Устройство дистанционного отбора воздушной пробы для приборов газового анализа (варианты)

Авторы патента:

Соколов Владислав Александрович (RU)

Татаринцев Александр Владимирович (RU)

Булатов Александр Валентинович (RU)

Левин Марк Николаевич (RU)

Денисенко Николай Геннадьевич (RU)

H01J49/40 - спектрометры, работающие по принципу измерения времени полета ионов (H01J 49/36 имеет преимущество)

Владельцы патента RU 2625821:

Закрытое акционерное общество "Инновационный центр "Бирюч" (ЗАО "ИЦ "Бирюч") (RU)

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для бесконтактного дистанционного отбора проб воздуха с твердых поверхностей и подачи их в аналитический тракт приборов газового анализа для обнаружения следов взрывчатых веществ. Устройство дистанционного отбора воздушной пробы включает корпус воздухозаборника, насадку для формирования воздушных потоков, на внутренней поверхности которой расположены сопла, внутреннюю кольцевую полость между корпусом и насадкой для накачки газа, трубку, расположенную внутри корпуса и насадки, обеспечивающую ввод в аналитическую камеру прибора, аналитическую камеру прибора, насос, обеспечивающий всасывание воздуха, содержащего целевое вещество, и одновременно нагнетание воздуха во внутреннюю кольцевую полость, нагреватель (опционально) для предварительного нагревания газа, нагнетаемого насосом в полость для накачки газа, трубопроводы, соединяющие устройство для отбора воздушной пробы с насосом. Изобретение применимо для обнаружения следовых количеств взрывчатых, отравляющих, наркотических веществ, мониторинга промышленных загрязнений в атмосфере, контроля пищевых продуктов по выделяемым испарениям, медицинской диагностики по составу выдыхаемого воздуха. Технический результат - повышение эффективности отбора пробы, упрощение конструкции и снижение энергопотребления. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

Область техники

Настоящее изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для бесконтактного дистанционного отбора проб воздуха с поверхностей тел и подачи их в аналитический тракт приборов газового анализа для обнаружения следов взрывчатых веществ.

Предшествующий уровень техники

Известно устройство, обеспечивающее обнаружение следов взрывчатых веществ на руках и документах по их отпечатку на гладкой поверхности, при этом поверхность нагревается для десорбции следов взрывчатых веществ, десорбированное целевое вещество доставляется в дрейфовый канал спектрометра ионной подвижности закрученной струей охлажденного воздуха (патент RU 2351922, опубл. 04.10.2009). Предложенное техническое решение обеспечивает значительное повышение эффективности обнаружения опасных веществ на руках человека или документах, однако, недостатками являются громоздкость конструкции и высокое энергопотребление.

Известны различные модификации устройств отбора пробы с использованием закрученного потока, состоящие в подогреве воздуха в закрученной струе, использовании двух коаксиальных вихрей или множества вихрей для захвата большей площади исследования, сканирования исследуемой поверхности вихрем, направление которого задается поворотом насадки (патент US 6870155, опубл. 22.03.2005). Недостатками предложенного устройства являются сложная конструкция, большие габариты и высокое энергопотребление. Кроме того, не обеспечивается достаточная эффективность в обнаружении следов веществ с низкой летучестью.

Известно устройство, включающее вихревой пробоотборник с воздушной струей с абразивным материалом для повышения эффективности десорбции следов целевого вещества с поверхности (патент US 8122756, опубл. 28.02.2012). Воздействие воздушной струи с абразивом способствует отделению от поверхности следов целевого вещества, которые собираются и переносятся обратным потоком вдоль оси вихря к сенсору дрейф-спектрометра. Недостатком способа является сопутствующее загрязнение прибора посторонними продуктами десорбции.

Известна конструкция устройства пневматического пробоотбора, в котором используется направленный по образующей конуса к обследуемой поверхности импульсный или непрерывный поток воздуха, формируемый соплами, установленными по периферии устройства под определенными углами (патент US 8561486, опубл. 22.10.2013). Всасывание анализируемой пробы осуществляется дополнительным насосом, установленным на оси устройства. К недостаткам данной конструкции следует отнести громоздкость конструкции и высокое энергопотребление.

Ближайшее техническое решение представлено в патенте RU 2279051, опубл. 27.06.2006. Устройство содержит конусообразный рефлектор, в котором с помощью вращающихся и неподвижных крыльчаток создают закрученный (вихревой) воздушный поток, выходящий из конуса вдоль его боковой поверхности, а на оси конуса создают всасывающий поток, поступающий в прибор газового анализа. Из аэродинамики известно, что во внутренней области закрученного воздушного потока возникает пониженное давление за счет центробежных сил, действующих на вращающийся поток (вихрь, торнадо). Целевое вещество, сдуваемое вихревым потоком с поверхности исследуемого объекта, концентрируется в области пониженного давления в центре вихря и затягивается всасываемым в прибор потоком. При этом целевое вещество концентрируется вдоль центральной оси вихря и не разбавляется воздушным потоком. Недостатками устройства являются сложность конструкции, большие габариты и высокое энергопотребление.

Раскрытие изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является повышение эффективности отбора пробы, упрощение конструкции, уменьшение габаритов и снижение энергопотребления.

Решение указанной задачи достигается за счет следующих факторов:

- повышенного разряжения во внутренней области закрученного воздушного потока за счет высокой скорости истечения воздушных струй из сопел с малым сечением, испытывающих повышенное воздействие центробежных сил;

- облегченной десорбции следов целевого вещества с поверхности вследствие высокой скорости потока и нагрева воздушной струи за счет теплоотдачи насоса;

- снижения габаритов и уменьшения энергозатрат за счет использования одного насоса для одновременного нагнетания и всасывания воздуха.

Отличие предлагаемого изобретения от прототипа, представленного в патенте RU 2279051, заключается в том, что закрученный воздушный поток создается в зазоре насадки между внешней цилиндрической и внутренней усеченной конической поверхностями с общей осью вращения, определяющими направление воздушных потоков, формируемых струями, выходящими из камеры с повышенным давлением, создаваемым насосом, через узкие отверстия (сопла) во внешней стенке насадки, а всасывание воздушной пробы вдоль оси насадки обеспечивается тем же насосом.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. Блок-схема устройства для отбора воздушной пробы для приборов газового анализа: 1 - корпус воздухозаборника, 2 - насадка для формирования воздушных потоков, 3 - сопла, 4 - полость для накачки газа, 5 - вход в аналитическую камеру прибора, 6 - аналитическая камера, 7 - нагреватель (опционально), 8 - насос, 9 - поверхность обследуемого объекта, 10 - трубопроводы. Стрелки указывают направления потоков.

Фиг. 2. Блок-схема устройства для отбора воздушной пробы для приборов газового анализа при отсутствии нагревателя воздушного потока: 1 - корпус воздухозаборника, 2 - насадка для формирования воздушных потоков, 3 - сопла, 4 - полость для накачки газа, 5 - вход в аналитическую камеру прибора, 6 - аналитическая камера, 7 - нагреватель (опционально), 8 - насос. 9 - поверхность обследуемого объекта, 10 - трубопроводы, 11 - термоизолированный корпус насоса.

Фиг. 3. Насадка воздухозаборника и распределение воздушных потоков.

Фиг. 4. Насадка для формирования воздушных потоков: а - общий вид; б - движение воздушного потока в направлении, перпендикулярном оси устройства; в - направление оси отверстий сопел.

Варианты осуществления изобретения

Устройство дистанционного отбора воздушной пробы состоит из корпуса воздухозаборника 1, насадки для формирования воздушных потоков 2, на внутренней поверхности которой расположены сопла 3. Направления сопел выбираются таким образом, чтобы обеспечить формирование закрученной воздушной струи. Между корпусом 1 и насадкой 2 расположена внутренняя кольцевая полость 4 для накачки газа. Внутрь корпуса 1 и насадки 2 вставлена трубка 5, обеспечивающая ввод в аналитическую камеру прибора 6. Всасывание воздуха, содержащего целевое вещество, и одновременно нагнетание воздуха в полость 4 осуществляется с помощью насоса 8. Газ, нагнетаемый насосом в полость для накачки газа 4, предварительно нагревается, проходя через нагреватель 7. Нагреватель может отсутствовать, если насос поместить в термоизолированный корпус 11. В этом случае воздух будет нагреваться за счет тепла, выделяемого при работе насоса. Устройство для отбора воздушной пробы соединено с насосом с помощью трубопроводов 10.

Устройство работает следующим образом. Нагретый воздух подается насосом 8 в полость для накачки газа 4. Из полости 4 воздух с большой скоростью выходит через сопла 3. В результате образуются закрученные струи нагретого воздуха, которые дистанционно обдувают поверхность обследуемого объекта 9. В приосевой области закрученной воздушной струи возникает область пониженного давления и обратное течение воздуха. Поступающий с обратным течением поток воздуха, содержащий пары пробы, протягивается насосом 8 через аналитическую камеру прибора 6. Диаметр отверстия сопла определяется расходом воздуха, задаваемого работой насоса 8 и необходимой скоростью струи.

Пример 1

В реализованной конструкции устройства дистанционного отбора пробы при расходе воздуха 2,5 л/мин в насадке для формирования воздушных потоков 2 выполнено шесть отверстий диаметром 1 мм. Для создания осевой направленности воздушной струи оси отверстий сопел направлены под углом 10° к плоскости, перпендикулярной оси воздухозаборника. Для формирования закрученной воздушной струи оси отверстий в горизонтальной плоскости направлены по касательной к окружности, радиус которой R=(R₁+R₂)/2 (фиг. 4). Такое направление сопел обеспечивает наиболее эффективное формирование закрученного воздушного потока.

1. Устройство дистанционного отбора воздушной пробы, включающее термоизолированный корпус воздухозаборника, насадку для формирования воздушных потоков, на внутренней поверхности которой расположены сопла, внутреннюю кольцевую полость между корпусом и насадкой для накачки газа, трубку, расположенную внутри корпуса и насадки, обеспечивающую ввод в аналитическую камеру прибора, аналитическую камеру прибора, насос, обеспечивающий всасывание воздуха, содержащего целевое вещество, и одновременно нагнетание воздуха во внутреннюю кольцевую полость, трубопроводы, соединяющие устройство для отбора воздушной пробы с насосом.

2. Устройство дистанционного отбора воздушной пробы, включающее корпус воздухозаборника, насадку для формирования воздушных потоков, на внутренней поверхности которой расположены сопла, внутреннюю кольцевую полость между корпусом и насадкой для накачки газа, трубку, расположенную внутри корпуса и насадки, обеспечивающую ввод в аналитическую камеру прибора, аналитическую камеру прибора, насос, обеспечивающий всасывание воздуха, содержащего целевое вещество, и одновременно нагнетание воздуха во внутреннюю кольцевую полость, нагреватель для предварительного нагревания газа, нагнетаемого насосом в полость для накачки газа, трубопроводы, соединяющие устройство для отбора воздушной пробы с насосом.

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для обнаружения микропримесей веществ в газовых средах, в частности атмосфере воздуха. Устройство включает цилиндрический корпус, внешний и внутренний цилиндрические электроды, расположенные концентрически относительно цилиндрического корпуса и образующие аналитический канал спектрометра, диэлектрический цилиндр, изолирующий внешний цилиндрический электрод от корпуса, источник ионизации, расположенный на входе в аналитический канал, входную камеру, штуцера для ввода пробы исследуемой газовой фазы, штуцеры для ввода чистого газа носителя, обтекатель, установленный на входе в аналитический канал и изолированный от внутреннего цилиндрического электрода диэлектрической вставкой; выходной штуцер, апертурную сетку, электрод электрометра, кольцевой блокирующий электрод, фокусирующие электроды.

Способ времяпролетного масс-разделения ионов в радиочастотном линейном электрическом поле и устройство для его осуществления // 2618212

Изобретение относится к области масс-спектрометрии и направлено на совершенствование методов и устройств масс-разделения по времени пролета в линейных высокочастотных полях.

Комбинированный ионный затвор и модификатор // 2602429

Изобретение относится к области обнаружения веществ в образце, в частности к спектрометрам ионной подвижности. Устройство обнаружения, содержащее участок ионизации, ионный затвор, содержащий два электрода, ионный модификатор, содержащий два электрода, дрейфовую камеру и коллектор.

Дифференциальный спектрометр ионной подвижности с ионной ловушкой // 2577781

Изобретение относится к области газового анализа и предназначено для обнаружения малых концентраций целевых веществ в газовых средах со сложным составом примесей, концентрации которых превышают концентрации целевых веществ.

Времяпролетный спектрометр ионов // 2551119

(57) Изобретение относится к области спектрометрии заряженных частиц и может быть использовано для измерения зарядового и массового состава ионов плазмы. Времяпролетный спектрометр содержит вакуумную камеру (1), в которой последовательно расположены труба дрейфа (2) и детектор ионов (7), на входном и выходном торцах трубы дрейфа (2) установлены электроды (3, 4), прозрачные для ионов и электрически связанные с ней, перед входным электродом (3) размещен заземленный электрод (5), труба дрейфа (2) электрически соединена с импульсным источником ускоряющего напряжения (8).

Времяпролетный масс-спектрометр с нелинейным отражателем // 2504045

Изобретение относится к приборостроению, средствам автоматизации и системам управления, а именно к области космических исследований. Технический результат - повышение разрешения и чувствительности при анализе ионного нейтрального газа.

Дифференциальный спектрометр ионной подвижности // 2503083

Изобретение относится к области газового анализа и предназначено для обнаружения микропримесей веществ в газовых средах, в частности атмосфере воздуха, имеет применение в газовой хроматографии в качестве чувствительного детектора.

Масс-спектральное устройство для быстрого и прямого анализа проб // 2487434

Изобретение относится к аналитическому приборостроению и может быть использовано в конструкторских разработках и в производстве приборов для быстрого масс-спектрометрического анализа твердотельных проб и сухих остатков растворов.

Времяпролетный масс-анализатор с многократными отражениями и времяпролетный масс-спектрометр, включающий в себя данный масс- анализатор // 2458427

Изобретение относится к области масс-спектрометрии, в частности времяпролетной масс-спектрометрии. .

Спектрометр подвижности ионов // 2455725

Изобретение относится к области газового анализа и может использоваться для определения микропримесей различных веществ в газах. .

Синхронизированная модификация ионов // 2632919

Изобретение относится к области спектрометрии. Модификатор ионов может применяться для модификации части ионов, которые входят в дрейфовую камеру через затвор, управляющий входом ионов в дрейфовую камеру. Контроллер, который связан с модификатором ионов, конфигурирован для управления модификатором ионов для выбора части ионов, которые будут модифицированы, и выбирает эту часть ионов на основе предшествующей реакции на другие ионы, полученные от того же образца. Упомянутые другие ионы соответствуют, например, ионам, которые связаны с пиком, имевшим место при предшествующем измерении с помощью спектрометра. Технический результат - упрощение идентификации молекул образца. 4 н. и 18 з.п. ф-лы, 4 ил.

Устройство формирования напряжения на защитной сетке коллектора ионного тока спектрометра ионной подвижности // 2638824

Изобретение относится к спектрометрам ионной подвижности, которые находят широкое применение для контроля содержания различных веществ в воздухе и, в частности, для обнаружения малых концентраций взрывчатых, наркотических, опасных и токсичных веществ, проведения медицинской диагностики, контроля качества пищевой продукции и промышленных материалов. Один из вариантов реализации устройства формирования напряжения на защитной сетке коллектора ионного тока заключается в использовании повторителя напряжения, который может быть реализован на операционном усилителе с обратной связью, на эмиттерном или истоковом повторителе, при этом для стабилизации уровня напряжения и исключения пульсаций на защитной сетке на выходе повторителя напряжения устанавливается по крайней мере один конденсатор и один резистор. Другой вариант реализации устройства формирования напряжения на защитной сетке коллектора ионного тока заключается в использовании управляемого двухполярного источника напряжения с быстрым переключением полярности выходного напряжения, например реализованного на основе двух независимых управляемых источников напряжения, один для положительной, а другой для отрицательной полярности, оснащенные каждый по крайней мере одним конденсатором и одним резистором для ограничения пульсаций и дрейфа выходного напряжения и по крайней мере одним ключом для коммутации выходного напряжения на защитную сетку при переключении полярности. Технический результат - возможность регулирования уровня напряжения на защитной сетке независимо для положительной и отрицательной полярностей для гибкой настройки электрического поля в области коллектора и оптимизации сбора ионов разных полярностей, высокая скорость переключения полярности напряжения на защитной сетке, отсутствие дрейфа напряжения на защитной сетке после переключения полярности, снижение требований к частотной компенсации и времени установления потенциалов на делителе высокого напряжения. 2 н. и 3 з.п. ф-лы, 6 ил.

Способ формирования массовой линии ионов во времяпролетном масс-спектрометре // 2644578

Изобретение относится к области масс-спектрометрии, преимущественно для космических исследований и для применения в других областях при условиях жестких ограничений массы и габаритов. Способ основан на выталкивании ионов из ускоряющего промежутка нелинейным полем и отклонении ионов в бесполевом пространстве двумя парами отклоняющих пластин, формирующих динамическое электрическое поле. Технический результат - повышение разрешающей способности и чувствительности времяпролетных масс-спектрометров, работающих в режиме сепарации массовых линий. 2 ил.

Двухканальный масс-спектрометр по времени пролета с однонаправленными каналами // 2646860

Изобретение относится к области масс-спектрометрии. Двухканальный масс-спектрометр по времени пролета с однонаправленными каналами включает параллельные двухканальные ускорители (1), вакуум-камеру (2), источник (3) ионов в виде лазерной установки ионного распыления, два детектора (4, 5) ионов и ионный коллиматор (6); при этом, когда ионные пучки, создаваемые источником (3) ионов в виде лазерной установки ионного распыления, поступают в двухканальные ускорители (1), части ионных пучков соответственно ускоряются в одном направлении к двум детекторам (4, 5) ионов и регистрируются. Ионные пучки, созданные источником (3) ионов в виде лазерной установки ионного распыления, проходят через ионный коллиматор (6) и разделяются двухканальным масс-спектрометром по времени пролета на верхнюю часть и нижнюю часть, при этом верхняя часть и нижняя часть, соответственно, отклоняются под косым углом и фокусируются на верхний и нижний детекторы (4, 5) ионов, и, таким образом, формируется спектр масс ионов по времени пролета. Если один детектор ионов заменить электронным анализатором энергии, то одновременно с этим можно провести эксперимент с фотоэлектронным энергетическим спектром для отбора определенного иона. Данное изобретение можно сочетать с электронным анализатором энергии для того, чтобы быстро выполнить эксперимент с лазерным облучением на ионах, имеющих множество пиков масс, и электронный спектр обнаруженного иона может строго соответствовать времени пролета для его максимума масс. Технический результат - повышение отношения сигнал-шум и разрешения по энергии. 8 з.п. ф-лы, 5 ил.