DE1181450B

DE1181450B - Gas analyzer for the detection of individual components in gas mixtures

Info

Publication number: DE1181450B
Application number: DEN24121A
Authority: DE
Inventors: Norman Lennox Gregory
Original assignee: National Research Development Corp UK
Current assignee: National Research Development Corp UK
Priority date: 1962-12-06
Filing date: 1963-12-06
Publication date: 1964-11-12

Description

Gasanalysegerät zum Nachweis von Einzelkomponenten in Gasgemischen Die Erfindung betrifft Nachweisgeräte mit einer Ionisierungseinrichtung zur Analyse von Gasen oder Dämpfen und ist besonders, jedoch nicht ausschließlich zur Verwendung bei chromatographischen oder ähnlichen Verfahren geeignet.Gas analyzer for the detection of individual components in gas mixtures The invention relates to detection devices with an ionization device for analysis of gases or vapors and is particularly, but not exclusively, for use suitable for chromatographic or similar processes.

Zweck der Erfindung ist die Schaffung eines Gasanalysegerätes, bei welchem die Ionisierungseinrichtung vor schädlichen Einwirkungen des zu untersuchenden Gases bzw. Gasgemisches geschützt ist. The purpose of the invention is to create a gas analyzer which the ionization device from harmful effects of the to be examined Gas or gas mixture is protected.

Die Erfindung geht demgemäß von einem Gasanalysegerät mit lonisierungseinrichtung zum Nachweis einer Einzelkomponente in aus mindestens zwei Komponenten bestehenden Gasgemischen aus, und ein derartiges Gasanalysegerät ist nach der Erfindung durch eine die lonisierungseinrichtung enthaltende Kammer, welche über mindestens eine Öffnung mit einer Nachweiskammer verbunden ist, und durch eine Gaszuleitung zu der erstgenannten Kammer zur Einleitung eines durch sein Ausströmen durch die Öffnung ein Eindringen des zu untersuchenden Gasgemisches in diese Kammer verhindernden Spülgases gekennzeichnet. The invention is accordingly based on a gas analyzer with an ionization device for the detection of a single component in at least two components Gas mixtures from, and such a gas analyzer is according to the invention a chamber containing the ionization device, which has at least one Opening is connected to a detection chamber, and through a gas supply line to the the first-mentioned chamber for introducing a through its outflow through the opening prevent the gas mixture to be examined from penetrating into this chamber Purge gas marked.

Ein Nachweisgerät nach der Erfindung kann sowohl nach dem Prinzip des Elektroneneinfangens und nach dem Prinzip der Elektronenbeweglichkeit als auch nach einem Prinzip arbeiten, welches vom sogenannten Argonnachweisgerät her bekannt ist. In diesen Fällen sind die die Ionisierung hervorrufenden Mittel freie Elektronen; zusätzlich oder an Stelle der Elektronen werden in dem bekannten Argonnachweisgerät angeregte Moleküle langer Lebensdauer als die Ionisation hervorrufende Mittel verwendet. A detection device according to the invention can be based on the principle electron trapping and electron mobility as well work according to a principle known from the so-called argon detection device is. In these cases the ionizing agents are free electrons; in addition to or instead of the electrons in the known argon detection device Long-lived excited molecules are used as ionization-inducing agents.

Überdies kann das Gerätegehäuse des Nachweisgerätes nach der Erfindung zur Aufnahme auswechselbarer Teile geeignet sein, wodurch nach Belieben eine Umwandlung des Gerätes von einem, nach dem Elektroneneinfangprinzip arbeitenden Gerät in ein Argonnachweisgerät möglich ist. Hierdurch wird ein Mehrzweckgerät geschaffen. In addition, the device housing of the detection device according to the invention be suitable for accommodating interchangeable parts, whereby a conversion at will of the device from a device that works according to the electron capture principle Argon detection device is possible. This creates a multi-purpose device.

Das Wesen der Erfindung wird nun durch eine beispielsweise Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung an Hand von zwei schematisierten Zeichnungen erklärt. Diese Ausführungsform betrifft ein Gerät, das zum Gebrauch als Mehrzweckgerät geeignet ist. The essence of the invention will now be described by way of example a preferred embodiment according to the invention with reference to two schematized Drawings explained. This embodiment relates to a device for use is suitable as a multi-purpose device.

Wie aus Fig. 1 der Zeichnungen ersichtlich, besteht ein nach dem Elektroneneinfangprinzip arbeitendes Anzeigegerät nach der Erfindung aus einem zylindrischen Gehäuse 1, das von einem aus elektrisch leitendem Material, wie z. B. Messing, gefertigten Teil3 und einem aus Isolierstoff, wie z. B. As can be seen from Fig. 1 of the drawings, there is a after Electron capture principle working display device according to the invention from a cylindrical Housing 1, which is made of an electrically conductive material, such as. B. brass, manufactured Part3 and one made of insulating material, such as. B.

Polytetrafluoräthylen, gefertigten Teil 2 gebildet wird, wobei diese beiden Teile durch eine Kathode 4 getrennt sind, welche gegen das Teil3 durch eine Scheibe 5 aus Isoliermaterial, z. B. Polytetrafluoräthylen, isoliert ist. Diese Teile werden durch in der Zeichnung nicht dargestellte, geeignet isolierte Schrauben zusammengehalten. Die Kathode 4 hat in ihrer Mitte eine Öffnung 6, während die Isolationsscheibe 5 eine ebensolche passende Öffnung aufweist. Eine Gitteranode7 in der Nachweiskammer 8 im Teil 2 des Gerätegehäuses ist an einem Einsatzstück 9 befestigt, welches entweder aus Isolierstoff oder aus Messing gefertigt sein kann und am Gerätegehäuse 1 durch geeignete Elemente befestigt ist. Ferner ist eine elektrische Zuleitung zur Anode 7 vorgesehen. An die Anode 7 einerseits und die Kathode 4 andererseits ist eine Spannung von beispielsweise 100 V angelegt. Das Einsatzstück besitzt eine Durchlaßöffnung, welche die Fortsetzung einer Zuleitung 10 darstellt, durch die das Gasgemisch zur Analyse in das Nachweisgerät geführt wird.Polytetrafluoroethylene, manufactured part 2 is formed, these two parts are separated by a cathode 4, which against the part 3 by a Disc 5 made of insulating material, e.g. B. polytetrafluoroethylene is isolated. These Parts are not shown in the drawing, suitably insulated screws held together. The cathode 4 has an opening 6 in its center, while the insulating disk 5 has a matching opening as well. A grid anode7 in the detection chamber 8 in part 2 of the device housing is attached to an insert 9, which either can be made of insulating material or brass and on the device housing 1 through appropriate elements is attached. There is also an electrical lead to the anode 7 provided. To the anode 7 on the one hand and the cathode 4 on the other hand is a Voltage of 100 V, for example, is applied. The insert has a passage opening, which is the continuation of a supply line 10 through which the gas mixture to Analysis is performed in the detection device.

Das Teil 3 des Gerätegehäuses weist eine Kammer 11 auf, welche die lonisierungseinrichtung enthält, welche letztere durch einen radioaktiven Körper gebildet sein kann. In diesem Falle kann dieser das Isotyp Radium 226 in der gebräuchlichen Form einer Einlage zwischen Gold- oder Silberfolien enthalten. The part 3 of the device housing has a chamber 11 which the contains ionization device, the latter through a radioactive body can be formed. In this case this can be the isotype Radium 226 in the usual Form of an insert between gold or silver foils included.

Die lonisierungseinrichtung ist hier in Form eines Hohlzylinders 12 dargestellt.The ionization device is here in the form of a hollow cylinder 12 shown.

Durch eine Zuleitung 13 wird reines, neutrales Gas, z. B. Stickstoff, in die Kammer 11 geleitet und dadurch eine Gasströmung durch die Öffnung 6 erzeugt, wodurch höchstens ein unbedeutender Betrag des Inhalts der Nachweiskammer in die Kammer 11 eindringen kann. Dieses Gas ist insofern rein, als es frei von Aufladungen ist, welche in der Nachweiskammer eine verfälschende Ionisation hervorrufen würde. Eine weitere Röhre 14, welche gasdicht mit dem Gerätegehäuse verbunden ist, mündet bei einer Offnung 15 auf dem nach einwärts gerichteten Ende der Nachweiskammer 8 und stellt eine Auslaßöffnung für den Inhalt der Nachweiskammer dar, welcher sowohl durch das Probegas, als auch durch das durch die Öffnung 6 strömende reine Gas gebildet wird. Through a supply line 13, pure, neutral gas, for. B. nitrogen, passed into the chamber 11 and thereby generates a gas flow through the opening 6, whereby at most an insignificant amount of the contents of the detection chamber in the Chamber 11 can penetrate. This gas is pure in that it is free of charges which would cause falsifying ionization in the detection chamber. Another tube 14, which is connected to the device housing in a gas-tight manner, opens at an opening 15 on the inwardly directed end of the detection chamber 8 and represents an outlet opening for the contents of the detection chamber, which both formed by the sample gas, as well as by the pure gas flowing through the opening 6 will.

Unter dem Einfluß eines elektrischen Feldes, das durch eine geeignete Spannung zwischen der Kathode 4 und dem Teil 3 des Gerätegehäuses erzeugt wird (beispielsweise in der Größenordnung der Spannung zwischen Kathode 4 und Anode 7), werden freie Elektronen, welche durch die Ionisationswirkung der Isotopenquelle 12 gebildet worden sind, auf die Kathode 4 zu beschleunigt, wodurch Elektronen durch die Öffnung 6 in die Nachweiskammer 8 geleitet werden. Abhängig von der Spannung an den Elektroden in der Nachweiskammer werden nun Moleküle einer geeigneten Komponente eines Gas-oder Dampfgemisches beim Eintritt in die Nachweiskammer einige dieser Elektronen einfangen, wodurch es zur Ionisation kommt. Gemäß der Arbeitsweise eines nach dem Elektroneneinfangprinzip arbeitenden Anzeigegerätes wird daher eine Veränderung des Elektronenstromes durch die Nachweiskammer bei Einleitung des Gasgemisches die Gegenwart der Komponente anzuzeigen. Durch eine geeignete Aufeinanderfolge von Veränderungen des Elektronenstromes bei verschiedenen Spannungen oder durch Vergleich der Stromstärkeverminderung mit einer solchen, die aus einer bekannten Konzentration der betreffenden Komponente resultiert, kann in gewissen Fällen das Gas oder der Dampf durch den Fachmann analysiert werden. Under the influence of an electric field created by a suitable Voltage between the cathode 4 and the part 3 of the device housing is generated (for example in the order of magnitude of the voltage between cathode 4 and anode 7), are free Electrons which have been formed by the ionization effect of the isotope source 12 are accelerated to the cathode 4, whereby electrons through the opening 6 are passed into the detection chamber 8. Depending on the voltage on the electrodes in the detection chamber are now molecules of a suitable component of a gas or Trap some of these electrons when entering the detection chamber, which leads to ionization. According to the operation of an electron trapping principle working display device is therefore a change in the electron flow the detection chamber when the gas mixture is introduced, the presence of the component to display. By a suitable sequence of changes in the electron flow at different voltages or by comparing the amperage reduction with one resulting from a known concentration of the component in question results, in certain cases the gas or steam can be analyzed by a person skilled in the art will.

Es sei darauf hingewiesen, daß die Kathode 4 und die Isolationsscheibe 5 an den Rändern der Öffnun 6 abgeschrägt sind. Dadurch werden Zusammenstöße zwischen den von der Ionisierungseinrichtung erzeugten Elektronen und den Wänden der Öffnung auf einem minimalen Wert gehalten, doch ist eine solche Abschrägung an der Öffnung in keinem Falle vorgesehen, wenn eine sehr dünne Kathode und eine sehr dünne Isolationsscheibe verwendet werden können. Der Durchmesser der Öffnung wird so bestimmt, daß der Durchgriff des elektrischen Feldes groß genug ist, um einen genügend großen Transport von Elektronen sicherzustellen, jedoch gleichzeitig die Öffnung klein genug ist, um, wie oben dargestellt, ein Eindringen von Komponenten des Gas- oder Dampfgemisches aus der Nach weiskammer in die andere Kammer weitgehend zu verhindern. Außerdem hängt der Durchmesser der öffnung auch von der Art der verwendeten Ionisierungseinrichtung ab. It should be noted that the cathode 4 and the insulating disk 5 at the edges of the opening 6 are beveled. This will cause clashes between the electrons generated by the ionization device and the walls of the opening is kept to a minimum, but such a taper is at the opening in no case provided if a very thin cathode and a very thin insulating washer can be used. The diameter of the opening is determined so that the penetration the electric field is large enough to allow a sufficiently large transport of electrons ensure, but at the same time the opening is small enough to, as shown above, penetration of components of the gas or vapor mixture from the detection chamber to largely prevent the other chamber. Also depends on the diameter of the opening also depends on the type of ionization device used.

Das Nachweisgerät ist in besonderem Maße für den Nachweis verschiedener Komponenten einer Gasprobe geeignet, die durch eine Trennsäule entweder der Plattenbauart oder der Kapillarenbauart geleitet worden ist. In diesem Fall kann das zum Transport der Gasprobe durch die Trennsäule ver- wendete Trägergas auch durch die Röhre 13 zugeführt und damit dazu verwendet werden, die die lonisierungseinrichtung enthaltende Kammer von dem Inhalt der Nachweiskammer frei zu halten. The detection device is particularly useful for the detection of various Components of a gas sample suitable through a separation column either of the plate type or the capillary type has been passed. In this case it can be used for transportation the gas sample through the separation column also applied carrier gas through tube 13 supplied and thus used, the ionization device containing To keep chamber free from the contents of the detection chamber.

Wie in F i g. 2 der Zeichnungen gezeigt, ist es durch Austauschen des Einsatzstückes 9 gegen ein Einsatzstück 19 möglich, das Gerät in ein Argonnachweisgerät umzugestalten und die übrigen wesentlichen Teile des Nachweisgerätes weiterzuverwenden. As in Fig. As shown in Figure 2 of the drawings, it is by swapping of the insert 9 against an insert 19 possible, the device in an argon detection device to redesign and to continue to use the remaining essential parts of the detection device.

Das Einsatzstück 19 weist eine Zuleitung 20 für die Zuführung des zu untersuchenden Gasgemisches in die Nachweiskammer auf. Diese Gaszuleitung ist aus elektrisch leitendem Material gefertigt und stellt die Anode der Nachweiskammer dar. Sie mündet in einer Ausnehmung 21 des Einsatzstückes 19 in einer für diese Art Nachweisgeräte gebräuchlichen Weise.The insert 19 has a supply line 20 for the supply of the gas mixture to be examined in the detection chamber. This gas supply line is made of electrically conductive material and represents the anode of the detection chamber It opens into a recess 21 of the insert 19 in one for this Type detection devices in common manner.

Für den Betrieb dieses Nachweisgerätes kann die radioaktive Quelle 22 mit der in F i g. 1 der Zeichnungen dargestellten Quelle 12 identisch sein, jedoch besteht der Unterschied zwischen einem Nachweisgerät dieser Art und dem in Fig. 1 der Zeichnungen dargestellten Gerät darin, daß als Gas nun Argon, Helium oder andere Arten von Gas verwendet werden, mit deren Hilfe angeregte Moleküle langer Lebensdauer erzeugt werden, und daß die die Ionisation hervorrufenden, durch die Öffnung 16 in die Nachweiskammer einströmenden Mittel nun sowohl in metastabilen Molekülen als auch in Elektronen bestehen können, wobei die metastabilen Moleküle durch Zusammenstoß mit Molekülen der Komponente bzw. der Komponenten des zu untersuchenden Gasgemisches eine Ionisation hervorrufen. For the operation of this detection device, the radioactive source 22 with the one shown in FIG. Source 12 shown in Figure 1 of the drawings may be identical, however there is the difference between a detection device of this type and the one in Fig. 1 of the drawings device shown in that the gas is argon, helium or other types of gas are used, which help excited molecules last longer Lifetime are generated, and that the ionization causing, by the Opening 16 flowing into the detection chamber means now both in metastable Molecules as well as electrons can exist, with the metastable molecules by collision with molecules of the component or the components of the to be examined Gas mixture cause ionization.

Das elektrische Feld in der die Ionisationsquelle enthaltenden Kammer kann jedoch auch so eingestellt werden, daß eine große Menge metastabiler Moleküle erzeugt wird, so daß beim Eintritt des Ionisierungsmittels in die Nachweiskammer der Anteil der metastabilen Moleküle überwiegt oder an die Stelle der Elektronen tritt.The electric field in the chamber containing the ionization source however, it can also be adjusted so that a large amount of metastable molecules is generated so that when the ionizing agent enters the detection chamber the proportion of metastable molecules predominates or takes the place of electrons occurs.

Das Argonnachweisgerät nach der Erfindung kann in gleicher Weise angewendet werden wie bereits bekannte Argonnachweisgeräte, jedoch mit dem Vorteil, der auch der in Fig. 1 der Zeichnungen dargestellten Ausführungsform nach der Erfindung eigen ist, daß es bei höheren Temperaturen ohne die Gefahr einer radioaktiven Ausstreuung verwendet werden kann, weil während des Betriebes, im Gegensatz zur Betriebsweise bekannter Geräte, nur reines Gas mit der radioaktiven Quelle in Berührung kommt, wobei die Wahrscheinlichkeit einer Ausstreuung radioaktiver Partikel von der radioaktiven Quelle her sehr gering ist. Außerdem ist die radioaktive Quelle selbst gegen Angriffe durch Oxydation, Korrosion oder Austauschreaktionen mit Wasserstoff geschützt, welche bei den bekannten Typen von Nachweisgeräten durch in die Nachweiskammer eingelassene Komponenten der Gasgemische erzeugt werden können. Wird das Nachweisgerät in Verbindung mit einer chromatographischen Säule verwendet, so verhindert die Anordnung gemäß der Erfindung bei einem, manchmal beobachteten >Aussickern« einer festen Phase aus der Säule die Ablagerung eines Films dieser Phase auf der Ionisierungsquelle. Ein weiterer Vorteil ist es, daß die eigentliche Erzeugung von Ionisierungsmitteln außerhalb der Nachweiskammer und somit nicht im Beisein der Komponenten des zu untersuchenden Gasgemisches erfolgt. Zudem werden sekundäre Effekte, wie Stromzunahme durch Scheitelwertumkehrung in einem, nach dem Elektroneneinfangprinzip arbeitenden Anzeigegerät nach der Erfindung sehr klein gehalten. The argon detection device according to the invention can in the same way are used like already known argon detection devices, but with the advantage the embodiment according to the invention also shown in FIG. 1 of the drawings its characteristic is that it does so at higher temperatures without the risk of radioactive scattering can be used because during operation, in contrast to the mode of operation known devices, only pure gas comes into contact with the radioactive source, being the likelihood of scattering of radioactive particles from the radioactive Source is very small. In addition, the radioactive source itself is against attacks protected by oxidation, corrosion or exchange reactions with hydrogen, which in the case of the known types of detection devices by means of those embedded in the detection chamber Components of the gas mixtures can be generated. Will connect the detection device used with a chromatographic column, prevents the arrangement according to of the invention in the case of a "seepage" of a solid phase, which is sometimes observed the deposition of a film of this phase on the ionization source from the column. Another advantage is that the actual generation of ionizing agents outside of the detection chamber and therefore not in the presence of the components of the object to be examined Gas mixture he follows. There are also secondary effects, such as an increase in electricity by inverting the peak value in an electron-trapping principle Display device according to the invention kept very small.

Die vorzugsweise Anwendung der Erfindung auf ein, nach dem Elektroneneinfangprinzip arbeitendes Gerät hat weiterhin den Vorteil, daß als Ionisierungseinrichtung jeder radioaktive Stoff dienen kann, der die geforderte Anzahl freier Elektronen oder metastabiler Moleküle erzeugt, weil die radioaktive Quelle in genügendem Maße gegen die Nachweiskammer abgeschirmt werden kann, wodurch es möglich ist, den, aus einer direkten Ionisation durch primäre Partikel der radioaktiven Quelle in der Nachweiskammer resultierenden Strom um ein Vielfaches kleiner zu halten als den Strom, welcher aus der Elektronenströmung durch die Öffnung zwischen den zwei Kammern resultiert. Diese letztere Überlegung ist auch für die Dimensionierung der Öffnung zwischen den Kammern mitentscheidend. The preferred application of the invention to an electron trapping principle working device has the further advantage that each ionization device radioactive substance can serve the required number of free electrons or metastable molecules generated because the radioactive source against in sufficient measure the detection chamber can be shielded, whereby it is possible, from a direct ionization by primary particles of the radioactive source in the detection chamber to keep the resulting current many times smaller than the current, which results from the flow of electrons through the opening between the two chambers. This latter consideration is also true for the dimensioning of the opening between the chambers codecisive.

Die Erfindung ist keineswegs auf die besondere Konstruktion des beschriebenen Nachweisgerätes beschränkt. Es ist nicht notwendig, daß die Einlaßröhren für das Gasgemisch einerseits und für das Spülgas andererseits fluchten, außerdem muß die radioaktive Quelle keineswegs zylindrische Form haben, wie dies in den Zeichnungen dargestellt ist. The invention is by no means limited to the particular construction of the one described Detection device limited. It is not necessary that the inlet tubes for the The gas mixture on the one hand and the flushing gas on the other hand must be aligned radioactive sources by no means have a cylindrical shape, as shown in the drawings is shown.

Allerdings kann es sich als notwendig erweisen, eine Filteranordnung in die Auslaßleitung 14 einzubauen, so daß radioaktive Partikel selbst im Falle einer Ausstreuung nicht in die Atmosphäre gelangen. Dies stellt jedoch eine normale Sicherheitsvorkehrung dar.However, a filter arrangement may be necessary to be installed in the outlet line 14, so that radioactive particles even in the event spillage does not get into the atmosphere. However, this represents a normal Safety precaution.

Claims

Claims: 1. Gas analyzer with ionization device for Evidence of an individual component in gas mixtures consisting of at least two components, characterized by a chamber (11) containing an ionization device (12), which has at least one opening (6) is connected to a detection chamber (8) and through a gas supply line (13) to the first-mentioned chamber for introducing a by flowing out through the opening, penetration of the gas mixture to be examined in this chamber preventing purge gas.

2. Gas analyzer according to claim 2, characterized in that the Detection chamber (8) and the chamber (11) containing the ionization device (12) by an electrode (4) arranged insulated from one another and containing the opening (6) are divided that also the detection chamber to a supply line (10) and to a near said electrode with an outlet opening (15) opening outlet line (14) is connected for the gas mixture to be examined and that in the detection chamber a further electrode (7) is arranged in the vicinity of the feed line mouth.

3. Gas analyzer according to claim 1 or 2, characterized in that that the electrode adjoining the supply line (10) to the detection chamber (8) (7 or 20) attached to a removable closure part (9 or 19) of the detection chamber is, against each differently designed closure parts (19 or 9) attached to it Electrodes (20 and 7) can be exchanged.

4. Gas analyzer according to one of claims 1 to 3, characterized in that that between the first-mentioned electrode (4) and the ionization device (12) a DC voltage source is connected, which in the the ionization device chamber (11) containing the ionizing agent through the opening (6 or

16) generates a conductive electric field in the detection chamber, and that between the first-mentioned electrode and the further electrode (7 or 20) connected in series with another DC voltage source, when the of the gas to be examined is.