СПОСОБ КОНТРОЛЯ ВЕЩЕСТВА В АТМОСФЕРЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD TO MONITOR SUBSTANCE IN ATMOSPHERE AND DEVICE FOR ITS REALISATION

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Возможность обнаруживать химические вещества, особенно химические вещества органического происхождения, важна во многих случаях, в том числе при осуществлении контроля за состоянием окружающей среды и в других подобных случаях. Это находит специальное применение, например, в индивидуальных дозиметрах (например, то, что человек может носить на себе или переносить), и/или дозиметрах местности (например, то, что может быть размещено в окружающей среде, состояние которой необходимо контролировать).
Существуют различные способы обнаружения химических веществ, например оптические, гравиметрические, микроэлектромеханические, колориметрические. Несмотря на то, что в настоящее время для обнаружения ряда веществ существуют различные реализующие колориметрический метод устройства, большая часть из них основана на использовании красителей или химических индикаторов, изменяющих цвет. Такие используемые в качестве датчиков вещества, как правило, являются избирательными, реагирующими на определенное соединение, поэтому для обнаружения различных классов соединений может потребоваться большое количество датчиков. При этом большая часть таких аппаратных средств имеют ограниченный срок эксплуатации из-за обесцвечивания или нежелательных побочных реакций. Кроме того, в большинстве таких систем для проведения оптического анализа используют сложное или громоздкое оптоэлектронное оборудование.
РАСКРЫТИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Настоящее изобретение относится к способам и устройствам для обнаружения веществ. Такие способы и устройства могут включать, по меньшей мере, один чувствительный к интересующему - определяемому веществу датчик, изменение параметров которого могут быть зафиксированы при облучении его светом, как это описано в настоящем изобретении.
Одним из объектов изобретения является способ контроля вещества в атмосфере, при котором в атмосфере, потенциально содержащей такое вещество, выдерживают в течение заданного периода времени, по меньшей мере, один датчик направляют световой пучок в первом диапазоне длин волн на, по меньшей мере, один датчик и получают первый сигнал, соответствующий количеству света первого диапазона длин волн, отраженного от, по меньшей мере, одного датчика, направляют световой пучок во втором диапазоне длин волн на, по меньшей мере, один датчик и получают второй сигнал, соответствующий количеству света второго диапазона длин волн, отраженного от, по меньшей мере, одного датчика, сравнивают первый и второй сигналы для получения сигнала сравнения и устанавливают соответствие сигнала сравнения с заранее полученной кривой отражения, посредством чего получают оценку концентрации, соответствующую концентрации определяемого вещества в атмосфере.
Другим объектом изобретения является оптоэлектронное устройство для контроля вещества в атмосфере, включающее корпус, по меньшей мере, частично, образующий внутреннее пространство устройства и имеющий отверстие, по меньшей мере, один съемный датчик, размещенный во внутреннем пространстве корпуса или в отверстии корпуса, по меньшей мере, один источник света, размещенный во внутреннем пространстве устройства с возможностью направления светового пучка на датчик, и, по меньшей мере, один фотоприемник, выполненный с возможностью измерения количества света, отраженного от датчика, при этом, по меньшей мере, один источник света и, по меньшей мере, один фотоприемник размещены рядом друг с другом в одной плоскости на общей печатной плате, размещенной во внутреннем пространстве устройства.
Еще одним объектом изобретения является оптоэлектронное устройство для контроля вещества в атмосфере, включающее корпус, по меньшей мере, частично образующий внутреннее пространство устройства и имеющий отверстие, по меньшей мере, один датчик, установленный в отверстии корпуса, и, по меньшей мере, один источник света, размещенный во внутреннем пространстве устройства с возможностью направления светового пучка на датчик и, по меньшей мере, один фотоприемник, предназначенный для измерения количества света, отраженного от датчика, при этом датчик закреплен в отверстии корпуса, перекрываемом так, что в устройстве образуется герметичное внутреннее пространство.
Особенности изобретения будут очевидны из следующего ниже описания. Однако приведенное выше раскрытие изобретения не следует понимать как ограничение заявляемого изобретения, которое охарактеризовано только формулой, в которую могут быть внесены поправки во время рассмотрения дела по заявке.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
На Фиг.1 изображен в аксонометрии пример выполнения оптоэлектронного устройства.
На Фиг.2 изображен вид сбоку поперечного сечения участка датчика в соответствии с одним примером его выполнения.
На Фиг.3 изображен вид сбоку поперечного сечения участка датчика в соответствии с другим примером его выполнения.
На Фиг.4 изображен схематично вид сбоку поперечного сечения оптоэлектронного устройства в соответствии с одним из примером его выполнения.
На Фиг.5 изображен схематично вид сбоку поперечного сечения оптоэлектронного устройства в соответствии с одним из примером его выполнения.
На Фиг.6 изображен схематично вид сбоку поперечного сечения оптоэлектронного устройства в соответствии с одним из примером его выполнения.
На Фиг.7 изображен схематично вид сбоку поперечного сечения оптоэлектронного устройства в соответствии с одним из примером его выполнения.
На Фиг.8 изображен вид сбоку поперечного сечения участка примерного оптоэлектронного устройства в частично разобранном виде, включающего датчик в соответствии с одним из примеров выполнения.
На Фиг.9 изображен вид сбоку поперечного сечения участка примерного оптоэлектронного устройства в частично разобранном виде, включающего датчик и защитный слой в соответствии с одним из примеров выполнения.
На Фиг.10 изображена функциональная блок-схема оптоэлектронного устройства в соответствии с одним из примеров выполнения.
На Фиг.11 представлен типичный спектр отражения, характерный для датчика в соответствии с одним из примеров выполнения.
На Фиг.12 показаны значения отраженного оптического сигнала в зависимости от содержания (концентрации) определяемого вещества, полученные при помощи оптоэлектронного устройства в соответствии с одним из примеров выполнения.
На Фиг.13 показаны относительные значения отраженных оптических сигналов в зависимости от значений отраженных оптических сигналов, показанных на Фиг.12.
Одинаковые номера позиций на различных чертежах означают одни и те же элементы. Если не оговорено специально, масштаб всех чертежей к настоящему описанию выбран произвольный - только с целью иллюстрирования различных примеров осуществления настоящего изобретения. В частности, размеры различных элементов даны только для иллюстрации, и не следует предполагать наличия какой-либо связи между размерами различных элементов, если это отдельно не оговорено. Несмотря на то, что в настоящем описании могут быть использованы такие термины, как "верхний", "нижний", "сверху", "снизу", "под", "над", "передний", "задний", "наружный", "внутренний", "вверх" и "вниз" и "первый" и "второй", следует понимать, что они используются лишь для указания относительного положения элементов, если иное не оговорено специально.
ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Изображенное на Фиг.1 в аксонометрии оптоэлектронное устройство 1 включает, по меньшей мере, один оптический датчик 2. Устройство 1 может быть использовано для осуществления контроля за газовой средой, обычно воздушной атмосферой.
В некоторых примерах осуществления изобретения устройство 1 можно носить на теле и/или одежде человека или в непосредственной близости к нему, например, если устройство 1 выполнено как персональный дозиметр. В таких случаях устройство 1 может быть прикреплено к одежде человека (например, при помощи зажима, петли, ремня, манжеты, шнура, кармашка и т.п., на Фиг.1 не показаны) или его можно носить или переносить иным способом, например, как нагрудный дозиметр. Устройство 1 может быть использовано для дозиметрии окружающей среды, например путем размещения его в этой среде (например, в комнате, в транспортном средстве, т.д.), как внутри, так и снаружи, где необходимо определять содержание анализируемого вещества. Устройство 1 может включать корпус 100, выполненный любой пригодной формы, размера или конструктивного выполнения. Корпус 100 может, например, иметь, по меньшей мере, первую основную поверхность 103, которая обычно повернута в направлении от пользователя или опорной стенки, и вторую основную поверхность 104, которая обычно повернута в направлении к пользователю или опорной стенке.
В некоторых примерах осуществления изобретения способы и/или устройства могут использоваться вместе со средством защиты органов дыхания (например, респиратором, который может содержать фильтрующий элемент, сорбирующие вещества, например, для удаления определенных веществ из атмосферы) в качестве так называемого индикатора окончания срока службы, при помощи которого можно определять оставшуюся сорбирующую емкость фильтрующего элемента, фильтрующий слой сорбирующего вещества и т.д.
Датчик 2 реагирует на наличие определяемого вещества и может быть выполнен в виде оптического рефрактометрического датчика, как это описано ниже. Датчик 2 выдает сигнал, имеющий спектр отражения с одним или более максимумом и минимумом на различных длинах волн и который может меняться при наличии определяемого вещества или в результате изменения его концентрации. В одном примере осуществления изобретения свет, отраженный от датчика 2, является зеркально отраженным. В другом примере свет, отраженный от датчика 2, является диффузно отраженным. Датчик 2 имеет, по меньшей мере, один чувствительный к определяемому веществу слой, оптические свойства которого (например, оптическая плотность) меняются в зависимости от содержания этого определяемого вещества. Датчик 2 дополнительно может иметь, по меньшей мере, один слой, полностью отражающий свет, и/или, по меньшей мере, один слой, который отражает свет частично - полуотражающий слой (как описано более подробно ниже). В некоторых примерах осуществления изобретения датчик 2 может включать чувствительный к определяемому веществу слой 230, размещенный между полностью отражающий свет слоем 240 и полуотражающим слоем 220, при этом такое соединение слоев образует так называемый интерференционный светофильтр, позволяющий получить спектр отражения, который может меняться при наличии определяемого вещества или при изменении его концентрации.
Один из примеров выполнения датчика 2 показан на Фиг.2. В примерах осуществления изобретения с такой конфигурацией датчик 2 включает расположенные последовательно полуотражающий слой 220, чувствительный к определяемому веществу слой 230, полностью отражающий свет слой 240 и подложку 210. При облучении датчика 2 световые лучи 40 (например, от источника света 31, описанного ниже) падают на полуотражающий слой 220. Часть световых лучей 40 отражается от полуотражающего слоя 220 в виде световых лучей 41. Часть световых лучей 40 проходит сквозь полуотражающий слой 220 и чувствительный к определяемому веществу слой 230 и, отражаясь от полностью отражающего свет слоя 240, выходит из датчика 2 в виде световых лучей 42. При сложении световых лучей 41 и 42 формируется световой поток, имеющий спектр отражения, который может меняться при наличии определяемого вещества или при изменении его концентрации.
В примере осуществления изобретения с конфигурацией, изображенной на Фиг.2, определяемое вещество может проникать сквозь полуотражающий слой 220 и затем в чувствительный к определяемому веществу слой 230. Вследствие этого могут меняться оптические свойства слоя 230 (например, оптическая плотность) так, что спектр отраженного от датчика 2 света может меняться, что позволяет определять наличие и/или концентрацию определяемого вещества.
В примерах осуществления изобретения с конфигурацией, изображенной на Фиг.2, полуотражающий слой 220 выполнен проницаемым для определяемого вещества, как это описано ниже, что позволяет определяемому веществу проникать сквозь слой 220 в чувствительный к определяемому веществу слой 230. В примере осуществления изобретения с конфигурацией, изображенной на Фиг.2, полностью отражающий свет слой 240 может быть выполнен проницаемым для определяемого вещества или может быть непроницаемым для него. В примере осуществления изобретения с конфигурацией, изображенной на Фиг.2, в случае если нет необходимости в том, чтобы свет проходил сквозь подложку 210 или взаимодействовал с ней при облучении светом датчика 2, нет необходимости в обеспечении определенных оптических свойств подложки 210 (например, светопроницаемости).
Другой пример выполнения датчика 2 представлен на Фиг.3. В примерах осуществления изобретения с такой конфигурацией датчик 2 включает расположенные последовательно подложку 210 (как вариант), полуотражающий слой 220, чувствительный к определяемому веществу слой 230 и полностью отражающий свет слой 240. Световые лучи 40 падают на подложку 210 и проходят сквозь нее. Часть световых лучей 40 отражается от полуотражающего слоя 220 в виде световых лучей 41. Часть световых лучей 40 проходит сквозь полуотражающий слой 220 и чувствительный к определяемому веществу слой 230 и, отражаясь от полностью отражающего свет слоя 240, выходит из датчика 2 в виде световых лучей 42. При сложении световых лучей 41 и 42 формируется световой поток, имеющий спектр отражения, который может меняться при наличии определяемого вещества или при изменении его концентрации.
В примере осуществления изобретения с конфигурацией, изображенной на Фиг.3, определяемое вещество может проникать сквозь полностью отражающий свет слой 240 и затем попадать в чувствительный к определяемому веществу слой 230. Вследствие этого могут меняться оптические свойства слоя 230 (например, оптическая плотность) так, что спектр отраженного от датчика 2 света может меняться, что позволяет определять наличие и/или концентрацию определяемого вещества. В примерах осуществления изобретения с конфигурацией, изображенной на Фиг.3, полностью отражающий свет слой 240 выполнен проницаемым для определяемого вещества, как это описано ниже, и обеспечивает прохождение определяемого вещества к чувствительному к определяемому веществу слою 230. В примере осуществления изобретения с конфигурацией, изображенной на Фиг.3, полуотражающий слой 220 может быть выполнен проницаемым для определяемого вещества или может быть непроницаемым для него. В примере осуществления изобретения с конфигурацией, изображенной на Фиг.3, поскольку свет должен проходить сквозь подложку 210, она должна быть оптически прозрачной на длинах волн, представляющих интерес.
В примерах осуществления изобретения с конфигурацией, изображенной на Фиг.2, полуотражающий слой 220 выполнен проницаемым для определяемого вещества, поэтому такое вещество может проникать в датчик 2 с той же стороны, с которой он облучается. В таком случае датчик 2 может быть размещен в удобном месте (как показано в примере осуществления изобретения на Фиг.4) во внутреннем пространстве 125 корпуса 100 устройства 1 (например, он удерживается при помощи одного или более опорных кронштейнов 177), при этом датчик 2 оказывается оптически связанным, по меньшей мере, с одним источником света 31 и, по меньшей, мере, с одним фотоприемником 32. Под термином "оптически связан" подразумевается то, что датчик 2 выполнен с возможностью получения света от источника 31, а фотоприемник 32 выполнен с возможностью получения света, отраженного от датчика 2, либо непосредственно (например, в случае, когда указанные элементы обращены лицевой поверхностью друг к другу, как показано в примере осуществления изобретения на Фиг.4), либо при помощи одного или более зеркал. В таких примерах осуществления изобретения в корпусе 100 может быть выполнено одно или более неперекрываемых отверстий 101, чтобы определяемое вещество могло проникать во внутреннее пространство 125 корпуса 100 и попадать в проницаемый для определяемого вещества слой 220 датчика 2. Несмотря на то, что на Фиг.4 датчик 2 изображен размещенным в непосредственной близости от неперекрываемого отверстия 101 на первой (лицевой) основной поверхности 103 корпуса 100 и обращенным к источнику света 31 и фотоприемнику 32, которые размещены бок о бок в непосредственной близости со второй основной поверхностью 104 корпуса 100, возможно большое количества других конструктивных вариантов выполнения. Например, источник света 31 и фотоприемник 32 могут быть размещены на некотором расстоянии друг от друга; могут быть использованы зеркала для оптической связи датчика 2 с источником света 31 и/или фотоприемником 32; датчик 2 может быть размещен на некотором расстоянии от отверстия 101 и т.д.
В примерах осуществления изобретения с конфигурацией, изображенной на Фиг.3, полностью отражающий свет слой 240 может быть проницаемым для определяемого вещества, так, что такое вещество может проникать в датчик 2 со стороны, противоположной той, с которой он облучается. В таких примерах осуществления изобретения датчик 2 удобно разместить (как показано на примере осуществления изобретения на Фиг.5) в герметичном для проникновения определяемого вещества отверстии 102, или в непосредственной близости к нему, выполненном в корпусе 100 устройства 1, при этом проницаемый для определяемого вещества полностью отражающий свет слой 240 датчика 2 обращен наружу (т.е. от внутреннего пространства 125), а облучаемая сторона датчика 2 обращена во внутреннее пространство 125 так, что датчик 2 оптически связан, по меньшей мере, с одним источником света 31 и, по меньшей мере, с одним фотоприемником 32. В таких примерах осуществления изобретения датчик 2 и/или другие слои, выполненные по периметру датчика 2, могут герметично закрывать отверстие 102, так что внутреннее пространство 125 становится герметичным внутренним пространством 126. В таких примерах осуществления изобретения датчик 2 может включать, по меньшей мере, одну оптически прозрачную подложку, выполненную проницаемой для определяемого вещества (описана детально ниже), которая размещается между чувствительным к определяемому веществу слоем 230 датчика 2 и герметичным внутренним пространством 126.
Теперь более детально будут описаны свойства, способы выполнения и т.п. чувствительного к определяемому веществу слоя 230, подложки 210, при ее наличии, полуотражающего слоя 220 и полностью отражающего свет слоя 240. Такие свойства понимают как необходимые для выполнения полностью отражающих свет датчиков в большинстве случаев и, в частности, для любого из изображенных на Фиг.2 и на Фиг.3 примеров осуществления изобретения, описанных выше, кроме тех случаев, которые оговариваются специально. Хотя для обозначения описанных выше слоев используют одинаковые номера позиций, специалистам в данной области техники понятно, что такие слои и/или их соединения могут иметь одинаковые или разные конструктивное исполнение и/или состав. Различные другие слои, в том числе, например, связующие слои, адгезивные слои, защитные слои, покровные слои и им подобные слои, могут быть включены в состав датчика 2, если это необходимо, поскольку они никаким образом не влияют на функционирование датчика 2. Кроме того, все конструктивные варианты выполнения и конструктивные особенности устройства 1, описанные здесь, понимаются, как выполненные с возможностью применения в любом из описанных выше примеров осуществления изобретения, пока не будет оговорено иное.
Чувствительный к определяемому веществу слой 230 может быть выполнен из любого достаточно проницаемого для представляющего интерес - определяемого вещества материала, оптическая плотность которого меняется в достаточной степени при воздействии на него такого вещества, за счет чего обеспечивается необходимое функционирование датчика 2, описанного в настоящем изобретении. В некоторых примерах осуществления изобретения чувствительный к определяемому веществу слой выполнен из пористого материала. В данном случае под термином "пористый" подразумевается то, что материал содержит присущие ему, связанные, по меньшей мере, частично поры. Могут быть выбраны материалы, средний размер пор которых (согласно изотермы сорбции) составляет примерно менее 100 нм. В различных примерах осуществления изобретения могут быть выбраны материалы, средний размер пор которых составляет менее 20 нм, примерно менее 10 нм, или примерно менее 2 нм. Слой 230 может быть однородным или неоднородным, и может, например, быть выполнен из одного или более элементов неорганического происхождения, одного или более элементов органического происхождения или из композиции элементов органического и неорганического происхождения. Типичные материалы неорганического происхождения, которые могут быть использованы в слое 230, включают оксиды металлов, нитриды металлов, оксинитриды металлов и другие материалы неорганического происхождения, из которых могут быть изготовлены прозрачные (и, если требуется, пористые) слои соответствующей толщины для получения пригодного оптического сигнала. Например, слой 230 может быть выполнен из оксида кремния, нитрида кремния, оксинитрида кремния, оксида алюминия, оксида титана, нитрида титана, оксинитрида титана, оксида олова, оксида циркония, цеолитов или их комбинаций. Особенно востребованным материалом неорганического происхождения для выполнения чувствительного к определяемому веществу слоя может быть пористый кремний.
Пористый кремний может быть получен, например, путем золь-гель метода на пластине органического происхождения или без нее. Примерные пластины органического происхождения включают поверхностно-активные вещества (ПАВ), например, анионоактивные или неионные ПАВ, такие как соли алкилтриметиламмония, блок-сополимер поли(етиленоксид-со-пропилен оксид) и другие ПАВ или полимеры. Для образования сети пор внутри диоксида кремния золь-гель соединение может преобразовываться в соль кремниевой кислоты, а пластина органического происхождения удаляется. Также в качестве пластин органического происхождения может использоваться целый ряд органических молекул. Например, в качестве пластин органического происхождения для получения пористых силикатов могут использоваться сахара, такие как глюкоза и манноза. Органозамещенные силоксаны или органо-би-силоксаны могут быть включены в золь-гель соединение для получения более гидрофобных пор и ограничения сорбции водяного пара. Также для получения чувствительных к определяемому веществу пористых неорганических материалов может использоваться плазменный метод химического парофазного осаждения (CVD-процесс). Такой метод обычно включает формирование плазмы из газообразных прекурсоров, осаждение продуктов плазмы на подложке для формирования аморфного слоя с пространственной решеткой и последующий нагрев такого слоя для формирования пористого аморфного слоя с пространственной решеткой. Такие методы и материалы описаны детально в опубликованной заявке на изобретение US 2008/078281, которая включена в настоящее описание изобретения посредством ссылки.
В некоторых примерах осуществления изобретения чувствительный к определяемому веществу слой 230 изготовлен, по меньшей мере, частично из органосиликатных материалов, в настоящем изобретении описанных как композиции, т.е. гибридные композиционные материалы, имеющие трехмерную кремниевую решетку (-Si-O-Si-), ковалентно связанную с органофункциональными группами R, где R - замещенная на углеводород или гетероатом группа углеводородов, связанная с кремниевой решеткой по меньшей мере одной кремний-водородной (Si-C) связью. Такие материалы и способы их получения описаны дополнительно детально в американской заявке на изобретение серийный номер 61/140180, которая включена в настоящее описание изобретения посредством ссылки.
Типичные органические материалы, которые могут быть использованы для изготовления слоя 230, включают полимеры, сополимеры (в том числе блоксополимеры) и их смеси, приготовленные или выполненные с возможностью приготовления из классов мономеров, включающих гидрофобные акрилаты и метакрилаты, дифункциональные мономеры, виниловые мономеры, углеводородные мономеры (олефины), кремнийорганические мономеры, фторсодержащие мономеры, гидроксилированные мономеры, акриламиды, ангидриды, функционализированные альдегидами мономеры, функционализированные аминами или солями аминов мономеры, функционализированные кислотами мономеры, функционализированные эпоксидами мономеры, и их смеси или комбинации.
В некоторых примерах осуществления изобретения чувствительный к определяемому веществу слой 230 выполнен, по меньшей мере, частично из элементов, выбранных из группы материалов, содержащих так называемые "полимеры с внутренней микропористостью" (далее в настоящем изобретении - ПВМ). Полимеры этой группы описаны и охарактеризованы, например, в: "Polymers of Intrinsic Microporosity (PIMs): Robust, Solution-Processable, Organic Microporous Materials, "Budd et al., Chem. Commun., 2004, pp.230-231; "Polymers of Intrinsic Microporosity (PIMs)", McKeown et al., Chem. Eur. J, 2005, 11, No. 9, pp. 2610-2620; опубликованной заявке US 2006/0246273 и международной заявке WO 2005/012397A2, которые включены в настоящее изобретение посредством ссылки.
ПВМ могут быть получены посредством использования любой комбинации мономеров, в результате чего можно получить очень жесткий полимер, внутри которого есть достаточное количество структурных элементов, обеспечивающих образование скрученной структуры. В различных примерах осуществления изобретения ПВМ могут включать органические макромолекулы, обычно в виде планарных частиц, соединенных посредством жестких сшивающих агентов - линкеров, при этом упомянутые линкеры имеют такую точка изгиба, что две соединенные посредством линкера планарные частицы размещаются в некомпланарной ориентации. В дополнительных примерах осуществления изобретения такие материалы могут быть получены из органических макромолекул в виде первых, большей частью планарных частиц, соединенных посредством преимущественно жестких линкеров с максимум двумя другими упомянутыми первыми частицами, при этом упомянутые линкеры имеют такую точка изгиба, что две смежные первые планарные частицы, соединенные посредством линкера, размещаются в некомпланарной ориентации. В различных примерах осуществления изобретения такая точка изгиба может включать спирогруппу, молекулярное кольцо с внутренним мостиком или пространственно затрудненной простой ковалентной связью с ограниченным вращением вокруг.
Молекулы в цепях полимера с такой жесткой и скрученной структурой не могут формировать плотную структуру, таким образом, полимер обладает внутренней микропористостью. Таким образом, преимуществом ПВМ является наличие такого свойства, как микропористость, которая существенно не зависит от температурной предыстории материала. Преимуществами РIМов, таким образом, является то, что их можно воспроизводить в больших количествах и то, что они обладают свойствами, которые не меняются со временем, не зависят от срока годности и т.д.
Для многих случаев применения чувствительный к определяемому веществу слой 230 может быть гидрофобным. В результате может уменьшаться вероятность того, что водяной пар (или жидкость) послужит причиной изменений в чувствительном к определяемому веществу слое 230 и помешает обнаружить определяемое вещество, например пары органического растворителя.
Дополнительные детали и характеристики пригодных материалов, используемых для изготовления чувствительного к определяемому веществу слоя 230, и способы его изготовления из таких материалов описаны в опубликованной заявке US 2008/0063874, которая включена в настоящее описание изобретения посредством ссылки.
Датчик 2 может содержать полностью отражающий свет слой 240. В некоторых примерах осуществления изобретения полностью отражающий свет слой 240 может быть нанесен (например, с использованием различных способов, описанных в настоящем изобретении) на поверхности выполненного изначально чувствительного к определяемому веществу слоя 230; или полностью отражающий свет слой 240 может быть нанесен на подложке 210, при этом чувствительный к определяемому веществу слой 230 затем размещается на полностью отражающем свет слое 240.
Полностью отражающий свет слой 240 может быть выполнен из любого пригодного материала, который может иметь достаточную отражающую способность. В качестве таких материалов, пригодных для изготовления полностью отражающего свет слоя, могут быть использованы металлы или полуметаллы, такие как алюминий, хром, золото, никель, кремний и серебро. Другие пригодные материалы, из которых может быть изготовлен полностью отражающий свет слой, могут включать оксиды металлов.
В некоторых примерах осуществления изобретения полностью отражающий свет слой может иметь отражающую способность, по меньшей мере, примерно 90% (то есть пропускает примерно 10% света), и в некоторых примерах осуществления изобретения полностью отражающий свет слой может иметь отражающую способность, по меньшей мере, примерно 99% (то есть пропускает примерно 1% света) на длине волны примерно 500 нм.
В некоторых примерах осуществления изобретения (например, с конфигурацией, изображенной на Фиг.3) полностью отражающий свет слой 240 может быть выполнен проницаемым для определяемого вещества. Этого можно достичь, например, за счет выполнения полностью отражающего свет слоя 240 из наночастиц металла, размещенных в структуре, сходной по строению большому количеству пушечных ядер или мраморных шариков, сквозь которую определяемое вещество может проникать в чувствительный к такому веществу слой 230.
Могут быть использованы различные металлические наночастицы. Типичные для этого металлы включают серебро, никель, золото, платину, палладий и сплавы, содержащие любой из вышеперечисленных металлов. Могут использоваться металлы в виде наночастиц, подверженные окислению (например, алюминий), но желательно избегать этого и отдавать предпочтение металлам, менее чувствительным к воздуху. Металлические наночастицы могут быть выполнены полностью как единое целое или могут иметь многослойную структуру (например, гибридную структуру типа "ядро-оболочка", как, например, структура Ag/Pd). Средний диаметр наночастиц может составлять, например, от примерно 1 нм до примерно 100 нм, примерно от 3 нм до примерно 50 нм или от примерно 5 нм до примерно 30 нм. Общая толщина слоя из металлических наночастиц может, например, составлять меньше примерно 200 нм или меньше примерно 100 нм, и минимальная толщина слоя может, например, составлять, по меньшей мере, примерно 5 нм, по меньшей мере, примерно 10 нм или, по меньшей мере, примерно 20 нм. Несмотря на то, что для формирования монослоя могут применяться наночастицы большого диаметра, такой слой обычно формируют из нескольких следующих друг за другом слоев наночастиц, например, по меньшей мере, 2-х или более, 3-х или более, 4-х или более, или 5-ти или более, общая толщина слоя составляет до 5, до 10, до 20 или до 50 наночастиц. Полностью отражающий свет слой, выполненный из металлических наночастиц, может быть, например, по меньшей мере, примерно на 40%, по меньшей мере, примерно на 50% или, по меньшей мере, примерно на 60% отражающим на длине волны, составляющей примерно 500 нм. В различных примерах осуществления изобретения полностью отражающий свет слой, выполненный из металлических наночастиц, может быть, по меньшей мере, примерно на 80%, по меньшей мере, примерно на 90% или, по меньшей мере, примерно на 99% отражающим на длине волны, составляющей примерно 500 нм.
Существуют растворы или суспензии пригодных металлических наночастиц, которые можно приобрести у различных поставщиков, в том числе: паста марки InkJet Silver Conductor AG-IJ-G-100-S1 (от компании Cabot Printable Electronics and Displays); паста марки SILVERJET.TM. DGH 50 и DGP 50 (от компании Advanced Nano Products); паста марки SVW001, SVW102, SVE001, SVE102, NP1001, NP1020, NP1021, NP1050 и NP1051 (от компании Nippon Paint, США); паста марки METALON.TM. FS-066 и JS-011 (от компании Novacentrix Corp.) и нанопаста серии NP (от компании Harima Chemicals, Inc.). Металлические наночастицы могут быть на основе разнообразных разбавителей, в том числе на водной основе, на основе органических растворителей. Металлические наночастицы также могут быть на основе связующего вещества, содержащего полимеризуемый мономер, но для получения проницаемого слоя из наночастиц желательно, чтобы такое связующее удалялось из нанесенного покрытия (например, извлечением с помощью растворителя или прокаливанием).
Слой 240 может быть выполнен путем нанесения разбавленного пленкообразующего раствора или суспензии металлических наночастиц на чувствительный к определяемому веществу слой 230 и последующего высыхания этого раствора или суспензии с образованием проницаемого полностью отражающего свет слоя 240. Концентрация раствора, например, может быть такой, чтобы нанесенный раствор или суспензия обеспечивали получение проницаемого для жидкости или пара слоя из металлических наночастиц, например, с концентрацией взвешенных частиц менее 30 масс.%, менее 20 масс.%, менее 10 масс.%, менее 5 масс.% или менее 4 масс.%. За счет разбавления дополнительным растворителем приобретенного коммерческого продукта из металлических наночастиц, нанесения и последующего высушивания разбавленного раствора или суспензии может быть получен вполне определенный тонкий слой, проницаемый для жидкости или пара. Могут быть использованы различные методы нанесения раствора или суспензии из металлических наночастиц, в том числе кистью, окунанием, с помощью валка, методом центрифугирования, методом распыления, с помощью штампа, струйным методом, сетко-графическим методом (например, ротационной трафаретной печатью), глубокой печатью, флексографией и другими методами, известными специалистам. Нанесение методом центрифугирования может обеспечить более тонкое, более проницаемое покрытие по сравнению с нанесением покрытия другими способами. Соответственно, некоторые суспензии из наночастиц серебра, поставляемые с низкой концентрацией взвешенных частиц (такой как 5 масс.% серебра марки SVW001 от компании Nippon Paint или 10 масс.% SILVERJET DGH-50 или DGP-50 от компании Advanced Nano Products), могут использоваться в том виде, в котором они поставляются, без дополнительного разбавления, если такие суспензии наносятся методом центрифугирования на соответствующей высокой скорости и при соответствующей температуре на пригодную подложку. После нанесения слой из металлических наночастиц прокаливают (например, путем нагревания до температуры примерно от 125°С до примерно 250°С в течение примерно от 10 минут до примерно 1 часа) до тех пор, пока сохраняется соответствующая проницаемость. Очевидно, что образующийся при этом полностью отражающий свет слой может больше не содержать легко различимые наночастицы, но на него можно ссылаться как на выполненный из наночастиц слой, полностью отражающий свет, для определения метода, с помощью которого такой слой был выполнен.
Дополнительные детали и свойства пригодных проницаемых для определяемого вещества материалов, используемых для выполнения полностью отражающего свет слоя 240, в частности материалов из металлических наночастиц, описаны, например, в опубликованной заявке US 2008/0063874, которая включена в настоящее описание изобретения посредством ссылки.
Датчик 2 может содержать полуотражающий слой 220. В различных примерах осуществления изобретения полуотражающий слой 220 может быть нанесен (например, с использованием различных способов, описанных в настоящем изобретении) на поверхности ранее выполненного чувствительного к определяемому веществу слоя 230, или полуотражающий слой 220 может быть нанесен на подложке 210, при этом чувствительный к определяемому веществу слой 230 затем наносится на полуотражающий слой 220.
Полуотражающий слой 220 по определению имеет более низкий коэффициент отражения, чем полностью отражающий свет слой 240. Полуотражающий слой 220 может быть выполнен из любого пригодного материала, который может иметь полуотражающую способность (например, при определенной толщине). Пригодные материалы могут включать металлы или полуметаллы, такие как алюминий, хром, золото, никель, кремний и серебро. Также могут быть использованы оксиды металлов.
В различных примерах осуществления изобретения полуотражающий слой 220 может быть отражающим свет примерно от 30% до 70% или примерно от 40% до 60% на длине волны примерно 500 нм.
В некоторых примерах осуществления изобретения (например, в примерах с конфигурацией, изображенной на Фиг.2) полуотражающий слой 220 предпочтительно может быть выполнен проницаемым для определяемого вещества. Таким образом, в этом случае может быть предпочтительным выполнение полуотражающего слоя 220 с соответствующей толщиной для получения соответствующей проникающей способности, чтобы определяемое вещество могло, проникая сквозь полуотражающий слой 220, попадать в чувствительный к этому веществу слой 230. В отдельных случаях желательная толщина составляет порядка 5 нм (например, если полуотражающий слой 220 наносится осаждением из паров для получения металлического слоя). Толщина слоя может быть такой, которая требуется, и его получение будет зависеть от используемого материала и определяемого вещества.
Полуотражающий слой 220 и полностью отражающий свет слой 240 могут быть выполнены из подобных или одних и тех же материалов (например, нанесенных с разной толщиной или плотностью покровного слоя, чтобы придать им необходимые разные коэффициенты отражения). Полуотражающий слой 220 и полностью отражающий свет слой 240 могут быть сплошными или прерывистыми до той степени, пока обеспечиваются требуемые для определенного случая свойства отражающей способности и проницаемости. Дополнительно особенности пригодных полуотражающих слоев и полностью отражающих свет слоев, их свойства и способы выполнения описаны, например, в опубликованной заявке US 2008/0063874, которая включена в настоящее описание изобретения посредством ссылки.
Подложка 210, при ее наличии, может быть выполнена из любого пригодного материала (например, стекла, пластмассы и т.п.), обеспечивающего опору для датчика. В примерах осуществления изобретения, в которых световой пучок проходит сквозь подложку 210 и облучает датчик 2, подложка 210 должна быть оптически прозрачной (т.е. должна иметь достаточную прозрачность на используемых длинах волн) и у нее не должно быть других свойств (например, флюоресценции), отрицательно влияющих на оптический сигнал. В некоторых примерах осуществления изобретения подложка 210 выполнена в виде изолирующего материала, проницаемого для определяемого вещества и/или других веществ (например, газа, пара или плотного вещества). Особенно значительными изолирующими свойствами могут обладать определенные полимерные подложки (например, полукристаллические полимеры и т.п.). Другие полимерные подложки (например, выполненные из стеклообразных полимеров, таких как поликарбонат, полистирол и им подобных материалов), не обладая изолирующими свойствами, такими же, как, например, у полиэстера, могут быть достаточно непроницаемыми и могут использоваться в настоящем изобретении.
Представленное на Фиг.4 и Фиг.5 устройство 1 включает, по меньшей мере, один источник света 31 для направления света на, по меньшей мере, один датчик 2. В качестве источника света 31 может быть использован любой из подходящих источников света, в том числе лампа (например, лампа накаливания) и ей подобный источник. В некоторых примерах осуществления изобретения в качестве источника света 31 может быть использован светодиод. В определенных примерах осуществления изобретения в качестве источника света 31 может быть выполнен широкополосный источник света, т.е. излучающий относительно широкополосный свет (например, белый свет). В других примерах осуществления изобретения в качестве источника света 31 может быть использован узкополосный источник света (например, светодиод), который излучает свет в определенном, относительно узком диапазоне длин волн. В различных примерах осуществления изобретения такие узкополосные источники света могут излучать свет в полосе частот, измеренной на уровне половины мощности излучения, не более чем примерно 50 нм, примерно 40 нм или примерно 25 нм. В качестве таких светодиодов могут быть использованы, например, светодиоды марки OVLBx4C7 производства компании Optek, г.Кэрроллтон, шт.Техас.
Представленное на Фиг.4 и Фиг.5 устройство 1 включает, по меньшей мере, один фотоприемник 32 для регистрации и измерения света, отраженного от, по меньшей мере, одного датчика 2. Фотоприемник 32 может быть выполнен в виде любого из известных подобных устройств с возможностью измерения количества падающих на него фотонов, в том числе, например, в виде фотоумножителя, фотогальванического элемента, прибора с зарядовой связью и им подобных устройств. Фотоприемник 32 может быть использован для получения сигнала (например, напряжения, силы тока и т.п.), соответствующего количеству принятых фотонов (например, интенсивности или силе света, отраженного от датчика 2), и такой сигнал дополнительно может обрабатываться, как это описано ниже. В некоторых примерах осуществления изобретения в качестве фотоприемника 32 может быть использован фотодиод. В некоторых примерах осуществления изобретения фотоприемник 32 может регистрировать свет определенного (например, относительно узкого) диапазона длин волн. В других примерах осуществления изобретения фотоприемник 32 может быть выполнен в виде широкополосного датчика, который может регистрировать свет в относительно широком диапазоне длин волн. В различных примерах осуществлении изобретения такие широкополосные фотоприемники могут быть выполнены с возможностью обнаружения света в диапазоне длин волн шириной, по меньшей мере, примерно 150 нм, 250 нм или 500 нм. Например, могут быть использованы фотодиоды марки SFH 2430 производства компании OSRAM, г.Регенсбург, Германия.
Устройство 1, таким образом, включает, по меньшей мере, один источник света 31 и, по меньшей мере, один фотоприемник 32, выполненные с возможностью оптического облучения, по меньшей мере, одного датчика 2. Источник света 31 может быть размещен так, что, по меньшей мере, часть светового пучка, исходящего из источника 31, попадает на датчик 2. В некоторых примерах осуществления изобретения источник света 31 может быть размещен возле датчика 2 и выполнен с возможностью попадания света, излучаемого источником света 31, непосредственно на датчик 2. В различных вариантах осуществления изобретения источник света 31 может быть размещен на расстоянии примерно менее чем 30 мм, 20 мм или 10 мм от датчика 2. Аналогичным образом, фотоприемник 32 может быть размещен возле датчика 2 и выполнен с возможностью попадания на него, по меньшей мере, части светового потока, отраженного от датчика 2. В различных вариантах осуществления изобретения фотоприемник 32 может быть размещен на расстоянии примерно менее чем 30 мм, 20 мм или 10 мм от датчика 2.
В некоторых примерах осуществления изобретения устройство 1 может быть выполнено так, что свет, излучаемый источником света 31, попадает на датчик 2 не прямо, а после отражения от одного или более зеркал (не показаны ни на одном чертеже), размещенных на оптическом пути между источником света 31 и датчиком 2. Аналогично, в некоторых примерах осуществления изобретения устройство 1 может быть выполнено так, что свет, отраженный от датчика 2, поступает на фотоприемник 32 не прямо, а после отражения от одного или более зеркал (не показаны), размещенных на оптическом пути между датчиком 2 и фотоприемником 32.
В различных примерах осуществления изобретения источник света 31 и фотоприемник 32 могут быть выполнены с возможностью направления, по меньшей мере, некоторого количества света от источника света 31 на датчик 2 и попадания отраженного от него, по меньшей мере, некоторого количества света на фотоприемник 32, при этом сводится к минимуму внешнее освещение (или любой свет, отличный от отраженного непосредственно от датчика 2), падающее на фотоприемник 32. В определенных примерах осуществления изобретения может быть полезным размещение фотоприемника 32 в непосредственной близости от источника света 31, как это показано в примерных вариантах, изображенных на Фиг.4 и Фиг.5. В различных вариантах осуществления изобретения фотоприемник 32 может быть размещен на расстоянии не более чем примерно 5 мм, 10 мм или 15 мм от источника света 31 (например, измеренное как расстояние между их центрами). В некоторых вариантах осуществления изобретения источник света 31 и фотоприемник 32 могут быть установлены на обычной печатной плате 38, как показано в примерах на Фиг.4 и Фиг.5. В таких случаях источник света 31 и фотоприемник 32 могут располагаться в одной плоскости, что в настоящем изобретении подразумевает конфигурацию, в которой, по меньшей мере, часть источника света 31 и часть фотоприемника 32 находятся в плоскости, параллельной плоскости, в которой размещена печатная плата (даже если источник света 31 или фотоприемник 32, или они оба могут быть размещены под углом относительно друг друга, как описано детально ниже).
В некоторых примерах осуществления изобретения источник света 31, датчик 2 и/или фотоприемник 32 могут быть размещены под определенными углами относительно друг друга, чтобы увеличить количество света, направляемого от источника света 31 на датчик 2, и количество света, отраженного от датчика 2, которое попадает на фотоприемник 32.
Например, в конфигурациях такого типа, который изображен на Фиг.7, фотоприемник 32 размещается на линии пересечения вертикальной оси ("z") датчика 2 с печатной платой 38 (под этим подразумевается то, что, по меньшей мере, участок чувствительной к свету области фотоприемника 32 размещается на пересечении вертикальной оси датчика 2, исходящей из центра датчика 2, с печатной платой 38), при этом источник (источники) света 31 размещены в непосредственной близости (сбоку рядом) к фотоприемнику 32 (например, немного в стороне от оси, относительно вертикальной оси датчика 2). В такой конфигурации источник света 31 может быть расположен под углом так, что количество света, исходящего от источника света 31 и поступающего на датчик 2, увеличивается. Фотоприемник 32 размещается так, что на него падает свет, отраженный от датчика 2. В различных других примерах осуществления изобретения фотоприемник 32 (дополнительно к источнику света 31 или вместо него) может быть размещен немного в стороне относительно вертикальной оси датчика 2. Любое подходящее взаимное расположение источника света 31, датчика 2 и фотоприемника 32 является приемлемым до тех пор, пока в достаточной степени обеспечивается оптическое облучение датчика 2. Например, вместо размещения в непосредственной близости к основной поверхности 103 корпуса 100 или относительно параллельно ей (как изображено на Фиг.4, Фиг.5 и Фиг.6) датчик 2 может быть размещен на некотором расстоянии от такой поверхности и/или под углом к ней, если только обеспечивается правильное взаимное размещение датчика 2 относительно источника света 31 и фотоприемника 32.
В определенных примерах осуществления изобретения источник света 31 может быть установлен на печатную плату 38 (например, прикреплен к ней) под углом (как изображено на Фиг.6) так, что между источником света 31 и датчиком 2 образуется необходимый угол. Например, если в качестве источника света 31 используется светодиод, он может быть электрически соединен с печатной платой 38 любым известным способом. Для обеспечения необходимого угла лучше использовать способ крепления к поверхности посредством сквозных отверстий, хотя также, если необходимо, может быть применен поверхностный монтаж. Для размещения источника света 31 на печатной плате 38 под необходимым углом, если требуется, может использоваться одно или более удерживающих устройств (например, кронштейны, хомуты, т.п.). В различных дополнительных примерах осуществления изобретения (не показаны на Фиг.6) фотоприемник 32 может быть установлен под некоторым углом на печатную плату 38 (например, прикреплен к ней) так же, как устанавливается источник света 31.
Устройство 1 может быть выполнено так, что количество света, непосредственно отраженного от датчика 2 и попадающего на фотоприемник 32, увеличивается, и при этом минимизируется количество света, попадающего на фотоприемник 32 от других источников. Например, в определенных конфигурациях устройства 1, минимизируя количество внешнего света, попадающего во внутреннее пространство 125, можно минимизировать количество света, направляемого непосредственно от источника света 31 на фотоприемник 32.
Таким образом, в некоторых примерах осуществления изобретения какая-то часть корпуса 100, большая его часть или весь корпус 100 могут быть выполнены из светонепроницаемого материала. В некоторых примерах осуществления изобретения какая-то часть внутренней поверхности 127 корпуса 100, большая ее часть или вся поверхность (например, поверхность, обращенная к внутренней поверхности 125) могут быть неотражающими (например, светопоглощающей, непроницаемой, темной и т.п.). Это может быть достигнуто, например, за счет изготовления корпуса 100 путем литья из окрашенного пигментом (например, черного) материала, за счет использования противоотражающего, непроницаемого и т.п. покрытия на внутренней поверхности корпуса 100 и другими подобными способами. В некоторых примерах осуществления изобретения в качестве источника света 31 может быть использован источник света (например, светодиод) с относительно малым углом рассеяния светового пучка. В различных примерах осуществления изобретения источник света 31 может иметь такой угол рассеяния светового пучка, что более 90% света излучается внутри угла плюс/минус 30° от центра пучка, или под углом плюс или минус 20° относительно центра пучка. В некоторых примерах осуществления изобретения для того, чтобы ограничить световой поток, который может попасть на фотоприемник 32 непосредственно от источника света 31, размещают один или более оптических барьеров. Так, в примере выполнения на Фиг.6 изображен оптический барьер 128, который размещен так, чтобы, по меньшей мере, какая-то часть света не попадала на фотоприемник 32. Оптический барьер 128 может быть выполнен из любого пригодного материала (например, светонепроницаемого материала) и может быть любого пригодного размера или формы и размещен в любом пригодном месте, пока обеспечивается необходимое блокирование света. Оптический барьер 128 может быть размещен вблизи источника света 31. В некоторых примерах осуществления изобретения оптический барьер 128 может быть выполнен в виде держателя (например, втулки), который позволяет удерживать источник света 31 в нужном положении (например, под углом) относительно печатной платы 38. Дополнительно к такому размещению или вместо него в тех же целях оптический барьер аналогичным образом может быть размещен вблизи фотоприемника 32
В дополнительных примерах осуществления изобретения в устройстве 1 может использоваться множество источников света 31 и/или множество фотоприемников 32. При таком подходе возможны различные варианты. Например, могут быть использованы два, три, четыре или более источников света 31. В отдельных примерах осуществления изобретения могут быть использованы различные источники света 31а, 31b и т.д., при этом каждый излучает свет с максимумом на длине волны, отличной от длины волны других источников света (например, могут быть использованы светодиоды с различными диапазонами длин волн). В такой конструкции различные источники света могут быть установлены в непосредственной близости к обычному фотоприемнику (пример выполнения, включающий два источника света 31а и 31b, изображен на Фиг.7). Каждый отдельный источник света может быть размещен смещенным относительно оси датчика 2 и/или под углом относительно печатной платы 38, как в вышеописанном варианте с источником света 31 (например, как изображено в примерном варианте на Фиг.7). Могут быть размещены один или более оптических барьеров 128.
В дополнительных примерах осуществления изобретения может быть использовано множество фотоприемников. Например, каждый источник света 31, который излучает свет с максимумом на определенной длине волны, может быть использован в комбинации с фотоприемником, выполненным для обнаружения света в таком же определенном диапазоне длин волны. В других примерах осуществления изобретения может быть использовано множество (например, узкополосных) фотоприемников в комбинации с единственным широкополосным источником света 31.
В других примерах осуществления изобретения единственный фотоприемник 32 (например, широкополосный приемник 32, выполненный с возможностью обнаружения света во всем диапазоне длин волн, в котором излучают узкополосные источники света 31 с отдельными индивидуальными значениями длин волн) может быть использован в комбинации с большим количеством узкополосных источников света 31 (например, как изображено на Фиг.7). В таких конфигурациях источники света 31 могут включаться последовательно с достаточной задержкой во времени (например, по меньшей мере, через 1 мс) между включением каждого источника света 31 так, что обычный фотоприемник 32 может обнаруживать сигнал, соответствующий количеству света, поступающего от источника света 31а, затем может отдельно обнаруживать сигнал, соответствующий количеству света, поступающего от источника света 31b и т.д. Преимуществом такой конфигурации является использование только одного фотоприемника.
Использование множества источников света 31 и/или множества фотоприемников 32 расширяет функциональные возможности устройства 1. Например, такие конфигурации позволяют обнаруживать более широкий ряд определяемых веществ, чувствительных в более широком диапазоне значений концентрации определяемого вещества и обеспечивают более точную оценку такой концентрации; в таких конфигурациях может отпадать необходимость в калибровке устройства 1 каждый раз, когда устанавливается новый датчик 2 или осуществляется замена такого датчика и т.д. Таким образом, в некоторых примерах осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением до осуществления контроля за атмосферой, потенциально содержащей определяемое вещество, не требуется проведения процедуры калибровки, при которой датчик подвергается воздействию калибровочного газа, содержащего определяемое вещество известной, ненулевой концентрации.
3
3
3
Описываемые здесь устройства и способы также могут обеспечить облучение датчика 2 за счет оптического отражения с минимальным использованием пространства и с минимальными затратами, поскольку в таких случаях минимизируется количество используемых элементов, таких как оптоволоконные кабели, линзовые антенные решетки, сменные светофильтры и им подобные элементы. В частности, если требуется, устройство 1 может быть изготовлено легким, переносным, которое может функционировать без использования внешнего источника питания. В различных примерах осуществления изобретения внутреннее пространство 125/126 устройства 1 может быть менее чем примерно 100 см, менее чем примерно 60 см или менее чем примерно 30 см.
Некоторые примеры осуществления изобретения могут обеспечивать функционирование датчика 2 в качестве индикатора окончания срока службы средств защиты органов дыхания. Различные примеры выполнения средств защиты органов дыхания описаны в заявке US 2008/0063575, которая включена в настоящее описание изобретения посредством ссылки. В таких примерах осуществления изобретения определенные элементы (например, крышка 140, защитный слой 300), которые могут находить применение при использовании устройства 1, например в качестве нагрудного дозиметра или дозиметра местности, могут использоваться или не использоваться.
В некоторых примерах осуществления изобретения датчик 2 может быть выполнен как постоянно установленный в устройстве 1 элемент. В других примерах осуществления изобретения датчик 2 может быть выполнен в виде съемного элемента (например, его можно вынимать и/или заменять). Может быть предпочтительным надежное размещение (например, закрепление) датчика 2 в устройстве 1 (и, как вариант, при выполнении этого перекрывание отверстия 102) с минимальным использованием или без использования клейких веществ (в том числе таких веществ, как, например, клейкая лента, жидкий клей, термически отверждаемый клей, радиационно отверждаемый клей), которые могут содержать мельчайшие частицы, способные помешать функционированию датчика 2. Таким образом, может быть предпочтительным закрепление датчика 2 посредством одного или более механических средств крепления (например, скобы, зажима, крышки и им подобных средств). Также может быть предпочтительным закрепление датчика 2 таким образом, чтобы это не вызывало его отклонение, искривление или деформацию. В примерах осуществления изобретения, подобных варианту, изображенному на Фиг.8, датчик 2 закрепляется (и в результате перекрывает отверстие 102) посредством крышки 140. В таких примерах осуществления изобретения корпус 100 может иметь фланец 105, на котором может размещаться внешняя граница краевого участка 215 датчика 2 (например, участок подложки 210 датчика 2), и стенку 106, которая не дает датчику 2 смещаться в сторону относительно отверстия 102. Крышка 140 выполнена с возможностью закрепления на корпусе 100 устройства 1, и в таком случае она прочно удерживает датчик 2 и перекрывает отверстие 102. Крышка 140 может быть выполнена с возможностью закрепления на корпусе 100 устройства 1 посредством любого пригодного механизма крепления (не показано). Например, крышка 140 может иметь резьбовое крепление, байонетное крепление, может крепиться посредством одной или более скоб, зажимов и им подобных средств, может крепиться посредством механических крепежных средств, таких как застежка "липучка", лента с резинкой и т.п. Крышка 140 может иметь участок 141, выполненный с возможностью прочного удерживания внешней границы краевого участка 215 датчика 2 (например, против фланца 105 корпуса 100). Для перекрывания отверстия 102 может использоваться одна или более уплотняющих прокладок, таких как уплотнительное кольцо (например, между краевым участком 215 датчика 2 и участком 141 крышки 140 или фланца 105 корпуса 100). Крышка 140 может также иметь проницаемый для определяемого вещества участок 142. Участок 142 может быть выполнен в виде открытого пространства (например, как в варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.8). Или он может быть выполнен в виде одного или более элементов (например, экранирующей решетки, барьера) с промежутками между ними и/или может быть выполнен в виде перфорированного листового материала, металлической сетки и т.п. (например, как в варианте осуществления изобретения, показанном на Фиг.9) так, чтобы обеспечивать механическую защиту датчика 2, и при этом обеспечить возможность проникновения в него определяемого вещества. Тогда как в вариантах осуществления изобретения, изображенных на Фиг.8 и на Фиг.9, датчик 2 удерживается за счет прижатия вовнутрь (в направлении внутреннего пространства 126 устройства 1), в других примерах осуществления изобретения датчик 2 может удерживаться посредством прижатия в направлении наружу, например вплотную к фланцу или какой-либо другой части корпуса 100.
Когда датчик 2 прочно закреплен (не имеет значение, каким способом), отверстие 102 может перекрываться так, что внутреннее пространство 125 становится герметически закрытым внутренним пространством (126). Под герметически закрытым подразумевается то, что пар или плотные вещества (например, пыль) не могут проникать во внутреннее пространство 126 устройства 1. Перекрывание отверстия 102 может обеспечиваться при помощи датчика 2 (например, посредством оптически прозрачной подложки 210 датчика 2, которая может быть непроницаемой для определяемого вещества и/или любого другого газа, жидкости, пара, т.п.) или посредством одного или более вспомогательных защитных слоев. Такой второстепенный защитный слой может прилагаться к датчику 2 (например, может прикрепляться к датчику 2, может предлагаться в комплекте с датчиком 2 и т.д.) или может быть постоянно установленным элементом (например, прозрачное окошко) корпуса 100 устройства 1.
В конфигурациях такого типа поверхность проницаемого для определяемого вещества полностью отражающего свет слоя 240 датчика 2 может быть обращена наружу (в направлении от непроницаемого внутреннего пространства 126), и поверхность оптически прозрачной подложки 210 датчика 2 может быть обращена вовнутрь так, что датчик 2 может оптически облучаться световыми лучами 40, 41 и 42, проходящими сквозь оптически прозрачную подложку 210. В таких конфигурациях устройство 1 способно обнаруживать вещества, при этом определяемое вещество (или любой другой плотный, жидкий или парообразный материал) не попадает в герметически закрытое внутреннее пространство 126. Поскольку внутреннее пространство 125 содержит различные оптоэлектронные элементы, на которые может разрушительно воздействовать определяемое вещество и/или другие вещества, выполнение внутреннего пространство 125 как герметически закрытого внутреннего пространства (126) может иметь преимущества. Помимо того, что оптоэлектронные элементы, размещенные во внутреннем пространстве 126, защищены от веществ, воздействующих извне на устройство 1, непроницаемая подложка 210 (и/или любые другие вспомогательные защитные слои, при их наличии) может защищать датчик 2 от воздействия веществ, которые могут присутствовать во внутреннем пространстве 126 (например, клеи или вещества в нем, которые, возможно, использовались при сборке оптоэлектронных элементов).
Крышка 140 может также использоваться в примерах осуществления изобретения, подобных варианту, изображенному на Фиг.4, например, для накрывания неперекрываемого отверстия 101, так что различные элементы во внутреннем пространстве 125 физически не повреждаются, при этом, по-прежнему, обеспечивается проникание определяемого вещества во внутреннее пространство 125.
Другие слои, элементы и т.п. также могут быть включены в устройство 1 для различных целей. Например, один или более дополнительных слоев (например, оптически прозрачные пленки) могут быть размещены между датчиком 2 и источником (источниками) света 31, фотоприемником(фотоприемниками) 32 и/или различными другими оптоэлектронными элементами устройства 1. В некоторых примерах осуществления изобретения источник(источники) света 31, фотоприемник(фотоприемники) 32 и/или различные другие оптоэлектронные элементы могут быть размещены во внутреннем пространстве 125 устройства 1 позади одного или более оптически прозрачных слоев, которые могут служить защитой для таких элементов (например, от пыли, грязи, примесей и т.п.), при этом обеспечивать возможность прохождения света сквозь оптически прозрачный слой и облучения датчика 2.
В некоторых примерах осуществления изобретения может быть необходимо выполнение одного или более слоев, проницаемых для определяемого вещества в парообразном или газообразном состоянии, но выполненных с возможностью обеспечения защиты против проникания во внутреннее пространство 125 устройства 1 жидкого определяемого вещества или любого жидкого или плотного вещества, которое может воспрепятствовать работе устройства 1. Таким образом, может быть полезным выполнение защитного слоя 300, размещенного между отверстием 101/102 и внутренним пространством 125/126 устройства 1. Защитный слой 300 может быть выполнен из любого материала, газо- и/или паропроницаемого настолько, что обеспечивается возможность в достаточной степени проникания определяемого вещества в газообразном или парообразном состоянии и воздействия его на датчик 2 так, что обеспечивается получение соответствующего обратного сигнала, при этом нежелательные вещества в жидком состоянии в достаточной степени или полностью не проникают в датчик. Следовательно, защитный слой 300 может быть выполнен из любого пригодного пористого материала, обеспечивающего возможность проникания газа и/или пара и в достаточной степени препятствующего попаданию жидкости. (В этом описании под характеристикой "в достаточной степени препятствующего попаданию жидкости" подразумевается, что при том, что защитный слой может пропускать жидкость под воздействием давления в достаточно высокой степени, например, в случае ваккумирования, тем не менее жидкость не проникает в слой в таких случаях, как случайный контакт с жидкостью, большое количество жидкости, расплескивание и т.п.). Такие материалы могут включать, например, пористые и/или микропористые мембраны, нетканые сетки, тканый материал и им подобные материалы. При необходимости такие материалы могут обрабатываться так, что меняется их способность впитывать вещества и/или способность не пропускать жидкость. Для выполнения защитного слоя 300 могут быть использованы, например, материалы производства компании Pall Corporation, Ист Хиллс, шт. Нью-Йорк, под торговой маркой Versapore R.
Защитный слой 300 может быть размещен внутри или вблизи отверстия 102 и может удерживаться, например, крышкой 140, как показано в примерной конфигурации, изображенной на Фиг.9. В некоторых примерах осуществления изобретения защитный слой 300 может быть выполнен из сжимаемого пористого материала, что помогает удерживать датчик 2, когда крышка 140 закреплена на корпусе 100 устройства 1.
Защитный слой 300 может находиться или не находиться в непосредственном контакте с датчиком 2 (с проницаемым для определяемого вещества полностью отражающим свет слоем 240 датчика 2) до тех пор, пока требуется необходимая защита. Защитный слой 300 может быть размещен внутри отверстия крышки 140, например, в непосредственной близости к проницаемому для определяемого вещества участку 142 крышки 140, который может размещаться над защитным слоем 300, чтобы удерживать его и обеспечивать механическую защиту и при этом обеспечивать попадание определяемого вещества на датчик 2. Если необходимо, защитный слой 300 и/или крышка 140 могут быть съемными.
При облучении датчика 2 в соответствии с настоящим изобретением может быть получен сигнал, соответствующий наличию и/или концентрации определяемого вещества (например, в атмосфере, за которой осуществляется контроль). В некоторых примерах осуществления изобретения сигнал, генерируемый, по меньшей мере, одним фотоприемником 32 устройства 1, является электрическим сигналом, например, в виде значения напряжения или силы тока (например, генерируемый фотоприемником 32 в ответ на падающий на него свет). То есть фотоприемник 32 может преобразовывать оптический сигнал (например, интенсивность света), поступающий от датчика 2, в сигнал, такой как напряжение, с которым затем можно совершать операции, обрабатывать и т.д. Устройство 1 дополнительно может иметь один или более аналого-цифровых преобразователей, которые могут преобразовывать сигнал в цифровую форму для упрощения его последующей обработки при помощи микропроцессора. В случае использования множества фотоприемников 32 с каждого из них может быть получен отдельный сигнал.
Сигналы, полученные с одного или более фотоприемников 32, могут быть обработаны (отдельный сигнал или совокупность сигналов) в соответствии с алгоритмами, реализуемыми программами, записанными в электронном блоке устройства 1 (например, в виде загружаемых программ или встроенных программ), если это необходимо. Таким образом, устройство 1 может включать такие элементы, как электронные схемы и т.п., которые необходимы для выполнения такой обработки сигнала, а также, если необходимо, осуществлять управление источниками света 31 и/или фотоприемниками 32 и т.д. Согласно функциональной блок-схеме, изображенной на Фиг.10, устройство 1 может включать микропроцессор 37, обеспечивающий возможность управления источником(источниками) света 31 и управления фотоприемником(фотоприемниками) 32 и получения сигналов от него(от них), при этом он может обрабатывать сигналы, полученные от фотоприемника(фотоприемников) 32, совершать с ними операции и т.д., сохранять в памяти различные данные и параметры, может управлять дисплеем 36, связан с пользовательским интерфейсом 39, может получать питание от источника питания 34 (внутреннего или внешнего) через блок питания 35 и может выполнять другие функции, если необходимо. В отдельных примерах осуществления изобретения устройство 1 может включать микропроцессор, такой как микропроцессор производства компании Texas Instruments под торговой маркой MSP430F437IPN, который может быть особенно пригоден для тех случаев, которые здесь описаны. Устройство 1 может включать другие электронные и/или оптические элементы, которые необходимы для его функционирования. В качестве таких элементов могут быть, в том числе один или более резисторов, конденсаторов, дросселей, микросхем, драйверов, трансиверов, антенн и т.д. Различные элементы устройства 1 могут быть соединены с одной или более печатной платой и/или непосредственно установлены на ней(на них). В некоторых примерах осуществления изобретения различные компоненты устройства 1 устанавливаются на единой обычной печатной плате 38.
Таким образом, устройство 1 может на основе сигналов, полученных и/или обработанных, как это было описано, сформировать предупредительный сигнал, который соответствует, например, заданной концентрации определяемого вещества в атмосфере, за которой осуществляется контроль. Предупредительный сигнал может предъявляться пользователю устройства 1 (например, в форме визуального, звукового или осязаемого сигнала). В одном примере осуществления изобретения в качестве предупредительного сигнала может быть предъявляемое в цифровой форме фактическое значение концентрации определяемого вещества в контролируемой атмосфере. В дополнение к этому и/или вместо этого предупредительный сигнал может быть сформирован в виде некоего воспринимаемого пользователем сигнала, соответствующего такому цифровому значению. Например, устройство 1 может сгенерировать звуковой сигнал (например, короткий звуковой сигнал, писк, сигнал тревоги), визуальный сигнал и/или вибрационный сигнал при обнаружении определяемого вещества и/или при обнаружении определенного его количества.
В некоторых примерах осуществления изобретения устройство 1 может иметь индикаторы, показывающие не количественное значение концентрации, а, например, указывающие на наличие определяемого вещества, например - выше определенной концентрации. В некоторых примерах осуществления изобретения устройство 1 может обеспечивать качественную и/или количественную информацию (например, оценку или показатель концентрации определяемого вещества в воздухе, за которым осуществляется контроль). В некоторых примерах осуществления изобретения устройство 1 может обеспечивать суммарный показатель (т.е. общий показатель, получаемый из показателя концентрации определяемого вещества в воздухе, за которым осуществляется контроль, за период времени, который может длиться несколько часов). В некоторых других примерах осуществления изобретения устройство 1 может обеспечивать показания в режиме "реального времени", которые являются мгновенным значением (например, за период в несколько минут или меньше) концентрации определяемого вещества в воздухе. В некоторых примерах осуществления изобретения устройство 1 может передавать такую информацию либо в реальном времени, либо периодически (например, посредством передачи сохраненной информации) на приемную станцию. Например, устройство 1 может передавать такую информацию (посредством беспроводной связи или с помощью инфракрасных лучей) на компьютер, рабочую станцию, центральное обрабатывающее устройство и им подобные средства.
Устройство 1 может использоваться для обнаружения и/или контроля за одним или более представляющим интерес веществом. Такое определяемое вещество может быть в виде пара или газа, которое может содержаться в окружающей среде (часто, в воздухе) и за которым необходимо осуществлять контроль. В некоторых примерах осуществления изобретения определяемым веществом является органическое вещество в газообразном состоянии (например, летучее органическое соединение). Типичные определяемые вещества органического происхождения могут включать замещенные или незамещенные соединения углеродистых веществ, в том числе алканы, циклоалканы, ароматические соединения, спирты, простые эфиры, сложные эфиры, кетоны, галогеноуглероды, амины, органические кислоты, цианаты, нитраты и нитрилы, например, n-октан, циклогексан, метилэтилкетон, ацетон, этилацетат, сероуглерод, тетрахлорметан, бензол, толуол, стирол, диметилбензол, метилхлороформ, тетрагидрофуран, метиловый спирт, этиловый спирт, изопропиловый спирт, н-бутиловый спирт, трет-бутиловый спирт, 2-этоксиэтанол, уксусная кислота, 2-аминопиридин, монометиловый эфир этиленгликоля, 2,4-тоулендиизоцианат, нитрометан, ацетонитрил и им подобные вещества.
Работа устройства 1 основана на облучении светом датчика 2, по меньшей мере, от одного источника света 31 направляющего, по меньшей мере, часть поступающего света, по меньшей мере, на один датчик 2, и измерении количество света, отраженного от датчика 2, посредством использования, по меньшей мере, одного фотоприемника 32. Параметры света, отраженного от датчика 2, зависят от интерференции световых потоков, которые отражаются от различных слоев (например, полностью отражающего свет слоя и/или полуотражающего слоя). Такой отраженный свет может иметь обычный спектр отражения, типичный вид которого представлен на Фиг.11 с одним или более максимумами (например, 181, 182 и/или 183 и т.д.) и минимумами в данном диапазоне длин волн. Величина и/или положение максимумов может меняться в зависимости от наличия определяемого вещества.
Оценка всего спектра отражения требует сложного оборудования, поэтому может быть предпочтительным избирательное облучение датчика 2 в одном или более отдельном диапазоне длин волн. Таким образом, в некоторых примерах осуществления изобретения устройство 1 включает один источник света 31, излучающий в заданном относительно узком диапазоне длин волн А (см. Фиг.11). Границы диапазона длин волн А могут иметь большую крутизну, приближающуюся к предельной, в зависимости от характеристик используемых определенных источников света и/или приемника. При изменении положения максимума 182 по оси длин волн или его величины (например, из-за изменения концентрации определяемого вещества) количество или интенсивность отраженного света, которое обнаруживает фотоприемник 32, может меняться.
В некоторых примерах осуществления изобретения диапазон длин волн А может быть выбран так, что для данной конфигурации датчика 2 диапазон длин волн А совпадает или располагается близко с максимальным (пиковым)) значением 184 максимума 182 (например, главный или основной пик) в спектре отражения датчика 2 при отсутствии определяемого вещества. В таком исполнении изменение величины или положения максимума 182 в ответ на изменение количества определяемого вещества может привести к относительно большим изменениям интенсивности светового пучка в диапазоне длин волн А, отраженного от датчика 2 и регистрируемого фотоприемником 32. Таким образом, такой прием повышает чувствительность устройства 1 к присутствию и/или концентрации определяемого вещества. Выбор диапазона длин волн может зависеть от свойств используемого датчика 2, определяемого вещества, за которым осуществляется контроль, и т.д. В различных примерах осуществления изобретения центр диапазона длин волн может находиться примерно в 10 нм, 20 нм или 40 нм от пикового значения максимума. В конкретных примерах осуществления изобретения может быть предпочтительным облучение сенсора 2 в диапазоне длин волн, центр которого располагается в районе примерно 520 нм или 640 нм.
В отдельных примерах осуществления изобретения, описанных выше, облучение в заданном диапазоне длин волн достигается посредством использования узкополосного источника света 31. В этом случае фотоприемник 32 может быть узкополосным или широкополосным, по необходимости. Как вариант, может использоваться узкополосный фотоприемник 32, в таком случае источник света 31 может быть узкополосным или широкополосным.
В некоторых примерах осуществления изобретения отраженный от датчика 2 свет контролируется, по меньшей мере, в двух различных диапазонах длин волн А и В (см. Фиг.11). Это можно выполнить, например, посредством использования дополнительного источника света 31 и/или фотоприемника 32. В частных случаях это может быть выполнено за счет использования двух или более отдельных узкополосных источников света 31а и 31b согласно варианту, изображенному на Фиг.7. В таком случае может использоваться единственный (например, широкополосный) фотоприемник, как это изображено на Фиг.7, при этом сигналы в различных диапазонах длин волн получают за счет временного разделения (например, поочередно во времени) световых потоков, поступающих от источников света 31а и 31b, так, что отраженный свет фотоприемник 32 может обнаруживать отдельно. Также могут использоваться другие способы. В некоторых примерах осуществления изобретения может использоваться широкополосный источник света 31 в комбинации с узкополосными фотоприемниками, которые могут отличать свет в диапазоне длин волн А от света в диапазоне длин волн В.
В любом случае регистрация и оценка отраженного от датчика 2 оптического излучения во множестве диапазонов длин волн могут обеспечить огромные преимущества. В определенных примерах осуществления изобретения диапазон длин волн А может быть выбран таким образом, что его центр совпадает или находится рядом с максимальным значением 184 максимума 182 в спектре отражения датчика 2 при отсутствии определяемого вещества, как это было описано выше. Диапазон длин волн В может быть, по меньшей мере, в какой-то степени удален от диапазона длин волн А, и в некоторых примерах осуществления изобретения может быть выбран таким образом, что его центр совпадает или находится рядом с нижней точкой минимума 185 в спектре отражения сенсора 2 при отсутствии определяемого вещества. В определенных примерах осуществления изобретения диапазон длин волн В имеет центр, совпадающий или находящийся рядом с нижней точкой минимума 185, которая находится в непосредственной близости к максимуму 182 в диапазоне длин волн А, за которым ведется наблюдение (как изображено на Фиг.11).
В таких вариантах выполнения сигнал с фотоприемника 32, соответствующий интенсивности светового потока, регистрируемого в диапазоне длин волн А, может сравниваться (т.е. устанавливаться соотношение при помощи микропроцессора 37 устройства 1) с полученным с фотоприемника 32 сигналом, соответствующим интенсивности светового потока, регистрируемого в диапазоне длин волн В. Такое сравнение/установление такого соотношения может обеспечить значительные преимущества. Например, это может подтверждать, что новый или сменный датчик 2 находится в исправном состоянии (например, раньше времени не подвергался воздействию определяемого вещества, не ломался и т.д.).
Таким образом, в некоторых примерах осуществления изобретения описанные здесь способы включают этап получения первоначального сигнала сравнения с датчика, выдержанного в атмосфере при отсутствии определяемого вещества (например, при концентрации менее 1 миллионной части определяемого вещества) и определения, находится ли изначальный сигнал сравнения в приемлемом диапазоне. Такое использование сигналов сравнения может также расширить динамичный диапазон устройства 1. В описанных здесь способах сравнение первого и второго сигнала (например, сигналов, соответствующих интенсивностям светового потока в первом диапазоне длин волн и во втором диапазоне длин волн) могут включать сравнение средних значений сигналов (например, получение большого количества первых сигналов и вычисление их среднего значения и получение большого количества вторых сигналов и вычисление их среднего значения, и сравнение вычисленного среднего значения первого сигнала с вычисленным средним значением второго сигнала), также как и сравнение значения отдельного первого сигнала со значением отдельного второго сигнала.
Конкретные диапазоны длин волн могут зависеть от оптических параметров используемого датчика 2, конкретного определяемого вещества (веществ) и т.д. В различных примерах осуществления изобретения диапазон длин волн А и диапазон длин волн В выбираются так, что их центры находятся друг от друга на расстоянии, по меньшей мере, 20 нм, по меньшей мере, 40 нм или, по меньшей мере, 60 нм. В дополнительных частных примерах осуществления изобретения диапазон длин волн А и диапазон длин волн В выбираются так, что их центральные точки находятся друг от друга на расстоянии максимум 140 нм, максимум 120 нм или максимум 100 нм. В различных примерах осуществления изобретения центр первого диапазона длин волн может находиться в пределах примерно 10 нм, 20 нм или 40 нм от пика максимума, и центр второго диапазона длин волн может находиться в пределах примерно 10 нм, 20 нм или 40 нм от нижней точки минимума. В дополнительных частных примерах осуществления изобретения способ осуществляется с использованием оптического облучения, в котором центр диапазона длин волн А находится вблизи примерно 520 нм и в котором центр диапазона длин волн В находится вблизи примерно 640 нм. Как уже упоминалось, облучение в диапазонах длин волн А и В может осуществляться, например, при помощи узкополосных источников света, таких как светодиоды и им подобных средств. Может происходить некоторое перекрытие диапазонов длин волн оптических излучений, направленных от разных источников света, однако, это не препятствует использованию датчика 2 в соответствии с его назначением, при условии, что с него поступают в достаточной степени разные сигналы.
В случае необходимости может быть использовано дополнительное оптическое облучение в других диапазонах длин волн, например, таких, которые обозначены буквами С и D на Фиг.11. Такие дополнительные диапазоны длин волн могут находиться между диапазонами А и В (как в случае с диапазоном С) и за пределами диапазонов А и В (как в случае с диапазоном D). Использование оптического излучения в дополнительных диапазонах длин волн (например, при помощи дополнительных источников света 31 и/или фотоприемников 32) может обеспечить улучшенные характеристики разрешения, динамического диапазона, точности и подобных характеристик. Сигналы, полученные в этих диапазонах длин волн, могут сравниваться (например, может устанавливаться их соотношение) с сигналами, полученными в других диапазонах длин волн, как было описано выше.
Использование новых возможностей обработки сигнала устройства 1 (например, с помощью микропроцессора 37) может обеспечивать дополнительные преимущества. Например, сигналы, полученные с фотоприемника 32, могут сохраняться в памяти (например, микропроцессора 37) так, что обеспечиваются доступ к информации и возможность получения информации о динамике изменения сигналов во времени. Это может быть полезно, например, в случае, когда (например, при наличии определенного количества определяемого вещества) второй максимум (например, максимум 181) смещен достаточно близко к диапазону длин волн А так, что сигнал, получаемый в диапазоне длин волн А, обусловленный максимумом 181, является подобным сигналу, первоначально получаемому от первого максимума (например, максимума 182) при отсутствии определяемого вещества. Учитывая временную зависимость сигналов, полученных от фотоприемника 32 (например, сигнал в диапазоне длин волн А затухает, затем усиливается вновь до своей первоначальной величины), устройство 1 может быть выполнено с возможностью установления различий между таким состоянием (например, возможно, вызванных очень большим количеством определяемого вещества) от состояния, при котором относительно постоянный отраженный световой сигнал (например, обусловленный максимумом 182) получают в течение периода времени воздействия предполагаемого вещества. Подобная обработка сигналов (например, между которыми установлено соотношение) может выполняться на основе сигналов сравнения.
Выполнение устройства 1 с улучшенными эксплуатационными характеристиками может потребовать облучение датчика 2 с гораздо большей частотой, чем ожидаемая частота изменения сигнала датчика 2, соответствующего его реакции на определяемое вещество. Однако, с точки зрения энергопотребления, не следует организовывать непрерывный режим работы датчика 2. В различных примерах осуществления изобретения частота облучения датчика 2 составляет, по меньшей мере, 6 раз в минуту, по меньшей мере, 60 раз в минуту, по меньшей мере 120 раз в минуту или, по меньшей мере, 240 в минуту.
Для расширения функциональных возможностей устройства 1 в памяти микропроцессора 37 может храниться другая информация. Например, это может быть информация (например, заданная кривая отражения, полученная эмпирическим путем посредством выдерживания датчика в атмосфере с определяемым веществе при известных концентрациях), согласно которой определяется сигнал (например, интенсивность света в диапазоне длин волн А) или результирующий сигнал сравнения (например, соотношение интенсивности света в диапазоне длин волн А с интенсивностью света в диапазоне длин волн В) и т.д., являющийся показателем концентрации определяемого вещества в атмосфере. Устройство 1 может, таким образом, функционировать посредством установления корреляции сигнала сравнения с заданной кривой отражения так, что получаемое значение концентрации соответствует или является абсолютным значением концентрации определяемого вещества в атмосфере. В памяти устройства 1 может заранее сохраняться единственная частотная кривая (например, постоянно храниться) или там могут периодически сохраняться кривые отражения для определенных конструкций датчика 2, определенных определяемых веществ и т.п. Может использоваться множество кривых отражения. В рамках описанных здесь способов такое установление корреляции сигнала сравнения с кривой отражения включает сравнение усредненного значения сигнала сравнения (например, при получении большого количества сигналов сравнения и выведения их среднего значения), а также установление корреляции отдельного сигнала сравнения.
ПРИМЕР
Для проведения эксперимента был разобран газоанализатор окиси углерода модели 3М Model 110 (производства компании 3М, Сент-Пол, шт. Миннесота), и из него были вынуты все элементы, за исключением жидкокристаллического дисплея. Была разработана печатная плата нужного размера, подобраны подходящие соединения для установки ее в корпус 110 газоанализатора и соединения с жидкокристаллическим дисплеем посредством ленточного соединительного провода. Печатная плата была изготовлена по заказу и предназначалась для размещения на ней различных элементов, описанных ниже, служила им опорой и обеспечивала электрическое соединение.
На печатной плате был установлен фотодиод (SFH 2430, производства компании OSRAM, Регенсбург, Германия). Печатная плата и размещение фотодиода были выбраны так, что после установки печатной платы в корпусе 110 датчик оказывался расположенным в отверстии корпуса 110 и две половины корпуса были соединены, при этом фотодиод был обращен лицевой поверхностью к датчику и ориентирован к нему по нормали (подобно конфигурации, изображенной на Фиг.7).
На печатной плате были установлены два светодиода. Первый - светодиод зеленого цвета (OVLBG4C7, производства компании Optek, Кэрролтон, шт. Техас) с максимумом излучения на длине волны примерно 520 нм, второй - красный светодиод (OVLBR4C7, производства компании Optek) с максимумом излучения на длине волны примерно 640 нм. Светодиоды были расположены по бокам фотодиода (подобно тому, как это изображено на Фиг.7), при этом каждый светодиод размещался на расстоянии примерно 7 мм от фотодиода (расстояние от центра до центра). Светодиоды были закреплены на печатной плате посредством соединений через сквозные отверстия, при этом соединительные провода были слегка изогнуты так, чтобы каждый светодиод размещался под небольшим углом к фотодиоду, подобно тому, как это изображено на Фиг.7. Угол был рассчитан так, что при размещении датчика в отверстии 110 корпуса и при соединении двух половин корпуса каждый светодиод освещал центральную часть датчика. Для удерживания каждого светодиода в нужном положении и под нужным углом были использованы крепежные элементы типа хомута (закрепленные на печатной плате при помощи винтов). Крепежные элементы светодиодов были выполнены из светонепроницаемой (черной) пластмассы, а участок хомута, который был между каждым соответствующим светодиодом и фотодиодом, использовался для того, чтобы минимизировать количество света, который мог попадать непосредственно от светодиода на фотодиод.
На печатную плату были установлены другие элементы, в том числе: последовательный периферийный интерфейс SPI Bus Serial FRAM (FM25H20-DG, производства компании Ramtron), запоминающее устройство с низким уровнем шума CMOS (AD8603AUJZ, производства компании Analog Devices), 600-милиамперный преобразователь напряжения Step-Up DC/DC (LTC3429ES6, производства компании Linear Technology), 50-милиамперный регулятор напряжения с малым собственным падением напряжения LDO (TPS79730DCKR, производства компании Texas Instruments), 16-разрядная память Flash/RAM A/D/120 seg LCD (MSP430F437IPN, производства компании Texas Instruments), однокристальный приемопередатчик, работающий на частоте 2,4 ГГц (nRF24LO1+, производства компании Nordic Semiconductor), и чип-антенна с рабочей частотой 2,4 ГГц (RFD58005, производства компании RFD). Другие детали, необходимые для работы с электронными схемами и их различными элементами, также были установлены на печатной плате и/или закреплены на ней, в том числе различные резисторы, конденсаторы, дроссели и им подобные элементы, хорошо известные в области техники. К печатной плате была подсоединена литиевая батарея напряжением 3,6 В.
Корпус газоанализатора затем вновь был собран, включая печатную плату и вышеописанные элементы. Различная информация и программы управления работой устройства, управления светодиодами, обработки сигналов, полученных с фотодиода и т.д., были "зашиты" в ПЗУ аппаратной части и/или загружены в память устройства. В частности, были записаны программы, согласно которым при помощи такого устройства можно было последовательно управлять красным и зеленым светодиодами и наблюдать за отраженным световым сигналом, соответствующим функционированию каждого светодиода. Программы включали возможность переключения каждого светодиода с частотой примерно один раз в секунду в следующих временных режимах: красный светодиод включен - 2 мс; измерение и обработка полученного отраженного светового сигнала - 2 мс; пауза - 990 мс; зеленый светодиод включен - 2 мс; измерение и обработка полученного отраженного светового сигнала - 2 мс; пауза - 2 мс. Дополнительно были записаны программы, позволяющие при помощи устройства при каждом переключении красного и зеленого светодиодов и получении от фотодиода значения отраженного света вычислять соотношение количества (интенсивности) светового потока, отраженного от датчика в ответ на засветку от зеленого светодиода, и светового потока, отраженного от датчика в ответ на засветку от красного светодиода. Для определения соотношения между количественными показателями отраженного светового потока на разных длинах волн в программу была также записана кривая отражения (которая в этом случае была произвольной кривой отражения, взятой в целях демонстрации, а не полученной в условиях выдерживания датчика в определяемом веществе с известной концентрацией), отображающая количество определяемого вещества в атмосфере, за которой осуществлялся контроль.
В результате было создано работающее оптоэлектронное устройство, включающее схему, обеспечивающую управление светодиодами для излучения света, управление фотодиодом для получения световых сигналов, создание пользовательского интерфейса для получения информации, как было описано выше, и вычисление значения концентрации определяемого вещества в атмосфере, за которой осуществляется контроль, и работа которой основана на установлении соотношения световых сигналов, полученных на различных длинах волн, в совокупности с имеющейся кривой отражения, и которая обеспечивала формирование предупреждающего сигнала, соответствующего концентрации определяемого вещества в атмосфере, за которой ведется наблюдение (например, показатель в частях на миллион), на экране дисплея светодиода устройства.
Имеющая защитную решетку передняя крышка (которая закрывала отверстие во внутреннее пространство устройства) была снята. Кольцеобразная оправка (сконструированная для установки в отверстие корпуса и содержащая кольцевой фланец) была изготовлена методом стереолитографии и установлена в отверстии корпуса.
Датчик, подобный описанному в заявке US 20080063874, был изготовлен посредством методов, описанных в примерах 1-6, за исключением того, что датчик включал прозрачную полимерную подложку (из полиэстера), а не стеклянную подложку. Диаметр подложки составил примерно 16 мм. Датчик был размещен в отверстии корпуса газоанализатора, содержащего вышеописанную оптоэлектронную систему, при этом внешняя граница датчика находилась у кольцеобразного фланца оправки. Проницаемая для определяемого вещества отражающая поверхность датчика была обращена в направлении наружу, при этом оптически прозрачная подложка датчика была обращена вовнутрь в направлении внутреннего пространства анализатора. Полимерная крышка (прикрепляемая к оправке посредством байонетного соединения и имеющая центральный участок в виде защитной решетки) была прикреплена к оправке анализатора с надежно закрепленным в ней датчиком.
Созданная установка для обнаружения определяемого вещества включала основную камеру и соединенную с ней посредством двух трубопроводов вспомогательную камеру, в которую можно было вводить вещество в жидкой форме. Вспомогательная камера имела нагревательный элемент для того, чтобы определяемое вещество испарялось. Использовался вентилятор для обеспечения циркуляции воздуха между основной и вспомогательной камерами как замкнутой системой, так что в основной камере устанавливался и поддерживался относительно постоянный уровень концентрации определяемого вещества. Для осуществления контроля за приблизительным количеством определяемого вещества, содержащегося в воздухе системы в любой определенный момент времени, использовался фотоионизационный датчик. Концентрацию определяемого вещества можно было увеличивать путем добавления жидкого вещества во вспомогательную камеру и можно было уменьшать, заменяя воздух в системе путем добавления чистого воздуха от компрессора.
Оптоэлектронное устройство было подключено к источнику питания и установлено в основной камере системы с возможностью обеспечения функционирования в циркулирующем в замкнутом цикле воздухе, не содержащем ацетона. Затем во вспомогательную камеру добавлялся жидкий ацетон, достаточный для того, чтобы повысить его концентрацию в циркулирующем воздухе примерно до 100 миллионных частей (согласно данным измерений, полученных посредством фотоионизационного датчика). Спустя какое-то время добавлялось еще некоторое количество ацетона для повышения его концентрации примерно до 275 миллионных частей. Спустя еще какое-то время добавлялось еще некоторое количество ацетона для повышения его концентрации примерно до 500 миллионных частей. Спустя еще какое-то время в систему нагнетался воздух от компрессора для уменьшения концентрации ацетона до ничтожно малого уровня.
Результаты этих экспериментов представлены на Фиг.12 и Фиг 13. На Фиг.12 кривая, помеченная как "красный", соответствует (т.е. представляет собой электрический сигнал с фотодиода, после аналого-цифрового преобразования и микропроцессорной обработки) количеству света, отраженного от датчика в ответ на облучение его красным светодиодом. Кривая, помеченная как "зеленый", аналогичным образом соответствует количеству света, отраженного от датчика в ответ на облучение его зеленым светодиодом. (Маленькие выбросы на кривых, представленных на Фиг.12, являются артефактами, возникающими вследствие кратковременного попадания паразитной засветки в камеру). На Фиг.13 кривая, помеченная как "Относительный сигнал", соответствует соотношению между упомянутыми сигналами, полученными при облучении датчика красным и зеленым светодиодами (такая операция выполнялась микропроцессором).
Вышеописанные испытания и их результаты приведены только в качестве иллюстративных, а не предсказываемых, и можно ожидать, что при проведении различных испытаний могут быть получены разные результаты. Вышеизложенное детальное описание и примеры даны только для ясности понимания изобретения. Их не следует понимать как ограничивающие изобретение.
Специалистам в данной области техники понятно, что отдельные варианты выполнения конструкций, особенности, детали, конфигурации и т.п., описанные в настоящем изобретении, могут быть модифицированы и/или сочетаться в многочисленных примерах осуществления изобретения. Все такие варианты и комбинации рассматриваются изобретателем в рамках сущности настоящего изобретения. Таким образом, не следует ограничивать сущность настоящего изобретения описанными отдельными иллюстративными вариантами его реализации. В случае возникновения противоречия или несоответствия между описанием настоящего изобретения и информацией из любого документа, который включен здесь посредством ссылки, данное описание изобретения имеет преимущественную силу.