УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОЛЕТУЧЕГО ОРГАНИЧЕСКОГО ВЕЩЕСТВА

Полезная модель относится к области аналитического приборостроения для исследования и анализа веществ и преимущественно может быть использована для обнаружения и идентификации следовых количеств малолетучих органических веществ, прежде всего, наркотических, взрывчатых, психотропных, отравляющих или экологически опасных веществ, с помощью приборов спектрометрии подвижности ионов.
Известны спектрометр подвижности ионов (US 5684300, 1997), спектрометр ионной подвижности (RU 63119 U1, 2007) и устройство для обнаружения малолетучих органических веществ (RU 84564 U1, 2009), которые в общей для них части содержат узел отбора пробы воздуха, ионизационную камеру с источником ионизации на основе электродов, выполненных с возможностью образования между ними коронного разряда, камеру дрейфа ионов с системой электродов, усилитель, блок обработки и регистрации и источник электропитания.
Наиболее близким по конструкции к настоящей полезной модели является известное устройство для обнаружения малолетучих органических веществ (RU 82856 U1, 2009), которое может быть использовано для обнаружения и идентификации следовых количеств малолетучих органических веществ, прежде всего, наркотических, взрывчатых, психотропных, отравляющих или экологически опасных веществ, с помощью спектрометрии подвижности ионов. Ближайший аналог содержит ионизационную камеру с источником ионизации и впускным и выпускным патрубками для пробы анализируемого воздуха, камеру дрейфа ионов с коллекторным электродом, сочлененную с ионизационной камерой, усилитель, подключенный входом к коллекторному электроду камеры дрейфа ионов, и блок индикации обнаружения вещества, а также блок управления и обработки, подключенный входом и выходом соответственно к выходу усилителя и входу блока индикации обнаружения вещества. Блок индикации обнаружения вещества выполнен на основе светодиодных индикаторов и обеспечивает отображение оператору информации об отсутствии или наличии в анализируемой пробе воздуха вещества, которое необходимо обнаружить, а в последнем случае также и отображение в цифровом виде мгновенного значения электрического сигнала, которое позволяет судить оператору о концентрации обнаруженного вещества в анализируемой пробе воздуха.
Принятие решения о наличии или отсутствии вещества в ближайшем аналоге принимается блоком управления и обработки в результате сравнения с пороговым значением мгновенного значения электрического сигнала, которое получено в заданный момент времени, определяемый подвижностью ионов молекул того вещества, которое необходимо обнаружить. При этом определение указанного заданного момента времени осуществляется на этапе калибровки устройства для обнаружения малолетучих органических веществ с использованием того вещества, которое необходимо обнаружить.
Но в процессе эксплуатации устройства для обнаружения малолетучих органических веществ время движения ионов через камеру дрейфа может изменяться, например, вследствие динамики прогрева прибора или по другим причинам. В этом случае, с внесенными в базу данных значениями времени и амплитуды, характеризующими ионные спектры искомых веществ, будет сравниваться время движения ионов и величина текущего значения амплитуды ионного тока предъявленного вещества, без учета вносящего погрешность фактора, в результате чего вещество, которое необходимо обнаружить, будет пропущено, поскольку оператору будет отображаться блоком индикации обнаружения вещества только информация об отсутствии вещества, которое необходимо обнаружить. В связи с этим, при незначительном изменении получаемого ионного спектра вещества, которое необходимо обнаружить, из-за изменения времени движения ионов через камеру дрейфа и соответственно сдвига амплитуды ионного тока в ту или иную сторону по оси времени, является полезным отображение получаемого спектра подвижности ионов блоком индикации, чтобы обеспечить возможность оператору визуально оценить близость полученного спектра к спектру, полученному при калибровке устройства, и на основании этого предотвратить пропуск вещества, которое необходимо обнаружить. Однако, такими возможностями блок индикации обнаружения вещества устройства для обнаружения малолетучих органических веществ, являющийся ближайшим аналогом, не обладает.
Кроме того, коррекцию или дополнение базы данных спектров подвижности ионов веществ, которые необходимо обнаружить, при калибровке устройства для обнаружения малолетучих органических веществ, являющегося ближайшим аналогом, осуществляют с использованием подключения его к дополнительному оборудованию, например к персональному компьютеру, что обусловлено отсутствием в составе устройства монитора и клавиатуры.
Поэтому недостатками ближайшего аналога, как и всех перечисленных выше аналогов, является достаточно высокая вероятность пропуска вещества, которое необходимо обнаружить, а также сложность его эксплуатации, обусловленная необходимостью использования дополнительного оборудования при калибровке устройства для обнаружения малолетучих органических веществ с целью коррекции или дополнения базы данных спектров подвижности ионов веществ, которые необходимо обнаружить.
Задачей настоящей полезной модели является снижение вероятности пропуска вещества, которое необходимо обнаружить, а также упрощение эксплуатации устройства.
Поставленная задача решена, согласно настоящей полезной модели, тем, что устройство для обнаружения малолетучего органического вещества, содержащее, в соответствии с ближайшим аналогом, камеру ионизации с впускным и выпускным патрубками для пробы анализируемого воздуха и источником ионизации, камеру дрейфа ионов с коллекторным электродом, сочлененную с камерой ионизации, усилитель, подключенный входом к коллекторному электроду, блок управления и обработки, вход которого подключен к выходу усилителя, и блок индикации обнаружения вещества, подключенный к выходу блока управления и обработки, отличается от ближайшего аналога тем, что оно снабжено сенсорным цветным монитором, выполненным с возможностью отображения спектра подвижности ионов и подключенным к выходу блока управления и обработки.
При этом источник ионизации выполнен в виде электродов, выполненных с возможностью образования между ними коронного разряда.
Сенсорный цветной монитор установлен с использованием шарнирного соединения.
С одной стороны, снабжение устройства для обнаружения малолетучего органического вещества сенсорным цветным монитором, выполненным с возможностью отображения спектра подвижности ионов и подключенным к выходу блока управления и обработки, обеспечивает возможность отображения оператору не только информации о наличии или отсутствии вещества, которое необходимо обнаружить, но и полученного при работе устройства спектра подвижности ионов. В случае ошибочного отображения оператору блоком индикации обнаружения вещества информации об отсутствии вещества, которое произошло из-за изменения в процессе эксплуатации времени движения ионов через камеру дрейфа, это позволяет обеспечить возможность оператору визуально оценить близость полученного спектра к спектру подвижности ионов обнаруживаемого вещества, полученному при калибровке устройства, и на основании этого предотвратить пропуск вещества, которое необходимо обнаружить.
С другой стороны, снабжение устройства для обнаружения малолетучего органического вещества сенсорным цветным монитором, выполненным с возможностью отображения спектра подвижности ионов и подключенным к выходу блока управления и обработки, обеспечивает возможность коррекции или дополнения базы данных спектров подвижности ионов веществ, которые необходимо обнаруживать, при калибровке устройства для обнаружения малолетучего органического вещества без использования подключения его к дополнительному оборудованию, например к персональному компьютеру, что упрощает процесс эксплуатации устройства. Кроме того, установка сенсорного цветного монитора с использованием шарнирного соединения обеспечивает большее удобство наблюдения оператором отображаемой на нем информации, что также упрощает процесс эксплуатации устройства.
Отмеченное свидетельствует о решении декларированной выше задачи настоящей полезной модели благодаря наличию у устройства для обнаружения малолетучего органического вещества перечисленных выше отличительных признаков.
На фиг.1 показана структурная схема устройства для обнаружения малолетучего органического вещества, где 1 - камера ионизации, 2 - камера дрейфа ионов, 3 - источник коронного разряда, 4 - коллекторный электрод, 5 - первый затвор, 6 - второй затвор, 7 - источник напряжений для электродов, 8 - впускной патрубок, 9 -выпускной патрубок, 10 - воздушный насос, 11 - фильтр, 12 - усилитель, 13 - блок управления и обработки, 14 - блок индикации обнаружения вещества и 15 - сенсорный цветной монитор.
На фиг.2 показан внешний вид устройства для обнаружения малолетучего органического вещества, где 16 - узел отбора пробы воздуха, 17 - шарнирное соединение, 18 - ниша для монитора и 19 - ручка для переноски.
Устройство для обнаружения малолетучего органического вещества содержит (см. фиг.1) камеру 1 ионизации и камеру 2 дрейфа ионов, сочлененную с камерой 1 ионизации. Камера 1 ионизации снабжена впускным патрубком 8, соединенным с узлом 16 отбора пробы воздуха (см. фиг.2), выполненным, например, в виде цилиндрической насадки с каналом для забора воздуха и установленным снаружи, и выпускным патрубком 9, соединенным с атмосферой. В магистрали впускного патрубка 8 или выпускного патрубка 9 установлен вентилятор (на чертежах не показан) для принудительного отбора пробы воздуха. В камере 1 ионизации установлен источник 3 коронного разряда, который выполняет функцию источника ионизации и выполнен, например, в виде нескольких пар иглообразных электродов из нержавеющей стали или палладиево-иридиевого сплава с возможностью инициирования коронного разряда. Для этого расстояние между кончиками иглообразных электродов может быть выбрано, например, около 1 мм, а радиус их закругления - около 25 мкм.
Между камерой 1 ионизации и камерой 2 дрейфа ионов установлен первый затвор 5. В камере 1 ионизации между источником коронного разряда 3 и впускным и выпускным патрубками 8 и 9 установлен второй затвор 6. Первый и второй затворы 5 и 6 могут быть выполнены в виде металлической сетки или перфорированной металлической пластины. В последнем случае первый и второй затворы 5 и 6 могут быть изготовлены, например, методом лазерной резки из нержавеющей стали толщиной 0,125 мм с выполнением квадратных отверстий размером 0,5×0,5 мм с шагом между отверстиями, равным 1 мм.
Камера 2 дрейфа ионов снабжена коллекторным электродом 4, установленным со стороны, противоположной первому затвору 5, и системой кольцевых электродов (на чертежах не показаны), которые размещены вдоль камеры 2 дрейфа ионов и обеспечивают формирование в ней равномерного продольного электрического поля. Камера 2 дрейфа ионов снабжена включенными последовательно воздушным насосом 10 и фильтром 11, которые обеспечивают отбор воздуха из камеры 2 дрейфа ионов вблизи расположения первого затвора 5, очистку воздуха, в том числе, и от паров воды, и нагнетание очищенного воздуха в камеру 2 дрейфа ионов вблизи расположения коллекторного электрода 4, что обеспечивает возможность замкнутой циркуляции очищенного воздуха через камеру 2 дрейфа ионов в направлении, противоположном направлению дрейфа через нее ионов.
Устройство для обнаружения малолетучего органического вещества также содержит блок 13 управления и обработки, выполненный на основе компьютера, усилитель 12, подключенный входом и выходом соответственно к коллекторному электроду 4 и входному аналого-цифровому преобразователю (на чертежах не показан) блока 13 управления и обработки, и источник 7 напряжений для электродов, который подключен своим управляющим входом к выходу блока 13 управления и обработки, а выходами - к электродам источника 3 коронного разряда, коллекторному электроду 4, первому затвору 5, второму затвору 6 и кольцевым электродам (на чертежах не показаны) камеры 2 дрейфа ионов для подачи высоковольтных напряжений.
Кроме того, устройство для обнаружения малолетучего органического вещества содержит блок индикации 14 обнаружения вещества и сенсорный цветной монитор 15, которые подключены к выходам блока 13 управления и обработки. Блок 14 индикации обнаружения вещества выполнен на основе светодиодных индикаторов и обеспечивает возможность отображения оператору, по меньшей мере, информации о наличии или отсутствии в пробе воздуха вещества из перечня веществ, которые необходимо обнаружить, а в случае отображения информации о наличии вещества дополнительно информацию о виде этого вещества. Сенсорный цветной монитор 15 установлен на корпусе (см. фиг. 2) устройства для обнаружения малолетучего органического вещества снаружи с возможностью поворота в шарнирном соединении 17 и с возможностью размещения его в нише 18 для монитора при переноске и хранении устройства. Сенсорный цветной монитор 15 выполнен с возможностью отображения спектров подвижности ионов, которые получены как в результате применения устройства по целевому назначению, так и при калибровке устройства и хранятся в запоминающем устройстве блока 13 управления и обработки. В разработанном авторами настоящей полезной модели опытном образце устройства для обнаружения малолетучего органического вещества в качестве сенсорного цветного монитора 15 использован монитор сенсорный марки LCD BS 7.0" 800×480, производство фирмы Innolux, Китай.
Устройство для обнаружения малолетучего органического вещества работает следующим образом.
Для осуществления контроля с целью обнаружения малолетучих органических веществ, например, наркотических, взрывчатых, психотропных, отравляющих или экологически опасных веществ, оператор включает питание устройства для обнаружения малолетучего органического вещества и, держа его за ручку 19 для переноски, подносит его входным отверстием узла 16 отбора пробы воздуха (см. фиг.2) к обследуемой поверхности. При этом начинает работать вентилятор (на чертежах не показан) узла 16 отбора пробы воздуха, в результате чего анализируемый воздух всасывается (см. фиг.1) через впускной патрубок 8 и прокачивается через камеру 1 ионизации, выходя в атмосферу через выпускной патрубок 9. Одновременно начинает работать воздушный насос 10, обеспечивая замкнутую циркуляцию через камеру 2 дрейфа ионов воздуха, очищаемого фильтром 11.
Источник 7 напряжений для электродов прикладывает относительно источника 3 коронного разряда к коллекторному электроду 4 высокое постоянное напряжение, которое имеет значение нескольких киловольт и знак, противоположный знаку заряда ионов молекул анализируемого вещества, а ко второму затвору 6 - постоянное напряжение того же знака, но значительно меньшее по значению, в результате чего в камере 2 дрейфа ионов возникает продольное электрическое поле. Первоначально источник 7 напряжений для электродов прикладывает к первому затвору 5 относительно второго затвора 6 напряжение, знак которого совпадает со знаком зарядов ионов анализируемого вещества. Импульсное напряжение амплитудой около 3 кВ и частотой 200 кГц при длительности импульсов около 0,1 мс от источника 7 напряжений для электродов, синхронизируемого блоком 13 управления и обработки, прикладывается между электродами источника 3 коронного разряда, в результате чего между этими электродами возникает коронный разряд.
В результате постоянно действующего на втором затворе 6 напряжения образующиеся в зоне коронного разряда реактант-ионы того же знака, что и ионы анализируемого вещества, не попадают в пространство камеры 1 ионизации, расположенное за вторым затвором 6, и, тем более, в камеру 2 дрейфа ионов.
Испускаемое коронным разрядом ультрафиолетовое излучение через отверстия, выполненные во втором затворе 6, поступает в зону камеры 1 ионизации между первым и вторым затворами 5 и 6, через которую проходит анализируемый воздух. Ультрафиолетовое излучение, прошедшее через второй затвор 6 к пробе анализируемого воздуха, ионизирует содержащиеся в ней молекулы кислорода, которые затем захватывают недостающие электроны у молекул анализируемого вещества, превращая их в положительно заряженные ионы, остающиеся в камере 1 ионизации вследствие действия запирающего напряжения на первом затворе 5. По истечении заданного интервала времени, необходимого для ионизации молекул обнаруживаемого вещества и накопления образовавшихся ионов молекул анализируемого вещества в камере 1 ионизации между первым и вторым затворами 5 и 6, по управляющему сигналу с блока 13 управления и обработки источник 7 напряжений для электродов снимает с первого затвора 5 напряжение, имеющее запирающую полярность для ионов анализируемого вещества, в результате чего под действием ускоряющего напряжения, приложенного к коллекторному электроду 4, накопившиеся в камере 1 ионизации между первым и вторым затворами 5 и 6 ионы анализируемого вещества начинают дрейфовать через камеру 2 дрейфа ионов к коллекторному электроду 4. Попадая на коллекторный электрод 4, продрейфовавшие ионы обеспечивают формирование на нем электрического сигнала, который после усиления по мощности усилителем 12 поступает в блок 13 управления и обработки, где с заданной дискретностью во времени преобразуется входным аналого-цифровым преобразователем (на чертежах не показан) в цифровые коды, соответствующие мгновенным значениям электрического сигнала. Эти цифровые коды запоминаются блоком 13 управления и обработки. Совокупность этих цифровых кодов с привязкой к моментам времени их получения образуют спектр подвижности ионов вещества, который отображается оператору сенсорным цветным монитором 15 в виде диаграммы, на которой по вертикали показаны мгновенные значения электрического сигнала, а по горизонтали - время движения ионов через камеру 2 дрейфа ионов.
Скорость движения ионов через камеру 2 дрейфа ионов определяется их массой. Поэтому для вещества, которое необходимо обнаружить, на этапе калибровки устройства с использованием пробы воздуха, заведомо содержащей это вещество, предварительно определяют интервал времени от момента снятия запирающего напряжения с первого затвора 5 до момента достижения ионами молекул этого вещества коллекторного электрода 4, определяемого по росту значения электрического сигнала на выходе усилителя 12.
В связи с этим, блок 13 управления и обработки выбирает цифровой код, принятый по истечении этого интервала времени с момента снятия запирающего напряжения с первого затвора 5 и соответствующий мгновенному значению электрического сигнала, и сравнивает его с заданным пороговым значением, которое соответствует допустимой концентрации в анализируемой пробе воздуха вещества, которое необходимо обнаружить.
Если цифровой код, соответствующий мгновенному значению электрического сигнала, превысит заданное пороговое значение, то блок 13 управления и обработки формирует сигнал наличия в анализируемой пробе воздуха вещества, которое необходимо обнаружить, и с помощью блока 14 индикации обнаружения вещества отображает его оператору с указанием вида обнаруженного вещества.
Если цифровой код, соответствующий мгновенному значению электрического сигнала, не превысит заданного порогового значения, то блок 13 управления и обработки формирует сигнал отсутствия в анализируемой пробе воздуха вещества, которое необходимо обнаружить, и отображает его оператору с помощью блока 14 индикации обнаружения вещества. В этом случае одновременно на сенсорном цветном мониторе 15 оператору отображается в виде диаграммы спектр подвижности ионов вещества, полученный блоком 13 управления и обработки, с выделением по горизонтальной оси тех областей, которые характерны для хранящихся в запоминающем устройстве блока 13 управления и обработки спектров подвижности ионов веществ, которые необходимо обнаруживать. В результате у оператора возникает возможность визуально оценить близость полученного спектра к спектрам подвижности ионов обнаруживаемых веществ, полученным при калибровке устройства, и на основании этого предотвратить пропуск вещества, которое необходимо обнаружить.
В случае необходимости обнаружения нескольких видов органических веществ последовательно для каждого из этих веществ на этапе калибровки устройства с использованием проб воздуха, заведомо содержащих одно из этих веществ, предварительно определяют интервалы времени от момента снятия запирающего напряжения с первого затвора 5 до момента достижения ионами молекул этого вещества коллекторного электрода 4. В этом случае блок 13 управления и обработки выбирает цифровые коды, принятые по истечении нескольких интервалов времени с момента снятия запирающего напряжения с первого затвора 5, и сравнивает их с заданными пороговыми значениями, которые соответствуют допустимым концентрациям в анализируемой пробе воздуха веществ, которые необходимо обнаружить. Если какой-либо цифровой код, соответствующий мгновенному значению электрического сигнала, превысит заданное для него пороговое значение, то блок 13 управления и обработки формирует сигнал наличия в анализируемой пробе воздуха вещества определенного вида и отображает его оператору с помощью блока 14 индикации обнаружения вещества.
Следует отметить, что перед началом использования устройства для обнаружения малолетучего органического вещества по его целевому назначению осуществляют его калибровку с целью получения и запоминания в запоминающем устройстве блока 13 управления и обработки спектров подвижности ионов веществ, для обнаружения которых предназначено устройство. При этом узлом 16 отбора пробы воздуха последовательно вводят в устройство воздух, содержащий одно из веществ, для обнаружения которых предназначено устройство. Функционирование устройства происходит аналогично тому, как это было рассмотрено для случая его применения по целевому назначению. Необходимые для проведения калибровки устройства команды вводят с помощью сенсорного цветного монитора 15. Процесс калибровки контролируют по отображаемой на сенсорном цветном мониторе 15 информации.
Таким образом, полезная модель обеспечивает, снижение вероятности пропуска вещества, которое необходимо обнаружить, а также упрощение эксплуатации устройства.