KR100815999B1 - 흡착제 튜브를 특성화하기 위한 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

시스템 및 방법이 개시되어 있는 바, 상기 시스템 및 방법은 내부에 배치된 흡착제(adsorbent)를 갖는 용기를 제공하는 단계로서, 상기 용기가 캐리어 가스(carrier gas)가 상기 용기를 통과하도록 입구(inlet) 및 출구(outlet)를 구비한 단계; 상기 출구에서 알려진 유속에 대하여 상기 입구 및 상기 출구 사이의 차압(differential pressure)을 측정하는 단계; 및 상기 알려진 유속 및 상기 차압의 비율에 기초해서 상기 용기의 기하학적 척도(geometric measure)를 측정하는 단계를 포함한다. 몇몇 구현예에서, 상기 방법 및 시스템은 상기 비율에서의 점도, 상기 출구에서의 가스 압력 및 주위 압력의 비율에 기초한 인자를 사용하여 주위 압력에서의 유속을 측정하는 단계, 및/또는, 상기 출구에서의 온도 및 주변 온도의 비율에 기초한 인자를 사용하여 주변 온도에서의 유속을 측정하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

흡착제 튜브를 특성화하기 위한 방법 및 시스템{Methods and systems for characterizing a sorbent tube}

본 출원은 2004년 3월 4일 출원된 미국 임시 출원 번호 60/521179의 우선권 이익을 주장하며, 상기 임시 출원의 내용은 그 전체가 인용에 의하여 본 명세서에 통합된다.

본 발명은 예를 들어, 크로마토그래피 시스템에 사용될 수 있는, 흡착제 튜브 (sorbent tube)의 본래의 상태 (integrity)를 측정하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다. 더욱 특별히, 본 발명은 상기 흡착제 튜브의 기하학적 특성의 측정을 포함하는 방법 및 시스템에 관한 것이다.

흡착제 튜브에는 많은 응용 분야가 있으며, 흡착에 사용될 수 있는 충전제 (packing material)를 포함한다. 흡착제 튜브의 한 응용 분야는 가스 크로마토그래피를 포함한다. 가스 크로마토그래피는 본질적으로 물리적 방법의 분리인데 이 방법에서 칼럼 내의 고정상 (stationary phase) 물질에 의해 캐리어 가스 내의 시험 시료의 성분들이 흡착되거나 흡수되고 그리고 탈착된다. 시료의 한 적용량 (pulse)이 캐리어 가스의 정상 흐름 (steady flow) 내로 도입되고, 캐리어 가스는 시료를 크로마토그래피 칼럼 내부로 운반한다. 칼럼의 내부는 액체로 채워져 있 고, 액체 및 이 시료의 여러 성분들 사이의 상호 작용은 (이는 요소들의 분배 계수 (partition coefficient) 간의 차이에 따라 다르다) 시료가 각각의 성분들로 분리되도록 한다. 상기 칼럼의 말단부에서, 개별적인 성분들은 시간에 따라 대체로 분리된다. 상기 가스의 검출은 시간-스케일의 (time-scaled) 패턴을 제공하는데, 이는 통상적으로 크로마토그램 (chromatogram)이라 불리며, 기지의 시료와 비교나 보정에 의해, 시험 시료에 존재하는 성분, 및 그들의 특정 농도를 나타낸다. 이러한 것이 일어나는 과정의 일예가 Hinshaw의 미국 특허 5,545,252 호에 개시되어 있다.

크로마토그래피 분석의 한 일반적 응용은 특별한 환경의 성분을 측정하기 위한 열적 탈착 유닛 (thermal desorption unit)의 사용이다. 예를 들어, 특정 시료의 공기 중 존재하는 휘발성 유기 화합물 (volatile organic compounds (VOCs))의 양을 검출하는 것이 종종 요구된다. 이러한 검출의 한 방법은 흡착제 물질로 패킹된 튜브를 시험될 환경으로 먼저 옮기고, 공기 중의 VOCs가 튜브 내부로 자연적 확산을 통해 이동하도록 하는 것인데, 이를 전형적으로 "디퓨시브 (diffusive)" 또는 "패시브 샘플링 (passive sampling)" 이라고 한다. 대신, 상기 VOCs는 작은 진공 펌프를 사용하여 위와 같은 튜브를 통하여 가스 시료 (전형적으로 주위 공기)를 빨아들임으로써 수집될 수 있는데, 보통 "펌프드 샘플링 (pumped sampling)"이라 한다. 각각의 경우에, 측정되는 분석 대상물 (analytes)(즉 , VOCs)은 공기가 튜브를 통과해 지나갈 때 흡착제에 유지되고 농축된다. Neal의 미국 특허 6,649,129 호에 간단히 설명되어 있는 바와 같이, 일단 VOCs가 이러한 방식으로 먼저 수집되면, 다음으로, 튜브는 이어서 열적 탈착 기구 (thermal desorption instrument) 내 에서 가열되며, 헬륨 또는 질소 같은, 불활성 기체의 흐름이, 튜브에 도입되어 VOCs 를 튜브 밖으로 밀어보내 분리 및 분석을 위해 크로마토그래피 칼럼 내부로 보낸다.

어떠한 특별한 응용에 사용되는지에 관계없이, 시료 내의 분석 대상물을 예비농축하는 것이 또한 종종 요구되며, 때때로, 크로마토그래피 칼럼 내부로 시료를 도입시키기 전에 그로부터 수분을 제거하는 것이 요구된다. 따라서, Markelov의 미국 특허 5,792,423 호 및 6,395,560 호에 개시된 바와 같이, 이러한 시스템은 전형적으로 이러한 목적을 위해 어떤 종류의 "트랩 (trap)"을 포함할 것인데, 분석 대상물이 트랩을 통과하여 운반될 때 트랩은 분석 대상물을 붙잡고, 보통 가열에 의해 나중에 분석 대상물은 트랩으로부터 방출되어, 크로마토그래피 칼럼 내부로 보내진다. 한 가지 예는, 전형적으로 적합한 흡착제 물질로 충전되어 있는 튜브를 포함하는 흡착제 트랩인데, 이 흡착제 물질은 시료 가스가 튜브를 통과해 지나갈 때 분석 대상물을 흡착하며, 이어서 흡착제 트랩으로부터 분석 대상물이 크로마토그래피 칼럼 내부로 탈착되는데, 그러한 장치가 Markelov의 미국 특허 5,932,482 호 및 Tipler의 미국 특허 6,652,625 호에 개시되어 있다.

그러나, 이러한 여러 시스템에 존재하는 한 가지 문제는 상기 언급한 전통적인 열적 탈착 유닛을 포함하는 응용을 취급하는 상기 흡착제 튜브가 초기의 샘플링 튜브로서 작동할 뿐만 아니라, 흡착제 튜브가 트랩으로서 작동해서, 때때로 이러한 튜브의 본래의 상태 (integrity)가 손상된다는 것이다. 이 문제의 몇 가지 원인들이 도 1a-b에 도시되어 있다. 예를 들어, 열적 탈착이 성공적으로 작동하기 위해 서는, 상기 흡착제 (10)가 튜브 (12) 내부에 알맞게 충전되어야 한다. 그러나, 때때로 이러한 일이 일어나지 않아서, 공극 (14)이, 도 1a에 도시된 바와 같이, 흡착제 내에 형성된다. 이들 공극은 가스 흐름의 일부를 채널링하여(channeling), 이로써 흡착제 패킹의 흡착 및 탈착 효율을 저하시킨다.

유사하게, 가끔, 흡착제는 부적절한 패킹 또는 열적 충격의 결과로서 손상을 받는데, 이로써 작은 조각들 (미분(fines)) (16)을 생성하고 상기 작은 조각들은 도 1 b에 도시된 바와 같이, 패킹 입자들 사이의 작은 틈 (interstice)을 막는다. 결과적으로, 가스의 흐름은 흡착 및 탈착 동안 부분적으로 차단되어, 다시 흡착제 튜브의 효율을 저하시킨다.

따라서, 본 교시는 흡착제 튜브("튜브")를 가로질러 발생하는 차압 (differential pressure)을 측정하여 튜브 출구에서의 유속에 상기 차압을 연관시키는 것에 기초하여 튜브의 기하학적 척도 (geometric measure)를 측정하는 시스템 및 방법을 제공한다. 설명된 구현예들이 가스 크로마토그래피 시스템 및 방법과 관련된 응용들을 포함함에도 불구하고, 본 교시는 다른 흡착제 튜브 응용들에도 동일하게 적용될 수 있는 것은 물론이다.

한 구현예에서, 본 교시는 방법을 포함하는데, 상기 방법은 내부에 배치된 흡착제를 갖는 용기를 제공하는 단계로서, 상기 용기가 캐리어 가스가 상기 용기를 통과하도록 입구 및 출구를 구비한 단계, 상기 출구에서 알려진 유속에 대하여 상기 입구 및 상기 출구 사이의 차압을 측정하는 단계; 및, 상기 알려진 유속 및 상기 차압의 비율에 기초해서 상기 용기의 기하학적 척도를 측정하는 단계를 포함한다. 차압을 측정하는데 있어서, 상기 방법은 상기 차압과 관련된 측정값을 제공하기 위한 하나 이상의 센서를 제공하는 단계를 포함할 수 있다. 기하학적 척도를 측정하는 단계는 또한 상기 캐리어 가스의 점도를 상기 비율에서 인자화하는 단계(factoring)(상기 캐리어 가스의 점도를 상기 비율로 나누는 단계)를 포함할 수 있다. 구현예들에서, 상기 용기는 흡착제 트랩 또는 시료 튜브를 포함할 수 있다. 상기 방법은 또한 상기 출구에서 가스 압력 및 주위 압력의 비율에 기초한 인자를 사용하여 주위 압력에서의 유속을 측정하는 단계, 및, 상기 출구에서의 온도 및 주변 온도의 비율에 기초한 인자를 사용하여 주변 온도에서 유속을 측정하는 단계 중에서 하나 이상의 단계를 포함할 수 있다.

몇몇 구현예들에서, 본 교시는 캐리어 가스 흐름 경로 내의 용기를 크로마토그래피 칼럼에 제공하는 단계를 포함하는 크로마토그래피 방법과 관련된 것인데, 상기 용기는 가스 입구, 가스 출구, 및, 상기 용기 내에 배치된 흡착제를 포함한다. 상기 크로마토그래피 방법은 또한 상기 흡착제의 길이를 따라 차압을 측정하는 단계, 상기 출구에서 유속을 측정하는 단계, 및, 상기 유속 및 상기 차압의 비율에 기초하여 단위 압력당 단위 흐름을 측정하는 단계를 포함한다. 몇몇 구현예들에서, 상기 방법은 상기 가스의 점도에 기초해서 단위 압력당 단위 흐름을 조절하는 단계를 포함한다. 구현예들에서, 상기 크로마토그래피 방법은 (i) 상기 출구에서의 가스 압력 및 주위 압력의 비율에 기초한 인자를 사용하여 주위 압력에서 유속을 측정하는 단계, 및/또는, (ii) 상기 출구에서의 온도 및 주변 온도의 비율에 기초한 인자를 사용하여 주변 온도에서 유속을 측정하는 단계를 포함한다.

한 구현예에서, 본 교시는 이렇게 크로마토그래피 시스템을 포함하는 바, 상기 크로마토그래피 시스템은 캐리어 가스를 공급하기 위한 캐리어 가스 입구, 상기 캐리어 가스를 수용하기 위한 크로마토그래피 칼럼, 상기 캐리어 가스 입구로부터 상기 크로마토그래피 칼럼까지 상기 캐리어 가스가 통과하는 흐름 경로 (flow path), 상기 흐름 경로 내에 배치된 용기 (vessel)로서, 그는 내부에 배치된 흡착제를 가지며, 상기 캐리어 가스가 이 용기를 통과하도록 하기 위한 입구 및 출구를 포함하는 용기, 및, 상기 흐름 경로와 교통되어 있는 하나 이상의 센서로서, 상기 용기 출구에서의 유속 및 상기 캐리어 가스의 점도와 연관이 되는 경우 상기 용기 내에서 상기 캐리어 가스의 단위 압력당 단위 흐름을 제공하는 상기 흡착제 물질을 따른 차압을 측정하기 위한 하나 이상의 측정값을 제공하는 하나 이상의 센서를 포함한다. 상기 센서(들)은 상기 용기 입구에서의 압력 및 상기 용기 출구에서의 압력을 측정하기 위한 하나 이상의 센서를 포함할 수 있다.

한 구현예에서, 본 발명은 크로마토그래피 분석을 수행하기 위한 방법을 포함하며, 상기 방법은 캐리어 가스를 공급하기 위한 캐리어 가스 입구를 제공하는 단계, 상기 캐리어 가스를 수용하기 위한 크로마토그래피 칼럼을 제공하는 단계, 측정되는 분석 대상물을 흡착하고 탈착하기 위하여 내부에 배치된 흡착제를 갖는 용기를 제공하는 단계로서, 상기 용기는 캐리어 가스가 상기 용기를 통과하도록 하기 위한 입구 및 출구를 가지는 단계, 캐리어 가스를 상기 캐리어 가스 입구로부터 상기 용기 입구를 통하여 상기 용기 내부로, 그리고 상기 용기 출구를 통하여 상기 용기 밖으로 통과시키는 단계, 및 상기 용기를 통하여 통과된 상기 가스의 임피던스 (impedance)를 측정하는 단계를 포함한다.

한 구현예에서, 본 발명은 크로마토그래피 시스템을 포함하며, 상기 크로마토그래피 시스템은 캐리어 가스를 공급하기 위한 캐리어 가스 입구, 상기 캐리어 가스를 수용하기 위한 크로마토그래피 칼럼, 상기 캐리어 가스 입구로부터 상기 크로마토그래피 칼럼으로 상기 캐리어 가스가 통과하는 흐름 경로, 상기 흐름 경로 내에 배치된 용기로서, 측정되는 분석 대상물을 흡착하고 탈착하기 위하여 내부에 배치된 흡착제를 가지며, 상기 캐리어 가스를 이 용기에 통과시키기 위한 입구 및 출구를 포함하는 용기, 및 상기 용기를 통과한 상기 가스의 하나 이상의 특성을 측정하기 위해 상기 용기의 입구 및 출구의 하나 이상에 인접하여 상기 흐름 경로와 교통하는 하나 이상의 센서를 포함한다.

도 1a는 흡착제 내의 공극을 나타내는 흡착제 튜브의 노출된 단면도이며;

도 1b는 흡착제의 패킹 입자 사이의 작은 틈 (interstices) 내의 폐색 (occlusion)을 나타내는 흡착제 튜브의 노출된 단면도이며;

도 2a는 트랩 로우드 스테이지 (trap load stage) 동안 사용될 수 있는 예시적인 크로마토그래피 시스템의 개략도이며;

도 2b는 트랩 탈착 스테이지 (trap desorb stage) 동안의 도 2a의 크로마토그래피 시스템의 개략도이며;

도 3은 시료 용기 건조 퍼지 스테이지 (dry purge stage) 동안의 도 2a-b의 시스템의 추가적인 세부 사항를 보여주는 개략도이며;

도 4는 시료 용기 탈착 및 트랩 로드/퍼지 스테이지 (trap load/purge stage) 동안의 도 3의 시스템의 개략도이며;

도 5는 트랩 탈착 스테이지 동안의 도 3의 시스템의 개략도이며;

도 6a는 도 3의 용기를 통과하는 가스 흐름 측정의 추가적인 세부 사항을 보여주는 개략도이며;

도 6b는 도 3의 용기를 통과하는 가스 흐름 측정의 추가적인 세부 사항을 보여주는 개략도이며;

도 6c는 도 3의 용기를 통과하는 가스 흐름 측정의 추가적인 세부 사항을 보여주는 개략도이며;

도 6d는 도 3의 용기를 통과하는 가스 흐름 측정의 추가적인 세부 사항을 보여주는 개략도이며;

도 6e는 도 3의 용기를 통과하는 가스 흐름 측정의 추가적인 세부 사항을 보여주는 개략도이며;

도 6f는 도 3의 용기를 통과하는 가스 흐름 측정의 추가적인 세부 사항을 보여주는 개략도이며; 및,

도 7은 도 3의 용기를 통과하는 가스 흐름의 추가적인 세부 사항을 보여주는 개략도이다.

본 교시에 따른 흡착제 튜브의 본래의 상태를 입증하는 크로마토그래피 시스템의 일 구현예의 기본 구성요소가 도 2a - b에 도시되어 있다. 상세한 설명에 사용되는 것으로서 용어 "최상부", "바닥", "상부", "하부", "위", "아래", "바로 아래", "최상부 바로 위", "위로", "아래로", "더 위", "더 낮은", "정면", "배면", "역", "순방향" 및 "역방향"은 상기 도면에 도시된 방향을 기준으로 목적물을 언급하는 것이나, 상기 방향이 본 발명의 목적을 달성하기 위해 반드시 필요한 것은 아니다.

상기 크로마토그래피 시스템은 전형적으로 시료 튜브 (20), 캐니스터 (canister) (22), 또는 헤드스페이스 바이알 (headspace vial) (24)과 같은, 시료 컨테이너를 포함하는데, 상기 컨테이너로부터 측정되는 분석 대상물을 포함하는 시료가 상기 시스템에 공급되는데, 그럼에도 불구하고, 어떤 응용들에서는, 주위 분위기(surrounding atmosphere)의 시료가 입구 (26)를 통해 상기 시스템 내부로 직접 펌프되어 들어간다. 시료는 보통 시료 컨테이너로부터 추출되거나 캐리어 가스의 흐름 경로 (flow path)에 놓여지고, 가스는 상기 시스템을 통하여 상기 시료를 운반하는데, 이하에 더 자세히 설명한다. 도 2a에서 보이는 바와 같이, 상기 시료는 먼저 전형적으로 분석 대상물 예비농축기 (pre-concentrator)를 통하여 운반되는데, 상기 예비농축기는, 몇몇 구현예들에서, 튜브와 같은 용기 (30)를 포함하며, 이는 내부에 배치된 흡착제 (32)를 가지며, 종종 흡착제 트랩이라고 지칭된다. 도 2b에서 보이는 바와 같이, 흡착제 (32)가 분석 대상물를 흡착하고 상기 가스 혼합물의 나머지가 용기 (30)을 통과하여 상기 시스템으로부터 배출된 후에, 용기 (30)은 가열 요소 (34)에 의해 가열되어 분석 대상물은 크로마토그래피 칼럼 (40) 내부로 탈착된다.

시료 튜브에 수집된 시료를 시험하기 위하여 열적 탈착 유닛 (thermal desorption unit)을 이용하는 시스템이 도 3에 상세히 도시되어 있다. 이 시스템에서, 흡착제 튜브 (100)와 같은, 용기는 시료가 수집되는 위치로 옮겨진다. 특별한 응용에 따라, 시료는 용기 (100)에 다른 방법으로 수집될 수 있는데, 예를 들어, 시료를 용기 (100) 안으로 펌프하거나, 시험되는 특별한 환경에 따라, 공기중의 성분들이 자연적 확산을 통해 용기 (100) 내부로 이동하도록 하는 방법으로 수집될 수 있다. 다음 용기 (100)은 상기 열적 탈착 기구로 옮겨지는데, 여기서 용기 (100)은 크로마토그래피 칼럼 (104) 내부로 탈착하기 전에 분석 대상물의 추가적인 농축을 위해 별도의 흡착제 트랩 (102)과 유체 연통되도록 배치될 수 있다.

상기 시스템의 작동이 도 3-5에 단계별로 도시되어 있다. 시료 용기 건조 퍼지 (sample vessel dry purge) 단계가 도 3에 도시되어 있다. 여기에 도시된 바와 같이, 회전 밸브 (106)은 캐리어 가스 입구 (108), 시료 용기 (100), 및 트랩 (102)이 유체 연통되도록 위치한다. 캐리어 가스는 입구 (108)로부터 시료 용기 (100)의 제 1 말단부 (120)로 흐른다. 상기 가스는 제 1 말단부 (120)를 통하여 용기 (100)로 들어 가서, 흡착제 (110)을 통과해 흘러, 도관 (132)의 입구 (130)을 통해서 용기 (100) 밖으로 흐르며, 벤트(vent) (112)를 통해 빠져나오는데, 화살표 A로 표시되어 있다. 이러한 방식으로, 용기 (100)의 수분은 그것으로부터 제거된다. 몇몇 구현예들에서, 밸브 (160)는 분리된 흐름이 요구되는 경우 또한 제공된다.

시료 용기 탈착 및 트랩 로드/퍼지 단계가 도 4에 도시되어 있다. 여기에 도시된 바와 같이, 다이버트 밸브(diverter valve) (114)는 캐리어 가스를 입구 (108)로부터 시료 용기 (100)의 제 2 말단부 (122)로 돌린다. 캐리어 가스는 도관 (136)의 출구 (134)를 통해 용기 (100) 내부로 흘러, 흡착제 (110)를 통과하고, 용기 (100)의 제 1 말단부 (120)를 통과해 밖으로 나와, 트랩 (102) 내부로 흐르는데, 화살표 B로 표시되어 있다. 이러한 방식으로, 캐리어 가스는, 흡착제 (110)로부터 탈착되는 분석 대상물을 쓸어서 분석 대상물을 트랩 (102) 내부로 운반한다. 트랩 (102) 내부의 흡착제 (140)는 분석 대상물을 흡착하고, 캐리어 가스는 도관 (152)의 입구 (150)를 통해 트랩 (102) 밖으로 흘러 출구 (142)를 통해 빠져나가는데, 이 또한 화살표 B로 표시되어 있다.

트랩 탈착 단계가 도 5에 도시되어 있다. 여기에 도시된 바와 같이, 회전 밸브 (106)가 회전하고 밸브 (144)는 개방된다. 캐리어 가스는 입구 (146)로부터 흘러서, 도관 (148)을 통과해, 출구 (154)를 통해 트랩 (102) 내부로 흐른다. 다음 가스는 흡착제 (140)을 통과해 흘러, 탈착되는 분석 대상물을 쓸어서, 트랩 (102) 밖으로 운반하고 또한 크로마토그래피 칼럼 (104) 내부로 운반하는데, 화살표 C로 표시되어 있다.

시료 튜브 (100) 및 트랩 (102) 각각은 흡착제로 충전된 용기를 포함하기 때문에, 이들 중의 하나, 또는 모두는, 앞서 언급한 바와 같이, 바람직하지 않은 채널(channels) 또는 미분(fines)이 형성되어 있을 수 있다. 이러한 채널 및/또는 미분의 존재는 트랩의 공기 임피던스(pneumatic impedance)를 변경시킬 것이고, 따라서, 여기 설명한 상기 시스템은 상기 튜브 및/또는 트랩의 본래의 상 태(integrity)가 손상된 결과로 어떤 크로마토그래피 분석의 결과가 저하되었는지 여부를 측정하기 위해 상기 임피던스의 변경을 점검한다.

임피던스 측정은 도 7을 참고하여 볼 수 있듯이, 시스템의 내부 흐름 경로의 압력을 상승시키고 또한, 용기 (100) 및/또는 (102)을 흐르는 상기 가스의 특성을 측정하고 측정된 특성을 그러한 특성의 기대값과 비교하는 것에 의하여 달성될 수있다. 어떤 특성들의 기대값은 예로서 여기에 제공되는데, 다른 특성 및/또는 그러한 기대 특성을 계산하는 방식은 본 교시의 범위로부터 벗어남이 없이 변화할 수 있다는 것은 물론이다.

예를 들어, 한 구현예에서, 상기 흡착제 튜브 (100, 102)는 짧고, 충전된, 가스 크로마토그래피 칼럼과 기하학적으로 동등한 것으로 이해될 수 있고, 따라서, 상기 흡착제 튜브의 투과도 (permeability)는 다음 식으로 표현될 수 있다:

(1)

여기서: B^o는 비투과도 계수(specific permeability coefficient)이고

η는 튜브를 통과해 흐르는 가스의 점도이고

ε는 흡착제 패킹의 입자간 공극률(inter-particle porosity)이고

L은 튜브의 길이이고

p_i는 튜브 입구에서의 절대 가스 압력이고

p_o는 튜브 출구에서의 절대 가스 압력이고

u_o는 압력 p_o에서 상기 튜브 출구에서의 가스 속도이다.

상기 패킹의 입자간 공극률 ε은, 차례로, 다음 식에 따라 표현될 수 있다:

(2)

여기서: V_i는 입자간 부피(inter-particle volume)이고

V_c는 빈 튜브의 부피이다

상기 튜브 출구에서 가스 속도 u_o는 식 (1)을 재배열해서 다음과 같이 표현될 수 있다:

(3)

p_i

p_o 이므로, 식 (3)은 또한 다음과 같이 단순화될 수 있다:

(4)

따라서, 흡착제 튜브를 통과하는 속도은 흡착제 튜브를 가로질러 발생하는 압력 차이에 비례한다는 것이 입증된다.

튜브 출구에서의 체적 유속(volumetric flow rate)은 다음 식에 따라 표현될 수 있다:

(5)

여기서 A_i는 입자간 면적이다. 개방-튜브 면적에 대한 입자간 면적(inter-particle-to-open-tube-area)의 비율은 다음 식으로 표시되는 바와 같이 체적 비율과 같아야 한다(이는, 식 (2)에 따라, 패킹 공극률과 같다), :

(6)

여기서 A_c는 빈 튜브의 단면적이다. 따라서, 입자간 면적 A_i는 다음과 같이 표현될 수 있다:

(7)

그래서, 식 (7)을 식 (5)에 대입하면 체적 유속은 다음과 같이 표현된다:

(8)

원통형 튜브의 단면적 A_c는

와 같기 때문에, 식 (8)은 다음이 된다:

(9)

식 (4)의 튜브 출구 u_o에서의 가스 속도를 식 (9)에 대입하면 체적 유속을 나타내는 다음의 식이 된다:

(10)

일정 온도에서 주어진 튜브에 대해, B^o, d_c, η 및 L 모두는 일정해야 하므로, 이들 모두는 하나로 묶어서 상수 k로 표현될 수 있어서, 다음 식이 된다:

(11)

여기서 k는 상수이며

와 같다. 따라서, k로 식 (11)을 표현하면 주어진 온도에서 단위 압력 강하에 대한 단위 흐름으로 상기 튜브의 특징결정(characterization)할 수 있다. 그래서 k는 상기 튜브가 노출되는 주위 조건이라기보다는 상기 튜브의 기하학적 척도(geometric measure)로 이해될 수 있다. 식 (11)을 좀 더 참고하면, 예를 들어, 하나 이상의 센서를 이용해, 흡착제 물질의 차압(differential pressure)이 일단 얻어지면, 그러한 차압은 단위 압력 강하에 대 한 단위 흐름에 기초해서 상기 튜브의 특징결정을 하기 위해 상기 튜브의 출구에서의 유속과 관련지어질 수 있다.

식 (11)에서 F_o의 값은 압력 p_o에서 유속을 나타낼 수 있다. 보통, 유속은 주위 조건 (예를 들면 25 ℃ 및 100kPa의 표준 주변 온도 및 압력)을 가정하여 표현된다. 따라서, 보정이 다음 식에 따라 행해질 수 있다:

(12)

여기서 : F_a는 주위 압력 및 온도에서의 등가 유속(equivalent flow rate)이고

p_a는 주위 절대 압력이고

T_a는 주위 절대 온도이고

T_o는 튜브 출구에서 절대 온도이고

따라서, 식 (11)은 다음 식이 된다:

(13)

여기에 제공된 바와 같이, 상수 k는 특정 튜브의 기하(L 및 d_c) 및 그 내부의 패킹의 비투과도 (B^o)에 기초하는 것으로 상수 k는 튜브의 기하학적 척 도(geometric measure)이다. 따라서, 상수 k는 흡착제 튜브의 "투과도 인자"로 언급될 수 있다. 주어진 튜브에 대해 k의 값이 일단 알려지면, 상기 튜브를 가로질러 발생하는 주어진 압력 강하에 대한 유속, 또는 주어진 유속에 대한 압력 강하는, 식 (13)에 따라 계산될 수 있다.

따라서, 튜브 (100, 102)의 임피던스 변경화가 측정될 수 있는 여러 방법이 있는데, 이들 방법 중의 몇몇이 도 6a - f에 도시되어 있다. 예를 들어, 몇몇 구현예들에서, 이 측정은 캐리어 가스가 알려진 유속으로 튜브를 통과해 흐르는 동안 튜브를 가로질러 발생하는 압력 강하를 측정함으로써 행해질 수 있다. 이 목적으로 이용되는 전형적인 유속은 약 20 mL/min 내지 약 200 mL/min의 범위에 있고, 몇몇 구현예들에서는, 더욱 구체적으로 50 mL/min 부근인데, 이러한 유속의 예는 예시적일 뿐 제한적이지 않다.

도 6a에 도시된 바와 같이, 몇몇 구현예들에서, 전자 질량 흐름 조절기 (electronic mass flow controller)와 같은, 흐름 조절기 (200)가, 가스의 유속을 조절하기 위해 캐리어 가스의 흐름 경로에 위치하며, 차압 변환기 (differential pressure transducer)(202)는 흐름 경로와 교통하도록 위치하여 압력 측정치를 제공하며 이로써 튜브 (102)를 가로질러 발생하는 압력 강하를 측정하는데, 어떤 구현예들에서는 튜브 (102)가 튜브의 입구 또는 출구에 센서를 포함하고 있어서 뺄셈으로 압력 강하를 도출할 수 있다. 순방향 압력 레귤레이터 (230)는 튜브에 알려진 일정 압력으로 캐리어 가스를 보내기 위해 사용될 수 있다. 압력 변환기 (206)는 회로에서 튜브의 (도시된 바와 같이)상류 또는 하류에 포함되어 튜브 내부의 가 스의 절대 압력 또는 계기 압력(gauge pressure)을 제공하여 가해진 압력에서 튜브 출구에서의 가스 유속의 계산이 가능하도록 한다. 주위 온도 이외의 온도에서 측정되는 경우, 튜브 가까이에 설치된 온도 센서 (233)가 거기 적용된 온도에서 튜브 출구에서의 가스 유속을 계산하기 위해 사용된다. 어떤 구현예에서는, 흐름 조절기 (200)가 용기 (102)의 하류에 위치하며, 어떤 구현예들에서는, 도 6b에 도시된 것처럼, 흐름 조절기 (204)는 용기 (102)의 상류에 위치한다. 또한 거기서 보여지는 바와 같이, 어떤 구현예들에서는, 제 1 변환기 (206)는 용기 입구 근처에 위치하고, 제 2 변환기 (208)는 용기 출구 근처에 위치해, 그 지점에서의 절대 또는 계기 압력과 연관된 측정값들 및 상기 용기를 가로질러 발생하는 압력 차이를 제공하는데, 그렇지만 그러한 변환기 (206, 208)의 위치는 변환기 타입, 응용분야, 및 다른 설계 선택에 기초해서 변할 수 있다. 도 6c에 도시된 바와 같이, 또 다른 구현예에서는, 단지 압력 변환기 (206)만 사용되고, 밸브 (220)가 제공되어 가스를 배출해 가스가 대기압에서 공기중으로 용기 출구를 빠져나가도록 한다. 하나의 계기 압력 변환기 (gauge pressure transducer)(206)가 사용되어 튜브 내부의 압력 및 튜브를 가로질러 발생한 압력 강하 모두의 측정값을 제공한다.

어떤 구현예들에서, 그러나, 압력 강하는 알려져 있고, 조절되고, 적용되며, 대신 유속이 용기 (102)의 임피던스를 측정하기 위해 검출된다. 예를 들어, 도 6d에서 도시된 바와 같이, 이들 구현예의 몇몇에서, 순방향 압력 레귤레이터 (230)는 캐리어 가스 입구 및 용기 입구 사이의 흐름 경로에 위치하며, 배압 레귤레이터 (232)는 용기 (102)를 가로질러 발생하는 압력 강하를 확립하기 위해 용기 출구 및 크로마토그래피 칼럼 사이의 흐름 경로에 위치한다. 다음 흐름 센서 (240)는 가스의 유속을 측정하기 위해 흐름 경로 내부에서 편리한 위치에 위치한다. 구현예들에서, 도 6e에서 보이는 바와 같이, 순방향 압력 레귤레이터 (230)만이 도입되어 있고, 밸브 (220)는, 용기 출구 및 크로마토그래피 칼럼 사이에 위치하면서, 대기압에서 상기 가스를 공기중으로 배출한다. 도 6f에서 보이는 바와 같이, 압력 강하를 확립하기 위해 압력 레귤레이터를 사용하는 이들 구현예의 몇몇 부분에서, 차압 변환기 (202)는 압력 레귤레이터 (230) 및 레귤레이터 (232) 또는 밸브(220)에 의하여 확립되는 압력 강하를 증명하기 위해 용기 입구 및 출구와 인접하여 흐름 경로와 교통하도록 위치한다.

이러한 방식으로, 흡착제 튜브의 공기 임피던스의 변화는 크로마토그래피 분석의 일부으로서 탐지될 수 있는데, 패킹의 본래의 상태에 대한 노화 영향이 특별한 관심사인 흡착제 트랩으로서 이용되는 튜브에 대해서도 탐지될 수 있고, 튜브로부터 튜브로의 변화가 문제가 될 수 있는 경우 분석을 위해 시료를 수집해서 공급하는데 사용되는 시료 튜브에 대해서도, 모두 탐지될 수 있다. 구현예들에서, 측정의 특정 방법은 의미있는 결과가 얻어질 수 있도록 표준화되어서 튜브의 수명 동안 튜브 임피던스가 추적될 수 있다. 또한, 구현예들에서, 상기 튜브는 측정 동안 에러를 줄이기 위해 주변 온도로 유지된다(전형적으로 약 20 내지 약 25 ℃의 범위).

전술한 내용은 예시적인 것이며 제한적인 것이 아니라는 점, 그리고 본 발명의 정신으로부터 벗어남이 없이 당업자에 의해 자명한 변경이 가능하다는 점이 이 해되어야 한다. 예를 들어, 본 개시 전체를 통해서, 달리 언급하지 않으면, 명사의 단수형태는 편의상 사용한 것이며 복수의 형태도 포함하는 것으로 이해될 수 있다. 또한, 예시된 예들이 흡착제 "튜브"를 포함하지만, 본 교시는 특정 단면을 갖는 용기에 제한되지 않는 것은 물론이며, 상기 방법 및 시스템은 내부에 포함되거나/또는 배치된 흡착제 물질을 갖는 다른 크기 및 형상의 용기에 적용될 수 있다. 따라서, 본 발명의 범위를 결정하기 위해서는 전술한 상세한 설명보다는, 동반하는 청구범위를 주로 참고하여야 한다.

흡착제 튜브의 공기 임피던스의 변화는 크로마토그래피 분석의 일부로서 탐지될 수 있는데, 패킹의 본래의 상태에 대한 노화 영향이 특별한 관심사인 흡착제 트랩으로서 이용되는 튜브에 대해서도 탐지될 수 있고, 튜브로부터 튜브로의 변화가 문제가 될 수 있는 경우 분석을 위해 시료를 수집해서 공급하는데 사용되는 시료 튜브에 대해서도, 모두 탐지될 수 있다.

Claims (7)

1. 내부에 배치된 흡착제를 갖는 용기를 제공하는 단계로서, 상기 용기가 캐리어 가스가 상기 용기를 통과하도록 입구 및 출구를 구비한 단계;

   상기 출구에서 알려진 유속에 대하여 상기 입구 및 상기 출구 사이의 차압(differential pressure)을 측정하는 단계; 및

   상기 알려진 유속에 대한 상기 차압의 비율에 기초해서 상기 용기의 기하학적 척도(geometric measure)를 측정하는 단계

   를 포함하는 방법.
2. 제1항에 있어서, 차압을 측정하는 단계가 상기 차압과 연관되는 측정값을 제공하는 하나 이상의 센서를 제공하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서, 기하학적 척도를 측정하는 단계가 상기 캐리어 가스의 점도를 상기 비율로 나누는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제1항에 있어서, 상기 용기가 흡착제 트랩(adsorbent trap)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제1항에 있어서, 상기 용기가 시료 튜브를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 출구에서의 가스 압력 및 주위 압력(ambient pressure)의 비율에 기초한 인자를 사용하여 주위 압력에서의 유속을 측정하는 단계, 및

   상기 출구에서의 온도 및 주변 온도(ambient temperature)의 비율에 기초한 인자를 사용하여 주변 온도에서의 유속을 측정하는 단계

   중에서 하나 이상의 단계를 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 용기의 기하학적 척도를 측정하는 단계가 다음의 식에 따라 k를 계산하는 단계를 포함하는 방법:

   

   여기서, (p_i-p_o)는 상기 입구 및 상기 출구 사이의 상기 차압이고, F_a는 주위 압력 및 온도에서 유속이고, P_a는 주위 절대 압력 (ambient absolute pressure)이고, T_a는 주위 절대 온도(ambient absolute temperature)이고, P_o는 상기 튜브 출구에서의 절대 가스 압력(absolute gas pressure)이고, T_o는 상기 튜브 출구에서의 절 대 온도(absolute temperature)이다.

Images