RU111301U1

RU111301U1 - DETECTOR FOR GAS CHROMATOGRAPHY

Info

Publication number: RU111301U1
Application number: RU2011130684/28U
Authority: RU
Inventors: Евгений Владимирович Иванов; Павел Александрович Гущин; Антон Павлович Семенов; Андрей Александрович Новиков
Priority date: 2011-07-25
Filing date: 2011-07-25
Publication date: 2011-12-10

Abstract

1. Детектор для газовой хроматографии, характеризующийся тем, что он содержит горизонтально расположенный волновод прямоугольного сечения с источником СВЧ-излучения, цилиндрическую разрядную камеру, ось которой проходит через одну из точек с максимальным значением напряженности СВЧ-поля волновода, а верхний и нижний участки размещены за пределами волновода, и измеритель содержания ионизированного газа в газе-носителе, выполненный в виде пары коаксиальных электродов, установленных концентрично в полости верхнего участка разрядной камеры, причем разрядная камера снабжена установленным на ее нижнем торце патрубком с соплом на верхнем конце для ввода газа-носителя с пробой, размещенным в полости ее нижнего участка, патрубком для вывода газа-носителя с пробой на верхнем торце и тангенциальным патрубком для подачи охлаждающего газа на боковой стенке ее нижнего участка. ! 2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что волновод снабжен водоохлаждающим контуром. 1. The detector for gas chromatography, characterized in that it contains a horizontally located rectangular waveguide with a microwave source, a cylindrical discharge chamber, the axis of which passes through one of the points with the maximum value of the microwave field strength of the waveguide, and the upper and lower sections are placed outside the waveguide, and a meter of ionized gas in the carrier gas, made in the form of a pair of coaxial electrodes mounted concentrically in the cavity of the upper portion of the discharge chamber ery, and the discharge chamber is equipped with a nozzle mounted on its lower end with a nozzle at the upper end for introducing carrier gas with a sample located in the cavity of its lower section, a nozzle for outputting carrier gas with a sample at the upper end and a tangential nozzle for supplying cooling gas on the side wall of its lower section. ! 2. The device according to claim 1, characterized in that the waveguide is equipped with a water-cooling circuit.

Description

Полезная модель относится к области аналитической химии, а именно, к средствам контроля состава газовой фазы, в частности, к детекторам для газовой хроматографии.The utility model relates to the field of analytical chemistry, namely, to means for controlling the composition of the gas phase, in particular, to detectors for gas chromatography.

Известны пламенно-ионизационные детекторы, представляющие собой горелку, в которую подаются газ-носитель с пробой, водород и воздух. При попадании органических соединений в водородное пламя они ионизируются и увеличивают проводимость пламени, при этом увеличение проводимости пламени регистрируется с помощью измерительного электрода, помещаемого вблизи пламени, другим электродом служит сам корпус горелки (D.Н.Desty, A.Goldup and С.J.Geach, "Gas Chromatography 1960" (Ed. R. P. W. Scott) Butterworths, London (1958) p.156.)Known flame ionization detectors, which are a burner into which a carrier gas with a sample, hydrogen and air are supplied. When organic compounds get into the hydrogen flame, they ionize and increase the flame conductivity, while the increase in flame conductivity is recorded using a measuring electrode placed near the flame, the burner body itself serves as the other electrode (D.N.Desty, A.Goldup and C.J. Geach, "Gas Chromatography 1960" (Ed. RPW Scott) Butterworths, London (1958) p. 156.)

Существенными недостатками устройства являются необходимость использования взрывоопасного газа - водорода, а также возможность детектирования только органических соединений.Significant disadvantages of the device are the need to use explosive gas - hydrogen, as well as the ability to detect only organic compounds.

Известен детектор для газовой хроматографии, содержащий волновод с источником излучения, служащий одновременно и разрядной камерой, через которую пропускают газ-носитель, и коллекторную камеру, оснащенную поляризационным и измерительным электродами (CN 1955733, 2007).A known detector for gas chromatography, comprising a waveguide with a radiation source, serving both as a discharge chamber through which a carrier gas is passed, and a collector chamber equipped with polarizing and measuring electrodes (CN 1955733, 2007).

Недостатками устройства являются ввод анализируемого газа с торца волновода, что увеличивает время контакта плазмы с анализируемым веществом и приводит к значительному загрязнению разрядной камеры углеродом при анализе органических веществ, а также отсутствие средств для охлаждения и отвода избыточной микроволновой энергии, что приводит к перегреву устройства и снижению стабильности его работы. Кроме того, существующий риск загрязнения стенок разрядной камеры отражается на точности анализа и может привести к выходу устройства из строя.The disadvantages of the device are the input of the analyzed gas from the end of the waveguide, which increases the contact time of the plasma with the analyte and leads to significant contamination of the discharge chamber with carbon in the analysis of organic substances, as well as the lack of means for cooling and removing excess microwave energy, which leads to overheating of the device and lower the stability of his work. In addition, the existing risk of contamination of the walls of the discharge chamber affects the accuracy of the analysis and can lead to device failure.

Из известных устройств наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является детектор для газовой хроматографии, представляющий собой СВЧ-разрядник, содержащий разрядную камеру, которую охватывает волновод с источником СВЧ-поля, патрубки для ввода и вывода анализируемого газа, радиальный патрубок для подачи охлаждающего газа в область разрядной камеры и оптический спектрометр, установленный на выходе из разрядной камеры (US 5083004, 1992).Of the known devices, the closest to the proposed technical essence and the achieved result is a gas chromatography detector, which is a microwave discharger containing a discharge chamber, which is covered by a waveguide with a microwave field source, pipes for input and output of the analyzed gas, a radial pipe for supplying cooling gas into the region of the discharge chamber and an optical spectrometer mounted at the outlet of the discharge chamber (US 5083004, 1992).

В разрядной камере образуется высокоскоростной поток анализируемого газа за счет его пропускания через сопло. Поток анализируемого газа стабилизирован вихревым потоком охлаждающего газа. При прохождении газа через волновод генерируется СВЧ-разряд, приводящий к возбуждению молекул анализируемых компонентов. Анализ осуществляется путем исследования спектра испускаемого СВЧ-разрядом излучения.A high-speed stream of the analyzed gas is formed in the discharge chamber due to its transmission through the nozzle. The sample gas stream is stabilized by the vortex cooling gas stream. When a gas passes through a waveguide, a microwave discharge is generated, which leads to the excitation of the molecules of the analyzed components. The analysis is carried out by studying the spectrum of the radiation emitted by the microwave discharge.

Недостатками устройства являются необходимость использования громоздкой и дорогостоящей оптической аппаратуры для получения информации об анализируемых компонентах, а также необходимость высокоточного изготовления волновода для достижения высокой степени утилизации микроволновой энергии.The disadvantages of the device are the need to use bulky and expensive optical equipment to obtain information about the analyzed components, as well as the need for high-precision manufacturing of a waveguide to achieve a high degree of utilization of microwave energy.

Задачей предлагаемой полезной модели является разработка компактного в конструктивном исполнении детектора для газовой хроматографии, обеспечивающего упрощение конструкции, повышение чувствительности анализа и надежности работы за счет приближения зоны анализа смеси к области разряда, отвода избытка микроволновой энергии из волновой камеры и создания вихревого потока газовой смеси при подаче ее в зону разряда.The objective of the proposed utility model is the development of a compact detector for gas chromatography, which simplifies the design, increases the analysis sensitivity and reliability by moving the analysis zone closer to the discharge region, removing excess microwave energy from the wave chamber and creating a vortex gas mixture flow her into the discharge zone.

Поставленная задача достигается тем, что детектор для газовой хроматографии содержит горизонтально расположенный волновод прямоугольного сечения с источником СВЧ-излучения, цилиндрическую разрядную камеру, ось которой проходит через одну из точек с максимальным значением напряженности СВЧ-поля волновода, а верхний и нижний участки размещены за пределами волновода, и измеритель содержания ионизированного газа в газе-носителе, выполненный в виде пары коаксиальных электродов, установленных концентрично в полости верхнего участка разрядной камеры, причем разрядная камера снабжена установленным на ее нижнем торце патрубком с соплом на верхнем конце для ввода газа-носителя с пробой, размещенным в полости ее нижнего участка, патрубком для вывода газа-носителя с пробой на верхнем торце и тангенциальным патрубком для подачи охлаждающего газа на боковой стенке ее нижнего участка.The task is achieved in that the detector for gas chromatography contains a horizontally located rectangular waveguide with a microwave source, a cylindrical discharge chamber, the axis of which passes through one of the points with the maximum value of the microwave field strength of the waveguide, and the upper and lower sections are located outside a waveguide, and a meter of the content of ionized gas in the carrier gas, made in the form of a pair of coaxial electrodes mounted concentrically in the cavity of the upper section of the discharge a nuclear chamber, wherein the discharge chamber is equipped with a nozzle mounted on its lower end with a nozzle at the upper end for introducing carrier gas with a sample located in the cavity of its lower portion, a nozzle for withdrawing carrier gas with a sample at the upper end and a tangential nozzle for supplying cooling gas on the side wall of its lower section.

Целесообразно волновод снабжать водоохлаждающим контуром.It is advisable to provide the waveguide with a water-cooling circuit.

Сущность полезной модели поясняется чертежом, на котором на фиг.1 показана принципиальная схема предлагаемого устройства, на фиг.2 приведен график зависимости тока на измерительных электродах от количества введенного аргона.The essence of the utility model is illustrated by the drawing, in which figure 1 shows a schematic diagram of the proposed device, figure 2 shows a graph of the dependence of the current on the measuring electrodes on the amount of introduced argon.

Устройство включает цилиндрическую разрядную камеру 1, оснащенную патрубком 2 с соплом 3 на ее нижнем торце для ввода газа-носителя с пробой и тангенциальным патрубком 4 для ввода охлаждающего газа, размещенным на боковой стенке ее нижнего участка, волновод 5 с источником СВЧ-излучения 6 и охлаждающим контуром 7. При этом волновод 5 охватывает средний участок разрядной камеры 1, а ее верхний и нижний участки размещены за пределами волновода 5. Разрядная камера 1 при этом пронизывает волновод 5 таким образом, что область максимального значения напряженности электромагнитного поля 8, в которой инициируется СВЧ-разряд, располагается на оси разрядной камеры 1. В полости верхнего участка разрядной камеры 1 за пределами волновода 5 концентрично установлены два коаксиальных измерительных электрода 9 и 10, образующих измеритель содержания ионизированного газа в газе-носителе. Разрядная камера 1 снабжена также патрубком 11 для вывода газа-носителя с пробой, к которому может быть подсоединен вакуумный насос (на чертеже не показан).The device includes a cylindrical discharge chamber 1, equipped with a nozzle 2 with a nozzle 3 at its lower end for introducing a carrier gas with a sample and a tangential nozzle 4 for introducing a cooling gas located on the side wall of its lower section, a waveguide 5 with a microwave radiation source 6 and cooling circuit 7. In this case, the waveguide 5 covers the middle section of the discharge chamber 1, and its upper and lower sections are located outside the waveguide 5. The discharge chamber 1 penetrates the waveguide 5 in such a way that the region of maximum value on the electromagnetic field 8, in which the microwave discharge is initiated, is located on the axis of the discharge chamber 1. In the cavity of the upper portion of the discharge chamber 1 outside the waveguide 5, two coaxial measuring electrodes 9 and 10 are concentrically mounted, forming a meter for the content of ionized gas in the carrier gas. The discharge chamber 1 is also equipped with a nozzle 11 for outputting a carrier gas with a sample to which a vacuum pump (not shown) can be connected.

Устройство работает следующим образом.The device operates as follows.

Газ-носитель с пробой подается в разрядную камеру 1 через патрубок 2, снабженный соплом 3 для формирования высокоскоростной струи газа. В камеру подается также охлаждающий газ через патрубок 4. В волновод 5 подают микроволновую энергию с помощью источника СВЧ-излучения 6, представляющего собой магнетрон. При необходимости (во избежание перегрева магнетрона) пропускают воду через охлаждающий контур 7. Инициируют образование СВЧ-разряда 8 в камере 1 при помощи внешнего высоковольтного разрядника, например, течеискателя на основе катушки Тесла. После инициирования разряда измеряют ток между внешним коаксиальным измерительным электродом 9 и внутренним коаксиальным измерительным электродом 10. В случаях, когда измеряемый ток мал, или не удается инициировать образование разряда, понижают давление в устройстве с помощью вакуумного насоса (не показан), присоединяемого к патрубку 11.The carrier gas with a sample is supplied to the discharge chamber 1 through a pipe 2 provided with a nozzle 3 for forming a high-speed gas jet. Cooling gas is also supplied to the chamber through the nozzle 4. Microwave energy is supplied to the waveguide 5 using a microwave radiation source 6, which is a magnetron. If necessary (to avoid overheating of the magnetron), water is passed through the cooling circuit 7. They initiate the formation of a microwave discharge 8 in chamber 1 using an external high-voltage spark gap, for example, a leak detector based on a Tesla coil. After the discharge is initiated, the current is measured between the external coaxial measuring electrode 9 and the internal coaxial measuring electrode 10. In cases where the measured current is small or it is not possible to initiate the formation of a discharge, the pressure in the device is reduced using a vacuum pump (not shown) connected to the pipe 11 .

Измеряемый ток зависит от содержания ионизированного газа в газе-носителе (гелии) и является показателем содержания определяемого компонента в введенной пробе.The measured current depends on the content of ionized gas in the carrier gas (helium) and is an indicator of the content of the detected component in the introduced sample.

Размещение измерителя содержания ионизированного газа в газе-носителе концентрично в разрядной камере 1 обеспечивает максимально возможную подачу газа-носителя с пробой в пространство между электродами 9 и 10, а также повышает чувствительность измерения за счет приближения зоны анализа к области разряда.The placement of the meter of ionized gas content in the carrier gas concentrically in the discharge chamber 1 provides the maximum possible supply of carrier gas with a sample into the space between the electrodes 9 and 10, and also increases the sensitivity of the measurement by approaching the analysis zone to the discharge region.

Тангенциальный ввод охлаждающего газа обеспечивает создание вихревого потока и защиту стенок камеры 1.The tangential inlet of the cooling gas creates a vortex flow and protects the walls of the chamber 1.

Работа устройства иллюстрируется следующим примером.The operation of the device is illustrated by the following example.

В кварцевую разрядную камеру 1 устройства подают газ-носитель (гелий) с выхода колонки хроматографа с расходом 30 мл/мин и охлаждающий газ (гелий) расходом 300 мл/мин. Подают воду в охлаждающий водяной контур 7. Включают магнетрон рабочей частотой 2,45 ГГц и мощностью 800 Вт, служащий источником СВЧ-излучения 6. Инициируют СВЧ-разряд в разрядной камере 1 с помощью катушки Тесла. Подают постоянное напряжение величиной 200 В на измерительные электроды 9 и 10. Регистрируют фоновый ток на измерительных электродах, равный 0,5-0,9 мкА. С помощью газоплотного шприца вносят пробы аргона в инжектор хроматографа. Отмечают увеличение тока на измерительных электродах во время выхода пика аргона.Carrier gas (helium) is supplied to the quartz discharge chamber 1 of the device from the outlet of the chromatograph column with a flow rate of 30 ml / min and cooling gas (helium) with a flow rate of 300 ml / min. Water is supplied to the cooling water circuit 7. The magnetron is turned on with a working frequency of 2.45 GHz and a power of 800 W, which serves as a source of microwave radiation 6. A microwave discharge is initiated in the discharge chamber 1 using a Tesla coil. A constant voltage of 200 V is applied to the measuring electrodes 9 and 10. The background current at the measuring electrodes of 0.5-0.9 μA is recorded. Using a gas-tight syringe, argon samples are introduced into the injector of the chromatograph. An increase in current at the measuring electrodes is noted during the output of the argon peak.

График зависимости тока на измерительных электродах от количества введенного аргона приведен на фиг.2. Как видно из графика, зависимость тока на измерительных электродах от количества введенного с пробой аргона близка к линейной, что позволяет осуществлять калибровку устройства по газовым смесям или чистым газам с известным содержанием определяемого компонента (в приведенном примере - аргона) и проводить измерения содержания определяемого компонента в газовых смесях с неизвестным его содержанием. Измерение содержания других компонентов в газовых смесях производится аналогично.A graph of the current on the measuring electrodes on the amount of introduced argon is shown in figure 2. As can be seen from the graph, the dependence of the current on the measuring electrodes on the amount of argon introduced with the sample is close to linear, which allows the device to be calibrated using gas mixtures or pure gases with a known content of the component to be determined (in the given example, argon) and to measure the content of the component to be determined in gas mixtures with unknown contents. The measurement of the content of other components in gas mixtures is carried out similarly.

Конструкция устройства обладает следующими преимуществами:The design of the device has the following advantages:

1. Измерительная система компактна и проста в изготовлении, не включает громоздких и дорогостоящих спектрометрических блоков;1. The measuring system is compact and easy to manufacture, does not include bulky and expensive spectrometric units;

2. Микроволновый разрядник оснащен охлаждающим водяным контуром, который также обеспечивает отвод избыточной микроволновой энергии, что повышает надежность работы устройства;2. The microwave arrestor is equipped with a cooling water circuit, which also provides the removal of excess microwave energy, which increases the reliability of the device;

3. Перпендикулярное расположение волновода и разрядной камеры не приводит к утечкам микроволновой энергии в окружающее пространство, а также позволяет проводить анализ компонентов газовых смесей с малым временем контакта вещества с плазмой;3. The perpendicular arrangement of the waveguide and the discharge chamber does not lead to leakage of microwave energy into the surrounding space, and also allows the analysis of the components of gas mixtures with a short contact time of the substance with the plasma;

4. Работа устройства не требует использования водорода, что повышает безопасность работы устройства.4. The operation of the device does not require the use of hydrogen, which increases the safety of the device.

Таким образом, предлагаемое устройство является простым в изготовлении, не включает дорогостоящего оптического и электронного оборудования. Конструкция разрядного устройства позволяет надежно и безопасно генерировать плазму микроволнового разряда и анализировать газовые смеси. Устройство может быть дооснащено аналогово-цифровым преобразователем для вывода получаемой информации о токе на измерительных электродах на компьютер. Устройство может использоваться как составная часть газового хроматографа в качестве детектора.Thus, the proposed device is simple to manufacture, does not include expensive optical and electronic equipment. The design of the discharge device allows reliable and safe generation of microwave discharge plasma and analysis of gas mixtures. The device can be retrofitted with an analog-to-digital converter to output the received current information on the measuring electrodes to a computer. The device can be used as part of a gas chromatograph as a detector.

Claims

1. The detector for gas chromatography, characterized in that it contains a horizontally located rectangular waveguide with a microwave source, a cylindrical discharge chamber, the axis of which passes through one of the points with the maximum value of the microwave field strength of the waveguide, and the upper and lower sections are placed outside the waveguide, and a meter of ionized gas in the carrier gas, made in the form of a pair of coaxial electrodes mounted concentrically in the cavity of the upper portion of the discharge chamber ery, and the discharge chamber is equipped with a nozzle mounted on its lower end with a nozzle at the upper end for introducing carrier gas with a sample located in the cavity of its lower section, a nozzle for outputting carrier gas with a sample at the upper end and a tangential nozzle for supplying cooling gas on the side wall of its lower section.

2. The device according to claim 1, characterized in that the waveguide is equipped with a water-cooling circuit.