МЕМБРАННЫЙ ИНЖЕКТОР

Полезная модель относится к измерительной технике, а именно к устройствам введения пробы газа и летучих соединений в область проведения химического анализа, которые могут найти применение в вакуумных системах аналитических приборов типа масс-спектрометров высокой чувствительности или химических реакторов для исследования кинетики газофазных реакций.
При решении большого количества задач в научных исследованиях и в промышленности требуется определять состав веществ на следовом уровне. Это связано как с принципиальной важностью влияния малых примесей на исследуемые процессы, так и с токсичностью некоторых соединений. Кроме того, во многих случаях вводятся ограничения на количество исследуемой пробы. Повысить чувствительность аналитической аппаратуры удается за счет применения мембранного интерфейса, обладающего способностью селективного пропускания большой группы целевых соединений.
Из статьи (Коган В.Т., Викторова О.С., Гладков Г.Ю., Чичагов Ю.В., Тубольцев Ю.В. Мембранный инжектор для портативного масс-спектрометра // Приборы и Техника Эксперимента 2001.Т.44 (1). С.129 -) известен мембранный инжектор, предназначенный для селективного напуска газов и летучих соединений, обеспечивающий высокую чувствительность измерительной системы, содержащий корпус, в полости которого расположена рабочая камера. В нижней части рабочей камеры расположен вход заборного канала, где посредством соответствующего фиксатора закреплен мембранный интерфейс, а выход заборного канала выполнен с возможностью подключения к аналитическому оборудованию. По бокам рабочей камеры расположены подводящий и отводящий каналы, установленные перпендикулярно заборному каналу и выполненные с возможностью сквозного прохождения газа через корпус инжектора. В верхней части рабочей камеры, над заборным каналом, установлено запирающее устройство, включающее подвижный электромеханический затвор, который выполнен с возможностью перекрывания входа заборного канала, а между затвором и полостью рабочей камеры установлен вакуумный уплотнитель в виде пластины, выполненный из резины.
Этот известный мембранный инжектор выбирается в качестве прототипа, поскольку он содержит наибольшее число общих существенных признаков, с заявляемой полезной моделью.
Прототип содержит следующие существенные недостатки:
Во-первых, он имеет низкое быстродействие, что обусловлено инерционностью электромеханического затвора, который не позволяет оперативно открывать и перекрывать заборный канал. Возможность быстрой герметизации системы ввода пробы особенно важна в современных автоматизированных приборах, обеспечивающих длительный автономный химический мониторинг. Как следствие низкое быстродействие может привести к снижению точности или порче аналитического прибора. При аварийной ситуации, например в случае отключения питания, неконтролируемые потоки напускаемого газа могут вызвать пробой, испачкать вакуумную часть прибора (снижение чувствительности).
Во-вторых, в известном устройстве низкая степень герметизации заборного канала, что обусловлено использованием вакуумного уплотнителя из резины, который не обеспечивает высокой степени герметичности между подвижным затвором и входом заборного канала.
В-третьих, прототип имеет большую погрешность при проведении химического анализа летучих органических соединений, что обусловлено использованием вакуумного уплотнителя из резины, поскольку резина имеет значительную химическую память.
Задачей предлагаемой полезной модели является создание мембранного инжектора обеспечивающего достижение следующих технических результатов:
- Повышение быстродействия;
- повышение степени герметизации (герметичности);
- снижение погрешности (уменьшение химической памяти инжектора).
Поставленная задача решена следующим образом. В известном мембранном инжекторе, содержащем корпус, в полости которого расположена рабочая камера, в нижней части рабочей камеры расположен вход заборного канала, где посредством соответствующего фиксатора закреплен мембранный интерфейс, а выход заборного канала выполнен с возможностью подключения к аналитическому оборудованию, по бокам рабочей камеры расположены подводящий и отводящий каналы, установленные перпендикулярно заборному каналу и выполненные с возможностью сквозного прохождения газа через корпус инжектора, при этом в верхней части рабочей камеры, над заборным каналом, установлено запирающее устройство, включающее подвижный затвор, который выполнен с возможностью перекрывания входа заборного канала, а между затвором и полостью рабочей камеры установлен вакуумный уплотнитель, СОГЛАСНО настоящей полезной модели в качестве подвижного затвора использован пьезоэлектрический исполнительный элемент, а вакуумный уплотнитель выполнен из твердого материала с низкой химической памятью, преимущественно металла.
Такое новое техническое решение всей своей совокупностью существенных признаков позволяет создать мембранный инжектор обеспечивающий достижение следующих технических результатов:
Повышение быстродействия инжектора, что обеспечивается путем использования в качестве подвижного затвора пьезоэлектрического исполительного элемента. Пьезоэлектрический исполнительный элемент при подаче соответствующего напряжения способен расширятся на заданную величину и открывать доступ газа в заборный канал. При возникновении неполадок либо потери питания пьезоэлектрический исполнительный элемент восстанавливает первоначальную форму - перекрывает вход и прекращает подачу газа в заборный канал, таким образом исключается возможность возникновения неконтролируемых потоков напускаемого газа, которые могут испортить аналитический прибор, либо существенно снизить его точность.
Повышение степени герметизации обеспечивается введением пьезоэлектрического исполнительного элемента, оказывающего существенно более сильное давление на площадь вакуумного уплотнителя, а также выполнением уплотнителя из твердого материала с низкой химической памятью, преимущественно металла.
Снижение погрешности (уменьшение химической памяти инжектора) достигается выполнением вакуумного уплотнителя из твердого материала с низкой химической памятью, преимущественно металла, поскольку металл обладает значительно меньшей химической памятью по сравнению с резиной.
Заявителем проведен патентный поиск по данной теме, и он показал, что заявляемая совокупность существенных признаков не известна, следовательно полезную модель можно считать новой.
Сущность полезной модели поясняется чертежом:
Фигура - мембранный инжектор, фронтальный разрез.
Предлагаемая полезная модель состоит из корпуса 1, в полости которого расположена рабочая камера 2. В нижней части рабочей камеры 2 расположен вход заборного канала 3. На входе заборного канала 3 посредством соответствующего фиксатора закреплен мембранный интерфейс 4, например силиконовая мембрана. Выход заборного канала 3 выполнен с возможностью подключения к аналитическому оборудованию (на чертеже не показано), например к масс-спектрометру. По бокам рабочей камеры 2 расположены подводящий 5 и отводящий 6 каналы, установленные перпендикулярно заборному каналу 3 и выполненные с возможностью сквозного прохождения газа через корпус 1 инжектора. В верхней части рабочей камеры 2, над заборным каналом 3, установлено запирающее устройство, включающее подвижный затвор 7, на основе пьезоэлектрического исполнительного элемента. Затвор 7 выполнен с возможностью перекрывания входа заборного канала 3. Между затвором 7 и полостью рабочей камеры 2 установлен вакуумный уплотнитель 8, который выполнен из твердого материала с низкой химической памятью, преимущественно металла, например меди.
Устройство работает следующим образом. Мембранный инжектор помещен в среду содержащую газ. Газ поступает по подводящему каналу 5 в рабочую камеру 2, из нее в отводящий канал 6. Подвижный пьезоэлектрический затвор 7 закрыт и плотно прижимает вакуумный уплотнитель 8, выполненный из металла к входу заборного канала 3, оставляя незначительный паразитный объем между ним и мембранным интерфейсом 4, не позволяя газу проникать в заборный канал 3. Заборный канал 3 подключен к аналитическому прибору (на чертеже не показан), например к масс-спектрометру.
Для проведения измерения содержания газа в среде на подвижный затвор 7 подают напряжение - он деформируется на заданную величину. Через образовавшийся проем между вакуумным уплотнителем 8 и входом заборного канала 3 в последний из рабочей камеры 2 газ поступает к поверхности мембраны, через которую он диффундирует и обогащаясь целевыми компонентами (изменяя количественный состав потока в известной пропорции) поступает по заборному каналу 3 в аналитическое устройство (на чертеже не показано), например в масс-спектрометр, снижая пределы обнаружения целевых компанент.
После забора объема газа, необходимого для проведения исследования, напряжение с затвора 7 снимают и он восстанавливает первоначальную форму вместе с вакуумным уплотнителем 8 и перекрывает доступ газа в заборный канал 3.
В случае перебоя с питанием, что особенно характерно, для переносных приборов, подвижный затвор 7 автоматически восстанавливает первоначальную форму вместе с вакуумным уплотнителем 8 и перекрывает доступ газа в заборный канал 7. Таким образом, исключается возможность возникновения неконтролируемых потоков напускаемого газа, которые могут испортить аналитический прибор, либо существенно снизить его точность.
Подвижный затвор на основе пьезоэлектрического исполнительного элемента обеспечивает большие силовые нагрузки на вакуумные уплотнения и дает возможность осуществлять герметизацию с помощью металлического вакуумного уплотнителя, что в совокупности позволяет повысить быстродействие мембранного инжектора, увеличить степень его герметичности и практически исключить химическую память при анализе летучих органических соединений.