Способ детектирования и идентификации запахов

 

Использование: при ультразвуковых методах определения состава газовых смесей путем детектирования соответствующего запаха веществ, которые могут находиться в любом агрегатном состоянии. Сущность изобретения: способ осуществляют в два этапа. На первом этапе соответствующий анализ выполняется в эталонном потоке газовой среды,а на втором - в газовом исследуемой среды. Через чувствительный элемент - сенсиллу, заполненную волокнистым адсорбентом, с помощью устройства, создающего поток газовой среды, со скоростью не менее 700 мл/с пропускают эталонную газовую смесь, поток которой возбуждает в волокнах адсорбента акустические колебания. Далее на излучатель подают электрический сигнал с частотой 10 КГц и 1 МГц, который генерирует в пьезоэлектрической пленке излучателя ультразвуковые колебания. Суммарный сигнал, проходящий через сенсиллу, который складывается из ультразвукового и акустического сигналов, регистрируют приемником и анализируют компьютером, при этом определяют время запаздывания сигнала приемника по отношению к электрическому сигналу, поданному на излучатель. С помощью компьютера подбирают частоту электрического сигнала, подаваемого на излучатель, которая соответствует максимальной скорости прохождения сигнала через сенсиллу и находится в пределах 300-800 м/с. Далее при заданных скорости эталонного газового потока и подобранной частоте электрического сигнала выполняют серию измерений времени запаздывания сигнала в сенсилле в каждой текущий момент времени анализа, вычисляют характеристический коэффициент эталонной среды и на дисплей выводят график зависимости характеристического коэффициента от времени. На втором этапе через сенсиллу со скоростью, равной скорости потока эталонной среды, пропускают исследуемую среду, при этом на излучатель подают электрический сигнал с частотой, установленной на первом этапе. Далее при заданных скорости газового потока исследуемой среды и частоте электрического сигнала выполняют серию измерений времени запаздывания сигнала в сенсилле, в каждой текущий момент времени анализа вычисляют характеристический коэффициент исследуемой среды, на дисплей выводят график зависимости характеристического коэффициента от времени. На основании сравнения полученных графических результатов делают заключение о присутствии запаха в помещении и производят идентификацию исследуемого вещества. 1 з.п.ф-лы, 1 ил.

Изобретение относится к пищевой, сельскохозяйственной и медикобиологической технике, а именно к разработке ультразвуковых методов определения состава газовых смесей путем детектирования соответствующего запаха веществ, которые могут находиться в любом агрегатном состоянии: газообразном, твердом и жидком.

Способ может быть использован в пищевой промышленности для тестирования запахов пищевых продуктов, а также для создания системы контроля состава газовой среды и проведения мониторинга различных процессов в окружающей среде в том числе, для дезинфицирования и дезоодорирования различных помещений.

Известна система для детектирования запахов (США, патент N 5177944, G 01 N 31/00, 1993), основанная на использовании размещенного в термостатируемой измерительной ячейке набора пьезокварцевых резонаторов. На поверхность каждого резонатора нанесен адсорбент, избирательно поглощающий определенное соединение, вызывающее соответствующий запах. В качестве адсорбента используют различные вещества, применяемые в газовой хроматографии для сорбции отдельных ингредиентов газовой среды, липидные соединения и т.д. Исследуемую газовую среду пропускают через ячейку со скоростью 50 мл/мин. Частота ультразвукового сигнала составляет 10-14 МГц. По изменению частоты резонатора определяют наличие определенного ингредиента в газовой среды.

К недостаткам указанного способа относится ограниченность его применения для детектирования определенной группы запахов, на которые настроены указанные пьезокерамические резонаторы.

Наиболее близким по технической сущности к разработанной изобретению является способ детектирования запахов с использованием химически модифицированных пьезоэлектрических кристаллов (ANALIST, November 1993, VOL. 118, p. 1303). Исследуемый газовый поток, имеющий определенный запах, пропускают с помощью насоса через измерительную камеру со скоростью от 40 до 500 мл/мин. В камере установлен пьезокварцевый кристалл с серебряным электродом, на который нанесен чувствительный элемент органическое покрытие для адсорбирования запаха определенного вещества. При подаче на излучатель пьезоэлектрический кристалл электрического сигнала длительностью 200 с и частотой 10 МГц в чувствительном элементе возбуждаются ультразвуковые колебания. Период результирующего акустического сигнала обрабатывается с помощью универсального автоматического счетчика, а результат обработки выводиться на экран компьютера в реальном масштабе времени и записывается в виде функции поглощения на жесткий диск компьютера для последующего анализа.

Период выходного сигнала зависит от концентрации запаха и скорости газового потока, создаваемого насосом.

К недостаткам способа следует отнести возможность его применения для детектирования и идентификации ограниченного набора ингредиентов газовой среды, представленных в виде запахов, на которые настроены чувствительные элементы. Очень малые размеры чувствительных элементов, сложность их изготовления, малое время работы вследствие эффекта насыщения ингредиентами газовой среды и соответственно относительно узкий диапазон выбора скорости газового потока, создаваемого устройством прокачки, значительно сужают диапазон практического применения способа.

Задачей изобретения является разработка универсального способа, позволяющего детектировать и идентифицировать широкий набор запахов для определения веществ, находящихся в различном агрегатном состоянии.

Способ осуществляют в два этапа.

На первом этапе измерения соответствующий анализ выполняются в эталонном потоке газовой среды, а на втором в газовом потоке исследуемой среды.

Через чувствительный элемент сенсиллу, заполненную волокнистым адсорбентом, с помощью устройства, создающего поток газовой среды, со скоростью не менее 700 мл/с пропускают эталонную газовую смесь, поток которой возбуждает в волокнах адсорбента акустические колебания.

Далее на излучатель подают электрический сигнал с частотой 10 Кгц 1 МГц, который генерирует в пьезоэлектрической пленке излучателя ультразвуковые колебания. Суммарный сигнал, проходящий через сенсиллу, который складывается из ультразвукового и акустического сигналов, регистрируют приемником и анализируют компьютером, при этом определяют время запаздывания сигнала приемника по отношению к электрическому сигналу, поданному на излучатель. С помощью компьютера подбирают частоту электрического сигнала, подаваемого на излучатель, которая соответствует максимальной скорости прохождения сигнала через сенсиллу и находится в пределах 300-800 м/с. Далее при заданной скорости эталонного газового потока и подобранной частоте электрического сигнала выполняют серию измерений времени запаздывания сигнала в сенсилле в каждый текущий момент времени анализа, вычисляют характеристический коэффициент эталонной среды и на дисплей выводят график зависимости характеристического коэффициента от времени. На втором этапе через сенсиллу со скоростью, равной скорости потока эталонной среды, пропускают исследуемую среду, при этом на излучатель подают электрический сигнал с частотой, установленной на первом этапе. Далее при заданных скорости газового потока исследуемой среды и частоте электрического сигнала выполняют серию измерений времени запаздывания сигнала в сенсилле, в каждой текущий момент времени анализа вычисляют характеристический коэффициент исследуемой среды, на дисплей выводят график зависимости характеристического коэффициента от времени.

На основании сравнения полученных графических результатов делают заключение о присутствии запаха в помещении.

На основании сравнения полученных графических результатов анализа с хранящимся в памяти компьютера набором графических эталонов производится идентификация (распознание) исследуемого вещества.

Характеристический коэффициент Z(t_i) газовой среды определяют в каждый текущий момент времени t_i по следующей формуле: где Q 12,00·10³, 1/с; В 1,35·10⁶, м²/с²; С_i скорость распространения сигнала через сенсиллу в текущий момент времени, м/с; Н диаметр сенсиллы, м; Δt_i время запаздывания сигнала в текущий момент времени t_i, с.

Коэффициенты Q и В являются эмпирическими и характеризуют параметры и структуру сенсиллы.

Способ осуществляют с помощью устройства, изображенного на чертеже, включающего датчик и компьютер. Датчик состоит из излучателя 1, чувствительного элемента сенсиллы 2, выполненного в виде капсулы, заполненной волокнистым адсорбентом 3, приемника 4 и устройства, создающего поток газовой среды через сенсиллу 5. Датчик подключен к компьютеру 6, с помощью которого формируют электрический сигнал, подаваемый на излучатель, и анализируют сигнал, регистрируемый приемником.

В качестве волокнистого адсорбента сенсиллы используют специальный материал "белан" (ТУ 6-13-0204077-47-90), помещенный в цилиндрическую капсулу, расположенную между излучателем и приемником. Скорость газового потока фиксируется на уровне не менее 700 мл/с. Частота электрического сигнала, подаваемого на излучатель, подбирается на первом этапе из условия обеспечения максимальной скорости распространения сигнала через сенсиллу (минимального времени запаздывания) и в дальнейшем не изменяется.

Характеристикой суммарного сигнала, проходящего через сенсиллу, является время запаздывания сигнала приемника по отношению к электрическому сигналу, поданному на излучатель. Это запаздывание связано со скоростью распространения сигнала через сенсиллу. Таким образом, скорость зависит от структуры сенсиллы, скорости газового потока через нее, адсорбции и десорбции исследуемой среды в материале адсорбента и частоты электрического сигнала, подаваемого на излучатель. При выбранных материале и геометрических размерах сенсиллы, при фиксированных скорости газового потока через сенсиллу и частоте электрического сигнала время запаздывания сигнала приемника по отношению к электрическому сигналу, поданному на излучатель, скорость его распространения или любая функция этих величин определяются свойствами исследуемой среды, и поэтому могут быть использованы для ее детектирования и идентификации. В заявляемом способе в качестве информационной характеристики исследуемой среды принимается характеристический коэффициент среды Z_ср, который рассчитывается на основании формулы, выведенной в результате эксперимента.

Газовая среда как одна из форм существования физического объекта может быть представлена в виде аэрозоля: газ плюс твердая частица и газ плюс жидкость. Представляя газовую среду в виде аэрозоля, который в структурном отношении позволяет создавать композиции как на основе твердых так и жидких компонентов, можно говорить о запахе как о некотором наборе аэрозольных фракций пространственно распределенных в окружающем пространстве. Таким образом, аэрозольные фракции, отнесенные к определенному запаху, взаимодействуя со структурой сенсиллы, изменяют физико-химические характеристики последней, результатом чего является изменение характеристического коэффициента среды.

Разработанный способ позволяет путем детектирования запаха определять вещество, к которому данный запах относится.

Таким образом, новизна способа заключается в новой совокупности, условий и последовательности проведения операций, обеспечивающей детектирование и идентификацию широкого спектра запахов.

Способ иллюстрируется примером.

Пример. Способ осуществляют с помощью датчика и компьютера. Датчик состоит из излучателя, чувствительного элемента сенсиллы с диаметром 6 мм, насоса, создающего поток газовой среды через сенсиллу и приемника. На поверхности излучателя и на поверхности приемника, обращенных в сторону сенсиллы, закреплена пьезоэлектрическая пленка. Датчик подключен к компьютеру.

На первом этапе через сенсиллу со скоростью 700 мл/с прокачивают фоновую (эталонную) газовую среду воздух помещения. На излучатель подают электрический сигнал с частотой 10 Кгц. Суммарный сигнал, проходящий через сенсиллу, регистрируется приемником, и с помощью компьютера определяется время запаздывания сигнала приемника по отношению к электрическому сигналу, поданному на излучатель; это запаздывание определяет скорость распространение сигнала через сенсиллу от излучателя до приемника.

С помощью компьютера подбирается такая частота электрического сигнала, подаваемого на излучатель, которая соответствует максимальной скорости прохождения сигнала через сенсиллу; в примере эта частота оказалась равной f_o 30 Кгц.

При заданных скорости фонового газового потока (700 мл/с) и частоте электрического сигнала (30 Кгц) в течение периода Т 10 с выполняется серия измерений времени запаздывания сигнала в сенсилле Δt_i, причем в каждой временной точке t_i вычисляется характеристический коэффициент фоновой среды Z_фон (t_i), и на дисплей выводится график зависимости Z_фон (t_i) ломаная линия в виде полигона распределения Z_фон(t_i), где t_i, i 1, 2, 3, точки временной дискретизации измерений, интервал дискретизации был равен 0,01 с.

На втором этапе через сенсиллу со скоростью 700 мл/с прокачивают исследуемую среду воздух с дымом. На излучатель подают электрический сигнал с частотой 30 Кгц, установленной на первом этапе.

При заданных скорости газового потока исследуемой среды (700 мл/с) и частоте электрического сигнала (30 Кгц) в течение периода измерений Т=10 с выполняется серия измерений времени запаздывания сигнала в сенсилле, в каждой временной точке вычисляется характеристический коэффициент исследуемой среды Z_ср, и на дисплей выводится график зависимости Z_ср(t_i) - красная ломаная линия в виде полигона распределения Z_ср(t_i), где t_i, i 1,2,3, точки временной дискретизации измерений, интервал дискретизации τ был равен 0,01 с, так что t_i= τ×i и T = Σt_i= 10c..

На основании сравнения полученных графических результатов устанавливается статистически значимое их различие, и на основании этого делается заключение о присутствии в помещении "нефонового" запаха в данном случае дыма.

Графическая зависимость будет являться графическим эталоном и храниться в памяти компьютера для идентификации аналогичного запаха в помещении.

Таким образом, разработанный способ может быть использован для обнаружения и идентификации веществ на основе принадлежащих им запахов.

Способ является универсальным для обнаружения любых веществ в независимости от их концентрации в окружающей среде, что является его основными преимуществами по сравнению с известными.

Заявляемый способ может быть использован для проведения мониторинга различных процессов в окружающей среде, в том числе, в пищевой, сельскохозяйственной и медико-биологической промышленности.

Формула изобретения

1. Способ детектирования и идентификации запахов, заключающийся в пропускании потока анализируемой среды через чувствительный элемент, подаче электрического сигнала на излучатель, регистрации ультразвукового сигнала и его обработке, отличающийся тем, что способ осуществляют в два этапа, на первом этапе через чувствительный элемент сенсиллу, заполненную волокнистым адсорбентом, пропускают со скоростью не менее 700 мл/с эталонную газовую смесь, поток которой возбуждает в волокнах адсорбента акустические колебания, одновременно на излучатель подают электрический сигнал с частотой 10 КГц 1 МГц, который генерирует в пьезоэлектрической пленке излучателя ультразвуковые колебания, проходящий через сенсиллу суммарный сигнал регистрируют приемником и анализируют компьютером, при этом определяют время запаздывания сигнала приемника по отношению к электрическому сигналу, поданному на излучатель, и подбирают частоту электрического сигнала, соответствующую максимальной скорости прохождения сигнала через сенсиллу в пределах 300 800 м/с, при фиксированных скорости эталонного потока и частоте электрического сигнала выполняют серию измерений времени запаздывания сигнала в сенсилле, в каждый текущий момент времени анализа вычисляют характеристический коэффициент эталонной среды и выводят на дисплей график зависимости характеристического коэффициента от времени, на втором этапе с той же скоростью через сенсиллу пропускают исследуемую среду, на излучатель подают электрический сигнал с частотой, установленной на первом этапе, выполняют серию измерений времени запаздывания сигнала в сенсилле, в каждый текущий момент времени анализа вычисляют характеристический коэффициент исследуемой среды, на дисплей выводят график зависимости характеристического коэффициента от времени и на основании сравнения полученных графических результатов детектируют запах или на основании сравнения полученных графических результатов с хранящимся в памяти компьютера набором "графических эталонов" производят идентификацию исследуемого вещества.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что характеристический коэффициент Z(t_i) газовой среды в каждый текущий момент времени t_i определяют по следующей формуле при
где Q 12,00 · 10³, 1/с;
B 1,35 · 10⁶, м²/с²;
C_i скорость распространения сигнала через сенсиллу в текущий момент, м/с;
H диаметр сенсиллы, м;
Δt_i - время запаздывания сигнала в текущий момент t_i, с.

РИСУНКИ

Рисунок 1