用于指示使用壽命終點的便攜式監測器的制作方法

本發明是如下申請的分案申請：所述申請的申請日是2011年8月31日、申請號是201180046540.8、以及發明名稱為“用于指示使用壽命終點的便攜式監測器”。

本發明涉及用于指示空氣凈化系統的有效使用壽命的終點的監測器。

背景技術：

已經開發出多種空氣凈化系統來保護人免受危害性空氣污染物。這些空氣凈化系統包括多種空氣凈化呼吸器，所述空氣凈化呼吸器被設計為濾除或吸著存在于空氣中的污染物。通常，這些空氣凈化呼吸器包含過濾介質、過濾主體、或者過濾介質和過濾主體的某種組合。在使用呼吸器時，污染物被過濾介質吸附或者被過濾主體粘附或捕集。最后，過濾介質或過濾主體變得飽和并且呼吸器移除危害性空氣污染物的能力開始減弱。

在長期暴露于包含危害性空氣污染物的環境期間，例如對于暴露于這種環境的連續性或重復性工作者，確定呼吸器的有效使用壽命的技術為必需的。已經開發出的一種技術依據呼吸器的使用時間來確定。在這種技術中，在特定使用時間間期之后就更換呼吸器或空氣凈化過濾器。然而，此技術未考慮通過呼吸器的污染物含量或流速的變化，因此可導致呼吸器或過濾器元件被過早地(這為浪費的)或過晚地(這會給使用者造成危險)更換。

技術實現要素：

本文公開了能夠監測濾筒的使用壽命的多種裝置。這些裝置包括需用物質(demandsubstance)、位于需用物質內部或附近且具有檢測點的感測元件、用于感測元件的讀出器、以及流體遞送裝置。流體遞送裝置具有流體遞送參數。使流體遞送參數和感測元件的檢測點與濾筒的使用壽命相關聯。

監測裝置具有停留時間，并且通過使監測裝置的停留時間與濾筒的停留時間相關聯來使感測元件的檢測點與濾筒的使用壽命相關聯。通過控制流體遞送裝置的流體遞送參數來使監測裝置的停留時間與濾筒的停留時間相關聯。流體遞送參數在最低程度上包括流速、需用物質質量、接收器橫截面積、接收器體積、接收器長度、和監測裝置的需用物質填充密度。

附圖說明

結合附圖來考慮本公開以下各個實施例的詳細描述可以更完全地理解本公開。

圖1示出了本發明的便攜式監測器的透視圖。

圖2示出了圖1的便攜式監測器的實施例的剖視圖。

圖3示出了圖1的便攜式監測器的替代實施例的剖視圖。

圖4示出了本發明的替代性便攜式監測器的透視圖。

圖5示出了圖4的便攜式監測器的實施例的剖視圖。

圖6示出了圖4的便攜式監測器的替代實施例的剖視圖。

圖7示出了根據本發明的示例性光學讀出器。

在以下對圖示實施例的描述中，參照了附圖，并通過舉例說明的方式在這些附圖中示出在其中可以實施本發明的多種實施例。應當理解，在不脫離本發明的范圍的情況下，可以利用實施例并且可以進行結構上的改變。附圖未必按比例繪制。附圖中所使用的類似標號是指類似部件。然而，應當理解，使用標號來指代給定附圖中的部件并非意圖限制另一附圖中使用相同標號標記的部件。

具體實施方式

需要用于監測和檢測諸如空氣凈化呼吸器之類的空氣凈化系統的有效使用壽命的終點的方法和裝置。這種裝置(有時稱為使用壽命終點指示器或esli)應為足夠穩固的以便用于多種環境中并且應為足夠便攜的以便能夠跟隨裝置的使用者在不同位置間移動。

本發明公開了用于監測和檢測空氣凈化系統的有效使用壽命的終點的便攜式裝置。這些便攜式裝置尤其適用于監測和檢測下述呼吸器的有效使用壽命的終點，所述呼吸器被設計為提供保護以防暴露于有機蒸氣。如本文所用，術語“有機蒸氣”是指多種空中的揮發性有機化合物，其若存在于空氣中可危害呼吸的人。有機蒸氣的例子包括(但不限于)：醇，例如異丙醇和丁醇；烷烴，如己烷和辛烷；芳族化合物，如苯、甲苯、二甲苯、和苯乙烯；鹵代烴，如氯仿和二氯甲烷；酮，如丙酮和甲基乙基酮；醚，如四氫呋喃；酯，如乙酸乙酯和乙酸乙氧基乙酯；丙烯酸酯，如甲基丙烯酸酯；腈，如乙腈；異氰酸酯，如甲苯-2,4-二異氰酸酯；等等。通常，有機蒸氣呼吸器包括捕集和保持有機蒸氣的吸收介質。

本發明的便攜式裝置包括需用物質、具有檢測點的感測元件、用于感測元件的讀出器、和流體遞送裝置。感測元件位于需用物質內部或附近。便攜式裝置的關聯性使得感測元件的檢測點對應于濾筒的使用壽命。在一些實施例中，檢測點包括光學變化，例如顏色變化。在一些實施例中，便攜式裝置包括接收器，所述接收器容納至少需用物質并且還可容納感測元件。

多種材料可適于用作需用物質。如本文所用，術語“需用物質”是指能夠吸收有機蒸氣的物質。在一些實施例中，需用物質包括吸附劑材料。在其他實施例中，需用物質包括分層膜。在其他實施例中，需用物質可為顆粒狀的或一體化的。

在其中需用物質包括吸附劑材料的實施例中，吸附劑材料通常能夠吸收或吸附有機蒸氣。所述吸附劑材料可與用于有機蒸氣呼吸器的濾筒中的吸附劑材料相同或相似。合適的吸附劑材料的例子包括(例如)活性炭、處理過的活性炭、氧化鋁、硅膠、霍加拉特、分子篩、金屬-有機框架、或它們的組合。

本發明所公開的裝置可采用多種吸附劑介質。吸附劑介質將能夠吸附預期存在于擬定使用條件下的所關注的蒸氣。吸附劑介質有利地為充分多孔的，以使空氣易于流過或其他氣體經由該孔通過，并且其形式可以為細碎的固體(如粉末、微珠、薄片、顆粒或附聚物)或者多孔固體(如開孔泡沫或多孔一體化材料)。尤其有利的吸附劑介質材料包括活性炭；氧化鋁和能通過吸附作用移除關注的蒸氣的其他金屬氧化物；由酸性溶液(例如乙酸)或堿性溶液(例如氫氧化鈉水溶液)處理過的粘土和其他礦物；分子篩和其他沸石；其他無機吸附劑(例如二氧化硅)；以及包括超高交聯體系的有機吸附劑(例如稱為“styrosorbs”的高度交聯的苯乙烯聚合物)(如v.a.davankov和p.tsyurupa在pureandappl.chem.,vol.61,pp.1881-89(1989)(《純粹與應用化學》，第61卷，第1881-89頁，1989年)以及l.d.belyakova、t.i.schevchenko、v.a.davankov和m.p.tsyurupa在adv.incolloidandinterfacesci.vol.25,pp.249-66,(1986)(《膠體與界面科學進展》第25卷，第249-66頁，1986年)中所述)。活性炭和氧化鋁是尤其有利的吸附劑介質。吸附劑介質的混合物可用于(例如)吸收關注的蒸氣的混合物。如果采用細碎的形式，則吸附劑粒子大小可以發生很大變化，并且通常將部分根據擬定使用條件進行選擇。作為一般性指導原則，細碎的吸附劑介質粒子的粒度可在約4至約5000微米的平均粒徑范圍內變動，例如，在約30至約1500微米的平均粒徑范圍內變動。也可采用具有不同粒度范圍的吸附介質粒子的混合物(例如，吸附劑介質粒子的雙峰混合物形式，或上游層采用較大的吸附劑粒子而下游層采用較小的吸附劑粒子的多層布置)。還可采用混合有合適粘結劑(如粘合碳)的吸附劑介質，或捕集到合適的載體上(或其中)的吸附劑介質，例如在美國專利no.3,971,373(braun等人)、美國專利no.4,208,194(nelson)和美國專利no.4,948,639(brooker等人)中以及在美國專利申請公開no.us2006/0096911a1(brey等人)中有所描述的吸附劑介質。

多種感測元件適用于本發明的裝置中。在一些實施例中，感測元件與需用物質位于同一接收器內。在其他實施例中，感測元件并不位于接收器內，但離開需用物質的氣流入射到感測元件上。

感測元件以光學方式響應被分析物，例如，具體方式為在暴露條件下當需用物質與被分析物達到平衡時感測元件改變自己的至少一種光學性質(例如，可表現為色度改變，反射光的亮度、強度改變等)。

感測元件的選擇將取決于多個標準，所述標準包括用于所使用感測元件的讀出器的特性。如果讀出器為人的肉眼，則感測元件應顯示易于辨別的光學變化。然而，如果使用電子讀出器，則較復雜或細微的光學變化為適用的。

在一些實施例中，感測元件為膜。膜可具有多個層和并且可為色度膜(即，膜在暴露于有機被分析物時改變顏色)，或者可在暴露于有機被分析物時發生一些其他的可檢測的光學變化。合適的傳感器膜的例子在美國專利no.7,449,146(rakow等人)和美國專利公布no.2008/0063575和no.2008/0063874(rakow等人)中有所描述。

當感測元件為多層膜構造時，其通常包含多孔檢測層、半反射層、和反射層。多孔檢測層具有在存在特定化學被分析物的情況下將改變的光學厚度。半反射層可從外面觀察到并且通常不滲透被分析物蒸氣。反射層通常能滲透被分析物蒸氣，使得化學被分析物可穿過反射層進入檢測層并且充分地改變檢測層光學厚度，從而在通過半反射層觀察時，導致感測元件外觀中出現視覺上可辨別的變化。

反射層可(例如)具有約1至約500nm的物理厚度、在500nm的情況下約0％至約80％的透光率，以及在500nm的情況下約100％至約20％的反射率。反射層通常為多孔的、圖案化的、不連續的、半連續的或者可充分滲透的，使得蒸氣可從吸附劑介質穿過反射層而進入檢測層。

檢測層混合物可以為均勻的或不均勻的，并且其可以例如由無機組分的混合物、有機組分的混合物或無機和有機組分的混合物制成。由組分混合物制成的檢測層可以提供改善的被分析物群組的檢測。檢測層有利地具有一系列的孔尺寸或表面積，其被選擇為提供與所述吸附劑介質的蒸氣吸附特性類似的蒸氣吸附特性。可以通過使用多孔材料(例如，由高內相乳液制成的泡沫)獲得適合的孔隙率，例如在美國專利no.6,573,305b1(thunhorst等人)中所述的那些。還可以通過二氧化碳發泡來產生微孔材料以獲得孔隙率(參見“macromolecules”,2001,vol.34,pp.8792-8801(《大分子》，2001年，第34卷，第8792-8801頁))，或者可以通過共混聚合物的納米相分離以獲得孔隙率(參見“science”,1999,vol.283,p.520(《科學》，1999年，第283卷，第520頁))。一般來講，孔直徑優選地為小于所需指示器著色的峰值波長。優選(例如)平均孔大小為約0.5至約20nm、0.5至約10nm或0.5至約5nm的納米尺寸的孔。

代表性的無機檢測層材料包括多孔硅、金屬氧化物、金屬氮化物、金屬氧氮化物、以及其他能夠形成為具有適當厚度的透明且多孔的層以通過光學干涉作用來產生顏色或色度的變化的無機材料。例如，無機檢測層材料可以為氧化硅類、氮化硅類、氮氧化硅類、氧化鋁類、氧化鈦類、氮化鈦、氮氧化鈦、氧化錫類、氧化鋯類、沸石類或它們的組合。由于多孔硅的穩健性和與濕蝕刻處理的相容性，因此它是尤為理想的無機檢測層材料。

多孔二氧化硅可(例如)使用溶膠-凝膠處理途徑制備，并且可以使用或不使用有機模板制成。示例性的有機模板包括表面活性劑，例如，陰離子表面活性劑或非離子表面活性劑，例如烷基三甲基銨鹽、聚(環氧乙烷-共-環氧丙烷)嵌段共聚物以及本領域的普通技術人員熟知的其他表面活性劑或聚合物。溶膠-凝膠混合物可轉化成硅酸鹽，有機模板可被移除以在二氧化硅中留下微孔網。代表性的多孔硅材料如ogawa等人在chem.commun.pp.1149-1150(1996)(《化學通訊》，第1149-1150頁，1996年)中、kresge等人在nature,vol.359,pp.710-712(1992)(《自然》，第359卷，第710-712頁，1992年)中、jia等人在chemistryletters,vol.33(2),pp.202-203(2004)(《化學快報》，第33卷第2期，第202-203頁，2004年)中以及美國專利第5,858,457號(brinker等人)中所述。也可以采用多種有機分子作為有機模板。例如，糖類(例如，葡萄糖和甘露糖)可以用作有機模板以生成多孔硅酸鹽，參見wei等人在adv.mater.1998,vol.10,p.313(1998)(《先進材料》，1998年，第10卷，第313頁(1998年))中所述。溶膠-凝膠組合物中可包含有機取代的硅氧烷或有機雙硅氧烷，以使微孔更具疏水性并限制水蒸氣的吸附。也可以采用等離子化學氣相沉積法生成多孔無機檢測材料。此方法通常涉及通過以下步驟形成被分析物檢測層：從氣態前體形成等離子體，將等離子體沉積在基底上以形成非晶態無規共價網層，然后加熱此非晶態共價網層以形成微孔非晶態無規共價網層。此類材料的實例在美國專利第6,312,793號(grill等人)和美國專利公開案第2007/0141580a1號(moses等人)中進行了描述。

代表性有機檢測層材料包括聚合物、共聚物(包括嵌段共聚物)和它們的混合物，其由(或可由)多種類別的單體制備，這些單體包括疏水性丙烯酸酯和甲基丙烯酸酯類、雙官能單體、乙烯基單體、烴單體(烯烴類)、硅烷單體、氟化單體、羥基化單體、丙烯酰胺類、酸酐類、醛官能化單體、胺或胺鹽官能化單體、酸官能化單體、環氧化物官能化單體及其混合物或組合。美國專利申請公布no.us2004/0184948包含此類單體的詳盡列表，并以此作為參考以獲得更詳細的描述。上文提及的具有固有微孔性的聚合物(pim)可形成尤為理想的檢測介質。pim通常是形成微孔固體的非網狀聚合物。由于其典型的高度剛性和扭曲的分子結構，使得pim無法有效地填充空間，從而形成本發明所公開的微孔結構。適合的pim包括(但不限于)在“polymersofintrinsicmicroporosity(pims):robust,solution-processable,organicmicroporousmaterials,”(budd等人的chem.commun.,2004,pp.230-231(具有固有微孔性的聚合物(pim)：穩固、可溶液處理的有機微孔材料，《化學通訊》，2004年，第230-231頁)中公開的聚合物。另外的pim在budd等人的j.mater.chem.,2005,15,pp.1977-1986(《材料化學期刊》，2005年，15，第1977-1986頁)、mckeown等人的chem.eur.j.(《歐洲化學》，2005年，11，第9期，第2610-2620頁)以及已公布的pct專利申請no.wo2005/012397a2(mckeown等人)中。

有機檢測層中的一種或多種聚合物可以至少部分地交聯。在一些實施例中交聯可能是所需的，因為其可以增加機械穩定性以及對某些被分析物的敏感度。可通過以下方法實現交聯：在檢測層中包含一種或多種多官能單體，對檢測層進行(如)電子束或伽馬射線處理，在檢測層中添加或形成配位化合物或離子化合物，或在檢測層中形成氫鍵。在一個示例性實施例中，交聯是在存在致孔劑的情況下進行的，隨后可將該致孔劑從交聯體系中提取出來，以產生多孔檢測層。合適的致孔劑包括(但不限于)惰性有機分子，例如正構烷烴類(例如，癸烷)或芳烴類(例如，苯或甲苯)。其他交聯聚合物包括上面提及的高度交聯的苯乙烯聚合物。

如果需要，可對檢測層材料進行處理，以改變其表面特性或吸附特性。可采用多種這樣的處理方法，例如，使無機檢測層的微孔暴露到適合的有機硅烷化合物。除此之外或取而代之，可以通過合適的粘附力促進材料(例如，由鈦或另一種合適的金屬制成的粘結層)對檢測介質進行處理，以提高局部反射層或反射層與檢測層之間的粘附力。此類處理也可以應用于局部反射層或反射層，以增大對檢測介質的粘附力。

對于多種應用而言，檢測層材料有利地為疏水性的。這將降低水蒸氣(或液態水)引起檢測層光學厚度變化和干擾被分析物的檢測(例如，有機溶劑蒸氣的檢測)的可能性。檢測層可由單層或由兩個或更多個次層制成。

感測元件還可為圖案化的化學傳感器，例如描述于2009年10月23日提交的、名稱為“patternedchemicalsensorhavinginertoccludinglayer”(具有惰性封閉層的圖案化的化學傳感器)的代理人檔案號65867us002中的那些。這些圖案化的傳感器包括膜，所述膜包括膜主體和封閉層，所述膜主體包括檢測層，所述封閉層粘合至膜主體并且封閉檢測層的一部分。檢測層響應有機化學物，即，檢測層在暴露于有機化學物時改變顏色。封閉層阻止將被檢測的化學物進入封閉區域并且導致顏色變化。這種布置方式的凈效應為在單個膜主體中，在暴露于有機化學物時，“老”顏色(即初始顏色狀態)和“新”顏色(即，檢測層的改變的顏色狀態)并排地存在，由此允許用戶容易地確定是否已發生變化。

多種裝置可用作讀出器以觀察感測元件的變化。讀出裝置的選擇可取決于多種因素，例如，監測器使用的便捷性、監測器的花費、監測器的便攜性、監測器的穩健性、監測器提供多個信號(例如視覺和聽覺信號)的需要等等。

在一些實施例中，用于感測元件的讀出器為人眼，并且感測元件的監測是通過視覺觀察(用以觀察感測元件中的可見變化，例如顏色變化)來完成的。這樣，用戶或用戶群可易于監測在其呼吸器面罩或者其呼吸器面罩內的濾筒中剩余的使用壽命。視覺監測為極其簡單和低成本的監測方法，其不需要額外的設備、電源、或精密部件。

在其他實施例中，可使用電子光學讀出器來監測感測元件以檢測變化。使用電子系統的優點包括讀出感測元件的較高精確性，并且監測器可提供多個信號。例如，當電子讀出器檢測到感測元件中的變化時，可閃光以警示此環境中的用戶，可產生聽覺信號(例如蜂鳴聲或電喇叭聲)，或者可將電子信號發送到由此環境中的用戶攜帶的電子接收器。

合適的電子光學讀出器系統的例子在(例如)2010年04月02日提交的、名稱為“filtersystemsincludingopticalanalytesensorsandopticalreaders”(包括光學被分析物傳感器和光學讀出器的過濾器系統)的代理人檔案號66214us002中有所描述。示例性的光學讀出器示于圖7中并且在下文中進行描述。通常，合適的光學讀出器包括至少一個光源和至少一個檢測器。光學讀出器可被構造為使得由至少一個光源發射的光的至少一部分從感測元件反射并且被至少一個檢測器捕集。

一個或多個光源可包括多種光源中的任何一種。例如，可使用發光二極管(led)。在某些實施例中，一個或多個光源可以包括一個或多個相對寬帶的光源(例如，白光源)。在其他實施例中，光源可包括一個或多個窄帶光源(例如，led)，所述窄帶光源發出處于特定(例如，相對較窄)波長范圍內的光，所述光的峰值在該范圍內的特定波長處。在各種實施例中，此類窄帶光源可通過最多約為50nm、最多約為40nm或最多約25nm的半功率帶寬來表征。可以使用的示例性led包括可從德克薩斯州卡羅爾頓的歐思公司(optek,carrollton,tx)購得的名稱為ovlbx4c7的那些led，以及表面安裝led，例如來自歐司朗(osram)的lst676、lat676、lot676、lyt676系列。

適用于電子光學讀出器中的合適檢測器可包括能夠測量入射到其上的光量的多種裝置中的任何一種，包括(例如)光電檢測器，例如光電倍增管、光電池、光電二極管、光電晶體管、電荷耦合裝置等等。合適的檢測器可用于提供與檢測到的光量相關(例如，與從感測元件接收的反射光的強度相關)并且可進行進一步處理的信號(例如，電壓、電流等)。在一些實施例中，一個或多個檢測器可檢測特定(例如，相對較窄)波長范圍的光。在其他實施例中，一個或多個檢測器可以包括寬帶檢測器，該寬帶檢測器可以檢測相對較寬波長范圍上的光。在各種實施例中，此類寬帶檢測器能夠檢測至少約150nm寬、250nm寬或500nm寬的波長范圍上的光。可以使用的示例性檢測器包括可從德國雷根斯堡的歐司朗公司(osram,regensburg,germany)購得的名稱為sfh2430的光電二極管。

可使用多個光源作為光學讀出器的一部分。第一光源和第二光源各自可由第一和第二光譜(或波長)范圍以及第一和第二峰值波長來表征。第一光譜范圍可以不同于第一光譜范圍，并且第一和第二光源可發射具有不同峰值波長的光。在這種設計中，可緊鄰通用檢測器來安裝不同的光源。

可選擇第一和第二光源以使得它們的光譜由不同波長范圍a和b以及不同峰值波長來表征。在此類實施例中，可使用單個(例如，寬帶)光電檢測器作為檢測器。在多個波長范圍內監測從光學被分析物傳感器反射的光可以提供顯著的優點。此類檢測的各種細節和原理在(例如)共同擁有的美國臨時申請案第61/164,496號(hulteen等人)中進行了闡述。

作為另外一種選擇，光學讀出器可包括兩個光源和兩個檢測器。這種光學讀出器也可被構造為使得由至少一個光源發射的光的至少一部分從感測元件反射并且被檢測器捕集。光源可各自發出具有不同峰值波長的不同波長范圍內的光(與其他光源發出的光相比)。每個光源可與光電檢測器結合使用，所述光電檢測器被設計為檢測由對應光源發出的特定波長范圍內的光。

電子光學讀出器可包括其他部件。例如，電子光學讀出器還可包括電池、提示裝置(例如一個或多個光源或者監視屏)、和致動器。用戶可觸發致動器以引發光學讀出器對感測元件的探詢。可將光學讀出器通過串行接口連接到其他電子裝置，例如計算機。因此，光學讀出器可將各種信息傳送到(例如)顯示器。

多種裝置可用作流體遞送裝置，前提條件是它們能夠牢靠地控制通過監測裝置的流速。可用的流體遞送裝置包括鼓風機和泵。鼓風機或泵通常為電動的，但在一些實施例中，手動裝置(例如手動泵)可為合適的。

多種合適的鼓風機和泵為市售的。一種合適類型的泵為微隔膜氣體取樣泵，例如以商品名nmp05s(具有刷型馬達)、nmp09m(具有無鐵芯馬達)、和nmp015b(具有無刷dc馬達)從新澤西州特倫頓(trenton,nj)的knfneuberger公司商購獲得的那些。其他合適的鼓風機和泵在空氣凈化領域是已知的。

所述裝置還可包括接收器。接收器可包含需用物質或者其可包含需用物質和至少一個感測元件。多種接收器為可用的。接收器可為(例如)管、筒、盒、或盤，這取決于所述裝置的整體形狀和設計。

在一些實施例中，接收器為管。管可由玻璃或塑料制成，并且如果感測元件包括在接收器內，則可能理想的是管為透明的。

整個監測裝置可容納在殼體內。殼體可容納包含需用物質的接收器。接收器還可包含至少一個感測元件，或者可存在與殼體內的接收器流體連通的感測元件。殼體還可容納流體遞送裝置。如上文所述，流體遞送裝置可為鼓風機或泵并且可為通過電源(例如電池)電力致動的或者其可為手動的。殼體還可包含用于感測元件的讀出器。在一些實施例中，如果通過人眼來讀出感測元件，則讀出器可為能夠監測感測元件的窗口或其他孔口。窗口或其他孔口可為開口并且其可由透明覆蓋件覆蓋。在其他實施例中，如果感測元件由電子監測，則讀出器可與(例如)顯示屏或其他電子數據傳輸裝置進行交互。

本發明的監測器的若干實施例示于附圖中。圖1示出了本發明的示例性便攜式監測器的透視圖。在圖1中，便攜式監測器100包括流體入口110、讀出器窗口120、和控制按鈕130。流體入口110可為簡單的孔口或者其可為具有覆蓋件(未示出)的孔口，所述覆蓋件為或包括篩網或者多個較小的孔口。覆蓋件(如果存在)可為可拆卸的。在這種相對簡單的便攜式監測器中，將被監測的氣體進入流體入口110，并且用戶可通過讀出器窗口120來觀察感測元件，由此來監測感測元件(未示出)。應當注意，讀出器窗口120的位置和尺寸可在不同的實施例中有所變化以允許容易地觀察感測元件。讀出器窗口120可僅為孔口或者其可具有透明覆蓋件(例如玻璃或聚合物材料(例如聚碳酸酯或聚丙烯酸酯))。控制按鈕130控制便攜式監測器內的流體遞送裝置(未示出)。流體遞送裝置可為鼓風機或泵，通常其為泵。盡管在圖1中示出了兩個控制按鈕，但可提供更少或更多的控制按鈕以及控制開關或甚至轉盤。在圖1所示的實施例中，兩個控制按鈕可打開和關閉流體遞送裝置和/或控制流體穿過便攜式監測器的速率。

圖2為圖1的便攜式監測器沿圖1所示的平面2剖切的剖視圖。在此實施例中，流入流體入口110的氣體流到包含需用物質150和感測元件160的接收器140內。通過流體遞送裝置170(其在此實施例中為泵并且由控制按鈕130控制)來將氣體吸過接收器。

圖3為圖1的便攜式監測器的替代實施例沿圖1所示的平面2剖切的剖視圖。在此實施例中，流入流體入口110的氣體流到流體遞送裝置170內、進入包含需用物質150和感測元件160的接收器140。在此實施例中，通過流體遞送裝置170(其在此實施例中為泵并且由控制按鈕130控制)來將氣體吹過接收器。

圖4示出了本發明的不同示例性便攜式監測器的透視圖。在圖4中，便攜式監測器200包括流體入口210、讀出器屏幕220、控制按鈕230、揚聲器290、和燈295。在此較復雜的便攜式監測器中，將被監測的氣體進入流體入口110，并且用戶可通過觀察讀出器屏幕220(其為可包含多種消息和信息的電子屏幕)來監測感測元件(未示出)。例如，讀出器屏幕可傳送下述信息，例如：監測器的狀態(打開或關閉)；其已使用的時間；使用壽命終點之前剩余的時間等等。控制按鈕230可控制流體遞送裝置(與在便攜式監測器100中相同)以及控制讀出器屏幕220的功能。揚聲器290和燈295為可與便攜式監測器結合使用的任選附加警示裝置。揚聲器可播放聽覺信號或信息以向用戶提示便攜式監測器的狀態的變化或者已達到或正接近使用壽命終點。相似地，燈可開啟或開始閃爍，以作為附加指示器來提示用戶便攜式監測器應進行檢查。

圖5為圖4的便攜式監測器的一個實施例沿圖4所示的平面5剖切的剖視圖。氣體通過氣體入口210進入便攜式監測器、進入流體遞送裝置(泵)270、并且進入包含需用物質250和感測元件260的接收器240。可通過讀出器280來監測感測元件260。讀出器280為電子讀出器以檢測感測元件260中的變化。讀出器280將輸出發送到讀出器屏幕(未示出但在圖4中示為元件220)。

圖6為圖4的便攜式監測器的替代實施例沿圖4所示的平面5剖切的剖視圖。上文列出的元件均存在，另外還提供了附加的感測元件260b和附加的讀出器280b。附加的感測元件和讀出器可向便攜式監測器賦予感測附加的有機蒸氣、提供附加的感測輸出、或這兩者的能力。感測元件260b可與感測元件260相同、相似、或不同。相似地，根據感測元件260b的特性，讀出器280b可與讀出器280相同、相似、或不同。

圖7示出了適用于本發明的監測器的示例性光學讀出器300。光學讀出器300包括至少一個光源(此處為312和314)以及至少一個檢測器320。一個或多個光源(例如，312和314)以及一個或多個檢測器320可安裝在同一載體350上。光學讀出器300可被構造為附接到根據本發明的監測器的殼體。感測元件330示為盤但可呈任何合適的形狀，并且可包括在接收器(未示出)內或者可設置為使得離開接收器的氣流入射到感測元件330上。至少一個光源312、314發出的光312a、314a的至少一部分從感測元件330反射并且被至少一個檢測器320捕集。

用于使監測裝置與濾筒的有效使用壽命相關聯的方法包括提供監測裝置并且校準監測裝置的使用壽命以對應于濾筒的使用壽命。合適的監測裝置描述于下文中。監測裝置模仿濾筒，但能夠進行監測以確定濾筒的有效使用壽命何時已終止。通過監測所述監測裝置并且使監測裝置的傳感器響應與濾筒的使用壽命終點相關聯，用戶能夠確定出濾筒的有效使用壽命。

通過將監測裝置校準到濾筒的使用壽命終點來確定監測裝置與濾筒的使用壽命終點的相關性。這種校準類似于h.j.cohen和合作者在雜志文獻am.ind.assoc.j.；486-495(1989)中進行的前期研究中所用的方法，其中使用呼吸器碳管或rct來預測呼吸器濾筒的使用壽命。這些裝置需要大設備(例如臺式紅外光譜儀)來測量存在于rct的輸出流中的有機蒸氣。盡管cohen和合作者描述的裝置并不適用于本手持裝置，但校準方法為類似的。

通過測定濾筒的停留時間、測定監測裝置的停留時間、以及測定濾筒的停留時間與檢測裝置的停留時間的比率來完成這種校準。如本文所用，術語“停留時間”是指正穿越過濾介質的空氣分子或空氣塊完全穿越該介質所需的時間。可通過控制多個流體遞送參數來控制停留時間。這些流體遞送參數中的一些是通過控制包含過濾介質的接收器的尺寸來建立的。這些參數包括接收器的橫截面積、接收器體積、和接收器長度。這些流體遞送參數中的其他參數是通過選擇過濾介質以及將過濾介質設置在接收器中的方法來控制的。這些參數包括過濾介質的質量和過濾介質的填充密度。其他流體參數是由裝置的用戶控制的，例如流速。呼吸器濾筒內的停留時間在很大程度上取決于用戶的呼吸速率。

通常，過濾介質包括需用物質。如本文所用，術語“需用物質”是指能夠吸收有機蒸氣的物質。在一些實施例中，有利的是，監測裝置的需用物質應與濾筒的需用物質相同。在其他實施例中，監測裝置的需用物質不同于濾筒的需用物質。合適的需用物質描述于下文中。

監測裝置還包括具有檢測點的感測元件、用于感測元件的讀出器、和流體遞送裝置，其中流體遞送裝置具有上文所述的流體遞送參數。監測裝置的這些元件中的每一個詳細地描述于下文中。監測裝置可被構造為使得監測裝置的接收器為有意模仿的濾筒的精確復制品。例如，監測裝置的接收器可為下述濾筒，所述濾筒與用戶佩戴的濾筒相同。在這種情況下，如果監測器的流速被設定為與濾筒的流速相同，則監測裝置的停留時間與濾筒的停留時間的比率為1:1。盡管這種裝置位于本發明的范圍內，但通常監測裝置的接收器比有意模仿的濾筒更小和更便攜。另外，使用實際濾筒作為監測裝置的接收器可比使用較小和較便宜的接收器更加昂貴。

如上文所述，通過將監測裝置校準到濾筒的使用壽命終點來確定監測裝置與濾筒的使用壽命終點的相關性。通過確定濾筒的停留時間、確定監測裝置的停留時間、以及確定濾筒的停留時間與監測裝置的停留時間的比率來完成這種校準。在一些實施例中，此比率確定為1:1。在其他實施例中，此比率可有利地小于1:1。如果比率為1:1，則監測器和濾筒的使用壽命終點相同。當此比率小于1:1時，則監測器的使用壽命終點快于濾筒的使用壽命終點，由此為用戶提供可選的安全界限以便在濾筒的使用壽命終點之前撤出危險環境。

在感測元件位于包含需用物質的接收器內的實施例中，用于為用戶提供安全界限的附加技術取決于感測元件的位置。如果感測元件位于接收器內的較遠上游端，則感測元件在呼吸器濾筒的壽命壽命終點之前暴露于有機被分析物。可通過數學方式將感測元件的位置校準到濾筒的使用壽命終點以確定安全界限，即，當在監測裝置的感測元件中檢測到響應時在呼吸器的使用壽命終點之前留有的時間。例如，感測元件可位于特定位置處以使得感測元件響應的檢測對應于呼吸器濾筒中剩余的20分鐘使用壽命。

監測裝置可另外包含不止一個感測元件。如果包括不止一個感測元件，則可檢測到不止僅監測裝置的使用壽命。例如，如果使用兩個感測元件，則一者可設置在包含需用物質的接收器的末端處，并且另一者可設置在包含需用物質的接收器的末端之前的某個點處。這樣，當接收器末端之前的感測元件的檢測點被檢測到時，用戶將接收到正接近濾筒的使用壽命終點的附加指示。同樣，可使用一系列感測元件來提供正接近濾筒的使用壽命終點的若干指示。

給定濾筒的停留時間的確定取決于濾筒的流體遞送參數，即，濾筒的尺寸、需用物質的填充密度和質量、以及通過濾筒的流速。為了形成模仿此濾筒的工作的監測裝置，可控制監測裝置的全部流體遞送參數以控制監測裝置的停留時間。可通過實驗方式確定或者通過數學方式計算或估計停留時間。例如，在一些實施例中，可能有利的是形成下述接收器，其具有與濾筒相同的需用物質和需用物質填充密度，但具有遠小于濾筒尺寸的接收器尺寸。可通過多種不同的方式來控制接收器尺寸。例如，接收器的橫截面積可為濾筒的橫截面積的十分之一，但接收器長度可與濾筒相同。對于這種監測接收器而言，十倍于濾筒流速的流速可提供約1:1的監測器相對濾筒的停留時間比率。

在其中使用相同需用物質并且需用物質的填充密度相似或相同的實施例中，用于使監測裝置與濾筒的使用壽命相關聯的簡單替代性方法描述于下述公式1中：

tsl＝tb(w濾筒q監測器/w監測器q濾筒)公式1

在公式1中，tsl為濾筒的使用壽命時間，tb為監測器的使用壽命時間，w濾筒為濾筒中的需用物質的重量，q監測器為監測器的流速，w監測器為監測器中的需用物質的重量，并且q濾筒為濾筒的流速。項tb可被描述為監測器的“透過時間”或者使需用物質飽和的點。通常，tb因而為監測器的檢測點。換句話講，當使需用物質飽和時，有機蒸氣因而能夠穿過需用物質并且使感測元件得到觸發。假定所關注的給定濾筒的w濾筒和q濾筒為已知的，則可控制q監測器和w監測器以給定tb與tsl的所需相關性。

實例

這些實例僅僅是用于示例性目的，并且無意于限制附帶的權利要求的范圍。

實例1：

制備測試監測器管以預測可從明尼蘇達州圣保羅市(st.paul,mn)的3m公司商購獲得的6001系列ov濾筒的使用壽命。

測試樣品的制備：

在玻璃管中制備包含需用物質的一系列測試監測器管。所用的需用物質為kuraraygg12x20活性炭(在6001系列ov濾筒中使用同樣的炭)。管的需用物質裝載部分經測量具有110毫米的長度和9.4毫米的直徑。

有機蒸氣測試：

對于有機蒸氣測試，首先使不含有機蒸氣的氮氣穿過樣品管以確定流速。然后使表1所列的有機蒸氣流穿過樣品管并且利用miransapphirexl紅外光譜儀來監測50％透過時間。透過時間示于表1中。通過使氮氣流過包含所關注溶劑的冷卻的沖擊式采集器來產生有機蒸氣流；隨后將所述氣流利用額外的氮氣進行稀釋(利用質量流量控制器來控制)并且利用miransapphirexl紅外光譜儀進行監測。將光譜儀首先用于確定輸入氣流的正確ppm遞送并且隨后連接到管出口以跟蹤出口濃度。

相關性計算：

已通過gerrywood(參見：am.ind.hyg.assn.j.55(1):11-15,1994)建立數學模型，所述數學模型允許計算出活性炭濾床隨蒸氣種類和濃度而變化的預期濾筒使用壽命時間。

所述模型將透過時間tb描述為：

tb＝(wew/coq)–(1000weρβ/kvco)ln[(c0–cx)/cx]

其中：

cx＝出口濃度(g/l)

co＝入口濃度(g/l)

q＝體積流速(l/min)

w＝活性炭重量(g)

ρβ＝炭床的填充密度(g/cc)

we＝平衡吸附容量(g/g炭)

kv＝吸附速率系數(1/min)

50％透過點定義為co＝2cx的點。在50％透過點處，ln[(c0–cx)/cx]項變為零，以使得tb＝(wew/coq)。可針對給定的有機蒸氣濃度和流速來計算3m6001濾筒的預測透過時間。這些計算值提供于表2中。

通過將炭管透過時間乘以(w濾筒qtube/wtubeq濾筒)來關聯樣品濾筒的實驗透過時間以給出3m6001濾筒的預測的50％透過時間。從樣品管的實驗透過時間計算出的預測透過時間也示于表2中。從樣品管的實驗透過時間計算出的預測透過時間與經計算的濾筒透過時間之間的差值百分比也示于表2中，其是通過下述公式計算的：

％差值＝(預測值–計算值)/計算值×100％。

停留時間相關性計算：

執行計算以確定測試監視器管和3m6001系列ov濾筒的停留時間。利用測試監測器管的尺寸和3.2l/min的實驗流速，則停留時間經計算為0.14秒。假設使用32l/min的濾筒呼吸速率并且使用3m6001濾筒尺寸，則停留時間經確定為0.19秒。停留時間允許通過下述方式利用測試監測器管的所測得的50％透過時間來預測6001濾筒的50％透過時間(如表3所示)，所述方式為使測試監測器管的50％透過時間乘以濾筒停留時間相對管停留時間的比率。

表1

表2

表3

實例2：

制備測試監測器管以預測可從明尼蘇達州圣保羅市(st.paul,mn)的3m公司商購獲得的6001系列ov濾筒的使用壽命。

感測膜的制備：

通過下述方式來制備傳感器膜：首先通過臺式濺鍍涂層機用au/pd(35毫安培，20秒)來涂布127微米(5密耳)厚度的melinexst504pet(聚對苯二甲酸乙二醇酯)膜樣品。利用先前描述于文獻(chem.comm.，2004，第230-231頁)中的方法來制備內在微孔聚合物(pim)。將該聚合物在四氫吡喃(thp)中溶解到4％的質量濃度并且在1000rpm下旋涂到au/pd層上。將銀納米粒子油墨(得自cabotlabs的原液，批號457010，20.1重量％)進行稀釋(每0.5克獲得的原液加1毫升乙醇)并且在1000rpm下旋涂到pim層上以完成傳感器疊堆。然后在使用之前將此多層膜在125攝氏度下加熱2小時。

測試樣品的制備：

制備包含感測膜的測試監測器管以模仿可從明尼蘇達州圣保羅市(st.paul,mn)的3m公司商購獲得的6001系列ov濾筒。將傳感器膜設置在如上文實例1中所述的管的內部，然后充填并向下按壓以盡可能緊密地適形到玻璃表面。然后將kuraraygg12x20活性炭(在6001系列ov濾筒中使用同樣的炭)裝載到管內。將傳感器膜和光纖探針設置在距管的入口點88毫米處(或者管的全部110毫米長度的80％，由此給出20％的剩余炭容量)。

有機蒸氣測試：

按照上文實例1中所述來利用甲苯進行有機蒸氣測試(854ppm，3.2l/min的流速)，不同的是使用光纖光譜儀來監測傳感器膜而miranir光譜儀分析來自管末端的出口氣體。ir測得的50％透過時間(在管的末端處)以及從傳感器膜響應(其中剩余20％的炭)測得的50％透過時間示于表4中。

相關性計算：

按照上文所述來進行計算以給出在濾筒中剩余20％的炭的情況下的經計算的透過時間以及從傳感器膜實驗數據獲得的在剩余20％的炭的情況下的經預測的透過時間。這些數值以及按照上文實例1中所述來計算的差值％示于表4中。

表4