СИСТЕМА И СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ КОНЦЕНТРАЦИИ КОМПОНЕНТОВ Российский патент 2024 года по МПК G01N21/31 G01N21/01 G01N21/33 

[0001] Настоящая заявка испрашивает приоритет на основании патентной заявки США № 63/123,167, поданной 9 декабря 2020 г. под заглавием «Оптическое зондирование», все содержание которой включено в настоящий документ путем отсылки.

[0002] ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ

[0003] Настоящее изобретение относится к измерению концентрации примесей путем адсорбции света.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

[0004] Для анализа состава газов и жидкостей применяют множество методов, включая газофазную и жидкофазную хроматографию и масс-спектроскопию. Методы хроматографии, основанные на различиях в адсорбции различных примесей, имеют свои преимущества, включая возможность определения малых концентраций в газообразных и жидких примесях с высокой селективностью. В масс-спектроскопии для идентификации частиц, присутствующих в веществе, применяют масс-спектрометр. Частицы ионизируют и пропускают через электромагнитное поле. По отклонению частиц можно судить об их массе, а значит, и о принадлежности. Хроматография и масс-спектроскопия являются точными методами, но требуют использования дорогостоящего и сложного оборудования. Кроме того, эти методы относительно медленные, что делает их непригодными для анализа состава в реальном времени. Например, такие методы нецелесообразно использовать для анализа выдоха в режиме реального времени в медицинских системах.

[0005] В системах электрохимического анализа применяют электрохимический газовый сенсор, в котором газ из образца диффундирует в полупроницаемый барьер, например, мембрану, затем проходит через раствор электролита и далее к одному из, как правило, трех электродов. На одном из трех электродов происходит чувствительная окислительно-восстановительная реакция. На втором, ответном электроде происходит ответная и противоположная окислительно-восстановительная реакция. Третий электрод обычно используют в качестве электрода сравнения. При окислении или восстановлении компонента примеси (например, оксида азота) на чувствительном электроде между чувствительным и ответным электродом может быть измерен ток, пропорциональный количеству вещества, прореагировавшего на поверхности чувствительного электрода. Электрод сравнения используют для поддержания фиксированного напряжения на чувствительном электроде. Электрохимические устройства обладают высокой чувствительностью и точностью, но требуют частой калибровки и обслуживания. Кроме того, у этого метода есть проблема с селективностью малых концентраций измеряемых примесей.

[0006] Наиболее удобным и надежным методом анализа газов является прямое оптическое измерение компонентов газа путем адсорбции света с различной длиной волны. Основным преимуществом этого метода является стабильность адсорбции во времени, поскольку коэффициент адсорбции является фундаментальной константой. Соответственно, такие газоанализаторы не нуждаются в частой калибровке и гарантируют стабильность измерений при условии соблюдения чистоты оптики. Современные газоанализаторы 10, работающие по принципу адсорбции света (см. ФИГ. 1) содержат: источник 20 света, генерирующий излучение с длиной волны, адсорбируемой измеряемым компонентом газа; оптическую кювету 25 для пропускания света через содержащийся в ней газ, содержащую уплотнение 26 и оптическое окно 27 на каждом конце; вход 30 для газа; выход 40 для газа; светочувствительный элемент 50, на который свет поступает от линзы 55, и который способен преобразовывать свет, прошедший через газ от источника 20 света, в сигнал напряжения. Подходящими источниками 20 света являются светодиоды и лазерные диоды, а подходящими светочувствительными элементами 50 - фотодиоды, фоторезисторы или фототранзисторы, имеющие практически неограниченный срок службы и достаточно стабильные характеристики.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0007] Соответственно, основной задачей настоящего изобретения является преодоление по меньшей мере некоторых недостатков систем генерации плазмы, известных из уровня техники. В одном из вариантов осуществления изобретения система измерения концентрации компонентов в образце содержит: контейнер для помещения образца; первый источник света, расположенный с возможностью излучения света через образец в контейнере; первый светочувствительный элемент, расположенный с возможностью приема света от первого источника света, прошедшего через образец в контейнере; второй источник света, расположенный с возможностью излучения света через образец в контейнере; второй светочувствительный элемент, расположенный с возможностью приема света от второго источника света, прошедшего через образец в контейнере; и схему управления, соединенную с первым светочувствительным элементом и вторым светочувствительным элементом и выполненную с возможностью: приема значения интенсивности света, измеренного первым светочувствительным элементом; инициации излучения света вторым источником света на основании полученной интенсивности света; получения значения интенсивности света от второго светочувствительного элемента; определения уровня адсорбции на основании разницы в интенсивности света, излучаемого первым источником света, и света, поступающего на второй светочувствительный элемент; вычисления концентрации компонентов в образце на основании уровня адсорбции и общей оптической длины пути света, прошедшего между первым источником света и светочувствительным элементом и вторым источником света и светочувствительным элементом.

[0008] В одном из вариантов осуществления изобретения система дополнительно содержит один или несколько дополнительных источников света и светочувствительных элементов, причем схема управления выполнена с возможностью: излучения света каждым из последующих источников света на основании интенсивности, измеренной каждым предыдущим светочувствительным элементом; определения уровня адсорбции на основании разницы в интенсивности света, излучаемого начальным источником света, и света, полученного последним светочувствительным элементом; и вычисления концентрации компонента в образце на основании уровня адсорбции и общей оптической длины пути света, прошедшего между каждым источником света и светочувствительным элементом.

[0009] В другом варианте осуществления изобретения один или несколько первых или вторых светочувствительных элементов или источников света находятся внутри контейнера в контакте с образцом.

[0010] В одном из вариантов осуществления изобретения контейнер содержит одну или несколько прозрачных частей, причем один или несколько первых или вторых светочувствительных элементов или источников света расположены снаружи контейнера для направления или приема света через одну или несколько прозрачных частей.

[0011] В другом варианте осуществления изобретения контейнер имеет входное и выходное отверстия, обеспечивающие введение образца в контейнер и выведение образца из контейнера.

[0012] В одном из вариантов осуществления изобретения под концентрацией компонента понимают концентрацию NO₂.

[0013] В другом варианте осуществления изобретения первый источник света излучает свет с длиной волны примерно от 350 до 400 нм.

[0014] В одном из вариантов осуществления изобретения первый источник света содержит один или несколько светодиодов или лазерных диодов.

[0015] В другом варианте осуществления изобретения первый светочувствительный элемент содержит один или несколько фотодиодов, фоторезисторов или фототранзисторов.

[0016] В одном из вариантов осуществления изобретения интенсивность света, излучаемого вторым источником света, равна интенсивности принимаемого света.

[0017] В другом варианте осуществления изобретения интенсивность света, излучаемого вторым источником света, выше интенсивности принимаемого света.

[0018] В одном из вариантов осуществления изобретения интенсивность света, излучаемого вторым источником света, ниже интенсивности принимаемого света.

[0019] В одном из независимых вариантов осуществления изобретения предложен способ измерения концентрации компонентов в образце, содержащий следующие этапы: пропускание через образец света от первого источника света к первому светочувствительному элементу; измерение первой интенсивности света, принятого первым светочувствительным элементом; пропускание через образец света от второго источника света ко второму светочувствительному элементу при первой интенсивности света; измерение второй интенсивности света, принятого вторым светочувствительным элементом; определение уровня адсорбции на основании разницы в интенсивности света, излучаемого первым источником света, и второй интенсивности света; и вычисление концентрации компонентов в образце на основании уровня адсорбции и общей оптической длины пути света, прошедшего между первым источником света и светочувствительным элементом и вторым источником света и светочувствительным элементом.

[0020] В одном из вариантов осуществления изобретения способ дополнительно содержит следующие этапы: излучение света каждым одним или несколькими последующими источниками света на основании интенсивности, измеренной каждым одним или несколькими предыдущими светочувствительными элементами; определение уровня адсорбции на основании разницы в интенсивности света, излучаемого начальным источником света, и света, полученного последним светочувствительным элементом; и вычисление концентрации компонента в образце на основании уровня адсорбции и общей оптической длины пути света, прошедшего между каждым источником света и светочувствительным элементом.

[0021] В другом варианте осуществления изобретения один или несколько первых или вторых светочувствительных элементов или источников света находятся внутри контейнера в контакте с образцом.

[0022] В одном из вариантов осуществления изобретения образец находится в контейнере, содержащем одну или несколько прозрачных частей, причем один или несколько первых или вторых светочувствительных элементов или источников света расположены снаружи контейнера для направления или приема света через одну или несколько прозрачных частей.

[0023] В другом варианте осуществления изобретения контейнер имеет входное и выходное отверстия, причем способ содержит этап введения образца в контейнер и выведения образца из контейнера через входное и выходное отверстия.

[0024] В одном из вариантов осуществления изобретения под концентрацией компонента понимают концентрацию NO₂.

[0025] В другом варианте осуществления изобретения первый источник света излучает свет с длиной волны примерно от 350 до 400 нм.

[0026] В одном из вариантов осуществления изобретения первый источник света содержит один или несколько светодиодов или лазерных диодов.

[0027] В другом варианте осуществления изобретения первый светочувствительный элемент содержит один или несколько фотодиодов, фоторезисторов или фототранзисторов.

[0028] В одном из вариантов осуществления изобретения интенсивность света, излучаемого вторым источником света, равна интенсивности принимаемого света.

[0029] В другом варианте осуществления изобретения интенсивность света, излучаемого вторым источником света, выше интенсивности принимаемого света.

[0030] В одном из вариантов осуществления изобретения интенсивность света, излучаемого вторым источником света, ниже интенсивности принимаемого света.

[0031] Дополнительные признаки и преимущества изобретения станут очевидны из следующих чертежей и описания.

[0032] Если не указано иное, все технические и научные термины, используемые в настоящем документе, имеют значение, обычно используемое специалистами в области техники, к которой относится данное изобретение. В случае противоречия приоритет отдается патентной спецификации, включая определения. В настоящем документе артикли «a» и «an» означают «по меньшей мере один» или «один или более», если контекст явно не диктует иного. В данном случае «и/или» означает любой один или несколько элементов из списка, объединенных «и/или». Например, под «x и/или y» понимается любой элемент трехэлементного множества {(x), (y), (x, y)}. Другими словами, «x и/или y» означает «x, y или x и y». В другом примере, «x, y и/или z» означает любой элемент семиэлементного множества {(x), (y), (z), (x, y), (x, z), (y, z), (x, y, z)}.

[0033] Кроме того, если явно не указано обратное, «или» представляет собой включающее, а не исключающее «или». Например, условию A или B удовлетворяет любое из следующих выражений: A истинно (или существует), а B ложно (или не существует), A ложно (или не существует), а B истинно (или существует), и A и B истинны (или существуют).

[0034] Кроме того, для описания элементов и компонентов вариантов осуществления изобретения используются артикли «a» или «an». Это сделано только для удобства и для того, чтобы дать общее представление об изобретательских концепциях, а «a» и «an» обозначают «один» или «по меньшей мере один», и единственное число также включает множественное, если явно не подразумевается иное.

[0035] В настоящем документе термин «примерно», когда речь идет об измеряемой величине, такой как количество, время и т.п., подразумевает отклонения +/-10%, более предпочтительно +/-5%, еще более предпочтительно +/-1% и еще более предпочтительно +/-0,1% от указанного значения, поскольку такие отклонения подходят для осуществления раскрытых устройств и/или способов.

[0036] Далее раскрываются и иллюстрируются варианты осуществления и отличительные признаки изобретения совместно с системами, инструментами и способами, которые служат для демонстрации и иллюстрирования сущности изобретения, но не ограничивают его объем. В различных вариантах осуществления одна или несколько описанных выше проблем устраняются полностью или частично, в то время как другие варианты осуществления изобретения направлены на дополнительное усовершенствование.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

[0037] Для лучшего понимания изобретения и демонстрации возможности его осуществления описание ссылается на прилагаемые чертежи, на которых соответствующие участки или элементы имеют одинаковые обозначения.

[0038] Теперь, обращаясь к чертежам, следует подчеркнуть, что представленные признаки приведены для примера, предназначены только для иллюстрации предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения и предназначены для обеспечения наиболее полезного и понятного описания принципов и концептуальных аспектов изобретения. При этом не делается попыток показать структурные детали изобретения более подробно, чем это необходимо для фундаментального понимания изобретения, а описание в совокупности с чертежами делает практическую реализацию различных форм изобретения очевидной для специалистов в данной области техники. На прилагаемых чертежах:

[0039] На ФИГ. 1 изображен датчик концентрации, работающий по принципу адсорбции света и соответствующий уровню техники.

[0040] На ФИГ. 2A - 2B изображен пример датчика, содержащего параллельные зеркала для увеличения длины оптического пучка и соответствующего уровню техники.

[0041] На ФИГ. 3 изображен пример датчика, работающего по принципу адсорбции света и использующего ряд последовательных светочувствительных элементов и источников света для электронного увеличения оптической длины луча в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.

[0042] На ФИГ. 4 изображена пропорциональная зависимость между измеренной и излучаемой интенсивностью света в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.

[0043] На ФИГ. 5 изображена более сильная чем пропорциональная зависимость между измеренной и излучаемой интенсивностью света в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.

[0044] На ФИГ. 6 изображена более слабая чем пропорциональная зависимость между измеренной и излучаемой интенсивностью света в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.

[0045] На ФИГ. 7 показана примерная схема соотношения измеренного и излучаемого света в соответствии с некоторыми вариантами осуществления изобретения.

ПОДРОБНОЕ РАСКРЫТИЕ НЕКОТОРЫХ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ

[0046] Прежде чем подробно описать по меньшей мере один вариант осуществления изобретения, следует понимать, что изобретение не ограничено в своем применении деталями конструкции и расположением компонентов, приведенными в нижеследующем описании или показанными на чертежах. Изобретение применимо к другим вариантам осуществления изобретения, реализуемым различными способами. Кроме того, следует понимать, что фразеология и терминология, используемые в настоящем документе, служат целям описания и не носят ограничительного характера.

[0047] Одним из потенциальных недостатков систем, работающих по принципу адсорбции света, таких как система 10 на ФИГ. 1, является измерение малых концентраций. Этот недостаток можно устранить, увеличив оптическую длину пути света, проходящего через газ. Поскольку свет проходит через больший объем исследуемого газа, адсорбцию можно увеличить до легко измеряемых величин даже при малых концентрациях. Увеличение оптической длины пути может быть достигнуто за счет увеличения размера оптической кюветы, содержащей исследуемый газ, через которую проходит свет. Тем не менее, увеличение размеров оптической кюветы может создать проблемы с упаковкой. Кроме того, оптическую длину пути можно увеличить без увеличения размеров оптической кюветы путем многократного отражения света через исследуемый газ с помощью зеркал (см. ФИГ. 2A - 2B).

[0048] На ФИГ. 2A в разрезе изображена многопроходная оптическая кюветная система 100, а на ФИГ. 2B - кювета 100 в аксонометрии. Кюветная система 100 содержит: пару зеркал 110, расположенных друг напротив друга; источник 120 света, опционально лазер; систему 130 настройки лазера; канал 140 ввода луча; канал 150 вывода луча; уплотнение 160; светочувствительный элемент 170. Лазерный луч 180 проходит через канал 140 ввода луча, многократно отражается от зеркал 110 и выходит через канал 150 вывода луча для измерения светочувствительным элементом 170. Используя зеркала 110, можно многократно повысить чувствительность к более низким концентрациям, однако оптическая длина пути и чувствительность такой кюветной системы 100 ограничена расходимостью лазерного луча. Естественная расходимость луча и накопление ошибок при последовательном отражении луча ограничивают максимальную оптическую длину пути, которая может быть достигнута в таком устройстве.

[0049] Системы и способы, предложенные настоящим изобретением, устраняют этот недостаток посредством использования одного или нескольких электронных зеркал, содержащих блок в составе светочувствительного элемента и источника света. Каждый светочувствительный элемент может принимать и измерять интенсивность света от предыдущего источника света в цепочке, после чего повторно излучать свет от связанного источника света с такой измеренной интенсивностью. Процесс может быть повторен столько раз, сколько необходимо для достижения требуемой оптической длины пути, а накопительную адсорбцию можно измерить как общее уменьшение интенсивности от первого источника света в цепочке до последнего светочувствительного элемента в цепочке.

[0050] Цепочка источников света и светочувствительных элементов может быть связана электронными схемами таким образом, чтобы каждый последующий источник света излучал свет с интенсивностью, пропорциональной, сильнее чем пропорциональной или слабее чем пропорциональной интенсивности света, принимаемого предыдущим светочувствительным элементом. Светочувствительные элементы и источники света могут быть непосредственно соединены и управляться с помощью базовых схем или могут быть соединены с вычислительной системой, содержащей процессор и память и выполненной с возможностью приема различных значений интенсивности, измеренных светочувствительными элементами, и управления пропорциональным излучением света различными источниками света.

[0051] Аспекты изобретения могут содержать систему для измерения концентрации компонентов в образце. Такие системы могут содержать контейнер для помещения образца; первый источник света, расположенный с возможностью излучения света через образец в контейнере; первый светочувствительный элемент, расположенный с возможностью приема света от первого источника света, прошедшего через образец в контейнере; второй источник света, расположенный с возможностью излучения света через образец в контейнере; второй светочувствительный элемент, расположенный с возможностью приема света от второго источника света, прошедшего через образец в контейнере; и процессор или схему управления, взаимодействующую с первым светочувствительным элементом и вторым источником света/светочувствительным элементом. Процессор или схема управления могут быть выполнены с возможностью: получения значения интенсивности света, измеренного первым светочувствительным элементом; инициации излучения света вторым источником света на основании полученной интенсивности света; получения значения интенсивности света от второго светочувствительного элемента; определения уровня адсорбции на основании разницы в интенсивности света, излучаемого первым источником света, и света, полученного вторым светочувствительным элементом; и вычисления концентрации компонентов в образце на основании уровня адсорбции и общей оптической длины пути света, прошедшего между первым источником света и светочувствительным элементом и вторым источником света и светочувствительным элементом.

[0052] Термин «схема управления», используемый в настоящем документе, подразумевает любую подходящую схему, в том числе, но не ограничиваясь этим, процессор.

[0053] В некоторых вариантах осуществления изобретения системы могут дополнительно содержать один или несколько дополнительных источников света и светочувствительных элементов, причем процессор выполнен с возможностью излучения света каждым из последующих источников света на основании интенсивности, измеренной каждым предыдущим светочувствительным элементом, определения уровня адсорбции на основании разницы в интенсивности света, излучаемого начальным источником света, и света, полученного последним светочувствительным элементом, и вычисления концентрации компонента в образце на основании уровня адсорбции и общей оптической длины пути света, прошедшего между каждым источником света и светочувствительным элементом.

[0054] Один или несколько первых или вторых светочувствительных элементов или источников света могут находиться внутри контейнера в контакте с образцом. В некоторых вариантах осуществления изобретения контейнер может содержать одну или несколько прозрачных частей, причем один или несколько первых или вторых светочувствительных элементов или источников света расположены снаружи контейнера для направления или приема света через одну или несколько прозрачных частей. Контейнер может иметь входное и выходное отверстия, обеспечивающие введение образца в контейнер и выведение образца из контейнера. Под концентрацией компонента может пониматься концентрация диоксида азота (NO₂). Первый источник света может излучать свет с длиной волны примерно от 350 до 400 нм.

[0055] В различных вариантах осуществления изобретения первый источник света может содержать один или несколько светодиодов или лазерных диодов. Первый светочувствительный элемент может содержать один или несколько фотодиодов, фоторезисторов или фототранзисторов. Интенсивность света, излучаемого вторым источником света, равна, выше или ниже интенсивности принимаемого света.

[0056] Аспекты изобретения могут содержать способы измерения концентрации компонентов в образце. Такие способы могут содержать следующие этапы: пропускание через образец света от первого источника света к первому светочувствительному элементу; измерение первой интенсивности света, принятого первым светочувствительным элементом; пропускание через образец света от второго источника света ко второму светочувствительному элементу при первой интенсивности света; измерение второй интенсивности света, принятого вторым светочувствительным элементом; определение уровня адсорбции на основании разницы в интенсивности света, излучаемого первым источником света, и второй интенсивности света; и вычисление концентрации компонентов в образце на основании уровня адсорбции и общей оптической длины пути света, прошедшего между первым источником света и светочувствительным элементом и вторым источником света и светочувствительным элементом.

[0057] В некоторых вариантах осуществления изобретения способы могут дополнительно содержать следующие этапы: излучение света каждым одним или несколькими последующими источниками света на основании интенсивности, измеренной каждым одним или несколькими предыдущими светочувствительными элементами; определение уровня адсорбции на основании разницы в интенсивности света, излучаемого начальным источником света, и света, полученного последним светочувствительным элементом; и вычисление концентрации компонента в образце на основании уровня адсорбции и общей оптической длины пути света, прошедшего между каждым источником света и светочувствительным элементом.

[0058] Системы и способы, предложенные изобретением, относятся к измерению концентрации компонентов образца путем адсорбции света. Как было отмечено выше, прямые оптические измерения компонентов газа путем адсорбции света с определенной длиной волны позволяют реализовать удобный и надежный анализ газов в различных областях применения, в том числе в медицине и промышленности. Основным преимуществом таких способов является стабильность адсорбции во времени, поскольку коэффициент адсорбции является фундаментальной константой, тем не менее, такие способы ограничены в возможности определения малых концентраций, особенно в тех случаях, когда недостаток пространства ограничивает оптическую длину пути луча, проходящего через образец. Физическая манипуляция лучом (например, с помощью зеркал) для увеличения оптической длины пути сталкивается с недостатками, связанными с расходимостью луча.

[0059] Системы и способы, предложенные настоящим изобретением, устраняют недостатки известного уровня техники, предлагая многопроходные датчики, использующие ряд соединенных между собой светочувствительных элементов и источников света для многократного пропускания света через образец (тем самым с практическим увеличением оптической длины пути) и измеряющие накопительное уменьшение интенсивности для определения адсорбции. Длина волны излучаемого света может быть выбрана таким образом, чтобы она адсорбировалась целевым компонентом газа, а светочувствительный элемент может измерять интенсивность света после прохождения излучаемого света через газ. Таким образом, можно определить степень адсорбции и концентрацию связанного компонента газа. Источниками света могут служить доступные на рынке светодиоды или лазерные диоды, а светочувствительными элементами могут служить фотодиоды, фоторезисторы или фототранзисторы, имеющие практически неограниченный срок службы и стабильные характеристики.

[0060] Пример системы 200, предложенной изобретением, показан на ФИГ. 3. Ряд электронно связанных светочувствительных элементов 210 и источников 220 света расположен на противоположных сторонах контейнера 230, в котором находится образец. В одном из вариантов осуществления изобретения каждый светочувствительный элемент 210 выполнен в виде фототранзистора. В другом варианте осуществления изобретения каждый источник 220 света выполнен в виде одного или нескольких светодиодов. Ряд прозрачных окон 240 позволяет свету проходить в контейнер 230 и выходить из контейнера между последовательными источниками 220 света и светочувствительными элементами 210. В одном из вариантов осуществления изобретения система 200 дополнительно содержит несколько кювет 250, каждая из которых расположена между парой прозрачных окон 240, причем пары прозрачных окон 240 расположены на противоположных сторонах контейнера 230. Хотя система 200 показана как содержащая несколько кювет 250, такой вариант не является ограничением, и система 200 может работать аналогичным образом без кювет 250. В одном из вариантов осуществления изобретения (не показанном на фигурах в целях упрощения) контейнер 230 содержит входное и выходное отверстия, как описано выше применительно к кюветной системе 100 и анализатору 10

[0061] В одном из вариантов осуществления изобретения выход каждого светочувствительного элемента 210 управляет входом соответствующего источника 220. В одном из примеров эмиттер каждого светочувствительного элемента 210 соединен с базой соответствующего транзистора 260, а эмиттер соответствующего транзистора 260 соединен с анодом соответствующего источника 220. В одном из вариантов осуществления изобретения выход последнего элемента 210 через резистор 270 соединен со входом аналого-цифрового преобразователя.

[0062] Системы и способы, предложенные настоящим изобретением, особенно полезны для измерения компонентов образца с концентрацией в диапазоне «мкг/кг» с быстрым временем отклика. Как и в случае с обычными многопроходными кюветами (например, зеркальными, как показано на ФИГ. 2A - 2B), достигается увеличение оптической длины пути, но вместо физического многократного складывания светового луча в небольшой контейнер системы и способы, предложенные изобретением, могут использовать последовательное переизлучение света светодиодами, установленными в начале каждой отдельной кюветы.

[0063] В некоторых вариантах осуществления изобретения интенсивность света, излучаемого каждым источником 220, пропорциональна интенсивности света предыдущего элемента 210 или кюветы, управляемых схемами усиления тока с помощью транзисторов или других усилителей тока. Соответственно, все кюветы 250 функционируют как одна кювета с любой оптической длиной пути, определяемой количеством последовательных кювет 250, которое может быть сколь угодно большим и при этом обеспечивать компактность упаковки. Системы и способы, предложенные изобретением, не требуют сложных и точных процедур обслуживания и настройки оптики. Такие кюветы 250 работают как обычные оптические кюветы (требующие лишь регулярной очистки и обслуживания), но имеют практически неограниченную оптическую длину пути.

[0064] В некоторых вариантах осуществления изобретения интенсивность света, излучаемого каждым источником 220 может быть не прямо пропорциональна интенсивности света предыдущего элемента или кюветы, а иметь более сильную, чем пропорциональная, зависимость. Зависимость может быть, например, экспоненциальной или линейной, начиная с отличной от нуля точки оси x, или другой сильной зависимостью, как показано на ФИГ. 4. Взаимосвязь между последовательными светочувствительными элементами 210 и источниками 220 света можно регулировать с помощью простых электронных схем или компьютерных систем в соответствии с запрограммированными алгоритмами. Усиление тока с более сильной, чем пропорциональная, зависимостью позволяет повысить чувствительность, но при этом имеет более узкую динамическую область измеряемых концентраций.

[0065] В некоторых вариантах осуществления изобретения интенсивность света, излучаемого каждым источником 220 может быть не прямо пропорциональна интенсивности света предыдущей кюветы или элемента, а иметь более слабую, чем пропорциональная, зависимость. Зависимость может быть, например, криволинейной (см. кривую 280) или линейной, начиная с отличной от нуля точки оси x (см. линию 281), или другой слабой зависимостью, как показано на ФИГ. 5. В альтернативном варианте интенсивность света каждого источника 220 может иметь более сильную, чем пропорциональная, зависимость, как показано на ФИГ. 6, например, логарифмическую (см. кривую 282) или линейную зависимость, начиная с отличной от нуля точки оси y (см. линию 283).

[0066] Эту зависимость можно регулировать схемами усиления тока с использованием транзисторов или других усилителей тока, как показано, например, на ФИГ. 7. В частности, на ФИГ. 7 показана схема 300 усиления, содержащая: диод 310 Зенера; резистор 320; биполярный транзистор 330; резистор 340. Анод диода 310 Зенера соединен с общим потенциалом, а катод диода 310 Зенера соединен с первым концом резистора 320. Второй конец резистора 320 соединен с базой транзистора 330 и эмиттером фототранзистора 210. Коллектор транзистора 330 соединен с катодом светодиода 220, а эмиттер транзистора 330 через резистор 340 соединен с общим потенциалом. В одном из вариантов осуществления изобретения резистор 320 представляет собой регулируемый резистор, а управляющий вывод резистора 320 соединен с эмиттером фотодиода 210. Таким образом, зависимость определяется напряжением Зенера диода 310 Зенера. В частности, зависимость между светодиодом 220 и фотодиодом 210 будет определяться тем, равно ли напряжение Зенера, меньше или больше напряжения база-эмиттер транзистора 330.

[0067] Усиление тока с более слабой, чем пропорциональная, зависимостью позволяет снизить чувствительность с одновременным расширением динамической области измеряемых концентраций. Примерные значения чувствительности и диапазоны для различных стратегий рассматриваются в приведенных ниже примерах.

ПРИМЕРЫ:

[0068] Пример 1:

Анализатор озона в воздухе

Расход газа: 4-40 л/ч

Многопроходная оптическая кювета с оптической длиной пути 4 м, содержащая восемь секций по 0,5 м с использованием ряда прямо пропорционально связанных светочувствительных элементов и источников света.

Длина волны светодиодных источников света: 265 нм

Диапазон измерения: 10 мкг/кг - 2 мкг/г

[0069] Пример 2:

Анализатор озона в воде

Расход воды: 0,4-4 л/ч

Многопроходная оптическая кювета с оптической длиной пути 4 м, содержащая восемь секций по 0,5 м с использованием ряда прямо пропорционально связанных светочувствительных элементов и источников света.

Длина волны светодиода: 265 нм

Диапазон измерения 10 мкг/кг - 2 мкг/г

[0070] Пример 3:

Анализатор озона в воздухе

Расход газа: 4-40 л/ч

Многопроходная оптическая кювета с оптической длиной пути 4 м, содержащая восемь секций по 0,5 м с использованием ряда светочувствительных элементов и источников света с более сильной чем пропорциональная зависимостью.

Длина волны светодиода: 265 нм

Диапазон измерения 1 мкг/кг - 50 мкг/кг

[0071] Пример 4:

Анализатор озона в воздухе

Расход газа: 4-40 л/ч

Многопроходная оптическая кювета с оптической длиной пути 4 м, содержащая восемь секций по 0,5 м с использованием ряда светочувствительных элементов и источников света с более слабой чем пропорциональная зависимостью.

Длина волны светодиода: 265 нм

Диапазон измерения 20 мкг/кг - 100 мкг/г

[0072] Пример 5:

Анализатор диоксида азота в воздухе

Расход газа: 4-40 л/ч

Многопроходная оптическая кювета с оптической длиной пути 4 м, содержащая восемь секций по 0,5 м с использованием ряда прямо пропорционально связанных светочувствительных элементов и источников света.

Длина волны светодиода: 405 нм

Диапазон измерения 40 мкг/кг - 8 мкг/г

[0073] Специалисту в данной области техники очевидно, что системы и способы, предложенные изобретением, могут содержать вычислительные устройства, которые могут содержать один или несколько процессоров (например, центральный процессор (CPU), графический процессор (GPU) и т.д.), машиночитаемое запоминающее устройство (например, основную память, статическую память и т.д.) или их комбинации, которые взаимодействуют друг с другом через шину. Вычислительные устройства могут представлять собой мобильные устройства (например, сотовые телефоны), персональные компьютеры и серверные компьютеры. В различных вариантах осуществления изобретения вычислительные устройства могут быть выполнены с возможностью обмена данными друг с другом по сети.

[0074] Вычислительные устройства могут использоваться для управления описанными в настоящем документе системами, включая управление клапанами и насосами и обработку данных с датчиков NO и датчиков, связанных с фильтром.

[0075] Процессор может представлять собой любой подходящий процессор, известный в данной области, например, процессор, продаваемый под торговой маркой XEON E7 компанией Intel (Santa Clara, CA), или процессор, продаваемый под торговой маркой OPTERON 6200 компанией AMD (Sunnyvale, CA).

[0076] Память предпочтительно представляет собой по меньшей мере один материальный энергонезависимый носитель, способный хранить: один или несколько наборов инструкций, исполняемых для выполнения системой функций, описанных в настоящем документе (например, программное обеспечение, реализующее любую методику или функцию, описанную в данном документе), и/или данные (например, данные, которые должны быть закодированы в памяти). Хотя в примерном варианте осуществления изобретения машиночитаемое запоминающее устройство может представлять собой один носитель, термин «машиночитаемое запоминающее устройство» следует понимать как включающий один или несколько носителей (например, централизованную или распределенную базу данных и/или соответствующие кэши и серверы), на которых хранятся инструкции или данные. Соответственно, термин «машиночитаемое запоминающее устройство» включает, без ограничения, твердотельные запоминающие устройства (например, абонентский идентификационный модуль (SIM), защищенная цифровая карта (SD-карта), микро SD-карта или твердотельный накопитель (SSD)), оптические и магнитные носители, жесткие диски, дисковые накопители и любые другие материальные носители.

[0077] Для хранения данных могут быть использованы любые подходящие сервисы, такие как, например, Amazon Web Services, облачное хранилище, другой сервер или другое машиночитаемое хранилище. Под облачным хранением понимают схему хранения данных, при которой данные хранятся в логических пулах, а физическое хранение может осуществляться на нескольких серверах и в разных местах. Хранилище может принадлежать и управляться хостинговой компанией. Предпочтительно, хранилище используется для хранения записей, необходимых для выполнения и поддержки операций, описанных в настоящем документе.

[0078] Устройства ввода/вывода согласно изобретению могут представлять собой одно или несколько из следующих устройств: устройства видеоизображения (например, жидкокристаллический дисплей (ЖКД) или монитор на катодно-лучевой трубке (КЛТ)), устройства алфавитно-цифрового ввода (например, клавиатура), устройства управления курсором (например, мышь или трекпад), дисковый накопитель, устройство формирования сигнала (например, динамик), сенсорный экран, кнопка, акселерометр, микрофон, радиочастотная антенна сотовой связи, устройство сетевого интерфейса, которое может представлять собой, например, сетевую интерфейсную карту (NIC), Wi-Fi карту или сотовый модем, или любую их комбинацию. Устройства ввода/вывода можно использовать для ввода желаемых уровней концентрации NO и расхода, а также для оповещения пользователей о показаниях датчиков и необходимости замены фильтра.

[0079] Специалисту в данной области техники очевидно, что для обеспечения работоспособности различных систем и способов, описанных в настоящем документе, можно использовать любую подходящую среду разработки или язык программирования. Например, системы и способы, описанные в настоящем документе, могут быть реализованы с использованием C++, C#, Java, JavaScript, Visual Basic, Ruby on Rails, Groovy и Grails или любого другого подходящего инструмента. Для вычислительного устройства может быть предпочтительным использование собственного xCode или Android Java.

[0080] Следует отметить, что некоторые признаки изобретения, которые для ясности описаны в контексте отдельных вариантов осуществления изобретения, могут быть также представлены в комбинации в одном варианте осуществления изобретения. И наоборот, различные признаки изобретения, которые для краткости описаны в контексте одного варианта осуществления изобретения, могут быть также предусмотрены отдельно или в любой подходящей комбинации более низкого уровня.

[0081] Если явно не определено иное, все технические и научные термины, используемые в настоящем документе, имеют значения, привычные специалистам в области техники, к которой относится настоящее изобретение. Хотя способы, аналогичные или эквивалентные описанным в настоящем документе, могут быть использованы в практической реализации или испытаниях настоящего изобретения, подходящие способы описаны в настоящем документе.

[0082] Все публикации, патентные заявки, патенты и другие ссылки, упомянутые в настоящем документе, включены в него во всей своей полноте путем отсылки. В случае противоречия приоритет отдается патентной спецификации, включая определения. Кроме того, приведенные материалы, способы и примеры носят исключительно иллюстративный, а не ограничительный характер.

[0083] Специалистам в данной области техники очевидно, что настоящее изобретение не ограничивается показанным и описанным выше. Объем настоящего изобретения определяется прилагаемой формулой изобретения и включает как комбинации первого и второго уровня различных признаков, описанных выше, так и их вариации и модификации, которые могут быть реализованы специалистами в данной области техники после ознакомления с приведенным выше раскрытием.

Изобретение относится к измерению концентрации примесей путем адсорбции света. Раскрыт способ измерения концентрации компонентов в образце, содержащий следующие этапы: пропускание через образец света от первого источника света к первому светочувствительному элементу; измерение первой интенсивности света, принятого первым светочувствительным элементом; пропускание через образец света от второго источника света ко второму светочувствительному элементу при первой интенсивности света; измерение второй интенсивности света, принятого вторым светочувствительным элементом; определение уровня адсорбции на основании разницы в интенсивности света, излучаемого первым источником света, и второй интенсивности света; и вычисление концентрации компонентов в образце на основании уровня адсорбции и общей оптической длины пути света, прошедшего между первым источником света и светочувствительным элементом и вторым источником света и светочувствительным элементом. Изобретение обеспечивает достижение необходимой длины оптического пути. 11 з.п. ф-лы, 7 ил., 5 пр.

1. Способ измерения концентрации компонентов в образце, содержащий следующие этапы:

пропускание через образец света от первого источника света к первому светочувствительному элементу;

измерение первой интенсивности света, принятого первым светочувствительным элементом;

пропускание через образец света от второго источника света ко второму светочувствительному элементу при первой интенсивности света;

измерение второй интенсивности света, принятого вторым светочувствительным элементом;

определение уровня адсорбции на основании разницы в интенсивности света, излучаемого первым источником света, и второй интенсивности света; и

вычисление концентрации компонентов в образце на основании уровня адсорбции и общей оптической длины пути света, прошедшего между первым источником света и светочувствительным элементом и вторым источником света и светочувствительным элементом.

2. Способ по п. 1, дополнительно содержащий следующие этапы:

излучение света каждым одним или несколькими последующими источниками света на основании интенсивности, измеренной каждым одним или несколькими предыдущими светочувствительными элементами;

определение уровня адсорбции на основании разницы в интенсивности света, излучаемого начальным источником света, и света, полученного последним светочувствительным элементом; и

вычисление концентрации компонента в образце на основании уровня адсорбции и общей оптической длины пути света, прошедшего между каждым источником света и светочувствительным элементом.

3. Способ по пп. 1 или 2, в котором один или несколько первых или вторых светочувствительных элементов или источников света находятся внутри контейнера в контакте с образцом.

4. Способ по любому из пп. 1, 2, в котором образец находится в контейнере, содержащем одну или несколько прозрачных частей, причем один или несколько первых или вторых светочувствительных элементов или источников света расположены снаружи контейнера для направления или приема света через одну или несколько прозрачных частей.

5. Способ по п. 4, в котором контейнер имеет входное и выходное отверстия, причем способ содержит этап введения образца в контейнер и выведения образца из контейнера через входное и выходное отверстия.

6. Способ по любому из пп. 1-5, в котором концентрация компонента представляет собой концентрацию диоксида азота (NO₂).

7. Способ по п. 6, в котором первый источник света излучает свет с длиной волны от 350 до 400 нм.

8. Способ по любому из пп. 1-7, в котором первый источник света содержит один или несколько светодиодов или лазерных диодов.

9. Способ по любому из пп. 1-8, в котором первый светочувствительный элемент содержит один или несколько фотодиодов, фоторезисторов или фототранзисторов.

10. Способ по любому из пп. 1-9, в котором интенсивность света, излучаемого вторым источником света, равна интенсивности принимаемого света.

11. Способ по любому из пп. 1-9, в котором интенсивность света, излучаемого вторым источником света, выше интенсивности принимаемого света.

12. Способ по любому из пп. 1-9, в котором интенсивность света, излучаемого вторым источником света, ниже интенсивности принимаемого света.