JP2007531885A

JP2007531885A - 液中汚染物質検出用の能動型サンプラー

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Publication number: JP2007531885A
Application number: JP2007506593A
Authority: JP
Inventors: ウィリアム・ディー・バウアーズ; グレゴリー・エフ・クイン
Original assignee: エニグマ・サイエンス・エルエルシー
Priority date: 2004-04-01
Filing date: 2005-03-31
Publication date: 2007-11-08
Also published as: AU2005230457A2; AU2005230457B2; AU2005230457A1; US20050226777A1; CA2560606A1; AU2005230457A9; WO2005098391A1; US7399447B2; EP1730485A1

Abstract

液中の汚染物質を検出するための能動型サンプラーは、導入チューブ、排出チューブ、そしてサンプリングユニットを具備してなり、このサンプリングユニットは導入側からそれ自身を通って排出側に至る経路に沿って液体が流れるよう、この経路間に配置されている。サンプリングユニットは複数のサンプリングチャンバー(吸着物質が充填されている)を有し、このサンプリングチャンバーは実質的に互いに対して流体的に密閉されており、ここで、サンプリングチャンバーの一つは、液体がサンプリングチャンバーを通って流れるよう選択的に流路内に配置される。能動型サンプラーはまたアクチュエータを具備しており、このアクチュエータは、上記サンプリングチャンバーの一つが流路から外れるよう位置させられ、その一方で、別のサンプリングチャンバーが流路内に配置されるよう、サンプリングユニットと導入ならびに排出チューブとを相対的に動かす。

Description

本発明は概してサンプリングシステムに関し、特に、たとえば水のような液中の汚染物質を検出するための能動型サンプラー(active sampler)に関する。

サンプリング用のシステムおよび設備は、水モニタリングの分野では一般的なものであり、産業および都市排出物はもちろん、天然の水路(たとえば、泉、河川、小川)中の汚染物質の存在を判定することを伴う。

だが、従来型のサンプリング装置は、通常、(たとえば試験管に)液体サンプルを手作業で採取するために現場に使用者がいなければならない。使用者は、続いて、汚染物質の存在を検出するため、たとえばサンプル中に薬品を注入することにより、このサンプルを分析することになる。

既存のサンプリング技術は、通常、広く離れた時間間隔で個別の試料を採取することを伴う。そうした別個のサンプリングは、サンプリング期間にわたって汚染物質の蓄積濃度を簡単に測定することを困難なものとする。さらに、個別試料の採取は、特に試料を定期的に(たとえば一月に数回)採取する必要がある場合に費用が嵩む。遠隔地でのサンプリングが望まれる場合、コストと不自由とがさらに増大する。

既存の能動型サンプラーは連続的に試料を採取可能であるが、一般に、それ自身を通って液体を圧送するのに、かなり大量のエネルギーを要する。これは、システムによる大きな圧力差のためであり、これによって電力を供給できない遠隔地での使用には適さないものとなっている。さらに、こうしたサンプラーは嵩張り、浅い液塊中に、あるいは配管設備内に配置するのには適さないことがある。

したがって、液中汚染物質を検出するための、改良された能動型サンプリング装置が求められている。

本発明の一態様に関して、液体用の能動型サンプラーは、導入チューブと、排出チューブと、サンプリングユニットとを具備してなり、このサンプリングユニットは、液体が、導入チューブからサンプリングユニットを経て排出チューブへ至る経路に沿って流動するよう導入チューブと排出チューブとの間に配置されている。サンプリングユニットは複数のサンプリングチャンバーを具備してなり、このサンプリングチャンバーは、当該サンプリングチャンバーの一つが上記流路内に配置された状態で、実質的に互いに流体的にシールされている。本能動型サンプラーはまた、サンプリングユニットと経路とを相対的に動かすアクチュエータを具備してなり、それによって、サンプリングチャンバーの一つは上記流路から外れるように位置させられ、その一方で、別のサンプリングチャンバーが上記流路内に配置される。

本発明の別な態様では、液体用の能動型サンプラーは、複数のサンプリングチャンバーおよびこのチャンバーの一つに選択的に接続されるポンプを具備してなり、このポンプはチャンバーを経て液体を送り出すよう構成される。当該ポンプは、少なくとも１０ｍｌ／minの速度でポンピング可能であり、その一方で、圧力降下を伴わずに３０ｍＡ以下の電流を引き込む。

本発明のさらに他の態様では、液体用のサンプラーは、ポンプを含む密閉ハウジングと、サンプリングユニットと、バッテリーと、ポンプを制御する回路とを具備してなる。サンプリングユニットはサンプリングチャンバーを具備してなる。バッテリーは電力をポンプに供給する。ハウジングは一対の接触子を具備しており、この接触子は、ハウジングを液中に浸漬することによって接触子同士の間の電気抵抗が低下するよう露出させられている。回路は接触子間の抵抗の低下を検出し、そしてこの抵抗の低下を検出した後にポンプを始動させる。

本発明のさらに他の様態では、液塊を能動的に採取するための方法は、それを貫通する流路が形成されると共に、その内部にサンプリング媒体を取り出し可能に収容する複数のサンプリングチャンバーを有するサンプリングユニットを具備してなる無弁型サンプラーを提供することを含む。本方法はさらに、サンプリングチャンバーの一つと流路とを選択的に互いに連通状態とすることと、この流路を経て液体を流動させることとを具備する。

図１には、液塊Ｂ中に配置された能動型液体サンプラーの一実施形態を概略的に示す。この液体サンプラー１００は、サンプリングユニット３０に接続された導入チューブ１４を具備してなる。導入チューブ１４は少なくとも一つの導入ポート１６ａを通る液流Ｆを受け入れ、しかもそれをサンプリングユニット３０へと輸送する。図示の実施形態では、導入チューブ１４は導入マニホールド１６に接続されており、この導入マニホールド１６は液体サンプラー１００に複数の導入ポート１６ａをもたらす。だが、別な実施形態では、マニホールド１６を用いずに、導入チューブ１４を導入ポート１６ａからサンプリングユニット３０まで延在させることもできる。液流Ｆはサンプリングユニット３から排出チューブ１８へと流れる。導入および排出チューブ１４,１８は液流を輸送するための適当な管とすることができ、しかもそれは、たとえば円形、矩形および長円形のような、さまざまな横断面のうちの一つを有する。

サンプラー１００を通る液流Ｆは、排出チューブ１８とポンプ放出パイプ１８ａとの間に接続されたポンプ７０によって生み出される。ポンプ７０は、液体を、導入チューブ１４、サンプリングユニット３０および排出チューブ１８を通って流動させる。ポンプ７０は、続いて、流体をポンプ放出パイプ１８ａの端部の排出ポートを経て放出し、液塊Ｂに戻す。液体サンプラー１００はまた少なくとも一つのバッテリー９０を具備してなり、このバッテリー９０は、ポンプ７０ならびにサンプリングユニット３０の動作を制御するシステムコントローラ８０へだけでなく、ポンプ７０へ電力を供給する。

図１に示すように、液体サンプラー１００の構成要素は、好ましくはハウジング１０内に配置される。このハウジング１０は、導入ポート１６ａの近傍に、少なくとも二つの電気接触子１２を有する。好ましいことを言うと、ハウジング１０は、とりわけ、バッテリー９０あるいはシステムコントローラ８０の短絡を抑止するために、液体サンプラー１００を実質的に密封環境で維持する。電気接触子１２は、好ましくは、液塊Ｂへのハウジング１０の浸漬によって接触子１２同士の間の電気抵抗が低下するよう露出している。システムコントローラ８０は、そうした低い抵抗を感知し、そしてそうした低い抵抗を検知すると、これに応答してポンプ７０を始動させる。同様に、液塊Ｂからハウジング１０を取り出すと、接触子１２同士の間の電気抵抗が増大する。そうした高い抵抗を感知すると、それに応答して、システムコントローラ８０はポンプ７０を停止させることになる。

図２および図３には、能動型液体サンプラー１００のさらに細部を示す。図示の実施形態では、導入口フィッティング１４ｂは導入ポート１４ａにおいて導入壁１５につながっている(図３に示す)。液体サンプラー１００は、また、ポンプ放出パイプ１８ａの排出ポート(図示せず)において排出壁１７に接続された排出口フィッティング１８ｂを有する(図１参照)。図３に示すように、導入壁１５および排出壁１７の両方はそれぞれ、それらを貫通する開口部１５ａ,１７ａを有し、この開口部１５ａ,１７ａは、サンプリングユニット３０に接続されたシャフト３３を受けるよう構成されており、ここで、シャフト３３は好ましくは、サンプリングユニット３０の中心軸線Ｘ１を通って軸方向に延在する。

図３に最もよく示すように、導入および排出壁１５,１７のそれぞれは、サンプリングユニット３０のシャフト３３を受ける開口部１５ａ,１７ａの周りに配置された溝３２を有する内面１５ｂ、１７ｂを具備してなる。さらに壁１５,１７の内面１５ｂ、１７ｂは好ましくは互いの鏡像となっている。図示する実施形態では、複数の円形溝３２を示している。だが、溝３２は、たとえば正方形および長円のような他の形状を有することができる。各溝３２は好ましくはＯリング３４あるいはその他の弾性シーリング部材を、その中に収容する。溝３２の一つは排出壁１７の流出ポート１７ｃを取り囲んでおり、これは好ましくは、排出壁１７の流路(図示せず)を通る排出口フィッティング１８ｂと連通している。同様に、内面１５ｂの溝３２の一つは、導入壁１５の流路(図示せず)を通って導入ポート１４ａおよび導入口フィッティング１４ｂと連通する導入壁１５の流入ポート(図示せず)を取り囲んでいる。好ましいことを言えば、両流出入ポートは、壁１５,１７間で延在する軸線Ｘ２を中心として互いに整列している。

図３に示すサンプリングユニット３０は、このユニット３０の二つの端部３６間で延在するサンプリングチャンバー５０を具備してなり、各チャンバー５０はサンプリング媒体(図示せず)を収容している。好ましい実施形態では、このサンプリング媒体はAmbersorb(登録商標)である。だがサンプリング媒体は、その他の好適な吸着物質からなることができる。各サンプリングチャンバー５０は、好ましくは、液中の汚染物質あるいは汚濁物質をサンプリング(抽出)するのに適した、かなりの量の吸着物質を含む。好ましい実施形態では、各サンプリングチャンバー５０は約１０００ｍｇ以下の吸着物質を含む。他の好ましい実施形態では、各サンプリングチャンバー５０は概ね１００ないし２０００ｍｇの吸着物質を含む。他の実施形態では、概ね２００ｍｇの吸着物質を含む。

図３に示す実施形態において、サンプリングユニット３０は六つのサンプリングチャンバー５０を備えたカルーセルカートリッジを具備してなる。だが当業者には、サンプリングユニット３０が、さらに多くのあるいはさらに少ないサンプリングチャンバー５０を有するだけでなく、さまざまな形状を有することが可能であることは明白であろう。サンプリング媒体は、好ましくは、各端部３６に配置された網３７によってチャンバー５０内で適所に保持される。好ましい実施形態では、網３７は概ね１００ミクロンのステンレススチール網である。別の好ましい実施形態では、網３７は概ね１０ないし２００ミクロンの間のものである。さらに別な実施形態では、網３７は概ね２０ミクロンの網である。だが、その他の適当な網サイズあるいは素材を採用することも可能である。図示の実施形態では、網インサート３８が、実質的にサンプリング媒体に対して適所で網３７を保持するために各網３７上に配置されている。ある好ましい実施形態では、網インサート３８は、サンプリングチャンバー５０の各端部３６の対応するネジ部(図示せず)と係合するためのネジ付き面(図示せず)を有する。他の実施形態では、網インサート３８は網３７と一体である。さらに、たとえばＯリングのようなシール４０が、カルーセルカートリッジ３０の各端部３６の周囲を取り巻くよう配置されている。このシール４０はカルーセルカートリッジ３０から液体が漏れるのを実質的に抑える。

図３に示す液体サンプラー１００がＯリング３４を用いて組み立てられたとき、サンプリングチャンバー５０は互いに対して実質的に流体的に隔離された状態で維持される。したがって、サンプリングチャンバー５０の一つの中の流体が他のチャンバー５０内に入るのが実質的に抑止される。さらに、上記のとおり、壁１５,１７を貫通する流出入ポートは概して軸線Ｘ２を中心として互いに整列している。カルーセルカートリッジ３０は、軸線Ｘ２がチャンバー５０の一つと整列しかつその一つを通って軸方向に延在するよう配置されている。ここに開示した実施形態では、導入口フィッティング１４ｂから排出口フィッティング１８ｂへの流体流は、軸線Ｘ２と整列したサンプリングチャンバー５０のみを通り抜ける。ゆえに、一時に流体を受け容れることになるのは、カルーセルカートリッジ３０のチャンバー５０の一つのみである。

カルーセルカートリッジ３０はシャフト３３を含み、これは、導入および排出壁１５,１７の開口部１５ａ,１７ａに、カルーセルカートリッジ３０を回転可能に取り付ける。シャフト３３はカルーセルカートリッジ３０が軸線Ｘ１の周りを回転することを可能にする。壁１５,１７は、好ましくは、少なくとも一つのファスナー２０によって、互いに対して固定状態で維持される。図示する実施形態では、少なくとも一つのファスナー２０は複数のボルトを含む。だが、他のファスナー、たとえばネジ、ブラケット、接着剤およびバンドのような、それ以外のファスナーを使用することもできる。

図２および図３に示すように、液体サンプラー１００は、たとえば電動モーターのようなアクチュエータ６０を具備してなり、これによってカルーセルカートリッジ３０は軸線Ｘ１を中心として回転させられる。好ましくは、アクチュエータ６０は、たとえばバッテリー(図示せず)からの電力を受け取る。アクチュエータ６０およびポンプ７０は好ましくは導入および排出壁に取り外し可能に接合されている。図示した実施形態では、アクチュエータ６０およびポンプ７０は、少なくとも一つのブラケット２２および少なくとも一つのファスナー２４によって、壁１５,１７に接合されており、ポンプ７０を支持するブラケット２２はサポート２２ａ上に載っている。

図２および図３に最もよく示されるように、ある実施形態では、アクチュエータ６０は駆動ギア６２に接続されており、この駆動ギア６２が、シャフト３３の端部上の被駆動ギア６４(図３参照)を駆動する。したがって、アクチュエータ６０はギア６２,６４を介してカルーセルカートリッジ３０を回転させる。だが、アクチュエータ６０は、たとえばベルト、チェーンあるいはストラップのような他の手段を介してシャフト３３を駆動することができる。

他の実施形態では、図４に示すように、アクチュエータ６０はゼネバ機構６０ａ'を介してカルーセルカートリッジ３０を回転させる。好ましくは、ゼネバ機構６０ａ'は、第２の回転可能な部材６４'と係合可能な第１の回転可能な部材６２'を具備してなり、この場合、回転可能な部材６２',６４'は反対方向に回転する。第１の回転可能な部材６２'はアクチュエータ６０に接続されており、しかも第１の回転可能な部材６２'の周囲に配置された突出部材６２ａ'(たとえばピン)を具備してなる。第２の回転可能な部材６４'は、複数の軸方向スロット６４ａ'を有し、かつ導入壁１５の開口部１５ａを通って延在するシャフト３３の端部に接続されている。各スロット６４ａ'は、第１の回転可能な部材６２'の回転中に突出部材６２ａ'をスライド方式で受けるよう構成されている。スロット６４ａ'は、第２の回転可能な部材６４'を回転させるために、突出部材６２ａ'からの力を受け取る。第２の回転可能な部材６４'の回転は、それに対して接続されたカルーセルカートリッジ３０を回転させる。第１の回転可能な部材６２'はまた、好ましくは、第２の回転可能な部材６４'の縁部６４ｂ'と係合する縁部６２ｂ'を含み、突出部材６２ａ'がスロット６４ａ'の外側にあるときとき、第２の回転可能な部材６４'の回転を阻止する。

アクチュエータ６０が第１の回転可能な部材６２'を回転させるとき、突出部材６２ａ'はスロット６４ａ'の一つへとスライドしながら移動する。第１の回転可能な部材６２'が回転し続けるとき、突出部材６２ａ'はスロット６４ａ'に力を伝達し、突出部材６２ａ'がスロット６４ａ'を出るまで第２の回転可能な部材６４'を回転させる。好ましくは、第２の回転可能な部材６４'の回転によって、別のサンプリングチャンバー５０(図５参照)を液体サンプラー１００の流路と連通状態とするためにカルーセルカートリッジ３０が回転させられる。突出部材６２ａ'がスロット６４ａ'の外にある間、第１および第２の回転可能な部材６２',６４'の縁部６２ｂ',６４ｂ'はそれぞれ、第２の回転可能な部材６４'の回転を阻止するよう互いに係合する。同様に、縁部６２ｂ',６４ｂ'は互いに係合せず、一方、突出部材６２ａ'は第２の回転可能な部材６４'を回転させるためにスロット６４ａ'に力を伝達する。ゼネバ機構６０ａ'は、サンプリングチャンバー５０(図５参照)の、サンプラー１００の流路との再現性のある正確なアライメントをもたらす。さらにゼネバ機構６０ａ'は、サンプリングチャンバー５０と流路との正確なアライメントを保証するためにフィードバック制御の利用を必要としない。

図５に示すように、ある好ましい実施形態では、液体サンプラー１００は、その内部に吸着物質を収容する複数の吸着カートリッジ５０ａ(好ましくは全てのサンプリングチャンバー５０用のもの)を具備してなる。吸着カートリッジ５０ａは好ましくは筒状部５０ｂおよびキャップ部５０ｃを具備してなる。吸着カートリッジ５０ａは好ましくは、サンプリングチャンバー５０を通過する液体が吸着物質と接触することを可能とするよう透過性を有する。たとえば吸着カートリッジ５０ａは網面を有していてもよい。好ましくは、カートリッジ５０ａはサンプリングチャンバー５０内に安定的にかつ取り外し可能に嵌まり込む。たとえば、キャップ部５０ｃは、いったんカートリッジ５０ａがサンプリングチャンバー５０内に挿入されると、サンプリングチャンバー５０の一端３６とスナップ嵌合方式でつながることができる。さらに、網３７'が各吸着カートリッジ５０ａの筒状部５０ｂの底部に取り付けられている。たとえば、網３７'は筒状部５０ｂにモールドできる。他の実施形態では、網３７'は、端部３６と逆側の各サンプリングチャンバー５０の端部３６に取り付けられており、この端部３６を通って吸着カートリッジ５０ａが挿入される。吸着カートリッジ５０ａは、リボルバー内の弾丸と同様に、装填したり抜き取ったりすることが可能であり、これによってサンプリングチャンバー５０内に吸着物質を容易に配置でき、しかも当該チャンバー５０から吸着物質を容易に取り出すことが可能となる。

上述したように、ポンプ７０はサンプラー１００の流路を通る流体流Ｆをもたらす。好ましくは、ポンプ７０は、サンプラー１００を通る比較的大きな体積流量をもたらし、その一方で、そうするために小さな供給電力しか要しないよう構成されている。好ましいポンプ７０は少なくとも約１０ｍｌ／minの液体をポンピングでき、その一方で、液体が圧力降下を伴わずにポンプを通って流れるとき、バッテリー９０から約３０ｍＡ以下の電流を引き込む。他の好ましいポンプ７０は少なくとも約５０ｍｌ/minの液体をポンピングでき、その一方で、液体が圧力降下を伴わずに流れるとき概ね直流５Ｖの駆動電圧で約５０ｍＡ以下の電流を引き込む。

図６に示す一実施形態では、ポンプ７０は一対の回転可能な部材７２,７４を具備してなり、これは同じ方向に異なる速度で回転することによって液体を圧送する。そうしたポンプ７０の一例は、ギアローターあるいは「ゲローター(gerotor)」ポンプであり、この場合、回転可能な部材７２,７４は互いに噛合するギアである。ゲローターポンプは、さまざまな供給業者、たとえばEnigma Science of Irvine, CA, Mesoscopic Devices of Broomfield, CO and Diener Precision Pumps of Switzerlandから入手可能である。だが、上で説明した流量および電流要求を満たす、その他の適当なポンプを使用することもできる。

図２および図３に示す一実施形態では、ポンプ７０はカルーセルカートリッジ３０の下流に配置されている。したがってポンプ７０は、液体流Ｆがポンプ７０に入る前に、導入口フィッティング１４ｂを通り、流体流路内に存在するサンプリングチャンバー５０を通り、そして排出口フィッティング１８ｂを通って、液塊Ｂから液体を取り込む。好ましくは、管によって排出口フィッティング１８ｂがポンプ７０の導入ポート(図示せず)に接続される。さらに、ポンプ排出パイプ１８ａ(図１参照)は、好ましくはポンプ７０の排出ポート(図示せず)につながっており、それを通って液体流Ｆは液塊Ｂに戻される。他の実施形態(図示せず)では、ポンプ７０を導入口フィッティング１４ｂの上流に配置し、そしてカルーセルカートリッジ３０を介して液体を輸送させることができる。

ポンプ７０は好ましくはサイズが小さなものであり、少ない供給電力しか必要とせず、可聴ノイズが低く、そして化学的に不活性である。ポンプ７０は好ましくは、以下でさらに説明するように、液体サンプラー１００を通って液体流Ｆをバックフラッシュ(逆洗)させるために逆様式で動作可能である。その上、ポンプ７０は好ましくは自吸(呼び水入れ)するものであり、しかも液体流Ｆ中に存在するであろうサイズが約５０ミクロン以下の粒子と共に作動できる。

図３に示すフィッティング１４,１８およびサンプリングユニット３０は好ましくは耐食素材からなる。たとえば、それはステンレススチールから製造できる。アクチュエータ６０およびポンプ７０も好ましくは化学的に不活性な素材からなり、これは試料が採取される液塊Ｂ中の汚染物質と反応せず、あるいは液体中に汚染物質を付加(すなわち自己汚染)しない。

図３に示す能動型サンプラー１００のシステムコントローラ８０はマイクロプロセッサーを備え、このマイクロプロセッサー８２は、とりわけ、アクチュエータ６０およびポンプ７０の動作を制御する。図示する実施形態では、システムコントローラ８０は、たとえばボルトのようなファスナー２０ａを用いて液体サンプラー１００に接続されている。だが、ネジ、ブラケット、接着剤およびバンドのような他のファスナーを使用することもできる。システムコントローラ８０は、好ましくは、電力制御モジュール、実時間時計、ユーザーインターフェース、少なくとも一つの環境センサー、ファームウェアおよび適当な不揮発性メモリを具備してなる。このメモリは好ましくはフラッシュメモリである。コントローラ８０は、好ましくは、可能な限り最小の電流を引き込む。好ましい実施形態では、コントローラ８０は、その回路の全てが機能している状態で、約直流３Ｖの入力にて概ね５ｍＡ以下の電流を引き込む。他の好ましい実施形態では、コントローラ８０は試料採取中、ポンプ７０によって引き込まれる電流は含まず、約３ｍＡ以下の電流を引き込む。さらに他の好ましい実施形態では、コントローラ８０は、スリープモードのとき、μＡのレンジの電流を引き込む。

マイクロプロセッサー８２は液体サンプラー１００の中央処理ユニットであり、好ましくは、サンプラー１００の全ての態様および機能を制御しかつ管理する。たとえば、マイクロプロセッサー８２は、ユーザーインターフェース、データ獲得、データ処理および記憶、サンプラー１００の稼働、サンプラー１００の健全状態の長期モニタリングを制御しかつ管理する。好ましくは、マイクロプロセッサー８２は、アクチュエータ６０にカルーセルカートリッジ３０を回転させるよう選択的に合図をし、この結果、流路と連通するサンプリングチャンバー５０が流路から外され、そして異なるサンプリングチャンバー５０が流路と連通状態となる。さらに、マイクロプロセッサー８２はポンプ７０の電流引き込み(current draw)をモニターする。好ましくは、マイクロプロセッサー８２は、それが、プリセット値よりも高いポンプ７０からの電流引き込み信号を受けた際に、ポンプ７０にバックフラッシュモードで動作するよう合図を出す。バックフラッシュモードで作動するための信号を受けたとき、ポンプ７０は逆に作動して、流体を、排出チューブ１８から、サンプリングチャンバー５０、導入チューブ１４を通過させ、それを液塊Ｂへ戻す。ある実施形態では、マイクロプロセッサー８２は、それがポンプ７０からの電流引き込み信号を受けたとき、バックフラッシュモードで作動するようポンプ７０に合図を出すが、サンプリングモードでは、これは約８０ｍＡ超である。マイクロプロセッサー８２はまた、それがポンプ７０の動作を開始させたときつながり、そして液体サンプラー１００の運転履歴を収集する。

好ましい実施形態では、マイクロプロセッサー８２はサンプラー１００のエネルギー密度要求(すなわち必要な電力と運転時間の積)を満たす。サンプラー１００のエネルギー密度要求は好ましくは約５５ｍＡ以下である。そうしたマイクロプロセッサー８２の一つは、Microchip, IncによるモデルナンバーPIC18LF8720である。ある実施形態では、マイクロプロセッサー８２は好ましくは、ポンプ７０を作動させ、かつアクチュエータ６０を介してカルーセルカートリッジ３０を回転させるために、ソフトウエアコントロールのもとパルス幅変調(ＰＷＭ)信号を発生させる。ＰＷＭ駆動信号は、有利なことを言うと、「オン」デューティーサイクルが１００％未満であるので、電流引き込みを一層小さなものとする。システムコントローラ８０のＨブリッジコントローラは、マイクロプロセッサー８２からのＰＷＭ入力信号と、ポンプ７０ならびにカルーセルカートリッジ３０を駆動するのに要する直流電圧を得る。Ｈブリッジは定常状態駆動電圧にＰＷＭ信号を印加し、これによってポンプ７０の駆動電圧の電圧レベルである反復ＰＷＭ信号を生じる。好ましくはデューティーサイクルの周波数は、最低の電流引き込みで最大の作用が得られるよう最適化される。好ましい実施形態では、ポンプ７０は４.５ボルトの駆動電圧を必要とし、しかも反復ＰＷＭ信号は、概ね７８％デューティーサイクルで、概ね１９ｋHzの周波数にて、０ボルトと４.５ボルトとの間で交互に切り替わる矩形波である。さらに、Ｈブリッジコントローラは、好ましくは、両方向ＢＣブラシおよび単一巻き線ステータモーターの両方を駆動する。この両方向駆動能力は、サンプラー１００が詰まり始めた場合(この詰まりはポンプ７０によって引き込まれる電流の増大によって検出される)に、液体サンプラー１００を通過する液体流Ｆの方向を逆転させるために、バックフラッシュモードでポンプ７０を作動させるのに使用できる。

システムコントローラ８０のユーザーインターフェースは、サンプラー１００の状態および「健全状態(state-of-health)」を判定するために、ユーザーが液体サンプラー１００とインターフェースすることを可能にする。たとえば、ユーザーは新しい試料採取スケジュールをアップロードでき、あるいは内部ログから保管されたデータをダウンロードできる。好ましい実施形態では、ユーザーインターフェースはユニバーサルシリアルバス(ＵＳＢ)型ポートを具備してなる。ある好適なＵＳＢポートは、Cypress SemiconductorによるモデルナンバーCY7C63723である。

ある実施形態では、システムコントローラ８０は温度センサーを具備してなり、これはコントローラ８０の温度をモニターする。コントローラ８０は、好ましくは、温度履歴を作り出すために、事象を記録するときはいつでも温度を記録する。好ましくは、コントローラ８０は、少なくとも次の事象の間に、すなわちセンサー接触子１２が液体の存在を示したとき、センサー接触子１２が液体が存在しないことを示したとき、サンプラー１００がバックフラッシュモードで作動するとき、システムの機械的あるいは電気的故障あるいはその他の故障、(たとえばポンプ７０の詰まりによる)設定値を超える電流の検出、バックフラッシュモード時におけるサンプラー１００のバックフラッシュ不能、バッテリーパワー不足、およびサンプリングユニット３０の回転の間に、データおよび電流の読み(示度)と共に温度の読み(示度)を保管する。好ましい実施形態では、少なくとも次のパラメーター、すなわち温度、バッテリー電圧、ポンプ駆動電圧、ポンプ電流、日付、およびカルーセルカートリッジ３０の数が、上述した事象のいずれかの間に記録される。有利なことを言えば、温度履歴は、液体サンプラー１００が配置されている間の、あるいはシステムが故障した場合の環境データを提供する。別な実施形態では、システムコントローラ８０は、たとえば試料として採取される液塊中のｐＨ、導電率、濁り度、あるいは所望の化学的特性を検出するための環境センサーを有することができる。ある好ましい実施形態では、以下で説明するように、液体サンプラー１００の動作を開始させるために温度センサーおよび環境センサーの一方あるいは両方を使用できる。

図７には液体サンプラー１００の一実施形態の動作を示す。図示した実施形態では、液塊Ｂからの液体は導入ポート１６ａを経て導入マニホールド１６に流入し、続いてサンプリングユニット３０に入る。液体流Ｆはサンプリングユニット３０内のチャンバー５０の一つを通過するが、それは液体サンプラー１００の流路と連通状態で選択的に配置されている。液体流Ｆは、続いて、放出されて液塊Ｂに戻される前に、排出チューブ１８およびポンプ７０を通過する。少なくとも一つのバッテリー９０が、システムコントローラ８０、アクチュエータ(図示せず)およびポンプ７０に電力を供給する。好ましくは、バッテリー９０は概ね３.６ボルトの電圧を提供できるものである。ある好ましい実施形態では、バッテリー９０はリチウムバッテリーである。別の好ましい実施形態では、バッテリー９０はアルカリ電池である。

ある実施形態では、液体サンプラー１００は液塊中に配置したときに連続運転可能である。すなわち、サンプラー１００が液塊に浸漬されるとすぐに、システムコントローラ８０は電気接触子１２同士の間の低下した抵抗を検出し、そしてポンプ７０の動作を開始させる。ポンプ７０はそれゆえサンプリング期間の間中、連続的に作動する。システムコントローラ８０はまた、サンプリングチャンバー５０の一つを、サンプラー１００の流路と連通状態とするためにカルーセル３０を割り出しする。好ましい実施形態では、システムコントローラ８０は、別のサンプリングチャンバー５０を流路と連通状態とするために、２週間ごとにカルーセル３０を割り出しする。図３に示す実施形態(ここではカルーセル３０は六つのサンプリングチャンバー５０を有する)では、一つのチャンバー５０は好ましくはコントロールチャンバーとして使用され、したがって流路と連通状態には置かれないので、総サンプリング期間は概ね１０週間である。だが当業者には、チャンバー５０当りのサンプリング期間および総サンプリング期間はユーザーが望むように変更可能であることが明白であろう。たとえば別の実施形態では、ユーザーは、カルーセル３０の割り出しが毎週なされるよう液体サンプラー１００をプログラムできる。

別な実施形態では、液体サンプラー１００は液塊中へ配置したときスリープモードであってかつセンサーのトリガリングによって運転を開始するようにできる。たとえば、液体サンプラー１００は、環境センサー(たとえばｐＨセンサー)によって液塊中に酸を検出したときに運転を開始するようにできる。上記センサーは好ましくはトリガリング事象のコントローラ８０に信号を送り、そしてコントローラ８０は、上記のとおりポンプ７０の運転を開始させ、そしてカルーセルカートリッジ３０の割り出しをすることになる。任意選択で、システムコントローラ８０は、たとえば電話、ポケットベルあるいはインターネットを介して、センサーのトリガリング時にユーザーと通信することができる。

上で説明した液体サンプラー１００によれば、有利なことには、ユーザーが試料を人手で採取することを必要とせずに、ある期間にわたって能動的に液体を採取するコンパクトなユニットが提供される。ある実施形態では、液体サンプラー１００は概ね４０in^３の総容積を有する。別の実施形態では、液体サンプラー１００は概ね３０ないし１００in^３の総容積を有する。したがって液体サンプラー１００は、有利なことに、浅い液塊中でも作動でき、しかも液質をモニターするために建物の配管設備に組み込むことが可能である。コンパクトなサイズの液体サンプラー１００はまた、有利なことには、製造コストを低減し、しかもサンプラー１００を持ち運んだり輸送したりするのを一層容易なものとする。

液体サンプラー１００は、有利なことには、液塊の液質をモニターするために、さまざまな用途で使用できる。ある実施形態では、液体サンプラー１００は、液塊中の薬品の存在をモニターするのに使用できる。別な実施形態では、液体サンプラー１００はバクテリアをモニターするために使用できる。したがって、液体サンプラー１００は浅い液塊中に、たとえば小川、河川、あるいは配管系統中に投入された、さまざまな汚染物質を検出できる。

液体サンプラー１００は、有利なことには、遠隔地において液塊中に配置し、そして長期間にわたって液塊中に残置することが可能であり、その後、ユーザーは液塊からサンプラー１００を取り出すために戻ることが可能である。ユーザーは、続いて、サンプリングユニット３０をサンプラー１００から取り出して、それを抽出ジグ(図示せず)の上に載置できる。抽出ジグは、好ましくは、サンプリングユニット３０を保持し、そして各サンプリングチャンバー５０の一端部を経て、チャンバー５０の逆端部に配置された対応する容器(たとえばガラス瓶)内に抽出溶媒を送り込む。したがって抽出ジグは、有利なことには、ユーザーが、同時に同じ方法を用いて、サンプリングユニット３０のサンプリングチャンバー５０の全てを取り出すことを可能とする。その上、サンプリングユニット３０は、有利なことには、複数の別個のカートリッジチューブの代わりに、ユーザーが容易に取り扱うことができる単一ユニットを備えたサンプラー１００を提供する。

液体サンプラー１００のその他の利点は、それが、多大な電力供給を必要とせずに、長期間にわたって作動可能であるという点である。液体サンプラー１００は、一つのバッテリーパック９０を用いて、全サンプリング期間にわたって作動することができる。好ましい実施形態では、液体サンプラー１００は、全サンプリング期間にわたって機能するために概ね３.６ボルトの電圧を要する。別な実施形態では、液体サンプラー１００は全サンプリング期間にわたって機能するために概ね３ボルトを要する。さらに他の好ましい実施形態では、液体サンプラー１００は全サンプリング期間にわたって機能するために概ね１.８ボルトを要する。さらに、ポンプ７０は好ましくは、液体サンプラー１００を通って少なくとも約１０ｍｌ／minを引き込み、その一方で、バッテリーパック９０から約３０ｍＡ以下の電流を引き込む。

液体サンプラー１００のさらに他の利点は、圧力降下が最低限に抑えられることである。従来構造(これはサンプリングチャンバーを流体的に分離するために弁を利用している)とは異なり、液体サンプラー１００は弁を持たないシステムである。弁は好ましくいない。というのは、それはサンプリングシステムを通過することによる圧力降下を増大させ、ポンプが必要とする供給電力を増大させると共に、システムを通過する体積流量のロスにつながるからである。サンプリングユニット３０は、サンプリングチャンバー５０のそれぞれを隔離させしかもサンプリングユニット３０ならびに導入および排出チューブ１４,１６を通って液体を圧送するため、たとえばＯリングのような弾性シール部材を用いることで最小限の圧力降下で作動する。好ましい実施形態では、本液体サンプラーを通過することに伴う圧力降下は約４０インチの水柱(Ｈ_２Ｏ)相当以下である。したがって液体サンプラー１００は、かなりの量の電力を供給することなく、上記の状況で作動できる。

本発明および従来技術に関して達成された利点を要約するために、上記のとおり、本発明のある目的および利点について説明してきた。もちろん、必ずしも、そうした目的あるいは利点の全てが、本発明の特定の実施形態によって実現されなくてもよいことを理解されたい。ゆえに、たとえば、当業者であれば、本明細書で開示あるいは示唆したであろう他の目的または利点を必ずしも達成することを要さずに、本明細書に開示した一つの利点または一群の利点を達成あるいは最適化する様式で、本発明の具現化あるいは実施が可能であることは明白であろう。そうした態様の全ては、ここに開示した本発明の範囲内のものである。

本発明の上記ならびにその他の態様は、特許請求の範囲ならびに添付図面を参照した好ましい実施形態に関する上記の詳細な説明から当業者には容易に明らかとなるであろうが、本発明はここに開示された特定の好ましい実施形態に限定されるものではない。

液体サンプラーの斜視図である。液体サンプラーの一実施形態の上面、正面および側面斜視図である。図２に示す液体サンプラーの分解組立図である。液体サンプラーの他の実施形態の上面、正面および側面斜視図である。図４に示す液体サンプラーの分解組立図である。液体サンプラーの一実施形態と共同で使用されるポンプの断面図である。一実施形態による液体サンプラーを通る流れの概略図である。

符号の説明

１０ハウジング
１２電気接触子
１４導入チューブ
１４ａ導入ポート
１４ｂ導入口フィッティング
１５導入壁
１５ａ開口部
１５ｂ内面
１６導入マニホールド
１６ａ導入ポート
１７排出壁
１７ａ開口部
１７ｂ内面
１７ｃ流出ポート
１８排出チューブ
１８ａポンプ排出パイプ
１８ｂ排出口フィッティング
２０,２０ａファスナー
２２ブラケット
２２ａサポート
２４ファスナー
３０サンプリングユニット(カルーセルカートリッジ)
３２溝
３３シャフト
３４Ｏリング
３６端部
３７,３７' 網
３８網インサート
５０サンプリングチャンバー
５０ａ吸着カートリッジ
５０ｂ筒状部
５０ｃキャップ部
６０アクチュエータ
６０ａ' ゼネバ機構
６２駆動ギア
６２' 第１の回転可能な部材
６２ａ' 突出部材
６２ｂ' 縁部
６４被駆動ギア
６４' 第２の回転可能な部材
６４ａ' 軸方向スロット
６４ｂ' 縁部
７０ポンプ
７２,７４回転可能な部材
８０システムコントローラ
８２マイクロプロセッサー
９０バッテリー
１００液体サンプラー

Claims

導入チューブと、
排出チューブと、
サンプリングユニットと、
アクチュエータと、を具備してなる液体用の能動型サンプラーであって、
前記サンプリングユニットは、前記導入チューブから、前記サンプリングユニットを通り、前記排出チューブに至る経路に沿って液体が流動するよう、前記導入チューブと前記排出チューブとの間に配置されており、前記サンプリングユニットは、互いに対して実質的に流体的にシールされた複数のサンプリングチャンバーを具備してなり、前記チャンバーのうちの一つは前記流路内に配置されており、
前記アクチュエータは、前記サンプリングチャンバーの一つが前記流路から外れるよう位置させられ、その一方で、前記チャンバーの別のものが前記流路内に配置されるよう、前記サンプリングユニットと前記経路とを相対的に動かすようになっていることを特徴とする能動型サンプラー。
前記液体は水であることを特徴とする請求項１に記載の能動型サンプラー。
弁を持たないことを特徴とする請求項１に記載の能動型サンプラー。
前記チャンバーは筒形状を有することを特徴とする請求項１に記載の能動型サンプラー。
前記導入チューブは、複数の導入ポートを有するマニホールドを具備してなることを特徴とする請求項１に記載の能動型サンプラー。
前記サンプリングユニットはカートリッジであることを特徴とする請求項１に記載の能動型サンプラー。
前記カートリッジは回転式カルーセルであることを特徴とする請求項６に記載の能動型サンプラー。
複数の前記サンプリングチャンバーは、各チャンバーの端部に配置されたＯリングによって、実質的に互いに流体的にシールされていることを特徴とする請求項７に記載の能動型サンプラー。
各サンプリングチャンバーには吸着物質が充填されていることを特徴とする請求項１に記載の能動型サンプラー。
前記吸着物質はAmbersorb(登録商標)であることを特徴とする請求項９に記載の能動型サンプラー。
前記サンプリングチャンバーには吸着カートリッジが充填されていることを特徴とする請求項１に記載の能動型サンプラー。
各チャンバーの端部に配置された網をさらに具備してなることを特徴とする請求項１に記載の能動型サンプラー。
前記アクチュエータは、ゼネバ機構を用いて、前記サンプリングユニットと前記経路とを相対的に動かすようになっていることを特徴とする請求項１に記載の能動型サンプラー。
前記経路を経て液体を圧送するよう構成されたポンプをさらに具備してなることを特徴とする請求項１に記載の能動型サンプラー。
前記ポンプは、同じ方向に異なる速度で回転することによって前記液流を圧送する一対の回転可能な部材を具備してなることを特徴とする請求項１４に記載の能動型サンプラー。
前記ポンプおよび前記アクチュエータに給電できるようになったバッテリーをさらに具備してなることを特徴とする請求項１４に記載の能動型サンプラー。
複数のサンプリングチャンバーと、
前記チャンバーの一つに選択的に接続されかつ前記チャンバーを経て液体を圧送するよう構成されたポンプと、を具備してなる液体用の能動型サンプラーであって、
前記ポンプは、少なくとも１０ｍｌ／minの速度でポンピング可能であり、その一方で、圧力降下を伴わず、３０ｍＡ以下の電流を引き込むよう構成されてなることを特徴とする能動型サンプラー。
弁を持たないことを特徴とする請求項１７に記載の能動型サンプラー。
前記ポンプは前記サンプリングチャンバーの下流側に配置されていることを特徴とする請求項１７に記載の能動型サンプラー。
前記ポンプは一対の回転可能な部材を具備してなり、前記回転可能な部材は同じ方向に異なる速度で回転することによって前記液流を圧送するようになっていることを特徴とする請求項１７に記載の能動型サンプラー。
ポンプと、
サンプリングチャンバーを備えたサンプリングユニットと、
前記ポンプに電力を供給するためのバッテリーと、
前記ポンプを制御する回路と、を備えた密閉ハウジングを具備してなる液体用のサンプラーであって、
前記ハウジングは、このハウジングを液中へ浸漬することによって接触子同士の間の電気抵抗が低下するよう露出させられた一対の接触子を具備してなり、前記回路は、前記低下した抵抗を検出すると共に、低下した抵抗を検出した後、前記ポンプを始動させるようになっていることを特徴とする液体用サンプラー。
液塊を能動的にサンプリングするための方法であって、
その内部を通る流路を画定すると共に、その内部にサンプリング媒体を取り出し可能に収容する複数のサンプリングチャンバーを有するサンプリングユニットを具備してなる無弁型サンプラーを設けるステップと、
前記サンプリングチャンバーの一つと前記流路とを選択的に互いに連通状態とするステップと、
前記流路を経て液体を流動させるステップと、を具備することを特徴とするサンプリング方法。
前記サンプリングユニットは取り外し可能であることを特徴とする請求項２２に記載の方法。
前記サンプラーから前記サンプリングユニットを取り外すステップと、
複数の前記サンプリングチャンバーを同時に抜き出すステップと、をさらに具備することを特徴とする請求項２３に記載の方法。