Способ и портативный спектрометр подвижности ионов для обнаружения аэрозоля Российский патент 2018 года по МПК G01N27/62 H01J49/00 

Данное изобретение относится к спектрометрическим способам и устройствам, в частности, к спектрометрии подвижности ионов и к способам и устройству для применения спектрометрии к аэрозолям.

Некоторые типы спектрометров подвижности ионов работают путем «пропускания» потока воздуха и извлечения пробы из этого воздуха для обнаружения представляющих интерес веществ. Во многих случаях спектрометры подвижности ионов работают путем ионизации пробы газа или пара и анализируя получившиеся ионы. Чтобы обеспечить возможность использования спектрометров подвижности ионов военными и работниками службы безопасности, используются ручные или портативные устройства. В целом эти устройства с питанием от аккумуляторной батареи, и поэтому желательно продлить срок службы аккумулятора.

Некоторые аналитические устройства и, в особенности, некоторые спектрометры подвижности ионов выполнены с возможностью анализа паров и газов.

Некоторые представляющие интерес вещества могут содержать аэрозоли. В отличие от пара или газа, аэрозоль содержит мелкие частицы, твердые или жидкие, взвешенные в газе. Если вещество имеет низкое давление паров, то спектрометр подвижности ионов может быть не в состоянии обнаружить частицы этого вещества в виде аэрозоля.

Варианты выполнения изобретения будут теперь описаны исключительно посредством примера со ссылкой на прилагаемые чертежи, на которых:

Фиг. 1 показывает схематический разрез переносного спектрометрического устройства, имеющего нагреватель, выполненный с возможностью нагревания воздуха во впускном канале спектрометра;

Фиг. 2 показывает схематический разрез переносного спектрометрического устройства, имеющего камеру, в которой воздух может быть уловлен и нагрет;

Фиг. 3 показывает схематический разрез другого устройства, в котором проба воздуха может быть нагрета в реакционной области спектрометра подвижности ионов; и

Фиг. 4 иллюстрирует способ управления спектрометрическим устройством.

В настоящем изобретении предложен спектрометр, выполненный с возможностью нагревания пробы воздуха, затянутой в спектрометр, чтобы превратить в пар аэрозоли, переносимые этой пробой воздуха до того, как проба ионизируется для анализа. Затянутая проба воздуха может быть нагрета во впускном канале спектрометра, в реакционной области, в которой проба ионизируется, или в камере спектрометра, прежде чем проба поступит в реакционную область. Варианты выполнения изобретения направлены на управление временем нагрева, чтобы улучшить чувствительность при работе спектрометра.

На Фиг. 1 изображено устройство 1, содержащее спектрометр 3, портативный источник 5 питания для подачи питания к устройству, впускной канал 7 и средство 6 подачи воздуха для пропускания потока воздуха через впускной канал 7. В примере, показанном на Фиг. 1, устройство 1 содержит нагреватель 4, выполненный с возможностью нагревания воздуха, подлежащего анализу, и контроллер 2, выполненный с возможностью управления средством 6 подачи воздуха, спектрометром 3 и нагревателем 4.

Впускной канал 7 содержит проход, через который может протекать поток воздуха, подлежащий отбору спектрометром 3 в качестве пробы. В примере, показанном на Фиг. 1, нагреватель 4 содержит проводящий проволочный нагреватель, расположенный во впускном канале 7 так, что воздух, протекающий в направлении спектрометра, протекает мимо нагревателя 4. Как показано, нагреватель 4 соединен с контроллером 2 и соединен с возможностью получения питания от источника 5 питания так, что контроллер 2 может управлять работой нагревателя 4.

На Фиг. 1 показано, что спектрометр 3 содержит спектрометр подвижности ионов, который соединен с впускным каналом 7 с помощью порта 9 для отбора проб, и содержит реакционную область 11, в которой проба может быть ионизирована. Порт 9 для отбора проб может работать с получением в спектрометр пробы из впускного канала. Некоторые примеры портов для отбора проб включают «микроотверстия» и мембраны.

Управляющий электрод 13 может отделять реакционную область 11 от дрейфовой камеры 15. Дрейфовая камера 15 содержит детектор 17, расположенный на противоположном от управляющего электрода 13 конце дрейфовой камеры 15. Дрейфовая камера 15 также содержит впускной канал 19 для дрейфового газа и выпускной канал 21 для дрейфового газа, выполненные с возможностью обеспечения потока дрейфового газа вдоль камеры 15 от детектора 17 к управляющему электроду 13.

Порт 9 для отбора проб может работать с возможностью отбора воздуха из впускного канала 7 в реакционную область 11 спектрометра 3. Реакционная область 11 содержит ионизатор 23 для ионизации пробы. В примере, показанном на Фиг. 1, ионизатор 23 содержит ионизатор коронного разряда, содержащий электроды.

Дрейфовая камера 15 также содержит дрейфовые электроды 25, 27 для приложения электрического поля вдоль дрейфовой камеры 15 для ускорения ионов к детектору 17 против потока дрейфового газа.

В процессе работы отклик спектрометра 3 активируется оператором, контроллер 2 управляет средством 6 подачи воздуха таким образом, что поток воздуха пропускается через впускной канал 7.

Для десорбции осадка, который может накапливаться на впускном канале 7 или нагревателе 4, контроллер 2 увеличивает тепловую мощность от нагревателя 4, а средство 6 подачи воздуха пропускает воздух через впускной канал 7 для десорбции веществ от нагревателя 4 и удаления их из впускного канала 7. Для десорбции такого осадка нагреватель 4 может быть нагрет до температуры, равной по меньшей мере 150°С. При подготовке к тестированию пробы воздуха поток воздуха через впускной канал 7 продувает десорбированные вещества из впускного канала 7.

В этом процессе десорбции осадка контроллер 2 выполнен с возможностью увеличения отводимого тепла нагревателем 4 для выбранного периода времени перед осуществлением отбора потока воздуха спектрометром 3. Этот период времени может быть выбран на основе температуры нагревателя 4 при десорбции, типа аэрозолей, которые должны быть обнаружены, и/или в зависимости от типа осадка, ожидаемого во впускном канале. Увеличение отводимого тепла нагревателем может включать увеличение мощности нагревателя и может включать включение нагревателя.

После того, как выбранный период времени истек, а средство 6 подачи воздуха продолжает нагнетать воздух мимо нагревателя 4, контроллер 2 управляет портом 9 для отбора проб спектрометра для получения пробы из нагретого потока воздуха во впускном канале 7. Затем контроллер 2 управляет спектрометром 3 для выполнения спектрометрии подвижности ионов на нагретой пробе в реакционной области 11.

В некоторых вариантах выполнения контроллер 2 выполнен с возможностью уменьшения температуры нагревателя после истечения выбранного периода времени, и до выполнения отбора проб потока воздуха с помощью спектрометра. В некоторых вариантах выполнения контроллер 2 может уменьшать электрическую мощность подаваемую на нагреватель 4 до получения проб, так что воздух, предназначенный для отбора проб, нагревается остаточным теплом от десорбируемого осадка во впускном канале. В некоторых примерах уменьшение мощности может включать уменьшение теплоотдачу от нагревателя 4, и может включать выключение нагревателя 4.

В варианте выполнения контроллер 2 управляет нагревателем 4 для обеспечения первого отводимого тепла за выбранный период времени (десорбция осадка) до осуществления выборки проб. Контроллер 2 может затем управлять нагревателем 4 для обеспечения второго отводимого тепла для испарения аэрозолей, переносимых воздушным потоком, и управлять портом 9 для отбора проб для получения проб испаренных аэрозолей из нагретого потока воздуха. Контроллер 2 может быть выполнен так, что образцы получают, когда нагревателем 4 управляют так, чтобы обеспечить второе отводимое тепло, или когда нагреватель 4 охлаждается.

В одном варианте выполнения контроллер 2 выполнен с возможностью управления портом 9 для отбора проб для получения по меньшей мере одной исходной пробы из впускного канала в течение выбранного периода времени, а также с возможностью анализа исходной пробы для тестирования на наличие осадка. На основании этого теста контроллер 2 может продлевать или сокращать выбранный период времени. Например, в случае, если контроллер определяет из этого теста, что осадок был десорбирован и удален из впускного канала, то контроллер может управлять нагревателем 4, чтобы обеспечивать второе отводимое тепло для испарения аэрозолей, и управлять портом 9 для отбора проб для получения проб испаренных аэрозолей. В этом варианте выполнения впускной канал может быть управляемым для циркуляции потока воздуха из впускного канала, в фильтр, такой как блок древесного угля, а затем рециркулируют его обратно через впускной канал, одновременно обеспечивая первое отводимое тепло большей величины. Контроллер 2 может быть выполнен с возможностью тестирования рециркулированного воздушного потока до тех пор, пока не будет определено, что осадок был десорбирован из впускного канала.

Первое отводимое тепло может быть выбрано, чтобы обеспечивать температуру по меньшей мере 150°С. В одном варианте выполнения второе отводимое тепло меньше, чем первое отводимое тепло. Управление нагревателем для обеспечения второго отводимого тепла может включать уменьшение мощности, подаваемой к нагревателю 4, например, путем его выключения.

Нагреватель 4 может быть расположен вокруг впускного канала или в нем. Нагреватель может содержать проводник, такой как провод, который может быть выполнен с возможностью нагревания путем резистивного нагрева. Провод может содержать металл. Нагреватель 4 может быть выполнен в виде решетки или сетки, чтобы создавать препятствие во впускном канале так, чтобы поток воздуха через впускное канал протекал через нагреватель или вокруг него. В одном примере нагреватель содержит плетеную структуру, такую как комок или клубок из проволоки. Один из примеров такой структуры содержит плетеную сетку из проволоки, такую как Knitmesh^(RTM).

Решетчатая или сетчатая структура может быть выполнена такой, что проволока занимает менее 80% от ее объема, в некоторых примерах менее 60%, в некоторых примерах менее 40%, в некоторых примерах менее 20% от объема, занимаемого проволокой, а остальной объем может быть занят воздушными пространствами, через которые может протекать предназначенный для нагревания воздух. В одном варианте выполнения конструкция имеет по меньшей мере 60% воздуха по объему, а в некоторых вариантах выполнения конструкция имеет приблизительно 70% воздуха по объему. Было установлено, что использование более низких плотностей улучшает эффективность устройства и чувствительность, достигаемую путем нагревания воздуха в спектрометре.

Если используются плетеная или переплетенная структура проволоки, такая как Knitmesh^(RTM), то нагреватель 4 может быть обернут по наружной стороне структуры. В некоторых вариантах выполнения плетеная или переплетенная структура проволоки может быть нагрета пропусканием тока через структуру.

Нагреватель 4 может обеспечить сужение во впускном канале 7, или же он может быть расположен вокруг сужения на пути потока воздуха в реакционной области, например, в порту 9 для отбора проб спектрометра 3. В варианте выполнения порт 9 может быть нагрет, или же нагреватель, как, например, резистивный проволочный нагреватель такого типа, который может быть найден в лампе накаливания, может быть расположен в потоке воздуха выше по потоку от порта 9.

В некоторых примерах нагреватель 4 может содержать инфракрасный источник, такой как инфракрасная лампа или светодиод, или инфракрасный лазер. В некоторых примерах нагреватель 4 может содержать струю, или множество струй горячего воздуха, поступающих в поток воздуха во впускном канале 7 перед тем, как поток воздуха достигнет порта 9 для отбора проб спектрометра 3.

Фиг. 2 показывает второе устройство 100. Устройство, изображенное на Фиг. 2, представляет собой альтернативный способ выполнения спектрометрии подвижности ионов для анализа аэрозолей с низким давлением паров. Вместо нагревания потока воздуха по мере его прохождения во впускном канале, устройство 100, проиллюстрированное на Фиг. 2, выполнено с возможностью пропускания воздуха в камеру 102 и нагревания воздуха в камере 102, чтобы испарить аэрозоли. Нагретый воздух затем может быть подан обратно в поток воздуха во впускном канале 7 для отбора проб с помощью спектрометра 3.

Устройство 100, показанное на Фиг. 2, содержит спектрометр 3, портативный источник 5 питания для подачи питания к устройству 100, впускной канал 7 и средство 6 подачи воздуха для пропускания потока воздуха через впускной канал 7. Как и в примере, показанном на Фиг. 1, спектрометр 3, изображенный на Фиг. 2, соединен с впускным каналом 7 посредством порта 9 для отбора проб таким образом, что спектрометр 3 может получать пробу воздуха из впускного канала 7.

Устройство, показанное на Фиг. 2, также содержит камеру 102, соединенную с впускным каналом 7 посредством порта 109, расположенного выше по потоку от порта 9 для отбора проб спектрометра, так что воздух, протекающий через впускной канал 7, проходит порт 109 камеры перед прохождением через порт 9 для отбора проб спектрометра.

Камера 102 содержит два электрода 104, 106, и насос 108. Насос 108 выполнен с возможностью пропускания воздуха из впускного канала 7 через порт 109 в камеру 102, и выпуска воздуха из камеры 102 обратно во впускном канале 7. Электроды 104, 106 выполнены с возможностью передачи электрического заряда частицам аэрозоля в камере 102. Электроды 104, 106 также могут быть выполнены с возможностью нагревания заряженных частиц.

При работе устройства, изображенного на Фиг. 2, в ответ на приведение оператором в действие спектрометра 3, контроллер 2 управляет средством 6 подачи воздуха таким образом, что поток воздуха пропускается через впускной канал 7. Контроллер 2 затем управляет насосом 108 для пропускания воздуха из впускного канала 7 в камеру. Контроллер 2 затем управляет электродами 104, 106, чтобы передать электрический заряд аэрозольным частицам в пробе в камере 102.

После того, как аэрозольные частицы были заряжены, контроллер 2 управляет электродами 104, 106 с приложением переменного электрического поля, такого как электрическое поле радиочастот, между электродами 104, 106, чтобы повысить температуру заряженного аэрозоля. Это позволяет избежать необходимости выполнять резистивный нагрев. Контроллер 2 затем управляет насосом 108, чтобы выпустить пары обратно во впускной канал 7, так что поток воздуха во впускном канале 7 переносит пары к порту 9 для отбора проб для отбора и анализа с помощью спектрометра 3.

Несмотря на то, что в описанном выше примере одни и те же электроды 104, 106 используются как для зарядки, так и для нагревания аэрозоля, могут быть предусмотрены и другие конфигурации. Например, может быть предусмотрен заземленный контрольный электрод, при этом первый электрод 104 может использоваться для зарядки аэрозоля, а второй электрод 106 может прикладывать электрическое поле, которое является переменным относительно земли. В других примерах может быть использовано четыре электрода, причем первые два из них могут быть использованы для зарядки аэрозоля, а вторые два электрода могут быть использованы для приложения переменного электрического поля для нагревания аэрозоля.

В некоторых примерах камера 102, изображенная на Фиг. 2, может содержать нагреватель (такой как нагреватель, аналогичный нагревателю 4, показанному на Фиг. 1). В этих примерах, как только аэрозольные частицы были заряжены, контроллер 2 может управлять электродами 104, 106, прикладывающими электрическое поле, которое притягивает заряженные аэрозольные частицы к одному или обоим электродам 104, 106. Как только заряженные аэрозольные частицы уловлены таким образом, контроллер 2 может управлять нагревателем для испарения уловленных частиц.

Нагреватель может включать резистивный нагреватель, инфракрасную лампу, лазер, светодиод, струю нагретого воздуха или любой другой источник тепла, выполненный с возможностью нагревания уловленных аэрозольных частиц на электроде. В некоторых случаях один или оба электрода 104, 106 могут быть выполнены таким образом, что ток может быть пропущен через электрод для обеспечения резистивного нагревания электрода.

В некоторых примерах камера 102 не обязательно должна содержать электроды, а может просто содержать нагреватель. В этих примерах, воздух пропускается в камеру для нагревания и нагревается нагревателем перед тем, как его выпускают обратно в поток воздуха во впускном канале 7 для его анализа с помощью спектрометра 3.

Несмотря на то, что камера 102 описана как содержащая насос, может быть использовано любое устройство для перемещения воздуха в камеру 102 и из камеры, например, вентилятор может быть использован для пропускания воздуха в камеру 102 и из камеры, или поршень может быть использован для изменения объема камеры 102 для втягивания воздуха во внутрь и выталкивания воздуха из камеры 102 через порт 109 во впускной канал 7.

В некоторых примерах во впускном канале 7 может быть предусмотрена камера 102. Например, вместо пропускания некоторого количества воздуха из впускного канала в отдельную камеру 102 для нагрева, камера 102 может представлять собой часть впускного канала, а электроды 104, 106 могут быть выполнены во впускном канале 7. Соответственно, электроды 104, 106 могут быть выполнены с возможностью зарядки и нагревания аэрозолей во впускном канале, как описано выше со ссылкой на работу камеры 102.

На Фиг. 3 показано третье устройство 200. Устройство 200, показанное на Фиг. 3, обеспечивает еще один альтернативный вариант выполнения, обеспечивающий возможность использования спектрометрии подвижности ионов для анализа аэрозолей с низким давлением паров. В примере, показанном на Фиг. 3, реакционная область 211 спектрометра 203 содержит нагреватель 205 для нагревания пробы воздуха для испарения аэрозолей, прежде чем пробы ионизируется.

Устройство 200, показанное на Фиг. 3, содержит спектрометр 203, впускной канал 7, контроллер 2 и переносной источник 5 питания для подачи питания к устройству 200.

Впускное канал 7 содержит средство 6 подачи воздуха для пропускания потока воздуха через впускной канал 7.

Спектрометр 203, изображенный на Фиг. 3, содержит порт 9 для отбора проб, соединенный с впускным каналом 7 для получения пробы воздуха из впускного канала 7, и реакционную область 211, в которой проба может быть ионизирована. Как показано на Фиг. 3, реакционная область содержит ионизатор 23 и нагреватель 205, присоединенный с возможностью управления контроллером 2. Управляющий электрод 13 может отделять реакционную область 211 от дрейфовой камеры 15.

Дрейфовая камера 15 содержит детектор 17, расположенный у противоположного конца дрейфовой камеры 15 относительно управляющего электрода 13. Дрейфовая камера 15 также содержит впускной канал 19 для дрейфового газа, и выпускной канал 21 для дрейфового газа, выполненные с возможностью обеспечения потока дрейфового газа вдоль дрейфовой камеры 15 от детектора 17 к управляющему электроду 13.

Дрейфовая камера также содержит электроды 25, 27 для приложения электрического поля для ускорения ионов в направлении детектора против течения дрейфового газа.

В процессе работы устройства, показанного на Фиг. 3, в ответ на приведение оператором в действие спектрометра 203, контроллер 2 управляет средством 6 подачи воздуха таким образом, что поток воздуха втягивается через впускной канал 7. Контроллер 2 затем управляет спектрометром 3, чтобы получить пробу воздуха из впускного канала 7 через порт 9 в реакционную область 211.

Когда проба воздуха находится в реакционной области 211, контроллер 2 управляет нагревателем 205 для нагревания пробы для испарения аэрозолей в их месте нахождения в реакционной области 211. После того, как проба была нагрета, контроллер 2 управляет ионизатором 23, чтобы ионизировать пробу для анализа спектрометром.

В некоторых случаях ионизатор 23 может содержать нагреватель. Например, когда ионизатор содержит ионизатор коронного разряда, электроды ионизатора могут быть нагреты, чтобы повысить температуру пробы в реакционной области 211. В некоторых случаях электроды ионизатора 23 могут быть выполнены с возможностью работы в качестве электродов 104, 106, описанных выше со ссылкой на Фиг. 2. Например, контроллер 2 может быть выполнен с возможностью управления ионизатором 23, чтобы передавать электрический заряд аэрозольным частицам в реакционной области, и чтобы повысить температуру заряженных частиц путем приложения созданного переменного электрического поля, например, электрического поля радиочастот. В некоторых случаях контроллер 2 может быть выполнен с возможностью управления ионизатором 23, чтобы передавать электрический заряд аэрозольным частицам в реакционной области 211, и приложения электрического поля, чтобы притягивать заряженные частицы к электроду перед нагреванием частиц на электроде. Во всех этих случаях можно использовать электроды ионизатора 23, или же для этой цели могут быть предусмотрены отдельные электроды.

В различных устройствах 1, 100, 200, описанных со ссылкой на Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3, портативный источник 5 питания может содержать аккумуляторную батарею, топливный элемент, конденсатор или любой другой портативный источник электроэнергии, пригодный для подачи электрической энергии к устройству.

Устройства 1, 100, 200, показанные на чертежах, описаны как содержащие средство 6 подачи воздуха. Это средство подачи воздуха, например, может быть обеспечено посредством насоса, или вентилятора, или любого устройства, подходящего для пропускания потока воздуха через впускной канал, такой как сильфон. Если такое устройство используют, оно не обязательно должно быть частью устройства, а может быть выполнено отдельно.

Устройства 1, 100, 200, показанные на чертежах, содержат однорежимный спектрометр 3, 203. Тем не менее, в некоторых случаях спектрометр 3, 203 может содержать спектрометр 3 с режимом определения положительно заряженных частиц и спектрометр 3 с режимом определения отрицательно заряженных частиц. В некоторых случаях однорежимный спектрометр может переключаться между режимами определения положительно и отрицательно заряженных частиц.

Контроллер 2, описанный со ссылкой на Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3, может быть выполнен в виде цифровой логики, такой как программируемые вентильные матрицы, ПЛИС, специализированные интегральные схемы, ASIC, цифровые сигнальные процессоры, DSP, или с помощью программного обеспечения, загруженного в программируемый процессор. Аспекты настоящего изобретения содержат компьютерные программные продукты и могут быть записаны на энергонезависимых машиночитаемых компьютерных носителях, и они могут быть выполнены с возможностью программирования процессора выполнять любой один или несколько из описанных здесь способов.

Несмотря на то, что устройства, показанные на Фиг. 1, Фиг. 2 и Фиг. 3, обеспечивают варианты выполнения настоящего изобретения, также возможны и другие варианты выполнения.

Фиг. 4 иллюстрирует способ 400 управления потреблением мощности в спектрометре для анализа аэрозолей. Как показано на Фиг. 4, способ включает прием 402 сигнала для управления спектрометром. В ответ на сигнал может быть активировано средство подачи воздуха для пропускания потока воздуха через впускной канал спектрометра. Затем впускной канал может быть нагрет таким образом, чтобы осадок мог быть десорбирован 404 из спектрометра и удален продувкой 406 из впускного канала средством подачи воздуха. После десорбции и вымывания осадка, воздух, предназначенный для анализа на аэрозоли, пропускается 408 во впускной канал спектрометра.

Воздух нагревают 410 для испарения аэрозоля, переносимого воздухом, и пробу получают 412 из нагретого воздуха. Затем проба может быть проанализирована 414 с помощью спектрометра.

Чтобы сэкономить энергию, нагревание может быть остановлено до получения пробы из нагретого воздуха. Пробы могут быть получены 412, пока остаточное тепло от десорбции 404 осадка продолжает нагревать воздух.

Нагревание может включать нагревание впускного канала спектрометра, и это нагревание может быть выполнено без получения проб для анализа, чтобы гарантировать, что осадок десорбирован и удален из впускного канала до начала отбора проб. В некоторых случаях осадок может быть десорбирован из спектрометра после того, как проба была получена, и в этих и в других случаях может и не быть необходимо десорбировать осадок до получения проб. Нагревание может включать нагревание воздуха в резервуаре, а затем высвобождение нагретого воздуха из резервуара во впускной канал спектрометра. Нагревание может также включать нагревательный воздух в реакционной области спектрометра.

Хотя варианты выполнения изобретения были описаны как имеющие конкретное применение в спектрометрах подвижности ионов, описанные устройство и способы могут найти применение в других системах анализа, где существует необходимость тестирования паров, связанных с аэрозолями, имеющими низкое давление паров.

Как должно быть понятно, пар может содержать вещество в газообразном состоянии при температуре более низкой, чем температура в его критической точке. В отличие от пара или газа, аэрозоль содержит мелкие взвешенные в газе твердые или жидкие частицы. Как используется в настоящем документе, термин «испарять» используется для обозначения преобразования по меньшей мере некоторого количества вещества из твердого или жидкого состояния в парообразное или газообразное состояние.

Признаки описываемого устройства могут быть изложены в виде признаков способа, и наоборот.

В первом аспекте предложено портативное спектрометрическое устройство для обнаружения аэрозоля. Устройство в этом первом аспекте может содержать спектрометр, портативный источник энергии, расположенный в устройстве для подачи питания к устройству, впускной канал для отбора потока воздуха для его тестирования с помощью спектрометра, нагреватель, выполненный с возможностью нагревания подлежащего тестированию воздуха, для испарения аэрозоля, переносимого воздухом, контроллер, выполненный с возможностью управления спектрометром для получения проб из нагретого воздуха, причем контроллер выполнен с возможностью увеличения отводимого тепла нагревателя в течение выбранного периода времени, до получения проб из нагретого воздуха. В варианте выполнения увеличение отводимого тепла включает увеличение отводимого тепла, начиная с нуля, например, увеличение отводимого тепла может включать включение нагревателя. В одном варианте выполнения увеличение отводимого тепла включает увеличение отводимого тепла от первоначального ненулевого отводимого тепла.

В этом первом аспекте период времени может быть выбран для обеспечения возможности выхода из впускного канала веществ, десорбированных из впускного канала, при этом контроллер может быть выполнен с возможностью уменьшения мощности, создаваемой нагревателем до получения проб. Например, контроллер может быть выполнен с возможностью уменьшения отводимого тепла от нагревателя после выбранного периода времени, и получения проб, когда нагреватель охлаждается, например, до того, как температура нагревателя вернулась к температуре окружающей среды.

В некоторых примерах этого первого аспекта впускной канал содержит сужение, выполненное с возможностью уменьшения поперечного сечения впускного канала, через которое может проходить поток воздуха, а нагреватель выполнен с возможностью нагревания сужения больше, чем остальной части впускного канала. Это сужение может содержать нагреватель. Нагреватели в этом первом аспекте могут содержать проволоку, расположенную в проточном тракте воздуха, так что поток воздуха, чтобы достичь спектрометра, должен пройти мимо проволоки. Например, нагреватель может содержать по меньшей мере одно из решетки, сетки, и плетеной или переплетенной структуры.

Во втором аспекте предложено спектрометрическое устройство для идентификации аэрозоля. В этом втором аспекте устройство содержит: спектрометр, камеру для удержания пробы воздуха и нагреватель, выполненный с возможностью нагревания аэрозоля, переносимого пробой воздуха, для испарения аэрозоля в камере, причем спектрометр выполнен с возможностью идентификации аэрозоля, основываясь на анализе испаренного аэрозоля.

Камера в этом втором аспекте может содержать ионизатор для ионизации пробы воздуха в камере, а устройство может содержать контроллер, выполненный с возможностью управления нагревателем перед приведением в действие ионизатора для ионизации пробы воздуха. Камера в этом втором аспекте может содержать электрод, выполненный с возможностью передачи электрического заряда аэрозолю в камере.

В третьем аспекте предложен способ управления потреблением мощности в спектрометре для анализа аэрозолей. В этом третьем аспекте изобретения способ включает увеличение отводимого тепла от нагревателя, для десорбции веществ из впускного канала спектрометра; после десорбции, пропускание воздуха, предназначенного для тестирования на аэрозоли, во впускной канал спектрометра; нагревание воздуха для испарения аэрозоля, переносимого воздухом; получение пробы из нагретого воздуха; и выполнение анализа испаренного аэрозоля с помощью спектрометра. Увеличение отводимого тепла может включать увеличение мощности, подаваемой к нагревателю, например, путем включения нагревателя.

Указанный способ может включать уменьшение отводимого тепла от нагревателя до получения пробы из нагретого воздуха. В третьем аспекте нагревание воздуха может включать нагревание впускного канала спектрометра. Это может включать нагревание впускного канала без получения проб для десорбции веществ из впускного канала, и может включать удаление десорбированного вещества из впускного канала до получения проб.

В варианте выполнения нагревание воздуха включает нагревание воздух в камере, а затем высвобождение нагретого воздуха из камеры для отбора проб из впускного канала спектрометра. В одном варианте выполнения нагревание воздуха включает нагревание воздуха в камере спектрометра, например, нагревание в реакционной области. В одном варианте выполнения камера содержит ионизатор коронного разряда для ионизации пробы в камере, причем указанный способ включает нагревание ионизатора коронного разряда до ионизации пробы. В одном варианте выполнения способ включает передачу электрического заряда аэрозолю (например, в камере) и нагревание заряженного аэрозоля, подвергая заряженный аэрозоль воздействию переменного электрического поля.

Следует также понимать, что конкретные комбинации различных признаков, описанных и определенных в любых аспектах изобретения, могут быть реализованы и/или выполнены и/или использованы независимо. Другие примеры и варианты будут очевидны специалистам в данной области техники в контексте настоящего описания.

Изобретение относится к области спектрометрии и может быть использовано для анализа аэрозолей. Предложены портативное спектрометрическое устройство (1) подвижности ионов для обнаружения аэрозоля и способ использования устройства. Устройство содержит спектрометр (3) подвижности ионов, портативный источник (5) питания, расположенный в устройстве и предназначенный для подачи питания к устройству (1), впускной канал (7) для отбора потока воздуха, предназначенного для тестирования с помощью спектрометра (3), нагреватель (4), выполненный с возможностью нагревания, предназначенного для тестирования воздуха, для испарения аэрозоля, переносимого воздухом, и контроллер (2), выполненный с возможностью управления спектрометром (3) для получения проб из нагретого воздуха. Причем контроллер выполнен с возможностью увеличения отводимого от нагревателя (4) тепла в течение выбранного периода времени до получения проб из нагретого воздуха. Технический результат – повышение информативности получаемых данных. 3 н. и 22 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Портативное спектрометрическое устройство для обнаружения аэрозоля, содержащее:

спектрометр,

портативный источник питания, расположенный в устройстве и предназначенный для подачи питания к устройству,

впускной канал для отбора потока воздуха, предназначенного для тестирования с помощью спектрометра,

нагреватель, выполненный с возможностью нагревания, предназначенного для тестирования воздуха, для испарения аэрозоля, переносимого воздухом,

контроллер, выполненный с возможностью управления спектрометром для получения проб из нагретого воздуха, причем контроллер выполнен с возможностью увеличения отводимого от нагревателя тепла в течение выбранного периода времени до получения проб из нагретого воздуха.

2. Устройство по п. 1, в котором указанный период времени выбирается с обеспечением возможности выхода из впускного канала веществ, десорбированных из впускного канала.

3. Устройство по п. 1, в котором контроллер выполнен с возможностью уменьшения мощности, поддаваемой нагревателю после истечения выбранного периода времени, и получения проб после уменьшения мощности.

4. Устройство по п. 1, в котором впускной канал содержит сужение, выполненное с возможностью уменьшения поперечного сечения впускного канала, через который может проходить поток воздуха, а нагреватель выполнен с возможностью нагревания сужения больше, чем остальные части впускного канала.

5. Устройство по п. 4, в котором указанный нагреватель установлен в указанном сужении.

6. Устройство по п. 1, в котором нагреватель содержит проволоку, расположенную в проточном тракте воздуха, так что поток воздуха должен пройти мимо проволоки, чтобы достичь спектрометра.

7. Устройство по п. 4, в котором нагреватель содержит по меньшей мере одно из следующего: решетку, сетку и плетеную или переплетенную структуру.

8. Устройство по пп. 4-7, в котором нагреватель содержит конструкцию, имеющую по меньшей мере 60% воздуха по объему.

9. Устройство по п. 1, содержащее камеру для хранения предназначенной для тестирования пробы воздуха, причем нагреватель выполнен с возможностью нагревания воздуха в камере.

10. Устройство по п. 9, в котором контроллер выполнен с возможностью выпуска нагретого воздуха из камеры в поток воздуха во впускном канале, чтобы обеспечить подогретый поток, и с возможностью управления спектрометром для получения проб из нагретого потока.

11. Устройство по п. 3, в котором контроллер выполнен с возможностью управления нагревателем для обеспечения второго отводимого тепла для испарения аэрозолей, переносимых воздушным потоком, и для получения проб, когда нагреватель управляется так, чтобы обеспечить второе отводимое тепло, или когда нагреватель охлаждается.

12. Спектрометрическое устройство для идентификации аэрозоля, содержащее:

впускной канал для отбора потока воздуха, предназначенного для тестирования с помощью спектрометра,

спектрометр, имеющий порт для отбора проб, соединенный с впускным каналом,

камеру для хранения пробы воздуха, выполненную отдельно от впускного канала и соединенную с впускным каналом посредством порта, расположенного выше по потоку от порта для отбора проб спектрометра, и

нагреватель, выполненный с возможностью нагревания аэрозоля, переносимого пробой воздуха, для испарения аэрозоля в камере, причем спектрометр выполнен с возможностью идентифицировать аэрозоль, основываясь на анализе аэрозоля, испаренного в указанной камере.

13. Устройство по п. 12, в котором камера содержит ионизатор для ионизации пробы воздуха в камере, причем устройство содержит контроллер, выполненный с возможностью управления нагревателем перед приведением в действие ионизатора для ионизации пробы воздуха.

14. Устройство по п. 12, в котором камера содержит электрод, выполненный с возможностью передачи электрического заряда аэрозолю в камере.

15. Устройство по п. 14, в котором электрод выполнен с возможностью приложения к области камеры переменного электрического поля для нагревания электрически заряженных аэрозолей в указанной области.

16. Устройство по п. 14, в котором контроллер выполнен с возможностью подачи напряжения на электрод для притяжения электрически заряженного аэрозоля к электроду и для нагревания электрода для испарения аэрозоля.

17. Устройство по п. 12, в котором нагреватель выполнен с возможностью нагревания указанного порта.

18. Способ управления потреблением мощности в спектрометре для анализа аэрозолей, включающий:

прием сигнала об управлении спектрометром,

в ответ на сигнал, увеличение отводимого от нагревателя тепла для десорбирования веществ из впускного канала спектрометра,

после десорбции, пропускание воздуха, подлежащего тестированию на аэрозоль, во впускной канал спектрометра,

нагревание воздуха для испарения аэрозоля, переносимого воздухом,

получение пробы из нагретого воздуха и

анализ испаренного аэрозоля с помощью спектрометра.

19. Способ по п. 18, в котором до получения пробы из нагретого воздуха дополнительно снижают мощность, подаваемую к нагревателю.

20. Способ по п. 18, в котором при нагревании воздуха нагревают впускной канал спектрометра.

21. Способ по п. 20, в котором при нагревании впускного канала спектрометра нагревают впускной канал без получения проб.

22. Способ по п. 18, в котором до получения пробы удаляют десорбированное вещество из спектрометра.

23. Способ по п. 19, в котором при снижении мощности, подаваемой к нагревателю, управляют нагревателем для обеспечения второго отводимого тепла для испарения аэрозолей, переносимых воздушным потоком, и для получения проб, когда нагревателем управляют так, чтобы обеспечить второе отводимое тепло, или когда нагреватель охлаждается.

24. Способ по п. 18, в котором нагреватель включает ионизатор спектрометра.

25. Способ по 18-23, в котором нагреватель содержит конструкцию, имеющую по меньшей мере 60% воздуха по объему.