Газоанализатор
Полезная модель относится к газоаналитическим комплексам, предназначенным для измерения концентрации токсичных веществ, отравляющих веществ, горючих газов и мощности радиоактивного излучения в целях обеспечения безопасности в местах массового пребывания людей. Предложен газоанализатор, содержащий съемный сенсорный модуль и контроллер, в котором согласно полезной модели имеется газовый канал для прокачки анализируемого газа, в котором установлены несколько съемных сенсорных модулей и детектор отравляющих веществ, причем сенсорные модули подключены к платам расширения, преобразующим выходной интерфейс сенсорных модулей в удобную для обработки контроллером форму и через платы расширения подключены к контроллеру. Газоанализатор снабжен детектором радиоактивного излучения. В зависимости от исполнения и назначения газоанализатор также может быть снабжен дисплеем, кнопками управления, световой и звуковой сигнализацией о превышении допустимой концентрации контролируемых веществ и управляющими реле. Технический результат полезной модели состоит в том, что газоанализатор осуществляет контроль широкой гаммы токсичных и отравляющих веществ, мощности радиоактивного излучения и выдает сигналы оповещения дежурному персоналу, обеспечивающему безопасность людей в местах массового пребывания и на транспорте. 10 зав.п. ф-лы, 3 илл.
Полезная модель относится к газоаналитическим комплексам и системам, предназначенным для измерения концентраций токсичных и отравляющих веществ, горючих паров, а также мощности радиоактивного излучения в целях обеспечения безопасности в местах массового пребывания людей и антитеррористической защиты.
Требования обеспечения безопасности людей в местах массового пребывания, в высотных зданиях, на транспорте предполагают контроль большого количества отравляющих газов, таких как зарин, зоман, Vx, аварийно химически опасных веществ, таких как фосген, синильная кислота, аммиак, хлор, оксид углерода, органические углеводороды, а так же мощность радиоактивного излучения. В зависимости от мест расположения охраняемых зон и вида угроз, количество и номенклатура контролируемых газов меняются. Отбор проб для анализа зависит от контролируемой угрозы.
Условия газового анализа в местах массового скопления людей характеризуется присутствием в воздухе неконтролируемого большого числа веществ с относительно малыми концентрациями, следствием чего селективное измерение концентрации аварийно химически опасных веществ приборами, основанными на спектрометрии ионной подвижности становится затруднительным.
Современные технологии одновременного контроля большого количества газов предполагают подключение индивидуальных газоанализаторов с аналоговым или цифровым выходом к промышленным контроллерам, в которых задают жесткую конфигурацию состава и алгоритма (см., например, патент RU 2274855, G01N 27/416, 2006 г.) При всей простоте данного решения оно обладает следующими недостатками, а именно: большие габариты, сложность создания системы пробоотбора, высокая стоимость, сложность модернизации и обслуживания. Кроме того, большинство доступных детекторов отравляющих веществ имеют в своем составе высокоактивные источники радиоактивного излучения, что резко усложняет их эксплуатацию.
В качестве прототипа выбран газоанализатор по патенту RU 84563 U1, МПК G01N 27/416, 2009, наиболее близкий к предлагаемому газоанализатору по совокупности существенных признаков. Принятый за прототип газоанализатор содержит сменный сенсорный модуль и контроллер, снабженный дисплеем, кнопками управления и световой и звуковой сигнализацией о превышении допустимой концентрации контролируемого вещества.
Недостатком известного газоанализатора является то, что он обеспечивает контроль ограниченного количества веществ в анализируемом газе, например в воздухе. Кроме того, он не контролирует отравляющие вещества, такие как зарин, зоман, Vx, а также мощность радиоактивного излучения. Это ограничивает возможность его применения для обеспечения безопасности людей в местах массового пребывания, в высотных зданиях и на транспорте.
Задачей полезной модели является создание такой конструкции комплекса химико-радиационного контроля, которая обеспечивала бы максимальную эффективность контроля и обнаружения отравляющих веществ, аварийно химически опасных веществ и мощности радиоактивного излучения в местах массового скопления людей, в системах вентиляции зданий и сооружений, на транспорте.
Указанная задача решается тем, что предложен газоанализатор, содержащий съемный сенсорный модуль и контролер, в котором, согласно полезной модели имеется газовый канал для прокачки анализируемого газа с установленными в нем несколькими съемными сенсорными модулями по числу контролируемых аварийно химически опасных веществ в анализируемом газе, причем съемные сенсорные модули подключены к платам расширения, преобразующим выходной интерфейс съемных сенсорных модулей в удобную для обработки контроллером форму и через плату расширения подключены к контроллеру. В зависимости от исполнения и назначения газоанализатор также может быть снабжен дисплеем, кнопками управления, световой и звуковой сигнализацией о превышении допустимой концентрации контролируемых веществ и управляющими реле, которые подключены к контроллеру.
Другим отличием газоанализатора является то, что он снабжен безопасным детектором отравляющих веществ, установленным в газовом канале и подключенным
к контроллеру.
Другим отличием газоанализатора является то, что он снабжен детектором мощности радиоактивного излучения, установленным вне газового канала и подключенным к контроллеру.
В числе отличий газоанализатора следует отметить то, что он снабжен термоанемометром для контроля скорости анализируемого газа в газовом канале и датчиками температуры и влажности анализируемого газа, установленными в газовом канале и на входе в газовый канал и подключенными к контроллеру.
Другим отличием газоанализатора является то, что на входе в газовый канал установлен фильтр, исключающий попадание в газовый канал пыли, но не сорбирующий контролируемые компоненты анализируемого газа.
Еще одним отличием газоанализатора является то, что на выходе газового канала установлен побудитель расхода.
Другим отличием газоанализатора является то, что на выходе газового канала установлен угольный фильтр для поглощения анализируемых компонент и/или труба для отвода анализируемого газа.
В числе отличий газоанализатора следует отметить то, что он может иметь два газовых канала, в которых установлены съемные сенсорные модули.
Другим отличием газоанализатора является то, что два газовых канала могут быть объединены на входе и выходе.
Благодаря отмеченным выше особенностям выполнения газоанализатора обеспечивается технический результат, который состоит в том, что газоанализатор осуществляет комплекс измерений, включая множество контролируемых веществ, отравляющие вещества и радиоактивное излучение, что расширяет область его применения для обеспечения безопасности людей в местах их массового пребывания.
Сущность полезной модели поясняется чертежами.
На фиг.1 изображена принципиальная схема газоанализатора.
На фиг.2 представлена принципиальная схема газоанализатора с двумя газовыми каналами и множеством сменных сенсорных модулей.
На фиг.3. изображена принципиальная схема детектора отравляющих веществ.
В газовом канале 1 (фиг.1) установлены сменные сенсорные модули 2, детектор 3 отравляющих веществ. Прокачка воздуха через газовый канал 1 обеспечивается побудителем расхода 4, в качестве которого используется вентилятор или насос. На входе в газовый канал 1 установлен фильтр 5, исключающий попадание в канал пыли, но не сорбирующий анализируемый газ. Фильтр 5, выполнен, например, из нескольких слоев нержавеющей сетки. Воздух, прошедший через фильтр 5 проходит по трубе 6, попадает в газовый канал 1 и выходит по трубе 7 и через угольный фильтр 8 наружу. Газовый канал 1 и труба 6 выполнены из материала, не сорбирующего, или мало сорбирующего измеряемые газы, например: фторопласт, полипропилен или никелированный металл. Расход воздуха, через газовый канал 1 - не менее 5 л/мин, что позволяет исключить снижение концентрации газов за счет сорбции на стенках канала 1, трубы 6 и обеспечить малое время срабатывания сенсоров. Сменные сенсорные модули 2 подключены к платам расширения 9, преобразующим выходной интерфейс сменных сенсорных модулей в, например, RS485. Выходной интерфейс детектора отравляющих веществ 3, например - RS485. Для целей полезной модели тип интерфейса и вид протокола не принципиален. Данные с модулей 2 и детектора 3 отравляющих веществ поступают на специализированный контроллер 10. Детектор 19 радиоактивного излучения, в качестве которого может быть использован стандартный дозиметр или спектрометр, также подключен к контроллеру 10. К контроллеру 10 подключен дисплей 11, кнопки 12 управления, светодиоды 13 световой сигнализации, излучатель 15 звуковой сигнализации и управляющие реле 14. Скорость воздуха контролируется установленным в газовом канале термоанемометром 16, а влажность и температура воздуха в газовом канале и на входе в газовый канал измеряется сенсорами температуры и влажности 17 и 17а. При установке нового сменного сенсорного модуля 2 в плату расширения 9, сменный сенсорный модуль 2 автоматически идентифицируется контроллером 10 и его показания передаются в выходном интерфейсе 18 и/или на дисплей 11. Порядок установки сменных сенсорных модулей 2 в платы расширения 9 не имеет значения. При выработке ресурса, окончания сроков поверки или градуировки сменного сенсорного модуля 2, детектора 3 отравляющих веществ, детектора 19 радиоактивного излучения, контроллер 10 вырабатывает сигналы, сигнализирующие о необходимости замены или техобслуживании, которые передаются в выходной интерфейс 18 и/или отображаются на дисплее 11. Контроллер 10 хранит архив показаний за установленное пользователем время.
Изображенный на фиг.2 газоанализатор отличается от описанного выше тем, что он имеет два газовых канала 1 и la, в которых установлено множество сменных сенсорных модулей 2 и детектор 3 отравляющих веществ.
Газоанализатор работает следующим образом.
Анализируемый воздух посредством побудителя расхода 4 через фильтр 5 и трубу 6 подается в газовый канал 1. Сменные сенсорные модули 2 совместно с платами расширения 9 и детектор 3 отравляющих веществ, установленные в канале 1, вырабатывают сигналы, пропорциональные концентрации веществ, содержащихся в анализируемом газе. Измеренная концентрация веществ в виде цифрового сигнала по интерфейсной линии непрерывно передается в контроллер 10 (фиг.1). Контроллер 10 производит обработку поступающей информации и, используя специализированный алгоритм распознавания, определяет тип и концентрацию вещества, которое присутствует в воздухе. Текущее значение концентраций по всем установленным в газоанализаторе сменным сенсорным модулям 2, детектору 3 отравляющих веществ и мощности радиоактивного излучения по детектору 19 передаются внешним приемным устройствам по интерфейсам 18 (Ethernet, RS485/232/422, GPRS, Wi-Fi). Превышение пороговых значений концентраций и мощности радиоактивного излучения также может индицироваться в виде цифровой информации на дисплее, включением светодиодов 13 световой сигнализации, излучателя 15 звуковой сигнализации, управляющих реле 14.
Скорость прокачки воздуха контролируется термоанемометром 16, установленным на выходе газового канала и регулируется напряжением, подаваемым на вход вентилятора 4 от контроллера 10.
Влажность и температура воздуха измеряется датчиками температуры и влажности 17, 17а, установленным в газовом канале 1 и на входе в газовый канал.
При размещении газоанализатора на открытых площадках возможен режим образования конденсата на внутренней поверхности газового канала 1, на детекторе 3 отравляющих веществ и сменных сенсорных модулях 2, что может привести к ложным срабатываниям. Для исключения этого режима предусмотрен следующий режим работы газоанализатора. Если относительная влажность измеряемого газа на входе в газовый канал, измеренная датчиком влажности 17а будет более 98%, то контроллер 10 включает обогрев газового канала 1 и входа в газовый канал посредством управления нагревателем 20. Если через установленное время после включения обогрева относительная влажность анализируемого газа в газовом канале, измеренная датчиком 17 будет более 98%,то контроллер 10 автоматически снижает скорость прокачки и отключает питание детектора 3 отравляющих веществ. При снижении относительной влажности на входе в газовый канал и в газовом канале до 95% контроллер 10 повышает скорость прокачки воздуха до номинального и включает питание детектора 3 отравляющих веществ. При включении нагревателя, отключения прокачки газа и питания детектора 3 отравляющих веществ информация об этих событиях передается по интерфейсу 18 и/или на дисплей 11.
Изображенный на фиг.3 детектор 3 отравляющих веществ содержит корпус 21, в котором находится изолирующий фланец 22. Во фланце 22 установлен центральный электрод 23 и наружный коаксиальный цилиндрический электрод 24. Электроды 23 и 24 закрыты экранирующим кожухом 25. Коаксиальный электрод 24 и экранирующий кожух 25 имеют отверстия для прохода воздуха. На центральном электроде 23 установлен радиоизотопный 
источник 26 малой активности менее 1 МЗА, например Ni63 (активность менее 100 МБк). Центральный электрод 23 соединен с генератором 27 знакопеременных импульсов, а коаксиальный электрод 24 соединен с усилителем тока 28. Выход с усилителя 28 тока поступает на схему 29 обработки сигнала. Детектор снабжен микропроцессорным блоком 30 для управления работой генератора 27.
Детектор 3 работает следующим образом.
Первичная ионизация анализируемого воздуха происходит в узкой области 31 в районе центрального электрода, в результате которой происходит образование положительных и отрицательных ионов, так называемых «реактант-ионов». В районе центрального электрода формируется первичное «облако» 31 из положительных и отрицательных ионов. При приложении к центральному электроду 23 напряжения, ионы противоположного знака начинают быстро дрейфовать в сторону коаксиального электрода 24. При приложении к центральному электроду знакопеременных прямоугольных импульсов напряжения среднее за период импульсов значение ионного тока положительных и отрицательных реактант-ионов, измеряемого на цилиндрическом электроде 24 постоянно и принимается за условное нулевое значение. Так как вследствие коаксиальной геометрии камеры в области центрального электрода 23 скорость движения ионов велика и далее снижается как 1/r, то основные процессы ионно-молекулярного взаимодействия между «реак-тант-ионами» и молекулами анализируемого вещества протекают в пространстве 32. При появлении в воздухе анализируемого вещества, молекулы которого обладают большим, чем реактант-ионы сродством к электрону или протону, в зоне 32 за счет ионно-молекулярных реакций образуются ионы (ионные кластеры) анализируемых веществ. Концентрация реактант-ионов соответствующей полярности уменьшается, а ионов (ионных кластеров) анализируемых веществ увеличивается. При этом общее число ионов остается постоянным. Ток, измеряемый на цилиндрическом электроде 24, является суммой токов реактант-ионов обеих полярностей и ионов (ионных кластеров) анализируемого вещества. Так как подвижность ионов и ионных кластеров анализируемого вещества значительно ниже, чем подвижность реактант-ионов, то сила тока уменьшается. Полярность результирующего тока относительно установленного условного нулевого значения определяется знаком оставшихся реактант-ионов. Например, при появлении в воздухе веществ, имеющих высокое сродство к протону, снижается число положительно заряженных реактант-ионов высокой подвижности, увеличивается число ионов (ионных кластеров) анализируемого вещества и суммарный ток сдвигается в область отрицательных значений относительно условного ноля. Величина изменения тока пропорциональна концентрации анализируемого вещества в пределах диапазона измерения.
Так как начальная концентрация «реактант-ионов» мала вследствие низкой активности источника ионизации, то даже небольшое изменение подвижности ионов приведет к значительному изменению силы тока.
Амплитуда напряжения и длительность импульсов обеих полярностей задается блоком 30 таким образом, чтобы длительность импульсов была ограничена снизу временем движения ионов анализируемого вещества между электродами 23 и 24, а сверху - характерным временем ионно-молекулярных реакций между реактант-ионами и молекулами веществ, мешающих анализу (мешающих компонентов). Эти ограничения обеспечивают высокую чувствительность и специфичность детектора.
1. Газоанализатор, включающий съемный сенсорный модуль и контроллер, отличающийся тем, что он имеет газовый канал для прокачки анализируемого газа, в котором установлены несколько съемных сенсорных модулей по числу контролируемых веществ в анализируемом газе, причем съемные модули подключены к платам расширения, преобразующим выходной интерфейс модулей в удобную для обработки контроллером форму, и через платы расширения подключены к контроллеру.
2. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен дисплеем для отображения информации, кнопками управления, световой и звуковой сигнализацией о превышении допустимой концентрации контролируемого вещества или мощности радиоактивного излучения.
3. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен управляющими реле, срабатывающими при превышении допустимой концентрации контролируемого вещества, мощности радиоактивного излучения и/или отказе газоанализатора.
4. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен детектором отравляющих веществ, установленным в газовом канале и подключенным к контроллеру.
5. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен детектором радиоактивного излучения, установленным вне газового канала и подключенным к контроллеру.
6. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что на входе в газовый канал установлен фильтр, исключающий попадание в газовый канал пыли, но не сорбирующий контролируемые компоненты анализируемого газа.
7. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что на выходе газового канала установлены побудитель расхода и угольный фильтр.
8. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что он снабжен термоанемометром для контроля скорости анализируемого газа в газовом канале и датчиком температуры и влажности анализируемого газа, установленными в газовом канале и на входе в газовый канал и подключенными к контроллеру.
9. Газоанализатор по п.1, отличающийся тем, что побудитель расхода подключен к контроллеру.
