Портативный анализатор газов с массивом пьезосенсоров

Авторы патента:

G01N33/00 - Исследование или анализ материалов особыми способами, не отнесенными к предыдущим группам

G01N27/12 - твердого тела в зависимости от абсорбции текучей среды, твердого тела; в зависимости от реакции с текучей средой

Владельцы патента RU 2571280:

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Воронежский государственный университет инженерных технологий (ФГБОУ ВПО ВГУИТ) (RU)

Изобретение относится к проведению экспресс-анализа воздуха или смесей газов. Портативный анализатор газов с массивом пьезосенсоров включает высокопрочный полимерный корпус с насадкой-нагнетателем и защитной крышкой из фторопласта, на верхней панели корпуса расположена ячейка с массивом из трех пьезосенсоров с чувствительными пленочными покрытиями для определения компонентов воздуха и равновесной газовой фазы над полимерными изделиями, продуктами питания, топливом по совокупности их легколетучих соединений, внутри корпуса расположены миниатюрная схема возбуждения, соединенная с тремя микроконтроллерами, запрограммированными в сумме на 150 ячеек памяти для регистрации и преобразования сигналов пьезосенсоров и передачи их на моно- или полихромный дисплей для отображения аналитического сигнала в виде «визуальных отпечатков» максимумов трех сенсоров и для сохранения информации на съемном носителе памяти, приводящимися в действие автономно от встроенного компактного источника питания, на панели корпуса размещены кнопка включения прибора, кнопка работы нагнетателя и переключатель на отдельные режимы измерения: анализ топлива, полимерных материалов, пищевых продуктов и индикаторы работы пьезосенсоров и моно-/полихромный дисплей для отображения аналитического сигнала. Достигается повышение мобильности, компактности и надежности работы анализатора, а также - упрощение эксплуатации. 2 ил.

Изобретение относится к технике проведения экспрессного анализа воздуха или смесей газов, в том числе для оценки соотношения летучих соединений или классов в газовых смесях, определения концентраций отдельных газов, паров в воздухе и смесях во внелабораторных условиях в режиме «на месте» без отбора и подготовки пробы с возможностью сохранения в памяти и вывода информации на дисплей.

Техническая задача изобретения заключается в разработке портативного анализатора газов с массивом пьезосенсоров (стереогаджет), позволяющего осуществить экспресс-оценку качества полимерных изделий, продуктов питания, топлива, других объектов по совокупности их легколетучих соединений, совместить некоторые характеристики датчиков и анализаторов, таких как: минимальные размеры, экспрессность получения информации, автономность или многовариантность питания, легкое управление и изменение селективности к определяемым газам, длительное время сохранять эксплуатационные характеристики при широкой вариации свойств анализируемой воздушной среды, диагностировать воздух во внелабораторных условиях в режиме «на месте» без отбора и подготовки пробы с сохранением и выводом информации на дисплей.

Для решения технической задачи изобретения предложен портативный анализатор газов с массивом пьезосенсоров, включающий высокопрочный полимерный корпус с насадкой-нагнетателем и защитной крышкой из фторопласта, на верхней панели корпуса расположена ячейка с массивом из 3-х пьезосенсоров с чувствительными пленочными покрытиями для определения компонентов воздуха и равновесной газовой фазы над полимерными изделиями, продуктами питания, топливом по совокупности их легколетучих соединений, внутри корпуса расположены миниатюрная схема возбуждения, соединенная с тремя микроконтроллерами, запрограммированными в сумме на 150 ячеек памяти для регистрации и преобразования сигналов пьезосенсоров и передачи ихъ на моно- или полихромный дисплей для отображения аналитического сигнала в виде «визуальных отпечатков» максимумов трех сенсоров и для сохранении информации на съемном носителе памяти, приводящимися в действие автономно от встроенного компактного источника питания, на панели корпуса размещены кнопка включения прибора, работы нагнетателя, переключатель на отдельные режимы измерения: анализ топлива, полимерных материалов, пищевых продуктов и индикаторы работы пьезосенсоров и моно-/полихромный дисплей для отображения аналитического сигнала.

Технический результат изобретения заключается в мобильности и компактности портативного анализатора газов с массивом пьезосенсоров для экспресс-оценки качества полимерных изделий, продуктов питания, топлива по совокупности их легколетучих соединений с минимальными размерами при сохранении всех рабочих функций (генерация колебаний пьезосенсора, автономное или внешнее питание, регистрация, обработка и сохранение информации), за счет применения миниатюрной микросхемы и программируемых микроконтроллеров, возможности применения компактных источников питания с резервом времени; в экспрессном получении результатов анализа воздуха или смесей газов, в том числе во внелабораторных условиях без пробоотбора и пробоподготовки (диагностика воздуха помещений, рабочих зон, анализ проб в режиме «на месте»); в легком управлении и изменении селективности к определяемым газам, возможности переключения режимов измерения за счет смены пьезосенсоров на панели устройства, которые являются комплектующими элементами портативного анализатора; в длительном сохранении эксплуатационных характеристик при широкой вариации свойств анализируемой воздушной среды за счет дискретного режима измерения и прекращения нагрузки пьезосенсоров за счет защитной крышки из фторопласта после определенного времени контакта с анализируемой средой; в возможности сохранения информации на съемном носителе памяти.

На Фиг. 1 представлен общий вид портативного анализатора с массивом пьезосенсоров:

а) фронтальный вид.

б) вид сбоку;

в) вид сверху.

На Фиг. 2 представлен портативный анализатор с массивом пьезосенсоров.

Портативный анализатор газов с массивом пьезосенсоров (фиг. 1, 2) состоит из миниатюрного высокопрочного полимерного корпуса 1 с насадкой-нагнетателем 3 и защитной крышкой из фторопласта 2, держателя из поликарбоната 6 с прорезиненной областью 7. В верхнюю панель корпуса 1 вмонтирована ячейка 4, состоящая из фторпластового дна с резьбой для крепления корпуса ячейки и гнездами для пьезосенсоров 5, соединенных с микросхемой. На панели корпуса расположен моно-/полихромный дисплей 8 для отображения регистрируемого сигнала пьезосенсоров, световые индикаторы работы пьезосенсоров 9, кнопка включения анализатора 10, кнопки включения нагнетателя 11 и кнопки для переключения режимов измерения 12(топливо, например бензин - В, полимеры - Р, пищевые продукты - F).

Портативный анализатор газов с массивом пьезосенсоров работает следующим образом.

Включают прибор кнопкой 10, при этом загораются индикаторы работы пьезосенсоров 9. Далее выбирают категорию анализируемого образца нажатием кнопки 12 (топливо, например бензин - В, полимеры - Р, пищевые продукты - F), снимают крышку 2, подносят его к пробе, нажимают кнопку 11 работы нагнетателя 3, который с необходимой скоростью подает газовую фазу в ячейку 4 (фиг. 1).

Все измерения удобно производить одной рукой, благодаря держателю из поликарбоната 6 с прорезиненной областью 7. Готовность к измерению определяется стабильностью исходной частоты колебания пьезосенсоров, отклонения которых от базовых значений в зависимости от природы пленочного покрытия должны составлять не более 3-7 Гц. Далее проводят детектирование соответствующих газов в воздухе.

Забор пробы проходит в течение 20 с. Все компоненты пробы, поступающие с воздухом в ячейку, взаимодействуют с 3-мя пьезосенсорами, которые расположены в гнездах прибора, информация с которых с частотой 0,5 с обрабатывается процессором, размещенным в корпусе 1. Из массива данных отбирается по одной точке с каждого сенсора, комбинация которых образует аналитический сигнал «стереогаджета» гистограмму - «визуальный отпечаток» (в.о.). Оценку состояния образца проводят путем сравнения со стандартными значениями сигналов каждого сенсора, с последующим выводом информации о качестве образца на дисплей 8. Для того чтобы провести регенерацию покрытий пьезосенсоров, нажимают повторно кнопку 11 на воздухе и нагнетатель работает в режиме «выдувания» в течение 20 с.

При помощи нагнетателя газы диффундируют к поверхности пленочного покрытия сенсоров, взаимодействуют с ним определенное время, которое зависит от особенностей реакции между газом и пленочным покрытием, при этом изменяются частоты колебаний пьезосенсоров. После анализа разница между исходным и установившимся значением частоты колебаний пьезосенсора мини (ΔF, Гц) переносится в память и определяется концентрация детектируемых газов по уравнению градуировочной функции для каждого пьезосенсора.

ΔF=а·Сх+в,

где а - коэффициент чувствительности градуировочной функции, в - уровень шумов - индивидуальны для каждого пьезосенсора мини, определяются природой пленочного покрытия, находятся по стандартным смесям газов.

Если на пленочном покрытии протекает обратимая реакция, то для повторного применения пьезосенсор регенерируют в токе осушенного воздуха. Восстановления не требуется, когда протекает на пленочном покрытии необратимая реакция газов (при этом указано, на какое число измерений рассчитан пьезосенсор). Для восстановления рабочих характеристик таких элементов необходимо смыть пленочное покрытие с электродов и нанести новое либо приобрести готовый пьезосенсор.

Предложенный портативный анализатор газов с массивом пьезосенсоров позволяет:

- увеличить мобильность и компактность портативного анализатора с минимальными размерами при сохранении всех рабочих функций (генерация колебаний пьезосенсора, автономное или внешнее питание, регистрация, обработка и сохранение информации);

- экспрессно получать информацию о состоянии воздуха, газов в режиме реального времени без пробоотбора и пробоподготовки;

- упростить управление и измерение концентрации газов в режиме «на месте»;

- быстро изменять селективность к определяемым газам;

- расширить аналитические возможности миниатюрного портативного анализатора за счет возможности переключения режимов в зависимости от объектов исследования (полимерные изделия, продукты питания, топливо), в том числе с визуализацией результатов и выводом на дисплей;

- длительное время сохранять эксплуатационные характеристики устройства при широкой вариации свойств анализируемой воздушной среды;

- диагностировать воздух, равновесную газовую фазу над полимерными изделиями, продуктами питания и топливом во внелабораторных условиях в режиме «на месте» с сохранением информации для переноса данных об измерении за счет малых габаритов, имеющейся встроенной памяти.

Портативный анализатор газов с массивом пьезосенсоров, включающий высокопрочный полимерный корпус с насадкой-нагнетателем и защитной крышкой из фторопласта, на верхней панели корпуса расположена ячейка с массивом из трех пьезосенсоров с чувствительными пленочными покрытиями для определения компонентов воздуха и равновесной газовой фазы над полимерными изделиями, продуктами питания, топливом по совокупности их легколетучих соединений, внутри корпуса расположены миниатюрная схема возбуждения, соединенная с тремя микроконтроллерами, запрограммированными в сумме на 150 ячеек памяти для регистрации и преобразования сигналов пьезосенсоров и передачи их на моно- или полихромный дисплей для отображения аналитического сигнала в виде «визуальных отпечатков» максимумов трех сенсоров и для сохранении информации на съемном носителе памяти, приводящимися в действие автономно от встроенного компактного источника питания, на панели корпуса размещены кнопка включения прибора, кнопка работы нагнетателя и переключатель на отдельные режимы измерения: анализ топлива, полимерных материалов, пищевых продуктов и индикаторы работы пьезосенсоров и моно-/полихромный дисплей для отображения аналитического сигнала.

Изобретение может быть использовано в фундаментальных исследованиях и при разделении обычных и сверхтекучих жидкостей. Способ визуализации двухжидкостной структуры квантовой жидкости в оксидных расплавах включает получение оксидного расплава путем плавления тонкодисперсного порошка В2О3 с добавками ВаО или Co3O4 в соотношении: ВаО - 1,0 мол.%; В2О3 - 99.0 мол.% мол.

Мобильная система комплексного мониторинга акваторий и способ мониторинга акваторий // 2569938

Использование: техническое решение относится к способам и средствам исследования водной среды путем определения ее параметров и может быть использовано при автоматическом мониторинге акваторий.

Способ определения супрессивности почвы // 2568913

Изобретение относится к экологии, а именно к фитопатологии и защите растений. Для этого оценивают супрессивность почвы.

Индекс лихеноиндикации // 2568840

Изобретение относится к экологии, а именно биомониторингу и биоиндикации качества состояния окружающей среды (воздуха) в малых, средних и крупных поселениях с использованием количественного индекса лихеноиндикации - лишайникового индекса. Для этого вычисляют лишайниковый индекс (L), выражающийся отношением суммарной площади визуально доступных слоевищ к площади поверхности ствола дерева по формуле: , где L - лишайниковый индекс, d1 - минимальный размер диаметра слоевища лишайников (лишайниковой куртины (см)), d2 - максимальный размер диаметра слоевища лишайников (лишайниковой куртины (см)), D - обхват дерева (см), Н - расстояние от земли, выше которого нет двух талломов, расположенных друг от друга ближе чем на 10 d2, N - число талломов модельных видов лишайников на дереве.

Способ определения суммарной антиоксидантной активности экстрактов чаев методом вольтамперометрии на модифицированном электроде // 2567727

Изобретение относится к фармацевтической промышленности, в частности к способу определения суммарной антиоксидантной активности экстрактов чаев методом вольтамперометрии на модифицированном фталоцианином кобальта Co(II) платиновом электроде.

Способ определения коэффициента массоотдачи пористых проницаемых материалов // 2566726

Изобретение относится к текстильной, легкой и пищевой промышленности, а именно к технологии сушки и термовлажностной обработки пористых проницаемых материалов, и может быть использовано для определения коэффициента массоотдачи пористых материалов.

Способ определения концентрации поверхностно-активных веществ анионного типа в технологических жидкостях // 2564946

Изобретение относится к области анализа качества нефтепромысловых реагентов, в частности технологических жидкостей, содержащих поверхностно-активные вещества (ПАВ) анионного типа.

Способ оценки состояния окружающей среды // 2564916

Изобретение относится к экологии и может найти применение при оценке степени токсичности определенного участка территории. Оценка состояния окружающей среды осуществляется путем оценки чистоты атмосферы по хвое деревьев, причем используется хвоя деревьев 2-3- летнего возраста, которую срезают на высоте 1,5 с части кроны, обращенной к источнику загрязнения, и оценивают экологическое состояние окружающей среды на основании определения соответствия отделяемых хвоинок биологическим особенностям путем осмотра на предмет проявления хлорозов и некрозов, класса повреждения хвои, класса усыхания хвои, при этом в случае, если соответствие биологическим особенностям составляет 95-100%, класс повреждения хвои соответствует хвое без пятен, а класс усыхания хвои соответствует неусохшей хвое, то это соответствует экологически безопасной зоне, если соответствие биологическим особенностям составляет 80-94%, класс повреждения хвои соответствует хвое с небольшим числом пятен, а класс усыхания хвои соответствует усыханию 1/3 длины хвоинки, то это соответствует зоне относительного экологического благополучия, если соответствие биологическим особенностям составляет менее 80%, класс повреждения хвои соответствует хвое с большим числом черных и желтых пятен, а класс усыхания хвои соответствует усыханию более 1/2 длины хвоинки, то это соответствует зоне повышенного экологического риска.

Сдвиговое устройство для испытания на срез образцов мелкозернистых связных и несвязных грунтов и снега // 2564012

Изобретение относится к определению механических характеристик грунтов в лабораторных и полевых условиях. Для этого используют сдвиговое устройство для испытания на срез образцов мелкозернистых связных и несвязных грунтов и снега.

Применение аэрозольного устройства для экспресс-обнаружения агрессивных химических веществ кислого характера на поверхностях объектов // 2563836

Изобретение относится к области аналитической химии, а именно к экспресс-обнаружению агрессивных химических веществ кислого характера на горизонтальных, наклонных и вертикальных поверхностях.

Устройство для определения утечек взрывоопасных жидкостей на основе пьезосенсора // 2568331

Использование: для непрерывного контроля утечек взрывоопасных жидкостей (в том числе органических растворителей, аммиака, керосина, бензина) и выдачи звукового или светового сигнала при повышении концентраций паров жидкостей в воздухе помещений, замкнутых объемах (подземных сооружениях и коммуникациях) и наружных установок.

Полупроводниковый газоанализатор угарного газа // 2565361

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам для регистрации и измерения содержания оксида углерода. Датчик состоит из полупроводникового основания, выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора (ZnTe)0,68(CdSe)0,32, и непроводящей подложки.

Устройство для измерения коэффициентов диффузии водорода в металлах и способ его применения // 2562178

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения коэффициентов диффузии водорода в различных конструкционных материалах, используемых в космической и атомной технике, в изделиях, подвергаемых наводороживанию и облучению в процессе эксплуатации.

Полупроводниковый анализатор диоксида азота // 2561019

Использование: для регистрации и измерения содержания микропримесей диоксида азота. Сущность изобретения заключается в том, что датчик состоит из полупроводникового основания, выполненного в виде поликристаллической пленки твердого раствора (InSb)0,94(CdTe)0,06, нанесенной на электродную площадку пьезокварцевого резонатора.

Экспрессный способ оценки безопасности изделий из фенолформальдегидных пластмасс // 2555775

Изобретение относится к аналитической химии, а может быть использовано для оценки безопасности изделий из фенолформальдегидных пластмасс. Для этого используют многоканальный анализатор газов (МАГ-8) с 8-мью пьезокварцевыми резонаторами, электроды которых модифицируют нанесением растворов полидиэтиленгликольсукцината, полиэтиленгликольсебацината, полиэтиленгликольфталата, полифенилового эфира, триоктилфосфиноксида, пчелиного клея, пчелиного воска и комбинированного сорбента - пчелиного клея с хлоридом железа (III).

Полупроводниковый газоанализатор угарного газа // 2548049

Использование: для регистрации и измерения содержания оксида углерода. Сущность изобретения заключается в том, что полупроводниковый газоанализатор угарного газа содержит полупроводниковое основание, нанесенное на непроводящую подложку, при этом полупроводниковое основание выполнено из поликристаллической пленки твердого раствора (ZnTe)0,26(CdSe)0,74.

Полупроводниковый датчик кислорода // 2546849

Изобретение относится к области газового анализа, в частности к детектирующим устройствам, применяемым для регистрации и измерения содержания кислорода. Газовый датчик согласно изобретению содержит диэлектрическую подложку с нанесенным слоем полупроводникового материала толщиной от 0,07 мкм до 0.2 мкм.

Способ формирования пленок, содержащих поли-n, n-диметил-3, 4-диметиленпирролидиний цианид, на поверхности оксидных стекол // 2541715

Использование: для определения содержания паров воды в воздушной среде. Сущность изобретения заключается в том, что при формировании пленок для определения содержания паров воды в воздушной среде выполняют последовательное нанесение на поверхность оксидного стекла поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний хлорида аэрозольным распылением и гексацианоферрата(III) калия ультразвуковым распылением в соотношении 3:1 с образованием поли-N,N-диметил-3,4-диметиленпирролидиний цианидной пленки, селективной по отношению к парам воды.

Способ изготовления материала газового сенсора селективного детектирования н2s и его производных // 2537466

Изобретение относится к области нанотехнологии сенсорных материалов и может быть использовано для создания полупроводниковых газовых сенсоров, селективных к содержанию в воздухе сероводорода и его производных.

Способ изготовления газового сенсора с наноструктурой и газовый сенсор на его основе // 2532428

Изобретение относится к изготовлению газовых сенсоров, предназначенных для детектирования различных газов. Предложен способ изготовления газового сенсора, в котором образуют гетероструктуру из различных материалов, в ней формируют газочувствительный слой, после чего ее закрепляют в корпусе сенсора, а контактные площадки соединяют с выводами корпуса при помощи контактных проводников.

Полупроводниковый газовый сенсор // 2583166

Изобретение может быть использовано в газоанализаторах, газосигнализаторах и газовых пожарных извещателях для контроля довзрывных концентраций взрыво-пожароопасных газов и газовых смесей. Полупроводниковый газовый сенсор содержит корпус реакционной камеры, выполненный из коррозионно-стойкой стали и с торца закрытый сеткой из нержавеющей стали проволокой диаметром 0,02…0,05 мм шагом 0,05…0,07 мм. В корпусе по центру реакционной камеры на контактных проводниках (4) установлен шарообразный полупроводниковый газочувствительный элемент (5) сенсора при помощи проводов нагревателя (6) и измерительного проводника (7). Внутри полупроводникового газочувствительного элемента (5) размещен нагреватель (6) в виде цилиндрический пружины, внутри которой по ее оси и по диаметру шарообразного полупроводникового элемента (5) расположен прямой измерительный проводник (7). Нагреватель (6) и измерительный проводник (7) газочувствительного элемента (5) выполнены из платиновой проволоки диаметром 0,01…0,025 мм, нагреватель (6) имеет 3…15 витка проволоки, шарообразный полупроводниковый газочувствительный элемент (2) имеет внешний диаметр 0,4…0,8 мм и выполнен из внутреннего объема (8): SnO2 - 40…60 мас.% и внешнего объема (5): пористого гамма-Аl2О3 - 40…60 мас.% соответственно шарообразного газочувствительного элемента сенсора. Нагреватель (6) выполнен с возможностью питания постоянным напряжением в 0,2…1,5 В. Изобретение обеспечивает существенное улучшение долговременной стабильности, упрощение технологии изготовления сенсора, а также повышение чувствительности полупроводникового газового сенсора к малым концентрациям газов, быстродействие и устойчивость к воздействию внешних факторов. 1 табл., 10 ил.