(57)【要約】  流体を透過して投射された光、または流体の流れの中にエネルギーを与えられた物質によって放射された光によって、流体の流れの中における物質を判定するデバイス及び方法。このデバイスは、流体チャンバを特徴とし、それを介して公知の波長の光が流体の流れを透過して光センサまで投射される。流体の流れの中における物質は、発光素子によって発光された、いずれの光波長が、流体の流れの中におけるそれぞれの物質によって吸収されて、光センサに接触しないかを確認することによって、判定可能となる。代替として、流体の流れの中における物質にエネルギーを与えて、個々の物質によって放射されたものと確認され得る波長の光を放射することができる。【選択図】図１
2020530906.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体の流れの中における物質を認識するための装置であって、
第１の側壁の第１の表面と、対向する第２の側壁の第１の表面との間で画定された流体チャンバを有し、前記流体チャンバは、流体の流れの入口と前記流体の流れの出口との間を通る、ハウジングであって、
前記第１の側壁は、前記第１の表面の反対側に第２の表面を有し、前記第２の側壁は、前記第２の側壁の前記第１の表面の反対側に第２の表面を有する、ハウジングと、
前記第２の側壁に形成された第２の光通過部から、前記流体チャンバの領域を横断して位置合わせされた位置において、前記第１の側壁に形成された、第１の光通過部と、
前記第１の側壁の前記第２の表面に隣接して位置付けられ、ある範囲の波長で光を放射する、発光素子と、
前記第２の側壁の前記第２の表面に隣接して位置付けられた、光センサと、
前記発光素子から延び、前記第１の光通過部を貫通し、前記流体チャンバの前記領域を横断し、前記第２の光通過部を貫通し、前記光センサへ至る、光通路と
を備え、
前記光センサは、前記光センサに接触する前記範囲の波長からの光の、それぞれの波長に相関する電子信号を生成し、
前記流体チャンバの前記領域における前記流体の流れの中における物質は、前記発光素子によって放射された前記範囲の波長からの光のそれぞれの波長を認識することによって識別可能となり、光のそれぞれの波長は、前記物質によって吸収され、光の前記それぞれの波長を前記光センサへの接触から遮断する、流体の流れの中における物質を認識するための装置。
【請求項２】
電子メモリと動作可能に係合された、計算構成要素と、
個々のそれぞれの物質によって吸収された、前記発光素子によって放射された前記範囲の波長からの光のそれぞれの波長と関連する、電子メモリに保持された、データベースと、
前記発光素子によって放射された前記波長からの光のそれぞれの波長の、いずれの波長が前記光センサと接触しないかを、前記光センサと接触する前記範囲の波長からの光のそれぞれの波長と相関する前記光センサからの前記電子信号を確認することによって認識するよう動作する、前記計算構成要素上で作動する、ソフトウェアと、
前記発光素子によって放射された、前記光センサと接触しない前記波長からの、光の所定のそれぞれの波長を、前記電子メモリにおける前記データベースのそれぞれの物質と適合させるよう動作する前記計算構成要素上で作動する、ソフトウェアであって、前記光センサと接触しない光のそれぞれの波長を吸収し、それによって前記流体の流れの中におけるそれぞれの前記物質を、前記発光素子によって放射され、前記それぞれの物質が吸収する光の、それぞれの前記波長によって識別する、ソフトウェアと
をさらに備える、請求項１に記載の流体の流れの中における物質を認識するための装置。
【請求項３】
前記発光素子と前記第１の光通過部との間に位置付けられた、スリットフィルタをさらに備える、請求項１に記載の流体の流れの中における物質を認識するための装置。
【請求項４】
前記発光素子と前記第１の光通過部との間に位置付けられた、スリットフィルタをさらに備える、請求項２に記載の流体の流れの中における物質を認識するための装置。
【請求項５】
前記発光素子と前記第２の光通過部との間に位置付けられた、回折格子をさらに備える、請求項１に記載の流体の流れの中における物質を認識するための装置。
【請求項６】
前記発光素子と前記第２の光通過部との間に位置付けられた、回折格子をさらに備える、請求項２に記載の流体の流れの中における物質を認識するための装置。
【請求項７】
前記発光素子と前記第２の光通過部との間に位置付けられた、回折格子をさらに備える、請求項３に記載の流体の流れの中における物質を認識するための装置。
【請求項８】
前記発光素子と前記第２の光通過部との間に位置付けられた、回折格子をさらに備える、請求項４に記載の流体の流れの中における物質を認識するための装置。
【請求項９】
ＵＶ光を、前記光通路に沿って前記光センサに通す、ＵＶ発光素子をさらに備え、
前記ＵＶ光は、前記流体の流れの中に位置されたそれぞれの前記物質にエネルギーを与え、それぞれの発光波長で発光し、
前記光センサは、前記光センサに接触する前記発光波長で、それぞれの光に相関する電子信号を生成し、
前記流体チャンバの前記領域の、前記流体の流れの中における物質は、それぞれの前記発光波長に相関する各々の前記電子信号を、それぞれの前記発光波長で発光することが公知である前記物質と予め関連付けられた電子信号と適合させることによって、識別可能になる請求項１に記載の流体の流れの中における物質を認識するための装置。
【請求項１０】
前記第１の光通過部と前記第２の光通過部との間の、前記流体チャンバの前記領域における、第１の側部に位置付けられた、カソードと、
前記流体チャンバの前記領域における、前記第１の側部の反対側の第２の側部に位置付けられた、アノードと
をさらに備え、
前記カソード及び前記アノードは、それらへの電流の連通によってエネルギーを与えられた状態を有し、
前記カソード及び前記アノードの前記エネルギーを与えられた状態は、それらの間で前記流体の流れの中に位置されたそれぞれの前記物質にエネルギーを与え、それぞれの発光波長で発光し、
前記光センサは、前記光センサに接触する前記発光波長で、それぞれの光に相関する電子信号を生成し、
前記流体チャンバの前記領域の前記流体の流れの中における物質は、前記発光波長に相関する各々の前記電子信号を、それぞれの前記発光波長で発光することが公知である前記物質と予め関連付けられた電子信号と適合させることによって、識別可能になる請求項１に記載の流体の流れの中における物質を認識するための装置。
【請求項１１】
請求項１に記載の装置を利用して、流体の流れの中における物質を識別するための方法であって、
流体の流れを流体チャンバに通すステップと、
発光素子にエネルギーを与えて、ある範囲の波長で発光させるステップと、
光センサと接触する、前記発光素子によって放射された前記範囲の波長の光からの、それぞれの光の波長に相関するそれぞれの電子信号を識別するステップと、
前記光センサによって生成されない、それぞれの前記電子信号を認識することで、前記発光素子によって放射された光の、いずれの波長が前記光センサに接触しないかを確認することによって、前記発光素子によって放射され、前記光センサに接触しない光の、失われた個々の波長を判定するステップであって、失われた信号は、光の前記失われた個々の波長に相関する、ステップと、
光の前記失われた個々の波長を、光の前記失われた波長を吸収することが知られている物質と適合させる、ステップと
を含む、方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本出願は、その全てが参照として本明細書に組み込まれる、２０１７年８月１４日に出願された米国仮特許出願第６２／５４５０２３号の優先権を主張する。
【０００２】
開示するデバイスは、流体の監視に関する。より詳細には、このデバイスは、本明細書のデバイスのハウジングを流れ抜ける流体のスペクトル監視の利用を介して、流体の内容物及び品質を連続的に監視するための分光器を使用するなど、スペクトルの監視を利用するデバイス及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
検査及び継続する監視は、多くの産業、政府自治体、自宅所有者、及び趣味を楽しむ人などのための、絶え間なく続く任務である。例えば水は、満たさなければならない品質要求を有する、一般的な流体である。このような品質要求は、産業または水の利用によって広範に変化し得る。これらの様々な使用のために、水の適切な品質を継続して維持管理することは、絶え間なく続く一般的な問題である。液体燃料など、他の産業で利用される他の流体についても同様である。
【０００４】
水の分野において、継続した、または潜在的な水の使用は、水が食物または飲料物を製造するために利用される場合などで、厳格な品質及び清潔さを要求する場合がある。例えばビール及び炭酸水などの飲料メーカは、利用する水の清潔さ及び硬度について、絶えず継続した課題を有する。このような水は、バクテリアもしくは微粒子、または水中で形成される藻類などの植物の生育によって、簡単に影響を受ける。製造される製品の量によって、水質の低下または課題は、重大な問題を生じさせる場合がある。
【０００５】
別の例は、水族館及び流体生息地のための水の使用にある。このような水は、混和物及び微粒子などの許容レベルを有し得るが、使用する水中で微粒子として溶解、または流れる各アイテムは、指定されたレベルに保ち、魚及び他の水中生物及び流体生息地を維持管理して、それらの健康を維持管理しなければならない。魚、及び動物のための水中生息地に関する現在の懸念は、水中の特定の要素が、生物に害を与えないレベルのみしか存在しないことを、確認することである。従来、懸念される水は、とりわけアンモニア亜硝酸、硝酸塩、塩分比重、水のｐｈ、炭酸水の硬度、アルカリ性、塩素及びクロラミン、銅、リン酸塩、溶解酸素、鉄、ならびに二酸化炭素、のグループからの考えられる水成分もしくは水の問題のうちの、１つまたは組み合わせで試験される。しかし、これらの存在及びレベルの試験は、現在は遂行が困難で時間がかかり、絶え間なく続く監視のために良好に適応されていない。
【０００６】
いくつかの場合において、特定の目的もしくは産業のための水または他の流体は、現在または予想される使用のために、水中の複数の混和物が一定のレベルでなければならない。例えば、園芸及び造園において、水の供給は、肥料レベルと、鉱物レベルと、作物の生育、公園もしくはゴルフコースへの散水、または単に住居の庭に健全な植物を維持するために利用される他の混和物と、のための様々な要求を有し得る。
【０００７】
様々な流体監視デバイスが存在するが、このようなデバイスは、従来の特殊センサ、または単一の混和物もしくは汚染物質を監視する、試薬のエンボス紙などの流体サンプリングデバイスである。例えば、流体の中に浸し、水中または流体中の特定の成分のレベルに対して電気信号を生成するセンサを有する、電子センサが利用される。反応物質を位置付けた試験成分を使用する、化学センサも利用可能である。この試験成分は、水中または流体中の特定の個々の成分のレベルに対して、視覚的に認識できるよう色を変化させる。しかし、このような電子センサ及び化学センサ、ならびに類似のデバイスは、従来から水などの流体中の単一の要素または単一の汚染物質の内容物のみを感知するよう適応されている。したがってそれらは、複数の異なる汚染物質、化学物質、または所望の混和物について、流体を同時に監視するために容易に利用できない。電子センサは従来、単一のアイテムに対して予想した電流でのみ反応するよう適応されるので、異なる化学物質もしくは汚染物質、または内容物のために、容易に監視を変えられない。さらに、関連の試験、及び必要な複数の試験の時間ため、実際の試験はそれらの間で長い時間を有し、化学物質または他の汚染物質が試験の間に見つけられない場合、流体または水が、望ましい量未満になり得る。
【０００８】
本明細書のデバイス及びシステムは、以前の短所を克服し、水中生息地の流体、または食物もしくは他の製造に使用される流体など、流体の継続した監視を提供する。本明細書のシステムは、複数の異なる汚染物質、混和物、微粒子、または水中もしくは流体中に存在する物質の、移動する流体の流れのサンプルを連続的に監視する。複数の流体内容物を継続して同時に監視することに加えて、本明細書のシステムは、流体供給において存在する追加のアイテムについて監視するよう、または１つまたは複数の流体内容物の監視をやめるよう、及び、同時に新たな流体内容物もしくは汚染物質の監視を迅速に加えるよう、容易にアップデートまたは変えられる。
【０００９】
流体監視の関連する技術の前述の例、及びそれらに関する制限は、例示を意図するものであり、排除は意図しない。それらは、本明細書で説明及び主張する本発明のいかなる限定も意味しない。関連技術の様々な他の制限は、公知であるか、または当業者が本明細書の仕様及び添付の図を読んで理解することで明白となる。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明の目的は、高い効率及び容易に利用される流体監視デバイスを提供することであり、このデバイスは、流体の純度及び内容物に関する情報を、ユーザに継続してリアルタイムで提供する。
【００１１】
本発明の別の目的は、小型で、任意の流体回路に容易に係合され、異なる流体及び異なる内容物の監視のために容易にアップグレード及び調整される、流体監視デバイス、及び方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本明細書で開示する流体監視システムは、言及した流体品質制御の欠点に対する解決策である、デバイス及びデバイスを利用する方法を提供する。流体監視デバイス及び分光器を利用する方法の提供を介し、本明細書のシステムは、継続したリアルタイムの流体の監視、ならびにハウジングを流れ抜ける流体の継続した品質報告を提供する。本明細書のシステムの１つのモードにおいて、発光構成要素が、ハウジング内における中央の流体チャンバの第１の側部に位置付けられる。中央の流体チャンバの反対側の感知チャンバにおいて、光感知構成要素が収容される。光感知構成要素は、中央の流体チャンバにおいて流体を透過する光を受け取るよう適応され、動作可能に係合された計算デバイスと通信する。計算デバイスは、光感知構成要素からの電子信号を受け取り、流体の内容物と相関させるよう構成されたソフトウェアを利用する。中央に位置された流体チャンバは、連続または時間を定めて通過する流体の流れを可能にするよう構成される。流体は、ポンプなどによって圧力を加えられて、ハウジングの第１の端部から入り、ハウジングの反対側の端部における出口へ流れる。
【００１３】
流体チャンバの光通路における流体のボリュームは、流体サンプル内の内容物による光波吸収または流体サンプル内の物質からの光波放射を使用して、流体サンプルのボリューム内の物質の原子もしくは分子を判定するよう処理することができる。試験の両モードは、ＣＣＤ、または電気信号を生成する他の電子光感知構成要素によって受け取られた光波と相関する電子信号を使用する。本明細書の物質は、流体の流れの中において溶解した任意の物質または微粒子を意味し、それらは公知の周波数もしくはスペクトルの光波を吸収するか、または、磁場、電気、またはＵＶ光によってエネルギーを与えられたときに、公知の周波数もしくはスペクトルで発光する。
【００１４】
本明細書の１つの好ましいモードにおいて、発光素子にエネルギーが与えられ、光通路に沿って中央の流体チャンバの公知の流体ボリュームを透過して発光する。流体サンプルにおける物質の原子及び分子は、公知の光周波数で光波を吸収する。そのため吸収された光波は、サンプリングチャンバの反対側におけるセンサによって受け取られた光からは差し引かれている。流体を伴うチャンバの中に生成され、通された光波の元々の周波数を認識し、それらを光感知ＣＣＤまたは他のデバイスからの電気信号と比較することによって、流体の中で物質を形成する原子及び分子と相関する公知の個々の周波数において、失われた光波を判定することができ、流体サンプル内の成分を、高い精度で確認することができる。このシステムは、複数の透過光を作り、光感知構成要素から読み取り、１つのサンプルで計算エラーを起こさないよう、流体の内容物の量を平均するステップをとることができる。
【００１５】
発光サンプリングでは、上述の光源はオフにされ、流体サンプルは、その中の電極によって、またはＵＶ光源によって励起され得る。この発光サンプリングモードにおいて、光通路の流体サンプル内の物質を形成する原子及び分子は、それら自体のそれぞれの光波を、公知のスペクトルまたは周波数で放射する。これらの光波は、光通路に沿ってＣＣＤなどのセンサへ通され、放射されて感知された各々の光波周波数に相関する電気信号が認識され得る。それによって、流体中の物質の原子及び分子は、ＣＣＤによって生成された電気信号によって判定され得る。ここで、システム上のソフトウェアは、吸収モードまたは発光モードのいずれかを使用して、電子データベース内における個々の物質の公知の電気信号と相関させるよう構成される。
【００１６】
中央の流体チャンバの中における流体のボリュームの、光に基づくサンプリングの両モードにおいて、光の個々の特定の波長を、プリズムまたは回折格子などの回折構成要素を通過させる。回折構成要素は、より良好なスペクトルデータを捕捉するために光センサに接触させ、それらに相関する電気信号を生成するような方法で、透過光を分割し配置する。
【００１７】
流体チャンバは、両端の壁の内側に光透過部を有する。第１の側壁は、発光構成要素の間に置かれる。第２の側壁は、光感知構成要素に隣接する流体チャンバの反対側に位置付けられる。電極は流体チャンバ内に置かれ、サンプリングの発光モードの単独、または吸収モードとの組み合わせで利用される。
【００１８】
動作中、流体が流体チャンバにあるか、または流体が流体チャンバを通過する際に、発光素子から放射された光波は、第１の側壁を貫通し流体チャンバ内の流体を透過して通り、第２の側壁を貫通して出て、光感知構成要素が位置された、ハウジングの受け取りチャンバの中に入る。
【００１９】
発光素子は、ＬＥＤなど１つまたは複数の発光素子を利用し、個々に、または組み合わせて、１つまたは複数の周波数の透過光を生成し得る。透過光は、第１の側壁、流体、及び第２の側壁を貫通して通り、光感知構成要素の光センサによってリアルタイムに受け取られる。
【００２０】
電荷結合素子（ＣＣＤ）などの光感知構成要素は、流体を透過した光を受け取り、電気信号を生成する。この電気信号は、電源、ならびにソフトウェア及びファームウェアを有する計算デバイスに動作可能に係合された、１つまたは複数の光センサによって受け取られた、１つまたは複数の光周波数に基づいている。１つまたは複数の異なる電気信号は、１つまたは複数のＣＣＤなどの光センサで生成され、光センサから送信される。このような各電気信号は、センサが受け取った光波の強度及び周波数に相関する。
【００２１】
動作中、監視した光の光周波数の波長及び強度に相関した電気信号の各々は、計算デバイスと通信される。この計算デバイスは、電気信号の各々を受け取って認識するよう、及び流体中の１つまたは複数の内容物の素性を生成するよう構成された、電子メモリ上で動くソフトウェアを有する。
【００２２】
このソフトウェアは、センサから受け取った電子信号を、電子メモリのデータベースに保持され記憶された電子信号に相関させる。各記憶された電子信号は、原子または化合物もしくは分子に相関する。略述すると、全ての原子／化合物において、識別可能な外側の電子殻がある。原子／化合物の内部構成要素（陽子及び中性子の組み合わせ）によって生じる引力に基づき、各原子／化合物のこれら外側の電子殻の各々の空隙の距離は、有限かつ明確であり、特定の光波長に対応する。各光波長は、最後の安定した電子殻と外側の電子殻との間における空隙の、正確な距離に対応する。したがって、各原子／化合物または分子が認識された場合に、この特定の光波長は、デジタル指紋、または各原子／化合物もしくは分子の特定の光波長に対応する電気信号などのように、原子／化合物を識別するために使用できる。
【００２３】
識別方法は、複数のこのような原子／化合物の外側の殻の距離を測定することによって成される。原子／化合物のサンプルが公知の光源にぶつかると、サンプルは、光源のフルスペクトルから、対応する帯域を吸収する。それらの特定の帯域の差を測定することによって、ベールの法則を使用して、特定の原子／化合物の濃度及び存在を測定できる。
【００２４】
その反対にシステムの発光モードを使用すると、流体サンプル内の原子または分子の電子が、ＵＶスペクトル光など、１つもしくは多くの手段によって、または、電気もしくは磁場をサンプルに加えることによって励磁される場合に、発光プラズマが作り出される。原子／化合物に加えられたエネルギーは、原子／化合物の電子を、膨張した、すなわち外側の殻へ飛び出させるが、それらは非常に不安定である。不安定なので、次に電子は前の殻のサイズに飛び戻る。この膨張及び収縮プロセスにおいて、光の陽子は、上記で言及した各原子／化合物に関連付けられた個々の吸収帯域に対応する同じ波長において、放出される。それによって、原子／化合物の存在及び濃度は、波長と、同じベールの法則に基づく、エネルギーを与えられた殻の収縮の間に出力された光のレベルもしくは量とを、測定することによって計算することができる。その後、ＣＣＤなどの光の受容構成要素は、励起されたサンプルから放射された光に対応する電気信号を生成する。この電気信号は、上述のように、サンプリングした流体ボリュームの内容物を判定するために、物質に相関する公知の電気信号のデータベースと比較することによって、利用され得る。
【００２５】
吸収試験及び発光試験のうちの１つ、または両方を利用できることに留意されたい。共に使用する場合、システムは、吸収を判定するためのフルスペクトル光、及び発光を判定するためのサンプル中のＵＶ光または電流の生成を交互に行うことができ、中央の流体チャンバの中の流体の複数のボリュームをサンプリングするのに十分な時間にわたり、結果を比較または平均する。
【００２６】
このシステムにおいて、デジタル指紋のデータベースは、試験を介して形成される。デジタル指紋の各々は、個々の原子／化合物または分子に相関する公知の特定の光波長に関連付けられた、光センサによって送信された電子信号に相関する。各々が個々の原子／化合物の波長に相関する、光センサが送信し得る電子信号のセットは、システムによってアクセス可能な電子データベースに保持される。その後、コンピュータの電子メモリ上で作動する、本明細書の比較ソフトウェアが利用される。このソフトウェアは、電気信号を光センサまたはＣＣＤなどから受け取り、ＣＣＤまたは他の光センサによって捕捉された光波長に相関する電気信号を、データベースに保持されたものと比較するよう構成される。このソフトウェアは、センサからの電気信号を識別し、それを光の波長に相関させる。その後、認識された光の波長を、各々が特定の原子／化合物に関するデータベースの中の波長と適合させる。
【００２７】
計算プロセッサ、したがってソフトウェアを利用することによって、光センサによって受け取られた光波の正確な周波数、及び電気信号に基づくそれらのそれぞれの関連する強度を確認し、ボリューム毎の、流体チャンバ内の流体内の１つまたは複数の原子／化合物のパーセントを確認する。
【００２８】
吸収モードの操作において、好ましくはフルスペクトルで生成された光は、流体を透過して発光素子から通され、それによって、流体チャンバの内容物内の液体と混合された異なる成分の原子または個々の分子を認識することを可能にする。発光素子からの光波は、上述の方法で、液体、溶解性蒸発残留物、微粒子、バクテリア、及び流体チャンバ内の流体に含有された他の成分の分子同士の結合と、相互作用する。吸収されず、発光素子から流体を透過してセンサへ通る光は、流体中の異なる分子を「スペクトルの指紋」から識別するように、識別される前の特定の周波数において共振する。
【００２９】
電子メモリにおけるデータベースに保持されるのは、対象の分子のリスト、及び特定の周波数で光波によって照射されたときの、対象の分子のそれぞれのスペクトル指紋である。計算デバイスと通信される、感知構成要素におけるＣＣＤなどの光センサからの電気信号を使用して、電子メモリに保持された様々なスペクトル指紋との比較を実行し、高い精度で、純粋な流体または混和物もしくは汚染物質を伴う流体である、流体チャンバ内の関連内容物を確認し得る。
【００３０】
その後、本明細書のデバイスを使用して取り出した、流体チャンバの内容物の情報を用いて、ユーザは流体を、フィルタ、混和物、化学物質などに適応させ、流体を所望の特性に順応させ得る。所望の特性を伴う流体化合物または流れの出現は、放射されてセンサによって受け取られた光を用いるデバイスによって確認することができ、センサは計算デバイスへの関連する信号を生成することができ、流体チャンバの中の、または流体チャンバを流れ抜ける化合物もしくは内容物のスペクトル指紋を用いて確認し、ユーザの要求を満たす。
【００３１】
例えば、純水が食物などのために望ましい場合、発光素子からの適切な周波数のフルスペクトル光、または必要に応じて部分的スペクトル光を通すことによって、水は、その中の任意の汚染物質を連続的に測定される。生成された光は、リアルタイムで流体チャンバを流れる水を透過する。流体を透過し、流体中の成分によって吸収されない発光素子からの適切な周波数の光波を受け取るよう構成された光センサは、受け取られた光波周波数に関する電気信号を継続的に生成することができる。言及したように、これは、水の純度のスペクトル指紋を継続的に取り出すために利用され得る。この方式において、デバイスを流れ抜ける水について、連続的に純度を監視することができる。このような連続的な測定は、リアルタイムの継続した測定によって、または所定の持続時間にわたって行われる個々の測定を使用した、連続的なサンプリングによって、対処され得る。代替として、発光モードは、ある期間にわたって純度を判定するために利用されてよく、ならびに／または発光モードは、結果のセルフチェック及び／もしくは精度を上げるために、システムの吸収モードと組み合わせて使用することができる。
【００３２】
上述のように、造園または洗濯などの他の目的のために、水などの流体が、その中に他の成分を伴うことが望ましい場合、流体チャンバを通過する流体を、流体を透過して通された光によって連続的に監視し、その流体が、流体チャンバの中における流体のボリュームに対して所望の比率で、流体内の所望の分子または成分の適切なスペクトル指紋を有することを確認できる。この方式において、デバイスが、造園のための肥料を含む水、または洗濯のための洗剤を伴う水を監視し得る。認識され得るように、任意の目的のための任意の流体は、本明細書のデバイスにおけるハウジングの流体チャンバを流れ抜ける際に、監視され得る。
【００３３】
上記の説明に関して、本明細書で開示する本発明の流体監視デバイスの詳細を、少なくとも１つの好ましい実施形態において説明する前に、本発明の適用は、構造の詳細、及び以下の説明または図面の例示における構成要素の配置に限定されないことを理解されたい。本明細書で説明した本発明は、他の実施形態も可能であり、本開示を読めば当業者には明確となるであろう様々な方法で、実行及び実施が可能である。さらに、本明細書で利用する表現法及び専門用語は、説明を目的としており、限定と見なすべきではないことを理解されたい。
【００３４】
したがって当業者は、本開示に基づく概念が、本開示の流体監視システムのいくつかの目的を実行するための、他の構造の設計、方法、及びシステムに基づき容易に利用され得ることを、理解するであろう。したがって、同等の構造及び方法は、本発明の趣旨及び範囲を逸脱しない限り、特許請求の範囲に含むものと見なされることは重要である。
【００３５】
様々な発明の態様及び実施形態を説明するために、特許請求の範囲で使用される、「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」は、限定ではないが、「備える」に続く単語を含むことを意味する。したがって、用語「備える、含む」は、列挙された要素が必要または必須であるが、他の要素が任意選択で存在しても存在しなくてもよいことを示す。「〜から構成される（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｏｆ）」は、限定ではないが、フレーズ「〜から構成される」に続く全てを含み、かつ限定することを意味する。したがって、フレーズ「〜から構成される」は、列挙された要素が必要または必須であり、他のいかなる要素も存在しないことを示す。「実質的に〜から構成される（ｃｏｎｓｉｓｔｉｎｇ  ｅｓｓｅｎｔｉａｌｌｙ  ｏｆ）は、このフレーズの後に列挙された任意の要素を含むよう意味され、列挙された要素のために本開示で明記された働きまたは反応に干渉、または寄与しない他の要素に限定される。したがって、フレーズ「実質的に〜から構成される」は、列挙された要素が必要または必須であるが、他の要素は任意選択で、他の要素が列挙された要素の働きまたは反応に影響を与えるか否かによって、存在してもよく、存在しなくてもよいことを示す。
【００３６】
本発明の流体監視デバイス及び方法の、これら及び他の目的、特徴、及び利点、ならびに現行の従来技術に対する利点は、以下の説明から明確になり、本仕様での説明、及び本発明を完全に開示する以下の説明による改善によって実現されるが、それに限定するように考慮するべきではない。
【００３７】
本明細書に組み込まれ、本仕様の一部を形成する、添付の図は、いくつかを例示するが、開示するデバイス及びシステムの実施形態及び／または特徴の、唯一かつ排他的な例ではない。本明細書で開示する実施形態及び図は、いかなる限定でもなく、本明細書の発明の例示であるよう考慮されるべきであるよう意図される。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】光通過部を有する流体チャンバに隣接した光チャンバを示す、本明細書のデバイスの第１の斜視図である。光通過部は、光チャンバから光通路に沿って、流体チャンバを貫通し、受け取りチャンバへ光が通るのを可能にする。
【図２】図１のデバイスの第２の斜視図である。
【図３】流体のサンプリングしたボリュームを透過する光の通路に位置付けられたスリットフィルタを伴う、好ましい回折構成要素を示す、デバイスの別の図である。
【図４】流体通路内にアノード及びカソードを有し、デバイスの発光モード、または発光モードと吸収モードとの組み合わせで動作するよう流体に電流を与える、デバイスのモードを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
図１〜図４に開示及び記載した本明細書のデバイス１０及びシステムは、流体監視の従来技術の欠点に対する解決策を提供する。本明細書のシステムを可能にするデバイス１０は、ハウジング１２を有する。ハウジング１２は、流体チャンバ１４を有する。流体チャンバ１４は、ハウジング１２の第１の端部の入口１６、及びハウジング１２の第２の端部の出口に通じるよう、デバイス１０を貫通して延びる。
【００４０】
発光構成要素すなわち発光素子２０は、流体チャンバ１４の第１の側部に位置された光チャンバ２２内に位置付けられる。言及したように、発光素子２０は、ＬＥＤもしくは他の発光デバイスであってよく、フルスペクトル光もしくは公知の周波数もしくは波長の光を放射し、流体チャンバ１４内で吸収を可能にし得るか、または発光素子２０はＵＶ光であってもよく、その場合発光は、測定のための所望のモードにおいて、流体チャンバ１４のボリュームを流れ抜ける流体中の成分によって生成される。吸収または発光を伴い、光センサまたは光感知構成要素２６は、光センサ２６の表面に接触して感知された光周波数または波長に相関する電気信号、ならびに、接触する各光波長の量に関する、より高いかもしくはより低い電圧、または可読電気信号強度を生成することになる。吸収モードにおいて流体中で物質によって吸収された光は、この光波長から失われ、発光モードにおいて物質によって放射された、受け取られた光波長に存在することになる。
【００４１】
したがって、言及した光吸収モードもしくは発光モード、またはその両方を使用して、各瞬間における流体チャンバ１４内の、流体のボリューム内のそれぞれの物質を形成する原子もしくは分子は、発光素子２０から通された光スペクトルから、または生成された発光３８（図４参照）から受け取って確認された光波長から、失われた波長を判定することができる。
【００４２】
流体チャンバ１４の反対側において、感知チャンバ２４の中に光センサすなわち光感知構成要素２６が位置付けられる。言及したように、流体チャンバ１４は、ある持続時間において、流体の公知のボリュームが流体チャンバ１４を流れ抜けるのを可能にするよう構成され、流体は入口１６から入り出口１８から出て、形成された光通路３１を有する流体チャンバの領域を通過する。
【００４３】
本明細書のデバイス１０の簡易モードにおいて、側壁２８の光通過部２７は、光チャンバ２２と光感知チャンバ２４との間で、流体チャンバ１４の領域の両側に位置合わせされて位置付けられ得る。使用において、流体が流体チャンバ１４の光通路３１の領域にあるか、または通過する際に、発光素子２０から放射されたスペクトル中の光波は、側壁２８の第１の光通過部２７を貫通し、次に流体チャンバ１４内の流体を透過して、反対側の側壁２８の第２の光通過部２７を貫通する。次に光は、ハウジング１２の感知チャンバ２４の中に入る。側壁２８の一部である光通過部は、スペクトルまたは波長を透過させる材料で形成され、流体チャンバ１４の中の流体ボリュームの内容物を判定するために、流体を透過して光センサ２８へ通じるよう意図される。これは、ポリマー材料、ガラス、または光の通過技術において当業者が考え付く他の材料であり得る。
【００４４】
図４のようなデバイス１０の吸収モードにおいて、感知チャンバ２４内の光感知構成要素２６によって受け取られた光は、フルスペクトルまたは公知のスペクトルから、流体の中の１つまたは複数の物質の原子及び分子によって吸収された周波数における光の波長を差し引いた、発光素子２０からの発光を含む。この、吸収された波長を差し引いた透過光の受容によって、感知チャンバ２４に位置された１つまたは複数の光感知構成要素２６によって受け取られた、実際の波長または周波数に基づき、光センサ２６によって電気信号を生成させる。フルスペクトル光は、赤外線から近紫外線までの電磁スペクトルを意味するか、またはそれらの一部を意味する。それらの一部は、デバイス１０が試験のために利用する流体中の物質を形成する原子または分子によって吸収された波長を有するよう、計算される。
【００４５】
言及したように、光センサ２６、または感知された光周波数の波長及び強度に相関する、センサからの電気信号の各々はその後、有線、またはＷｉＦｉもしくはＢｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）トランスミッタ２１などのワイヤレス通信を使用して、計算デバイスに動作可能に通信される。デバイス１０は、公知の電池（図示せず）または電力供給装置などの電源に、動作可能に接続されることに留意されたい。
【００４６】
計算デバイスは、電子メモリと共に処理チップ３３として内蔵されるか、または従来の有線またはワイヤレス接続で、デバイス１０と動作可能に有線またはワイヤレス通信し得る。計算デバイスは、メモリ及びプロセッサで作動するソフトウェアを有する。プロセッサは、光センサ２６によって受け取られた光の周波数、及びそれらのそれぞれの関連の強度に関する電気信号を確認するため、ならびにそれらを電気信号のデータベースと比較するために、動作するソフトウェアを利用する。電気信号のデータベースの各々は、ボリューム毎に流体チャンバ１４の中に存在することを確認することができる物質に相関する。
【００４７】
このシステムは、発光素子２０によって放射された光の波長を適応させることによって、流体チャンバ１４の中の流体の異なる物質及び内容物を感知するよう容易に適応され、それによって、生成され流体を透過する波長の光は、光感知構成要素２６によって吸収され、電気信号が生成される。光感知構成要素２６は、元々のスペクトルから、物質によって吸収された波長またはスペクトルを差し引いたものを受け取る。吸収された光の失われた波長は、流体チャンバ１４の流体内容物において感知された１つまたは複数の物質に相関する。一般に、発光構成要素によって生成されたフルスペクトル光は、吸収モードを使用して固体及び溶融内容物などの物質を確認するために良好に適応された、流体サンプルを透過する透過光もたらす。
【００４８】
言及したように、感知構成要素２６によって受け取られた、感知された光の失われた光の周波数または波長は、発光素子２０から透過した光と比較するとき、物質が吸収するそれぞれの波長に相関された成分のデータベースから、流体の内容物と相関させることができる、電子信号を生じさせる。上述のように、１つまたは複数の光周波数またはスペクトル指紋において、成分によって吸収された光波長に基づく異なる成分のスペクトル指紋を作り出し、それぞれの物質を形成する原子及び分子に相関する電子スペクトル指紋のデータベースの、電子メモリに記憶させることができる。このデータベースは、後ほど、光センサ２６から感知された電気信号の、光の波長、または周波数を比較するために動作するソフトウェアを使用して、利用される。
【００４９】
図３に示されるのは、図１及び図２におけるデバイス１０の別の図であり、側壁が、好ましい回折構成要素すなわち回折格子３０を有し、かつ側壁２８において位置合わせされて位置付けられたスリットフィルタ３２を有することを示す。側壁２８におけるこのような位置において、回折格子３０は、入射光を、異なる方向及び箇所または光センサ２６の表面上の列で移動する、いくつかのビームに分割し、回折する。これは、光センサ２６の感知を、本明細書のデバイス１０の吸収モードまたは発光モードのいずれかにさせ、光センサ２６に接触する光の波長をより正確に判定し、それによってより正確な電気信号を生成し得る。
【００５０】
スリットフィルタ３２も、実験が示すように好ましい。実験は、発光素子２０からの光の回折はスリットフルタ３２を通して連通を生じさせ、次に流体サンプルを透過して移動し、回折格子３０を貫通し、より正確な結果をデバイス１０にもたらすことを示す。
【００５１】
最後に図４に示されるのは、空隙によって離隔されたカソード４０及びアノード４２を有する、本明細書のデバイス１０のモードである。この空隙は、流体チャンバ１４内で、光通路３１と位置合わせされた箇所に位置付けられる。光通路３１は、発光素子２０から延びて、流体チャンバ１４の反対側の側壁２８の位置合わせされた光通路部２７を貫通し、光センサ２６に至る。カソード４０及びアノード４２は、電池または交流電力などの電源に、動作可能に接続される。電源に接続されエネルギーを与えられた構成に位置付けられたとき、アノード４２及びカソード４０は、それらの間を流れる電力を伝え、それによって１つまたは複数の発光３８を生成する。それらは、流体中で物質を形成する異なる原子及び分子から形成された流体中の成分によって放射される。それらの成分は、カソード４０とアノード４０との間の空隙内で、エネルギーを与えられる。上述のように、この発光３８は、ＵＶを、光通路３１に沿って流体チャンバ１４の中の流体に透過させ、光センサ２６へ投射する発光素子２０によっても開始でき、それによってＵＶ光は、流体の流れの中における成分にエネルギーを与える方法を提供する。
【００５２】
通路３１に沿って光センサ２６へ移動する、流体の流れの中でエネルギーを与えられた成分から生成された発光３８は、デバイス１０の発光モードで使用される。さらに言及したように、図４に示されるようなデバイス１０は、発光素子２０、次にカソード４０及びアノード４２エネルギーを与えることによって、または発光素子２０からのＵＶ光によって、発光及び吸収両方の測定を交互に行うことができる。デバイスは計算デバイスの電子メモリで作動するソフトウェアを利用して、精度のために結果を試験と比較するか、またはより良好な精度のために、個々の連続した光測定値をある時間にわたって結果を平均する。これは、流体が光通路３１内のボリュームを通り抜けるため、流体チャンバ１４内における様々な量の流体の中において、望ましくない成分が同等ではない量を有し得るからである。
【００５３】
流体監視システムの全ての基本的な特性及び特徴を、それらの特定の実施形態を参照して明細書で示し、説明してきたが、変更の範囲、様々な変化及び代替が、前述の開示において意図される。本発明のいくつかの例及びいくつかの特徴は、説明したような本発明の範囲から逸脱することなく、他の特徴の対応した使用なしに利用され得ることは明白である。様々な代替、変更、及び変形が、本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく、当業者によって成され得ることも理解されたい。その結果、このような全ての変更、変形、及び代替は、以下の特許請求の範囲によって定義されるように、本発明の範囲内に含まれる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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