УСТРОЙСТВО АВТОМАТИЧЕСКОГО ОБНАРУЖЕНИЯ И ПОЛУКОЛИЧЕСТВЕННОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВРЕДНЫХ ВЕЩЕСТВ В ВОЗДУХЕ Российский патент 2022 года по МПК G01N21/78 G01N31/00 

Изобретение относится к области химического контроля и разведки состояния окружающей среды и может быть использовано для решения задач обнаружения и полуколичественного определения отравляющих, сильнодействующих и других токсичных веществ (ОВ, СДЯВ) в воздухе и в капельно-жидком состоянии на поверхностях различных объектов.

Известно устройство для определения вредных веществ в воздухе (Патент РФ на полезную модель №180990, МПК G01N 21/78, опубл. 03.07.2018), содержащий побудитель расхода воздуха и устройство подогрева индикаторных трубок, содержащее корпус с гнездом для установки индикаторной трубки и нагревательный элемент, в качестве которого использован электронагреватель, при этом устройство подогрева индикаторных трубок дополнительно содержит автономный источник электропитания; датчик температуры; микроконтроллер, управляющий работой электронагревателя, а также средство включения-выключения нагревательного элемента.

Недостатками известного технического решения являются:

- невысокая точность результатов колориметрического анализа ввиду низкой чувствительности индикаторных трубок;

- невозможность проведения колориметрического экспресс-анализа;

- высокая вероятность ошибочного результата анализа, обусловленная человеческим и природными факторами (дальтонизм оператора, плохое освещение, сложные погодные условия и т.п.).

Недостатки известного технического решения частично устранены выбранным в качестве прототипа известным устройством для определения вредных веществ в воздухе (Патент РФ на изобретение №2539867, МПК G01N 31/22, опубл. 27.01.2015), содержащим побудитель расхода воздуха и первичный химический преобразователь, в качестве которого используется, в частности, индикаторный плоский элемент (например, любой из известных по патентам РФ №№2364863, 2470292), при этом побудитель расхода воздуха включает: блок управления, обеспечивающий задание параметров отбираемого воздуха, работу и контроль устройства; воздухопроводящий тракт для транспортировки воздушного потока; соединенный с блоком управления: воздушный насос для прокачивания воздуха через воздухопроводящий тракт; автономный источник питания, а первичный химический преобразователь присоединен к воздухопроводящему тракту, при этом устройство также содержит связанные с блоком управления датчики расхода, температуры, атмосферного давления и относительной влажности прокачиваемого воздуха, причем датчики расхода и температуры прокачиваемого воздуха размещены в воздухопроводящем тракте, а датчики атмосферного давления и относительной влажности прокачиваемого воздуха размещены вне воздухопроводящего тракта; блок управления содержит средство отображения информации; по меньшей мере, одну кнопку управления и электронную схему, обеспечивающую: фиксацию данных от датчиков, определение плотности воздуха, регулирование объемного расхода прокачиваемого воздуха, корректировку времени отбора пробы воздуха, аналого-цифровое преобразование получаемых и передаваемых данных, при этом устройство дополнительно содержит связанный с блоком управления посредством проводной или беспроводной связи блок считывания информации с первичного химического преобразователя, выполненный в виде видеокамеры и/или тепловизорной камеры размещенной на панели управления, причем колориметрические измерения первичного химического преобразователя, фиксируемые блоком считывания информации, пересчитываются блоком управления в единицы концентрации вредного вещества.

Известное техническое решение обладает следующими недостатками:

- невысокой информативностью, поскольку устройство позволяет получить только данные о концентрации анализируемого целевого вещества, но не позволяет получить и визуализировать информацию о степени опасности целевого вещества;

- недостаточной точностью колориметрического анализа, обусловленной отсутствием средств подсветки поверхности ИПЭ при считывании колориметрической информации в совокупности с использованием в качестве считывающих устройств видеокамеры или тепловизора, обладающих низкой информационностью в полевых условиях на местности;

- невозможностью использования устройства в условиях низких температур, в связи с отсутствием средств подогрева ИПЭ;

- невозможностью работать в полевых условиях при наличии проводных связей при считывании информации с первичного химического преобразователя на блок управления;

- невозможностью работать в полевых условиях при наличии устройств размещенных на панели, установленной на корпусе.

Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение, является создание устройства автоматического обнаружения и полуколичественного определения вредных веществ, устраняющего недостатки прототипа.

Техническими результатами, достигаемыми предложенным устройством в результате поставленной задачи, являются улучшение технических характеристик предлагаемого устройства благодаря повышению точности считывания колориметрической информации с реакционной зоны индикаторного элемента, а также расширение функциональных возможностей устройства за счет возможности автоматического получения информации о степени опасности исследуемого целевого вещества в виде текстовых сообщений на индикаторной панели.

Дополнительными техническими результатами являются расширение функциональных возможностей устройства за счет возможности получения информации о степени опасности исследуемого целевого вещества в виде звуковых оповещающих сигналов, а также возможности проведения колориметрического анализа в условиях низких температур в полевых условиях.

Указанные технические результаты достигаются тем, что устройство обнаружения и полуколичественного определения вредных веществ в воздухе, содержит автономный источник питания, соединенный с ним блок управления работой устройства, выполненный с панелью управления и индикаторной панелью, модуль размещения индикаторного плоского элемента, связанный с каналом воздуховода с возможностью программно-настроенного расхода прокачиваемого воздуха через индикаторный плоский элемент посредством воздушного насоса, соединенного с блоком управления, а также связанный с блоком управления блок считывания информации с индикаторного плоского элемента, при этом согласно изобретению блок управления содержит базу метаданных с характеристиками всех подлежащих анализу целевых веществ и пороговых значений массовой концентрации для каждого из них, составляющих внешние и промежуточные границы проклассифицированных в соответствии с определенной степенью опасности зон контроля, при этом блок считывания информации с индикаторного плоского элемента содержит оптически сопряженные с поверхностью индикаторного плоского элемента RGB-светодиод, выполненный с возможностью освещения поверхности индикаторного плоского элемента, а также фотоприемник, выполненный с возможностью улавливания отраженного от поверхности индикаторного плоского элемента рассеянного светового потока с последующим преобразованием в электрический сигнал, при этом блок управления выполнен с возможностью преобразования выходных электрических сигналов блока считывания информации в цифровую форму, пересчета в единицы массовой концентрации анализируемого целевого вещества, сравнения вычисленного значения массовой концентрации с метаданными на предмет нахождения в границах одной из проклассифицированных зон контроля и формирования соответствующего визуализируемого сигнала оповещения в виде текстового сообщения на индикаторную панель.

При этом предпочтительно, автономный источник питания снабжен интерфейсом внешнего питания, а в качестве автономного источника питания используется энергоемкая литиево-ионная аккумуляторная батарея.

Предпочтительно, модуль размещения индикаторного плоского элемента снабжен устройством подогрева последнего, соединенным входом с блоком управления, при этом блок управления соединен обратной связью с цифровым датчиком температуры, чувствительный элемент которого выполнен в области модуля размещения индикаторного плоского элемента.

Предпочтительно, устройство дополнительно содержит динамик-пьезоизлучатель, соединенный входом с блоком управления.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором представлена структурно-функциональная блок-схема автоматического устройства обнаружения и полуколичественного определения вредных веществ.

Устройство автоматического обнаружения и полуколичественного определения вредных веществ в воздухе содержит блок управления работой устройства (1), модуль размещения ИПЭ (2), связанный с каналом воздуховода (3) для прокачивания воздуха, воздушный насос (4) для прокачивания воздуха через канал воздуховода и блок считывания информации с ИПЭ (5). Блок управления (1) включает микроконтроллер (6) с преобразователем сигналов блока считывания информации в цифровую форму - аналогово-цифровым преобразователем (7), блоком внутренней памяти (8) и блоком обработки информации и формирования сигналов оповещения (9), входом соединенным с аналогово-цифровым преобразователем (7), обратной связью с блоком памяти (8) и выходом с динамиком-пьезоизлучателем (10). При этом данные блока памяти (8) представляют собой базу метаданных (см. таблицы 1, 2) с характеристиками всех подлежащих анализу целевых веществ и пороговых значений массовой концентрации для каждого из них, составляющих внешние и промежуточные границы проклассифицированных в соответствии с определенной степенью опасности зон контроля.

Блок управления (1) также содержит соединенную входом с микроконтроллером (6) панель управления (12) и индикаторную панель (11), соединенную входом с блоком обработки информации и формирования сигналов оповещения (9). Устройство также содержит соединенный с входом блока управления (1) автономный источник питания (13), в качестве которого может быть использована, например, энергоемкая литиево-ионная аккумуляторная батарея, снабженный интерфейсом внешнего питания (14). Блок считывания информации с ИПЭ (5) соединен входом с микроконтроллером (6) и содержит трехцветный RGB-светодиод (15) и фотоприемник (16), оптически сопряженные с поверхностью ИПЭ (17), расположенной в модуле размещения ИПЭ (2), при этом фотоприемник (16) выходом соединен с аналого-цифровым преобразователем (7). Микроконтроллер (6) своим выходом также связан с ротационным воздушным насосом (4). Модуль размещения ИПЭ (2) снабжен устройством подогрева (18), соединенным входом с микроконтроллером (6). Последний в свою очередь соединен обратной связью с цифровым датчиком температуры (19), чувствительный элемент которого выполнен в области модуля размещения ИПЭ (2).

Управление работой устройства осуществляется с помощью экранного меню. Индикация состояния устройства, последовательность работы с устройством, работа нагревателей, процесс анализа и т.п. отображаются на индикаторной панели (11).

Устройство включается нажатием соответствующей кнопки на панели управления (1). Перед началом процесса анализа целевого вещества проводится диагностика устройства, а также его калибровка с помощью контрольного индикаторного плоского элемента (ИПЭ-К), при этом в оперативную память микроконтроллера записывается трехзначный показатель ИПЭ-К (белый цвет).

Затем ИПЭ с требуемым химическим наполнителем, выбранный в соответствии с подлежащим анализу целевым веществом (согласно таблицам 1, 2), фиксируется в модуле (2) и с помощью опций меню, отображаемого на индикаторной панели (11), соответствующими кнопками на панели управления (12) выбираются необходимые параметры для проведения колориметрического анализа в отношении конкретного вещества.

В процессе анализа воздуха используемого ИПЭ посредством нажатия на соответствующую кнопку на панели управления (12) из блока управления (1) посредством микроконтроллера (6) подается управляющий сигнал на ротационный воздушный насос (4) на прокачивание проб воздуха, после чего воздух начинает прокачиваться через воздуховод (3) с программно-настроенной производительностью расхода воздуха 3±0,5 куб. дм/мин.

При этом контроль температуры в модуле размещения ИПЭ автоматически осуществляется с помощью цифрового датчика температуры (19), который периодически опрашивается микроконтроллером (6). В случае фиксации пониженной температуры окружающей среды в диапазоне от -40°С до +15°С микроконтроллер (6) автоматически включает устройство подогрева (18) ИПЭ для поддержания постоянной температуры +30°С.

Одновременно от микроконтроллера (6) на вход блока считывания информации (5) поступает управляющий сигнал на включение RGB-светодиода (15), осуществляющего освещение поверхности ИПЭ (17). При наличии вещества в анализируемом воздухе происходит изменение окраски реакционной зоны ИПЭ. При этом в результате смешения посредством широтно-импульсной модуляции трех базовых цветов кристаллов RGB-светодиода (15) (красного, зеленого и синего) в требуемых соотношениях яркости достигается результирующий цветовой оттенок светового излучения, обеспечивая таким образом гарантированное попадание цвета светового излучения в тон окраски реакционной зоны ИПЭ. В результате такого дублирующего цветового наложения на выходе получается максимально точная цветовая спектральная характеристика исследуемого ИПЭ. Отраженный от поверхности ИПЭ свет RGB-светодиода (15) улавливается фотоприемником (16), который в фотопреобразовательном режиме осуществляет преобразование достигшего его рассеянного светового потока в электрический сигнал, который затем поступает на вход аналогово-цифрового преобразователя (7), преобразуется в цифровую форму и подвергается обработке в блоке (9) путем пересчета в единицы массовой концентрации анализируемого целевого вещества и сравнения с данными блока внутренней памяти (8) согласно таблицам 1, 2. При фиксации параметра массовой концентрации исследуемого вещества в границах конкретного диапазона значений блок (9) формирует соответствующий визуализируемый сигнал оповещения на индикаторную панель (11) в виде одного из текстовых сообщений:

1) в соответствии с таблицей 1:

- «не обнаружено» - в случае нахождения значения массовой концентрации исследуемого целевого вещества в открытом нормативном диапазоне значений;

- «малоопасно» - в случае нахождения значения массовой концентрации исследуемого целевого вещества в закрытом диапазоне значений, характеризующегося невысокой степенью опасности;

- «опасно» - в случае нахождения значения массовой концентрации исследуемого целевого вещества в открытом диапазоне значений, характеризующегося высокой степенью опасности;

2) в соответствии с таблицей 2:

- «не обнаружено» - в случае нахождения значения массовой концентрации исследуемого целевого вещества в открытом нормативном диапазоне значений;

- «обнаружено» - в случае нахождения значения массовой концентрации исследуемого целевого вещества в открытом диапазоне значений, характеризующегося опасностью.

При этом в случае обнаружения целевого вещества текстовые сообщения «обнаружено», «малоопасно» и «опасно» дополнительно сопровождаются формируемым блоком (9) звуковым оповещающим сигналом посредством динамика (10).

После выдачи соответствующих сигналов оповещения о наличии/отсутствии целевого вещества в прокачиваемом через воздуховод (3) воздуха, микроконтроллер (6) выключает ротационный воздушный насос (4).

Изобретение относится к устройству обнаружения и полуколичественного определения вредных веществ в воздухе. Сущность: устройство содержит блок (1) управления, модуль (2) размещения индикаторного плоского элемента (ИПЭ), связанный с каналом (3) воздуховода, ротационный насос (4) для прокачивания воздуха через канал (3) воздуховода, блок (5) считывания информации с ИПЭ, источник (13) питания с интерфейсом (14) внешнего питания. Блок (1) управления включает микроконтроллер (6) с аналого-цифровым преобразователем (7), блоком (8) внутренней памяти и блоком (9) обработки информации и формирования сигналов оповещения. Блок (1) управления также содержит панель (12) управления и индикаторную панель (11). Блок (5) считывания информации с ИПЭ содержит трехцветный RGB-светодиод (15) и фотоприемник (16), оптически сопряженные с поверхностью ИПЭ (17). Технический результат: повышение точности считывания колориметрической информации с реакционной зоны ИПЭ, возможность автоматического получения информации о степени опасности исследуемого целевого вещества в виде текстовых сообщений на индикаторной панели. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Устройство автоматического обнаружения и полуколичественного определения вредных веществ в воздухе, содержащее автономный источник питания, соединенный с ним блок управления работой устройства, выполненный с панелью управления и индикаторной панелью, модуль размещения индикаторного плоского элемента, связанный с каналом воздуховода с возможностью прокачивания воздуха через индикаторный плоский элемент посредством ротационного воздушного насоса с программно-настроенной производительностью расхода воздуха, соединенного с блоком управления, а также связанный с блоком управления блок считывания информации с индикаторного плоского элемента, отличающийся тем, что блок управления содержит базу метаданных с характеристиками всех подлежащих анализу целевых веществ и пороговых значений массовой концентрации для каждого из них, составляющих внешние и промежуточные границы проклассифицированных в соответствии с определенной степенью опасности зон контроля, при этом блок считывания информации с индикаторного плоского элемента содержит оптически сопряженные с поверхностью индикаторного плоского элемента RGB-светодиод, выполненный с возможностью освещения поверхности индикаторного плоского элемента, а также фотоприемник, выполненный с возможностью улавливания отраженного от поверхности индикаторного плоского элемента рассеянного светового потока с последующим преобразованием в электрический сигнал, при этом блок управления выполнен с возможностью преобразования выходных электрических сигналов блока считывания информации в цифровую форму, пересчета в единицы массовой концентрации анализируемого целевого вещества, сравнения вычисленного значения массовой концентрации с метаданными на предмет нахождения в границах одной из проклассифицированных зон контроля и формирования соответствующего визуализируемого сигнала оповещения в виде текстовых сообщений на индикаторной панели.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что программно-настроенная производительность расхода воздуха ротационного воздушного насоса составляет 3±0,5 куб. дм/мин.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что автономный источник питания снабжен интерфейсом внешнего питания.

4. Устройство по п. 1 или 3, отличающееся тем, что в качестве автономного источника питания использована энергоемкая литиево-ионная аккумуляторная батарея.

5. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что модуль размещения индикаторного плоского элемента снабжен устройством подогрева последнего, соединенным с блоком управления, при этом блок управления соединен обратной связью с цифровым датчиком температуры, чувствительный элемент которого выполнен в области модуля размещения индикаторного плоского элемента.

6. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что дополнительно содержит динамик-пьезоизлучатель, соединенный с блоком управления.