CN213986332U

CN213986332U - 一种用于元素分析的系统

Info

Publication number: CN213986332U
Application number: CN202022281530.1U
Authority: CN
Inventors: D·B·P·舍瓦利耶
Original assignee: Semer Electronics United Co ltd
Current assignee: Semer Electronics United Co ltd; Thermo Electron SAS
Priority date: 2019-10-15
Filing date: 2020-10-14
Publication date: 2021-08-17
Anticipated expiration: 2030-10-14
Also published as: DE202020105755U1

Abstract

一种用于元素分析的系统(110)包括：用于将样品引入到载气中的采样器(2)；位于所述采样器下游的化学反应器(3)，其用于转化所述样品；任选的位于所述化学反应器下游的捕集器(4)，其用于捕集液体或气体；位于所述捕集器下游的分离单元(5)，其用于分离所述载气中含有的样品；位于所述分离单元下游的分流器(8)，其用于分流出从所述分离单元流出的所述载气的一部分，从而产生主流和分流；以及位于所述分流器下游的检测器(7)，其用于检测所述载气的所述主流中的样品。所述载气包括至少50％的氩气。所述系统被布置成用于将穿过所述检测器的主流限制为至多50ml/min，从而提高检测器信号的信噪比。

Description

一种用于元素分析的系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于元素分析的系统。具体地，本实用新型涉及使用氩气作为载气的元素分析。更具体地，本实用新型涉及一种使用氩气作为载气进行元素分析的系统和方法。

背景技术

元素分析是一种用于确定不同材料中的碳、氮、氢、氧和/或硫组成的方法，所述不同材料包含液体、固体和气体。在元素分析期间，样品通常被转化为简单气体，如H₂、CO、CO₂、N₂、SO₂和H₂O，所述转化通常通过在高温反应器(通常在约950℃或更高温度下)中燃烧或还原/热解来进行，并且通常借助催化剂促进燃烧。两个或更多个反应器的组合并不罕见，例如氧化反应器与用于将例如一氧化氮还原成氮气的还原反应器组合。燃烧产物是由惰性载气承载到检测器中的。

US 10,338,044(赛默飞世尔科技公司(Thermo Fisher Scientific))公开了一种包含化学反应器和检测器的气体输送系统，其中将氦气用作载气。US 10,338,044讨论了使用氩气作为载气的缺点，如氩气的高热导率和高离子化效率。具体地，美国专利声明“使用氩气作为载气需要重新校准体积流量控制器并且更换检测器，因为当前的检测器和系统应用被适配成使用氦气作为载气”。

US 10,067,100(赛默飞世尔科技公司)公开了一种用于浓缩分析系统的气体流中的分析物气体的系统。US 10,067,100的系统包含用于调节浓缩分析物气体的分析系统中的气流的第一分流器连接点和第二分流器连接点。也就是说，使用两个分流器连接点来增加分析物气体的浓度。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种用于元素分析的系统，其避免了使用氩气的缺点。本实用新型的目的是提供一种用于元素分析的系统，其可以使用常规检测器，也就是说，所使用的检测器不是针对与氩气一起使用专门设计的而是可以针对例如与氦气一起使用而设计。

因此，本实用新型提供一种用于元素分析的系统，其包括：

-用于将样品引入到载气中的采样器，所述采样器包括用于接收待分析的所述样品的第一输入和用于接收载气的第二输入；

-位于所述采样器下游的至少一个化学反应器，其用于转化所述样品；

-位于所述至少一个化学反应器下游的至少一个分离单元，其用于分离所述载气中含有的样品；

-位于所述至少一个分离单元下游的分流器，其用于分流出从所述至少一个分离单元流出的所述载气的一部分，从而产生主流和分流；以及

-位于所述分流器下游的至少一个检测器，其用于检测所述载气的所述主流中的样品，

其中所述载气包括至少50％的氩气，并且

其中所述系统被布置成用于使穿过所述检测器的主流为至多50ml/min。

通过布置所述系统使得穿过所述检测器的所述气流不超过50ml/min，在所述检测器中产生的并且存在于检测器输出信号中的噪声的量显著减低并且可以是可忽略不计的，甚至在使用氩气作为载气时也是如此。也就是说，通过限制穿过所述检测器的所述气流，不是针对与氩气一起使用而设计的检测器可以仍产生具有低噪声水平以及因此高信噪比的检测器输出信号。

所述检测器可以是适用于或甚至被设计成用于与作为载气的氦气一起使用的常规检测器。也就是说，本实用新型允许针对与氩气一起使用的氦气而设计，无需对所述检测器进行适配的标准检测器。所述检测器可以是热导率检测器 (TCD)。通过将穿过所述检测器或穿过每个检测器(如果使用多个检测器的话) 的所述气流限制为至多50ml/min(毫升每分)，将所述检测器或每个检测器的噪声贡献保持为较小并且获得更准确的测量。

所述系统可以被布置成用于提供穿过所述检测器的以下气体流速：至多50 ml/min、至多40ml/min、至多30ml/min、至多20ml/min、至多15ml/min以及优选地至多10ml/min。如果并联设置了多于两个或更多个检测器，则穿过每个检测器的所述气体流速可以等于或小于50ml/min，优选地等于或小于10 ml/min。已经发现穿过所述检测器的介于例如5ml/min与10ml/min之间的气体流速是有利的。然而，所选择的具体流速可以取决于所使用的检测器的类型和构成。因此，对于一些检测器而言，至多10ml/min的流速可以是适当的，而对于其它检测器而言，例如至多25ml/min的流速仍可以提供足够低的信噪比。

所述载气可以包括至少90％的氩气，优选地至少99％的氩气。在一些实施例中，可以使用基本上100％的氩气作为载气。在一些实施例中，所述氩气可以与百分之几(通常3％到8％)的氢气或百分之几的氧气混合，这取决于具体应用。本实用新型还可以用于以下应用：其中所述载气含有少于90％的氩气，例如至少80％、至少70％或至少60％，或通常其中所述载气含有至少50％的氩气。

所述系统可以进一步包括位于所述分流器下游的分流管件，其用于使所述载气的所述分流流到例如所述采样器的第三输入。所述采样器的所述第三输入可以是以便吹扫载气的所述分流的吹扫输入。所述分流管件可以可替代地通向用于泄放所述载气的所述分流的泄放开口。因此，在一些实施例中，所述分流管件不连接到所述采样器。类似地，在一些实施例中可以不存在用于捕集液体 (如水)或气体(如酸性气体)的捕集器，并且所述化学反应器可以直接联接到所述一个或多个分离单元。在此类实施例中，所述至少一个分离单元直接位于所述至少一个化学反应器的下游。在一些实施例中，可以省略所述采样器。

所述至少一个检测器可以被布置成用于接收所述载气的所述主流和参考气体两者，优选地交替地接收。也就是说，可以将参考气体进料到所述检测器(或进料到所述检测器中的至少一个检测器)，从而产生可以与在所述载气承载所述样品穿过所述检测器或每个检测器期间进行的常规测量相比的参考测量。

根据本实用新型的所述系统可以进一步包括用于捕集液体和/或酸性气体的至少一个捕集器，其位于所述至少一个化学反应器下游和所述至少一个分离单元上游。

在本实用新型的所述系统中，在所述化学反应器与所述至少一个分离单元之间可以不存在分流器。也就是说，所述分离单元与所述检测器(或多个检测器)之间的所述分流器或连接点优选地是所述系统中的唯一分流器或连接点。通过仅使用单个分流器，所述系统保持简单、易于控制和维持，并且经济。

所述系统可以进一步包括位于所述分流器与所述至少一个检测器之间的第一限制和/或位于所述分流器与所述分流管件之间的第二限制。在不存在分流管件的实施例中，所述第二限制可以存在于所述分流器的所述分流输出处，所述分流器还包括主流输出。所述第一限制可以包括具有相对小的内径的第一管。所述第二限制可以包括具有相对小的内径的第二管。所述第一限制和/或所述第二限制可以用于控制位于所述分流器下游的所述气流。也就是说，所述限制可以确定多少载气流入到所述检测器(或多个检测器)中以及多少载气被分流出。通过适当地选择所述限制，考虑所述分流器之前的总气流，可以适当地控制穿过所述检测器或每个检测器的所述气流。虽然所述第一限制和所述第二限制中的至少一个限制可以是可变的，但是优选的是所述第一限制和所述第二限制两者均为固定的。注意，所述第二限制可以在不存在所述第一限制的情况下存在，并且反之亦然。

所述系统可以进一步包括布置在所述分流器与所述至少一个检测器之间的阀，其用于控制穿过所述检测器的载气的所述主气流。所述阀可以包括针阀，然而，也可以使用其它类型的阀，如接通/断开阀。

所述系统可以进一步包括布置在所述分流器与所述第二限制和/或所述分流管件之间的另外的阀，其用于控制载气的所述分气流并且因此用于间接控制穿过所述检测器的气体的主流。在所述主阀或第一阀可以定位在所述分离单元与所述检测器之间的主线中的同时，所述另外的阀或第二阀可以定位在可以包括所述分流管件并且可以包括所述第二限制的分流管线中。所述分流管线可以可替代地泄放。所述阀可以包括针阀，尤其是当需要较高精度的流控制时。然而，也可以使用其它类型的阀，如接通/断开阀。

所述分离单元可以包括气相色谱法。然而，可以代替使用其它类型的适合的分离单元。在一些实施例中，可以使用两个或更多个分离单元。每个分离单元使不同的分析物在不同的时间点避开，从而使其单独检测变得可能。

本实用新型还提供了一种使用所述系统进行元素分析的示例性程序，其包括：

-通过使用采样器将样品引入到载气中；

-通过使用化学反应器转化所述载气中的所述样品；

-任选地捕集含有所述经过转化的样品的所述载气中的液体和/或酸性气体；

-分离所述载气中含有的所述经过转化的样品；

-分流出分离之后的所述载气的一部分，从而产生载气的主流和分流；以及

-通过使用检测器检测所述载气的所述主流中的经过转化的样品，

其中所述载气包括至少50％的氩气，并且

其中穿过所述检测器的所述主流为至多50ml/min。

在示例性程序中，穿过所述检测器的所述主流的流速可以为至多50ml/min，但是优选的是更低的流速。所述流速可以取决于所使用的所述具体流速检测器。一些检测器的适合流速为至多30ml/min或至多20ml/min或例如至多15 ml/min，优选地至多10ml/min。所述载气可以包括至少90％的氩气，优选地至少99％的氩气。在一些实施例中，所述载气由100％的氩气组成。

所述示例性程序可以进一步包括使所述载气的所述分流流到所述采样器。所述示例性程序可以进一步包括使所述载气的所述分流被吹扫。在一些示例性程序中，在分离所述样品之前不进行分流。分离所述载气中含有的所述样品可以包括使用气相色谱法。

附图说明

图1示意性地示出了用于元素分析的常规系统。

图2示意性地示出了根据本实用新型的用于元素分析的系统的第一实施例。

图3示意性地示出了根据本实用新型的用于元素分析的系统的第二实施例。

图4示意性地示出了根据本实用新型的用于元素分析的系统的第三实施例。

具体实施方式

本实用新型提供了一种用于元素分析的系统和其中使用氩气作为载气，也就是说，其中载气主要由氩气组成的元素分析的示例性程序。

本实用新型基于以下见解：相比于利用氦气作为载气，使用氩气作为载气的缺点是检测器、特别是热导率检测器工作性能不那么良好。尤其是，元素分析中通常使用的热导率检测器(TCD)被设计成用于与氦气一起使用。已经发现，当与氩气而非氦气一起使用时，典型TCD会产生高噪声水平。

本实用新型通过降低穿过检测器的氩气气体流，具体地通过就在检测器之前分流出载气中的一些载气来解决此问题。发明人已经认识到由典型TCD产生的噪声量随氩气的流速而增加。因此，降低穿过检测器的氩气的流速会降低噪声水平。由于穿过系统的流速通常是给定的并且不能降低，所以发明人已经认识到就在检测器之前使用分流器可以充分降低穿过检测器的氩气的流速以显著降低由检测器产生的噪声水平。

图1中示意性展示了如

以名称FlashSmart^TM出售的常规系统。此已知系统50包括载气供应线1、采样器2、单或双反应管3、捕集器4、分离单元5、参考气体供应线6以及热导率检测器(TCD)7。载气供应线1被布置成用于向采样器2供应氦气作为载气。氦气流将样品穿过一个或多个反应管或化学反应器3承载到捕集器4，其中去除任何液体(如水)和/或气体(如酸性气体)。分离单元5分离样品，使得随后可以由检测器7单独地检测所述样品。参考气体供应线6可以向检测器7供应参考气体以进行参考测量。

如上文所提及的，热导率检测器7被配置成用于与作为载气的氦气一起使用。已经发现，当用氩气置换氦气时，检测器的输出信号中的噪声水平显著增加，这显然是不合期望的。本实用新型对此问题提供了一种相对简单但有效的解决方案。图2中示意性地展示了根据本实用新型的元素分析系统的第一实施例。

图2中通过非限制性实例的方式示出的根据本实用新型的系统100包括向采样器2进料的载气供应线1。如上文所讨论的，在本实用新型的系统中，载气为氩气或载气基本上或至少主要由氩气组成。即，载气含有至少50％的氩气。载气可以包括至少80％的氩气。具体地，载气可以包括至少90％的氩气、至少 95％的氩气或至少99％的氩气。在一些实施例中，可以使用基本上由100％的氩气组成的载气。

采样器2被布置成用于将样品引入到载气中并且包括用于接收待分析的样品的第一输入和用于从载气供应线1接收载气(即，主要氩气)的第二输入。图2中示出的系统100进一步包括位于采样器2下游的用于转化样品的至少一个化学反应器3和化学反应器3下游的用于捕集如水等液体的至少一个捕集器 4。在一些实施例中，可以省略捕集器4。可以使用一个、两个或更多个化学反应器3，所述化学反应器可以串联和/或并联布置。

图2的系统100还包括位于化学反应器3和捕集器4下游的至少一个分离单元5，其用于分离载气中含有的样品。分离单元5可以包括通常为GC柱的气相色谱法(GC)单元，所述气相色谱法单元可以是常规GC单元。可以使用两个或更多个分离单元5，和/或单个分离单元5可以包括例如两个或更多个GC 柱。

图2的系统100的载气供应线1、采样器2、一个或多个化学反应器3、捕集器4以及分离单元5可以与图1的系统50中的其对应物相同，唯一不同的是载气，所述载气在图1的系统50中为氦气并且在图2的系统100中为氩气。类似地，系统100还包括定位于分离单元5下游的用于检测载气的主流中的样品的至少一个检测器7。检测器7优选地为热导率检测器(TCD)。如同在图1的系统50中一样，图2的系统100中的检测器7可以是被配置成用于与氦气一起使用的TCD。检测器7可以被布置成用于接收载气的主流和参考气体两者，优选地交替地接收，以能够提供参考测量。参考气体可以通过参考气体供应线6 供应给检测器7，如同在图1的现有技术系统50中一样。参考气体可以是例如氮气或二氧化碳。

根据本实用新型，系统100包括位于至少一个分离单元5下游的用于分流出从至少一个分离单元5流出的载气的一部分从而产生主气流和分气流的连接点或分流器8。如在图2中可以看到的，此分流器或连接点8被布置在分离单元 5与检测器7之间。此分流器8用于分流出从分离单元5中出现的气流的一部分，从而减少进入检测器7的主气流。通过提供分流器8，可以减少穿过检测器7的气流，从而产生降低的噪声水平。在没有分流器8的情况下，所有氩气将流过检测器7，导致高噪声水平。

在所示出的实施例中，分气流被引导从分流器8穿过布置在分流器8与采样器2之间的分流管件12。分流管件12可以向采样器2的吹扫输入供应分(气) 流。在替代性实施例中，分流管件12可以泄放分流。

行进穿过检测器7的主(气)流与分流出的分(气)流的相对气体流速可以使用限制和/或阀来控制。在图2的实施例中，系统100设置有布置在分流器 8与检测器7之间的阀9、也布置在分流器8与检测器7之间的第一限制10以及布置在分流管件中的第二限制11。在所示出的实施例中，阀9被布置在分流器8的下游和限制10的上游。然而，在一些实施例中，阀9和第一限制10的此顺序可以颠倒。在仍其它实施例中，可以省略限制10、11中的一个或两个，而在又其它实施例中，限制10、11中的一个或两个存在但可以省略阀9。

在实施例中，第一限制10包括长度为3.9m并且内径为0.4mm的管件，而第二限制11包括长度为0.95m并且内径也为0.4mm的管件。当然，这些尺寸仅是示例性的，并且本领域的技术人员将理解，可以代替使用具有不同长度和不同内径的管件。虽然优选的是，第一限制和第二限制的内径是相同的，但是这不是必要的，并且可以使用具有不同内径的管道，例如分别为0.4mm和0.6 mm。第一限制10的长度可以为例如1m、2m、3m、4m或5m，而第二限制的长度可以为例如0.5m、0.8m、1m、1.5m或2m。

系统100被布置成用于将穿过检测器7的主流限制为至多50ml/min(毫升每分)。已经发现，在流速为50ml/min或更低时，在检测器7中由含氩气的载气产生的噪声显著地降低了。本实用新型的系统可以被布置成用于提供至多20 ml/min、至多15ml/min，优选地至多10ml/min穿过检测器或穿过每个检测器的流速。也就是说，10ml/min或更低的流速是优选的，因为这产生最低噪声。然而，要使用的最大检测器流速可以取决于所使用的检测器的类型。在一些实施例中，可以使用大约5ml/min的流速。

在根据本实用新型的系统中，在化学反应器3与至少一个分离单元5之间不存在分流器。也就是说，分离单元5与检测器(或多个检测器)7之间的分流器8是系统中存在的唯一分流器。这使得本实用新型的系统经济且易于控制。在一些实施例中，可以省略捕集器4，从而使得系统100甚至更加经济。

图3中示出了根据本实用新型的系统的可替代实施例。图3中示意性地展示的系统110也包括载气供应线1、采样器2、化学反应器3、捕集器4、分离单元5、检测器7和分流器8。在图3中，分流器8被绘制为T型连接而不是图 2中绘制的分流单元8。

在图3的实施例中，还存在第一限制10和第二限制11。分流管件12向采样器2、例如向采样器2的吹扫输入供应所分流出的氩气流。分流管件(其也可以被称为分流线)的最后部分可以不联接到采样器2。由于联接到采样器2是任选的，所以分流管件12的最后部分是用中断线绘制的。

此实施例中的阀9可以包括本身已知的针阀。针阀允许精确调节穿过阀的气流并且因此调节穿过检测器7的氩气气流。这进而允许精确控制检测器输出信号的噪声水平。可以代替使用其它类型的可控制阀。

可以从系统110中省略第一限制10和/或第二限制11，在这种情况下由阀9 确定相对流。

图4中示出了根据本实用新型的系统的另一可替代实施例。图4中示意性地展示的系统120也包括载气供应线1、采样器2、化学反应器3、捕集器4、分离单元5、检测器7和分流器8。在图4中所示出的实施例中，还存在第一限制10和第二限制11。分流管件12可以向采样器2、例如向采样器2的吹扫输入供应所分流出的氩气流或可以泄放所分流出的氩气。出于此原因，分流管件 12的一部分用中断线呈现以指示与采样器2的连接是任选的。

此实施例中的阀9可以包括本身已知的针阀。此阀允许精确调节穿过阀的气流并且因此调节穿过检测器7的氩气气流。这进而允许精确控制检测器输出信号的噪声水平。可以代替使用其它类型的可控制阀。在一些实施例中，可以使用接通/断开阀。阀中的至少一个阀可以是电磁操作阀。

可以从系统120中省略第一限制10和/或第二限制11，在这种情况下由主 (或第一)阀9和另外的(或第二)阀13确定相对流。

此实施例中的另外的(或第二)阀13也可以包括针阀以允许精确调节气流，这进而允许精确控制检测器输出信号的噪声水平。可以代替使用其它类型的可控制阀。

可以从系统120中省略第一限制10和/或第二限制11，在这种情况下由阀9 和13确定相对流。可替代地，可以省略阀9，将对气流的控制留给阀13以及限制10和11。在一些实施例中，可以省略限制10和11，将对气流的控制留给(另外的)阀13单独。

元素分析的示例性程序包括：

-通过使用采样器2将样品引入到载气中；

-通过使用化学反应器3转化载气中的样品；

-通过使用捕集器4任选地捕集含有经过转化的样品的载气中的液体和/或酸性气体；

-通过使用分离单元5分离载气中含有的经过转化的样品；

-通过使用分流器8分流出分离之后的载气的一部分，从而产生载气的主流和分流；以及

-通过使用检测器7检测载气的主流中的经过转化的样品。

根据本实用新型，载气包括至少50％的氩气、通常至少80％的氩气，并且穿过检测器7的主流为至多50ml/min。在一些实施例中，穿过检测器的主流的流速为至多40ml/min、30ml/min、至多20ml/min或至多15ml/min。在其它实施例中，穿过检测器的主流的流速为至多10ml/min。载气可以由基本上100％的氩气或至少99％的氩气组成。

本领域的技术人员将理解，本实用新型不限于上文所描述的实施例，并且在不脱离所附权利要求中所限定的本实用新型的范围的情况下，可以进行许多增加和修改。

Claims

1.一种用于元素分析的系统，其包括：

其特征在于，所述系统还包括：

其中所述载气包括至少50％的氩气，并且

2.根据权利要求1所述的系统，其被布置成用于提供至多20ml/min的穿过所述至少一个检测器的流速。

3.根据权利要求1所述的系统，其被布置成用于提供至多10ml/min的穿过所述至少一个检测器的流速。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述载气包括至少90％的氩气。

5.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述载气包括至少99％的氩气。

6.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其进一步包括位于所述分流器下游的分流管件，其用于使所述载气的所述分流流到所述采样器的第三输入。

7.根据权利要求6所述的系统，其中所述采样器的所述第三输入是吹扫输入。

8.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述至少一个检测器被布置成用于接收所述载气的所述主流和参考气体流两者。

9.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述至少一个检测器被布置成用于交替地接收所述载气的所述主流和参考气体流两者。

10.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其进一步包括用于捕集液体或气体的至少一个捕集器，其位于所述至少一个化学反应器下游和所述至少一个分离单元上游。

11.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中在所述化学反应器与所述至少一个分离单元之间不存在分流器。

12.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其进一步包括位于所述分流器与所述至少一个检测器之间的第一限制。

13.根据权利要求12所述的系统，其中所述第一限制包括具有相对小的内径的第一管。

14.根据权利要求6所述的系统，其进一步包括位于所述分流器与所述分流管件之间的第二限制。

15.根据权利要求14所述的系统，其中所述第二限制包括具有相对小的内径的第二管。

16.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其进一步包括位于所述分流器与所述至少一个检测器之间的阀，其用于控制所述主流。

17.根据权利要求16所述的系统，其进一步包括位于所述分流器与所述第二限制之间的另外的阀，其用于控制所述分流。

18.根据权利要求1-3中任一项所述的系统，其中所述分离单元包括气相色谱法单元。