Спосіб контролю забруднення повітря

Реферат: Спосіб контролю забруднення повітря полягає в опроміненні границі поділу досліджуваної речовини, що знаходиться в комірці, і скляної призми, вимірюванні інтенсивності випромінювання, відбитого від шару, в якому збуджується поверхневий плазмонний резонанс, детектуванні та визначенні концентрації речовини, що аналізується, по зміні інтенсивності відбитого світла при фіксованому куті падіння. Комірку із чутливим елементом піддають охолодженню, підключаючи до неї компресор, продувають повітря із продуктивністю 1-5 л/хв., витримують прилад в заданому режимі на період часу 5-30 хв., необхідний для встановлення нового рівня базової лінії показів приладу. UA 102113 U (12) UA 102113 U UA 102113 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Запропонована корисна модель належить до способів газового аналізу і може бути використана для контролю забруднення повітря на виробничих ділянках, в службових та офісних приміщеннях. Відомий спосіб вимірювання концентрації газів [1] шляхом реєстрації приймачем інфрачервоного випромінювання різниці інтенсивності пройдених світлових потоків, які проходять через вимірювальну кювету. Вимірювальна кювета містить не менше двох робочих каналів різної довжини, об'єднаних спільним внутрішнім об'ємом, не менше двох джерел інфрачервоного випромінювання, які розміщені на одній або різних осях із приймачем інфрачервоного випромінювання. Концентрація аналізованого газу визначається із математичного співвідношення. Такий спосіб дозволяє визначити концентрацію газів у приміщенні, молекули якого складаються не менше, ніж з двох різних атомів. Основним недоліком є складність реалізації способу та внесення методичної похибки вимірювання, через апроксимацію математичної функції, що знижує інформативний сигнал при вимірюванні малих концентрацій газів. Найбільш близьким технічним рішенням, прийнятим за прототип, є спосіб дослідження газоподібних середовищ із використанням явища поверхневого плазмонного резонансу [2], який полягає в опроміненні межі поділу досліджуваної речовини та скляної призми з боку більш щільного середовища, що знаходиться в комірці, вимірюванні інтенсивності випромінювання, відбитого від шару, в якому збуджується поверхневий плазмонний резонанс (ППР), детектуванні та визначенні концентрації речовини, що аналізується, по зміні інтенсивності відбитого світла при фіксованому куті падіння. Недоліком прототипу є низька величина амплітуди інформативного сигналу ППР при вимірах малих концентрацій газів. В основу корисної моделі поставлена задача збільшення амплітуди інформативного сигналу ППР при вимірюванні малих концентрацій газів. Поставлена задача вирішується тим, що пропонується, спосіб контролю забруднення повітря, який полягає в опроміненні границі поділу досліджуваної речовини, що знаходиться в комірці, і скляної призми, вимірюванні інтенсивності випромінювання, відбитого від шару, в якому збуджується поверхневий плазмонний резонанс, детектуванні та визначенні концентрації речовини, що аналізується, по зміні інтенсивності відбитого світла при фіксованому куті падіння, який відрізняється тим, що комірку із чутливим елементом піддають охолодженню, підключаючи до неї компресор, продувають повітря із продуктивністю 1-5 л/хв., витримують прилад в заданому режимі на період часу 5-30 хв., необхідний для встановлення нового рівня базової лінії показів приладу. Ефект ППР виникає при взаємодії електромагнітного випромінювання видимого діапазону з межею поділу двох середовищ. При цьому умовою існування поверхневого плазмону є наявність у робочому діапазоні негативної діелектричної проникності в одне з середовищ, що граничать. Оскільки для металів діелектрична проникність, обумовлена плазмою вільних електронів, негативна в широкому спектральному діапазоні, металева плівка на діелектричній підкладці є чутливим елементом ППР сенсора. Вищенаведений ефект ППР полягає в різкому зменшенні інтенсивності світла, відбитого від вищевказаної границі поділу, що спостерігається при специфічній довжині хвилі і специфічному куті падіння. Для того, щоб одержати резонансну ППР криву, можна або змінювати довжину хвилі падаючого світла при фіксованому куті падіння, або, використовуючи монохроматичне випромінювання, змінювати кут падіння. При цьому відомі три способи для збудження поверхневого плазмону з використанням: металізованих дифракційних ґраток [3], металізованої скляної призми (конфігурація Кречмана) чи призми в близькому контакті з металізованою скляною підкладкою (конфігурація Отто). Форма резонансної кривої і положення мінімуму будуть визначатися оптичними характеристиками всієї структури в цілому, включаючи середовище, що контактує з металевою плівкою з протилежної сторони. Форма кривої плазмонного резонансу і, зокрема, положення мінімуму, залежать: від показника заломлення призми, температурних чинників, оптичних констант і товщини металевої плівки, у якій збуджується поверхневий плазмонний резонанс, та від оптичних параметрів і товщини шару, що контактує з металевим робочим елементом. Фіксуючи зміну резонансних умов виникнення плазмонного ефекту, тобто, досліджуючи зміну положення мінімуму плазмонного резонансу у часі, можна зробити висновки про процеси адсорбції та взаємодії молекул, що відбуваються на розглянутій межі поділу, та характеризувати їх кількісно. Ефект ППР є чутливим до впливу температурного чинника та зміни тиску, оскільки газова суміш, що потрапляє в кювету, охолоджує чутливий елемент, що викликає зміну показника 1 UA 102113 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 заломлення. Це призводить до зміни резонансної кривої ППР. Знижуючи початкову температуру сенсорного елемента, досягають зниження коефіцієнта заломлення, що призводить до розширення амплітуди резонансної кривої поверхневого плазмону. За допомогою ефекту ППР можна визначати показники заломлення газових сумішей малих -7 -7 концентрацій, з чутливістю ±410 та точністю ±210 . Крім цього метод ППР дозволяє використовувати для аналізу дуже малі проби досліджуваної речовини від 10 до 50 мкл, що є економічно вигідним у разі використання дорогих досліджуваних речовин та матеріалів. Приклад реалізації. Для реалізації технічного рішення проводили вимірювання концентрації парів етанолу на приладі, робота якого базується на явищі поверхневого плазмонного резонансу "Плазмон-6", розробленого в Інституті фізики напівпровідників ім. В.Є. Лашкарьова НАН України. Як джерело випромінювання використовується напівпровідниковий інжекційний лазер GaAs з довжиною хвилі 650 нм. Точність вимірювання показника заломлення за величиною кута мінімуму ППР -5 -5 приладом ПЛАЗМОН-6 становить ±210 , а чутливість 510 . Концентрації газової суміші, що аналізується, визначають по зміні інтенсивності відбитого світла від шару, в якому збуджується поверхневий плазмонний резонанс, при зсуві кута падіння випромінювання при опроміненні межі поділу між призмою та досліджуваною сумішшю. Встановили режим роботи приладу ПЛАЗМОН-6 та реєстрували рівень базової лінії протягом 2-10 хвилин. Сенсорний елемент приладу охолоджували, прокачуючи повітря через обидві чарунки, не герметизуючи їх. Для цього використовували компресор, продуктивність якого складає 1-5 л/хв. Вибрали режим компресора "викачування" та охолоджували сенсорний елемент протягом 5-30 хвилин. За час, менший 5 хвилин, базова лінія не встановлювалась із необхідною лінійністю, а охолоджування довше 30 хвилин не призводить до подальшого зсуву базової лінії. Після операції охолодження температура сенсорного елемента знижувалась на 10-15 °C. В результаті цього базова лінія змістилась ближче до нуля. Потім до порівняльної кювети приладу ПЛАЗМОН-6 запускали кімнатне повітря, а через вимірювальну чарунку насосом прокачували пари етанолу, в концентраціях від 0,05 % до 40 %. Через кожні 5-10 хвилин пари етанолу заміщали кімнатним повітрям. Вимірювали зсув кута мінімуму ППР. Наявність парів етанолу визначали за зміщенням кута ППР. Для концентрації газової суміші 0,05 об. % нижня -3 -3 границя діапазону вимірювання складала 1,6510 RIU, а для прототипу 1,7810 RIU, тобто -4 величина амплітуди була збільшена на 1,3·10 RIU. За час, менший 5 хвилин, молекули газу на сенсорному елементі не встигають адсорбуватися в повній мірі. Проміжок, більший за 10 хвилин, призводить до збільшення тривалості процесу вимірювання, не збільшуючи його точність. Одночасно проводили порівняльні випробування за відомим способом (прототип). В результаті проведених експериментів було показано, що спосіб за розробленим технічним рішенням дозволяє збільшити амплітуду інформативного сигналу ППР (у порівнянні з -4 прототипом, величина амплітуди була збільшена на 1,3·10 RIU, що становить 25 % від значення амплітуди сигналу) при визначенні малих концентрацій газоподібних речовин у повітрі. Позитивний ефект корисної моделі полягає у тому, що запропонований спосіб контролю забруднення повітря збільшує амплітуду інформативного сигналу ППР при вимірюванні малих концентрацій газів. Діапазон вимірювань за запропонованим технічним рішенням перевищує діапазон вимірювання за прототипом на 25 %. Новизна запропонованого способу визначається сукупністю відомих та нових операцій, зокрема операції охолодження сенсорного елемента. Джерела інформації:: 1. Кабацій В.М., Проскура В.Ф., Спосіб вимірювання концентрації газів; Патент України № 35411, опубл. 10.09.2008; бюл. № 17. 2. Дорожинський Г.В., Ушенін Ю.В., Самойлов А.В., Маслов В.П., Спосіб дослідження біомолекулярних та біохімічних реакцій в рідких та газоподібних середовищах з використанням явища поверхневого плазмонного резонансу; Патент України № 77080, опубл. 25.01.2013; бюл. № 2. 3. Н. Raether "Surface Polaritons", Eds. Agranovich and Mills, North Holland Pubi. Сотр., Amsterdam, 1982. 55 ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 60 Спосіб контролю забруднення повітря, який полягає в опроміненні границі поділу досліджуваної речовини, що знаходиться в комірці, і скляної призми, вимірюванні інтенсивності випромінювання, відбитого від шару, в якому збуджується поверхневий плазмонний резонанс, 2 UA 102113 U 5 детектуванні та визначенні концентрації речовини, що аналізується, по зміні інтенсивності відбитого світла при фіксованому куті падіння, який відрізняється тим, що комірку із чутливим елементом піддають охолодженню, підключаючи до неї компресор, продувають повітря із продуктивністю 1-5 л/хв., витримують прилад в заданому режимі на період часу 5-30 хв., необхідний для встановлення нового рівня базової лінії показів приладу. Комп’ютерна верстка А. Крижанівський Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Василя Липківського, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут інтелектуальної власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 3