ES2256517T3 - Dispositivo de recogida de muestras para un captador de sustancias de guerra quimica. - Google Patents

Dispositivo de recogida de muestras para un captador de sustancias de guerra quimica.

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ES2256517T3
ES2256517T3 ES02757563T ES02757563T ES2256517T3 ES 2256517 T3 ES2256517 T3 ES 2256517T3 ES 02757563 T ES02757563 T ES 02757563T ES 02757563 T ES02757563 T ES 02757563T ES 2256517 T3 ES2256517 T3 ES 2256517T3
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Douglas R. Adkins
Gregory C. Frye-Mason
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Lockheed Martin Corp
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Abstract

Colector de aire bajo presión dinámica (11) con captador de onda acústica (13), teniendo dicho captador un detector de antena direccional para onda acústica (24) y un preconcentrador microfabricado para muestras (25), en el que el colector (11) comprende un alojamiento montado encima del captador (13), dicho alojamiento incluye un pasadizo (17) que tiene una entrada (31) y una salida (30), una primera sección (15) de una primera área de sección transversal próxima a dicha entrada, una segunda sección (16) de una segunda área de sección transversal próxima a dicha sección (15), una tercera sección (18) de una tercera área de sección transversal próxima a dicha segunda sección (16), y una cuarta sección (19) de una cuarta área de sección transversal próxima a dicha salida (30), en el que dicha tercera área de sección transversal es menor que dicha segunda área de sección transversal, y dichas primera y cuarta áreas de sección transversal son cada una más grandes que dicha segunda área de sección transversal.

Description

Dispositivo de recogida de muestras para un captador de sustancias de guerra química.
Esta invención se hizo con el apoyo del gobierno según Contrato número DE-AC04-94AL8500, otorgado por el Departamento de Energía de los EE.UU. El gobierno tiene ciertos derechos en esta invención.
Campo de la invención
La presente invención se refiere en general a captadores de sustancias de guerra química y, más en particular, a un dispositivo de recogida de muestras con aire bajo presión dinámica para un captador de sustancias de guerra química.
Antecedentes de la invención
Los captadores de sustancias de guerra química, tales como los captadores de onda acústica de superficie y espectrómetros de movilidad iónica son, sencillamente, demasiado pesados y grandes para usar en muchos de los vehículos aéreos sin piloto (UAV) pequeños. Esto es porque en la actualidad todos estos captadores requieren una bomba, tal como un ventilador/soplante ciclónico o giratorio para tomar muestras del aire en busca de sustancias. El ventilador/soplante es, con mucho, la pieza más pesada y más grande del aparato captador.
De este modo, los detectores químicos actuales usan bombeo activo para obligar al gas a que fluya por encima del elemento captador. El bombeo es el consumo más importante de la fuente de energía en estos dispositivos. Con el uso de una solución de aire bajo presión dinámica es posible obligar a una corriente de muestra para que fluya por encima de un dispositivo preconcentrador y captador con el uso de tan solo la presión estática desarrollada por el movimiento relativo de una corriente de aire hacia el cuerpo del captador. Este sistema se puede usar en vehículos aéreos pequeños sin piloto donde se requiere un bajo consumo de energía, o en otras aplicaciones donde fluye aire encima de un vehículo o a través de un conducto.
En la patente de los EE.UU. 5.717,147, por ejemplo, se da a conocer un portador que sostiene múltiples filtros, el cual se inserta junto a los filtros dentro de un tomamuestras de aire en el que un dispositivo memorizador guarda los datos de la recogida de muestras aportados por el tomamuestras de aire.
Lo que se necesita, entonces, es un dispositivo colector de aire bajo presión dinámica que se pueda montar en un captador de sustancias de guerra química, y aprovechar del impulso de avance del UAV para obligarle a que se le tome muestras y a probarle por medio del módulo captador.
Sumario de la invención
La presente invención comprende, en general, un colector de aire bajo presión dinámica, para un captador de sustancias de guerra química, que comprende un alojamiento operativamente dispuesto en un canal multietápico que tiene una entrada y una salida, el canal teniendo una primera etapa con unas primeras altura y anchura próximas a la entrada, una segunda etapa con unas segundas altura y anchura inferiores próximas al preconcentrador microfabricado para muestras, una tercera etapa que tiene aún unas terceras altura y anchura inferiores próximas a la superficie el detector de antena direccional de onda acústica de superficie y una cuarta etapa que tiene unas cuartas altura y anchura próximas a salida, donde las cuartas altura y anchura son sustancialmente iguales a las
primeras altura y anchura.
El objeto general de la presente invención es proporcionar un colector de aire bajo presión dinámica, eficiente y ligero de peso, operativamente dispuesto para montar en un objeto o vehículo en movimiento, para un captador de sustancias de guerra química o explosivos que elimine la necesidad de un soplante o ventilador para, de forma activa, bombear aire encima del captador. Esto se consigue por medio de un colector de aire bajo presión dinámica, según la reivindicación 1.
Este y otros objetos, características y ventajas de la presente invención se harán evidentes para aquellos que tengan una experiencia corriente en la técnica, tras la lectura de la siguiente descripción detallada de esta invención y a la visa de los dibujos y reivindicaciones.
Breve descripción de los dibujos
La figura 1 es una vista en planta superior de un captador típico con el aparato de la presente invención montado en el mismo;
La figura 2 es una vista de costado del aparato mostrado en la figura 1, tomada en general a lo largo de la línea 2-2 de la figura 1;
La figura 3 es una vista en planta superior de la parte superior del captador mostrado en la figura 1 (a la izquierda) y una vista en planta inferior del aparato de esta invención (a la derecha), desmontado del detector y basculado sobre su lado superior;
La figura 4 es una vista de frente del aparato de esta invención, tomada en general a lo largo de la línea 4-4 de la figura 3;
La figura 5 es una vista fragmentaria de frente del captador típico mostrado en la figura 1; con el aparato de la presente invención desmontado;
La figura 6 es una vista similar a la de la figura 5, pero con el aparato de la presente invención en su sitio encima del captador;
La figura 7 es una gráfica que ilustra el flujo calculado por el conducto de aire bajo presión dinámica de esta invención en función de la velocidad del aire, y
La figura 8 es un gráfica que ilustra la señal de la onda acústica de superficie (SAW) durante tres momentos de recogida del preconcentrador.
Descripción detallada de la realización preferida
En la siguiente descripción detallada de la presente invención, y las reivindicaciones adjuntas, se definen los siguientes términos:
UAV: Vehículo aéreo sin piloto. Tal como el nombre sugiere, estos son vehículos que vuelan sin piloto. En los ejemplos se incluyen, pero no se limitan a, los Predator, Dark Star y Global Hawk. Por lo usual, se usan para misiones de información, vigilancia y reconocimiento. Se debe apreciar, no obstante, que aunque los UAV son una posible aplicación para la invención del asunto, no es la única, ya que la presente invención se puede montar y usar con eficacia en una amplia variedad de objetos en movimiento, incluyendo aviones, helicópteros, proyectiles, vehículos terrestres, barcos y, prácticamente, cualquier otro objeto que se mueva.
SAW: Onda acústica de superficie. Los dispositivos para ondas acústicas han estado en uso comercial durante más de sesenta años. Aunque la industria de las telecomunicaciones es el mayor usuario de dispositivos de ondas acústicas, también se usan para la detección de vapores químicos. A los captadores de onda de superficie se les denomina así porque usan una onda mecánica, o acústica, como el mecanismo captador. A medida que la onda acústica se propaga por o sobre la superficie del material, cualesquiera cambios en las características del camino de propagación afectan a la velocidad y/o amplitud de la onda. Los cambios de velocidad se pueden monitorizar midiendo las características de frecuencia o fase del captador y entonces se puede correlacionar con la correspondiente cantidad física que se esté midiendo. Virtualmente todos los dispositivos y captadores de ondas acústicas utilizan un cristal piezoeléctrico para generar la onda acústica. La mayoría de los captadores químicos de SAW confían en la sensibilidad de la masa del captador junto con un recubrimiento químicamente selectivo que absorbe los vapores de interés que resultan en un aumento de la carga de masa del captador de SAW. Bill Drafts "Captadores Tecnológicos de Ondas Acústicas" Microsensor Systems, Ind., una empresa de Sawtec.
La presente invención, en una realización preferida, es idónea para su uso con una variedad de captadores de sustancias de guerra química, sustancias de guerra biológica y explosivos. Sin embargo, esta invención, en una realización preferida, es más útil en captadores de movilidad iónica y de ondas acústicas de superficie (SAW). Los captadores de SAW son, con toda probabilidad, la tecnología líder en microcaptadores para la detección de sustancias de guerra química, en parte porque son muy flexibles en la adaptación a la sensibilidad química de los captadores individuales y la profunda comprensión de sus mecanismos de respuesta. Luego, la presente invención se muestra y describe, en una realización preferida, en combinación con un captador de SAW, pero se debe apreciar que esta invención es útil en combinación con otros tipos de captadores, y que estas aplicaciones se consideran que están dentro del ámbito de las reivindicaciones adjuntas. Ahora sigue una descripción de la teoría y el funcionamiento generales de los captadores de movilidad iónica y de SAW.
Espectrometría de movilidad iónica (IMS)
La espectrometría de movilidad iónica (IMS) se creó entre 1965 y 1970 con estudios en la química de moléculas iónicas a presión atmosférica o elevada con espectrómetros de masa y en los detectores de ionización para monitorizar el vapor transportado por el aire. Un espectrómetro convencional de movilidad iónica consiste en dos áreas principales; la región de reacción y la región de arrastre. En la región de reacción, el gas portador (aire limpio, seco) a presión atmosférica se ioniza mediante colisión con partículas beta procedente de una fuente débil de níquel 63 con nitrógeno y oxígeno. Estos iones reactivos sufren entonces reacciones iónicas/moleculares con moléculas de explosivo/sustancia de guerra química. Las moléculas de explosivo/sustancia de guerra química también sufren otras reacciones formadoras de iones tales como reacciones de formación de aductos y de disociación.
Bajo la influencia de un campo eléctrico, la mezcla de iones de reactivo y producto alcanza una rejilla de persiana que separa la región de reacción y la región de arrastre. La rejilla de persiana se compone de juegos de hilos de malla fina con una tensión de polarización entre ellas. Con la tensión de polarización aplicada, los iones se ven atraídos hacia la parilla de selección y pierden su carga. Entonces la polarización de la rejilla se desvía brevemente y los iones se transmiten dentro de la región de arrastre de la célula. Entonces los iones se enfocan y aceleran por medio de un campo eléctrico (típico desde 1.000 hasta 3.000 voltios) a lo largo de la región de arrastre (siendo típico 8 centímetros) para llegar al electrodo colector (típico en un tiempo de 10 hasta 20 milisegundos). Los iones compactos más pequeños tienen una movilidad más alta que los iones más pesados y, por lo tanto, atraviesan la región y chocan con la placa colectora en un tiempo más corto. La corriente colectora se amplifica entonces; su magnitud, en función del tiempo, es proporcional al número de iones que llegan en ese momento.
En un sistema de detección de explosivos/sustan-
cia de guerra química por IMS, los tiempos que los iones de explosivos específicos necesitan para arrastrarse dentro del tubo de IMS se conocen con precisión y se programan dentro del microprocesador del sistema. El microprocesador monitoriza la señal del electrodo colector en los tiempos de arrastre programados para detectar la presencia de iones de moléculas de explosivo/sustancia de guerra química. Los ciclos típicos de análisis requieren desde 5 hasta 8 segundos desde la introducción de la muestra hasta la notificación de la alarma.
Algunos sistemas combinan la IMS con una cromatografía (GC) central de gases con el fin de optimizar la selectividad.
Hoy día varios fabricantes ofrecen detección de drogas como norma o característica opcional en sus detectores de IMS. Hay que ser conscientes de que en muchos casos el aparato tiene que estar menos alimentado momentáneamente para cambiar entre los modos de detección de drogas y explosivos. Las tendencias en la tecnología de la IMS son continuar la miniaturización de instrumentos de detección e incorporar una fuente de ionización no radioactiva.
Cromatografía de gases/onda acústica de superficie (GC/SAW)
En otro tipo de tecnología usado para la detección de explosivos y sustancias de guerra química se utiliza un cromatógrafo gases (GC) portátil equipado con un captador de onda acústica de superficie (SAW). En el sistema del GC basado en la SAW, el cristal resonador de la SAW está expuesto a la salida del gas de la columna capilar del GC por medio de una boquilla de temperatura controlada posicionada con cuidado. Cuando los vapores condensables arrastrados dentro del gas portador del GC chocan sobre el área activa entre los electrodos resonadores, se produce un cambio de frecuencia en proporción a la masa del material que se condensa encima de la superficie de cristal. El cambio de frecuencia depende de las propiedades (masa y constantes elásticas) del material que esté depositando, de la temperatura del cristal de la SAW y de la naturaleza química del la superficie del cristal.
Un refrigerador termoeléctrico mantiene la superficie de la SAW a temperaturas lo suficiente bajas para garantizar una buena eficiencia de atrapamiento de vapores explosivos. Este refrigerador se puede revertir para calentar el cristal con el fin de limpiar la superficie activa (cocer los vapores adsorbidos). La temperatura del cristal de la SAW actúa de control de la especificad del captador basado en la presión del vapor de las especies que se estén atrapando. Esta característica es útil para distinguir entre materiales relativamente volátiles y materiales explosivos con envuelta adhesiva.
Durante la secuencia de toma de muestras, las muestras de vapor se arrastran a través de la entrada del GC desde un preconcentrador y luego se bombean a través de una criotrampa. Esta criotrampa es un tubo capilar metálico mantenido a una temperatura lo suficiente baja como para atrapar vapores explosivos, mientras que se permite que los vapores más volátiles pasen por él. Después de pasar por la segunda criotrampa la muestra se inyecta en la columna de GC y se separa a tiempo por medio del funcionamiento normal de la columna para identificación de especies. A medida que los vapores del constituyente salen de la columna, se recogen y se atrapan de forma selectiva en la superficie de cristal de la SAW, donde el cambio de frecuencia se puede correlacionar con la concentración de material.
El tiempo total de análisis, incluida la preconcentración de vapores, es típico desde 10 hasta 15 segundos. El fabricante del único sistema disponible en el comercio ha mostrado la sensibilidad a los niveles de picograma de explosivos. Este sistema es portátil, aproximadamente del tamaño de un maletín grande. El coste es similar a un sistema ECD y este sistema está en funcionamiento dentro de los 10 minutos de su posicionamiento.
La presente invención no queda limitada a cualquier captador de onda acústica de superficie. El captador de onda acústica de superficie puede ser del tipo fabricado por Sawtek Incorporated en Orlando, Florida, o ser del tipo similar al microcaptador "chemlab-on-a-chip" (laboratorio químico en una oblea de silicio) (\muChemlab), de Sandia National Laboratories. Este aparato es una iniciativa de Sandia para construir un "laboratorio de química" de mano del tamaño de un ordenador que cabe en la palma de la mano. El captador de onda acústica es una pieza de equipo de ese laboratorio (y bastante mucho más pequeño que un ordenador que cabe en la palma de la mano). En realidad, este captador es tan pequeño que un conjunto de hasta cuatro o cinco captadores de miniatura, cada uno aproximadamente de dos milímetros por 0,5 milímetros, por 0,5 milímetros, y sensible a diferentes productos químicos, se puede incorporar en una oblea de silicio del tamaño de un botón de camisa. Otro posible detector se describe en la patente de los EE.UU. número 5.469.369 (Rose-Pehrson y col.). Por último el captador podría ser del tipo de captadores de guerra química o biológica que se describen en la solicitud de patente de los EE.UU. US200308, publicada el 8 de mayo de 2003, y titulada "Sistema de seguridad para edificios de la NBC".
La teoría del funcionamiento de los captadores de onda acústica de superficie se describe arriba y una ilustración de un captador típico de onda acústica de superficie aparece en las figuras 1 y 3. El captador real está referenciado con el número 13 en el dibujo; los demás componentes en el módulo (tarjeta de circuito impreso) 12 son componentes electrónicos asociados. Según se muestra en la figura 2, el captador 13 incluye un cuerpo que está montado en la tarjeta de circuito impreso 12. El colector de aire bajo presión dinámica 11 se muestra en ambas figuras 1 y 2 montado encima del captador 13. En una realización preferida, el cuerpo del colector se hace con un material cerámico, compatible con los métodos de montaje de microcircuitos híbridos cuando el cuerpo del conjunto es también cerámico. Sin embargo, debe ser evidente para aquellos que tengan una experiencia corriente en la técnica que sería posible montar todo en un conjunto de plástico, por lo que el cuerpo del colector se podría hacer, con facilidad, de plástico. Aunque la cerámica y el plástico son los dos materiales más probables para el colector, el metal también es una posibilidad tanto para el colector como para el mismo conjunto. También en una realización preferida, el colector se podría fijar al captador con cualquier medio idóneo, tal como tornillos de montaje, o con adhesivo (epoxia), por ejemplo. En la realización mostrada, una junta, no mostrada, se puede colocar entre el colector de aire bajo presión dinámica y el captador, y un primer tornillo de montaje (no mostrado) se puede pasar por la abertura 20 en el colector (mostrada en la figura 3) y engrana de manera roscada el taladro pasante con rosca parcial 26 en el cuerpo del captador, y un segundo tornillo de montaje (no mostrado) se puede, de modo similar, pasar por la abertura 14 del colector y engranar de manera roscada el taladro pasante con rosca parcial 23 del cuerpo del captador.
La figura 3 es una vista en planta del captador con el colector de aire bajo presión dinámica desmontada y basculado en su parte posterior. En esta vista se ve que el captador 13 incluye un preconcentrador de muestras microfabricado 25 y un captador de antena direccional de onda acústica de superficie 24. El colector de aire bajo presión dinámica 11 se muestra, en este dibujo, desmontado del captador y basculado en su parte posterior. El colector 11 también se ve que incluye un canal o pasadizo 17, a través del cual el aire muestreado viaja en el sentido indicado por las flechas de puntos. Se ve que el canal 17 comprende una primera sección 15, segunda sección 16, tercera sección 18 y cuarta sección 19. La primera sección 15 está próxima a la entrada 31 y la cuarta sección 19 está próxima a la salida 30. Según se ve en el dibujo la primera sección 15 es más ancha que la segunda sección 16. Según se ve en las figuras 4 y 6, la primera sección 15 también tiene una altura mayor que la segunda sección 16. En otras palabras, el área de la sección transversal de la primera sección 15 es mayor que el área de la sección transversal de la segunda sección 16. De este modo, la muestra de aire se ve obligada a pasar por un espacio de aire de reducido volumen en la sección 16, en comparación con en la sección 15. De manera similar la segunda sección 16 es más ancha que la tercera sección 18, y, según se muestra en las figuras 4 y 6, la segunda sección 16 también tiene una altura mayor que la tercera sección 18. En otras palabras, el área de la sección transversal de la segunda sección 16 es mayor que la de la tercera sección 18. De este modo, la muestra de aire se ve obligada a pasar por un espacio de aire de reducido volumen en la sección 18, en comparación con la sección 16. En una realización preferida, la anchura, altura y área de la sección transversal de la cuarta sección del canal 19 son idénticas a las de la primera sección 15, aunque el colector funcionaría también si la cuarta sección del canal 19 tuviera medidas que no fuesen idénticas a las de la primera sección 15, mientras que el área de la sección transversal de la sección 19 sea mayor que la de la tercera sección 18. En una realización preferida, la segunda sección 16 del canal coincide con el preconcentrador 25, y la tercera sección 18 está coincide con el captador de SAW 24. Por "coincide" queremos decir que esas secciones particulares del canal están alineadas con el preconcentrador y el captador, respectivamente, de tal manera que el aire en esas particulares segunda y tercera secciones del canal está en comunicación directa con el preconcentrador y el captador, respectivamente. En el funcionamiento, el conjunto de preconcentrador y captador se montaría en un objeto en movimiento, tal como un vehículo, de manera que la entrada 31 miraría en el sentido de recorrido, obligando, de este modo, a que el aire entre por la entrada del canal.
La figura 5 es una vista fragmentaria de una tarjeta de circuito impreso 12 que ilustra cómo del captador 13 se monta en la tarjeta. Esta vista también muestra un rebajo 29 en el cuerpo del captador, cuyo rebajo se alinea con el canal 17 cuando el colector está en su sitio, y juntos forman la entrada 31, como mejor se ve en la figura 6 (la figura 6 es una vista de frente que muestra el colector en su sitio encima del captador).
Teoría del funcionamiento
El dispositivo básico I 1 de esta invención es una toma de gas que se ilustra en diversas figuras de los dibujos. La primera sección 15 de entrada ancha (parte inferior de la figura) se dirige hacia una corriente que se aproxima y la cuarta sección de descarga 19 del dispositivo (parte superior de la figura) está conectada a una región de baja presión en el flujo alrededor del captador 13. La diferencia de presión entre la entrada y la descarga (salida) de la toma conduce gas por encima del preconcentrador y del captador químico de onda acústica de superficie (SAW).
La presión máxima que se puede desarrollar entre la entrada y la descarga es del orden de 1/2\rhoV^{2}, en la que \rho es la densidad del aire y V es la velocidad relativa entre el alojamiento del captador y el aire circundante. Con una velocidad del aire de 30 nudos, la diferencia de presión es aproximadamente 150 Pa.
Debido a esta baja presión de accionamiento es necesario hacer el canal de flujo tan sin restricciones como sea posible. Esta necesidad se compensa con la necesidad de minimizar las distancias de difusión en el flujo por encima del preconcentrador y la SAW. En el canal de aire bajo presión dinámica mostrado en los dibujos el área de la sección transversal es reduce por encima del preconcentrador y el captador de SAW, y luego se expande otra vez en la descarga (en la cuarta sección). El canal por encima de la SAW es mucho más restrictivo con medidas, en una realización preferida, de 1,3 mm de ancho x 0,1 de alto x 2,3 mm de largo. Las caídas de presión de un lado a otro de cada sección del captador se pueden calcula con la relación
\rho = \frac{12 \ \mu \ x \ longitud \ x \ velocidad \ de \ paso}{anchura \ (altura)^{3}}
en la que \mu es la viscosidad del aire. Igualando la caída de presión de un lado a otro del sistema con al presión estática disponible se puede hacer un cálculo aproximado de la velocidad de paso en potencia por el captador. La figura 7 muestra la velocidad de paso volumétrica estimada por el captador en función de la velocidad del aire. Los resultados medidos, mostrados en la figura 8, prueban que las velocidades de paso por el captador son suficientes para realizar el análisis químico en la corriente de aire. Para estos resultados se dejaron recoger analitos en la corriente de aire encima del preconcentrador durante tiempos concretos de 7, 15 y 30 segundos. El preconcentrador se impulsó entonces para desabsorber el analito, y el analito concentrado se trasladó a través del detector de SAW por medio de la corriente de aire. Con un tiempo de recogida de 15 segundos y una velocidad del aire de 20 nudos, esta combinación de una SAW, un preconcentrador y un bombeo del aire bajo presión dinámica es capaz de detectar niveles de 1 ppm de analitos tales como sustancias de gas mostaza y gas nervioso.

Claims (5)

1. Colector de aire bajo presión dinámica (11) con captador de onda acústica (13), teniendo dicho captador un detector de antena direccional para onda acústica (24) y un preconcentrador microfabricado para muestras (25), en el que el colector (11) comprende un alojamiento montado encima del captador (13), dicho alojamiento incluye un pasadizo (17) que tiene una entrada (31) y una salida (30), una primera sección (15) de una primera área de sección transversal próxima a dicha entrada, una segunda sección (16) de una segunda área de sección transversal próxima a dicha sección (15), una tercera sección (18) de una tercera área de sección transversal próxima a dicha segunda sección (16), y una cuarta sección (19) de una cuarta área de sección transversal próxima a dicha salida (30), en el que dicha tercera área de sección transversal es menor que dicha segunda área de sección transversal, y dichas primera y cuarta áreas de sección transversal son cada una más grandes que dicha segunda área de sección transversal.
2. Colector (11) según la reivindicación 1, en el que dicha segunda sección de dicho pasadizo (17) está alineada con dicho preconcentrador (25) y dicha tercera sección (18) de dicho pasadizo (17) está alineada con dicho detector de antena direccional para onda acústica de superficie (24).
3. Colector (11) según la reivindicación 1, en el que dichas primera y cuarta áreas de sección transversal son iguales.
4. Colector (11) según la reivindicación 1, en el que dicha entrada (31) está dispuesta de tal manera como para que se dirija hacia una corriente de aire que se aproximada, de la cual hay que tomar muestras, y dicha salida (30) está dispuesta de forma que descargue las muestras de aire dentro de una región de baja presión alrededor de dicho colector (11).
5. Colector (11) según la reivindicación 1, en el que entre dicha entrada (31) y dicha salida (30) existe una diferencia de presión.
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