RU2247975C1

RU2247975C1 - Photo-ionization detector for gas-analysis equipment

Info

Publication number: RU2247975C1
Application number: RU2004107880/28A
Authority: RU
Inventors: В.Л. Будович (RU); В.Л. Будович; И.В. Симонов (RU); И.В. Симонов
Original assignee: ООО Бюро аналитического приборостроения ХРОМДЕТ-ЭКОЛОГИЯ
Priority date: 2004-03-18
Filing date: 2004-03-18
Publication date: 2005-03-10

Abstract

FIELD: instrument-making industry.

SUBSTANCE: detector has ultraviolet lamp with port for outputting ultraviolet radiation and ionization chamber. Inner volume of chamber is limited by space between surface of ultraviolet lamp port and surface of cylindrical bushing of electric-isolation material, having central inner channel. In the channel polarizing and collecting electrodes are mounted. Electrodes are made in form of rods. Outer surface of rods excluding ends, placed near end surface of bushing, is covered by layer of electric isolation material. Lamp on the side of port for outputting ultraviolet radiation is provided with cylindrical metallic cap. In middle portion of cap inner ring shelf is present, one surface of which is pressed to edges of lamp port, and another surface contacts end surface of bushing. Bushing is made of elastic polymer material and is screwed into hollow of cap, remote from lamp port.

EFFECT: higher efficiency.

4 cl, 3 dwg

Description

Изобретение относится к области аналитического приборостроения и может найти применение при контроле примесей веществ в газах и, в частности, в воздухе.The invention relates to the field of analytical instrumentation and may find application in the control of impurities in gases and, in particular, in air.

Известен фотоионизационный детектор, содержащий источник излучения - УФ-лампу с окном для вывода ультрафиолетового излучения, ионизационную камеру, размещенную напротив окна лампы, канал для подвода анализируемого газа в камеру, поляризующий и коллекторный электроды, установленные в объеме ионизационной камеры и разделенные изолятором, и канал для вывода газа, образованный зазором между изолятором и окном камеры (см. авт. свид. СССР N 1444659, G 01 N 27/62, 1987). Известный детектор может быть использован в газовых хроматографах, но не применим в газоанализаторах, работающих с принудительным отбором воздуха, где требуется обеспечение герметичности ионизационной камеры.A known photoionization detector containing a radiation source - a UV lamp with a window for outputting ultraviolet radiation, an ionization chamber located opposite the lamp window, a channel for supplying the analyzed gas to the chamber, polarizing and collector electrodes installed in the volume of the ionization chamber and separated by an insulator, and a channel for gas outlet formed by the gap between the insulator and the camera window (see ed. certificate of the USSR N 1444659, G 01 N 27/62, 1987). The known detector can be used in gas chromatographs, but is not applicable in gas analyzers working with forced air sampling, where the tightness of the ionization chamber is required.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков к предлагаемому детектору является фотоионизационный детектор, выпускаемый предприятием ХРОМДЕТ-ЭКОЛОГИЯ в составе газоанализатора КОЛИОН-1. Детектор содержит УФ-лампу с окном для вывода УФ-излучения, ионизационную камеру, внутренний объем которой ограничен пространством между поверхностью окна и торцевой поверхностью цилиндрической втулки из электроизоляционного материала, установленной напротив окна с зазором по отношению к его поверхности, поляризующий и коллекторный электроды, установленные в центральном канале, выполненном в цилиндрической втулке из электроизоляционного материала, и линии для подвода и вывода газа, соединенные с центральным каналом втулки (см. Инструкцию по эксплуатации газоанализатора КОЛИОН-1, М.: ХРОМДЕТ-ЭКОЛОГИЯ, 1997 г.).The closest set of essential features to the proposed detector is a photoionization detector, manufactured by the company CHROMDET-ECOLOGY as part of the KOLION-1 gas analyzer. The detector contains a UV lamp with a window for outputting UV radiation, an ionization chamber, the internal volume of which is limited by the space between the window surface and the end surface of the cylindrical sleeve of electrical insulation material, installed opposite the window with a gap with respect to its surface, polarizing and collector electrodes installed in the central channel made in a cylindrical sleeve made of insulating material, and gas supply and output lines connected to the central channel of the sleeve (see Instrument instruction on the operation of the KOLION-1 gas analyzer, M .: CHROMDET-ECOLOGY, 1997).

Недостатком известного детектора является то, что при анализе воздуха с высокой относительной влажностью (более 70%) на поверхности электроизоляционного материала втулки, разделяющего электроды, образуется тонкая пленка воды, и возникают токи утечки, приводящие к увеличению тока между электродами, т.е. к появлению ложного сигнала. Этот недостаток особенно ощутим при минимизации внутреннего объема ионизационной камеры, когда расстояние между электродами по поверхности электроизоляционного материала втулки не превышает 5 мм.A disadvantage of the known detector is that when analyzing air with high relative humidity (more than 70%), a thin film of water forms on the surface of the insulating material of the sleeve separating the electrodes, and leakage currents occur, leading to an increase in the current between the electrodes, i.e. to the appearance of a false signal. This disadvantage is especially noticeable when minimizing the internal volume of the ionization chamber, when the distance between the electrodes on the surface of the insulating material of the sleeve does not exceed 5 mm.

Задача изобретения состояла в исключении влияния влажности анализируемого воздуха на сигнал фотоионизационного детектора при одновременном уменьшении внутреннего объема ионизационной камеры и обеспечении ее герметичности.The objective of the invention was to eliminate the influence of humidity of the analyzed air on the signal of the photoionization detector while reducing the internal volume of the ionization chamber and ensuring its tightness.

Указанная задача решается тем, что предложен фотоионизационный детектор для газоаналитической аппаратуры, содержащий УФ-лампу с окном для вывода УФ-излучения, ионизационную камеру, внутренний объем которой ограничен пространством между поверхностью окна и поверхностью цилиндрической втулки из электроизоляционного материала, имеющей центральный внутренний канал и установленной напротив окна с зазором по отношению к его поверхности, поляризующий и коллекторный электроды, установленные в центральном канале втулки, и каналы для подвода и вывода анализируемого газа, соединенные с центральным каналом втулки, в котором, согласно изобретению, электроды выполнены в виде стержней, внешняя поверхность которых за исключением концов, размещенных вблизи торцевой поверхности втулки напротив окна лампы, покрыта слоем электроизоляционного материала, причем электроды установлены параллельно друг другу, а внешние поверхности слоев электроизоляционного материала, служащего покрытием электродов, отделены друг от друга зазором.This problem is solved by the fact that a photoionization detector for gas analysis equipment is proposed, comprising a UV lamp with a window for outputting UV radiation, an ionization chamber, the internal volume of which is limited by the space between the window surface and the surface of the cylindrical sleeve of an insulating material having a central inner channel and installed opposite the window with a gap with respect to its surface, polarizing and collector electrodes installed in the central channel of the sleeve, and channels for supply a and the output of the analyzed gas, connected to the Central channel of the sleeve, in which, according to the invention, the electrodes are made in the form of rods, the outer surface of which, with the exception of the ends located near the end surface of the sleeve opposite the lamp window, is covered with a layer of electrical insulation material, the electrodes being parallel to each other to each other, and the outer surfaces of the layers of electrical insulating material serving as a coating of the electrodes are separated from each other by a gap.

Благодаря отмеченным выше особенностям выполнения электродов, активные (не изолированные) концы электродов, между которыми протекает ионизационный ток, находятся на небольшом расстоянии друг от друга (менее 5 мм), но отделены друг от друга по поверхности изоляционного материала относительно большим по длине участком этой поверхности (более 30 мм). Это приводит к тому, что даже, если на поверхности изоляционного материала, покрывающего большую часть электродов, образуется тонкая пленка воды, токи утечки составляют ничтожно малую величину (на уровне долей пикоампера) и практически не сказывается на полезном сигнале.Due to the above-mentioned features of the design of the electrodes, the active (not isolated) ends of the electrodes between which the ionization current flows are located at a small distance from each other (less than 5 mm), but are separated from each other by the surface of the insulating material with a relatively large portion of this surface (more than 30 mm). This leads to the fact that even if a thin film of water forms on the surface of the insulating material covering most of the electrodes, the leakage currents are negligible (at the level of picoampere fractions) and practically do not affect the useful signal.

Другим отличием детектора является то, что УФ-лампа со стороны окна для вывода излучения снабжена металлическим цилиндрическим цоколем, часть внутренней поверхности которого охватывает боковую поверхность лампы и герметично соединена с ней, а в средней части цоколя выполнен внутренний кольцевой выступ, одна поверхность которого плотно прижата к краям окна УФ-лампы, а другая поверхность выступа контактирует с торцевой поверхностью втулки из электроизоляционного материала, причем часть внутренней поверхности цоколя, удаленная от лампы, герметично охватывает внешнюю боковую поверхность втулки из электроизоляционного материала.Another feature of the detector is that the UV lamp on the side of the window for outputting radiation is equipped with a metal cylindrical base, part of the inner surface of which covers the side surface of the lamp and is hermetically connected to it, and in the middle part of the base there is an inner annular protrusion, one surface of which is tightly pressed to the edges of the window of the UV lamp, and the other surface of the protrusion is in contact with the end surface of the sleeve of insulating material, and part of the inner surface of the cap, remote from the lamp , tightly covers the outer side surface of the sleeve of insulating material.

Еще одним отличием детектора является то, что в качестве электроизоляционного материала втулки использован полимерный материал, причем на внутренней поверхности цоколя, охватывающей втулку, выполнена резьба, служащая для герметичного соединения цоколя со втулкой, а на поверхности внутреннего кольцевого выступа цоколя, обращенной к втулке, выполнен кольцевой выступ, имеющий заостренную кромку и служащий для герметизации внутреннего объема ионизационной камеры.Another difference of the detector is that a polymeric material is used as the insulating material of the sleeve, and on the inner surface of the base covering the sleeve, a thread is used to seal the base with the sleeve, and on the surface of the inner annular protrusion of the base facing the sleeve, an annular protrusion having a pointed edge and serving to seal the internal volume of the ionization chamber.

Указанные особенности выполнения детектора обеспечивают надежную герметичность ионизационной камеры детектора при минимальном ее объеме.These features of the detector provide reliable tightness of the ionization chamber of the detector with a minimum volume.

При этом значительно упрощается сборка элементов детектора.This greatly simplifies the assembly of detector elements.

В числе отличий детектора следует отметить то, что на цоколь лампы со стороны втулки надет цилиндрический металлический кожух, окружающий внешнюю поверхность втулки и экранирующий электроды ионизационной камеры от воздействия внешних электрических полей.Among the differences of the detector, it should be noted that a cylindrical metal casing is placed on the lamp base from the side of the sleeve, which surrounds the outer surface of the sleeve and shields the electrodes of the ionization chamber from external electric fields.

Сущность изобретения поясняется чертежами.The invention is illustrated by drawings.

На фиг.1 изображен предлагаемый детектор в продольном разрезе.Figure 1 shows the proposed detector in longitudinal section.

На фиг.2 представлен вид детектора в разрезе А-А фиг.1.In Fig.2 presents a view of the detector in section aa of Fig.1.

На фиг.3 представлен вид детектора в разрезе В-В фиг.1.In Fig.3 presents a view of the detector in section bb In Fig.1.

Фотоионизационный детектор содержит УФ-лампу 1 с окном 2 для вывода УФ-излучения. В качестве примера выполнения на чертежах представлена газоразрядная УФ-лампа 1 с электродами 3 и 4, установленными во внутреннем объеме. Однако в данном детекторе может быть использована и безэлектродная газоразрядная УФ-лампа, в которой разряд, служащий источником УФ-излучения возбуждается с помощью высокочастотного индуктивного или емкостного генератора (не показаны). На корпусе лампы 1 со стороны окна закреплен металлический цилиндрический цоколь 5, который соединен частью своей внутренней поверхности с внешней поверхностью лампы 1 с помощью клея, например эпоксидного компаунда.The photoionization detector contains a UV lamp 1 with a window 2 for outputting UV radiation. As an example, the drawings show a UV discharge lamp 1 with electrodes 3 and 4 installed in the internal volume. However, an electrodeless gas discharge UV lamp can also be used in this detector, in which a discharge serving as a source of UV radiation is excited using a high-frequency inductive or capacitive generator (not shown). A metal cylindrical base 5 is fixed to the lamp housing 1 from the window side, which is connected by a part of its inner surface to the outer surface of the lamp 1 with glue, such as an epoxy compound.

В средней части цоколя 5 имеется внутренний кольцевой выступ 6, одна поверхность которого плотно прижата к краям окна 2 для вывода УФ-излучения из лампы 1, а другая поверхность выступа 6 контактирует с торцевой поверхностью втулки 7 из электроизоляционного материала. В качестве материала втулки 7 использован эластичный полимерный материал, предпочтительно фторопласт. На внутренней поверхности цоколя 5 выполнена резьба таким образом, что втулка 7 ввинчивается в полость цоколя 5 и своим торцом прижимается к поверхности кольцевого выступа 6, имеющего заостренную кромку 8. Пространство между поверхностью окна 2 и внутренней поверхностью втулки 7 образует внутренний объем ионизационной камеры 9. В центральной части втулки 7 выполнен канал 10, в котором установлены электроды 11, один из которых служит в качестве поляризующего электрода, а другой служит в качестве коллекторного электрода. Электроды 11 выполнены в виде тонких стержней 12, внешняя поверхность которых за исключением концов 13, установленных вблизи торцевой поверхности втулки 7, покрыта слоем 14 электроизоляционного материала, например фторопласта. В теле втулки 7 выполнены канал 15 для подвода анализируемого газа (воздуха), соединенный с центральным каналом 10 втулки 7, в котором установлены электроды 11, и канал 16 для вывода анализируемого газа из объема ионизационной камеры 9. Каналы 15 и 16 соединены с соответствующими патрубками 17 и 18 для подвода и вывода анализируемого газа. Электроды 11 соединены с соответствующими кабелями 19 и 20, один из которых (19) соединен с источником питания, а второй (20) соединен с электрометрическим усилителем (не показаны). Электроды 11 установлены параллельно друг другу таким образом, что внешние поверхности слоев 14 электроизоляционного материала, служащих внешним покрытием электродов 11, отделены друг от друга зазором (см. фиг.3). Активные (неизолированные) концы 13 электродов 11, между которыми в процессе работы детектора протекает ионизационный ток, находятся на небольшом расстоянии друг от друга (менее 5 мм). При этом они отделены друг от друга по поверхности изоляционных слоев 14 достаточно большим по длине участком этой поверхности (более 30 мм), что обеспечивает высокое электрическое сопротивление и способствует существенному уменьшению токов утечки даже при высокой влажности анализируемого воздуха.In the middle part of the cap 5 there is an inner annular protrusion 6, one surface of which is tightly pressed against the edges of the window 2 to output UV radiation from the lamp 1, and the other surface of the protrusion 6 is in contact with the end surface of the sleeve 7 of electrical insulating material. As the material of the sleeve 7, an elastic polymeric material, preferably fluoroplastic, is used. The thread is made on the inner surface of the base 5 so that the sleeve 7 is screwed into the cavity of the base 5 and is pressed against the surface of the annular protrusion 6 having a pointed edge 8. The space between the surface of the window 2 and the inner surface of the sleeve 7 forms the internal volume of the ionization chamber 9. In the central part of the sleeve 7, a channel 10 is made in which electrodes 11 are installed, one of which serves as a polarizing electrode, and the other serves as a collector electrode. The electrodes 11 are made in the form of thin rods 12, the outer surface of which, with the exception of the ends 13 installed near the end surface of the sleeve 7, is covered with a layer 14 of an insulating material, for example fluoroplastic. In the body of the sleeve 7, a channel 15 for supplying the analyzed gas (air) is made, connected to the central channel 10 of the sleeve 7, in which the electrodes 11 are installed, and a channel 16 for withdrawing the analyzed gas from the volume of the ionization chamber 9. Channels 15 and 16 are connected to the corresponding nozzles 17 and 18 for the supply and output of the analyzed gas. The electrodes 11 are connected to the corresponding cables 19 and 20, one of which (19) is connected to a power source, and the second (20) is connected to an electrometric amplifier (not shown). The electrodes 11 are mounted parallel to each other so that the outer surfaces of the layers 14 of the insulating material serving as the outer coating of the electrodes 11 are separated from each other by a gap (see figure 3). The active (uninsulated) ends 13 of the electrodes 11, between which during the operation of the detector an ionization current flows, are at a small distance from each other (less than 5 mm). Moreover, they are separated from each other by the surface of the insulating layers 14 with a sufficiently large portion of the surface (more than 30 mm), which provides high electrical resistance and contributes to a significant reduction in leakage currents even at high humidity of the analyzed air.

На цоколь 5 лампы 1 со стороны втулки 7 надет цилиндрический металлический кожух 21, окружающий внешнюю поверхность втулки 7 и экранирующий электроды 11 ионизационной камеры 9 от воздействия внешних электрических полей. Кожух 21 прижат к цоколю 5 с помощью хомута 22.On the cap 5 of the lamp 1 from the side of the sleeve 7 is put on a cylindrical metal casing 21 surrounding the outer surface of the sleeve 7 and the shielding electrodes 11 of the ionization chamber 9 from the action of external electric fields. The casing 21 is pressed against the cap 5 with the clamp 22.

Детектор работает следующим образом.The detector operates as follows.

Поток анализируемого газа (воздуха) поступает в ионизационную камеру 9 по каналу 15 под воздействием микрокомпрессора (не показан), соединенного с патрубком 18. Под действием УФ-излучения, поступающего в ионизационную камеру 9 из УФ-лампы 1 через окно 2, в ионизационной камере 9 осуществляется ионизация молекул компонентов анализируемого газа, имеющих энергию ионизации, меньшую энергии фотонов. Образовавшиеся при этом ионы и электроны движутся в электрическом поле к активным участкам-краям 13 электродов и создают токовый сигнал, пропорциональный концентрации молекул ионизируемых компонентов анализируемого газа. Благодаря тому, что расстояние между активными (неизолированными) участками (концами) 13 электродов 11 по поверхности изоляционным слоем 14 составляет более 30 мм, токи утечки чрезвычайно малы (на уровне долей пикоампера) даже при значительной (более 80%) относительной влажности анализируемого газа (воздуха). Это практически не искажает величину полезного сигнала детектора.The flow of the analyzed gas (air) enters the ionization chamber 9 through channel 15 under the influence of a microcompressor (not shown) connected to the nozzle 18. Under the action of UV radiation entering the ionization chamber 9 from the UV lamp 1 through window 2, in the ionization chamber 9, the ionization of molecules of the components of the analyzed gas is carried out, having an ionization energy lower than the photon energy. The ions and electrons formed in this case move in an electric field to the active sites at the edges of the 13 electrodes and create a current signal proportional to the concentration of molecules of the ionized components of the analyzed gas. Due to the fact that the distance between the active (non-insulated) sections (ends) 13 of the electrodes 11 over the surface of the insulating layer 14 is more than 30 mm, the leakage currents are extremely small (at the level of picoamperes) even with significant (over 80%) relative humidity of the analyzed gas ( air). This practically does not distort the value of the useful signal of the detector.

Claims

1. A photoionization detector for gas analysis equipment, comprising a UV lamp with a window for outputting UV radiation, an ionization chamber, the internal volume of which is limited by the space between the window surface and the surface of the cylindrical sleeve of electrical insulation material having a central inner channel and installed opposite the window with a gap of relative to its surface, polarizing and collector electrodes installed in the Central channel of the sleeve, and channels for supplying and outputting the analyzed gas, connected with a central channel of the sleeve, characterized in that the electrodes are made in the form of rods, the outer surface of which, with the exception of the ends placed near the end surface of the sleeve opposite the lamp window, is covered with a layer of insulating material, the electrodes being parallel to each other and the outer surfaces of the layers of insulating material serving coated electrodes, separated by a gap.

2. The detector according to claim 1, characterized in that the UV lamp on the side of the window for outputting UV radiation is provided with a metal cylindrical base, a part of the inner surface of which covers the side surface of the lamp and is hermetically connected to it, and an inner ring is made in the middle part of the base a protrusion, one surface of which is tightly pressed against the edges of the window of the UV lamp, and the other surface of the protrusion is in contact with the end surface of the sleeve of insulating material, and a part of the inner surface of the cap, remote from the lamp, ermetichno covers the outer lateral surface of the sleeve of electrically insulating material.

3. The detector according to claim 2, characterized in that an elastic polymer material is used as the insulating material of the sleeve, moreover, a thread is made on the inner surface of the base covering the sleeve, which serves to tightly connect the base and the sleeve, and on the surface of the inner annular protrusion of the base, facing the sleeve, an annular protrusion is made, having a pointed edge and serving to seal the internal volume of the ionization chamber.

4. The detector according to claim 2 or 3, characterized in that a cylindrical metal housing is worn on the lamp base from the side of the sleeve, surrounding the outer surface of the sleeve and shielding the electrodes of the ionization chamber from external electric fields.