RU2279051C2 - System for remote sampling from surface - Google Patents
System for remote sampling from surface Download PDFInfo
- Publication number
- RU2279051C2 RU2279051C2 RU2004128976/12A RU2004128976A RU2279051C2 RU 2279051 C2 RU2279051 C2 RU 2279051C2 RU 2004128976/12 A RU2004128976/12 A RU 2004128976/12A RU 2004128976 A RU2004128976 A RU 2004128976A RU 2279051 C2 RU2279051 C2 RU 2279051C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- sampling
- air flow
- suction
- swirl
- inlet
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области газового анализа и может использоваться для отбора проб микропримесей веществ в газах при обнаружении аварийных выбросов и локализации утечек паров токсичных и горючих веществ на производстве, поиске скрытых закладок взрывчатых (ВВ) и наркотических (НВ) веществ на таможенных пунктах досмотра, обнаружении взрывчатых веществ и взрывных устройств (ВУ) в аэропортах, вокзалах, производственных и жилых помещениях, выявлении предметов и лиц, имевших ранее контакт с ВВ или НВ, определении мест хранения запрещенных и опасных веществ.The invention relates to the field of gas analysis and can be used for sampling trace amounts of substances in gases when detecting accidental emissions and localizing leaks of toxic and combustible vapors in production, searching for hidden bookmarks of explosive (BB) and narcotic (HB) substances at customs inspection points, detection explosives and explosive devices (VU) at airports, train stations, industrial and residential premises, identifying objects and persons who had previously had contact with explosives or HB, determining storage locations is prohibited x and hazardous substances.
Большинство вышеуказанных поисковых задач, особенно задача оперативного поиска скрытых закладок ВВ и ВУ по испускаемым взрывчатыми веществами парам, характеризуются следующими особенностями: поиск ведется в полевых условиях, в режиме реального времени и в отсутствии прямого, открытого доступа к взрывчатому веществу. Это накладывает довольно жесткие требования на используемую оперативными службами поисковую аппаратуру. С учетом крайне низкого давления насыщенных паров ВВ (при 20°С концентрация насыщенных паров 2,4,6-тринитротолуола (ТНТ) составляет 4×10-11 г/см3) и их высокой адсорбционной способности, а также присутствия обычно в обследуемой атмосфере большого количества мешающих фоновых примесей (например, парфюмерии, лакокрасочных веществ, фармацевтических веществ, веществ бытовой химии и т.д.), поисковая техника должна быть портативной, работать в реальном режиме времени, обладать высокой чувствительностью и селективностью. Кроме того, для успешного решения данной задачи поисковые средства должны быть снабжены специфическим портативным пробоотборным устройством, которое бы позволяло: 1 - дистанционно вытеснять внутреннюю атмосферу объекта наружу и захватывать с его поверхности паровую фазу, 2 - транспортировать с минимальными потерями вытесненные пары к анализатору и 3 - обеспечивать эффективное улавливание и ввод пробы в детектор или концентратор.Most of the above search tasks, especially the task of an operative search for hidden bookmarks of explosives and explosives by pairs emitted by explosives, are characterized by the following features: the search is conducted in the field, in real time and in the absence of direct, open access to the explosive. This imposes rather stringent requirements on the search equipment used by operational services. Given the extremely low pressure of saturated explosive vapor (at 20 ° C, the concentration of saturated vapor of 2,4,6-trinitrotoluene (TNT) is 4 × 10 -11 g / cm 3 ) and their high adsorption capacity, as well as the presence of usually in the investigated atmosphere a large number of interfering background impurities (for example, perfumes, paints, pharmaceuticals, household chemicals, etc.), the search technique should be portable, work in real time, have high sensitivity and selectivity. In addition, to successfully solve this problem, search tools should be equipped with a specific portable sampling device that would allow: 1 - remotely displace the internal atmosphere of the object outside and capture the vapor phase from its surface, 2 - transport the displaced pairs to the analyzer with minimal losses, and 3 - ensure efficient collection and injection of the sample into the detector or concentrator.
Известно пробоотборное устройство, представляющее собой простой вентилятор или насос с всасывающим патрубком. Такое устройство работает по принципу аспирации и является принадлежностью практически всех выпускаемых в настоящее время портативных детекторов ВВ, в том числе работающих на основе спектрометрии ионной подвижности (СИП), например детекторов "Vapor Tracer" фирмы Ion Track Instruments (США) [1], и "SABRE 2000" фирмы Barringer (Канада) [2]. Данное пробоотборное устройство не удовлетворяет необходимым требованиям для решения поставленной задачи из-за выраженного близкодействия отбора пробы и невозможности обеспечить эффективное извлечение паров из объекта. Действительно, процесс аспирационного всасывания изотропен. По этой причине, по мере удаления от входного сечения всасывающего патрубка, происходит резкое уменьшение скорости отбираемого потока и величины разрежения, обеспечивающего вытеснение внутренней атмосферы объекта. Отбор пробы таким устройством ограничен областью с радиусом, не превышающим диаметр входного патрубка, на котором величина разрежения падает более чем на два порядка. При проведении с его помощью поиска не только не удается извлечь внутреннюю атмосферу объекта, но оператору приходится елозить входным патрубком практически по обследуемой поверхности, что приводит к быстрому загрязнению устройства и выходу его из рабочего состояния.A sampling device is known, which is a simple fan or pump with a suction pipe. Such a device works on the principle of aspiration and is an accessory of almost all portable explosive detectors currently manufactured, including those based on ion mobility spectrometry (SIP), for example, Vapor Tracer detectors from Ion Track Instruments (USA) [1], and "SABER 2000" company Barringer (Canada) [2]. This sampling device does not meet the necessary requirements for solving the problem due to the pronounced short-range sampling and the inability to ensure the efficient extraction of vapors from the object. Indeed, the process of aspiration absorption is isotropic. For this reason, as you move away from the inlet section of the suction pipe, there is a sharp decrease in the speed of the selected flow and the amount of vacuum that ensures the displacement of the internal atmosphere of the object. Sampling by such a device is limited to a region with a radius not exceeding the diameter of the inlet pipe, on which the vacuum decreases by more than two orders of magnitude. When conducting a search with it, not only can’t it be possible to extract the internal atmosphere of the object, but the operator has to crawl the inlet pipe almost over the surface being examined, which leads to a quick contamination of the device and its exit from the working state.
Известно пробоотборное устройство, представляющее собой конус, основание которого прижимается к обследуемой поверхности, а отбор пробы производится через его вершину [3]. Внутренняя поверхность конуса обогревается ИК лампой, увеличивая скорость испарения молекул ВВ с поверхности объекта и уменьшая их адсорбцию на стенки. Работает устройство следующим образом. Поток внешней атмосферы, поступая через щель в боковой поверхности конуса у его основания, омывает обследуемую поверхность, захватывает паровую фазу и транспортирует ее к вершине конуса в анализатор или концентратор. Данное пробоотборное устройство не решает поставленной задачи из-за низкой эффективности сбора паров и их транспортировки к анализатору. Подобная конструкция рассчитана на ровную, гладкую поверхность. Наличие реальных неровностей и шероховатости приводит к неоднородному радиальному всасыванию внешней атмосферы, что влечет за собой сильное разбавление поступающих в анализатор паров ВВ и соответственно снижение эффективности пробоотбора. К тому же описанное пробоотборное устройство предполагает непосредственный контакт с обследуемой поверхностью, что значительно снижает оперативность обследования и ведет к возникновению так называемой «памяти» (остаточного сигнала при повторном обследовании сразу же после обнаружения закладки).A sampling device is known, which is a cone, the base of which is pressed against the surface being examined, and sampling is made through its top [3]. The inner surface of the cone is heated by an IR lamp, increasing the rate of evaporation of explosive molecules from the surface of the object and reducing their adsorption to the walls. The device operates as follows. The flow of the external atmosphere, entering through a slit in the lateral surface of the cone at its base, washes the surface under investigation, captures the vapor phase and transports it to the top of the cone to an analyzer or concentrator. This sampling device does not solve the problem due to the low efficiency of vapor collection and transportation to the analyzer. A similar design is designed for a flat, smooth surface. The presence of real irregularities and roughness leads to inhomogeneous radial absorption of the external atmosphere, which entails a strong dilution of the explosive vapor entering the analyzer and, accordingly, a decrease in the sampling efficiency. In addition, the described sampling device assumes direct contact with the surface being examined, which significantly reduces the efficiency of the examination and leads to the appearance of the so-called “memory” (residual signal upon repeated examination immediately after the discovery of the bookmark).
Известно устройство отбора пробы для спектрометра, состоящее из открываемой камеры, имеющей вход и выход, ИК лампы для нагревания поверхности образца, в результате чего усиливается испарение вещества пробы и устройства для подачи чистого газа, соединенного со входом камеры [4]. В камеру помещают обследуемый образец и на вход подают чистый газ (или воздух), который омывает поверхность образца, захватывает пары пробы и транспортирует их к анализатору, подсоединенному к выходу камеры. Данное пробоотборное устройство не удовлетворяет требованиям поставленной задачи из-за неэффективности извлечения внутренней атмосферы объекта, отсутствия дистанционности обследования и больших потерь пробы при ее транспортировке к анализатору. Действительно, во-первых, скорости потоков, омывающих поверхность объекта в камере, невелики, не превышают 1 м/с. При этих скоростях величина разрежения, создаваемая над объектом, составляет примерно 0,6×10-5 атм. Обследование в таких условиях небольшой бандероли объемом 200 см3 предоставит оператору для анализа объем вытесненной внутренней атмосферы объекта, не превышающий примерно 1 мм3, что является совершенно недостаточным. Во-вторых, при транспортировке захваченной пробы через выходной канал неизбежны ее потери за счет процессов диффузии и адсорбции молекул анализируемого вещества на стенках канала, что существенно снижает эффективность обследования и является причиной возникновения остаточного сигнала при последующих обследованиях. И, наконец, не каждый объект можно поместить внутрь камеры. При обследовании строительных конструкций, мебели или крупногабаритных контейнеров на предмет наличия в них скрытых ВВ или ВУ, данное пробоотборное устройство просто невозможно будет применить.A device for sampling a spectrometer is known, consisting of an opening chamber having an inlet and an outlet, an IR lamp for heating the surface of the sample, as a result of which the evaporation of the substance of the sample and the device for supplying pure gas connected to the chamber inlet are enhanced [4]. The test sample is placed in the chamber and clean gas (or air) is supplied to the inlet, which washes the sample surface, captures sample vapors and transports them to the analyzer connected to the chamber outlet. This sampling device does not meet the requirements of the task due to the inefficiency of extracting the internal atmosphere of the object, the lack of remoteness of the survey and large losses of the sample during its transportation to the analyzer. Indeed, firstly, the velocities of the flows washing the surface of the object in the chamber are small and do not exceed 1 m / s. At these speeds, the rarefaction created above the object is approximately 0.6 × 10 -5 atm. Inspection under such conditions of a small parcel with a volume of 200 cm 3 will provide the operator with an analysis of the volume of the displaced internal atmosphere of the object, not exceeding about 1 mm 3 , which is completely insufficient. Secondly, when transporting the captured sample through the output channel, its loss is inevitable due to diffusion and adsorption of the analyte molecules on the channel walls, which significantly reduces the efficiency of the survey and is the cause of the residual signal during subsequent examinations. And finally, not every object can be placed inside the camera. When examining building structures, furniture or large containers for the presence of hidden explosives or HVs in them, this sampling device will simply be impossible to apply.
Наиболее близким к предлагаемому устройству отбора воздушных проб является устройство создания воздушной завесы для обнаружения паров, испускаемых размещенными в ней объектами [5]. Устройство содержит две стойки, между которыми помещается обследуемый объект. В первой стойке размещается устройство обдува объекта воздушной струей, а во второй устройство всасывания воздушного потока, поступающего от объекта. Внутри второй стойки в центре всасываемого потока находится устройство отбора пробы и ее анализа. Работает устройство следующим образом. С помощью первой стойки объект обдувается с одной стороны ламинарной однородной струей воздуха, которая захватывает испускаемые объектом пары, и транспортирует их ко второй стойке. Поступающий от объекта воздушный поток просасывается через рабочий объем второй стойки, где происходит отбор и анализ воздушной пробы на наличие паров ВВ.Closest to the proposed device for sampling air samples is a device for creating an air curtain for detecting vapors emitted by objects placed therein [5]. The device contains two racks, between which the examined object is placed. In the first rack there is a device for blowing an object with an air stream, and in a second device for suctioning the air flow coming from the object. Inside the second rack, in the center of the intake stream, is a sampling device and its analysis. The device operates as follows. Using the first rack, an object is blown on one side by a uniform laminar stream of air, which captures the pairs emitted by the object and transports them to the second rack. The air flow coming from the object is sucked through the working volume of the second rack, where an air sample is taken and analyzed for the presence of explosive vapor.
В отличие от предыдущих аналогов данная система пробоотбора позволяет значительно увеличить расстояние обследования. Кроме того, обдув объекта ламинарной однородной струей существенно снижает потери пробы при ее транспортировке ко второй стойке. Тем не менее, представленная система пробоотбора обладает низкой эффективностью извлечения паровой фазы изнутри объектов, большими потерями пробы при ее отборе в газоанализатор и громоздкостью конструкции. Во-первых, используемая в устройстве скорость обдувающего воздуха менее 1 м/с. Это не позволяет создать на поверхности объекта разрежение более 0,6×10-5 атм и является недостаточным для извлечения представительного объема пробы изнутри объекта. Во-вторых, объем отбираемой для анализа воздушной пробы на несколько порядков меньше объема просасываемого через стойку воздуха, что приводит к существенному ее разбавлению. При этом введение нескольких устройств отбора пробы и ламинаризация обдувающего объект потока не дает ощутимых результатов, так как заранее точно неизвестны места испускания паров ВВ, и поэтому неизвестно, где нужно устанавливать устройства отбора пробы. В-третьих, наличие двух стоек (обдувающей и всасывающей) с двух сторон объекта делает устройство слишком громоздким и непортативным. Особенно оно оказывается бесполезным при необходимости вести обследование в местах с односторонним доступом к объекту. Кроме того, среди недостатков следует отметить возникновение остаточного сигнала или так называемой «памяти» при последующих сразу после обнаружения обследованиях из-за адсорбции молекул регистрируемой примеси на ламинаризирующих решетках второй стойки. Это очень важно при использовании пробоотборного устройства в полевых условиях, когда нет ни времени, ни возможности проводить его очистку.Unlike previous analogues, this sampling system can significantly increase the examination distance. In addition, blowing an object with a laminar homogeneous stream significantly reduces sample loss during transportation to the second rack. Nevertheless, the presented sampling system has a low efficiency of extraction of the vapor phase from inside the objects, large losses of the sample when it is taken to the gas analyzer, and the bulkiness of the design. Firstly, the blowing air speed used in the device is less than 1 m / s. This does not allow creating a vacuum of more than 0.6 × 10 -5 atm on the surface of the object and is insufficient to extract a representative sample volume from the inside of the object. Secondly, the volume of an air sample taken for analysis is several orders of magnitude less than the volume of air sucked through the rack, which leads to its substantial dilution. At the same time, the introduction of several sampling devices and the laminarization of the flow blowing around the object does not give tangible results, since the places of emission of explosive vapor are not known in advance, and therefore it is not known where to install the sampling devices. Thirdly, the presence of two racks (blowing and suction) on both sides of the object makes the device too bulky and non-portable. Especially it turns out to be useless if necessary to conduct an examination in places with unilateral access to the object. In addition, among the shortcomings, the occurrence of a residual signal or the so-called “memory” should be noted during subsequent examinations immediately after detection due to adsorption of molecules of the detected impurity on the laminarizing gratings of the second rack. This is very important when using the sampling device in the field, when there is neither the time nor the ability to clean it.
Технической задачей настоящего изобретения является повышение эффективности извлечения паровой фазы из объекта, снижение потерь при отборе транспортируемой от объекта пробы, устранение «памяти» при последующих после обнаружения обследованиях и обеспечение портативности устройства.The technical task of the present invention is to increase the efficiency of extraction of the vapor phase from the object, reducing losses during the sampling transported from the object samples, eliminating the "memory" during subsequent examinations after detection and ensuring portability of the device.
Указанная задача в системе для дистанционного отбора воздушных проб с поверхности и из негерметизированных объектов, содержащей устройство обдува объекта воздушной струей, включающее побудитель нагнетаемого потока воздуха, устройство всасывания поступающего от объекта воздушного потока, снабженное побудителем всасываемого потока воздуха и устройство отбора транспортируемой от объекта пробы, решена тем, что устройство обдува снабжено завихрителем воздушного потока и каналом транспортировки нагнетаемого потока воздуха от побудителя к завихрителю, а устройство всасывания выполнено в виде всасывающего канала, выход которого соединен с побудителем всасываемого потока воздуха, а его вход расположен внутри завихрителя и установлен соосно с ним, при этом устройство отбора пробы расположено на входе всасывающего канала или перед ним.The specified task in a system for remote sampling of air samples from the surface and from unsealed objects, comprising a device for blowing an object with an air stream, including a pump flow inducer, an air stream coming from the object, equipped with a pump flow inducer and a sampling device transported from the object, solved by the fact that the blower is equipped with a swirl of air flow and a channel for transporting the forced air flow from I to the swirler, and the suction device is designed as a suction channel, the output of which is connected to the driving force of the intake air flow and its inlet located inside the swirler and is mounted coaxially with it, wherein the sampling device is disposed at the inlet of the suction duct or in front of him.
Указанное выполнение системы дистанционного пробоотбора позволяет в рамках портативной конструкции сформировать закрученную пробоотборную струю, обладающую значительным разрежением и радиальной составляющей скорости обратного течения, направленной к оси струи. Это обеспечивает повышение эффективности извлечения паровой фазы из объекта, существенное снижение потерь при улавливании пробы и устранение «памяти» при последующих после обнаружения обследованиях.The specified implementation of the remote sampling system allows, within the portable design, to form a swirling sampling jet with significant rarefaction and a radial component of the velocity of the reverse flow directed to the axis of the jet. This provides an increase in the efficiency of extraction of the vapor phase from the object, a significant reduction in losses during the capture of the sample and the elimination of “memory” in subsequent examinations after detection.
Выгодно при больших пробоотборных потоках для снижения энергопотребления системы и упрощения ее конструкции устройство отбора пробы расположить на входе всасывающего канала так, чтобы занять всю его площадь.It is advantageous for large sampling flows to reduce the energy consumption of the system and simplify its design. Place the sampling device at the inlet of the suction channel so as to occupy its entire area.
Целесообразно при небольших пробоотборных потоках для увеличения эффективности извлечения пробы из объекта устройство отбора пробы расположить на входе всасывающего канала так, чтобы занять часть его площади.It is advisable for small sampling flows to increase the efficiency of sample extraction from the object to place the sampling device at the inlet of the suction channel so as to occupy part of its area.
Выгодно для увеличения портативности системы устройство отбора пробы выполнить в виде концентратора.It is advantageous to increase the portability of the system to take a sampling device in the form of a concentrator.
Целесообразно для увеличения площади обследуемой поверхности завихритель выполнить в виде рефлектора и установленной при его основании и сосной с ним подвижной или неподвижной крыльчатки, образующей с всасывающим каналом кольцевую полость, являющуюся выходом канала транспортировки нагнетаемого потока воздуха.It is advisable to increase the area of the examined surface by making the swirl device in the form of a reflector and a movable or fixed impeller installed at its base and pine with it, forming an annular cavity with the suction channel, which is the outlet of the channel for transporting the injected air stream.
Снабжение устройства обдува в системе дистанционного отбора воздушной пробы завихрителем воздушного потока, внутри которого соосно с ним установлен всасывающий канал устройства всасывания поступающего от объекта воздушного потока, на входе которого расположено устройство отбора пробы, позволяет в рамках портативной конструкции значительно увеличить разрежение на поверхности объекта и сформировать обратное пробоотборное течение с радиальной скоростью, направленной к оси струи, тем самым повысить эффективность извлечения паров из объекта, снизить потери пробы при ее улавливании и устранить «память» при последующих после обнаружения обследованиях, устройство не имеет аналогов среди известных устройств дистанционного отбора воздушных проб для анализаторов микропримесей веществ в газах, а следовательно, соответствует критерию «изобретательский уровень».The supply of a blower in the remote sampling system with an air flow swirl, inside of which a suction channel of the suction device of the air flow coming from the object, at the input of which the sampling device is located, is coaxial with it and allows, as part of the portable design, to significantly increase the vacuum on the surface of the object and form reverse sampling flow with a radial velocity directed to the axis of the jet, thereby increasing the efficiency of vapor extraction from The object, to reduce loss of the sample during its capture and remove a "memory" in subsequent surveys after the detection, the device is unique among known devices air remote selection of samples for trace substances in gas analyzers, and therefore corresponds to the criterion "Inventive Level".
На фиг.1 представлена система для дистанционного отбора воздушных проб с завихрителем, содержащим неподвижную крыльчатку.Figure 1 presents a system for remote sampling of air samples with a swirl containing a fixed impeller.
На фиг.2 представлена система для дистанционного отбора воздушных проб с завихрителем, содержащим подвижную крыльчатку.Figure 2 presents a system for remote sampling of air samples with a swirl containing a movable impeller.
Система для дистанционного отбора воздушных проб (см. фиг.1) включает: 1 - рефлектор; 2 - неподвижную крыльчатку завихрителя; 3 - всасывающий канал; 4 - кольцевую полость, образованную между крыльчаткой завихрителя и всасывающим каналом; 5 - устройство отбора пробы; 6 - канал транспортировки нагнетаемого потока воздуха; 7 - побудитель всасываемого потока воздуха; 8 - побудитель нагнетаемого потока воздуха; 9 - электродвигатель; 10, 11 - воздушные фильтры.The system for remote sampling of air samples (see figure 1) includes: 1 - reflector; 2 - fixed impeller of the swirler; 3 - suction channel; 4 - an annular cavity formed between the impeller of the swirler and the suction channel; 5 - sampling device; 6 - channel for transporting the forced air flow; 7 - inducer of the suction air flow; 8 - stimulator of the forced air flow; 9 - electric motor; 10, 11 - air filters.
Система для дистанционного отбора воздушных проб (см.фиг.2) включает: 1 - рефлектор; 12 - подвижную крыльчатку завихрителя; 3 - всасывающий канал; 4 - кольцевую полость, образованную между крыльчаткой завихрителя и всасывающим каналом; 5 - устройство отбора пробы; 6 - канал транспортировки нагнетаемого потока воздуха; 7 - побудитель всасываемого потока воздуха; 9 - электродвигатель; 13 - побудитель расхода устройства отбора пробы; 14 - концентратор.The system for remote sampling of air samples (see figure 2) includes: 1 - reflector; 12 - movable impeller of the swirler; 3 - suction channel; 4 - an annular cavity formed between the impeller of the swirler and the suction channel; 5 - sampling device; 6 - channel for transporting the forced air flow; 7 - inducer of the suction air flow; 9 - electric motor; 13 - flow rate sampler; 14 - hub.
Заявляемая система (фиг.1) работает следующим образом. Обследуемый объект (на чертеже не показан) дистанционно обдувается сильно закрученной струей воздуха, создаваемой завихрителем воздушной струи и побудителем нагнетаемого потока воздуха 8. Для этого побудитель 8 забирает из атмосферы через фильтр 10 воздух, транспортирует его по каналу 6 и кольцевой полости 4 к неподвижной крыльчатке 2, которая формирует уже закрученную плоскую струю и подает ее на внутреннюю поверхность рефлектора 1. Рефлектор 1 направляет выходящую из крыльчатки 2 закрученную струю в сторону объекта. Сильно закрученная струя за счет центробежного разлета обладает пониженным статическим давлением, а в ее приосевой области возникает обратное течение воздуха [6]. С помощью побудителя всасываемого потока воздуха 7 поступающий с обратным течением от объекта поток воздуха просасывается через всасывающий канал 3 и выбрасывается в атмосферу через фильтр 11. При этом центральная часть потока с парами пробы попадает в устройство отбора 5 и поступает на вход газоанализатора для анализа. Побудители расходов 7 и 8 выполнены в виде центробежных крыльчаток, установленных на валу электродвигателя 9.The inventive system (figure 1) works as follows. The object being examined (not shown in the drawing) is remotely blown by a strongly swirling air stream created by the air stream swirl and the impeller of the forced air stream 8. For this, the impeller 8 draws air from the atmosphere through the
Заявляемая система (фиг.2) работает аналогичным образом, но при этом закрутка воздуха в завихрителе создается подвижной крыльчаткой 12, которая вместе с крыльчатками побудителей расходов 7 и 8 установлена на валу электродвигателя 9. Для сбора анализируемых паров веществ используется концентратор 14, установленный на входе всасывающего канала 3. Сброс использованного воздуха в атмосферу производится через фильтр 11, а его забор осуществляется через входной фильтр 10.The inventive system (figure 2) works in a similar way, but at the same time the air swirl in the swirl is created by a
Заявляемая система дистанционного отбора пробы в рамках портативной конструкции создает закрученную пробоотборную струю, обладающую значительным разрежением и радиальной составляющей скорости обратного течения, направленной к оси струи. Это обеспечивает повышение эффективности извлечения паровой фазы из объекта, существенное снижение потерь при улавливании пробы, устранение «памяти» при последующих после обнаружения обследованиях и возможность проводить дистанционное обследование портативным устройством при одностороннем доступе к объекту.The inventive system of remote sampling within the portable design creates a swirling sampling jet with significant rarefaction and radial component of the velocity of the reverse flow directed to the axis of the jet. This provides an increase in the efficiency of extraction of the vapor phase from the object, a significant reduction in losses during the capture of the sample, elimination of “memory” during subsequent examinations after detection, and the ability to conduct remote examination with a portable device with one-way access to the object.
Во-первых. Сильно закрученная струя, обдувающая объект, обладает осевым обратным течением, которое доставляет пробу от объекта к устью струи. Дальность такой струи составляет примерно 3 диаметра рефлектора, который обычно на порядок превосходит диаметр пробоотборного устройства. Располагая патрубок пробоотборного устройства вблизи крыльчатки завихрителя на его оси, можно вести обследование объекта, имея к нему доступ лишь с одной стороны и на расстоянии, которое определяется уже не диаметром концентратора или анализатора, а диаметром рефлектора. При этом нет необходимости в дополнительном обдуве объекта с другой стороны, что позволяет значительно упростить конструкцию пробоотборника, выполнить ее в портативном варианте.Firstly. A strongly swirling jet, blowing around the object, has an axial reverse flow, which delivers the sample from the object to the mouth of the jet. The range of such a jet is approximately 3 diameters of the reflector, which is usually an order of magnitude greater than the diameter of the sampling device. By locating the nozzle of the sampling device near the swirl impeller on its axis, it is possible to examine the object, having access to it only on one side and at a distance that is no longer determined by the diameter of the concentrator or analyzer, but by the diameter of the reflector. At the same time, there is no need for additional blowing of the object on the other hand, which makes it possible to significantly simplify the design of the sampler and perform it in a portable version.
Во-вторых. Центробежный разлет сильно закрученной струи создает во всем ее объеме пониженное давление (разрежение). При этом наличие обследуемой поверхности приводит к образованию на оси обратного течения вихревого ядра, скорость вращения которого более чем на порядок превосходит скорость вращения основного объема струи. В результате этого на поверхности обследуемого объекта разрежение по сравнению с прототипом увеличивается более чем на два порядка, существенно повышая эффективность дистанционного извлечения паровой фазы из объекта.Secondly. The centrifugal expansion of a strongly swirling jet creates a reduced pressure (rarefaction) in its entire volume. Moreover, the presence of the surface under investigation leads to the formation of a vortex core on the axis of the reverse flow, the rotation speed of which exceeds the rotation speed of the main volume of the jet by more than an order of magnitude. As a result of this, the vacuum on the surface of the object under examination increases by more than two orders of magnitude compared with the prototype, significantly increasing the efficiency of remote extraction of the vapor phase from the object.
В-третьих. Закрученная струя в предлагаемой системе дистанционного пробоотбора формируется воздухом, который не контактирует непосредственно с объектом, а поступает в аппарат закручивания через канал транспортировки нагнетаемого потока воздуха. Чистый вихревой поток, обтекая внутреннюю поверхность аппарата закручивания, защищает его от возможного попадания молекул анализируемой примеси из обратного течения. Внутри системы поток с пробой от объекта и поток, образующий закрученную струю, двигаются по изолированным не пересекающимся каналам, и проскочившие через устройство отбора пробы примеси не загрязняют вихреобразующую атмосферу. Организованная таким образом структура течений системы дистанционного пробоотбора исключает возникновение остаточного сигнала («памяти») при повторных обследованиях.Thirdly. The swirling jet in the proposed remote sampling system is formed by air, which does not contact directly with the object, but enters the swirling apparatus through the channel for conveying the pumped air stream. A clean vortex flow, flowing around the inner surface of the swirling apparatus, protects it from the possible penetration of molecules of the analyzed impurity from the reverse flow. Inside the system, the sample stream from the object and the stream forming a swirling stream move along isolated non-intersecting channels, and impurities that have passed through the sampling device do not pollute the vortex-forming atmosphere. The structure of the currents of the remote sampling system organized in this way excludes the appearance of a residual signal (“memory”) during repeated examinations.
В-четвертых. Радиальная скорость обратного течения в сильно закрученной струе направлена к ее оси. Это приводит к тому, что паровая фаза, извлеченная из объекта или захваченная с его поверхности, в процессе своего движения в обратном течении к устройству отбора пробы локализуется вблизи оси пробоотборной струи. В результате этого проба подходит к входному патрубку концентратора или газоанализатора практически без разбавления и может быть отобрана практически без потерь любым, сколь угодно малым потоком.Fourth. The radial velocity of the reverse flow in a strongly swirling jet is directed to its axis. This leads to the fact that the vapor phase, extracted from the object or captured from its surface, is localized in the course of its movement in the reverse flow to the sampling device near the axis of the sampling jet. As a result of this, the sample approaches the inlet pipe of the concentrator or gas analyzer practically without dilution and can be taken practically without loss by any arbitrarily small stream.
При использовании устройств отбора пробы с большими расходами воздуха (1-10 л/с) расположение его на входе всасывающего канала, перекрывающего всю его площадь, позволяет значительно упростить конструкцию системы и снизить ее энергопотребление.When using sampling devices with high air flow rates (1-10 l / s), its location at the inlet of the suction channel, covering its entire area, can significantly simplify the design of the system and reduce its energy consumption.
Зачастую аналитические потоки, применяемые в устройствах отбора пробы (газоанализаторах и концентраторах), весьма малы и составляют 0.001-0.1 л/с. Для создания же на поверхности обследуемого объекта значительного разрежения требуются потоки на три порядка выше. Расположение в этом случае устройства отбора пробы на входе всасывающего канала, перекрывающего часть его площади, позволяет согласовать аналитический и вихревой потоки между собой. При этом из-за локализации отбираемых от объекта примесей вблизи оси струи разбавления и потерь пробы не происходит. Практически всю пробу удается собрать малым аналитическим потоком.Often, the analytical flows used in sampling devices (gas analyzers and concentrators) are very small and amount to 0.001-0.1 l / s. To create a significant rarefaction on the surface of the examined object, flows three orders of magnitude higher are required. The location in this case, the sampling device at the inlet of the suction channel, overlapping part of its area, allows you to coordinate the analytical and vortex flows among themselves. In this case, due to the localization of impurities taken from the object near the axis of the jet, dilution and sample loss do not occur. Almost the entire sample can be collected by a small analytical stream.
Выполнение устройства отбора пробы в виде концентратора паров позволяет значительно увеличить портативность системы. Отбор паровой фазы производится на сорбирующий наполнитель концентратора, который в зависимости от задачи может быть выполнен из металлической сетки, стекловолокна, полисорба, поликапиллярной пластины, капилляры которой покрыты хроматографической жидкой фазой и т.д. После отбора пробы концентратор вводится в газоанализатор, проба десорбируется и производится ее анализ. Концентраторы с малым газодинамическим сопротивлением и большим пробоотборным потоком (например, сеточные) имеет смысл устанавливать на всю площадь всасывающего канала. Концентраторы с большим сопротивлением либо устанавливаются на входе всасывающего канала с частичным его перекрытием, либо перед всасывающим каналом с некоторым зазором. При этом сохраняется большой расход через всасывающий канал, обеспечивая эффективное извлечение пробы из объекта.The implementation of the sampling device in the form of a vapor concentrator can significantly increase the portability of the system. The vapor phase is selected on a sorbent filler of the concentrator, which, depending on the task, can be made of metal mesh, fiberglass, polysorb, a polycapillary plate, the capillaries of which are coated with a chromatographic liquid phase, etc. After sampling, the concentrator is introduced into the gas analyzer, the sample is desorbed and analyzed. Concentrators with a low gas-dynamic resistance and a large sampling flow (for example, mesh) it makes sense to install on the entire area of the suction channel. Concentrators with high resistance are either installed at the inlet of the suction channel with its partial overlap, or in front of the suction channel with some clearance. At the same time, a large flow rate through the suction channel is maintained, ensuring efficient extraction of the sample from the object.
Выполнение завихрителя воздушной струи в виде рефлектора и соосно заглубленной в нем крыльчатки позволяет значительно увеличить площадь обследуемой поверхности. С помощью крыльчатки завихрителя (2 или 12) формируется плоская веерная закрученная струя, которая растекается по внутренней поверхности рефлектора 1 от его центра наружу и создает вдоль оси в направлении объекта закрученную струю. Относительный диаметр созданного таким образом обратного течения составляет примерно 0.8 диаметра рефлектора, что значительно превышает диаметры обратных течений закрученных струй, созданных известными завихрителями, и позволяет использовать для целей пробоотбора практически весь объем закрученной струи.The implementation of the swirl of the air stream in the form of a reflector and impeller coaxially buried in it allows you to significantly increase the surface area. Using a swirl impeller (2 or 12), a flat swirling fan is formed, which spreads along the inner surface of the reflector 1 from its center to the outside and creates a swirling stream along the axis in the direction of the object. The relative diameter of the reverse flow created in this way is about 0.8 of the diameter of the reflector, which significantly exceeds the diameters of the reverse flows of the swirling jets created by the well-known swirlers and allows using almost the entire volume of the swirling jet for sampling purposes.
Введение в завихритель вращающейся центробежной крыльчатки позволяет в одном конструктивном элементе объединить два устройства - завихритель и побудитель расхода. Это очень важно для создания портативных устройств и удобно при использовании концентратора в качестве устройства отбора пробы, который можно устанавливать непосредственно на крыльчатку.Introduction to the swirl of a rotating centrifugal impeller allows two devices to be combined in one structural element - a swirl and a flow inducer. This is very important for creating portable devices and is convenient when using a hub as a sampling device that can be installed directly on the impeller.
При разработке пробоотборных устройств к портативным газоанализаторам, например к дрейфспектрометрам, удобно завихритель выполнить с неподвижной крыльчаткой. Это позволяет освободить осевое пространство системы отбора пробы, через которое осуществлять транспортировку пробы в аналитический тракт газоанализатора.When developing sampling devices for portable gas analyzers, for example, for drift spectrometers, it is convenient to perform a swirler with a fixed impeller. This allows you to free the axial space of the sampling system through which to transport the sample into the analytical path of the gas analyzer.
Для проведения экспериментальных испытаний было изготовлено два лабораторных макета систем дистанционного отбора пробы с неподвижной и подвижной крыльчатками завихрителя, приведенных в примерах 1 и 2.To conduct experimental tests, two laboratory mock-ups of remote sampling systems with the fixed and movable swirl impellers, shown in examples 1 and 2, were made.
Пример 1. Система дистанционного пробоотбора с неподвижной крыльчаткой завихрителя представлена на фиг.1. Ее завихритель воздушной струи содержит рефлектор 1 диметром 80 мм, неподвижную крыльчатку завихрителя 2 диаметром 45 мм и канал транспортировки нагнетаемого потока воздуха 6 шириной 4 мм, выполненный в виде улиточного завихрителя. Угол лопаток крыльчатки завихрителя выполнен с радиусом 45°. В качестве побудителей расхода для завихрителя и всасывающего канала использовали центробежные насосы 7 и 8, центробежные крыльчатки которых диаметром 60 мм устанавливали на ось одного двигателя. Скорость вращения двигателя 7600 об/мин. Энергопотребление системы 12 Вт. Пробоотборное устройство 5 было соединено с входной частью аналитической головки газоанализатора диаметром 10 мм, работающего на основе спектрометрии приращения ионной подвижности. Чувствительность головки по парам ТНТ составляла 10-13 г/см3. Представленная система отбора пробы создает на поверхности объекта на расстоянии 100 мм от рефлектора разрежение около 300×10-5 атм, что в 500 раз превосходит разрежение, создаваемое прототипом.Example 1. The remote sampling system with a fixed impeller of the swirl is presented in figure 1. Its air stream swirl contains a reflector 1 with a diameter of 80 mm, a fixed impeller of a swirl 2 with a diameter of 45 mm, and a channel for transporting an
Пример 2. Система дистанционного пробоотбора с подвижной крыльчаткой представлена на фиг.2. Ее завихритель воздушной струи содержит рефлектор 1 диаметром 100 мм, центробежную крыльчатку завихрителя 12 диаметром 60 мм и кольцевой канал транспортировки нагнетаемого потока воздуха 6 шириной 5 мм. В качестве побудителей расхода для устройства отбора пробы и всасывающего канала использовали центробежные насосы 13 и 7, центробежные крыльчатки которых диаметром 80 мм устанавливали на ось одного двигателя 9. Центробежная крыльчатка завихрителя установлена на ось того же двигателя 9. Скорость вращения двигателя 7600 об/мин. Энергопотребление системы 15 Вт. На входе устройства отбора пробы 5 был устанавлен сеточный концентратор 14 с частичным перекрытием всасывающего канала. Анализ пробы проводили с помощью газового хроматографа с детектором электронного захвата и с чувствительностью к парам ТНТ 10-12 г/см3. Данный макет пробоотборника с подвижной крыльчаткой создает на поверхности объекта на расстоянии 120 мм от рефлектора разрежение около 400×10-5 атм, что более чем в 600 раз превосходит разрежение, создаваемое прототипом.Example 2. A remote sampling system with a movable impeller is shown in Fig.2. Its air stream swirl contains a reflector 1 with a diameter of 100 mm, a centrifugal impeller of a
Чтобы оценить эффективность системы дистанционного вихревого пробоотбора, были проведены сравнительные испытания этой системы с подвижной и неподвижной крыльчатками завихрителя и аспирационного способа пробоотбора по обследованию объекта с закладкой. В качестве аспирационных пробоотборников использовали в одном случае простой всасывающий патрубок, на входе которого установлен сеточный концентратор, в другом - входную часть аналитической головки дрейфспектрометра. Объект представлял собой контейнер из дюралюминия с внутренним объемом ~100 см3, в который была вложена фильтровальная бумага, пропитанная техническим тротилом. Обследование осуществляли в течение одной минуты через отверстие в стенке контейнера диаметром 3 мм на расстояниях 10 мм и 100 мм для аспирационной и вихревой моделей пробоотборников. Расход через концентратор в обоих случаях составлял ~9000 см3/мин, а через аналитический канал дрейфспектрометра - 3000 см3/мин. Испытания показали, что в случае обследования объекта аспирационным пробоотборником полученный сигнал полностью маскируется шумовым фоном, несмотря на то, что отбор пробы производили почти вплотную к объекту на расстояниях порядка диаметра концентратора или входного патрубка дрейфспектрометра. В то же время обследование вихревым устройством пробоотбора на значительно больших расстояниях при том же расходе через концентратор и дрейфспектрометр дает сигнал, на порядок превосходящий шумовой. Кроме того, испытания показали, что при использовании системы дистанционного вихревого пробоотбора остаточный сигнал, или так называемая "память", обычно имеющая место непосредственно после обнаружения закладки, отсутствует.To evaluate the effectiveness of the remote vortex sampling system, comparative tests of this system were carried out with the movable and fixed impellers of the swirler and the aspiration sampling method for examining an object with a bookmark. In one case, a simple suction pipe was used as an aspiration sampler, at the input of which a grid concentrator was installed, and in the other, the input part of the analytical head of the drift spectrometer. The object was a duralumin container with an internal volume of ~ 100 cm 3 into which filter paper impregnated with technical TNT was inserted. The examination was carried out for one minute through an opening in the wall of a container with a diameter of 3 mm at distances of 10 mm and 100 mm for aspiration and vortex models of samplers. The flow rate through the concentrator in both cases was ~ 9000 cm 3 / min, and through the analytical channel of the drift spectrometer - 3000 cm 3 / min. Tests have shown that when an object is inspected by an aspiration sampler, the received signal is completely masked by the noise background, despite the fact that the sampling was performed almost close to the object at distances of the order of the diameter of the concentrator or inlet port of the drift spectrometer. At the same time, inspection by a vortex device of sampling at much greater distances at the same flow rate through a concentrator and a drift spectrometer gives a signal that is an order of magnitude superior to a noise one. In addition, tests have shown that when using a remote vortex sampling system, there is no residual signal, or the so-called "memory", usually taking place immediately after the discovery of a bookmark.
Полученные экспериментальные результаты продемонстрировали существенное улучшение технических характеристик заявляемого устройства по сравнению с прототипом.The experimental results obtained showed a significant improvement in the technical characteristics of the claimed device compared to the prototype.
ЛитератураLiterature
1. Рекламный проспект на детектор "Vapor Tracer" (Ion Track Instruments - США).1. Brochure for the detector "Vapor Tracer" (Ion Track Instruments - USA).
2. Рекламный проспект на детектор SABRE 2000 (Barringer - Канада).2. Brochure for SABER 2000 detector (Barringer - Canada).
3. Spangler G.E., Carrico J.P., Kim S.H. Analysis of explosives and explosive residues with ion mobility spectrometry. - Proc. Int. Symp. Anal. Detect. Explos., 1983, p.267-282.3. Spangler G.E., Carrico J.P., Kim S.H. Analysis of explosives and explosive residues with ion mobility spectrometry. - Proc. Int. Symp Anal. Detect Explos., 1983, p. 267-282.
4. US 5256374, МКИ: G 01 N 031/12, 1991.4. US 5256374, MKI: G 01 N 031/12, 1991.
5. US 4045997, МКИ: G 01 N 033/22, 1977.5. US 4045997, MKI: G 01 N 033/22, 1977.
6. Аэродинамика закрученной струи. Под ред. Р.Б.Ахмедова. - М.: Энергия, 1977, с.8-10.6. Aerodynamics of a swirling jet. Ed. R.B.Akhmedova. - M .: Energy, 1977, p. 8-10.
Claims (5)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004128976/12A RU2279051C2 (en) | 2004-10-05 | 2004-10-05 | System for remote sampling from surface |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2004128976/12A RU2279051C2 (en) | 2004-10-05 | 2004-10-05 | System for remote sampling from surface |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2004128976A RU2004128976A (en) | 2006-03-10 |
| RU2279051C2 true RU2279051C2 (en) | 2006-06-27 |
Family
ID=36115913
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2004128976/12A RU2279051C2 (en) | 2004-10-05 | 2004-10-05 | System for remote sampling from surface |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2279051C2 (en) |
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2447429C1 (en) * | 2010-12-22 | 2012-04-10 | Владимир Иванович Капустин | System for remote collection and analysis of air samples |
| RU2454649C2 (en) * | 2007-01-17 | 2012-06-27 | Имплант Сайенсиз Корпорейшн | Detection of microparticles of chemical substances |
| RU2467304C2 (en) * | 2008-05-14 | 2012-11-20 | Имплант Сайенсиз Корпорейшн | System for trapping trace amounts of particles |
| US8353223B2 (en) | 2008-05-14 | 2013-01-15 | Implant Sciences Corporation | Trace particle collection system |
| WO2013032360A1 (en) * | 2011-08-31 | 2013-03-07 | ГЕРМАН, Дмитрий Александрович | Method and system for detecting and determining the location of unwanted substances in monitored zones and outlet unit for an air collector for such a system |
-
2004
- 2004-10-05 RU RU2004128976/12A patent/RU2279051C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2454649C2 (en) * | 2007-01-17 | 2012-06-27 | Имплант Сайенсиз Корпорейшн | Detection of microparticles of chemical substances |
| RU2467304C2 (en) * | 2008-05-14 | 2012-11-20 | Имплант Сайенсиз Корпорейшн | System for trapping trace amounts of particles |
| US8353223B2 (en) | 2008-05-14 | 2013-01-15 | Implant Sciences Corporation | Trace particle collection system |
| RU2447429C1 (en) * | 2010-12-22 | 2012-04-10 | Владимир Иванович Капустин | System for remote collection and analysis of air samples |
| WO2013032360A1 (en) * | 2011-08-31 | 2013-03-07 | ГЕРМАН, Дмитрий Александрович | Method and system for detecting and determining the location of unwanted substances in monitored zones and outlet unit for an air collector for such a system |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2004128976A (en) | 2006-03-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5889199A (en) | Portable leak detector | |
| EP2450689B1 (en) | Sample collecting method and sample collecting apparatus | |
| JP3097047B2 (en) | Sampling room | |
| JP6147082B2 (en) | Exhaust gas analysis system, exhaust gas sampling device, and exhaust gas leak detection method | |
| US6295860B1 (en) | Explosive detection system and sample collecting device | |
| KR910001369A (en) | Explosive Detection Screening System | |
| US8307723B2 (en) | Particle interrogation devices and methods | |
| CN103364484B (en) | A kind of cigarette mainstream flue gas on-line analysis device and method | |
| CN102192950B (en) | Device for analyzing gas phase chemical components of cigarette smoke on line | |
| CN105203692B (en) | Rays safety detection apparatus, the sampling apparatus of rays safety detection apparatus, safety inspection method and the method for sampling | |
| CN201561956U (en) | Ion mobility spectrometer | |
| CN101611304A (en) | The gas pre-concentrator that is used for checkout equipment | |
| US9744490B1 (en) | Trapped vortex particle-to-vapor converter | |
| CN108445111A (en) | Gate system and sample survey method for sample detection | |
| RU2279051C2 (en) | System for remote sampling from surface | |
| US8220312B2 (en) | Non-invasive method and system for screening the content of containers for the presence of threat substances | |
| CN103424383A (en) | On-line monitor for reactive oxygen species in the atmosphere | |
| JP4154983B2 (en) | Dangerous goods detection device and dangerous goods detection method | |
| CN114383903A (en) | Trace gas sampling equipment and detection system | |
| US5932818A (en) | Near real time vapor detection and enhancement using aerosol adsorption | |
| CN109752344A (en) | A kind of portable non-methane total hydrocarbons concentration detector and detection method | |
| US5011517A (en) | Sampler for chemical vapors | |
| CN102938361A (en) | High-sensitivity mass spectrum ionization source for analyzing explosive online and application thereof | |
| JP6792496B2 (en) | Gas detector | |
| JP2005338044A (en) | Hazardous particulate collector |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20111006 |