PL244882B1 - Komora nosa elektronicznego i sposób pomiaru nosem elektronicznym - Google Patents

Abstract

Przedmiotem zgłoszenia przedstawionym na rysunku jest komora nosa elektronicznego, umożliwiająca ekspozycję czujników gazu na działanie badanego gazu oraz czyszczenie czujników przed pomiarem oraz po jego zakończeniu, a także sposób pomiaru nosem elektronicznym. Komora nosa elektronicznego zawierająca czujniki gazu dyszę wlotową i dyszę wylotową umieszczoną po innej stronie komory niż dysza wlotowa charakteryzuje się tym, że komora z czujnikami gazu posiada ruchomą otwieraną przesłonę. Sposób pomiaru nosem elektronicznym przeprowadzany jest z wykorzystaniem opisanej komory nosa elektronicznego, charakteryzujący się tym, że przy ekspozycji czujników na badany gaz odbywa się przy otwartej przesłonie.

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest komora nosa elektronicznego umożliwiająca ekspozycję czujników gazu na działanie badanego gazu oraz czyszczenie czujników przed pomiarem oraz po jego zakończeniu, a także sposób pomiaru nosem elektronicznym. W kompletnym urządzeniu nosa elektronicznego zapach jest „rozpoznawany”, jeżeli zbiór sygnałów zebranych jako odpowiedź czujników na obecność danego zapachu w próbce jest wystarczająco podobny do analogicznego zbioru odpowiadającego „wzorcowi”. Kompletne urządzenie służy do zbierania danych pomiarowych z czujników gazów, w celu wykorzystania tych danych do rozpoznawania i klasyfikacji zapachów.

Z opisu patentowego nr US6620109B2 znany jest sposób wykrywania obecności procesu patologicznego w płucach ssaka, obejmujący przykładanie próbki wydychanego gazu pobranego z płuc ssaka do elektronicznego nosa, który to nos elektroniczny ma sygnał wyjściowy czujnika; oraz analizowanie sygnału wyjściowego czujnika w celu określenia, czy w płucach ssaka występuje proces patologiczny płuc.

Z opisu patentowego nr US8597953B2 znany jest sposób diagnozowania, monitorowania lub prognozowania raka płuc u osobnika obejmujący etapy pobrania testowej próbki oddechu od osoby badanej; oznaczanie poziomu co najmniej jednego lotnego związku organicznego z zestawu lotnych związków organicznych w badanej próbce, oraz porównanie poziomu co najmniej jednego lotnego związku organicznego z badanej próbki z poziomem co najmniej jednego lotnego związku organicznego w próbce kontrolnej, przy czym znacząco różny poziom co najmniej jednego lotnego związku organicznego w badanej próbce w porównaniu z poziomem wspomnianego związku w próbce kontrolnej wskazuje na raka płuc.

Z opisu nr US6411905B1 znany jest system i sposób oszacowania stężenia zapachu w próbce powietrza na podstawie danych uzyskanych przez ocenę próbki za pomocą elektronicznego nosa typu matryca czujników. Analiza głównych składowych jest stosowana do zestawu danych próbki powietrza, w tym danych z matrycy czujników uzyskanych z oceny próbki powietrza za pomocą elektronicznego nosa z matrycą czujników oraz pomiarów wilgotności próbki powietrza i czystego powietrza referencyjnego wykorzystywanego przez elektroniczny nos dla uzyskania z góry określonej liczby głównych składowych danych próbki powietrza. Główne składniki uzyskane z próbki powietrza są wykorzystywane jako dane wejściowe do sieci neuronowej w celu uzyskania jako danych wyjściowych oszacowania stężenia zapachu w próbce powietrza.

Z opisu patentowego nr CN102590288B znany jest system wykrywania jakości żywności i sposób wykrywania oparty na elektronicznym nosie. System wykrywania jakości żywności obejmuje elektroniczny system nosowy, urządzenia filtrujące powietrze i mikrokomputer, a także zawiera pojemnik na próbki, przy czym urządzenia filtrujące powietrze zawierają pierwsze urządzenie filtrujące i drugie urządzenie filtrujące powietrze; elektroniczny nosa jest połączony z mikrokomputerem; pierwsze urządzenie filtrujące powietrze jest połączone z pojemnikiem na próbki, a drugie urządzenie filtrujące powietrze jest połączone z elektronicznym nosem. W mikrokomputerze umieszczone jest oprogramowanie sterujące komputera, służące do sterowania systemem elektronicznego nosa w celu ustawiania parametrów pracy, wykrywania próbek, czyszczenia czujnika oraz zbierania, przetwarzania i analizowania danych eksperymentalnych. Elektroniczny system nosowy składa się z zestawu czujników, urządzenia zasilania powietrzem i wielu komór powietrznych.

Z opisu patentowego nr CN104569056A znany jest przenośny sprzęt do identyfikacji alkoholu oparty na technologii nosa elektronicznego. Przenośny sprzęt do identyfikacji cieczy zawiera pompę powietrza, komorę odparowywania, komorę reakcyjną, mikroprocesor i zawory elektromagnetyczne, przy czym pompa powietrzna jest używana do pompowania próbki powietrza z komory odparowywania do komory reakcyjnej; pompa powietrza jest połączona z wlotem powietrza komory parowania przez pierwszy elektrozawór i połączona z komorą reakcyjną przez trzeci elektrozawór; komora parowania jest poprzecznie umieszczoną komorą cylindryczną, wlot powietrza i wylot powietrza są utworzone po dwóch stronach cylindrycznej komory, a górny otwór cylindrycznej komory służy do dodawania próbki alkoholu; pas grzejny nawinięty na zewnętrzną ścianę komory parowania; górna i dolna część komory reakcyjnej mają kształt lekko wypukłego stożka, a wlot powietrza i wylot powietrza są utworzone odpowiednio w górnej i dolnej części komory reakcyjnej; sygnały zebrane przez czujnik powietrza są przesyłane do mikroprocesora w celu identyfikacji alkoholu.

Znane są również różne rodzaje mocowania czujników i tworzenia z nich komory pomiarowej, takie jak rozwiązanie ujawnione w opisie patentowym nr Pat.213770 wykorzystujący dwa zestawy czujników umieszczonych w identycznych komorach pomiarowych, oraz patent Pat.236406 sugerujący umieszczenie czujników wewnątrz S-kształtnego tunelu, z powierzchnią czynną umieszczoną pod kątem do kierunku tego tunelu. Przykładami patentów nosów z dużymi komorami pomiarowymi są CN204630979U, CN110231366B, CN106153830B, US7051573B2 i EP1631820B1.

Standardowym podejściem używanym w nosach elektronicznych jest użycie zamkniętej komory, do której za pomocą układu pompki oraz zaworów doprowadzany jest badany zapach lub czyste powietrze. Innym często stosowanym rozwiązaniem jest umieszczanie czujników bezpośrednio w badanym gazie. Oba rozwiązania mają jednak szereg niedogodności.

W przypadku komór zasysających badany gaz do wnętrza, może nastąpić znaczące rozcieńczenie badanego zapachu przez mieszanie się z powietrzem, co zmniejsza możliwość detekcji. W przypadku czujników umieszczony bezpośrednio w badanym gazie problemem jest trudność z czyszczeniem czujników oraz z możliwościami ustalenia referencyjnego poziomu sygnału, którym zwykle jest wskazanie czujników w otoczeniu czystego powietrza (lub innego gazu referencyjnego).

W przedstawionym urządzeniu zaproponowana została koncepcja „otwartej komory” czujników gazu. Oznacza to, że w trakcie pomiaru komora jest otwarta na zewnątrz i czujniki są eksponowane na działanie gazu znajdującego się w jej otoczeniu lub w pojemniku gazu, do którego komora jest przyłożona. Komora czujników jest zamykana na czas czyszczenia czujników z pozostałości gazu z poprzedniej serii pomiarowej. Rozwiązanie przedstawione w wynalazku umożliwia przeprowadzanie pomiarów próbki gazu za pomocą czujników znajdującymi się w bezpośredniej bliskości źródła zapachu, np. umieszczając je blisko mierzonej próbki lub wykorzystując małą objętość zgromadzonego zapachu w pojemniku, do którego będzie przyłożona komora nosa elektronicznego. Urządzenie daje możliwość czyszczenia czujników tak jak to się dzieje w zamkniętej komorze a jednocześnie pozwala na umieszczenie czujników praktycznie bezpośrednio w mierzonej próbce zapachu podobnie jak ma to miejsce w urządzeniach, w których nie jest wykorzystywana żadna dedykowana komora czujników.

Istotną zaletą tego rozwiązania jest zmniejszenie rozcieńczania badanego zapachu, co w konstrukcjach z zasysaniem gazu do wnętrza komory może wystąpić w przypadku mieszania się gazu zawierającego wykrywany zapach z powietrzem z otoczenia. W przypadku przedstawionej konstrukcji mierzony gaz jest w trakcie pomiaru mieszany z objętością czystego powietrza znajdującą się wewnątrz komory czujników, która jest niewielka, ale nie jest rozcieńczany przez powietrze zasysane z otoczenia próbki lub znajdujące się w innych elementach układu pneumatycznego takich jak np. rurki doprowadzające. Inną zaletą rozwiązania jest ułatwienie zapewnienia stabilności składu gazu w otoczeniu czujników w trakcie całego pomiaru. W przypadku gdy do pomiarów dostępna jest mała próbka gazu zawierającego mierzony zapach, zasysanie jej do wnętrza komory wraz z otaczającym powietrzem nie tylko prowadzi do rozcieńczania stężenia zapachu, ale również może powodować zmianę stężenia w trakcie pomiaru. Co więcej charakterystyka takiej zmiany w czasie zwykle nie jest powtarzalna w kolejnych pomiarach. W przypadku proponowanego rozwiązania w trakcie trwania pomiaru utrzymywany jest stały skład zapachu, na który wystawione są czujniki.

Pewną zaletą rozwiązania wg wynalazku jest możliwość redukcji kosztów nosa elektronicznego ze względu na brak konieczności stosowania stabilnych urządzeń pneumatycznych typu wysokiej jakości pompki i zawory w celu zapewnienia powtarzalnego przepływu gazu, co jest wymaganiem w standardowych urządzeniach z zamkniętą komorą oraz transportem mierzonego gazu do jej wnętrza. Proponowana konstrukcja nie ma takich wymagań.

Rozpoznawanie zapachów za pomocą nosa elektronicznego bazuje na analizie sygnałów będących odpowiedzią czujników gazu (np. zmianą ich rezystancji) na zmianę warunków pomiaru. Najbardziej powszechnie używaną zmianą warunków pomiarów jest nagła zmiana składu gazu, w którym umieszczone są czujniki. Urządzenie pozawala na zebranie charakterystyki zmiany w czasie odpowiedzi czujników w trakcie stanu niestacjonarnego. Stan tak występuje po pierwsze bezpośrednio po zmianie od warunków, gdy czujniki znajdują się w czystym powietrzu do warunków w obecności mierzonego zapachu, po drugie po przejściu z powrotem do atmosfery czystego powietrza. W przypadku wykorzystania w nosie elektronicznym czujników typu MOS/MOX (metal-oxide) innym wykorzystywanym do pomiarów sposobem wywołania stanu niestacjonarnego, w trakcie którego zbierany jest sygnał, aby na podstawie jego kształtu rozpoznać badany zapach, może być modulacja temperatury czujników, w czasie gdy są one poddane działaniu zapachu. Taki drugi sposób zbierania sygnału w trakcie modulacji temperatury pracy czujników jest również możliwy w proponowanym urządzeniu.

Według wynalazku komora nosa elektronicznego zawierająca czujniki gazu dyszę wlotową i dyszę wylotową umieszczoną po innej stronie komory niż dysza wlotowa charakteryzuje się tym, że komora z czujnikami gazu posiada ruchomą otwieraną przesłonę.

Korzystnie, czujnikami gazu są czujniki MOX/MOS.

Korzystnie, przesłona stanowi dno lub jedną ze ścianek komory i zamocowana jest zawiasowo do komory.

Korzystnie, przesłona stanowi wsuwane dno lub ściankę komory.

Przedmiotem wynalazku jest również sposób pomiaru nosem elektronicznym przeprowadzany z wykorzystaniem opisanej komory nosa elektronicznego charakteryzujący się tym, że przy ekspozycji czujników na badany gaz odbywa się przy otwartej przesłonie.

Korzystnie, przed wykonaniem pomiaru dokonuje się czyszczenia czujników poprzez zamknięcie przesłony a następnie wprowadzenie strumienia powietrza do komory przez dyszę wlotową i wyprowadzenie tego powierza przez dyszę wylotową.

Przedmiot wynalazku w przykładzie wykonania został uwidoczniony na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok perspektywiczny rozwiązania (wizualizację), fig. 2 - widok z dołu, fig. 3 - widok z góry, fig. 4 - widok z boku, fig. 5 - widok z pompką.

Urządzenie wg wynalazku składa się z otwieranej komory (4) z czujnikami (4a) typu MOS (w urządzeniu mogą być również zastosowane inne typy czujników, bazujące na innej zasadzie działania). Czujniki gazów (4a) używane w nosie elektronicznym umieszczone są w komorze (4) w ten sposób, że element czynny czujników eksponowany jest do wnętrza komory. Z jednej strony komory znajduje się dysza wlotowa (1), przez którą pompowane jest do wnętrza komory (4) czyste powietrze (lub inny gaz referencyjny). Na przeciwległym końcu komory (4) znajduje się dysza wylotowa (2), przez którą uchodzi powietrze po przejściu w pobliżu czujników (4a). Wylot powietrza zaprojekowany jest w taki sposób, aby strumień wypływającego powietrza był skierowany w przeciwną stronę niż próbka, do której przykładana jest komora (4) czujników. Komora zamykana jest przesuwaną przesłoną (3), która stanowi jedną z jej ścianek. W stanie, gdy przesłona jest zamknięta pompowane powietrze przepływa w otoczeniu czujników (4a) przez co czujniki są czyszczone z pozostałości innych gazów z poprzednich pomiarów oraz może być w tym czasie odczytywany stan czujników (ich rezystancja) będący stanem odniesienia w danym pomiarze. W stanie, gdy przesłona jest otwarta, do czujników dociera gaz zawierający zapach, który jest mierzony.

Modyfikacją w stosunku do zwykle używanych układów pneumatycznych w nosach elektronicznych jest inny kierunek przepływu gazu w komorze. W standardowych konstrukcjach najczęściej spotykanym rozwiązaniem jest umieszczenie pompki za komorą w ten sposób, aby powietrze zawierające badany zapach lub powietrze służące do czyszczenia układu czujników, było zaciągane do wnętrza komory. W proponowanym urządzeniu czyste powietrze jest tłoczone do wnętrza komory. Ponieważ powietrze jest tłoczone do wnętrza komory, ewentualne nieszczelności układu nie mają istotnego znaczenia na realizowany pomiar, gdyż gazy z otoczenia nie dostają się do wnętrza komory zasysane przez nieszczelności.

Zasada działania rozwiązania została opisana w punktach poniżej.

1. Bezpośrednio przed pomiarem zamykana jest przesłona oraz uruchamiane czyszczenie czujników poprzez przepływ czystego powietrza (lub innego gazu służącego do tego celu, lub gazu referencyjnego).

2. Komora nosa elektronicznego, w stanie z zamkniętą przesłoną oraz z włączonym przepływem powietrza, przykładana jest do badanej próbki zamkniętej w pojemniku lub umieszczona w otoczeniu badanego zapachu, w ten sposób, że przesłona komory oddziela czujniki od badanego gazu. W tym czasie zbierane są wskazania czujników w celu określenia poziomu referencyjnego.

3. Po otwarciu przesłony badany gaz dostaje się do czujników oraz następuje pomiar odpowiedzi czujników na obecność badanego zapachu.

4. Po zamknięciu przesłony uruchamiany jest przepływ czystego powietrza powodującego czyszczenie czujników. W tym czasie możliwe jest zebranie odpowiedzi czujników na zmianę z warunków obecności gazu w otoczeniu czujników do warunków czystego powietrza.

5. W przypadku pomiaru wykorzystującego metodę modulacji temperatury czujników MOX, pomiar odpowiedzi czujników na taką modulację przeprowadzany jest w stanie z otwartą przesłoną, ale może również odbywać się w stanie z zamkniętą przesłoną, jeśli ma to być pomiar w warunkach ekspozycji czujników na czyste powietrze (lub inny gaz referencyjny).

Claims (6)

1. Komora nosa elektronicznego zawierająca czujniki gazu (4a) dyszę wlotową (1) i dyszę wylotową (2) umieszczoną po innej stronie komory niż dysza wlotowa (1) znamienna tym, że komora (4) z czujnikami gazu (4a) posiada ruchomą otwieraną przesłonę (3).

2. Komora nosa elektronicznego wg zastrzeżenia 1 znamienna tym, że czujnikami gazu (4a) są czujniki MOX/MOS.

3. Komora nosa elektronicznego wg zastrzeżenia 1 albo 2 znamienna tym, że przesłona (3) stanowi dno lub jedną ze ścianek komory (4) i zamocowana jest zawiasowo do komory (4).

4. Komora nosa elektronicznego wg zastrzeżenia 1 albo 2 albo 3 znamienna tym, że przesłona (3) stanowi wsuwane dno lub ściankę komory (4).

5. Sposób pomiaru nosem elektronicznym przeprowadzany z wykorzystaniem komory nosa elektronicznego określonej w z zastrz. 1-4 znamienny tym, że przy ekspozycji czujników (4a) na badany gaz odbywa się przy otwartej przesłonie (3).

6. Sposób pomiaru wg zastrz. 5 znamienny tym, że przed wykonaniem pomiaru dokonuje się czyszczenia czujników (4a) poprzez zamknięcie przesłony (3) a następnie wprowadzenie strumienia powietrza do komory (4) przez dyszę wlotową (1) i wyprowadzenie tego powierza przez dyszę wylotową (2).