Способ обнаружения следовых количеств малолетучих веществ на пальцах рук

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для решения задач обнаружения следовых количеств малолетучих (например, взрывчатых, наркотических) веществ на пальцах рук человека, подлежащего контролю, например, в составе контрольно-пропускных пунктов (КПП), порталов или турникетов. Способ заключается в нажатии пальцем руки на контактную поверхность, нагреве контактной поверхности, отборе воздушной пробы вблизи контактной поверхности и анализе воздушной пробы, причем перед или во время нажатия пальцем руки на контактную поверхность производят измерение температуры контактной поверхности или ее расчет на основе измеренных значений температуры окружающего воздуха, времени нагрева и охлаждения в предыдущем цикле обследования, при этом включение нагревателя контактной поверхности осуществляют на временной интервал, длительность которого зависит от температуры контактной поверхности, причем контактная поверхность является элементом нажимного кнопочного механизма, обеспечивающего пуск нагревателя контактной поверхности. Достигается упрощение процедуры обследования пальцев рук, ускорение обследования, автоматизация процесса и повышение чувствительности обнаружения. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.

 

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для решения задач обнаружения следовых количеств малолетучих (например, взрывчатых, наркотических) веществ на пальцах рук человека, подлежащего контролю, например, в составе контрольно-пропускных пунктов (КПП), порталов или турникетов.

Известен способ обнаружения малолетучих веществ, включающий: проход человека через портал, который содержит несколько детекторов; отбор воздуха над человеком с помощью спектрометра ионной подвижности (СИП) для эффективного первичного обнаружения малолетучих веществ; отбор воздуха над человеком с помощью поверхностно-акустического устройства для вторичного обнаружения малолетучих веществ и подтверждения факта обнаружения спектрометром ионной подвижности [патент US №6610977, 26.08.2003].

Известен также способ обнаружения следовых количеств малолетучих веществ. Способ включает: оснащение портала, по крайней мере, двумя стенками по бокам от прохода и потолка над проходом; проход человека через портал; расположение вблизи потолка ловушки, изготовленной из материала для улавливания частичек кожи, отшелушивающихся от человека; направление человека через проход так, чтобы тепловой султан нагретого воздуха, производимый телом человека, существовал в проходе (воздух и тепловой султан поднимаются вблизи человека в проходе при скорости потока султана приблизительно 30-50 л/с); генерирование потока воздуха через ловушку со скоростью, по крайней мере, вмещающей султан без искусственного поддува воздуха со стороны портала; направление человека из прохода и перенос ловушки к детектору после прохода человека через портал [патент US №6073499, 13.06.2000].

Недостатками предлагаемых технических решений являются:

- низкая чувствительность, ограниченная сильным разбавлением паров малолетучих веществ в большом объеме воздуха части портала над человеком;

- большое время обследования одного человека, обусловленное необходимостью прокачивания большого объема воздуха части портала над человеком;

- ограничение применения по температурному диапазону, так как, если температура окружающего воздуха близка или выше температуры тела человека или его одежды (если одежда имеет плотную структуру и существенно ограничивает теплоперенос от тела), султан не образуется;

- существенное влияние неконтролируемых конвективных потоков воздуха (например, ветер, сквозняк и т.п.).

Наиболее близким к предлагаемому способу обнаружения следовых количеств малолетучих веществ на пальцах рук является способ, заключающийся в распространении индивидуальных жетонов, касании пальцами рук обследуемого человека поверхности жетона и соответственно в переносе следов малолетучих веществ с пальцев рук на жетон, изъятии жетона при проходе, перемещении жетона в анализатор, нагреве и анализе поверхности жетона, формировании сигнала тревоги при наличии на поверхности жетона веществ, подлежащих контролю [патент US №5741984, 21.04.1998].

Указанный способ также имеет ряд недостатков:

- необходимость использования расходного материала - жетонов;

- невозможность автоматизировать процесс обнаружения малолетучих веществ из-за наличия манипуляций руками - изъятие жетона обследуемым человеком из раздаточного устройства, перенос жетона к нагревательной камере, подсоединенной к анализатору;

- большое время обследования одного человека.

В основу изобретения была положена задача разработать способ обнаружения следовых количеств малолетучих веществ на пальцах рук, позволяющий значительно упростить процедуру обследования пальцев рук человека, подлежащего контролю, сократить время обследования, автоматизировать процесс обнаружения следовых количеств малолетучих веществ на пальцах рук и значительно повысить чувствительность обнаружения следовых количеств малолетучих веществ.

Указанная техническая задача решается тем, что в способе обнаружения следовых количеств малолетучих веществ на пальцах рук, заключающемся в нажатии пальцем руки на контактную поверхность, нагреве контактной поверхности, отборе воздушной пробы вблизи контактной поверхности и анализе воздушной пробы, согласно изобретению перед или во время нажатия пальцем руки на контактную поверхность производят измерение температуры контактной поверхности или ее расчет на основе измеренных значений температуры окружающего воздуха, времени нагрева и охлаждения в предыдущем цикле обследования, при этом включение нагревателя контактной поверхности осуществляют на временной интервал, длительность которого зависит от температуры контактной поверхности, причем контактная поверхность является элементом нажимного кнопочного механизма, обеспечивающего пуск нагревателя контактной поверхности.

Измерение температуры контактной поверхности или ее расчет на основе измеренных значений температуры окружающего воздуха, времени нагрева и охлаждения в предыдущем цикле обследования либо перед, либо во время нажатия пальцем руки на контактную поверхность, а также включение нагревателя контактной поверхности на временной интервал, длительность которого зависит от температуры контактной поверхности, обеспечивающий нагрев поверхности до максимальной допустимой температуры, позволяют значительно повысить чувствительность обнаружения следовых количеств малолетучих веществ. Использование контактной поверхности как элемента нажимного кнопочного механизма, обеспечивающего пуск нагревателя, дает возможность автоматизировать процесс обнаружения малолетучих веществ, значительно упростить процедуру обследования пальцев рук человека, подлежащего контролю, и сократить время, необходимое для обследования одного человека.

Эти особенности и преимущества настоящего изобретения будут приведены ниже со ссылками на прилагаемые чертежи, где:

фиг.1 - приведена зависимость температуры контактной поверхности (T_n) от времени (t) при многократном циклическом нажатии на нее пальцем руки;

фиг.2 - приведены зависимости температуры контактной поверхности (T_n) от времени (t) при температуре окружающего воздуха Т_воз=40°С и 5°С и длительности цикла не более 10 секунд:

(а) - без измерения величины Т_n (т.е. с фиксированным временем нагрева, t_н=4.6 секунды);

(б) - с измерением величины T_n перед нажатием и включением нагревателя на временной интервал, длительность которого оптимальна для измеренной T_n;

фиг.3 - показан пример расчета времени нагрева t_н, оптимальном для измеренной температуры контактной поверхности перед нажатием Т_n, выполненный на основе выражений, полученных при решении уравнений энергетического баланса при q=2 Вт, плита - дерево, h=0.1 см, S=1 см².

Каждый цикл можно разбить на три временных интервала (фиг.1):

1 - время нажатия пальцем руки на контактную поверхность (t_p),

2 - время нагрева контактной поверхности (для эффективного испарения малолетучих веществ с контактной поверхности) (t_н),

3 - время охлаждения контактной поверхности (t_о).

При интенсивном режиме обследования контактная поверхность, не успев остыть от нагрева в предыдущем цикле досмотра, в последующем цикле в начальный момент интервала 1 может иметь температуру, существенно выше болевого температурного порога для кожного покрова пальцев рук человека. Поэтому, чтобы исключить возможность ожога подушечки пальца руки при нажатии на контактную поверхность, необходимо знать ее температуру. Это можно осуществить, если контролировать температуру окружающего воздуха Т_воз, время нагрева и охлаждения в предыдущем цикле обследования и измерять или рассчитывать текущие значения температуры контактной поверхности T_n.

Основными параметрами, которые необходимо задать для расчета длительности временного интервала нагрева контактной поверхности, являются:

- длительность цикла обследования одного человека (t_ц);

- температура окружающего воздуха Т_воз,

- температура болевого порога кожного покрова пальцев рук человека (Т_б).

Первый параметр - это техническое требование, определяющее пропускную способность КПП или проходной, второй - условие эксплуатации, третий - требование по безопасности эксплуатации.

Расчет длительности временного интервала нагрева контактной поверхности производят на основе выражений, полученных при решении уравнений энергетического баланса при нагреве (а) и охлаждении (б) тел в условиях нестационарной теплопроводности. Например, для бесконечной плиты постоянной толщины, нагреваемой с одной стороны (в нашем случае - это контактная поверхность), эти выражения имеют вид:

где Т_0а, Т_0б - начальная температура плиты при нагреве и охлаждении соответственно, q - мощность поглощаемого теплового потока, h - толщина плиты, k - коэффициент теплопроводности материала плиты. Параметры G определяются по приводимым в литературе расчетным графикам [Пехович А.И., Жидких В.М. Расчеты теплового режима твердых тел. Л.: Энергия, 1976. - 350 с.]:

G₁=f(F₀, u); G₂=f(F₀, Bi, u),

где F₀=at_i/h² - критерий Фурье,

t_i - время нагрева или охлаждения,

а=k/(cg) - коэффициент температуропроводности,

с - удельная теплоемкость материала плиты,

g - плотность материала плиты,

Bi=bh/k - критерий Био,

u=x/h - безразмерная координата по толщине плиты,

b=q/S(T_n-T_воз) - коэффициент теплоотдачи,

S - площадь плиты.

При нажатии пальцем руки на контактную поверхность, температура которой выше температуры кожного покрова пальца (1-й интервал), происходит, во-первых, охлаждение контактной поверхности; во-вторых, нагрев кожного покрова. Используя справочные данные для материала плиты и кожного покрова [Пехович А.И., Жидких В.М. Расчеты теплового режима твердых тел. Л.: Энергия, 1976. - 350 с.], а также эмпирические данные по среднестатистической температуре кожного покрова пальцев рук человека Тр≤30°С и температуре болевого порога Т_б≈50°C, можно определить максимальную температуру контактной поверхности, которая обеспечит безопасность эксплуатации устройства, реализующего предлагаемое техническое решение, и исключит возможность ожога подушечки пальца руки при нажатии на контактную поверхность. Как показали расчеты и экспериментальные измерения (фиг.1, интервал 1), проведенные для деревянной плиты, максимальная температура контактной поверхности, не вызывающая ожог при кратковременном нажатии, равна Т_н≈80°С. За время нажатия порядка t_p≈1 секунды температура контактной поверхности падает, а температура кожного покрова возрастает до температуры болевого порога Т_б≈50°C.

Для демонстрации преимуществ предлагаемого технического решения рассмотрим зависимости температуры контактной поверхности (Т_n) от времени (t), показанные на фиг.2:

(а) - без измерения величины Т_n (т.е. с фиксированным временем нагрева, t_н);

(б) - с измерением величины Т_n перед нажатием и включением нагревателя на временной интервал, длительность которого оптимальна для измеренной Т_n.

Рассмотрим случай, когда контактная поверхность нажимного кнопочного механизма представляет собой деревянную плиту с параметрами q=2 Вт, h=0,1 см, S=1 см², а взрывчатое вещество, анализируемое с помощью газоанализатора, например, спектрометра ионной подвижности, - тринитротолуол (ТНТ).

Введем технические требования и условия эксплуатации:

t_ц = t_p + t_н + t_o=10 секунд; 5≤Т_воз≤40°С; T_б≈50°С (т.е. Т_н≤80°С).

Если не проводить измерения температуры поверхности перед нажатием, то необходимо выбрать величину времени нагрева такую, что даже при нажатии на поверхность при Т_н=80°С и Т_воз=40°С исключалась возможность ожога подушечки пальца руки при повторном нажатии на контактную поверхность. Эта величина была определена экспериментально для устройства (q=2 Вт, плита - дерево, h=0.1 см, S=1 см²), реализующего предлагаемое техническое решение, t_н=4.6 секунды (фиг.2а, Т_воз=40°С). При таком времени нагрева температура поверхности в зависимости от Т_воз и времени, прошедшего с начала предыдущего цикла, варьировалась в диапазоне Т_n=72÷115°С, что соответствовало варьированию давления насыщенного пара, например, взрывчатого вещества - 2,4,6-тринитротолуол (ТНТ) в диапазоне Р_ТНТ=3÷175 ppm.

При использовании предлагаемого технического решения, т.е. измерение температуры контактной поверхности или ее расчет на основе измерения Т_воз, а также t_н и t_o предыдущего цикла обследования и включение нагревателя контактной поверхности на временной интервал, длительность которого зависит от температуры контактной поверхности, температура поверхности варьировалась в диапазоне Т_n=105-123°С (фиг.2б), что соответствовало варьированию давления насыщенного пара ТНТ в диапазоне Р_ТНТ=74÷340 ppm.

Из сравнения значений давления насыщенного пара ТНТ следует, что в предлагаемом техническом решении Р_ТНТ в 2÷20 раз выше. Следовательно, если измерять величину Т_n перед нажатием и включать нагреватель на временной интервал, длительность которого оптимальна для измеренной Т_n, то можно обнаруживать существенно меньшее количество малолетучих веществ на пальцах рук за то же самое время, т.е. значительно повысить чувствительность обнаружения следовых количеств малолетучих веществ. В случае, если не проводить измерения температуры поверхности перед нажатием, но нагревать поверхность нажатия до требуемых температур, это приведет к увеличению длительности цикла анализа за счет увеличения t_o.

Выполненный на основе выражений, полученных при решении уравнений (а) и (б) энергетического баланса, пример расчета времени нагрева t_n, оптимальном для измеренной температуры контактной поверхности перед нажатием в диапазоне Т_н=5÷80°С при q=2 Вт, плита - дерево, h=0.1 см, S=1 см², показан на фиг.3.

Как видно из рисунка, зависимость t_н(T_н) для данного примера может быть экстраполирована прямой линией t_н=6.2-0.05 Т_н, показанной пунктиром.

Таким образом, как следует из вышеизложенного, использование контактной поверхности как элемента нажимного кнопочного механизма, обеспечивающего пуск нагревателя, позволяет автоматизировать процесс обнаружения следовых количеств малолетучих веществ на пальцах рук и упростить процедуру обследования потока людей, а включение нагревателя контактной поверхности на временной интервал, длительность которого зависит от температуры контактной поверхности, существенно сократит время, необходимое для обследования одного человека, до 5÷10 секунд и при этом значительно повысит чувствительность обнаружения следовых количеств малолетучих веществ способа.

1. Способ обнаружения следовых количеств малолетучих веществ на пальцах рук, включающий нажатие пальцем руки на контактную поверхность, нагрев контактной поверхности с помощью нагревателя для испарения малолетучего вещества, отбор пробы воздуха вблизи контактной поверхности и анализ данной пробы, отличающийся тем, что перед или во время нажатия на контактную поверхность производят измерение или расчет ее температуры для расчета длительности временного интервала нагрева указанной поверхности для отбора испаряемого малолетучего вещества, нагрев контактной поверхности путем включения нагревателя осуществляют в течение временного интервала с длительностью, зависящей от температуры контактной поверхности, причем указанная поверхность является элементом кнопочного механизма, обеспечивающего пуск нагревателя данной поверхности.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что расчет температуры контактной поверхности осуществляют на основе измерения температуры окружающего воздуха, а также - времени нагрева и охлаждения контактной поверхности в предыдущем цикле обследования.