CN110895272A - 用于周围环境空气监测和主动控制与响应的实时现场气体分析网络 - Google Patents

用于周围环境空气监测和主动控制与响应的实时现场气体分析网络 Download PDF

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Abstract

本申请涉及用于周围环境空气监测和主动控制与响应的实时现场气体分析网络。本发明揭示包括多个位于相关区域内的多气体分析装置的设备的实施例，每一多气体分析装置能够检测一或多种气体的存在、浓度或二者。数据和控制中心以通信方式耦合到所述多个多气体分析装置中的每一者，所述数据和控制系统包含在执行时允许所述数据和控制中心监测来自所述多个多气体分析装置的读数的逻辑，并且如果任何读数指示存在一或多种污染物，则基于来自所述多个多气体分析装置的所述读数鉴别所述污染物的来源。

Description

用于周围环境空气监测和主动控制与响应的实时现场气体分 析网络
分案申请的相关信息
本案是分案申请。该分案的母案是申请日为2014年2月28日、申请号为201480023613.5、发明名称为“用于周围环境空气监测和主动控制与响应的实时现场气体分析网络”的发明专利申请案。
优先权声明
本申请案在专利合作协定(PCT)第8条下主张2013年2月28日提出申请的美国临时专利申请案61/770,978和2014年2月26日提出申请的美国专利申请案第14/190,816号的优先权。
技术领域
本发明大体来说涉及气体分析网络并且具体来说(但不排他地)用于周围环境空气监测和主动控制与响应的即时现场气体分析网络。
背景技术
图1A-1B图解说明即时气体分析的设备和方法的实施例。图1A显示使用多重气相色谱/质谱(GC/MS)系统的方法。常规GC/MS系统不可现场安装用于直接气体分析，此意指使用特别气体取样管以在所关注区(例如区1-4)处提供空气入口。每一气体取样管将从其各别区取样的气体携带到保留于中心实验室中的相应GC/MS系统。尽管GC/MS系统可提供优异检测敏感性和对多气体分析的专一性，但所述设置维持起来可相当昂贵。
图1B图解说明可用于降低成本的替代方法。在特定区(例如区1-4)中使用简单可携式单一气体检测器进行直接气体检测。随后采集所检测气体浓缩物并存储于数据中心处。在一些实施例中，单一气体检测器不能单独检测多种气体，并且还可能一直遭受场中其它气体的交叉干扰影响。这些和其它特性使得所阐释配置不适于获得主动周围环境空气监测和控制的可靠气体浓度信息。
附图说明
参照以下图描述本发明的非限制性和非穷举性实施例，其中除非另有说明，否则贯穿各个视图，相同参考编号指代相同部件。
图1A-1B是气体监测系统的实施例的示意图。
图2A-2C是室内气体监测和控制系统的实施例的示意图。
图3A-3B是室外气体监测和控制系统的实施例的示意图。
图4是设定和操作室内或室外气体监测和控制系统的工艺的实施例的流程图。
图5A-5B是可用于图2-3的室内和室外气体监测和控制系统中的多气体分析系统的实施例的侧视图和平面图示意图。
图6A-6B是可用于图2-3的室内和室外气体监测和控制系统中的多气体分析系统的其它实施例的平面图示意图。
图7-8是可用于图2-3的室内和室外气体监测和控制系统中的多气体分析系统的其它实施例的图示意图。
具体实施方式
描述用于周围环境空气监测和主动控制与响应的即时现场气体分析网络的设备、系统和方法的实施例。描述特定细节以提供对实施例的透彻理解，但所属领域技术人员将认识到，可在无所述特定细节中的一或多者的情况下或利用其它方法、组件、材料等实践本发明。在一些情况下，未详细展示或描述众所周知的结构、材料或操作，但其仍涵盖于本发明的范围内。
贯穿本说明书提及“一个实施例”或“实施例”意指所描述特征、结构或特性可包含于至少一个所述实施例中，以使出现的“在一个实施例中”或“在实施例中”并不必均指相同实施例。此外，特定特征、结构或特性可以任一适合方式组合于一个或多个实施例中。
下文揭示通过组合使用现场多气体分析装置的网络与任选风速计即时监测和控制周围环境空气质量的实施例。所述实施例可适于各种室内或室外环境设置。在半导体设施中，例如，所述实施例可用于确保净室空气不含空气性分子污染(AMC)，随着半导体处理技术达到低于40nm节点，此变得至关重要，这是因为AMC会影响装置产率。在钢制造设施中，所述实施例可用于监测焦炉气体副产物泄漏和工艺最佳化。在石油化学设施中，所述实施例可用于鉴别泄漏气体并定位泄漏的来源，其可提供即刻警报和紧急响应行动。
图2A图解说明用于室内应用(例如半导体制作设施、公共建筑物等)的环境监测和控制系统200的实施例。多气体分析装置和风速计的系统位于各个室内位置以形成即时气体分析网络以监测气体浓度和空气流速或风速和其方向。气体分析装置和风速计(如果存在)连接到控制器/服务器/信息中心用于即时数据通信和控制。
在系统200中，一或多个多气体分析装置(还称作多气体检测器或MGD)安装于封闭设施202(例如建筑物)内的位置处，以检测所关注用于建筑物的特定应用的气体。尽管本文中描述为建筑物，但在其它实施例中，设施202可为建筑物的亚组(例如建筑物内的室或封闭空间)，并且在又一些实施例中，可包含多个建筑物。建筑物202可具有多个地板(例如第一地板204和第二地板206)，并且每一地板可具有一些种类的工艺设备或工艺设施：在所阐释实施例中，第一地板204具有工艺设施210并且第二地板206具有工艺设施212。在其它实施例中，当然，可存在比所展示多或少的地板，每一地板无需包含工艺设施，每一地板可具有比所展示多或少的工艺设施，并且工艺设施的定位可与所展示不同。
在所阐释实施例中，MGD位于建筑物的不同地板上，其中MGD 1-3位于第一地板204上并且MGD 4-5位于第二地板206上。在MGD定位的每一地板上，MGD可垂直位于自地板到天花板的任何位置，并且给定地板上的所有MGD都可具有(但无需具有)相同垂直定位。MGD(例如MGD6)可位于建筑物202的外部上，例如在通风孔208附近。如果内部中的MGD(MGD1-MGD5)检测设施内部的污染，则外部MGD6可有助于评定任何污染物是逸出或进入设施。
多气体检测器MGD1-MGD6能够检测有机或非有机气体化合物以及用于现场监测的所关注气体的组合(有机或非有机气体化合物)。在一个实施例中，MGD中的一或多者可为利用微-预-浓缩器(微-PC)、微-气相色谱(微-GC)和用于多气体检测的检测器阵列的组合的小型化气体分析系统，如下文结合图5A-8所述。
建筑物202中可任选地安装一或多个风速计以获得关于建筑物内的空气流速、速度和方向以及空气的其它特性(例如温度、湿度和压力)的信息。在所阐释实施例中，每一MGD与风速计配对并且MGD与风速计之间存在一对一对应(也就是，每一MGD具有相应风速计)。举例来说，MGD1与风速计A1配对，MGD2与风速计A2配对，等等。但在系统200的其它实施例中，多气体检测器与风速计之间的对应可为多对一，而非一对一。多对一对应可存在两种方式：在一些实施例中，每一多气体检测器可与多个风速计配对，但在其它实施例中，每一风速计可与多个多气体检测器配对。
在所阐释实施例中，每一MGD具有附近风速计，以使每一风速计测量紧靠其相应MGD附近的空气速度、方向等。但在其它实施例中，此无需为以下情形：风速计(如果存在)可远离MGD定位，以使其在除紧靠MGD附近外的建筑物中的位置处测量速度、方向等。
多气体检测器MGD1-MGD6和风速计A1-A6(如果存在)通过有线或无线通信以通信方式耦合到数据/控制中心。所有MGD和风速计(如果存在)无需以相同方式以通信方式耦合到数据/控制中心；一些可通过线以通信方式耦合，其它无线耦合。通过将MGD和风速计以通信方式耦合到数据中心，仪器可提供具有即时数据和更新的数据和控制中心。
数据和控制中心中的一或多个服务器采集并分析MGD和风速计的读数以确定设施内的不同位置处的即时现场气体浓度。数据和控制中心可提供信息分析、数据存储和相应终端系统回馈和控制。控制中心分析MGD的气体浓度数据以及空气流速、风速等和周围障碍物(或形貌)并衍生整个所关注区域的即时气体浓度分布地图。数据中心可确定存在污染物的异常增加或气体泄漏并且可触发即刻警报并且进一步鉴别(例如)可能引起空气质量变化的特定机器或管的位置。
除以通信方式耦合到MGD和风速计(如果存在)外，数据和控制中心还可通过有线或无线连接以通信方式耦合到建筑物202内的工艺设施210和212或工艺设施内的特定组件。另外，数据和控制中心可以通信方式耦合到建筑物的通风系统，并且耦合到紧急响应组。
如果以通信方式耦合到建筑物202内的工艺设施210和212或工艺设施内的元件，则数据和控制系统可确定发生气体泄漏的工艺设施或机器并且关闭系统以减少或停止泄漏。举例来说，控制中心可连接并且可将经确定不合格的设施或系统远程调节回其最佳情况以产生最佳工艺产率。如果连接到通风系统，则数据和控制中心可控制通风系统或通风系统内的特定元件(例如泵、排风扇、个别通风孔、管封闭等)以立刻降低污染物浓度并防止任何由于污染物气体增加可发生的灾变事件或后果。
如果连接到紧急响应系统，则在检测到污染物后，数据和控制中心可提供即刻警报和相应行动。数据和控制中心随后可通知响应组并且将其引导到污染来源的位点。响应组可派遣人员到异常气体喷发的位点以进一步测试并确认，随后可将所述测试和确认返回到控制中心用于闭合环路数据分析验证和改良。
图2B图解说明用于室内应用的环境监测和控制系统225的另一实施例。系统225在大多数方面与系统200的特征和功能类似。系统225与200之间的主要差异在于在系统225中，每一MGD位于不同空气过滤器的输出处或其附近，所述过滤器可用于过滤从建筑物外部进入的空气或离开建筑物的输出空气。在一个实施例中，过滤器是建筑物202的空气质量/通风系统的部件，但在其它实施例中，过滤器可为不管是否与建筑物有关的另一系统的部件。在系统225中，每一过滤器位于MGD上方，但在其它实施例中，过滤器无需位于上方，而是相反可位于MGD下方或侧方。MGD(例如MGD6)可位于建筑物202的外部，例如在靠近穿过通风孔208离开建筑物的地方。过滤器F6可位于通风孔208上方以过滤离开建筑物202的空气，并且MGD6可帮助评定是否有任何污染物逸出设施并且因此过滤器F6是否需要更换。MGD(例如MGD5)可位于建筑物202内部，例如在空气从通风控制系统穿过空气入口进入建筑物202的位置处或附近。过滤器F5可经定位以从进入建筑物202的外部空气过滤污染物，并且MGD5可有助于评定任何污染物是否进入设施并且因此过滤器F5是否需要更换。
在所阐释实施例中，每一MGD耦合到相应空气过滤器，此意指MGD与过滤器之间存在一对一对应：MGD1耦合到过滤器F1，MGD2耦合到过滤器F2，等等。但在其它实施例中，对应可为多对一而非一对一：每个过滤器可存在一个以上MGD，或每个MGD可存在一个以上过滤器。如在系统200中，在系统225中，MGD可任选地与风速计配对，如所示一对一对应或MGD与风速计或风速计与MGD多对一对应。
在系统225中，每一MGD可监测穿过相应过滤器的空气的输出质量。当在任一MGD上污染物(例如，挥发性有机化合物或VOC)的浓度超出阈值时，至少能够确定特定过滤器不再令人满意地过滤并且需要更换。此方法将大大降低不需要的过滤器更换并且因此最小化更换成本。
图2C图解说明室内应用的环境监测和控制系统250的另一实施例。系统250在大多数方面与系统200的特征和功能类似。系统250与200之间的主要差异在于在系统250中，每一MGD包含多个延伸到MGD的个别区的不同位置的取样管。例如，MGD 4包含多个取样管252，其一端耦合到MGD4并且其另一端、也就是穿过其抽吸空气的取样端延伸远离MGD4。在系统250的所阐释实施例中，每一MGD耦合到6个取样管，但在其它实施例中，每一MGD可耦合到更多或更少取样管，并且每一MGD无需具有相同数目的取样管。
每一取样管252还可包含VOC或气体取样器，例如吸收剂捕集器254，通过取样管采集的空气可穿过其流动。此方法允许于具有较高空间覆盖密度的更特定位置处对空气取样。试样采集和分析可为多种方式。在MGD4中，每一取样管252包含吸收剂捕集器，但在其它实施例中，并非所有都可包含吸收剂捕集器，或管根本不可包含吸收剂捕集器。此外，每一MGD无需包含吸收剂捕集器，并且如果MGD包含吸收剂捕集器，则无需包含与其它MGD相同数目的吸收剂捕集器。
对于无吸收剂捕集器254的实施例来说，可通过从所有管同时采集空气进行空气取样并且通过MGD对其进行分析，所述MGD将提供由一个MGD覆盖的区域的整体污染物浓度。在另一方式中，对于每一取样管，空气取样和分析可串联进行(例如，对1号管取样并且分析以确定1号取样管位置处的污染物浓度，并且对其它取样管进行重复)，此将提供每一特定位置处的更详细污染物浓度。对于具有吸收剂捕集器254的实施例来说，空气取样可与通过每一吸收剂捕集器单独收集污染物同时进行。随后可使每一吸收剂捕集器中的污染物解吸到MGD用于单独分析的依序分析。
图3A图解说明室外监测和控制系统300的实施例，所述系统可用于诸如石油化学工厂和钢焦炉等应用。系统300在大多数方面与系统200的特征和功能类似：多气体分析装置和风速计位于不同位置处以形成即时气体分析网络以监测气体浓度和空气流速或风速和其方向。气体分析装置和/或风速计连接到控制器/服务器/信息中心用于即时数据通信和控制。
在系统300中，一或多个多气体分析装置(还称作多气体检测器或MGD)安装于围绕室外设施(例如石油化学工厂)的所关注区302内的位置处。工艺设施1-5位于所关注区302内。在其它实施例中，当然，可存在比所展示多或少的工艺设施，并且工艺设施的定位与所展示可不同。
在所阐释实施例中，MGD位于相关区域或所关注区302内的工艺设施附近，MGD1-5在工艺设施1-5附近。只要其定位，MGD可垂直位于从地板到工艺设施上方的一定高度的任何位置，并且给定区302中的所有MGD都可具有(但无需具有)相同垂直定位。MGD(例如MGD6)可位于所关注区302外部。如果所关注区302内部的MGD(MGD1-MGD5)检测所关注区内部的污染，则外部MGD6可有助于评定任何污染物从所关注区移出。系统300中所用的MGD可具有与系统200中所用的MGD相同的特性和能力。
相关区域302中可任选地安装一或多个风速计以获得关于区域内的空气流速、速度和方向以及空气的其它特性(例如温度、湿度和压力)的信息。在所阐释实施例中，每一MGD与风速计配对并且MGD与风速计之间存在一对一对应(也就是，每一MGD具有相应风速计)。举例来说，MGD1与风速计A1配对，MGD2与风速计A2配对，等等。但在系统200的其它实施例中，多气体检测器与风速计之间的对应可为多对一，而非一对一。多对一对应可存在两种方式：在一些实施例中，每一MGD可与多个风速计配对，但在其它实施例中，每一风速计可与多个MGD配对。
在所阐释实施例中，每一MGD具有附近风速计，以使每一风速计测量紧靠其相应MGD附近的空气速度、方向等。但在其它实施例中，此无需为以下情形：风速计(如果存在)可远离MGD定位，以使其在除紧靠MGD附近外的位置处测量速度、方向等。
多气体检测器MGD1-MGD6和风速计A1-A6(如果存在)通过有线或无线通信以通信方式耦合到数据/控制中心。所有MGD和风速计(如果存在)无需以相同方式以通信方式耦合到数据/控制中心；一些可通过线以通信方式耦合，其它无线耦合。通过将MGD和风速计以通信方式耦合到数据中心，仪器可提供具有即时数据和更新的数据和控制中心。
如在系统200中，数据和控制中心中的一或多个服务器采集并分析MGD和风速计的读数以确定所关注区内的不同位置处的即时现场气体浓度并且提供信息分析、数据存储和相应终端系统回馈和控制。控制中心分析网络中的分布装置的气体浓度数据以及空气流速或风速和周围障碍物(或形貌)并衍生整个所关注区域的即时气体浓度分布地图。数据中心可确定是否存在污染物的异常增加或气体泄漏并且可触发即刻警报并且进一步鉴别(例如)可能引起空气质量变化的机器或管的位置。控制中心可确定周围环境空气质量并且还鉴别气体泄漏的位置和其是否在所关心区域内，此又防止假警报。
除以通信方式耦合到MGD和风速计(如果存在)外，数据和控制中心还可通过有线或无线连接以通信方式耦合到区域302内的工艺设施1-5，并且可另外以通信方式耦合到紧急响应组。如在系统200中，在系统300中，控制中心还可以通信方式耦合到建筑物202内的工艺设施210和212或工艺设施内的元件(从其发生气体泄漏)并且关闭系统以减少或停止泄漏。举例来说，控制中心可连接并且可将经确定不合格的设施或系统(远程)调节回其最佳情况以产生最佳工艺产率。
控制中心可与紧急响应系统连接并且提供即刻警报和相应行动。数据和控制中心随后可通知响应组并且将其引导到污染来源的位点。相应行动组可派遣人员到异常气体喷发的位点以进一步测试并确认，随后可将所述测试和确认返回到控制中心用于闭合环路数据分析验证和改良。
利用制造工厂的不同位置或所关注位置处的即时现场气体浓度，数据中心可基于风信息和建筑物/障碍物或周围形貌连续确定同步气体分布并且确定是否存在特定气体的任何异常增加或危险气体泄漏。对于特定气体的异常增加(其可对应于制造效率降低，如通过数据中心所鉴定)，控制中心可直接控制特定设施操作以确保系统回复最佳情况。对于特定气体的异常增加(其可对应于危险气体泄漏)，控制中心可基于气体浓度分布数据地图鉴别气体泄漏的位置或来源并且随后提供必需警报并且将响应组引导到问题位点。
图3B图解说明室外应用的环境监测和控制系统350的另一实施例。系统350在大多数方面与系统300的特征和功能类似。系统350与300之间的主要差异在于在系统350中，每一MGD包含多个取样管，其可延伸到与MGD相关联的工艺设施中或其附近。例如，MGD2包含多个取样管352，其一端耦合到MGD2并且其另一端、也就是穿过其抽吸空气的取样端延伸到工艺设施2中或其附近。在系统350的所阐释实施例中，MGD2耦合到3个取样管，但每一MGD可耦合到更多或更少取样管，并且系统350中的每一MGD无需具有相同数目的取样管。
每一取样管352还可包含VOC取样器，例如吸收剂捕集器354，通过取样管采集的空气可穿过其流动。此方法允许于具有较高空间覆盖密度的更特定位置处对空气取样。试样采集和分析可为多种方式。在MGD4中，每一取样管352包含吸收剂捕集器，但在其它实施例中，并非所有都可包含吸收剂捕集器，或管根本不可包含吸收剂捕集器。此外，每一MGD无需包含吸收剂捕集器，并且如果MGD包含吸收剂捕集器，则无需包含与其它MGD相同数目的吸收剂捕集器。
对于无吸收剂捕集器354的实施例来说，可通过从所有管同时采集空气进行空气取样并且利用MGD对其进行分析；此将提供由一个MGD覆盖的区域的整体污染物浓度。在另一方式中，对于每一取样管，空气取样和分析可串联进行(例如，对1号管取样并且分析以确定1号取样管位置处的污染物浓度，并且对其它取样管进行重复)，此将提供每一特定位置处的更详细污染物浓度。对于具有吸收剂捕集器354的实施例来说，空气取样可与通过每一吸收剂捕集器单独收集污染物同时进行。随后可使每一吸收剂捕集器中的污染物解吸到MGD用于单独分析的依序分析。
图4图解说明用于设定并操作气体分析系统(例如系统200和300)的工艺400的实施例。所述设置可适于靶向周围环境空气监测和控制以达成最佳制造效率和产率输出以及过量废副产物耗尽或毒性气体泄漏警报的以下工业(但不限于所述工业)：半导体制造工厂、显示器制造、PCB工厂、钢焦炉工厂和石油化学工厂。
所述工艺始于方块402处开始。于方块404处，鉴别所关注区，不管室内或室外。于方块406处，所述工艺实施可能气体污染物或所关注气体上的所关注区域的空间和地理分布信息以及所关注区内的障碍和其它目标上的形貌信息的分析。
于方块408处，基于于方块406处执行的分析，所述工艺对最佳多气体检测器检测规范、装置的数目和气体感测网络的放置位置和构筑作出决定。于方块410(其为任选的，如由虚线轮廓指示)处，所述工艺使用于方块406处执行的分析以决定相关区域内的风速计的数目和放置。
监测系统的操作于方块412处开始，于控制中心处自动即时监测数据采集和存储。于方块414处，执行关于来自每一装置的气体监测数据的可靠性的自动数据分析以确保无由于装置或数据通信假信号的假数据。于方块416处，所述工艺基于气体数据(与空气流速、风速、方向等和区域形貌(如果使用风速计)组合)的分析搜索异常气体浓度量的来源位置。于方块418处，所述工艺确定来源位置是否具有超过阈值的气体浓度，并且于方块420处，使用从所有MGD和风速计(如果存在)获得的数据以鉴定污染来源。于方块422处，所述工艺采取行动，例如控制室内应用的通风系统和/或工艺设施、控制室外应用的工艺设施，并且为相应方提供必需警报用于室内或室外应用中的必需行动。对于存在气体泄漏系统的多个可能来源和在同一位置无个别气体装置用以区分气体泄漏现场的情况，可派遣人员利用可携式气体检测器对每一系统执行现场测试以确认实际有问题的系统。
图5A-5B示意性图解说明可在上述环境检测和控制系统中实施的多气体检测和分析装置的实施例。所阐释多气体分析装置(称作MiTAP)的商业实施例是由台湾创控生技公司(TricornTech Taiwan&TricornTech Corporation)，圣何塞(San Jose)，加利福尼亚(California)研发。MiTAP可为数据分析提供更常见气体浓度分布，此又给予控制中心于相应场位点处的周围环境空气情况的远更快更新。因此，对于一致有力制造产率，可达成空气质量的更精确主动控制，此在制造工艺(例如半导体生产)中极端重要。同时，对于毒性气体泄漏监测，倘若气体泄漏，MiTAP可提供远更快更新/警报，此可对于防止于制造位点处威胁生命的系统失效至关重要。
如下文进一步描述，MiTAP利用微-预-浓缩(微-PC)、微-气相色谱(微-GC)和检测器阵列(DA)技术用于直接空气取样和气体分析，如(例如)美国专利公开案第2009/0308136号、第2011/0005300号、第2011/0023581号、第2011/0259081号和第2012/0090378号中所述，所述案件的全文都以引用方式并入本文中)。可携式并且独立的装置无需昂贵实验室气体供应和管道输送设置，但与常规GC/MS系统不同，其可现场安装并且能够以类似于实验室中的GC/MS系统的性能执行直接气体取样用于多气体分析。装置具有在每一15-min测试中分离并检测50种以上挥发性有机化合物(VOC)(但不限于VOC)的能力，与用于气体分析的常规GC/MS系统方法相比，其可提供用于更快主动控制和响应的远更多即时数据点。
图5A-5B一起图解说明小型多气体分析装置500的实施例。MGD 500包含衬底502，其上安装流体处置组合件501、耦合到流体处置组合件501内的个别元件的控制器526和耦合到检测器阵列510和控制器526的读取与分析电路528。图中所示的实施例图解说明衬底502上的所述元件的一个可能配置，但在其它实施例中，所述元件当然可不同地配置于所述衬底上。
衬底502可为任何种类的衬底，其为装置500的元件提供所需实体支撑和通信连接，例如具有导电迹线的单层或多层印刷电路板(PCB)或由硅或一些其它半导体制得的芯片或晶片。在另外其它实施例中，衬底502还可为其中可形成光学波导以支援装置500的组件之间的光学通信的芯片或晶片。
流体处置组合件501包含过滤器与阀组合件504、预浓缩器506、气相色谱仪508、检测器阵列510和泵512。元件504-512为流体串联耦合：过滤器与阀组合件504通过流体连接516而流体耦合到预浓缩器506，预浓缩器506通过流体连接518而流体耦合到气相色谱仪508，气相色谱仪508通过流体连接520而流体耦合到检测器阵列510，并且检测器阵列510通过流体连接522而耦合到泵512。在装置500的一个实施例中，元件504-512可为微机电(MEMS)元件或基于MEMS的元件，意指每一装置的一些部件可为MEMS而其它部件并非为MEMS。在装置500的其它实施例中，元件504-512中的一些或所有元件无需为MEMS或基于MEMS，而可替代地为某一非MEMS芯片级装置。
如图中的箭头所指示，元件504-512之间的流体连接允许流体(例如，一或多种气体)穿过进口514进入过滤器与阀组合件504、流动穿过元件504-512并且最后穿过出口524离开泵512。流体处置组合件501还包含保护个别元件504-512的罩或盖513。在所阐释实施例中，形成于罩513中的通道提供所述元件之间的流体连接，但在其它实施例中，元件之间的流体连接可通过其它手段(诸如，铺设管道)来提供。在又一些实施例中，可省略罩513。
控制器526通过迹线130以通信方式耦合到流体处置组合件501内的个别元件以使得其可发送控制信号和/或从所述个别元件接收回馈信号。在一个实施例中，控制器526可为经设计而专门用于所述工作的专用集成电路(ASIC)(例如，CMOS控制器)，其包含处理、挥发性和/或非挥发性存储装置、存储器和通信电路以及用以控制各种电路并且与流体处置组合件501的所述元件外部通信的相关联的逻辑。然而，在其它实施例中，控制器526可替代地为其中在软件中实施所述控制功能的通用微处理器。在所阐释实施例中，控制器526通过衬底502的表面上或其内部中的导电迹线130电耦合到流体处置组合件501内的所述个别元件，但在其它实施例中，控制器526可通过其它手段(例如，光学)耦合到所述元件。
读出与分析电路528通过迹线532耦合到检测器阵列510的输出以使得其可从检测器阵列510内的个别传感器接收数据信号并且处理并分析这些数据信号。在一个实施例中，读出与分析电路528可为经指定而专门用于所述工作的专用集成电路(ASIC)(例如，CMOS控制器)，其包含处理、挥发性和/或非挥发性存储装置、存储器和通信电路以及用以控制各种电路并且与外部通信的相关联的逻辑。然而，在其它实施例中，读出与分析电路528可替代地为其中在软件中实施所述控制功能的通用微处理器。在某些实施例中，读出与分析电路528还可包含信号调节和处理元件(例如，放大器、过滤器、类比到数位转换器等)以用于由读出与分析电路528预处理从检测器阵列510接收的数据信号和对从所接收数据产生或得出的数据进行后处理两者。
在装置500的操作中，首先对系统通电并且将任一所需逻辑(也就是，软件指令)载入到控制器526和读出与分析电路528中并且将其初始化。在初始化之后，打开过滤器与阀单元504中的阀并且设定泵512以允许流动穿过所述流体处置组合件。然后，流体穿过进口514以某一流动速率和/或在某一时间量内输入到流体处置组合件501；所需的时间量通常将由预浓缩器506产生其存在和/或浓度正被确定的特定化学品的足够浓度所需的时间来确定。当流体通过入口514输入到系统时，其由过滤器与阀组合件504过滤并且借助流体处置组合件501内的元件504-512之间的流体连接而流过这些元件。在流过元件504-512之后，流体通过排放口524离开流体处置组合件。
在已穿过进口514输入所需量的流体之后，关闭过滤器与阀组合件504中的阀以防止进一步输入流体。在关闭阀之后，预浓缩器506中的加热器启动以加热预浓缩器。所述热释放由所述预浓缩器吸收并且浓缩的化学品。当从预浓缩器506释放化学品时，启动泵512以将所释放的化学品抽吸穿过气相色谱仪508和检测器阵列510并且穿过排放口524输出所述化学品。泵512的启动还防止穿过流体处置组合件501的回流。
当泵512将从预浓缩器506释放的化学品抽吸穿过气相色谱仪508时，所述色谱仪在时域上将不同化学品彼此分离—也就是，在不同时间从气相色谱仪输出不同化学品。当不同化学品在时间上分离地离开气相色谱仪508时，每一化学品都进入检测阵列510，其中所述检测阵列中的传感器检测每一化学品的存在和/或浓度。气相色谱仪508中执行的时域分离实质上增强检测阵列510的精确性和灵敏性，这是因为其防止众多化学品同时进入所述检测阵列并且因此防止所述阵列内的所述传感器中的交叉污染和潜在干扰。
当检测阵列510内的个别传感器与进入的经时域分离的化学品相互作用时，检测阵列感测相互作用并且将信号输出到读出与分析电路528，读出与分析电路528然后可使用所述信号来确定化学品的存在和/或浓度。当读出与分析电路528已确定所关心的所有化学品的存在和/或浓度时，其可使用各种分析技术(例如相关性和型样匹配)从存在的化学品和其浓度的特定组合得出某一意义。
图6A图解说明多气体分析系统或检测器600的实施例。MGD 600在大多数方面类似于装置500。装置600与装置500之间的主要差异是在装置600中存在安装于衬底602上的无线收发器电路604和天线606。无线收发器电路604既可传输(Tx)数据还可接收(Rx)数据并耦合到读取与分析电路528和天线606。在MGD 600的一个实施例中，收发器604可用于将数据从读取与分析电路528无线传输到计算机608，所述计算机可位于系统200或300的数据和控制中心中并且可执行数据中心的前述功能。
图6B图解说明多气体分析装置650的替代实施例。MGD 650在大多数方面类似于MGD 600。MGD 650与600之间的主要差异是无线收发器电路604和天线606用耦合到读取与分析电路528的硬件数据界面654进行替换。在一个实施例中，硬件数据界面654可为网络界面卡，但在其它实施例中，硬件数据界面可为乙太网卡、简单电缆插头等。外部装置可通过诸如电缆等传统手段连接到装置650。尽管其具有不同通信界面，但MGD 650和600具有相同功能。至于系统500，在系统600中，气体分析装置602可传输数据到计算机608的一者或二者并从其接收数据，所述计算机可位于系统200或300的数据和控制中心并且可执行数据中心的前述功能。
图7图解说明多气体分析装置700的替代实施例。MGD 700在大多数方面类似于装置500。MGD 700与装置500之间的主要差异是MGD 700包含板上显示器702，其用于向用户传送通过读取与分析电路528执行的分析结果。所阐释实施例使用板上文本显示器702，例如可向用户传送文本信息的LED或LCD屏幕。在另一实施例中，可使用更简单的显示器，例如具有三个灯者，所述灯根据哪个灯接通而指示阳性、阴性或不判定的结果。举例来说，如果响应污染物的检测，则必须派遣检查组进行研究，装置可为检查者提供信息。
图8图解说明多气体分析装置800的替代实施例。MGD 800在大多数方面类似于MGD500。装置800与装置500之间的主要差异是在装置800中流体处置组合件501的一或多个元件是可替换的。在所阐释实施例中，使所述元件可通过使用以下插座将其等安装到衬底502上来替换：过滤器与阀组合件504通过插座804安装到衬底502、预浓缩器通过插座804安装到衬底502、气相色谱仪508通过插座808安装到衬底502、检测器阵列510通过插座810安装到衬底502并且泵512通过插座812安装到衬底502。在一个实施例中，插座804-812是准许由用户容易地替换的插座(例如，零插力(ZIF)插座)，但在其它实施例中，可使用其它类型的插座。尽管所阐释实施例展示流体处置组合件501的所有组件是可替换的，但在其它实施例中，可仅使所述组件中的一些组件(例如，泵512和检测器阵列510)是可替换的。具有可替换流体处置元件的益处在于MGD如果受到破坏则可容易修复或可容易经转化以检测不同气体或气体的组合而无需替换整个MGD。
包含发明摘要中所描述内容的对本发明所阐释实施例的以上说明并非打算为穷尽性或将本发明限于所揭示的精确形式。尽管出于图解说明的目的描述本发明的特定实施例和实例，但如所属领域技术人员将认识到，可在权利要求书的范围内做出各种等效修改。可根据上文详细说明作出这些修改。
以下权利要求书中使用的术语不应理解为将本发明限制于说明书和权利要求书中所揭示的具体实施例。而是，本发明的范围将完全由以下权利要求书来确定，所述权利要求书将根据权利要求书解释所创建的原则来加以理解。

Claims (34)

1.一种设备，其包括：
多个位于相关区域内的多气体分析装置，每一多气体分析装置都能够检测一个或多种气体的存在、浓度或二者，其中每个多气体检测器以流体方式耦合到多个取样管，所述取样管从所述多气体检测器延伸，以从所述多气体检测器附近的多个位置收集多个单独样本；以及
数据和控制中心，其以通信方式耦合到所述多个多气体分析装置中的每一者，所述数据和控制系统包含在执行时允许所述数据和控制中心进行如下操作的逻辑：
监测所述多个多气体分析装置的读数；
对来自每一多气体分析装置的输出执行可靠性的自动数据分析，以确保无由于所述多气体分析装置或数据通信假信号的假数据；并且
如果任何读数指示存在一种或多种污染物，则基于来自所述多个多气体分析装置的所述读数鉴别所述污染物的来源。
2.根据权利要求1所述的设备，其进一步包括至少一个位于所述相关区域中并且以通信方式耦合到所述数据和/或控制中心的风速计。
3.根据权利要求2所述的设备，其中每一风速计与相应多气体分析装置配对。
4.根据权利要求2所述的设备，其中每一风速计与多个多气体分析装置配对。
5.根据权利要求2所述的设备，其中多个风速计与每一多气体分析装置配对。
6.根据权利要求2所述的设备，其中所述至少一个风速计可至少测量空气速度和方向。
7.根据权利要求6所述的设备，其中所述风速计可进一步测量空气温度、空气压力和湿度。
8.根据权利要求1所述的设备，其中所述数据和控制系统包含关于所述相关区域内的拓扑的数据。
9.根据权利要求1所述的设备，其中所述相关区域为室内。
10.根据权利要求9所述的设备，其中所述数据和控制系统以通信方式耦合到所述相关区域的通风系统并且可控制所述通风系统的操作。
11.根据权利要求9所述的设备，其中至少一个多气体检测器以流体方式耦合到过滤器，以使所述多气体检测器可对流动穿过所述过滤器的空气进行取样。
12.根据权利要求1所述的设备，其中每一取样管都包含吸收剂捕集器。
13.根据权利要求1所述的设备，其中所述相关区域为室外。
14.根据权利要求13所述的设备，其中所述多个气体分析装置中的每一者位于所述相关区域内的工艺设施附近。
15.根据权利要求14所述的设备，其中所述数据和控制系统以通信方式耦合到每一工艺设施并且能够控制所述工艺设施的操作。
16.根据权利要求14所述的设备，其中至少一个多气体检测器以流体方式耦合到一个或多个取样管，所述取样管从所述多气体检测器延伸到所述相关联工艺设施中或附近的位置。
17.根据权利要求1所述的设备，其中所述多个多气体分析装置中的至少一者包括：
衬底；
气相色谱仪，其具有流体入口和流体出口并且安装到所述衬底；
检测器阵列，其具有流体入口和流体出口并且安装到所述衬底，其中所述检测器阵列的所述流体入口以流体方式耦合到所述气相色谱仪的所述流体出口；
控制电路，其耦合到所述气相色谱仪和所述检测器阵列，其中所述控制电路可与所述气相色谱仪和所述检测器阵列通信；以及
读出电路，其耦合到所述检测器阵列和所述控制电路，其中所述读出电路可与所述控制电路和所述检测器阵列通信。
18.一种方法，其包括：
将多个多气体分析装置定位于相关区域内，每一多气体分析装置都能够检测一种或多种气体的存在、浓度或二者，其中每个多气体检测器以流体方式耦合到多个取样管，所述取样管从所述多气体检测器延伸，以从所述多气体检测器附近的多个位置收集多个单独样本；
将数据和控制中心以通信方式耦合到所述多个多气体分析装置中的每一者；
监测所述多个多气体分析装置的输出；
对来自每一多气体分析装置的输出执行可靠性的自动数据分析，以确保无由于所述多气体分析装置或数据通信假信号的假数据；以及
如果所述多个气体分析装置中的任一者检测到指定气体的存在和/或异常浓度，则基于所述多个多气体分析装置的所述输出鉴别所述指定气体的来源。
19.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括将至少一个风速计定位于所述相关区域中并将所述至少一个风速计以通信方式耦合到所述数据和控制中心。
20.根据权利要求19所述的方法，其中每一风速计与相应多气体分析装置配对。
21.根据权利要求19所述的方法，其中每一风速计与多个多气体分析装置配对。
22.根据权利要求19所述的方法，其中多个风速计与每一多气体分析装置配对。
23.根据权利要求19所述的方法，其中所述至少一个风速计可至少测量空气速度和方向。
24.根据权利要求23所述的方法，其中所述风速计可进一步测量空气温度、空气压力和湿度。
25.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括在所述数据和控制中心中存储来自所述相关区域的拓扑数据。
26.根据权利要求18所述的方法，其中所述相关区域为室内。
27.根据权利要求18所述的方法，其进一步包括将所述数据和控制系统以通信方式耦合到所述相关区域的通风系统，以使所述数据和控制系统可控制所述通风系统的操作。
28.根据权利要求26所述的方法，其中至少一个多气体检测器以流体方式耦合到过滤器，以使所述多气体检测器可对流动穿过所述过滤器的空气进行取样。
29.根据权利要求18所述的方法，其中每一取样管包含吸收剂捕集器。
30.根据权利要求18所述的方法，其中所述相关区域为室外。
31.根据权利要求18所述的方法，其中所述多个气体分析装置中的每一者位于所述相关区域内的工艺设施附近。
32.根据权利要求31所述的方法，其中所述数据和控制系统以通信方式耦合到每一工艺设施并且可控制所述工艺设施的操作。
33.根据权利要求31所述的方法，其中至少一个多气体检测器以流体方式耦合到一个或多个取样管，所述取样管从所述多气体检测器延伸到所述相关联工艺设施中或附近的位置。
34.根据权利要求18所述的方法，其中所述多个多气体分析装置中的至少一者包括：
衬底；
气相色谱仪，其具有流体入口和流体出口并且安装到所述衬底；
检测器阵列，其具有流体入口和流体出口并且安装到所述衬底，其中所述检测器阵列的所述流体入口以流体方式耦合到所述气相色谱仪的所述流体出口；
控制电路，其耦合到所述气相色谱仪和所述检测器阵列，其中所述控制电路可与所述气相色谱仪和所述检测器阵列通信；以及
读出电路，其耦合到所述检测器阵列和所述控制电路，其中所述读出电路可与所述控制电路和所述检测器阵列通信。
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