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用于持續(xù)實時監(jiān)控二氧化碳中化學(xué)污染物的系統(tǒng)和方法與流程

文檔序號:12141383閱讀:349來源:國知局
用于持續(xù)實時監(jiān)控二氧化碳中化學(xué)污染物的系統(tǒng)和方法與流程

本申請要求2014年2月14日提交的美國臨時專利申請61/940,250的優(yōu)先權(quán),依賴以上優(yōu)先權(quán)文件并特此通過引用以其整體并入本文作為參考。



背景技術(shù):

在碳酸飲料、食品包裝和消毒中所使用的二氧化碳?xì)怏w偶爾被發(fā)現(xiàn)在使用時受到復(fù)合物的污染,復(fù)合物可能影響與二氧化碳?xì)怏w結(jié)合使用的食品或飲料產(chǎn)品的口感、氣味以及甚至安全。制造或獲取二氧化碳?xì)怏w的很多通常局部化的工藝通常在它們生成完全純二氧化碳的能力上是不完美的,清理或“刷洗”氣體的方法偶爾會失敗。純二氧化碳則可能在儲存或運輸時受到污染,特別是如果將純二氧化碳放置到之前受污染的容器中時。

受污染的二氧化碳可能包含廣泛的污染物,包括乙醛、含硫化合物、芳香烴(如苯)及其它揮發(fā)性碳?xì)浠衔?如甲烷)。大多數(shù)污染物,在中等水平時,對使用二氧化碳的產(chǎn)品僅導(dǎo)致負(fù)面的口感和氣味影響。在高水平時一些污染物是有毒的并可能引起疾病甚至死亡。苯和一些其它物質(zhì),在中等水平時,被認(rèn)為是致癌。

國際飲料專家協(xié)會(ISBT),一家具有1000名以上公司會員的飲料行業(yè)組織,已經(jīng)制定了在無酒精飲料和軟飲料中可接受的污染水平的指南。這些指南對十三種復(fù)合物或復(fù)合物族建議了最大濃度水平,包括,例如,乙醛濃度不得超過200ppb(十億分比)和芳香烴濃度不得超過20ppb。

然而,目前在生產(chǎn)環(huán)境中二氧化碳的持續(xù)或近持續(xù)監(jiān)控的成本很高。市場上的二氧化碳分析儀是圍繞使用氣相色譜技術(shù)(GC)和質(zhì)譜分析法(MS)的化學(xué)分析設(shè)備而構(gòu)建的,更通常地用在實驗室里。二氧化碳分析儀公司加固了這些GC/MS單元并在這些單元上增加了外圍電子設(shè)備以調(diào)整樣品流并使其測量功能自動化。這些系統(tǒng)很輕松就花掉了200,000美元或更多。它們在外殼中包括可能是五或六尺高和重達(dá)數(shù)百磅的一個或多個設(shè)備支架。

除了它們的高成本以外,目前的二氧化碳分析儀往往過于敏感,且維護(hù)成本高。有些分析儀需要使用“載體”氣體,包括極易爆炸的氫氣。在校準(zhǔn)時使用的載體氣體和“量距”氣通常每年會花費6000美元。單元通常每十到二十分鐘對二氧化碳流進(jìn)行一次抽樣,但這可能不夠快以捕獲快速污染物瞬變或消除產(chǎn)品污染的所有可能。

因此,需要一種能進(jìn)行準(zhǔn)確的和近實時測量的緊湊、穩(wěn)健和便宜的監(jiān)控器,從而極大地降低成本,同時使二氧化碳生產(chǎn)者和用戶能夠更好地評估和降低污染風(fēng)險。



技術(shù)實現(xiàn)要素:

本發(fā)明提供一種二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)。該二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)包括被配置為檢測污染物存在的傳感器,污染物可包括,但不限于,在二氧化碳?xì)怏w流中的乙醛、芳香烴(苯、甲苯、乙苯和二甲苯)、含硫化合物和揮發(fā)性碳?xì)浠衔?如甲烷)。在一方面,傳感器被配置為檢測和報告其濃度超過ISBT標(biāo)準(zhǔn)的污染物的特定水平。在另一方面,傳感器被配置為如果任一污染物的濃度超過ISBT標(biāo)準(zhǔn)則發(fā)出警報。

在一方面,二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)被配置為完全自動化。在一方面,二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)被配置為持續(xù)監(jiān)控二氧化碳路線,或被配置為評價在一段時間內(nèi)二氧化碳的樣品,在該時間段內(nèi)該評價的速率比二氧化碳中的污染物水平可實質(zhì)地改變的速率足夠快。在另一方面,二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)被粗略地配置為在包括飲料裝瓶設(shè)施和二氧化碳發(fā)電廠的工業(yè)應(yīng)用中可靠穩(wěn)健地工作。

本發(fā)明的這些和其它目的以及優(yōu)點將從以下對本發(fā)明優(yōu)選實施例的詳細(xì)描述中變得顯而易見。

前面的概述和以下詳細(xì)描述都僅是示例性的和說明性的,旨在對所要求保護(hù)的本發(fā)明提供進(jìn)一步解釋說明。附圖被包括在內(nèi)以對本發(fā)明提供進(jìn)一步的理解,并合并及構(gòu)成本說明書的一部分,解釋本發(fā)明的若干實施例,并連同說明書用于解釋本發(fā)明的原理。

附圖說明

圖1是根據(jù)一個方面使用實時傳感器的二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)的示意圖。

圖2是圖1中的實時傳感器的前平面視圖。

圖3是表示圖1中二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)的子系統(tǒng)的示意圖。

圖4是表示圖3中的二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)的示意圖。

圖5是根據(jù)本發(fā)明一個實施例的二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)的化學(xué)傳感器模塊的橫截面?zhèn)让媸疽鈭D。

圖6是圖5中的波導(dǎo)的示意性頂視圖。

圖6a是具有四對單獨通道的波導(dǎo)的頂視圖。

圖6b是表示根據(jù)一個方面具有嵌入式漸逝場的單模波導(dǎo)的示意圖。

圖7是根據(jù)本發(fā)明一個方面的由二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)所執(zhí)行的方法的流程圖。

圖8-10表示圖1中實時污染物傳感器的顯示器。

圖11-12是根據(jù)本發(fā)明一個方面的由二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)所執(zhí)行的方法的流程圖。

圖13是根據(jù)本發(fā)明一個方面的控制電子設(shè)備的框圖。

優(yōu)選實施例詳細(xì)說明

在公開和描述本發(fā)明方法和系統(tǒng)之前,應(yīng)當(dāng)理解,所述方法和系統(tǒng)不限于具體合成方法、具體組件和具體構(gòu)成。還應(yīng)理解,本文所使用的術(shù)語僅出于描述特定實施例的目的,并不旨在限制。

如本說明書和所附權(quán)利要求書中所使用的,單數(shù)形式“一種”(“a”)、一個(“an”)、和“該”包括多個所指物,除非上下文清楚地表示其他含義。本文中的范圍表示為從“大約”一個特定值,和/或到“大約”另一個特定值。在表達(dá)這種范圍時,另一個實施例包括從一個特定值和/或到另一個特定值。類似地,在將數(shù)值表示為近似值時,通過使用前述“大約”,可理解為特定值構(gòu)成另一個實施例??蛇M(jìn)一步理解為,每個范圍的端點很明顯既與另一個端點有關(guān),又獨立于另一個端點。

“可選的”或“可選地”表示隨后描述的事件或情況可能發(fā)生或可能不發(fā)生,該描述包括出現(xiàn)所述事件或情況的實例以及不出現(xiàn)的實例。

貫穿本文說明書和權(quán)利要求,詞語“包括”以及該詞的變體,如動名詞形式和第三人稱形式,表示“包括但不限于”,并非旨在排除,例如,其它附加物、組件、整體或步驟。“示例性的”表示“...的示例”,并非旨在傳達(dá)一種優(yōu)選的或理想的實施例的指示?!袄纭钡氖褂貌皇窍拗菩缘?,而是出于說明的目的。

公開了可用于執(zhí)行所公開的方法和系統(tǒng)的組件。本文公開了這些及其它組件,可理解為在公開這些組件的組合、子集、交互和組而沒有明確公開它們的各個單獨和集體組合和置換的具體引用時,本文中針對所有方法和系統(tǒng)具體考慮并描述了每個組件。這適用于本申請的所有方面,包括但不限于,所公開方法中的步驟。因而,如果存在能夠執(zhí)行的各種附加步驟,可理解為這些附加步驟中的每個都可以用所公開方法的任一具體實施例或?qū)嵤├慕M合來執(zhí)行。

本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)明白,所述方法和系統(tǒng)可采用整個地硬件實施例、整個地軟件實施例或結(jié)合了軟件和硬件方面的實施例的形式。此外,所述方法和系統(tǒng)可采用具體表現(xiàn)在存儲介質(zhì)中的具有計算機(jī)可讀程序指令(如計算機(jī)軟件)的計算機(jī)可讀存儲介質(zhì)上的計算機(jī)程序產(chǎn)品的形式??墒褂萌魏芜m用的計算機(jī)可讀存儲介質(zhì),包括硬盤、只讀光盤、光學(xué)存儲設(shè)備或磁存儲器。

下面參照方法、系統(tǒng)、裝置和計算機(jī)程序產(chǎn)品的框圖和流程圖圖解對所述方法和系統(tǒng)的實施例進(jìn)行描述??衫斫鉃椋驁D和流程圖圖解的每個方框以及框圖,以及框圖和流程圖圖解中的方框組合可分別通過計算機(jī)程序指令來實現(xiàn)。這些計算機(jī)程序指令可加載到通用計算機(jī)、專用計算機(jī)或其它可編程數(shù)據(jù)處理裝置中以生產(chǎn)出機(jī)器,以便在計算機(jī)或其它可編程數(shù)據(jù)處理裝置上執(zhí)行的指令創(chuàng)建一種用于實現(xiàn)一個或多個流程圖方框中規(guī)定的功能的手段。

這些計算機(jī)程序指令還可存儲在計算機(jī)可讀存儲器中,該計算機(jī)可讀存儲器可指示計算機(jī)或其它可編程數(shù)據(jù)處理裝置以特殊的方式履行功能,以便存儲在計算機(jī)可讀存儲器中的指令產(chǎn)生一種制品,該制品包括用于實現(xiàn)一個或多個流程圖方框中規(guī)定的功能的計算機(jī)可讀指令。計算機(jī)程序指令還可加載到計算機(jī)或其它可編程數(shù)據(jù)處理裝置中,以引起將在計算機(jī)或其它可編程裝置上被履行的一系列操作步驟來產(chǎn)生一種計算機(jī)實現(xiàn)的過程,以便在計算機(jī)或其它可編程裝置上執(zhí)行的指令提供用于實現(xiàn)一個或多個流程圖方框中規(guī)定的功能的多個步驟。

相應(yīng)地,框圖和流程圖圖解中的方框支持用于執(zhí)行規(guī)定功能的裝置的組合、用于執(zhí)行規(guī)定功能的步驟的組合以及執(zhí)行規(guī)定功能的程序指令裝置。還可理解為,框圖和流程圖圖解的每個方框以及在框圖和流程圖圖解中的方框的組合可通過基于專用硬件的計算機(jī)系統(tǒng)實現(xiàn),所述計算機(jī)系統(tǒng)履行規(guī)定的功能或步驟,或?qū)S糜布陀嬎銠C(jī)指令的組合。

參照圖1和圖2,本發(fā)明針對一種被配置為實時監(jiān)控二氧化碳中污染物的二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10。在示例性方面,二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10被配置為監(jiān)控飲料廠中的二氧化碳。在其它方面,二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10可被用在需要對流體(即,氣體或液體)中污染物進(jìn)行持續(xù)監(jiān)控的各種設(shè)置中。例如,二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10可被配置為用于食品包裝設(shè)施或二氧化碳發(fā)電廠或萃取車間或蒸餾室中。

在一方面,二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10被配置為能夠位于二氧化碳儲存器或運輸箱12附近以及能夠從所述運輸箱12中接收二氧化碳持續(xù)流。在一方面,二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10包括輸送系統(tǒng)14,用于將受監(jiān)控的二氧化碳輸送給二氧化碳目標(biāo)16和實時污染物傳感器20。在一方面,輸送系統(tǒng)14可以是將二氧化碳從儲存位置輸送/運輸?shù)蕉趸嫉膽?yīng)用位置的任何類型系統(tǒng)。

在一方面,二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10被進(jìn)一步配置為用于工業(yè)選址。在這些方面中,二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10可被配置用于使用無線電臺來有線或無線通信。例如,有線通信可包括但不限于LAN、T1線、企業(yè)內(nèi)部網(wǎng)和以太網(wǎng),而無線通信可包括但不限于蜂窩通信裝置(CDMA、GPRS、LTE等)、藍(lán)牙、WiFi、衛(wèi)星和其它類型的無線連接。

在一方面,二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10的輸送系統(tǒng)14被配置為將受監(jiān)控的二氧化碳輸送給污染物傳感器20。輸送系統(tǒng)14可包括插入到二氧化碳儲存器12和/或輸送系統(tǒng)14中的管材/管子18,并且管材/管子18可根據(jù)被認(rèn)為存在的的污染類型來被選擇和更改(如鈍化)。這種管材18可包括但不限于不銹鋼、鋁、PVC、Tygon、PTFE、聚乙烯等。在一方面,管材16可具有靈活性,以便避免在污染物傳感器20與二氧化碳線路12之間的任何潛在堵塞。各種緊固裝置,包括但不限于安裝架,其可用于將輸送系統(tǒng)14的組件(包括管材16),固定在監(jiān)控現(xiàn)場的適當(dāng)位置。盡管污染物傳感器20可被安裝在二氧化碳儲存器12和目標(biāo)14附近的各個位置,但如果需要,優(yōu)選放在容易接近的位置以便日常維護(hù)。二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10的設(shè)置不限于剛剛描述的配置,可基于監(jiān)控位置的需要定向在各種位置上。

在一方面,如圖2所示,污染物傳感器20包括外殼30、用戶界面40和外部接頭50。污染物傳感器20的外殼30被配置為包含下面進(jìn)一步詳細(xì)論述的各種硬件和軟件組件。在一方面,二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10被配置為用于監(jiān)控在工廠環(huán)境中使用的二氧化碳輸送系統(tǒng)14,外殼30可由堅固的和剛性的材料制成。堅固材料可包括,但不限于足以保護(hù)污染物傳感器20的內(nèi)部組件且滿足安全與管理要求的金屬薄片、鋁、模壓塑料及其它類似材料。污染物傳感器20的外殼30的材料可包括能夠安全地保護(hù)污染物傳感器20的內(nèi)部組件的任何材料,如下面詳細(xì)論述。在一方面,外殼30可包括可卸蓋,其允許使用污染物傳感器20的某些組件,包括用于過濾目標(biāo)污染物和波導(dǎo)的過濾器,如下面詳細(xì)論述。在本發(fā)明的示例性方面,外殼30被配置為在拆卸或重新安裝所述蓋時通知(例如通過開關(guān))污染物傳感器20的各種硬件和軟件組件。

如上所述,在一方面,污染物傳感器20可包括用戶界面40。在該方面,用戶界面40包括一個其上具有所有用戶控件和顯示器駐留的大的背光顏色觸摸屏。盡管本發(fā)明的優(yōu)選實施例使用交互觸摸屏40,但污染物傳感器20可包括其它類型的用戶界面40,包括但不限于鍵盤和顯示屏的組合等。在本發(fā)明的一些實施例中,期望污染物傳感器20沒有任何直接的人員可用接口,以將污染物傳感器20的控制限制為通過無線或有線連接由遠(yuǎn)程授權(quán)個人實現(xiàn),如下面更詳細(xì)論述。下面更詳細(xì)地論述了具體的控件、顯示器及其功能。盡管用戶界面40和總體外殼30的尺寸可具有各種組合,但在一個實施例中,觸摸屏40的面積為約6英寸×4.5英寸,外殼30的面積為7英寸×9英寸,深3英寸。

如圖2所示,污染物傳感器20提供了外部接頭50,該外部接頭50促進(jìn)了受監(jiān)控的二氧化碳內(nèi)的污染物的監(jiān)控。如圖2所示,外殼30的底部提供了五個外部接頭50,包括兩個流體接頭52a及52b、通信接頭54、電源接頭56和輔助數(shù)據(jù)端口58。然而,污染物傳感器20的其它實施例可包括更多或更少的外部接頭50,以及不同類型和不同位置上的接頭。

流體接頭52a、52b包括進(jìn)氣(“進(jìn)入”)口52a和排氣(“排出”)口52b,它們從輸送系統(tǒng)14連接到管材/管子18。進(jìn)氣口52a和排氣口52b連接到過濾器、閥門和容納波導(dǎo)的流通池,如下面詳細(xì)論述。在一方面,流體接頭52a、52b可分別連接到與輸送系統(tǒng)14連接的進(jìn)氣軟管和排氣軟管。所述口52a、52b可包括連接到各自的軟管/管子18上的噴嘴或接頭。在一方面,噴嘴/接頭和軟管優(yōu)選具有不同的尺寸,以排除交叉連接。例如,進(jìn)氣口52a的噴嘴/接頭可被配置為僅連接到進(jìn)氣軟管,而排氣口52b的噴嘴/接頭被配置為尺寸僅與管子18的排氣軟管相匹配。此外,暴露在二氧化碳中的軟管/管子18以及所有其它零件優(yōu)選由不會濾掉或吸收污染物的材料制成。如上所述,該材料可包括但不限于不銹鋼、PTFE(聚四氟乙烯)、聚乙烯或Tygon管材。在一方面,口52a、52b可被配置為使管子/軟管18從輸送系統(tǒng)14剛性地耦合到污染物傳感器20,以便防止二氧化碳泄漏。

圖2中標(biāo)有“CTRL”的通信接頭54輸出實時檢測數(shù)據(jù),該實時監(jiān)測數(shù)據(jù)包括在二氧化碳中發(fā)現(xiàn)的有關(guān)污染物的信息,這些信息包括水平、濃度和污染物組成。通信接頭54可通過在CTRL端口增加外部無線硬件保護(hù)器(dongle)或者通過使用內(nèi)部調(diào)制解調(diào)器來實現(xiàn)無線。此外,在一些方面,污染物傳感器20將不具有暴露在外的通信接頭54,以便防止任何未被授權(quán)的電子設(shè)備使用污染物傳感器20。

根據(jù)一方面,電源接頭56被配置為接受插入式電力電纜。電力電纜可以是批準(zhǔn)在美國使用的標(biāo)準(zhǔn)的110V交流、3插腳電纜。也可以使用適用于其它國家的其它電力電纜。在本發(fā)明的一些實施例中,電力電纜以適當(dāng)?shù)膽?yīng)變消除被硬連接在污染物傳感器20中??梢詮默F(xiàn)場電源或者從電網(wǎng)中向污染物傳感器20提供電源。在另一方面,電源接頭56可被配置為連接到可拆卸的電源,例如電池或外部適配器。在另一方面,污染物傳感器20可具有內(nèi)部電源,其中電源接頭56被用于備份的目的。內(nèi)部電源可包括,但不限于可充電電池、可更換電池或一些其它裝置。

在一方面,污染物傳感器20可包括使得能夠額外使用傳感器檢測數(shù)據(jù)和軟件的輔助數(shù)據(jù)端口58。輔助端口58可被配置為與標(biāo)準(zhǔn)電氣接口兼容,標(biāo)準(zhǔn)電氣接口包括如USB或雷電的高速串行總線、以太網(wǎng)、火線等。污染物傳感器20的一些實施例可包括被配置為可拆卸地耦合到輔助數(shù)據(jù)端口58上的專用記憶棒。這種記憶棒可用在備用系統(tǒng)中以保留包括部分檢測數(shù)據(jù)的收集到的信息。例如,在污染物傳感器20的通信裝置變得不可用或壞掉的實例中,仍然可以使用記憶棒收集和得到數(shù)據(jù)。記憶棒可被配置為連接到污染物傳感器20以下載數(shù)據(jù)。

輔助數(shù)據(jù)58還可被配置為提供接口,用于對新的檢測軟件和數(shù)據(jù)進(jìn)行校準(zhǔn)、診斷以及上傳。例如,檢測數(shù)據(jù)可包括使污染物傳感器20保持運行所需的校準(zhǔn)信息。輔助數(shù)據(jù)端口58可被提供作為從通信接頭54中的單獨輸出,以允許用戶在不中斷輸出信號至通信接頭54的情況下連接到污染物傳感器20并下載歷史的或?qū)崟r的檢測數(shù)據(jù)。

如上所述,污染物傳感器20包括硬件和軟件組件。在一方面,污染物傳感器20的硬件組件可包括由硬件功能組織的而不是由物理位置或?qū)嵤﹣斫M織的的三個相互依賴的子系統(tǒng)。如圖3所示,子系統(tǒng)是氣體循環(huán)子系統(tǒng)(GCS)100,其包括過濾器和閥門,與所有外部和內(nèi)部軟管(如圖4所示)、化學(xué)傳感器模塊200(CSM)和系統(tǒng)控制器300相互作用。化學(xué)傳感器模塊200(CSM)包括光源(例如激光器)、波導(dǎo)、攝像機(jī)和支架(如圖5-圖6所示),系統(tǒng)控制器300在本文被稱為電子控制子系統(tǒng)300(ECS)以避免上述和下述其它控制器之間出現(xiàn)混淆。ECS 300可以被看作包含有污染物傳感器20的計算機(jī)(參見圖12)。ECS 300可被配置為實時收集由CSM 200檢測到的污染物/化學(xué)信息,使用圖12所示的檢測數(shù)據(jù)1407和檢測軟件1406來確定二氧化碳中的特殊污染物的數(shù)量。ECS 300可以是嵌入式系統(tǒng)或單板機(jī),該嵌入式系統(tǒng)或單板機(jī)控制GCS 100、CSM 200、CSM 200的圖像處理、數(shù)據(jù)處理、用戶界面40、外部接頭50和電源調(diào)節(jié)。ECS 300向GCS 100的所有電子組件提供電源和命令,并從CSM 200中接收數(shù)據(jù)。ECS 300還向通信接頭54和輔助數(shù)據(jù)接頭58輸出數(shù)據(jù),并從輔助數(shù)據(jù)接頭58中接收命令。在一個實施例中,110V交流電源通過電源接頭56進(jìn)入并由ECS 300轉(zhuǎn)換為所需等級。

圖4是GCS 100中的示出連接和流程的框圖。在一個實施例中,二氧化碳從左側(cè)進(jìn)入,通過進(jìn)氣口52a、接著通過至少一個路徑110、接著通過GSC 100。在一方面,進(jìn)氣口52a可包括微粒過濾器140。微粒過濾器140可被配置為防止固體物質(zhì)堵塞污染物傳感器20。一旦二氧化碳進(jìn)入進(jìn)氣口52a并經(jīng)過微粒過濾器140,二氧化碳就被立即分成兩個路徑:過濾路徑112和未過濾路徑114。過濾路徑112包括經(jīng)過污染物過濾器116的二氧化碳。另一個路徑114繞開污染物過濾器116,導(dǎo)致二氧化碳未被過濾。兩條路徑112、114都在進(jìn)口118處終止于選擇閥120,選擇閥可選擇或過濾后的二氧化碳(即,經(jīng)過污染物過濾器116的二氧化碳)或者未被過濾的二氧化碳以穿過波導(dǎo)230,其可包含在流動池220中,兩種二氧化碳都包含在CSM 200,如下面更詳細(xì)論述。污染物過濾器116被配置為從過濾路徑112的二氧化碳流中除掉監(jiān)控的污染物,而不應(yīng)影響溫度或其它特性。過濾材料可由但不限于木炭或活性炭組成。在一方面,污染物過濾器116可被配置為除去污染物傳感器20被配置監(jiān)控的各種污染物,這些污染物包括但不限于乙醛、苯、甲苯、含硫化合物及包括甲烷的其它揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOC)。在一方面,污染物過濾器116從二氧化碳中過濾出目標(biāo)污染物,且對二氧化碳的其它特性沒有影響,對讀數(shù)可能有影響(例如濕度水平、溫度等)。在一方面,單個污染物過濾器116可用于過濾出監(jiān)控的污染物,或者一系列不同的污染物過濾器116可用于從過濾路徑112中過濾出污染物。在一方面,污染物過濾器116可被監(jiān)控以便更換。分析物過濾器116的監(jiān)控可通過各種傳感器裝置來完成,或者可基于過濾器116的已知效率/壽命來完成。

通過具有過濾路徑112和未過濾路徑114,傳感器20,更具體地為CSM 200,可以定期地自校準(zhǔn),以減小傳感器偏移和維護(hù)精度。對于每個傳感周期,首先測量經(jīng)過過濾路徑112的過濾后的二氧化碳,以建立零污染物基線,以便消除波導(dǎo)偏移。GCS 100還可調(diào)整正被監(jiān)控的氣體的溫度。過濾的二氧化碳路徑112和未過濾的二氧化碳路徑114對于通過各自的路徑112、114的二氧化碳應(yīng)在流量、壓降、溫度和行程時間方面達(dá)到平衡。在另一方面,為進(jìn)一步確保精確測量,GCS 100可使用溫度傳感器130和溫度控制機(jī)構(gòu)132(例如,風(fēng)扇或加熱線圈)來調(diào)整經(jīng)過過濾路徑112和未過濾路徑114的二氧化碳的溫度。

在一方面,傳感器20,更具體為GCS 100,被配置為使用由二氧化碳輸送系統(tǒng)14所提供的壓力,以便控制二氧化碳流動通過不同路徑112、114。然而,在一方面,可以提供可選泵150。在一方面,泵150可以控制二氧化碳流動通過GCS 100至CSM 200。在流中位置可變的泵150(即,泵150可在污染物傳感器20外部或可包含在污染物傳感器20內(nèi)部)或推或拉二氧化碳通過污染物傳感器20,包括至CSM 200,用以監(jiān)控、識別和測量污染物。

在一方面,GCS 100可被配置為幫助測量/識別/監(jiān)控相關(guān)污染物。例如,GCS 300可被配置為包括過濾器140,過濾器140被配置為去除非目標(biāo)污染物以及可能干擾監(jiān)控的污染物/微粒。在這些方面,過濾器140可被配置為處理進(jìn)氣口52a處的二氧化碳。與污染物過濾器116類似,為了效率,可對這些過濾器140進(jìn)行監(jiān)控。

一旦執(zhí)行了下面詳細(xì)論述的檢測步驟,二氧化碳就離開CSM 200并穿過排氣口52b,在此處二氧化碳移動到目標(biāo)16上。在一替代實施例中,污染物傳感器20包含兩個選擇閥120,二氧化碳被持續(xù)推著通過兩個路徑112、114,以便在每個路徑112、114中的二氧化碳的環(huán)境特性之間沒有延遲。來自該路徑的沒有被推著通過CSM 200的二氧化碳繞過CSM 200并與從CSM 200出來的二氧化碳耦合從而通過排氣口52b排出。

一方面,盡管對于進(jìn)口和排出口52a、52b保持通暢很重要,但二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10,更具體為GCS 100,可被配置為如果進(jìn)口或排出口52a、52b在不確定的一段時間被堵塞可在對本身不造成損壞的情況下操作。一方面,微粒過濾器可放在接近進(jìn)氣口52a的地方。另一方面,壓力傳感器可用于測量沿不同的二氧化碳路徑112、114出現(xiàn)的壓力。如果壓力傳感器發(fā)現(xiàn)路徑承受容許范圍以外的壓力,則污染物傳感器20可被配置為關(guān)閉,或?qū)⒔Y(jié)果報告給系統(tǒng)控制器/控制電子設(shè)備300。此外,污染物傳感器116沒有無限的容量且應(yīng)作為正常維護(hù)的一部分被更換。

圖5、圖6、圖6a和圖6b說明了化學(xué)傳感器模塊(CSM)200的組件。CSM 200使用光學(xué)干涉量度法通過對光路進(jìn)行比較來感測二氧化碳中污染物的數(shù)量和組成。干涉儀內(nèi)的通道創(chuàng)建單獨的光路,可在光路中產(chǎn)生干涉圖。盡管本發(fā)明的優(yōu)選實施例使用馬赫-曾德爾干涉儀,但也可使用其它光學(xué)干涉儀,包括但不限于邁克爾遜干涉儀、法布里-珀羅干涉儀、泰曼-格林干涉儀、薩格納克干涉儀、瑞利干涉儀和雅滿干涉儀。干涉儀包括至少一個涂有聚合物的傳感通道,當(dāng)聚合物暴露于二氧化碳中發(fā)現(xiàn)的污染物中時可選擇性地改變其折射率。因而,污染物的存在將改變光路,而單獨的參考通道將不受污染物的影響。當(dāng)聚合物暴露于化學(xué)制品中時,對光路的這種改變會使干涉圖發(fā)生改變,從而允許幾乎瞬時的讀數(shù)。

在圖5頂部被標(biāo)記為“二氧化碳流”的二氧化碳從右側(cè)被推入進(jìn)口管210,并經(jīng)過密封腔體(即,流通池)220到達(dá)波導(dǎo)230上方。同時,低功率激光器240(其在一個實施例中具有670納米的中心波長)輻射一束單色光到波導(dǎo)230內(nèi)。在CSM 200的輸出側(cè),干涉圖在攝像機(jī)250上顯示或由其它形式的光學(xué)檢測器250來捕獲。例如,本發(fā)明的一個實施例使用來自IDS Imaging公司的UI-1542LE-M型號的攝像機(jī)。

如圖6中的頂視圖所示,波導(dǎo)230由輸入格柵232、一對或多對并行通道-傳感通道234及參考通道236-和一個或多個輸出格柵238組成。波導(dǎo)230是一個層疊式薄膜結(jié)構(gòu),具有光學(xué)玻璃基底、一薄層核心高折射率材料和長窄通道蝕刻成的上部包覆層。一方面,波導(dǎo)230可由以下組成,但不限于,熔融石英玻璃、石英玻璃、硅和五氧化鉭。

圖6a是具有四對傳感通道234和參考通道236的波導(dǎo)230的頂視圖。激光器的光通過從波導(dǎo)230底部進(jìn)入輸入格柵沿著與傳感通道和參考通道相關(guān)的光路向下移動,且折射的光沿著通道的長度向下移動(圖5和圖6中從左向右)。

每個傳感通道234充滿化學(xué)敏感聚合物,其折射率與污染物吸附力按比例變化,導(dǎo)致在該聚合物中的光速相應(yīng)地變化。一部分光(其漸逝場如圖6b所示)穿過涂覆在每個傳感通道表面上的聚合物涂層。光學(xué)檢測器250捕獲來自光路的每個通道對的光的光學(xué)相互作用所產(chǎn)生的干涉圖。使用運行圖像處理算法的處理器來確定該干涉圖的相移,該干涉圖與目標(biāo)污染物的濃度成比例。

例如,可用于識別二氧化碳中污染物的類型、濃度和成分的聚合物包括但不限于PVP、PVA、PHEM、PVB、PTBrS、PVF、PEI、PVPy、PHPC、PBIBMA、TAF、PDMA、PMOS、PSSA、PVPK和PIB。能夠被識別出來的污染物類型包括但不限于乙醛、苯、甲苯、含硫化合物及包括甲烷的其它VOC。

在本發(fā)明的其它實施例中,可使用其它涂層及厚度。參考通道236被覆蓋,以便不受聚合物涂層的影響(即,它與二氧化碳中發(fā)現(xiàn)的污染物不反應(yīng))。每個通道234、236中的光速與二氧化碳樣品中的污染物數(shù)量的比例度不同。

離開每個通道234、236的右側(cè)后,兩條光束由輸出格柵再次折射和結(jié)合,將干涉圖投射到攝像機(jī)250或其它形式光學(xué)檢測器的表面上。在一個實施例中,光學(xué)檢測器250是電荷耦合裝置(CCD)。在替代實施例中,光學(xué)檢測器250是互補型金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)傳感器。如果存在污染物,則傳感和參考光波將以不同速度移動,其中一個在另一個之前到達(dá)輸出格柵238,導(dǎo)致與污染物濃度成比例的攝像機(jī)250上的干涉圖中產(chǎn)生相移和變化。CE 300分析攝像機(jī)圖像并測量干涉圖的變化,以通過使用與污染物傳感器20相關(guān)聯(lián)的校準(zhǔn)系數(shù)來確定污染物的濃度和標(biāo)識。這些系數(shù)還可通過各種裝置來更新。

盡管圖6描述了波導(dǎo)上的一對通道,但波導(dǎo)還可包含多對通道(如圖6a所示),每個通道具有相同或不同的傳感聚合物,以感測二氧化碳樣品中的多種污染物,或以提高特異性和可靠性。給定污染物對不同聚合物的吸附響應(yīng)比率往往是唯一的,并可用于確定污染物的身份或污染物混合物的成分。在波導(dǎo)230上增加更多的具有不同聚合物以及更多聚合物對的傳感通道234可允許測量更多的比率以及識別和量化復(fù)雜混合物中數(shù)量不斷增加的污染物。對于任何污染物混合物建立波導(dǎo)230上聚合物對集合間的響應(yīng)比特征。增加更多的傳感通道還會提高傳感器區(qū)分污染物目標(biāo)與其它“干擾物”復(fù)合物的能力,這些“干擾物”復(fù)合物不需要被檢測但可能被傳感器誤解為目標(biāo)污染物。如果干擾物的瞬態(tài)響應(yīng)或響應(yīng)比特征與污染物目標(biāo)的不同,則還可通過信號處理來辨別干擾物。

ECS 300位于傳感器外殼30中且無法供用戶使用,除非在功能上通過用戶界面40或外部接頭50來使用。ECS 300包括污染物傳感器20的電源控制系統(tǒng)。電源控制系統(tǒng)優(yōu)選包括用以檢測非正常狀態(tài)的電流監(jiān)控器,如下面更詳細(xì)論述。ECS 300包括板上存儲器。ECS 300的存儲器優(yōu)選為非易失型并提供足夠的板上存儲器以將符合應(yīng)用要求的擴(kuò)展的讀數(shù)歷史存儲在最短的讀數(shù)區(qū)間,這可由用戶設(shè)置。在優(yōu)選實施例中,當(dāng)存儲器已滿時以先進(jìn)先出為基礎(chǔ)清除存儲器。還提供附加的16k用戶定義的識別數(shù)據(jù)以及提供至少512k以維護(hù)系統(tǒng)日志文件。ECS 300的優(yōu)選實施例包括實時時鐘(RTC),其即使在系統(tǒng)斷電時也能繼續(xù)跟蹤時間。RTC優(yōu)選應(yīng)保持每年±6小時以上的準(zhǔn)確度長達(dá)三年。

一方面,ECS 300被配置為完成以下功能:控制GCS 100;控制CSM 200;處理從CSM 200中接收到的圖像,包括圖像剪裁;確定適當(dāng)?shù)臏y量區(qū)域;確定該區(qū)域內(nèi)的干涉圖周期;解釋干涉圖數(shù)據(jù)并使其與校準(zhǔn)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)以獲得污染物濃度讀數(shù);控制用戶界面40;與通信接頭54和輔助輸出58連接;通過用戶界面40與用戶連接以設(shè)置選項并進(jìn)行維護(hù);管理功率輸入至系統(tǒng)10;檢測系統(tǒng)故障并對其進(jìn)行響應(yīng);將污染物濃度數(shù)據(jù)保存在帶時間戳的數(shù)據(jù)文件中;將有意義的事件保存在系統(tǒng)日志中;并檢測例外情況和錯誤并對其作出反應(yīng)??墒褂酶鞣N編碼語言(如C語言)和變體或通過各種應(yīng)用層軟件來實施和執(zhí)行這些功能,包括但不限于美國國家儀器公司的軟件。

一方面,ECS 300可以被配置為確定是否存在污染物,并且如果存在,根據(jù)CSM 200提供和捕獲的信息確定污染物濃度。一方面,ECS 300可以確定是否存在污染物,并且如果存在,通過如圖7所示的方法600確定污染物濃度。如圖7所示,ECS 300將首先確定是否存在污染物(步驟610),隨著污染物傳感器20接觸二氧化碳確定污染物存在度的變化率(步驟620),將時間段內(nèi)的變化與校準(zhǔn)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)以獲得二氧化碳濃度讀數(shù)(步驟630),并且處理污染物濃度讀數(shù)以消除噪聲和其他潛在故障數(shù)據(jù)(步驟640)。在示例性方面,ECS 300可以利用檢測應(yīng)用程序406來執(zhí)行方法600。

ECS 300可以通過檢查CSM 200產(chǎn)生的信號來確定是否存在污染物(步驟610)。例如,如果CSM 200傳遞表示變化的信號,ECS 300將確定存在污染物。在其他方面,CSM 200可以被配置為在檢測到目標(biāo)污染物時提供獨立的信號。

一旦下面詳細(xì)論述的ECS 300通過檢測應(yīng)用程序506確定存在污染物,ECS 300可以在給定時間段內(nèi)確定接觸CSM 200的污染物數(shù)量的變化(步驟620)。一方面,ECS 300可以根據(jù)CSM 200產(chǎn)生的信號確定這個信息。一方面,ECS 300可以利用處理算法確定信號的變化。

一旦確定污染物數(shù)量的變化(步驟620),則ECS 300可以將變化數(shù)據(jù)和校準(zhǔn)數(shù)據(jù)相關(guān)聯(lián)以獲得污染物濃度讀數(shù)(步驟630)。在示例性方面,變化數(shù)據(jù)可以乘以一個校準(zhǔn)系數(shù)來確定污染物濃度讀數(shù)。

一旦確定了污染物濃度讀數(shù),ECS 300可以處理濃度讀數(shù)以消除噪聲和其他潛在故障數(shù)據(jù)(步驟640)。這可以利用加權(quán)平均算法或其他信號處理技術(shù)做到。此外,還可以考慮其他環(huán)境條件來消除故障數(shù)據(jù)。例如,污染物濃度讀數(shù)可以根據(jù)當(dāng)前的濕度水平來調(diào)整。這樣的信息可以通過濕度傳感器來獲得。

ECS 300控制二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10的運行。ECS 300被配置為向用戶提供簡單操作。正因為如此,在系統(tǒng)的優(yōu)選實施例中,污染物傳感器20具有有限數(shù)量的模式:測量模式、待機(jī)模式、系統(tǒng)錯誤模式、維護(hù)模式以及校準(zhǔn)和診斷模式。雖然優(yōu)選的是污染物傳感器20被限于這五個模式,但是其他實施例可能包括更多的可選模式、不同模式或更少的模式。

提供本節(jié)中屏幕上的說明是為了給出每個屏幕的內(nèi)容的概述,并不意味著提出屏幕的具體布局或插圖。所示的這些屏幕意味著對應(yīng)圖2中所示的LCD觸摸屏區(qū)域。如圖8和圖9所示,顯示屏包括提供給用戶的某些信息,包括污染物傳感器20當(dāng)前運行模式的狀態(tài)以及任何相應(yīng)的讀數(shù)。例如,顯示屏可以包括測量狀態(tài)指示符。如圖8所示,測量狀態(tài)指示符表明系統(tǒng)處于待機(jī)模式。在待機(jī)模式下,污染物傳感器20不可操作,并且在其屏幕上顯示“待機(jī)”。

當(dāng)處于測量模式時,污染物傳感器20根據(jù)系統(tǒng)預(yù)先設(shè)置測量(在近連續(xù)的基礎(chǔ)上)、顯示和記錄污染物水平、存在度和組成。如圖9所示,測量狀態(tài)指示符表明二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10處于測量模式,以綠色背景顯示“正常”,表示系統(tǒng)10目前正在進(jìn)行測量,并且上一次測量結(jié)果處于用戶設(shè)定的正常閾值內(nèi)。當(dāng)污染物傳感器20發(fā)現(xiàn)污染物上一次測量結(jié)果高于用戶設(shè)定的警戒閾值,以黃色背景測量狀態(tài)指示符顯示“警戒”。同樣,當(dāng)污染物傳感器20發(fā)現(xiàn)污染物上一次測量結(jié)果高于用戶設(shè)定的警告閾值,以紅色背景測量狀態(tài)指示符顯示“警告”。除了“正?!薄ⅰ熬洹被颉熬妗?,其他實施例可以使用描述性語言。顯示多種污染物結(jié)果的圖表可以同時顯示在屏幕上,或者顯示屏可以包括單獨的設(shè)備循環(huán)顯示傳感器正在監(jiān)測的每種單獨的污染物。

除了測量狀態(tài)指示符,顯示屏40包括上一次測量結(jié)果數(shù)字指示符、數(shù)據(jù)/時間顯示符和過濾能力顯示符。數(shù)字指示符表示所讀取的上一次污染物讀數(shù)或讀數(shù)集。在待機(jī)模式下,該指示符顯示為“--.-”。此外,優(yōu)選的是,數(shù)字指示符顯示精度變化的數(shù)量,精度取決于正在顯示哪種污染物的數(shù)據(jù)。例如,乙醛濃度的顯示精度可以為50ppb,而苯的精度可以為5ppb。日期/時間顯示符表明當(dāng)前的日期和時間,精度極小,在優(yōu)選實施例中可以由用戶調(diào)整。同時,在優(yōu)選實施例中,日期/時間顯示符根據(jù)夏令時(美國和歐洲)和閏年進(jìn)行調(diào)整。最后,過濾能力顯示符表示污染物過濾器116的狀態(tài)、當(dāng)前能力或剩余壽命。在優(yōu)選實施例中,處理器跟蹤過濾器116已經(jīng)接觸的污染物的總數(shù)量以及接觸時間,并計算剩余的過濾壽命。一種表現(xiàn)形式中,能力較高時數(shù)字顯示符為綠色,數(shù)值較低時轉(zhuǎn)變?yōu)辄S色,然后數(shù)值仍然較低時轉(zhuǎn)變?yōu)榧t色。在另一種表現(xiàn)形式中,其讀起來像汽車的燃油表,從滿至空。當(dāng)過濾能力為零時,污染物傳感器將不再讀取讀數(shù),并顯示“更換過濾器”信息。指示符顏色變化的缺省閾值可以根據(jù)用戶的喜好來更改。在優(yōu)選實施例中,每次用戶完成維護(hù)模式時,數(shù)字自動復(fù)位到最大值。在本發(fā)明的一些實施例中,過濾能力顯示符將通知用戶什么時候錯誤安裝了一個新的過濾器116。

參照圖8和圖9,顯示屏包括主菜單控件。優(yōu)選實施例顯示的主菜單控件包括開始/暫停測量按鈕、執(zhí)行維護(hù)按鈕、設(shè)置選項按鈕和返回顯示按鈕。

開始/暫停測量按鈕在“開始”和“暫?!睖y量之間切換。從待機(jī)模式按下時,二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10置于測量模式。從測量模式按下時,二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10置于待機(jī)模式。如下面的詳細(xì)描述,執(zhí)行維護(hù)按鈕啟動的是維護(hù)模式。設(shè)置選項按鈕打開的是下一級菜單和鍵盤顯示符,可以讓用戶改變系統(tǒng)選項。返回顯示按鈕返回的是歷史測量污染物水平的圖形顯示屏,如圖10所示。在待機(jī)模式下,顯示符是靜態(tài)的且顯示最近的讀數(shù)。在測量模式下,顯示符是動態(tài)的,并且持續(xù)更新。測量狀態(tài)指示符、上一次測量結(jié)果數(shù)字指示符、過濾能力指示符和日期/時間指示符持續(xù)顯示,與實施例中是否包括圖形顯示屏或菜單無關(guān)。

如上所述,從主菜單上的“返回顯示”按鈕啟動圖形顯示屏。圖10示出了測量模式下的圖形顯示屏。如圖所示,圖形顯示屏幕上的唯一控件是“菜單”按鈕,可以返回主菜單(雖然仍然處于待機(jī)模式或測量模式)。在本發(fā)明的其他實施例中,圖形顯示屏上可以包括其他按鈕。

圖形顯示屏顯示歷史的污染物讀數(shù)。在測量模式下,實時更新。在待機(jī)模式下,顯示最近的讀數(shù)?!皒”軸為時間;“y”軸為污染物水平,單位為ppm(百萬分率)或ppb(十億分率)。這兩條軸線都是用戶可以調(diào)整的,并且可以按需自動伸縮來調(diào)整數(shù)據(jù)。黃線和紅線分別表示用戶調(diào)整的“警戒”和“警告”閾值。顯示屏上的日期范圍限制可以由用戶設(shè)置。多種污染物的讀數(shù)可以同時顯示,或者在單獨的圖表上,或者結(jié)合在單獨的同一個圖表上。

參數(shù)顯示為一系列由直線連接的點,在這期間污染物傳感器處于測量模式。在顯示的時間間隔內(nèi),如果單元在任何一點處于待機(jī)模式,那些時間段的值沒有顯示在顯示屏上,表現(xiàn)為空白行。雖然圖10顯示的顯示符利用對應(yīng)于時間和污染物水平的傳統(tǒng)的x軸和y軸說明了數(shù)字,但是在其他實施例中,可以使用其他類型的圖形表示,包括但不限于,具有最低、最高和當(dāng)前水平的條形圖或餅形圖。

系統(tǒng)在如下情況下進(jìn)入測量模式:(a)當(dāng)從主菜單中選擇“開始測量”時,或者(b)如果測量模式為最后已知的模式,則當(dāng)系統(tǒng)從系統(tǒng)錯誤模式返回時。

在測量模式下,觸摸屏40顯示圖形顯示屏,如圖10所示。一如既往地,用戶可以在不退出測量模式的情況下在圖形顯示屏和主菜單之間切換。根據(jù)圖1.1所示的行為流,污染物傳感器20在測量間隔參數(shù)規(guī)定的時間間隔內(nèi)讀取污染物水平讀數(shù)。

當(dāng)啟動測量模式(1000)時,改變圖形顯示屏(1001)來顯示與圖10中提供的相類似的內(nèi)容。如果合適,打開泵100、激光器240和攝像機(jī)250并初始化(1002)。利用圖像處理算法,在一個實施例中這些算法包括傅里葉變換的使用,對于傳感器20中的一個波導(dǎo)230或一套波導(dǎo)230上的每個干涉儀(即輸入格柵232、傳感通道234、參考通道236和輸出格柵238),二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10開始跟蹤攝像機(jī)250檢測到的干涉圖中出現(xiàn)的相移(1003)。利用實時時鐘,為計數(shù)器設(shè)置(1005)一個時間段(優(yōu)選實施例中為20秒,但是這個時間段可以根據(jù)利用二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)的應(yīng)用程序變化),切換選擇閥120(1006),這樣已經(jīng)被污染物過濾器116過濾的二氧化碳經(jīng)過流通池220和波導(dǎo)230。進(jìn)一步處理圖像處理算法獲得的每個干涉儀的相移數(shù)據(jù)。根據(jù)一個實施例,二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10首先獲取數(shù)據(jù)的導(dǎo)數(shù)(或斜率),然后“低通”過濾推算數(shù)據(jù)(1007)。于是,找到了該處理數(shù)據(jù)的最大負(fù)值(1008)。由于對污染物敏感的聚合物涂層的化學(xué)吸附和解吸速度與實例中特定污染物的存在度和濃度成正比,所以可以使用導(dǎo)數(shù)方法。在一些實施例中,該方法可以提高傳感速度和保持過濾能力。然后,用(1008)中找到的數(shù)值乘以校準(zhǔn)系數(shù)(1009)。該校準(zhǔn)系數(shù)可以在將波導(dǎo)230安裝在污染物傳感器20中時提供,并且可以在現(xiàn)場校準(zhǔn)事件需要時更新。如果獲得的數(shù)值在合理范圍(可以取決于應(yīng)用程序并且在安裝時確定或者由確定界外讀數(shù)水平的客戶確定)內(nèi)并且與上一次測量值(通過ECS 300本地存儲在污染物傳感器20中)沒有顯著差別(1010),并且如果在污染物傳感器20中未檢測到其他錯誤或故障,那么記錄、傳遞或存儲該數(shù)值(1012)。如果發(fā)現(xiàn)該數(shù)值沒有處于適當(dāng)?shù)姆秶?,或者報告了錯誤,則污染物傳感器20進(jìn)入系統(tǒng)錯誤模式(1011)。然后,二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10等到倒計時達(dá)到零(1013),并且如果發(fā)生,切換GCS 100的選擇閥120,以便二氧化碳在未過濾的情況下(通過未過濾路徑114)經(jīng)過流通池220到達(dá)波導(dǎo)230(1014)。然后,重置倒計時時鐘(在優(yōu)選實施例中,時鐘被重置到100秒)(1015),允許波導(dǎo)230和傳感通道234及參考通道236上的涂層吸附和/或與來自二氧化碳源的污染物發(fā)生反應(yīng)。當(dāng)?shù)褂嫊r再一次達(dá)到零(1016)并且假設(shè)污染物傳感器20未得到暫?;虼龣C(jī)的答復(fù)(1017),那么污染物傳感器20重新設(shè)計倒計時并且切換回過濾狀態(tài)(1005和1006)。當(dāng)在如下情況下時,二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10退出測量模式:(a)用戶從主菜單選擇“暫停測量模式”;(b)出現(xiàn)系統(tǒng)錯誤,或(c)系統(tǒng)斷電。

當(dāng)在以下情況時,污染物傳感器20進(jìn)入待機(jī)模式:(a)系統(tǒng)上電;(b)用戶從主菜單選擇“暫停測量模式”,或;(c)在錯誤處于待機(jī)模式之前系統(tǒng)從系統(tǒng)錯誤和上次的狀態(tài)恢復(fù)。圖8示出了顯示主菜單時待機(jī)模式下的觸摸屏。狀態(tài)指示符為黃色,顯示為“待機(jī)”。數(shù)值指示符為ppm"。用戶可以通過單擊“返回顯示”或“菜單”按鈕在主菜單和圖形顯示屏之間切換。在待機(jī)模式下顯示圖形顯示屏?xí)r,只提供歷史數(shù)據(jù),系統(tǒng)待機(jī)的時間間隔不具有顯示為空白行的數(shù)據(jù)。在本發(fā)明的一個實施例中,如果用戶在污染物傳感器進(jìn)行測量時調(diào)用待機(jī)模式,污染物傳感器中斷測量,然后進(jìn)入待機(jī)模式。

在待機(jī)模式下,二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10被配置如下:選擇閥120設(shè)置為“傳感”(未過濾)輸入(即從未過濾路徑114),以潛在減少通過污染物過濾器116的流量;CSM激光器240和攝像機(jī)250被設(shè)置為關(guān)閉;并且通信輸出54保持“無數(shù)據(jù)”讀數(shù)。

污染物傳感器20在遇到某些錯誤條件時進(jìn)入系統(tǒng)錯誤模式。在本發(fā)明的一些實施例中,系統(tǒng)錯誤模式等同于待機(jī)模式,除了由要求測量來停止的某些系統(tǒng)錯誤啟動,以防止可能對污染物傳感器20或“垃圾”數(shù)據(jù)報告的損壞。在系統(tǒng)錯誤模式下,狀態(tài)指示符閃著紅光,顯示為“系統(tǒng)錯誤”。

當(dāng)自動或通過用戶操作校正錯誤條件時,污染物傳感器20通常退出系統(tǒng)錯誤模式,并返回到上一次保存的模式。系統(tǒng)日志記錄進(jìn)入和退出系統(tǒng)錯誤模式的時間和日期。

維護(hù)模式使系統(tǒng)處于安全狀態(tài),并指導(dǎo)用戶完成維護(hù)工作。二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10的維護(hù)將按照規(guī)定的時間進(jìn)行,但是可以在用戶要求的任何時間執(zhí)行。圖12示出了維護(hù)模式下的系統(tǒng)行為。用戶通過從主菜單選擇“執(zhí)行維護(hù)”進(jìn)入維護(hù)模式。污染物傳感器將系統(tǒng)配置成猶如在待機(jī)狀態(tài)。觸摸屏40上的一系列指令指導(dǎo)用戶完成維護(hù)步驟,并且污染物傳感器20執(zhí)行若干次自檢來確保維護(hù)正確實施。屏幕信息可能包括示出了待執(zhí)行任務(wù)的圖解。污染物系統(tǒng)日志記錄了每次維護(hù)的開始和結(jié)束時間/日期。

二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10可以包含維護(hù)倒計時,警告用戶系統(tǒng)10什么時候需要定期維護(hù)。除了保持“維護(hù)倒計時”,二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10可以保持單獨的“更換倒計時”,并且當(dāng)?shù)狡诟鼡Q波導(dǎo)230或過濾器116時通過用戶界面40上所顯示的觸摸屏文本信息警告用戶。

校準(zhǔn)和診斷模式便于校準(zhǔn)單元并實施某些診斷。用戶可以通過將計算機(jī)連接到輔助端口58并運行計算機(jī)的校準(zhǔn)和診斷應(yīng)用程序來啟動校準(zhǔn)和診斷模式。應(yīng)用程序通過用污染物傳感器20,特別是過濾器116和CSM 200,接觸盛裝混合了二氧化碳或另一種載氣的已知水平的污染物的測試裝備,校準(zhǔn)污染物傳感器20,由可靠的高精度參考傳感器驗證。ECS 300可以被配置為指導(dǎo)操作員完成校準(zhǔn)步驟,并根據(jù)產(chǎn)品研發(fā)期間創(chuàng)建的公式和/或查閱標(biāo)生成相應(yīng)的校準(zhǔn)系數(shù)。校準(zhǔn)系數(shù)通過ECS 300本地存儲在污染物傳感器20上,以及將校準(zhǔn)系數(shù)引用到裝置序號和日期的全局?jǐn)?shù)據(jù)庫中。校準(zhǔn)系數(shù)被優(yōu)選保持至少三年有效,無需更新。

校準(zhǔn)應(yīng)用程序還會將識別數(shù)據(jù)加載到在傳感器20的ECS 300中查到的本地存儲器中以及全局?jǐn)?shù)據(jù)庫中。識別數(shù)據(jù)包括裝置硬件版本、固件版本、序號、生產(chǎn)日期、CM序號和波導(dǎo)序號,同時為用戶定義的數(shù)據(jù)保留空間。也可以包括其他識別數(shù)據(jù)。

“校準(zhǔn)和診斷”應(yīng)用程序還具有檢索、存儲和顯示污染物傳感器的實時診斷數(shù)據(jù)的能力,以協(xié)助故障排除和了解系統(tǒng)行為。參數(shù)可以包括但不限于各種子系統(tǒng)的總電流消耗、CSM電流消耗、CRC掃描結(jié)果、測量歷史、系統(tǒng)日志、原始圖像數(shù)據(jù)和人工控制。

從主菜單中選擇“設(shè)置選項”可以打開新的菜單,包含用戶可以使用的多種選項。這些包括“警戒”和/或“警告”閾值,其在某些應(yīng)用程序的特定范圍內(nèi)可以由用戶調(diào)整。

如上所述,二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10可以包括USB記憶棒,該記憶棒中包含將安裝在計算機(jī)中用于下載和顯示污染物傳感器20的數(shù)據(jù)的簡單應(yīng)用程序。安裝程序可以指導(dǎo)用戶完成流程。為了從污染物傳感器20中下載數(shù)據(jù),用戶將記憶棒連接到傳感器20的輔助端口58,等待觸摸屏上出現(xiàn)“數(shù)據(jù)下載完成”信息,然后移除記憶棒,并且將記憶棒連接到計算機(jī)上??梢栽谌魏挝廴疚飩鞲衅髂J较逻M(jìn)行連接和數(shù)據(jù)下載,而不中斷污染物傳感器20的測量和其他功能。簡單接口將允許用戶:查看可供下載的日期范圍;選擇日期范圍并下載數(shù)據(jù),輸入到程序中,例如Microsoft Excel或其他電子表格應(yīng)用程序;用圖表形式顯示所選日期范圍內(nèi)的數(shù)據(jù);并且/或者下載一份系統(tǒng)日志。

如果將數(shù)據(jù)和USB記憶棒當(dāng)前所屬的計算機(jī)連接到互聯(lián)網(wǎng),在用戶允許的情況下,應(yīng)用程序?qū)⑦B接到指定網(wǎng)站,并檢查可用的軟件升級。如果有的話,應(yīng)用程序?qū)⑾螺d并將其安裝在記憶棒中。當(dāng)再次將記憶棒插入污染物傳感器中時,其將升級系統(tǒng)軟件。如果污染物傳感器20處于測量模式,應(yīng)用程序?qū)⑼瓿赡壳暗臏y量并使系統(tǒng)在升級時處于待機(jī)模式,然后自動將系統(tǒng)恢復(fù)到測量模式。如果將傳感器20連接到互聯(lián)網(wǎng),則ECS 300也可能直接升級。

根據(jù)本發(fā)明的一個實施例,傳感器20的ECS 300可以保存系統(tǒng)日志,用于歷史和診斷目的。系統(tǒng)日志應(yīng)可供下載,并且可以從選項屏幕上查看。可能包含所有重大系統(tǒng)時間的時間戳記錄。時間戳應(yīng)與用戶的時鐘設(shè)置無關(guān)。重大系統(tǒng)事件的實例為:維護(hù)開始/停止時間;系統(tǒng)錯誤;開始/停止測量模式;用戶數(shù)據(jù)下載;用戶的選項變化;以及上電。

污染物傳感器20的ECS 300的控制固件被配置為在其運行期間處理例外情況和不正常事件。這些時間將不會導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定、硬件損壞或不安全情況。例外情況通常通過錯誤消息傳遞處理,提示用戶采取行動。

在本發(fā)明的其他實施例中,二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10的組件的位置和關(guān)聯(lián)可能與上述不同。例如,在本發(fā)明的一個實施例中,多個閥120和軟管18可以暴露出來,或者包含在污染物傳感器20的殼體30中。

圖13是示出了執(zhí)行所公開方法的示例性操作環(huán)境的一個框圖。該示例性操作環(huán)境僅僅是操作環(huán)境的一個實例,并不意味著針對使用范圍或操作環(huán)境體系結(jié)構(gòu)功能性提出限制。操作環(huán)境不應(yīng)解釋為具有相關(guān)性或與示例性操作環(huán)境中示出的任何一個組件或其組合相關(guān)的要求。

現(xiàn)有方法和系統(tǒng)可以和許多其他通用或?qū)S糜嬎阆到y(tǒng)環(huán)境或配置一起使用。眾所周知的計算系統(tǒng)、環(huán)境和/或可以適用于與系統(tǒng)和方法一起使用的配置包括但不限于個人計算機(jī)、服務(wù)器計算機(jī)、筆記本裝置和多處理器系統(tǒng)。其他實例包括機(jī)頂盒、可編程序消費電子產(chǎn)品、網(wǎng)絡(luò)PC、微型計算機(jī)、大型計算機(jī)、包含以上任何一個系統(tǒng)或裝置的分步式計算環(huán)境等。

所公開方法和系統(tǒng)的處理可以通過軟件組件執(zhí)行。所公開的系統(tǒng)和方法可以在由一個或多個計算機(jī)或其他裝置執(zhí)行的計算機(jī)可執(zhí)行指令的一般上下文中描述,例如程序模塊。通常,程序模塊包括執(zhí)行特定任務(wù)或?qū)崿F(xiàn)特定抽象數(shù)據(jù)類型的計算機(jī)代碼、例行程序、程序、對象、組件、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)等。所公開的方法還可以在基于網(wǎng)格的計算環(huán)境和分散式計算環(huán)境中實施,在這些環(huán)境中,任務(wù)由通過通信網(wǎng)絡(luò)連接的遠(yuǎn)程處理裝置執(zhí)行。在分散式計算環(huán)境中,程序模塊可以處于本地和遠(yuǎn)程計算機(jī)存儲媒體中,包括存儲器裝置。

此外,本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解,本文公開的系統(tǒng)和方法可以通過圖13中所示的電子控制子系統(tǒng)(ECS)300實現(xiàn)(ECS 300可以被看作是電腦板300,但包含在污染物傳感器20中)。ECS 300組件可以包括但不限于一個或多個處理器或處理單元303、系統(tǒng)存儲器312以及系統(tǒng)總線313,其中系統(tǒng)總線313將包括處理器303的各種系統(tǒng)組件耦合到系統(tǒng)存儲器312。在多個處理單元303的情況下,系統(tǒng)可以利用并行計算。

系統(tǒng)總線313代表一個或多個若干可能類型的總線結(jié)構(gòu),包括存儲器總線或存儲器控制器、外圍總線、圖形加速端口以及采用多種總線架構(gòu)中的任何一種的處理器或局部總線。舉例來說,這種體系結(jié)構(gòu)可以包括工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)體系結(jié)構(gòu)(ISA)總線、微通道體系結(jié)構(gòu)(MCA)總線、增強型ISA(EISA)總線、視頻電子標(biāo)準(zhǔn)協(xié)會(VESA)局部總線、圖形加速端口(AGP)總線以及外部設(shè)備互連(PCI)、PCI-Express總線、個人計算機(jī)存儲卡行業(yè)協(xié)會(PCMCIA)、通用串行總線(USB)等??偩€313以及本說明中規(guī)定的所有總線也可以通過有線或無線網(wǎng)絡(luò)連接實現(xiàn),并且每個子系統(tǒng),包括處理器303、大容量存儲器304、操作系統(tǒng)305、檢測應(yīng)用程序306、檢測數(shù)據(jù)307、網(wǎng)絡(luò)適配器308、系統(tǒng)存儲器312、輸入/輸出接口310、顯示適配器309、顯示裝置311以及人機(jī)接口302,可以在物理分離的位置包含在一個或多個遠(yuǎn)程計算裝置350中,通過這種形式的總線連接,實際上實現(xiàn)了完全分散式系統(tǒng)。

ECS 300通常包括多種計算機(jī)可讀介質(zhì)。示例性可讀介質(zhì)可以為任何ECS 300可以訪問的可用介質(zhì),并且包括,例如并不意味著限制,易失性和非易失性介質(zhì)、可移動和不可移動介質(zhì)。系統(tǒng)存儲器312包括易失性存儲器形式的計算機(jī)可讀取介質(zhì),例如隨機(jī)存取存儲器(RAM),以及/或者非易失性存儲器,例如只讀存儲器(ROM)。系統(tǒng)存儲器312通常包含數(shù)據(jù),例如檢測數(shù)據(jù)307,和/或程序模塊,例如處理單元303可以立即訪問和/或目前操作的操作系統(tǒng)305以及檢測應(yīng)用程序306。

另一方面,ECS 300還可以包括其他可移動/不可以移動、易失性/非易失性計算機(jī)存儲介質(zhì)。舉例來說,圖13示出了大容量存儲器304,可以提供ECS 300的計算機(jī)代碼、計算機(jī)可讀指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序模塊和其他數(shù)據(jù)的非易失性存儲,例如并不意味著限制,大容量存儲器304可以是硬盤、可移動磁盤、可移動光盤、磁帶盒或其他磁存儲器、閃存卡、CD-ROM、數(shù)字通用光盤(DVD)或其他光學(xué)存儲、隨機(jī)存取存儲器(RAM)、只讀存儲器(ROM)、電可擦可編程只讀存儲器(EEPROM)等。

可選地,很多程序模塊可以被存儲在大容量存儲器304上,包括,舉例來說,操作系統(tǒng)305和檢測應(yīng)用程序306。操作系統(tǒng)305和檢測應(yīng)用程序306(或其某個組合)的每個可以包括編程和檢測應(yīng)用程序306的元件。檢測數(shù)據(jù)307還可以被存儲在大容量存儲器304上。檢測數(shù)據(jù)307可以被存儲在本領(lǐng)域中已知的一個或多個數(shù)據(jù)庫的任何一個中。這種數(shù)據(jù)庫的實例包括Access、SQL Server、mySQL、PostgreSQL等。在多個系統(tǒng)中,數(shù)據(jù)庫可以是集中的或者分散的。

另一方面,用戶可以通過輸入裝置(未示出)將命令和信息輸入到ECS 300中。這種輸入裝置的實例包括但不限于鍵盤、觸摸顯示屏40(如上所述)、定位裝置(即“鼠標(biāo)”)、話筒、控制桿、掃描儀、觸覺輸入裝置,例如手套以及其他身體覆蓋物,等等。這些和其他輸入裝置可以通過耦合到系統(tǒng)總線313的人機(jī)接口302連接到處理單元303,但是可以通過其他接口和總線結(jié)構(gòu)連接,例如并行端口、游戲端口、IEEE 1394端口(也稱為火線端口)、串行端口或通用串行總線(USB)。

另一方面,顯示裝置311還可以通過接口,例如顯示適配器309,連接到系統(tǒng)總線313。一方面,顯示裝置311可以與輸入裝置(例如觸摸顯示屏)組合??紤]ECS 300可以具有多個顯示適配器309,并且ECS 300可以具有多個顯示裝置311。例如,顯示裝備可以是監(jiān)視器、LCD(液晶顯示器)或投影儀。除了顯示裝置311,其他輸出外圍設(shè)備可以包括組件,例如可以通過輸入/輸出接口310連接到EECS 300的揚聲器(未示出)以及打印機(jī)(未示出)。方法的任何步驟和/或結(jié)果可以以任何形式輸出到輸出裝置。這種輸出可以是任何形式的可視化表示,包括但不限于文本、圖形、動畫、音頻、觸覺等。

ECS 300可以利用邏輯連接至一個或多個遠(yuǎn)程計算裝置350在網(wǎng)絡(luò)環(huán)境中運行。舉例來說,遠(yuǎn)程計算裝置350可以是個人計算機(jī)、便攜式計算機(jī)、服務(wù)器、路由器、網(wǎng)絡(luò)計算機(jī)、對等設(shè)備或其他公用網(wǎng)絡(luò)節(jié)點等。ECS 300和遠(yuǎn)程計算裝置350之間的邏輯連接可以通過315進(jìn)行。網(wǎng)絡(luò)315可能包括但不限于局域網(wǎng)(LAN)以及通用廣域網(wǎng)(WAN)。這種網(wǎng)絡(luò)連接可以利用網(wǎng)絡(luò)適配器308。網(wǎng)絡(luò)適配器308可以在有線和無限環(huán)境中實現(xiàn)。這種網(wǎng)絡(luò)環(huán)境在辦公室、企業(yè)范圍計算機(jī)網(wǎng)絡(luò)、內(nèi)部網(wǎng)和互聯(lián)網(wǎng)315是常見的和普通的。

為了說明,應(yīng)用程序和其他可執(zhí)行程序組件,例如操作系統(tǒng)305,在本文中按照獨立框圖說明,盡管人們都認(rèn)識到這種程序和組件在不同的時間存在于ECS 300的不同存儲組件中,并且由ECS 300的數(shù)據(jù)處理器執(zhí)行。檢測應(yīng)用程序306的實現(xiàn)過程可以被存儲在某種形式的計算機(jī)可讀介質(zhì)上或通過某種形式的計算機(jī)可讀介質(zhì)被傳遞。所公開方法中的任何一種可以通過計算機(jī)可讀介質(zhì)中嵌入的計算機(jī)可讀指令執(zhí)行。計算機(jī)可讀介質(zhì)可以是計算機(jī)可以訪問的任何可用介質(zhì)。舉例來說并不意味著限制,計算機(jī)可讀介質(zhì)可以包括“計算機(jī)存儲介質(zhì)”和“通信介質(zhì)”?!坝嬎銠C(jī)存儲介質(zhì)”包括以任何方法或技術(shù)實現(xiàn)以便存儲信息的易失性和非易失性、可移動和不可移動介質(zhì),例如計算機(jī)可讀指令、數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)、程序模塊或其他數(shù)據(jù)。示例性計算機(jī)存儲介質(zhì)包括但不限于RAM、ROM、EEPROM、閃存或其他存儲技術(shù)、CD-ROM、數(shù)字通用光盤(DVD)或其他光學(xué)存儲、磁帶盒、磁帶、磁盤存儲器或其他磁存儲器,或可以用于存儲所需信息并且可以由計算機(jī)訪問的任何其他介質(zhì)。

所述方法和系統(tǒng)可以使用人工智能技術(shù),例如機(jī)器學(xué)習(xí)和迭代學(xué)習(xí)。這種技術(shù)的實例包括但不限于專家系統(tǒng)、基于案例推理、貝氏網(wǎng)路、基于行為的AI、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、模糊系統(tǒng)、進(jìn)化計算(例如遺傳算法)、群體智能(例如螞蟻算法)和混合智能系統(tǒng)(例如通過神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)生成的專家推理規(guī)則或者統(tǒng)計學(xué)習(xí)的產(chǎn)生式規(guī)則)。

除非另外明確規(guī)定,這并不意味著本文中規(guī)定的任何方法可以解釋為要求以特定順序執(zhí)行該方法的步驟。相應(yīng)地,如果方法的權(quán)利要求實際上沒有詳述其步驟將遵循的順序,或者權(quán)利要求或說明中沒有具體規(guī)定這些步驟將受特定順序的限制,這在任何方面都不意味著順序是推斷出來的。這適用于任何可能的非明確解釋依據(jù),包括:與步驟或操作流程安排相關(guān)的邏輯事件;從語法結(jié)構(gòu)或標(biāo)點符號得出的明顯意義;以及說明書中描述的實施例的數(shù)量和類型。

二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10的最大好處是大幅度減少監(jiān)控二氧化碳污染物的費用。二氧化碳監(jiān)控系統(tǒng)10的安裝將消除對使用氣相色譜技術(shù)和/或質(zhì)譜分析法、以通用實驗室設(shè)備為基礎(chǔ)的極其昂貴的分析儀的需求。目前設(shè)備采購成本估計在120,000美元和300,000美元之間。

第二個好處是消除與運載氣體(如極易爆炸的氫氣)相關(guān)聯(lián)的成本和危險,這種氣體是操作基于氣相色譜法的分析儀所需的。

盡管本發(fā)明的上述書面說明使普通技術(shù)人員能夠使目前所考慮成為并作為其最佳方式,但普通技術(shù)人員將理解且明白本文的具體實施例、方法和示例存在變化、組合和等效形式。因此本發(fā)明不受上述實施例、方法和示例的限制,而是受本發(fā)明的范圍和精神內(nèi)的所有實施例和方法的限制。在理解或完成本發(fā)明公開內(nèi)容的程度上,本文所提到的所有公開案、專利和專利申請將通過引用的方式明確地納入到本文中,該引用的程度如同單獨地納入一樣。

因而由于已經(jīng)描述了本發(fā)明的示例性實施例,本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)明白,本公開內(nèi)的實施例僅是示例性的,可在本發(fā)明的范圍內(nèi)作出各種其他替換、改變和修改。相應(yīng)地,本發(fā)明不限于本文所述的具體實施例,僅受以下權(quán)利要求書的限制。

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