Диффузионный детектор водорода

Полезная модель относится к аналитической технике, а именно к средствам измерений концентрации водорода в газовых средах.
Известен диффузионный детектор водорода в газовых средах (Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-заде А.Ю. Технологические измерения и приборы, М: Альянс, 2017, с. 301-302), содержащий проточную камеру, в которой размещен сравнительный терморезистор, и диффузионную ячейку, содержащую две проточные камеры, отделенные друг от друга тонкой мембраной, обладающей селективной проницаемостью для водорода. В одной из этих камер размещен измерительный терморезистор, а через вторую камеру с постоянным объемным расходом прокачивается анализируемый газ, концентрация водорода в котором подлежит измерению. Через проточную камеру и камеру диффузионной ячейки, в которой размещен измерительный терморезистор, с постоянным объемным расходом прокачивается вспомогательный газ (газ-носитель). Измерительный и сравнительный терморезисторы подключены к неуравновешенному электрическому мосту.
При измерении концентрации водорода в анализируемом газе изменяется количество последнего, диффундирующего через мембрану в камеру измерительного терморезистора, что изменяет его концентрацию в потоке вспомогательного газа и, как следствие, изменяет теплоотвод от измерительного терморезистора к стенкам камеры, что приводит к изменению температуры терморезистора и вызывает разбаланс неуравновешенного моста, который служит мерой концентрации водорода в анализируемом газе.
Недостатком такого детектора является низкая чувствительность, определяемая малым количеством водорода диффундирующего в камеру измерительного терморезистора через мембрану.
Наиболее близким по технической сущности решением является диффузионный детектор (Илясов Л.В., Онистрат Л.В., Пустовалова Л.Н. Автоматический диффузионный анализатор водорода в многокомпонентных и газовых смесях. Сб. - Автоматизация и КИП, М: ЦНИИТЭНефтехим, 1980, №3, с. 14-16), содержащий проточные каналы анализируемого газа и газа-носителя, имеющие прямоугольные поперечные сечения, отделенные друг от друга непроницаемой перегородкой со встроенным диффузионным барьером, измерительный и сравнительный терморезисторы, подключенные к неуравновешенному электрическому мосту.
При работе детектора по проточным каналам протекают потоки анализируемого газа и газа-носителя. Если в потоке анализируемого газа изменяется концентрация водорода, его молекулы диффундируют через диффузионный барьер в поток газа-носителя и смешиваются с ним. При поступлении образовавшиеся газовой смеси к измерительному терморезистору изменяется количество теплоты, отводимое в единицу времени от этого терморезистора, уменьшается его температура, так как теплопроводность водорода больше теплопроводности газа-носителя, в качестве которого используется воздух или азот. Это вызывает уменьшение сопротивление терморезистора и разбаланс неуравновешенного моста, который несет информацию о концентрации водорода в анализируемой смеси. В таком детекторе обычно используется диффузионный барьер из пористой среды с диаметром пор несколько микрон, что обеспечивает возможность свободной диффузии газов между движущимися параллельно потоками анализируемого газа и газа-носителя. По существу такой барьер только исключает конвективный перенос газов между потоками в каналах детектора.
Недостатком такого детектора является попадание небольших количеств неопределяемых компонентов анализируемого газа в поток газа-носителя. Это количество невелико, так как коэффициент диффузии всех газов (кроме гелия и метана) в 5-7 раз меньше коэффициента диффузии водорода. Однако, это может вызвать дополнительную погрешность измерения при больших концентрациях неопределяемых компонентах.
Проблемой полезной модели является увеличение точности измерения концентрации водорода диффузионным детектором.
Технический результат - создание диффузионного детектора, обладающего большей точностью измерений за счет уменьшения влияния изменений концентраций неопределяемых компонентов в анализируемом газе.
Технический результат достигается тем, что в диффузионном детекторе водорода, содержащим проточные каналы анализируемого газа и газа-носителя, имеющие прямоугольные поперечные сечения, отделенные друг от друга непроницаемой перегородкой со встроенным диффузионным барьером, измерительный и сравнительный терморезисторы, подключенные к неуравновешенному электрическому мосту, согласно полезной модели, в канале газа-носителя размещена продольная дополнительная непроницаемая перегородка, разделяющую этот канал на измерительную и вспомогательную части, сообщающиеся между собой через окно, при этом вспомогательная часть канала газа-носителя расположена между его измерительной частью и каналом анализируемого газа, окно в дополнительной перегородке размещено напротив диффузионного барьера, а сравнительный и измерительный терморезисторы установлены в измерительной части канала газа-носителя, соответственно, до и после окна по потоку последнего.
Такая конструкция диффузионного детектора водорода обеспечивает снос молекул неопределяемых компонентов, продиффундировавших в поток газа-носителя этим потоком, а наличие непроницаемой перегородки между измерительной и вспомогательной частями канала газа-носителя препятствует поступлению молекул неопределяемых компонентов к измерительном терморезистору, что увеличивает точность измерения концентрации водорода в анализируемом газе.
Схема диффузионного детектора водорода показана на фиг. 1.
Диффузионный детектор водорода содержит проточные каналы 1 и 2 анализируемого газа и газа-носителя, имеющие прямоугольные поперечные сечения, отделенные друг от друга непроницаемой перегородкой 3 со встроенным диффузионным барьером 4, измерительный 5 и сравнительный 6 терморезисторы, подключенные к неуравновешенному электрическому мосту 7.
В данном детекторе в канале газа-носителя размещена продольная дополнительная непроницаемая перегородка 8, разделяющую этот канал на измерительную 9 и вспомогательную 10 части, сообщающиеся между собой через окно 11, при этом вспомогательная часть канала газа-носителя расположена между его измерительной частью 9 и каналом 1 анализируемого газа, окно 11 в дополнительной перегородке 8 размещено напротив диффузионного барьера 4, а сравнительный 6 и измерительный 5 терморезисторы установлены в измерительной части 9 канала 2 газа-носителя, соответственно, до и после окна 11 по потоку последнего. Неуравновешенный мост 7 подключен к потенциометру 12.
Диффузионный детектор водорода работает следующим образом.
По каналам 1 и 2 постоянными объемными расходами протекают потоки анализируемого газа и газа-носителя (воздуха или азота). Через диффузионный барьер 4 происходит взаимная диффузия анализируемого газа и газа-носителя при этом компоненты анализируемой газовой смеси диффундирует в поток газа-носителя со скоростями, определяемыми их коэффициентами диффузии. Так как водород имеет коэффициент диффузии в семь раз больший, чем коэффициент диффузии всех других газов (кроме гелия и метана), то за время движения около диффузионного барьера во вспомогательную часть 10 канала 2 газа-носителя он будет диффундировать в большем количестве, чем другие компоненты (неопределяемые компоненты смеси). Эти компоненты будут также диффундировать во вспомогательную частью канала газа-носителя 2, но они будут в основном выносится из нее потоком газа-носителя. При этом дополнительная перегородка 8 препятствует попаданию этих компонентов к измерительному терморезистору 5 за счет вихревых движений. Таким образом, к измерительному терморезистору в измерительной части 9 канала газа-носителя будут поступать в основном молекулы водорода. При этом образовавшаяся смесь газа-носителя и продиффундировавшего водорода поступает к измерительном терморезистору 5. Когда концентрация водорода в анализируемом газе постоянна, его концентрация в потоке, омывающем измерительный терморезистор, также будет постоянный. Поэтому тепловой режим измерительного терморезистора также будет постоянный. Постоянным также всегда остается тепловой режим сравнительного терморезистора 6. Поэтому разбаланс неуравновешенного моста 7 в таких условиях будет оставаться постоянным. Если изменяется концентрация водорода в анализируемом газе, то количество молекул водорода, продиффундировавших через диффузионный барьер и окно 11 в поток газа-носителя, протекающего через измерительную часть 9 канала 2 газа-носителя, увеличивается. Это вызывает увеличение концентрации водорода в потоке газа-носителя, что приводит к увеличению теплоотвода от измерительного терморезистора 5, а это, в свою очередь, вызывает уменьшение сопротивление этого терморезистора и вызывает разбаланс неуравновешенного моста 7, который измеряется потенциометром 12 и служит мерой концентрации водорода в анализируемом газе.
Описанный диффузионный детектор может также использоваться в качестве равночувствительного детектора для газовой хроматографии, когда в качестве газа-носителя в хроматографе используется водород или гелий (Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-заде А.Ю. Автоматические детекторы газов и жидкостей, М: Энергоатомиздат, 1983, с. 59-61).
Преимуществами предлагаемого технического решения являются:
- простота конструкции;
- инвариантность к изменениям концентраций неопределяемых компонентов;
- низкая стоимость.
Предлагаемый диффузионный детектор водорода может быть реализован на базе стандартных автоматических газовых хроматографов.
Предлагаемый диффузионный детектор водорода может найти широкое применение на технологических процессах нефтеперерабатывающей промышленности, атомной энергетике, а также может использоваться в качестве равночувствительного детектора в газовой хроматографии.