Устройство для определения наличия микропримесей веществ в газах

Устройство для определения наличия микропримесей веществ в газах содержит камеру ионизации с входом для анализируемого газа и выходом для сброса газа, источник ионизации, систему электродов, ионную апертуру, камеру разделения, образованную двумя противолежащими электродами и соединенную по входу с источником газа-носителя и камерой ионизации через ионную апертуру, а по выходу - с ионным регистратором. К электродам камеры разделения подключен генератор высоковольтного импульсного напряжения с регулируемыми выходным напряжением, длительностью и частотой следования импульсов, обеспечивающий автоматическое усреднение к нулю интеграла функции электрического поля за время между двумя последующими импульсами. Генератор высоковольтного импульсного напряжения выполнен в виде задающих генераторов импульса и пилообразного напряжения, буферных каскадов для мощного ключа и усилителя пилообразного напряжения, мощного ключа, выполненного на полевом МОП транзисторе, высокочастотного высоковольтного трансформатора, выполненного на ферритовом кольце с коэффициентом трансформации равным 50. Изобретение обеспечивает повышение управляемости конечным видом дрейфспектра и положением отдельных пиков на шкале смещающего напряжения, расширение динамического диапазона, повышение чувствительности и помехоустойчивости при определении наличия микропримесей веществ в газах. 1 ил.

 

Изобретение относится к области газового анализа и может использоваться в газовой хроматографии для обнаружения микропримесей веществ в газах и окружающем воздухе.

Известно устройство для определения наличия микропримесей веществ в газах - спектрометр нелинейности дрейфа ионов, содержащий камеру ионизации, имеющую вход для анализируемого газа и выход для сброса газа, источник ионизации, систему электродов, ионную апертуру, камеру разделения, образованную двумя противолежащими электродами и соединенную по входу с источником газа-носителя и камерой ионизации через ионную апертуру, а по выходу - с ионным регистратором (Патент РФ №2178929 от 25.01.2000 г., МПК G01N 27/62).

Недостатками данного устройства, принятого за прототип, являются сравнительно низкая разрешающая способность, обусловленная тем, что в качестве высоковольтного генератора асимметричного напряжения используется генератор периодических колебаний, синтезирующий высоковольтное напряжение путем наложения двух или более синусоидальных колебаний, формирующих периодическую функцию заданной формы. При этом управляющими параметрами являются частота колебаний и амплитуда, а при фиксированной частоте генератора, как это реализуется на практике, остается только один параметр - амплитуда.

Целью изобретения является повышение чувствительности и помехоустойчивости устройства для определения микропримесей веществ в газах.

Поставленная цель достигается тем, что в устройство для определения наличия микропримесей веществ в газах, содержащее камеру ионизации с входом для анализируемого газа и выходом для сброса газа, источник ионизации, систему электродов, ионную апертуру, камеру разделения, образованную двумя противолежащими электродами и соединенную по выходу с источником газа-носителя и камерой ионизации через ионную апертуру, а по выходу - с ионным регистратором, дополнительно к электродам камеры разделения подключен генератор высоковольтного импульсного напряжения с регулируемыми выходным напряжением, длительностью и частотой следования импульсов, обеспечивающий автоматическое усреднение к нулю интеграла функции электрического поля за время между двумя последующими импульсами. При этом генератор высоковольтного импульсного напряжения выполнен в виде задающих генераторов импульса и пилообразного напряжения, буферных каскадов для мощного ключа и усилителя пилообразного напряжения, мощного ключа, выполненного на полевом МОП транзисторе, высокочастотного высоковольтного трансформатора, который выполнен на ферритовом кольце с коэффициентом трансформации, равным 50.

На чертеже изображена структурная схема устройства.

Устройство состоит из генератора высоковольтного импульсного напряжения (ГВВИ) 1, камеры разделения 2, электрометрического усилителя, контроллера управления 4, компьютера 5, вентилятора 6, блока питания 7, тест-образцов 8.

Генератор высоковольтного импульсного напряжения (ГВВИ) 1 включает задающие генераторы импульса и пилообразного напряжения, буферные каскады для мощного ключа и усилитель пилообразного напряжения, мощного ключа, выполненного на MOSFET-транзисторе IRF1407, высокочастотного высоковольтного трансформатора, выполненного на ферритовом кольце 200НН (32×20×6)×2 с коэффициентом трансформации 50.

В состав контроллера управления 4 входят задающие генераторы. Контроллер управления 4 собран на базе микроконтроллера ATMEGA128L8AI и программируемой логической микросхемы фирмы XILINX*XC2C128VQ100*

Работает устройство следующим образом.

На один их электродов камеры разделения 2 подается высоковольтная последовательность импульсов f имп = 0-200 кГц, скважность Q=0-5.

На другой электрод подается пилообразное напряжение (развертка) Uсм с частотой fсм = 1 Гц, амплитудой Ucм=0+ -30 В.

Разность потенциалов на электродах камеры разделения 2 создает электрическое поле, разделяющее ионизованную газовую смесь.

Контроллером 4 устанавливаются параметры импульсного высоковольтного и пилообразного напряжений, производятся запуск и остановка процесса измерений. Ввод необходимой для контроллера информации производится оператором из компьютера 5 с применением созданной для этого устройства программы через USB-порт, встроенного в контролер управления.

Управляющие сигналы («пила» с выхода ЦАП микроконтроллера контролера управления и импульсы для ключевой схемы) через буферные каскады поступают соответственно на усилитель напряжения «пилы» и мощный высокочастотный ключ.

Нагрузкой мощного ключа является индуктивность (высоковольтный трансформатор), поэтому в каскаде мощного ключа применены по стандартной схеме диоды Шотки. Параллельно вторичной высоковольтной обмотке введена также стандартная для мощных переключательных схем резисторно-диодная цепь (на чертеже не показана) для ограничения обратного выброса высоковольтного напряжения (здесь также применены диоды Шотки). Напряжение с вторичной обмотки этого трансформатора подается непосредственно на высоковольтный электрод камеры разделения 2. В результате происходит автоматическое усреднение к нулю интеграла функции электрического поля за время между двумя последующими импульсами. При этом апертура и выход из камеры ионизации могут совпадать.

Питание ключевого каскада осуществляется от мощного регулируемого источника постоянного напряжения 0-50 В и током 0-6 А. (блока питания 7). При изменении величины выходного напряжения пропорционально изменяется и амплитуда высоковольтных импульсов.

На второй высоковольтный электрод камеры разделения 2 через защитную цепь подается пилообразное напряжение с усилителя «пилы», выполненного на микросхеме ОРА544.

После высоковольтной части камеры разделения 2 идет цепочка электродов (на чертеже не показано), формирующих поток газовых ионов для осаждения их на последнем электроде этой цепочки - коллекторе. На эти электроды подаются потенциалы с независимых (относительно «общей точки») источников постоянного напряжения. Соединяя желаемое количество источников питания 7, можно создать определенное распределение потенциалов по электродам.

Полезный для исследований сигнал в виде тока снимается с выходного электрода камеры разделения 2. Этот сигнал заводится на электрический усилитель 3 (ЭмУ), входной каскад которого построен на основе инструментального малошумящего усилителя INA116 и расположен непосредственно на корпусе камеры разделения 2.

В связи с тем, что напряжение на коллекторе камеры разделения 2 достигает нескольких десятков вольт (в нашем эксперименте -+130 В) относительно «общей точки» электрической схемы, в схему ЭмУ введено разделение входных и выходных каскадов (на фиг.1 не показано) по постоянному току с использованием оптопары. Выходной каскад ЭмУ нормализует по амплитуде полезный сигнал (амплитуда должна быть меньше 2,5 В) для правильной обработки выходного сигнала ЭмУ входным АЦП контролера управления 4.

С выхода контролера управления 4 оцифрованный сигнал камеры разделения 2 через USB-порт вводится для обработки в компьютер 5. Упомянутая ранее программа позволяет визуализировать и запоминать сигнал в удобном для дальнейшей обработки формате.

Таким образом, поставленная цель в предлагаемом техническом решении достигается за счет введения в устройство генератора высоковольтного импульсного напряжения (ГВВИ), подключенного к электродам камеры разделения. Такая конструкция обладает большим числом управляющих параметров при создании высоковольтного асимметричного периодического поля. Это создает дополнительные возможности управление процессом разделения ионов с помощью изменения ширины импульса или скважности их следования, что повышает чувствительность и селективность анализа микропримесей веществ в газах.

Устройство для определения наличия микропримесей веществ в газах, содержащее камеру ионизации с входом для анализируемого газа и выходом для сброса газа, источник ионизации, систему электродов, ионную апертуру, камеру разделения, образованную двумя противолежащими электродами и соединенную по входу с источником газа-носителя и камерой ионизации через ионную апертуру, а по выходу - с ионным регистратором, отличающееся тем, что к электродам камеры разделения подключен генератор высоковольтного импульсного напряжения с регулируемыми выходным напряжением, длительностью и частотой следования импульсов, обеспечивающий автоматическое усреднение к нулю интеграла функции электрического поля за время между двумя последующими импульсами, при этом генератор высоковольтного импульсного напряжения выполнен в виде задающих генераторов импульса и пилообразного напряжения, буферных каскадов для мощного ключа и усилителя пилообразного напряжения, мощного ключа, выполненного на полевом МОП-транзисторе, высокочастотного высоковольтного трансформатора, выполненного на ферритовом кольце с коэффициентом трансформации, равным 50.