ФИЛЬТРУЮЩАЯ СИСТЕМА, ВКЛЮЧАЮЩАЯ ОПТИЧЕСКИЕ ДАТЧИКИ АНАЛИТОВ И ОПТИЧЕСКИЕ СЧИТЫВАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА
FILTER SYSTEM INCLUDING STRUCTURED OPTICAL SENSORS OF ANALYTES AND OPTICAL READERS

Область применения
Настоящее изобретение относится к фильтрующим системам, которые включают фильтрующую среду, оптический датчик аналитов, связанный по текучей среде с фильтрующей средой, и оптическое считывающее устройство, сконфигурированное и расположенное таким образом, что оно может считывать сигналы оптического датчика аналитов.
Уровень техники
Фильтрующие системы обычно используются в среде, в которой присутствуют пары и прочие опасные переносимые воздухом вещества. Примеры фильтрующих систем включают системы коллективной защиты, персональные респираторы одноразового пользования, персональные респираторы многоразового пользования, респираторы для очистки воздуха с электроприводом, костюмы для работы в опасной атмосфере и прочие устройства защиты.
Предложены различные химические, оптические и электронные индикаторы для предупреждения пользователей средств защиты о присутствии во вдыхаемом воздухе нежелательных веществ. Так, например, индикатор окончания срока службы может предупреждать о том, что фильтрующий элемент такого устройства близок к насыщению или не эффективен по отношению к определенному веществу.
Обнаружение определяемых при анализе веществ (аналитов), особенно органических химических веществ, является важным компонентом во многих приложениях, например, при мониторинге состояния окружающей среды и в подобных приложениях. Для обнаружения химических аналитов разработаны различные устройства, в том числе оптические, гравиметрические, микроэлектронные, механические и колориметрические.
Сущность изобретения
В настоящем изобретении предлагается фильтрующая система, включающая корпус и фильтрующую среду, расположенную внутри корпуса. Фильтрующая система дополнительно включает оптический датчик аналитов, расположенный внутри корпуса таким образом, что детектирующая среда связана по текучей среде с фильтрующей средой. Оптический датчик аналитов включает детектирующую среду, у которой под действием аналита изменяется по меньшей мере одна из ее оптических характеристик. Фильтрующая система включает также оптическое считывающее устройство, содержащее по меньшей мере один источник света и по меньшей мере один детектор. Оптическое считывающее устройство прикреплено к корпусу таким образом, что по меньшей мере часть света, испущенного по меньшей мере одним источником света, отражается от оптического датчика аналита и принимается по меньшей мере одним детектором. В некоторых воплощениях оптическое считывающее устройство несъемно или съемно прикреплено к корпусу. В некоторых воплощениях оптическое считывающее устройство может быть съемно или несъемно прикреплено к съемной части корпуса.
Краткое описание чертежей
Настоящее изобретение будет более понятным из приведенного ниже подробного описания различных его воплощений, сопровождаемого прилагаемым чертежами.
Фиг.1. Фильтрующая система в соответствии с одним из воплощений настоящего изобретения.
Фиг.2. Фильтрующий картридж, который может использоваться в фильтрующих системах в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.3A и 3B. Схематичное изображение оптических датчиков аналитов, подходящих для использования в некоторых воплощениях настоящего изобретения.
Фиг.4. Оптическое считывающее устройство в соответствии с одним из воплощений настоящего изобретения.
Фиг.5A. Спектральная характеристика источников света оптического считывающего устройства, а также спектр оптического датчика аналитов в отсутствие аналита, в соответствии с одним из воплощений настоящего изобретения.
Фиг.5B. Кривая зависимости чувствительности фотодетектора от длины волны падающего света.
Фиг.6. Схематичное изображение еще одного воплощения оптического считывающего устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.7A. Воплощение оптического считывающего устройства, в котором используется два или более широкополосных источников света.
Фиг.7B. Схематичное изображение фильтра, имеющего области с различными спектральными характеристиками прохождения света.
Фиг.8A и 8B. Виды противоположных сторон воплощения оптического считывающего устройства в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.9A. Воплощение оптического считывающего устройства в соответствии с настоящим изобретением, которое может производить считывание сигналов структурированного оптического датчика аналитов.
Фиг.9B. Еще одно воплощение оптического считывающего устройства в соответствии с настоящим изобретением, которое может производить считывание сигналов структурированного оптического датчика аналитов.
Фиг.10. Схема работы оптических считывающих устройств в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.11A-11D. Воплощение еще одной фильтрующей системы в соответствии с настоящим изобретением и некоторых компонентов такой системы.
Фиг.12. Воплощение съемной части корпуса в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.13A и 13B. Различные воплощения механизмов крепления.
Фиг.14A-14C. Различные типы элементов совмещения.
Фиг.15. Еще одно воплощение фильтрующей системы в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.16. Картридж респиратора, подходящий для использования в воплощениях настоящего изобретения.
Фиг.17A и 17B. Еще одно воплощение фильтрующей системы в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.18A и 18B. Различные воплощения механизмов крепления, которые могут использоваться в фильтрующих системах в соответствии с настоящим изобретением.
Фиг.19. Еще одно воплощение фильтрующей системы в соответствии с настоящим изобретением.
Аналогичные номера позиций на чертежах обозначают аналогичные элементы. Если явно не указано иное, все чертежи в настоящей заявке не обязательно выполнены в масштабе, и приводятся с целью иллюстрации различных воплощений изобретения. В частности, размеры различных компонентов на чертежах являются только лишь иллюстративными, и никаких выводов о пропорциях размеров различных компонентов из данных чертежей делать не следует. Несмотря на то, что в настоящей заявке могут использоваться такие термины, как «верх», «низ», «верхний», «нижний», «вверх», «вниз», «под», «над», «передний», «задний», «наружу», «вовнутрь», «первый» и «второй», следует понимать, что данные термины используются только в их относительном смысле, если явно не указано иное.
Подробное описание изобретения
В приведенном ниже описании делаются ссылки на прилагаемые чертежи, которые составляют часть данного описания, и которые приведены для иллюстрации отдельных его воплощений. Подразумевается, что возможны и другие воплощения, выполненные без отхода от идеи и масштабов настоящего изобретения. Поэтому приведенное ниже описание не следует рассматривать в ограничивающем смысле.
Все научные и технические термины, используемые в настоящем описании, имеют значения, которые являются общепринятыми в данной области техники, если явно не указано иное. Приводимые определения даны для облегчения понимания тех или иных часто используемых терминов, и не подразумевается ограничить ими масштаб настоящего изобретения.
Если не указано иное, все численные значения, выражающие размер, количество и физические свойства элементов изобретения, приведены в смысле, который во всех случаях подразумевает их использование совместно с термином «примерно». Соответственно, если не указано противоположное, все численные значения параметров, приведенные в настоящем описании и прилагаемой формуле изобретения, являются приближенными, и фактические значения тех же параметров при реализации идей настоящего изобретения сведущими в данной области техники могут отличаться от приведенных, в зависимости от требуемых свойств соответствующих элементов.
В контексте настоящего описания и прилагаемой формулы элементы, упоминаемые в единственном числе, включают все такие элементы, которые в соответствующих элементах могут иметься во множественном количестве, если явно не указано иное. В контексте настоящего описания и прилагаемой формулы термин «или», как правило, используется в своем собственном значении, а также в значении «и/или», если из контекста явно не следует иное.
Настоящее изобретение относится к системам и устройствам, которые могут использоваться для индикации окончания срока службы, или давать пользователю информацию, связанную с окончанием срока службы фильтрующей среды, например, фильтра или картриджа респиратора, используемого в опасной атмосфере для защиты органов дыхания пользователя от летучих органических соединений. Предвидится, что некоторые воплощения могут использоваться, как принадлежности для картриджей и фильтров респираторов, в то время как другие воплощения могут представлять собой целые респираторы или картриджи. Настоящее изобретение может быть применено в отношении различных фильтрующих систем, таких, как респираторы для индивидуального пользования, включая респираторы для очистки воздуха с электрическим приводом, индивидуальные респираторы многоразового пользования, индивидуальные респираторы одноразового пользования, защитные костюмы, фильтры для очистки воздуха коллективного пользования, и в прочих приложениях, известных сведущим в данной области техники.
2
2
2
2
Воплощения настоящего изобретения могут использоваться для обнаружения одного или более аналитов и/или для наблюдения за их содержанием в воздухе. Аналит может содержать газ или пар, присутствующий в окружающей среде (как правило, в воздушной среде), за содержанием которого в данной среде требуется наблюдать. В некоторых воплощениях аналитом является органический пар (например, летучее органическое соединение). Типичные аналиты могут включать, не ограничиваясь ими, замещенные или незамещенные углеводородные соединения, включающие алканы, циклоалканы, ароматические соединения, спирты, эфиры, кетоны, галогенуглеродные соединения, амины, органические кислоты, цианаты, нитраты и нитрилы, например, n-октан, циклогексан, метил-этил-кетон, ацетон, этилацетат, дисульфид углерода, тетрахлорид углерода, бензол, толуол, стирол, ксилолы, метил хлороформ, тетрагидрофуран, метанол, этанол, изопропиловый спирт, n-бутиловый спирт, t-бутиловый спирт, 2-этоксиэтанол, уксусную кислоту, 2-аминопиридин, этиленгликоль-монометиловый эфир, толуол-2,4-диизоцианат, нитрометан, ацетонитрил и им подобные. Несмотря на то, что в настоящем описании в качестве одного из конкретных возможных типов оптических датчиков аналитов упоминаются датчики органических паров, возможны и прочие воплощения, в которых могут быть реализованы и прочие типы оптических датчиков аналитов, например, реагирующие на химически активные газы, такие, как, например, кислые газы (например, SO, Cl, HCl, ClO, HCN, HF, HS и оксиды азота) и основные газы (например, аммиак и метиламин), и прочие газы, такие, как хлорциан и формальдегид.
Одно из воплощений фильтрующей системы в соответствии с настоящим изобретением показано на фиг.1, и оно представляет собой воздухоочистительный респиратор 1 с электрическим приводом. Респиратор 1 с электрическим приводом включает наголовник (колпак) 12, турбо-блок 14, дыхательную трубку 13 и пояс 15. Наголовник 12 предназначен для его ношения поверх головы пользователя 11 и по меньшей мере частично закрывает голову пользователя, образуя зону 17 дыхания, то есть область вокруг рта и носа пользователя, в которую направляется профильтрованный воздух. И хотя в данном воплощении, изображенном на фиг.1, используется колпак 12, в других воплощениях вместо него может использоваться любой другой подходящий наголовный элемент, например, маска, шлем или полный защитный костюм, при условии, что он создает закрытую среду вокруг по меньшей мере рото-носовой части лица пользователя, то есть зону 17 дыхания, в которую может подаваться профильтрованный воздух. К поясу 15 может быть прикреплен турбо-блок 14, который с помощью пояса пользователь может расположить на пояснице.
В турбо-блоке 14 заключена дутьевая система (не показана), обеспечивающая подачу воздуха через фильтрующую систему и включающая вентилятор с двигателем (не показаны). Турбо-блок может также включать источник питания, такой, как батарея 10. Турбо-блок 14 подает воздух в колпак 12 через дыхательную трубку 13, связанную с выходным патрубком 18 турбо-блока 14 и входным патрубком 19 колпака 12. Турбо-блок 14 включает фильтрующий картридж (показан на фиг.2), расположенный таким образом, что содержащаяся в нем фильтрующая среда находится на пути прохождения воздуха, предпочтительно перед входным патрубком дутьевого вентилятора (относительно хода воздуха). В типичных воплощениях настоящего изобретения фильтрующий картридж выполнен с возможностью его снятия с турбо-блока для замены. Назначение фильтрующего картриджа заключается в удалении определенной части загрязнителей, таких, как частицы, и/или газы, и/или пары из внешнего воздуха перед подачей воздуха пользователю 11.
Воплощения настоящего изобретения могут содержать одну или более фильтрующих сред. Одним из подходящих типов фильтрующих сред являются абсорбирующие среды. Сорбирующая среда может поглощать требуемые типы паров, которые предположительно могут присутствовать в тех или иных условиях использования респиратора. Сорбирующая среда предпочтительно должна быть достаточно пористой, чтобы через нее достаточно свободно могли проходить воздух и прочие газы, и может быть в форме измельченных твердых тел (например, в виде порошка, бусинок, хлопьев, гранул или агломератов), или в форме пористого твердого тела (например, в виде пены с открытыми ячейками). Предпочтительные типы сорбирующих материалов включают активированный уголь, цеолиты, глинозем и оксиды прочих металлов, которые могут удалять из воздуха требуемый органический пар за счет их поглощения, глину и прочие минералы, обработанные кислыми растворами, такие, как уксусная кислота, или растворами щелочей, такими, как водный раствор гидроксида натрия; молекулярные сита и прочие цеолиты; прочие неорганические сорбенты, такие, как кремнезем; и органические сорбенты, такие, как стирольные полимеры с большим количеством поперечных связей, известные, как полимеры «стиросорб» (описаны, например, в публикациях V.A.Davankov, Р.Tsyurupa, Pure and Appl. Chem., том. 61, стр.1881-89 (1989) и L.D.Belyakova, Т.I.Schevchenko, V.A.Davankov и M.P.Tsyurupa, Adv. in Colloid and Interface Sci., том 25, стр.249-66(1986)).
Активированные угли, цеолиты и глинозем являются примерами предпочтительных сорбирующих сред. Могут также использоваться смеси или слои фильтрующих сред, например, для поглощения смесей паров или прочих аналитов. Если используется сорбирующая среда в мелкораздробленной форме, размер ее частиц может быть различным, и обычно выбирается, по меньшей мере отчасти, в соответствии с условиями эксплуатации изделия. Как правило, размер частиц мелко раздробленной сорбирующей среды может иметь размер, соответствующий среднему диаметру от примерно 4 мкм до примерно 3000 мкм, например, средний диаметр может составлять от примерно 30 мкм до примерно 1500 мкм. Могут также использоваться смеси частиц сорбирующей среды с размерами, находящимися в разных диапазонах (например, бимодальные смеси частиц сорбирующей среды, или многослойные конструкции, в которых по ходу фильтруемого воздуха сначала расположены более крупные частицы, а затем более мелкие частицы). Может также использоваться сорбирующая среда в сочетании с подходящим связующим (например, скрепленный уголь), или закрепленная в подходящей опорной структуре (или на подходящей опорной структуре), как описано в патенте США 3971373 (Braun с соавторами), 4208194 (автор Nelson) и 4948639 (Brooker с соавторами) и в патентной заявке США 2006/0096911 A1 (Brey с соавторами).
На фиг.2 показан фильтрующий картридж 100, который может использоваться в турбо-блоках воздухоочистительных респираторов с электроприводом, таких, как турбо-блок 14 в воплощении, изображенном на фиг.1. Фильтрующий картридж 100 включает корпус 120 и фильтрующую среду 122, которой может быть сорбирующий материал, например, активированный уголь, расположенный внутри корпуса 120. Оптический датчик 128 аналитов (который будет более подробно описан ниже) также расположен внутри корпуса 120 и связан по текучей среде с фильтрующей средой 122, как будет более подробно объяснено ниже. Корпус 120, изображенный на фиг.2, включает заднюю крышку 124a, имеющую множество отверстий 125, и переднюю крышку 124b, также имеющую множество отверстий (не показаны). Отверстия в передней крышке 124b и задней крышке 124а могут служить входами и выходами газовой среды соответственно, обеспечивая прохождение воздуха из внешней среды в картридж 100, затем через фильтрующую среду 122 и затем во входной патрубок дутьевого вентилятора турбо-блока, часть которого составляет фильтрующий картридж. При необходимости отверстия в крышках 124a и 124b могут быть запечатаны до использования изделия, например, с помощью защитной пленки (не показана), удаляемой непосредственно перед использованием картриджа.
Стенка 126 корпуса 120 может включать смотровое окно, например, прозрачную часть 127 (прозрачную для определенной части спектра), на которую настроены источник (источники) света и детектор (детекторы), через которую могут считываться сигналы с оптического датчика 128 аналитов (как будет дополнительно объяснено ниже). При необходимости для защиты прозрачной части 127 от брызг краски, пены, пыли и прочих загрязнителей может дополнительно использоваться съемный или заменяемый экран или другой покровный элемент (не показан). В качестве альтернативы, смотровое окно может включать проем в корпусе 120. В некоторых воплощениях вся стенка 126 корпуса или весь корпус 120 могут быть выполнены прозрачными. Оптический датчик 128 аналитов является оптически реагирующим на аналит, что может выражаться, например, в изменении по меньшей мере одного из его оптических свойств (например, в колориметрическом изменении, изменении цвета, яркости, интенсивности отраженного света или в прочих изменениях) при насыщении фильтрующей среды 122 аналитом в условиях работы респиратора.
Свет, входящий через прозрачную часть 127 и попадающий на оптический датчик 128 аналитов, отражается от датчика и выходит обратно через прозрачную часть 127. Картридж 100 может быть снят и заменен на новый, когда ощутимое изменение по меньшей мере одного из оптических свойств оптического датчика 128 аналитов (например, изменение спектра отражения, например, с зеленого на красный, или появление или исчезновение цвета, например, изменение его вида с белого или черного на цветной, или с цветного на белый или черный, или с белого на черный, или с черного на белый) укажет на то, что фильтрующая среда 122, находящаяся под оптическим датчиком 128 аналитов, достигла насыщения парами аналита при данных условиях эксплуатации изделия. Оптический датчик 128 аналитов может быть настроен таким образом, что изменение его оптических характеристик будет давать информацию об остающемся сроке службы картриджа 100, или будет указывать на окончание его срока службы. В одном из воплощений оптический датчик 128 аналитов может быть размещен в определенном месте пути прохождения воздуха, так что он будет давать предупредительный сигнал только при определенном остаточном сроке службы картриджа (в процентах от полного срока службы).
На фиг.3A схематически показан оптический датчик аналитов, который может использоваться в некоторых воплощениях настоящего изобретения. Показанный многослойный оптический датчик 32 аналита расположен между прозрачной основой 33 (которая является прозрачной для света определенного спектрального диапазона, на который настроены источник (источники) света и детектор (детекторы)) и фильтрующей средой 38. Показанный многослойный оптический датчик 32 аналита включает частично отражающий слой 34, детектирующую среду 35 и проницаемый для аналита отражающий слой 36. После наступления равновесия между концентрациями аналита в по меньшей мере части среды 38 и воздухе, аналит может проходить через проницаемый для аналита отражающий слой 36, например, через поры 3,7 в детектирующую среду 35. Детектирующая среда 35 может быть выполнена в виде слоя из подходящего материала, или иметь подходящую структуру, так что при воздействии на нее исследуемого аналита будет меняться по меньшей мере одна из ее оптических характеристик (например, оптическая толщина слоя). Данное изменение может быть обнаружено пользователем снаружи, например, может быть видно через основу 33.
Часть попадающего снаружи света, обозначенного лучом 39а, проходит через основу 33, отражается от частично отражающего слоя 34 в виде луча света 39b, проходит обратно через основу 33, и затем выходит наружу из основы 33. Еще одна часть попадающего снаружи света 39а проходит через основу 33, частично отражающий слой 34 и детектирующую среду 35 и отражается от отражающего слоя 36, как луч света 39с. Луч света 39с проходит обратно через детектирующий слой 35, частично отражающий слой 34 и основу 33, и затем выходит из основы 33. При соответствующем подборе толщины детектирующего слоя 35 и при условии, что слои 34 и 36 являются в сущности плоскими, будет иметь место взаимно усиливающая или взаимно гасящая интерференция лучей типа 39b и 39c, и через частично отражающий слой 34 может быть зафиксировано заметное изменение одной или более оптических характеристик оптического датчика 32 аналита.
Оптические датчики аналитов в соответствии с настоящим изобретением могут быть прикреплены к корпусу фильтра или другой опорной структуре с использованием различных способов, включая тонкопленочные или объемные адгезивы, механические вставки, термическое крепление, ультразвуковую сварку и их сочетания. Наличие основы не является обязательным, но если она присутствует, она может быть изготовлена из различных материалов, которые могут обеспечивать подходящую прозрачную опорную структуру для тонкопленочного индикатора. Основа может быть жесткой (например, стеклянной), или гибкой (например, пластмассовой пленкой, допускающей обработку в виде одной или нескольких операций обработки рулонных материалов). Если она изготовлена из гибкого материала, такого, как достаточно прозрачная пластмасса, то основа предпочтительно должна обладать достаточно низкой паропроницаемостью, так, чтобы обнаруживаемый пар (пары) не проходили бы к детектирующей среде, и не выходили бы из детектирующей среды через частично отражающий слой. При отсутствии основы частично отражающий слой должен быть достаточно непроницаемым, уменьшая или полностью предотвращая прохождение таких паров. При необходимости между проницаемым отражающим слоем и сорбирующей средой может быть помещена пористая основа. Такая проницаемая основа может позволять обнаруживаемым парам проникать из сорбирующей среды через нее и отражающий слой и попадать на детектирующую среду.
Частично отражающий и отражающий слои могут быть выполнены из различных материалов, обеспечивающих рассеянное, а предпочтительно зеркальное отражение света, и которые, будучи пространственно разнесены друг от друга, могут взаимодействовать друг с другом и обеспечивать быстро и четко заметное изменение внешнего вида индикатора. Подходящие материалы для изготовления частично отражающего и отражающего слоев включают металлы, такие, как алюминий, хром, золото, никель, серебро, кремний, палладий, платина, титан и сплавы, содержащие перечисленные металлы, оксиды металлов, такие, как оксид хрома, оксид титана и оксид алюминия; а также многослойные оптические пленки (включая двупреломляющие многослойные оптические пленки), описанные в патентах США 5699188 (Gilbert с соавторами), 5882774 (Jonza с соавторами) и 6049419 (Wheatley с соавторами), и публикации WO 97/01778 (Ouderkirk с соавторами). Частично отражающий и отражающий слои могут быть одинаковыми или различными. Для формирования отражающего слоя могут использоваться покрытия из наночастиц металлов (например, чернила, содержащие наночастицы металлов), как описано в патентной заявке США 2008/0063874 A1 (Rakow с соавторами).
Частично отражающий слой, как правило, имеет меньший коэффициент отражения, чем отражающий слой, и пропускает часть падающего на него света. Частично отражающий слой может, например, иметь физическую толщину от примерно 2 нм до 50 нм, светопропускание на длине волны 500 нм от примерно 20% до примерно 80%, и отражающую способность на длине волны 500 нм от примерно 80% до примерно 20%, или любые значения между указанными. Частично отражающий слой сам по себе может быть непроницаемым для пара (и в этом случает он предпочтительно является сплошным), и может быть нанесен в виде покрытия на подходящую основу, или иным образом расположен в непосредственной близости к подходящей основе. Частично отражающий слой может быть также проницаемым для пара (и в этом случает он может являться прерывистым или полусплошным), и может быть нанесен в виде покрытия на подходящую паронепроницаемую основу, или иным образом расположен в непосредственной близости к такой основе. Поверхность частично отражающего слоя, расположенная в непосредственной близости к детектирующему слою, предпочтительно является плоской и гладкой с шероховатостью в пределах примерно±10 нм.
Отражающий слой может иметь физическую толщину от примерно 1 нм до примерно 500 нм, светопропускание на длине волны 500 нм от примерно 0% до примерно 80%, и отражающую способность на длине волны 500 нм от примерно 100% до примерно 20%. Отражающий слой предпочтительно является пористым, структурированным, прерывистым, полунепрерывным или иным образом достаточно проницаемым, чтобы пары от сорбирующей среды могли проникать через отражающий слой к детектирующей среде. Подходящие поры или места нарушения непрерывности могут быть получены за счет использования подходящих способов нанесения покрытий или подходящих способов обработки после нанесения покрытий, таких, как, например, селективное травление, травление активными ионами или структурированное лазерное удаление. Отражающий слой может быть также сформирован путем отложения паропроницаемого слоя металлических наночастиц, описанного в упомянутой выше патентной публикации 2008/0063874 A1. Данная технология позволяет получить паропроницаемый слой плотно упакованных наночастиц, поры в котором обеспечены за счет наличия промежутков между наночастицами.
Детектирующая среда может быть изготовлена из гомогенной или гетерогенной смеси неорганических компонентов, органических компонентов или смеси как органических, так и неорганических компонентов. Детектирующие среды, изготовленные из смеси компонентов различного типа, могут обеспечивать лучшее обнаружение групп аналитов. Детектирующая среда, как правило, имеет размеры пор и площадь поверхности, обеспечивающие характеристики поглощения паров, сходные с характеристиками поглощения сорбирующей среды. Подходящие характеристики пористости могут быть получены за счет использования подходящих пористых материалов, таких, как пены, изготовленные из эмульсий с высоким содержанием внутренней газообразующей фазы, примеры которых описаны в патенте США 6573305 B1 (Thunhorst с соавторами). Пористость может быть также достигнута посредством пенообразования с помощью диоксида углерода, в результате чего получаются микропористые материалы (смотри "Macromolecules", 2001, том 34, стр.8792-8801), или нанофазным разделением полимерных смесей (смотри "Science", 1999, том 283, стр.520). В целом диаметр пор должен быть меньше, чем пик длины волны света, соответствующий требуемому цвету индикатора. Предпочтительными являются нанопоры, например, поры со средним размером от примерно 0,5 нм до примерно 20 нм, от примерно 0,5 нм до примерно 10 нм, или от примерно 0,5 нм до примерно 5 нм.
Примеры неорганических материалов для изготовления детектирующей среды включают пористый кремнезем, оксиды металлов, нитриды металлов, оксинитриды металлов и прочие неорганические материалы, из которых могут быть сформированы прозрачные и пористые слои подходящей толщины для того, чтобы они имели цвет или показывали изменение цвета за счет оптической интерференции. Неорганическими материалами для детектирующей среды могут быть оксиды кремния, нитриды кремния, оксинитриды кремния, оксиды алюминия, оксиды титана, нитрид титана, окиснитрид титана, оксиды олова, оксиды циркония, цеолиты и их сочетания. Пористый кремнезем является особо предпочтительным материалом для изготовления детектирующей среды благодаря его достаточно большой устойчивости к механическим воздействиям и возможности обработки влажным травлением.
Пористые кремнеземы могут быть приготовлены с использованием золь-гелевой технологии обработки, с органической матрицей или без нее. Примеры органических матриц включают поверхностно-активные вещества, например, анионные или неионные поверхностно-активные вещества, такие, как соли алкилтриметил аммония, блок-сополимеры типа поли(этиленоксид-со-пропиленоксид) и прочие поверхностно-активные вещества или полимеры, очевидные сведущим в данной области техники. Золь-гельная смесь может быть превращена в силикат, и из нее может быть удалена органическая матрица, которая оставит в кремнеземе сеть микропор. Примеры пористых материалов на основе кремнезема описаны в публикациях Ogawa с соавторами, Chem.Commun. стр.1149-1150 (1996), Kresge с соавторами, Nature, том 359, стр.710-712 (1992), Jia с соавторами, Chemistry Letters, том 33(2), стр.202-203 (2004) и в патенте США 5 858 457 (Brinker с соавторами). В качестве органической матрицы могут использоваться разнообразные органические молекулы. Так, например, в качестве органических матриц для формирования пористых силикатов могут использоваться сахара, такие, как глюкоза и манноза, как описано в публикации Wei с соавторами, Adv. Mater. 1998, Vol.10, стр.313 (1998). В золь-гельную композицию могут быть включены органо-замещенные силоксаны, делающие поры более гидрофобными и уменьшающие поглощение водяного пара. Для формирования пористых органических детектирующих материалов может использоваться плазменное химическое осаждение паров. Данная технология в целом включает формирование слоя, детектирующего аналит, путем формирования плазмы из газообразных прекурсоров, осаждения плазмы на основу с формированием слоя с аморфной произвольной ковалентной сетью, и последующего нагревания слоя с аморфной произвольной ковалентной сетью для формирования из него микропористого слоя с аморфной произвольной ковалентной сетью. Примеры таких материалов описаны в патенте США 6312793 (Grill с соавторами) и в патентной публикации США 2007/0141580 A1 (Moses с соавторами).
Представительные органические материалы для изготовления детектирующей среды включают полимеры, сополимеры (включая блок-сополимеры) и их смеси, которые изготовлены или могут быть изготовлены из мономеров, включающих такие классы соединений, как гидрофобные акрилаты и метакрилаты, двухфункциональные мономеры, виниловые мономеры, углеводородные мономеры (олефины), силановые мономеры, фторированные мономеры, гидроксилированные мономеры, акриламиды, ангидриды, ангидрид-функционализированные мономеры, амино- или аминно-солевые функционализированные мономеры, кислотно-функционализированные мономеры, эпоксид-функционализированные мономеры и их сочетания. В упомянутой выше патентной заявке США 2004/0184948 A1 приводится обширный список таких мономеров, на которую мы и ссылаемся для получения дополнительных подробностей. Упомянутые выше полимеры, обладающие присущей внутренней микропористостью (PIM), обеспечивают особенно подходящие материалы для детектирующих сред. Такие полимеры, как правило, представляют собой твердые микропористые вещества, не имеющие молекулярной структуры в виде правильной сети или решетки. Из-за того, что молекулы таких полимеров чрезвычайно жесткие и сильно искривленные, они не могут эффективно заполнить пространство, и тем самым образуют вещества, имеющие микропористую структуру. Подходящие полимеры с присущей микропористостью включают, но не ограничиваются ими, полимеры, описанные в публикации "Polymers of intrinsic microporosity (PIMs): robust, solution-processable, organic microporoits materials", Budd с соавторами, Chem. Commun., 2004, стр.230-231. Дополнительные примеры полимеров с присущей микропористостью описаны в публикациях Budd с соавторами, J. Mater. Chem., 2005, 15, стр.1977-1986; McKeown с соавторами, Chem. Eur. J. 2005, 11, No.9, стр.2610-2620, а также в публикации WO 2005/012397 A2 (McKeown с соавторами).
Один или более полимеров в составе органической детектирующей среды могут быть по меньшей мере частично «прошитыми» поперечными связями. Образование поперечных связей в полимерах может быть желательным в некоторых воплощениях, так как это повышает их механическую прочность и чувствительность к определенным аналитам. Образование поперечных связей в полимере может быть достигнуто путем встраивания в детектирующую среду одного или более многофункциональных мономеров, обработки детектирующей среды электронным пучком или гамма-лучами, добавлением в детектирующую среду или формированием в ней координационных соединений или ионных соединений. В одном из воплощений формирование поперечных связей выполняется в присутствии порообразователя, который впоследствии может быть извлечен из структуры с поперечными связями, и таким образом может быть получена пористая детектирующая среда. Подходящие порообразователи включают, но не ограничиваются ими, инертные органические молекулы, такие, как обычные алканы (например, декан) или ароматические соединения (например, бензол или толуол). Прочие подходящие полимеры с поперечными связями включают упомянутые выше стирольные полимеры с большим количеством поперечных связей.
При необходимости материал детектирующей среды может быть подвергнут дополнительной обработке для изменения свойств его поверхности или поглощающих характеристик. Для этого могут использоваться различные способы обработки, например, обработка микропор неорганической детектирующей среды подходящим органосилановым соединением. В дополнение к этому, или вместо этого, детектирующая среда может быть обработана подходящим материалом, усиливающим адгезию (например, на ней может быть сформирован связующий слой из титана или другого подходящего металла) для усиления адгезии между частично отражающим или отражающим слоем и детектирующей средой. Такие способы обработки могут быть также применены к частично отражающему или отражающему слоям, для усиления их адгезии к детектирующей среде.
Для многих приложений желательно, чтобы детектирующая среда была гидрофобной. Это способствует уменьшению вероятности того, что водяной пар (или жидкая вода) вызовут изменение оптической плотности детектирующей среды и будут создавать помехи обнаружению аналита, например, обнаружению паров органических растворителей. Детектирующая среда может быть изготовлена в виде одного слоя, или может содержать два или более подслоев. Подслои могут иметь различные конфигурации. Так, например, они могут быть уложены друг на друга стопкой, или расположены рядом друг с другом. Подслои могут быть также изготовлены из разных материалов, для поглощения различных паров, за которыми ведется наблюдение.
Еще одно воплощение оптического датчика аналитов, которое может использоваться в воплощениях настоящего изобретения, показано на фиг.3B. Как показано на фиг.3B, оптический датчик 40 аналита может включать одну или более первых областей 42, имеющих первую реакцию на исследуемый аналит, и одну или более вторых областей 42, имеющих вторую реакцию на исследуемый аналит, отличную от первой реакции. Такие оптические датчики аналитов в контексте настоящего описания именуются далее структурированными оптическими датчиками аналитов. В показанном воплощении оптический датчик 40 аналитов имеет многослойную конструкцию, которая включает детектирующую среду 48, полуотражающий слой 50 и отражающий слой 52. Детектирующая среда 48 может быть выполнена в виде слоя из подходящего материала, или может иметь подходящую структуру, так, чтобы по меньшей мере одна из его оптических характеристик (например, оптическая толщина слоя) менялась под воздействием исследуемого аналита. Данное изменение может быть обнаружено извне, например, через основу 46, которая может содержать стенку корпуса.
Предполагается, что изменение должно быть различным в первой и второй областях 42 и 44. Любая детектируемая разница, то есть которая может быть обнаружена используемым детектором, входит в масштаб настоящего изобретения. Так, например, реагируя на исследуемый аналит, различные области оптического датчика аналитов в соответствии с настоящим изобретением могут давать спектральный сдвиг различной величины, например, различные сдвиги пиков, различную интенсивность отраженного света или оба данных типа изменений. Некоторые детекторы могут обнаруживать разность в сдвигах спектров, составляющую всего лишь 1 нм. Полуотражающий слой 50 в целом является непроницаемым для пара. Отражающий слой 52 в целом является проницаемым для химического вещества и связан по текучей среде с фильтрующей средой таким образом, что исследуемый аналит может проходить через отражающий слой 52 в детектирующую среду 48 и изменять по меньшей мере одну оптическую характеристику детектирующей среды, например, ее оптическую толщину, в степени, достаточной для обнаружения данного изменения оптическим считывающим устройством в соответствии с настоящим изобретением, после считывания состояния датчика. Для крепления датчика 40 к внутренней поверхности стенки 46 корпуса может использоваться адгезив 53.
Один из способов изготовления оптического датчика аналитов, который включает одну или более первых областей, проявляющих первую реакцию на исследуемый аналит, и одну или более вторых областей, проявляющих вторую реакцию на исследуемый аналит, отличную от первой реакции, основан на наложении барьерного слоя 54 поверх части поверхности оптического датчика 40 аналитов, связанного по текучей среде с фильтрующей средой 60. В показанном воплощении барьерные слои 54 расположены на противоположных сторонах второй области 44, которая меняет цвет под воздействием одного или более исследуемых аналитов. Барьерный слой 54 может быть скреплен с отражающим слоем 52 непосредственно, по границе 56, или посредством одного или более промежуточных слоев. Роль «границы» 56 может выполнять слой адгезива.
В отсутствие барьерного слоя 54, прикрепленного к корпусу 58 оптического датчика аналитов, датчик претерпевал бы практически одинаковые изменения по меньшей мере одной из своих оптических характеристик в областях 42 и 44. Однако если поверх корпуса 58 расположен барьерный слой 54, то в областях датчика, маскированных барьерным слоем 54, таких как области 42, не будет происходить изменения по меньшей мере одной из его оптических характеристик, и наоборот, в областях, не маскированных барьерным слоем 54, таких как области 44, будет происходить изменение по меньшей мере одной из его оптических характеристик. В некоторых воплощениях области 42 и 44 могут быть расположены в непосредственной близости друг к другу, или могут быть выполнены за единое целое друг с другом, и поэтому описанные выше изменения могут быть постепенными. Переходы между областями 42 и 44 могут быть резкими или плавными. В других воплощениях упомянутые области могут не находиться в непосредственной близости друг к другу. Барьерный слой, или барьерные слои, описанные выше, могут быть установлены на датчики таким образом, что при считывании состояний датчика могут быть получены различные визуальные структуры.
В одном из воплощений для изготовления барьерных слоев могут быть использованы адгезивы, в частности, адгезивы, чувствительные к давлению. Полезными материалами для изготовления данных слоев являются полиизобутиленовые адгезивы, особенно высокой чистоты. Одним из подходящих адгезивов такого типа, имеющихся в продаже, является переводная клейкая лента VLO 6690 производства ЗМ. Прочий тип подходящих адгезивов, чувствительных к давлению, для маскирования корпуса, включает адгезивы на акриловой основе. В одном из воплощений адгезивы, чувствительные к давлению, могут быть нанесены на датчик в виде лент, чувствительных к давлению. И такие ленты в свою очередь могут включать защитный слой и/или подкладку. В таких воплощениях защитный слой и/или подкладка могут быть оставлены и будут обеспечивать дополнительный барьер против проникновения паров в датчик. В качестве маскирующих материалов могут также использоваться клеи-расплавы, не содержащие растворителей. В качестве барьерных слоев для маскирования отдельных областей датчика могут также использоваться полимерные материалы, например, водорастворимые полимеры или эпоксидные материалы, отверждаемые термически или под действием ультрафиолетового излучения. В качестве барьерного слоя могут также использоваться воски, смолы или неорганические материалы.
В дополнение к этому, или в качестве альтернативы, любой другой слой, или один из наборов подслоев оптического датчика аналитов, может быть прерывистым, или структурированным, для получения одной или более первых областей, имеющих первую реакцию на исследуемый аналит, и одной или более вторых областей, имеющих вторую реакцию на исследуемый аналит, отличную от первой реакции.
Могут быть также сформированы структуры из слоев или подслоев, для формирования одной или более частей, реагирующих на тот или иной аналит, и одной или более частей, не реагирующих на тот же самый аналит. Структура химически активного материала может быть также нанесена на больший химически не активный подслой, например, за счет изготовления структурированного слоя достаточно тонким, так, чтобы не было заметной разницы в их оптической толщине до поглощения аналита. Толщина детектирующего слоя также может быть структурированной, как описано, например, в патенте США 6010751 (Shaw с соавторами). В таких воплощениях может происходить исчезновение структуры (например, в результате разбухания более тонкой части до толщины более толстой части), или появление структуры (например, за счет усадки некоторой части до толщины, меньшей, чем толщина соседней с ней части). При необходимости в отражающем слое могут быть выполнены области нарушения непрерывности, образующие структуру требуемой формы. Это может вызывать появление или исчезновение четко различимой структуры под воздействием исследуемого аналита. В некоторых случаях обнаружить контраст оптических свойств такой структуры может быть легче, чем заметить оптические изменения всей индикаторной пленки.
При необходимости описанные устройства могут включать дополнительные слои или элементы. Так, например, между отражающим слоем и сорбирующей средой может быть помещен пористый слой из композита, содержащего сорбент (например, полотно из активированных частиц угля, заключенных в матрицу из фибриллированного политетрафторэтилена, как описано в упоминавшемся выше патенте США 4208194), для гомогенизации паров, проникающих в индикатор, или для сглаживания каким-либо иным образом реакции индикатора на состояние сорбирующей среды.
Различные конструкции и материалы, подходящие для изготовления оптических датчиков в соответствии с настоящим изобретением, описаны, например, в патентной заявке США 2008/0063874 A1 «Проницаемый отражатель наночастиц», патентной заявке США 12/604565 «Структурированный датчик химического вещества с инертным барьерным слоем», и в патенте США 7449146 «Колориметрический датчик». В частности, в патентных заявках США 2008/0063575 A1 и 12/604565 «Структурированный датчик химического вещества с инертным барьерным слоем» описано применение индикатора, в котором происходят визуально различимые изменения его внешнего вида, информирующие пользователя средства защиты, поглощающего органические пары, например, об остаточном сроке службы картриджа, или об окончании срока службы картриджа. При этом за изменениями внешнего вида индикатора можно наблюдать под внешним освещением.
В воплощениях настоящего изобретения предусматривается использование оптических считывающих устройств, конфигурация которых обеспечивает изменение по меньшей мере одной из оптических характеристик оптического датчика аналитов под воздействием наблюдаемого аналита. Поэтому настоящее изобретение позволяет точно указать на окончание срока службы фильтрующей среды без необходимости постоянного слежения пользователем за изменением цвета датчика. Дело в том, что иногда визуальная проверка цвета индикаторной пленки пользователем может указать на окончание срока службы фильтрующей среды в отношении некоторых аналитов, но в других случаях, особенно в условиях низких концентраций аналитов, некоторые летучие органические соединения не дают заметного изменения цвета. И наоборот, некоторые виды аналитов дают такое сильное изменение цвета, что оптический датчик аналитов может вновь приобрести свой исходный цвет (что иногда называют эффектом возврата). Так, например, датчик может изменить цвет с зеленого на красный, а затем с красного опять на зеленый. Таким образом, преимущества настоящего изобретения включают расширение диапазона летучих органических паров, которые могут быть обнаружены датчиком, и предотвращение эффектов возврата, и поэтому обеспечивают более корректную индикацию окончания срока службы.
На фиг.4 показан пример оптического считывающего устройства 200 в соответствии с настоящим изобретением. Оптическое считывающее устройство 200 включает по меньшей мере один источник света (в данном воплощении - источники 212 и 214), и по меньшей мере один детектор 220. Один или более источников света (например, 212 и 214), и один или более детекторов 220 могут быть установлены на одной и той же опоре 250. Оптическое считывающее устройство 200 может иметь конструкцию, позволяющую прикрепить его к корпусу фильтрующей системы в соответствии с настоящим изобретением, включающей оптический датчик аналитов 230, таким образом, что по меньшей мере часть света 212a, 214a, испущенного по меньшей мере одним источником 212, 214 света, отражается от оптического датчика аналитов 230 и улавливается по меньшей мере одним детектором 220.
В качестве одного или более источников света (например, 212 и 214) могут использоваться источники света различных типов. Так, например, могут использоваться светодиоды. В некоторых воплощениях упомянутые один или более источников света могут включать один или более относительно широкополосных источников света (например, источники белого света). В других воплощениях источники света могут включать упомянутые один или более источников света с узкой полосой излучения (например, светодиоды), то есть излучающие свет в определенном (достаточно узком) диапазоне длин волн, с пиками на определенных длинах волн в данных диапазонах. В различных воплощениях такие узкополосные источники света могут характеризоваться шириной спектра на уровне половины мощности излучения, составляющей не более 50 нм, не более 40 нм, или не более 25 нм. Примеры подходящих светодиодов включают светодиоды OVLBx4C7, предлагаемые Optek (Карроллтон, штат Техас, США), и светодиоды поверхностной установки, например, серий LS Т676, LA Т676, LO Т676, LY Т676 производства Osram.
Детекторы (например, 220), подходящие для использования в воплощениях настоящего изобретения, могут включать любого типа устройства, которые могут измерять количество падающего на них света, например, фотодетекторы, такие, как фотоумножительные трубки, фотоэлементы, фотодиоды, фототранзисторы, устройства с зарядовой связью и им подобные устройства. Подходящий детектор может служить для подачи сигнала (например, в виде напряжения, тока или прочего), который соотносится с количеством зарегистрированного света (например, с интенсивностью или силой отраженного света, принятого с оптического датчика 230 аналитов), и который может быть далее преобразован, как будет описано ниже. В некоторых воплощениях один или более детекторов могут регистрировать свет определенного (например, достаточно узкого) диапазона длин волн. В других воплощениях один или более детекторов могут включать широкополосный детектор, который может регистрировать свет в относительно широком диапазоне длин волн. В различных воплощениях такие широкополосные детекторы могут регистрировать свет в диапазоне длин волн, имеющем ширину 150 нм, 250 нм или 500 нм. Примеры подходящих детекторов включают фотодиоды модели SFH 2430 производства OSRAM (Регенсбург, Германия).
Как показано на фиг.4, как часть оптического считывающего устройства 200 может использоваться множество источников света. В изображенном воплощении первый источник света 212 и второй источник света 214 могут соответственно иметь первый и второй спектральный диапазон излучения и первую и вторую длину волны пика излучения. Первый спектральный диапазон излучения может отличаться от второго диапазона излучения, и длина волны первого пика излучения может отличаться от длины волны второго пика. При такой конструкции различные источники 212 и 214 света могут быть установлены в непосредственной близости к общему детектору 220 (в воплощении, показанном на фиг.4, используется детектор, установленный между двумя источниками света: 212 и 214).
Первый и второй источники света 212 и 214 могут быть подобраны таким образом, что спектры их излучения характеризуются различными диапазонами A и B длин волн излучения, и различными длинами волн, соответствующими пикам 2001 и 2002 излучения (показаны на фиг.5). В качестве детектора 220 в таком воплощении может использоваться один (например, широкополосный) фотодетектор. Наблюдение за светом, отраженным от оптического датчика аналитов, и находящимся в множестве диапазонов длин волн, может давать значительные преимущества. Принципы такой детекции и различные ее подробности приведены, например, в предварительной патентной заявке США 61/164496 (Hulteen с соавторами). В определенных воплощениях диапазон A длин волн может быть подобран таким образом, что он будет находиться достаточно близко к максимуму (например, пику 2000 на фиг.5A) спектра отражения оптического датчика аналитов в отсутствие наблюдаемого аналита. Диапазон В длин волн может быть несколько удален от диапазона А длин волн и в некоторых воплощениях может быть расположен достаточно близко к минимуму (например, 2003 на фиг.5А) спектра отражения оптического датчика аналитов в отсутствие наблюдаемого аналита. В определенных воплощениях диапазон B длин волн находится в непосредственной близости к первому минимуму по отношению к пику диапазона A. На фиг.5A данная концепция показана на примере наложения полос испускания двух источников света на спектр отражения оптического датчика аналитов, в которой используется пленка с присущей внутренней микропористостью. Кривая чувствительности фотодетектора в зависимости от длины волны падающего света показана на фиг.5B. По мере поглощения наблюдаемого аналита и сдвига спектра в правую сторону отклик фотодетектора на свет, испускаемый зеленым источником света, постепенно уменьшается, в то время, как отклик на сигнал источника красного света начинает возрастать. Для анализа желательно использовать отношение откликов на свет от первого и второго источников света, так как это помогает уменьшить влияние флуктуации интенсивностей света, излучаемых источниками света.
Используемые диапазоны длин волн спектров могут зависеть от свойств конкретного используемого оптического датчика аналитов, свойств аналита или аналитов, за которыми ведется наблюдение, и прочих факторов. В различных воплощениях диапазоны A и B длин волн подобраны таким образом, что их пики находятся на расстоянии по меньшей мере 20 нм, по меньшей мере 40 нм, или по меньшей мере 60 нм друг от друга. Еще в некоторых воплощениях диапазоны A и B длин волн подобраны таким образом, что их пики находятся на расстоянии не более 140 нм, не более 120 нм, или не более 100 нм друг от друга. В различных воплощениях центр первого диапазона длин волн может находиться на расстоянии в пределах примерно 10 нм, 20 нм или 40 нм от упомянутого пика отражения, а центр второго диапазона длин волн может находиться на расстоянии в пределах примерно 10 нм, 20 нм или 40 нм от упомянутого минимума. В некоторых воплощениях оптическое считывание может производится при центре диапазона A длин волн примерно 520 нм, и при центре диапазона B длин волн примерно 640 нм. В других воплощениях оптическое считывание может производится при центре диапазона A длин волн примерно 591 нм, и при центре диапазона В длин волн примерно 606 нм. Как упоминалось выше, оптическое считывание в диапазонах A и B длин волн может, например, производиться с использованием узкополосных источников света, таких, как светодиоды и им подобные. В других воплощениях могут использоваться широкополосные источники света, свет от которых может быть пропущен через узкополосные фильтры для настройки диапазона испускаемого света таким образом, чтобы он лежал в определенной области спектра. В некоторых воплощениях один или более диапазонов длин волн могут находиться в ультрафиолетовой или ближней инфракрасной области спектра. Пики и минимумы в упомянутых областях имеют, например, оптические датчики аналитов на основе материалов с присущей внутренней микропористостью, и за счет этого могут быть обеспечены сочетания датчиков/считывающих устройств, работающие в данных областях спектра. При необходимости может производиться оптическое считывание и в других диапазонах длин волн. Такие дополнительные диапазоны могут находиться между диапазонами A и B, могут перекрываться с диапазонами A и B, или могут находиться за пределами диапазонов A и B. Такие дополнительные диапазоны оптического считывания (обеспечиваемые, например, за счет использования дополнительных источников света) могут обеспечивать дополнительное разрешение, динамический диапазон, точность и прочее.
При таких конфигурациях сигнал с детектора, связанный с количеством света, зарегистрированного в диапазоне A длин волн, может быть сравнен (например, разделен микропроцессором) с сигналом детектора, связанным с количеством света, зарегистрированного в диапазоне B длин волн. Такое сравнение сигналов может обеспечивать дополнительные преимущества. Так, например, это может использоваться для подтверждения, что новый или сменный оптический датчик аналитов находится в рабочем состоянии (то есть преждевременно не находился под воздействием аналита, не поврежден, правильно совмещен с остальными компонентами), как будет более подробно описано ниже. Поэтому в некоторых воплощениях способы в соответствии с настоящим изобретением включают этап получения первоначального сравненного сигнала, и определения, находится ли первоначальный сравненный сигнал в приемлемом диапазоне. Использование сравниваемых (например, нормированных) сигналов может также расширять динамический диапазон оптического считывающего устройства. В контексте способов, предлагаемых в соответствии с настоящим изобретением, сравнение первого и второго сигналов (например, сигналов, отображающих количество света, зарегистрированного в первом диапазоне длин волн и во втором диапазоне длин волн соответственно) может включать сравнение усредненных сигналов (например, получение множества первых сигналов и их усреднение, получение множества вторых сигналов и их усреднение, и сравнение усредненного первого сигнала и усредненного второго сигнала), а также сравнение отдельного первого сигнала с отдельным вторым сигналом.
На фиг.6 схематически представлено еще одно воплощение оптического считывающего устройства 300 в соответствии с настоящим изобретением. Оптическое считывающее устройство 300 включает два источника 312 и 314 света и два детектора 322 и 324. Один или более источников света и один или более детекторов могут быть установлены на одной и той же опорной структуре 350. Такое оптическое считывающее устройство может быть также прикреплено к корпусу фильтрующей системы в соответствии с настоящим изобретением, включающей оптический датчик аналитов, таким образом, что по меньшей мере часть света, испущенного по меньшей мере одним источником 312, 314 света, отражается от оптического датчика 330 аналитов и принимается детекторами 322 и 324. В данном воплощении источники 312 и 314 могут испускать свет в различных диапазонах длин волн с различными значениями длины волны пика. Источники 312 и 314 могут использоваться в сочетании с фотодетекторами 322 и 324 соответственно, каждый из которых предназначен для регистрации света в определенном диапазоне длин волн, соответствующем диапазону излучения соответствующего источника света.
На фиг.7A показано воплощение оптического считывающего устройства 400, в котором используются один или более широкополосных источников 410 света. Широкополосный источник 410 может представлять собой, или может включать один или более широкополосных источников света, таких, как, например, белые светодиоды. При использовании более, чем одного широкополосного источника света по меньшей мере два из них могут иметь различные спектральные диапазоны или профили, как было описано выше в отношении узкополосных источников света. Требуемые спектры излучения одного или более широкополосных источников света могут быть получены просто за счет использования готовых источников света с требуемыми спектрами, из имеющихся в продаже, или за счет установки одного или более спектральных фильтров на один или более широкополосных источников света, известных сведущим в данной области техники. Подходящий спектральный фильтр может включать оптическое покрытие, выполненное на прозрачной основе. В качестве альтернативы, для имитации широкополосного источника света могут совместно использоваться два или более узкополосных источника света, имеющих различные диапазоны излучения и значения длин волн пиков излучения. Так, например, для имитации источника белого света могут использоваться источники, имеющие диапазоны и пики, соответствующие спектральным областям «первичных» цветов. В частности, могут использоваться сочетания одного или более красных, зеленых и голубых светодиодов.
Такие воплощения могут включать цветоизмерительный детектор 420. Такой детектор позволяет проводить более непосредственное измерение цвета оптического датчика аналитов, а не просто измерение количества отраженного света в заданном спектральном диапазоне. Цветоизмерительный детектор может быть выполнен в виде многопиксельной фоточувствительной матрицы, содержащей два или более (а предпочтительно, три или более) набора фотодетекторов, чувствительных соответственно к двум или более (предпочтительно, к трем или более) достаточно узким спектральным диапазонам света. В одном из воплощений такой цветоизмерительный фотодетектор может включать наборы красных, зеленых и голубых фотодетекторов, например, фотодиодов. В другом воплощении цветоизмерительный детектор может включать набор одинаковых или аналогичных фотодетекторов, наложенных друг на друга, и покрытых сложным спектральным фильтром, и при этом может быть получен практический такой же результат измерения цвета. Одним из примеров такого спектрального фильтра является фильтр, имеющий области с различными спектральными характеристиками светопропускания. На фиг.7B показан пример такого ячеистого спектрального фильтра 424, наложенного на детектирующую матрицу 422. Спектральный фильтр 424 включает области (ячейки), имеющие различные спектральные характеристики светопропускания. Так, например, одна или более ячеек 424a могут характеризоваться высокой степенью пропускания красного света, одна или более ячеек 424b могут характеризоваться высокой степенью пропускания зеленого света, и одна или более ячеек 424c могут характеризоваться высокой степенью пропускания голубого света. Примером подходящего спектрального фильтра такого типа является фильтр производства Bayer.
Кроме того, как показано на фиг.7A, оптический датчик 430 аналитов освещается источником (источниками) 410 света, и отраженный от него сигнал регистрируется детектором 420. После этого программируемое логическое устройство, такое, как микропроцессор, может производить разложение выходного сигнала оптического детектора на первичные цвета (R, G, B). С помощью стандартных алгоритмов разложенный выходной сигнал может быть дополнительно обработан для получения прочей полезной информации (например, произошло ли изменение по меньшей мере одной оптической характеристики оптического датчика аналитов 430, совмещено ли оптическое считывающее устройство 400 с датчиком 430 и так далее). Еще в некоторых воплощениях широкополосный источник света может использоваться в сочетании с одним или более узкополосными детекторами. В качестве альтернативы, оптическое считывание в заданном диапазоне длин волн может производиться с использованием узкополосного источника света в сочетании с узкополосным или широкополосным детектором.
Использование множества источников света, или широкополосного источника света, и/или множества детекторов или широкополосного фотодетектора повышает функциональные возможности оптического считывающего устройства. Так, например, в таких конструкциях возможно слежение за большим количеством аналитов одновременно, возможно слежение за аналитом в большем диапазоне концентраций, возможно более точное количественное определение концентрации аналита, устраняется необходимость в калибровке оптического считывающего устройства всякий раз при замене нового или сменного оптического датчика аналитов, и так далее. В частности, в некоторых воплощениях предлагаемые способы не требуют настройки чувствительного элемента с помощью калибровочного газа, содержащего известную не нулевую концентрацию аналита, до его использования для реальных наблюдений за состоянием воздуха, потенциально содержащего данный аналит. Кроме того, дополнительным преимуществом способа колориметрических измерений, описанного выше, является то, что он не требует подбора оптического датчика аналитов для какой-либо определенной части спектра.
На фиг.8A и 8B показаны расположенные друг напротив друга первая и вторая стороны 500a и 500b еще одного воплощения оптического считывающего устройства 500 в соответствии с настоящим изобретением, предназначенного для считывания сигналов оптического датчика аналитов в соответствии с настоящим изобретением. Оптическое считывающее устройство 500 включает первый и второй источники света 512 и 514, и детектор 520. Первый источник света имеет первый спектральный профиль, а второй источник света имеет второй спектральный профиль. Так, например, первый источник света может иметь первый диапазон излучения и первую пиковую длину волну излучения, а второй источник света может иметь второй диапазон излучения и вторую пиковую длину волну излучения. В типичных воплощениях первый спектральный профиль отличается от второго спектрального профиля. Так, например, первый диапазон излучения может отличаться от второго диапазона излучения, и/или длина волны первого пика излучения может отличаться от длины волны второго пика излучения. В таком воплощении первый и второй источники света 512 и 514, и детектор 520 могут быть установлены на одной и той же опорной структуре 550, которой может быть, например, печатная плата. Оптическое считывающее устройство может дополнительно включать программируемое логическое устройство 540, которое предпочтительно также установлено на опорной структуре 550.
Оптическое считывающее устройство 500 может дополнительно включать батарею 530, устройство подачи сигнала тревоги, например, один или более источников 516 и 518 света, и исполнительный механизм 560 (все показаны на фиг.8B). Пользователь может включить исполнительный механизм 560 для начала считывания оптического датчика аналитов оптическим считывающим устройством 500. Оптическое считывающее устройство 500 может быть связано с другим устройством, таким, как, например, компьютер, с помощью беспроводного интерфейса или последовательного интерфейса. За счет этого оптическое считывающее устройство может передавать различную информацию, например, данные, полученные с оптического датчика аналитов в соответствии с настоящим изобретением, в базу данных или на устройство вывода. Последовательный интерфейс, как правило, используется во время испытаний, сертификации и/или калибровки оптического считывающего устройства.
Первый и второй источники света 412 и 514 предпочтительно расположены на одной стороне опорной структуры 550, в то время как детектор расположен на другой стороне опорной структуры 550. В данном воплощении опорная структура имеет проем 520а, через который свет, отраженный от оптического датчика аналитов, может достичь детектора 520. Источники света могут быть установлены на печатной плате (например, прикреплены к ней) под углом к ее плоскости, так, чтобы были сформированы подходящие углы между источниками света, детектором и оптическим датчиком аналитов. Если один или более источников света являются светодиодами, они могут быть связаны с печатной платой и установлены на нее любыми известными способами. Крепление за счет сквозного отверстия может быть более удобным для обеспечения требуемых углов, хотя при необходимости могут использоваться и поверхностные способы крепления. При необходимости для установки одного или более источников света на печатной плате под требуемым углом могут использоваться один или более вспомогательных средств (держателей, втулок и прочих).
Один или более упомянутых выше компонентов оптического считывающего устройства могут быть расположены во внутреннем пространстве корпуса 580. Предпочтительно, чтобы по меньшей мере первый и второй источники света 512 и 514, детектор 520 и опорная структура 550 были расположены во внутреннем пространстве корпуса. В целом, во внутреннем пространстве корпуса может быть расположено любое количество компонентов оптического датчика 500, а в некоторых воплощениях - все его компоненты. Корпусы оптических считывающих устройств в соответствии с настоящим изобретением могут быть выполнены из материалов, прозрачных для света видимого спектра, таких, как стекло или прозрачные пластмассы, например, поликарбонат, нейлон, полистирол. В качестве альтернативы, корпус оптического считывающего устройства может быть изготовлен из непрозрачного материала с прозрачной частью, расположенной поверх детектора и одного или более источников света, так, чтобы оптическое считывающее устройство могло излучать и принимать свет от оптического датчика аналитов. Форма корпуса может быть любой, подходящей для установки в нее требуемой фильтрующей системы. Еще в некоторых воплощениях корпус может быть изготовлен из материала, или иметь часть из такого материала, который непрозрачен для света видимого спектра, но прозрачен для света другой спектральной области, например, для света ближней инфракрасной области в воплощениях, где используются один или более источников света и детекторы, настроенные на данную область спектра.
В типичных воплощениях настоящего изобретения корпус включает элемент 582 совмещения (в данном случае им является паз), предназначенный для совмещения оптического считывающего устройства 500 с оптическим датчиком аналитов, как будет подробно объяснено ниже. Размеры и форма элемента совмещения могут быть различными, в зависимости от конкретного приложения. В некоторых воплощениях оптическое считывающее устройство может включать несколько одинаковых или различных элементов совмещения. Оптическое считывающее устройство может быть прикреплено к корпусу фильтрующей системы в соответствии с настоящим изобретением таким образом, что по меньшей мере часть света, испущенного по меньшей мере одним источником света 512, 514, будет отражаться оптическим датчиком аналитов и приниматься детектором 520. Конструкция воплощения, показанного на фиг.8A и 8B, позволяет использовать оптику поверхностной установки и в результате получить тонкое и достаточно компактное оптическое считывающее устройство, которое может быть установлено на поверхности фильтрующей системы, включающей фильтрующий картридж, или в непосредственной близости к ее поверхности, как будет более подробно описано ниже. В типичных воплощениях оптическое считывающее устройство является очень компактным и тонким. Так, например, оптическое считывающее устройство, подобное изображенному на фиг.8A и 8B, может иметь длину L, составляющую 20 мм, 60 мм, 100 мм, 150 мм или любую длину между указанными значениями. Ширина W такого оптического считывающего устройства может составлять 10 мм, 30 мм, 40 мм, 70 мм, или иметь любое значение между указанными. Вес оптического считывающего устройства в соответствии с настоящим изобретением может составлять 5 г, 8 г, 50 г, 100 г, или иметь любое значение между указанными.
На фиг.9A показано воплощение оптического считывающего устройства 80 в соответствии с настоящим изобретением, взаимодействующего со структурированным оптическим датчиком 70 аналитов, имеющим первую область 72, проявляющую первую реакцию на наблюдаемый аналит, и вторую область 74, проявляющую вторую реакцию на наблюдаемый аналит, отличную от первой реакции. Такие структурированные датчики были описаны выше и показаны, например, на фиг.3B. В данном воплощении первая область 72 служит опорной, то есть не дает значительной (предпочтительно, обнаружимой) реакции на исследуемый аналит. В противоположность первой области, во второй области 74 под воздействием наблюдаемого аналита происходит изменение по меньшей мере одной оптической характеристики оптического датчика 70 аналитов.
Оптическое считывающее устройство 80 включает по меньшей мере один источник света 82 и по меньшей мере один детектор 84. Оптическое считывающее устройство 80 имеет такую конструкцию, что, будучи правильно совмещенным с оптическим датчиком 70 аналитов, оно может считывать с оптического датчика 70 аналитов сигналы, принимаемые как с его первой области 72, так и с его второй области 74. В одном из воплощений источник света 82 образует проецируемую область 82b, а детектор имеет область 84b детекции, как показано на фиг.9A. Области 82b и 84b определяются соответственно телесным углом 82а испускания света источником света 82 и телесным углом детекции 84а, обычно задаваемым производителем детектора. За счет подбора оптико-электронных компонентов, имеющих подходящие телесные углы испускания света и детекции, и правильной установки их на опорную структуру 85, такую, как печатная плата, может быть спроектировано и сконструировано оптическое считывающее устройство, имеющее возможности считывания, показанные на фиг.9A. Если источник света 82 и детектор 84 расположены на границе 70а между первой и второй областями 72 и 74, то путем изменения расстояния между оптическим считывающим устройством и датчиком, а также расстояния между источником света и детектором может быть увеличена или уменьшена площадь на поверхности структурированной пленки, освещаемая источником света, и с которой детектор может принимать свет.
Предпочтительно, чтобы половина области 82b и половина области 84b (данные области могут совпадать, а могут и не совпадать) находились в первой области 72 оптического датчика 70 аналитов, а вторые половины областей 82b и 84b находились бы во второй половине 74 оптического датчика 70 аналитов. В целом, по меньшей мере часть света, испускаемого источником 82, отражается от первой области 72 и принимается детектором 84. Подобным образом, по меньшей мере часть света, испускаемого источником 82, отражается от второй области 74 и принимается детектором 84. Таким образом, свет 84а, принимаемый детектором 84, будет представлять собой сумму количеств света, принятого с первой области 72 и второй области 74. В случае, если оптический датчик аналитов не подвергался воздействию со стороны аналита, отклики детектора на сигналы с первой области 72 и второй области 74 будут практически одинаковы. Однако после воздействия аналита показания детектора изменятся, поскольку в по меньшей мере одной из областей 72 и 74 начнет меняться по меньшей мере одна из оптических характеристик.
Еще одно воплощение оптического считывающего устройства в соответствии с настоящим изобретением показано на фиг.9B. В данном воплощении оптического считывающего устройства 90 производится считывание сигналов со структурированного оптического датчика 70 аналитов, имеющего первую область 72, проявляющую первую реакцию на наблюдаемый аналит, и вторую область 74, проявляющую вторую реакцию на наблюдаемый аналит, отличную от первой реакции. Изменение по меньшей мере одной оптической характеристики оптического датчика 70 аналитов под воздействием наблюдаемого аналита может быть зафиксировано одним или более детектором 92a-92d.
Оптическое считывающее устройство 90 включает первый узел 192 и второй узел 191. В данном воплощении первый узел может рассматриваться, как чувствительный узел, а второй узел может рассматриваться, как опорный узел. Опорный узел включает один или более (в данном воплощении два) источников света 93, 95 и один или более (в данном воплощении один) детекторов 91. Оптическое считывающее устройство 90 имеет такую конструкцию, что при правильном его совмещении с оптическим датчиком 70 аналитов по меньшей мере часть света, испущенного по меньшей мере одним источником света 93, 95, отражается от первой области 72 оптического датчика аналитов и принимается по меньшей мере одним детектором 91. Чувствительный узел 192 включает один или более блоков из одного или более источников света и одного или более детекторов. В данном воплощении чувствительный узел 192 включает четыре блока, каждый из которых включает два источника света 94a-d и 96a-d, и один детектор 92a-d. Конструкция оптического считывающего устройства 90 такова, что при должном его совмещении с оптическим датчиком 70 аналитов в каждом блоке чувствительном узле 192 по меньшей мере часть света, испущенного по меньшей мере одним источником света 94a-d, 96a-d, отражается от соответствующей зоны (A-D) второй области 74 оптического датчика 70 аналитов и принимается по меньшей мере одним детектором 92a-d. В частности, по меньшей мере часть света, испущенного первым и вторым источниками света 94а и 96a первого блока, и отраженного от первой зоны A второй области 74 оптического датчика 70 аналитов, принимается детектором 92а первого блока; по меньшей мере часть света, испущенного первым и вторым источниками света 94b и 96b второго блока, и отраженного от второй зоны B, принимается детектором 92b второго блока; по меньшей мере часть света, испущенного первым и вторым источниками света 94c и 96c третьего блока, и отраженного от третьей зоны C, принимается детектором 92c третьего блока; и по меньшей мере часть света, испущенного первым и вторым источниками света 94d и 96d четвертого блока, и отраженного от четвертой зоны D, принимается детектором 92d четвертого блока.
Предпочтительно, чтобы первый, второй, третий и четвертый блоки были расположены относительно зон A, B, C и D оптического датчика 70 аналитов таким образом, чтобы не было перекрывания между зонами, оптическое считывание которых производится различными блоками. В таких воплощениях по мере распространения аналита по фильтрующей среде, связанной по текучей среде с оптическим датчиком аналитов, зоны A, B, C и D второй, чувствительной области 74 оптического датчика 70 аналитов будут последовательно подвергаться воздействию аналита, и соответственно, в них последовательно будет происходить изменение по меньшей мере одной оптической характеристики. В частности, если оптическое изменение происходит сначала в области A, затем в области B, затем в области C, и, наконец, в области D, то сначала первый, затем второй, затем третий и затем четвертый блок чувствительного узла 192 последовательно и в том же порядке зафиксируют данное изменение. Таким образом, данное воплощение позволяет получить многоступенчатый индикатор. В частности, такое расположение оптико-электронных элементов позволяет обеспечить индикацию 100%, 75%, 50%, 25%, и 0% остаточного срока службы фильтрующей среды.
Несмотря на то, что чувствительный узел в данном воплощении содержит четыре блока, а опорный узел содержит один блок, при реализации настоящего изобретения может использоваться любое подходящее число блоков. Источники света, детекторы, оптические датчики аналитов и прочие компоненты, которые могут использоваться для реализации настоящего воплощения, включают любые подходящие системы, элементы и узлы, описанные выше, а также любые другие подходящие системы, элементы и узлы.
В результате оптического считывания сигналов с оптического датчика аналитов с помощью способов и устройств в соответствии с настоящим изобретением может быть получен сигнал, связанный с присутствием и/или концентрацией наблюдаемого аналита. В некоторых воплощениях сигнал, вырабатываемый по меньшей мере одним фотодетектором оптического считывающего устройства, является электрическим сигналом, например, в форме напряжения или тока. Такой сигнал может быть обработан. Оптические считывающие устройства в соответствии с настоящим изобретением могут включать один или более аналогово-цифровых преобразователей, которые могут выдавать сигнал цифрового формата для его обработки программируемым логическим устройством, таким, как, например, микроконтроллер, микропроцессор или логическая микросхема, программируемая в условиях эксплуатации (если сигнал изначально имеет аналоговый формат). При наличии множества детекторов каждый детектор может давать отдельный сигнал.
Сигналы, полученные с одного или более фотодетекторов, при необходимости могут быть математически обработаны (в совокупности или по отдельности), с использованием алгоритмов, записанных или прошитых в электронных компонентов оптического считывающего устройства. Соответственно, оптическое считывающее устройство может содержать такие компоненты, логические контуры и прочее, необходимое для такой обработки сигналов, а также для управления работой источника (источников) света и/или фотодетектора (детекторов). Как показано на блок-схеме фиг.10, оптические считывающие устройства в соответствии с настоящим изобретением могут включать программируемое логическое устройство 137, такое, как микроконтроллер, микропроцессор или логическая микросхема, программируемая в условиях эксплуатации, которое может управлять работой источника (источников) света 131, управлять работой фотодетектора (детекторов), например, принимать от них сигналы, обрабатывать их и так далее, хранить различные данные и параметры в памяти, управлять устройством 136 подачи сигнала тревоги, которым может быть, например, индикатор или экран вывода, обеспечивать связь с пользователем посредством интерфейса 139, который может быть беспроводным или последовательным интерфейсом, получать питание от внешнего или внутреннего источника питания через блок питания 135, и выполнять прочие требуемые функции.
Так, например, сигналы, собранные с фотодетектора 132, могут храниться в памяти (например, микропроцессора 137), так что будет возможен доступ к информации о значениях того или иного сигнала в течение некоторого исторического промежутка времени, и анализ такой информации. Такая возможность доступа к информации и ее анализа может быть полезной, например, когда, из-за наличия в фильтрующей среде аналита в определенной концентрации, второй пик спектра отражения оптического датчика аналитов приблизится достаточно близко к диапазону A длин волн, и в данном диапазоне будет получен сигнал, аналогичный сигналу, полученному изначально от первого пика в отсутствие аналита. Отследив временную историю сигналов, полученных с фото детектора 132 (то есть падение уровня сигнала в диапазоне A, а затем его возрастание до исходного значения), такие воплощения изобретения могут отличить данную ситуацию (вероятно, возникшую из-за слишком большого количества аналита), от ситуации, в которой имеет место относительно постоянный сигнал отраженного света, в течение промежутка времени, на котором могло иметь место воздействие аналита. Возможна также обработка путем сравнения сигналов (например, определения относительных уровней сигналов).
В памяти микропроцессора 137 может также храниться прочая информация, обеспечивающая дополнительную функциональность воплощений настоящего изобретения. Так, например, может быть предоставлена информация об одном или более стандартных условиях, с которыми может быть сравнен сигнал, полученный с одного или более детекторов (такими стандартными условиями могут быть, например, стандартная кривая отклика, полученная эмпирически или опытным путем, при воздействии на чувствительный элемент аналита в известных концентрациях). На основании данной информации сигнал (например, интенсивность света в диапазоне A длин волн), сравненный сигнал (например, отношение интенсивности света в диапазоне A длин волн к интенсивности света в диапазона B), или прочим образом обработанный сигнал может быть соотнесен с концентрацией аналита в окружающей воздушной среде. То есть в таких воплощениях сравненный сигнал может быть сопоставлен со стандартной кривой отклика, в результате чего может быть получена величина, точно или примерно связанная с концентрацией аналита. В различных воплощениях в память логического устройства может быть записана одиночная кривая отклика (например, постоянно записана), или, в других воплощениях, в память могут периодически загружаться различные кривые отклика, например, для использования с различными конструкциями оптических датчиков аналитов, с различными аналитами, и так далее. Могут также использоваться множественные кривые откликов. В контексте способов, предлагаемых в настоящем изобретении, подразумевается, что такое сопоставление сравненного сигнала с кривой отклика может включать как сопоставление усредненного сигнала (по результатам получения множества сравненных сигналов и их усреднения), так и сопоставление с упомянутой кривой отдельных сравненных сигналов. Возможность сопоставления уровня сигнала, полученного детектором, с порогом, хранящимся в памяти, может позволять пользователям устанавливать свои собственные критерии для активации того или иного события, например, подачи видимого или слышимого сигнала, записи данных и прочего. Так, например, в среде, содержащей высокотоксичные загрязнители, пользователь может запрограммировать датчик на подачу сигнала уже при очень низких концентрациях аналита, и установить соответствующий низкий порог. И наоборот, для малотоксичных аналитов может потребоваться задание более высоких порогов.
Следует также кратко отметить, что воплощения настоящего изобретения, в которых производится получение и/или обработка сигналов, как описано выше, позволяют подавать, через устройство подачи сигнала тревоги, сигнал уведомления, соответствующий, точно или приблизительно, наличию аналита в определенной точке пакета сорбента. Сигнал уведомления может быть подан пользователю посредством устройства подачи сигнала тревоги, и таким сигналом может быть видимый, слышимый или осязаемый сигнал. В одном из воплощений сигналом уведомления может быть фактическое численное значение концентрации аналита. Вместо этого, или в дополнение к этому, может подаваться сигнал уведомления, который не является численным значением, но связан с таким численным значением. Так, например, в различных воплощениях настоящего изобретения может подаваться слышимый сигнал (например, гудок, трель или иной звуковой сигнал), визуальный сигнал, например, загорание одного или более световых индикаторов, и/или вибрационный сигнал. Такие сигналы могут подаваться при обнаружении аналита и/или при фиксировании определенной концентрации аналита. В некоторых воплощениях устройство подачи сигнала тревоги может подавать видимый и/или слышимый сигнал. В одном из воплощений устройство подачи сигнала тревоги включает один или более мигающих источников света и/или световые индикаторы разного цвета (например, индикатор зеленого цвета, показывающий, что оптическое считывающее устройство работает в нормальном режиме, и индикатор красного цвета, указывающий на возникновение той или иной нештатной ситуации).
В некоторых воплощениях настоящего изобретения может быть реализована неколичественная индикация (например, присутствует ли аналит, или присутствует ли он в концентрации свыше пороговой). В некоторых воплощениях может предоставляться полуколичественая и/или количественная информация (например, более или менее точная оценка концентрации аналита). В некоторых воплощениях может предоставляться информация с нарастающим итогом (например, интегрированное количество аналита в атмосфере в течение некоторого периода времени, который может составлять до нескольких часов). Такого типа информация полезна тем, что она коррелирует с прохождением аналита через фильтрующую среду к пользователю. В некоторых воплощениях могут даваться периодические показания, и даже показания в режиме «реального времени». В некоторых воплощениях такая информация может передаваться, в реальном времени или периодически (например, вся информация, записанная за некоторый период), на принимающую станцию или иное удаленное устройство, например, в базу данных. Так, например, в некоторых воплощениях изобретения такая информация может передаваться (например, беспроводным образом, или через инфракрасный канал) на компьютер, рабочее место оператора, центральный пункт обработки информации и т.д. В воплощениях настоящего изобретения с беспроводным интерфейсом возможна непрерывная и прозрачная передача в реальном времени, или периодически обновляемого состояния фильтрующей системы на беспроводной экран пользователю, начальнику или санитарному врачу, курирующему данный производственный участок.
На фиг.11A, 11B, 11C и 11D показано еще одно воплощение фильтрующей системы 600 в соответствии с настоящим изобретением. Данная фильтрующая система представляет собой фильтрующий картридж, который может быть использован в турбо-блоках воздухоочистительных респираторов с электроприводом, таких, как, например, турбо-блок 14, изображенный на фиг.1 и описанный выше. Фильтрующий картридж 600 включает корпус 620 и фильтрующую среду 622, расположенную в корпусе 620. Фильтрующей средой может быть сорбирующий материал, например, активированный уголь. Внутри корпуса 620 находится также оптический датчик 628 аналитов, связанный по текучей среде с фильтрующей средой 622. Как было объяснено выше, оптический датчик 628 аналитов может включать детектирующую среду, по меньшей мере одна оптическая характеристика которой меняется под воздействием аналита, и данная детектирующая среда расположена в корпусе 620 таким образом, что она связана по текучей среде с фильтрующей средой 622. Стенка 626 корпуса 620 включает смотровое окно, например, прозрачную часть 628, через которую может проводиться оптическое считывание оптического датчика 628 аналитов.
Фильтрующая система 600 дополнительно включает съемную часть 630 корпуса, то есть выполненную с возможностью прикрепления к корпусу 620 и снятия с него. И хотя на фиг.11A-11D съемная часть 630 корпуса показана в виде структуры, окружающей наружную стенку 626 корпуса 620, на практике съемная часть может иметь и любую другую подходящую форму. В различных воплощениях съемная часть корпуса может иметь форму воротника, юбки, крышки или колпака. Так, например, на фиг.12 показано альтернативное воплощение съемной части 635 корпуса в соответствии с настоящим изобретением, которая имеет форму крышки или колпачка. Оптическое считывающее устройство 655 может быть несъемно или съемно прикреплено съемной части 635 корпуса или к корпусу фильтра таким же образом, как было описано выше в отношении съемных частей корпуса в соответствии с настоящим изобретением. В других воплощениях съемная часть корпуса может только частично окружать или покрывать корпус, например, может окружать только часть наружной стенки 626 корпуса 620. Прочие конфигурации съемной части корпуса также входят в масштаб настоящего изобретения.
Крепление части 630 к корпусу 620 с возможностью ее снятия может быть выполнено посредством любого подходящего механизма крепления, например, упругих защелкивающихся элементов. На фиг.13A показано возможное воплощение механизма 660 крепления, который включает один или более зубцов 663 и один или более сопрягающихся с ними вырезов 662. Несмотря на то, что на данном чертеже показано, что зубец является частью съемной части 630 корпуса, а вырез является частью корпуса 620, на практике может быть реализовано и обратное сочетание данных элементов, или любое другое подходящее их сочетание. Другое воплощение механизма крепления показано на фиг.12 и 13B. Так, на фиг.12 показано одно или более (предпочтительно, множество) ребер 665 с фасками, выполненных с возможностью вхождения в зацепление с одним или более (предпочтительно, множеством) крючков 664. Прочие подходящие механизмы крепления могут включать одну или более защелок (например, показанных на фиг.18A и 18B), резьбовые элементы или отдельные крепежные части, такие, как винты, гайки или зажимы, скрепляющие друг с другом корпус 620 и его часть 630. Так, в некоторых воплощениях по окончании срока службы картриджа крепежные элементы в соответствии с настоящим изобретением позволяют легко отсоединить съемную часть корпуса и сохранить ее для использования с последующими фильтрующими картриджами. В других воплощениях четь 630 корпуса может быть закреплена несъемно, например, с помощью адгезива.
Возвращаясь снова к фиг.11A-11D, отметим, что фильтрующая система 600 включает оптическое считывающее устройство 650. Оптическое считывающее устройство, включая его электрические цепи и источник питания, может быть съемно или несъемно прикреплено к части 630 корпуса или к корпусу фильтра таким же образом, как было описано выше в отношении съемных частей корпуса в соответствии с настоящим изобретением. Часть 630 корпуса может быть, в свою очередь съемно или несъемно прикреплена к корпусу 620. Как было описано выше, оптическое считывающее устройство 650 может включать по меньшей мере один источник света и по меньшей мере один детектор. При этом оптическое считывающее устройство должно быть прикреплено к съемной части 630 корпуса таким образом, что, когда съемная часть 630 корпуса прикреплена к корпусу 620, по меньшей мере часть света, испущенного по меньшей мере одним источником света, отражается от оптического датчика 628 аналитов и принимается по меньшей мере одним детектором.
В показанном воплощении оптическое считывающее устройство 650 расположено между съемной частью 630 корпуса и оптическим датчиком 628 аналитов. Однако в других воплощениях некоторые части или компоненты оптического считывающего устройства 650 могут быть расположены снаружи съемной части 630 корпуса. Так, например, съемная часть 630 корпуса может включать одно или более отверстий 632 и 634. По меньшей мере одно такое отверстие может быть расположено над оптическим считывающим устройством 650. Это может быть полезно, например, если оптическое считывающее устройство 650 включает устройство подачи сигнала тревоги с визуальным индикатором, видимым по меньшей мере через одно из отверстий.
В некоторых воплощениях оптическое считывающее устройство 650 может начать оптическое считывание оптического датчика 628 аналитов и подачу соответствующих предупредительных сигналов, как описано выше, после включения его пользователем, например, с помощью кнопки. Пользователь может иметь доступ к механизму включения (например, показанному на фиг.8A и 8B и описанному выше), функционально связанному с оптическим считывающим устройством, через одно из отверстий 632 и 634. В таких воплощениях после включения оптического считывающего устройства 650 пользователем начинается анализ спектра света, принимаемого по меньшей мере одним детектором оптического считывающего устройства 650, на наличие изменения по меньшей мере одной оптической характеристики детектирующей среды оптического датчика 628 аналитов. После этого оптическое считывающее устройство 650 может давать соответствующие сигналы пользователю, например, если изменение по меньшей мере одной оптической характеристики соответствует некоторому заданному условию.
В типичных воплощениях изобретения, в которых оптическое считывающее устройство имеет по меньшей мере один источник света и по меньшей мере один детектор, оно прикреплено (съемно или несъемно, посредством части корпуса или непосредственно) к корпусу фильтрующей системы (которой может быть, например, фильтрующий картридж), таким образом, что по меньшей мере часть света, испущенного по меньшей мере одним источником света, отражается от оптического датчика аналитов и принимается по меньшей мере одним детектором. Для правильного расположения оптического считывающего устройства оптическое считывающее устройство и/или корпус, или его съемная часть (на чем расположен оптический датчик аналитов) имеют по меньшей мере один элемент совмещения. В типичных воплощениях настоящего изобретения как оптическое считывающее устройство, так и корпус (или соответственно его съемная часть) имеют элемент совмещения, сопрягающийся с элементом совмещения на ответной части.
В частности, как показано на фиг.11C и 11D, элемент 652 совмещения оптического считывающего устройства 650 может быть пазом, в то время как элемент совмещения на съемной части 630 корпуса может быть ребром 636. Как показано на фиг.11D, за счет сопряжения друг с другом элементов 652 и 636 совмещения может быть достигнуто требуемое взаимное расположение оптического считывающего устройства 650 и оптического датчика 628 аналитов при сборке фильтрующей системы 600, как показано на фиг.11B.
В воплощениях настоящего изобретения могут использоваться самые различные типы элементов совмещения, такие, как сопрягающиеся один или несколько выступов и углублений, зубцов и вырезов и т.д. Так, например, на фиг.14A показано оптическое считывающее устройство 750, имеющее элементы 752a и 752b совмещения. Сопрягающиеся элементы совмещения, например, ребра (не показаны), могут быть выполнены на съемной части корпуса или на корпусе. В масштаб настоящего изобретения входят и прочие конфигурации, включая вырезы различных форм и размеров, прочие типы углублений или выступов, защелки и прочее. На фиг.14B показано еще одно воплощение одного или более элементов совмещения. В данном воплощении оптическое считывающее устройство 751 включает один, два или более штифтов, сопрягающихся с одним или более отверстиями 732a, 732b съемной части 730 корпуса, самого корпуса или любого другого подходящего компонента. Еще одно воплощение одного или более элементов совмещения показано на фиг.14C. В данном воплощении часть оптического считывающего устройства 755 включает один или более направляющих рельсов 757a, 757b и 757c, сопрягающихся с ответными канавками 737a, 737b и 737c съемной части 735 корпуса, самого корпуса или любого другого подходящего компонента. Два, три или более рельсов и ответных канавок могут иметь одинаковый размер, так чтобы оптическое считывающее устройство нельзя было случайно совместить с прочими компонентами в противоположной ориентации. Так, например, в воплощении, показанном на фиг.14C, рельс 757b шире, чем рельс 757a, а рельс 757c шире, чем рельс 757b.
Воплощения устройств в соответствии с настоящим изобретением могут дополнительно включать механизм подтверждения правильности взаимного расположения оптического считывающего устройства и оптического датчика аналитов перед использованием фильтрующей системы. Так, например, после установки оптического считывающего устройства на фильтрующую систему, так, что он находится над оптическим датчиком аналитов, может быть проведена диагностика их взаимного расположения путем измерения количества света, принимаемого детектором, и сравнения его с пороговым значением, и если количество света, принимаемое детектором, ниже установленного порогового значения, это может означать, что оптическое считывающее устройство выставлено неправильно. Данная функция может быть реализована, например, с оптическим считывающим устройством, изображенным на фиг.8A и 8B. В дополнение к элементам, описанным выше, оптическое считывающее устройство 500 может включать индикатор правильного взаимного расположения (например, в виде одного или более индикаторов 516 и 518). В альтернативных воплощениях могут быть выполнены один или более отдельных индикаторов правильного взаимного расположения.
В целом, во время диагностической процедуры свет от одного или более источников света 512 и 514 отражается от элемента проверки взаимного расположения (которым, например, может быть проверяемый оптический датчик аналитов), и регистрируется детектором 520. И хотя в приведенном примере элементом проверки взаимного расположения является оптический датчик аналитов, в других воплощениях он может быть элементом, отличным от оптического датчика аналитов, например, зеркальной или рассеивающей отражающей поверхностью, например, отражающей или белой пленкой, лентой, наклейкой или точкой. Принятые детектором сигналы могут быть проанализированы и сравнены с одним или более заданным параметрами или критериями правильности взаимного расположения, которыми могут быть, например, количество света, принимаемое детектором, и/или его спектральные характеристики. Если принятые детектором сигналы не соответствуют по меньшей мере одному критерию правильного взаимного расположения, дается сигнал неправильного взаимного расположения.
В одном из воплощений индикатор взаимного расположения может указывать на то, что оптическое считывающее устройство установлено над оптическим датчиком аналитов, например, подачей мигающего светового сигнала. Детектор 520 измеряет количество света от источников 512 и 514, отраженного от оптического датчика аналитов и достигающего детектора. Если оптическое считывающее устройство расположено правильно, детектор 520 зарегистрирует, что сигналы от обоих источников света практически одинаковы или отличаются в переделах допустимого отклонения в %. Индикатор взаимного расположения при этом подаст сигнал о правильном взаимном расположении, например, в виде прекращения мигания и устойчивого горения в течение нескольких секунд. Если детектор обнаружит, что сигнал от одного или более источников света не соответствует заданному значению, может быть подан сигнал неправильного взаимного расположения. Так, например, индикатор взаимного расположения может продолжать часто мигать. В других воплощениях возможна проверка на правильность взаимного расположения отдельными (дополнительными) одним или более источниками света и/или детекторами, отличными от источников света 512, 514 и детектора 520.
На фиг.15 показано еще одно воплощение фильтрующей системы в соответствии с настоящим изобретением - респиратор 2 индивидуального пользования, включающий картридж 23. В данном воплощении респиратор 2 включает лицевую маску 20, на которую может быть установлена пара воздухоочистительных картриджей 23 (хотя может быть установлено и другое число картриджей). Так, например, в некоторых воплощениях может использоваться только один картридж. Упомянутые один или более картриджей 23 могут быть выполнены с возможностью их снятия с лицевой маски 20 и их замены. Каждый из картриджей 23 включает корпус и фильтрующую среду 21 (показана на фиг.16), которая может представлять собой абсорбирующий материал, например, активированный уголь, расположенную в корпусе 22. Оптический датчик 28 аналитов, включающий детектирующую среду (не показана), также расположен в корпусе 22 таким образом, что детектирующая среда связана по текучей среде с фильтрующей средой. Данное воплощение корпуса 22 включает переднюю крышку 24, имеющую множество отверстий 25, которые могут служить для прохождения воздуха из окружающей среды в картридж 23, далее через фильтрующую среду, далее через выходной элемент картриджа 23 (не показан) и, наконец, через входной патрубок лицевой маски 20. Выдыхаемый воздух выходит из респиратора 2 через выдыхательный клапан.
Стенка 26 корпуса 22 может включать прозрачную часть 27 (прозрачную для определенного спектрального диапазона, на который настроены источник (источники) света и детектор (детекторы)), и через которую оптическое считывающее устройство 29 может производить считывание оптического датчика 28 аналитов. В качестве альтернативы, вся стенка 26 может быть прозрачной. Оптический датчик 28 аналитов может быть включен в один или более картриджей 23. Как и в описанных выше воплощениях, оптический датчик 28 аналитов является оптически чувствительным, то есть в нем происходит оптическое изменение при насыщении фильтрующей среды аналитом. В частности, в детектирующей среде под воздействием аналита может происходить изменение по меньшей мере одной из ее оптических характеристик, и данное изменение обнаруживается оптическим считывающим устройством. Данная информация может быть использована различными способами, включая ее обработку, хранение, передачу пользователю или другому лицу, и помогает пользователю и/или другому лицу понять, что пришло время заменить картриджи 23.
На фиг.16 представлен вид сбоку с частичным разрезом картриджа 23 респиратора. При необходимости отверстия 25 могут быть плотно закрыты до использования картриджа, например, съемной крышкой (не показана), которая может быть удалена непосредственно перед использованием картриджа. Фильтрующая среда 21, выполненная, например, в виде пакета сорбента 121, абсорбирует или адсорбирует один или более органических паров, проходящих от отверстий 25 к выходному патрубку 24. Как обычно, в таких устройствах может быть установлен однонаправленный выдыхательный клапан (на штифте), предотвращающий попадание выдыхаемого воздуха в картридж 23. Для разъемного соединения картриджа с маской 20 могут использоваться один или несколько соединительных элементов резьбового, или, что более предпочтительно, байонетного типа, известных сведущим в данной области техники. Как было описано выше и изображено на фиг.1-3, картридж (картриджи) 23 могут быть сняты и заменены новыми картриджами, когда изменение по меньшей мере одной из оптических характеристик оптического датчика 28 аналитов укажет на то, что фильтрующая среда под оптическим датчиком 28 аналитов насыщена аналитом. В различных воплощениях на основе данного изменения может даваться сигнал в виде остаточного срока службы картриджа 23, сигнал об окончании его срока службы, или может быть подан предупредительный сигнал при некотором заданном остаточном сроке службы картриджа.
На фиг.17A и 17B показано еще одно воплощение фильтрующей системы 800 в соответствии с настоящим изобретением. В данном воплощении фильтрующая система представляет собой фильтрующий картридж 800, который может использоваться в респираторах для индивидуального пользования, таких, как респиратор 2, описанный выше и изображенный на фиг.15. Фильтрующий картридж 800 включает корпус 820 и фильтрующую среду 822, которая может представлять собой абсорбирующий материал, например, активированный уголь, расположенную в корпусе 822. Как было описано выше, оптический датчик 828 аналитов может включать детектирующую среду, которая под воздействием аналита меняет по меньшей мере одну из своих оптических характеристик и расположена в корпусе 820 таким образом, что она связана по текучей среде с фильтрующей средой. Стенка 826 корпуса 820 может включать смотровое окно, например, прозрачную часть 827, через которую может производиться считывание оптического датчика 828 аналитов.
Фильтрующая система 800 дополнительно включает съемную часть 830 корпуса, выполненную с возможностью ее крепления к корпусу 820 и последующего снятия. Съемное крепление части 830 корпуса 820 может быть обеспечено любым из подходящих механизмов крепления, таких, как, например, один или более упругих защелкивающихся элементов, показанных на фиг.18A и 18B. В таких воплощениях по окончании срока службы фильтрующего картриджа съемная часть корпуса может быть легко снята и сохранена пользователем для использования с последующими фильтрующими картриджами. Прочие подходящие механизмы крепления включают одну или более защелок, резьбовые элементы, байонетные механизмы крепления, отдельные крепежные элементы, такие, как винты, гайки, гайки или зажимы, обеспечивающие крепление корпуса 820 и его части 830 друг с другом. В других воплощениях часть 830 корпуса может быть прикреплена несъемно, например, приклеена.
Фильтрующая система 800 включает оптическое считывающее устройство 850. Оптическое считывающее устройство, включая его электрические цепи и источник питания, может быть съемно или несъемно прикреплено к съемной части 830 корпуса. Часть 830 корпуса может быть, в свою очередь, съемно или несъемно прикреплена к корпусу 820. Как было описано выше, оптическое считывающее устройство 850 может включать по меньшей мере один источник света и по меньшей мере один детектор. При этом оптическое считывающее устройство должно быть прикреплено к съемной части 830 корпуса таким образом, что, когда съемная часть 830 корпуса прикреплена к корпусу 820, по меньшей мере часть света, испущенного по меньшей мере одним источником света, отражается от оптического датчика 828 аналитов и принимается по меньшей мере одним детектором. Оптическое считывающее устройство 850 может быть расположено между съемной частью 830 корпуса и оптическим датчиком 828 аналитов, или некоторые части или компоненты оптического считывающего устройства 850 могут быть расположены снаружи съемной части 830 корпуса.
На фиг.18A и 18B показан один подходящий механизм крепления, который может быть использован, например, в фильтрующей системе 800. На фиг.18A показана съемная часть 830 корпуса, снятая с корпуса 820. В данном воплощении боковая стенка 826 содержит прикрепленную к ней структуру 829 в виде защелки. Структура 829 в виде защелки может включать выступ 829a, протяженный в целом вдоль стенки 826, и фиксирующий элемент 829b, выступающий наружу от стенки 826. Структура 829 в виде защелки входит в зацепление с ответной структурой съемной части 830 корпуса, такой, как, например, выступ 833 края 832 съемной части корпуса, как показано на фиг.17B.
И хотя на фиг.16A-16B и 17A-17B съемная часть 830 корпуса показана в виде структуры, окружающей наружную стенку 826 корпуса 820, на практике съемная часть может быть иметь любую другую подходящую форму (смотри, например, фиг.18). Так, в некоторых воплощениях съемная часть корпуса может иметь форму воротника, юбки, крышки или колпака. В некоторых воплощениях съемная часть корпуса может покрывать только часть наружной стенки корпуса.
Такая конструкция схематически представлена на фиг.19, на которой показано воплощение фильтрующей системы в соответствии с настоящим изобретением. Фильтрующая система 900 включает корпус 920. Фильтрующая система 900 дополнительно включает съемную U-образную часть 930 корпуса, прикрепляемую к корпусу 920 с возможностью ее снятия. Съемное крепление данной части 930 к корпусу 920 может быть реализовано за счет выполнения съемной части 930 корпуса из упругого материала, так что концы 932 и 934 съемной части корпуса будут работать, как живые шарниры, каждый из которых прилагает силу к корпусу 920 и за счет этого съемная часть корпуса удерживается на своем месте. Могут также использоваться и прочие подходящие механизмы крепления, в том числе упомянутые выше при описании других воплощений, а также и любые другие подходящие механизмы крепления.
Воплощения, имеющие съемную часть корпуса (например, в форме воротника или юбки), обеспечивают удобный способ удержания оптического считывающего устройства в непосредственной близости к оптическому датчику аналитов, который является частью фильтрующего картриджа респиратора, и правильного взаимного расположения оптического считывающего устройства и оптического датчика аналитов. В таких воплощениях оптическое считывающее устройство при необходимости может быть снято с корпуса картриджа и/или со съемной части корпуса картриджа, и с высокой точностью установлено обратно на то же место. Часть корпуса может также механически защищать оптическое считывающее устройство при работе респиратора. Будучи изготовлены из непрозрачной пластмассы и/или покрыты светопоглощающим материалом, различные части фильтрующего узла предотвращают попадание в него постороннего света и тем самым обеспечивают постоянный уровень освещенности оптического считывающего устройства.
Сведущим в данной области техники будет очевидно, что описанные конкретные структурные элементы, черты, детали, конфигурации и прочее, могут быть заменены, изменены и/или использоваться в различных сочетаниях в многочисленных возможных воплощениях изобретения. Так, например, оптические считывающие устройства и/или оптические датчики аналитов в соответствии с настоящим изобретением могут использоваться с различными фильтрующими системами в соответствии с настоящим изобретением, а также с любыми другими подходящими фильтрующими системами. Все такие изменения и сочетания рассматриваются изобретателями как входящие в масштаб настоящего изобретения. Поэтому масштаб изобретения не следует рассматривать как ограниченный конкретными, приведенными в качестве иллюстраций структурами, описанными выше, а скорее подразумевается, что масштаб изобретения ограничивается структурами, описанными в формуле изобретения, и им эквивалентными. В случае расхождения межу настоящим документом и содержанием документа, на который дается ссылка, следует руководствоваться содержанием настоящего документа.
Примеры
1. Изготовление оптического датчика аналитов
Таблица 1Материалы для синтеза полимеров с присущей микропористостью
Сокращение
Значение
BC
Бис-катехол (5,5',6,6'-тетрагидрокси-3,3,3',3'-тетраметил-1,1'-спиробисиндан)
FA
Фторированный арен (тетрафтортерефталонитрил)
DMF
N,N-диметилформамид
THF
Тетрагидрофуран
Оптический датчик аналитов в данном примере представлял собой тонкий пленочный индикатор, типа показанного на фиг.3A. Датчик готовили с использованием полимера с присущей микропористостью (PIM) в качестве детектирующего слоя, частично отражающего слоя никеля и паропроницаемого отражающего слоя из наночастиц серебра. Полимер с присущей микропористостью готовили из мономеров BC и FA, в целом следуя процедуре, описанной Budd et al., Advanced Materials, 2004, том 16, No. 5, стр.456-459. Для этого 9,0 г BC смешивали с 5,28 г FA, 18,0 г карбоната калия и 120 мл DMF. Реакцию проводили при температуре 70°C в течение 24 часов. Полученный полимер растворяли в THF, троекратно осаждали в метаноле и затем сушили под вакуумом при комнатной температуре (образец PIM 50-2).
Основу из металлизированного полиэтилен-терефталата готовили путем нанесения металлического слоя никеля толщиной 10 нм способом осаждения паров на чистый полиэтилен-терефталат Melinex ST505. Полимер с присущей микропористостью растворяли до концентрации 4% в хлоробензоле, и полученный раствор наносили на основу из полиэтилен-терефталата с никелевым покрытием.
После этого на слой полимера с присущей микропористостью наносили слой наночастиц серебра, используя раствор, полученный разбавлением 100 г суспензии наносеребра (DGP-40LT-15C производства Advanced Nanoproducts, Корея, содержание серебра 40% по весу) в 150 г 1-метокси-2-пропанола. После нанесения покрытий полученный образец датчика выдерживали при температуре 130°C в течение 1 часа для спекания наночастиц серебра.
2. Изготовление фильтрующего картриджа
Для изготовления картриджа респиратора сначала приклеивали кусок пленки-датчика размером 12 мм×25 мм (смотри пример 1) к внутренней стенке прозрачного корпуса картриджа из поликарбоната с помощью переводной липкой ленты модели 8172 производства 3М Company (Сент-Пол, штат Миннесота, США). После этого корпус картриджа заполняли 800 см угля Kuraray GC (размер пор 12 на дюйм×20 на дюйм), и к корпусу ультразвуковой сваркой приваривали фиксирующую пластину, для удержания угля и закрытия картриджа. Конструкция такого картриджа показана на фиг.2.
3. Изготовление оптического считывающего устройства и корпуса
Готовили оптическое считывающее устройство, содержащее два светодиода поверхностной установки и кремниевый фотодетектор, для оптического считывания сигналов с пленочного датчика. Оптические элементы системы (светодиоды и детектор) был установлены на противоположных сторонах печатной платы, в которой имелась полость. Свет, испускаемый светодиодами, отражался от пленки и облучал детектор. Такая конструкция позволяет получить достаточно тонкую систему и предотвращает прямую интерференцию света, испускаемого светодиодами. Светодиоды имели пики излучения на длинах волн 591 нм и 606 нм. Оптическое считывающее устройство функционирует за счет последовательного облучения датчика светом указанных длин волн. Интенсивность отраженного света измеряется фотодетектором, и на основе спектральных сдвигов отраженного света определяется отклик датчика.
Корпус из прозрачной пластмассы для размещения в нем оптического считывающего устройства изготавливали методом стереолитографии. Для изготовления кассеты использовали прозрачную смолу Watershed 11120 производства DSM Somos. Внешний вид такого оптического считывающего устройства представлен на фиг.8.
4. Юбка картриджа для размещения в ней съемного оптического считывающего устройства
Пластмассовую юбку для картриджа респиратора (показана на фиг.11D) изготавливали из черной смолы ABC. На фиг.11A-11D показаны юбка и ее использование для удержания оптического считывающего устройства в непосредственной близости к датчику. И хотя на чертежах юбка показана, как прикрепляемая к фильтрующему картриджу с возможностью ее снятия, в данном примере юбка выполнялась несъемно прикрепленной к фильтру, а оптическое считывающее устройство съемно прикреплялось к сборочному узлу из фильтра и юбки. При такой конструкции юбка обеспечивает надежное средство для крепления оптического считывающего устройства, а также защищает оптическое считывающее устройство от механических повреждений загрязнения (пыль, туман, брызги), которые возможны в рабочей зоне, где используется респиратор. Оптическое считывающее устройство прикрепляли к юбке с помощью двухсторонней клейкой ленты.
5. Съемная юбка картриджа
Данное воплощение аналогично примеру 4, с тем отличием, что оптическое считывающее устройство несъемно прикрепляли к юбке, в результате чего получался сборочный узел, который мог быть прикреплен к фильтрующей системе с возможностью его снятия. Использование оптического считывающего устройства в сборе с юбкой сводит до минимума вероятность потери оптического считывающего устройства при использовании системы, устраняет необходимость браться пальцами за открытое оптическое считывающее устройство, и делает всю систему более прочной.
6. Съемная юбка или втулка для картриджей респираторов с отрицательным давлением многоразового пользования
Данное воплощение аналогично примеру 5, но приспособлено под использование с картриджами респираторов с отрицательным давлением многоразового пользования. Оптическое считывающее устройство несъемно прикреплено к юбке или втулке, которые в свою очередь могут быть съемно прикреплены к картриджу. Пользователь может снять и обратно прикрепить оптическое считывающее устройство в сборе с юбкой к картриджу. Это сводит к минимуму вероятность потери оптического считывающего устройства при использовании системы, устраняет необходимость браться пальцами за открытое оптическое считывающее устройство, и делает всю систему более удобной в сборке и использовании. В таком воплощении оптическое считывающее устройство, как правило, встроено в воротник и находится в защитной коробке со смотровой полостью для оптического считывания сигналов с пленки на картридже.