CZ201424A3 - Zařízení pro vakuový odběr vzorků kapaliny - Google Patents

Abstract

Předkládané řešení se týká zařízení (1) pro vakuový odběr vzorků kapaliny do alespoň jednoho zásobníku (2) z nedeformovatelného a vodonepropustného materiálu opatřeného alespoň jedním uzavíratelným vedením (3) pro přívod odebíraného vzorku. Podstata vynálezu spočívá v tom, že vedení (3) je osazeno uzavíracím ventilem (5) opatřeným elektricky ovládaným prostředkem pro otevření a zavření ventilu (5), přičemž ventil (5) je propojen s mikroprocesorem (4) pro řízení času a frekvence otevření a zavření ventilu (5), kde ventil (5) a mikroprocesor (4) jsou napájeny z elektrického zdroje (10), a vedení (3), mikroprocesor (4), ventil (5) a elektrický zdroj (10) jsou uspořádány ve vodotěsné hlavici (6), která je vodotěsně spojena s uzavíratelným zásobníkem (2), který je opatřen prostředkem pro vytvoření vakua uvnitř zásobníku (2) před uzavřením zásobníku (2).

Description

Vynález se týká oblasti odběru zejména kapalných vzorků ze životního prostředí, konkrétně zařízení pro vakuový odběr vzorků kapaliny zahrnujícího alespoň jeden zásobník z nedeformovatelného a vodonepropustného materiálu.

Dosavadní stav techniky

Množství identifikovaných chemických látek vyskytujících se v přírodě neustále vzrůstá, což s sebou přináší nutnost sledování jejich vlivu na životní prostředí.

V poslední době se zvyšuje potřeba sledování chemických kontaminantů ve vodě, což vede k vytvoření nových přístrojů a prostředků, které by umožňovaly určení koncentrací chemických látek ve vzorcích vody v určitém čase a prostoru.

Pro většinu organických polutantů ve vodě neexistuje možnost sledování v reálném čase a jejich detekce se provádí shromážděním dostatečného objemu sledovaných látek uvnitř zařízení pro odběr vzorků, které dokáže čidlo v zařízení na základě chemického rozboru rozpoznat.

Běžné techniky odběru vzorků zahrnují náhodný odběr vzorků, tedy odběr určitého objemu vody, často prováděný ručně nebo pomocí automatických vzorkovníků, a extrakci pevné fáze in sítu. Vzhledem k požadavkům na přepravu, k potřebě obsluhy, popř. dodávky elektřiny, jsou tyto techniky finančně náročně, především pro vytvoření sledování po delší dobu a ve větším prostoru.

V současné době se také používají pasivní vzorkovače vody, které částečně vyřešily nevýhody výše uvedených způsobů odběru. Pasivní vzorkovače vody jsou tvořeny sorpčním polymerem nebo sorpční fází, která se ponechá ve sledované vodě po určitou dobu od několika dnů po několik týdnů. Po tuto dobu pasivní vzorkovače vody akumulují kontaminanty z okolní vodní fáze. Po skončení odběru se pasivní , i' vzorkovače vody přenesou do laboratoře, kde jsou kontaminanty akumulované na sorbentu analyzovány.

Nevýhoda pasivních vzorkovačů vody spočívá v polokvantitativní povaze měření. Nesbírají známý objem vody, ale extrahují z prostředí určité množství kontaminantů. Lze tak odhadnout koncentraci kontaminantů v prostředí pouze pokud objem vody extrahovaný v čase pasivním vzorkovačem a hladina kontaminantů adsorbovaných do pasivních vzorkovačů vody při termodynamické rovnováze s okolní vodou jsou známé a konstantní. Pasivní vzorkovače jsou nástroje předběžného testování, ale neposkytují přesné hodnoty pro mnoho sledovaných sloučenin přítomných ve vodě.

Další nevýhodou je, že pasivní vzorkovače měří pouze frakci kontaminantů skutečně rozpuštěných ve vodě, nedokáží ale změřit frakci spojenou s částicemi suspendovanými ve vodě. Tím nesplňují důležité požadavky vyhlášek, např. rámcové směrnice EU o vodě, která vyžaduje určení objemových koncentrací vody pro provádění sledování.

Pasivní vzorkovače se dále používají pro měření hydrofobních (nepolárních) kontaminantů rozpuštěných ve vodní fázi. Výzkum se ale posunul směrem ke sledování polárních a semipolárních kontaminantů, pro které dosud nejsou dostupné účinné pasivní vzorkovače.

Úkolem vynálezu je vytvoření programovatelného automatického zařízení pro odběr vzorků kapaliny, které by zachovalo výhody pasivních vzorkovačů vody ve smyslu nízkých nákladů, a snadné manipulace, ale zároveň by poskytovalo přesné a programovatelné rychlosti a délky odběru, které by umožňovalo přesné měření objemu odebraného vzorku kapaliny, sběr rozpuštěné i částicové fáze a určení objemových koncentrací vody, plnou flexibilitu při zvolení adekvátního odběru v reálném čase, např. nastavením různých rychlostí odběru vzorků.

Z

Podstata vynálezu

Tento úkol je vyřešen vytvořením zařízení pro vakuový odběr vzorků kapaliny podle tohoto vynálezu. Zařízení pro vakuový odběr vzorků kapaliny do alespoň jednoho zásobníku je vyrobeno z nedeformovatelného a vodonepropustného materiálu opatřeného alespoň jedním uzavíratelným vedením pro přívod odebíraného vzorku. Podstata vynálezu spočívá vtom, že vedení je osazeno uzavíracím ventilem opatřeným elektricky ovládaným prostředkem pro otevření a zavření ventilu. Ventil je propojen s programovatelným mikroprocesorem pro řízení času a frekvence otevření a zavření ventilu. Lze naprogramovat různé frekvence, pravidelné i nepravidelné, otevření a nasávání vzorků. Lze tak nastavit požadované konstantní nebo různé rychlosti odběru a dosáhnout tak časové integrace vzorkování. Ventil a mikroprocesor jsou napájeny z elektrického zdroje, s výhodou běžné baterie. Vedení, mikroprocesor, ventil a elektrický zdroj jsou uspořádány ve vodotěsné hlavici, která je vodotěsně spojena s uzavíratelným zásobníkem, který je opatřen prostředkem pro vytvoření vakua uvnitř zásobníku před uzavřením zásobníku. Zásobník může být uložen do místa odběru, např. může být zcela ponořen do vody, protože všechny jeho součásti jsou vodonepropustné. V místě odběru může být ponechán po dobu od několika hodin až po několik týdnů, záleží na frekvenci a délce nasávání vzorků. Vzorky lze nasávat dokud mezi vnějším prostředím a vnitřkem zásobníku existují tlakové gradienty a do vyčerpání baterie, která napájí ventil a microprocessor.

Ve výhodném provedení je v zásobníku uspořádán sorbent pro adsorpci kontaminantů obsažených ve vzorku. Sorbent zvyšuje chemickou stabilitu kontaminantů, které by jinak mohly uvnitř zásobníku degradovat. Přítomnost sorbentu také zachovává původní výhody pasivních vzorkovačů vody. Adsorpce kontaminantů na sorbent usnadňuje a urychluje chemickou analýzu obsahu zásobníku v laboratoři.

Také je výhodné, že prostředek pro vytvoření vakua v zásobníku je tvořen kuličkovým ventilem pro připojení vývěvy. Kuličkový ventil je možné od zásobníku odšroubovat a vzniklým otvorem vyjímat a vkládat sorbent do zásobníku.

3’ • *

Ve výhodném provedení jsou k hlavici připojeny alespoň dva zásobníky, z nichž každý je opatřen vlastním vedením osazeným uzavíracím ventilem, přičemž ventily jsou propojeny se společným mikroprocesOrem. Toto provedení lze využít při odběru vzorků z různých lokalit, kdy je potřeba vzorky nabrané z jiných míst od sebe oddělit.

V jiném výhodném provedení je k hlavici upevněn jeden zásobník a hlavice je opatřena alespoň dvěma vedeními, kde každé vedení je opatřeno ventilem ovládaným společným mikroprocesorem. Toto provedení lze využit především při odběru vzorků ze stejné lokality, ale z různých hloubek, kdy se na vstupy vedení upevní prodlužovací hadice.

Hlavice je se zásobníkem rozebíratelně spojena. Hlavici tak lze od zásobníku odebrat, např. při čištění zásobníku, při odlívání nabraných vzorků do analyzačních nádob nebo pro vkládání a vyjímání sorbentu.

Na povrchu hlavice je uspořádán vodotěsný komunikační port pro připojení mikroprocesoru k externímu počítači. Lze tak z počítače vkládat do mikroprocesoru povely o frekvenci a délce jednotlivých odběrů, tedy kdy, v jakých intervalech a na jak dlouho se má ventil otevřít a nasávat vzorky.

Na vedení je uspořádán filtr pro odstranění nečistot. To je výhodné, protože filtr zachytává částice, před tím, než projdou vedením k ventilu a dále do zásobníku. Nečistoty by mohly zkreslit výsledky měření. Zachycené částice na filtru lze následně podrobit samostatnému vyhodnocení.

Nakonec je výhodné, že ventil je solenoidový ventil napájený z elektrického zdroje uloženého v hlavici.

Výhody vynálezu spočívají v jeho spolehlivosti, přesnosti při určování objemu vzorku a tím i vysoké přesnosti při určování koncentrace, v možnosti oddělení rozpuštěné a částicové fáze, snížení nákladů při sběru vzorků, protože zařízení nepotřebuje obsluhu. Další výhodou zařízení podle vynálezu je jeho pevnost, protože není napojen na čerpadlo po dobu odběru vzorků, velmi nízká spotřeba energie bez A'' > ? <

nutnosti stálého napojení na elektrické vedení a schopnosti skladování analytů a zamezení jejich degradace během skladování.

Objasnění výkresů

Vynález bude blíže objasněn pomocí výkresů, na nichž znázorňuje obr. 1 zařízení s jedním zásobníkem s hlavicí, obr. 2 zařízení kdy k hlavici je upevněno několik zásobníků a hlavicí prochází samostatné vedení pro každý zásobník a obr. 3 zařízení s jedním zásobníkem s několika vedeními procházejícími hlavicí.

Příklady uskutečnění vynálezu

Rozumí se, že jednotlivá uskutečnění vynálezu jsou představována pro ilustraci, nikoli jako omezení vynálezu na výčet zde uvedených příkladů provedení. Odborníci znalí stavu techniky najdou nebo budou schopni zjistit za použití rutinního experimentování mnoho ekvivalentů ke specifickým uskutečněním vynálezu, která jsou zde speciálně popsána. I tyto ekvivalenty budou zahrnuty v rozsahu následujících patentových nároků.

Zařízení 1 pro vakuový odběr vzorků kapaliny je podle příkladu uskutečnění znázorněného na obr. 1 tvořeno zásobníkem 2 z pevného nedeformovatelného materiálu, např. plastu nebo kovu. Na spodní straně zásobníku 2 je uspořádán kuličkový ventil 9 pro nasazení vývěvy nebo sacího čerpadla, kterým se v zásobníku 2 vytváří vakuum před vložením zařízení 1 do prostředí, z něhož se budou odebírat vzorky. Vakuum se v zásobníku 2 vytvoří připojením zdroje vakua, což je pro účely tohoto vynálezu vývěva, na kuličkový ventil 9. V jiném příkladu provedení je ale možné vývěvu napojit na vstup 12 do vedení 3. Všechny ostatní vstupy a ventily zařízení 1 musí zůstat po dobu vytváření vakua v zásobníku 2 uzavřené. Vakuum se v zásobníku 2 vytváří vždy před vložením zařízení 1 do prostředí, z něhož se budou odebírat vzorky. Lze je vytvořit např. v laboratoři těsně před zahájením rozmisťování zařízení 1 v jednotlivých sledovaných lokalitách.

♦ í > 3 t i >

' · * ♦ · · » .· » » ?

Do zásobníku je možné vložit sorbent 7, který adsorbuje kontaminanty z odebraných vzorků, konkrétně vzorků vody. Sorbent 7 může být ve tvaru mikrosfér, a může být tvořen nanočásticemi, makromolekulárním polymery aj., a lze jej do zásobníku 2 vkládat přes kuličkový ventil 9 nebo odšroubováním hlavice 6.

Šroubovým závitem je zásobník 2 spojen s vodotěsnou hlavicí 6, v níž je uspořádáno vedení 3, kterým do zásobníku 2 proudí sbírané vzorky vody. Vzorky jsou do vedení 3 nasávány působením vakua v zásobníku 2. Ve vedení 3 je uložen ventil 5, který vedení 3 zavírá nebo uzavírá pro odběr vzorků. V tomto příkladu provedení se jedná o solenoidový ventil 5. Zavírání a otevírání ventilu 5 je řízeno mikroprocesorem 4, který je také uložen v hlavici 6. Mikroprocesor 4 umožňuje nabírání vzorků po různou proměnnou dobu, v různých časových intervalech, a v různých frekvencích zavírání a otevírání ventilu 5 podle toho, jak je mikroprocesor 4 naprogramován.

V hlavici 6 je uložen elektrický zdroj 10, který napájí ventil 5 a mikroprocesor 4. Elektrický zdroj může být běžná baterie. V hlavici 6 lze také uložit, jak je znázorněno na obr. 2 a 3 komunikační port 11, jímž lze nahrávat do mikroprocesoru 4 programy z externího běžného počítače. Lze také stahovat z mikroprocesoru 4 informace do externího počítače o průběhu vzorkování.

Mezi vstupem 12 vzorků do vedení 3 a ventilem 5 je v příkladech provedení znázorněných na obr. 2 a 3 vložen filtr 8, který zachytává částice nečistot, které by mohly vedení 3 nebo ventil 5 ucpat a poškodit. Částice jsou zachyceny na filtru 8 a podle potřeby mohou být později samostatně vyhodnoceny.

Na obr. 1 je znázorněna hadice 13, kterou lze na vedení 3 nasadit, např. v případě, že odběr vzorků je potřeba provádět z větší hloubky, než kam je možné zařízení 1. pohodlně uložit.

Na obr. 2 je znázorněno uskutečnění vynálezu, kde v hlavici 6 jsou uspořádána čtyři vedení 3, a ke každému z nich je upevněn šroubovým závitem jeden zásobník 2.

V hlavici 6 je dále uspořádána baterie 10, komunikační port 11 a mikroprocesor 4, který ovládá každý ventil 5 uspořádaný na vedení .3. Toto uskutečnění je výhodné ' 4 - -: - .· S » » ) ; « « « . >

• » » · ~ i Ji 9 9 3 9 > >1 » > « ' · * · · ♦ 9 » i -s » 9 9 především při odběru více vzorků z různých míst, takže do každého zásobníku 2 se nabírají vzorky z jiné lokality. Nebo lze toto uskutečnění použít při nabírání vzorků z různých míst v různém čase, pokud je zařízení 1 uk ženo na pohyblivém nosiči, například na lodi, jiném plovoucím prostředku, nebo na pohyblivém ponorném prostředku.

Na obr. 3 je znázorněno uskutečnění vynálezu, kdy k hlavici 6 je upevněn jeden zásobník 2. V hlavici 6 jsou vytvořena čtyři vedení 3, která jsou svedena do zásobníku 2. Každé vedení 3 je opatřeno vlastním filtrem 8 a vlastním ventilem 5 nezávisle ovládaných mikroprocesorem 4. Toto uskutečnění lze využít např. při odběrech vzorků vody z jedné lokality, ale z různých hloubek nebo tak lze nabírat částice na filtr 8, nebo lze přepnout na jiné vedení 3^, když filtr 8 nebo ventil 5 prvního vedeni 3 se ucpe nebo poškodí.

Otevřením ventilu 5 díky vakuu, které bylo před zahájením nabírání vzorků v zásobníku 2 vytvořeno, se do zásobníku 2 nasává vzorek vody. Délka a frekvence nasávání je závislá na programu mikroprocesoru 4, který zavírání a otevírání ventilu 5 řídí, a který lze pro každý další odběr přenastavit. Doba otevření ventilu 5 a frekvence otevírání a zavírání určují délku a typologii časové integrace vzorkování.

Průmyslová využitelnost

Zařízení pro vakuový odběr vzorků kapaliny podle tohoto vynálezu lze využít pro sledování kvality vodních toků a vodních ploch, kde je potřeba zachovat vysokou přesnost měření, a zohlednit přesné koncentrace naměřených vzorků.

• ? 4 ' -5·« t i t “· ·> ? > ·» ’ -ť - y 5 » » i>

:: . ·« 4 > y#

Přehled vztahových značek programovatelné automatické zařízení zásobník vedení mikroprocesor ventil hlavice sorbent filtr kuličkový ventil elektrický zdroj komunikační port vstup vzorků do vedení hadice >» · ·

Claims (9)

1. PATENTOVÉ NÁROKY

   1. Zařízení (1) pro vakuový odběr vzorků kapaliny do alespoň jednoho zásobníku (2) z nedeformovatelného a vodonepropustného materiálu opatřeného alespoň jedním uzavíratelným vedením (3) pro přívod odebíraného vzorku^vyznačující se tím, že vedení (3) je osazeno uzavíracím ventilem (5) opatřeným elektricky ovládaným prostředkem pro otevření a zavření ventilu (5), přičemž ventil (5) je propojen s mikroprocesorem (4) pro řízení času a frekvence otevření a zavření ventilu (5), kde ventil (5) a mikroprocesor (4) jsou napájeny z elektrického zdroje (10), a vedení (3), mikroprocesor (4), ventil (5) a elektrický zdroj (10) jsou uspořádány ve vodotěsné hlavici (6), která je vodotěsně spojena s uzavíratelným zásobníkem (2), který je opatřen prostředkem pro vytvoření vakua uvnitř zásobníku (2) před uzavřením zásobníku (2).
2. 2. Zařízení pro odběr vzorků podle nároku 1_Z vyznačující se tím, že v zásobníku (2) je uspořádán sorbent (7) pro adsorpci kontaminantů obsažených ve vzorku.
3. 3. Zařízení pro odběr vzorků podle nároků 1 a 2^vyznačující se tím, že prostředek pro vytvoření vakua v zásobníku (2) je tvořen kuličkovým ventilem (9) pro nasazení připojení vývěvy.
4. 4. Zařízení pro odběr vzorků podle alespoň jednoho z nároků 1 až 3_zvyznačující se tím, že k hlavici (6) jsou připojeny alespoň dva zásobníky (2, 2‘), z nichž každý je opatřen vlastním vedením (3, 3‘) osazeným uzavíracím ventilem (5, 5‘), přičemž ventily (5, 5‘) jsou propojeny se společným mikroprocesorem (4).
5. 5. Zařízení pro odběr vzorků podle alespoň jednoho z nároků 1 až 3_zvyznačující se tím, že k hlavici (6) je upevněn jeden zásobník (2) a hlavice (6) je opatřena alespoň dvěma vedeními (3, 3‘), kde každé vedení (3, 3‘) je opatřeno ventilem (5, 5‘) ovládaným společným mikroprocesorem (4).

   Λ , t • ^?·^ ’

   Ί 9 1 * * 3 - » ♦ - » 3 » · ϊ »
6. 6. Zařízení pro odběr vzorků podle alespoň jednoho z nároků 1 až 5,vyznačující se tím, že hlavice (6) je se zásobníkem (2) rozebíratelně spojena.
7. 7. Zařízení pro odběr vzorků podle alespoň jednoho z nároků 1 až e^vyznačující se tím, že na povrchu hlavice (6) je uspořádán vodotěsný komunikační port (11) pro připojení mikroprocesoru (4) k externímu počítači.
8. 8. Zařízení pro odběr vzorků podle alespoň jednoho z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že na vedení (3) je uspořádán filtr (8) pro odstranění a uložení částic suspendovaných v kapalné fázi vzorku.
9. 9. Zařízení pro odběr vzorků podle alespoň jednoho z nároků 1 až Spryznačující se tím, že ventil (5) je solenoidový ventil.