Пламенно-ионизационный детектор

 

ОПИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Соеетсккк

Соцкалистнческнк

1твслублмк

< 783677 (61) Дополнительное к аят. сеид-ву— (22) Заявлено 23. 01. 79 (2 I ) 2716982/23-25 с присоединением заявки №вЂ” (23) Приоритет—

Опубликовано 301180, Бюллетень ¹ 44

Дата опубликованию описания 301180 (5!)М. Кл 3

G 01 N 27/62

Государственный комнтет

СССР но делам нмбретеннй н открытнй (53) УДК 543. 844 (088.8) (72) Автор изобретения

Н.П.Шевченко

Московское научно-производственное объединение по автоматизации нефтеперерабатывающей и нефтехимической промышленности "Нефтехимавтоматика" (73 ) Заявитель (54) ПЛАМЕННО-ИОНИЗАЦИОННЬ1Я ДЕТЕКТОР

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, в частности к конструкции пламенноионизационного детектора (ПИД), который используется на промышленных хроматографах, применяемых в нефтеперерабатывающей, нефтехимической, химической н других отраслях промышленности.

Известен ряд конструкций ПИД, содержащих следующие общие элементы: корпус детектора, сопло горелки, электроды (электрод питания и элентрод-коллектор измерительной цепи), изоляторы, вводы воздуха, водорода, l5 газа-носителя и устройство поджига водородного пламени (1) .

Принцип работы ПИД основан на ионизации молекул анализируемых органических веществ в водородном пламени и 29 последующем измерении ионного тока, величина которого зависит от количества органического вещества, поступающего из хроматографической колонки в водородное пламя в единицу времени. 25

Эти детекторы имеют невысокую надежность из-за частичного засорения сопла и срыва горения пламени, в результате чего детектор теряет работоспособность. Эти недостатки приводят 30 к утечке водорода, что является источ ником взрывоопасности хроматографа. ограничивает его применение во взрывоопасных помещениях и требует применения дополнительных устройств взрывозащиты.

Известен также пламенно-ионизационный детектор для газового хроматографа, содержащий корпус, в котором выполнено отверстие для выхода газов в атмосферу, и входные штуцера, связанные газовыми линиями с источниками сжатого воздуха, водорода н выходом хроматографической колонки, установленные внутри корпуса спираль поджига пламени, электроды, сопло горелки и индикатор контроля пламени в горелке, включенный в узел блокировки подачи водорода, причем индикатор контроля пламени выполнен в виле влагомера, расположенного в патрубке против отверстия выхода газов, при этом выход влагомера включен в узел блокировки подачи водорода g2).

В прототипе чувствительным элементом индикатора контроля "ламенн является волосяной гидромер, основанный на свойстве обезжиренного человеческого в. оса изменять сво длину при изменении относительной влажности

783677 воздуха от 30 до 100%. Инерционность индикатора контроля пламени у прото-, типа хотя и несколько меньше, чем у аналога, однако остается относительно большой — время срабатывания 30 с.

Время инерционности в определенной стеПени зависит ат механизма действия индикатора контроля пламени. Например, для того, чтобы сформировался сигнал, достаточный для управления, необходима, чтобы после погасания (срына) пла-щ мени из камеры детектора вышла бы определенная часть объема газовоздушнай:смеси с той влажностью, которая устанавливалась во время гореыия водорода. B первый момент времени после пагасакия пламени (т.е. при t = О+) н патрубок, где находится чувствительный, :элемент — человеческий волос, пастуПает газаназдушная смесь той же влажности, которая установилась во время горения. Затем па мере пониже- X кия температуры н поступления в камеpv детектора новых горций водорода, воздуха и газа-носителя, которые смешинарзтся с имеющейся там газоваздушнай смесью и выходят в гатрубак с 25 уменьшающейся влажностью (имеет место переходный процесс) и, когда влажность достигает такой нелнчикы, при которой бы одно сопла открывалось, а другое закрывалась,толька тогда сработает gg пневматическая система и водород будет отключен. Поэтому данная система (индикатор контроля пламени) ке мажет обеспечить высокого быстродействия.

Индикатор контроля пламени имеет н другие существенные недостатки, которые нередка проявляются при пуске детектора н работу и могут возникать н процессе рабаты хроматографа. Один из этих недостатков характеризуется тем, что при нажатии кнопки поджига 4{) появляется сигнал фонового тока, а при отпускании ее отсутствует, т.е. пламя не горит, при повторных нажатиях происходит та же самое.

Другой недостаток состоит в там, чта при нажатии кнопки в течение установленного времени {2-3 с) не происходит поджига водородного пламени. При повторных нажатиях иногда не удается гаджечь до тех пор, пока не будет определена и устранена причина неполадки.

Целью изобретения является павыаекие надежности работы детектора и увеличение быстродействия срабатывания.

Эта цель достигается тем, что узел блокировки подачи водорода выполнен в виде реле времени и счетчика импульсон, выходы которых соединены с логическим элементом ИЛИ, а входы их соединены с выходами индикатора контра- ф) ля пламени, выполненного в виде дапалкителькага электрода-коллектора, установленного н корпусе детектора и соединенного с кампаратарам индикатора .контроля пламени,при этом один из 65 выходов индикатора контроля пламени подключен к спирали поджига, выход логического элемента ИЛИ подключен и электромагнитному клапану н ликии подачи водорода.

На чертеже представлека прикципиальная схема пламенна-ионизационного детектора.

Пламенно-ианизацкакный детектор состоит иэ корпуса 2 входного штуцера 2, снязаннсга =. выходам хроматографическай колонки (не показана)„ выходного штуцера 3, электрода питания 4, к которому н процессе работы прикладывается напр жение 300 В, электрода-коллектора 5, подключенного к нхадкай измерительной цепи электраметрическага усилителя (на чертеже не показан), сопл.= горелки б,спирали 7 поджига, диффузара 8, штуцера

9, снязанкогo с ис-очником 10 сжатого воздуха, штуцера 11, связанного с источником задарада 12. Кроме того, детектор содержит дсполкктельна введенный электрод-коллектор 13. Ок представляет собой стержень из нержавеющей стали, расположенный над пламенем и не именмций с ним контакта. Элек родколлектор 13 подключен ка входу кампаратара 14, ссдержащегася н блоке 15 индикатора контроля пламени. Компаратор 14 выполнен ка базе дифференциального усилителя с положительной обратной связью и обладает высоким входным сопротивлением, величина катарага не меньше чем у электрического усилителя.

Индикатор контроля пламени также содержит усилитель мощности, выполненный на транзисторе 16, используемый н режиме переключения. Нагрузкой транзистора 16 является электромагнитное реле 17 с контактами 18-21.

Контактами 18 и 19 (ныход 1) обеспечивается коммутация напряжения питания спирали 7 поджига. Контактами 20 обеспечивается подключение индикаторной лампы 22, предназначенной для сигнализации о горении водородного пламени. Контакты 21 подключены к формирователю 23 одиночных импульсов {имеющему выход 3). Лампа 24, подключенная параллельна резистору 25, предназначена для сигнализации прохождения

-.ока через "ï.èðàëü 7 поджига. Контакты 26 соединены са входом реле времени 27, содержащегося н узле блокировки 28. узел блокировки 28 также со- держит счетчик импульсов 29, вход катарага соединен с формирователем одиночных импульсов 23, а выход — са входом логического элемента ИЛИ 30.

Са входам лагкческага элемента ИЛИ

30 соединен выход реле времени 27.

Выход логического элемента ИЛИ 30 соединен с электрама,:"нитным клапаном

31, установленным н линии подачи водорода. (Общеизвестные цепи, как например, сброс показаний счетчика и др. на чертеже не пакаэакч1.

783677

Другие. входы логического элемента

ИЛИ 30 соединены с источником сигналов, получаемых при нарушении темпе- ратуры, давлений и др. параметров (на чертеже не показаны).

Работа устройства происходит следующим образом.

Установив заданные расходы воздуха и газа-носителя, пускают водород и включают электропитание устройства.

После этого примерно через 2-3 с автоматически происходит поджиг водородного пламени, так как при включении электропитания переменное напряжение 6,3 В от вторичной обмотки трансформатора (на чертеже не показан) поступает через нормально замкнутые контакты 18 и 19 на спираль поджига 7 и происходит ее нагрев до температуры воспламенения водорода.

Как только загорится водородное пламя между электродами 4 и 5 образуется д. ионизированная среда, в которой количество ионов (образующихся в исчезающих) может быть описано следующим выражением:

qto

Ъ о — =с -уР- — >

4 в1. где и

Таким образом, под действием появившегося ионного тока при загорании водородного пламени происходит срабатывание компаратора 14, усилителя мощности 16 и электромагнитного реле

17. При этом контакты 18 и 19 раэмычисло ионов в данный момент времени ;

OL — количество ионов, образующихся в единице объема за единицу времени; коэффициент рекомбинации

Я. (молизации); Π— число ионов, рекомбинирующих в единицу времени; плотность тока; е — заряд иона; считается,что ион несет однократный заряд е= 1,601 ° 10 Кл; б — расстояние между электрода- 40 ми.

При наступлении равновесия, когда

n - const и — О, количество обраdn

dt эующихся ионов будер равно 45

N = g n - < (2) .

При этом j en (Ч.„+V ),3) где V и Ч - скорость соответственно $g положительных и отрицательных ионов.

Ионы под действием электрического поля Е, образованного между электродами 4 и 5, будут двигаться к электродам и нейтрализоваться на них (отдавать заряды), тем самым будет создаваться ток во внешней цепи, который будет усилен электрометрическим усилителем и зарегистрирован как фоновый ток ° величина последнего чаще бывает в пределах 1-10 11 в 1 ° 10 Ъ (в 46 зависимости, в основном, от расхода водорода . Выражение для определения величины этого тока может быть записано в следующем виде:

3 еп5(К+ + К )Е (4) р 65 где К и К» — подвижности соответственно положительных и отрицательных ионов.

В образовании тока во внешней цепи принимает участие только часть ионов, возникших в водородном пламени.

Другая часть ионов рекомбинируется в межзлектродном пространстве и за его пределами. За пределами межэлектроднаго пространства рекомбинируются ионы, выдуваемые потоком газа-носителя азота и воздухом, концентрируемьж вокруг водородного пламени. Закон спадания числа ионов, выдуваемых из зоны ноннзации, определяется следующим выражением". где по — число ионов в единице объема в момент выхода их из зоны ионизации (т.е. в момент прекращения действия нонизатора).

Продолжительность времени жизни ионов, выдутых из зоны ионизации, исчисляется десятыми долями секунды.

Дополнительно введенный электрод 13 расположен над пламенем на пути выдуваемых ионов на расстоянии 20-25 мч от зоны возникновения ионов (пояска у основания пламени). И поскольку между электродами 4 и 13 тоже образовано электрическое поле, то выдуваемые ионы под действием этого поля будут растягиваться между этими электродами и нейтрализоваться на ннх, создавая во внешней цепи ток, т.е. ток во входной цепи индикатора 15 контроля пламени, который вызывает срабатывание компаратора 14.

Таким образом, в предлагаемом детекторе используются ионы, которые ранее не участвовали в создании положительного эффекта. При этом скорость срабатывания и передачи информации о возникновении пламени, погасании и отключении водорода возросла более чем в 10, раз. Суммарная постоянная времени возникновения сигнала в гламенно-ионизационном детекторе не превышает 1 ° 10 с. Однако скорость срабатывания и передачи информации при возникновении пламени будет определяться постоянными времени блока индикатора контроля пламени и узла блокировки 28, у которых постоянные времени составляют сотые доли секунды. Скорость срабатывания при погасании пламени будет определяться продолжительностью существования ионов (после прекращения горения), т.е. десятыми долями секунды.

783677 каются, отключая спираль поджига от источника напряжения, гаснет лампа 24, cHrнализиронавшая подачу напряжения на спираль поджига 7 и прохождение через нее тока, контакты 20 замыкаются и загорается ".,à÷ïà 21, сигнализирующая о горении водородного пламени.

Поскопьку контакты 26 при включении электропитания устройства остаются замкнутыми, то с момента включения электропитанин начинается отсчет нремены блоком реле времени 27 до момена загорания водородного пламени.

Нсли загорание водородного пламени произошло до истечения 9 с от момента включения электропитания, то реле вреМени 27 . возвратится в исходное состоя-15 ние и на выходе его сигнала не поянит@st, При этом контакты 22, подключенные х формирователю 23 одчночных импульсов, замкнутся, и он выдаст на четчик 29 импульс. Счетчик 29 его р1 запомн ;т. Э".о условие нормальной работы (при запуске) пламенно-иониэационного детектора.

В случае необходимости работы гри минимально допустимых расходах водорода, пониженной температуре и других не вполне благоприятных условиях (но которые находятся в пределах допусти::м . условий эксплуатации), нередко нарушается нормальная работа и запуск

ФЦ детектора. Например, при включении электропитания устройс-.âà накаляется с-п раль г.оджига 7, по истечении 2-3 с срабатывает сигнализация о горении пламени,, Но затем сразу отключается, I-Iocre снова включается и т.д. При 55 каждом срабатывании электромагнитного реле 17 на счетчик 29 будет поступать импульс. После 3-х импульсов счетчик

29 выдаст уровень напряжения, который подается на логический элемент ИЛИ 4О

30, выходной сигнал которого обеспечивает включение электромагнитного клапана 31, перекрывающего (блокирующего) доступ водорода в детектор. При этом после выдачи третьего импульса на

ДХ счетчике 29 загорается лампа (не гоказана), сигнализирующая о том, что водород отключен счетчиком после

3-х импульсоз, т.е, свидетельствует о режиме работы и условиях отключения.

Необходимость срабатывания устройrтБа при Трех импульсах обусловлена тем, что первый импульс поянляется прн начальном включении, т.е. и в том случае, когда и системе нет отклонений от заданных режимов, второй им- Я

-|ульс свидетельствует о нарушении режима третий — подтверждает нарушение нормальной работы.

Нередко при включении детектора в работу происходят отклонения от нор- щ мального режима иного характера.. Например, при неправильном соотношении ра"хода воздуха и водорода (расход

ВОЗдуХа бОЛЬ s!e дОПуетИМОГО), НЕдОСта. точном накале спирали и др. 65

При включении =-лектропитания устройства напряжение 6,3 В поступает на спираль поджига 7, за=орается лампа

24, но через 2-3 - не выключается (тах как пламя не заroveëooü!, лампа продолжает ropeòü. В это время (с момента включения устройстна) начинается отсчет времени с помощью реле времени 27. По истечении 9 с реле времени 27 сработает и выдаст уровень напряжения, подаваемый н» логический элемен". ИЛИ 30, вь,ходной сигнал которого обеспечивает включение электромагнитного клапана 31, перекрывающего доступ водород=-. в детектор, После срабатывания реле времени 27 на нем загорается лампа, сигналызир ющая о

ТоМ! что водород отключен с помощью реле времени 27 через " с, ".e. сигнализирующая о режиме работы и условиях отключения.

Незамедлительное отключение водорода (в случае нарушения работы) и сигнализация характера нарушения предлагаемым устройстном выполняются не только в момент =-апусха прибора, но также в любое время -; ttpoqeoae работы хроматографа.

В аналогах и прототипе четко не выделялись (не фиксировались) какиелибо критерии„ по хоторьи: можно было разграничить области нарушения нормальной работы Й незамедлительно принять cooтнетствующие меры. В предлагаемом устроите †.ве это выполняется в основном автоматически.

В нефтеперерабатынающей и нефтехимической промышленности автоматические про..ьюыленные хроматографы эксплуатируются но взрывоопасных г.омещениях всех классон,. а также и на наружных установках (например класса В-11), где могут образоваться взрывоопасные смеси газон и паров с воздухом. Поэтому надежное обеспечение взрывоопасности на предприятиях нефтепереработки и нефтехимии имеет первостепенное

":.íà÷åíèå. С этой целью на промышленных хроматографах предусматривают устройства блокировки,. которые предназначены для предотвращения воэможности возникновения взрывоопасного состояния при нарушении какого-либо иэ режимон, условий эксплуатации или появления неисправности.

Ва счет сонокупности отличительных призна .ов обеcïå÷èâàåòñH пoàüïàeчие надежности работы предложенного детектора, скорость срабатывания и передачи информации о возникновении пламени, погасании его и отключении водорода возросла более чем в 10 раз по сравнению с известными конструкциями. При этом сохрзщается время простоев з работе хро. атографа прн определении и устранении неполадок. формула t» oápå åíè÷

Пламенно-ионкзацнонный детектор II!ts-. газонога хроматогрнфа, содерж2щнй кор10

783677

-б,ЗЮ

Составитель Л. Жаркова

Редактор Н.Спиридонова Техред И. Кузьма Корректор О.Билак

Заказ 8537/46 тираж 1019

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Подписное

Филиал ППП "Патент", г.ужгород, ул.Проектная,4 пус, штуцер для выхода газов в атмосферу, входные штуцеры, связанные газовыми линиями с источниками сжатого воздуха, водорода и выходом хроматографической колонки, электромагнитный клапан в линии подачи водорода, установленные внутри корпуса спираль поджига пламени, электроды, сопло горелки и индикатор контроля гламени в горелке, включенный в узел блокировки подачи водорода, о т л и ч. а ю щ и й— с я тем, что, с целью повышения надежности его работы и увеличения быстродействия срабатывания, узел блокировки подачи водорода выполнен в виде реле времени и счетчика импульсов, выходы которых соединены с логическим t5 элементом ИЛИ, а входы их соединены с выходами индикатора контроля пламени, выполненного в виде дополнительного электрода-коллектора, устаноьл",-.нного в корпусе детектора и соединенного с компаратором индикатора контроля пламени, при этом один из выходов индикатора контроля пламени подключен к спирали поджига, выход логического элемента ИЛИ подключен к электромагнитному клапану в линии подачи водорода °

Источники информации, принятые в" внимание при экспертизе

1. Бражников B. Дифференциальные детекторы для газовой хроматографии.

Ы., "Наука", 1974, с.85-94.

2., авторское свидетельство СССР

В 58? 384, кл. 6 01 И 31 f 08, 1976 (прототип ) .