Способ и устройство определения наличия и химического состава вещества

Способ и устройство определения наличия и химического состава вещества

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к области аналитического приборостроения, а именно к средствам для определения месторасположения различных веществ, а также определения их химического состава и расстояния до их размещения. Эти средства позволяют производить мониторинг экологической обстановки, находить расположение месторождений полезных ископаемых, определять их объемы, проводить анализ химических веществ, проводить медицинские исследования и другие научные эксперименты.

Известно использование для этих целей магниторезонанса, то есть использование в качестве излучателя электромагнитного сигнала, модулированного по поляризации с частотой магнитного резонанса в искомом веществе [1], однако для эффективной работы этих средств необходимо использовать технику сверхвысоких частот.

Известно также использование для этого средств радиолокации [2], что требует достаточно сложной сопровождающей радиолокацию телевизионной техники и тепловизионных средств, что усложняет процесс обнаружения и анализа.

Известно использование оптических средств коммутации ИК-сигналов при определении параметров химического вещества [3, 4], однако этот способ требует наличия высокоточного оборудования, что усложняет и удорожает процесс.

Наибольшее распространение получил метод обнаружения и анализа, основанный на лазерном излучении в область исследования или на обследуемое вещество и получении отраженного сигнала с дальнейшим его анализом [5, 6, 7, 8]. Однако эти устройства энергоемки и дороги. Кроме того, они имеют ограниченную область использования, низкую избирательность и, как правило, ограниченную дальность, например, за счет рассеивания электромагнитного потока [1], оптического потока [3, 4] или лазерного луча [5, 6, 7, 8].

Наиболее близким к заявленному является способ для анализа газообразных химических веществ с помощью чувствительного элемента в виде пленки, состоящей из смеси проводящих полимеров - полистануманилина, полисиланоанилина и полианилина. Для селективного изменения электрофизических параметров чувствительного элемента используют взаимодействие отраженного лазерного излучения определенной длины волны и чувствительной пленки, которая постоянно обтекается стабилизированным током [9]. Однако и это известное решение, несмотря на его более высокую селективность, обладает ограничениями по дальности за счет рассеивания лазерного луча, кроме того, известное соотношение смеси полимеров и конкретный метод получения пленки ограничивает его селективность по отношению к желаемой.

Технической задачей настоящего изобретения является создание для определения наличия и изучения химического состава различных веществ такого способа, который бы позволял просто, при низкой себестоимости, с высокой избирательностью анализировать вещества практически на значительных расстояниях независимо от их укрытия в недрах земли или закрытых объемах.

Сущность настоящего изобретения сводится к тому, что в способе определения наличия и химического состава вещества путем регистрации селективного изменения физико-химических параметров чувствительного элемента, выполненного на основе пленки из смеси токопроводящих элементов полисиланоанилина, полианилина и полистануманилина, в результате воздействия на него излучающего потока, который направляют на исследуемое вещество и фокусируют на нем, излучающий поток образуют путем создания по крайней мере двух параллельных электростатических полей высокой плотности, каждое из которых представляет собой поток заряженных частиц, имеющих направленный полет в воздушном пространстве и образующих токопроводящие каналы, между стальными анодами и графитовыми катодами, катоды выполнены в виде острий, на которые нанесен чувствительный элемент на основе пленки из токопроводящих полимеров, при этом напряжение между анодом и катодом 9-200 В, сила тока от источников постоянного тока, к которым подключены анод и катод для создания излучающего потока, составляет 0,5-70 А, а для вытягивания токопроводящего канала, образующего излучающий поток, используют концентраторы. Соотношение полисиланоанилина, полианилина и полисталуманилина в смеси из трех проводящих полимеров может быть выбрано как 8:5:1, а пленку получают методом потенциометрического циклирования при потенциалах 7,1-8 В и 3,6-4,1 В на рабочем электроде из солянокислого раствора мономера. Предлагается также устройство для обнаружения наличия и химического состава вещества, содержащее в общем корпусе средство для регистрации селективного изменения физико-химических параметров чувствительного элемента, выполненного на основе пленки из смеси токопроводящих элементов - полисиланоанилина, полианилина, полистануманилина, нанесенной на графитовый стержень с токовыводами, токовыводы подключены к источнику питания так, что чувствительный элемент постоянно находится под током, и излучающие элементы, отличающееся тем, что устройство содержит, по крайней мере, два излучающих элемента, при этом каждый излучающий элемент выполнен в виде анода и катода, катод излучающего элемента выполнен в виде острия, каждый излучающий элемент подключен к источнику постоянного тока и содержит резервуар с водным раствором гетерополикислоты 2-18 ряда, содержащим атомы вольфрама или молибдена, а также средства для подачи водного раствора гетерополикислоты в виде струи из резервуара для замыкания анода и катода при работе устройства, вблизи анода и катода установлена изоляционная деталь, предназначенная для направления возникающих заряженных частиц в единый поток, по направлению потока установлены концентраторы, соотношение полисиланоанилина, полианилина, полистануманилина в смеси выбрано как 8:5:1, при этом пленка получена методом потенциометрического циклирования при потенциалах 7,1-8 В и 3,4-4,1 В из солянокислого раствора мономера и нанесена на катод, который, в свою очередь, выполнен из графита, образуя вместе с ним чувствительный элемент, при этом чувствительный элемент в рабочем состоянии постоянно находится под током 2-150 мА, средства для измерения выполнены в виде фотопреобразователя и измерительного модуля, при этом фотопреобразователь установлен на одной оси с чувствительным элементом.

Известен способ создания токопроводящих каналов в воздушном пространстве за счет получения непрерывного потока заряженных частиц (шаровых молний), имеющих направленный полет [9], однако известный способ предназначен для передачи электрической энергии на расстояние без применения проводов. Непрерывный поток заряженных частиц (шаровых молний) получают за счет непрерывного воздействия на струю водного раствора гетерополикислот постоянного тока, а также использования направляющих поток средств в виде, например, изоляционной детали, установленной на пути потока шаровых молний.

При использовании известного способа передачи энергии для целей дистанционного обнаружения и анализа химических веществ согласно настоящему изобретению используют обнаруженное авторами свойство направленного потока заряженных частиц в проводнике изменять свою плотность при взаимодействии со средой или веществом, находящимся на его пути, в соответствии с законом Ома. Изменение плотности потока улавливается чувствительным элементом и воздействует на его электромагнитное излучение, как об этом уже говорилось, которое, в свою очередь, регистрируется фотоприемником (например, фотодиодами) и подвергается анализу любым известным способом, в частности, путем подсчета импульсов за любой фиксированный промежуток времени и сравнению полученного результата с известной шкалой. Использование чувствительного элемента согласно настоящему изобретению в сочетании с излучателем в виде направленного потока шаровых молний (заряженных частиц) позволяет существенно расширить диапазон использования способа за счет повышения избирательности, благодаря взаимодействию чувствительного элемента с электростатическим полем потока заряженных частиц (шаровых молний), а не с самим анализируемым веществом, что позволяет жестко стабилизировать ток, проходящий через чувствительный элемент, который можно адаптировать под конкретную плотность потока шаровых молний, которая, в свою очередь, контактирует с анализируемым веществом, обратимо изменяя свои электрические параметры, а также за счет практически не ограниченной по расстоянию и проникающей способности направленного потока, особенно благодаря смешиванию двух потоков черных шаровых молний, образующих «эфирные» вихревые кольца [11].

Примеры.

На фиг.1 схематически изображено устройство согласно настоящему изобретению, а на фиг.2 схематически изображен узел устройства с двумя излучающими элементами.

Устройство для осуществления способа согласно настоящему изобретению содержит размещенные в общем корпусе (1) средства для регистрации селективного изменения физико-химических параметров чувствительного элемента, выполненного на основе пленки из смеси трех полимеров согласно данному техническому решению, нанесенной на графитовый стержень катода (2), совмещенный с излучателем (3), и фотодатчика (4), сигнал с которого посредством усилителя (5) подается на измерительный модуль (6). Излучатель (3) подключен каждый к своему источнику питания (7) и содержит резервуар с водным раствором гетерополикислоты (8) и два независимых модуля для получения шаровых молний, каждый из которых состоит из анода (9) и катода (2), а также изолятора (10), установленного на пути потока заряженных частиц (11) (неидеальной плазмы - шаровых молний).

Работа такого устройства осуществляется следующим образом. Постоянный ток, который обеспечивают два независимых источника питания (7), пропускают через струю водного раствора гетерополикислоты 2-18 ряда (ГПК) с химической формулой H₆[P₂W₁₈O₆₂], которая подается из резервуара (8). Процесс проводится одновременно в двух независимых модулях, состоящих из анода (9), выполненного из нержавеющей легированной стали, и катода (2), выполненного из графита, на который нанесена пленка токопроводящего полимера, при этом сам катод (2) выполнен в виде острия и играет роль излучателя и чувствительного элемента (2), и изолятора (10), выполненного из фторопласта. Когда струя раствора ГПК замыкает контакты катода (2) и анода (9), образуются шаровые молнии (11), которые направляются изолятором (10) и создают проводящий столб - поток заряженных частиц (шаровых молний). Сила постоянного тока в цепи от источника (7) при этом может составить 0,5-70 А при напряжении 9-200 В (электрофизические параметры измерялись амперметром с шунтом и вольтметром постоянного тока). Расчетная скорость вылета составляет 0,006 км/с. Шаровые молнии, которые образовывались в результате непрерывного воздействия постоянного тока на струю водного раствора гетерополикислот, отталкиваясь от изолятора, образовывают направленный поток заряженных частиц, носителями зарядов в которых (в атмосфере) являются гидратированные ионы элементов, содержащихся в атмосфере, а именно различные структуры гидратированных ионов водорода. Также необходимо отметить, что установлению потока заряженных частиц способствует сила электростатического напряжения между шаровыми молниями, непрерывно истекающими из устройства. Для стабилизации проводящих столбов могут быть использованы и другие технические средства [9, 10].

На базе заявленного изобретения был выполнен измерительный преобразователь концентрации газовых компонентов УГ-01-01.

Преобразователь предназначен для измерения концентрации газовых компонентов в жилых, складских и производственных помещениях, а также в свободной атмосфере в составе многоканальных измерительных систем или автономно - в качестве газоанализатора.

Для измерения газовых компонентов в преобразователе используется оптическая ячейка с перестраиваемой чувствительностью к заданному ряду веществ. Вычислительные и измерительный модули преобразователя выполнены на базе микроконтроллера и осуществляют следующие функции:

- управление оптической ячейкой,

- измерение параметров и подсчет импульсов, выдаваемых оптической ячейкой,

- вычисление значений концентрации газовых компонентов,

- управление шиной для опроса внешних датчиков,

- обслуживание клавиатуры и индикатора,

- обмен с персональным компьютером.

Структурная схема преобразователя не показана, т.к. не является предметом настоящего изобретения. Структурная схема оптической ячейки выполнена на базе устройства, показанного на фиг.1. Излучатель 3 может быть выполнен как в виде светодиода, так и в виде нагревателя. Светодиод покрыт активированным компонентом, который при взаимодействии с рядом веществ вступает с ними в химическую реакцию. Для идентификации анализируемого газового компонента и измерения его концентрации через светодиод пропускается постоянный стабилизированный электрический ток с силой 2-150 мА. Избирательность к тому или иному компоненту достигается подбором конкретной величины постоянного тока в вышеуказанных пределах. Настройка считается правильной, если при конкретном токе излучателя и неизменной концентрации частота импульсов становится максимальной. Сигнал подлежит дальнейшей обработке при измерении сигнала уже от фотоприемника. Измерение сигнала от фотоприемника производится устройством АЦП (не показано), входящим в состав микроконтроллера (не показан). Дискретность преобразования - 10 бит, максимальная частота преобразования - 100 кГц, период интегрирования - 20…30 мс.

Для дистанционного определения концентрации газов оптическая ячейка совмещена со средствами для получения потоков заряженных частиц (фиг.2) в общем корпусе следующим образом: на графитовый стержень катода 2 нанесен чувствительный элемент на основе пленки, состоящей из трех полимеров, согласно настоящему изобретению катод совмещен с излучателем и совместно с фотодатчиком регистрирует селективное изменение физико-химических параметров чувствительного элемента. Излучатель 3 также подключен к источнику питания 7 и содержит резервуар с водным раствором гетерополикислоты 8 и два независимых модуля для получения шаровых молний, каждый из которых состоит из анода 9 и катода 2, а также изолятора 10, установленного на пути потока шаровых молний (заряженных частиц) для их направления. Работа устройства происходит следующим образом. Постоянный ток, величина которого выбирается в пределах 0,5-70 А, при напряжении 9-200 В, от двух независимых источников питания 7 (может быть многоканальным) пропускают через струю водного раствора гетерополикислоты 2-18 ряда (ГПК) с химической формулой H₆[P₂W₁₈O₆₂], которая подается из резервуара 8. Процесс проводится одновременно в двух независимых модулях (для получения заряженных частиц), состоящих из анода 9, выполненного из нержавеющей легированной стали, и катода 2, выполненного из графита, на который нанесена пленка токопроводящего полимера. Катод выполнен в виде острия и играет роль излучателя и чувствительного элемента. Изолятор 10 выполнен из фторопласта. Когда струя раствора ГПК замыкает контакты катода 2 и анода 9, образуются шаровые молнии (заряженные частицы) 11, которые направляются изолятором 10 и образуют токопроводящий столб - поток заряженных частиц (шаровых молний). Расчетная скорость вылета составляет 0,006 км/с. Носителями зарядов в атмосфере являются гидратированные ионы элементов, а именно различные структуры гидратированных ионов водорода. Установлению потока заряженных частиц также способствует сила электростатического напряжения между шаровыми молниями, непрерывно истекающими из устройства. Для стабилизации проводящих столбов могут быть использованы и другие технические средства.

С помощью данного прибора было исследовано состояние жилой зоны и ПДК рабочей зоны производства ОАО Инфотэк-групп.

Цель проведения испытаний: определение основной погрешности макетного образца первичного преобразователя контроля ПДК жилой зоны и рабочей зоны. Была произведена калибровка прибора на CO, бензол, аммиак и ацетон последовательно. Концентрация вышеуказанных параметров была установлена заранее с помощью эталонного прибора. Затем с помощью макетного образца произведена проверка параметров и установлено, что погрешность измерения по CO в диапазоне (10-40)мг/м³ не превышает 21,2%, большая погрешность измерения концентрации CO 6,4 мг/м³ обусловлена дискретностью преобразования сигнала (дискретность 10 мг/м³). Влияние неизмеряемых компонентов отсутствует. В диапазоне измерения по бензолу (10…100)мг/м³ величина относительной погрешности измерения для второго цикла измерения не превысила 10%, влияние неизмеряемых компонентов отсутствует. Величина относительной погрешности по аммиаку в диапазоне (10…100)мг/м³ не превышает 26,2%. Для снижения погрешности измерения необходимо производить усреднение измерений по трем циклам измерения, а также снижать дискретность измерения. Влияние неизмеряемых компонентов отсутствует. По ацетону относительная погрешность измерения в диапазоне (10…100)мг/м³ по второму циклу измерения не превысила 18%. Таким образом, макетный образец, выполненный согласно настоящему изобретению по проверенным газам, обеспечивает селективное определение концентрации компонентов на уровне ПДК жилой зоны с относительной погрешностью не более 25%.

С помощью устройства согласно настоящему изобретению было осуществлено дистанционное определение массы воды. Предварительно прибор был откалиброван. В качестве объекта измерения служила пробирка с водой. Сканирование производилось в течение 2 мин.

Расстояние 2,2 м. Пустая пробирка. В пробирке 0. Показания прибора 0.

Расстояние 2,2 м. В пробирке = 3 мл. Показание прибора 3 г.

Расстояние 2,2 м. В пробирке = 1 мл. Показания прибора 1 г.

Расстояние 5 м. В пробирке = 4 мл. Показание прибора 4 г.

Расстояние 2,2 м. В пробирке = 1,3 мл. Показания прибора 1,2 г.

Производили поиск вещества. Прибор был откалиброван на коньяк, который был помещен в холодильник в соседнем помещении. В пробирке был размещен 40% коньяк. Расстояние 13,5 м от прибора. Преграда - стена и металлический корпус. Измерение производили в течение 2 мин. Вещество было идентифицировано как 40% коньяк. Зарегистрировано показание прибора в граммах. Объем коньяка в пробирке = 3,2 мл. Показание прибора = 2 г. В этом случае для идентификации искомого вещества и определения его концентрации, объема и, следовательно, массы не послужили препятствиями стена и металлический корпус холодильника. Возможно, в этом случае проявляются известные волновые свойства переменных токов смещения, каковыми являются шаровые молнии (Стаханов И.П. О физических свойствах шаровой молнии. М., Энергоатомиздат, 1996 г., с.88).

Использование способа и устройства согласно настоящему изобретению позволяют производить качественный и надежный мониторинг экологической обстановки, производить анализ химических веществ, находить месторасположение полезных ископаемых, определять их объемы, проводить медицинские исследования и другие научные эксперименты с высокой избирательностью, на значительных расстояниях, независимо от укрытия искомых и анализируемых веществ.

Источники информации

1. РФ 2244942, G01N 27/12, 2002.

2. РФ 2040783, G01N 27/12, 1995.

3. РФ 2115109, G01N 27/12, 1998.

4. РФ 2226269, G01N 27/12, 2003.

5. РФ 2158423, G01N 27/12, 2001.

6. РФ 2022251, G01N 27/12, 1995.

7. РФ 2285251, G01N 27/12, 2004.

8. РФ 2155954, G01N 27/12, 2001.

9. РФ 2209424, G01N 27/12, 2000.

10. РФ 2223617, H05H 1/00.

11. http://macmep.h12.ru/GeneratorEtherVortex.htm.

1. Способ определения наличия и химического состава вещества путем регистрации селективного изменения физико-химических параметров чувствительного элемента, выполненного на основе пленки из смеси токопроводящих полимеров полисиланоанилина, полианилина и полистануманилина в результате воздействия на него излучающего потока, который направляют на исследуемое вещество и фокусируют на нем, отличающийся тем, что излучающий поток образуют путем создания по крайней мере двух параллельных электростатических полей высокой плотности, каждое из которых представляет собой поток заряженных частиц, имеющих направленный полет в воздушном пространстве и образующих токопроводящие каналы между стальными анодами и графитовыми катодами, катоды выполнены в виде острий, на которые нанесен чувствительный элемент, выполненный на основе пленки из токопроводящих полимеров, при этом напряжение между анодом и катодом 9-200 В, сила тока от источников постоянного тока, к которым подключены анод и катод для создания излучающего потока, составляет 0,5-70 А, а для вытягивания токопроводящего канала, образующего излучающий поток, используют концентраторы.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что соотношение полисиланоанилина, полианилина и полисталуманилина в смеси из трех проводящих полимеров выбирают как 8:5:1, пленку получают методом потенциометрического циклирования при потенциалах 7,1-8,0 В и 3,6-4,1 В на рабочем электроде из соляно-кислого раствора мономера.

3. Устройство определения наличия и химического состава вещества, содержащее в общем корпусе средство для регистрации селективного изменения физико-химических параметров чувствительного элемента, выполненного на основе пленки из смеси токопроводящих полимеров - полисиланоанилина, полианилина, полистануманилина, нанесенной на графитовый стержень с токовыводами, токовыводы подключены к источнику питания так, что чувствительный элемент в рабочем состоянии постоянно находится под током, и излучающие элементы, отличающееся тем, что устройство содержит, по крайней мере, два излучающих элемента, при этом каждый излучающий элемент выполнен в виде анода и катода, катод излучающего элемента выполнен в виде острия, каждый излучающий элемент подключен к источнику постоянного тока и содержит резервуар с водным раствором гетерополикислоты 2-18 ряда, содержащим атомы вольфрама или молибдена, а также средства для подачи водного раствора гетерополикислоты в виде струи из резервуара для замыкания анода и катода при работе устройства, вблизи анода и катода установлена изоляционная деталь, предназначенная для направления возникающих заряженных частиц в единый поток, по направлению потока установлены концентраторы, соотношение полисиланоанилина, полианилина и полистануманилина в смеси выбрано как 8:5:1, при этом пленка получена методом потенциометрического циклирования при потенциалах 7,1-8,0 В и 3,6-4,1 В из соляно-кислого раствора мономера и нанесена на катод, который, в свою очередь, выполнен из графита, образуя вместе с ним чувствительный элемент, средства для измерения выполнены в виде фотопреобразователя и измерительного модуля, при этом фотопреобразователь установлен на одной оптической оси с чувствительным элементом.