Пристрій мультисенсорного аналізу багатокомпонентних хімічних середовищ

1. Пристрій мультисенсорного аналізу багатокомпонентних хімічних середовищ, що містить газозабірний пристрій, вихід якого пов'язаний із входом фільтра, перемикач газового потоку, керуючий і пневматичний входи якого з'єднані, відповідно, із блоком керування й виходом фільтра, перший вихід перемикача газового потоку пов'язаний з першим входом блока сенсорів, пневматичний вихід якого з'єднаний із входом насоса, керуючий вхід насоса підключений до блока керування, а 3 Конструкція прототипу дозволяє проводити виміри на мобільних об'єктах й в умовах підвищеної вібрації. До недоліків прототипу відноситься недостатньо широка область застосування даного технічного рішення у зв'язку з можливістю аналізу тільки проб, що перебувають у газоподібному стані. Крім того, мультиплексний режим роботи системи зчитування інформації із 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 прототипу. Електромагнітні коливання й перехідні процеси в сенсорах, викликані імпульсним режимом роботи можуть приводити до збоїв у роботі пристрою-прототипу й виникненню помилок, що знижує точність виміру. Крім того, пристрій-прототип 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 прототипу. Задачею корисної моделі є розширення області застосування пристрою за рахунок забезпечення можливості аналізу проб, що перебувають як у газоподібному стані, так й у рідкому й твердому станах. Задачею корисної моделі є, також, розширення області застосування пристрою й підвищення точності виміру за рахунок використання статичного режиму роботи. Поставлена задача в пристрої мультисенсорного аналізу багатокомпонентних хімічних середовищ по пункту 1 формули корисної моделі (див. Фіг.1), досягається за рахунок того, що в пристрій, що містить газозабірний пристрій 1, вихід якого пов'язаний із входом фільтра 2, перемикач 3 газового потоку, керуючий і пневматичний входи якого з'єднані, відповідно, із блоком 4 керування й виходом фільтра 2, перший вихід перемикача 3 газового потоку пов'язаний з першим входом блоку 5 сенсорів, пневматичний вихід якого з'єднаний із входом насоса 6, керуючий вхід насоса 6 підключений до блоку 4 керування, а вихід з'єднаний з вихлопним пристроєм 7, причому електричні виходи блоку 5 сенсорів з'єднані з входами відповідних генераторів 8, вихід генератора з'єднаний із входом вимірювача частоти 9, вихід якого з'єднаний з відповідним входом блоку 4 керування, додатково введений контейнер 10 для проби, вхід і вихід якого з'єднані, відповідно, із другим пневматичним виходом перемикача 3 газового потоку і другим входом блоку 5 сенсорів, а також додаткові вимірювачі 9 частоти, кількість яких на одиницю менше кількості генераторів 8 у пристрої, входи додаткових вимірювачів 9 частоти з'єднані з виходами відповідних генераторів 8, а їхні виходи підключені до відповідних входів блоку 4 керування. В результаті введених по пункту 1 змін пристрій набуває наступні властивості: - Завдяки введеному в пристрій контейнеру для проби створена можливість аналізу не тільки газоподібних (як у прототипі), але й рідких, а також твердих проб. 47035 4 - Система зчитування інформації із сенсорів працює в статичному режимі, що приводить до усунення помилок і збоїв у роботі пристрою, викликаних електромагнітними перешкодами й перехідними процесами в сенсорах. - Відсутнє електромагнітне випромінювання в навколишній простір, що усуває демаскуючий ефект. Задачею корисної моделі є, також, розширення області застосування пристрою за рахунок збільшення надійності при аналізі агресивних середовищ. У пристрої по пункту 2 формули корисної моделі (Фіг.2) поставлена задача вирішується за рахунок того, що в пристрої по пунктах 1 формули корисної моделі пневматичний вихід блоку 5 сенсорів з'єднаний з вихлопним пристроєм 7, пневматичний вхід перемикача 3 газового потоку з'єднаний з виходом насоса 6, вхід якого пов'язаний з виходом фільтра 2. В результаті введених по пункту 2 змін аналізована речовина не проходить через насос 6, що не виключає вихід останнього з ладу у випадку аналізу агресивних середовищ. Таким чином, у технічному рішенні, що заявляється, за рахунок уведених змін вирішується поставлена задача. На Фіг.1 зображена функціональна схема пристрою, що заявляється, по пункту 1 формули корисної моделі, де 1 - газозабірний пристрій, 2 фільтр, 3 - перемикач газового потоку, 4 - блок керування, 5 - блок сенсорів, 6 - насос, 7 - вихлопний пристрій, 8 - генератор, 9 - вимірювач частоти, 10 - контейнер для проби. На Фіг.2 зображена функціональна схема пристрою, що заявляється, по пункту 2 формули корисної моделі, де 1 - газозабірний пристрій, 2 фільтр, 3 - перемикач газового потоку, 4 - блок керування, 5 - блок сенсорів, 6 - насос, 7 - вихлопний пристрій, 8 - генератор, 9 - вимірювач частоти, 10 - контейнер для проби. На Фіг.3 зображена функціональна схема макета пристрою мультисенсорного аналізу багатокомпонентних хімічних середовищ, розробленого авторами в Інституті фізики напівпровідників НАН України (приклад конкретного виконання пристрою, що заявляється), де 1 - газозабірний пристрій, 2 - фільтр, 3 - перемикач газового потоку, 4 блок керування, 5 - блок сенсорів, 6 - насос, 7 вихлопний пристрій, 8 - генератор, 9 - вимірювач частоти, 10 - контейнер для проби. На Фіг.4 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.3, а його зовнішній вигляд на Фіг.4. У якості газозаборного пристрою 1 використаний штуцер типу 500000-4-1/8 із системою фіксації тефлонової трубки типу РА12. Вихід газозаборного 5 пристрою 1 за допомогою тефлонової трубки з'єднаний із входом фільтра 2, у якості якого використаний фільтр тонкого очищення газів, модель N108-F00 0-1/8-20. Вихід фільтра 2 пов'язаний із пневматичним входом насоса 6, у якості якого використаний компресор газовий типу 50020434 (12 V DC) виробництва Rietschle Thomas. Керуючий вхід насоса 6 підключений до блоку 4 керування, у якості якого використаний персональний комп'ютер, а його вихід з'єднаний із пневматичним входом перемикача газового потоку 3, у якості якого застосований клапан газовий двухходовий електромагнітний, типу D106, виробник SIRAI ELETTROMECCANICA, Italy. Керуючий вхід перемикача газового потоку 3 підключений до блоку 4 керування, а його перший і другий виходи пневматично з'єднані, відповідно, із першим входом блока 5 сенсорів і входом контейнера 10 для проби. Другий вхід блока 5 сенсорів пов'язаний з виходом контейнера 10, а вихід з'єднаний з вихлопним пристроєм 7. Контейнер 10 для проби яка знаходиться в рідкому й твердому порошкоподібному стані являє собою резервуар, у якому аналізована речовина змішується з газом носієм і несеться їм в середину блока сенсорів. Для змішування аналізованої проби з газом носієм використовується барботування рідини газом носієм або розпилення порошкоподібної твердої речовини. Контейнер 10 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 аерозолем). Блок 5 сенсорів являє собою металеву камеру із двома пневматичними входами, одним пневматичним виходом в якій встановлено сенсори. Як вихлопний пристрій 7 використаний штуцер типу 500000-4-1/8 із системою фіксації тефлонової трубки типу РА12. Як сенсори використані кварцові резонатори типу РК169 з напиленими чутливими шарами. Чутливі шари сенсорів були виготовлені відповідно до методики наведеної в "Створення хромотографічного сенсорного комплексу для виявлення та ідентифікації органічних забруднювачів навколишнього середовища" заключний звіт про науково-дослідну роботу / Інститут фізики напівпровідників НАН України №ГР 0105U003859 - Київ, 2006. Виходи блоку 5 сенсорів підключені до відповідних генераторів 8, реалізованих на спеціалізованій мікросхемі 619N3 фірми Nippon Precision Circuits. Виходи генераторів 8 з'єднані із входами відповідних вимірювачів частоти 9, які реалізовані з використанням програмувальної логічної інтегральної схеми FM3ACEX фірми Altera сімейства Асех, декодера протоколу USB фірми FTDI F1245BW і мікроконтролера фірми ATMEL ATMEGA128. Виходи вимірювачів 9 частоти з'єднані із блоком 4 керування. Принцип роботи пристрою, що заявляється, як і прототипу, заснований на зміні частоти коливань сенсора при зміні кількості речовини що перебуває на його поверхні. Під час роботи пристрій по черзі перебуває у двох режимах - у режимі відновлення сенсорів і у режимі виміру. Після включення електроживлення блок 4 керування включає насос 6 і переводить пристрій у режим відновлення сенсо 47035 6 рів шляхом установки перемикача 3 газового потоку в положення "ВХІД - ПЕРШИЙ ВИХІД". У розглянутому режимі газ-носій через газозабірний пристрій 1, фільтр 2 і насос 6 надходить на перемикач 3 газового потоку. Із входу перемикача 3 газового потоку газ-носій надходить на його перший вихід і далі на перший вхід блоку 5 сенсорів. Всередині блока 5 струмінь газу-носія контактує із чутливими шарами сенсорів. Це приводить до десорбції молекул речовин абсорбованих у попередньому циклі виміру. У результаті цього сенсори повертаються у початковий стан. Далі газ-носій надходить на вихід блоку 5 сенсорів і через вихлопний пристрій 7 іде в зовнішнє середовище. Роботу пристрою в режимі виміру розглянемо на прикладі аналізу проби що перебуває в рідкому стані. Після очищення сенсорів блок 4 керування переводить пристрій у режим виміру шляхом установки перемикача 3 газового потоку в положення "ВХІД - ДРУГИЙ ВИХІД" і газ-носій через газозабірний пристрій 1, фільтр 2 і насос 6 надходить на перемикач 3 газового потоку. Із входу перемикача 3 газового потоку газ-носій надходить на його другий вихід і далі на вхід контейнера 10, у який попередньо поміщена аналізована проба. У контейнері 10 здійснюється барботування проби, у результаті чого утворюється суміш проби й газу-носія. Суміш надходить усередину блока 5 сенсорів через його другий вхід, контактує там із сенсорами і виходить за межі приладу через вихлопний пристрій 7. Чутливі шари сенсорів мають властивість молекулярного розпізнавання, що приводить до вибірної абсорбції тільки тих молекул, до яких чутливий даний шар. Абсорбція чутливими шарами речовин з аналізованої суміші приводить до збільшення маси, механічно пов'язаної з поверхнею кварцової пластини й зменшенню її власної частоти коливань. Кожний з восьми сенсорів має унікальний профіль чутливості, що дозволяє побудувати "хімічний образ" аналізованої суміші. Сенсори включені в схеми відповідних генераторів 8 і є частотозадаючими елементами останніх. Сигнали з генераторів 8 надходять на відповідні вимірювачі 9 частоти, а результати вимірів надходять у блок 4 керування, у якості якого в розглянутому випадку використаний комп'ютер. Вимір частоти всіх восьми генераторів, у відмінності від прототипу, відбувається одночасно, без мультиплексування. Це дозволяє уникнути можливих помилок і збоїв у роботі пристрою, викликаних електромагнітними перешкодами й перехідними процесами в сенсорах, а так само усуває демаскуючий ефект, викликаний випромінюванням у навколишній простір. Блок керування порівнює сформований під час вимірювання "хімічний образ" досліджуваємої речовини з еталонними "хімічними образами" які знаходяться в його пам'яті і ідентифікує її. Робота пристрою при аналізі твердої порошкоподібної проби відрізняється від описаного випадку тим, що в контейнері 10 газ-носій вводиться не в пробу безпосередньо, а розпорошується біля поверхні проби, що викликає сублімацію матеріалу і його перемішування з газом-носієм. Наведений приклад технічної реалізації пристрою, що заявляється, підтверджує досягнення 7 позитивного ефекту й можливість технічної реалізації на існуючій елементній базі. У розглянутому пристрої усунута можливість помилок і збоїв у роботі, викликаних електромагнітними перешкодами й перехідними процесами в сенсорах тому що, на відміну від прототипу, він працює в статичному, а не в мультиплексном режимі. Використання статичного режиму роботи в пристрої що заявляється, дозволило позбутися від випромінювання в навколишній простір, а, отже, і від демаскуючого ефекту, що є присутнім у прототипі. Введення в пристрій контейнера 10 для проби дозволило забезпечити можливість аналізу проб, що перебувають як у газоподібному стані, так й у рідкому й твердому станах, у відмінності від прототипу, що призначений для аналізу винятково газоподібних проб. У описаному пристрої аналізована речовина не проходить через насос 6, що виключає вихід останнього з ладу у випадку аналізу агресивних середовищ. Таким чином, технічне рішення, що заявляється, повністю вирішує поставлену задачу. 47035 8 Додаток. Як прототип обраний пристрій мультисенсорного аналізу багатокомпонентних хімічних середовищ по патенту США US 6 321 588 (див. Фіг.), що містить газозабірний пристрій 1, вихід якого пов'язаний із входом фільтра 2, перемикач 3 газового потоку перший пневматичний вхід якого з'єднаний з виходом фільтра 2, а також газозаборний пристрій 4, вихід якого пов'язаний із другим пневматичним входом перемикача 3 газового потоку. Керуючий вхід і пневматичний вихід останнього з'єднані, відповідно, з керуючим виходом блоку 5 керування й входом блоку 6 сенсорів. Пневматичний вихід блоку 6 сенсорів з'єднаний із входом насоса 7 вихід якого пов'язаний з вихлопним пристроєм 8. Електричні виходи блоку 6 сенсорів з'єднані із входами відповідних генераторів 9, виходи яких підключені до входу вимірювача 10 частоти, а керуючі входи з'єднані з виходами демультиплексора 11. Причому вихід вимірювача 10 частоти з'єднаний із блоком 5 керування, керуючий вихід якого підключений до насоса 7. 9 47035 10 11 Комп’ютерна верстка А. Крулевський 47035 Підписне 12 Тираж 28 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