Планарный микродозатор с изменением фиксированного количества анализируемого газа в дозе
Владельцы патента RU 2660392:
федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования "Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королёва" (RU)
Изобретение относится к устройствам ввода газообразных проб в газовый хроматограф и может быть использовано для количественного анализа многокомпонентных сложных смесей в различных отраслях промышленности: химической, нефтяной, газовой, пищевой, медицине, экологии и др. Планарный микродозатор содержит каналы для фиксированного объема дозы и соединительных газовых потоков, переключение которых осуществляется двумя 3-х ходовыми пневмораспределителями с электрическим управлением. Каналы для газовых потоков выполнены методом микрофрезерования на плоской пластине элемента Пельтье, служащего как для нагревания, так и для охлаждения микродозатора, а регулятор температуры поддерживает фиксированные температуры микродозатора для изменения количества газа в пробе, дозируемой в хроматограф для анализа. 4 ил., 1 табл.
Изобретение относится к аналитическому приборостроению, а именно к устройствам ввода газообразных проб в газовый хроматограф, и может быть использовано для количественного анализа многокомпонентных сложных смесей в различных отраслях промышленности: химической, нефтяной, газовой, пищевой, медицине, экологии и др.
Известны дозирующие краны со сменными дозами различных конструкций для ввода газообразных проб в хроматограф (см.: Приборы для хроматографии. / Сакодынский К.И., Бражников В.В., Буров А.Н., Волков С.А., Зельвенский В.Ю. М.: «Машиностроение», 1973. С. 24-42).
Недостатком известных дозирующих кранов является их использование только для прямого ввода газообразных проб в наполненные сорбентом колонки.
Известны также дозаторы газов и паров для газовой хроматографии, применяемые как с наполненными сорбентом колонками, так и с капиллярными колонками (см.: Газовая хроматография с примерами и иллюстрациями: Учебник / Б. Колб; пер. с нем. С.Ю. Кудряшова; под ред. Л.А. Онучак; 2-е изд., перераб. и доп. - Самара: Изд-во «Самарский университет», 2007. С. 123-129).
Известен также дозирующий кран хроматографа ХТ-4 для анализа дымовых газов, в котором все газовые каналы выполнены на листовом фторопласте, прижатом с двух сторон для герметизации металлическими пластинами. Переключение газовых потоков осуществляется пневмораспределителями с электрическим управлением (см.: Арутюнов Ю.И. Хроматографическое измерение состава нефтяных газов. М.: Недра, 1987. С. 196-198).
Однако известные дозирующие краны в момент переключения с операции «набор» на операцию «анализ» кратковременно отключают поток газа-носителя через хроматографическую колонку, что нарушает динамическое равновесие и вызывает нестабильность измерения выходного сигнала. Кроме того, известные дозирующие краны не приспособлены для прямого ввода газообразных проб в капиллярные и микронасадочные колонки без предварительного деления потока.
Наиболее близким к изобретению по совокупности существенных признаков является дозирующий кран (инжектор) поточного газового хроматографа EnCal 3000 Elster Instromet (см.: EnCal 3000. Инструкция по эксплуатации. Вер. 1.3. Руководство пользователя http://new.bacs.ru/sales/Encal3000manualRus.pdf).
Известный инжектор выполнен по технологии МЭМС (Микро-Электро-Механические Системы) на термостатированной кремниевой пластине, на которой выставлены каналы дозирующего объема и газовых соединений. Инжектор снабжен двумя 2-х ходовыми мембранными клапанами и одним 3-х ходовым клапаном. Все клапаны с пневматическим управлением. В инжекторе используется способ ввода газовой пробы в хроматографическую колонку по перепаду давления на дополнительном пневмосопротивлении (ограничителе) в линии газа-носителя перед хроматографической колонкой без его отключения.
Недостатком известного инжектора является отсутствие возможности изменения фиксированного количества анализируемой пробы газа в дозе постоянного объема.
Задачей изобретения является расширение функциональных возможностей микродозатора за счет изменения количества анализируемого газа в дозе фиксированного объема при изменении температуры.
При решении поставленной задачи создается технический результат, заключающийся в следующем:
1. Упрощение конструкции планарного микродозатора, связанное с использованием двух 3-х ходовых пневмораспределителей с электрическим управлением вместо двух мембранных и одного 3-х ходового с пневматическим управлением в прототипе.
2. Расширение функциональных возможностей микродозатора за счет фиксированного изменения количества анализируемого газа в дозирующем канале при изменении температуры микродозатора.
Технический результат достигается за счет того, что в планарном микродозаторе, содержащем термостатированную плоскую пластину с дозирующим каналом фиксированного объема и каналами, соединяющими газовые потоки, которые установлены с возможностью переключения с помощью пневмораспределителей, а вход канала, ведущего к хроматографической колонке, соединен с каналом линии газа-носителя через пневмосопротивление, также в состав входят два 3-х ходовых пневмораспределителя с электрическим управлением, каналы для газовых потоков и дозирующий канал фиксированного объема выполнены методом микрофрезерования на плоской пластине элемента Пельтье, установленной с возможностью нагрева и охлаждения микродозатора, причем микродозатор также содержит терморегулятор, который установлен с возможностью поддержания фиксированной температуры микродозатора.
Изобретение поясняется следующими чертежами.
На фиг. 1 (планарный микродозатор, вид спереди) схематично изображен планарный микродозатор с изменением фиксированного количества анализируемого газа в дозе. На фиг. 2 изображен планарный микродозатор, вид снизу. На фиг. 3 (разрез термостатированной пластины) показана коммутация каналов во время операции «набор». На фиг. 4 (разрез термостатированной пластины) показана коммутация каналов во время операции «анализ».
Микродозатор содержит плоскую термостатированную пластину элемента Пельтье 1 с каналами для газовых потоков 2, включая пневмосопротивление 3 и дозирующий канал фиксированного объема 4 для анализируемой пробы газа, которые герметизируются стеклянной пластиной 5. На пластине установлены два пневмораспределителя 3/2 6 с электрическим управлением. Кроме этого планарный микродозатор содержит терморегулятор 7 с фиксированным задатчиком температуры 8.
Геометрия каналов для газовых потоков 0,5×0,5 мм, дозы фиксированного объема 1,0×2,0×25 мм, что соответствует объему дозы 50 мкл. Пневмосопротивление 3 имеет размеры: 0,2×0,2×50 мм.
Планарный микродозатор с изменением фиксированного количества анализируемого газа в дозе работает следующим образом.
Операция «набор». Электрическое управление выключено, и пневмораспределители 6 находятся в положении, указанном на фиг. 3. Анализируемый газ заполняет дозирующий канал 4 через открытые газовые каналы пневмораспределителей 6. В это время газ-носитель поступает через канал пневмосопротивления 3 в хроматографическую колонку.
Операция «анализ». Электрическое управление включено, и пневмораспределители 6 переключаются в положение, когда анализируемый газ перестает циркулировать через дозирующий канал 4 (см. фиг. 4). Анализируемая проба газа из дозирующего канала 4 под действием давления газа-носителя и перепада давления на канале пневмосопротивления 3 поступает в хроматографическую колонку для анализа без отключения потока газа-носителя. Когда вся проба анализируемого газа перейдет в колонку (не более 1,5-2 секунды), пневмораспределители 6 обесточивают и снова выполняется операция «набор».
Задатчик температуры 8 регулятора температуры 7 обеспечивает пять фиксированных значений температуры микродозатора: 40, 60, 80, 100 и 120°С. Это количество фиксированных температур взято из условия построения градуировочной характеристики для n≥5 точкам. С увеличением температуры уменьшается количество анализируемого газа в дозирующем канале в соответствии с уравнением газового состояния.
Экспериментальная оценка прецизионности в условиях повторяемости известного и предлагаемого планарного микродозатора с изменением фиксированного количества анализируемого газа в дозирующем канале проводилась на примере анализа поверочной газовой смеси (ПГС) пропана в воздухе с концентрацией 0,2% объем. Эксперимент проводили на газовом хроматографе «Кристалл - 5000.1», ЗАО СКБ «Хроматэк» с использованием микрохроматографической колонки на плоскости с нанодисперсным диоксидом кремния (Аэросил А - 175), длина 2 м, сечение 0,2×0,2 мм при температуре 40°С. Газ-носитель гелий с расходом Fc=2 см3/мин, детектор по теплопроводности (ДТП). По результатам 10 анализов ПГС рассчитывали относительное среднее квадратическое отклонение (ОСКО) среднего арифметического результата измерения площади Sr(A) и высоты Sr(h) хроматографического пика пропана в процентах:
где х - площадь или высота хроматографического пика пропана в выборке; хср - среднее арифметическое значение площади или высоты пика пропана из n=10 измерений.
Результаты экспериментов представлены в таблице 1. 
Как видно из приведенных в таблице 1 данных, прецизионность измерения площади и высоты хроматографического пика пропана при 40°С, связанная со случайными составляющими погрешностями величины объема вводимой пробы, изменения параметров расхода, давления и главное температуры для предлагаемого планарного микродозатора примерно в 1,5 раза меньше, чем для известного дозатора. Это связано, по-видимому, с тем, что в предлагаемом микродозаторе для нагрева и охлаждения используется элемент Пельтье, обеспечивающий поддержание температуры микродозатора с минимальными возмущениями.
Прецизионность измерения площади и высоты хроматографического пика пропана при 60, 80, 100 и 120°С изменяется не более чем в 1,2 раза для предлагаемого микродозатора.
Использование предлагаемого планарного микродозатора с изменением фиксированного количества анализируемого газа в дозе будет способствовать созданию метрологически обеспеченных методик выполнения хроматографических измерений для различных конкретных (целевых) аналитических задач, включая экспрессные методы анализа с короткими капиллярными и микронасадочными колонками различных технологических объектов и анализа в полевых условиях с переносной конфигурацией приборов.
Планарный микродозатор, содержащий термостатированную плоскую пластину с дозирующим каналом фиксированного объема и каналами, соединяющими газовые потоки, которые установлены с возможностью переключения с помощью пневмораспределителей, при этом вход канала, ведущего к хроматографической колонке, соединен с каналом линии газа-носителя через пневмосопротивление, отличающийся тем, что в состав входят два 3-х ходовых пневмораспределителя с электрическим управлением, каналы для газовых потоков и дозирующий канал фиксированного объема выполнены методом микрофрезерования на плоской пластине элемента Пельтье, установленной с возможностью нагрева и охлаждения микродозатора, причем микродозатор также содержит терморегулятор, который установлен с возможностью поддержания фиксированной температуры микродозатора.
