prezentatsia_Komarov

1.

Тверской Государственный Технический Университет
Кафедра автоматизации технологических процессов
Выпускная квалификационная работа бакалавра
Разработка газового хроматографа для
медицинских исследований
Выполнил:
Комаров Сергей Александрович
студент направления
Биотехнические системы и технологии
Научный руководитель:
к.т.н., доц. Иванова Н. И.

2.

Газообразные молекулы-биомаркеры в выдохе человека и их
диагностическая значимость
2

3.

Цель работы: разработка газового хроматографа, который будет
использоваться в медицинской практике.
Задачи:
1) изучить методику измерения состава выдыхаемого газа человеком,
2) рассмотреть общие сведения о газовой хроматографии,
3) провести
обзор
детекторов,
используемых
в
газовых
хроматографах,
4) выполнить анализ современных фотоионизационных детекторов,
5) изучить математическую модель статической характеристики
используемого детектора хроматографа,
6) разработать структурную схему хроматографа для медицинских
исследований,
7) выбрать стандартные и рассчитаны нестандартные узлы
хроматографа,
произвести расчет порога чувствительности газового детектора.
3

4.

Структурная схема газового хроматографа
4

5.

Хроматограмма
τо – время выхода несорбируемого компонента; τ1 – время
удерживания компонента 1; τ2 – время удерживания компонента 2; а1 и
a2 – ширина пиков компонентов 1 и 2; а(1)½ и a(2)½ – полуширина пиков
компонентов 1 и 2: Δτ – разделение пиков
5

6.

Классификация детекторов для газовой хроматографии
6

7.

Классификация фотоионизационных детекторов
7

8.

Схема фотоионизационного генераторного детектора
с плоскопараллельным расположением электродов
1 – УФ - лампа; 2 – выходное окно; 3 и 4 – дисковые электроды; 5 –
фторопластовая прокладка; 6 – электрометр; 7 – регистратор; 8 – центральное
отверстие; 9 – отверстие для входа; 10 – отверстие для выхода; 11 – диск из
диэлектрика; 12, 13 – центральные отверстия; 14 – фторопластовый изолятор; 15 –
металлический защитный корпус – экран; 16 – источник питания.
8

9.

Математическая модель
фотоионизационного генераторного детектора
e S э I e S д (1 е n0 ) Р Т Н
I
(1 е B U ) ( i г н ) i
Е Sк Рн Т
где
ΔI – сигнал детектора;
е – заряд электрона;
Sэ – площадь кольцевого электрода;
Iе – интенсивность излучения УФ-лампы;
Sд – площадь отверстия диафрагмы;
σ – общее сечение ионизации;
n0 – число Лошмидта;
δ – толщина камеры детектора;
Т и р – абсолютные значения температуры и давления газа в камере детектора;
Тн и Рн - нормальные значения температуры и давления;
Е – энергия одного кванта УФ-излучения;
Sк – площадь поперечного сечения камеры;
U – контактная разность потенциалов между электродами.
αi – объемная концентрация определяемого компонента;
σi – сечение фотоионизации определяемого компонента;
σг-н – сечение фотоионизации газа-носителя.
9

10.

Математическая модель
статической характеристики
сигнала детектора
I k i i
где
ΔI – сигнал детектора;
σi – сечение фотоионизации определяемого компонента;
αi – объемная концентрация определяемого компонента.
10

11.

Схема газового хроматографа с насадочной колонкой
1 – блок подготовки газов;
2 и 3 – стабилизаторы
давления и расхода;
4 – термостат;
5 и 6 – дозаторы;
7 – насадочная
хроматографическая колонка;
8 и 12 – тройники;
9 – трубка;
10 и 11 – капилляры;
13 - крышка термостата;
14 – ФИГД;
15 – источник питания УФлампы;
16 – измеритель малых тока;
17 – автоматический
потенциометр.

12.

Расчет порога чувствительности ФИГД
где ∆x – значение уровня флуктуации шумов нулевого сигнала, А; С –
концентрация компонента в контрольной смеси, г/мл; Vпр – объем
вводимой пробы, мл; Q – среднее арифметическое значение площади
пика, А·с.
12

13.

Характеристики газового хроматографа с насадочной колонкой
порог чувствительности – 6,5∙10-12 г/с;
диапазон линейности – 105;
энергия фотона – 10,6 эВ;
срок службы лампы – ≥ 3000 ч;
относительная погрешность ± 5%.
Контролируемые вещества:
• пары углеводородов нефти и нефтепродуктов,
• органические растворители,
• алифатические, ароматические и непредельные углеводороды,
• спирты,
• альдегиды,
• кетоны,
• сложные эфиры,
• и другие соединения, потенциал ионизации которых ниже
энергии излучаемых фонов.
13

14.

Хроматограмма, полученная с помощью разработанного
газового хроматографа

15.

ВЫВОД
1) изучена методика измерения состава выдыхаемого газа
человеком,
2) рассмотрены общие сведения о газовой хроматографии,
3) произведен обзор детекторов, используемых в газовых
хроматографах,
4) выполнен
анализ
современных
фотоионизационных
детекторов,
5) изучена и дополнена математическая модель статической
характеристики используемого детектора хроматографа,
6) разработана
структурная
схему
хроматографа
для
медицинских исследований,
7) выбраны стандартные и рассчитаны нестандартные узлы
хроматографа,
8) произведен расчет порога чувствительности газового
детектора.
15