[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет на основании патентной заявки США № 63/123,166, поданной 9 декабря 2020 г. под заглавием «Измерение оксида азота», все содержание которой включено в настоящий документ путем отсылки.
ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
[0002] Настоящее изобретение относится к измерению газообразного оксида азота, в частности к терапии оксидом азота.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
[0003] Терапия оксидом азота показала свою перспективность в ряде областей медицины, особенно в области пульмонологии. В частности, исследования показали, что терапия оксидом азота может помочь в лечении легочной артериальной гипертензии. Легочная артериальная гипертензия - это заболевание, иногда приводящее к летальному исходу и характеризующееся повышением давления крови в легких в результате обструкции легочных артерий. Фармакологическое лечение легочной артериальной гипертензии не особенно эффективно, не менее 50% пациентов умирают в течение 2-5 лет в зависимости от стадии заболевания. Хотя точные механизмы развития заболевания до конца не ясны, в патологию легочной артериальной гипертензии вовлечено несколько факторов. Одним из наиболее важных медиаторов является оксид азота (NO), недостаток которого, по данным исследований, способствует вазоконстрикции легочной артерии, реструктурированию сосудов и правожелудочковой недостаточности, связанной с патологией легочной артериальной гипертензии.
[0004] Вазодилататорное и антипролиферативное действие NO делает его привлекательным инструментом для фармакологического лечения легочной артериальной гипертензии. Обнаружилось, что применение ингаляционной NO-терапии благоприятно воздействует на пациентов с легочной артериальной гипертензией, особенно на детей с врожденными пороками сердца. Тем не менее, применение ингаляционной NO-терапии затруднено вследствие высокой стоимости, технических сложностей и непостоянной реакции пациентов. Быстрая отмена ингаляционной NO-терапии также может иметь неблагоприятные последствия: уровни сатурации и легочной гипертензии возвращаются к худшим показателям по сравнению с наблюдавшимися до начала терапии.
[0005] Оксид азота имеет и другие возможные области применения в генной терапии. В настоящее время генная терапия признана новым мощным средством терапии легочной артериальной гипертензии. Генетические манипуляции могут дополнять стандартную фармакотерапию или применяться отдельно. Тем не менее, для получения терапевтического эффекта генетический материал должен быть перенесен в клетки и экспрессирован на необходимом уровне. NO может служить для улучшения трансдукции генов в генной терапии легочной артериальной гипертензии.
[0006] Точное определение уровня NO имеет первостепенное значение для генерирования NO, особенно в медицинских областях применения. Для контроля концентрации оксида азота в газовой смеси использовались и предлагались различные подходы. Существующие способы включают масс-спектроскопию, электрохимический анализ, калориметрический анализ, хемилюминесцентный анализ и методы пьезоэлектрического резонанса. Тем не менее, каждый из этих подходов имеет недостатки, делающие его малопригодным для широкого использования в диагностике и лечении заболеваний.
[0007] В масс-спектроскопии для идентификации частиц, присутствующих в веществе, применяют масс-спектрометр. Частицы ионизируют и пропускают через электромагнитное поле. По отклонению частиц можно судить об их массе, а значит, и о принадлежности. Масс-спектроскопия отличается высокой точностью, но требует использования очень дорогого и сложного оборудования. Кроме того, анализ выполняется относительно медленно, что делает его непригодным для анализа уровня генерируемого или поставляемого NO в реальном времени. При анализе оксида азота на вдохе предпочтительно быстро и точно измерять концентрацию оксида азота в канале по мере прохождения газовой смеси через канал. Тем не менее, масс-спектроскопия требует отбора проб порций газовой смеси, а не анализа концентрации оксида азота в самом потоке. Масс-спектроскопию нельзя рассматривать как способ мгновенного или непрерывного анализа. Такие системы, основанные на отборе проб, особенно неэффективны при распознавании газов в очень низких концентрациях, поскольку для этого требуются пробы большого объема.
[0008] В системах электрохимического анализа применяют электрохимический газовый сенсор, в котором газ из образца диффундирует в полупроницаемый барьер, например, мембрану, затем проходит через раствор электролита и далее к одному из, как правило, трех электродов. На одном из трех электродов происходит чувствительная окислительно-восстановительная реакция. На втором, ответном электроде происходит ответная и противоположная окислительно-восстановительная реакция. Третий электрод обычно используют в качестве электрода сравнения. При окислении или восстановлении оксида азота на чувствительном электроде между чувствительным и ответным электродом протекает ток, пропорциональный количеству оксида азота, прореагировавшего на поверхности чувствительного электрода. Электрод сравнения используют для поддержания фиксированного напряжения на чувствительном электроде. Типичный электрохимический газоанализатор для определения оксида азота раскрыт в патенте США № 5,565,075, выданном Дэвису и соавт. и включенном в настоящий документ путем отсылки. Электрохимические устройства обладают высокой чувствительностью и точностью, но требуют частой калибровки и связанных с этим затрат на обслуживание и задержек.
[0009] Хемилюминесцентные датчики работают по принципу окисления оксида азота путем смешивания оксида азота с озоном O3 с образованием диоксида азота (NO2) и кислорода. Сразу после реакции диоксид азота находится в возбужденном состоянии и при переходе в невозбужденное состояние испускает фотоны. По количеству света, излучаемого в ходе этой реакции, можно определить концентрацию оксида азота. Пример хемилюминесцентного устройства раскрыт в патенте США № 6,099,480, выданном Густафссону и включенном в настоящий документ путем отсылки. Хемилюминесцентные приборы, как правило, имеют очень большие размеры и стоимость, а их точность чувствительна к факторам окружающей среды.
[0010] Наиболее удобным и надежным методом анализа газов в сенсорах этого направления являются прямые оптические измерения компонентов газа путем адсорбции света определенной длины волны. Основным преимуществом этого метода является стабильность адсорбции во времени, поскольку коэффициент адсорбции является фундаментальной константой. Соответственно, стабильность измерений может быть обеспечена без частой калибровки при условии поддержания чистоты оптических приборов. Современные газоанализаторы 10, работающие по принципу адсорбции света (см. ФИГ. 1) содержат: источник 20 света, генерирующий излучение с длиной волны, адсорбируемой измеряемым компонентом газа; оптическую кювету 25 для пропускания света через содержащийся в ней газ, содержащую уплотнение 26 и оптическое окно 27 на каждом конце; вход 30 для газа; выход 40 для газа; светочувствительный элемент 50, на который свет поступает от линзы 55, и который способен преобразовывать свет, прошедший через газ от источника 20 света, в сигнал напряжения. Подходящими источниками 20 света являются светодиоды и лазерные диоды, а подходящими светочувствительными элементами 50 - фотодиоды, фоторезисторы или фототранзисторы, имеющие практически неограниченный срок службы и достаточно стабильные характеристики. Длина волны излучаемого света может быть выбрана таким образом, чтобы она адсорбировалась целевым компонентом газа, а светочувствительный элемент 50 может измерять интенсивность света после прохождения излучаемого света через газ. Таким образом, можно определить степень адсорбции и концентрацию связанного компонента газа. К сожалению, оксид азота не имеет полос адсорбции в видимом и ближнем УФ-диапазонах спектра, что делает этот метод неприменимым для измерения оксида азота.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0011] Соответственно, основной задачей настоящего изобретения является преодоление по меньшей мере некоторых недостатков систем генерации плазмы, известных из уровня техники. В одном из вариантов осуществления изобретения задача решена датчиком для измерения концентрации оксида азота в образце, содержащим: источник озона для окисления оксида азота в образце с образованием NO2; и одну или несколько систем измерения адсорбции света для определения уровня NO2 в образце в анализаторе оксида азота до и после окисления.
[0012] В одном из вариантов осуществления изобретения система измерения адсорбции света содержит источник света, расположенный с возможностью пропускания света через образец внутри датчика. В другом варианте осуществления изобретения датчик дополнительно содержит светочувствительный элемент, расположенный с возможностью приема света от источника света, прошедшего через образец внутри датчика.
[0013] В одном из вариантов осуществления изобретения источник света излучает свет с длиной волны примерно от 350 до 400 нм. В другом варианте осуществления изобретения источник света содержит один или несколько светодиодов.
[0014] В одном из вариантов осуществления изобретения датчик дополнительно содержит процессор, выполненный с возможностью приема данных об адсорбции от одной или нескольких систем измерения адсорбции света и определения на их основании уровня NO2. В другом варианте осуществления изобретения датчик содержит одно или несколько зеркал для отражения света, проходящего через образец один или несколько раз, прежде чем попасть в светочувствительный элемент, тем самым увеличивая длину луча для измерения низких концентраций NO2.
[0015] В одном из вариантов осуществления изобретения первая система измерения адсорбции света расположена выше по потоку от источника озона, а вторая система измерения адсорбции света расположена ниже по потоку от источника озона.
[0016] В другом варианте осуществления изобретения процессор соединен с источником озона и выполнен с возможностью управления подачей озона в образец через клапан или насос и определения уровней NO2 до и после подачи озона в образец.
[0017] В одном из независимых вариантов осуществления изобретения предложен способ измерения концентрации оксида азота в образце, содержащий следующие этапы: окисление оксида азота в объеме образца с помощью озона с образованием NO2; измерение адсорбции света в NO2 в образце для определения уровня NO2 в образце в анализаторе оксида азота до и после окисления; и вычитание уровня NO2, определенного до окисления, из уровня NO2, определенного после окисления, для определения концентрации оксида азота в образце.
[0018] В одном из вариантов осуществления изобретения способ дополнительно содержит этап пропускания света через образец от источника света внутри датчика. В другом варианте осуществления изобретения способ дополнительно содержит этап измерения интенсивности света от источника света, прошедшего через образец внутри датчика, с помощью светочувствительного элемента.
[0019] В одном из вариантов осуществления изобретения источник света излучает свет с длиной волны примерно от 350 до 400 нм. В другом варианте осуществления изобретения источник света содержит один или несколько светодиодов.
[0020] В одном из вариантов осуществления изобретения первая система измерения адсорбции света расположена выше по потоку от источника озона, а вторая система измерения адсорбции света расположена ниже по потоку от источника озона, причем способ содержит этап вычитания уровней NO2, полученных с помощью первой системы измерения адсорбции света, из уровней NO2, полученных с помощью второй системы измерения адсорбции света.
[0021] В другом варианте осуществления изобретения способ дополнительно содержит этап измерения уровня NO2 в образце, этап введения озона в образец и этап повторного измерения уровня NO2 в образце для определения уровня NO2 до и после окисления.
[0022] В одном из вариантов осуществления изобретения способ дополнительно содержит этап многократного пропускания света через образец перед приемом света светочувствительным элементом.
[0023] В одном из вариантов осуществления изобретения уровни оксида азота определяют по формуле С2*(С2N/С1N)-С1, где: C1N - уровень NO2 из первой системы измерения адсорбции света до введения озона; C2N - уровень NO2 из второй системы измерения адсорбции света до введения озона; C1 - уровень NO2 из первой системы измерения адсорбции света после окисления озоном; и C2 - уровень NO2 из второй системы измерения адсорбции света после окисления озоном.
[0024] В другом варианте осуществления изобретения способ дополнительно содержит этап циклического введения озона в образец для окисления содержащегося в нем NO2, причем уровни оксида азота определяют по формуле СNO= (Ln(Imax/Imin))*Kcal - СNO2, где: СNO2= (Ln(Imax/Iin))*Kcal; Iin - начальная интенсивность света, проходящего через образец в начале цикла введения озона; Imin - минимальная интенсивность света, проходящего через образец в течение цикла введения озона; Imax - максимальная интенсивность света, проходящего через образец в течение цикла введения озона; Kcal - калибровочный коэффициент.
[0025] Дополнительные признаки и преимущества изобретения станут очевидны из следующих чертежей и описания.
[0026] Если не указано иное, все технические и научные термины, используемые в настоящем документе, имеют значение, обычно используемое специалистами в области техники, к которой относится данное изобретение. В случае противоречия приоритет отдается патентной спецификации, включая определения. В настоящем документе артикли «a» и «an» означают «по меньшей мере один» или «один или более», если контекст явно не диктует иного. В данном случае «и/или» означает любой один или несколько элементов из списка, объединенных «и/или». Например, под «x и/или y» понимается любой элемент трехэлементного множества {(x), (y), (x, y)}. Другими словами, «x и/или y» означает «x, y или x и y». В другом примере, «x, y и/или z» означает любой элемент семиэлементного множества {(x), (y), (z), (x, y), (x, z), (y, z), (x, y, z)}.
[0027] Кроме того, если явно не указано обратное, «или» представляет собой включающее, а не исключающее «или». Например, условию A или B удовлетворяет любое из следующих выражений: A истинно (или существует), а B ложно (или не существует), A ложно (или не существует), а B истинно (или существует), и A и B истинны (или существуют).
[0028] Кроме того, для описания элементов и компонентов вариантов осуществления изобретения используются артикли «a» или «an». Это сделано только для удобства и для того, чтобы дать общее представление об изобретательских концепциях, а «a» и «an» обозначают «один» или «по меньшей мере один», и единственное число также включает множественное, если явно не подразумевается иное.
[0029] В настоящем документе термин «примерно», когда речь идет об измеряемой величине, такой как количество, время и т.п., подразумевает отклонения +/-10%, более предпочтительно +/-5%, еще более предпочтительно +/-1% и еще более предпочтительно +/-0,1% от указанного значения, поскольку такие отклонения подходят для осуществления раскрытых устройств и/или способов.
[0030] Далее раскрываются и иллюстрируются варианты осуществления и отличительные признаки изобретения совместно с системами, инструментами и способами, которые служат для демонстрации и иллюстрирования сущности изобретения, но не ограничивают его объем. В различных вариантах осуществления одна или несколько описанных выше проблем устраняются полностью или частично, в то время как другие варианты осуществления изобретения направлены на дополнительное усовершенствование.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
[0031] Для лучшего понимания изобретения и демонстрации возможности его осуществления описание ссылается на прилагаемые чертежи, на которых соответствующие участки или элементы имеют одинаковые обозначения.
[0032] Теперь, обращаясь к чертежам, следует подчеркнуть, что представленные признаки приведены для примера, предназначены только для иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения и предназначены для обеспечения наиболее полезного и понятного описания принципов и концептуальных аспектов изобретения. При этом не делается попыток показать структурные детали изобретения более подробно, чем это необходимо для фундаментального понимания изобретения, а описание в совокупности с чертежами делает практическую реализацию различных форм изобретения очевидной для специалистов в данной области техники. На прилагаемых чертежах:
[0033] На ФИГ. 1 изображен датчик концентрации, работающий по принципу адсорбции света и соответствующий уровню техники.
[0034] На ФИГ. 2 изображен пример датчика NO, содержащий два датчика NO2 и генератор озона, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.
[0035] На ФИГ. 3 изображен пример модуляции количества озона в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.
[0036] На ФИГ. 4 изображен пример датчика NO, содержащий один датчик NO2 и генератор озона, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.
[0037] На ФИГ. 5 изображен пример модуляции количества озона для датчика, подобного изображенному на ФИГ. 4, в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.
[0038] На ФИГ. 6 изображен пример датчика NO для измерения концентрации в двух независимых потоках газа в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.
[0039] На ФИГ. 7A - 7B изображен пример датчика, содержащего параллельные зеркала для увеличения оптической длины пути луча в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.
ПОДРОБНОЕ РАСКРЫТИЕ НЕКОТОРЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
[0040] Прежде чем подробно описать по меньшей мере один вариант осуществления изобретения, следует понимать, что изобретение не ограничено в своем применении деталями конструкции и расположением компонентов, приведенными в нижеследующем описании или показанными на чертежах. Изобретение применимо к другим вариантам осуществления изобретения, реализуемым различными способами. Кроме того, следует понимать, что фразеология и терминология, используемые в настоящем документе, служат целям описания и не носят ограничительного характера.
[0041] Системы и способы, предложенные настоящим изобретением, реализуют более точные и чувствительные датчики оксида азота, которые можно использовать для обеспечения быстрой обратной связи в целях управления генерирования оксида азота в медицине и других областях. Как было отмечено выше, системы адсорбции света наиболее предпочтительны с точки зрения простоты использования, доступности, точности и компактности, однако их невозможно применить к оксиду азота. Тем не менее, NO2 легко обнаруживается с помощью таких методов, имея полосы адсорбции в диапазоне длин волн 400 нм. Соответственно, в некоторых вариантах осуществления изобретения системы и способы, предложенные настоящим изобретением, могут окислять NO до NO2, после чего использовать датчики адсорбции света для измерения уровня NO2, который затем может быть использован для определения количества NO в системе. Для определения уровней NO2 в образце газа до и после окисления можно использовать несколько датчиков, что позволяет более точно определить, какое количество NO2 после окисления относится к окисленному NO.
[0042] Системы и методы могут предусматривать анализаторы оксида азота, расположенные в измерительной линии, содержащей насос и выходное отверстие для выведения измеряемого газа из системы. Такие анализаторы могут содержать источник озона для окисления оксида азота с образованием NO2 внутри анализатора оксида азота и одну или несколько систем измерения адсорбции света для определения уровня NO2 в газе в анализаторе оксида азота до и после окисления. Система измерения адсорбции света может содержать источник света, расположенный с возможностью пропускания света через образец, и светочувствительный элемент, расположенный с возможностью приема проходящего через него света. Свет может иметь длину волны в диапазоне примерно от 350 до 400 нм и исходить, например, от светодиода. Датчик может содержать прозрачную часть, позволяющую свету проникать внутрь и выходить из внутренней части датчика, заполненного образцом.
[0043] Компьютерная система может быть связана с системой измерения адсорбции света для получения данных об адсорбции и соответствующего расчета уровня NO. В некоторых вариантах осуществления изобретения несколько систем измерения адсорбции света можно использовать с размещением до и после источника озона для установления базового уровня NO2.
[0044] Датчики, предложенные изобретением, содержат одно или несколько зеркал для отражения света, проходящего через образец один или несколько раз, прежде чем попасть в светочувствительный элемент, тем самым увеличивая длину луча для измерения низких концентраций NO2. Соответственно, можно распознавать малые концентрации NO2 в узких сенсорных камерах.
[0045] В различных вариантах осуществления изобретения уровень оксида азота можно определить по уравнению:
[0046] С2*(С2N/С1N)-С1 Ур. 1
где: C1N - уровень NO2 из первой системы измерения адсорбции света до введения озона; C2N - уровень NO2 из второй системы измерения адсорбции света до введения озона; C1 - уровень NO2 из первой системы измерения адсорбции света после окисления озоном; и C2 - уровень NO2 из второй системы измерения адсорбции света после окисления озоном.
[0047] В некоторых вариантах осуществления изобретения уровни оксида азота можно определить по уравнению:
[0048] СNO= (Ln(Imax/Imin))*Kcal - СNO2 Ур. 2
где: СNO2= (Ln(Imax/Iin))*Kcal; Iin - начальная интенсивность света, проходящего через образец в начале цикла введения озона; Imin - минимальная интенсивность света, проходящего через образец в течение цикла введения озона; Imax - максимальная интенсивность света, проходящего через образец в течение цикла введения озона; Kcal - калибровочный коэффициент.
[0049] Как было описано выше, точное измерение уровня NO важно во многих областях применения и особенно в медицине, где неточность измерений может иметь серьезные последствия для здоровья пациента. Системы и способы, предложенные настоящим изобретением, реализуют точные и быстродействующие датчики NO для определения концентрации NO в газе на выходе генераторов NO, а также в других источниках, в том числе в выдохе пациента. В предпочтительных вариантах осуществления изобретения такие датчики работают по принципу окисления NO до NO2, например, путем введения озона в выходящий газ, как показано на ФИГ. 2.
[0050] В частности, на ФИГ. 2 показан датчик 100, содержащий: генератор 110 озона, выполненный с возможностью генерирования озона и дополнительно содержащий источник 112 питания; воздушный насос 120; устройство 130 измерения NO2, выполненное с возможностью измерения количества проходящего через него NO2; устройство 140 измерения NO2, выполненное с возможностью измерения количества проходящего через него NO2; и дополнительный фильтр 150 NO2 и/или NO. Вход генератора 110 озона соединен с выходом воздушного насоса 120. Выход генератора 110 озона соединен с выходом устройства 130 измерения NO2 и входом устройства 140 измерения NO2 с возможностью передачи текучей среды. Под «возможностью передачи текучей среды» в данном случае понимают наличие между двумя компонентами канала, по которому может протекать текучая среда. Текучая среда может представлять собой жидкость, газ и/или плазму. Газовую смесь, содержащую NO, подают на устройство 130 измерения NO2 для измерения начального количества NO2 в смеси. Затем в смесь добавляют воздух и O3, после чего ее снова измеряют устройством 140 измерения NO2. Как было описано выше, под действием O3 NO превращается в NO2. Поэтому разница между количеством NO2, измеренным устройством 140 измерения NO2, и количеством NO2, измеренным устройством 130 измерения NO2, свидетельствует о количестве NO в исходной смеси.
[0051] Для расчета концентрации NO по концентрации NO2 после окисления NO озоном можно установить базовую концентрацию NO2. Для этого концентрация NO2 может быть оптически измерена в первой кювете (например, устройстве 130 измерения NO2) до окисления, а затем после смешивания с потоком озона - во второй кювете (например, устройством 140 измерения NO2).
[0052] Для оптических измерений концентрации NO2 через оптическую кювету пропускают световое излучение, испускаемое, например, светодиодом с длиной волны около 400 нм. Концентрацию NO2 можно рассчитать по наблюдаемой адсорбции света следующим образом:
[0053] I=Io*exp(-K*Cno2) Ур. 3
где I - интенсивность света после адсорбции, Io - интенсивность света без учета адсорбции (с нулевой концентрацией NO2), Cno2 - концентрация NO2, и K - заданный коэффициент, зависящий от длины волны света и используемых единиц измерения и пропорциональный длине кюветы.
[0054] Концентрацию NO2 можно рассчитать по следующей методике. Сначала устройство можно обнулить, сняв базовые показания. При обнулении концентрация NO2 в кювете в одном из вариантов осуществления изобретения равна нулю. Для обнуления контроллер может снимать цифровые показания (Uo) сигнала с усилителя, усиливающего сигнал со светочувствительного элемента, при нулевой концентрации NO2 в кювете. Используя Uo, выполняют следующий расчет:
N=Ln(Umax/Uo) Ур. 4
где Umax максимальное, а Uo - цифровое показание после обнуления.
[0055] После этого концентрацию NO2 можно рассчитать по уравнению:
С= (Ln(Umax/Uav) - N)*Kcal Ур. 5
где Uav - среднее значение фактических цифровых показаний аналого-цифрового преобразователя, полученных за определенное время (усреднение по времени может быть введено в меню программы), Kcal - калибровочный коэффициент (может быть скорректирован в процессе калибровки).
[0056] Если концентрация NO2 по-прежнему равна нулю и Uav равно Uo, то показания NO2 равны нулю. В других случаях показания будут пропорциональны концентрации NO2 в кювете и могут быть приведены к фактической концентрации NO2 путем изменения Kcal. Концентрацию NO рассчитывают путем сравнения показаний в первой и второй кюветах следующим образом.
[0057] Возможно выполнение двух процессов обнуления. В одном из вариантов осуществления изобретения оба канала кюветы обнуляются, как описано выше. При инициализации концентрация NO2 в обеих кюветах в одном из вариантов осуществления изобретения равна нулю. Затем в систему вводят смесь NO и NO2. Количество озона по-прежнему равно нулю. После этого измеряют концентрацию NO2 в обеих кюветах, как описано выше, и сохраняют в памяти как C1N и C2N. После этого обнуление можно завершить и перейти в рабочий режим. В рабочем режиме датчик может рассчитать концентрацию NO по следующей формуле:
NO = С2*(С2N/С1N)-С1 Ур. 6
где C2 и C1 - текущие показания NO2 из первого и второго канала кюветы. Алгоритм может быть скорректирован для устранения влияния любого окисления NO2 озоном. К счастью, скорость реакции озона с NO выше, чем скорость реакции озона с NO2. Константа скорости реакции NO + O3 → NO2 + O2 в диапазоне температур 283-443 K опубликована в августе 1980 года Х.Х. Липпманн и соавт. Реакцию NO + O3 → NO2 + O2 изучали в сферическом реакторе из нержавеющей стали объемом 220 м3 в условиях остановленного потока при общем давлении ниже 0,1 мТорр. В использованных условиях время перемешивания реагентов было незначительным по сравнению с временем химической реакции. Псевдопервый порядок затухания хемилюминесценции, обусловленной реакцией озона с избыточным количеством оксида азота, измеряли с помощью инфракрасного фотоумножителя. Проведена оценка ста двадцати девяти распадов при 18 различных температурах в диапазоне 283-443 К. Подгонка по методу взвешенных наименьших квадратов к уравнению Аррениуса дает k = (4,3 ± 0,6) × 10-12 exp[-(1598 ± 50)/T] см3/молекула сек (в скобках указаны два стандартных отклонения). График Аррениуса не показал кривизны в пределах точности эксперимента. Сравнение с последними результатами позволяет предположить, что нелинейная подгонка, предложенная этими авторами, является более подходящей в расширенном диапазоне температур.
[0058] Константа скорости реакции O3 + NO2 → O2 + NO3 в диапазоне температур 259-362°К опубликована Робертом Э.Хьюи и соавт. в статье «Константа скорости реакции O3 + NO2 → O2 + NO3 в диапазоне температур 259-362°К» от августа 1974 года. Константа скорости реакции озона с диоксидом азота измерена в интервале температур 259-362°К с помощью системы с остановленным потоком, соединенной с масс-спектрометром с выборкой пучка. Подгонка данных под уравнение Аррениуса дает:
k = (9,44 ± 2,46) × 1010 exp[(-2509 ± 76)/T] см3 моль-1 сек-1 Ур. 7
[0059] Таким образом, скорость реакции NO + O3: k = (4,3 ± 0,6) × 10-12 exp[(1598 ± 50)/T] см3/молекула сек = 2,15 10-14 см3/молекула сек для T= 300 K, и скорость реакции NO2 + O3: k = (9,44 ± 2,46) × 1010 exp[(-2509 ± 76)/T] см3 моль-1 сек-1 = 0.157× 10-12 exp[(-2509 ± 76)/T] = 0,0036× 10-14 см3/молекула сек.
[0060] Соответственно, скорость реакции NO с озоном примерно в 500 раз превышает скорость реакции NO2 с озоном, и NO2 начинает реагировать только после полного окисления NO. Чтобы найти этот момент, можно модулировать количество озона, как показано на графике на ФИГ. 3.
[0061] В течение цикла модуляции озона (например, в течение одной минуты) концентрация NO может быть рассчитана по приведенной выше формуле. Уровень озона может первоначально увеличиться, а затем начать снижаться после момента полного окисления NO и начала окисления NO2. За уровень концентрацию NO принимают максимальную концентрацию NO, рассчитанную в цикле.
[0062] Во втором варианте осуществления изобретения, изображенном на ФИГ. 4, используют только одну оптическую кювету. На ФИГ. 4 изображен датчик 200, который во всех отношениях аналогичен датчику 100, за исключением отсутствия устройства 130 измерения NO2 и измерения NO2 только устройством 140 измерения NO2. Озон примешивают перед поступлением газа в кювету и смешивают с потоком анализируемого газа. В этом варианте осуществления изобретения производительность генератора озона модулируют иначе, чем в предыдущем примере. Вместо линейного увеличения количества озона генератор 110 озона периодически включают и выключают, как показано импульсами 210 на ФИГ. 5. В этом случае увеличение концентрации озона определяют по времени с момента включения генератора 110 озона. В этом случае время измерения может быть в десять раз меньше, чем в первом варианте осуществления изобретения. Алгоритм измерения в этом случае также отличается. В момент включения генератора 110 озона блок управления регистрирует интенсивность света 400 нм, прошедшего через кювету устройства 140 измерения (Iin). Эта интенсивность соответствует адсорбции исходным NO2 в потоке газа. Затем блок управления может определить минимальную интенсивность во время цикла генерирования озона (Imin). Эта интенсивность соответствует адсорбции всего NO2, включая исходно присутствующий в образце и образующийся при окислении NO. После того как минимальная интенсивность начинает расти вследствие окисления NO2, блок управления может определить цикл работы генератора озона с максимальной интенсивностью Imax. Нулевая интенсивность адсорбции соответствует моменту, в который концентрация NO2 равна нулю. Концентрацию NO и NO2 СNO и СNO2 можно рассчитать как:
СNO2= (Ln(Imax/Iin))*Kcal СNO= (Ln(Imax/Imin))*Kcal - СNO2 Ур. 8
где Iin - начальная интенсивность света в течение цикла работы генератора озона, Imin - минимальная интенсивность света в течение цикла работы генератора озона, Imax - максимальная интенсивность света в течение цикла работы генератора озона, и Kcal - калибровочный коэффициент (может быть скорректирован в процессе калибровки устройства).
[0063] В одном из вариантов осуществления изобретения один генератор 110 озона можно использовать для измерения концентрации NO и NO2 в нескольких независимых потоках газа, как показано на ФИГ. 6. Для этого поток озона можно направлять клапанами с нужным расходом и примешивать к двум и более анализируемым потокам, содержащим NO и NO2. Алгоритмы измерений в этом случае становятся соответствуют алгоритмам, раскрытым во втором варианте осуществления изобретения. В частности, на ФИГ. 6 изображен датчик 300 для измерения концентрации NO. Датчик 300 содержит: генератор 110 озона; воздушный насос 120; пару устройств 140 измерения NO2; пару дополнительных фильтров 150 NO2 и/или NO; и пару клапанов 310. В одном из вариантов осуществления изобретения каждый клапан 310 содержит Как описано выше в отношении датчика 100, вход генератора 110 озона соединен с выходом воздушного насоса 120. Выход генератора 110 озона соединен с входом каждого устройства измерения NO2 посредством соответствующего клапана 310 с возможностью передачи текучей среды.
[0064] В варианте осуществления изобретения, показанном на ФИГ. 7A - 7B, используют многопроходную оптическую кювету. В частности, на ФИГ. 7A в разрезе изображена многопроходная оптическая кюветная система 400, а на ФИГ. 7B - кювета 400 в аксонометрии. Кюветная система 400 содержит: пару зеркал 410, расположенных друг напротив друга; источник 420 света, опционально лазер; систему 430 настройки лазера; канал 440 ввода луча; канал 450 вывода луча; уплотнение 460; светочувствительный элемент 470. Лазерный луч 480 проходит через канал 440 ввода луча, многократно отражается от зеркал 410 и выходит через канал 450 вывода луча для измерения светочувствительным элементом 470. Такая кювета удобна для измерения концентрации NO2 и NO в диапазоне «мкг/кг», а не «мкг/г». При низких концентрациях NO2 адсорбция света невелика и требует сверхдлинных оптических проходов для достижения измеримого перепада интенсивности света, позволяющего выполнять достоверные измерения. Такие низкие концентрации могут быть важны для надежного измерения допустимой концентрации NO2 в ведущем к пациенту канале в системе NO-терапии или для измерения концентрации NO в выдыхаемом воздухе в системах диагностики NO. Параллельные зеркала 410 позволяют световому лучу несколько раз пройти через образец в небольшой кювете с достижением требуемой оптической длины пути, которая может превышать 10 м.
Примерные характеристики анализатора NO описаны ниже:
[0065] Пример 1:
1. Газоанализатор 100 на ФИГ. 2;
2. Измерение расхода газовой смеси: 3 л/ч;
3. Оптическая длина пути первой и второй кювет: 5 см;
4. Длина волны светодиода: 400 нм;
5. Максимальное количество озона: 0,2 г/ч;
6. Расход в линии подачи озона: 30 л/ч;
7. Диапазон измерения NO2: 10-10000 мкг/г;
8. Диапазон измерения NO: 10-10000 мкг/г.
[0066] Пример 2:
1. Газоанализатор 200 на ФИГ. 4;
2. Измерение расхода газовой смеси: 4 л/ч;
3. Одна кювета с оптической длиной пути: 5 см;
4. Длина волны светодиода: 400 нм;
5. Максимальное количество озона: 0,2 г/ч;
6. Расход в линии подачи озона: 4 л/ч;
7. Диапазон измерения NO2: 10-10000 мкг/г;
8. Диапазон измерения NO: 10-10000 мкг/г.
[0067] Пример 3:
1. Газоанализатор 300 на ФИГ. 6;
2. Два потока измеряемой газовой смеси с расходом: 4 л/ч;
3. Одна кювета с оптической длиной пути: 5 см;
4. Другая многопроходная (ФИГ. 7) кювета с оптической длиной пути: 5 м4
5. Длина волны светодиода: 400 нм;
6. Максимальное количество озона: 0,2 г/ч;
7. Расход в линии подачи озона: 4 л/ч.
8. Первый поток:
Диапазон измерения NO2: 10-10000 мкг/г;
Диапазон измерения NO: 10-10000 мкг/г.
9. Второй поток:
Диапазон измерения NO2: 0,1-100 мкг/г;
Диапазон измерения NO: 0,1-100 мкг/г.
[0068] Специалисту в данной области техники очевидно, что системы и способы, предложенные изобретением, могут содержать вычислительные устройства, которые могут содержать один или несколько процессоров (например, центральный процессор (CPU), графический процессор (GPU) и т.д.), машиночитаемое запоминающее устройство (например, основную память, статическую память и т.д.) или их комбинации, которые взаимодействуют друг с другом через шину. Вычислительные устройства могут представлять собой мобильные устройства (например, сотовые телефоны), персональные компьютеры и серверные компьютеры. В различных вариантах осуществления изобретения вычислительные устройства могут быть выполнены с возможностью обмена данными друг с другом по сети.
[0069] Вычислительные устройства могут использоваться для управления описанными в настоящем документе системами, включая управление клапанами и насосами и обработку данных с датчиков NO и датчиков, связанных с фильтром.
[0070] Процессор может представлять собой любой подходящий процессор, известный в данной области, например, процессор, продаваемый под торговой маркой XEON E7 компанией Intel (Santa Clara, CA), или процессор, продаваемый под торговой маркой OPTERON 6200 компанией AMD (Sunnyvale, CA).
[0071] Память предпочтительно представляет собой по меньшей мере один материальный энергонезависимый носитель, способный хранить: один или несколько наборов инструкций, исполняемых для выполнения системой функций, описанных в настоящем документе (например, программное обеспечение, реализующее любую методику или функцию, описанную в данном документе), и/или данные (например, данные, которые должны быть закодированы в памяти). Хотя в примерном варианте осуществления изобретения машиночитаемое запоминающее устройство может представлять собой один носитель, термин «машиночитаемое запоминающее устройство» следует понимать как включающий один или несколько носителей (например, централизованную или распределенную базу данных и/или соответствующие кэши и серверы), на которых хранятся инструкции или данные. Соответственно, термин «машиночитаемое запоминающее устройство» включает, без ограничения, твердотельные запоминающие устройства (например, абонентский идентификационный модуль (SIM), защищенная цифровая карта (SD-карта), микро SD-карта или твердотельный накопитель (SSD)), оптические и магнитные носители, жесткие диски, дисковые накопители и любые другие материальные носители.
[0072] Для хранения данных могут быть использованы любые подходящие сервисы, такие как, например, Amazon Web Services, облачное хранилище, другой сервер или другое машиночитаемое хранилище. Под облачным хранением понимают схему хранения данных, при которой данные хранятся в логических пулах, а физическое хранение может осуществляться на нескольких серверах и в разных местах. Хранилище может принадлежать и управляться хостинговой компанией. Предпочтительно, хранилище используется для хранения записей, необходимых для выполнения и поддержки операций, описанных в настоящем документе.
[0073] Устройства ввода/вывода согласно изобретению могут представлять собой одно или несколько из следующих устройств: устройства видеоизображения (например, жидкокристаллический дисплей (ЖКД) или монитор на катодно-лучевой трубке (КЛТ)), устройства алфавитно-цифрового ввода (например, клавиатура), устройства управления курсором (например, мышь или трекпад), дисковый накопитель, устройство формирования сигнала (например, динамик), сенсорный экран, кнопка, акселерометр, микрофон, радиочастотная антенна сотовой связи, устройство сетевого интерфейса, которое может представлять собой, например, сетевую интерфейсную карту (NIC), Wi-Fi карту или сотовый модем, или любую их комбинацию. Устройства ввода/вывода можно использовать для ввода желаемых уровней концентрации NO и расхода, а также для оповещения пользователей о показаниях датчиков и необходимости замены фильтра.
[0074] Специалисту в данной области техники очевидно, что для обеспечения работоспособности различных систем и способов, описанных в настоящем документе, можно использовать любую подходящую среду разработки или язык программирования. Например, системы и способы, описанные в настоящем документе, могут быть реализованы с использованием C++, C#, Java, JavaScript, Visual Basic, Ruby on Rails, Groovy и Grails или любого другого подходящего инструмента. Для вычислительного устройства может быть предпочтительным использование собственного xCode или Android Java.
[0075] Следует отметить, что некоторые признаки изобретения, которые для ясности описаны в контексте отдельных вариантов осуществления изобретения, могут быть также представлены в комбинации в одном варианте осуществления изобретения. И наоборот, различные признаки изобретения, которые для краткости описаны в контексте одного варианта осуществления изобретения, могут быть также предусмотрены отдельно или в любой подходящей комбинации более низкого уровня.
[0076] Если явно не определено иное, все технические и научные термины, используемые в настоящем документе, имеют значения, привычные специалистам в области техники, к которой относится настоящее изобретение. Хотя способы, аналогичные или эквивалентные описанным в настоящем документе, могут быть использованы в практической реализации или испытаниях настоящего изобретения, подходящие способы описаны в настоящем документе.
[0077] Все публикации, патентные заявки, патенты и другие ссылки, упомянутые в настоящем документе, включены в него во всей своей полноте путем отсылки. В случае противоречия приоритет отдается патентной спецификации, включая определения. Кроме того, приведенные материалы, способы и примеры носят исключительно иллюстративный, а не ограничительный характер.
[0078] Специалистам в данной области техники очевидно, что настоящее изобретение не ограничивается показанным и описанным выше. Объем настоящего изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения и включает как комбинации первого и второго уровня различных признаков, описанных выше, так и их вариации и модификации, которые могут быть реализованы специалистами в данной области техники после ознакомления с приведенным выше раскрытием.
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| СИСТЕМА И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КОМПОНЕНТОВ | 2021 |
|
RU2824142C1 |
| СИНТЕЗ ГАЗООБРАЗНОГО ОКСИДА АЗОТА ДЛЯ ИНГАЛЯЦИИ | 2014 |
|
RU2692953C2 |
| УСТРОЙСТВО И СПОСОБ ОЧИСТКИ ПОТОКА ГАЗА | 2011 |
|
RU2573677C2 |
| СИСТЕМЫ И СПОСОБЫ ПОЛУЧЕНИЯ ОКСИДА АЗОТА | 2018 |
|
RU2717525C1 |
| Способ высокотемпературного легирования материалов на основе углерода | 2022 |
|
RU2800380C1 |
| СПОСОБ НИЗКОТЕМПЕРАТУРНОГО СЕЛЕКТИВНОГО КАТАЛИТИЧЕСКОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ NO УГЛЕВОДОРОДАМИ, СИСТЕМА ВЫХЛОПА ДЛЯ ОБРАБОТКИ NO И УСТРОЙСТВО | 2007 |
|
RU2442638C2 |
| Удаление оксидов азота (NOx) из выходящих газообразных потоков | 2019 |
|
RU2793746C2 |
| СПОСОБ И АППАРАТ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ИММУННОЙ И КИСЛОРОДНОЙ СИСТЕМЫ И СКРИНИНГА ЛЕКАРСТВЕННЫХ СРЕДСТВ | 2011 |
|
RU2574000C2 |
| СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЧАСТИЧНОГО УДАЛЕНИЯ ЗАГРЯЗНЕНИЙ ИЗ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ГАЗОВОГО ПОТОКА | 2015 |
|
RU2698835C2 |
| СИНТЕЗ ОКСИДА АЗОТА ДЛЯ ВДЫХАНИЯ | 2014 |
|
RU2692650C2 |
Использование: для измерения в режиме реального времени концентрации оксида азота (NO) в образце газа. Сущность изобретения заключается в том, что устройство для измерения в режиме реального времени концентрации оксида азота (NO) в образце газа содержит оптическую кювету, выполненную с возможностью удержания потока образца газа, источник озона, предназначенный для окисления оксида азота в образце газа до NO2; светочувствительный элемент, имеющий оптическую связь с оптической кюветой, выполненный с возможностью получения значения адсорбции света в образце газа, и процессор, связанный с источником озона и светочувствительным элементом и обеспечивающий управление введения озона в образец газа с помощью клапана или насоса; указанный процессор выполнен с возможностью: получения начального значения адсорбции от светочувствительного элемента; управления источником озона для введения озона в указанный образец газа для окисления NO до NO2; получения множества вторых значений адсорбции от светочувствительного элемента в течение определенного периода времени; вычисления минимального и максимального значений адсорбции из множества вторых значений адсорбции; определения концентрации NO на основе (i) начального значения адсорбции, (ii) минимального значения адсорбции и (iii) максимального значения адсорбции. Технический результат: обеспечение возможности точного определения уровня оксида азота (NO). 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 8 ил.
1. Устройство для измерения в режиме реального времени концентрации оксида азота (NO) в образце газа, содержащее:
оптическую кювету, выполненную с возможностью удержания потока образца газа,
источник озона, предназначенный для окисления оксида азота в образце газа до NO2;
светочувствительный элемент, имеющий оптическую связь с оптической кюветой, выполненный с возможностью получения значения адсорбции света в образце газа
и процессор, связанный с источником озона и светочувствительным элементом и обеспечивающий управление введения озона в образец газа с помощью клапана или насоса;
указанный процессор выполнен с возможностью:
получения начального значения адсорбции от светочувствительного элемента;
управления источником озона для введения озона в указанный образец газа для окисления NO до NO2;
получения множества вторых значений адсорбции от светочувствительного элемента в течение определенного периода времени;
вычисления минимального и максимального значений адсорбции из множества вторых значений адсорбции;
определения концентрации NO на основе (i) начального значения адсорбции, (ii) минимального значения адсорбции и (iii) максимального значения адсорбции.
2. Устройство по п. 1, дополнительно содержащее источник света, имеющий оптическую связь со светочувствительным элементом, расположенный с возможностью пропускания света через оптическую кювету, при этом образец газа содержит смесь NO и NO2.
3. Устройство по п. 2, в котором источник света обеспечивает излучение света длиной волны от 350 до 400 нм и содержит один или более светодиодов.
4. Устройство по любому из пп. 1-3, в котором введение озона осуществляется циклически, при этом определенный период времени представляет собой продолжительность каждого цикла введения.
5. Устройство по п. 2, содержащее множество зеркал, имеющих оптическую связь с оптической кюветой и предназначенных для отражения света, излучаемого источником света, проходящего через оптическую кювету один или несколько раз, прежде чем попасть в светочувствительный элемент, для увеличения длины луча, чтобы измерить низкие концентрации NO2.
6. Устройство по любому из пп. 1-5, содержащее первый светочувствительный элемент, расположенный выше по потоку от источника озона, и второй светочувствительный элемент, расположенный ниже по потоку от источника озона.
7. Способ измерения в режиме реального времени концентрации оксида азота в образце газа, по меньшей мере, одним процессором, содержащий этапы, на которых:
получают начальное значение адсорбции от светочувствительного элемента, выполненного с возможностью измерения адсорбции NO2 в образце газа;
управляют источником озона для введения озона в образец газа для окисления оксида азота в образце газа до NO2;
получают множество вторых значений адсорбции от светочувствительного элемента в течение определенного периода времени;
вычисляют минимальное и максимальное значения адсорбции из множества вторых значений адсорбции
определяют концентрацию оксида азота в образце газа на основе (i) начального значения адсорбции, (ii) минимального значения адсорбции и (iii) максимального значения адсорбции.
8. Способ по п. 7, дополнительно содержащий этап пропускания света через образец газа от источника света, функционально связанного со светочувствительным элементом, при этом источник света обеспечивает излучение света длиной волны от 350 до 400 нм.
9. Способ по п. 7 или 8, в котором выше по потоку от источника озона расположен первый светочувствительный элемент , а ниже по потоку от источника озона расположен второй светочувствительный элемент, причем способ содержит этап вычитания уровней NO2, полученных с помощью первого светочувствительного элемента, из уровней NO2, полученных с помощью второго светочувствительного элемента.
10. Способ по любому из пп. 7-9, в котором управление источником озона содержит циклическое введение озона в образец газа, а определенный период времени представляет собой продолжительность каждого цикла введения.
11. Способ по любому из пп. 7-10, в котором концентрацию оксида азота определяют по формуле СNO= (Ln(Imax/Imin))*Kcal - СNO2, где:
СNO2= (Ln(Imax/Iin))*Kcal;
Iin - начальное значение адсорбции;
Imin - минимальнаое значение адсорбции;
Imax - максимальное значение адсорбции; а
Kcal - калибровочный коэффициент.
| CN 105424631 A, 23.03.2016 | |||
| WO 2019029949 A1, 14.02.2019 | |||
| Steven T | |||
| Summerfelt, Mark J | |||
| Sharrer, Scott M | |||
| Tsukuda, Michael Gearheart | |||
| Process requirements for achieving full-flow disinfection of recirculating water using ozonation and UV irradiation, Aquacultural Engineering, vol | |||
| Приспособление с иглой для прочистки кухонь типа "Примус" | 1923 |
|
SU40A1 |
| Печь для сжигания твердых и жидких нечистот | 1920 |
|
SU17A1 |
| УПРАВЛЕНИЕ ОТОПИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМОЙ НА ОСНОВЕ ТРЕБУЕМОЙ ТЕПЛОВОЙ МОЩНОСТИ | 2008 |
|
RU2450313C2 |
