CN105531586B - 用于浮质检测的方法和便携式离子迁移谱仪 - Google Patents

Abstract

一种用于检测浮质的离子迁移谱测定设备(1)和使用该设备的方法。该设备包括离子迁移谱仪(3)；该设备携带的便携式电源(5)，用于给该设备(1)供电；入口(7)，用于收集所述谱仪(3)测试的空气流；加热器(4)，被配置成加热要被测试的空气以气化空气携带的浮质以及控制器(2)，被配置成控制所述谱仪(3)以从加热的空气获得样本，其中该控制器被配置成在从加热的空气获得样本之前的选择的时间段升高来自加热器(4)的热输出。

Description

用于浮质检测的方法和便携式离子迁移谱仪

技术领域

本公开涉及谱测定方法和设备，且更特别地涉及离子迁移谱测定以及用于对浮质应用谱测定的方法和设备。

背景技术

一些类型的离子迁移谱仪通过“吸入”气流并对空气进行采样以检测感兴趣的物质来工作。在许多情况中，离子迁移谱仪通过电离气体或蒸汽的样本并分析获得的离子来工作。为了能够将离子迁移谱仪用于军方和安全部门，已经使用的手持或便携式装置。一般地这些装置是电池供电的且期望延长其电池寿命

一些分析设备且特别是一些离子迁移谱仪适用于蒸汽和气体的分析。

一些感兴趣的物质可以包括浮质。与蒸汽或气体相比，浮质包括悬浮在气体中的固体或液体的细微颗粒。如果物质具有低蒸汽压力，则离子迁移谱仪可能不能检测浮质中该物质的颗粒。

附图说明

通过仅示例的方式参考附图描述本公开的实施方式，在附图中：

图1示出了便携式谱测定设备的示意性截面图，该便携式谱测定设备具有用于加热谱仪入口中的空气的加热器；

图2示出了便携式谱测定设备的示意性截面图，该便携式谱测定设备具有在其中能够获取并加热空气的室；

图3示出了另一设备的示意性截面图，其中空气样本能够在离子迁移谱仪的反应区中被加热；以及

图4示出了操作谱测定设备的方法。

具体实施方式

本公开提供一种谱仪，被配置成对吸入到该谱仪的空气样本进行加热以在该样本被电离以用于分析之前气化(vapourise)空气样本携带的浮质。该吸入的空气样本可以在该谱仪的入口中被加热，在反应区中被加热(在该反应区中该样本被电离)，或在该样本被传递到反应区之前在谱仪的室中被加热。本公开的实施方式针对关于谱仪的操作控制加热的定时以有助于敏感度。

图1示出了设备1，包括谱仪(spectrometer)3、便携式电源5，用于给设备供电，入口7和空气增流器6，用于吸取(draw)空气流通过入口7。在图1的示例中，设备1包括加热器4，被配置成对要被测试的空气加热，以及控制器2，被配置成控制该空气增流器6、谱仪3和加热器4。

入口7包括通道，要被谱仪采样的空气流能够流过该通道。在图1示出的示例中，加热器4包括设置在入口7中的导线加热器由此流向谱仪的空气通过该加热器。如图所示，加热器4被耦合到控制器2并被耦合用于从电源5接收电供应由此控制器2能够控制加热器4的操作。

在图1中，谱仪3包括离子迁移谱仪，其通过采样端口9被耦合到入口7，并包括反应区11，在该反应区11中样本能够被电离。采样端口9能够被操作用于从到谱仪的入口获得样本。一些采样端口的示例包括“针孔”端口和膜。

门电极13可以将反应区11与漂移室(drift chamber)15隔开。漂移室15包括从门电极13朝向漂移室15的相反端的检测器17。漂移室15还包括漂移气体入口19和漂移气体出口21，用于沿着漂移室15从检测器17向门电极13提供漂移气体流。

采样端口9能够被操作用于对从入口7进入到谱仪3的反应区11的空气采样。反应区11包括用于电离样本的电离器(ioniser)23。在图1示出的示例中，电离器23包括电晕放电(corona discharge)电离器，其包括电极。

漂移室15还包括漂移电极25、27，用于沿着漂移室15施加电场以加速相对漂移气体流朝向检测器17的离子。

在操作中，响应于谱仪3被操作者激活，控制器2操作空气增流器6由此使得空气流被吸取通过入口7。

为了释放可能已经在入口7或加热器4积累的残余物，控制器2升高从加热器4的热输出同时空气增流器6吸取空气通过入口7以释放加热器4的物质并将其从入口7移除。为了释放这样的残余物，加热器4可以被加热到至少150℃的温度。通过入口7的空气流将释放的物质冲出入口7以为测试空气样本做好准备。

在释放残余物的该过程中，控制器2被配置成在使用谱仪3采样空气流之前在选择的时间段升高来自加热器4的热输出。该时间段可以基于在释放期间加热器4的温度、要被检测的浮质的类型、和/或基于入口中预期残余物的类型来选择。升高来自加热器的热输出可以包括增加提供给加热器的功率，并可以包括将加热器打开。

在所选的时间段过去后，同时空气增流器6继续吸取通过加热器4的空气，控制器2控制谱仪采样端口9以从在入口7中加热的空气流获得样本。控制器2然后控制谱仪3在反应区11中对加热的样本进行离子迁移谱测定。

在一些实施方式中，控制器2被配置成在所选的时间段之后且在使用谱仪采样空气流之前降低加热器的温度。在一些实施方式中，控制器2可以在获得样本之前降低提供给加热器4的功率由此要被采样的空气由来自从入口释放残余物的残余热量来加热。在一些实例中，降低功率可以包括降低来自加热器4的热输出，并可以包括将加热器4关掉。

在实施方式中，控制器2控制加热器4以在获得到样本之前在所选择的时间段提供第一热输出(用于释放残余物)。控制器2然后可以控制加热器4提供第二热输出以气化空气流携带的浮质，并控制采样端口9从加热的空气流中获得气化的浮质的样本。控制器2可以被配置由此样本被获得同时加热器4被控制以提供第二热输出或同时加热器4正冷却。

在实施方式中，控制器2被配置成控制采样端口9以在所选时间段期间从入口获得至少一种初始样本，并分析该初始样本以测试是否存在残余物。基于该测试，控制器2可以延长或缩短所选时间段。例如，如果控制器根据该测试确定残余物已经被释放并从入口被移除，则控制器可以控制加热器4提供第二热输出以气化浮质，并控制采样端口9获得气化的浮质的样本。在该实施方式中，入口可以是可控制的以将空气流从入口流通到过滤器，例如木炭包，且然后将其回流通过入口同时施加第一更高的热输出。控制器2可以被配置成测试反复流通的空气流直到确定残余物已经从入口被释放。

第一热输出可以被选择以提供至少150℃的温度。在实施方式中，第二热输出低于第一热输出。控制加热器提供第二热输出可以包括降低提供给加热器4的功率，例如通过将其关闭。

加热器4可以被设置在入口附近或入口中。加热器可以包括导体，例如电线，其可以用于通过电阻性发热来加热。电线可以包括金属。加热器4可以被设置为网格或网以在入口中提供阻挡物由此通过入口的空气流流过加热器或在加热器附近流过。在一个示例中，加热器包括编织结构，例如电线的填充物或缠绕。这样结构的一个示例包括电线的编织网，例如织网(RTM)。

网格或网结构可以被设置由此电线占据其体积的80％以下，在一些示例中低于60％，在一些示例中低于40％，在一些示例中低于20％的体积被电线占据，且其余的体积可以被空气空间占据，要被加热的空气能够流过该空气空间。在实施方式中，该结构是体积上空气至少占60％，且在一些实施方式中该结构在体积上空气大约70％。已经发现使用较低密度改善设备的效率，且改善在谱仪中通过加热气流实现的敏感度。

如果编织或缠绕的电线结构例如织网(RTM)被使用，则加热器4可以被缠绕在该结构的外部。在一些实施方式中，编织或缠绕的电线结构可以通过给该结构通电流来被加热。

加热器4可以在入口7中提供一收缩部分(constriction)，或其可以被设置在到反应区的空气流的路径中的收缩部分，例如在谱仪3的采样端口9处。在实施方式中端口9可以被加热，或加热器(诸如这种可以在白炽灯中找到的电阻丝加热器)可以被设置在端口9的空气流上游。

在一些实例中，加热器4可以包括红外源，例如红外灯或LED，或红外激光器。在一些实例中加热器4可以包括热空气喷射器或多个喷射器，热空气在空气流到达谱仪3的采样端口9之前被注入到入口7中的空气流。

图2示出了第二设备100。图2中示出的设备提供执行离子迁移普测定仪分析低蒸汽压力的浮质的可替换方式。不是在空气流通过入口时对其加热，图2示出的设备100被配置成将空气吸取到室102中，并在室102中对空气加热以气化浮质。加热的空气然后能够被提供回入口7中的空气以被谱仪3采样。

图2示出的设备100包括谱仪3、便携式电源5，用于给设备100供电，入口7和空气增流器6，用于吸取空气流通过入口7。如在图1所示的示例中，图2的谱仪3通过采样端口9耦合到入口7，由此谱仪3能够从入口7获得空气样本。

图2示出的设备还包括室102，该室102通过谱仪的采样端口9的上游的端口109耦合到入口7，由此流过入口7的空气在经过谱仪采样端口9之前经过室端口109。

室102包括两个电极104、106和泵108。该泵108适用于从入口7吸取空气通过端口109到室102，并将空气从室102排出回到入口7。电极104、106适用于在室102中将电荷施加到浮质颗粒。电极104、106还可以适用于加热带电颗粒。

在图2的设备的操作中，响应于谱仪3被操作者激活，控制器2操作空气增流器6由此空气流被吸取到入口7。控制器7然后操作泵108将空气从入口7吸取到室。控制器2然后操作电极104、106以将电荷施加到室102中的样本中的浮质颗粒。

一旦浮质颗粒已经带电，控制器2操作电极104、106在电极104、106之间施加交变电场，例如射频电场，以升高带电浮质的温度。这避免了提供电阻性加热的需要。控制器2然后操作泵108将蒸汽排出回到入口7，由此入口7中的空气流将蒸汽携带到采样端口9以被谱仪3采样并分析。

虽然在上述示例中，相同的电极104、106用于充电和加热浮质，但是可以使用其他配置。例如可以提供地参考电极，同时第一电极104可以用于充电浮质，以及第二电极106可以施加相对地的交变电场。在其他示例中可以使用四个电极，前两个电极可以用于充电浮质，后两个电极可以用于施加交变电场以加热浮质。

在一些示例中，图2的室102可以包括加热器(例如与图1示出的加热器4类似的加热器)。在这些示例中，一旦浮质颗粒已经被充电，控制器2能够控制电极104、106以施加电场，其将带电的浮质颗粒牵引到电极104、106的一个或两个。一旦带电的浮质颗粒已经以这种方式被获取，控制器2能够操作加热器以气化获取的颗粒。

加热器可以包括电阻加热器、红外灯、激光器、LED、加热气体喷射器或用于加热在电极上获取的浮质颗粒的任意其他加热源。在一些可能中，电极104、106的一个或两者可以被配置成由此电流可以通过电极以提供电极的电阻性发热。

在一些示例中，室102不需要包括任意电极，且可以简单地包括加热器。在这些示例中，空气被吸取到室中以被加热，且在释放回入口7中的空气流中之前被加热器加热以被谱仪3分析。

虽然室102被描述为包括泵，但用于将空气移进或移出室102的任意设备可以被使用，例如风扇可以用于将空气吸进和吸出室102，或活塞可以用于改变室102的体积以通过到入口7的端口109将空气抽进室102和推出室102。

在一些示例中，可以在入口7中提供室102。例如，不是从入口吸取一些空气到单独的室102以被加热，而是室102可以是入口的一部分，且电极104、106可以被提供在入口7中。因此，电极104、106可以被操作以在入口中充电并加热浮质(参考如上所述的室102的操作)。

图3示出了第三设备200。图3示出的设备200提供另一可替换方案来实现使用离子迁移谱测定来分析低蒸汽压力的浮质。在图3的示例中，谱仪203的反应区211包括加热器205，用于加热空气样本以在电离样本之前气化浮质。

图3中示出的设备200包括谱仪203、入口7、控制器2以及便携式电源5，用于给设备200供电。

入口7包括空气增流器6，用于吸取空气流通过入口7。

图3的谱仪203包括耦合到入口7的采样端口9，用于从入口7获得空气样本，以及反应区211，样本在该反应区211中能够被电离。如图3所示，反应区包括电离器23和被耦合以由控制器2控制的加热器205。门电极13可以将反应区211与漂移室15隔开。

漂移室15包括从门电极13朝向漂移室15的相反端的检测器17。漂移室15还包括漂移气体入口19和漂移气体出口21，用于沿漂移室15从检测器17向门13提供漂移气体流。

漂移室还包括电极25、27，用于施加电场以加速相对漂移气体流向检测器的离子。

在图3的设备的操作中，响应于谱仪203被操作者激活，控制器2操作空气增流器6由此空气流被吸取通过入口7。控制器2然后操作谱仪3以获得从入口7通过端口9到反应区211的空气样本。

关于反应区211中的空气样本，控制器2操作加热器205以加热该样本以在反应区211中原地气化浮质。一旦样本已经被加热，控制器2操作电离器23电离供谱仪分析的样本。

在一些可能中，电离器23可以包括加热器。例如，如果电离器包括电晕放电电离器，则电离器的电极可以被加热以升高反应区211中的样本的温度。在一些可能中，电离器23的电极可以被配置成如参考图2以上所述的电极104、106一样进行操作。例如，控制器2可以被配置成控制电离器23施加电荷给反应区中的浮质颗粒，并通过施加交变电场(例如射频电场)来升高带电颗粒的温度。在一些可能中，控制器2可以被配置成控制电离器23施加电荷给反应区211中的浮质颗粒，并施加电场以在电极上加热颗粒之前将带电颗粒吸引到电极。这些可能可以使用电离器23的电极，或者可以为此目的提供单独的电极。

在参考图1、图2和图3描述的各种设备1、100、200中，便携式电源5可以包括电池、燃料电池、电容器、或适用于给设备供电的任意其他便携式电源。

图中示出的设备1、100、200被描述为包括空气增流器6。该空气增流器可以例如通过泵来提供，或通过风扇或适用于吸取空气流通过入口的任意装置(例如风箱)来提供。如果这样的装置被使用，则其不需要是设备的部分，且可以单独被提供。

图中示出的设备1、100、200包括单模式谱仪3、203。但是在一些可能中，谱仪3、203可以包括正模式(positive mode)谱仪3和负模式(negative mode)谱仪3。在一些可能中，单谱仪可以是在正和负模式操作之间可切换的。

参考图1、图2和图3描述的控制器2可以由数字逻辑提供，例如场可编程门阵列FPGA、专用集成电路ASIC、数字信号处理器DSP，或由加载到可编程处理器的软件提供。本公开的方面包括计算机程序产品，且可以被记录在非暂态计算机可读介质上，且这些可以可操作用于对处理器进行编程以执行这里所述的方法的任意一个或多个。

虽然图1、图2和图3示出的设备提供了本公开的实施方式，但可以预期其他实施方式。

图4示出了在用于分析浮质的谱仪中控制功率消耗的方法400。如图4所示，该方法包括接收用于操作谱仪的信号402。响应于该信号，空气增流器能够被激活以吸取空气流通过谱仪入口。该入口然后能够被加热由此残余物能够从谱仪被释放404，并通过空气增流器被冲出入口406。在释放并冲出残余物之后，要被测试浮质的空气被吸取到谱仪的入口408。

空气被加热410以气化空气携带的浮质，且从该加热的空气获得样本。该样本然后能够使用谱仪被分析414。

为了节约能量，可以在从加热气体获得样本之前停止加热。当从释放404残余物的残余热量继续加热空气时可以获得412样本。

加热可以包括加热谱仪的入口，且该加热可以在没有获得用于分析的样本的情况下被完成以保证残余物在采样之前被释放，并从入口被移除。在一些可能中，残余物可以在已经获得样本之后从谱仪释放，且在这些和其他可能中，可以不需要在获得样本之前释放残余物。加热可以包括加热容器(reservoir)中的空气，且然后将加热的空气从容器释放到谱仪的入口。加热还可以包括加热谱仪的反应区中的空气。

虽然本公开的实施方式已经描述为在离子迁移谱仪中具有特定应用，但是描述的设备和方法可以被应用到其他分析系统中，其中需要测试与具有低蒸汽压力的浮质相关联的蒸汽。

可以理解蒸汽可以包括在低于临界点的温度的在其气相的物质。通过与蒸汽或气体比较，浮质包括悬浮在气体中的固体或液体的细微颗粒。这里使用的术语“气化”用于指将物质的至少一些从固态或液态转换成蒸汽或气体。

这里描述的设备特征可以被提供为方法特征，反之亦然。

在第一方面中，提供了用于检测浮质的便携式谱测定设备。该第一方面的第一设备可以包括谱仪；设备携带的便携式电源，用于给设备供电；入口，用于收集要由谱仪测试的空气流；加热器，被配置成加热要被测试的空气以气化空气携带的浮质；控制器，被配置成控制谱仪以从加热的空气中获得样本，其中控制器被配置成在从加热的气体获得样本之前在选择的时间段升高来自加热器的热输出。在实施方式中，升高热输出包括从零升高热输出，例如升高热输出可以包括打开加热器。在实施方式中升高热输出包括从初始非零热输出升高热输出。

在该第一方面中，该时间段能够被选择以使得从入口被释放的物质离开入口，且控制器能够被配置成在获得样本之前降低提供给加热器的功率。例如，控制器可以被配置成在选择的时间段之后降低来自加热器的热输出，并在加热器冷却同时获得样本，例如在加热器已经返回到室温之前。

在该第一方面的一些示例中，入口包括收缩部分，适用于减小入口的截面，空气流能够流过该收缩部分，且加热器用于对该收缩部分加热得比入口的其他部分更多。该收缩部分可以包括加热器。在该第一方面中的加热器可以包括设置在空气流路径中的电线由此空气流必须通过电线到达谱仪。例如，加热器能够包括网格、网、和缠绕或编织结构中的至少一者。

在第二方面中，提供了用于识别浮质的谱测定设备。在该第二方面中，该设备包括：谱仪；用于保持空气样本的室；以及加热器，被配置成对空气样本携带的浮质加热以气化室中的浮质，其中该谱仪适用于基于分析该气化的浮质来识别浮质。

该第二方面的室可以包括电离器，用于电离室中的空气样本，且该设备可以包括控制器，被配置成在操作电离器电离空气样本之前操作加热器。该第二方面的室可以包括电极，被配置成施加电荷到室中的浮质。

在第三方面中，提供了控制用于分析浮质的谱仪中的功率消耗的方法。在该第三方面中，该方法包括升高来自加热器的热输出以用于从谱仪的入口释放物质；在释放之后，将要被测试浮质的空气吸取到谱仪的入口；对该空气加热以气化空气携带的浮质；从加热的空气获得样本；以及使用谱仪分析气化的浮质。升高热输出可以包括增加提供给加热器的功率，例如通过打开加热器。

该第三方面的方法可以包括在从加热的空气获得样本之前降低来自加热器的热输出。在第三方面中，加热空气可以包括加热谱仪的入口。这可以包括在没有获得样本的情况下加热入口以将物质从入口释放，并可以包括在获得样本之前将释放的物质从入口移除。

在实施方式中，加热空气包括加热室中的空气，且然后将要被从谱仪的入口采样的加热的空气从室中放出。在实施方式中，加热空气包括加热谱仪的室中的空气，例如加热反应区中的。在实施方式中室包括电晕放电电离器，用于电离室中的样本，且该方法包括在电离样本之前加热电晕放电电离器。在实施方式中该方法包括施加电荷到浮质(例如在室中)并通过将带电的浮质置于交变电场来加热带电的浮质。

还应当理解在本发明的任意方面中描述和定义的各种特征的特定组合能够独立被实施和/或提供和/或使用。在本公开的上下文下，其他示例和变形对本领域技术人员是明显的。

Claims (18)

1.一种用于检测浮质的便携式谱测定设备，该设备包括：

谱仪；

该设备携带的便携式电源，用于给该设备供电；

入口，用于收集要被该谱仪测试的空气流；

加热器，被配置成对要被测试的空气流进行加热以气化所述空气携带的浮质；

控制器，被配置成控制所述谱仪以从加热的空气获得样本，其中所述控制器被配置成在从所述加热的空气获得样本之前的选择的时间段升高来自所述加热器的热输出。

2.根据权利要求1所述的设备，其中所述时间段被选择以使得从所述入口释放的物质离开所述入口。

3.根据权利要求1所述的设备，其中所述控制器被配置成在所述选择的时间段之后降低提供给所述加热器的功率，并在降低功率之后获得所述样本。

4.根据权利要求1所述的设备，其中所述入口包括收缩部分，适用于减小所述入口的截面，所述空气流能够通过所述收缩部分，以及所述加热器被设置为对所述收缩部分加热比对所述入口的其余部分加热得更多。

5.根据权利要求4所述的设备，其中所述收缩部分包括所述加热器。

6.根据权利要求1所述的设备，其中所述加热器包括被设置在所述空气流的路径中的电线，使得所述空气流必须通过所述电线到达所述谱仪。

7.根据权利要求4所述的设备，其中所述加热器包括网格、网、和缠绕和编织结构中的至少一者。

8.根据权利要求1所述的设备，该设备包括用于保持要被测试的空气的样本的室，其中所述加热器被配置成加热所述室中的空气。

9.根据权利要求8所述的设备，其中所述控制器被配置成将加热的空气从所述室释放到所述入口的所述空气流中以提供加热的流，并控制所述谱仪从该加热的流获得样本。

10.根据权利要求3所述的设备，其中所述控制器被配置成控制所述加热器以为所述空气流所携带的浮质提供第二热输出，并当所述加热器被控制以产生所述第二热输出时，或者当所述加热器冷却时，获得所述样本。

11.根据权利要求4所述的设备，其中所述加热器包括体积上空气至少占60％的结构。

12.一种控制用于分析浮质的谱仪中的功率消耗的方法，该方法包括：

接收用于操作该谱仪的信号；

响应于该信号，升高来自加热器的热输出以用于从所述谱仪的入口释放物质；

在释放之后，将针对浮质要被测试的空气吸取到所述谱仪的入口；

加热所述空气以气化所述空气携带的浮质；

从加热的空气获得样本；以及

使用所述谱仪分析气化的浮质，所述方法还包括：在从所述加热的空气获得样本之前降低提供给所述加热器的功率。

13.根据权利要求12所述的方法，其中加热所述空气包括加热所述谱仪的入口。

14.根据权利要求13所述的方法，其中加热所述谱仪的所述入口包括在没有获得样本的情况下加热所述入口。

15.根据权利要求12所述的方法，该方法包括在获得所述样本之前从所述谱仪移除释放的物质。

16.根据权利要求12所述的方法，其中降低提供给所述加热器的功率包括操作所述加热器以为所述空气携带的气化浮质提供第二功率输出，其中所述样本是当所述加热器提供第二功率输出时，或者当所述加热器冷却时获得的。

17.根据权利要求12所述的方法，其中所述谱仪的电离器包括所述加热器。

18.根据权利要求12至15中任一项所述的方法，其中所述加热器包括体积上空气至少占60％的结构。