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 (JP №3115847 16.05.1997/Combustiblegasdetector.ShinichiroK.), содержащий неуравновешенный электрический мост, группу, соединенных последовательно, измерительных чувствительных элементов, и такую же группу, соединенных последовательно, сравнительных чувствительных элементов, включенных в смежные плечи неуравновешенного моста, проточную камеру, снабженную входным и выходным штуцерами, и стабилизированный источник электропитания этого моста.
Этот детектор за счет последовательного включения нескольких чувствительных элементов, например, пеллисторов, обеспечивает большую чувствительность измерений концентраций горючих определяемых компонентов.
Недостатком таких детекторов является то, что при неполном сгорании определяемых компонентов сигнал детектора зависит не только от низшей объемной теплоты сгорания, но и от индивидуальной способности каждого компонента к каталитическому окислению. Это требует калибровки детектора по каждому компоненту, что усложняет процедуру получения количественной информации, особенно, при использовании детектора в газовой хроматографии.
Проблемой полезной модели является создание термохимического детектора газов не требующего калибровки по каждому детектируемому компоненту.
Техническим результатом полезной модели является упрощение калибровки термохимического детектора при его использовании в газовой хроматографии.
Технический результат достигается тем, что термохимический детектор содержит неуравновешенный электрический мост, группу, соединенных последовательно, измерительных чувствительных элементов, и такую же группу, соединенных последовательно, сравнительных чувствительных элементов, включенных в смежные плечи неуравновешенного моста, проточную камеру, снабженную входным и выходным штуцерами, и стабилизированный источник электропитания этого моста. Согласно полезной модели все измерительные и сравнительные чувствительные элементы размещены на продольной оси проточной камеры и чередуются между собой. Первым относительно входного штуцера проточной камеры размещен измерительный чувствительный элемент. Поперек камеры между соответствующими измерительными и сравнительными чувствительными элементами установлены металлические сетки. К входному штуцеру камеры подключен тройник для соединения проточной камеры с потоком газа из хроматографической колонки и вспомогательным потоком воздуха.
Такая конструкция термохимического детектора газов при использовании групп из четырех - пяти последовательно соединенных измерительных и сравнительных чувствительных элементов (пеллисторов) обеспечивает практически полное каталитического сгорание любых горячих газов, что определяет независимость сигнала детектора от индивидуальных способностей детектора к каталитическому окислению веществ. Расположение в одной камере детектора измерительных и сравнительных чувствительных элементов упрощает его конструкцию, а размещение после каждого измерительного чувствительного элемента соответствующего сравнительного элемента практически исключает влияние изменение состава продуктов сгорания на сигнал детектора. Наличие тройника, подключенного к входному штуцеру проточной камеры, обеспечивает возможность работы детектора при использовании его в газовой хроматографии с различными газами носителями: воздухом, гелием или азотом.
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 неуравновешенный электрический мост 1, группу, соединенных последовательно, измерительных чувствительных элементов 2, и такую же группу, соединенных последовательно, сравнительных элементов 3, включенных в смежные плечи неуравновешенного моста, проточную камеру 4, снабженную входным 5 и выходным 6 штуцерами, и стабилизированный источник электропитания 7 этого моста.
Все измерительные 2 и сравнительные 3 чувствительные элементы размещены на продольной оси 8 проточной камеры 4 и чередуются между собой. Первым относительно входного штуцера 5 проточной камеры 4 размещен измерительный чувствительный элемент 2. Поперек камеры 4 между соответствующими измерительными и сравнительными чувствительными элементами 2 и 3 установлены металлические сетки 9, служащие для исключения влияния изменения температуры измерительных чувствительных элементов 2 на температуру соответствующих сравнительных чувствительных элементов 3. К входному штуцеру 5 камеры 4 подключен тройник 10 для подачи в нее газов из хроматографической колонки и потоку вспомогательного воздуха.
Термохимический детектор работает следующим образом.
Газ-носитель с разделенными на хроматографической колонке компонентами поступает к одному из входных штуцеров тройника 10. В другой штуцер этого тройника 10 поступает с постоянным объемным расходом воздух. Подача вспомогательного потока воздуха необходима в тех случаях, когда в хроматографической колонке в качестве газа-носителя используется азот или гелий. Воздух обеспечивает каталитическое сгорание компонентов выходящих из хроматографической колонки. Образовавшаяся в тройнике 10 газовая смесь с очередным детектируемым компонентом поступает в проточную камеру 4. На каждом каталитически активном измерительном чувствительном элементе 2 при наличии воздуха происходит сгорание компонентов. Причем, как показали проведенные экспериментальные исследования, при использовании четырех-пяти чувствительных элементов, нагретых до температуры 350-400°С, сгорает даже такой трудно каталитически окисляемый компонент как метан. При каталитическом сгорании горючих компонентов на всех измерительных чувствительных элементах их температура увеличивается. Это вызывает увеличение их сопротивлений, что, в свою очередь, вызывает разбаланс неуравновешенного эклектического моста, для измерения которого может быть использован электронный потенциометр или компьютер, снабженный аналого-цифровым преобразователем.
Группа сравнительных элементов 3 в данном детекторе используется для уменьшения влияния образующихся при каталитическом окислении продуктов (паров воды и диоксида углерода) на сигнал детектора. Это обеспечивается их включением в смежное плечо неравновесного моста. В детекторе предусмотрено практически полное исключение влияние изменений температуры измерительных чувствительных элементов 2 на сигнал детектора. Для этого между каждым измерительным чувствительным элементом 2 и соответствующим сравнительным чувствительным элементов 3 установлена металлическая сетка 9, исключающая передачу теплоты от измерительных элементов 2 сравнительным элементам 3.
Опытным путем установлены режимные параметры термохимического детектора при его использовании в газовой хроматографии:
ток групп измерительных и сравнительных пеллисторов - 165 мА;
расход газа-носителя (азот или гелий) - 20-40 мл/мин;
расход воздуха - 60-120 мл/мин.
При использовании в качестве газа-носителя азота или гелия чувствительность детектора превосходит чувствительность термокондуктометрического детектора, работающего на гелии.
Сигнал детектора описывается выражением:
1
где k - коэффициент преобразования детектора по низшей объемной теплоте сгорания;  - низшая объемная теплота сгорания i-го компонента.
Из литературных источников известно (Тарасевич В.Н. Металлические терморезистивные преобразователи горючих газов. Киев: Наукова думка. 1988. С. 236-239), что низшая объемная теплота сгорания углеводородов и плотность в газовой фазе связаны выражением
2
i
где k - постоянный коэффициент; ρ - плотность i-го компонента в газовой фазе.
Из выражений (1) и (2) следует:
1
2
где k=k⋅k - коэффициент преобразования детектора по плотности.
Зависимость сигнала детектора от плотности углеводородов позволяет рассматривать его как детектор равночувствительный по массовым концентрациям (Фарзане Н.Г., Илясов Л.В., Азим-Заде А.Ю. Автоматические детекторы газов и жидкостей. М: Энергоатомиздат, 1983. С. 17). При этом массовая концентрация любого компонента  при хроматографическом анализе может быть рассчитана по формуле:
,
i
где S - площадь пика i-го компонента анализируемой смеси на хроматограмме; n - число компонентов анализируемой смеси.
Из (4) следует, что при наличии полной хроматограммы отсутствует необходимость какой-либо калибровке детектора, работающего в составе хроматографа. При неполной хроматограмме для получения количественной информации обо всех известных компонентах анализируемой смеси достаточна калибровка детектора только по одному компоненту, а чувствительность к другим компонентам может быть определена расчетным путем по известным значениям их плотности в газовой фазе.
Преимуществами предлагаемого технического решения являются:
зависимость сигнала детектора от плотности газов и паров;
чувствительность большая чем, чем чувствительность наиболее распространенного термокондуктометрического детектора;
возможность функционирования практически на всех газах-носителях (воздух, азот, гелий);
простота калибровки.
Предлагаемый термохимический детектор может быть реализован на базе выпускаемых в промышленности чувствительных элементов (пеллисторах) и распространенной электроизмерительной аппаратуре.
Детектор может найти широкой применение в количественном лабораторном и промышленном хроматографическом анализе, а также в средствах контроля взрывоопасных концентраций горючих газов.