Пламенно-ионизационный газоанализатор

 

Изобретение относится к газовому анализу и может использоваться для анализа углеводородов в составе промышленных выбросов, отработанных газов автомобилей, энергетических установок. Газоанализатор содержит корпус, основание с каналами ввода газов, горелку, электрод-коллектор, выводящий газопровод. Электрод-коллектор выполнен в виде усеченного конуса, большее основание которого обращено к горелке, а к меньшему основанию прикреплена полая цилиндрическая вставка. К вставке прикреплен меньшим основанием обратный усеченный конус, на большем основании которого закреплена цилиндрическая демпфирующая камера. Камера соединена с выводящим газопроводом. Усеченные конусы имеют одинаковую высоту, длина вставки не превышает одну треть высоты конуса, угол наклона боковой поверхности конусов к горизонтали от 15 до 80^o. Технический результат состоит в обеспечении стабильности горения и повышении чувствительности. 1 ил.

Изобретение относится к газовому анализу и может использоваться для анализа углеводородов в составе промышленных выбросов, отработанных газов автомобилей, энергетических установок.

Известен пламенно-ионизационный газоанализатор (авт. свид. СССР 1012120, кл. G 01 N 27/62, 15.04.83), содержащий корпус, горелку, трубопроводы для подвода к горелке анализируемого газа, воздуха и водорода, коллекторный электрод, установленный соосно с горелкой и выполненный в виде стакана, имеющего форму усеченного конуса, дно которого соединено со стержнем, закрепленным на электроизоляторе, а открытая его часть обращена к соплу горелки, причем в боковой стенке коллекторного электрода выполнено отверстие, в котором установлен трубопровод для вывода из корпуса отработанного газа.

Недостатком известного устройства является нарушение (нестабильность) чувствительности, обусловленное колебаниями конвективных потоков газов (углеводородов, воздуха, кислорода), приводящих частично к турбулентному движению газов в окрестности пламени горелки. Поэтому возникает изменение ориентации пламени относительно коллекторного электрода.

Известен пламенно-ионизационный детектор (авт. свид. СССР 1286989, кл. G 01 N 30/70, 30.01.87), включающий корпус с каналами для подвода газов, горелку, коллекторный электрод в виде усеченного конуса с цилиндрической частью, спираль зажигания.

Недостатком известного устройства является невысокая чувствительность, так как оно не обеспечивает оптимальную направленность газовых потоков.

Наиболее близким к заявленному устройству является пламенно-ионизационный детектор (авт. свид. СССР 1295337, кл. G 01 N 30/70, 07.03.87), содержащий корпус, основание с каналами ввода газов, горелку, электрод-коллектор в виде усеченного конуса, большее основание которого обращено к горелке, а к меньшему основанию прикреплена полая цилиндрическая вставка, выводящий газопровод, спираль поджига, изоляторы в корпусе для подведения проводов к спирали поджига, к горелке и электроду-коллектору.

Недостатком данного устройства является значительная зависимость чувствительности от колебаний давления на выходе из детектора, возникающих вследствие колебаний потоков воздуха, водорода и анализируемого газа в окрестностях пламени, изменений параметров окружающей среды (давления, температуры и т. д. ). Влияние колебаний давления на выходе из детектора проявляется в повышении уровня шумов, смещении (нестабильности) "нулевой линии" пламенно-ионизационного детектора. Причиной этого является форма коллекторного электрода, создающая условия для попадания в пламя продуктов горения (капель жидкости, сажи, механических частиц), оторвавшихся от внутренней поверхности коллекторного электрода, что приводит к увеличению шумов и, как следствие, к снижению чувствительности.

Указанный недостаток устраняется тем, что пламенно-ионизационный газоанализатор, включающий корпус, основание с каналами ввода газов, горелку, электрод-коллектор в виде усеченного конуса, большее основание которого обращено к горелке, а к меньшему основанию прикреплена полая цилиндрическая вставка, выводящий газопровод, спираль поджига, изоляторы в корпусе для подведения проводов к спирали поджига, к горелке и электроду-коллектору, согласно изобретению, снабжен обратным усеченным конусом, прикрепленным меньшим основанием к цилиндрической вставке, а большим основанием обращенным к выводящему газопроводу, и цилиндрической демпфирующей камерой, закрепленной на большем основании обратного усеченного конуса и соединенной с выводящим газопроводом, при этом усеченные конусы выполнены одинаковой высоты с углом наклона боковой поверхности к горизонтали от 15 до 80 градусов, а длина полой вставки не превышает одну треть высоты конуса.

На чертеже изображен пламенно-ионизационный газоанализатор в разрезе.

Газоанализатор содержит корпус 1 с крышкой 2. В основании 3 выполнены каналы ввода водорода 4, воздуха 5, анализируемого газа 6. На основании 3 установлена горелка 7 с соплом 8. В центре корпуса 1 соосно с горелкой 7 установлен электрод-коллектор 9, выполненный в виде двух усеченных конусов, прямого 10 и обратного 11, соединенных по меньшим основаниям полой цилиндрической вставкой 12. Большее основание 13 конуса 10 обращено к горелке 7, большее основание 14 конуса 11 обращено к выводящему газопроводу 15. На большем основании 14 обратного конуса 11 закреплена цилиндрическая полая демпфирующая камера 16, соединенная с выводящим газопроводом 15 и примыкающая к крышке 2. Через изоляторы 16 подводится напряжение питания к спирали поджига 17. к соплу 8 горелки 7 и электроду-коллектору 9. Напряжение с нагрузочного сопротивления 18 усиливается усилителем 19, обрабатывается в блоке электронной обработки сигнала 20 и выводится на выходной показывающий прибор 21. Усеченные конусы 10 и 11 имеют одинаковую высоту, угол наклона боковой поверхности конусов к горизонтали должен находиться в диапазоне от 15 до 80 градусов. Длина полой вставки 12 не должна превышать одну треть высоты усеченного конуса.

Газоанализатор работает по принципу ионизации молекул органических веществ в пламени водорода следующим образом.

Водород по каналу 4 поступает в горелку 7. Воздух для поддержания горения через канал 5 поступает в пространство вокруг сопла 8. Поджиг пламени осуществляется нагретой спиралью поджига 17 при прохождении через нее тока 2-3 А. Между соплом 8 и электродом-коллектором 9 приложено постоянное поляризующее напряжение 150-300 B, образующее электрическое поле. Анализируемый газ с углеводородами через канал 6 поступает в горелку 7, смешиваясь с водородом. В пламени водорода происходит ионизация молекул анализируемого вещества. Образовавшиеся заряженные частицы (электроны, отрицательные и положительные ионы) распределяются между горелкой 7, соединенной через изолятор 16 с поляризирующим источником питания, и электродом-коллектором 9, соединенным через сопротивление 18 с отрицательным полюсом поляризирующего источника питания. Ионы под воздействием электрического поля, образованного между электродами, движутся от сопла 8 к электроду-коллектору 9, тем самым создавая ток во внешней цепи детектора, который усиливается и регистрируется. Органические вещества, поступающие в горелку 7, при сгорании в водородном пламени вызывают увеличение тока ионизации. Величина тока пропорциональна количеству органических веществ, поступающих в пламя в единицу времени. Напряжение с сопротивления 18 усиливается усилителем 19, обрабатывается в блоке 20 и выводится на выходной показывающий прибор 21. Выход продуктов горения осуществляется через выводящий газопровод 15, предварительно они проходят внутри электрода-коллектора 9, цилиндрической вставки 12, демпфирующей камеры 16.

Выполнение электрода-коллектора 9 с конусом 10, охватывающим сопло 9 горелки 8 дает возможность осуществить ионизацию в небольшом ограниченном объеме, что упрощает конструкцию детектора. Верхний усеченный конус 11 позволяет осуществить ламинарное течение газового потока, исключающее возникновение турбулентности, что, в свою очередь, обеспечивает стабильность показаний и увеличивает чувствительность детектора. Наличие демпфирующей камеры 16 на верхней части электрода-коллектора 9 также обеспечивает ламинарное течение газового потока. Помимо этого, такая конструкция позволяет исключить влияние колебания давления внешней среды на показания детектора. Предотвращается загрязнение электрода-коллектора 9 и сопла 8 горелки от продуктов сгорания углеводородов. В результате существенно повышается чувствительность детектора, уменьшается уровень шумов, повышается стабильность "нулевой линии", расширяется диапазон рабочих температур, повышается воспроизводимость характеристик детектора в серийном производстве, улучшаются эксплуатационные характеристики детектора.

В ходе экспериментальных исследований было установлено, что указанный эффект - повышение чувствительности за счет устранения влияния колебаний давления окружающей среды и обеспечения ламинарности течения газовых потоков, достигается за счет рассмотренной конструкции электрода-коллектора и одинаковой высоты прямого и обратного конусов. При этом важное значение имеет угол наклона боковой поверхности усеченных конусов к горизонтали. При угле меньше 15 градусов электрод-коллектор не обеспечивает высокой чувствительности, так как он фактически тяготеет к плоскости и не позволяет произвести ионизацию молекул в замкнутом объеме. При угле наклона больше 80 градусов электрод-коллектор стремится к цилиндрической форме, при этом нарушается ламинарность течения газовых потоков. Продукты горения, стекая с внутренней поверхности, попадают непосредственно в область пламени и снижают чувствительность. Длина полой вставки, соединяющей усеченные конусы, не превышающая одной трети высоты конуса, способствует равномерной тяге продуктов горения, а также служит своего рода второй ступенью демпфирования колебаний давления окружающей среды. При длине менее одной трети эффект демпфирования практически отсутствует. При длине более одной трети ухудшается тяга, увеличивается время прохождения отходящих газов, снижается быстродействие. Демпфирующая камера 16 обеспечивает первую ступень демпфирования потока. Известно, что колебания давления окружающей среды весьма существенно влияют на процесс горения, что, в свою очередь, приводит к снижению чувствительности.

Стабильность процесса горения и, следовательно, повышение чувствительности газоанализатора обеспечивается заявленной совокупностью существенных признаков.

Формула изобретения

Пламенно-ионизационный газоанализатор, содержащий корпус, основание с каналами ввода газов, горелку, электрод-коллектор в виде усеченного конуса, большее основание которого обращено к горелке, а к меньшему основанию прикреплена полая цилиндрическая вставка, выводящий газопровод, спираль поджига, изоляторы в корпусе для подведения проводов к спирали поджига, к горелке и электроду-коллектору, отличающийся тем, что газоанализатор снабжен обратным усеченным конусом, прикрепленным меньшим основанием к цилиндрической вставке, а большим основанием обращенным к выводящему газопроводу, и цилиндрической демпфирующей камерой, закрепленной на большем основании обратного усеченного конуса, соединенной с выводящим газопроводом, при этом усеченные конусы выполнены одинаковыми по высоте с углом наклона боковой поверхности к горизонтали от 15 до 80^o, а длина полой вставки не превышает одну треть высоты усеченного конуса.

РИСУНКИ

Рисунок 1