АКУСТИЧЕСКИЙ ДЕТЕКТОР ДЛЯ ГАЗОВОЙ ХРОМАТОГРАФИИ

Акустический детектор для газовой хроматографии
Полезная модель относится к области аналитической техники, а именно к средствам измерений концентраций компонентов нри газовом хроматографическом анализе.
Известен акустический детектор для газовой хроматографии (Фарзане Н.Г, Шясов Л.В Автоматические детекторы газов. М: Энергия, 1972, С168), содержащий рабочую и сравнительную камеры, в которых расноложенны ньезокерамические элементы (излучатель и приемник акустических колебаний) которые подключены к входу и выходу электронных усилителей. Камеры включены по дифференциальной схеме. Разность скорости ультразвука в рабочей и сравнительной камерах, пропорциональная разности частот самовозбуждения их усилителей. Эта разность подается на смеситель, где выделяется и усиливается частота биений. Для записи хроматограммы в схеме предусмотрен преобразователь частоты в напряжение.
Недостатком данного детектора является сложность конструкции и необходимость использования дополнительного преобразователя частота-напряжение для регистрации хроматограммы с помощью автоматических потенциометров, которые обычно включаются в состав хроматографов.
Наиболее близким по технической сущности является акустический детектор для газовой хроматографии (Негретов, Ю.Б. Акустотермический детектор для газовой хроматографии. Баку АзБИФТЕХИМ, 1989, Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук), содержащий проточную камеру, выполненную в виде трубки, в одном торце которой размеп ен источник акустических колебаний, а другой торец закрыт крышкой, снабженной выходным штуцером. Штуцер газа-носителя, вмонтированный в стенку камеры между ее торцами, штуцер вспомогательного газа.
01 N30/76
вмонтированный в стенку камеры между штуцером газа-носителя и источник акустических колебаний, и терморезистор, размещенный внутри камеры на ее оси и подключенный к неуравновешенному электрическому мосту. В основу работы детектора положено возбуждении стоячей акустической волны в трубке с помощью источника акустических колебаний и измерение изменений температуры терморезистора, вызванных изменением расположения стоячей волны в трубке при поступлении в нее с газом-носителем детектируемых компонентов из хроматографической колонки.
Сигналом данного детектора является разбаланс неуравновешенного электрического моста, который является функцией концентрации компонента и его молекулярной массы.
Недостатком данного детектора является наличие флуктуации сигнала начального уровня, связанной с изменением расхода вспомогательного газа, омывающего терморезистора, которая уменьшает чувствительность детектора.
Задачей предлагаемой модели является улучшение метрологических характеристик акустического детектора.
Технический результат - создание акустического детектора для газовой хроматографии, имеющего большую чувствительность, чем известный.
Поставленная задача достигается тем что, в акустическом детекторе для газовой хроматографии, содержащем проточную камеру, выполненную в виде трубки, в одном торце которой размещен источник акустических колебаний, а другой торец закрыт крышкой, снабженной выходным штуцером, штуцер газа-носителя, вмонтированный в стенку камеры между её торцами, штуцер вспомогательного газа, вмонтированный в стенку камеры между штуцером газ-носителя и источником акустических колебаний, и терморезистор, размещенный внутри камеры на ее оси и подключенный к неуравновешенному
электрическому мосту, согласно полезной модели детектор дополнительно содержит диафрагму, диаметр отверстия которой меньше диаметра камеры, причем диафрагма размещена внутри камеры перпендикулярно ее оси между штуцером вспомогательного газа и источником акустических колебаний, а терморезистор установлен между диафрагмой и источником акустических колебаний
Такая конструкция позволяет существенно уменьшить влияние на сигнал детектора нестабильности подачи расхода вспомогательного газа за счет того, что между штуцером, через который этот газ подается в трубку детектора, и терморезистором расположена диафрагма. Это обеспечивает поступление вспомогательного газа к терморезистору в основном только путем диффузии.
По сравнению с прототипом заявляемая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов и их взаимном расположении.
Схема акустического детектора изображена на фиг. 1.
Акустический детектор для газовой хроматографии, содержит проточную камеру 1, выполненную в виде трубки, в торце 2 которой размешен источник 3 акустических колебаний, а торец 4 закрыт крышкой 5, снабженной выходным штуцером 6. Штуцер газа-носителя 7, вмонтирован в стенку 8 камеры 1 между ее торцами. Штуцер вспомогательного газа 9, вмонтирован в стенку 8 камеры 1 между штуцером газа-носителя 7 и источником 3 акустических колебаний. Терморезистор 10, размешен внутри камеры 1 на ее продольной оси оси 11 и подключен к неуравновешенному электрическому мосту 12. Детектор дополнительно содержит диафрагму 13, с отверстием 14, диаметр которой меньше диаметра камеры 1, причем диафрагма 13 размешена внутри камеры 1 перпендикулярно ее продольной оси 11 между штуцером вспомогательного газа 9 и источником 3 акустических колебаний, а терморезистор 10 установлен между диафрагмой 13 и источником 3
акустических колебаний. Для формирования акустических колебаний к источнику 3 подключен генератор электрических колебаний 15, а для регистрации сигнала неуравновешенного электрического моста 12 к нему подключен автоматический потенциометр 16.
Работа акустического детектора осуществляется следующим образом.
В камеру 1 акустического детектора через штуцера 7 и 9 непрерывно подают соответственно поток газов из хроматографической колонки и поток вспомогательного газа, в качестве которого обычно применяют газ, используемый в качестве газа-носителя в хроматографической колонке (гелей, водород, азот). Газовые потоки покидают камеру 1 через штуцер 6.
От генератора 16 к источнику 3 акустических колебаний подают электрические гармонические колебания, в результате чего источник 3 создает акустические колебания, которые распространяются в камере 1 вдоль ее продольной оси 11. Эти колебания отражаются от крышки 5 и при определенных условиях складываются с акустическими колебаниями, создаваемыми источником 3. При этом в камере 1 возникает стоячая акустическая волна (Пол Р.В. Механика, акустика и учение о теплоте, М.: Паука, 1971,с. ).
В узлах и пучностях стоячей акустической волны происходят сложные процессы тело - и массобомена, вызванные изменением скорости молекул и поглощением энергии газа. (Бергман Ультразвук и его применение в науке и технике М.: Иностр. Лит., 1956, с.143-:-144) .
При изменении частоты акустических колебаний положение стоячей акустической волны в камере 1 изменяется. Эти изменения могут быть обнаружены с помощью терморезистора 10 по изменению температуры последнего (Бергман Ультразвук и его применение в науке и технике, М.: Иностр. Лит., 1956 с. 145ч-146).
Изменение расположения стоячей акустической волны наблюдается при постоянной частоте акустических колебаний и в том случае, когда изменяется скорость звука в газе. Эти явления и используют в работе данного акустического детектора следующим образом. Когда из хроматографической колонки через штуцер 7 в камеру 1 поступает только газ-носитель, температура и электрическое сопротивление терморезистора 10 приобретает некоторое постоянное значение, соответствующее начальному уровню сигнала электрического неуравновешенного моста. Когда из хроматографической колонки вместе с газом-носителем поступает очередной детектируемый компонент, отличающийся от газаносителя по молекулярной массе, скорость звука на участке камеры 1 от крышки 5 до диафрагмы 13 изменяется. Это вызывает изменение положения стоячей акустической волны в камере 1 и приводит к изменению температуры и электрического сопротивления терморезистора 10. При этом возникает разбаланс электрического неуравновешенного моста 12, который измеряется и регистрируется автоматическим потенциометром 16 в виде пика.
Так при использовании в качестве газа-носителя водорода или гелия при частоте 1,5 кГц. (в опытах использовалась трубка с внутренним диаметром 3мм, длиной 260 мм) и при расстоянии между источником 3 и терморезистором 10 равном 20 мм, температура терморезистора 10 увеличивалась для всех детектируемых газов и паров. Использование диафрагмы 13 уменьшает вероятность диффузионного проникновения детектируемых компонентов к терморезистору 10 при малых расходах вспомогательного газа.
Подача вспомогательного газа в камеру 1 исключает поступление потока этого газа непосредственно к терморезистору 10. Этот газ поступает к терморезистору 10 только за счет диффузии, а это в 3-5 раз уменьшает флуктуации начального уровня сигнала детектора.
Экспериментально установлено, что при одинаковых и малых (до 5-ь10% об.) концентрациях компонентов в газе-носителе сигнал акустического детектора пропорционален разности молекулярных масс детектируемых компонентов в газе- носителе.
Преимуществом предлагаемого технического решения является увеличение стабильности сигнала начального уровня, что позволяет увеличить порог чувствительности в 3-5 раз, а это эквивалентно 3-5кратному увеличения величины чувствительности детектора.
Предлагаемый акустический детектор может быть реализован на базе серийного термокондуктометрического детектора, серийного источника акустических колебаний, генератора электрических колебаний звуковых частот.
Он может найти применение как для определения концентрации компонентов в газовой хроматографии, так и в качестве автоматического анализатора состава бинарных и псевдобинарных газообразных сред или анализатора плотности газов.