Детектор теплопроводности

 

ОП ИСАНИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз Советских

Соцкалнстическмх

Республмк (п)966588 (61) Дополнительное к ввт. свид-ву (22) Заявлено 16.03.81 (21) 3259567/23 25 (53)M. Кд. с присоединением заявки ¹

G 01 N 31/08

Гооударотмнный комитет

СССР (28) Приоритет по делам иеебретений и отхрыткй

Опубликовано 15.10.82. Бюллетень № 38

Дата опубликования описания 15.10.82 (53) УДK 543.544 (088.8) (72) А вторы изобретения

Всесоюзный научно — исследовательский и конструкто институт хроматографии (7l ) Заявитель (54) ДЕТЕКТОР ТЕПЛОПРОВОДНОСТИ нитей с химически активными анализируемыми веществами, а покрытие нитей инертными материалами, например, золотом, вызывает резкое падение чувствительности за счет уменьшения сопротивления.

Цель изобретения — повышение чувствительности детектирования.

Указанная цель достигается тем, что в детекторе теплопроводности, содержащем корпус с цилиндрическими каналами, по оси которых расположены рабочий и сравнительный .чувствительные элементы, штщера для подвода и вывода анализируемого газа н газа — носителя, в котором согласно изобретению, чувствительные элементы выполнены в виде графитовых нитей, причем соотношение размеров нити и цилиндрического канала, в котором они установлены, выбраны из следующего условия — 1= 4Е-К вЂ”, clg ц с)< э где d> — диаметр нити, см;

d — диаметр канала,,см;

1 — длина нити, см;

Изобретение относится к аналитической тех нике, в частности к датчикам состава газовой смеси и паров, и может быть использовано в газовых хроматографах н газоанализаторах.

Известны детекторы теплопроводности, содержащие корпус штуцера для ввода газовых потоков, чувствительные элементы, которые изготавливаются из платиновых, никелевых, вольфрамовых, вольфрам — рениевых нитей (1).

Однако эти детекторы обладают низкими чувствительностью и точностью измерений.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является детектор теплопроводности, содержащий корпус с цилиндрическими каналами, по оси которых расположены рабочий и сравнительный чувствительные элементы, штуцера для подвода н вывода анализируемого газа и газа — носителя (2).

Недостатком этого устройства также является низкая чувствительность, обусловленная малым 20 удельным сопротивлением материалов нитей.

Кроме того, в процессе анализа чувствительнос детектора меняется за счет взаимодействия

Е. Б. Шмидель, E. А. Мягков, В. Н. Хохлов, N. М. Ге и И. А. Дмитриев

966588

3

k — постоянный коэффициент;

W — объемный расход газа-носителя, смз /с;.

0 — коэффициент диффузии анализируемого газа, см /с.

При анализе химически активных веществ, вступающих в химическое взаимодействие с графитовыми нитями сигнал складывается из двух составляющих. Первая из них связана с, теплопроводностью, а вторая — с изменением электрических свойств нитей за счет взаимо- 10 действия с ними анализируемого вещества.

При пропускании анализируемой среды че1 рез каналы с чувствительными элементами, количество молекул„попадающих на поверхность нити Ьй, пропорционально концентра- 15 ции примеси N, диффузионной скорости моле Э кул примеси В направлении нити д „Б ! м величине объемного расхода газа — носителя W

НЗ L CI<

41Иа. И

d1 — 3 l

Если Л М/М через 1с, то — 1 = 4 К вЂ”.

dg .Для выбора доли молекул, которая может: . попасть на поверхность чувствительного элемента, первоначально получают калибровочную кривую зависимости удельного сопротивления градитовой нити от времени его прибывания в . среде с постоянной концентрацией агрессивной примеси при рабочей температуре. Так, например получена чказанная кривая для сре30 ды Ar (аргона) с 1% примеси кислорода прн температуре 500 С. Из этой кривой получено соотношение ЬБ/Ьт = 1/15, т. е. ежесекундно величина удельного сопротивления графита изменяется на 1/5 своей величины. Количество молекул кислорода попадающих на единицу по- З5 верхности графитовой нити в единицу времени ,а и=

4 где N — молекулярная концентрация кислорода;

Ч вЂ” скорость теплового движения моле6 кул кислорода (500 м/с)

21 <О ° 500,9

45 а на все поверхность графитовой нити А

И4 =Л NA=3,410 ° 2Т 10 10 ° 2 4 10 части объем этого числа частиц 1,5 ° 10 6 cMç=1 5 10 змл.50 !

Обычно в мостовых схемах реализуется соотношение между минимально измеряемой величиной и значением верхнего предела диапазона измерения — 10 . Поэтому целесообразно учесть количество газа, попадающего на поверхность графито.

55 вой нити и изменяющего величину ее сопротивления на 1/100, что составляет Х = 2,25 10 " мл/с.

При расходе 0,5 см /с поток кислорода составит

4,6 10 доли. Получив численное значение для доли анализируемых молекул, можно определить, например, необходимую величину диаметра графитовой нити. Длина ее диаметра канала и расход газа †носите как правило определены:

d,,= =47 k — = 4 ° 3,14 4,6 ° 10. 14 10 см, gga 05 05 г1 04 2

На чертеже представлена схема детектора теплоп ров одности.

Устройство содержит корпус 1, чувствительные элементы 2, штуцера ввода анализируемого газа и газа — носителя 3, сравнительные камеры 4, штуцера для ввода газа 5, рабочие камеры Ь. Элементы 2 включены в мостовую схему измерителя (на чертеже не показано).

Детектор работает следующим образом.

Через штуцер 3 подают анализируемый газ, например, элемент, который попадает на чувствительные элементы 2 в рабочей ка— мере 6. В сравнительные камеры 4 попадает газ — сравнение. Сигнал с мостовой схемы в отсутствии анализируемого компонента, равен нулю.

Если теплопроводность анализируемого газа изменяется за счет появления определяемого компонента, температура чувствительных элементов 2 рабочей камеры 6 изменяется, нарушая равновесие моста. Образующийся сигнал пропорционален концентрации определяемого компонента.

Был изготовлен макет детектора теплопроводности на базе серийно выпускаемого отечественной промышленностью детектора

à — 26. Чувствительный элемент выполнен из графитовой нити, диаметр которой выбран в соответствии с расчетом (15 ° 10 4см),длина нити составила 20 мм. Сопротивление графитового элемента при комнатной температуре составило величину 1700 ом. Детектор испытывался в комплекте с хроматографом

ЛХМ вЂ” 8МД модели 1, причем испытуемый детектор был включен последовательно с детектором Г-26; Проводился анализ гелия в азоте. В результате анализа получена чувствительность детектора с графитовым чувствительным элементом примерно на порядок выше детектора 1 — 26. Затем, проводился анализ кислорода в азоте. Соотношение чувствительностей детекторов осталась прежней, что .говорит о том, что сигнал детектора связан только с изменением теплопроводности анализируемой смеси.

Необходимо отметить, что указанная чувствительность для детектора с графитовыми чувствительными элементами не является предельной. Это вызвано тем, что температурный коэффициент сопротивления графита не посто 966588

ВНННРН Заказ 7834/

Тираж 887 Подписное янен, как по величине, так и по знаку. Так в области низких температур коэффициент отрицателен и составляет величину лучше

10 град. у металлов положительный коэффициент сопротивления составляет величи- 5 ну на уровне 10 град. . В области высоких температур коэффициент сопротивления графита положителен и составляет величину

10 з град., причем повышение температуры приводит к тому, что с повышением температуры детектирования чувствительноСть остается практически постоянной. При. работе.с графитовым чувствительным элементом в области отрицательного значения температурного коэффициента сопротивления вся его поверхность участвчет в формировании сигнала, исключается локальный перегрев, поверхность нити обладает постоянным значением температуры по длине, что позволяет значительно повысить чувствительность детектирования.

Использование изобретения позволяет существенно повысить чувствительность и точность детектирования.

Формула изобретения

Детектор теплопроводности, содержащий кор- > пус с цилиндрическими каналами, по оси котоФилиал П ПП "Па ген г", г. Ужгород, ул. Проектная, 4 рых расположены рабочий и сравнительный чувствительные элементы, штуцеры для подвода и вывода анализируемого газа и газа — носителя, отличающийся тем, что, с целью повышения чувствительности детектирования, чувствительные элементы выполнены в виде графитовых нитей, причем соотношения размеров нити и цилиндрического канала, в котором она установлена, выбраны из следующего условия — =47г k с4, Ю дг где d, — диаметр нити, см;

d — диаметр канала, см;

L — длина нити, см;

W — объемный расход газа в канале, ем з/с;

D — коэффициент диффузии анализируемого газа, ем /с;

k — постоянный коэффициент.

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Newman М. Kent Katharometria, Techu

Rw. 1973, Р 9, 20-22.

2. Бражников В. В. Дифференциальные детекторы для газовой хроматографии, М., "Нау-. ка", 1974, с. 71 — 81 (прототип).