УСТРОЙСТВО ДИСТАНЦИОННОГО ОТБОРА ВОЗДУШНОЙ ПРОБЫ ДЛЯ ПРИБОРОВ ГАЗОВОГО АНАЛИЗА (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2017 года по МПК H01J49/40 

Область техники

Настоящее изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для бесконтактного дистанционного отбора проб воздуха с поверхностей тел и подачи их в аналитический тракт приборов газового анализа для обнаружения следов взрывчатых веществ.

Предшествующий уровень техники

Известно устройство, обеспечивающее обнаружение следов взрывчатых веществ на руках и документах по их отпечатку на гладкой поверхности, при этом поверхность нагревается для десорбции следов взрывчатых веществ, десорбированное целевое вещество доставляется в дрейфовый канал спектрометра ионной подвижности закрученной струей охлажденного воздуха (патент RU 2351922, опубл. 04.10.2009). Предложенное техническое решение обеспечивает значительное повышение эффективности обнаружения опасных веществ на руках человека или документах, однако, недостатками являются громоздкость конструкции и высокое энергопотребление.

Известны различные модификации устройств отбора пробы с использованием закрученного потока, состоящие в подогреве воздуха в закрученной струе, использовании двух коаксиальных вихрей или множества вихрей для захвата большей площади исследования, сканирования исследуемой поверхности вихрем, направление которого задается поворотом насадки (патент US 6870155, опубл. 22.03.2005). Недостатками предложенного устройства являются сложная конструкция, большие габариты и высокое энергопотребление. Кроме того, не обеспечивается достаточная эффективность в обнаружении следов веществ с низкой летучестью.

Известно устройство, включающее вихревой пробоотборник с воздушной струей с абразивным материалом для повышения эффективности десорбции следов целевого вещества с поверхности (патент US 8122756, опубл. 28.02.2012). Воздействие воздушной струи с абразивом способствует отделению от поверхности следов целевого вещества, которые собираются и переносятся обратным потоком вдоль оси вихря к сенсору дрейф-спектрометра. Недостатком способа является сопутствующее загрязнение прибора посторонними продуктами десорбции.

Известна конструкция устройства пневматического пробоотбора, в котором используется направленный по образующей конуса к обследуемой поверхности импульсный или непрерывный поток воздуха, формируемый соплами, установленными по периферии устройства под определенными углами (патент US 8561486, опубл. 22.10.2013). Всасывание анализируемой пробы осуществляется дополнительным насосом, установленным на оси устройства. К недостаткам данной конструкции следует отнести громоздкость конструкции и высокое энергопотребление.

Ближайшее техническое решение представлено в патенте RU 2279051, опубл. 27.06.2006. Устройство содержит конусообразный рефлектор, в котором с помощью вращающихся и неподвижных крыльчаток создают закрученный (вихревой) воздушный поток, выходящий из конуса вдоль его боковой поверхности, а на оси конуса создают всасывающий поток, поступающий в прибор газового анализа. Из аэродинамики известно, что во внутренней области закрученного воздушного потока возникает пониженное давление за счет центробежных сил, действующих на вращающийся поток (вихрь, торнадо). Целевое вещество, сдуваемое вихревым потоком с поверхности исследуемого объекта, концентрируется в области пониженного давления в центре вихря и затягивается всасываемым в прибор потоком. При этом целевое вещество концентрируется вдоль центральной оси вихря и не разбавляется воздушным потоком. Недостатками устройства являются сложность конструкции, большие габариты и высокое энергопотребление.

Раскрытие изобретения

Технической задачей настоящего изобретения является повышение эффективности отбора пробы, упрощение конструкции, уменьшение габаритов и снижение энергопотребления.

Решение указанной задачи достигается за счет следующих факторов:

- повышенного разряжения во внутренней области закрученного воздушного потока за счет высокой скорости истечения воздушных струй из сопел с малым сечением, испытывающих повышенное воздействие центробежных сил;

- облегченной десорбции следов целевого вещества с поверхности вследствие высокой скорости потока и нагрева воздушной струи за счет теплоотдачи насоса;

- снижения габаритов и уменьшения энергозатрат за счет использования одного насоса для одновременного нагнетания и всасывания воздуха.

Отличие предлагаемого изобретения от прототипа, представленного в патенте RU 2279051, заключается в том, что закрученный воздушный поток создается в зазоре насадки между внешней цилиндрической и внутренней усеченной конической поверхностями с общей осью вращения, определяющими направление воздушных потоков, формируемых струями, выходящими из камеры с повышенным давлением, создаваемым насосом, через узкие отверстия (сопла) во внешней стенке насадки, а всасывание воздушной пробы вдоль оси насадки обеспечивается тем же насосом.

Краткое описание чертежей

Фиг. 1. Блок-схема устройства для отбора воздушной пробы для приборов газового анализа: 1 - корпус воздухозаборника, 2 - насадка для формирования воздушных потоков, 3 - сопла, 4 - полость для накачки газа, 5 - вход в аналитическую камеру прибора, 6 - аналитическая камера, 7 - нагреватель (опционально), 8 - насос, 9 - поверхность обследуемого объекта, 10 - трубопроводы. Стрелки указывают направления потоков.

Фиг. 2. Блок-схема устройства для отбора воздушной пробы для приборов газового анализа при отсутствии нагревателя воздушного потока: 1 - корпус воздухозаборника, 2 - насадка для формирования воздушных потоков, 3 - сопла, 4 - полость для накачки газа, 5 - вход в аналитическую камеру прибора, 6 - аналитическая камера, 7 - нагреватель (опционально), 8 - насос. 9 - поверхность обследуемого объекта, 10 - трубопроводы, 11 - термоизолированный корпус насоса.

Фиг. 3. Насадка воздухозаборника и распределение воздушных потоков.

Фиг. 4. Насадка для формирования воздушных потоков: а - общий вид; б - движение воздушного потока в направлении, перпендикулярном оси устройства; в - направление оси отверстий сопел.

Варианты осуществления изобретения

Устройство дистанционного отбора воздушной пробы состоит из корпуса воздухозаборника 1, насадки для формирования воздушных потоков 2, на внутренней поверхности которой расположены сопла 3. Направления сопел выбираются таким образом, чтобы обеспечить формирование закрученной воздушной струи. Между корпусом 1 и насадкой 2 расположена внутренняя кольцевая полость 4 для накачки газа. Внутрь корпуса 1 и насадки 2 вставлена трубка 5, обеспечивающая ввод в аналитическую камеру прибора 6. Всасывание воздуха, содержащего целевое вещество, и одновременно нагнетание воздуха в полость 4 осуществляется с помощью насоса 8. Газ, нагнетаемый насосом в полость для накачки газа 4, предварительно нагревается, проходя через нагреватель 7. Нагреватель может отсутствовать, если насос поместить в термоизолированный корпус 11. В этом случае воздух будет нагреваться за счет тепла, выделяемого при работе насоса. Устройство для отбора воздушной пробы соединено с насосом с помощью трубопроводов 10.

Устройство работает следующим образом. Нагретый воздух подается насосом 8 в полость для накачки газа 4. Из полости 4 воздух с большой скоростью выходит через сопла 3. В результате образуются закрученные струи нагретого воздуха, которые дистанционно обдувают поверхность обследуемого объекта 9. В приосевой области закрученной воздушной струи возникает область пониженного давления и обратное течение воздуха. Поступающий с обратным течением поток воздуха, содержащий пары пробы, протягивается насосом 8 через аналитическую камеру прибора 6. Диаметр отверстия сопла определяется расходом воздуха, задаваемого работой насоса 8 и необходимой скоростью струи.

Пример 1

В реализованной конструкции устройства дистанционного отбора пробы при расходе воздуха 2,5 л/мин в насадке для формирования воздушных потоков 2 выполнено шесть отверстий диаметром 1 мм. Для создания осевой направленности воздушной струи оси отверстий сопел направлены под углом 10° к плоскости, перпендикулярной оси воздухозаборника. Для формирования закрученной воздушной струи оси отверстий в горизонтальной плоскости направлены по касательной к окружности, радиус которой R=(R₁+R₂)/2 (фиг. 4). Такое направление сопел обеспечивает наиболее эффективное формирование закрученного воздушного потока.

Изобретение относится к области газового анализа и может быть использовано для бесконтактного дистанционного отбора проб воздуха с твердых поверхностей и подачи их в аналитический тракт приборов газового анализа для обнаружения следов взрывчатых веществ. Устройство дистанционного отбора воздушной пробы включает корпус воздухозаборника, насадку для формирования воздушных потоков, на внутренней поверхности которой расположены сопла, внутреннюю кольцевую полость между корпусом и насадкой для накачки газа, трубку, расположенную внутри корпуса и насадки, обеспечивающую ввод в аналитическую камеру прибора, аналитическую камеру прибора, насос, обеспечивающий всасывание воздуха, содержащего целевое вещество, и одновременно нагнетание воздуха во внутреннюю кольцевую полость, нагреватель (опционально) для предварительного нагревания газа, нагнетаемого насосом в полость для накачки газа, трубопроводы, соединяющие устройство для отбора воздушной пробы с насосом. Изобретение применимо для обнаружения следовых количеств взрывчатых, отравляющих, наркотических веществ, мониторинга промышленных загрязнений в атмосфере, контроля пищевых продуктов по выделяемым испарениям, медицинской диагностики по составу выдыхаемого воздуха. Технический результат - повышение эффективности отбора пробы, упрощение конструкции и снижение энергопотребления. 2 н.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство дистанционного отбора воздушной пробы, включающее термоизолированный корпус воздухозаборника, насадку для формирования воздушных потоков, на внутренней поверхности которой расположены сопла, внутреннюю кольцевую полость между корпусом и насадкой для накачки газа, трубку, расположенную внутри корпуса и насадки, обеспечивающую ввод в аналитическую камеру прибора, аналитическую камеру прибора, насос, обеспечивающий всасывание воздуха, содержащего целевое вещество, и одновременно нагнетание воздуха во внутреннюю кольцевую полость, трубопроводы, соединяющие устройство для отбора воздушной пробы с насосом.

2. Устройство дистанционного отбора воздушной пробы, включающее корпус воздухозаборника, насадку для формирования воздушных потоков, на внутренней поверхности которой расположены сопла, внутреннюю кольцевую полость между корпусом и насадкой для накачки газа, трубку, расположенную внутри корпуса и насадки, обеспечивающую ввод в аналитическую камеру прибора, аналитическую камеру прибора, насос, обеспечивающий всасывание воздуха, содержащего целевое вещество, и одновременно нагнетание воздуха во внутреннюю кольцевую полость, нагреватель для предварительного нагревания газа, нагнетаемого насосом в полость для накачки газа, трубопроводы, соединяющие устройство для отбора воздушной пробы с насосом.