СИСТЕМА ОПЕРАТИВНОЙ ДИАГНОСТИКИ БИОЛОГИЧЕСКОГО ЗАГРЯЗНЕНИЯ ВОЗДУХА В ВЕНТИЛЯЦИОННЫХ КАНАЛАХ ЗДАНИЙ И СООРУЖЕНИЙ Российский патент 2004 года по МПК G01N21/39 G01N21/64 

Изобретение относится к средствам мониторинга окружающей среды и может найти применение в системах, осуществляющих экспресс-контроль качества воздуха в вентиляционных каналах зданий и сооружений на предмет выявления в них распыленных мелкодисперсных органических порошков и аэрозолей, содержащих патогенные микроорганизмы, представляющие опасность для людей.

В настоящее время необходимость контроля качества воздуха в вентиляционных каналах зданий и сооружений, в том числе экспресс-контроль в целях оперативного выявления бактериологического загрязнения, приобретает особую актуальность в связи с угрозами применения террористами бактериологического оружия. Дело в том, что существующие системы вентиляции, см. например [1], которыми оснащены жилые здания, отели, официальные учреждения, коммерческие центры, а также места массового скопления людей, например помещения и туннели метрополитена, залы крупных торговых, общественно-культурных и спортивных центров и т.д., доступны для осуществления бактериологической атаки злоумышленниками.

При этом, как показали события осени 2001 г. в США, наибольшую опасность представляет скрытое заражение воздушного пространства посредством распыления и рассеивания мелкодисперсных органических порошков и аэрозолей, содержащих патогенные микроорганизмы - бактерии, вирусы, грибки, риккетсии, а также микробные токсины, являющиеся возбудителями крайне тяжелых инфекционных заболеваний (чума, сибирская язва, оспа, сап и др.) со смертельным исходом. Поскольку поражающее воздействие биологического оружия зависит от количества попавших в организм болезнетворных микробов или токсинов, то задача быстрого обнаружения следов биологического заражения воздуха является жизненно необходимой. В этой связи оперативность контроля в отношении множества точек становятся определяющими факторами, влияющими на безопасность масс людей.

Подавляющее большинство методов контроля качества воздуха, позволяющих оценить его газовый состав и/или наличие биологических загрязнителей, в том числе опасных для человека, основано на лабораторном анализе проб воздуха. При этом, в частности, при анализе состава воздуха могут использоваться оптико-радиометрические методы [2], основанные на использовании перестраиваемого лазера, методы лазерного атомно-флуоресцентного анализа [3], лазерные газоанализаторы [4], [5]. Диагностика возбудителей инфекционных и паразитарных болезней при этом может осуществляться, например, путем анализа соответствующим образом приготовленных лабораторных препаратов на основе проб воздуха с использованием методов люминесцентной микроскопии [6]. По своей сути рассмотренные методы и средства анализа качества воздуха ближе к лабораторным, чем к промышленным, и при всех своих достоинствах (точность, достоверность) не могут решить задачу обеспечения оперативного контроля в отношении множества точек, т.е. малоэффективны при решении практических задач, возникающих в связи с угрозой биотерроризма.

Оперативный дистанционный контроль за состоянием воздушной среды по такому специфическому параметру как запыленность, в том числе контроль за запыленностью воздуха в вентиляционных каналах, может осуществляться с помощью оптических пылемеров [7], работающих по принципу контроля проходящего светового луча. В связи со спецификой решаемой задачи оптические пылемеры "загрублены" и с их помощью нельзя решить задачу по обнаружению распыленных мелкодисперсных органических порошков и аэрозолей, содержащих патогенные микроорганизмы.

Оперативный дистанционный контроль за текущим состоянием воздушной среды во множестве контрольных точек осуществляется в известных системах пожарной сигнализации, см. например [8], [9]. Эти системы содержат разветвленную сеть датчиков, реагирующих на изменение параметров воздушной среды в точках контроля, обусловленное загрязнением воздуха продуктами горения. В большинстве случаев, системы пожарной сигнализации оснащаются чувствительными оптическими датчиками, реагирующими на задымленность, см. например [10], [11], [12].

В лучших системах применяются особо чувствительные датчики, например аналогичные [13] , работающие как по принципу регистрации рассеянного излучения, так и по принципу контроля проходящего света. Эти датчики посредством каналов передачи сигналов связанны с диагностическим центром, осуществляющим прием и анализ сигналов, а также формирование сигналов тревоги в случае обнаружения задымленности. По своей сути системы пожарной сигнализации функционируют как системы оперативной диагностики загрязнения воздуха в точках контроля, причем посредством анализа изменений оптических параметров воздушной среды диагностируется частный случай загрязненности - задымленность.

В обобщенном виде система оперативной диагностики загрязнения воздуха, реализованная в [9], как наиболее близкая к заявляемой системе по основной выполняемой функции - оперативной диагностики загрязнения воздуха в контролируемых точках, а также по имеющейся возможности реализации данной функции в отношении вентиляционных каналов зданий и сооружений, принята в качестве прототипа.

Система, принятая в качестве прототипа, содержит средства для возбуждения сигналов, характеризующих состояние воздуха в точках контроля. В примере, рассмотренном в [9], эти средства выполнены на основе оптических датчиков задымленности, т. е. осуществляется диагностика загрязнения воздуха продуктами сгорания. Эти датчики размещены в определенных контролируемых точках здания или сооружения и связаны с диагностическим центром электрическими линиями связи. По этим линиям в соответствии с определенной программой опроса происходит периодическая инициализация датчиков и прием формируемых ими сигналов. При появлении дыма в любой из контролируемых точек, соответствующий датчик в ответ на запрос формирует сигнал, отличающийся от "нормального", который воспринимается центром обработки информации как сигнал "тревоги". Центр обработки информации идентифицирует "точку тревоги" и формирует соответствующее сообщение для обслуживающего персонала и/или команду на автоматическое приведение в действие противопожарных устройств в этой точке.

Поскольку датчики системы реагируют на изменение прозрачности воздуха в контролируемой точке, то, в определенной мере, система-прототип может решать задачи по выявлению распыленных мелкодисперсных органических порошков и аэрозолей, содержащих патогенные микроорганизмы, а именно, в той мере, в которой это распыление сопровождается ухудшением прозрачности воздуха. В этом качестве и в этой мере система-прототип может выполнять функции по оперативной диагностике биологического загрязнения воздуха в вентиляционных каналах зданий и сооружений, однако реальный эффект от ее применения для решения практических задач, возникающих в связи с угрозой биотерроризма, будет невелик.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является обеспечение возможности осуществления оперативной диагностики биологического загрязнения воздуха в отношении множества точек в вентиляционных каналах зданий и сооружений в условиях угрозы биотерроризма, т.е. в условиях возможного распыления и рассеивания злоумышленниками мелкодисперсных органических порошков и аэрозолей, содержащих патогенные микроорганизмы.

Сущность заявляемого изобретения состоит в том, что в системе оперативной диагностики биологического загрязнения воздуха в вентиляционных каналах зданий и сооружений, содержащей связанные с диагностическим центром средства для возбуждения сигналов, характеризующих состояние воздуха в точках контроля, указанные средства выполнены в виде оптических волокон, введенных своими сколотыми или отполированными торцами в вентиляционные каналы в точках контроля.

Причем противоположные концы этих оптических волокон соединены через светоделители с вводными и выводными оптическими каналами диагностического центра, предназначенными соответственно для ввода монохроматического излучения лазера, входящего в состав диагностического центра, в оптические волокна для возбуждения световых сигналов рассеяния и флуоресценции в точках контроля в случае появления в них распыленных дисперсных органических веществ и транспортировку в обратном направлении принимаемых указанными торцами оптических волокон возбужденных сигналов рассеяния и флуоресценции для передачи их в соответствующие фотоприемники, входящие в состав диагностического центра, снабженные оптическими спектрально-селективными фильтрами с частотными полосами, соответствующими частотным полосам возбужденных сигналов рассеивания и флуоресценции.

При этом выходы фотоприемников связаны электрически с решающим блоком, вырабатывающим на основе амплитудной оценки принятых возбужденных сигналов рассеивания и интегральной оценки принятых возбужденных сигналов флуоресценции в полосе флуоресценции диагностические сигналы "выявления" или "невыявления" биологического загрязнения воздуха по каждой из точек контроля.

Сущность изобретения и возможность его осуществления поясняются структурной схемой системы, представленной на чертеже.

Заявляемая система в рассматриваемом примере выполнения содержит систему контролируемых вентиляционных каналов 1 здания или сооружения, в которых в качестве точек контроля выбраны N точек контроля 2 (2₁, 2₂,..., 2_N). (Здесь и ниже термин "точка" применен не в геометрическом смысле, а в смысле "место", "локальная зона").

Система также содержит диагностический центр 3, с которым связаны N средств для возбуждения сигналов, характеризующих состояние воздуха в точках контроля 2 (2₁, 2₂,..., 2_N). В состав диагностического центра 3 входят передающий 4 и приемный 5 блоки.

Средства для возбуждения сигналов, характеризующих состояние воздуха в точках контроля 2 (2₁, 2₂,..., 2_N), выполнены в виде оптических волокон 6 (6₁, 6₂, ..., 6_N), введенных своими сколотыми или отполированными торцами в вентиляционные каналы 1 в точках контроля 2 (2₁, 2₂,..., 2_N).

Противоположные концы каждого из оптических волокон 6 соединены через соответствующие светоделители 7 (7₁, 7₂,..., 7_N) с вводными 8 (8₁, 8₂,..., 8_N) и выводными 9 (9₁, 9₂,..., 9_N) оптическими каналами. Вводные оптические каналы 8 предназначены для ввода из передающего блока 4 монохроматического излучения в оптические волокна 6 для возбуждения световых сигналов рассеяния и флуоресценции в точках контроля 2 вентиляционных каналов 1 в случае появления в них распыленных дисперсных органических веществ - порошков или аэрозолей, содержащих патогенные микроорганизмы, представляющие опасность для людей. Выводные оптические каналы 9 предназначены для транспортировки в обратном направлении принимаемых указанными торцами оптических волокон 6 возбужденных сигналов рассеяния и флуоресценции для передачи их в приемный блок 5.

Вводные оптические каналы 8 (8₁, 8₂,..., 8_N) соединены с N оптическими выходами передающего блока 4, образованными N выходами его оптического коммутатора 10.

Выводные оптические каналы 9 (9₁, 9₂,..., 9_N) соединены с N оптическими входами приемного блока 5, образованными N входами его оптического коммутатора 11.

В передающем блоке 4 вход оптического коммутатора 10 соединен оптически с источником возбуждающего оптического излучения - азотным лазером 12, формирующим импульсы УФ излучения на длине волны λ_в=337 нм с периодичностью излучения, определяемой периодичностью выходного сигнала, подключенного к лазеру 12 задающего генератора 13.

В приемном блоке 5 выход оптического коммутатора 11 соединен с входами фотоприемников 14 и 15, снабженных входными оптическими спектрально-селективными фильтрами с частотными полосами, соответствующими частотным полосам принимаемых возбужденных сигналов рассеивания (например, в фотоприемнике 14) и флуоресценции (например, в фотоприемнике 15). Выходы фотоприемников 14, 15 связаны электрически с решающим блоком 16 (процессором), вырабатывающим на основе амплитудной оценки принятых фотоприемником 14 возбужденных сигналов рассеивания и интегральной оценки принятых фотоприемником 15 возбужденных сигналов флуоресценции в полосе флуоресценции выходные диагностические сигналы, в том числе сигналы, сигнализирующие о "выявлении" или "невыявления" биологического загрязнения воздуха по каждой из точек контроля 2. Решающий блок 16 связан с компьютером 17, который в свою очередь связан каналами передачи управляющих (синхронизирующих) сигналов с задающим генератором 13 и оптическими коммутаторами 10 и 11, а каналами передачи информации - с внешними устройствами, системами или службами.

Заявляемая система реализуется на основе существующей компонентной базы и средств волоконно-оптической техники и технологии, используемых в современных волоконно-оптических системах передачи информации.

Работа заявляемой системы по оперативной диагностике биологического загрязнения воздуха в вентиляционных каналах осуществляется следующим образом.

В определенные последовательные моменты времени, в соответствии с заданной программой, устанавливаемой компьютером 17, лазер 12 передающего блока 4 излучает короткие (τ_и = 3 нс) импульсы УФ излучения на длине волны λ_в=337 нм. Эти импульсы проходят через замкнутые для этих моментов времени каналы оптического коммутатора 10, затем проходят через связанные с ними вводные оптические каналы 8, проходят через светоделители 7 и поступают в оптические волокна 6. Пройдя по оптическому волокну 6, импульсы излучения выходят со сколотого или отполированного его торца, зондируя воздух в точке контроля.

В случае биологического загрязнения, т.е. при наличии в воздухе органических примесей (например, споры сибирской язвы), в точке контроля возбуждается свечение флуоресценции в более длинноволновой области спектра λ_ф=360-460 нм. В наиболее опасных случаях, при большой концентрации примесей, возбуждаются и достаточно сильные световые сигналы рассеивания в области спектра λ_в= 337 нм. Возбужденные световые сигналы рассеяния и флуоресценции принимаются на сколотых или отполированных торцах этих же оптических волокон 6 и транспортируются в приемный блок 5, проходя при этом соответствующие светоделители 7, выводные оптические каналы 9 и замкнутые каналы оптического коммутатора 11.

С выхода оптического коммутатора 11 возбужденные световые сигналы рассеяния и флуоресценции с разных точек контроля 2 последовательно во времени поступают на входы фотоприемников 14 и 15. Здесь сигналы селектируются посредством входных оптических спектрально-селективных фильтров, частотные полосы которых соответствуют частотным полосам принимаемых возбужденных сигналов рассеивания (в фотоприемнике 14) и флуоресценции (в фотоприемнике 15). Фотоприемники 14, 15 преобразуют принятые возбужденные световые сигналы от каждой точки контроля 2 в электрические сигналы. Эти электрические сигналы поступают на соответствующие входы решающего блока 16.

Решающий блок 16 производит амплитудную оценку принятых фотоприемником 14 возбужденных сигналов рассеивания и интегральную оценку принятых фотоприемником 15 возбужденных сигналов флуоресценции в полосе флуоресценции. Интегральная оценка возбужденных сигналов флуоресценции наилучшим образом позволяет диагностировать наличие биологического загрязнения неизвестного происхождения, поскольку спектры флуоресценции органических веществ в вентиляционных каналах представляют собой размытые и широкие полосы. Амплитудная оценка возбужденных сигналов рассеивания наилучшим образом позволяет диагностировать наличие большого количества распыленного вещества.

Совместное использование обоих оценок повышает эффективность диагностики, позволяет осуществить качественную градацию загрязненности по степени опасности (наивысшая опасность при совпадении обоих факторов). Количественная градация осуществляется на основе сравнения с определенными пороговыми значениями. На основании произведенных оценок возбужденных сигналов по каждой точке контроля 2 решающий блок 16 вырабатывает выходные диагностические сигналы "выявления" или "невыявления" биологического загрязнения воздуха той или иной степени опасности (безопасности). Эти сигналы представляются в виде цифровых кодов, формируемых в соответствии с принятым порядком обхода (сканирования) точек контроля 2. С выхода решающего блока 16 диагностические сигналы поступают в компьютер 17.

Компьютер 17 синхронизирует работу задающего генератора 13 и оптических коммутаторов 10 и 11, осуществляет сканирование и мультиплексирование оптических каналов, идентифицирует и систематизирует результаты диагностики по времени и по точкам контроля, хранит информацию. Кроме этого, компьютер 17 осуществляет, при необходимости, связь с внешними устройствами, системами или службами, например, по модему - со службами спасения, гражданской обороны, средствами оповещения, а по линиям связи, проложенным внутри здания, - с исполнительными механизмами, управляющими положением соответствующих задвижек в вентиляционных каналах. Например, при диагностировании биологического загрязнения высокой степени опасности в какой-либо из точек контроля 2 компьютер 17 передает сигналы тревоги соответствующим службам оповещения населения об угрозе заражения, формирует управляющие сигналы для включения защитных средств, обеспечивающих в контролируемых вентиляционных каналах локализацию очага загрязнения.

Таким образом, заявляемая система реализует многоканальный экспресс-контроль качества воздуха в вентиляционных каналах зданий и сооружений на предмет выявления в них распыленных мелкодисперсных органических порошков и аэрозолей неизвестного происхождения, могущих представлять опасность для людей.

Рассмотренное показывает, что заявляемое изобретение осуществимо, промышленно применимо и решает поставленную задачу - обеспечивает возможность осуществления оперативной многоточечной (многоканальной) диагностики биологического загрязнения воздуха в вентиляционных каналах зданий и сооружений в условиях угрозы биотерроризма, т.е. в условиях возможного распыления и рассеивания злоумышленниками мелкодисперсных органических порошков и аэрозолей, содержащих патогенные микроорганизмы.

Источники информации
1. RU 2091672 C1, F 24 F 7/06, опубл. 27.09.1997.

2. SU 1641083 A1, G 01 N 21/39, опубл. 15.04.1994.

3. SU 1818958 A1, G 01 N 21/64, опубл. 10.11.1998.

4. RU 1795737 C, G 01 N 21/61, 21/39, опубл. 27.02.1995.

5. RU 2068557 C1, G 01 N 21//39, опубл. 27.10.1996.

6. RU 2123682 C1, G 01 N 21/76, 33/48, опубл. 20.12.1998.

7. RU 2095792 C1, G 01 N 21/85, опубл. 10.11.1995.

8. RU 2024064 C1, G 08 B 17/10, опубл. 30.11.1994.

9. RU 2032225 C1, G 08 B 17/10, опубл. 27.03.1995.

10. RU 2125739 C1, G 08 B 17/10, опубл. 27.01,1999.

11. RU 2168767 C1, G 08 B 17/10, опубл. 10.06.2001.

12. RU 2037883 C1, G 08 B 17/10, опубл. 19.06.1995.

13. RU 2173887 C1, G 08 B 17/10, опубл. 20.09.2001.

Изобретение относится к средствам мониторинга окружающей среды и может найти применение в системах, осуществляющих экспресс-контроль качества воздуха в вентиляционных каналах зданий и сооружений на предмет выявления в них распыленных мелкодисперсных органических порошков и аэрозолей, содержащих патогенные микроорганизмы. Система содержит связанные с диагностическим центром оптические волокна, светоделители, вводные каналы, предназначенные для ввода в оптические волокна монохроматического излучения лазера для возбуждения световых сигналов рассеяния и флуоресценции в точках контроля в случае появления распыленных дисперсных органических веществ, выводные каналы предназначенные для транспортировки возбужденных сигналов рассеяния и флуоресценции для передачи их в соответствующие фотоприемники диагностического центра, решающий блок, вырабатывающий на основе амплитудной оценки принятых возбужденных сигналов рассеивания и интегральной оценки принятых возбужденных сигналов флуоресценции в полосе флуоресценции диагностические сигналы "выявления" или "невыявления" биологического загрязнения воздуха по каждой из точек контроля. Технический результат - обеспечение оперативной диагностики биологического загрязнения воздуха в отношении множества точек в вентиляционных каналах зданий и сооружений. 1 ил.

Система оперативной диагностики биологического загрязнения воздуха в вентиляционных каналах зданий и сооружений, содержащая связанные с диагностическим центром средства для возбуждения сигналов, характеризующих состояние воздуха в точках контроля, отличающаяся тем, что средства для возбуждения сигналов, характеризующих состояние воздуха в точках контроля, выполнены в виде оптических волокон, введенных своими сколотыми или отполированными торцами в вентиляционные каналы в точках контроля, причем противоположные концы этих оптических волокон соединены через светоделители с вводными и выводными оптическими каналами диагностического центра, предназначенными, соответственно, для ввода монохроматического излучения лазера, входящего в состав диагностического центра, в оптические волокна для возбуждения световых сигналов рассеяния и флуоресценции в точках контроля в случае появления в них распыленных дисперсных органических веществ и транспортировки в обратном направлении принимаемых указанными торцами оптических волокон возбужденных сигналов рассеяния и флуоресценции для передачи их в соответствующие фотоприемники, входящие в состав диагностического центра, снабженные оптическими спектрально-селективными фильтрами с частотными полосами, соответствующими частотным полосам возбужденных сигналов рассеяния и флуоресценции, при этом выходы фотоприемников связаны электрически с решающим блоком, вырабатывающим на основе амплитудной оценки принятых возбужденных сигналов рассеяния и интегральной оценки принятых возбужденных сигналов флуоресценции в полосе флуоресценции диагностические сигналы “выявления” или “невыявления” биологического загрязнения воздуха по каждой из точек контроля.