УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ МАЛОЛЕТУЧИХ ОРГАНИЧЕСКИХ ВЕЩЕСТВ

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 портативных переносных приборов спектрометрии подвижности ионов.
Известны устройства для обнаружения и идентификации следовых количеств малолетучих органических веществ (US 3266180, 1971; SU 868536, 1981; ЕР 0135747, 1984; GB 2217103, 1989; US 4797554, 1989; ЕР 0455516, 1991; US 5021654, 1991; US 5028544, 1991; US 5189301, 1993; US 5200614, 1993; US 5420424, 1995; RU 2043623 С1, 1995; RU 2084886 С1, 1997; RU 2117939 С1, 1998; US 5741984, 1998; RU 2148821 С1, 2000; RU 2178929 С2, 2002; RU 2186384 С2, 2002; RU 2187099 С1, 2002; RU 2216817 С2, 2003; RU 2217738 С2, 2003; RU 2217739 С1, 2003; RU 2221310 С2, 2004; RU 2231781 С1, 2004; RU 2234697 С1, 2004; RU 2239826 С1, 2004; RU 2256255 С2, 2005; US 6967485, 2005; RU 59834 U1, 2006; RU 63119 U1, 2006; RU 64378 U1, 2007; RU 2293978 С2, 2007; RU 2298177 С1, 2007; RU 2315278 С1, 2008; RU 2315292 С1, 2008), которые основаны на использовании спектрометрии подвижности ионов и в общей для них части функционально содержат узел отбора пробы воздуха, ионизационную камеру с источником ионизации молекул, камеру дрейфа ионов с системой электродов, усилитель, блок обработки и регистрации, блок управления и индикации и источник электропитания.
Конструктивно-компоновочное исполнение известных устройств для обнаружения и идентификации следовых количеств малолетучих органических веществ на основе спектрометрии подвижности ионов может быть выполнено в виде порталов контроля с пультами управления, обработки, регистрации и индикации для использования только на стационарных пунктах контроля (US 6073499, 2000; US 6610977, 2003), как, например, это предусмотрено при использовании порталов контроля Sentinel и Sentinel II, выпускаемых фирмой Barringer, Канада (www.antiterror.com.ru).
Конструктивно-компоновочное исполнение известных устройств для обнаружения и идентификации следовых количеств малолетучих органических веществ на основе спектрометрии подвижности ионов может быть осуществлено в виде стационарного пульта, содержащего блок обработки и регистрации, блок управления и индикации и источник электропитания, и подключенного к нему с помощью кабеля блока детектирования, содержащего узел отбора пробы воздуха,
ионизационную камеру с источником ионизации молекул, камеру дрейфа ионов с системой электродов и усилитель, как, например, это предусмотрено в устройствах lonscan 400В и lonscan 500DT, выпускаемых фирмой Barringer, Канада, в устройстве Itemizer, выпускаемом фирмой Ion Track Instruments, США, а также в устройстве «След» производства России (www.antiterror.com.ru). Конструктивно-компоновочное исполнение указанных известных устройств, а также существенные значения их массы и габаритов, позволяют использовать эти устройства только в составе передвижных лабораторий контроля.
Известны переносные устройства, например, EVD-2500 и EVD-3000 (производство фирмы Scintrex Trace), Vapor Tracer (производство фирмы Ion Track Instruments), GVD-6 (производство фирмы Graceby Dynamics), E-3500 (производство фирмы Control Screening), Sabre 2000 и Sabre 4000 (производство фирмы Barringer), a также «Шельф-ДС», «Пилот», «Пилот-М», «Аргус-7» российского производства (www.antiterror.com.ru), которые имеют моноблочное конструктивно-компоновочное исполнение, снабжены ручкой для переноса и позволяют оператору в полевых условиях осуществлять контроль наличия малолетучих органических веществ. Вместе с тем, необходимость обеспечения высоких характеристик обнаружения и широких функциональных возможностей известных переносных устройств вызывает усложнение их конструкции, что приводит к увеличению их массы и габаритов. Поэтому работа с таким переносным устройством, находящимся при осуществлении контроля в руке оператора, приводит к утомлению и усталости оператора, что, в конечном итоге, сказывается на качестве контроля.
Наиболее близким по конструктивно-компоновочному исполнению к настоящей полезной модели является газоанализатор паров взрывчатых веществ «Крон-ВВ» российского производства (www.antiterror.com.ru), который обеспечивает обнаружение основных видов современных взрывчатых веществ в негерметичных объемах и их следов на поверхности обследуемых объектов путем отбора проб воздуха с поверхности или из внутреннего объема обследуемых объектов и анализа их на содержание паров взрывчатого вещества с использованием спектрометрии подвижности ионов. Известный газоанализатор, являющийся ближайшим аналогом, содержит первичный источник электропитания в виде аккумуляторной батареи, которая размещена в чехле, выполненном с возможностью крепления на поясном ремне оператора, и подключенный к аккумуляторной батарее кабелем блок детектирования, который снабжен ручкой для переноса и содержит узел отбора пробы воздуха, ионизационную камеру с источником ионизации, камеру дрейфа ионов с системой электродов, усилитель, блок управления и обработки, блок индикации, вторичный источник электропитания и блок заряда аккумуляторной батареи.
Размещение в газоанализаторе, являющемся ближайшим аналогом, аккумуляторной батареи не в блоке детектирования, а в чехле на поясном ремне оператора обеспечивает некоторое уменьшение массы и габаритов блока детектирования, который при осуществлении контроля находится в руке оператора, что способствует меньшим утомлению и усталости оператора в процессе работы.
Вместе с тем, размещение блока управления и обработки, вторичного источника электропитания и блока заряда аккумуляторной батареи в блоке детектирования не позволяет существенным образом снизить значения массы и габаритов блока детектирования, находящегося при осуществлении контроля в руке оператора. С одной стороны, это приводит к утомлению и усталости оператора в процессе работы. С другой стороны, значительные масса и особенно габариты блока детектирования делают неудобным осуществление контроля в труднодоступных местах, например, в случае досмотра транспортных средств.
Задачей настоящей полезной модели является снижение массы и габаритов блока детектирования, обеспечивающее меньшие утомление и усталость оператора, а также удобство выполнения контроля в труднодоступных местах.
Поставленная задача решается, согласно настоящей полезной модели, тем, что устройство для обнаружения малолетучих органических веществ, содержащее, в соответствии с ближайшими аналогом, первичный источник электропитания в виде аккумуляторной батареи, установленной в чехле, выполненном с возможностью размещения на теле оператора, блок заряда аккумуляторной батареи, подключенный выходом к первичному источнику электропитания, блок детектирования, снабженный кабелем и ручкой для переноса и содержащий ионизационную камеру с источником ионизации, узел отбора пробы воздуха, соединенный с ионизационной камерой, камеру дрейфа ионов с системой электродов, сочлененную с ионизационной камерой, усилитель, подключенный входом к коллекторному электроду камеры дрейфа ионов, и блок индикации, а также блок управления и обработки, подключенный входом и выходом соответственно к выходу усилителя и входу блока индикации, и вторичный источник электропитания, подключенный входом питания к первичному источнику электропитания, управляющим входом к выходу блока управления и обработки и выходами к источнику ионизации и электродам камеры дрейфа ионов, отличается от ближайшего аналога тем, что блок заряда аккумуляторной батареи, блок управления и обработки и вторичный источник электропитания установлены в чехле, блок управления и обработки соединен с усилителем и блоком индикации с помощью кабеля и вторичный источник электропитания соединен с источником ионизации и электродами камеры дрейфа ионов с помощью кабеля.
При этом источник ионизации выполнен в виде электродов, выполненных с возможностью образования между ними коронного разряда, в качестве блока управления и обработки использован компьютер, а чехол выполнен с возможностью размещения на поясном ремне оператора, или с возможностью размещения на плече оператора с помощью лямки, или с возможностью размещения на плечах оператора с помощью двух лямок.
Установка блока заряда аккумуляторной батареи, блока управления и обработки и вторичного источника электропитания не в блоке детектирования, а в чехле, который выполнен с возможностью размещения на теле оператора, в частности, с возможностью размещения на поясном ремне оператора, или с возможностью размещения на плече оператора с помощью лямки, или с возможностью размещения на плечах оператора с помощью двух лямок, а также соединение блока управления и обработки с усилителем и блоком индикации с помощью кабеля и вторичного источника электропитания с источником ионизации и электродами камеры дрейфа ионов с помощью кабеля обеспечивают существенное снижение массы и габаритов блока детектирования, который при осуществлении контроля размещен в руке оператора. Это, во-первых, способствует меньшей степени утомления и усталости оператора при осуществлении контроля. Во-вторых, снижение массы и в особенности габаритов блока детектирования делают более удобным осуществление контроля в труднодоступных местах, например, в случае досмотра транспортных средств.
Отмеченное свидетельствует о решении декларированной выше задачи настоящей полезной модели благодаря наличию у устройства для обнаружения малолетучих органических веществ перечисленных выше отличительных признаков.
На фиг.1 показана структурная схема устройства для обнаружения малолетучих органических веществ, где 1 - блок детектирования, 2 - узел отбора пробы воздуха, 3 - ионизационная камера, 4 - камера дрейфа ионов, 5 - источник ионизации, 6 - коллекторный электрод, 7 - затвор, 8 - впускной патрубок, 9 -выпускной патрубок, 10 - воздушный насос, 11 - фильтр, 12 - усилитель, 13 - блок индикации, 14 - чехол, 15 - первичный источник электропитания, 16 - блок заряда аккумуляторной батареи, 17 - вторичный источник электропитания и 18 - блок управления и обработки.
На фиг.2 показан оператор с устройством для обнаружения малолетучих органических веществ при осуществлении контроля, когда чехол размещен на поясном ремне оператора, где 19 - кабель, 20 - ручка для переноса и 21 - поясной ремень.
На фиг.3 показан оператор с устройством для обнаружения малолетучих органических веществ при осуществлении контроля, когда чехол размещен на плече оператора с помощью лямки, где 22 - лямка.
На фиг.4 показан оператор с устройством для обнаружения малолетучих органических веществ при осуществлении контроля, когда чехол размещен на плечах оператора с помощью двух лямок.
Устройство для обнаружения малолетучих органических веществ содержит соединенные кабелем 19 блок 1 детектирования и чехол 14, выполненный с возможностью размещения на поясном ремне 21 оператора (см. фиг.2), или с возможностью размещения на плече оператора с помощью лямки 22 (см. фиг.3), или с возможностью размещения на плечах оператора с помощью двух лямок 22 (см. фиг.4). Блок 1 детектирования снабжен ручкой 20 для переноса и содержит (см. фиг.1) узел 2 отбора пробы воздуха, выполненный, например, в виде цилиндрической насадки с каналом для забора воздуха и установленный снаружи на блоке 1 детектирования, и ионизационную камеру 3, соединенную с помощью впускного патрубка 8 с узлом 2 отбора пробы воздуха, а с помощью выпускного патрубка 9 - с атмосферой, причем в магистрали впускного патрубка 8 или выпускного патрубка 9 установлен вентилятор (на фигурах не показан) для принудительного отбора пробы воздуха. В ионизационной камере 3 установлен источник 5 ионизации, который выполнен, например, в виде нескольких пар иглообразных электродов из нержавеющей стали или палладиевого-иридиевого сплава с возможностью инициирования коронного разряда. Кроме того, блок 1 детектирования содержит камеру 4 дрейфа ионов, сочлененную с ионизационной камерой 3 и отделенную от последней затвором 7, выполненным в виде металлической сетки. Камера 4 дрейфа ионов снабжена коллекторным электродом 6, установленным со стороны, противоположной затвору 7, и системой кольцевых электродов (на фигурах не показаны), которые размещены вдоль камеры 4 дрейфа ионов и обеспечивают формирование в ней равномерного продольного электрического поля. Камера 4 дрейфа ионов снабжена включенными последовательно воздушным насосом 10 и фильтром 11, которые обеспечивают отбор воздуха из камеры 4 дрейфа ионов вблизи расположения затвора 7, очистку воздуха, в том числе, и от паров воды, и нагнетание очищенного воздуха в камеру 4 дрейфа ионов вблизи расположения коллекторного электрода 6, что обеспечивает возможность замкнутой циркуляции очищенного воздуха через камеру 4 дрейфа ионов в направлении, противоположном направлению дрейфа через нее ионов. Блок 1 детектирования также содержит усилитель 12, подключенный к коллекторному электроду 6, и блок 13 индикации, выполненный, например, на основе светодиодных индикаторов.
Устройство для обнаружения малолетучих органических веществ также содержит размещенные в чехле 14 первичный источник 15 электропитания в виде аккумуляторной батареи, блок 16 заряда аккумуляторной батареи, подключенный своим выходом к первичному источнику 15 электропитания и используемый для заряда аккумуляторной батареи, блок 18 управления и обработки, выполненный на основе компьютера, и вторичный источник 17 электропитания, подключенный своим входом питания к первичному источнику 15 электропитания и управляющим входом к выходу блока 18 управления и обработки. Выходы вторичного источника 17 электропитания подключены ко всем электронным и электротехническим узлам устройства для обнаружения малолетучих органических веществ для обеспечения электропитания, а также, кроме того, к электродам источника 5 ионизации, затвору 7, коллекторному электроду 6 и кольцевым электродам (на фигурах не показаны) для подачи высоковольтных напряжений. Выход усилителя 12 подключен к входному аналого-цифровому преобразователю блока 18 управления и обработки, выход которого подключен к входу блока 13 индикации. Электрические соединения между узлами устройства для обнаружения малолетучих органических веществ, размещенными в чехле 14, и узлами блока 1 детектирования осуществлены с помощью кабеля 19.
Устройство для обнаружения малолетучих органических веществ работает следующим образом.
Для осуществления контроля оператор размещает чехол 14 с первичным источником 15 электропитания, блоком 16 заряда аккумуляторной батареи, блоком 18 управления и обработки и вторичным источником 17 электропитания на поясном ремне 21 (см. фиг.2), или на плече с помощью лямки 22 (см. фиг.3), или на плечах с помощью двух лямок 22 (см. фиг.4), берет за ручку 20 блок 1 детектирования, включает питание устройства для обнаружения малолетучих органических веществ и подносит блок 1 детектирования входным отверстием насадки узла 2 отбора пробы воздуха к обследуемой поверхности. При этом напряжение первичного источника 15 электропитания преобразуется вторичным источником 17 электропитания в необходимые значения напряжений, которые подаются с его выходов ко всем электронным и электротехническим узлам устройства для обнаружения малолетучих органических веществ для их электропитания. Начинает работать вентилятор (на фигурах не показан) узла 2 отбора пробы воздуха, в результате чего анализируемый воздух всасывается через насадку узла 2 отбора пробы воздуха и через впускной патрубок 8 прокачивается через ионизационную камеру 3, выходя в атмосферу через выпускной патрубок 9. Одновременно начинает работать воздушный насос 10, обеспечивая замкнутую циркуляцию через камеру 4 дрейфа ионов воздуха, очищаемого фильтром 11. Вторичный источник 17 электропитания прикладывает к
коллекторному электроду 6 относительно источника 5 ионизации высокое напряжение, которое имеет значение нескольких киловольт и знак, противоположный знаку заряда ионов молекул анализируемого вещества, в результате чего в камере 4 дрейфа ионов возникает продольное электрическое поле.
Первоначально вторичный источник 17 электропитания прикладывает к затвору 7 относительно источника 5 ионизации высокое напряжение, знак которого совпадает со знаком зарядов ионов анализируемого вещества. Высоковольтное импульсное напряжение, формируемое с заданной периодичностью вторичным источником 17 электропитания по синхронизирующим сигналам с блока 18 управления и обработки, подается на электроды источника 5 ионизации, в результате чего между электродами инициируются кратковременные вспышки коронного разряда. Под действием коронного разряда в ионизационной камере 3 происходит ионизация молекул веществ, содержащихся в прокачиваемой через нее пробе воздуха. Потенциал на затворе 7 сначала препятствует движению ионов молекул веществ, которые необходимо обнаружить, к коллекторному электроду 6. В течение этого интервала времени происходит накопление в ионизационной камере 3 ионов молекул веществ. Затем по синхронизирующему сигналу с блока 18 управления и обработки вторичный источник 17 электропитания снимает с затвора 7 запирающее напряжение, в результате чего под действием ускоряющего напряжения, приложенного к коллекторному электроду 6, накопившиеся в ионизационной камере 3 ионы начинают дрейфовать через камеру 4 дрейфа ионов к коллекторному электроду 6. Попадая на коллекторный электрод 6, продрейфовавшие ионы обеспечивают формирование на нем электрического сигнала, который после усиления по мощности усилителем 12 поступает в блок 18 управления и обработки, где с заданной дискретностью во времени преобразуется входным аналого-цифровым преобразователем в цифровые коды, соответствующие мгновенным значениям электрического сигнала. Эти цифровые коды запоминаются блоком 18 управления и обработки.
Скорость движения ионов через камеру 4 дрейфа ионов определяется их массой. Поэтому для вещества, которое необходимо обнаружить, на этапе калибровки устройства для обнаружения малолетучих органических веществ с использованием пробы воздуха, заведомо содержащей это вещество, предварительно определяют интервал времени от момента снятия запирающего напряжения с затвора 7 до момента достижения ионами молекул этого вещества коллекторного электрода 6, определяемого по росту значения электрического сигнала на выходе усилителя 12. В связи с этим, блок 18 управления и обработки выбирает цифровой код, принятый по истечении этого интервала времени с момента снятия запирающего напряжения с затвора 7 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, не превысит заданного порогового значения, то блок 18 управления и обработки формирует сигнал отсутствия в анализируемой пробе воздуха вещества, которое необходимо обнаружить, и передает его в блок 13 индикации для отображения оператору. Если цифровой код, соответствующий мгновенному значению электрического сигнала, превысит заданное пороговое значение, то блок 18 управления и обработки формирует сигнал наличия в анализируемой пробе воздуха вещества, которое необходимо обнаружить, и передает его в блок 13 индикации для отображения оператору. В этом случае блоком 13 индикации отображается в цифровом виде мгновенное значение электрического сигнала, которое позволяет судить оператору о концентрации обнаруженного вещества в анализируемой пробе воздуха.
В случае необходимости обнаружения нескольких органических веществ последовательно для каждого из этих веществ на этапе калибровки устройства для обнаружения малолетучих органических веществ с использованием проб воздуха, заведомо содержащих одно из этих веществ, предварительно определяют интервалы времени от момента снятия запирающего напряжения с затвора 7 до момента достижения ионами молекул этого вещества коллекторного электрода 6. В этом случае блок 17 управления и обработки выбирает цифровые коды, принятые по истечении нескольких интервалов времени с момента снятия запирающего напряжения с затвора 7, 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 18 управления и обработки формирует сигнал наличия в анализируемой пробе воздуха вещества определенного вида и передает его в блок 13 индикации для отображения оператору.
Таким образом, полезная модель обеспечивает снижение массы и габаритов блока детектирования, обеспечивающие меньшие утомление и усталость оператора, а также удобство выполнения контроля в труднодоступных местах.