СИСТЕМА ДЛЯ ДИСТАНЦИОННОГО ОТБОРА И АНАЛИЗА ВОЗДУШНЫХ ПРОБ С ПОВЕРХНОСТИ И ИЗ НЕГЕРМЕТИЗИРОВАННЫХ ОБЪЕКТОВ
SYSTEM FOR REMOTE COLLECTION AND ANALYSIS OF AIR SAMPLES FROM SURFACES AND FROM UNSEALED OBJECTS

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, а более конкретно к дрейф-спектрометрам для обнаружения паров органических веществ в составе воздуха, в частности паров органических молекул из класса взрывчатых, наркотических и физиологически активных веществ.
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 и 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 недостатком 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 меньше объема обдувающего потока воздуха, что приводит к значительному разбавлению пробы воздухом и, как следствие, к значительному снижению чувствительности анализа пробы.
Наиболее близкой к заявленному изобретению является система для дистанционного отбора и анализа 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 известного устройства являются более высокая эффективность извлечения паровой фазы органических веществ, снижение потерь при отборе транспортируемой от объекта пробы, портативность всего устройства.
Основным недостатком известного устройства 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.
В основу настоящего изобретения положена задача разработать конструкцию системы для дистанционного отбора и анализа воздушных проб с поверхности и из негерметизированных объектов, не обладающую эффектом «памяти» пробы при проведении периодических обследований объектов, а также при проведении длительных по времени циклов обследования объектов.
Это достигается тем, что система для дистанционного отбора и анализа воздушных проб с поверхности и из негерметизированных объектов содержит 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, при этом, по крайней мере, в качестве побудителя всасываемого потока воздуха использован реверсивный воздушный насос, а между побудителем всасываемого потока воздуха и всасывающим каналом расположено устройство отбора и анализа пробы в составе поступающего от объекта воздушного потока, которое содержит, по крайней мере, устройство для нагрева поступающего от объекта воздушного потока и которое соединено входным и выходным газовыми каналами соответственно с всасывающим каналом и побудителем всасываемого потока воздуха.
В качестве устройства для нагрева поступающего от объекта воздушного потока использован поверхностно-ионизационный источник ионов органических соединении
В качестве побудителя нагнетаемого потока воздуха использован реверсивный воздушный насос.
В качестве устройства отбора и анализа пробы использован спектрометр ионной подвижности, содержащий поверхностно-ионизационный источник ионов органических соединений.
В качестве устройства отбора и анализа пробы использован канал, содержащий устройство для нагрева поступающего от объекта воздушного потока и держатель для концентратора паров.
Заявленная конструкция иллюстрируется следующими чертежами.
Фиг.1 - система для дистанционного отбора и анализа воздушных проб с поверхности и из негерметизированных объектов, включающая устройство отбора и анализа пробы на основе спектрометра ионной подвижности, содержащего поверхностно-ионизационный источник ионов органических соединений.
Фиг.2 - система для дистанционного отбора и анализа воздушных проб с поверхности и из негерметизированных объектов, включающая устройство отбора и анализа пробы на основе канала, содержащего держатель для концентратора паров и устройство для нагрева поступающего от объекта воздушного потока.
Изображенное на Фиг.1 устройство 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 - спектрометр ионной подвижности, 9 - поверхностно-ионизационный источник ионов спектрометра ионной подвижности, 10 - дрейф-камера спектрометра ионной подвижности, 11 - активный элемент термоэмиттера ионов поверхностно-ионизационного источника ионов, 12 - нагреватель термоэмиттера ионов, 13 - вспомогательный воздушный клапан, 14 - вспомогательный воздушный дроссель.
Изображенное на Фиг.2 устройство, помимо элементов, обозначенных на Фиг.1, включает следующие элементы: 15 - устройство отбора и анализа пробы на основе канала, 16 - концентратор паров, 17 - держатель концентратора паров, 18 - нагреватель.
Сущность заявленного изобретения и работы заявленной конструкции состоит в следующем.
В вариантах исполнения устройства отбора и анализа пробы в составе поступающего от объекта воздушного потока на основе поверхностно-ионизационного источника ионов органических соединении или на основе спектрометра ионной подвижности, содержащего поверхностно-ионизационный источник ионов органических соединений, при включенном нагревателе термоэмиттера ионов рабочая температура активного элемента термоэмиттера ионов составляет 350-450°С [3-4]. При этом воздух, прокачиваемый вблизи поверхности активного элемента термоэмиттера ионов, нагревается до температуры 200-250°С. В зависимости от режима работы термоэмиттера ионов или спектрометра ионной подвижности через них необходимо прокачивать воздух с объемным расходом 3-4 литров/мин. При включенных в обычных режимах насосах 4 и 5 происходит отбор пробы воздуха и анализ пробы с использованием в качестве анализирующих устройств поверхностно-ионизационного источника ионов органических соединений или спектрометра ионной подвижности. В зависимости от конкретной конструкции (геометрических размеров) устройства обдува объекта воздушной струей и устройства всасывания поступающего от объекта воздушного потока, оптимальная величина объемного потока воздуха через всасывающий канал может составлять 1-2 литров/мин. Для согласования величин потоков воздуха, оптимальных для работы устройства всасывания и поверхностно-ионизационного источника ионов органических соединении или спектрометра ионной подвижности, используется дополнительный воздушный дроссель 14.
В процессе отбора и анализа пробы происходит оседание части органического вещества в составе пробы на внутренней поверхности всасывающего канала 6, что при последующем отборе и анализе приводит к появлению сигнала от предыдущей пробы. При проведении длительного по времени отбора и анализа пробы происходит оседание части органического вещества и на внутренней поверхности рефлектора, что также приводит к появлению сигнала от предыдущей пробы. Эти эффекты называются эффектами «памяти» пробы.
Для устранения данных эффектов при проведении периодических обследований объектов после проведения отбора и анализа пробы при включенном нагревателе термоэмиттера ионов насос 5 включают в реверсивный режим, а вспомогательный воздушный клапан 13 закрывают. При проведении длительного по времени цикла обследования объектов при включенном нагревателе термоэмиттера ионов и включенном в реверсивный режим насосе 5, а также закрытом клапане 13 дополнительно периодически включают в реверсивный режим насос 4. В результате при периодических обследованиях после отбора пробы осуществляется очистка канала 6 потоком горячего воздуха, который «продувает» канал 6 от остатков органических веществ наружу из устройства. Периодическое включение насоса 4 в реверсивный режим обеспечивает обдув горячим воздухом поверхности рефлектора 2, забор горячего воздуха в каналы крыльчатки завихрителя 1 и в кольцевую полость 3, что обеспечивает их очистку от загрязнений органическим веществом. При этом в качестве источника нагрева воздуха используется элемент конструкции устройства отбора и анализа пробы - поверхностно-ионизационный источник ионов, который одновременно используется и как анализатор паров органических веществ [5].
В ряде случаев отбор и анализ проб целесообразно провести в два этапа, например провести отбор пробы на салфетку и осуществить последующий анализ пробы с салфетки с использованием известных методов - хроматографов, масс-спектрометров, дрейф-спектрометров. В этом случае используют вариант исполнения устройства отбора и анализа пробы в составе поступающего от объекта воздушного потока на основе канала 15, содержащего устройство для нагрева поступающего от объекта воздушного потока 18 и держатель для концентратора паров 17. В данном варианте исполнения отбор пробы осуществляют на салфетку 16, при этом периодически проводят очистку каналов устройства обдува объекта воздушной струей и устройства всасывания поступающего от объекта воздушного потока по методике, описанной выше, но с использованием нагревателя 18 в качестве источника горячего воздуха.
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 (прототип).
3. RU 2293976, МКИ G01N 27/64, Н01J 49/26, 2004.
4. RU 2293977, МКИ G01N 27/64, Н01J 49/26, 2005.
5. RU 2329563, МКИ H01J 49/40, G01N 27/64, 2006.