ТЕРМОХИМИЧЕСКИЙ ДЕТЕКТОР ГАЗОВ

Полезная модель относится к аналитической технике, а именно к детекторам, используемым в газовой хроматографии и средствах контроля концентрации горючих газов в воздухе.
Известен термохимический детектор газов (Тарасевич В.Н. Металлические терморезисторные преобразователи горючих газов. Киев: Наукова думка. 1988. с. 198, табл. 30, верхний рисунок), содержащий проточную камеру, в которой размещена платиновая спираль, являющаяся каталитически активным чувствительным элементом. Эта спираль включена в неуравновешенный мост и нагревается его током до температуры 300-600°С. При попадании на платиновую спираль из потока анализируемого газа, протекающего через камеру, горючего вещества (газа или пара) последнее частично сгорает на спирали, что вызывает увеличение температуры спирали и ее электрического сопротивления. При этом возникает разбаланс электрического неуравновешенного моста, который несет информацию о концентрации горючего вещества в газовом потоке.
Недостатком такого детектора является то, что активность каталитической поверхности платиновой спирали заметно изменяется во времени. Это изменяет чувствительность детектора и требует его частой калибровки.
Наиболее близким по технической сущности является термохимический детектор газов (патент на полезную модель №184021 Термохимический детектор газов, Бюл. №29, 2018 / Илясов Л.В., Давыденков А.К.), содержащий проточную камеру с входным и выходным штуцерами, группы последовательно соединенных, размещенных на продольной оси проточной камеры и чередующихся между собой измерительных пеллисторов и сравнительных пеллисторов, при этом первым, относительно входного штуцера, размещен измерительный пеллистор, стабилизированный источник электропитания и тройник, подключенный к входному штуцеру.
Этот детектор за счет последовательного включения нескольких пеллисторов, обеспечивает большую чувствительность измерений концентраций горючих определяемых компонентов, чем детектора с одним чувствительным элементом.
Недостатком такого термохимического детектора является относительно низкая чувствительность.
Проблемой полезной модели является увеличение чувствительности термохимического детектирования газов.
Техническим результатом полезной модели является создание термохимического детектора, обладающего большей чувствительностью, чем известные термохимические детекторы газов.
Технический результат достигается тем, что термохимический детектор газов, содержащий проточную камеру с входным и выходным штуцерами, группы последовательно соединенных, размещенных на продольной оси проточной камеры и чередующихся между собой измерительных пеллисторов и сравнительных пеллисторов, при этом первым, относительно входного штуцера размещен измерительный пеллистор, стабилизированный источник электропитания и тройник, подключенный к входному штуцеру, согласно полезной модели детектор дополнительно содержит группы, последовательно соединенных, измерительных и сравнительных инфракрасных фотодиодов, количество которых в каждой группе равно количеству измерительных и сравнительных пеллисторов, а также резисторный делитель напряжения, к которому подключен вольтметр, причем измерительные и сравнительные инфракрасные фотодиоды встроены в стенки проточной камеры против соответствующих измерительных и сравнительных пеллисторов с возможностью обеспечения оптического контакта между поверхностями пеллисторов и элементами инфракрасных фотодиодов, чувствительными к электромагнитному излучению, при этом группы измерительных и сравнительных инфракрасных фотодиодов включены встречно и подключены к резисторному делителю напряжения.
Такая конструкция термохимического детектора газов обеспечивает поступление инфракрасного излучения, возникающего при каталитическом сгорании компонентов на пеллисторах, так как поверхности пеллисторов находятся в оптическом контакте с элементами инфракрасных диодов, чувствительными к электромагнитному излучению, а измерение инфракрасного излучения обеспечивает большую чувствительность к изменениям излучения пеллисторов, чем к изменению их электрического сопротивления.
По сравнению с прототипом такая конструкция имеет отличительную особенность в совокупности элементов и их взаимном расположении.
Схема термохимического детектора газов показана на фиг. 1.
Термохимический детектор газов содержит проточную камеру 1 с входным 2 и выходным 3 штуцерами, группы последовательно соединенных, размещенных на продольной оси 4 проточной камеры и чередующихся между собой измерительных пеллисторов 5 и сравнительных пеллисторов 6, при этом первым, относительно входного штуцера, размещен измерительный пеллистор, стабилизированный источник электропитания 7 и тройник 8, подключенный к входному штуцеру 2. Детектор дополнительно содержит группы, последовательно соединенных измерительных 9 и сравнительных 10 инфракрасных фотодиодов, количество которых в каждой группе равно количеству измерительных и сравнительных пеллисторов, а также резисторный делитель напряжения 11, к которому подключен вольтметр 12, причем измерительные и сравнительные инфракрасные фотодиоды встроены в стенки 13 проточной камеры против соответствующих измерительных и сравнительных пеллисторов с возможностью обеспечения оптического контакта между поверхностями пеллисторов и элементами инфракрасных фотодиодов, чувствительными к электромагнитному излучению, при этом группы измерительных и сравнительных инфракрасных фотодиодов включены встречно и подключены к резисторному делителю напряжения.
Все измерительные и сравнительные пеллисторы соединены последовательно и подключены к стабилизированному источнику питания 7. Причем все элементы детектора размещены в корпусе 14.
Термохимический детектор газов работает следующим образом. Все пеллисторы нагреваются с помощью стабилизированного источника питания 7. Газ-носитель с разделенными в хроматографической колонке компонентами поступают к одному из входных штуцеров тройника 8. В другой штуцер этого тройника с постоянным объемным расходом поступает воздух. Подача вспомогательного потока воздуха необходима в тех случаях, когда в хроматографической колонке используется в качестве газа-носителя азот или гелий. Воздух обеспечивает возможность сгорания компонентов, выходящих из хроматографической колонки. Образовавшаяся в тройнике 8 газовая смесь с очередным детектированным компонентом поступают в проточную камеру 1. На каждом каталитически активном пеллисторе 5 при наличии воздуха происходит частичное сгорание компонента. Причем, как показали проведенные исследования, при использовании пяти пеллисторов, нагретых до температуры 300-400°С, практически полностью сгорает даже такой трудноокисляемый компонент, как метан. При каталитическом сгорании горючих компонентов на всех измерительных пеллисторах 5, их температура увеличивается, следовательно, увеличиваются возникающие при этом инфракрасные излучения. Потоки инфракрасных излучений поступают в измерительные инфракрасные диоды 9. При этом потоки инфракрасного излучения сравнительных пеллисторов 6 остаются практически постоянными. Сигналы всех измерительных 5 и сравнительных 6 пеллисторов, соответственно суммируются и подаются на резистивный делитель напряжения 11, с которого сигнал поступает на вольтметр 12.
Экспериментально установлены режимные параметры термохимического детектора:
ток через последовательно соединенные пеллисторы - 165 мА;
расход газа-носителя (азот или гелий) - 20-40 мл/мин;
расход воздуха - 60-120 мл/мин;
-4
порог чувствительности при газе-носителе - гелий 1⋅10 об.%;
-4
порог чувствительности при газе-носителе - воздух 0,5⋅10 об.%.
Преимущества предлагаемого технического решения:
генераторный выходной сигнал;
чувствительность на порядок больше, чем чувствительность детектора, принятого за прототип;
возможность функционирования практически на всех применяемых газах-носителях (азот, гелий, воздух).
Предлагаемый термохимический детектор может быть реализован на базе выпускаемых промышленностью пеллисторах, инфракрасных диодах и распространенной электронной аппаратуре.
Детектор может найти широкое применение в количественном лабораторном и промышленном хроматографическом анализе, а также в средствах контроля взрывоопасных концентраций горючих газов.