СИСТЕМА ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ОТБОРА И АНАЛИЗА ВОЗДУШНЫХ ПРОБ
SYSTEM FOR REMOTE COLLECTION AND ANALYSIS OF AIR SAMPLES

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, а более конкретно к приборам для обнаружения паров органических веществ в составе воздуха, в частности паров органических молекул из класса взрывчатых, наркотических и физиологически активных веществ, а также паров органических молекул, выделяющихся при горении материалов, содержащих органические компоненты.
Известно устройство отбора паров органических веществ, испускаемых с поверхности размещаемых в нем объектов, а также паров органических веществ в составе воздуха атмосферного давления [1]. Устройство содержит две стойки, между которыми помещается исследуемый объект. При этом в первой стойке размещено устройство обдува объекта воздушной струей, а во второй - устройство всасывания воздуха, содержащего пары органических веществ, поступающих от объекта. Внутри второй стойки в центре всасываемого потока воздуха расположено устройство отбора пробы для ее последующего анализа. Известное устройство может быть использовано для отбора и анализа объема воздуха, находящегося между стойками, на наличие в нем паров органических веществ без размещения между стойками какого-либо объекта.
Известное устройство, по сравнению с другими аналогами, позволяет значительно увеличить расстояние, с которого можно проводить эффективное обследование объекта или объема воздуха.
Основными недостатками известного устройства являются его громоздкость, а также наличие эффекта «памяти» при проведении обследования различных объектов. Кроме того, в известном устройстве необходим двухсторонний доступ к обследуемому объекту, а объем отбираемой для анализа пробы на несколько порядков величины меньше объема обдувающего потока воздуха, что приводит к значительному разбавлению пробы воздухом и, как следствие, к значительному снижению чувствительности анализа пробы.
Известна система для дистанционного отбора воздушных проб с поверхности и из негерметизированных объектов [2], содержащая устройство обдува объекта воздушной струей, включающее побудитель нагнетаемого потока воздуха, и устройство всасывания поступающего от объекта воздушного потока, снабженное побудителем всасываемого потока воздуха, при этом устройство всасывания выполнено в виде всасывающего канала, выход которого соединен с побудителем всасываемого потока воздуха, а его вход расположен внутри устройства обдува объекта и установлен соосно с ним, а устройство обдува снабжено завихрителем воздушного потока и каналом транспортировки нагнетаемого потока воздуха от побудителя к завихрителю, причем завихритель выполнен в виде рефлектора и установленной при его основании и сосной с ним неподвижной крыльчатки, образующей с всасывающим каналом кольцевую полость, являющуюся выходом канала транспортировки нагнетаемого потока воздуха.
Основными достоинствами известной системы являются более высокая эффективность извлечения паровой фазы органических веществ, снижение потерь при отборе транспортируемой от объекта пробы, портативность всей системы.
Основным недостатком известной системы является наличие эффекта «памяти» пробы при проведении обследования различных объектов. Действительно, при анализе паров органических веществ часть органического вещества будет оседать на внутренней поверхности всасывающего канала, а при длительном по времени цикле отбора проб - и на внутренней поверхности рефлектора при включенном завихрителе. Последнее обусловлено частичным перемешиванием внешнего вихревого обдувающего потока воздуха от завихрителя и внутреннего ламинарного потока, всасываемого через всасывающий канал. Поэтому при анализе последующей пробы в ее составе появится примесь вещества от предыдущего анализа, десорбировавшаяся с поверхности всасывающего канала, а при более длительном цикле анализа - и примесь с поверхности рефлектора.
Наиболее близкой к заявленному изобретению является система для дистанционного отбора и анализа воздушных проб, содержащая устройство обдува воздушной струей, включающее побудитель нагнетаемого потока воздуха и устройство всасывания поступающего воздушного потока, снабженное побудителем всасываемого потока воздуха, при этом устройство всасывания выполнено в виде всасывающего канала, выход которого соединен с побудителем всасываемого потока воздуха, а его вход расположен внутри устройства обдува воздушной струей и установлен соосно с ним, а устройство обдува снабжено завихрителем воздушного потока и каналом транспортировки нагнетаемого потока воздуха от побудителя к завихрителю, причем завихритель выполнен в виде рефлектора и установленной при его основании и сосной с ним неподвижной крыльчатки, образующей с всасывающим каналом кольцевую полость, являющуюся выходом канала транспортировки нагнетаемого потока воздуха, при этом в качестве побудителя всасываемого потока воздуха использован реверсивный воздушный насос, а между побудителем всасываемого потока воздуха и всасывающим каналом расположено устройство анализа воздушной пробы, которое содержит, по крайней мере, поверхностно-ионизационный источник ионов органических соединений, соединенный входным и выходным газовыми каналами соответственно с всасывающим каналом и побудителем всасываемого потока воздуха [3].
Достоинством известной системы является отсутствие эффекта «памяти» пробы при проведении непрерывного анализа воздуха на содержание в нем паров органических веществ или при периодических обследованиях объектов при условии периодического кратковременного включения побудителя всасываемого потока воздуха в реверсивный режим. При этом известная система для дистанционного отбора и анализа воздушных проб может содержать различные типы устройств для анализа воздушной пробы, например поверхностно-ионизационный источник ионов органических соединений или дрейф-спектрометр с поверхностно-ионизационным источником ионов органических соединений. Указанные устройства позволяют определять несколько идентификационных характеристик органических веществ, что повышает достоверность при проведении анализа. Например, при использовании в качестве устройства анализа воздушной пробы поверхностно-ионизационного источника ионов система позволяет в непрерывном режиме определять значения энергии активации поверхностной ионизации органических веществ и значения дрейфовой подвижности ионов органических веществ [4]. При использовании же в качестве устройства анализа воздушной пробы дрейф-спектрометра с поверхностно-ионизационным источником ионов система позволяет в непрерывном режиме дополнительно определять параметры нелинейной дрейфовой подвижности ионов органических веществ [5].
Вместе с тем, известная система обладает и определенными недостатками. В частности, к органическим веществам из классов взрывчатых, наркотических и физиологически активных веществ, а также органических веществ, выделяющихся при горении материалов, содержащих органические компоненты, относится очень большое количество типов органических соединений. Поэтому перечисленных выше идентификационных характеристик часто оказывается недостаточно для достоверной идентификации органических соединений при их анализе в непрерывном режиме работы системы. В частности, известная система не позволяет в непрерывном режиме определять дополнительный важный идентификационный параметр - величину энергии активации десорбции органических соединений с поверхности носителя пробы [6].
В основу настоящего изобретения положена задача разработать конструкцию системы для дистанционного отбора и анализа воздушных проб, позволяющую в непрерывном режиме мониторинга дополнительно определять величину энергии активации десорбции органических соединений с поверхности носителя пробы.
Это достигается тем, что на завихрителе со стороны, противоположной устройству анализа воздушной пробы, расположен корпус в виде трубы постоянного или переменного сечения, одной стороной примыкающий по периметру к завихрителю и имеющий на боковой поверхности по крайней мере два симметрично расположенных отверстия, при этом на второй стороне корпуса последовательно установлены примыкающие по периметру концентратор потока воздуха и плоский вентилятор забора воздушных проб, между концентратором потока воздуха и завихрителем расположен носитель проб, изготовленный из металлического материала, например в виде спирали из металлической проволоки, при этом концентратор потока воздуха выполнен в виде газонепроницаемой мембраны, выпуклой в сторону завихрителя и имеющей центральное отверстие, а электрические выводы от носителя пробы соединены с регулируемым источником питания.
3
1
3
1
1
4
2
4
1
2
Внешний диаметр крыльчатки плоского вентилятора D выбирают в интервале D<D<2D, где D - максимальный внутренний диаметр рефлектора завихрителя, а диаметр отверстия в концентраторе потока воздуха D выбирают в интервале D<D<D, где D - диаметр всасывающего канала со стороны устройства обдува воздушной струей.
2
1
Размер L носителя проб вдоль оси, перпендикулярной оси симметрии рефлектора завихрителя, выбирают в интервале D<L<D.
Заявленная конструкция иллюстрируется Фиг.1, где изображена система для дистанционного отбора и анализа воздушных проб в варианте исполнения, включающем устройство анализа проб на основе поверхностно-ионизационного источника ионов органических соединений.
1
2
3
4
Изображенная на Фиг.1 система включает следующие элементы: 1 - крыльчатка завихрителя, 2 - рефлектор, 3 - кольцевая полость, 4 - побудитель нагнетаемого потока воздуха, 5 - побудитель всасываемого потока воздуха, 6 - всасывающий канал, 7 - канал транспортировки нагнетаемого воздуха, 8 - поверхностно-ионизационный источник ионов органических соединений, 9 - активный элемент термоэмиттера ионов поверхностно-ионизационного источника, 10 - нагреватель термоэмиттера ионов, 11 - изоляторы, 12 - носитель пробы в варианте исполнения в виде металлической спирали, 13 - корпус в виде трубы переменного сечения, 14 - концентратор потока воздуха, 15 - плоский вентилятор забора воздушных проб, 16 - регулируемый источник питания носителя пробы, 17 - отверстия в корпусе. На Фиг.1 дополнительно обозначено: D - максимальный внутренний диаметр рефлектора завихрителя, D - диаметр всасывающего канала со стороны устройства обдува воздушной струей, D - внешний диаметр крыльчатки плоского вентилятора, D - диаметр отверстия в концентраторе потока воздуха, L - размер носителя проб вдоль оси, перпендикулярной оси симметрии рефлектора завихрителя.
Сущность заявленного изобретения и работы заявленной конструкции состоит в следующем.
При работе системы в режиме непрерывного анализа воздуха устройство обдува, включающее завихритель воздушного потока, формирует кольцевой поток воздуха, «закрученный» вокруг оси всасывающего канала. При этом, по мере удаления потока воздуха от рефлектора 2, вращательная скорость кольцевого потока уменьшается, а толщина кольца потока воздуха увеличивается. «Закрученный» поток воздуха формирует вдоль оси устройства разрежение воздуха, которое, совместно с потоком воздуха, формируемым побудителем всасываемого потока воздуха 5, обеспечивает эффективный забор воздушной пробы в устройство анализа воздушной пробы 8 и определение идентификационных характеристик органических соединений, набор которых зависит от типа используемого устройства анализа воздушной пробы. При этом электрическое питание носителя пробы 12 от регулируемого источника питания 16 отключено, а плоский вентилятор 15 включен. Вращающаяся крыльчатка плоского вентилятора 15 создает второй кольцевой поток воздуха, также «закрученный» вокруг оси всасывающего канала. Концентратор потока воздуха 14, выполненный в виде выпуклой газонепроницаемой мембраны с отверстием, «сжимает» второй кольцевой поток воздуха и направляет его во внутреннюю часть первого кольцевого потока воздуха. В результате взаимодействия двух вихревых кольцевых потоков воздуха в области носителя пробы на поверхности носителя пробы происходит адсорбция органических молекул, содержащихся в составе анализируемого воздуха. Для обеспечения эффективной адсорбции органических молекул по всей поверхности носителя пробы направления «закрутки» двух кольцевых потоков воздуха выбирают в зависимости от формы носителя пробы (круглая спираль, меандр, пластина с отверстиями и т.д.). При этом форму выпуклой части мембраны выбирают таким образом, чтобы, с одной стороны, не нарушить условия существования разрежения вдоль оси устройства и, с другой стороны, обеспечить эффективное перемешивание двух кольцевых потоков. В процессе работы системы на носитель пробы периодически подают электрическое питание от источника питания 16, обеспечивающее программный нагрев носителя пробы и, соответственно, десорбцию органических молекул. При этом значения энергии активации десорбции органических молекул определяют известным способом [6].
В процессе работы системы периодически осуществляют очистку элементов его конструкции от адсорбированных органических молекул, присутствие которых может приводить к эффекту «памяти» устройства. Для этого, как и в прототипе [3], при включенном термоэмиттере, ионов насос 5 включают в реверсивный режим и дополнительно включают электрическое питание носителя пробы. Это обеспечивает дополнительный нагрев воздушного потока, очищающего элементы конструкции.
Так как в объем внутри корпуса подают два потока воздуха (от 15 и от 4) или три потока воздуха (дополнительно от 5 в реверсивном режиме), а в рабочем режиме забирают один поток воздуха (от 5), то на боковой поверхности корпуса выполнены по крайней мере два симметрично расположенных отверстия, обеспечивающие постоянство давления воздуха внутри корпуса и, соответственно, стабильность организованных внутри корпуса воздушных потоков.
3
1
3
1
4
2
4
1
2
1
Эффективность работы всего устройства зависит от соотношения размеров некоторых элементов его конструкции. Если внешний диаметр крыльчатки плоского вентилятора D<D, это не обеспечивает эффективное взаимодействие двух вихревых кольцевых потоков. Если же выбрать D>2D, то второй кольцевой поток при его компрессии концентратором 14 потеряет вихревую составляющую. Если диаметр отверстия в концентраторе потока воздуха D<D, это не обеспечит эффективное использование всей поверхности носителя пробы для адсорбции органических молекул из состава воздуха. Если же выбрать D>D, это приведет к неэффективному использованию центральной части носителя пробы для адсорбции органических молекул из состава воздуха. Если размер носителя проб вдоль оси, перпендикулярной оси симметрии рефлектора завихрителя, составит L<D или L>D, это не обеспечит эффективный забор органических молекул, десорбирующихся с поверхности носителя пробы при его нагреве, всасывающим каналом в устройство анализа проб.
Изложенное показывает, что в научно-технической и патентной литературе отсутствуют технические решения, позволяющие достичь указанных технических результатов с помощью вышеуказанных приемов и средств, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условиям патентоспособности: «новизна» и «изобретательский уровень». Заявленная конструкция может быть реализована в промышленности, что позволяет сделать вывод о соответствии заявляемого изобретения условию патентоспособности: «промышленная применимость».
Испытания макета системы для дистанционного отбора и анализа проб, изготовленного в соответствии с заявленным изобретением, показали ее работоспособность и эффективность.
Источники информации
1. US 4045997, МКИ: G01N 033/22, 1977 (аналог).
2. RU 2279051, МКИ: G01N 1/22, 2004 (аналог).
3. RU 2390748, МКИ: G01N 1/22, 2008 (прототип).
4. RU 2329563, МКИ: Н01J 49/40, G01N 27/64, 2006.
5. RU 2354963, МКИ: G01N 27/62, G01N 30/64, 2007.
6. RU 2389011, МКИ: G01N 27/62, G01N 30/64, 2008.