Устройство регулятора потока для аналитической схемы и его использование в хроматографии

Устройство регулятора потока для аналитической схемы содержит дросселирующее средство (R) для текучей среды с длиной и диаметром, соответствующими области применения аналитической схемы, регулятор (2) прямого давления, установленный выше по потоку относительно дросселирующего средства (R), регулятор (4) обратного давления, установленный ниже по потоку относительно дросселирующего средства (R). Использование указанного регулятора в дросселирующей схеме, в схеме управления разделением и многоколонковой аналитической схеме позволяет снизить погрешность анализа. 4 н. и 6 з.п. ф-лы, 4 ил.

 

Данное изобретение касается устройства регулятора потока для аналитической схемы и его использования в хроматографии.

В области хроматографии часто требуется управлять потоком, протекающим через аналитическую схему, для поддерживания его постоянным и для его изменения требуемым образом для аналитических целей.

Требование поддержания потока постоянным в течение хроматографического анализа связано с тем, что гидродинамический напор колонки изменяется с изменением температуры во время анализа, требование вместо этого изменять поток заданным образом связано с необходимостью подвергать пробу различным методам анализа.

С целью управления потоком через колонку аналитической схемы в настоящее время последовательно с колонкой используют регулятор давления. Для этой цели предусматривают управляющую программу, которая изменяет давление газа таким образом, чтобы компенсировать изменения напора колонки, обусловленные, например, колебаниями температуры, которые, в свою очередь, связаны, например, с программой анализа.

Недостатком этой системы является то, что она строго связана с характеристиками колонок и не обеспечивает общее решение проблемы, вызванной отличиями одной колонки от другой.

Также известен существующий регулятор потока в форме регулятора массового потока, предназначенный для подсоединения выше по потоку относительно колонки. Он основан на охлаждающем действии, обеспечиваемом потоком газа, который ударяется о горячую нить накала. Поскольку степень охлаждающего действия зависит от потока газа, потоком можно управлять посредством управления температурой упомянутой нити накала.

Недостаток этого регулятора потока заключается в том, что, будучи чувствительным к потоку газа, он также является чувствительным к газовым константам; в результате этого изменение температуры нити накала не только означает изменение скорости потока газа, подвергаемого анализу, но также может зависеть от изменения состава газа; следовательно, регулятор этого типа нельзя использовать в аналитической схеме, функция которой состоит в точном определении состава газа.

ЕР 0721156 А раскрывает устройство регулятора потока для аналитической схемы, содержащее дросселирующее средство и регулятор прямого давления, расположенный выше по потоку относительно дросселирующего средства.

Целью изобретения является обеспечить устройство регулятора потока, которое не содержит вышеупомянутые недостатки.

Другой целью изобретения является обеспечить устройство регулятора потока, которое можно эффективно использовать в схемах, в которых могут встречаться изменения состава газа, подвергаемого анализу.

Эти и дополнительные цели, которые будут очевидны из последующего описания, достигнуты согласно изобретению с помощью устройства регулятора потока для аналитической схемы, как описано в п.1 формулы изобретения.

Ниже подробно описан предпочтительный вариант осуществления изобретения вместе с некоторыми из его особенно предпочтительных применений в области хроматографии, со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

фиг.1 представляет схематический вид устройства согласно изобретению,

фиг.2 - схема использования устройства согласно изобретению для формирования стандартной дросселирующей схемы,

фиг.3 - схема использования устройств по изобретению для электронного управления разделением в газовом хроматографе, и

фиг.4 схематично изображает использование устройства согласно изобретению в многоконтурной аналитической схеме для осуществления переключения хроматографа.

Как можно заметить из чертежей, устройство регулятора потока согласно изобретению содержит дросселирующее средство R для текучей среды с постоянными характеристиками, которое может содержать, например, отрезок трубы длиной L и диаметром D, представляющей на своем впускном конце давление P_i, а на своем выпускном конце давление Р_u≤P_i.

Длина L и внутренний диаметр D дросселирующего средства R выбраны в соответствии с применением аналитической схемы, и более конкретно, в соответствии с требуемыми рабочими интервалами потока, получаемого посредством дросселирующего средства R.

Как известно из формулы Пуазейля, поток F газа, протекающего с очень низкой линейной скоростью через дросселирующее средство R, между концами которого имеется перепад давления АР=P_i-Р_u, задается следующим выражением:

F=k(P_i ²-P_u ²)/P_u

в котором k=k'D⁴/ηL

где k' - коэффициент пропорциональности, D - диаметр трубы, L - ее длина, а η - вязкость газа.

В регуляторе потока согласно изобретению на концах дросселирующего средства R используют два регулятора 2 и 4 для регулирования давлений P_i и Р_u на его соответствующих концах.

Более конкретно, что касается направления F потока, то находящийся выше по потоку регулятор 2 является прямым регулятором, тогда как находящийся ниже по потоку регулятор 4 является регулятором обратного давления.

Прямой регулятор 2 выполнен в виде пропорционального клапана 6 с электронным управлением, способного уменьшать размер своего канала, когда давление P_i в контрольной точке, которая расположена ниже по потоку относительно клапана, превышает заданное значение. Таким образом, клапан 6 автоматически возвращает давление P_i к заданному значению.

Регулятор 4 обратного давления представляет собой пропорциональный клапан 8 с электронным управлением, способный увеличивать размер своего канала, когда давление Р_u в контрольной точке, которая расположена выше по потоку относительно клапана, превышает заданное значение.

В этом случае снова клапан 8 автоматически возвращает давление Р_u к заданному значению.

Существуют различные способы электронного управления пропорциональными клапанами 6 и 8. Один из этих способов, предпочтительно применяемых в устройстве согласно изобретению, состоит в том, чтобы использовать программу, разработанную для процессора Scorpion 128K Controller-5521, разработанного и продаваемого компанией Microrobotics Ltd, Кембридж.

На основании вышеописанной конфигурации схемы величинами давлений P_i и Р_u можно управлять независимо, а следовательно, для равных температур поддерживать равномерное течение, проходящее через дросселирующее средство R, определяя контролируемые величины давлений на его концах.

Как показано на фиг.1, если давление P_i падает ниже заданного значения, клапан 6 открывается в большей степени, чтобы перейти к увеличенному давлению и таким образом восстановить равновесие.

Если вместо этого понижается давление Р_u, клапан 8 закрывается, снижая выпуск от точки измерения наружу, и снова равновесие восстанавливается.

Объединенный эффект от двух независимых регулирований обеспечивает возможность управления потоком газа через дросселирующее средство R, используя два регулирования давления и правильное применение формулы Пуазейля (которая фактически принимает различные воплощения относительно линейной скорости газа).

Следует отметить, что формула Пуазейля фактически известна для определения величины потока газа, если известен перепад давления на схемном элементе, пересекаемом упомянутым потоком газа, однако, для регулирования потока газа два регулятора давления различного типа никогда не использовали.

Благодаря возможности легко и в то же самое время точно управлять потоком газа, устройство согласно изобретению подходит для благоприятного использования в различных химических и промышленных областях, и в частности, в типичных хроматографических применениях, таких как стандартная дросселирующая схема, схема с электронным управлением для разделения газа в хроматографической колонке и схема управления для отключения колонок в многоколонковой аналитической системе.

Стандартная дросселирующая схема

В области хроматографии часто требуется получать предварительно заданные концентрации газообразной пробы при различных концентрациях, но при строго постоянных скоростях потока, которые затем используют в количественных определениях.

Для этой цели используется баллон 10 со сжатым газом, например метаном, с известной стандартной концентрацией, например 6 ppm (число частей на миллион), в гелии.

Из схемы по фиг.2 можно заметить, что газ из баллона 10 проходит через устройство согласно изобретению, обозначенное в общем ссылочной позицией 12 и содержащее дросселирующее средство R₁, вставленное между регулятором 2 прямого давления, находящимся выше по потоку, и регулятором 4 обратного давления, находящимся ниже по потоку.

Характеристики сужающего устройства R₁ и заданные значения двух давлений Р_i1 и P_u1 выбирают так, чтобы поток F₁ газа через устройство 12 регулятора составлял, например, 200 мл/мин.

Стандартная дросселирующая схема также содержит другой баллон 14, содержащий реальный газ, в котором рассеян метан, а именно чистый гелий. От этого баллона проходят n отдельных ветвей через дополнительные n устройств 12 регуляторов потока согласно изобретению с n дросселирующими средствами R₂, R₃,..., R_n+1.

Допустим, что F₂, F₃,..., F_n+1 представляют собой скорости потоков газа, проходящих через эти n устройств 12 и затем через средство для смешивания вместе потоков, покидающих упомянутые ветви.

Для наглядности предположим, что устройства 12 регуляторов одинаковые, и, следовательно, все скорости потоков F₁, F₂, F₃,..., F_n+1 равны 200 мл/мин, хотя это ограничение никоим образом не является существенным.

Если поток, покидающий дросселирующую схему, обозначить F_u, то сразу видно, что если n ветвей закрыты, F_u=F₁=200 мл/мин, а концентрация метана в гелии составляет 6 ppm.

Если одна ветвь, например, содержащая дросселирующее средство R₂, является открытой, а другие ветви закрыты, то F_u=F₁+F₂=400 мл/мин, а концентрация составляет 3 ppm.

Если открытыми являются две ветви, например, содержащие дросселирующее средство R₂ и R₃, а остальные закрыты, F_u=F₁+F₂+F₃=600 мл/мин, а концентрация метана составляет 2 ppm, и так далее.

Каждая ветвь может быть закрыта посредством воздействия, например, на связанный с ней регулятор 4 обратного давления.

Поскольку также имеются другие ветви, очевидно, что изменяя их количество и изменяя характеристики, определяемые каждым регулятором потока, и начиная с единственного газового баллона 10 стандартной концентрации, можно получить практически любую более низкую величину концентрации образца без необходимости изменять скорость суммарного потока.

Схема управления разделением

Фиг.3 схематично иллюстрирует аналитическую схему с колонкой 20, подлежащей введению в печь для хроматографического анализа.

Схема содержит баллон 22 транспортного газа, устройство 12 регулятора потока согласно изобретению, инжектор 24, в который подается газ, подвергаемый анализу, схему 26 продувки и схему 28 разделения, которая проходит от инжектора 24, и аналитическую схему, содержащую анализируемую колонку 20 и выходной детектор 30.

И схема 26 продувки, и схема 28 разделения содержит дросселирующее средство R_p и R_s и регулятор 4 обратного давления, установленный ниже по потоку относительно упомянутого дросселирующего средства R_p и R_s.

Поскольку в инжекторе 24 обеспечено управление P_inj прямого давления, он формирует с этими двумя схемами 26 и 28 два устройства регулятора в соответствии с изобретением.

При работе входное устройство регулятора управляет потоком F_т, тогда как другие два устройства регулятора 24-26 и 24-28 управляют продувочным потоком F_p и отделяемым потоком F_s соответственно, и таким образом, они также косвенно управляют потоком F_c в колонке, которым управляют не прямо, потому что компоненты, подлежащие анализированию, проходят в колонку с очень маленькой концентрацией, и легко представить себе загрязнение этих проб при их прохождении через распределители регулятора, содержащие прокладки.

Многоколонковая аналитическая схема

В газовой хроматографии часто бывает необходимо использовать аналитические схемы, содержащие несколько колонок, которые должны обеспечивать возможность исключения в тех случаях, в которых их наличие может вносить изменение в использование других. Поэтому такие схемы должны быть снабжены отсечными клапанами, способными выборочно исключать одну или более колонок, и в то же самое время они должны быть обеспечены средством, способным предотвращать при исключении одной или более колонок какое-либо изменение в скорости потока газа, проходящего через неисключенные колонки.

Из этого следует, что если в аналитической схеме произведено отключение колонки на основании аналитических требований, это приводит к модификации схемы и изменению потока газа через неисключенные колонки. Для сохранения первоначального режима давление в различных частях схемы должно быть изменено так, чтобы в итоге первоначальные условия были восстановлены с некоторой задержкой переходного процесса, которая в дополнение к замедлению измерения может также приводить к его изменению из-за возможной потери значительных данных в течение фазы переходного процесса.

Помимо этого, при хроматографических исследованиях, в которых используются элементы, чувствительные к изменениям в газовом потоке, воздействию которого они подвергаются (например, чувствительные элементы TCD (термокомпенсированные стабилитроны)), важно, чтобы во время проведения анализа не было изменений потока, которые могут изменять измерения.

Следовательно, в многоколонковых аналитических схемах есть польза и от поддержания постоянным давления транспортного газа во время переключения колонки для предотвращения, или по меньшей мере снижения, упомянутых переходных процессов, и от поддержания постоянным потока транспортного газа, чтобы не изменять реакцию чувствительного элемента.

До настоящего времени этого достигали либо посредством использования калиброванных гидравлических дросселирующих средств, которые, следовательно, имеют чрезмерную жесткость, поскольку их характеристики никоим образом не могут быть видоизменены, либо посредством использования игольчатых клапанов, регулируемых вручную оператором, который поэтому должен обладать соответствующими техническими знаниями и заслуживающей доверия квалификацией.

Многоколонковая аналитическая схема, иллюстрируемая на фиг.4, эффективно преодолевает эти ограничения при помощи устройства регулятора потока в соответствии с изобретением.

В этой схеме используют в качестве дросселирующего средства R устройства регулятора непосредственно существующую многоколонковую аналитическую схему C₁...С_n, которая поэтому вставлена между регулятором 2 прямого давления (находящимся выше по потоку) и регулятором 4 обратного давления (находящимся ниже по потоку).

Для целей функционирования схемы детектор 30 схемы можно располагать либо выше по потоку, либо ниже по потоку относительно регулятора 4 обратного давления, даже если с практической точки зрения желательно его устанавливать ниже по потоку, чтобы оставлять два регулятора 2 и 4 вне печи, в которую должна быть введена аналитическая схема C₁...С_n.

Это специальное использование устройства регулятора согласно изобретению особенно предпочтительно, поскольку оно обуславливает работу детектора 30 при установившемся потоке, и в то же самое время обуславливает работу колонок C₁...С_n при постоянном давлении; следовательно, все погрешности, вызываемые изменениями потока, проходящего через детектор, исключаются, и в то же время благодаря устранению переходных процессов при отключении колонок время, требуемое для аналитического анализа, значительно уменьшается, позволяя получать хроматограммы со значительным снижением погрешностей системы.

1. Устройство регулятора потока для аналитической схемы, отличающееся тем, что содержит

дросселирующее средство (R) для текучей среды с длиной и диаметром, соответствующим области применения аналитической схемы,

регулятор (2) прямого давления, установленный выше по потоку относительно упомянутого дросселирующего средства (R), дополнительно содержит

регулятор обратного давления, установленный ниже по потоку относительно упомянутого дросселирующего средства (R).

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что дросселирующее средство (R) для текучей среды содержит отрезок трубы постоянного диаметра.

3. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регулятор (2) прямого давления содержит пропорциональный клапан (6) с электронным управлением на основании давления (Р_i), существующего ниже по потоку относительно упомянутого клапана (6), по направлению потока, протекающего через дросселирующее средство (R) для текучей среды.

4. Устройство по п.1, отличающееся тем, что регулятор (4) обратного давления содержит пропорциональный клапан (8) с электронным управлением на основании давления (Р_u), существующего выше по потоку относительно упомянутого клапана (8), по направлению потока, протекающего через дросселирующее средство (R) для текучей среды.

5. Дросселирующая схема, в которой используются устройства регулятора потока по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что содержит

ветвь, пересекаемую известным установившимся потоком газовой пробы с известной стандартной концентрацией,

по меньшей мере одну дополнительную ветвь, пересекаемую известным установившимся потоком того же газа, в котором рассеяна упомянутая газовая проба, причем упомянутая дополнительная ветвь обеспечена средством отключения,

устройство (12) регулятора потока, включенное в каждую из упомянутых ветвей,

средство для смешивания вместе потоков, покидающих упомянутые ветви.

6. Схема по п.5, отличающаяся тем, что содержит множество упомянутых дополнительных ветвей, которые связаны с единственным источником (14) газа и пересекаются одинаковыми потоками упомянутого газа.

7. Схема управления разделением, в которой используются устройства регулятора потока по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что содержит

устройство (22) подачи транспортного газа,

инжектор (24), в который подаются упомянутый транспортный газ и газ, подвергаемый анализу,

устройство (12) регулятора потока, расположенное между упомянутым устройством (22) подачи и упомянутым инжектором (24),

средство для управления давлением в инжекторе (24),

схему (26) продувки, проходящую от инжектора (24),

регулятор (4) обратного давления, включенный в схему (26) продувки,

дросселирующее средство (R_p) для текучей среды, включенное в схему (26) продувки между инжектором (24) и регулятором (4) обратного давления,

схему (28) разделения, проходящую от инжектора (24),

регулятор (4) обратного давления, включенный в схему (28) разделения,

дросселирующее средство (R_s) для текучей среды, включенное в схему (28) разделения между инжектором (24) и регулятором (4) обратного давления, причем схема (26) продувки и схема (28) разделения формируют с инжектором (24) два отдельных регулятора потока.

8. Многоколонковая аналитическая схема, в которой используется устройство регулятора потока по любому из пп.1-4, отличающаяся тем, что дросселирующее средство для текучей среды содержит множество колонок (C₁, C₂,..., С_n) непосредственно аналитической схемы.

9. Схема по п.8, отличающаяся тем, что она снабжена детектором (30), установленным ниже по потоку относительно упомянутого регулятора (4) обратного давления.

10. Схема по п.8, отличающаяся тем, что она снабжена детектором (30), установленным выше по потоку относительно регулятора (4) обратного давления.