Пристрій мультисенсорного аналізу багатокомпонентних хімічних середовищ

Пристрій мультисенсорного аналізу багатокомпонентних хімічних середовищ, що містить джерело газу-носія, вихід якого з'єднаний із пневматичним входом перемикача газового потоку, керуючий вхід останнього підключений до блока керування, а його перший і другий виходи пневматично зв'язані, відповідно, з першим входом реак 3 технічного рішення в зв'язку з можливістю аналізу тільки проб, що знаходяться в газоподібному стані. Конструкція пристрою не дозволяє оперативно змінювати сенсори, що так само звужує область застосування. Крім того, мультиплексний режим роботи системи зчитування інформації з сенсорів приводить до виникнення електромагнітних перешкод. Пристрій, що випромінює в навколишнє середовище електромагнітні коливання, у польових умовах діє як радіомаяк, що робить демаскуючу дію. Це також звужує область застосування даного пристрою. Електромагнітні коливання і перехідні процеси в сенсорах, викликані імпульсним режимом роботи можуть приводити до збоїв у роботі пристрою і виникненню помилок, що знижує точність виміру. Крім того, розглянутий пристрій має невисоку надійність у зв'язку з тим, що досліджувана речовина проходить через насос, що може привести до ушкодження останнього при аналізі агресивних середовищ. Це так само звужує область застосування розглянутого пристрою. Розглянутий пристрій має недостатню точність і підвищений час виміру при аналізі сумішей з домінуючою компонентою, яка не несе корисної інформації що дозволяє ідентифікувати досліджувану суміш. Як приклади таких сумішей можна назвати парфумерну продукцію, алкогольні і безалкогольні напої. На фоні домінуючої речовини відгук від інших, часто слабко виражених, але найбільш інформативних компонентів губиться, що утрудняє правильну ідентифікацію досліджуваної проби. Як прототип обраний пристрій мультисенсорного аналізу багатокомпонентних хімічних середовищ за заявкою на корисну модель № u 2009 03392, що містить джерело газу-носія, вихід якого з'єднаний із пневматичним входом перемикача газового потоку. Керуючий вхід перемикача підключений до блоку керування, а його перший і другий виходи пневматичне зв'язані, відповідно, з першим входом реактора і входом контейнера для проби, вихід якого підключений до другого входу реактора. Вихід реактора зв'язаний з вихлопним пристроєм. Пристрій так само містить блок сенсорів, що з'єднаний з реактором за допомогою рознімного з'єднання так, що чутливі поверхні сенсорів виявляються усередині реактора. Виходи блоку сенсорів з'єднані з відповідними входами блоку генераторів, виходи якого підключені до відповідних входів блоку виміру частоти. Виходи блоку виміру частоти зв'язані з відповідними входами блоку керування. Пристрій - прототип вільний від основних недоліків вище описаних пристроїв, однак він не вирішує проблему точності і тривалості вимірювального циклу при аналізі сумішей з домінуючою компонентою, що не несе такої інформації яка дозволяє ідентифікувати досліджувану суміш. Як приклади таких сумішей можна назвати парфумерну продукцію, алкогольні і безалкогольні напої. На фоні домінуючої речовини відгук від інших, часто слабко виражених, але найбільш інформативних компонентів губиться, що утрудняє правильну ідентифікацію досліджуваної проби. 49763 4 Задачею корисної моделі є збільшення точності виміру і зменшення тривалості вимірювального циклу при аналізі сумішей з домінуючою компонентою. Поставлена задача в пристрої мультисенсорного аналізу багатокомпонентних хімічних середовищ (див. фіг. 1), досягається за рахунок того, що в пристрій, що містить джерело 1 газу-носія, вихід якого з'єднаний із пневматичним входом перемикача 2 газового потоку, керуючий вхід якого підключений до блоку 3 керування, а його перший і другий виходи пневматичне зв'язані, відповідно, з першим входом реактора 4 і входом контейнера 5 для проби вихід якого підключений до другого входу реактора 4, вихід останнього зв'язаний з вихлопним пристроєм 6, блок 7 сенсорів з'єднаний с реактором 4 за допомогою рознімного з'єднання так, що чутливі поверхні сенсорів 8 розташовуються усередині реактора 4, виходи блоку 7 сенсорів 8 з'єднані з відповідними входами блоку генераторів 9, виходи якого підключені до відповідних входів блоку 10 виміру частоти, виходи якого зв'язані з відповідними входами блоку 3 керування, додатково введений блок 11 освітлення, що з'єднаний з реактором 4 за допомогою рознімного з'єднання так, що освітлювачі 12 розташовуються напроти чутливих поверхонь відповідних сенсорів 8, а керуючий вхід блоку 11 освітлення підключений до блоку 3 керування. Вплив оптичного випромінювання на чутливі шари сенсорів 8 змінює характер протікання адсорбційно-десорбційних процесів на їхніх поверхнях. У результаті поглинання світла чутливим шаром сенсора відбувається перерозподіл електронної щільності усередині молекул фоточутливого матеріалу. Взаємодія адсорбіруємих молекул з поверхнею чутливого шару сенсора має переважно електростатичну природу. Тому перерозподіл електронної щільності впливає на характер цієї взаємодії. У результаті введених змін з'являється можливість цілеспрямованого керування характером протікання адсорбційно-десорбційних процесів на поверхні сенсорів. Це дозволяє скоротити тривалість виміру за рахунок зменшення часу, необхідного для встановлення адсорбційнодесорбційної рівноваги, а також підвищити точність ідентифікації сумішей шляхом зменшення внеску їхніх домінуючих компонентів у відгук сенсорів. У такий спосіб у технічному рішенні, що заявляється, за рахунок уведених змін вирішується поставлена задача. На фіг. 1 зображена функціональна схема пристрою, що заявляється, де 1 - джерело газу носія, 2 - перемикач газового потоку, 3 - блок керування, 4 - реактор, 5 - контейнер для проби, 6 вихлопний пристрій, 7 - блок сенсорів, 8 - сенсор, 9 - блок генераторів, 10 - блок виміру частоти, 11 блок освітлення, 12 - освітлювач. На фіг. 2 зображена функціональна схема макета пристрою мультисенсорного аналізу багатокомпонентних хімічних середовищ, розробленого авторами в Інституті фізики напівпровідників НАН України (приклад конкретного виконання при 5 строю, що заявляється,), де 1 - джерело газу носія, 2 - перемикач газового потоку, 3 - блок керування, 4 - реактор, 5 - контейнер для проби, б вихлопний пристрій, 7 - блок сенсорів, 8 - сенсор, 9 - блок генераторів, 10 - блок виміру частоти, 11 блок освітлення, 12 - освітлювач. На фіг. 3 зображений зовнішній вигляд макета пристрою мультисенсорного аналізу багатокомпонентних хімічних середовищ, розробленого в Інституті фізики напівпровідників НАН України. ПРИКЛАД. Як приклад конкретного виконання пристрою, що заявляється, розглянемо макет пристрою мультисенсорного аналізу багатокомпонентних хімічних середовищ, розроблений авторами в Інституті фізики напівпровідників НАН України. Функціональна схема розглянутого приладу зображена на фіг. 2, а його зовнішній вигляд на фіг. 3. Джерело 1 газу-носія реалізоване з використанням штуцера типу 500000-4-1/8 із системою фіксації тефлонової трубки типу РА12, фільтра тонкого очищення газів модель N108-F00 0-1/8-20 і компресора газового типу 50020434 (12 V DC) виробництва Rietschle Thomas. Вихід джерела 1 газу-носія з'єднаний із пневматичним входом перемикача 2 газового потоку, у якості якого застосований клапан газовий двухходовий електромагнітний, типу D106, виробник SIRAI ELETTROMECCANICA, Italy. Керуючий вхід перемикача 2 газового потоку підключений до блоку 3 керування, а його перший і другий виходи пневматичне з'єднані, відповідно, з першим входом реактора 4 і з входом контейнера 5 для проби вихід якого зв'язаний із другим входом реактора 4. Вихід реактора 4 з'єднаний з вихлопним пристроєм 6. Контейнер 5 для проби яка знаходиться в рідкому і твердому порошкоподібному стані являє собою резервуар, у якому аналізована речовина змішується з газом носієм і переноситься їм у реактор 4. Для змішування аналізованої проби з газом носієм використовується барботування рідини газом-носієм або розпилення порошкоподібної твердої речовини. Контейнер 5 для проби яка знаходиться в газоподібному стані являє собою резервуар, у який газоподібна проба подається від джерела аналізованої речовини (наприклад, газовий балончик або балончик з аэрозолем). Реактор 4 являє собою металеву камеру з двома пневматичними входами, одним пневматичним виходом і двома рознімними з'єднаннями, за допомогою яких блок 7 сенсорів 8 та блок 11 освітлення з'єднуються з реактором 4 таким чином, що чутливі поверхні сенсорів 8 виявляються усередині реактора 4, а освітлювачі 12 розташовуються напроти чутливих поверхонь відповідних сенсорів 8. Як вихлопний пристрій 6 використаний штуцер типу 500000-4-1/8 із системою фіксації тефлонової трубки типу РА12. Як сенсори 8 використані кварцові резонатори типу РК169 з напиленими чутливими шарами. Чутливі шари сенсорів 8 були виготовлені відповідно до методики приведеної в "Розробка інтелектуальної системи ідентифікації багатокомпонентних газових сумішей на основі мультисенсорних масивів з адаптивним профілем селективності" - заключний звіт про науково-дослідну роботу / Інститут фізики 49763 6 напівпровідників НАН України № ГР 0107V002872 Київ, 2009. Виходи блоку 7 сенсорів 8 підключені до відповідних входів блоку 9 генераторів, реалізованому на спеціалізованій мікросхемі 619N3 фірми Nippon Precision Circuits. Виходи блоку 9 генераторів з'єднані з відповідними входами блоку 10 виміру частоти, що реалізований з використанням програмуємої логічної інтегральної схеми FM3ACEX фірми Altera сімейства Асех, декодера протоколу USB фірми FTDI F1245BW і мікроконтролера фірми ATMEL ATMEGA128. Виходи блоку 10 виміру частоти з'єднані з блоком 3 керування. Принцип роботи пристрою, що заявляється, заснований на зміні частоти коливань сенсора 8 при зміні кількості речовини що знаходиться на його поверхні, а також на можливості цілеспрямованого керування характером протікання адсорбційно-десорбційними процесами на поверхні сенсорів 8 при впливі оптичного випромінювання, створюваного блоком 11 освітлення, на їхні чутливі шари, чого нема в устрої-прототипі. Під час роботи пристрій може знаходитися в трьох режимах - у режимі відновлення сенсорів 8, у режимі виміру без освітлення сенсорів 8 і в режимі виміру з освітленням сенсорів 8. Після включення електроживлення блок 3 керування переводить пристрій у режим відновлення сенсорів 14 шляхом установки перемикача 2 газового потоку в положення "ВХІД - ДРУГИЙ ВИХІД". У розглянутому режимі газ-носій від джерела 1 надходить на перемикач 2 газового потоку. З входу перемикача 2 газового потоку газ-носій надходить на його другий вихід і далі на другий вхід реактора 4. У реакторі 4 струмінь газу-носія контактує з чутливими шарами сенсорів 8. Це приводить до десорбції молекул речовин адсорбованих у попередньому циклі виміру. У результаті цього сенсори 8 повертаються у первинний стан. Далі газ-носій надходить на вихід реактора 4 і через вихлопний пристрій 6 іде в зовнішнє середовище. Роботу пристрою в режимі виміру розглянемо на прикладі аналізу проби що знаходиться в рідкому стані. Після очищення сенсорів 8 блок З керування переводить пристрій у режим виміру шляхом установки перемикача 2 газового потоку в положення "ВХІД - ПЕРШИЙ ВИХІД" і газ-носій від джерела 1 надходить на перемикач 2 газового потоку. З входу перемикача 2 газового потоку газносій надходить на його перший вихід і далі на вхід контейнера 5, у який попередньо поміщено аналізовану пробу. У контейнері 5 здійснюється барботування проби, у результаті чого утворюється суміш проби і газу-носія. Суміш, що утворилася, надходить усередину реактора 4 через його перший вхід, контактує там із сенсорами 8 і виходить за межі приладу через вихлопний пристрій 6. Чутливі шари сенсорів 8 мають властивість молекулярного розпізнавання, що приводить до вибірної адсорбції тільки тих молекул, до яких чутливий даний шар. Адсорбція чутливими шарами речовин з аналізованої суміші приводить до збільшення маси, зв'язаної з по 7 верхнею кварцової пластини і зменшенню її власної частоти коливань. Кожний з восьми сенсорів 8 має унікальний профіль чутливості, що дозволяє по відгуку сенсорного масиву побудувати "хімічний образ" аналізованої суміші. Сенсори 8 включені до схем відповідних генераторів блоку 9 і є частотозадаючими елементами останніх. Сигнали з блоку 9 генераторів надходять на відповідні вимірювачі частоти блоку 10, а результати вимірів надходять у блок 3 керування, у якості якого в розглянутому випадку використаний комп'ютер. У комп'ютері відбувається обробка сигналу і порівняння його з еталонними сигналами, що зберігаються в пам'яті, у результаті відбувається розпізнання аналізованої проби. Робота пристрою при аналізі твердої порошкоподібної проби відрізняється від описаного випадку тим, що в контейнері 5 газ-носій уводиться не в пробу безпосередньо, а розпорошується біля поверхні проби, що викликає сублімацію матеріалу і його перемішування з газом-носієм. Домінуюча компонента в пробі яка аналізується не несе такої інформації яка б дозволяла ідентифікувати досліджувану суміш. Як приклади таких сумішей можна назвати парфумерну продукцію, алкогольні і безалкогольні напої. На фоні домінуючої речовини відгук від інших, часто слабко виражених, але найбільш інформативних компонент губиться, що утрудняє правильну ідентифікацію досліджуваної проби. У пристрої, що заявляється, ця проблема розв'язується введенням у структуру приладу блоку 11 освітлення, з'єднаного з реактором 4 за допомогою рознімного з'єднання так, що освітлювачі 12 розташовуються усередині реактора 4 напроти чутливих поверхонь відповідних сенсорів 8. Вплив оптичного випромінювання на чутливі шари сенсорів 8 впливає на характер протікання адсорбційно-десорбційних процесів на їхніх поверхнях. У результаті поглинання світла чутливим шаром сенсора відбувається перерозподіл електронної щільності усередині молекул фоточутливого матеріалу. Взаємодія адсорбованих 49763 8 молекул з поверхнею чутливого шару сенсора має переважно електростатичну природу. Тому перерозподіл електронної щільності впливає на характер цієї взаємодії. Вибір довжини хвилі оптичного випромінювання проводився з урахуванням особливості електронної структури матеріалу чутливого елемента і характеру його взаємодії з молекулами аналізованої проби. Це дозволило підібрати довжину хвилі освітлення таким чином, щоб знизити адсорбційну здатність чутливого елемента щодо домінуючої і неінформативної компоненти і підвищити її щодо інформативних, але слабко виражених компонентів досліджуваної проби. Уведені зміни дозволили різко підвищити ідентифікаційну здатність пристрою, що заявляється. При аналізі вищеописаних сумішей пристрій, що заявляється, переводиться в спеціальний режим, при якому включаються освітлювачі 12 блоку 11 освітлення, що впливають на чутливі шари сенсорів 8. Приведений приклад технічної реалізації пристрою, що заявляється, підтверджує досягнення позитивного ефекту і можливість технічної реалізації на існуючій елементній базі. У розглянутому пристрої завдяки введенню блоку 11 освітлення збільшена точність ідентифікації сумішей з домінуючими компонентами і зменшена тривалості вимірювального циклу. При цьому пристрій, що заявляється, зберігає всі достоїнства прототипу, а саме: - можливість аналізу проб що знаходяться як у газоподібному, так і в рідкому, а так само твердому станах - можливість оперативної заміни сенсорів відсутність електромагнітного випромінювання в навколишнє середовище - відсутність перехідних процесів у сенсорах - висока надійність при аналізі агресивних середовищ Таким чином, технічне рішення що заявляється цілком вирішує поставлену задачу. 9 Комп’ютерна верстка Д. Шеверун 49763 Підписне 10 Тираж 26 прим. Міністерство освіти і науки України Державний департамент інтелектуальної власності, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601