Устройство и способ для взятия проб газообразной текучей среды
Изобретения относятся к способам и устройствам для получения проб для детекторов. Впускное устройство детектора для подачи пробы в аналитическое устройство для обнаружения вещества, представляющего интерес, при этом впускное устройство детектора содержит: камеру для обеспечения прохождения потока газообразной текучей среды, содержащую объем для взятия проб; впуск для взятия проб, расположенный в камере и выполненный с возможностью отбора проб газообразной текучей среды из объема для взятия проб и подачи проб в аналитическое устройство, при этом поток переносит частицы; и средство направления потока, выполненное с возможностью создания циркуляционного потока газообразной текучей среды вокруг камеры, окружающей впуск для взятия проб, и таким образом для изменения пространственного распределения частиц, переносимых текучей средой, для увеличения относительной доли частиц, переносимых мимо впуска для взятия проб и не поступающих в объем для взятия проб, при этом камера выполнена с возможностью направления потока текучей среды в направлении потока таким образом, чтобы циркуляционный поток вращался вокруг оси вращения, поперечной направлению потока. Технический результат – повышение качества проб. 8 н. и 21 з.п. ф–лы, 11 ил.
Раскрытие настоящего изобретения относится к способам и устройствам обнаружения, а более конкретно - к способам и устройствам для получения проб для детекторов, еще точнее - к способам и устройствам для получения проб паров в присутствии частиц, причем эти способы и устройства могут находить конкретное применение в спектрометрии, например, в спектрометрии, основанной на подвижности ионов, и в масс-спектрометрии.
Функционирование некоторых детекторов осуществляется путем "всасывания" потока текучей среды, такой как воздух, во впускное устройство детектора и взятия пробы этого воздушного потока с помощью аналитического устройства с целью обнаружения веществ, представляющих интерес. Этот всасываемый поток воздуха может отбираться для пробы из впускного устройства детектора с использованием впуска для взятия проб, такого как микроканальный, капиллярный или мембранный впуск.
Часто возникает необходимость в ручных или переносных устройствах, например, для использования военнослужащими и сотрудниками служб безопасности. Этот персонал часто работает в агрессивной среде, характеризующейся наличием большого количества пыли, крошки и других твердых частиц. Такие частицы могут загораживать впуск для взятия проб или же повреждать детектор. В некоторых случаях частицы, переносимые потоком воздуха, могут включать в свой состав частицы, к которым чувствителен детектор. Если такие частицы накапливаются в детекторе или в его впускных отверстиях, они могут загрязнять детектор и могут вызвать проблемы, связанные со временем восстановления.
Аспекты и варианты раскрытия настоящего изобретения направлены на решение соответствующих технических проблем.
Варианты раскрытия настоящего изобретения описываются ниже только как примеры со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:
на фиг 1а схематично показано впускное устройство детектора;
на фиг 1b показано пространственное распределение частиц по линии 'А', изображенной на фиг. 1а;
на фиг 1с схематично показано впускное устройство детектора;
на фиг. 2 показано поперечное сечение впускного устройства детектора, изображенного на фиг. 1а;
на фиг 3а схематично показано впускное устройство детектора с цилиндрическим каналом;
на фиг 3b показано пространственное распределение частиц по линии 'В', изображенной на фиг. 3а;
на фиг. 4 показано поперечное сечение впускного устройства детектора, изображенного на фиг. 3а, по линии 'В', изображенной на фиг. 3b;
на фиг. 5 показан пример детектора с впускным устройством, изображенным на фиг. 1а;
на фиг. 6 показан пример детектора с впускным устройством, изображенным на фиг. 3а;
на фиг. 7 показан другой пример детектора с впускным устройством, изображенным на фиг. 1а; и
на фиг. 8 показан другой пример детектора с впускным устройством, изображенным на фиг. 3а.
На чертежах одинаковые цифровые ссылки используются для указания одинаковых элементов.
Варианты раскрытия настоящего изобретения относятся к впускным устройствам детектора, подающим пробы в аналитическое устройство для обнаружения проб, представляющих интерес. Такие детекторы могут получать пробы путем начального всасывания потока газообразной текучей среды, например воздуха, переносящего частицы, дыма и аэрозолей. Затем из этого потока могут отбираться пробы. Например, микроканальный впуск может использоваться для взятия таких проб и подачи их детектору с целью обнаружения вещества, представляющего интерес.
Частицы, переносимые в таком всасываемом потоке, могут однородно распределяться в пространстве всего потока. Наличие таких частиц может приводить к загрязнению детектора или к блокировке впуска для взятия проб. Варианты раскрытия настоящего изобретения направлены на обеспечение взятия проб паров таким образом, чтобы частицы не поступали во впуск для взятия проб и не загрязняли его. Эта цель может достигаться путем создания циркуляционного потока, который обтекает (например, окружает) область, из которой могут быть получены пробы (например, с помощью впуска для взятия проб детектора). В этой области уменьшается относительное количество частиц, поскольку в значительной степени однородное пространственное распределение модифицируется эффектом центрифуги, создаваемым этим циркуляционным потоком.
В рамках раскрытия настоящего изобретения разъясняется ряд способов, с помощью которых можно достичь этой цели. На фиг. 1а показано впускное устройство детектора, сконфигурированное для работы таким образом.
На фиг. 1а показано впускное устройство 1 детектора, содержащее впуск 2 потока, выпуск 4 потока и камеру 11. Камера 11 содержит стенку 8 с внутренней поверхностью 12. Впуск 14 для взятия проб, такой как микроканальный, сформирован для получения проб из объема 10 для взятия проб, находящегося в камере. На фиг. 2 показано поперечное сечение впускного устройства 1 детектора, изображенного на фиг. 1а. На фиг. 2 показано, что впуск для взятия проб может быть выполнен с возможностью отбора проб газообразной текучей среды из центральной области камеры 11. Например, на фиг. 1 показана камера, в которой путь прохождения всасываемого потока ориентирован в плоскости чертежа. На этом виде камера 11 имеет закругленную форму, например, - круговую. Впуск для взятия проб может располагаться в середине или поблизости от середины этой закругленной камеры.
Как впуск 2 потока, так и выпуск 4 потока может содержать трубопровод, такой как огороженный желоб, врезанный в блок материала, или такой как канал или труба. Впуск потока и выпуск потока, показанные на фиг. 1, ориентированы в различных направлениях. Впуск 2 потока и выпуск 4 потока связаны с камерой 11, которая, таким образом, установлена на сгибе пути прохождения текучей среды через впускное устройство 1 детектора. В камере 11 поток газообразной текучей среды изменяет направление при протекании из впуска 2 потока, через камеру 11, в выпуск 4 потока.
Камера 11 имеет внутренний объем, ограниченный внутренней поверхностью 12 стенки 8. Как показано на чертеже, поверхность 12 стенки 8 может быть изогнута, например изгиб внутренней поверхности 12 стенки 8 может формироваться для обеспечения изгиба пути прохождения всасываемого потока из впуска 2 потока в выпуск 4 потока. Как показано на фиг. 2, поперечное сечение камеры больше поперечного сечения впуска 2 потока. В этом контексте под поперечным сечением потока понимается область, поперечная потоку газообразной текучей среды. Например, камера 11 может расширять путь прохождения потока в месте соединения впуска 2 потока с камерой 11. Это может способствовать замедлению потока газообразной текучей среды при его вхождении в камеру 11. На схеме, изображенной на фиг. 2, показано, что поперечное сечение выпуска 4 потока больше поперечного сечение впуска 2 потока. Это является одним из способов снижения скорости потока газообразной текучей среды, исходящего из камеры в выпуске 4 потока. Уменьшение скорости потока в выпуске может способствовать созданию циркуляционного потока вокруг камеры.
Как объяснялось выше, впуск 2 потока выполнен с возможностью направления газообразной текучей среды в камеру 11. Камера 11 образует первый путь прохождения потока вокруг внешней стороны изгиба, сформированного камерой 11, мимо одной стороны впуска для взятия проб, и второй, обратный путь прохождения потока вокруг внутренней стороны изгиба, мимо другой стороны впуска для взятия проб. Таким образом, путем позиционирования впуска для взятия проб в середине или поблизости от середины камеры 11 может порождаться циркуляционный поток текучей среды, который окружает впуск 14 для взятия проб. Этот циркуляционный поток может изменять пространственное распределение частиц, переносимых текучей средой, с целью увеличения относительной доли частиц, переносимых мимо впуска 14 для взятия проб и не поступающих в объем 10 для взятия проб, из которой впуск 14 для взятия проб получает пробы. Выпуск 4 потока может быть расположен таким образом, чтобы поток газообразной текучей среды покидал камеру 11 на более низкой скорости по сравнению со скоростью, с которой он поступает через впуск 2 потока. Например, выпуск 4 потока может иметь более широкое поперечное сечение потока, позволяющее пропускать через выпуск 4 такой же объемный поток газообразной текучей среды, что и через впуск 2, но с меньшей линейной скоростью. Это может в большей степени заставлять газообразную текучую среду протекать обратно, мимо впуска для взятия проб по внутренней стороне изгиба. Например, в таких вариантах осуществления текучая среда может втекать в камеру 11, затем огибать одну сторону впуска для взятия проб, при этом полностью не поступать в выпуск 4 потока вследствие медленного протекания текучей среды в выпуске 4 потока, и по меньшей мере частично рециркулировать в камере путем протекания обратно, мимо впуска для взятия проб по другой стороне впуска 14 для взятия проб.
В процессе функционирования устройства, показанного на фиг. 1а, поток газообразной текучей среды всасывается и пропускается из впуска 2 потока, через камеру 11 в выпуск 4 потока. Камера 11 обеспечивает изменение направления этого потока всасываемой газообразной текучей среды, например формирует изгиб в направлении потока из впуска 2 потока. Внешняя сторона этого изгиба формируется стенкой 8 камеры, изогнутой внутрь. Это изменяет направление потока всасываемой текучей среды и изгибает поток текучей среды вокруг впуска для взятия проб по мере его протекания через камеру 11. При достижении выпуска 4 потока часть газообразной текучей среды покидает камеру 11 через выпуск 4, однако часть потока протекает мимо выпуска 4 и остается в камере 11 и, таким образом, направляется обратно, мимо другой стороны впуска для взятия проб, по внутренней стороне изгиба 13, до некоторой степени так же как вихревые токи в потоке. Если поток возвращается назад, снова мимо впуска для взятия проб, к впуску 2, то этот обратный поток может затем слиться с последующим потоком, поступающим в камеру 11 во впуске 2 потока. Тот же самый цикл, таким образом, начинается снова, и часть этого воссоединенного потока рециркулирует, в то время как часть его покидает камеру через выпуск 4. Соответственно, по меньшей мере для части потока газообразной текучей среды такие варианты осуществления могут увеличить время пребывания газообразной текучей среды вокруг впуска для взятия проб по сравнению с тем же потоком вдоль прямого канала с постоянным поперечным сечением.
По меньшей мере часть текучей среды, таким образом, может протекать вокруг камеры в изогнутом, например, по меньшей мере частично циркуляционном потоке, окружающем впуск для взятия проб, перед выходом из камеры через выпуск 4 потока. На фиг. 2 показано, что этот циркуляционный поток протекает вокруг оси вращения, поперечной, например перпендикулярной, направлению объемного потока газообразной текучей среды через впуск 2 и выпуск 4.
Этот циркуляционный поток может создавать эффект центрифуги вокруг впуска для взятия проб, в результате которого частицы, переносимые потоком, смещаются по направлению к стенкам камеры, например, в сторону от впуска для взятия проб. Благодаря этому по направлению к оси вращения формируется область циркуляционного потока, в которой доля частиц в газообразной текучей среде меньше по отношению к другим областям потока газообразной текучей среды, например, к области потока текучей среды, расположенной ближе к стенкам камеры 11. Однако пар, переносимый потоком, может свободно рассеиваться вокруг камеры 11 и в этой обедненной области. Таким образом, способы раскрытия включают отбор проб газообразной текучей среды из этой обедненной области с целью уменьшения количества частиц, которые могут засорять впуск для взятия проб или проходить через впуск и, вследствие этого, загрязнять детектор.
Распределение частиц по линии А и в объеме 10 для взятия проб показано на графике, изображенном на фиг. 1b. Как показано на фиг. 1b, количество частиц (например, количество на единицу объема) уменьшается с увеличением расстояния от поверхности 12 стенки. Например, количество частиц меньше в направлении объема 10 для взятия проб и в противоположном направлении от внутренней стороны изгиба 13. Как описывалось выше, эффект центрифуги заставляет частицы двигаться в направлении стенок камеры, в результате чего изменяется количество частиц с изменением расстояния от стенки до объема для взятия проб. Распределение частиц, изображенное на фиг. 1b, показывает, что количество частиц в области между внутренней стороной изгиба 13 и объемом 10 для взятия проб меньше по отношению к количеству частиц между поверхностью 12 стенки и объемом 10 для взятия проб. Не углубляясь в какую-либо конкретную теорию, следует отметить, что часть текучей среды в области между поверхностью 12 стенки и объемом 10 для взятия проб проходит в область между внутренней стороной изгиба 13 и объемом 10 для взятия проб, и, таким образом, текучая среда между внутренней стороной изгиба 13 и объемом 10 для взятия проб может в большей степени испытывать эффект центрифуги и, следовательно, может содержать меньше частиц. Однако следует принимать во внимание, что такое распределение приведено просто в качестве примера.
Кривизна стенки может выбираться для уменьшения воздействия частиц на внутренние поверхности впуска 1 детектора. Например, радиус кривизны стенки может отличаться в различных частях стенки для формирования гладкой траектории потока текучей среды. Например, радиус кривизны первой части стенки, смежной с впуском 2 потока, и второй части стенки, смежной с выпуском 4 текучей среды, больше радиуса части стенки, соединяющей первую часть со второй. Изменение радиуса кривизны приводит к постепенному изменению направления потока всасываемого газообразной текучей среды. Это может уменьшить воздействие на стенку камеры и накопление на ней частиц и аэрозолей, переносимых газообразной текучей средой.
На фиг. 1с показан пример впускного устройства детектора, описанного выше со ссылкой на фиг. 1а. Однако на фиг 1 с впуск 2 потока ориентирован в том же направлении, что и выпуск 4 текучей среды. Выпуск 4 текучей среды, тем не менее, смещен относительно впуска 2 потока. В примере, показанном на фиг. 1с, выпуск 4 текучей среды располагается в стороне от впуска, например, смещен в поперечном направлении по отношению к направлению потока текучей среды. В этом примере по меньшей мере часть текучей среды может протекать по кругу, вокруг камеры, окружающей впуск для взятия проб, перед выходом из камеры через выпуск 4 потока в направлении, параллельном впуску 2 потока. В примере, показанном на фиг. 1с, выпуск 4 потока размещается на противоположной стороне камеры 8 по отношению к впуску 2 потока. Газообразная текучая среда может, таким образом, вытекать из выпуска 4 потока в том же направлении, в котором она втекает в камеру из впуска 2 потока. Однако в других вариантах осуществления выпуск 2 потока может также располагаться на той же стороне камеры 8, что и впуск 2 потока. Например, камера может располагаться на повороте U-образного изгиба. В этих и других примерах описывается циркуляционный поток, который вращается вокруг оси, поперечной направлению газообразной текучей среды.
Кроме того, могут предлагаться другие конфигурации впускных устройств детектора. Циркуляционный поток текучей среды в камере может также вращаться вокруг оси, ориентированной по направлению потока. Например, камера может содержать трубопровод или канал 32, выполненный в виде цилиндра, расположенного таким образом, чтобы вдоль него протекала текучая среда. В таких конфигурациях ось вращения циркуляционного потока может ориентироваться по продольной оси канала. Один из таких примеров показан на фиг. 3а.
В примере, показанном на фиг. 3а, впускное устройство детектора содержит канал 32, выполненный с возможностью формирования циркуляционного потока, вращающегося вокруг оси, параллельной направлению потока газообразной текучей среды. Как объяснялось выше, этот циркуляционный поток может вносить изменение в пространственное распределение частиц в потоке так, чтобы относительно большая их доля переносилась потоком ближе к стенке канала. Количество частиц также уменьшается с увеличением расстояния от стенки канала.
На фиг. 3а более подробно показано впускное устройство детектора, оснащенное каналом 32, впуском 29 потока, первым выпуском 28 потока и вторым выпуском 30 потока. Канал 32 содержит стенку 33, средство направления потока в виде ребер 22, расположенных на внутренней поверхности стенки 33 канала 32, объем 24 взятия проб и впуск 14 для взятия проб. На фиг. 4 показано поперечное сечение изображенного на фиг. 3а канала 32, выполненное по линии В, отмеченной на фиг. 3а.
В примере, показанном на фиг. 3а и фиг. 4, канал 32 содержит трубопровод, такой как огороженный желоб, вырезанный из блока материала, или такой как канал или труба. Канал 32 определяет направление объемного потока. Впуск 29 потока может содержать часть этого канала 32. Первый выпуск 28 потока и второй выпуск 30 потока отделены по каналу 32 от впуска 29 потока и проходят от магистрали в противоположных направлениях от ее оси. Например, выпуски 28, 30 потока могут ответвляться из канала 32. Например, они могут располагаться под углом к каналу 32. На чертеже показано, что они расположены в поперечном (например, перпендикулярном) направлении относительно канала 32, но в некоторых вариантах осуществления они могут быть по меньшей мере частично ориентированы по направлению канала 32. Например, канал и выпуски 28, 30 потока могут располагаться Y-образно. В примере, показанном на фиг. 3а, первый выпуск 28 потока и второй выпуск 30 потока проходят в различных направлениях от магистрали, например, первый выпуск 28 потока может располагаться для переноса потока газообразной текучей среды в противоположном направлении по отношению к потоку текучей среды, переносимого вторым выпуском 30 потока.
На фиг. 3а показано, что средство направления потока содержит ребро или ребра 22, которые отходят от внутренней стенки 33 канала 32. Ребро или ребра 22 могут размещаться по винтовой траектории (подобно винтовой резьбе) вокруг и вдоль канала 32. Для функционирования в качестве средства направления потока это ребро (или ребра) находятся в тракте прохождения по меньшей мере части текучей среды, протекающей через канал. В показанном примере средство направления потока выполнено в виде двух ребер 22, которые соединены со стенкой канала 32. Кроме того, может использоваться одно ребро или большее количество ребер. Ребра 22 не обязательно должны быть непрерывными, при условии что они содержат тонкие, вытянутые структуры, расположенные винтообразно (например, спирально) по меньшей мере в части тракта вдоль канала. Ребро (или ребра) могут проходить по внутренней стенке канала по винтовой траектории с осью спирали, ориентированной вдоль канала 32, например, винтовая траектория может быть коаксиальна по отношению к каналу 32. Ребра 22 могут прикрепляться к стенке 33 канала 32, например, ребра 22 могут быть интегрированы в канал 32. Ребра могут выступать по меньшей мере на 10 микрон от стенки 33 канала 32.
Канал 32 выполнен с возможностью приема пробы из впуска 29 потока. Ребра 22 на внутренней поверхности стенки 33 канала 32 выполнены с возможностью изменения направления потока текучей среды, для того чтобы текучая среда протекала с использованием циркуляционного потока 20, ось вращения которого ориентирована по направлению объемного потока в канале 32. Впуск 14 для взятия проб выполнен с возможностью получения проб из объема 24 для взятия проб, например, как показано на фиг. 3а, впуск для взятия проб может располагаться в центре объема для взятия проб. На фиг. 4 показано поперечное сечение канала 32, изображенного на фиг. 3а. На фиг. 4 показан соосный по отношению к каналу 32 объем для взятия проб, окруженный потоком 20 текучей среды. Путь 20 прохождения потока показан на фиг. 3а и фиг. 4 на основе циркуляционного потока текучей среды, следующего по внутренней поверхности стенки 33 и направленного против часовой стрелки ребрами 22.
В процессе работы газообразная текучая среда всасывается через впуск 29 потока через канал 32 и выводится из первого выпуска 28 текучей среды и второго выпуска 30 текучей среды. Средство направления потока, выступающее от внутренней стенки 33 канала 32, изменяет направление потока газообразной текучей среды, протекающего через канал. По мере продвижения текучей среды по каналу изменение направления приводит к вращению текучей среды так, что поток текучей среды окружает ось канала, например, таким же образом, как нарезка ствольного канала вызывает круговое движение пули при ее прохождении по стволу. Газообразная текучая среда продолжает вращение вокруг оси канала в процессе передвижения по направлению к первому выпуску 28 текучей среды и второму выпуску 30 текучей среды. Затем газообразная текучая среда покидает канал через первый выпуск 28 текучей среды и второй выпуск 30 текучей среды.
Циркуляционный путь 20 прохождения потока текучей среды, показанный на фиг. 3а и фиг. 4, является винтовым, его ось соответствует направлению потока по каналу. Путь прохождения потока может формироваться путем расположения ребер 22. На фиг. 3а и фиг. 4 показано, что ребра 22 размещаются на поверхности канала, при этом ребра ориентированы для формирования винтовой конфигурации с осью, коаксиальной с осью канала. Таким образом, текучая среда, направленная по винтовой траектории, следует ориентации ребер 22 при прохождении по каналу 32. В примере, показанном на фиг. 3а и фиг. 4, ребра расположены по винтовой линии, направленной против часовой стрелки по отношению к потоку текучей среды, и, таким образом, по мере протекания текучей среды вдоль канала ребра вращают текучую среду против часовой стрелки.
Циркуляционный поток текучей среды в канале может изменять пространственное распределение частиц, переносимых текучей средой. Как описывалось выше, циркуляционный поток может увеличивать относительную долю частиц, переносимых мимо впуска 14 для взятия проб и не поступающих в объем 24 взятия проб, благодаря эффекту центрифуги циркуляционного потока, заставляющему частицы перемещаться по направлению к стенкам 33 канала. Движение частиц по направлению к стенкам приводит к уменьшению доли частиц и, таким образом, - к увеличению доли пара в объеме для взятия проб.
В примере, показанном на фиг. 3а, характер циркуляционного потока текучей среды определяется расположением ребер 22. Например, количество оборотов текучей среды вокруг оси канала 32 при заданной длине канала 32 определяется позицией ребер 22 на стенке 33 канала 32. Расположение ребер с большим количеством вращений по длине канала 32, например, ребер, расположенных по винтовой траектории с меньшим шагом, может привести к большему количеству циклов вращения текучей среды вокруг оси канала по мере прохождения газообразной текучей среды по длине канала.
Распределение частиц по линии Вив объеме 24 для взятия проб показаны на графике, изображенном на фиг. 3b. Как показано на фиг. 3b, количество частиц уменьшается в направлении от стенки 33 канала к впуску для взятия проб. Как описывалось выше, эффект центрифуги вызывает передвижение частиц по направлению к стенке 33, в результате чего уменьшается количество частиц в объеме 24 для взятия проб, расположенной в направлении оси канала 32.
Впуск 14 для взятия проб может соединяться с впускным устройством 1 детектора и может быть выполнено с возможностью отбора проб текучей среды из объема 10, 24 для взятия проб вокруг впуска 14 для взятия проб. В описанных вариантах осуществления впуск для взятия проб из потока газообразной текучей среды может содержать микроканальный впуск. Пробоотборник (не показанный на чертеже) сконфигурирован для извлечения выбранного объема текучей среды, меньшего объема 10, 24 для взятия проб, через впуск 14 для взятия проб с целью подачи пробы в аналитическое устройство. Пробоотборник может содержать электромеханический исполнительный привод, например соленоидный привод, и/или механический насос, выполненный с возможностью передачи пара из объема 10, 24 для взятия проб в аналитическое устройство через впуск 14 для взятия проб.
На фиг. 5 показан детектор 48, соединенный с впускным устройством 1 детектора через впуск 14 для взятия проб, и на фиг. 6 показан детектор 48, соединенный с впускным устройством 3 детектора через впуск 14 для взятия проб. Детектор 48 содержит пробоотборник 52, выполненный с возможностью получения проб текучей среды через впуск для взятия проб, и аналитическое устройство 53.
Аналитическое устройство 53 сконфигурировано для анализа пробы, полученной из впуска для взятия проб, например, для определения одного или более химикатов, представляющих интерес, в пробе. Аналитическое устройство 53, показанное на фиг. 5 и фиг. 6, содержит масс-спектрометр. Масс-спектрометр может содержать ионизатор, ускоритель ионов, узел фокусировки пучка, магнит и коллектор Фарадея для выполнения анализа проб дыма с использованием масс-спектрометрии.
Как показано на чертеже, контроллер 50 подсоединен для управления аналитическим устройством, устройством подачи потока и пробоотборником 52. Контроллер 50 может содержать процессор и память, в которой хранятся инструкции для управления детектором 48.
На фиг. 7 и фиг. 8 показан детектор 68, в котором аналитическое устройство содержит спектрометр 72 на основе подвижности ионов, но в остальном идентичный устройству, показанному на фиг. 5 и фиг. 6. Спектрометр на основе подвижности ионов, показанный на фиг. 7, связан с впускным устройством 1 детектора посредством впуска 14 для взятия проб. Пробоотборник 52 выполнен с возможностью получения проб текучей среды через впуск 14 для взятия проб и для подачи этих проб в спектрометр 72 на основе подвижности ионов. Как показано в примере на фиг. 5 и фиг. 6, контроллер 50 может содержать процессор и память, в которой хранятся инструкции для управления детектором 68. Кроме того, как показано в примере на фиг. 5 и фиг. 6, пробоотборник 52 может содержать электромеханический исполнительный привод, например соленоидный привод и/или механический насос, выполненный с возможностью передачи пара из объема 10, 24 для взятия проб (как показано на фиг. 1а, фиг. 1b, фиг. 1с, фиг. 2, фиг. 3а, фиг. 3b и фиг. 4) через впуск 14 для взятия проб в аналитическое устройство.
Управляющий электрод 76 может отделять зону 58 реакции от дрейфовой камеры 62. Управляющий электрод 76 может содержать узел, состоящий по меньшей мере из двух электродов, которые могут быть выполнены с возможностью формирования затвора Бредбери-Нильсена. Дрейфовая камера 62 может содержать коллектор 77 для обнаружения ионов, расположенный с противоположной стороны от управляющего электрода 76 в дрейфовой камере 62. Дрейфовая камера также содержит дрейфовое газовпускное отверстие 74 и дрейфовое газовыпускное отверстие 60, выполненные с возможностью направления потока дрейфового газа вдоль дрейфовой камеры 62 из коллектора 77 ионов в направлении затвора 76. Пробоотборник 52 может управляться контроллером 50 для получения текучей среды из объема 10, 24 для взятия проб (как показано на фиг. 1а, фиг. 1b, фиг. 1с, фиг. 2, фиг. 3а, фиг. 3b и фиг. 4) через впуск 14 для взятия проб. Пробоотборник 52 также может управляться для подачи полученной пробы в зону 58 реакции спектрометра 68. Зона реакции, показанная на фиг. 7 и фиг. 8, содержит ионизатор 56 для ионизации пробы. Ионизатор 56 может содержать ионизатор коронного разряда. Дрейфовая камера 62 может содержать пролетные электроды 64, 70 для подачи электрического поля вдоль дрейфовой камеры 62 с целью перемещения ионов по направлению к коллектору 77 против потока дрейфового газа. Хотя на фиг. 7 и фиг. 8 показано, что устройство содержит два пролетных электрода 64, 70, в некоторых вариантах осуществления оно может содержать большее количество таких электродов.
Как объяснялось выше, впускные устройства детектора согласно раскрытию настоящего изобретения находят конкретное применение в переносных устройствах, которые могут использоваться в агрессивных средах, в которых преобладает пыль и загрязнения. Эти впускные устройства детектора могут использоваться с различными аналитическими устройствами, такими как масс-спектрометр, показанный на фиг. 5 и фиг. 6, спектрометр на основе подвижности ионов, показанный на фиг. 7 и фиг. 8, и другими видами анализаторов, спектрометров и/или хроматографических устройств. Кроме того, впускные устройства 1, 3 детектора могут иметь различные конфигурации.
В некоторых примерах, описанных выше, средство направления потока содержит один впуск потока и один выпуск потока. В других примерах средство направления потока может содержать несколько впусков потока и выпусков потока. В одном из примеров количество выпусков потока средства направления потока превышает количество впусков потока. Поперечное сечение этих впусков и выпусков может выбираться таким образом, чтобы общее поперечное сечение выпусков потока превышало площадь общего поперечного сечения впуска (или впусков) потока.
В примерах, приведенных выше, поверхность средства 1 направления потока направляет поток текучей среды для порождения циркуляционного потока во текучей среде. Средство 1 направления потока может также содержать дополнительный канал прохождения текучей среды, сконфигурированный для направления дополнительной газообразной текучей среды в поток с целью создания циркуляционного потока. Дополнительный канал прохождения текучей среды может содержать одно или более сопл для ввода текучей среды в средство направления потока, что изменяет путь прохождения потока текучей среды с целью создания циркуляционного потока газообразной текучей среды.
В примере, показанном на фиг. 3а и фиг. 4, ребра на стенке канала образуют винтовую поверхность таким образом, чтобы поток текучей среды протекал через канал по винтовой траектории. Ребра могут располагаться на поверхности в другой конфигурации, отличной от винтовой, для формирования циркуляционного перемещения текучей среды вдоль канала по траектории, отличающейся от винтовой, например, эти ребра могут быть по меньшей мере частично сужены, например, в виде спирали конической формы. Ребра выполнены с возможностью направления текучей среды по винтовой траектории против часовой стрелки, но кроме того, ребра могут быть расположены в винтовой конфигурации, направленной по часовой стрелке, таким образом, чтобы текучая среда протекала по винтовой траектории по часовой стрелке.
В примере, показанном на фиг. 3а и фиг. 4, ребра расположены на стенке канала 32. Винтовая конфигурация может иметь одинаковый шаг по всей длине винтовой траектории. Винтовая траектория может распространяться по меньшей мере по части канала, например, по всему каналу. Шаг винтовых ребер может также изменяться по длине канала, например, шаг ребер может уменьшаться в одной из секций канала таким образом, чтобы циркуляционный поток вращался большее количество раз вокруг оси канала на отрезке заданной длины.
В примере, показанном на фиг. 3а и фиг. 4, средство направления потока содержит ребра, которые выступают от стенки 33 канала 32. Средство направления потока может также содержать канавку в стенке 33 канала 32 для направления текучей среды по циркуляционному пути, например, канавка может представлять собой область насечки на стенке 33 канала 32, например, подобную резьбе на гайке.
В примере, показанном на фиг. 3а и фиг. 4, ребра идут от стенки 33 канала 32. Ребра также могут выступать в канал из другой части канала, например, от впуска потока и/или выпуска потока.
В примере, показанном на фиг. 3а и фиг. 4, первый выпуск 28 текучей среды и второй выпуск 30 текучей среды расположены поперечно каналу 32. Выпуск 28 текучей среды и/или второй выпуск 30 текучей среды могут также, по меньшей мере частично, ориентироваться по направлению потока, например, выпуск 28 текучей среды и/или второй выпуск 30 текучей среды могут ориентироваться под углом 45 градусов по отношению к каналу.
В примере, показанном на фиг. 3а и фиг. 4, ширина канала может составлять менее 20 мм. Например, ширина канала может быть менее 10 мм, менее 5 мм, менее 2 мм, менее 1,5 мм, менее 1 мм, менее 0,75 мм, менее 0,5 мм, менее 0,4 мм, менее 0,3 мм, менее 0,2 мм, менее 0,1 мм.
В примере, показанном на фиг. 3а и фиг. 4, ширина канала может составлять по меньшей мере 10 микрон, например 0,1 мм. Например, ширина канала может составлять по меньшей мере 0,2 мм, по меньшей мере 0,3 мм, по меньшей мере 0,4 мм, по меньшей мере 0,5 мм, по меньшей мере 0,75 мм, по меньшей мере 1 мм, по меньшей мере 1,5 мм, по меньшей мере 2 мм, по меньшей мере 5 мм.
Впускное устройство детектора также может содержать узел перемещения, который перемещает газообразную текучую среду вокруг циркуляционного потока. Узел перемещения может быть выполнен с возможностью нагнетания дополнительного потока газообразной текучей среды, такого как высокоскоростной поток, вокруг внутренней поверхности стенки канала или камеры.
Впускное устройство детектора также может содержать нагреватель, предназначенный для нагрева газообразной текучей среды в камере. Нагреватель может быть сконфигурирован для нагрева потока текучей среды, например, для нагрева газообразной текучей среды с целью испарения аэрозоля, переносимого потоком. В одном из примеров нагреватель расположен во впуске потока, в канале и/или в камере. Нагреватель может содержать резистивный нагреватель, такой как проволочный нагреватель, например мембранный нагреватель. Примеры нагревателей также включают источники инфракрасного излучения.
В примерах, показанных на фиг. 1а и фиг. 3, область поперечного сечения впуска потока меньше области поперечного сечения выпуска потока. Поперечное сечение впуска потока также может совпадать с поперечным сечением выпуска потока. В некоторых примерах поперечное сечение впуска потока может быть больше поперечного сечения выпуска потока.
В примере, показанном на фиг. 1а и фиг. 3, циркуляционный поток вращается вокруг оси вращения, поперечной направлению объемного потока. Циркуляционный поток может также вращаться вокруг оси вращения, проходящий в направлении, отличном от направления, поперечного объемному потоку, например, в направлении, которое совпадает с направлением объемного потока.
Описанные впуски потока показаны в виде трубопроводов, таких как шланги или каналы. Однако, как указывалось выше, они могут также формироваться каналами и камерами, вырезанными из блока материала и затем огражденными. В таких вариантах осуществления поперечное сечение описанных каналов и впусков может отличаться от кругового.
Следует принимать во внимание, что могут реализовываться и/или предоставляться, и/или независимо использоваться конкретные комбинации различных признаков, описанных и определенных в контексте любых аспектов настоящего изобретения. Специалисту в этой области техники должны быть очевидны другие примеры и модификации раскрытия настоящего изобретения.
1. Впускное устройство детектора для подачи пробы в аналитическое устройство для обнаружения вещества, представляющего интерес, при этом впускное устройство детектора содержит: камеру для обеспечения прохождения потока газообразной текучей среды, содержащую объем для взятия проб; впуск для взятия проб, расположенный в камере и выполненный с возможностью отбора проб газообразной текучей среды из объема для взятия проб и подачи проб в аналитическое устройство, при этом поток переносит частицы; и средство направления потока, выполненное с возможностью создания циркуляционного потока газообразной текучей среды вокруг камеры, окружающей впуск для взятия проб, и таким образом для изменения пространственного распределения частиц, переносимых текучей средой, для увеличения относительной доли частиц, переносимых мимо впуска для взятия проб и не поступающих в объем для взятия проб, при этом камера выполнена с возможностью направления потока текучей среды в направлении потока таким образом, чтобы циркуляционный поток вращался вокруг оси вращения, поперечной направлению потока.
2. Впускное устройство по п. 1, отличающееся тем, что средство направления потока содержит впуск потока в камеру и выпуск потока из камеры, при этом выпуск потока выполнен с возможностью переноса потока в направлении, поперечном направлению потока в камеру из впуска.
3. Впускное устройство по п. 2, отличающееся тем, что поперечное сечение впуска потока меньше поперечного сечения выпуска потока.
4. Впускное устройство по любому из предшествующих пунктов, отличающееся тем, что средство направления потока содержит искривленную стенку камеры, расположенную таким образом, чтобы циркуляционный поток следовал по внутренней поверхности искривленной стенки камеры.
5. Впускное устройство по п. 4, отличающееся тем, что изменение пространственного распределения частиц, переносимых потоком, включает уменьшение относительной доли частиц, переносимых потоком, с увеличением расстояния от искривленной стенки камеры.
6. Впускное устройство детектора для подачи пробы в аналитическое устройство для обнаружения вещества, представляющего интерес, при этом впускное устройство детектора содержит: камеру для обеспечения прохождения потока газообразной текучей среды, содержащую объем для взятия проб; впуск для взятия проб, расположенный в камере и выполненный с возможностью отбора проб газообразной текучей среды из объема для взятия проб и подачи проб в аналитическое устройство, при этом поток переносит частицы; и средство направления потока, выполненное с возможностью создания циркуляционного потока газообразной текучей среды вокруг камеры, окружающей впуск для взятия проб, и таким образом для изменения пространственного распределения частиц, переносимых текучей средой, для увеличения относительной доли частиц, переносимых мимо впуска для взятия проб и не поступающих в объем для взятия проб, при этом камера выполнена с возможностью направления потока газообразной текучей среды в направлении потока и сконфигурирована таким образом, чтобы циркуляционный поток вращался вокруг оси вращения, ориентированной по направлению потока, и средство направления потока содержит впуск потока в камеру и выпуск потока из камеры, при этом впуск потока и выпуск потока разнесены в направлении потока.
7. Впускное устройство по п. 6, отличающееся тем, что камера содержит цилиндр, и ось вращения ориентирована по продольной оси цилиндра.
8. Впускное устройство детектора для подачи пробы в аналитическое устройство для обнаружения вещества, представляющего интерес, при этом впускное устройство детектора содержит: камеру для обеспечения прохождения потока газообразной текучей среды, содержащую объем для взятия проб;
впуск для взятия проб, расположенный в камере и выполненный с возможностью отбора проб газообразной текучей среды из объема для взятия проб и подачи проб в аналитическое устройство, при этом поток переносит частицы; и средство направления потока, выполненное с возможностью создания циркуляционного потока газообразной текучей среды вокруг камеры, окружающей впуск для взятия проб, и таким образом для изменения пространственного распределения частиц, переносимых текучей средой, для увеличения относительной доли частиц, переносимых мимо впуска для взятия проб и не поступающих в объем для взятия проб, при этом средство направления потока содержит структуру, ориентированную по винтовой траектории в камере, например, структуру, содержащую ребро или канавку в стенке камеры.
9. Впускное устройство по любому из пп. 1–8, отличающееся тем, что средство направления потока содержит узел перемещения, выполненный с возможностью перемещения газообразной текучей среды вокруг циркуляционного потока, например, узел перемещения, выполненный с возможностью нагнетания струи газообразной текучей среды вокруг внутренней поверхности стенки камеры.
10. Впускное устройство по любому из предшествующих пунктов, содержащее также нагреватель, предназначенный для нагрева газообразной текучей среды в канале.
11. Впускное устройство по любому из предшествующих пунктов, содержащее также дополнительный канал прохождения текучей среды, сконфигурированный для направления дополнительной газообразной текучей среды в поток для создания циркуляционного потока.
12. Впускное устройство детектора, содержащее аналитическое устройство для обнаружения вещества, представляющего интерес, и впускное устройство детектора по любому из предшествующих пунктов, выполненное с возможностью подачи проб газообразной текучей среды в аналитическое устройство.
13. Впускное устройство детектора для подачи пробы в аналитическое устройство для обнаружения вещества, представляющего интерес, при этом впускное устройство детектора содержит: канал для переноса всасываемого потока газообразной текучей среды в направлении потока; и средство направления потока, выполненное с возможностью создания циркуляционного потока газообразной текучей среды вокруг канала, при этом ось вращения циркуляционного потока ориентирована по направлению потока, в результате чего изменяется пространственное распределение частиц, переносимых текучей средой, при этом средство направления потока содержит поверхность, сконфигурированную для изменения направления потока газообразной текучей среды для создания циркуляционного потока.
14. Впускное устройство по п. 13, содержащее также впуск для взятия проб, выполненный с возможностью отбора проб текучей среды из объема для взятия проб, окруженного циркуляционным потоком.
15. Впускное устройство по п. 13 или 14, отличающееся тем, что поверхность содержит канавку или ребро.
16. Впускное устройство по любому из пп. 13–15, отличающееся тем, что средство направления потока содержит дополнительный канал прохождения текучей среды, сконфигурированный для доставки дополнительного потока газообразной текучей среды во всасываемый поток для создания циркуляционного потока.
17. Впускное устройство детектора для подачи пробы в аналитическое устройство для обнаружения вещества, представляющего интерес, при этом впускное устройство детектора содержит: канал для переноса всасываемого потока газообразной текучей среды в направлении потока; и средство направления потока, выполненное с возможностью создания циркуляционного потока газообразной текучей среды вокруг канала, при этом ось вращения циркуляционного потока ориентирована по направлению потока, в результате чего изменяется пространственное распределение частиц, переносимых текучей средой, при этом средство направления потока содержит впуск потока в канал и выпуск потока из канала, при этом впуск потока и выпуск потока разнесены вдоль направления оси вращения.
18. Впускное устройство по п. 17, отличающееся тем, что выпуск потока содержит первый выпуск потока и второй выпуск потока, и впуск для взятия проб расположен между первым выпуском потока и вторым выпуском потока.
19. Впускное устройство по п. 18, отличающееся тем, что первый выпуск потока и второй выпуск потока по меньшей мере частично ориентированы по направлению потока.
20. Способ обнаружения вещества, представляющего интерес, включающий: подачу потока газообразной текучей среды вдоль канала в направлении потока, при этом канал содержит объем для взятия проб; создание циркуляционного потока газообразной текучей среды вокруг канала, получение проб газообразной текучей среды из объема для взятия проб, при этом циркуляционный поток окружает объем для взятия проб, и подачу проб в детектор для обнаружения вещества, представляющего интерес, при этом поток газообразной текучей среды протекает из впуска потока в выпуск потока, при этом впуск потока и выпуск потока разнесены в направлении продольной оси цилиндра.
21. Способ по п. 20, отличающийся тем, что канал содержит камеру с искривленной стенкой, и циркуляционный поток газообразной текучей среды следует по внутренней поверхности искривленной стенки.
22. Способ по п. 21, отличающийся тем, что циркуляционный поток изменяет пространственное распределение частиц, переносимых потоком таким образом, что относительная доля частиц, переносимых потоком, уменьшается с увеличением расстояния от искривленной стенки камеры.
23. Способ по п. 21 или 22, отличающийся тем, что искривленная стенка направляет поток газообразной текучей среды в направлении потока, и циркуляционный поток вращается вокруг оси вращения, ориентированной по направлению потока.
24. Способ по п. 23, отличающийся тем, что камера содержит цилиндр, и ось вращения ориентирована по продольной оси цилиндра.
25. Способ обнаружения вещества, представляющего интерес, включающий: подачу потока газообразной текучей среды вдоль канала в направлении потока, при этом канал содержит объем для взятия проб; создание циркуляционного потока газообразной текучей среды вокруг канала, получение проб газообразной текучей среды из объема для взятия проб, при этом циркуляционный поток окружает объем для взятия проб, и подачу проб в детектор для обнаружения вещества, представляющего интерес, при этом поток текучей среды протекает в направлении потока, и циркуляционный поток вращается вокруг оси вращения, поперечной направлению потока.
26. Способ по п. 25, отличающийся тем, что поток газообразной текучей среды протекает из впуска потока в выпуск потока, при этом выпуск потока переносит поток в направлении, поперечном направлению потока из впуска потока.
27. Способ по п. 26, отличающийся тем, что поток текучей среды во впуске потока протекает быстрее, чем поток текучей среды в выпуске потока.
28. Способ по любому из пп. 21–27, включающий также нагрев пробы в канале.
29. Способ по любому из пп. 21–28, включающий также нагнетание дополнительного потока газообразной текучей среды в канал для создания циркуляционного потока.
