RU2207539C1

RU2207539C1 - Sensory detector cell

Info

Publication number: RU2207539C1
Application number: RU2002116632/28A
Authority: RU
Inventors: А.В. Калач; Я.И. Коренман
Original assignee: Государственное образовательное учреждение Воронежская государственная технологическая академия
Priority date: 2002-06-20
Filing date: 2002-06-20
Publication date: 2003-06-27

Abstract

FIELD: analysis of gas blowout of industrial enterprises. SUBSTANCE: the sensory detector cell has a reaction vessel, air and sample inlet and outlet pipe connections, piezoquartz sensor. The 500- cu.cm cell reaction vessel is made of stainless steel, provided with a thermostatting jacket, whose outer side is coated with heat-insulating material, the cover with the built-in holder for the piezoquartz sensor is made of the same material. The pipe connection for a direct inlet of the sample to the cell reaction vessel is provided with a silicone gasket. EFFECT: provided measurements in static conditions at temperatures exceeding the room temperature, simplified implementation. 1 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к технике проведения анализа газов и может быть использовано при анализе газовых выбросов промышленных предприятий. The invention relates to techniques for conducting gas analysis and can be used in the analysis of gas emissions from industrial enterprises.

Известна термостатируемая ячейка детектирования объемом 200 см³ с инжекторным вводом пробы определяемого вещества объемом 10 мкл микрошприцем непосредственно в ячейку [Selective piezoelectric odor sensor using molecularly imprinted polymers. Ji H-S., McNiven S., Ikebukuro K., Karube I. // Anal. Chim. Acta. 1999. V. 300. P. 93-100]. Сенсор перед проведением измерений выдерживают в потоке азота при расходе 0,2 дм³/мин до стабилизации аналитического сигнала. Затем подачу азота прекращают, в ячейку вводят 10 мкл раствора определяемого вещества и испаряют. Измерения аналитического сигнала прекращают, когда изменение частоты колебаний сенсора не превышает 1 Гц/мин.Known thermostatic detection cell with a volume of 200 cm ³ with injection injection of a sample of the analyte with a volume of 10 μl using a microsyringe directly into the cell [Selective piezoelectric odor sensor using molecularly imprinted polymers. Ji HS., McNiven S., Ikebukuro K., Karube I. // Anal. Chim. Acta. 1999. V. 300. P. 93-100]. The sensor before measurements is kept in a stream of nitrogen at a flow rate of 0.2 DM ³ / min until the analytical signal is stabilized. Then the nitrogen supply is stopped, 10 μl of the solution of the analyte is introduced into the cell and evaporated. Measurement of the analytical signal is terminated when the change in the oscillation frequency of the sensor does not exceed 1 Hz / min.

Недостатком ячейки является малый объем 200 см³, следовательно, невозможность определения веществ с низкими парциальными давлениями. Например, для приготовления пробы вещества с низким парциальным давлением при данной температуре потребуется ввести в ячейку такой малый объем пробы, при котором сигнал сенсора будет на уровне "шумов", либо настолько большой, что приведет к увеличению погрешности при введении пробы микрошприцем.The disadvantage of the cell is the small volume of 200 cm ³ , therefore, the inability to determine substances with low partial pressures. For example, to prepare a sample of a substance with a low partial pressure at a given temperature, it will be necessary to introduce into the cell such a small sample volume at which the sensor signal will be at the level of "noise" or so large that it will increase the error when the sample is introduced with a microsyringe.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту является ячейка для пьезоэлектрического сенсора, изготовленная из стекла и включающая систему разделения потока газа-носителя (или пробы) на два эквивалентных потока с целью их направления на обе стороны кварцевого сенсора. Устройство работает по следующей схеме. Лабораторный воздух компрессором подается в фильтр для удаления органических примесей и осушки. Далее осушенный лабораторный воздух разделяется на два равных потока, расход которых контролируется расходомером и поддерживается приблизительно на одинаковом уровне. Затем воздух проходит через две термостатируемые емкости: одна емкость пустая, другая содержит определяемое вещество. После термостатируемых емкостей поток воздуха с определяемым веществом или без него (контрольный режим работы) попадает на вход трехходового крана. Кран подключен одним патрубком к входу в сенсорную ячейку, другим связан с газопроводом, ведущим к очистительному угольному фильтру [Improved methodology for testing and characterization of piezoelectric gas sensor. Milanko O.S., Milinkovic S., Rajakovic L. // Anal. Chim. Acta. 1992. V. 264. P. 43-52]. The closest in technical essence and the achieved effect is a cell for a piezoelectric sensor made of glass and includes a system for dividing the carrier gas stream (or sample) into two equivalent flows with the aim of sending them to both sides of the quartz sensor. The device operates as follows. Laboratory air is pumped to the filter by a compressor to remove organic impurities and dry. Further, the dried laboratory air is divided into two equal flows, the flow rate of which is controlled by the flowmeter and is maintained at approximately the same level. Then the air passes through two thermostatically controlled containers: one container is empty, the other contains a detectable substance. After thermostatically controlled containers, the air flow with or without a defined substance (control mode of operation) enters the inlet of a three-way valve. The faucet is connected by one pipe to the entrance to the sensor cell, the other is connected to the gas pipeline leading to a carbon filter [Improved methodology for testing and characterization of piezoelectric gas sensor. Milanko O.S., Milinkovic S., Rajakovic L. // Anal. Chim. Acta. 1992. V. 264. P. 43-52].

Недостатками этой ячейки являются непригодность для точной количественной характеристики взаимодействия определяемого вещества с сорбентом, нанесенным на электроды пьезокварцевого сенсора, поскольку измеряются кратковременные сенсорные отклики по отношении к веществам с неизвестной концентрацией, а также отсутствие термостатирования ячейки. Кроме того, материал, из которого изготовлена ячейка, малопрочен, конструкция громоздка и включает компрессор для подачи пробы воздуха, содержащей определяемое вещество. The disadvantages of this cell are the unsuitability for accurate quantitative characterization of the interaction of the analyte with the sorbent deposited on the electrodes of the piezoelectric crystal, since short-term sensory responses are measured with respect to substances with unknown concentration, as well as the lack of temperature control of the cell. In addition, the material from which the cell is made is weak, the construction is cumbersome and includes a compressor for supplying an air sample containing the substance to be determined.

Задачей изобретения является создание сенсорной ячейки детектирования, позволяющей получать точную количественную оценку взаимодействия определяемого вещества с сорбентом, нанесенным на электроды пьезокварцевого сенсора, устранение мешающего влияния температуры окружающей среды на сигналы пьезосенсора, повышение прочности ячейки. The objective of the invention is to create a sensory detection cell, which allows to obtain an accurate quantitative assessment of the interaction of the analyte with the sorbent deposited on the electrodes of the piezoelectric crystal, eliminating the interfering effect of ambient temperature on the signals of the piezosensor, increasing the strength of the cell.

Поставленная задача достигается тем, что в сенсорной ячейке детектирования, состоящей из реакционной емкости, патрубков ввода, вывода воздуха и пробы, пьезокварцевого сенсора, новым является то, что реакционная емкость ячейки объемом 500 см³ выполнена из нержавеющей стали, снабжена рубашкой для термостатирования, внешняя сторона которой покрыта теплоизолирующим материалом, причем крышка с вмонтированным держателем для пьезокварцевого сенсора выполнена из того же материала, а патрубок для непосредственного ввода пробы в реакционную емкость ячейки снабжен силиконовой прокладкой.The problem is achieved in that in the detection sensor cell, consisting of a reaction vessel, inlet, air and sample outlets, a piezoelectric crystal, the novelty is that the reaction vessel of a 500 cm ³ cell is made of stainless steel, equipped with a jacket for thermostating, an external the side of which is covered with a heat-insulating material, and the lid with an integrated holder for the piezoelectric crystal is made of the same material, and the nozzle for direct injection of the sample into the reaction vessel The cell span is equipped with a silicone gasket.

Технический результат заключается в проведении измерений в статических условиях при температурах выше комнатной, выводе сенсорной ячейки на заданный режим работы за короткий период, упрощении аппаратурного оформления сенсорной ячейки за счет использования микрошприца для введения пробы, минимизации потерь пробы при вводе микрошприцем в реакционную емкость ячейки. The technical result consists in taking measurements in static conditions at temperatures above room temperature, bringing the sensor cell to a predetermined mode of operation in a short period, simplifying the hardware design of the sensor cell by using a microsyringe to inject the sample, and minimizing sample loss when the microsyringe is introduced into the reaction capacity of the cell.

Схема сенсорной ячейки детектирования представлена на чертеже. The circuit of the detection detection cell is shown in the drawing.

Сенсорная ячейка детектирования представляет собой цилиндр 1, выполненный из нержавеющей стали, объемом 500 см³ с крышкой 2, снабженный рубашкой для термостатирования 3 с двумя патрубками для ввода осушенного лабораторного воздуха 4 и вывода воздуха и пробы, регенерации сенсора 5. Внешняя сторона рубашки покрыта теплоизолирующим материалом, позволяющим снизить тепловые потери, следовательно, ускорить выход сенсорной ячейки на рабочий режим. Микрошприцем 6 через патрубок 7, снабженный силиконовой прокладкой для снижения потерь определяемого вещества, пробу вводят непосредственно в реакционную емкость ячейки, пьезосенсор 8 расположен в верхней части ячейки.The detection detection cell is a cylinder 1 made of stainless steel, with a volume of 500 cm ³ with a cover 2, equipped with a jacket for thermostating 3 with two nozzles for introducing dried laboratory air 4 and outputting air and sample, regenerating the sensor 5. The outer side of the jacket is covered with heat insulating material to reduce heat loss, therefore, to accelerate the output of the sensor cell to the operating mode. A microsyringe 6 through a pipe 7, equipped with a silicone gasket to reduce the loss of the analyte, the sample is injected directly into the reaction capacity of the cell, the piezosensor 8 is located in the upper part of the cell.

Сенсорная ячейка детектирования работает по следующей схеме. В реакционную емкость ячейки помещают предварительно подготовленный пьезокварцевый сенсор. Перед началом работы в рубашку через патрубки из термостата подают воду для вывода температуры ячейки на заданный уровень. Затем пьезокварцевый сенсор выдерживают в потоке осушенного лабораторного воздуха несколько минут до получения стабильного аналитического сигнала и измеряют показания сенсора. Микрошприцем отбирают пробу и через патрубок ввода, снабженный силиконовой прокладкой, вводят непосредственно в реакционную емкость ячейки. Секундомером отсчитывают время, по истечении которого сигнал пьезокварцевого сенсора не изменяется. Разность между сигналами пьезосенсора до и после ввода пробы служит характеристикой количественных определений. Для удаления пробы из реакционной емкости и регенерации пьезокварцевого сенсора патрубок открывают и подают осушенный лабораторный воздух до выхода сигнала сенсора на начальный уровень (до ввода пробы). После этого в ячейке можно проводить следующее измерение. The detection detection cell operates as follows. A pre-prepared piezoelectric crystal is placed in the reaction vessel of the cell. Before starting work, water is supplied to the jacket through the nozzles from the thermostat to bring the cell temperature to a predetermined level. Then the piezoelectric quartz sensor is kept in the flow of dried laboratory air for several minutes until a stable analytical signal is obtained and the sensor readings are measured. A sample is taken with a syringe and introduced directly into the reaction vessel of the cell through an inlet pipe equipped with a silicone gasket. The stopwatch counts the time after which the signal of the piezoelectric crystal does not change. The difference between the signals of the piezosensor before and after the introduction of the sample is a characteristic of quantitative determinations. To remove the sample from the reaction vessel and regenerate the piezoelectric crystal, the pipe is opened and dried laboratory air is supplied until the sensor signal reaches the initial level (before the sample is introduced). After that, the next measurement can be carried out in the cell.

Результаты сравнения характеристик предлагаемой сенсорной ячейки с прототипом представлены в таблице. The results of comparing the characteristics of the proposed sensor cell with the prototype are presented in the table.

Таким образом, предлагаемая сенсорная ячейка детектирования позволяет:
- проводить измерения в статическом режиме;
- повысить точность измерений за счет того, что статические условия (система непродувного типа) обеспечивают независимость получаемых результатов от скорости продвижения пробы воздуха в ячейке;
- проводить измерения при температурах выше комнатной и минимизировать негативное влияние флуктуации температуры окружающей среды на сигнал пьезосенсора, т.к. сенсорная ячейка снабжена термостатирующей рубашкой;
- предотвратить потери определяемого вещества, поскольку патрубок для ввода пробы в реакционную емкость ячейки снабжен силиконовой прокладкой, а материал (нержавеющая сталь) придает сенсорной ячейке необходимую прочность.Thus, the proposed sensor detection cell allows you to:
- take measurements in static mode;
- increase the accuracy of measurements due to the fact that static conditions (non-purge type system) ensure the independence of the results from the speed of advancement of the air sample in the cell;
- take measurements at temperatures above room temperature and minimize the negative impact of fluctuations in ambient temperature on the piezosensor signal, because the sensor cell is equipped with a thermostatic jacket;
- prevent the loss of the analyte, since the nozzle for introducing the sample into the reaction vessel of the cell is equipped with a silicone gasket, and the material (stainless steel) gives the sensor cell the necessary strength.

Claims

A detection detection cell, consisting of a reaction vessel, inlet, air and sample outlets, a piezoelectric crystal, characterized in that the reaction vessel of a 500 cm ³ cell is made of stainless steel, equipped with a thermostatic jacket, the outside of which is covered with heat insulating material, the lid being with an integrated holder for the piezoelectric crystal made of the same material, and the pipe for direct injection of the sample into the reaction vessel is equipped with a silicone gasket .