ПЬЕЗОДЕСОРБЕР ДЛЯ ПРИБОРОВ ГАЗОВОГО АНАЛИЗА
PIEZO-DESORBER FOR GAS ANALYSIS DEVICES

Область техники
Изобретение относится к области аналитического приборостроения, в частности к приборам газового анализа, предназначенным для обнаружения микроконцентраций веществ, и может быть использовано совместно с детекторами паров взрывчатых веществ в воздухе.
Предшествующий уровень техники
Эффективным приемом повышения обнаружительной способности приборов газового анализа является предварительное концентрирование целевого вещества на каком либо сорбенте с последующей активируемой десорбцией этого вещества и доставкой его в газовой пробе в прибор газового анализа. Скорость десорбции определяет пиковую концентрацию целевого вещества, подаваемого в газоанализатор. Чем выше скорость десорбции, тем больше пиковая концентрация целевого вещества и ниже порог его обнаружения. В качестве прибора газового анализа может служить, например, спектрометр ионной подвижности (дрейф-спектрометр).
Чаще всего в качестве фактора, активирующего десорбцию, используется термический или лучевой нагрев.
Известно устройство для контроля следов взрывчатых веществ на документах - паспортах, билетах и т.п. (патент RU 2293303, опубл. 10.02.2007), основанное на принципе термодесорбции. Устройство стационарно встроено в досмотровое оборудование, имеет камеру достаточно большого объема, в которую помещаются контролируемые документы, где и происходит их обдув. Недостатком устройства является низкая пороговая чувствительность из-за большого объема камеры и низкой скорости термодесорбции из-за ограничения температуры нагрева.
Известен термодесорбер (патент WO 2014/045057, опубл. 27.03.2014), содержащий специальный стержень со сменным тампоном для сбора следов целевого вещества и последующей термодесорбцией целевого вещества с тампона и подачей его в прибор газового анализа. Устройство имеет ограничение в эффективности вследствие низкой скорости термодесорбции, так же как и предыдущее устройство.
Известно устройство (патент US 8569691, опубл. 29.10.2013) предконцентрации целевого вещества для повышения обнаружительной способности прибора газового анализа, представляющее собой трубку с сорбентом, имеющую выход в рабочую камеру дрейф-спектрометра, выход перекрывается электромагнитным клапаном. Устройство работает в двух режимах. В режиме сорбирования через трубку с закрытым клапаном прокачивается исследуемый газ (воздух) со следами целевого вещества, которое концентрируется на сорбенте. В режиме десорбции сорбент в трубке термически нагревается с большой скоростью и проба с повышенной концентрацией целевого вещества поступает через открытый клапан в рабочую камеру спектрометра. Эффективность способа, как и вышеуказанных, ограничена скоростью повышения температуры сорбента.
В патенте US 7884320, опубл. 08.02.2011, предложена конструкция спектрометра ионной подвижности, включающая коллектор целевого вещества, который представляет собой трубку с сорбентом для целевого вещества, через который прокачивается исследуемый воздух. Отличительной особенностью устройства является то, что сорбция осуществляется при пониженной температуре, а термодесорбция при нагреве. Охлаждение и нагрев осуществляются переключением полярности напряжения на элементе Пельтье, используемом для охлаждения и нагрева. Использование элементов Пельтье повышает как эффективность сорбции за счет охлаждения, так и десорбции за счет быстрого нагрева, что повышает эффективность дермодесорбера. Недостатком способа является высокое энергопотребление.
Известен также способ повышения обнаружительной способности спектрометров ионной подвижности, основанный на помещении исследуемого объекта в герметичную камеру с повышенным давлением с последующим резким сбросом давления, стимулирующим десорбцию целевого вещества с поверхности исследуемого объекта (патент US 7204125, опубл. 17.04.2007). Недостатком способа является громоздкость конструкции, сложность технической реализации и малая эффективность.
Еще одним физическим фактором, кроме повышения температуры и понижения давления, способным стимулировать десорбцию, является воздействие ультразвука.
Известен способ (патент US 8153964, опубл. 10.04.2012), в котором используется воздействие ультразвука на исследуемую жидкость с растворенным целевым веществом (аналитом). Ультразвуковое воздействие приводит к усиленному образованию пара, содержащего аналит, который через капилляр втягивается в вакуумируемую рабочую камеру прибора (например, квадрупольного масс-спектрометра). Ограничением метода является его применимость только к жидким средам.
Известен способ (патент US 8161797, опубл. 24.04.2012) отбора пробы опасных химических веществ (в частности, взрывчатых) с низкой летучестью с твердых труднодоступных поверхностей (например, щели в кафельном полу, углы между стеной и полом и т.п.) с использованием ультразвука. Ультразвуковые колебания создаются генератором на основе пьезоэлектрической керамики и передаются на тонкий титановый стержень (сонотрон), который воздействует на поверхность исследуемого объекта, стимулируя десорбцию целевого вещества с поверхности, которое потоком воздуха втягивается в прибор газового анализа. Устройство обеспечивает десорбцию целевого вещества с поверхности, но не обеспечивает предконцентрацию.
Наиболее близким по техническому решению является десорбер для спектрометров ионной подвижности (патент RU 2305282, опубл. 05.08.2005), в который помещают бумажную салфетку или металлическую сетку с адсорбированными на ней следами целевого вещества (взрывчатка, наркотики и др.), предварительно собранными при протирании поверхностей подозрительных предметов, а затем нагревают с помощью электрической лампы для термической десорбции целевого вещества и переносят его ко входу в прибор обдувающим воздушным потоком. Эффективность способа, реализованного в этом устройстве, ограничена скоростью термостимулированной десорбции, определяемой скоростью нагрева салфетки.
Раскрытие изобретения
Технической задачей настоящего изобретения является повышение обнаружительной способности приборов газового анализа за счет предварительного концентрирования целевого вещества на каком-либо сорбенте с последующей активируемой одновременной эффективной пьезо- и термодесорбцией этого вещества и доставкой его в газовой пробе в прибор газового анализа.
Отличие предлагаемого изобретения от прототипа, представленного в патенте RU 2305282, заключается в том, что следы целевого вещества с малой летучестью собирают с исследуемой поверхности на какой-либо сорбент, например салфетку, и помещают салфетку в камеру на поверхность пьезоэлектрической пластины, которую используют для генерации ультразвуковых колебаний. В процессе генерации ультразвуковых колебаний происходит быстрый нагрев пьезокерамической пластины, обусловленный выделением тепла за счет механических и электрических потерь в ней. При этом нагрев салфетки, расположенной на поверхности пьзокерамической пластины, происходит существенно быстрее, чем при нагреве электрической лампой, как в прототипе. Одновременное воздействие на салфетку этих двух факторов вызывает повышенную десорбцию целевого вещества. Десорбированное целевое вещество потоком воздуха направляется в рабочую камеру прибора газового анализа, например, дрейф-спектрометра.
Положительный эффект состоит в увеличении скорости десорбции целевого вещества с сорбента (салфетки) под воздействием совокупности двух факторов, ультразвука и быстрого нагрева, по сравнению с десорбцией, вызываемой только нагревом.
Краткое описание чертежа
Фиг. 1. Конструкция пьезодесорбера для приборов газового анализа: 1 - камера; 2 - крышка камеры; 3 - пьезокерамическая пластина; 4 - диэлектрическая обойма; 5 - стойка пьезоэлемента; 6 - диэлектрическая заглушка; 7 - крышка отсека генератора, возбуждающего колебания пьезокерамической пластины; 8 - корпус десорбера; 9 - накидная гайка; 10 - фланец; 11 - уплотнительная втулка; 12 - контактная стойка; 13 - контакты.
Вариант осуществления изобретения
Пьезодесорбер состоит из камеры 1 с крышкой 2. Внутри камеры 1 расположена пьезокерамическая пластина 3, припаянная к стойке 5, через которую осуществляется электрический контакт к нижней стороне пьезокерамической пластины. Контакт к верхней стороне пластины осуществляется с помощью гибкого проводника (не показан). Стойка пьезоэлемента 5 запрессована в диэлектрической обойме 4 и зафиксирована в ней с помощью диэлектрической заглушки 6. Весь пьезокерамический узел крепится к дну камеры 2 с помощью винтов (не показаны). Камера в сборе крепится к корпусу пьезодесорбера 8, внутри которого располагается плата генератора, возбуждающего колебания пьезокерамической пластины, закрываемая крышкой 7. К корпусу 8 крепится также узел фиксации пьезодесорбера на входной части газоанализатора. Этот узел состоит из фланца 10, накидной гайки 9 и уплотнительной втулки 11, исключающей разбавление пробы за счет подсоса воздуха снаружи газоанализатора. На корпусе 8 располагается диэлектрическая контактная стойка 12 с двумя блоками контактов 13.
Пьезодесорбер работает следующим образом. Целевые вещества с малой летучестью в следовых количествах собирают с исследуемой поверхности на сорбент. Сорбент помещают в камеру 1 на поверхность пьезокерамической пластины 3, используемой для генерации ультразвуковых колебаний. При генерации ультразвуковых колебаний происходит выделение тепла за счет механических и электрических потерь в ней, приводящего к нагреву пьзокерамической пластины 3 и расположенного на ней сорбента. Одновременное воздействие на сорбент совокупности ультразвуковых колебаний и высокой температуры вызывает повышенную десорбцию целевого вещества. Потоком воздуха, засасываемого через щель 14 в корпусе камеры 1, десорбированное целевое вещество направляется в рабочую камеру газового анализатора, например дрейф-спектрометра.
Положительный эффект состоит в повышении скорости десорбции целевого вещества с сорбента под воздействием совокупности двух факторов, ультразвука и быстрого нагрева, по сравнению с десорбцией, вызываемой только нагревом.