МНОГОКАНАЛЬНЫЙ "ЭЛЕКТРОННЫЙ НОС" НА ПЬЕЗОСЕНСОРАХ Российский патент 2008 года по МПК G01N33/00 

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

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является газоанализатор на основе матричной пьезосорбционной ячейки детектирования, состоящей из корпуса, который выполнен в виде цилиндра с крышкой, на которой по кругу расположены держатели для сенсоров с различными пленочными покрытиями сорбентов, патрубок для ввода жидкой смеси расположен перпендикулярно по отношению к патрубку для ввода газообразной смеси, при этом патрубки снабжены полиуретановыми прокладками, а крышка соединена с цилиндрическим корпусом посредством резьбы, ячейка соединена с устройствами для возбуждения колебаний и фиксирования сигналов сенсоров [Кучменко Т.А. Пат. №2267775 Россия, МПК G01N 27/12 - №2004106385; Заявл. 04.03.2004; опубл. 10.01.2006. Бюл. №01 // Изобретения, 2006. №1].

Недостатками существующего газоанализатора являются невозможность установления различий в составе многокомпонентных газовых смесях, если какие-либо вещества содержатся в них на уровне микроконцентраций, недостаточная чувствительность детектирования проб с низкой концентрацией легколетучих компонентов, низкая воспроизводимость результатов анализа при варьировании базовой частоты колебаний сенсоров в интервале F°=(5÷50) МГц в наборе одной матрицы, ограничения в подборе оптимального числа и порядка расположения сенсоров в матрице, существенные «шумы» со стороны электронной схемы газоанализатора.

Техническая задача изобретения - значительное (на 1-2 порядка) увеличение чувствительности микровзвешивания газов и паров, селективности определения легколетучих соединений в газовых смесях за счет (2-n)-кратного увеличения числа измерительных элементов без изменения геометрических параметров корпуса газоанализатора; возможность установления незначительных различий в составе сложных многокомпонентных смесей; снижение в 3 и более раз времени измерения, обработки аналитического сигнала газоанализатора, принятия решения при сохранении условий для анализа как в проточном (динамическом), так и статическом (стационарном) режимах, повышение метрологической надежности измерений, уменьшение уровня «шума» со стороны электронной схемы.

Техническая задача изобретения достигается тем, что в многоканальном «электронном носе» на пьезосенсорах, состоящем из ячейки детектирования, выполненной в виде цилиндра с патрубками для ввода жидкой и газообразной смесей, с крышкой, в которой по кругу расположены держатели для пьезосенсоров с различными пленочными покрытиями сорбентов и устройств для возбуждения колебаний и фиксирования сигналов пьезосенсоров, новым является то, что 3-4 и более герметично закрытые ячейки детектирования, имеющие одинаковые геометрические параметры объединены общим корпусом, в верхнюю часть которого вмонтированы крышки ячеек с пьезосенсорами, а в нижней - независимые от друг от друга генераторы колебаний пьезосенсоров, причем генераторы колебаний подобраны так, чтобы каждая ячейка детектирования содержала набор одинаковых пьезосенсоров с различающимися частотами колебаний: одна ячейка - с низкими частотами колебаний пьезосенсоров, другая - со средними, третья - с высокими частотами колебаний, четвертая - сверхвысокими частотами колебаний пьезосенсоров, встроенные микропроцессоры фиксируют и обрабатывают сигналы всех пьезосенсоров во всех ячейках одновременно, которые передаются в память компьютера или другого устройства, а правильность установки пьезосенсоров контролируется с помощью световых индикаторов, расположенных на верхней панели корпуса по кругу рядом с крышками каждой ячейки.

Технический результат заключается в том, что в предлагаемом многоканальном «электронном носе» на пьезосенсорах возможен анализ газообразных проб различного состава, в том числе мало отличающихся друг от друга, содержащих определяемые компоненты на уровне микроконцентраций, существенно повышается селективность определения легколетучих соединений в газовых смесях за счет двух-n-кратного увеличения количества сенсоров при сохранении объема корпуса ячейки детектирования, но увеличения числа ячеек до 3-4 и более, снижается время измерения, обработки сигналов всех пьезосенсоров и итоговой аналитической информации более, чем в 3 раза за счет того, что возможен практически одновременный (с интервалом в 2-5 с) анализ одной и той же либо различающихся проб в идентичных условиях аналогично измерению на нескольких одинаковых приборах, при этом сохраняется возможность проведения анализа как в проточном, так и в статическом режимах измерения, существенно снижаются «шумы» со стороны электронной схемы за счет применения независимо работающих друг от друга схем возбуждения колебаний пьезосенсоров.

Фигура - Общая схема газоанализатора.

Многоканальный «электронный нос» на пьезосенсорах состоит из корпуса 1, на верхней панели 2 которого вмонтированы крышки 3, на которых по кругу расположены держатели 4 для пьезосенсоров 5 с различными пленками сорбентов. Генераторы колебаний 6 всех пьезосенсоров работают независимо друг от друга. На верхней панели 2 корпуса 1 по кругу рядом с крышками 3 каждой ячейки расположены световые индикаторы 7, число которых равно количеству держателей для пьезосенсоров. При включении устройства в сеть с помощью шнура 8 и кнопки 9 на верхней панели «электронного носа», генераторы всех кварцев (пьезосенсоры) начинают работать. При установке пьезосенсора в держателе на крышке ячейки загорается соответствующий его месту световой индикатор 7. Индикаторы позволяют оператору быстро контролировать правильность установки пьезосенсора в держателе, а нумерация светодиодов - порядок размещения их в ячейке. Генераторы подобраны так, что в каждую ячейку детектирования помещают набор одинаковых пьезосенсоров с различающимися частотами колебаний, например, 5÷10 МГц (низкочастотная ячейка I), 8÷25 МГц (среднечастотная ячейка II), 25÷50 МГц (высокочастотная ячейка III), 50÷100 МГц (сверхвысокочастотная ячейка IV). Ячеек каждого вида может быть несколько. С помощью резьбы на крышках и цилиндрических корпусах 10 каждую ячейку многоканального «электронного носа» закрывают герметично. Ввод анализируемой газообразной пробы, регенерация каждой ячейки после анализа осуществляются через патрубки 11. Микропроцессоры фиксируют сигналы одновременно всех пьезосенсоров во всех ячейках (с 1-го по i-тый для каждой ячейки) в парах анализируемой пробы или без нагрузки. Сигналы преобразуются и передаются в компьютер или другое устройство по кабелю 12, обсчитываются по определенному алгоритму и формируются в кинетический «визуальный отпечаток» запаха, который представляет собой суммарный отклик матрицы пьезосенсоров и несет аналитическую информацию.

Многоканальный «электронный нос» на пьезосенсорах работает следующим образом.

Для анализа газовых проб или равновесных газовых фаз над твердыми или жидкими образцами включают прибор в сеть с помощью шнура 8. К каждой крышке 3 на верхней панели 2 корпуса 1 подсоединены генераторы колебаний 6 для управления генерацией каждого из, например, 8-12 пьезосенсоров 5 (по 8-12 на каждой крышке) и фиксирования их откликов. Генераторы подобраны так, что в каждую ячейку детектирования помещают набор одинаковых пьезосенсоров с различающимися частотами колебаний, например, 5÷10 МГц (низкочастотная ячейка I), 8÷25 МГц (среднечастотная ячейка II), 25÷50 МГц (высокочастотная ячейка III), 50÷100 МГц (сверхвысокочастотная ячейка IV). В зависимости от поставленной задачи можно одновременно использовать по две ячейки и более с одинаковым набором пьезосенсоров для анализа сразу двух проб. После установки пьезосенсоров в держателях 4 на крышках выбранных ячеек включают кнопку 9. Если пьезосенсоры установлены правильно во всех гнездах держателей, то загораются все световые индикаторы 7. Цилиндрические корпуса 10 накручивают на крышки для создания герметичности. Анализируемую газовую или жидкую пробу вносят шприцем через верхний патрубок 11. Отклики всех подключенных пьезосенсоров фиксируются, преобразуются встроенными микропроцессорами и передаются по кабелю 12 в СОМ-порт IBM. С помощью специальной программы проводят обработку полученных откликов, преобразование их в диаграммы или рисунки, сопоставление с банком данных и принятие решения по результатам анализа.

Для регенерации пьезосенсоров и корпуса после фиксирования сигналов продувают ячейку чистым газом-носителем или осушенным воздухом.

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

Предложенный многоканальный «электронный нос» на пьезосенсорах позволяет:

1) анализировать газообразные пробы различного состава, в том числе мало отличающиеся друг от друга, содержащие определяемые компоненты на уровне микроконцентраций;

2) существенно повысить селективность определения легколетучих соединений в газовых смесях за счет двух-n-кратного увеличения количества сенсоров при сохранении объема корпуса ячейки детектирования, но увеличения числа ячеек до 3-4 и более;

3) снизить время измерения, обработки сигналов всех пьезосенсоров и итоговой аналитической информации более, чем в 3 раза за счет того, что возможен практически одновременный (с интервалом в 2-5 с) анализ одной и той же либо различающихся проб в идентичных условиях аналогично измерению на нескольких одинаковых приборах, при этом существенно повышается метрологическая надежность измерений;

4) управлять чувствительностью измерений и менять ее на 1-2 порядка, применяя пьезосенсоры с низкими (5-10 МГц) или сверхвысокими (50-100 МГц) базовыми частотами колебаний;

5) сохранить возможности для проведения анализа как в проточном, так и в статическом режимах измерения;

6) существенно снизить «шумы» со стороны электронной схемы.

ТаблицаСравнение характеристик предлагаемого технического решения и прототипаПараметры сравненияПрототипТехническое решениеАнализ газовых проб в проточном и статическом режимахВозможенВозможенАнализ проб сложного составаВозможенВозможенУстановление малых различий в составе сложных смесейНевозможноВозможноОпределение микроконцентраций основных компонентов или примесейЗатрудненоВозможно на высокочастотных и сверхвысокочастотных ячейкахИзменение чувствительности измеренияОграниченоВозможно в широких пределахОдновременный анализ 2-х и более одинаковых или разных пробНевозможен. Анализ только последовательный с предварительной регенерацией ячейки.Возможен. Существенно повышается метрологическая надежность измерений.

Использование: для анализа многокомпонентных газовых сред. Сущность: заключается в том, что многоканальный «электронный нос» на пьезосенсорах состоит из ячейки детектирования, выполненной в виде цилиндра с патрубками для ввода жидкой и газообразной смесей, с крышкой, в которой по кругу расположены держатели для пьезосенсоров с различными пленочными покрытиями сорбентов и устройств для возбуждения колебаний и фиксирования сигналов пьезосенсоров, при этом 3-4 и более герметично закрытые ячейки детектирования, имеющие одинаковые геометрические параметры объединены общим корпусом, в верхнюю часть которого вмонтированы крышки ячеек с пьезосенсорами, а в нижней - независимые от друг от друга генераторы колебаний пьезосенсоров, причем генераторы колебаний подобраны так, чтобы каждая ячейка детектирования содержала набор одинаковых пьезосенсоров с различающимися частотами колебаний: одна ячейка - с низкими частотами колебаний пьезосенсоров, другая - со средними частотами колебаний, третья - с высокими частотами колебаний, четвертая - сверхвысокими частотами колебаний пьезосенсоров, встроенные микропроцессоры фиксируют и обрабатывают сигналы всех пьезосенсоров во всех ячейках одновременно, которые передаются в память компьютера или другого устройства, а правильность установки пьезосенсоров контролируется с помощью световых индикаторов, расположенных на верхней панели корпуса по кругу рядом с крышками каждой ячейки. Технический результат: возможность осуществления анализа газообразных проб различного состава, в том числе, мало отличающихся друг от друга, содержащих определяемые компоненты на уровне микроконцентраций, снижение времени измерений, а также возможность одновременного анализа различающихся проб в идентичных условиях. 1 табл., 1 ил.

Многоканальный «электронный нос» на пьезосенсорах, состоящий из ячейки детектирования, выполненной в виде цилиндра с патрубками для ввода жидкой и газообразной смесей, с крышкой, в которой по кругу расположены держатели для пьезосенсоров с различными пленочными покрытиями сорбентов и устройств для возбуждения колебаний и фиксирования сигналов пьезосенсоров, отличающийся тем, что 3-4 и более герметично закрытые ячейки детектирования, имеющие одинаковые геометрические параметры, объединены общим корпусом, в верхнюю часть которого вмонтированы крышки ячеек с пьезосенсорами, а в нижней - независимые друг от друга генераторы колебаний пьезосенсоров, причем генераторы колебаний подобраны так, чтобы каждая ячейка детектирования содержала набор одинаковых пьезосенсоров с различающимися частотами колебаний: одна ячейка - с низкими частотами колебаний пьезосенсоров, другая - со средними частотами колебаний, третья - с высокими частотами колебаний, четвертая - сверхвысокими частотами колебаний пьезосенсоров, встроенные микропроцессоры фиксируют и обрабатывают сигналы всех пьезосенсоров во всех ячейках одновременно, которые передаются в память компьютера или другого устройства, а правильность установки пьезосенсоров контролируется с помощью световых индикаторов, расположенных на верхней панели корпуса по кругу рядом с крышками каждой ячейки.