НАГРЕВАТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПРИБОРА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ МЕТОДОМ СПЕКТРОМЕТРИИ
HEATING DEVICE FOR SPECTROMETRY MEASUREMENT APPARATUS

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Предметом изобретения является нагревательное устройство для прибора для измерения методом спектрометрии. Предметом изобретения также является прибор для измерения методом спектрометрии, в который встроено такое устройство. Еще одним предметом изобретения является этилометр для обнаружения или измерения доли парциального газа в выдыхаемой текучей среде, в измерительную емкость которого встроено такое устройство. Наконец, еще одним предметом изобретения является процесс производства измерительной емкости этилометра, в которую вставляется это устройство.
Изобретение имеет отношение к области технического применения составных элементов приборов для измерения методом спектрометрии, а точнее - элементов, встроенных в измерительные элементы. Изобретение также имеет отношение к области технического применения портативных электронных устройств, например этилометров, служащих для обнаружения или измерения доли парциального газа в выдыхаемой текучей среде.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
На основании патентного документа FR 2.941.530 (SERES ENVIRONNEMENT), далее «документ компании SERES», известен этилометр, включающий устройство для передачи инфракрасного излучения, приемник инфракрасного излучения и измерительную емкость, в которой циркулирует выдыхаемая текучая среда для обнаружения или измерения доли парциального газа. Измерительная емкость выполнена в виде полой трубки, на внутреннюю поверхность которой нанесен отражающий материал, отражающий оптический слой. В данном документе разъясняется, как соединить полую трубку с нагревательным средством. Указанное устройство позволяет поддерживать температуру трубки на уровне около 39°C во избежание образования конденсата на внутренней стенке во время циркуляции выдыхаемой текучей среды. Это связано с тем, что конденсат внутри трубки влияет на отражающую способность отражающего слоя и препятствует оптимальной рекуперации на уровне приемника инфракрасных лучей, передаваемых устройством.
В документе компании SERES предусмотрена обмотка внешней поверхности трубки нагревательным резистором. И хотя благодаря такому расположению обеспечивается нагрев трубки, тем не менее остаются значительные теплопотери. Как следствие, расходом электроэнергии нельзя пренебречь, в особенности в случае портативного прибора, для которого желательна максимальная энергетическая автономность. Кроме того, обмотка трубки нагревательным резистором представляет собой трудоемкую операцию, при этом не обеспечивается контакт между резистором и трубкой. Как следствие, температура нагрева внутренней поверхности трубки является неравномерной, что может повлиять на траекторию луча и результат окончательного измерения.
Изобретение предназначено для преодоления сложившейся ситуации. В частности, цель изобретения состоит в предложении нагревательного устройства, которое было бы более экономичным в плане потребления электроэнергии, при этом оптические характеристики должны быть сохранены.
Еще одной целью изобретения является предложение нагревательного устройства с более простой и быстрой установкой по сравнению с устройством, описанным в документе компании SERES.
Следующей целью изобретения является предложение нагревательного устройства, способного быстрее и более равномерно нагревать полую трубку измерительной емкости.
Дополнительной целью изобретения является предложение нагревательного устройства, адаптируемого к любым приборам для измерения методом спектрометрии.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Решение, предложенное в рамках изобретения, представляет собой нагревательное устройство и примечательно тем, что выполнено в виде мягкого оптического элемента, включающего мягкую гибкую опору с верхней стороной и нижней стороной. Верхняя сторона покрыта отражающим материалом, образующим отражающий оптический слой. Гибкий нагревательный элемент расположен по крайней мере на одной из сторон опоры.
Можно легко и быстро вставить этот оптический элемент в полую трубку измерительной емкости таким образом, что отражающий материал вышеуказанного элемента образует отражающий оптический слой. Гибкий нагревательный элемент образует нагревательное средство и заменяет нагревательный электрический резистор, предусмотренный в документе компании SERES. Таким образом, этот мягкий оптический элемент имеет двойную функцию: с одной стороны, он обеспечивает оптическое отражение, а с другой стороны, нагревает отражающую поверхность. Поскольку теперь нагревательный элемент расположен непосредственно внутри полой трубки, теплопотери снижены и ими даже можно пренебречь, что положительно сказывается на снижении потребления электроэнергии. Кроме того, констатировано более быстрое повышение температуры внутри полой трубки по сравнению с нагревательным устройством, описанным в документе компании SERES, и более равномерное распределение температуры.
Патентный документ CN 201.282.572 (JIANBO LIANG) касается мягкой нагревательной пленки со стороной излучающего типа. Эта пленка может использоваться в большом количестве областей, например для повседневной гигиены, в здравоохранении, для сохранения тепла, защиты от замерзания или влаги в сельскохозяйственном животноводстве, в производстве бытовых электроприборов и трубопроводов, а также может применяться в различных местах с низкой, средней или высокой температурой. Однако эта нагревательная пленка не адаптирована для использования в приборах для измерения методом спектрометрии. В любом случае отражающий слой, описанный в этом патентном документе, имеет единственную функцию - отражение тепловых лучей, передаваемых на нагревательную нить, во избежание теплопотерь. Ни в коем случае этот слой не используется для обеспечения оптического отражения.
В патентном документе WO 2011/042679 (AUTOLIV) не раскрыта мягкая гибкая опора.
Ниже перечислены другие преимущественные характеристики нагревательного устройства, которое является предметом изобретения, при этом каждая из этих характеристик может рассматриваться в отдельности или в сочетании с указанными выше отличительными характеристиками.
Нагревательный элемент может быть расположен на нижней стороне гибкой опоры.
Нагревательный элемент также может быть расположен на верхней стороне гибкой опоры, при этом вышеуказанный нагревательный элемент покрыт отражающим материалом.
Нагревательный элемент предпочтительно выполнен в виде гибкой печатной платы, которая установлена на сторону опоры и в которую встроены одна или несколько нагревательных нитей.
Гибкая печатная плата предпочтительно соединена со слоем теплопроводящего материала.
Теплопроводящий материал может быть предпочтительно выбран из следующей группы: медь, алюминий, серебро, золото и т. д.
Мягкая гибкая опора предпочтительно выполнена из материала, выбранного из следующей группы: полиимид, полиэпоксид, полиэфир, эпоксидная смола, усиленная стекловолокном.
Эта мягкая гибкая опора предпочтительно имеет толщину 1–250 мкм.
Отражающий материал, образующий отражающий оптический слой, выбран предпочтительно из следующей группы: золото, кобальт, серебро, никель, медь, алюминий, хром, цинк, диоксид кремния.
Еще один аспект изобретения касается прибора для измерения методом спектрометрии, включающего в себя измерительный элемент, причем этот элемент соединен с ранее описанным нагревательным устройством.
Еще один аспект изобретения касается этилометра для измерения и обнаружения доли парциального газа в выдыхаемой текучей среде, при этом вышеуказанный этилометр включает в себя устройство для передачи инфракрасного излучения, приемник инфракрасного излучения и измерительную емкость, в которой циркулирует выдыхаемая текучая среда, измерительная емкость выполнена в виде полой трубки, снабженной отражающим материалом, образующим отражающий оптический слой, при этом вышеуказанная трубка соединена с нагревательным средством. Ранее описанное нагревательное устройство вставлено в трубку таким образом, что отражающий материал мягкого оптического элемента образует отражающий оптический слой, при этом гибкий нагревательный элемент образует нагревательное средство.
Ниже перечислены другие преимущественные характеристики этилометра, который является предметом изобретения, при этом каждая из этих характеристик может рассматриваться в отдельности или в сочетании с указанными выше отличительными характеристиками.
Полая трубка, образующая измерительную емкость, предпочтительно имеет длину, меньшую или равную 100 мм, а оптический элемент имеет длину, соответствующую длине вышеуказанной трубки.
На внутренней поверхности полой трубки имеются рельефные элементы, при этом оптический элемент соприкасается с внутренней поверхностью вышеуказанной трубки только на уровне рельефных элементов.
Дополнительный аспект изобретения касается способа производства измерительной емкости этилометра, позволяющей измерять долю парциального газа в выдыхаемой текучей среде, измерительная емкость выполнена в виде полой трубки, снабженной отражающим материалом, образующим отражающий оптический слой. Способ состоит в том, что:
сворачивают или складывают оптический элемент ранее описанного нагревательного устройства;
вставляют свернутый или сложенный оптический элемент в полую трубку таким образом, что отражающий материал вышеуказанного элемента образует отражающий оптический слой.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Другие преимущества и характеристики изобретения станут более очевидными после прочтения изложенного ниже описания предпочтительного способа выполнения. Текст описания содержит ссылки на прилагаемые фигуры, выполненные в качестве ориентировочных примеров, не имеющих ограничительного характера.
На фигуре 1 представлен схематический вид оптического элемента в разрезе согласно изобретению.
На фигуре 2 представлен схематический вид оптического элемента в разрезе в соответствии с изобретением для одного из вариантов изготовления.
На фигуре 3 представлен схематический вид этилометра в продольном разрезе согласно изобретению.
На фигуре 4 представлен вид в разрезе по линии A–A этилометра на фигуре 3.
На фигуре 5 представлен схематический вид сверху оптического элемента в соответствии с фигурами 1–2.
ПРЕДПОЧТИТЕЛЬНЫЕ ВАРИАНТЫ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
2
2
Нагревательное устройство, которое является предметом изобретения, предназначено, в частности, но не исключительно для использования в приборе для измерения методом спектрометрии. Оно, в частности, предназначено для соединения с измерительным элементом этого прибора. В частности, устройство предназначено для встраивания в этилометр, но оно также может быть встроено в любой другой прибор для измерения параметров (концентрация алкоголя, CO, CO, H0 и т. д.) выдыхаемой текучей среды или любой другой среды, более теплой и/или более влажной, чем окружающий воздух (например, пара или выхлопных газов). Его основная функция заключается в поддержании желаемой температуры анализируемой среды. При измерении параметров выдыхаемой текучей среды при температуре нагрева 35–40°C конденсат не образуется.
Для краткости и ясности в продолжении описания упоминается исключительно этилометр, но это не может рассматриваться как ограничение требуемой защиты. Под этилометром в рамках настоящего изобретения понимается любой прибор (включая алкотестеры), с помощью которого можно обнаруживать или измерять долю парциального газа в выдыхаемой текучей среде и, в частности, измерять концентрацию алкоголя в выдыхаемом воздухе и/или определять порог концентрации алкоголя в выдыхаемом воздухе.
На фигуре 1 нагревательное устройство представлено в виде мягкого оптического элемента (1). Данный элемент включает мягкую гибкую опору (10) и представляет собой тонкую пленку с толщиной 1–250 мкм, предпочтительно около 25 мкм. При таких значениях толщины достигается надлежащее соотношение мягкости и прочности. Длина и ширина элемента зависят от размеров измерительного элемента, с которым соединено нагревательное устройство. Опора (10) предпочтительно выполняется из материала, выбранного из следующей группы: полиимид (например, Kapton), полиэпоксид, полиэфир, эпоксидная смола, усиленная стекловолокном, алюминиевая подложка (например, опора COOL-CLAD, продаваемая компанией AI TECHNOLOGY). Однако можно рассматривать и любые другие материалы, которые, как правило, используются для производства мягких печатных плат. Опора (10) может быть получена путем литья, экструзии, прокатки и т. д.
Опора (10) имеет верхнюю сторону (10a) и нижнюю сторону (10b), которые находятся друг напротив друга. На прилагаемых фигурах верхняя сторона (10a) покрыта отражающим материалом (11), образующим отражающий оптический слой для отражения инфракрасного излучения. Для того чтобы отражающий слой имел максимально высокую отражающую способность, а также для ограничения потерь энергии передаваемых лучей, отражающий материал (11) предпочтительно выбирается из следующей группы: золото, кобальт, серебро, никель, медь, алюминий, хром, цинк, диоксид кремния.
Отражающий материал (11) имеет толщину 0,01–500 мкм. Он может быть наклеен, нанесен электрохимическим или электролитическим способом, методом тиснения, шелкографии, металлизации в вакууме, нагревания или посредством любого другого способа сцепления тонкого слоя.
С целью обеспечения надлежащей фиксации отражающего материала (11) на верхней стороне (10a) опоры (10) на эту сторону можно предварительно нанести сцепляющий слой (12). Этот слой (12) может представлять собой, например слой меди, алюминия, серебра или полиэтилена толщиной, например, 0,1–500 мкм., нанесенный посредством способа сцепления тонкого слоя, упомянутых в предыдущем абзаце. Слой (12) не является обязательным и может, в частности, не наноситься, в случае если отражающий материал (11) наносится, например, электролитическим осаждением.
Гибкий нагревательный элемент (13) расположен по крайней мере на одной из сторон (10a, 10b) опоры (10). Этот нагревательный элемент (13) может состоять из тонкого нагревательного резистора, закрепленного на опоре (10), например, методом наклеивания, прокатки, электрохимическим осаждением, электролитическим осаждением, методом тиснения, шелкографии, металлизации в вакууме, нагревания или посредством любого другого способа сцепления тонкого слоя.
В соответствии с одной из преимущественных характеристик изобретения нагревательный элемент (13) выполнен в виде гибкой печатной платы, в которую встроены одна или несколько нагревательных нитей (130). Нагревательные нити выполнены, например, в виде металлических лент (из меди, меди и никеля, алюминия и т. д.) толщиной 1–50 мкм, расположенных между двумя слоями полиимида. Причем один из этих слоев может образовать опору (10). В качестве иллюстративного примера можно использовать мягкую нагревательную плату, продаваемую компанией MINCO под маркой THERMOFOIL.
2
2
Нагревательный элемент (13) соединен с проводящими проводами (130), которые выходят из опоры (10) и предназначены для подсоединения к источнику тока, например аккумулятору или батарейкам. На практике источник тока для обеспечения напряжения 0,1–5 В определяют таким образом, чтобы мощность, достигаемая нагревательным элементом (13) составляла от 10 мВт/см до 2 Вт/см. Может быть предусмотрена настройка температуры нагревательного элемента (13), например около 39°C.
В целях достижения более равномерного распределения температуры по всей поверхности элемента (1) нагревательный элемент (13) может быть соединен со слоем теплопроводящего материала. На прилагаемых фигурах 1 и 2 с целью упрощения конструкции и оптимизации компактности элемента (1) данный слой представляет собой указанный ранее сцепляющий слой (12), выполненный из теплопроводящего материала (меди, алюминия, серебра и т. д.). В любом случае может рассматриваться использование еще одного дополнительного слоя, в частности, в случае если не предусмотрен сцепляющий слой.
На фигуре 1 нагревательный элемент (13) расположен на верхней стороне (10a) опоры (10). Он покрыт отражающим материалом (11) и при необходимости слоем (12).
На фигуре 2 нагревательный элемент (13) расположен на нижней стороне (10b) опоры (10). Таким образом, он находится напротив отражающего материала (11). В этой конфигурации опора (10) играет роль теплового буфера. Фактически, как будет пояснено далее, анализируемая текучая среда циркулирует в измерительной емкости, соприкасаясь с отражающим материалом (11), который может резко охладиться. Установлено, что в конфигурации, представленной на фигуре 2, отражающий материал (11) охлаждался медленнее, при этом опора (10) увеличивала тепловую инерцию элемента (1). Таким образом, регулировка температуры происходит более естественно и не так резко, как в случае конфигурации, представленной на фигуре 1.
Встраивание нагревательного устройства в измерительный элемент портативного этилометра детально представлено со ссылкой на фигуры 3 и 4. Данный этилометр (E) относится к типу, описанному в вышеуказанном документе компании SERES. Он включает измерительную емкость, выполненную в виде полой трубки (20). Эта трубка, как правило, имеет круглое сечение, но также может иметь квадратное, прямоугольное, овальное или другое сечение. Трубка (20) может быть выполнена из металла (например, алюминия, нержавеющей стали и т. д.) или пластика (например, ПВХ, АБС). Для изготовления трубки можно использовать метод литья, экструзии или любой другой процесс, который будет сочтен специалистами допустимым. В данном случае не требуется какой-либо особой обработки внутренней поверхности трубки, в отличие от трубки, описанной в документе компании SERES.
В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления длина трубки (20) составляет 5–200 мм, предпочтительно 100 мм или меньше, поскольку в данном изобретении может быть использована более короткая измерительная емкость, чем емкость, описанная в документе компании SERES. Ее внутренний диаметр меньше 15 мм, например 4–15 мм. А ее толщина меньше 5 мм, например 1–5 мм.
На конце (20a) трубки (20) расположено устройство (21) для передачи инфракрасного излучения, при этом предпочтительно длина волн составляет 1–12 мкм. На другом конце трубки (20b) расположен приемник (22)инфракрасного излучения. Специалист должен быть знаком с типом используемых передатчика (21) и приемника (22) инфракрасного излучения. Выдыхаемая текучая среда циркулирует в измерительной емкости между двумя концами (20a и 20b) трубки (20). А точнее, текучая среда проникает в трубку (20) через входной патрубок (23a) (в который дует пользователь), установленный на уровне конца (20a), и выходит из вышеуказанной трубки через выходной патрубок (23b), установленный на уровне противоположного конца (23b). Два патрубка (23a и 23b) могут быть расположены с одной стороны трубки (20) или, наоборот, на противоположных сторонах трубки (фиг. 3), либо они могут быть расположены под любым углом. Система накачки может быть соединена с патрубками (23a и 23b) для обеспечения циркуляции пробы вдуваемой текучей среды.
Нагревательное устройство вставлено в трубку (20) таким образом, что отражающий материал (11) элемента (1) образует отражающий оптический слой. Если трубка (20) имеет круглое сечение, элемент (1) сворачивается - автоматически или вручную - и образует цилиндр. В случае если трубка (20) имеет не круглое сечение, а квадратное, прямоугольное или другое многоугольное сечение, элемент (1) складывается и образует трубку с соответствующим сечением. Отражающий материал (11) образует внутреннюю поверхность этого цилиндра (или трубки). Благодаря такому расположению можно оптимизировать длину траектории луча в трубке (20), сохраняя при этом достаточное количество света до достижения приемника (22). В результате измерительная емкость может быть более короткой, чем емкость этилометра, описанного в документе компании SERES.
Оптический элемент (1) имеет длину, соответствующую длине трубки (20). Таким образом, внутренняя поверхность трубки полностью, либо практически полностью, покрыта вышеуказанным элементом. На самом деле, некоторые участки внутренней поверхности трубки (20) могут быть не покрыты, в частности, на уровне концов (20a и 20b), при этом сохраняется допустимое качество измерения.
Таким образом, элементу (1) придается определенная форма, после чего он вставляется в трубку (20) на уровне одного из концов (20a или 20b) таким образом, что отражающий материал (11) образует отражающий оптический слой, от которого будет отражаться инфракрасное излучение. В конфигурации, представленной на фигуре 1, опора (10) соприкасается с внутренней поверхностью трубки (20). В конфигурации, представленной на фигуре 2, именно нагревательный элемент (13) соприкасается с внутренней поверхностью трубки (20).
Когда элементу (1) придается определенная форма, он естественным образом будет стремиться развернуться (или разложиться) и вернуться в исходную плоскую форму. Благодаря этой способности элемент (1) естественным образом удерживается в определенном положении внутри трубки (20), при этом нет необходимости предусматривать другую систему механической фиксации или фиксации с помощью клея. В любом случае такая система может рассматриваться как одна из мер предосторожности.
Для ограничения теплопотерь по направлению к внешней части трубки (20) внутренняя поверхность трубки предпочтительно имеет рельефные элементы (200). Эти рельефные элементы представляют собой, например, продольные или радиальные ребра или же ребра любой другой формы в виде углублений и выступов на внутренней поверхности трубки (20). Как видно на фигуре 4, если оптический элемент (1) вставлен в трубку (20), он соприкасается только с рельефными элементами. Тепловые мостики между нагревательным устройством и трубкой (1) фактически уменьшаются.
После придания элементу (1) определенной формы, установки элемента в трубку (20), измерительная емкость таким образом изготовлена, устанавливаются другие компоненты (21, 22, 23a и 23b).
Патрубки (23a и 23b) должны вести внутрь измерительной емкости несмотря на наличие элемента (1), покрывающего внутреннюю поверхность трубки (20). Для этого, как видно на фигуре 5, элемент (1) имеет насечки, отверстия и, в более общем смысле, выемки (100), размеры которых регулируются в соответствии с диаметром патрубков (23a и 23b). Выемки (100) расположены на уровне боковых краев элемента (1). Когда элементу (1) придается определенная форма и он вставляется в трубку (10), выемки (100) располагаются напротив открытых концов (230a и 230b) патрубков (23a и 23b), оставляя их открытыми.
Компоновка различных элементов и/или средств, а также порядок выполнения этапов в рамках изобретения для описанных выше вариантов осуществления не должны пониматься как требование определенного порядка действий для каждого практического применения. В любом случае подразумевается, что возможны различные модификации этих элементов и/или средств и/или этапов без значительного расхождения с сущностью и объемом патентной охраны изобретения. В частности, нагревательное устройство согласно изобретению может использоваться в сочетании с измерительным элементом для обработки других сигналов, помимо инфракрасных, а также может использоваться другая технология анализа, помимо спектрометрии.