ГАЗОАНАЛИЗАТОР НА ОСНОВЕ МАТРИЦЫ ПЬЕЗОСЕНСОРОВ Российский патент 2006 года по МПК G01N27/12 

Изобретение относится к технике проведения анализа газовых сред, содержащих органические соединения, и может быть применено для увеличения селективности и чувствительности при анализе многокомпонентных смесей при сохранении экспрессности и простоты детектирования.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является газоанализатор на основе матрицы пьезосенсоров поверхностных акустических волн. Газоанализатор представляет собой корпус с параллельно установленными патрубками для создания проточных условий функционирования. Внутри корпуса находятся пьезосенсоры, расположенные в ряд. Ввод пробы осуществляется через дополнительный инжекционный блок (расположен перед колонкой), в котором компоненты пробы смешиваются с потоком газа-носителя. Воздух, содержащий анализируемую смесь паров, продувают через ячейку детектирования с пьезосенсорами. В результате взаимодействия аналитов с пленками изменяются параметры пьзосенсоров, которые фиксируют последовательно или параллельно для всей матрицы. Многовариантная обработка откликов осуществляется с помощью специальной программы распознавания образцов по алгоритму искусственных нейронных сетей (Carey W.P., Beebe K.R., Kowalski B.R. Multicomponent Analysis Using an Array of Piezoelectric Crystal Sensors //Anal. Chem., 1987. Vol.59. P.1529-1534. Gardner J., Bartlett P. Electronic Noses: Principles and Applications // Oxford University Press, November, 1998. Nagle H.T., Schiffman S., Guitierrez-Osuna R. The How and Why of Electronic Noses // IEEE Spectrum, September 1998, p.22-33).

Недостатками существующей ячейки детектирования являются необходимость обработки сигналов матрицы пьезосенсоров и получения конечных результатов по специальному математическому алгоритму; схема расположения пьезосенсоров в ряд существенно сокращает возможность увеличения их количества (для повышения селективности и чувствительности определения) при ограниченном размере корпуса газоанализатора и создает условия для неравномерного взаимодействия пленочных покрытий пьезосенсоров с анализируемыми компонентами в потоке газа-носителя, что снижает метрологическую надежность определения; невозможность анализа газовых смесей в статических условиях, которые позволяют существенно расширить аналитическое применение таких газоанализаторов для анализа газовых сред с низкими концентрациями компонентов.

Технические задачи изобретения - увеличение чувствительности и селективности определения легколетучих соединений в газовых смесях за счет увеличения числа измерительных элементов без изменения геометрических параметров корпуса газоанализатора; возможность анализа сложных многокомпонентных ароматов пищевых и непищевых продуктов неизвестного состава для установления фактов фальсификации, порчи, стабильности, безопасности образцов; упрощение стадии представления суммарного аналитического сигнала газоанализатора в виде кинетических «визуальных отпечатков», анализ которых не требует сложных математических алгоритмов, специального обучения персонала; создание условий для анализа как в проточном (динамическом), так и статическом (стационарном) режимах.

Технические задачи изобретения достигаются тем, что в газоанализаторе на основе матрицы пьезосенсоров, включающем корпус с патрубками, внутри которого расположены пьезосенсоры с чувствительными пленочными покрытиями для фиксирования основных компонентов газовой смеси, устройства для возбуждения колебаний и фиксирования сигналов пьзосенсоров, новым является то, что корпус выполнен в виде цилиндра с двумя крышками, на которых по кругу расположены держатели для двенадцати пьзосенсоров с различными пленочными покрытиями сорбентов, патрубки для ввода и вывода газовой смеси в проточном или статическом режиме расположены по горизонтальной оси симметрии корпуса, при этом патрубки снабжены полиуретановыми прокладками и съемными заглушками, а крышки соединены с цилиндрическим корпусом посредством резьбы.

Технический результат заключается в том, что в предлагаемом газоанализаторе возможен анализ газообразных проб различного состава, в том числе неустановленного, в двух режимах детектирования - проточном или статическом, существенно повышается селективность определения за счет увеличения количества сенсоров при сохранении объема корпуса. Статические условия сорбции позволяют значительно повысить чувствительность детектирования по сравнению с проточными.

Фиг.1 - общая схема газоанализатора;

фиг.2 - схема газоанализатора при функционировании в проточном режиме;

фиг.3 - схема газоанализатора при функционировании в статическом режиме.

Газоанализатор на основе матрицы пьезосенсоров представляет собой цилиндр 1 с двумя крышками 2, на которых по кругу расположены держатели 3 для 12 пьезосенсоров с различными пленками сорбентов (фиг.1). С помощью резьбы 4 на крышках и цилиндрическом корпусе газоанализатор закрывают герметично. Ввод анализируемой газообразной пробы осуществляется в проточных или статических условиях непосредственно в газоанализатор через патрубки 5 с полиуретановыми прокладками 6. Патрубки расположены по горизонтальной оси симметрии корпуса (фиг.1-3) и имеют съемные заглушки 7 для обеспечения герметичности. Если один из патрубков не эксплуатируется (при анализе в статическом режиме), он закрывается заглушкой, при этом ввод пробы осуществляется через полиуретановую прокладку второго патрубка со снятой заглушкой. Если анализ осуществляют в проточном режиме при фронтальном вводе пробы, то оба патрубка открыты (заглушки и прокладки сняты) и соединены газо-проводящими трубками с элементами всей схемы. При этом через один патрубок проба подается в газоанализатор, а через второй выводится из него. Если газоанализатор не функционирует, то оба патрубка 5 закрываются заглушками 7 для создания внутри корпуса герметичности. Фиксируют отклики пьезосенсоров (с 1-го по 12-й) в парах анализируемой пробы в определенной последовательности с применением частотомера. Сигналы передаются в компьютер или обрабатываются оператором, обсчитываются по определенному алгоритму и формируются в кинетический «визуальный отпечаток» запаха, который представляет собой суммарный отклик матрицы пьезосенсоров и несет аналитическую информацию.

Газоанализатор на основе матрицы пьезосенсоров работает следующим образом.

Для анализа газовых проб или равновесных газовых фаз над твердыми или жидкими образцами в проточных условиях (динамический режим) газоанализатор подготавливают, как представлено на фиг.2. К обеим крышкам 2 газоанализатора подсоединены микросхемы 8 для управления генерацией двенадцати пьезосенсоров 9 (по шесть на каждой крышке) и фиксирования их откликов частотомером. Оба патрубка 5 при анализе в проточном режиме являются рабочими, при этом снимаются заглушки 7 и полиуретановые прокладки. К патрубкам подсоединяются газопроводящие шланги, по одному из которых проба поступает в газоанализатор, а по другому выводится из него,

Для анализа газовых проб или равновесных газовых фаз над твердыми или жидкими образцами в статических условиях (стационарный режим) газоанализатор подготавливают, как представлено на фиг.3. К крышкам 2 газоанализатора подсоединены микросхемы 8 для управления генерацией двенадцати пьезосенсоров 9 (по шесть на каждой крышке) и фиксирования их откликов частотомером. Один боковой патрубок 5 при анализе газовых проб в статическом режиме с инжекторным вводом пробы герметично закрыт заглушкой 7. Через полиуретановую прокладку второго патрубка 5 шприцем 10 вкалывают определенный объем анализируемой пробы параллельно патрубкам и горизонтальной оси ячейки. Для регенерации пьезосенсоров после фиксирования сигналов открывают заглушку и продувают корпус чистым газом-носителем.

При тестировании проб с помощью газоанализатора на основе матрицы 12-ти пьезосенсоров с различными пленками сорбентов на электродах суммарный отклик формируется в кинетический «визуальный отпечаток» запаха каждой пробы с учетом времени и последовательности опроса пьезосенсоров. Регистрация откликов отдельных элементов матрицы осуществляется частотомером с одним или несколькими входами. При наличии одного входа (например, частотомер марки Ч3-57) перед частотомером помещается переключатель для последовательной регистрации частоты каждого пьезосенсора в матрице по определенному алгоритму. Показания частотомера записываются оператором или передаются в компьютер для дальнейшей обработки. Преобразование частоты в аналоговые сигналы проводится встроенным серийно выпускаемым адаптером. Каждому виду пробы соответствует характерный геометрический образ аромата. Распознавание и идентификация анализируемого образца, качественный и количественный анализ пробы проводятся по результатам сопоставления «визуальных отпечатков» запаха тестируемой пробы и стандартного образца, а также по сигналам «базовых» пьезосенсоров с наиболее селективными или чувствительными покрытиями на электродах.

Сравнение некоторых характеристик предлагаемого технического решения и ближайшего аналога представлено в таблице.

Предложенный газоанализатор на основе матрицы пьезосенсоров позволяет:

1) повысить чувствительность и селективность определения основных компонентов газовых смесей или легколетучих соединений за счет увеличения числа откликающихся элементов;

2) существенно упростить стадию получения, обработки аналитической информации и принятия решения без сложных математических алгоритмов по кинетическим «визуальным отпечаткам»;

3) осуществлять анализ в двух режимах - проточном и статическом, что существенно расширяет область применения газоанализатора в анализе газовых, жидких, твердых сред.

4) возможность анализа сложных многокомпонентных ароматов пищевых и непищевых продуктов, газовых смесей, воздуха рабочей зоны и жилых помещений.

ТаблицаПараметры сравненияТехническое решениеАналогАнализ газовых проб в проточном режимеВозможенВозможенАнализ газовых проб в статическом режимеВозможенНевозможенПредварительное концентрированиеНе требуетсяТребуетсяОбработка информацииФормирование "визуальных отпечатков" с помощью популярных программ (Word, Excel)Формирование "визуальных отпечатков" с помощью программ со специальным алгоритмом «искусственные нейронные сети»Дополнительный блок ввода пробыНе требуется при анализе в статическом режиме с инжекторным вводом пробы непосредственно в детекторОбязателен

Использование: для анализа газовых сред, содержащих органические соединения.Сущность: газоанализатор состоит из корпуса в виде цилиндра с двумя крышками, на которых по кругу расположены держатели для двенадцати пьезосенсоров с различными пленочными покрытиями сорбентов для фиксирования основных компонентов газовой смеси, устройства для возбуждения колебаний и фиксирования сигналов пьезосенсоров. Патрубки для ввода и вывода газовой смеси в проточном и статическом режиме расположены по горизонтальной оси симметрии корпуса и снабжены полиуретановыми прокладками и съемными заглушками. Крышки соединены с цилиндрическим корпусом посредством резьбы. Технический результат: упрощение условий детектирования и возможность осуществления анализа в двух режимах - проточном или стационарном. 3 ил., 1 табл.

Газоанализатор на основе матрицы пьезосенсоров, состоящий из корпуса с патрубками, внутри которого расположены пьезосенсоры с чувствительными пленочными покрытиями для фиксирования основных компонентов газовой смеси, устройства для возбуждения колебаний и фиксирования сигналов пьезосенсоров, отличающийся тем, что корпус выполнен в виде цилиндра с двумя крышками, на которых по кругу расположены держатели для двенадцати пьезосенсоров с различными пленочными покрытиями сорбентов, патрубки для ввода и вывода газовой смеси в проточном или статическом режиме расположены по горизонтальной оси симметрии корпуса, при этом патрубки снабжены полиуретановыми прокладками и съемными заглушками, а крышки соединены с цилиндрическим корпусом посредством резьбы.