JP6091500B2 - 流体検出のための光検出装置、およびそのための方法 - Google Patents

Description

この開示内容は光センサおよび関連のシステムに関する。開示内容は、特に、例えば、重量装置、自動車および輸送産業において用いられる光センサおよび流体監視システムに関する。

関連出願の参照
本出願は、２０１１年７月７日付けで出願された米国仮特許出願第６１／５２０３０８号、名称“スペクトル測定原理に基づく低コストのインライン（一列）およびインタンク（不揃い）の流体品質センサ”の優先権を主張する。ここでその全体を参照により組み込む。

静的または動的な流体系を監視するための光スペクトル測定の役割は、分光法の分野において充分に確立されている。従来のシステムは、例えば液体または気体のような流体流に光学的に結合された、例えば分光計または光度計のような分光測定システムの使用を含んでいてもよい。分光計システムの場合、商用の分散的な近赤外線（ＮＩＲ）またはフーリエ変換赤外線（ＦＴＩＲ、近ＩＲ、および中ＩＲ）器具は、しばしば、透過（伝達）動作モード、トランスフレクタンス（透過率と反射率の組合せ）動作モード、および内部反射動作モードで用いられる種々の光センサを利用する。米国特許第７３３９６５７号は、ここでその全体を参照により組み込むが、種々の光センサ・パッケージに実装されたときのこれらの動作モードの各々について議論している。

より一般的には、例えば赤外線分光法の形態の、光学的分光法は、潤滑剤、機能性流体およびディーゼル排出（放出）流体（diesel emission fluids）（ＤＥＦ）を含めた、産業、自動車および輸送の適用例において使用される種々のタイプの流体を分析しおよび特徴付ける広く認められた技術である。それ（技術）は、自動車業界Ｅ.Ｖ.（ＶＤＡ）の協会のＡＤＢＬＵＥ（登録商標）でマークが付されている。そのような分光測定は、動作（サービス）期間に、流体の状態および流体系に関する有意なデータを提供することができる。赤外線分光法（infrared spectroscopy）という用語は、広義で用いられ、近赤外線および中赤外線の双方を含み、７００ｎｍ〜２５０００ｎｍの領域をカバーする。

赤外線分光法は、上述のように規定され、例えばＤＥＦ品質および流体特性、単なる例として、酸化、冷却剤汚染、燃料希釈、煤煙（すす）および含有量のような、流体品質の測定を提供することができる。たいていの場合、この情報は、近赤外線および赤外線スペクトルで観測される特徴的な振動群周波数（characteristic vibrational group frequencies）によって規定される化学的官能性（functionality）の尺度（measure：測定）として直接導出される。さらに、ＵＶ（紫外線）および可視スペクトルは、色彩から導出される情報、および／または電子遷移から導出される情報を提供し得るものであり、また、例えば、酸化、水分および添加剤の含有量に関する情報を提供するために適用することができる。

赤外線スペクトル領域が化学物質としての材料の測定に関して決定的（definitive：最も確実）である一方で、測定は、使用される材料に関して実行するのが困難であり得る。より具体的には、これらの測定装置に使用される光学系および関連する材料は、比較的高価であり、大量生産用の容易な複製（replication）に常に役立つものではない。

さらに、複数の装置が、例えば自動車監視の適用例、において使用されるより大きい監視システムに実装されるとき、これらのシステムはしばしば極端に大きく複雑で高価になる。考慮すべき別の要因は動作環境である。監視システムが、例えば標準的な周囲条件下の実験室においてまたは気候（空気）調整された屋内設備のような、比較的安全な環境において使用される場合、従来技術の装置構成が用いられてもよい。しかし、例えば、プロセスライン（屋内または屋外）上、車両上、または設備の可動または固定要素上のような、良い結果を導くことの少ない環境で流体系（システム）を測定する必要がある場合、そのような条件下で動作するより高い能力のあるシステムを考慮する必要がある。これには、複数のコンポーネント（構成要素）の温度感度、並びに連続的な振動に長期間晒されることに関するロバスト性（堅牢性）を考慮することが、含まれていてもよい。追加的な考慮すべき要因には、サイズ、熱的安定性、振動耐性およびコスト（費用）が含まれる。

これらの考慮事項のうちの１つ以上に対処する代替的な流体測定システムおよび流体検出および監視のための技術が、望まれている。

米国特許第７３３９６５７号

発明の概要
本開示内容の実施形態によれば、試料（サンプル）の諸特性を測定または決定するための光スペクトル検出装置が実現される。その装置は、第１の端部および第２の端部を有する細長い多孔質体（porous body）を含んでいる。多孔質体の第１の端部に固体または半導体の放射体・供給源（エミッタ・ソース）が配置され、多孔質体の第２の端部に固体または半導体の検出器が配置される。電子回路パッケージ（包装）は、装置に作動的に（動作可能に）接続されて、固体エミッタにエネルギを供給し、検出器によって生成された信号を受信するようになっている。多孔質体は、試料中に少なくとも部分的に埋没または浸漬されるよう構成され、また、電子回路パッケージは、流体の深さまたは多孔質体の埋没の深さの値を測定または決定して、多孔質体の埋没の深さまたは流体の深さを示す少なくとも１つの値を出力するよう、構成される。

また、低温安全センサ・パッケージが実現される。そのパッケージは、標本化される流体と連通するための内部空洞を内部に画定するハウジング（筐体）を含んでいる。センサ支持体は、内部空洞内に可動に配置され、センサ支持体とハウジングの一部との間に配置されたバネ要素によって内部空洞内の作動位置に付勢（bias）される。

また、試料における第２の流体中の第１の流体の濃度を測定または決定する方法が実現される。その方法は、第１の経路長を有する基準周波数（ｆ_ｒｅｆ）の第１のビームが試料中を伝達または透過する放射の第１の強度を検出するステップと、第１の経路長を有する第１の流体の吸収（吸光）ピークに対応する周波数の第２のビームがその試料中を伝達または透過する放射の第２の強度を検出するステップと、第２の経路長を有する基準周波数の第３のビームがその試料中を伝達または透過する放射の第３の強度を検出するステップと、第２の経路長を有する第２の流体の吸収ピークに対応する周波数の第４のビームが試料中を伝達または透過する放射の第４の強度を検出するステップと、を含んでいる。次いで、その試料の温度が測定される。次いで、値＝（第２の強度／第１の強度）−（第４の強度／第３の強度）が計算される。最後に、第１の流体および第２の流体の濃度の値が、（第２の強度／第１の強度）−（第４の強度／第３の強度）の値、検出温度、および格納された較正データに基づいて計算される。

図１Ａ〜１Ｃは、車両または重量設備の適用例に実装されたときの例示的な流体監視システムを示す概略図である。 図２Ａおよび２Ｂは、本開示内容の実施形態による監視システムを、車両または重量設備の適用例に一体化する例示的な方法を示す概略図である。 図３Ａ〜３Ｃは、本開示内容の実施形態によるセンサによって使用され得る種々の光学系パッケージの断面図である。 図４および４Ｂは、本開示内容の実施形態による挿入型センサの断面図である。 図５Ａ〜５Ｃは、本開示内容の実施形態によるインライン型（図５Ａおよび５Ｂ）および浸漬可能な（潜水可能な）（図５Ｃ）センサの実施形態を例示している。 図６Ａ〜６Ｃは、本開示内容の実施形態による流体レベルと組成物の双方を測定するための例示的なインタンク型センサを例示している。 図７Ａ〜７Ｃは、例示的なセンサと、厳しい霜条件から保護するよう構成された例示的なハウジングとのそれぞれの部分的な分解された組立て斜視図を示している。 . . 図８Ａ〜８Ｄは、水およびＤＥＦの吸収スペクトル、水および尿素の分析波長、例示的な発光ダイオード（ＬＥＤ）波長、およびそれから導出された結果的な較正（calibration）機能のグラフ表現である。 図９は、２０℃における例示的なＬＥＤ発光スペクトルおよびＤＥＦ吸収スペクトルのグラフ表現である。 図１０は、種々のＤＥＦ濃度で温度補償された測定値と温度補償されていない測定値の双方のグラフ表現を示している。 図１１は、ＤＥＦ濃度を測定するのに使用される例示的なセンサ出力のグラフ表現を示している。 図１２は、エタノール−ガソリン混合物のスペクトル応答のグラフ表現である。 図１３は、バイオ−ディーゼル−ディーゼル混合物のスペクトル応答のグラフ表現である。 図１４は、図６Ａ〜６Ｃの実施形態による流体の深さを測定または決定する方法を例示する工程図である。 図１５は、本発明の実施形態による温度補償された流体測定を実行するためのシステムを例示する概略図である。

本発明の図面および説明は、本発明の明確な理解に関連する複数の要素を例示するために簡略化されており、一方、図を簡明にするために、分光法を用いる流体測定システムを含めて、流体測定システムにおいて見出される他の多くの要素が省略されている、と理解すべきである。しかし、そのような要素は、この技術分野において周知であり、本発明のより良い理解の助けとはならないので、そのような要素についてはここでは説明しない。ここでの開示内容は、この分野の専門家に知られている全てのバリエーションおよび変形を対象とする。

以下の詳細な説明において、本発明が実施される具体的な実施形態を例示する図面を参照する。本発明の種々の実施形態は、様々であるが、必ずしも互いに排他的である必要はない、と理解すべきである。さらに、一実施形態に関連して本明細書で記載される特定の特徴、構造または特性は、本発明の範囲から逸脱することなくその他の実施形態において実装されてもよい。さらに、開示された各実施形態における個々の要素の位置または配置は、本発明の範囲を逸脱することなく変形されてもよい、と理解すべきである。従って、以下の詳細な説明は、限定的な意味に解釈されるべきでなく、本発明の範囲は、請求の範囲によってのみ規定され、請求の範囲が権利を有する均等手段の全ての範囲と共に、適切に解釈されるべきである。図面において、同様の数字は、複数の図面について同じまたは同様の機能を参照するものである。

ここで使用される用語“プロセッサ”は、概して、１つ以上のシリコン・チップおよび／または集積回路（ＩＣ）基板上に含まれ得るかつ少なくとも１つの中央処理装置（ＣＰＵ）を含み複数のＣＰＵを含み得る回路構成を参照する。ＣＰＵは、概して、算術および論理演算を実行する算術論理演算ユニット（ＡＬＵ）と、メモリから命令を抽出して復号し実行し、必要に応じてＡＬＵを呼び出す制御部と、を含んでいてもよい。

プロセッサは、マイクロプロセッサの形態を取ってもよく、単なる非限定的な例として、ディジタル−アナログ変換器が埋め込まれた低電力ＣＭＯＳプロセッサであってもよい。本発明は、種々のコンピュータ実装された演算を実行するためのプログラム・コードを含むコンピュータ記憶装置製品またはコンピュータ読み取り可能な媒体と共に動作可能である。非一時的なコンピュータ読み取り可能な媒体は、その後に、例えばマイクロプロセッサのようなコンピュータ・システム・コンポーネントによって読み取りまたはアクセス可能なデータを格納できる、任意のデータ記憶装置である。その媒体およびプログラム・コードは、本発明の目的のために特別に設計され構築されたものであってもよく、または、コンピュータ・ソフトウェア分野の通常の専門家にとって周知の種類のものであってもよい。コンピュータ読み取り可能な媒体の例には、例えば、ハードディスク、フロッピー（登録商標）ディスクおよび磁気テープのような磁気媒体、例えばＣＤ−ＲＯＭディスクのような光学媒体、光磁気媒体、および、例えば、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、プログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤ）、およびＲＯＭおよびＲＡＭ装置のような、特別に構成されたハードウェア装置が含まれるが、これらに限定されるものではない。プログラム・コードの例には、例えばコンパイラによって制作された機械コード、またはインタプリタを用いて実行され得る高水準コードを含むファイルの双方が、含まれる。

本明細書で使用する用語“電子回路パッケージ”は、広く解釈されるべきであり、例えば複数のＬＥＤおよび検出器のようなコンポーネントに電力を供給し、そのようなコンポーネントに制御信号を供給し、そのようなコンポーネントからデータを受信し、そのようなコンポーネントから受信したデータに対して計算および信号処理を実行し、受信され処理されたデータを格納し、そのようなデータの出力を監視および表示システムに供給するのに使用される電子コンポーネントの任意の構成を含んでいる。そのようなパッケージは、個別のアナログおよびデジタル・コンポーネント、バッテリ、複数のアナログおよび／またはデジタル・ロジック・コンポーネント、汎用および専用プロセッサを含むよう構成された集積回路、磁気、容量、ランダムアクセス、リードオンリおよびその他の非一時的記憶媒体を含む全ての種類のデータ記憶装置、無線および有線送信機、受信機、送受信機およびその他の装置を、個々のまたは一体化された形態で含んでいてもよい。

本明細書に開示された全ての実施形態の検出器および放射体（エミッタ）は、例えば電子回路パッケージの制御基板のようなプリント回路基板上におけるような電子回路パッケージに一体化されまたは電子回路パッケージで一体的に形成されてもよい。代替的に、検出器および放射体は、制御基板およびその他の電子機器とは別個に取り付けられるように構成されていてもよい。

本開示内容の実施形態による流体測定／監視システムは、サイズ、熱的安定性、振動耐性およびコストの要因を考慮し、大量生産を容易にするよう構成されている。本開示内容の実施形態によるセンサおよび監視システムは、１つまたは複数の、波長に固有の光またはエネルギ供給源、試料とのインタフェース（接触部、界面）を形成する装置（デバイス）、および１つ以上の検出器を提供することによって、従来技術の複雑な配置構成を単純化してもよい。これらの簡単化された分光／測光システムは、過酷な環境でのこれらの機能性および信頼性を保持しつつ、従来技術の大型で高価な監視システムに比べて相対的に小さくコンパクトに形成することができる。

これらのシステムは、固体（半導体）発光体（例えば、ＬＥＤ）、温度依存効果を低減する光電子機器と一体化された低コストの固体（半導体）検出器、例えばモールド技術（必要な場合）によって大量生産され得る低コストの光学系、および低コストのパッケージ（包装）を含んでもよい。残留温度効果は、熱的モデルの作成および補償アルゴリズムの適用によって処理されてもよい。

本開示明細書に記載のセンサ装置は、水ベースの流体（水を基材とする流体）用の監視装置として実装することができ、動的流体潤滑剤および電力変換システムに関係する自動車、重機および種々の形態の輸送手段に用いられる燃料、潤滑剤およびその他の機能性流体に加えて、例えばＤＥＦおよび冷却剤のような、水ベースの流体用の監視装置として実装することができる。それらは、エンジン・オイル、トランスミッション・オイル、油圧作動オイルおよび液体、タービン・オイル、冷却剤、および機械的可動部品を保護しまたは可動部品に動力を伝達する任意の流体系のための検出器（センサ）装置を含んでもよい。本開示内容全体を通して、流体という用語は、最も広い意味で考えられ、燃料由来の排気（オフガス）蒸気、燃焼領域からのスリップ・ガスおよびバイパス・ガス、および排気ガスを含めた、ガスおよび蒸気を含むことができる。１つ以上の構成において、センサは流体中で浸漬状態で動作させることができ、測定は、例えばタンクまたは貯蔵容器のような静的な環境で、または例えば燃料ライン（管）または排気管のような移動環境で、行うことができる。仮に、測定の期間は、例えば流体組成（化学）の変化が徐々に変化するシステムについて、２秒未満乃至、数秒または数日の期間以上において変化してもよい、と理解されるべきである。流体品質評価に使用されるとき、センサは、不適当確なまたは誤った流体の使用による汚染を含む組成の変化を監視すること、が意図される。

図１Ａ〜１Ｃを全体的に参照すると、例示的な流体監視システムが、自動車または重機の適用例に実装されたものとして示されている。上述したように、本開示の実施形態によるセンサは、装置動作の全ての観点における流体監視に適したものであり得る。図１Ａおよび１Ｃを参照すると、ＤＥＦ品質監視のような適用例において、センサ１０は、例えば供給ラインまたは流体注入（dosage）システム２のような所与の流体流内に配置されてもよい。さらに、センサは、供給タンク１（例えば、ＤＥＦまたは燃料タンク）内に位置する浸漬可能な（潜水可能な、水中用の）または埋没可能なコンポーネントとして構成されてもよい。

図１Ｂおよび１Ｃを全体的に参照すると、本開示の実施形態によるセンサは、また、ガソリンおよび天然ガス燃焼型エンジンにおけるオイル状態監視（例えば、酸化およびニトロ化）に使用されてもよい。この適用例では、検出装置は、フィルタ８がフィルタ・ハウジング・ブロックの復路側における流れの中に挿入されたエンジンの３個の一次（または二次）濾過システムの外側に配置されてもよい。フィルタ・ブロック上にセンサを取り付ける利点には、便利なアクセス、外部取付け、および動作温度の低下が含まれる。本明細書に記載のセンサ用の代替的な位置には、変速機４、冷却剤系５、および後車軸７が含まれてもよい。別のセンサ位置は排気系６の相対的な冷却位置の範囲内にあり、断熱プローブおよびセンサが、例えばＮＯｘのような種（species）の排気ガスを監視することができる（図４Ｂも参照）。本開示の実施形態の多くは、車両または内燃機関（エンジン）動力系（システム）に設置されたセンサ装置の文脈で説明されるが、これは単に適切な例として提示される。その装置は、示されているように、全ての形態の流体測定系（システム）において使用されるよう意図されている。

図２Ａおよび図２Ｂを参照すると、車両（vehicle：目的達成手段、媒体）または装置の部品に取付けられた（on board：内蔵の）１つ以上のセンサを用いて測定されたデータが、表示器または取付けられたデータ処理システムに供給されてもよい。本開示の実施形態は、１つ以上の警報、警告、表示器および状態灯を介してオペレータ／運転手へ感覚的な（検出）出力を伝えてもよい。図２Ａを参照すると、一実装形態では、スタンドアロン型システム２０は、オペレータにデータを伝えるために、センサ１０の出力に直接応答する機能的な表示器および関連のインタフェース・ハードウェア１４を含んでいる。このタイプのインタフェースは、利点として、既存の装置の媒体または部品に新しく組み込んで（retrofit）実装されてもよい。しかし、図２Ｂを参照すると、他の実施形態では、測定システムは、車両（媒体）の元の装置（ＯＥ）制御／コンピュータ・システム中に、より完全な形態で組み込まれてもよい。例えば、１つ以上のセンサ１０の出力は、取付けられたコンピュータまたはデータ管理プロセッサ９を含む車両（媒体）の管理システムに供給されてもよい。感覚的（検出）出力データは、この管理システムから、例えば、オペレータ用の表示器１１、外部通信装置１２（例えば、遠隔監視システムと通信する送信機）またはデータ・バス１３を介してメモリに格納されて、さらに処理され検索され取り出されてもよい。センサ１０は、データバス１３によってまたは車両（媒体）の通常の電力分配システムを介して供給される電力を受けてもよい、と理解されたい。

本発明の実施形態によるセンサは、概して、内部で３．５乃至５Ｖで動作し車両（媒体）上で通常見出される直流１２乃至４０Ｖの入力電圧を受け取って処理するよう構成された低電力消費型の装置を含んでいる。センサは、例えば処理済みの数値データを供給する単純なディジタル出力装置またはスマート・センサのような、種々の電子回路パッケージで構成することができる。センサからの出力は、例えば、緑（ＯＫ）、黄色（警告）および赤色（警報または問題有）の３状態ＬＥＤのような単純な状態灯のような、任意の適切なタイプの表示器に、または例えばＬＣＤ表示器のような英数字（alpha-numeric）または画像表示器に、直接供給することができる。代替形態として、センサは、標準化されたフォーマット出力（例えば、ＳＡＥ Ｊ１９３９）を、例えば、車両のＣＡＮバス（例えば、５Ｖ高速ＣＡＮ、２５０ｋｂｉｔ、ＩＳＯ１１８９８）のような車両（媒体）または装置データバス１３に供給し、または、診断データ（ＯＢＤＩ／II）を、インテリジェント・センサ出力を支援する取付けられたコンピュータに供給することができる。

米国特許第７３３９６５７号に記載されているように、本明細書中に記載のセンサは、種々のモード（例えば、内部反射またはトランスフレクタンスのフォーマット）で動作する任意の適切な光学系パッケージを利用してもよい。例えば、図３Ａを参照すると、本発明の実施形態によるセンサは、内部反射動作モード用に構成された光源３２、反射器３３および検出器３４を含んでいてもよい。同様に、透過（伝達）モード（図３Ｂ）と光散乱２４（図３Ｃ）モードが実装されてもよい。これらの実施形態は、１対の対向する光学面の間に流体を流し、従って光ビーム用の透過（伝達）経路を形成することを可能にするために、反射器３３における開いた経路またはチャネル３１の形成を含んでいてもよい。透過（伝達）モードでは、吸収（吸光度）測定（量）は、チャネル３１の厚さに比例する。従って、このチャネルは、例えば、不透明なまたは高吸収性の流体用の狭いスロット、またはより低い吸収性の試料用の幅広の空洞またはチャネルとして、形成されてもよい。

透過（伝達）モード（図３Ｂ）において、複数のＬＥＤ光源のコンポーネント（構成要素）は、近接されてまたはほぼ共通の光路で共通パッケージ化（同梱）されて構成されてもよいことに、留意すべきである。そのシステムは、光学的構造体（図示せず）を通る最終的なビーム経路および発散に依存する同等の１組の検出器（または減じられた１組の検出器）を利用することができる。これは、重要な側面であり、複数コンポーネント監視を可能にする流体品質モニタ（監視器）において利用される。例えば、ＤＥＦ品質監視システムは、例えば波長８１０ｎｍ（参照、基準）、９７０ｎｍ（水および水酸基（ヒドロキシル基）における吸収（吸光度）ピークに対応する波長）および１０５０ｎｍ（尿素における吸収ピークに対応する波長）の３つのＬＥＤのような、２つ以上の流体試料における２種以上の流体の吸収ピークに対応する１つまたは複数の参照（基準）波長の各ＬＥＤ（および対応する各検出器）を利用するものとして、設けられてもよい。

図４Ａおよび４Ｂを全体的に参照すると、本開示の実施形態は、液体（センサ４０、図４Ａ）および気体／蒸気（センサ４１、図４Ｂ ）の１つ以上の特性を測定するために使用される挿入型センサを含んでいる。センサ４０、４１は、内部反射構成を利用するように示されている。各センサ４０、４１は、反射器４３（例えば、スロット入り反射器）と組み合わされた１つまたは複数のＬＥＤ４２および１つまたは複数の検出器４４を含むセンサのオプトエレクトロニクス部（光電子系）を制御する電子回路パッケージ４９を含んでいる。使用される検出器の数は、（光源からの）照明領域、所望の感度（信号対雑音比、ＳＮＲによって定義される感度）および利用可能な空間、の関数である（に応じて決まる）ことに留意されたい。図示の実施形態では、センサ４０は、より長い光路長用に構成された液体挿入環境において使用されてもよい。再帰反射の放射（retro-reflected radiation）が横断する総経路を考慮すると、このレイアウトにおいて、反射器４３は、所望の正味の経路長を与える距離に位置する。センサ４１は、拡張された経路長４５を含み、ガスおよび蒸気の測定用に意図されている。その他の実施形態は、排気ガスまたはその他の高温の適用例（例えば、排気管４８を介したもの）用に意図された任意選択的な保護用の熱障壁４６を含んでいてもよい。センサ４１へのガスの導入は、受動的であり、例えばステンレス鋼製の金網または膜４７のような媒体を通したガス／蒸気の浸透に依存するものである。

図５Ａ〜５Ｃを全体的に参照すると、本開示の実施形態によるセンサは、インラインのおよび浸漬可能な（潜水可能な、水中用の）パッケージをも含んでいる。例えば、図５Ａは、調整可能な再帰反射性挿入物５３、および、少なくとも１つの光源５２および少なくとも１つの検出器５４を含む電子回路パッケージ５１と共に、インラインの（貫流または内部流通）センサ５０を示す断面図である。この交換可能な挿入物５３は、光路長、または反射器のタイプの微調整のために使用されてもよく、センサ・パッケージ全体を交換する必要がない。図示のように、典型的には多波長装置である光源５２からのエネルギは、図５Ａに示された経路に沿ってチャンバ５５内の流体を通って検出器５４に戻る。伝達されたエネルギ（典型的には、ＵＶ−可視−ＮＩＲ）は、試料流体と相互作用し、流体の特性的吸収（吸光度）が流体の光透過率を変更し、次いで検出器５４によって検出される。吸収の選択性は、光源の波長によって規定され、また、検出器と一体化された光学フィルタとの組み合わせで達成されてもよい。図５Ｂは、流体供給経路（例えば、燃料ライン（管））との接合部分を形成するための、チャンバ５５と連通するコネクタ５７、５８を含む、図５Ａのセンサ５０の例示的な斜視図を示している。

図５Ｃに示された代替的な実施形態において、センサ５１は“凝視”（staring）モードで動作し、電子回路パッケージ５１は、概して互いに対向して配置された光源５２（例えば、ＬＥＤ）と検出器５４を含み、両者の間に検出領域５９が配置される。センサ５１は、例えば流体注入タンク内に配置可能な浸漬可能な（潜水可能な）センサとして使用されるよう意図されてもよく、この構成は、インタンク（不揃い）使用法に制約されることなく、貫流システムに一体化することができる。

前の図４Ａおよび５Ａ〜５Ｃに示されたセンサに関する幾何学的配置は、数ｍｍ乃至約５０ｍｍの経路長の場合での、近赤外線乃至中赤外線スペクトル領域における一般的な（共通の）流体用の吸収（吸光度）曲線（プロファイル）に基づくものである。図４Ｂに示された気体導入（実装）用の気体測定経路長は、より長くすることができ、折り畳まれた幾何学的配置で最大で５００ｍｍの経路長を考えることができる。しかし、インタンクの適用例における流体レベルと流体品質／組成の双方を測定するための、本開示の代替的なインタンク型の実施形態が、図６Ａ〜６Ｃに示されている。この凝視（staring）モードの実施形態では、経路長は、タンク６８内の流体の体積と流体の予期される深さとによって規定される。この実施形態では、測定される深さは、気体の深さではなく、液体の深さであってもよく、液体のレベルより上にある体積が気体のレベルである。より具体的には、センサ６０は、細長い多孔質体またはハウジング６１内に収容され、細長い多孔質体またはハウジング６１は、中空管の形態であってもよく、例えば円筒状であってもよい。センサの能動的コンポーネント（例えば、光源／１つまたは複数のＬＥＤ）６２が、ハウジング６１の下端部に取り付けられてもよい（図６Ｃ）。受信器または検出器６４は、例えばタンク６８の頂部のような、反対側の端部（図６Ｂ）上に、関連する制御およびデータ処理電子回路６５と共に配置されてもよい。光源６２および検出器６４は、光源６２が或る端部から別の端部へと多孔質体に沿って放射を伝達し、さらに或る実施形態では多孔質体６１の中空内部を通して検出器６４に放射を伝達し得るように、配置され方向合せされてもよい。中空体内での光源６２の取り付けは、物理的な衝撃に対して光源６２を保護する傾向があってもよい。光源６２に電力と制御信号を伝送する配線は、中空多孔質体６１内にあってもよい。また、複数の実施形態において、光源６２は、１つ以上のバッテリまたはその他の内部エネルギ源を含む封止または密封された装置にパッケージ（包装）されてもよい。この実施形態では、測定された絶対的吸収（吸収度、吸光度、吸収量）を、経路長または流体の深さに最初に相関させてもよく、流体成分の相対的な吸収を求めて主要成分の１つまたは複数の比率に相関させる。より具体的には、概して図１４を参照すると、図６Ａ〜６Ｃのセンサ６０は、流体の体積の深さを測定するための測定工程９０で使用されてもよい。一実施形態では、光源（例えばＬＥＤ６２）は、光エネルギを流体の体積中を伝達させるように作用する（ステップ９２）。このエネルギは、その後、ステップ９４において検出器（例えば、検出器６４）で検出される。ステップ９６において、ＬＥＤ６２によって伝達されたエネルギの大きさと、検出器６４によって受け取られたエネルギの大きさとの間で比較を行って、流体によって吸収されたエネルギを計算する。最後に、ステップ９８において、この吸収値が、所定の吸収対深さの関係と比較される。所定の吸収対深さの関係は、流体の深さを推定しまたは求めるための電子回路６５に組み込まれた記憶装置に格納されてもよい。この推定されまたは求められた深さの値は、ステップ９９において、例えば表示装置に、出力されてもよい。この分野の専門家であれば分かるように、これらの計算は、制御電子回路（例えば、電子回路６５）に組み込まれた処理コンポーネントによって実行されてもよい。

固体測定システムの基礎を形成するセンサの上述の実施形態の各々は、スペクトル選択性の供給源（光源、線源）（例えば、ＬＥＤ）および検出器を利用する。本明細書に記載の実施形態は、米国特許第７３３９６５７号により詳細に記載されているように、例えば、光源と検出器を結ぶ視線の直接的な線（即ち、凝視モード）に基づくまたはトランスフレクタンス構成による光結合部またはインタフェースを利用してもよい。

一実施形態では、検出器は、１つ以上のシリコンを基材とする（系の）検出器を含んでいる。シリコン・フォトダイオード検出器は、広いスペクトル領域（公称で３５０乃至１１００ｎｍ）にわたる高い感度、直線性、ロバスト性（堅牢性）、多数のパッケージ・オプション（選択肢）の利用可能性、および低コストの利点を有する。その他の固体光検出器は、本開示の範囲から逸脱することなく、例えば、ＩｎＧａＡｓ、ＰｂＳ／ ＰｂＳｅおよびＭＥＭＳコンポーネント（構成要素）として実装されてもよい。

光源に関して、ＬＥＤは、色彩または波長特異性、一定出力、低消費電力、大きくない熱出力、出力周波数変調能力、コンパクト性、およびロバスト性（堅牢性）、多数のパッケージ・オプション（選択肢）の利用可能性、および極めて低いコストの利点を提供する。比較的広範囲のスペクトル波長は、２４０ｎｍ（遠紫外線）乃至３０００ｎｍ（中赤外線）のＬＥＤ光源用のものが容易に入手可能で市販されている。より長い波長も利用可能である。同様に、固体検出器は、光学フィルタとの組合せで、波長選択性を提供する。この一体化は、フィルタ要素と検出装置との物理的組合せとすることができ、または、そのフィルタは、ウェハ・レベルでの検出器装置上に加工または形成することができる。

さらに、或るＬＥＤはマッチング検出器と共に入手可能であり、例として、遠隔“赤外線”管理および制御用に一般的に用いられる短波長近赤外線ＬＥＤがある。或るＬＥＤは、単一の装置から２つ以上の波長（例えば、赤色、黄色、緑色）を生成する２つ以上の状態で動作することができる。これは、単一の光源と単一の検出器を使用して非常にコンパクトな設計を可能にし、ここで個々の波長の出力は異なる変調周波数によって識別される。或る測定システムにおいて、最大で４つまたは５つまたはそれより多い固有の波長（例えば、青色、緑色、黄色、赤色および近赤外線波長）が監視され、それぞれ個々の波長として、それぞれが、単一（または複数）検出器で検出され、変調周波数に基づいて識別される。複数のチャネルは、色彩プロファイル（分析結果）および複数成分の測定（決定）を与えるようにモデル化される。複数のＬＥＤを含むＬＥＤパッケージは、この構成のオプトエレクトロニクスの構成で使用されてもよい。

また、本開示の実施形態は、光学的データの処理、光学的補償、温度補償、アナログおよびディジタル信号処理、および外部通信を行うための１つ以上の集積回路を実装してもよい。単なる非限定的な例として、本明細書に記載されたセンサの実施形態は、サンプリング（採取、標本化）チャネルと独立して、複数のＬＥＤの出力を監視するための光学的フィードバック・システムに結合された１つ以上の独立に変調されるＬＥＤを含んでもよい。このシステムは、温度の関数としての複数のＬＥＤの出力におけるドリフト（変動）の補償を含んでいてもよい。フィードバック検出器は、検出器システムの応答変化をモデル化するようにシステムの検出器に近接して（例えば、光インタフェースの後に）配置されてもよい。ＬＥＤの代替的な実装形態では、参照波長または基準波長が基準値（baseline）参照点として用いられる。そのような参照（波長）は、流体と相互作用しないまたは吸収しない波長に配置される。実装の例は、ＤＥＦ測定に使用され、８１０ｎｍのＬＥＤが参照波長として使用される。この第２の波長は試料吸収（吸収度）と独立した参照または基準を与え、それは、直接的な比Ｉ_０／Ｉを与え、比Ｉ_０／Ｉを用いて、実効吸収（吸収度）（種の濃度に比例する）：吸収（吸収度）＝−ｌｏｇ（Ｉ_０／Ｉ）が計算される。ここで、Ｉ_０は基準強度であり、Ｉは試料吸収後の強度である。光学および電子回路システムは、可能性として、信号処理、計算およびデータ通信用の特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）を特徴付け得る（但し非明示的に）、単一の集積回路基板または装置とすることができる。この一体化されまたは集積された光電子コンポーネントは、カプセル化されてもよいし、例えば、光源および検出器の前にある或る成型（モールド）形態の光学系によって達成される幾つかの結像光学系を含んでいてもよい。

光電子要素（即ち、ＬＥＤおよび検出器）の配置は、光インタフェース構造通して最適な結像を確保するようにすることが重要である。標準的環境では、適度な動作温度で、光電子系が光インタフェース構造に密結合される。典型的な距離は、約１ｍｍ乃至１ｍ以上であることが期待される。より短い距離では、追加の結像光学系は想定されない。しかし、より長い距離では、ガラス製またはプラスチック製の補足的なレンズが、結像（映像）品質を改善するために１つまたは複数のＬＥＤ光源と１つまたは複数の検出器の前に配置されてもよい。代替形態は、光インタフェース構造体からオプトエレクトロニクス系への光導管（light conduit：光コンジット）の使用を含むであろう。光導管は、ガラス製またはプラスチック製のロッド（棒）（整合されたまたはその他の屈折率（index：指標））または光ファイバの形態とすることができる。

本開示の実施形態のパッケージ法は、低コストの材料でハウジングを組み立てることを含んでいてもよい。例には、浸漬可能なセンサ（図５Ａ〜６Ｃ）の場合のように、アルミニウム成型品（moldings）または押出型材（extrusions）、機械加工されたプラスチック、プラスチック成型品および押出型材、および多孔質の金属メッシュが含まれ得る。例えばＤＥＦのような流体は、例えばアルミニウムのような材料、および例えばステンレス鋼のような金属に対して腐食性または攻撃的であってもよい。センサ・パッケージのコンポーネントは、流体による腐食または損傷を防ぐために、例えば、ポリオレフィン類、ポリスルホン類およびポリエーテル類（例えば、Ｅ．Ｉ．デュポン・ドゥ・ヌムール・アンド・カンパニー（E.I. DuPont de Nemours and Company)）のＤＥＬＲＩＮ（Ｒ）ブランドのアセタール樹脂）、のようなプラスチックで形成されていてもよい。材料の選択は、適用例およびコストの要件に基づくものである。高温での適用例が関係する（８０ ℃以上）場合、外部冷却フィンを設ける手段、および光学的構造とオプトエレクトロニクスの間の熱絶縁材料の使用が、設計におけるオプションまたは選択肢として与えられる。

以上で説明したように、センサ・パッケージは、過酷な環境条件で高い信頼性で機能できなければならない。例えば、自動車の適用例における流体センサは、外部設置における−４０℃乃至８０℃の温度、および流体流用のフードの適用例（エンジン用）における−４０℃乃至１３０℃の温度、および瞬間貯蔵温度用の最高で２００℃の温度に遭遇する。センサは、推奨された特定の適用例の動作温度範囲を有する。主な仕様は、センサが、物理的、機械的または電子的な損傷を受けることなく、その温度範囲に耐えて存在しまたは機能し続けることができることである。別の温度仕様は、実際の動作の範囲である。これは、典型的には、流体の作動温度範囲に結び付けられる。実際的な例はＤＥＦであり、その流体は−１１℃より低い温度で凍結し、６０℃より高い温度で分解し得る。

水性ベースの系の凍結は、流体が存在しまたは流れる捕獲領域（captive area）が存在する場合に（例えば、閉じた系で）、特に問題となる。例えば、水は、凍結すると、その体積が１０％まで膨張し得る。また、例えば或るＤＥＦのような或る流体は、凍結時に体積が膨張する。従って、この膨張に対処可能な方法を提供することは重要である。考慮なしでは、流体を保持する構造または流体と共に含まれるセンサを保持する構造体は、機械的に圧力または応力を受け得るものであり、破断しまたは破壊され得る。

図７Ａ〜７Ｃを全体的に参照すると、本開示の実施形態は、強い冷凍（frost：寒気）に対する保護を与え、内部に含まれる流体の凍結時に物理的損傷を防止しまたは軽減する、例えばインライン流体特性センサのような、光センサ・パッケージの構成を組み込んでいる。これらの実施形態は、高い張力のバネの逆圧に対して作用するピストンとして機能する機構を含んでいる。より具体的には、センサ７０の実施形態は、例えば複数のポート７５（例えば、入口および出口）を上側に有する下側部分７４と、上側部分７２とを含む二部構成のハウジングのような、ハウジングを含んでいてもよい（図７Ｃ）。ハウジングの下側部分７４は、サンプリング（採取、主標本化）される流体が供給される複数のポート７５と連通する内部空洞（キャビティ）７１を画定する。ピストン状センサ支持体７６が、可動形態で内部空洞７１内に配置される。支持体７６は、空洞７１内に弾性的に取り付けられてもよく、例えば、空洞７１の内壁に対して複数の柔軟な付勢（バイアス）用の指状部を結合する支持体７６によって取りつけられ、それによって支持体７６を付勢しかつ保持してもよい。バネ要素８０は、ベルヴィル・ワッシャであってもよく、ハウジングの一部とセンサ支持体７６の間に配置される。光学系パッケージ７３は、センサ支持体７６上に配置され、センサ支持体７６によって支持される。センサ支持体７６は、封止要素またはシール要素７９によって下側部分７４の内壁に対して封止（シール）される。封止要素７９は、複数のポート７５を通した流体伝達（transmission：透過）用の閉じた空洞である空洞７１を形成する二重Ｏリング・シールであってもよい。空洞７１内の流体が凍結とともに膨張するにしたがって、凍結した材料が、光学系パッケージ７３および／または支持体７６に対するバネ要素８０の保持力に対して過度に力を加えて作用させた場合、支持体７６は、バネ要素８０の付勢力に対して概して上向きに変位する。この変位は、ハウジングまたは光学系パッケージのいずれかに破損または損傷を生じさせ得る応力（stress）を緩和する。凍結流体が温度の上昇と共に溶融するにしたがって、光学系パッケージ７３は、バネ要素によって加えられる圧力によってハウジング内に画定された固定された機械的止め具８１に接触した（against：に対して）その動作位置に戻るように付勢されている。このバネ付勢および固定された止め具８１の配置によって、支持体７６が、凍結状態の期間に光学系パッケージの移動にもかかわらずその動作位置に戻されたときに、経路長と光学的整列の完全性が、確実に保持されまたは再び実現される。バネ要素８０は、支持体７６が通常の流体作動圧力の下では変位しないように、選択されてもよい。センサの光学系パッケージを作動させるための制御回路を含む回路基板８３が設けられてもよい。

フロー（流動）モードの適用例で使用されるとき、氷点下の温度で、固体材料は、概してセンサ・パッケージ内に保持される。これらのシステムは、温度上昇と共に解凍されたときにも、それにもかかわらず、固体材料の短期的な保持によって、センサを通る流体の流れが収縮しまたは抑制されるようにすることができる。センサがそのシステムを収縮させないようにするために、システム動作を可能にするために、そこにセンサを解凍しまたはその中に含まれる流体の凍結を防止するという要求があってもよい。これは、センサ・ハウジング７２、７４内に配置された埋込み型加熱素子７８によって実現されてもよい。加熱素子７８は、例えば、空洞７１の外側部分の周りに設けられた、物理的要素（例えば、導電性ポリマー、または電気抵抗特性を有するその他の材料）を含んでいても、またはセンサー・ハウジング７２、７４に一体化されていてもよい。そのような実施形態では、回路基板８３は、さらに、温度検出器と共に構成されてもよく、流体の凝固点以下の温度の検出に応答して加熱素子７８に電力を供給するよう構成されてもよい。回路基板８３は、さらに、光信号の処理によって凍結状態の材料を検出するよう構成されてもよい。別の実施形態では、加熱コンポーネントは、加熱毛布（ブランケット）の形態でセンサ・パッケージの外壁に外側に配置される。

図８Ａを全体的に参照すると、例えばＤＥＦシステムのように単純な二流体（binary fluid）システムにおいて本明細書に記載のセンサの実施形態を用いて、２つの主要コンポーネント（即ち、水８１およびＤＥＦ８２）の吸収スペクトルをスペクトル的に分離してもよい。濃度の測定は、分析用の分析波長を表す２つ以上のＬＥＤを使用することによって得られる。これらのＬＥＤの波長は図８Ｂおよび８Ｃに示されており、水、尿素および基準波長についての分析波長（analytical wavelengths）が定義される。その測定は、差分または微分としての測定を行うことによって向上され、水の応答はＤＥＦ応答に対して参照される。基準波長に対して参照される水および尿素の分析波長の吸収に基づく通常のスペクトル吸収計算を用いて、ＤＥＦに対する較正機能８５が得られる（導出される）（図８Ｄ）。

種々の動作温度範囲にわたって行われた実験では、電子回路と多種の流体の双方が温度感受性を呈し、その結果、測定されたパラメータの不正確さが示される。本明細書の一実施形態によれば、このヒステリシスは、種々のタイプの流体に浸漬されたセンサの相異なる温度設定のセンサの応答を観察することによって、モデル化することができる。これらの観察から一連の応答曲線を導出することができる。数学的なフィッティング（数式での近似）によって、これらの機能（関数）が、再現可能であり、容易に簡単な多項式関数に適合化されること、が示される。より具体的には、流体とセンサ温度応答機能の双方は、単純な２次多項式で表すことができる。この熱的モデルを実行するための例示的な計算が、本明細書で概説される。

図１５において、ＬＥＤに基づく光センサ１００が、概略的に示されており、流体のＤＥＦの組成を測定するように構成されている。例示的なセンサ１００は、２つの光学系パッケージＡ 、Ｂを含んでいてもよく、各光学系パッケージは２つのＬＥＤを備えていてもよい。パッケージＡは８１０ｎｍおよび９７０ｎｍの波長のＬＥＤ１０１、１０２を含み、パッケージＢは８１０ｎｍおよび１０５０ｎｍの波長のＬＥＤ１０１、１０３を含んでいる。例示的な実施形態では、波長８１０ｎｍの光は水またはＤＥＦによって影響されないので、各パッケージには８１０ｎｍのＬＥＤ１０１が存在する。そのように、それら（ＬＥＤ）は、参照または基準用として使用でき、結果的に経路長の差から生じる変化または変動を補償するために用いられてもよい。このようにして、“１０５０／８１０”の比は、８１０ｎｍの強度と比較した、１０５０ｎｍの光強度の相対量を表す。“９７０／８１０”の比についても同様である。光学系パッケージＡ、Ｂは、さらに、参照（基準）発光（放射）体１０１の出力に応答するそれぞれの参照（基準）検出器１０５、並びに、発光（放射）体１０２、１０３に応答する検出器１０６、１０７をそれぞれ含んでいる。センサ１００は、さらに、温度センサ１１０に応答して、サンプリングされた流体１０４の温度を測定するプロセッサ１０９であって、流体の組成を計算するための以下のステップを実行するプロセッサ１０９を含んでいる。記憶装置１０８は、ＤＥＦおよび水の吸収／強度比に対する所定の温度（predetermined temperature to absorption/intensity ratios）を記憶するために設けられている。より具体的には、記憶装置１０８は、参照（基準）周波数で水中を透過した放射の強度の値、水の吸収ピークに対応する周波数、ＤＥＦの吸収ピークに対応する周波数、参照（基準）周波数でＤＥＦ中のを透過する放射の強度の値、ＤＥＦの吸収ピークに対応する周波数、およびＤＥＦの吸収ピークに対応する周波数を含んだ、較正データを格納してもよい。

動作に関して、センサ１００はシーケンスにおける或る１つの時間に１つのＬＥＤを点灯し、ＬＥＤからの光はＤＥＦ流体の比体積中を伝達（透過）する。光が流体を横切ったとき、流体中の或る化学結合が特定波長の光のエネルギを吸収する。例えば、図９は、ＬＥＤの発光スペクトルと、２０ＣでのＤＥＦ（ＤＥＦとも称される）吸収スペクトルとを示している。図示のように、水におけるＯＨ結合は９７０ｎｍの光を吸収し、尿素におけるＮＨ結合は約１０５０ｎｍの光を吸収する。検出器で検出された相対的エネルギを測定することによって、これら２つの波長の吸収光の量が測定され、各ＬＥＤの基準で光路変化を正規化することによって、水中の尿素濃度を算出することができる。

実際には、ＤＥＦ中の公称尿素濃度は、最も低い凝固点を示すときに３２．５％であり、水中の尿素のこの濃度は、１００％のＤＥＦであると考えられる。従って、本発明の実施形態によるアルゴリズムは、０％のＤＥＦである純水の１０５０／９７０の吸収比と、較正における終点として１００％の純粋なＤＥＦの１０５０／９７０の吸収比とを使用してもよい。

ＤＡ（Ｔ）は、純粋なＤＥＦにおける所与の温度でのスケール（変倍）された１０５０ｎｍのＬＥＤと９７０ｎｍのＬＥＤの間の差を表している。
ＤＡ（Ｔ）＝１０５０／８１０Ｂ（ＤＥＦ）−９７０／８１０Ａ（ＤＥＦ）
＝ｄａ２＊Ｔ^２＋ｄａｌ＊Ｔ＋ｄａ０

ＤＴ（Ｔ）は、純水のスケール比から、スケールされたＤＥＦ比を減算した、両者の間の差を表している。
ＤＴ（Ｔ）＝（１０５０／８１０Ｂ−９７０／８１０Ａ）Ｗ−（１０５０／８１０Ｂ−９７０／８１０Ａ）ＤＥＦ
＝ｄｔ２＊Ｔ^２＋ｄｔ１＊Ｔ＋ｄｔ０

スケーリング項Ｏ（Ｔ）は、必要に応じて２つの８１０ｎｍの信号を正規化するために設けられてもよい。
Ｏ（Ｔ）＝ｏ２＊Ｔ^２＋ｏ１（Ｔ）＋ｏ２

未知の組成の測定された流体の１０５０／９７０の吸収比は、その後、前回較正された０％乃至１００％の比を用いて線形にスケールされる。
ＤＭ＝１００＊Ｏ（Ｔ）＊１０５０ｒａｗ／８１０Ｂｒａｗ−１００＊９７０ｒａｗ／８１０Ａｒａｗ

最後に、流体のＤＥＦ組成は、次の関係式に従って計算することができる。
％ＤＥＦ＝１００＊（（ＤＴ（Ｔ）＋ＤＡ（Ｔ））−ＤＭ／ＤＴ（Ｔ）

吸収比は種々の濃度における温度の強い関数なので、０％および１００％の設定点は、測定の期間における実際の温度に対して調整されてもよい。

計算されたＤＥＦ組成は、８１０ｎｍＬＥＤの差に関する正規化関数（Ｏ（Ｔ））を含む線形外挿を含み、流体温度の関数である。図１０は、上述の温度補正アルゴリズムの機能的有益性を示す、例示的なセンサからの温度補正出力と温度未補正出力の双方を示している。
実施形態による電子回路パッケージによって濃度を決定するときに、純粋な第１の流体の強度データと純粋な第２の流体の強度データとの間の温度依存性の線形補間データを含む較正データは、記憶装置に記憶されてプロセッサによってアクセスされてもよい。

図１１を全体的に参照すると、流体濃度の変化に対するセンサの例示的な出力が示されている。本開示の一実施形態によれば、１つ以上のセンサの出力に応答する制御コンピュータを用いて、濃度が所定の許容レベルより低いことを示すエラー・コードを生成することができる。ＤＥＦの場合、この所定の値１１０は約８０％であってもよい。ＬＥＤの相対的および／または絶対的な吸収応答に基づいて考慮され得る他のエラー・コードには、例えば、冷却剤または燃焼の存在に関連して、空（エンプティ）センサ、汚れたセンサ、汚れた流体および／または不正な流体が含まれる。

本開示の上述した実施形態は、水性ベースのシステム（水性系）の文脈で主に説明したが、本明細書に記載されたセンサの適用例は、この流体に限定されることなく、例えば冷却材混合物（ブレンド）のような混合物も考えることができる、と理解すべきである。また、例えば燃料のような非水性のシステムも考えることができる。例えば、ガソリン−エタノール混合物のエタノール含有量の決定は、フレックス燃料の適用例の所与の現在の使用に特に有用であり得る。ガソリン−エタノール系のスペクトル応答関数の例が、図１２に示されている。同様に、品質／組成センサによって測定できる別の燃料系は、バイオ・ディーゼル混合物に使用されるバイオ・ディーゼルの量である。これらの混合物は、石油ディーゼルとの混合物を含み、バイオ・ディーゼル含有量はゼロ（０）、Ｂ０乃至５％、Ｂ５、乃至１００％Ｂ１００の範囲であってもよい。例えば、６−ＬＥＤシステムを用いると、センサは、バイオ・ディーゼル混合物を監視するように適合化することができる。このシステムのスペクトル応答関数が、図１３に例示されている。

本明細書に記載された実施形態の適用例の例には、次のものが含まれる。
ａ）ディーゼル排出流体（別名ＤＥＦおよびＡｄＢｌｕｅ（米国登録商標）（アドブルー）の品質評価および組成の監視、
ｂ）例えばバイオ・ディーゼル混合物とガソリン−エタノール混合物のような，バイオ燃料を含む混合燃料の組成、
ｃ）排気ガスおよびブローバイ（吹き抜け）ガス中のＮＯｘ成分の例とする、気体および蒸気の監視、
ｄ）トランスミッション油およびその他の潤滑油における酸化／酸性度の監視、
ｅ）酸化生成物およびニトロ酸化生成物の形成に基づく、ガソリンおよび天然ガス燃焼型エンジンにおける油の状態の測定、
ｆ）油圧および潤滑油系における分散された水（上昇レベル）の測定、
ｇ）水、空気連行および／または粒子または機能性流体中のその他の不溶性物質から生じ得る濁度（turbidity）の測定、
ｈ）色彩、組成および濁度に基づく、冷却剤状態の測定、
ｉ）燃料マーカを含む、流体の適合性、用途および／または状態のマーカ物質（化学的変化を示すよう添加されるカラー・マーカ）の測定、
ｊ）色標識（インジケータ）等に基づくバッテリ酸性状態（酸強度）の監視、
ｋ）レベルおよび故障に関する後ろ車軸（リア・アクスル）流体監視、
ｌ）屈折率に基づく流体密度の測定。

本開示の例示的な実施形態は次の事項を含んでもよい。

尿素品質センサ（ＵＱＳ）： スペクトルの測定法で規定された経路長を用いた光透過（伝達）測定に基づくセンサ。流体は、指定された２つだけの成分として水および尿素を含む二成分系であると考えられ、スペクトル測定は、尿素ＣＯ（ＮＨ_２）_２のアミノ官能基（価）および水Ｈ_２ＯまたはＨＯ−Ｈのヒドロキシル官能基（価）の固有の吸収に基づくものである。光および振動分光法の分野の専門家であれば、これらは、明確に定義され、固有の官能基であり、可視乃至中赤外線の全体のスペクトル範囲の中の少なくとも５つの領域で測定できる、と認識するであろう。便宜上、費用効率が高い解決法を定める目標に従って、選択された測定領域は、短波近赤外線であり、ここで、波長はこれら２つの官能基の測定のために９７０ｎｍ乃至１０５０ｎｍから選択されたものである。これらの波長は、９７０ｎｍおよび１０５０ｎｍの公称出力を有するＬＥＤによって監視されてもよい。上述のように、測定は、較正機能を与えるために８１０ｎｍの内部標準波長を参照した（基準にした）、差分（微分）測定によって、ダイナミックレンジに対して最大化することができる。これは、流体中に存在すると想定されるほんの２つの成分が存在することを考慮することによって、行うことができる。

バイオ燃料用の混合組成： 自動車用および内燃エンジンの適用例におけるバイオ燃料の２つの一般的な用途が存在し、これらはバイオ・ディーゼル（脂肪酸メチルエステルまたはＦＡＭＥ）用およびエタノール用である。両方の場合において、燃料は、混合物として、バイオディーゼル用の標準的な炭化水素ディーゼルとの混合物、およびエタノール用の標準的なガソリンとの混合物に使用される。これらは、時には、バイオディーゼル用のＢブレンド（Ｂ０乃至Ｂ１００）として、およびエタノール混合物用のＥブレンド（Ｅ０乃至Ｅ１００）として、指定される。ここで、数値はバイオ燃料の含有率（含有量）を示している。ＤＥＦ用の前の適用例のように、赤外線スペクトルの固有の特徴（signatures）は、近赤外線および中赤外線を通して繰り返し発生するもの、また、これらが短波近赤外線で便利に測定することができるものとして、定義することができる。ガソリン中のエタノールに関する測定は、ＤＥＦの場合と同様であり、ここで、炭化水素ＣＨおよびエタノールＯＨを定める２つの分析波長は、８１０ｎｍの共通の基準（参照）に対して選択して使用することができる（この時点では吸収なし）。バイオディーゼルの測定は、より複雑であり、使用されるより多くの波長を必要とする。この場合、ＣＨ情報は、双方の成分に使用され、１つの事例では、炭化水素に関連するＣＨが使用され、他の事例では、エステル官能基に隣接する炭素のＣＨが使用される。

ガスおよび蒸気の監視： 光学的な分光法は、ガスおよび蒸気の検出および組成の監視に使用することができ、これらの測定は、ＵＶ（紫外線）乃至中赤外線のスペクトル領域全体にわたって行うことができる。低濃度では、より長い経路長が必要とされ、図４ｂに示されているように、センサの再帰反射配置（retro-reflective configuration）において経路の延長が設けられる例が示されている。ＮＯｘの低コストの測定が望まれている。これは、ＮＯおよびＮＯｘを監視するためのＵＶ（紫外線）ＬＥＤの使用によってＵＶにおいて達成されてもよい。この測定は、これら２つのＮＯｘ排出成分の気相測定用の工業的に使用される方法を反映している。

屈折率による密度の監視： 屈折率は、材料組成および濃度の関数として変化する。これらは、流体中の濃度変化とよく相関する。密度と粘度の双方が、材料濃度のバルク測定のために、尿素がＤＥＦ中の関連成分である例えばＤＥＦのような流体系に使用される。幾つかの市販のセンサは、ＤＥＦの尿素濃度の変化を監視するために密度測定または濃度関連の測定を利用する。米国特許第７３３９６５７に記載された光センサは、屈折率を測定するよう適合化できる屈折率センサ・チップを使用する。屈折率の変化は、光学的減衰の変化として監視され、これら（変化）は、尿素含有率（含有量）の変化に対して、較正によって相関させることができる。センサのこの役割は、ＤＥＦ濃度の測定に限定されることなく、センサは、燃料混合物および冷却剤混合物を含めてその他の流体の組合せに適用されてもよい。

ガソリンまたはガス燃焼型のエンジンにおける酸化生成物およびニトロ化生成物の監視： 複数の波長が可視光および短波近赤外線の領域において監視される場合、光スペクトルによって、酸化とニトロ酸化（nitro-oxidation）の双方をモデル化しその傾向を示すことができることが、充分実証された。そのオイルが酸化し分解するにしたがって、拡張された二重結合構造が、分解経路で生じるアルドール縮合の一部として形成される。これらの材料は、最終的に、長時間使用後のオイル（油）から分離した不溶性の有機スラッジ（泥）になる。拡張された二重結合構造を形成すると、これらの材料の吸収波長は、スペクトルの赤色端部へとシフトまたは偏移し、最終的に短波長近赤外線へとシフトまたは偏移する。それらは、可視（緑色、黄色、赤色）および近赤外線波長を監視することによって追跡されてもよい。また、ＮＯｘ成分からのニトロ成分の形成は、可視領域で追跡されてもよい。

自動トランスミッション（変速機）における酸化および酸価の監視： デクスロン（Dexron）自動トランスミッション流体で使用される赤色の色素は、使用期間中の流体の状態および酸性度を反映する、酸ベースの標識（インジケータ）として作用することを実証することができる。バスにおいて使用されるトランスミッションの酸価は保証請求（warranty claim）に対する問題である。染料の可視的監視に基づく酸価をモデル化することができる基板上のセンサは、（保証に対して）許容できない酸価に対して早期の警告を与えることができる。上述の酸化センサと同様に構成されたセンサは、充分であり得るが、おそらく近赤外線チャネルを必要としない。

上述の発明は、上述した実施形態を参照して説明したが、本発明の精神から逸脱することなく、種々の変形および変更を行うことができる。従って、全てのそのような変形および変更は、請求の範囲内のものと考えられる。従って、明細書および図面は、限定的なものではなく、例示的なものとみなすべきである。本明細書の一部を形成する図面は、例示として示してあり、限定するものではなく、主題が実施され得る具体的な実施形態を示すものである。例示された実施形態は、本明細書に開示された教示内容をこの分野の専門家が実施できるように充分詳細に記載されている。本開示内容の範囲から逸脱することなく、構成的または論理的な置換および変更が行われるように、その他の実施形態を利用しまたそこから導き出してもよい。従って、この詳細な説明は、限定的に解釈されるべきでなく、種々の実施形態の範囲は、請求の範囲に権利が与えられる均等手段の全ての範囲と共に、請求の範囲のみによって定められる。

本発明の主題のそのような実施形態は、２つ以上の実施形態が実際に開示されている場合でも任意の単一の発明または発明の思想に対して本願の範囲を自発的に限定することを意図することなく、単に便宜的に“発明”という用語によって、個々におよび／または集合的に、本明細書において参照され得る。従って、本明細書において特定の実施形態について図示して説明したが、同じ目的を達成するよう計算された任意の構成配置でも示された特定の実施形態の代わりに用いてもよいこと、を理解するべきである。本開示内容は、種々の実施形態の変形例の任意のおよび全ての適応形態をカバーするように意図されている。上記の実施形態および本明細書に具体的に記載されていないその他の実施形態の組み合わせは、上述の説明を検討することによって、この分野の専門家に明らかである。

Claims (9)

1. 試料における第２の流体中の第１の流体の濃度を決定するシステムであって、
   参照波長の第１のビームによって前記試料を通して伝達された放射の第１の強度、前記第１の流体の吸収ピークに対応する第１の波長の第２のビームによって前記試料を通して伝達された放射の第２の強度、前記参照波長の第３のビームによって前記試料を通して伝達された放射の第３の強度、および前記第２の流体の吸収ピークに対応する第２の波長の第４のビームによって前記試料を通して伝達された放射の第４の強度を検出する少なくとも１つのセンサと、
   前記少なくとも１つのセンサと通信して、前記検出された第１、第２、第３および第４の強度に基づいて、前記第２の流体中の前記第１の流体の濃度の値を計算するよう構成されたプロセッサと、
   を含むシステム。
2. 前記システムは、さらに、前記プロセッサと通信して較正データを記憶する記憶装置と、前記プロセッサと通信して前記試料の温度を検出する温度センサとを含み、
   前記プロセッサは、（前記第２の強度／前記第１の強度）−（前記第４の強度／前記第３の強度）の値、前記検出された温度、および前記記憶された較正データに基づいて、前記第２の流体中の前記第１の流体の濃度の値を計算するよう構成されたものである、請求項１に記載のシステム。
3. 前記第１および第２のビームは第１の経路長を含み、前記第３および第４のビームは、前記第１の経路長と異なる第２の経路長を含むものである、請求項１または２に記載のシステム。
4. 前記参照波長は、前記第１および第３のビームが前記流体によって吸収されないように選択されたものである、請求項１乃至３のいずれかに記載のシステム。
5. 前記少なくとも１つのセンサは、放射して前記第１、第２、第３および第４の強度を検出する検出器および放射体の第１、第２、第３および第４のペアを含むものである、請求項１乃至４のいずれかに記載のシステム。
6. 試料における第２の流体中の第１の流体の濃度を決定する方法であって、
   参照波長の第１のビームによって前記試料を通して伝達された放射の第１の強度を検出し、
   前記第１の流体の吸収ピークに対応する第１の波長の第２のビームによって前記試料を通して伝達された放射の第２の強度を検出し、
   前記参照波長の第３のビームによって前記試料を通して伝達された放射の第３の強度を検出し、
   前記第２の流体の吸収ピークに対応する第２の波長の第４のビームによって前記試料を通して伝達された放射の第４の強度を検出し、
   少なくとも部分的に前記検出された第１、第２、第３および第４の強度に基づいて、前記第２の流体中の前記第１の流体の濃度の値を求めること
   を含む方法。
7. さらに、前記試料の温度を検出するステップと、
   記憶された較正データにアクセスするステップと、
   を含み、
   前記第２の流体中の前記第１の流体の濃度の値を求める前記ステップは、さらに、（前記第２の強度／前記第１の強度）−（前記第４の強度／前記第３の強度）の値と、前記検出された温度と、前記記憶された較正データとに基づくものである、請求項６に記載の方法。
8. 前記較正データは、
   （ａ）（ｉ）前記参照波長、（ii）前記第１の流体の吸収ピークに対応する波長、および（iii）前記第２の流体の吸収ピークに対応する波長、を有する、前記第１の流体を通して伝達された放射の強度の各値と、
   （ｂ）（ｉ）前記参照波長、（ii）前記第１の流体の吸収ピークに対応する波長、および（iii）前記第２の流体の吸収ピークに対応する波長、を有する、前記第２の流体を通して伝達された放射の強度の各値と
   を表すデータを含むものである、請求項７に記載の方法。
9. 前記較正データは、純粋な第１の流体強度データと純粋な第２の流体強度データの間の温度依存性の線形補間データを含むものである、請求項７または８に記載の方法。