УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНЦЕНТРИРОВАНИЯ ПРИМЕСИ В ГАЗЕ

Полезная модель относится к области техники концентрирования примеси и малых количеств паров в газах для повышения чувствительности регистрирующего устройства.
Такое устройство может применяться для мониторинга окружающей среды на предмет обнаружения таких токсичных веществ как сероводород, оксиды серы и азота. А также в медицине для усовершенствования аппаратов неинвазивной диагностики для концентрирования таких веществ как пары этанола, изопропанола, ацетона с целью диагностики ранних стадий различных заболеваний, таких как диабет, заболевания желудочно-кишечного тракта, так же для концентрирования малых количеств опасных взрывчатых веществ.
Устройство может быть использовано в сочетании с датчиками газа на основе полупроводниковых пленок в качестве активного слоя, для повышения их чувствительности. Наиболее совместимыми с предлагаемой конструкцией являются датчики газа на основе металлооксидных и других полупроводниковых тонких пленок в силу своей миниатюрности и универсальности определяемых паров и газов.
Известно устройство реализации метода для повышения чувствительности при детектировании малых количеств веществ в воздушной среде, который заключается в предварительном концентрировании анализируемой пробы с последующим увеличением концентрации примеси путем нагрева концентратора. Данный метод основан на явлении адсорбции атомов или молекул газа на поверхности твердого тела при столкновении указанных частиц с этой поверхностью, см., например, (Ландау Л.Д., Е.М. Лифшиц, Статистическая физика. Часть I. 3-е изд., испр. - М.: Наука. Гл. ред. физ. - мат. лит., 1976. - 584 с.т. V).
При реализации такого метода газовую смесь прокачивают в течение заданного времени (времени накопления) через накопительную емкость, имеющую ограниченный объем. Часть молекул примеси “прилипает” к внутренней поверхности накопительной емкости (фаза адсорбции). Далее, с применением какого-либо внешнего источника энергии, накопленные путем адсорбции атомы или молекулы, отделяют от внутренней поверхности накопительной емкости, (фаза десорбции) и с помощью внешнего датчика можно достоверно обнаружить наличие или отсутствие искомого вещества в накопительной емкости.
Известно устройство для реализации способа увеличения концентрации примеси, выделяемой из газовой смеси (патент RU №2505807 «Способ увеличения концентрации примеси, выделяемых из газовой смеси», МПК G01N 30/08, опубл. 27.01.2014). Такое устройство содержит накопительную емкость с расположенными внутри конструктивными элементами в виде отрезков капилляров, шариков, иголок и т.д. Через накопительную емкость прокачивается газ с примесью, которая адсорбируется на поверхности накопительной емкости и на поверхностях конструктивных элементов внутри нее. Для повышения пиковой концентрации десорбированной примеси и снижения их потерь десорбция накопленных примеси производится в результате облучения внутренней поверхности накопительной емкости и поверхностей конструктивных элементов, расположенных внутри накопительной емкости. Такое устройство позволяет увеличить концентрацию примеси, выделяемую из газовой смеси, в особенности, когда требуется импульсное и динамичное во времени повышение концентрации выбранного вещества.
Недостатки устройства связаны с необходимостью совмещения излучательного элемента с накопительной камерой, а так же с накоплением адсорбтива на конструктивных элементах, что затрудняет возможность проведения достоверных повторных измерений другого детектируемого вещества.
Наиболее близким по технической сущности к заявляемому, является устройство для концентрирования примеси в газах (заявка RU №94030828 «Устройство для концентрирования примеси в газах», G01N 30/02, опубл. 10.06.1996), которое состоит из трубки с газопроницаемым слоем частиц сорбента, имеющей нагреватель, при этом газопроницаемый слой состоит из инертной насадки, на поверхности которой расположены частицы сорбента, причем элементами насадки служат отрезки проволочных спиралей, а нагреватель выполнен с возможностью перемещения по трубке.
При работе такого устройства поток газа с примесью пропускается через трубку при комнатной температуре слоя с сорбентом. Скорость потока, обеспечивающая достаточную полноту поглощения примеси, устанавливается предварительными испытаниями. Время отбора пробы задается требуемым коэффициентом концентрации. Накопленная примесь десорбируется нагревом слоя с сорбентом в малый поток газа, направляемый в детектор. Устройство может применяться отдельно или может быть постоянной частью детектора.
Недостатком данной конструкции является то, что ее можно использовать только для примеси одной природы, поскольку при попытке определения примеси другой природы будет вноситься погрешность за счет влияния остаточных примесей на сорбенте от предыдущего определения. Кроме того конструкция имеет ограниченный срок службы, так как в процессе работы неизбежно происходит накопление остаточных примесей и засорение сорбента, что уменьшает его функциональную способность.
Задачей заявляемой полезной модели является создание устройства для концентрирования примеси в газе, позволяющего достигать технический результат, заключающийся в обеспечении универсальности устройства и увеличения срока его службы.
Сущность полезной модели заключается в том, что в устройстве для концентрирования примеси в газе, содержащем камеру для газа с размещенным в ней элементом для концентрирования примеси, снабженную с внешней стороны нагревателем, камера имеет входной и выходной патрубки, каждый из которых снабжен вентилем, при этом входной патрубок закреплен на крышке входного отверстия камеры для газа, имеющей отверстие для прохождения газа, на которой закреплен держатель с размещенным на нем элементом для концентрирования примеси. Элемент для концентрирования примеси может быть выполнен в виде N пластин, где N от 1 до Z, при этом Z=L/(c+b), где L - длина камеры для газа, c - толщина пластины, b - расстояние между пластинами. Пластины элемента для концентрирования примеси могут быть выполнены из кремния, со сформированной структурой пор методом анодирования с одной или с обеих поверхностей пластины, а так же из кремния или стекла или окисленного кремния со сформированным на них методом золь-гель слоем пористого диоксида кремния с одной или обеих поверхностей пластины.
Предлагаемое устройство позволяет осуществлять замену элемента для концентрирования примеси, что обеспечивает проведение концентрирования примеси другого типа (универсальность) и позволяет заменить вышедший из строя элемент для концентрирования примеси (увеличение срока службы).
Для этого элемент для концентрирования примеси размещен на держателе, который закреплен на крышке, которая закрывает входное отверстие камеры для газа. В отверстие крышки вставлен входной патрубок для подачи газа, с другой стороны камера имеет выходной патрубок для выхода газа. При этом патрубки снабжены вентилями для обеспечения закрытия полости камеры при осуществлении режима концентрирования и открытия для осуществления режима забора газа или продува камеры инертным газом для очистки. Таким образом, обеспечивается возможность использования устройства для концентрирования примеси другого типа. Для этого снимают крышку с входного отверстия камеры вместе с закрепленным на ней держателем с элементом для концентрирования примеси, снимают элемент для концентрирования примеси с держателя, вновь размещают крышку во входное отверстие камеры без элемента для концентрирования примеси, продувают камеру, используя патрубки и вентили. Снимают крышку с входного отверстия и закрепляют на держателе новый элемент для концентрирования примеси в зависимости от типа примеси, далее снова размещают держатель с элементом для концентрирования внутрь камеры и проводят концентрирование примеси другого типа. Так обеспечивается универсальность применения предлагаемого устройства, что позволяет значительно расширить диапазон концентрируемых примесей.
Если элемент для концентрирования примеси выходит из строя (загрязнен, поврежден механически), проводя вышеуказанные действия, осуществляют его замену, так продлевая срок службы устройства.
Таким образом, одна и та же совокупность существенных признаков влияет на возможность получения технического результата выражающегося в обеспечении универсальности устройства и увеличения срока его службы и находится в причинно-следственной связи с указанным результатом.
На Фиг. 1 изображена принципиальная схема устройства.
На Фиг. 2 изображен пример выполнения элемента для концентрирования примеси.
Устройство для концентрирования примеси в газе содержит (Фиг. 1) камеру для газа 1, в которой размещен элемент для концентрирования примеси в газе 2. С внешней стороны камеры для газа 1 расположен нагреватель 3. Камера для газа 1 снабжена входным патрубком 6 и выходным патрубком 7, на которых установлены вентили 8 и 9 соответственно. Патрубок 6 закреплен на крышке 5, которая устанавливается на входное отверстие камеры и имеет сквозное отверстие для прохождения газа. На крышке 5 закреплен держатель 4 элемента для концентрирования примеси 2.
Элемент для концентрирования примеси 2 (Фиг. 2) может быть выполнен в виде N пластин, где N от 1 до Z, при этом Z=L/(c+b), где L - длина камеры для газа, c - толщина пластины, b - расстояние между пластинами.
Пластины элемента для концентрирования примеси могут быть выполнены из кремния, со сформированной структурой пор методом анодирования с одной или с обеих поверхностей пластины, а так же из кремния или стекла или окисленного кремния со сформированным на них методом золь-гель слоем пористого диоксида кремния с одной или обеих поверхностей пластины. Камера для газа может быть выполнена в форме цилиндра или призмы прямоугольного или квадратного сечения. Форма цилиндра более предпочтительна для реализации равномерного потока газа, проходящего через камеру. В качестве материала камеры может использоваться, например, кварц, металл. С внешней стороны камеры для газа расположен нагреватель, который может быть выполнен в виде внешней печи резистивного типа. Камера для газа снабжена входным и выходным патрубками, которые могут быть выполнены из кварца или металла в зависимости от материала камеры, на которых установлены вентили. Вентили могут быть, например, шаровыми. Входной патрубок закреплен на крышке, которая устанавливается на входное отверстие камеры и имеет сквозное отверстие для прохождения газа. Крышка может быть выполнена, например, из латуни или другого металла. Крышка закрепляется на камере с помощью гайки. Для обеспечения герметизации соединение укрепляется уплотнительным кольцом. На крышке закреплен держатель элемента для концентрирования примеси, который может быть выполнен, например, в форме металлической пластины длиной L (Фиг. 2). На пластине могут быть сформированы пазы для закрепления пластин элемента для концентрирования примеси. Элемент для концентрирования примеси 2 (Фиг. 2) может быть выполнен в виде N пластин, где N от 1 до Z, при этом Z=L/(c+b), где L - длина камеры для газа, c - толщина пластины, b - расстояние между пластинами. Пластины элемента для концентрирования примеси могут быть выполнены из кремния, со сформированной структурой пор методом анодирования с одной или с обеих поверхностей пластины, а так же из кремния или стекла или окисленного кремния со сформированным на них методом золь-гель слоем пористого диоксида кремния с одной или обеих поверхностей пластины.
Устройство для концентрирования примеси в газах работает следующим образом.
Перед началом концентрирования примеси в газе выбирают и размещают внутрь камеры для газа 1 элемент для концентрирования примеси 2. Для этого крышку 5, на которой закреплен держатель 4 с элементом для концентрирования примеси 2 устанавливают на входное отверстие камеры. Вентили входного патрубка 6 и выходного патрубка 7 открыты. Затем с помощью нагревателя 3 проводят предварительный прогрев камеры для газа 1 и элемента для концентрирования примеси 2, находящегося в камере для газа, и продув инертным газом для удаления остаточной влаги с внутренней поверхности камеры для газа 1 и поверхностей элемента для концентрирования примеси 2. Предварительный прогрев заканчивают. После остывания проводят забор пробы газа путем конвекции или принудительного прокачивания, закрывают вентили 8 и 9. В это время происходит осаждение примесей на пластины элементы для концентрирования примеси 2. Вновь проводят нагрев с помощью нагревателя 3 в течение достаточного времени для максимально эффективной десорбции примеси из пор поверхностей пластин элемента для концентрирования примеси 2, в результате чего давление в камере для газа 1 увеличивается. После этого открывают вентиль 9 выходного патрубка, и насыщенный парами анализируемой примесигаз из камеры элемента для газа 1 в результате избыточного давления поступает в регистрирующее устройство. После срабатывания регистрирующего устройства открываются вентили 8 и 9, проводят продув камеры для газа 1 инертным газом. Затем нагреватель 3 отключают, и без предварительного нагрева устройство можно использовать для концентрирования в следующей пробе газа.
При необходимости концентрирования примеси другой природы или в случае загрязнения или механического повреждения заменяют элемент для концентрирования примеси 2 на другой.
Пример 1.
Проводили концентрирование примеси паров изопропанола в воздухе. Для этого использовали камеру для газа в виде кварцевой трубки. Нагревательный элемент был выполнен в виде внешней печи резистивного типа. Патрубки были выполнены в виде кварцевых трубок. Шаровые вентили были выполнены из латуни. Крышка и держатель так же были изготовлен из латуни. Крышка крепилась к камере для газа с помощью латунной гайки. Для осуществления герметизации соединение было дополнено уплотнительным кольцом. Перед началом работы производился прогрев камеры для газа с размещенным в ней элементом для концентрирования примеси в газе при температуре 200°C в течение 20 мин с целью удаления молекул воды, адсорбированной на поверхности концентрирующего элемента В качестве инертного газа для предварительной подготовки устройства для концентрирования примеси в газе выбран аргон. Использовался элемент для концентрирования примеси в виде пластин кремния со сформированной пористой структурой с обеих сторон в количестве 10 шт. Забор пробы производился в течение 5 мин методом принудительного напуска компрессором. Затем входной и выходной вентили были закрыты и производился нагрев камеры для газа до температуры 300°C для осуществления процесса десорбции накопленного вещества с поверхности элемента для концентрирования примеси. В результате нагрева давление в камере для газа увеличилось и после открытия выходного вентиля содержимое камеры вследствие избыточного давления поступало на регистрирующее устройство. Для регистрации примеси изопропанола в газе использовался тонкопленочный металлооксидный газовый датчик на основе диоксида олова. В результате было произведено детектирование примеси паров изопропанола в воздухе.
Пример 2.
Проводили концентрирование примеси паров ацетона в воздухе. Для этого использовали камеру для газа в виде кварцевой трубки. Нагревательный элемент был выполнен в виде внешней печи резистивного типа. Патрубки были выполнены в виде кварцевых трубок. Шаровые вентили были выполнены из латуни. Крышка и держатель так же были изготовлен из латуни. Крышка крепилась к камере для газа с помощью латунной гайки. Для осуществления герметизации соединение было дополнено уплотнительным кольцом. Перед началом работы производился прогрев камеры для газа с размещенным в ней элементом для концентрирования примеси в газе при температуре 200°C в течение 20 мин с целью удаления молекул воды, адсорбированной на поверхности концентрирующего элемента. В качестве инертного газа для предварительной подготовки устройства для концентрирования примеси в газе выбран аргон. Использовался элемент для концентрирования примеси в виде стеклянных пластин с нанесенными тонкими пористыми слоями диоксида кремния методом золь-гель с обеих сторон в количестве 10 шт. Забор пробы производился в течение 5 мин методом принудительного напуска. Затем входной и выходной вентили были закрыты и производился нагрев камеры для газа до температуры 300°C для осуществления процесса десорбции накопленного вещества с поверхности элемента для концентрирования примеси. В результате нагрева давление в камере для газа увеличилось и после открытия выходного вентиля содержимое камеры вследствие избыточного давления поступало на регистрирующее устройство. Для регистрации примеси изопропанола в газе использовался тонкопленочный металлооксидный газовый датчик на основе диоксида олова. В результате было произведено детектирование примеси паров ацетона в воздухе.
Устройство может быть использовано в сочетании с датчиками газа на основе полупроводниковых пленок в качестве активного слоя, для повышения их чувствительности. Наиболее совместимыми с предлагаемой конструкцией являются датчики газа на основе металлооксидных и других полупроводниковых тонких пленок в силу своей миниатюрности и универсальности определяемых паров и газов.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет обеспечить универсальность устройства и увеличить срок его службы за счет обеспечения возможности смены элемента для концентрирования примеси, что позволяет проводить концентрирования примеси различной природы и заменять вышедший из строя элемента для концентрирования примеси.