CN1981182A - 辐射传感器设备和包含该设备的流体处理系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种辐射传感器设备，其包括壳体和固定到壳体的多个辐射传感器模块，每个辐射传感器模块包括辐射传感器，其检测入射在辐射源模块上的辐射。优选地，每个辐射传感器模块包含完整的所谓的光学链，以允许在不拆卸模块的所有部件的情况下校准检测器(例如，光电二极管、光敏电阻等)。
Description
技术领域
在一个方面，本发明涉及一种辐射传感器设备。在另一方面，本发明涉及一种包括新颖的辐射传感器设备的流体处理系统。在另一方面，本发明涉及在辐射传感器设备中使用的辐射传感器模块。
背景技术
光学辐射传感器是已知的，并且在许多应用中有着广泛的用途。光学辐射传感器的一个主要的应用是在紫外辐射流体消毒系统的领域中。
已知利用紫外光照射水将通过使水中的微生物灭活而使水消毒，前提是照射照度和曝光时长高于最小“剂量”水平(通常以每平方厘米毫瓦秒为单位进行测量)。紫外水消毒单元，诸如可获得自TroianTechnologies Inc.的商标为Trojan UV MaxTM、Trojan UV LogicTM和Trojan UV SwiftTM的商用单元，使用该原理对用于供人饮用的水消毒。通常待消毒的水通过加压不锈钢柱形容器，其中充满紫外辐射。大规模的市政废水处理设备，诸如可获得自Trojan Technologies Inc.的商标为UV3000TM、UV3000 PlusTM和UV4000TM的商用设备，使用相同的原理对废水消毒。通常，这些处理系统的实际应用涉及使处理模块或系统淹没在开放水道中，其中当废水流过灯时使废水暴露于辐射。为了进一步讨论使用紫外辐射的流体消毒系统，参看任何一个下列文献：
美国专利4,482,809、
美国专利4,872,980、
美国专利5,006,244
美国专利5,418,370
美国专利5,539,210和
美国专利Re36,896。
近年来，该系统已成功地用于其他的水处理-例如，味道和气味控制、TOC(总有机碳)控制和/或ECT(环境污染物处理)。
在许多应用中，理想的是，监视处理中的水中存在的紫外辐射的水平。这样，可以连续地或者半连续地评估紫外辐射的水平，并且由此评估消毒过程的整体效力和效率。
本领域中已知的是，通过将操作灯附近的一个或多个无源传感器设备部署在远离操作灯的特定的位置和方位，监视紫外辐射水平。这些无源传感器设备可以是光电二极管、光敏电阻或者其他的设备，其通过在输出引脚上产生可重复的信号电平(以伏特或安培为单位)，响应所关注的特定辐射波长或者辐射波长范围的投射。
传统的紫外消毒系统常常并入灯阵列，其浸入在待处理的流体中。该配置造成了安装用于监视灯输出的传感器的困难。周围的结构通常是加压管道或者并非良好适于仪器插入使用的其他构造。简单地将紫外辐射传感器附装到灯模块，可能妨碍流体的流动，并且用作了阻塞和/或阻碍用于处理水的紫外辐射的附装点。此外，对于许多实际应用，有必要并入特殊的清洗系统，用于从传感器移除阻塞物质，以避免关于灯性能的误导信息的传送。
国际公开No.WO 01/17906[Pearcey]教导了一种辐射源模块，其中至少一个辐射源和光学辐射传感器安置在模块的保护套中。由于传统上使用清洗系统的目的在于自保护套移除阻塞物质以允许最优的辐射配比，即，不需要用于传感器的分立的清洗系统，因此该配置有助于清洗传感器。而且，由于光学辐射传感器被安置在辐射源模块的现有元件(保护套)中，因此将传感器并入在模块中不会导致任何额外的压力水头损失，并且/或者不会产生关于阻塞物质的“堵塞”。
传统的辐射传感器设备典型地被设计为具有检测器(例如，光电二极管、光敏电阻等)的现场单元，该检测器在装配到传感器主体之前进行校准。然后以传统的方式密封传感器主体，以防止流体进入。
近来，美国环境保护署(USEPA)公布了关于用于市政饮用水处理系统中的紫外辐射传感器设备的指南。这些公布的指南规定在市政饮用水处理系统中针对每个辐射源使用一个传感器。公布的指南还规定：使用一个或多个滤光器将检测器(例如，光电二极管、光敏电阻等)的灵敏度限制于杀菌范围、对传感器设备的准确性/可跟踪性的限制、对常规传感器重新校准的需要、以及UV强度传感器应观察位于电极(灯末端)之间并且处于离开电极的25％的弧长中的沿灯长度的点的要求。
如果不能校准与特定的滤光器配对的特定的检测器(例如，光电二极管、光敏电阻等)，则将滤光器并入到传感器设备中可以产生一定程度的不确定性。如果特定的检测器在同最终应用中的特定的滤光器配对之前单独进行校准，则滤光器的组成和/或滤光器的位置的小的变化可能影响检测器的灵敏度，并且相比于绝对照射或辐射剂量，减小了传感器的准确性。
在传统的紫外辐射传感器设备中，在不首先完全拆卸传感器设备的情况下，不能物理调节检测器的校准设定点。
因此，本领域需要一种传感器设备，其理想地适于使特定的传感器以1∶1的比例与特定的辐射源匹配，并且允许传感器设备的简便移除、检测器(例如，光电二极管、光敏电阻等)的校准验证、以及按照需要对其进行调节。
发明内容
本发明的目的在于消除或者缓解至少一个上文提及的现有技术的缺点。
本发明的目的在于提供一种新颖的辐射传感器设备，其消除或者缓解至少一个上文提及的现有技术的缺点。
本发明的另一目的在于提供一种新颖的辐射传感器模块，其消除或者缓解至少一个上文提及的现有技术的缺点。
因此，在一个方面中，本发明提供了一种辐射传感器设备，其包括壳体和固定到壳体的多个辐射传感器模块，每个辐射传感器模块包括辐射传感器，其被配置为检测入射在辐射传感器上的辐射。
在另一方面，本发明提供了一种流体处理系统，其包括流体处理区，其中安置了多个辐射源和辐射传感器设备，辐射传感器设备包括壳体和固定到壳体的多个辐射传感器模块，每个辐射传感器模块包括辐射传感器，其被配置为检测入射在辐射传感器上的辐射。
在另一方面，本发明提供了辐射传感器模块，其包括模块壳体；固定到模块的辐射传感器；辐射透明窗口，入射辐射可以穿过该窗口接触辐射传感器；和校准元件，用于校准接收自辐射传感器的信号。
因此，本发明人发现了一种新颖的辐射传感器设备，其包括壳体和固定到壳体的多个辐射传感器模块。辐射源模块有效地是重复单元，其优选地相对于壳体环状配置，由此辐射传感器模块同辐射源的比例为1∶1。
以这样的方式将多个辐射传感器模块安置在壳体上，即能够观察到自灯末端或电极测量的弧长的25％中的灯长度。
通过使用如此处描述的传感器设置，可以将至少两个或多个传感器安置在单一的支架上，并且可以将其安置为观察离开电极的弧长的25％区域中的灯。
优选地，每个辐射传感器模块包含完整的所谓的光学链(例如，光电二极管、光敏电阻、滤光器、孔径、校准元件、信号放大元件、信号发射器元件等中一个或多个)，以允许在不拆卸模块的所有部件的情况下进行检测器的校准。
因此，所给出的辐射源模块易于自辐射传感器设备移除，并且如果需要，检测器或辐射传感器(例如，光电二极管、光敏电阻等)的校准易于验证和调节，同时均不需要将设备拆卸。
本辐射传感器设备易于改型装配到现有的紫外辐射水处理系统中，由此这些系统遵从USEPA近期公布的指南。
在本发明的第一优选实施例中，光学辐射传感器包括辐射检测器和主体部分。辐射检测器包含光电二极管或者其他的能够检测和响应入射辐射的感应元件。主体部分容纳一个或多个电子部件、反射镜、光学部件等。光学辐射传感器安置在保护套中。保护套可以包括第一辐射透明区域，其基本上与辐射检测器(或感应元件)对准，保护套还包括辐射不透明的第二区域，其基本上与传感器的主体部分对准。本领域的技术人员还应认识到，感应元件可由其自有的集成保护套(例如，石英套)保护，该保护套可以安置在灯套内部，后者被涂覆以提供热保护。
在本说明书通篇中，参考了本发明的优选实施例，其中保护套包含“辐射透明”区域和“辐射不透明”区域。当然，本领域的技术人员应认识到，这些术语将取决于辐射场中存在的辐射的性质。例如，如果在紫外(UV)辐射场中使用本发明，则“辐射不透明”区域对于电磁频谱的该部分中的主要辐射应是不透明的，即，辐射不透明区域对于特性(例如，波长)与待阻挡的辐射不同的辐射可以是透明的。“辐射不透明”意味着不超过5％，优选地不超过4％，优选地不超过3％的来自辐射场的所关注的辐射(例如，这可以是所有波长或者选定波长的辐射)将穿过该区域，并且投射在辐射感应元件上。因此，在本发明的某些实施例中，辐射场中存在的所有辐射(例如，UV辐射、可见辐射和红外辐射中的一个或多个)将被阻挡，以除了消除入射辐射的投射以外，实现传感器的热保护。在本发明的其他的实施例中，辐射场中存在的辐射(例如，UV辐射、可见辐射和红外辐射中的一个或两个)的预定部分将被阻挡，以实现传感器的热保护，同时允许入射辐射的预定部分的投射。
依赖于所讨论的辐射场，可以以多种不同的方式在保护套上提供辐射不透明区域。例如，可以利用安置在保护套内部或外部的金属层将辐射不透明性赋予保护套。金属层可以包括选自包括下列材料的组中的至少一种成分：不锈钢、钛、铝、金、银、铂、镍钛诺及其混合物。可替换地，可以将陶瓷层安置在保护套内部或外部，以将辐射不透明性赋予保护套。在另一实施例中，辐射不透明层可以包括多孔金属结构以及同非金属材料的组合。多孔金属结构可以包含选自上文提及的金属层的组的金属。该辐射不透明层的实施例中的非金属材料的示例包括固定到多孔金属结构的弹性体或者其他材料(例如，PTFETeflon)。
在另一实施例中，通过在保护套内部或外部安置滤光层，可以将针对具体辐射的不透明性赋予保护套，该滤光层将排除有害辐射，但是允许所关注的辐射穿过保护套，由传感器进行检测。因此，再次使用紫外辐射传感器的示例，在许多情况中，检测所关注的波长的范围为约210～约300nm。可以利用由滤光材料制成的层，其将基本上仅允许该范围中的辐射通过保护套，允许检测辐射，同时相比于允许来自辐射场的所有辐射进入保护套的情况，最小化或防止建立的热。适用于该滤光材料的非限制性的示例可由重金属氧化物制成，其依赖于所感应的辐射类型而具有不同的层厚度和/或层数目。本领域的技术人员应进一步认识到，光学辐射传感器可以具有不传热区域以及滤光区域，用于保护光学辐射传感器的感应元件(例如，光电二极管)。
提供辐射透明区域可以采用许多形式。这可以通过在保护内部或外部物理安置金属层或者淀积金属层实现，由此辐射透明区域具有所需的形状。例如，辐射透明区域可以具有环形形状、非环形形状、直线形状、曲线形状、基本上圆形的形状等等。而且，辐射不透明区域可被设计为提供多个(例如，两个或多个)辐射透明区域。
将辐射不透明区域安置在保护套上的方式没有特别限制。例如，辐射不透明层可以粘合、机械固定或摩擦配合到保护套。当辐射不透明层安置在保护套外部时，后两种方法工作得特别好。对于保护石英套的内部，可以插入拼合的扩展套。第一种方法在辐射不透明层安置在保护套内部或外部的情况中是优选的。该方法可用于例如经由金属氧化物(例如，二氧化硅、二氧化钛等)的蒸汽淀积、电子束枪淀积等而淀积完全的或选择性的辐射不透明层。
附图说明
将通过参考附图描述本发明的实施例，其中相似的参考数字表示相似的部件，并且在附图中：
图1说明了本辐射传感器设备的优选实施例的透视图，其具有为了说明目的而自其移除的辐射传感器模块；
图2说明了图1中使用的辐射传感器模块的透视图，其以向外透视观察的分解形式示出；并且
图3说明了图1中使用的辐射传感器模块的透视图，其以向内透视观察的分解形式示出。
具体实施方式
通过参考图1，说明了一种辐射传感器设备100，其包括壳体105和三个辐射传感器模块110、115、120。如将参考图2和3讨论的，辐射传感器模块110、115、120具有相同的构造。
空腔125安置在壳体105中，用于容纳每个辐射传感器模块110、115、120(即，针对每个辐射传感器模块提供一个空腔125)。如所示出的，空腔125和相邻的空腔沿壳体105的纵向轴相互交错，导致了辐射传感器模块沿该轴的交错安置。这允许一方面使壳体105小型化，同时提供了用于针对每个辐射传感器模块110、115、120的电气连接的充足空间。这还允许辐射传感器模块110、115、120令其各自的孔径窗口152朝向壳体105的一个末端安置。
一旦每个辐射传感器模块110、115、120位于其各自的空腔中，则可以在壳体105的第一末端135和第二末端140之间将保护套(未示出)安置在壳体105上。该保护套可以以传统的方式相对于第一末端135和第二末端140密封(未示出)。
参考图2和3，示出了辐射传感器模块110的分解视图。如上文所述，辐射传感器模块110的构造与辐射传感器模块115、120的构造相同。
因此，如图2所示，辐射传感器模块110包括模块壳体150和印刷电路板155。辐射透明窗口(在本领域中有时被称为“孔径”)152安置在模块壳体150中，入射光可以穿过该辐射透明窗口152。
下列元件依次置于模块壳体150和印刷电路板115之间：TeflonTM垫圈、可选的辐射滤光器165(例如，石英、衍射光栅等)、扣环170、孔径175和孔径支架180。如所示出的，通过使用插脚185正确地安置孔径支架180，并且检测器座190安置在印刷电路板155上。
模块壳体150和印刷电路板155可以以传统的方式相互固定-例如，使用机械装置，诸如螺钉、铆钉等。印刷电路板155进一步包括定位孔195，其容纳模块壳体150上的定位器200(图3)。
印刷电路板155包括完整的所谓的光学链，以允许传感器模块110用作传感器设备。因此，通过适当的电气连接将下列部件安置在印刷电路板155上：检测器205(例如，光电二极管、光敏电阻等)、信号放大器210、增益调节电位计215(这等效于单一的校准元件)、电流回路发射器220、极性相反的二极管对225和MolexTM连接器230。
当然，依赖于传感器设备的所需功能，可以将额外的部件安置在印刷电路板155上。重要特征在于，在给定的辐射传感器模块110上，可以在勿需拆卸整个辐射传感器模块的情况下，使给定的滤光器165同给定的检测器205配对，并且通过调节电位计215校准后者。就本发明人的知识，具有这些特征的设备迄今为止是未知的。
模块壳体150包括定位插脚235，用于同辐射传感器设备100的壳体105中的形状互补的孔(未示出)接合。该定位插脚/孔的组合的使用，允许将每个辐射传感器模块正确地安置在辐射传感器设备100中。
尽管通过参考说明性实施例和示例描述了本发明，但是不应在限制的意义上解释该描述。因此，在参考该描述时，说明性实施例的多种修改方案，以及本发明的其他的实施例，对于本领域的技术人员将是显而易见的。因此，应当注意，附属权利要求将涵盖所有该修改方案或实施例。
此处提及的所有公开、专利和专利申请的整体内容在此处并入作为参考，如同每个单独的公开、专利或者专利申请的整体内容专门地和单独地并入作为参考。
Claims (51)
1.一种辐射传感器设备，其包括壳体和固定到所述壳体的多个辐射传感器模块，每个辐射传感器模块包括用于检测入射在辐射传感器上的辐射的辐射传感器。
2.权利要求1的辐射传感器设备，其中至少2个辐射传感器模块安置在壳体中。
3.权利要求1或2的辐射传感器设备，其中每一辐射传感器模块包括校准元件，用于校准接收自辐射传感器的信号。
4.权利要求1～3中任何一个的辐射传感器设备，其中壳体包括第一纵向轴，并且每个辐射传感器模块包括第二纵向轴。
5.权利要求4的辐射传感器设备，其中多个辐射传感器模块固定到壳体，使得第一纵向轴和第二纵向轴基本上平行。
6.权利要求4或5的辐射传感器设备，其中相邻的一对辐射传感器模块在基本上平行于第一纵向轴的方向中相互偏移。
7.权利要求1～6中任何一个的辐射传感器设备，其中每个辐射传感器模块包括具有辐射透明窗口的模块壳体，入射辐射可以穿过所述辐射透明窗口接触辐射传感器。
8.权利要求7的辐射传感器设备，其中窗口包括石英。
9.权利要求7的辐射传感器设备，其中窗口包括蓝宝石。
10.权利要求7～9中任何一个的辐射传感器设备，其中模块壳体包括一个或多个下列部件：信号放大元件、信号校准元件和信号发射器元件。
11.权利要求7～9中任何一个的辐射传感器设备，其中模块壳体包括每个下列部件：信号放大元件、信号校准元件和信号发射器元件。
12.权利要求7～9中任何一个的辐射传感器设备，其中模块壳体包括与辐射传感器电气连接的信号放大元件。
13.权利要求12的辐射传感器设备，其中模块壳体包括与信号放大元件电气连接的信号校准元件。
14.权利要求13的辐射传感器设备，其中模块壳体包括与信号校准元件电气连接的信号发射器元件。
15.权利要求1～14中任何一个的辐射传感器设备，其中壳体包括保护套，其基本上包围多个辐射传感器模块。
16.权利要求15的辐射传感器设备，其中保护套包括辐射透明第一区域和辐射不透明第二区域，辐射透明第一区域被定向为包括每个辐射传感器模块的辐射传感器。
17.权利要求15的辐射传感器设备，其中保护套包括辐射透明第一区域和辐射不透明第二区域，辐射透明第一区域被定向为包括每个辐射传感器模块。
18.权利要求15～17中任何一个的辐射传感器设备，其中保护套与壳体基本上流体密封地接合。
19.权利要求15～18中任何一个的辐射传感器设备，其中保护套包括石英套。
20.权利要求15～18中任何一个的辐射传感器设备，其中辐射不透明第二区域包括相对于保护套固定的辐射不透明层。
21.权利要求20的辐射传感器设备，其中辐射不透明层安置在保护套的内表面上。
22.权利要求20的辐射传感器设备，其中辐射不透明层安置在保护套的外表面上。
23.权利要求20～22中任何一个的辐射传感器设备，其中辐射不透明层粘合到保护套。
24.权利要求20～22中任何一个的辐射传感器设备，其中辐射不透明层机械固定到保护套。
25.权利要求20～22中任何一个的辐射传感器设备，其中辐射不透明层摩擦配合到保护套。
26.权利要求20～25中任何一个的辐射传感器设备，其中辐射不透明层包括金属层。
27.权利要求26的辐射传感器设备，其中金属层包括选自包括下列材料的组中的至少一种成分：不锈钢、钛、铝、金、银、铂、镍钛诺及其混合物。
28.权利要求20～25中任何一个的辐射传感器设备，其中辐射不透明层包括陶瓷层。
29.权利要求20～25中任何一个的辐射传感器设备，其中辐射不透明层包括多孔金属结构同非金属材料的组合。
30.权利要求29的辐射传感器设备，其中多孔金属结构包含选自包括下列材料的组中的至少一种成分：不锈钢、钛、铝、金、银、铂、镍钛诺及其混合物。
31.权利要求29的辐射传感器设备，其中非金属材料包括固定到多孔金属结构的弹性体。
32.权利要求1～31中任何一个的辐射传感器设备，其中多个辐射传感器模块相对于壳体环形配置。
33.权利要求1～32中任何一个的辐射传感器设备，进一步包括安装元件，用于将辐射传感器设备固定在流体处理系统中。
34.权利要求1～32中任何一个的辐射传感器设备，进一步包括安装元件，用于将辐射传感器设备以悬臂的方式固定在流体处理系统中。
35.权利要求1～34中任何一个的辐射传感器设备，其中每个辐射传感器模块包括第一定位器元件，并且壳体包括第二定位器元件，第一定位器元件和第二定位器元件具有基本上互补的形状并且协同操作以将辐射传感器以规定的方式相对于壳体固定。
36.权利要求35的辐射传感器设备，其中第一定位器元件包括阳部分，而第二定位器元件包括阴部分。
37.权利要求35的辐射传感器设备，其中第一定位器元件包括阴部分，而第二定位器元件包括阳部分。
38.一种流体处理系统，其包括流体处理区，该流体处理区中安置了多个辐射源和权利要求1～37中任何一个的辐射传感器设备。
39.权利要求38的流体处理系统，其中辐射源同辐射传感器模块的比例是1∶1。
40.权利要求38或39的流体处理系统，其中多个辐射源相对于辐射传感器设备环形配置。
41.一种辐射传感器模块，包括：模块壳体；固定到所述模块壳体的辐射传感器；辐射透明窗口，入射辐射可以穿过该窗口接触所述辐射传感器；和校准元件，用于校准接收自所述辐射传感器的信号。
42.权利要求41的辐射传感器模块，其中窗口包括石英。
43.权利要求41的辐射传感器模块，其中窗口包括蓝宝石。
44.权利要求41～43中的任何一个的辐射传感器模块，其中模块壳体包括一个或多个下列部件：信号放大元件和信号发射器元件。
45.权利要求41～43中的任何一个的辐射传感器模块，其中模块壳体包括每个下列部件：信号放大元件和信号发射器元件。
46.权利要求41～43中的任何一个的辐射传感器模块，其中模块壳体包括与辐射传感器电气连接的信号放大元件。
47.权利要求46的辐射传感器模块，其中模块壳体包括与信号放大元件电气连接的信号校准元件。
48.权利要求47的辐射传感器模块，其中模块壳体包括与信号校准元件电气连接的信号发射器元件。
49.权利要求41～48中的任何一个的辐射传感器模块，其中每个辐射传感器模块包括第一定位器元件，用于接合到位于用于辐射传感器模块的壳体中的第二定位器元件，第一定位器元件和第二定位器元件具有基本上互补的形状，并且协同操作以将辐射传感器以规定的方式相对于壳体固定。
50.权利要求49的辐射传感器模块，其中第一定位器元件包括阳部分，而第二定位器元件包括阴部分。
51.权利要求49的辐射传感器模块，其中第一定位器元件包括阴部分，而第二定位器元件包括阳部分。
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