Устройство для автоматизированного отбора и переноса веществ с границы раздела фаз

Полезная модель относится к области приборостроения, в частности общелабораторных приборов, обеспечивающих пробоотбор для дальнейшего измерения состава и физико-химических свойств веществ.
Из предыдущего уровня техники известен пробоотборник для оценки толщины слоя нефти над водой (Патент РФ №2534791, дата приоритета 10.12.2014), содержащий тонкостенный, прозрачный вертикальный корпус из материала, который не смачивается нефтью и нефтепродуктами. Корпус без дна имеет постоянную по высоте площадь внутреннего сечения и острую кромку в нижней части, в верхней части корпус конусообразно сужен и соединен с отводом гибкой формы, к которому присоединены два крана: боковой – для пропуска воздуха и центральный – для пропуска жидкостей, к центральному крану присоединена калиброванная пипетка, которая в свою очередь соединена с насосом двухстороннего действия. Калиброванная пипетка выполнена с возможностью предварительного размещения фиксированного объема растворителя нефти и последующей подачи с помощью насоса растворителя в нефть. Корпус пробоотборника превосходит калиброванную пипетку по площади внутреннего сечения. Недостатком известного пробоотборника является малое количество отбираемой пробы, обусловленное выполнением корпуса пробоотборника из несмачиваемого материала, что не позволяет обеспечить медленное стекание пробы и, как следствие, образования нефтяной пленки на поверхности пробоотборника в достаточном количестве.
Также известен пробоотборник для отбора плёнок нефти и нефтепродуктов с поверхности воды (патент РФ №2679232, дата приоритета 06.12.2017), выполненный в виде полого цилиндра из инертного материала, на внешней поверхности которого выполнены риски для измерения объема отбираемой пробы, и двух крышек из инертного материала. Одна из них может быть установлена на торце цилиндра со стороны отбора пробы с поверхности воды, а другая – на втором торце цилиндра пробоотборника. Перед отбором пробы пленок проводят отжиг в печи узкого участка пробоотборника. Далее пробоотборник охлаждают до температуры окружающей среды. Для отбора пробы пробоотборник располагают широким участком над жидкостью с пленкой в емкости. Затем пробоотборник быстро опускают вертикально вниз в воду с пленкой нефти и нефтепродуктов на поверхности. Недостатками данного устройства является невозможность контролировать скорость перемещения, угол и глубину погружения зонда, поскольку все манипуляции проводятся вручную. Другим недостатком являются дополнительные этапы нагревания и охлаждения элемента устройства.
Известен патент (US 2003OO77396A1, дата приоритета 22.10.2002), описывающий устройство для нанесения покрытий способом погружения (dip-coating), конструкция имеет погружной резервуар, механизм захвата и удерживания, датчики контроля площади погружения и механизм перемещения подложки. Подложку погружают в резервуар с жидким веществом с помощью автоматической системы, вещество закрепляется на поверхности подложки, образец извлекают и используют для дальнейших этапов создания покрытия. Недостатком установки является использование только подложек плоской формы, отсутствие термостатирования образца, применимость только для создания покрытий, невозможность использования для пробоотбора.
Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является патент «Способ для отбора пленок нефти и нефтепродуктов с поверхности воды и устройство для его осуществления» (Патент РФ №2604843С1, дата приоритета 13.05.2015). Технической задачей, решаемой в предлагаемом решении (способе и устройстве), являются повышение точности анализа, возможность проведения количественного анализа органических веществ в отобранной пробе, а также возможность отбора проб для анализа в полевых условиях. Устройство выполнено в виде полого цилиндра с пробкой из инертного материала и наконечника, в котором установлен прецизионный вентиль. Пробоотборник имеет развитую внутреннюю поверхность. На внешней поверхности пробоотборника выполнены риски для измерения объема отбираемой пробы. Перед отбором проб пробоотборник отжигают и далее охлаждают до температуры окружающей среды и опускают в исследуемую пробу. Отбирают фиксированный объем пробы. Затем медленно сливают водную фазу и анализируют пленку, осажденную на внутренней поверхности известной площади пробоотборника, на содержание органического вещества. Основными недостатками данного пробоотборника являются необходимость ручного перекрытия вентиля и ручного перемещения пробоотборника, что снижает воспроизводимость и точность отбора пробы, необходимость проводить отжиг и ограниченная область применения (только для нефти и нефтепродуктов).
Целью предлагаемого устройства является автоматизация отбора пробы с границы раздела фаз жидкость-газ и твердое тело-газ, и перенос пробы на зонд для дальнейшего исследования.
Поставленная цель достигается использованием закрепленного зонда с подходящими геометрией и материалом в держателе на подвижной каретке, размещенной на оси линейного перемещения с шаговым двигателем, при этом ось крепится вертикально к платформе, оборудованной термостоликом, а сверху на двигатель устанавливается и закрепляется драйвер шагового двигателя, который имеет делитель шагов для изменения количества шагов на оборот оси, контролирующий перемещение, при этом управляющие сигналы на термостолик и драйвер шагового двигателя подаются при помощи микроконтроллеров, закрепленных на устройстве.
Преимущество данного устройства заключается в использовании закрепленного зонда с подходящими геометрией и материалом в держателе на подвижной каретке, размещенной на оси линейного перемещения с шаговым двигателем, высокоточном контроле перемещения зонда за счет микроконтроллера, отвечающего за формирование управляющих импульсов для драйвера шагового двигателя, который имеет делитель шагов для изменения количества шагов на оборот оси.
Технический результат заключается в возможности автоматизации процесса пробоотбора, высокоточного контроля перемещения зонда и количественного переноса вещества с границы раздела фаз на поверхность зонда за счет использования закрепленного зонда с подходящими геометрией и материалом в держателе на подвижной каретке, размещенной на оси линейного перемещения с шаговым двигателем; микроконтроллера, отвечающего за формирование управляющих импульсов для драйвера шагового двигателя, который имеет делитель шагов для изменения количества шагов на оборот оси.
Сущность устройства поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема устройства, готового к работе, а на фиг.2 изображена блок-схема установки.
Сущность устройства поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена схема устройства, готового к работе, а на фиг.2 изображена блок-схема установки.
Общие габариты установки 500x330x710 мм. На фиг.1. изображена установка, расположенная на алюминиевой платформе 500x330x16 мм (1) с ножками. На платформе вертикально установлена ось линейного перемещения (2) с шаговым двигателем (3), которая крепится к платформе на 4 стальных уголка (4). На двигатель сверху устанавливается драйвер шагового двигателя.  На оси установлена каретка (5) с пластиной (6) для крепления химической лапки. Ход каретки по вертикальной оси 500 мм. На оси установлено 3 концевых выключателя (7) для определения крайних и промежуточного положений каретки. На платформе устанавливается и закрепляется термостолик (8) для термостабилизации емкости забора образца.
В блоке для крепления плат (крейте) 19 дюймов 4U установлен и закреплен блок питания AC/DC ~220 – 24В. Питание установки 24В и сигналы от микроконтроллеров, закрепленных на крейте, передаются от крейта по кабелю к драйверу шагового двигателя и к термостолику, закрепленному на платформе. Для формирования управляющих импульсов в крейте установлены два микроконтроллера. Один микроконтроллер отвечает за обработку сигналов от концевых выключателей, кнопки аварийной остановки и формирование управляющих импульсов для драйвера шагового двигателя. Драйвер шагового двигателя имеет делитель шагов для изменения количества шагов на оборот. Второй микроконтроллер отвечает за термостабилизацию образца. Он получает данные от цифрового датчика температуры, установленного снизу термостолика. На основе полученной температуры происходит подача питания на контакты нагревателя термостолика либо его отключение.
Установка работает следующим образом. Исследуемый образец, содержащий границу раздела фаз, помещают на термостолик, поддерживающий заданную температуру. С помощью программного обеспечения задают параметры перемещения закрепленного на каретке зонда с определенной геометрией: расстояние перемещения, время перемещения и длительность выдержки зонда в образце, линейные координаты, температуру нагрева. Далее из программного приложения запускают работу установки. Зонд осуществляет пробоотбор и вещество переносится на поверхность. Затем отобранную пробу вещества используют для дальнейших этапов исследования.
Таким образом, описанная установка позволяет автоматизированно осуществить пробоотбор на границе раздела фаз.