СПОСОБ АНАЛИЗА МНОГОКОМПОНЕНТНЫХ ГАЗОВЫХ СРЕД И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2021 года по МПК G01N27/00 

Изобретение относится к средствам для анализа газовых сред на основе полупроводниковых датчиков (сенсоров), в частности, к анализаторам многокомпонентных смесей, содержащих различные газы и летучие органические соединения, и может применяться, например, для анализа выдыхаемого человеком воздуха с целью диагностики заболеваний или для анализа воздуха жилых и производственных помещений.

Одним из видов газоанализаторов являются приборы на основе газочувствительных датчиков (сенсоров), таких как электрохимические, оптические, термокаталитические, полупроводниковые и пр. Преимуществами таких приборов являются низкая стоимость, простота в эксплуатации и обслуживании, малые габариты и масса, работа в реальном масштабе времени, возможность детектирования широкого спектра газов, в том числе анализ многокомпонентных систем. Датчики, используемые в мультисенсорном анализе, могут быть основаны на измерении: проводимости, прироста массы, характеристик поверхностных акустических волн, оптических параметров. Измерение проводимости наиболее просто технически реализуемо, и основными материалами для решения практических задач в этом случае являются металлооксидные и полимерные проводящие сенсоры.

Известно мультисенсорное устройство для распознавания и/или обнаружения запахов типа «Электронный нос» по патенту РФ на полезную модель №117007, МПК G01N 27/27, опубл. 10.06.2012 г. Устройство предназначено для высокоэффективного распознавания запахов различных веществ, в том числе в составе различных смесей, содержащее аспирационный насос, пневматический коммутатор, фильтр и сенсорный блок, пневматически связанные друг с другом, а также блок регистрации и управления. Сенсорный блок содержит по крайней мере два полимерных полупроводящих тонкопленочных сенсора, а также нагреватель для регенерации чувствительного материала сенсоров. Несмотря на то, что устройство обладает повышенной чувствительностью, селективностью и стабильностью, спектр детектируемых им газов ограничен количеством установленных сенсоров. Между тем для решения таких аналитических задач, как диагностика заболеваний по выдыхаемому воздуху, контроль вредных выбросов на промышленных предприятиях, проверка свежести продуктов питания, сверхраннее обнаружение отравляющих веществ и т.п. требуется анализ многокомпонентных смесей, состоящих из большого количества газов и летучих органических соединений. Количество таких веществ может значительно превосходить количество веществ, из которых изготавливаются сенсоры.

Для решения задачи детектирования большого количества веществ ограниченным набором датчиков более подходящими являются металлооксидные полупроводниковые сенсоры. Особенностью этих сенсоров является то, что при разной температуре их чувствительность к различным газам существенно меняется. Поэтому можно одним сенсором, изменяя его температуру, получить отклик на различные газы. Датчики данного типа состоят из нагревателя и находящегося с ним в тепловом контакте газочувствительного сенсора. С помощью нагревателя создается требуемая температура на сенсоре. Температурный режим работы таких сенсоров лежит в диапазоне 200-450°С. При взаимодействии сенсора с молекулами газов происходит изменение его сопротивления. Таким образом, измерив сопротивление полупроводникового датчика при разных температурах, можно получить набор данных, характеризующих состав многокомпонентных газовых смесей.

Известен газоанализатор, в котором использован один или несколько полупроводниковых газовых датчиков резистивного типа, по патенту РФ на полезную модель №70992, МПК G01N 27/00, опубл. 20.02.2008 г.

Известный газоанализатор содержит газовую камеру, в которой установлен по крайней мере один полупроводниковый газовый датчик, систему прокачки газа с побудителем расхода газа, электронный блок непрерывного измерения сопротивления датчика и его температуры и электронный блок управления задаваемой развертки температуры датчика.

Анализ газовой среды осуществляют следующим образом. С помощью побудителя расхода анализируемая смесь закачивается в газовую камеру, после чего осуществляется непрерывное измерение сопротивления полупроводникового датчика. При этом изменяют температуру датчика в рабочем для данного типа датчиков диапазоне. Например, монотонно увеличивают температуру датчика от 100°С до 450°С или монотонно уменьшают от 450°С до 100°С за счет естественного теплообмена со средой. Анализ газообразных веществ в данном случае основан на математической обработке данных по температурной зависимости сопротивления датчика. Разные газообразные вещества, в зависимости от их физико-химических свойств и температуры поверхности датчика, имеют разную энергию связи с поверхностью датчика и максимальный отклик датчика при оптимальной температуре детектирования, т.е. наибольшее изменение его сопротивления в зависимости от n- или р-типа проводимости полупроводникового адсорбента, что характерно для определенных оптимальных температур поверхности различных полупроводников в случае детектирования конкретного газа (микропримеси).

Недостатками данного устройства являются низкая воспроизводимость результатов, связанная с большим влиянием на сопротивление полупроводникового датчика влажности анализируемой газовой среды и парциального давления кислорода, а также необходимость введения значительного объема пробы для поддержания постоянной концентрации анализируемого газа в камере в течение всего времени измерения. Длительность измерения определяется тепловой инерционностью полупроводникового датчика и временем замены среды в газовой камере.

Наиболее близким по технической сущности и назначению к заявленному является устройство для анализа многокомпонентных газовых сред, описанное в статье ((Detection and Classification of Human Body Odor Using an Electronic Nose» авторов Chatchawal Wongchoosuk, Mario Lutz and Teerakiat Kerdcharoen в журнале: Sensors 2009, v. 9, p. 7234-7249 (открытый доступ на web-ресурсе: www.mdpi.com/iournal/sensors), и выбранное за прототип, включающее газовую камеру, в которой установлены 5 полупроводниковых газовых датчиков, электронный блок непрерывного измерения сопротивлений каждого из 5-ти датчиков и сигналов датчиков влажности и температуры, электронный блок для установки температуры каждого полупроводникового газового датчика и систему подачи газа, в которой есть побудитель расхода газа. При этом газовая камера, помимо полупроводниковых газовых датчиков, содержит датчики влажности и температуры. Система подачи газа, помимо побудителя расхода газа, содержит электромагнитные клапаны для переключения входа газовой камеры с источника анализируемой среды на источник очищающего (нулевого) газа. Газовая камера содержит отверстие для ввода газа, соединенное с системой подачи газа, и отверстие для выхода газа. Таким образом, подаваемый с помощью побудителя расхода газ поступает в газовую камеру через входное отверстие и свободно выходит из газовой камеры через выходное отверстие.

Анализ газовой среды с использованием данного устройства осуществляют следующим образом. При включении устройства устанавливают требуемые температуры полупроводниковых датчиков. Для этого с помощью электронного блока для установки температуры подают на нагревательные элементы каждого полупроводникового датчика фиксированное напряжение (напряжение нагрева). Через газовую камеру с помощью побудителя расхода газа непрерывно прокачивают нулевой газ со скоростью потока 150 мл/мин. Для этого электромагнитные клапаны переводят в положение, соединяющее вход газовой камеры с источником нулевого газа. При этом за счет работы побудителя расхода производится подача нулевого газа в газовую камеру через входное отверстие и его выход через выходное отверстие. Прокачав таким образом в течение определенного времени нулевой газ через газовую камеру, производят ее очистку. Полноту очистки газовой камеры непрерывно контролируют, измеряя сопротивления полупроводниковых газовых датчиков и сигналы датчиков влажности и температуры. Ориентировочно требуемое для полной очистки газовой камеры время τ можно рассчитать из уравнения:

)

где η - кратность замены газовой среды в камере, например, η=5 (пятикратная замена газовой среды камеры), V - объем газовой камеры, например, V=30 мл, Q - скорость потока, например, Q=150 мл/мин. Для приведенных значений, τ=1 мин.

Прокачку газовой камеры нулевым газом осуществляют до установления показаний всех датчиков и их соответствия стандартным показаниям в нулевом газе.

Затем электромагнитные клапаны переводят в положение, соединяющее вход газовой камеры с источником анализируемой среды. За счет работы побудителя расхода производится подача анализируемой среды в газовую камеру через входное отверстие со скоростью потока 150 мл/мин и его выход через выходное отверстие. Непрерывно измеряют сопротивления полупроводниковых газовых датчиков, сигналы датчиков влажности и температуры. После прокачки таким образом в течение определенного времени анализируемой среды через газовую камеру регистрируют установившиеся показания всех датчиков.

Недостатками прототипа являются:

- низкая чувствительность к широкому спектру газов, связанная с измерением сопротивлений полупроводниковых газовых датчиков только при одной фиксированной температуре;

- низкая воспроизводимость результатов, связанная с влиянием на сопротивление полупроводниковых газовых датчиков изменяющегося с течением времени парциального давления кислорода, содержащегося в анализируемой смеси;

- увеличенное время, требуемое для очистки газовой камеры и системы прокачки газа от предыдущей пробы, что связано с наличием электромагнитных клапанов, а, следовательно, дополнительных пневматических соединений.

- большой объем анализируемой среды, которую нужно непрерывно подавать в газовую камеру до полного установления показаний всех датчиков.

Изобретение решает задачу создания усовершенствованного способа анализа многокомпонентных газообразных смесей с повышенной чувствительностью и селективностью к широкому спектру газов, высокой воспроизводимостью результатов и сокращенным временем измерений, и соответствующего устройства для реализации этого способа.

Техническим результатом от использования данного изобретения являются повышение чувствительности и селективности к широкому спектру газов за счет возможности измерения сопротивлений газовых датчиков при разных температурах; улучшение воспроизводимости результатов благодаря наличию датчика кислорода; сокращение времени измерений за счет уменьшения времени очистки газовой камеры; уменьшение требуемого для анализа объема пробы газа.

Для достижения указанных технических результатов, по способу анализа многокомпонентных газовых сред, включающему установку начальных температур полупроводниковых газовых датчиков путем подачи на нагревательные элементы этих датчиков фиксированного напряжения нагрева, предварительную очистку газовой камеры путем прокачки через нее нулевого газа, подключение источника анализируемой среды ко входу газовой камеры и подачу анализируемой среды в газовую камеру, непрерывное измерение сопротивлений полупроводниковых газовых датчиков и сигналов датчиков влажности и температуры, их регистрацию и обработку показаний всех датчиков, согласно заявленному способу, очистку газовой камеры осуществляют путем прокачки нулевого газа через пневматическую магистраль для рециркуляции пробы, подачу анализируемой среды в газовую камеру осуществляют с помощью устройства форсированного ввода пробы, герметично соединяемого с входным отверстием газовой камеры, после чего непрерывно измеряют сопротивления всех газовых датчиков сначала при начальной температуре, затем ступенчато изменяют температуры полупроводниковых газовых датчиков, измеряют и регистрируют установившиеся значения сопротивлений каждого полупроводникового газового датчика при каждом из этих значений температуры, измеряют и регистрируют также параметры влажности, температуры среды и концентрации кислорода с помощью соответствующих датчиков, а анализ наличия и концентрации газообразных веществ в исследуемой среде производят путем математической обработки измеренных значений электрических сопротивлений газовых датчиков при разных температурах, с учетом влажности, температуры среды и концентрации кислорода.

При этом очистку газовой камеры осуществляют непрерывно с помощью побудителя расхода газа, в качестве нулевого газа используют окружающий воздух, а прокачку газовой камеры нулевым газом осуществляют до установления показаний всех датчиков в соответствии со стандартными показаниями в нулевом газе. Скорость потока газа в газовой камере должна быть преимущественно в диапазоне от 100 до 300 мл/мин.

Кроме того, переход от одной температуры на нагревательных элементах полупроводниковых газовых датчиков к другой температуре осуществляют либо по достижении стабильных показаний сигналов датчиков, либо спустя определенное время, а корректировку измеренных сопротивлений полупроводниковых газовых датчиков производят на основании уравнения зависимости их сопротивлений от влажности, температуры среды и концентрации кислорода.

В устройстве для анализа многокомпонентных газовых сред, включающем газовую камеру с установленными в ней полупроводниковыми газовыми датчиками, датчиками влажности и температуры, систему подачи газа с побудителем расхода газа, электронный блок непрерывного измерения сопротивлений датчиков, их температур и электрических сигналов с датчиков влажности и температуры, электронный блок для установки температур полупроводниковых газовых датчиков, согласно изобретению, в устройстве дополнительно установлен датчик кислорода, выход которого подключен ко входу электронного блока непрерывного измерения сопротивлений датчиков, а система подачи газа дополнительно снабжена устройством форсированного ввода пробы, установленным во входном отверстии газовой камеры, а также пневматической магистралью для рециркуляции пробы, через газовый тройник пневматически связанной с побудителем расхода газа и механическим спускным клапаном.

При этом газовая камера изготовлена из химически инертного материала, а площадь сечения входного отверстия газовой камеры, к которому присоединяется устройство форсированного ввода пробы, выполнена существенно большей площади сечения пневматической магистрали для рециркуляции пробы.

В качестве устройства форсированного ввода пробы использован резервуар из химически инертного материала объемом, значительно превышающим суммарный объем газовой камеры и пневматической магистрали. При этом площадь сечения внутренней поверхности входного отверстия газовой камеры должна быть выполнена не больше площади сечения наружной поверхности устройства форсированного ввода пробы для обеспечения герметичной посадки.

Кроме того, в качестве пневматической магистрали использована трубка из химически инертного материала с площадью сечения, меньшей площади сечения входного отверстия газовой камеры, а в качестве побудителя расхода газа использован микро вакуумный мембранный насос.

Таким образом, в отличие от прототипа, способ дополнительно включает измерение сопротивлений полупроводниковых газовых датчиков при нескольких последовательно ступенчато изменяющихся фиксированных температурах, с учетом влияния на сопротивление этих датчиков изменяющегося с течением времени давления кислорода анализируемой смеси, анализируемая проба газа впрыскивается под давлением и является достаточной для проведения всего анализа, а устройство, помимо одного или нескольких полупроводниковых газовых датчиков, датчиков влажности и температуры, содержит дополнительно датчик кислорода, причем система подачи газа, кроме побудителя расхода газа, дополнительно содержит устройство форсированного ввода пробы, газовый тройник, механический спускной клапан и пневматическую магистраль для рециркуляции пробы.

Изобретение поясняется чертежами, где на Фиг. 1 показана блок-схема устройства для анализа многокомпонентных газовых сред; на Фиг. 2 представлено устройство в режиме очистки газовой камеры окружающим воздухом; на Фиг. 3 - то же в режиме анализа исследуемой пробы, с размещением устройства форсированного ввода пробы (а) и введением пробы в устройство (б), соответственно.

Как показано на фиг. 1, заявленное устройство содержит газовую камеру 1, в которой установлены полупроводниковые газовые датчики 2, а также датчик влажности 3, датчик температуры 4 и датчик кислорода 5. Количество установленных полупроводниковых газовых датчиков 2 определяют, исходя из того, какое количество газовых компонентов требуется измерять, а также с учетом свойств газовых датчиков, в частности, проявлять чувствительность в зависимости от интервалов изменения температуры их нагревательных элементов, однако наиболее целесообразной является установка по меньшей трех газовых датчиков 2. При этом полупроводниковые газовые датчики 2, установленные в газовой камере 1, выполнены преимущественно металлооксидными.

Выход газовой камеры 1 через побудитель расхода газа 6 пневматически соединен с механическим спускным клапаном 7, вход которого подключен к первому выходу газового тройника 8, а ко второму его выходу подключена пневматическая магистраль 9 для рециркуляции пробы.

На входе газовая камера 1 содержит отверстие 10 для ввода газа, к которому в процессе измерений может быть герметично присоединено устройство 11 форсированного ввода пробы, форма сечения которого имеет преимущественно круглую форму, как наиболее практичную в изготовлении. В то же время форма сечения этого устройства, а соответственно, и форма сечения входного отверстия 10 газовой камеры 1 может быть выполнена также и прямоугольной или многоугольной.

Пневматическая магистраль 9 для рециркуляции пробы другим концом соединена с отверстием 10 для ввода пробы газа, тем самым соединяя его с одним из концов газового тройника 8, соединенного через механический спускной клапан 7 с отверстием для выхода газа из газовой камеры 1.

Первые выходы полупроводниковых газовых датчиков 2, а также выходы датчика влажности 3, датчика температуры 4 и датчика кислорода 5 подключены ко входам электронного блока 12 непрерывного измерения сопротивлений каждого из газовых датчиков, который также измеряет и сигналы от датчиков влажности, температуры и кислорода. Вторые выходы газовых датчиков 2 подключены ко входам электронного блока 13 для установки температуры каждого из этих датчиков.

Газовая камера 1 должна иметь минимальный объем, позволяющий установить в ней герметично все датчики, и быть изготовлена из химически инертного материала. Для эффективной очистки газовой камеры необходимо, чтобы площадь сечения входного отверстия газовой камеры 1, к которому присоединяется устройство И форсированного ввода пробы и через который после его отсоединения закачивается окружающий воздух, была бы больше площади сечения пневматической магистрали 9 для рециркуляции пробы.

В качестве полупроводниковых газовых датчиков 2 могут быть использованы коммерчески доступные датчики, например, датчики производства Figaro Engineering Inc. (http://www.figaro.co.jp/) или датчики производства АО «НПО «Прибор» (Санкт-Петербург).

В качестве датчиков влажности 3 и температуры 4 могут быть использованы, например, датчики производства Honeywell (www.honeywell.com/sensing) НШ-4602.

В качестве датчика кислорода 5 могут быть использованы, например, электрохимические датчики производства ООО "Оксоний" (http://www.oxonsens.ru/). При этом, в зависимости от конструкции, датчик кислорода 5 может быть установлен либо в газовой камере 1, либо в пневматической магистрали 9 (например, датчик кислорода проточного типа), что не влияет на результаты измерений.

В качестве побудителя расхода газа 6 может быть использован микро вакуумный мембранный насос, обеспечивающий скорость потока в диапазоне от 50 до 300 мл/мин. Например, микро вакуумный насос фирмы YIMAKER DC3V, создающий воздушный поток со скоростью до 0.3 л/мин и давление до 30 кПа.

Механический спускной клапан 7 должен обеспечивать герметичность, т.е. не пропускать газ при давлении, создаваемом побудителем расхода газа 6, в частности, не пропускать газ при давлении до 30 кПа для приведенного примера побудителя. При этом механический спускной клапан 7 должен пропускать газ при давлении, создаваемом устройством 11 форсированного ввода пробы, например, при давлении более 300 кПа.

В качестве газового тройника 8 может быть использован Т-образный фитинг для гибкой трубки соответствующего сечения, например, тройник для эластичных трубок с посадочным диаметром 3 мм.

В качестве пневматической магистрали 9 может быть использована трубка соответствующего сечения из химически инертного материала, площадь сечения которой существенно меньше площади сечения входного отверстия газовой камеры, например, в 4-5 раз и более. В варианте исполнения это может быть трубка эластичная из силикона внутренним диаметром 3 мм.

В случае использования устройства 11 форсированного ввода пробы круглого сечения и соответствующего ему входного отверстия 10 газовой камеры, можно говорить об аналогичном соотношении диаметров сечения пневматической магистрали 9 и входного отверстия 10 газовой камеры.

Устройство 11 форсированного ввода пробы может быть выполнено в виде резервуара из химически инертного материала объемом, значительно превышающим суммарный объем газовой камеры 1 и пневматической магистрали 9 (например, в 3-4 раза и более), что обеспечивает форсированный (т.е. под избыточным давлением) впрыск содержащейся в нем газовой смеси в газовую камеру 1. Создаваемое устройством 11 форсированного ввода пробы давление должно быть достаточным для преодоления пневматического сопротивления механического спускного клапана 7, например, давление, превышающее 300 кПа. При соблюдении последнего условия форсировано вводимая газовая смесь будет выходить через механический спускной клапан 7. Такой объем устройства 11 форсированного ввода пробы позволяет многократно заменить содержимое газовой камеры 1 и пневматической магистрали 9 газовой смесью из устройства форсированного ввода пробы. В качестве устройства форсированного ввода пробы может быть применен, например, одноразовый 3х компонентный шприц Жане объемом 150 мл. В таком случае внутренний диаметр отверстия для ввода пробы должен соответствовать внешнему диаметру корпуса шприца, а рабочий объем газовой камеры должен быть в несколько раз меньше, чем 150 мл.

Электронный блок 12 непрерывного измерения сопротивлений полупроводниковых газовых датчиков должен измерять электрические сигналы всех датчиков, включая датчики влажности, температуры и кислорода. Последующая обработка измеренных сопротивлений полупроводниковых газовых датчиков и корректировка полученных результатов производится на основании уравнения зависимости их сопротивлений от влажности, температуры среды и концентрации кислорода с помощью персонального компьютера (ПК) (на чертежах не показан).

Электронный блок 13 для установки температуры каждого датчика должен обеспечивать установку температуры каждого полупроводникового газового датчика в диапазоне от 100 до 450°С.

Анализ газовой среды с использованием устройства осуществляют следующим образом. При включении устройства устанавливают начальные температуры полупроводниковых датчиков 2. Для этого с помощью электронного блока 13 для установки температуры подают на нагревательные элементы каждого полупроводникового датчика фиксированное напряжение (напряжение нагрева). Например, устанавливают на всех полупроводниковых газовых датчиках максимально допустимую температуру - 450°С, что позволяет провести очистку всех элементов газовой камеры наиболее эффективно. Устройство 11 форсированного ввода пробы должно быть при этом отсоединено от отверстия 10 для ввода газа, как показано на фиг. 2.

В этом положении осуществляют очистку газовой камеры 1 окружающим воздухом. Для этого за счет работы побудителя расхода газа 6 в газовую камеру 1 непрерывно подают окружающий воздух (нулевой газ) через отверстие 10 для ввода газа. Воздух первоначально проходит через газовую камеру 1, затем через пневматическую магистраль 9 для рециркуляции пробы и выходит через отверстие 10 для ввода газа. Полноту очистки газовой камеры 1 непрерывно контролируют, измеряя сопротивления полупроводниковых газовых датчиков 2 и сигналы датчиков влажности 3, температуры 4 и кислорода 5. Прокачку газовой камеры 1 осуществляют до установления показаний всех датчиков и их соответствия стандартным показаниям в нулевом газе.

Затем в устройство 11 форсированного ввода пробы забирают анализируемую пробу (см. фиг. 3). Для этого втягивают воздух, например, из ротовой полости пациента в применяемый в медицине шприц Жане объемом 150 мл. При необходимости аналогично может быть взята на исследование проба газовоздушной смеси из какого-либо помещения или другого закрытого объема.

После забора пробы устройство 11 форсированного ввода пробы герметично соединяют с входным отверстием 10 для ввода пробы (см. фиг. 3а). После этого выдавливают находящуюся в нем пробу (см. фиг. 3б) в газовую камеру 1 и непрерывно измеряют сигналы всех датчиков 2 при начальной температуре. После установления стабильных показаний всех датчиков при начальной температуре или спустя определенное время изменяют температуры полупроводниковых газовых датчиков, например, устанавливают на всех полупроводниковых газовых датчиках 2 температуру 350°С. После установления стабильных показаний или спустя определенное время измеряют сопротивления этих датчиков и вновь изменяют температуры полупроводниковых газовых датчиков 2, например, до 250°С, и т.д. Шаг изменения температуры, подаваемой на нагревательные элементы датчиков 2, может быть любым и выбирается, исходя из поставленной задачи, в частности, какое количество газовых компонентов требуется измерять, и из свойств конкретных газовых датчиков.

Анализ газообразных веществ в предлагаемом устройстве основывается на математической обработке данных электрического сопротивления газовых датчиков при разных температурах. Так как различные газообразные вещества в зависимости от их физико-химических свойств и температуры датчика имеют разную энергию связи с поверхностью датчика, максимальная реакция датчика, т.е. наибольшее изменение его электрического сопротивления, на конкретный газ происходит при определенной температуре газочувствительного слоя датчика. Таким образом, массив значений сопротивлений газовых датчиков при различных температурах характеризует состав анализируемой среды.

Другими словами, количество полупроводниковых газовых датчиков, умноженное на количество установленных температур, дает максимальное количество детектируемых газов. Например, в случае использования трех полупроводниковых газовых датчиков и при трех разных температурах возможно продетектировать до 9 различных газов. Количество установленных полупроводниковых газовых датчиков и количество устанавливаемых температур определяют, исходя из аналитической задачи и свойств газовых датчиков. В то же время количество установленных полупроводниковых газовых датчиков может быть ограничено доступным ассортиментом существенно различных датчиков, а количество устанавливаемых температур ограничено теми значениями, при которых газовые свойства используемых датчиков значительно меняются. При этом в устройстве возможны два способа перехода от одной температуры полупроводниковых газовых датчиков к другой, а именно, по достижении стабильных показаний либо спустя определенное время. Например, в последнем случае может быть применено монотонное изменение температуры по заданному алгоритму, например, охлаждение с 450°С до 200°С со скоростью 5°С/сек, тогда общее время анализа составит 50 сек.

Поскольку сопротивления газовых датчиков зависят не только от состава среды и температуры самих датчиков, а также от влажности, температуры среды и концентрации кислорода, эти параметры также измеряют и производят корректировку измеренных сопротивлений полупроводниковых газовых датчиков. Концентрация кислорода измеряется дополнительным по сравнению с прототипом датчиком кислорода. Корректировку измеренных значений сопротивления каждого полупроводникового газового датчика производят на основании уравнения зависимости его сопротивления от влажности, температуры среды и концентрации кислорода.

Для корректной работы полупроводниковых газовых датчиков может быть рекомендована скорость потока газа в газовой камере в диапазоне от 100 до 300 мл/мин. Если скорость потока будет ниже, нагреватели полупроводниковых датчиков при подаче на них фиксированного напряжения будут перегреваться, а чувствительные поверхности этих датчиков будут плохо очищаться от пробы. Если скорость потока будет выше, нагреватели полупроводниковых датчиков при подаче на них фиксированного напряжения будут охлаждаться потоком.

В качестве варианта реализации изобретения авторами был разработан и изготовлен образец устройства для осуществления заявленного способа, предназначенный для диагностики заболеваний человека путем анализа выдыхаемого воздуха. Анализ выдыхаемого воздуха позволяет выявлять летучие биомаркеры ряда заболеваний, в том числе таких серьезных, как злокачественные опухоли различной локализации, диабет, сердечно-сосудистые заболевания, желудочно-кишечные заболевания. Наиболее часто встречаемыми летучими биомаркерами являются ацетон, сероводород, аммиак и различные летучие органические и неорганические вещества в концентрациях от нескольких единиц и до нескольких десятков миллионных долей (ppm). Таким образом, анализ выдыхаемого воздуха может стать достоверным и чувствительным способом раннего обнаружения начинающегося патофизиологического процесса.

В указанном устройстве внутреннее пространство газовой камеры представляет собой, например, цилиндр высотой 5 мм и диаметром 45 мм и, следовательно, внутренним объемом 8 мл. В камере установлены 7 полупроводниковых газовых датчиков S1…S7, а также датчик влажности со встроенным датчиком температуры. Все датчики установлены герметично в днище газовой камеры таким образом, что их чувствительные поверхности обращены внутрь газовой камеры. Проточный датчик кислорода встроен в пневматическую магистраль. Циркуляция пробы анализируемого воздуха в камере осуществляется газовой помпой с регулируемой скоростью потока от.150 до 900 мл/мин. В качестве устройства форсированного ввода пробы используется 20 мл шприц марки SFM Hospital Products с внешним диаметром корпуса 20.5 мм. Соответственно, отверстие для присоединения шприца имеет диаметр, немного меньший 20.4 мм для того, чтобы шприц присоединялся к газовой камере достаточно туго и герметично.

Для анализа выдыхаемого человеком воздуха забирают в шприц объемом 20 мл воздух из ротовой полости пациента, присоединяют шприц к газовой камере, туго установив его в отверстие и выдавливают пробу, как показано на (фиг. 3, а и б). С помощью электронного блока для установки температуры каждого датчика первоначально устанавливают на всех 7 полупроводниковых газовых датчиках температуру 250°С и регистрируют установившиеся значения сопротивлений каждого полупроводникового газового датчика, затем устанавливают температуру 350°С и регистрируют установившиеся значения сопротивлений каждого полупроводникового газового датчика, затем устанавливают температуру 450°С и регистрируют установившиеся значения сопротивлений каждого полупроводникового газового датчика. Таким образом, получают по 7 значений сопротивлений полупроводниковых газовых датчиков при 3 различных температурах, получая таким образом 21 значение. Путем сравнения полученных значений сопротивлений полупроводниковых газовых датчиков с известными значениями их сопротивлений при разных концентрациях газов-маркеров при температурах 250, 350 и 450°С определяют концентрации газов-маркеров. При этом после введения пробы относительная влажность, определяемая датчиком влажности, не должна быть ниже 95%, температура, определяемая датчиком температуры, должна находиться в диапазоне 30-40°С, концентрация кислорода, определяемая датчиком кислорода, должна быть в диапазоне 16-18%.

Сопротивления датчиков к различным газам при разных температурах представлены в таблице 1.

Диагноз пациенту ставят в соответствии с конкретной медицинской методикой.

Например, у пациентов с ЛОР-патологией забирали натощак воздух ротовой полости в Зх компонентный шприц объемом 20 мл. Пробу из каждого шприца вводили в устройство и регистрировали значения сопротивлений каждого полупроводникового газового датчика при температурах 250, 350 и 450°С. При превышении уровня сероводорода пациенту рекомендовалось обследование на галитоз, при превышении уровней водорода, метана и аммиака рекомендовалось обследование у гастроэнтеролога, при превышении ацетона рекомендовалось обратиться к эндокринологу.

Таким образом, реализация заявленного изобретения позволяет диагностировать в исследуемых пробах наличие тех или иных газообразных веществ с помощью усовершенствованного способа анализа многокомпонентных смесей с повышенной чувствительностью и селективностью к широкому спектру газов за счет возможности измерения сопротивлений газовых датчиков при разных температурах, а также с высокой воспроизводимостью результатов благодаря наличию дополнительного датчика кислорода. При этом время измерений сокращено за счет уменьшения времени очистки газовой камеры благодаря использованию пневматической магистрали для рециркуляции пробы, что позволяет также уменьшить требуемый для анализа объем пробы газа.

Изобретение относится к средствам для анализа многокомпонентных газовых сред, содержащих различные газы и летучие органические соединения, и может применяться, например, для анализа выдыхаемого человеком воздуха с целью диагностики заболеваний или для анализа воздуха жилых и производственных помещений. Сущность: заявлен способ анализа многокомпонентных газовых сред, согласно которому очистку газовой камеры осуществляют путем прокачки нулевого газа через пневматическую магистраль для рециркуляции пробы, подачу анализируемой среды в газовую камеру осуществляют с помощью устройства форсированного ввода пробы, герметично соединяемого с входным отверстием газовой камеры, после чего непрерывно измеряют сопротивления всех газовых датчиков сначала при начальной температуре, затем ступенчато изменяют температуры полупроводниковых газовых датчиков, измеряют и регистрируют установившиеся значения сопротивлений каждого полупроводникового газового датчика при каждом из этих значений температуры, измеряют и регистрируют также параметры влажности, температуры среды и концентрации кислорода с помощью соответствующих датчиков, а анализ наличия и концентрации газообразных веществ в исследуемой среде производят путем математической обработки измеренных значений электрических сопротивлений газовых датчиков при разных температурах, с учетом влажности, температуры среды и концентрации кислорода. В устройстве для осуществления способа, включающем газовую камеру с установленными в ней полупроводниковыми газовыми датчиками, датчиками влажности и температуры, систему подачи газа с побудителем расхода газа, электронный блок непрерывного измерения сопротивлений датчиков, их температур и электрических сигналов с датчиков влажности и температуры, электронный блок для установки температур полупроводниковых газовых датчиков, согласно изобретению устройство дополнительно снабжено датчиком кислорода, выход которого подключен ко входу электронного блока непрерывного измерения сопротивлений датчиков, а система подачи газа дополнительно снабжена устройством форсированного ввода пробы, установленным во входном отверстии газовой камеры, а также пневматической магистралью для рециркуляции пробы, через газовый тройник пневматически связанной с побудителем расхода газа и механическим спускным клапаном. Технический результат: повышение чувствительности и селективности к широкому спектру газов, улучшение воспроизводимости результатов, сокращение времени измерений, уменьшение требуемого для анализа объема пробы газа. 2 н. и 11 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Способ анализа многокомпонентных газовых сред, включающий установку начальных температур полупроводниковых газовых датчиков путем подачи на нагревательные элементы этих датчиков фиксированного напряжения нагрева, предварительную очистку газовой камеры путем прокачки через нее нулевого газа, подключение источника анализируемой среды ко входу газовой камеры и подачу анализируемой среды в газовую камеру, непрерывное измерение сопротивлений полупроводниковых газовых датчиков и сигналов датчиков влажности и температуры, их регистрацию и обработку показаний всех датчиков, отличающийся тем, что очистку газовой камеры осуществляют путем прокачки нулевого газа через пневматическую магистраль для рециркуляции пробы, подачу анализируемой среды в газовую камеру осуществляют с помощью устройства форсированного ввода пробы, герметично соединяемого с входным отверстием газовой камеры, после чего непрерывно измеряют сопротивления всех газовых датчиков сначала при начальной температуре, затем ступенчато изменяют температуры полупроводниковых газовых датчиков, измеряют и регистрируют установившиеся значения сопротивлений каждого полупроводникового газового датчика при каждом из этих значений температуры, измеряют и регистрируют также параметры влажности, температуры среды и концентрации кислорода с помощью соответствующих датчиков, а анализ наличия и концентрации газообразных веществ в исследуемой среде производят путем математической обработки измеренных значений электрических сопротивлений газовых датчиков при разных температурах, с учетом влажности, температуры среды и концентрации кислорода.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что очистку газовой камеры осуществляют непрерывно с помощью побудителя расхода газа, а в качестве нулевого газа используют окружающий воздух.

3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что прокачку газовой камеры нулевым газом осуществляют до установления показаний всех датчиков в соответствии со стандартными показаниями в нулевом газе.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что скорость потока газа в газовой камере должна быть преимущественно в диапазоне от 100 до 300 мл/мин.

5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что переход от одной температуры на нагревательных элементах полупроводниковых газовых датчиков к другой температуре осуществляют либо по достижении стабильных показаний сигналов датчиков, либо спустя определенное время.

6. Способ по п. 1, отличающийся тем, что корректировку измеренных сопротивлений полупроводниковых газовых датчиков производят на основании уравнения зависимости их сопротивлений от влажности, температуры среды и концентрации кислорода.

7. Устройство для анализа многокомпонентных газовых сред, включающее газовую камеру с установленными в ней полупроводниковыми газовыми датчиками, датчиками влажности и температуры, систему подачи газа с побудителем расхода газа, электронный блок непрерывного измерения сопротивлений датчиков, их температур и электрических сигналов с датчиков влажности и температуры, электронный блок для установки температур полупроводниковых газовых датчиков, отличающееся тем, что в устройстве дополнительно установлен датчик кислорода, выход которого подключен ко входу электронного блока непрерывного измерения сопротивлений датчиков, а система подачи газа дополнительно снабжена устройством форсированного ввода пробы, установленным во входном отверстии газовой камеры, а также пневматической магистралью для рециркуляции пробы, через газовый тройник пневматически связанной с побудителем расхода газа и механическим спускным клапаном.

8. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что газовая камера изготовлена из химически инертного материала.

9. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что площадь сечения входного отверстия газовой камеры, к которому присоединяется устройство форсированного ввода пробы, выполнена существенно большей площади сечения пневматической магистрали для рециркуляции пробы.

10. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что в качестве устройства форсированного ввода пробы используется резервуар из химически инертного материала объемом, значительно превышающим суммарный объем газовой камеры и пневматической магистрали.

11. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что в качестве пневматической магистрали использована трубка из химически инертного материала.

12. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что площадь сечения внутренней поверхности входного отверстия газовой камеры должна быть выполнена не больше площади сечения наружной поверхности устройства форсированного ввода пробы для обеспечения герметичной посадки.

13. Устройство по п. 7, отличающееся тем, что в качестве побудителя расхода газа использован микровакуумный мембранный насос.