(57)【要約】  ｐＨ、ＣＯ２、アルカリ度などの水質パラメータを測定するためのシステムは、回路基板に組み込まれたセンサまたはその他の測定コンポーネントを含む。回路基板は、水没可能な防水ハウジング内に収容されてもよい。回路基板上に分光光度計を設置して、試験対象の水を透過した光の波長と強度を測定してもよい。塩分、圧力、温度、またはその他の特性を測定するためのセンサも、回路基板上またはその近くに含まれてもよい。これらの測定値を処理するためのマイクロコントローラは、回路基板上に配置されている。特定のポンプ、フィルタなど、水の送水とろ過に使用されるシステムコンポーネントは、回路基板から離間したハウジングに含まれてもよい。センサおよびその他の測定コンポーネントを回路基板に統合すると、非常に正確で精密な測定を行うことができる小型で低コストの水質測定システムを可能とする。
2020516895.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ハウジングと、
前記ハウジング内の回路基板と、
試験水の少なくとも１つの特性を決定する、回路基板上の少なくとも1つの測定装置と、
前記少なくとも１つの試験水特性に関するデータを受信する前記少なくとも１つの測定装置と通信する前記回路基板上のマイクロコントローラと、を具備する水質測定システムであって、前記マイクロコントローラは、データを処理して１つ以上の水質パラメータを決定するよう構成される、水質測定システム。
【請求項２】
前記少なくとも１つの測定装置が分光光度計を具備する、請求項１に記載の水質測定システム。
【請求項３】
前記分光光度計は、光ファイバライトパイプを介してＬＥＤとフォトダイオードと通信する光学チャンバを含む、請求項２に記載の水質測定システム。
【請求項４】
前記分光光度計は、光強度データを前記マイクロコントローラに送信するよう構成される、請求項２に記載の水質測定システム。
【請求項５】
前記分光光度計の上流のシステムに化学薬品を供給する、前記回路基板上または前記回路基板に隣接して配置されたポンプをさらに具備する、請求項２に記載の水質測定システム。
【請求項６】
前記分光光度計に入る前に前記化学薬品と前記試験水が混合する、前記回路基板上の混合チャンバをさらに具備する、請求項５に記載の水質測定システム。
【請求項７】
前記ハウジングへの入口またはその近くに外部センサをさらに具備する、請求項１に記載の水質測定システム。
【請求項８】
前記外部センサが塩分センサを具備する、請求項７に記載の水質測定システム。
【請求項９】
前記ハウジングが防水性かつ水没可能であり、前記回路基板が前記防水性のハウジング内に含まれる、請求項１に記載の水質測定システム。
【請求項１０】
前記回路基板が、４インチ×４インチのプリント回路基板を具備する、請求項１に記載の水質測定システム。
【請求項１１】
ハウジング入口と前記回路基板との間に配置され、前記試験水を前記少なくとも１つの測定装置に向けてポンプ輸送する少なくとも１つのポンプをさらに具備する、請求項１に記載の水質測定システム。
【請求項１２】
ハウジング入口と前記回路基板の間に配置された少なくとも1つのピンチ弁をさらに具備し、前記ピンチ弁は、前記ピンチ弁が閉位置にあるときに、前記少なくとも1つの測定装置に水が接触するのを防ぐ、請求項1に記載の水質測定システム。
【請求項１３】
前記マイクロコントローラから外部装置にデータを無線で送信するために、前記回路基板上にアンテナをさらに具備する、請求項１に記載の水質測定システム。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの測定装置が、前記試験水中のｐＨ、ＣＯ２、アルカリ度、硝酸塩、亜硝酸塩、リン酸塩、アンモニア、塩素、または栄養素のレベルまたは濃度を決定するために使用される少なくとも１つの水質特性を測定するよう構成される、請求項１に記載の水質測定システム。
【請求項１５】
試験水の少なくとも1つの水質パラメータを決定するための水質測定システムであって、
ハウジングと、
前記ハウジング内または前記ハウジング上の塩分センサと、
前記ハウジング内の回路基板と、
前記回路基板上の分光光度計と、
前記塩分センサおよび前記分光光度計と通信する前記回路基板上のマイクロコントローラと、を具備し、前記マイクロコントローラは、前記塩分センサと前記分光光度計からのデータを処理して前記試験水のｐＨを決定するよう構成される、水質測定システム。
【請求項１６】
前記マイクロコントローラは、前記分光光度計から光強度データおよび温度データを受信し、前記塩分センサから塩分データを受信するように構成される、請求項１５に記載の水質測定システム。
【請求項１７】
前記ハウジングが防水性かつ水没可能である、請求項１５に記載の水質測定システム。
【請求項１８】
前記分光光度計に入る前に化学薬品と前記試験水が混合する、前記回路基板上の混合チャンバをさらに具備する、請求項１５に記載の水質測定システム。
【請求項１９】
ハウジングと、
前記ハウジング内の回路基板と、
前記回路基板に配置される、1つ以上の水質パラメータを決定する手段と、を具備する水質測定システム。
【請求項２０】
前記回路基板から離間して配置される、１つ以上の水質パラメータを決定することに寄与する少なくとも１つの装置をさらに具備する、請求項１９に記載の水質測定システム。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
[0001]水質測定のための環境パラメータの化学分析は、一般的に大きな労働力を要し、サンプルの収集および保存に細心の注意が必要である。自動化された現場測定器には多くの利点がある。しかしながら、水質パラメータ（ｐＨやアルカリ度など）を測定するために使用されるシステムは、通常大きく、高価であり、繰り返し較正を必要とする。これらのシステムは、通常、さまざまな水質測定を実行するために動作可能に接続された個々のコンポーネントを含む。これらの測定を信頼性のあるものとするためには、非常に高い正確度と精度で実行する必要がある。しかしながら、既存のシステムで非常に正確で高精度な測定を達成することは困難であり、法外な費用がかかる。
【発明の概要】
【０００２】
[0002]ｐＨ、ＣＯ２、アルカリ度などの水質パラメータを測定するシステムは、回路基板に組み込まれたセンサまたは他の測定コンポーネントを含む。回路基板は、現場測定用の水没可能な防水ハウジング内に収容されたり、またはベンチトップフローシステムとして開発されたりすることがある。テスト対象の水を透過した光の波長と強度を測定するため、回路基板上に分光光度計を配置されることがある。塩分、圧力、温度、またはその他の特性を測定するためのセンサも、回路基板上またはその近くに含まれることがある。これらの測定値を処理するためのマイクロコントローラは、回路基板上に配置される。特定のポンプ、スイッチ、フィルタなど、水を誘導してろ過するために使用されるシステムコンポーネントは、回路基板から離間したハウジングに含まれることがある。センサおよびその他の測定コンポーネントを回路基板に統合することは、非常に正確で精密な測定を行うことができるコンパクトで低コストの水質測定システムを可能とする。他の特徴と利点は以下に記載される。上記の特徴は、個別に、または一緒に、またはそれらの1つ以上のさまざまな組み合わせで使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【０００３】
【図１】[0003]図１は、一実施形態による水質測定システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【０００４】
[0004]ここで、本発明の様々な実施形態について説明する。以下の説明は、これらの実施形態を十分に理解しおよび実施可能にする説明のための具体的な詳細を提供する。しかしながら、当業者であれば、これらの詳細の多くがなくても本発明を実施できることを理解するであろう。さらに、いくつかの周知の構造または機能は、様々な実施形態の関連する説明を不必要に曖昧にすることを避けるために、詳細に図示または説明されない場合がある。
【０００５】
[0005]以下に提示される説明で使用される用語は、本発明の特定の具体的な実施形態の詳細な説明と併せて使用されている場合でも、その最も広く合理的な方法で解釈されることを意図する。特定の用語が以下で強調されることもあり得る。ただし、制限された方法で解釈されることを意図した用語は、この詳細な説明のセクションで、明確かつ具体的にそのように定義される。
【０００６】
[0006]文脈が許す場合、単数または複数の用語は、それぞれ複数または単数の用語を含むこともある。さらに、「または」という言葉が、2つ以上の項目のリスト内の他の項目から排他的な単一の項目のみを意味するように明確に制限されていない限り、そのようなリストでの「または」の使用は、（ａ）リスト内の単一の項目、（ｂ）リスト内のすべての項目、または（ｃ）リスト内の項目の任意の組み合わせを含むように解釈されるべきである。さらに、特に別の指定がない限り、「取付」または「接続」などの用語は、物理的に分離したコンポーネント間の接続だけでなく、一体型の接続も含むことを意図している。
【０００７】
[0007]図１に示すように、一実施形態では、分光測光式水質測定システム１０は、水没可能な防水ハウジング１２内に含まれる。ハウジング１２は、ガラス繊維、ケブラー（登録商標）、プラスチック、または別の適切な材料で形成されていてもよい。ハウジング１２は、好ましくは「高周波数透過性」であり、ＷｉＦｉ、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、またはＧＰＳ信号などの信号をハウジング１２を通して送信できるようにする。システムが水の上または水の近くに配置されることを意図する場合などの、他の実施形態では、防水ハウジングは必要とされない。これらの実施形態では、ホースまたは同様の装置を使用して、測定システムに水を供給することができる。
【０００８】
[0008]システム１０は、ｐＨ、ＣＯ２、アルカリ度、硝酸塩、亜硝酸塩、リン酸塩、アンモニア、塩素、栄養素、または他の水質パラメータのレベルまたは濃度を測定するためのコンポーネントを含んでもよい。この目的のために、システムは、海、湖、川、水槽、プール、水耕園などを含む海水および淡水用に、水質パラメータを測定するよう構成されてもよい。説明を簡単にするために、以下の実施形態は一般に、ｐＨを測定するためのシステムを対象としている。しかしながら、当業者は、システム１０を使用して他の水質パラメータを測定できることを理解するであろう。たとえば、リン酸塩、硝酸塩、亜硝酸塩などの特徴など、特定の化学的特徴に光学測定値を関連付けるために、他の測定基準を使用することができる。当業者は、他の水質パラメータを測定するための追加または代替のセンサまたは測定装置を含むようにシステムを変更できることも理解するであろう。
【０００９】
[0009]ハウジング１２は、試験される水（「試験水」）がハウジング１２に出入りすることができる入口２０および出口２２を含む。ハウジング１２内に入ると、試験水は、以下で説明するように、システム１０内の様々なセンサまたは測定装置に試験水を供給する１つ以上のチューブ、パイプ、または他の適切な導管内を移動する。フィルタ２１は、海藻および他の破片がシステムの主要測定領域に入る前に試験水から除去するために、入口２０の下流に配置されてもよい。システム１０の主要測定領域に試験水を送り込むために、ぜん動ポンプ２５などのポンプをフィルタ２１の下流に配置してもよい。
【００１０】
[0010]図示の実施形態では、図１に点線で示される回路基板１４は、ハウジング１２の防水領域に含まれる。回路基板１４は、例えば、４インチ×４インチのプリント回路基板（ＰＣＢ）であってもよく、または他の適切な寸法を有してもよい。いくつかの実施形態では、複数の回路基板が使用されてもよい。説明を簡単にするために、以下では、単一の回路基板１４について説明する。
【００１１】
[0011]システム１０の主要な測定および処理コンポーネントは、回路基板１４上に配置されてもよい。例えば、データを受信および処理して１つ以上の水質パラメータを決定するためのプロセッサを含むマイクロコントローラ１６が、回路基板１４上に配置されている。
【００１２】
[0012]当業者に知られているように、化学薬品が使用される場合、水のｐＨは、塩分、温度、および光強度の変化の関数として計算されてもよい。したがって、説明される実施形態では、これらの特性を決定するためのコンポーネントがシステム１０に含まれる。例えば、ハウジング１２に入る試験水中の溶解塩の濃度を測定するか、または一般に、周囲の水域の溶解塩の濃度を測定するために、塩分センサ１８が、ハウジング入口２０にまたはその近くに含まれてもよい。塩分センサ１８は、処理のためのマイクロコントローラ１６にこのデータを送信する。いくつかの実施形態では、様々な水の特性を測定するための追加または代替のセンサを回路基板１４の外部に配置してもよい。
【００１３】
[0013]回路基板１４上または回路基板１４に隣接して配置された圧電マイクロポンプ４６などのポンプを使用して、ｐＨを測定するための化学薬品４４をシステム１０に導入してもよい。システム１０の主要測定領域への化学薬品４４の流れを調整するために、回路基板１４上または回路基板１４に隣接する制御弁５０を使用してもよい。
【００１４】
[0014]ぜん動ポンプ２５および制御弁５０の下流に、Ｔ−コネクタ５２または同様の装置を配置してもよい。一実施形態では、試験水と化学薬品４４は、さらなる処理の前にＴ−コネクタ５２の内部で混合する。Ｔ−コネクタ５２は、例えば、乱流を生じさせて試験水と化学薬品４４のこの混合を促進するための複数のオリフィスを含んでもよい。追加または代替として、動力付き混合要素をＴ−コネクタ内に含めてもよい。したがって、Ｔ−コネクタまたは他のデバイスは、混合チャンバとして機能してもよい。
【００１５】
[0015]光強度を測定するための分光光度計３２または光学セルは、Ｔ−コネクタ５２の下流の回路基板１４に含まれてもよい。分光光度計３２は、試験水と化学薬品４４の混合物を受け取る光学チャンバを含む。光学チャンバ内の混合物を通して所定の波長の光を透過させるため、発光ダイオード（ＬＥＤ）３４、または他の適切な光生成デバイスを用いてもよい。透過光を受光し、混合物を通過した後の光の波長と強度を決定するために、フォトダイオード３６などの受光器を配置してもよい。ＬＥＤ３４およびフォトダイオード３６は、光ファイバライトパイプ３７または他の適切な光伝送デバイスを介して光学チャンバに接続されてもよい。分光光度計３２は、光学チャンバ内の混合物の温度をマイクロコントローラ１６に提供する温度センサも含んでもよい。
【００１６】
[0016]分光光度計３２からのデータを含む、様々なセンサからのデータは、無線で、または有線接続を介してマイクロコントローラ１６に送信されてもよい。高い正確度と精度を実現するには、回路基板１４に存在するコンポーネント間で有線接続されることが望ましい。
【００１７】
[0017]Ｗｉ−Ｆｉアンテナ３８またはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）アンテナ、または他の適切な無線アダプタまたはデバイスが、回路基板１４に含まれてもよい。そのようなデバイスは、携帯電話やタブレットなどの受信デバイス、またはローカルエリアネットワーク（ＬＡＮ）にシステム１０からデータを送信するために使用されてもよい。システム位置追跡用のＧＰＳアンテナ４０、またはデータロギング用のメモリカード４２または他の記憶装置などの追加のコンポーネントを、オプションで回路基板１４に含めることができる。
【００１８】
[0018]いくつかの実施形態では、システム１０の入口圧力および出口圧力を測定するために、ダイアフラムセンサなどの圧力センサをハウジング入口２０および出口２２の近くに含めてもよい。システムが所定の外部環境で適切に機能していること、および試験水がシステム内を適切に移動していることを確認するために、これらの圧力を使用してもよい。それらはまた、入口圧力がポンプまたはシステム１０の他の要素を損傷または破壊する可能性がある深さまでシステム１０が下げられないことを保証するために使用されてもよい。
【００１９】
[0019]試験水および化学薬品４８が移動するチューブを締めるために、ピンチ弁２８、３０、および４８などの弁が、回路基板１４の外側のハウジング１２に含まれてもよい。この締めは、システム１０が水中にあって、波を通過するときなどに、水または化学薬品が主要測定領域に入るのを防ぐ物理的障壁を提供する。
【００２０】
[0020]マイクロコントローラ１６または他の基板コンポーネントに電力を供給するために、好ましくは回路基板１４から離間して、１つ以上のバッテリ５４を防水ハウジング１２に含めてもよい。システムが水没することを意図していない実施形態では、1つ以上のバッテリはハウジングの内側または外側のいずれに配置されてもよい。
【００２１】
[0021]回路基板１４上に主要測定コンポーネントを含めることにより、電気信号経路を少なくすることができ、それにより暗電流および抵抗線損失が低減される。システム１０も小型化することができ、システムのコストを削減することができる。システム１０におけるノイズの低減は、精度を有意に向上させ、一方、１つ以上のＬＥＤおよび光ファイバライトパイプの使用は、既存のシステムと比較してシステム１０の正確度を向上させる。たとえば、ラインリード、光学系の位置決め、その他の機能は、回路基板の厳しい許容範囲内で制御することができる。さらに、ＬＥＤ３４からの光バーストは正確な持続時間に設定でき、正確な波長測定を可能にする。その結果、本技術によるシステムは、実際のｐＨ値の０．００２以内の正確度かつ、実際のｐＨ値の０．００１以内の精度でｐＨ測定を行うことができることがわかった。
【００２２】
[0022]さらに、分光測光技術を使用することにより、システム１０の光学部品は、ｐＨプローブなどの既存のアナログシステムで行うように頻繁に較正する必要がない。システム１０は、起動時に内部較正を実行し、その後、試験イベント中に追加の較正を必要とせずに使用することができる。外部較正は必要ない。
【００２３】
[0023]使用中、システム１０は、海水などの水中に下げられる。システムが水の外に配置される実施形態では、ホースまたは同様のデバイスを介して試験水をシステムに供給してもよい。試験水は、入口２０からハウジング１２に入る。塩分センサ１８は、試験水（または周囲の水域）の溶解塩の濃度を検出し、データをマイクロコントローラ１６に送信する。次いで、試験水はフィルタ２１を通過して、海藻または他の破片をろ過する。
【００２４】
[0024]次に、試験水は、ぜん動ポンプ２５により主要測定領域に送り込まれる。その間、化学薬品４４は、圧電マイクロポンプ４６によって主要測定領域に送り込まれる。試験水と化学薬品４４は、Ｔコネクタ５２の内部で混合する。
【００２５】
[0025]次に、混合物は分光光度計３２に入る。ＬＥＤ３４は、分光光度計３２の光学チャンバ内の混合物を通して光を透過する。透過光は、透過光の強度を決定するフォトダイオード３６によって受光される。分光光度計３２は、このデータと光学チャンバ内の混合物の温度をマイクロコントローラ１６に送信する。マイクロコントローラ１６は、既知の方法を用いて試験水のｐＨを計算するために、これらのデータ（塩分、温度、ＬＥＤ出力波長１、およびフォトダイオード入力波長）を使用する。送信および処理されたデータは、メモリカード４２に保存されてもよい。次に、試験水は、出口２２を通ってハウジング１２を出る。
【００２６】
[0026]上記の実施形態のいずれも、単独で、または互いに組み合わせて使用することができる。さらに、水質測定システムは、本明細書に記載されていない追加の機能を含んでもよい。いくつかの実施形態では、回路基板上に配置されていると説明された特定のコンポーネントは、代替的に回路基板から離間して配置されてもよく、逆もまた同様である。複数の実施形態を説明したが、本発明の精神および範囲から逸脱することなく、さまざまな変更および置換を行うことができるのはもちろんである。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲およびそれらの同等物以外により、限定されるべきではない。
【図１】
2020516895.tif 000003
【国際調査報告】
2020516895.tif 000004