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Transkript

1 DER TCD-DETEKTOR Der Wärmeleitfähigkeitsdetektor (TCD, Thermal Conductivity Detector) ist der am universellsten verwendbare Detektor. In Abhängigkeit von der zu analysierenden Substanz reagiert der Detektor mit einem Signal von 0.01% bis 100%. Der TCD-Detektor von SRI Instruments Inc. besteht aus vier Heizdrähten, die in einen Edelstahlblock eingearbeitet sind. Um eine bessere Stabilität des Detektorsignals zu gewährleisten, ist der TCD in einem unabhängig vom Säulenofen temperierten Gehäuse untergebracht. In der Regel ist der TCD auf dem Gaschromatographen rechts vom Säulenofen installiert. Die Anschlussklemme für die Zuleitungsdrähte für die Heizspannung des Detektors befindet sich rechts vom Detektor. Da die Heizdrähte bei Betrieb des Detektors ohne Trägergasfluss zerstört würden, ist in allen Gaschromatographen, die mit einem TCD ausgestattet sind, eine Sicherheitsschaltung installiert, die einen Betrieb ohne Trägergasfluss verhindert. 1

2 DIE FUKTIONSWEISE DES DETEKTORS Der TCD-Detektor registriert Unterschiede in der Wärmeleitfähigkeit des Trägergasstroms mit und ohne Probenanteil. Jede chemische Verbindung besitzt eine bestimmte Wärmeleitfähigkeit und kann somit mit Hilfe eines TCD-Detektors registriert werden. Aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und der geringen Unfallgefahr wird in der Regel Helium als Trägergas verwendet. Die Verwendung anderer Gase wie Stickstoff, Argon oder Wasserstoff ist ebenfalls möglich. Schematischer Aufbau einer Heizeinheit Schaltung der Wheatstone-Brücke Die Wheatstone sche Brücke, die in den TCD-Detektoren von SRI Instruments Inc. zum Einsatz kommt, enthält vier Wolfram-Rhenium- Heizwendel, von denen sich zwei in dem mit Probe versetzten Trägergas befinden, während die übrigen von reinem Trägergas umspült werden. Die letzten beiden Heizwendel dienen als Bezugspunkt des Detektors. Wenn ein Bestandteil der Probe die Säule verlässt und den Detektor erreicht, kommt 2

3 es zu einer Veränderung der Spannung an der Wheatstone-Brücke. Diese Änderungen werden in ein analoges Detektorsignal umgesetzt, welches an das Datensystem des Gaschromatographen weitergegeben wird. Die vier Paare der Anschlussdrähte für die Heizwendel sind in verschiedenen Farben gekennzeichnet. In jeder Farbe sind zwei Drähte vorhanden, die an die entsprechend beschrifteten Anschlussklemmen angeschlossen werden. Der TCD-Detektor besteht prinzipiell aus zwei Kammern, die jeweils zwei der vier Heizwendel enthalten. Die eine Kammer enthält die Referenz- Heizdrähte und wird von reinem Trägergas durchströmt, während die zweite Kammer, die die Mess-Heizwendel enthält, von Trägergas durchströmt wird, dem Probenbestandteile beigemischt sind. Die Heizwendel unterscheiden sich in ihrem Aufbau nicht voneinander. Der Trägergasstrom wird durch die elektronische Druckkontrolle (EPC) und einen Filter zunächst durch die Referenzkammer des TCD-Detektors geleitet. Erst hiernach passiert der Gasstrom den Injektor und die Säule und gelangt schließlich in die Messkammer des Detektors. Nach dem TCD-Detektor wird der Gasstrom erneut in den Säulenofen geführt, wo er entweder einem weiteren Detektor zugeführt oder abgeleitet werden kann. Bei allen vier Kapillaren am TCD Detektor handelt es sich um 1/16 Edelstahlkapillaren. handelt es sich um 1/16 Edelstahlkapillaren. ERWARTETE PERFORMANCE Rauschen Trägergas: Helium, 10 ml/min TCD Verstärkung: LOW TCD Temperatur: 100 C 80 C C 3

4 Testlauf mit Erdgas Säule: 1 m Molsieb, 2 m Silica Gel 40 C C 220 C C Retention Sauerstoff Stickstoff Methan Ethan Kohlendioxid Propan Isobutan N-Butan Iso-Pentan N-Pentan Analyse von Raumluft Säule: 3 Silica Gel Säule Trägergas: Helium, 10 ml/min TCD Verstärkung: LOW TCD Temperatur: 100 C 80 C C Retention Sauerstoff Stickstoff Kohlendioxid Analyse von Atemluft Säule: 3 Silica Gel Säule Trägergas: Helium, 10 ml/min TCD Verstärkung: LOW TCD Temperatur: 100 C 80 C C Retention Sauerstoff Stickstoff Kohlendioxid

5 ALLGEMEINE BETRIEBSANLEITUNG 1. Stellen sie sicher, dass die TCD-Heizspannung ausgeschaltet ist. Schalten sie hiernach ihren Gaschromatographen ein und warten sie, bis der TCD-Detektor seine Temperatur erreicht hat. Standardmäßig ist diese Temperatur auf 100 C eingestellt. Um die Temperatur im Digitaldisplay anzuzeigen, bringen sie den Schalter DISPLAY SELECT in die Position ALL BUTTONS. Drücken sie hiernach den Taster TCD CELL ACTUAL auf dem Front-Bedienfeld des Gaschromatographen. Fabrikseitig ist eine Temperatur von 100 C für den TCD-Detektorblock eingestellt. Um diese Temperatur zu verändern, halten sie den Taster TCD Cell Setpoint gedrückt und verstellen sie mit einem kleinen Schraubenzieher das kleine Potentiometer senkrecht über dem Bedienfeld TCD Cell. Den aktuell eingestellten Temperaturwert können sie auf dem Digitaldisplay ablesen. 2. Alle mit einem TCD-Detektor ausgestatteten Gaschromatographen werden mit einer 1 m langen 1/8 mit Silica-Gel gepackten Edelstahlsäule getestet. Der Trägergasdruck wird zu diesem Test auf einen Gasfluss von 10 ml/min eingestellt. Auf der rechten Seitenwand des Gaschromatographen finden sie eine Tabelle, in der angegeben ist, welcher Trägergasdruck einem Fluss von 10 ml/min entspricht. Um den Trägergasfluss für eine andere Säule optimal einzustellen, drücken die den Taster Carrier 1 Local Setpoint und stellen sie den gewünschten Druck am Potentionmeter senkrecht über dem Bedienfeld Carrier 1 ein. 3. Stellen sie sicher, dass eingestellter (Setpoint) und tatsächlicher Druck (Actual) auf ±1 psi übereinstimmen. 4. Die TCD-Heizdrähte werden beschädigt oder zerstört, wenn sie beheizt werden, ohne dass ein Trägergasstrom vorhanden ist. Stellen sie daher sicher, dass aus dem Gasauslass des TCD-Detektors Gas ausströmt, bevor sie die Heizspannung einschalten. Der Gasauslass befindet sich außerhalb des Säulenofens auf der rechten Seite. Halten sie das Ende der Kapillare in ein Behältnis mit Wasser. Sind keine Gasblasen zu beobachten, liegt eine Störung des Gasflusses vor. Schalten sie in diesem Falle keinesfalls die Heizspannung des TCD-Detektors ein. Die TCD-Schutzschaltung verhindert nur das Einschalten der Heizspannung, wenn keine Trägergaszufuhr zum Gaschromatographen vorhanden ist bzw. der Druck des Trägergases bei der elektronischen Druckkontrolle einen Druck von standardmäßig 3 psi unterschreitet. 5. Setzen sie das Detektor-Signal in PeakSimple bei ausgeschalteter Heizspannung auf Null. Schalten sie hiernach die Heizspannung auf die Stufe LOW. Im Detektorsignal sollte eine Abweichung von nicht mehr als 5-10 mv (für einen neuen TCD) zu beobachten sein. Stärkere Abweichungen sprechen für eine teilweise oder vollständige Oxidation der Heizwendel. Je stärker die Abweichung des Signals, umso weiter ist die Oxidation fortgeschritten. Das Detektorsignal eignet sich also gut, um den Zustand des TCD-Detektors zu prüfen. 5

6 6. Geben sie in PeakSimple ein ein, welches den Säulenofen auf einer konstanten Temperatur enthält. Initial Temperature: 80 C Hold: 7.00 Ramp: 0.00 Final Temperature: 80 C 7. Setzen sie das Detektorsignal erneut auf Null (durch Anklicken des AutoZero- Buttons in PeakSimple). 8. Injizieren sie ihre Probe und starten sie die Datenaufnahme durch einen Druck auf die Start-Taste am Gaschromatographen. Für gasförmige Proben wird ein Injektionsvolumen von 0.5 ml, für flüssige Proben von 1 µl empfohlen, um eine möglichst lange Lebensdauer der Heizwendel des TCD-Detektors zu erreichen. Die TCD-Schutzschaltung Bei allen TCD-Detektoren kommt es zu einer Zerstörung der Heizwendel, wenn der Probe- oder Referenzgasstrom ausfällt und die Heizspannung trotzdem eingeschaltet bleibt. Die Heizdrähte werden zunächst bis zur Weißglut erhitzt und brennen schließlich durch, wenn der Gasstrom ausfällt und somit die Wärmeableitung entfällt. Die in den SRI-Gaschromatographen eingebaute TCD- Schutzschaltung unterbricht die Heizspannung in dem Moment, in dem der Trägergasdruck vor der Säule die Grenze von 3 psi (Werkseinstellung) unterschreitet. Im Falle eines Druckabfalls wird die Stromzufuhr der Heizdrähte sofort unterbrochen und eine rote Leuchtdiode auf dem Frontbedienfeld leuchtet auf. Um die Lebensdauer der Heizdrähte zu erhöhen, sollten sie den TCD- Detektor nur unter Verwendung von Helium oder Wasserstoff als Trägergas im HIGH-Modus betreiben. Wird hingegen Stickstoff als Trägergas verwendet, ist ein Betrieb nur im LOW- Modus möglich, da ansonsten eine Schädigung der Heizdrähte eintritt. Der Druck, ab dem die TCD- Schutzschaltung eingreifen soll, kann durch den Benutzer eingestellt werden. Nutzen sie hierzu das Potentiometer oberhalb des Bedienfeldes TCD Protect. 6

7 Durch Drücken des Tasters LOCAL SETPOINT wird der Druck im Digitaldisplay angezeigt, unter den der Trägergasstrom nicht abfallen darf, ohne dass die TCD-Schutzschaltung des TCD-Detektor abschaltet. Durch Drücken des Tasters TOTAL SETPOINT wird der Trägergasdruck im System angezeigt. Die rote Leuchtdiode leuchtet nur dann auf, wenn die TCD-Schutzschaltung die Heizspannung des TCD-Detektors abgeschaltet hat. Durch Drücken der Taste ACTUAL wird die Spannung angezeigt, die über eine Hälfte der Wheatstone-Brücke anliegt. Im HIGH-Modus ist hier ein Wert zwischen 3.5 V und 4.5 V zu erwarten, im LOW-Modus liegt dieser Wert zwischen 2.5 V und 3.5 V. Ist dieser Wert niedriger deutet dies möglicherweise auf ein Problem mit der TCD-Brücke hin. 7