электронов, то между ними возникает разность потенциалов и в проточной камере 3 возникает электрическое поле. Под действием этого поля ионы перемещаются в камере 3. Значение сигнала детектора измеряется и регистрируется с помощью электрометра 7 и регистратора 8. Получаемый сигнал пропорционален микроконцентрации определяемых компонентов анализируемого газа. Так как детектор содержит цилиндр 13 из теплоизоляционного диэлектрического материала, то при температуре проточной камеры, равной 200-300°C, температура лампы 1 ультрафиолетового излучения не превышает допустимой по техническим условиям и равной 120°C.
Преимуществом предлагаемого технического решения является:
- простота конструкции;
- возможность использования в анализаторах микроконцентраций серосодержащих веществ.
Предложенное устройство может быть реализовано на базе стандартных электронных устройств и источников ультрафиолетового излучения.
Детектор может найти применение для измерения микроконцентраций серосодержащих веществ в воздухе и в газовой хроматографии.