Способ и устройство для быстрого анализа образцов текучего вещества с использованием фильтра



Способ и устройство для быстрого анализа образцов текучего вещества с использованием фильтра
Способ и устройство для быстрого анализа образцов текучего вещества с использованием фильтра
Способ и устройство для быстрого анализа образцов текучего вещества с использованием фильтра
Способ и устройство для быстрого анализа образцов текучего вещества с использованием фильтра
Способ и устройство для быстрого анализа образцов текучего вещества с использованием фильтра
Способ и устройство для быстрого анализа образцов текучего вещества с использованием фильтра
Способ и устройство для быстрого анализа образцов текучего вещества с использованием фильтра

 


Владельцы патента RU 2516580:

КОНИНКЛЕЙКЕ ФИЛИПС ЭЛЕКТРОНИКС Н.В. (NL)

Устройство (10) для анализа текучего вещества (18) объемом V содержит фильтр (12), который имеет поверхность фильтра (14) площадью A. При этом фильтр выполнен с возможностью пропускания текучего вещества через поверхность фильтра, объемная плотность потока текучего вещества, усредненная по поверхности фильтра, равна j mean. Также устройство содержит сканер для сканирования поверхности фильтра со скоростью сканирования B, где площадь A, по существу, совпадает с оптимальной площадью A opt, которая определена формулой (I). В другом аспекте устройство (10) содержит набор по меньшей мере из двух фильтров, каждый фильтр в наборе фильтров имеет поверхность фильтра площадью A и выполнен с возможностью пропускания текучего вещества через поверхность фильтра, площадь A имеет различные значения для каждого фильтра; и механизм для выбора одного (12) из фильтров и размещения выбранного фильтра (12) в рабочем положении, и сканер для сканирования поверхности фильтра (14) выбранного фильтра (12). Техническим результатом является минимизация суммы времени фильтрования и времени сканирования. 2 н. и 9 з.п. ф-лы, 8 ил.

 

В первом аспекте изобретение относится к устройству для анализа текучего вещества объемом V, содержащему:

- фильтр, который имеет поверхность фильтра площадью A, причем фильтр выполнен с возможностью протекания текучего вещества через поверхность фильтра, объемная плотность потока текучего вещества, усредненная по поверхности фильтра, равна j mean; и

- сканер для сканирования поверхности фильтра со скоростью сканирования B.

Во втором аспекте изобретение относится к способу анализа текучего вещества объемом V, способ содержит последовательные стадии, на которых осуществляют:

- обеспечение протекания текучего вещества через поверхность фильтра, объемная плотность потока текучего вещества, усредненная по поверхности фильтра, равна j mean; и

- сканирование поверхности фильтра со скоростью сканирования B.

В третьем аспекте изобретение относится к устройству для анализа текучего вещества, содержащему:

- фильтр, который имеет поверхность фильтра площадью A, фильтр выполнен с возможностью протекания текучего вещества через поверхность фильтра; и

- сканер для сканирования поверхности фильтра.

В четвертом аспекте изобретение относится к устройству для анализа текучего вещества.

Микробиологический анализ образцов текучего вещества имеет важные биологические, медицинские и промышленные применения, например в клинике, в пищевых и питьевых, фармацевтических продуктах и в товарах для личной гигиены, а также в области экологии. В основном, такой анализ нацелен на определение присутствия или отсутствия микроорганизмов в образце, определение количества присутствующих микроорганизмов и, в некоторых случаях, на идентификацию неизвестного микроорганизма с различной степенью детализации. Современные стандартные способы тестирования часто основаны на культивировании клеток и для получения результатов требуют времени от дней до недель, в зависимости от типа образца и микроорганизма. Существует значительная потребность в микробиологическом анализе с повышенной пропускной способностью.

Примером такого быстрого способа является предложение компании AES Chemunex (http://www.aeschemunex.com/). Их одобренная FDA система ScanRDI выполняет анализ посредством лазерной сканирующей цитометрии отфильтрованных продуктов. Стадиями этого способа являются фильтрование образца текучего вещества, окрашивание вероятно присутствующих микробиологических контаминантов флуоресцентным красителем, оптическое сканирование поверхности фильтра большим лазерным пятном (5-10 мкм) для определения вероятно присутствующих микробиологических контаминантов и визуализация областей, окружающих контаминанты, с использованием микроскопа высокого разрешения (0,5 мкм), оснащенного автоматическим столиком. Аспекты этого способа описаны в EP 0713087 B1.

Усовершенствованный способ фильтрования предложен компанией fluXXion (http://www.fluxxion.com/). Этот способ основан на литографически разрешенных микроситах, которые имеют один точно определенный размер поры (до 0,2 мкм), являются оптически плоскими (что выгодно с точки зрения стадий последующего оптического сканирования, а также ведет к снижению обратного рассеяния) и тонкими с тем, чтобы обеспечить низкое сопротивление потоку и, таким образом, повышенную пропускную способность фильтрования по сравнению со стандартными мембранными фильтрами, выполненными из пористых материалов, таких как целлюлоза, нейлон, поливинилхлорид, полисульфон, поликарбонат и полиэфир.

В существующих устройствах и способах, как правило, используют фильтры предварительно определенных размеров и оптимизируют только параметры процесса фильтрования, такие как скорость протекания, и процесса сканирования, такие как скорость сканирования и диаметр луча. Например, в системе ScanRDI компании AES Chemunex используют стандартные 25 мм мембранные фильтры, обычно ChemFilters CB04 из полиэфира с размером пор 0,45 мкм.

Задача изобретения состоит в создании особенно быстрого способа и особенно быстрого устройства для фильтрования заданного количества текучего вещества и последующего сканирования фильтра. В частности, задача изобретения состоит в создании способа и устройства, которое работает быстрее, чем описанные выше устройства известного уровня техники.

Эту задачу достигают посредством признаков независимых пунктов формулы изобретения. Дополнительная детализация и предпочтительные варианты осуществления описаны в зависимых пунктах формулы изобретения.

По первому аспекту изобретения, площадь A поверхности фильтра, по существу, совпадает с оптимальной площадью A opt, которую определяют как

A o p t = V B j m e a n .

Это позволяет значительно снизить общее время анализа, как объяснено ниже. Предпочтительно A отличается от A opt не более чем на 20%. Более предпочтительно A отличается от A opt не более чем на 10%. Даже более предпочтительно A отличается от A opt не более чем на 5%. Анализ текучего вещества может, в частности, содержать определение присутствия небольших физических объектов, в частности, биологических объектов, таких как бактерии или грибы. Однако в принципе настоящее изобретение можно применять во всех применениях, в которых заданный объем текучего вещества фильтруют с постоянной (не зависящей от времени) скоростью потока, и поверхность фильтра впоследствии сканируют с постоянной (не зависящей от времени) скоростью сканирования.

Устройство может дополнительно содержать контейнер, в который помещают текучее вещество, контейнер имеет выпускное отверстие для соединения с фильтром, где емкость контейнера совпадает с объемом V. Это облегчает выбор объема текучего вещества так, что общее время анализа будет минимальным или почти минимальным для выбранного объема.

Устройство может дополнительно содержать средство привода, чтобы заставлять текучее вещество протекать через фильтр. Средство привода может содержать, например, насос, расположенный относительно фильтра или выше по току или ниже по току. Размещение насоса ниже по току относительно фильтра может быть выгодно тем, что насос будет в меньшей степени подвергаться воздействию загрязнений, содержащихся в текучем веществе, если они отфильтрованы фильтром. Альтернативно средство привода можно предоставить, разместив контейнер, содержащий текучее вещество, на более высоком уровне относительно фильтра. Таким образом, чтобы прогнать текучее вещество через фильтр, можно использовать потенциальную энергию текучего вещества в гравитационном поле Земли.

Объемная плотность потока j mean текучего вещества и скорость сканирования B, в частности, могут представлять собой максимальную объемную плотность потока и максимальную скорость сканирования соответственно, которые можно достичь посредством устройства. Допустимая объемная плотность потока j mean обычно ограничена свойствами текучего вещества и фильтра. Превышение давления нагнетания сверх определенного порога приведет к повреждению фильтра. Подобным образом, сканер имеет определенную максимальную скорость сканирования, которую нельзя легко увеличить. Конечно, возможна работа устройства при плотности потока менее чем j mean и/или при скорости сканирования менее чем B, но на практике устройство будет работать при максимальной скорости потока и максимальной скорости сканирования. Для такой системы особенно выигрышно адаптировать площадь поверхности фильтра для максимальной плотности потока и максимальной скорости сканирования.

Сканер может содержать по меньшей мере одно из следующего:

- автоматизированный микроскоп для механического сканирования площади фильтра на стадиях, получения изображений на каждой стадии и затем стыковки изображений в программном обеспечении для создания общего изображения;

- механизм для сканирования поверхности фильтра непрерывным способом и стробоскопическое осветительное средство;

- механизм для сканирования поверхности фильтра непрерывным способом и камеру линейного сканирования или камеру с накоплением с задержкой;

- группу линз микрообъектива для сканирования всей площади фильтра за одно непрерывное сканирование;

- средство для сканирования сфокусированного лазера на всей площади фильтра;

- средство для сканирования группы сфокусированных лазерных пятен на всей площади фильтра. Дополнительно эти аспекты более подробно рассмотрены ниже.

Фильтр может содержать элементарные фильтры, расположенные параллельно относительно потока текучего вещества, каждый элементарный фильтр имеет поверхность элементарного фильтра, площадь A поверхности фильтра равна общей площади поверхностей элементарных фильтров.

Сканер может содержать элементарные сканеры для одновременного сканирования поверхности фильтра, каждый сканер имеет скорость элементарного сканирования, скорость сканирования B равна сумме скоростей элементарного сканирования. Элементарные сканеры могут двигаться независимо или они могут быть связаны. Например, для перемещения целой группы элементарных лазерных лучей относительно поверхности фильтра можно использовать один двигатель.

Устройство может дополнительно содержать механизм для корректирования площади A поверхности фильтра. Таким образом, общее время анализа можно минимизировать в виде функции от объема текучего вещества V, скорости сканирования B и усредненной объемной плотности потока j mean.

Устройство может дополнительно содержать контроллер для управления механизмом в виде функции от объема V, скорости сканирования B и средней объемной плотности потока j mean.

Аналогично в способе по второму аспекту изобретения площадь A, по существу, совпадает с оптимальной площадью A opt, которую определяют как

A o p t = V B j m e a n .

Способ может дополнительно содержать стадию корректирования поверхности фильтра с тем, чтобы адаптировать площадь A к объему V, скорости сканирования B и средней объемной плотности потока j mean. Здесь и на всем протяжении под поверхностью фильтра понимают ту часть поверхности фильтра, которую эффективно используют для фильтрования текучего вещества. Таким образом, эту площадь A можно менять, приводя в контакт с текучим веществом только часть физической поверхности фильтра, например, посредством герметизации части физической поверхности фильтра или посредством соединения физической поверхности с отверстием желаемого размера.

Устройство по третьему аспекту изобретения содержит механизм для корректирования поверхности фильтра с тем, чтобы менять площадь A.

Устройство может дополнительно содержать контроллер для управления механизмом для изменения площади A с тем, чтобы минимизировать сумму времени фильтрования и времени сканирования, время фильтрования и время сканирования соответственно равны времени, необходимому для фильтрования текучего вещества, и времени, необходимому для сканирования поверхности фильтра.

По четвертому аспекту изобретения, устройство для анализа текучего вещества содержит

- набор по меньшей мере из двух фильтров, каждый фильтр в наборе фильтров имеет поверхность фильтра площадью A и выполнен с возможностью прохождения текучего вещества через поверхность фильтра, для каждого фильтра площадь A имеет отличающееся значение; и

- механизм для выбора одного из фильтров и размещения выбранного фильтра в рабочее положение;

- сканер для сканирования поверхности фильтра выбранного фильтра.

Устройство может дополнительно содержать контроллер для управления механизмом для выбора фильтра с тем, чтобы минимизировать сумму времени фильтрования и времени сканирования, время фильтрования и время сканирования равны, соответственно, времени, необходимому для фильтрования текучего вещества, и времени, необходимому для сканирования поверхности фильтра. Контроллер может содержать электронный блок управления.

Присутствие микроорганизмов в образцах текучего вещества, как правило, определяют посредством трехстадийного процесса фильтрования, окрашивания и оптического определения. Выдающимся признаком предложенного способа является тот факт, что область фильтра оптимизируют на основе объема образца и свойств фильтра и сканера для того, чтобы минимизировать общее время анализа. Как показано ниже, минимальное время анализа можно достичь, когда стадии фильтрования и сканирования занимают приблизительно одинаковое время.

Настоящее изобретение основано на предположении о том, что каждая из различных стадий процесса требует времени, которое определенным образом зависит от площади поперечного сечения A фильтра. Предположим, что фильтр имеет «открытую» часть η (площадь пор, деленная на общую площадь) и обеспечивает фильтрование объема V со скоростью протекания u. Тогда фильтрование занимает время

T f i l t = V η u A .

Скорость протекания u в порах связана с усредненной объемной плотностью потока j (т.е. объем, проходящий через единицу площади в единицу времени) уравнением ju, где j усреднен по площади, которая имеет большое значение по сравнению с порами фильтра, при условии, что скорость протекания u одинакова во всех порах, по которым выполняли усреднение. Объемная плотность потока, усредненная по всему поперечному сечению фильтра, обозначена j mean.

Скорость протекания ограничена не только характеристиками используемого фильтра, но также необходимостью сохранять жизнеспособность клеток. Можно допустить, что время, необходимое для стадии окрашивания, не зависит от площади поперечного сечения фильтра.

Наконец, предположим, что оптический сканер может сканировать некоторую площадь в единицу времени B. Тогда процесс сканирования занимает время

T s c a n = A B .

Таким образом, общее время (помимо постоянного времени, необходимого для окрашивания и других возможных стадий) определяется формулой

T = T f i l t + T s c a n = V η u A + A B

Очевидно, что это уравнение отражает, что существует компромисс между временем фильтрования и сканирования. Небольшая площадь фильтра ведет к медленному фильтрованию и быстрому сканированию, тогда как большая площадь фильтра ведет к быстрому фильтрованию и медленному сканированию. Это исключает возможность определить точный оптимум в этом компромиссе. Общее время минимально для площади

A o p t = V B η u .

В этом оптимуме время, необходимое для фильтрования, и время, необходимое для сканирования, равны и заданы формулой

T f i l t = T s c a n = V η u B .

Рассмотрим, например, типовой случай, в котором объем V=100 мл фильтруют с использованием круглого фильтра радиусом 25 мм при открытой части 25% и скорости протекания 1 мм/с. Время, необходимое для фильтрования, составляет приблизительно 3,4 минуты. Типовой линейный сканер с разрешением 4096 пикселей и частотой линейной развертки 3 кГц сканирует со скоростью 0,768 мм/с при разрешающей способности 0,25 мкм/пиксель и, таким образом, занимает 42,6 минуты для сканирования всей площади фильтра. В соответствии с приведенным выше аргументом, оптимальная площадь фильтра составляет 554 мм2, что соответствует кругу радиусом 13,3 мм. Общее время фильтрования и сканирования теперь составляет 12,0 минуты, при объемном улучшении времени анализа (за исключением времени окрашивания) с 46 минут до 24 минут, что приблизительно в 2 раза меньше.

Способ быстрого микробиологического анализа образцов текучего вещества, который может содержать стадии фильтрования образца текучего вещества с использованием микросита, окрашивание вероятно присутствующих микробиологических контаминантов на поверхности микросита (флуоресцентным) красителем и оптическое сканирование поверхности микросита для определения и визуализации вероятно присутствующих микробиологических контаминантов, отличается тем, что время, затраченное на стадию фильтрования, по существу равно времени, затраченному на стадию сканирования.

Устройство для осуществления этого способа может содержать контейнер, который вмещает образец текучего вещества объемом V, фильтр для фильтрования образца текучего вещества с площадью поперечного сечения A, где занятая порами часть площади фильтра равна η и скорость протекания равна u, и оптический сканер для сканирования площади фильтра, который сканирует некоторую площадь в единицу времени B, и где площадь поперечного сечения фильтра выбирают, по существу, равной √(VB/ηu).

Можно использовать различные способы сканирования. Сканер первого типа представляет собой автоматизированный микроскоп, который механически сканирует площадь фильтра на стадиях, получает изображения с помощью прямоугольной камеры (количество пикселей как по x, так и по y больше 1) на каждой стадии и затем стыкует изображения в программном обеспечении для создания общего изображения. В сканере второго типа используют непрерывное механическое сканирование и стробоскопическое освещение для предотвращения размытия вследствие движения. В сканере третьего типа используют непрерывное механическое сканирование и камеру линейного сканирования (количество пикселей по x или по y равно 1). В сканере четвертого типа используют TDI-камеру (с накоплением с задержкой), которая представляет собой прямоугольную камеру, в которой используют несколько строк для нескольких экспозиций образца. Таким образом, выходные данные этой камеры аналогичны выходным данным камеры линейного сканирования. Однако камера этого типа более эффективно использует освещающий свет. В сканере пятого типа используют группу линз микрообъектива, предусмотренных для сканирования всей площади фильтра при одном непрерывном сканировании. В сканере шестого типа используют сканирование сфокусированного лазерного пятна на всей площади фильтра. В сканере седьмого типа используют группу сфокусированных лазерных пятен, что благоприятно с точки зрения скорости сканирования. Лазеры допускают мощность в фокальной области, которая значительно выше интенсивности насыщения типовых флуорофоров. Освещение флуорофоров в режиме насыщения может быть невыгодным с точки зрения линейности сигнала и относительного возникновения фотообесцвечивания. Следовательно, если разделить общую доступную мощность лазера между несколькими пятнами, то это может оказаться полезным, поскольку каждое пятно достигает интенсивности ниже уровня насыщения флуоресценции.

Ключевую идею изобретению можно обобщить в варианте осуществления с использованием мультиплексирования и групповой обработки. Предположим, что N образцов одновременно фильтруют через N микросит, затем также одновременно окрашивают и в итоге сканируют посредством устройства, содержащего M сканирующих элементов с пропускной способностью B, на сканирующий элемент. Время, необходимое для стадий фильтрования и окрашивания, не изменяется, но время, необходимое для стадии сканирования, теперь составляет

T s c a n = N A M B .

Общее время на образец (помимо постоянного времени, необходимого для окрашивания и возможных других стадий), таким образом, определяется формулой

T = T f i l t + T s c a n N = V N η u A + A M B .

Это общее время оптимально (минимально) для площади

A o p t = V M B N η u .

При этом оптимуме время, необходимое для фильтрования, и время, необходимое для сканирования, равны и определяются формулой

T f i l t = T s c a n = N V η u M B .

Общее время на образец теперь составляет

T = 2 V η u N M B .

Первое преимущество этого варианта осуществления состоит в выигрыше в общем времени на образец, кратном 1/√NM. Второе преимущество может заключаться в экономической эффективности. Этот вариант осуществления описывает, например, случай групповой обработки (N>1, M=1) с использованием относительно быстрого сканера (B имеет большое значение). Оптимальная площадь фильтра будет относительно большой, если образцы обрабатывают последовательно с использованием такого быстрого сканера. Поскольку цена сменного фильтра, вероятно, возрастает с увеличением размера (и, таким образом, площади фильтра), также цену можно снизить посредством использования групповой обработки, а именно в 1/√N раз на сменное микросито (при условии, что цена пропорциональна площади фильтра). Подобным образом, если большую площадь фильтра сканируют с использованием относительно медленного и недорогого сканера, то мультиплексирование (N=1, M>1) принесет выгоду.

Например, быстрый линейный сканер с накоплением с задержкой (TDI) с разрешением 4096 пикселей и частотой линейной развертки 50 кГц допускает пропускную способность 12,8 мм2/с при разрешающей способности 0,25 мкм/пиксель. Одновременная обработка N=4 образцов и последовательное сканирование N=4 образцов с использованием этого сканера дает оптимальную площадь фильтра 1131 мм2, что соответствует кругу радиусом 19,0 мм (при условии, что объем образца, открытая часть и скорость протекания равны аналогичным параметрам, как в предыдущем образце). Общее время сканирования и фильтрования равно 5,9 мин, а время анализа на образец составляет 3,0 мин.

Во многих применениях будут использовать фиксированный сканер, тип фильтра и объем образца. В этом случае оптимальный размер фильтра нужно определить только один раз и можно использовать один и тот же размер во всех последующих анализах. В случае применений, в которых нужно менять объемы образца и/или характеристики фильтра (например, номер сита, пористость и т.п.), устройство может содержать средство для изменения части фильтра, которую используют в анализе, например, флюидные адаптеры с отверстиями различных размеров или с одним отверстием регулируемого размера.

В общих словах, предложены средства и способы быстрого микробиологического анализа образцов текучего вещества. Как правило, способы содержат стадии фильтрования образца текучего вещества с использованием микросита, окрашивания вероятно присутствующих микробиологических контаминантов на поверхности микросита красителем, например, флуоресцентным красителем, и оптического сканирования поверхности микросита для определения и визуализации вероятно присутствующих микробиологических контаминантов или других частиц или объектов, задержанных ситом. Площадь микросита можно оптимизировать, исходя из объема образца (или количества вещества) и свойств как фильтра, так и сканера для того, чтобы минимизировать общее время анализа. В частности, показано, что минимальное время анализа достигают, когда стадии фильтрования и сканирования занимают приблизительно одинаковое время.

Также предложено устройство для осуществления этого способа. Согласно образцовому варианту осуществления устройство содержит контейнер, чтобы вмещать образец текучего вещества объемом V, фильтр для фильтрования образца текучего вещества с площадью поперечного сечения A, где часть площади фильтра занята порами и скорость протекания равна u, и оптический сканер для сканирования площади фильтра, который сканирует некоторую площадь в единицу времени B. Предпочтительно площадь поперечного сечения фильтра, по существу, равна оптимальному значению √(VB/ηu), в том смысле, что она отличается от оптимального значения не более чем, скажем, на 5% или 10%, или 20%, или 30%. Идея также сохраняет свою силу в случае, когда N образцов одновременно фильтруют через N микросит, затем также одновременно окрашивают и в итоге сканируют посредством устройства, содержащего M сканирующих элементов.

Сущность изобретения поясняется на чертежах, где:

на фиг.1 схематически показан фильтр и текучее вещество, протекающее через фильтр,

на фиг.2 схематически показан фильтр и лазерный луч, сфокусированный на поверхности фильтра со стороны входа в фильтр,

на фиг.3 схематически показан фильтр и лазерный луч, сфокусированный на поверхности фильтра со стороны выхода из фильтра,

на фиг.4 предоставлен схематический вид фильтра в изометрии,

на фиг.5 предоставлен схематический вид фильтра в изометрии, который содержит группу элементарных сит,

на фиг.6 схематически показан механизм для адаптирования площади поперечного сечения фильтра,

фиг.7 представляет собой блок-схему, которая иллюстрирует стадии анализа текучего вещества.

До тех пор, пока не указано иное, идентичные или одинаковые номера позиций на различных рисунках обозначают идентичные или одинаковые компоненты.

На фиг.1 предоставлен схематический вид сбоку фильтра 12 и текучего вещества 18, проходящего через фильтр 12. В частности, текучее вещество может представлять собой водный раствор. Как правило, текучее вещество находится в жидкой фазе, но также оно может находиться в газообразной фазе. Фильтр 12 имеет входную поверхность 14 и выходную поверхность 16. Входная поверхность 14 и выходная поверхность 16 образуют параллельные плоскости, которые идут перпендикулярно плоскости фигуры. Текучее вещество 18 входит в фильтр 12 через входную поверхность 14 и покидает фильтр 12 через выходную поверхность 16. Текучая среда, покидающая фильтр, помечена 20. Фильтр 12 может представлять собой, например, мембранный фильтр или микросито. Фильтр 12 и текучее вещество 18, 20 окружены трубкой (не показана), которая идет в направлении оси z 6. Тогда как текучее вещество 18 проходит через фильтр 12, микроскопические объекты, такие как отдельные клетки или другие микроорганизмы, задерживаются фильтром и накапливаются на его входной поверхности 14 или рядом с ней. Входная поверхность 14 имеет общую площадь A. Объемная скорость потока текучего вещества представляет собой объем количества текучего вещества, который проходит через фильтр в течение заданного интервала времени, деленный на длительность интервала времени. Объемная скорость потока, по существу, постоянна в ходе процесса фильтрования. Объемную скорость потока, деленную на площадь A, обозначают средней объемной плотностью потока j mean. В отличие от этого, локальную объемную плотность потока текучего вещества j определяют в любой точке внутри текучего вещества 18, 20. Локальная плотность потока j может несколько снижаться в направлении краев фильтра по сравнению с центральной частью потока, но, как правило, локальная плотность потока j и средняя плотность потока j mean по существу одинаковы на всей входной поверхности 14. Общее время для фильтрования текучего вещества 18 составляет

T f i l t = V j m e a n A ,

где V обозначает объем текучего вещества 18, 20. Фильтр обеспечивает определенное сопротивление потоку, когда последний проталкивают через фильтр. В известной мере сопротивление возрастает с увеличением силы, с которой текучее вещество проталкивают через фильтр, в результате чего средняя плотность потока j mean, по существу, не зависит от этой силы, по меньшей мере в пределах определенного диапазона параметра. Следовательно, плотность потока j mean можно считать внутренним свойством фильтра 12 и текучего вещества 18. Конечно, объемная плотность потока j mean может иметь отличающееся значение для текучих веществ, отличных от водных растворов, таких как масла.

После прохождения текучего вещества 18 через фильтр 12, поверхность фильтра 12 (в настоящем примере входную поверхность 14) можно сканировать посредством сканирующей головки 22, как схематически показано на фиг.2. Сканирующая головка 22 освещает и визуализирует часть входной поверхности 14 и визуализированная часть перемещается относительно поверхности 14 со скоростью сканирования B, скорость сканирования равна отсканированной площади в единицу времени. Скорость сканирования B определяется свойствами сканирующего механизма, например частотой кадров и количеством пикселей в датчике изображения (не показан), или уровнем освещенности или скоростью двигателя (не показан) для перемещения оптических элементов (не показаны) с тем, чтобы перемещать лазерный луч 22 на всей поверхности 14. Свет, отраженный объектами в фокальной точке 24, или флуоресцентное излучение, испускаемое объектами в фокальной точке 24, определяют посредством детектора (не показан) и анализируют с тем, чтобы определить эти объекты на поверхности 14. Общее время для сканирования входной поверхности 14 составляет

T s c a n = A B .

Площадь A следует выбирать равной V B j m e a n с тем, чтобы минимизировать общее время, T filt+T scan. Также можно сканировать входную поверхность 14 более чем одной сканирующей головкой. Тогда скорость сканирования B относится к объединенной скорости сканирования, т.е. к сумме скоростей сканирования отдельных сканирующих головок.

Следует отметить, что фильтр 12 можно освещать с любой стороны, то есть с его входной стороны, а также с его выходной стороны. Кроме того, фильтр 12 можно визуализировать с любой стороны, что дает всего четыре возможных комбинации для освещения и визуализации. Однако предпочтительно осуществлять как освещение, так и визуализацию со входной стороны (здесь это верхняя сторона) фильтра 12.

На фиг.3 проиллюстрирован вариант осуществления, в котором сканирующая головка 22 расположена на выходной стороне фильтра 12. В приведенном примере освещение определения, испускаемое сканирующей головкой 22, проходит через фильтр 12, что предполагает, что фильтр 12 достаточно тонок или прозрачен.

На фиг.4 предоставлен упрощенный трехмерный вид фильтра 12. В приведенном варианте осуществления входная поверхность 14 является прямоугольной, но она может принимать различные формы. В частности, входная поверхность 14 может быть круглой, поскольку это позволяет получить конкретный равномерный поток текучего вещества через фильтр 12.

На фиг.5 показан альтернативный вариант осуществления, в котором фильтр 12 состоит из элементарных фильтров или сит 26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44, 46, 48, которые имеют объединенную поверхность фильтра площадью A.

На фиг.6 показана система, содержащая фильтр 12 для фильтрования текучего вещества 18 и адаптер 70 для адаптирования эффективного размера входной поверхности 14. Адаптер 70 имеет планку 50, которая имеет четыре отверстия 54, 56, 58, 60, которые проходят через планку 50 в вертикальном направлении (по оси z) параллельно направлению потока. Отверстия 54, 56, 58, 60 имеют выходные поперечные сечения 62, 64, 66, 68, которые различаются своими площадями A. В представленной конфигурации отверстие 54 размещают над фильтром 12. Перемещая планку 50 в горизонтальном направлении (по оси x), как показано стрелкой 52, одно другое отверстие 56, 58, 60 можно разместить над фильтром 12 с тем, чтобы изменить эффективную площадь A входной поверхности 14 фильтра 12. Таким образом, входную поверхность 14 можно адаптировать, например, в виде функции объема V текучего вещества 18, которое подлежит фильтрованию. Отверстия 54, 56, 58, 60 соединены с контейнерами (не показаны), которые вмещают текучее вещество, емкость каждого контейнера определяется формулой

V = A 2 j m e a n B ,

где A представляет собой площадь выходного поперечного сечения (62, 64, 66 или 68) соответствующего отверстия (54, 56, 58 или 60), B представляет собой скорость сканирования сканирующего устройства (не показано) для сканирования входной поверхности 14, и j mean представляет собой объемную плотность потока текучего вещества 18, усредненную по входной поверхности 14. В связанном варианте осуществления (не показан), отверстия 54, 56, 58, 60 расположены по кругу.

На фиг.7 представлена блок-схема способа анализа образца текучего вещества, где текучее вещество 18 должно пройти через фильтр. На первой стадии 701 определяют объем V текучего вещества, подлежащего отбору, ожидаемую объемную плотность потока j mean и скорость сканирования B сканера для сканирования поверхности фильтра. Затем поверхность фильтра адаптируют так, чтобы его эффективная площадь A приблизительно равнялась V B j m e a n , насколько это возможно (стадия 702). Поверхность фильтра может представлять собой любую поверхность на фильтре или в нем, которую пересекает все текучее вещество. В частности, поверхность фильтра может представлять собой входную поверхность фильтра. В последующей стадии 703 текучее вещество проходит через фильтр. Затем поверхность фильтра A сканируют с помощью сканера при скорости сканирования B (стадия 704), чтобы на поверхности фильтра определить местоположение вероятно присутствующих объектов. Наконец, выбранную область поверхности фильтра, в которой определили присутствие объекта, представляющего интерес, визуализируют посредством микроскопа (стадия 705).

Несмотря на то, что изобретение подробно проиллюстрировано и описано на чертежах и в предшествующем описании, чертежи и описание следует рассматривать в качестве примера, а не в качестве ограничения. Изобретение не ограничено раскрытыми вариантами осуществления. Эквиваленты, сочетания и модификации, не описанные выше, также можно воплощать, не отступая от объема изобретения.

Глагол «содержать» и его производные не исключает присутствия других стадий или элементов, к которым относится «содержит». Формы единственного числа не исключают множественного числа объекта, к которому относится артикль. Также следует отметить, что один блок может обеспечить функции нескольких средств, указанных в формуле изобретения. Сам по себе тот факт, что определенные признаки перечислены во взаимно различных зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что сочетание этих признаков нельзя использовать с выгодой. Любые ссылки в формуле изобретения не следует рассматривать в качестве ограничения объема.

1. Устройство (10) для анализа текучего вещества (18) объемом V, содержащее:
- фильтр (12), имеющий поверхность фильтра (14) площадью A, причем фильтр выполнен с возможностью пропускания текучего вещества через поверхность фильтра, объемная плотность потока текучего вещества, усредненная по поверхности фильтра, равна j mean; и
- сканер для сканирования поверхности фильтра со скоростью сканирования B; где площадь A, по существу, равна оптимальной площади A opt, которую определяют как
A o p t = V B j m e a n .

2. Устройство (10) по п.1, которое дополнительно содержит контейнер, вмещающий текучее вещество (18), причем контейнер имеет выпускное отверстие для соединения с фильтром (12), где емкость контейнера совпадает с объемом V.

3. Устройство (10) по п.1, которое дополнительно содержит средство привода для пропускания текучего вещества (18) через фильтр (12).

4. Устройство (10) по п.3, где объемная плотность потока j mean текучего вещества (18) представляет собой максимальную объемную плотность потока, которую можно достичь посредством устройства, причем скорость сканирования B представляет собой максимальную скорость сканирования, которую можно достичь посредством устройства.

5. Устройство (10) по п.1, в котором сканер содержит по меньшей мере одно из следующего:
- автоматизированный микроскоп для механического сканирования площади фильтра на стадиях, получения изображений на каждой стадии и затем стыковки изображений в программном обеспечении для создания общего изображения;
- механизм для сканирования поверхности фильтра непрерывным способом и стробоскопическое осветительное средство;
- механизм для сканирования поверхности фильтра непрерывным способом и камеру линейного сканирования или камеру с накоплением с задержкой;
- группу линз микрообъектива для сканирования всей площади фильтра в одном непрерывном сканировании;
- средство для сканирования сфокусированного лазера на всей площади фильтра;
- средство для сканирования группы сфокусированных лазерных пятен на всей площади фильтра.

6. Устройство (10) по п.1, в котором фильтр (12) содержит элементарные фильтры (26, 28, 30, 32, 34, 36, 38, 40, 42, 44), расположенные параллельно относительно потока текучего вещества (18), причем каждый элементарный фильтр имеет поверхность элементарного фильтра, где площадь A поверхности фильтра (14) равна общей площади поверхностей элементарных фильтров.

7. Устройство (10) по п.1, в котором сканер содержит элементарные сканеры для одновременного сканирования поверхности фильтра (14), каждый сканер имеет скорость элементарного сканирования, скорость сканирования B равна сумме скоростей элементарного сканирования.

8. Устройство (10) по п.1, которое дополнительно содержит механизм (70) для корректирования площади A поверхности фильтра (14).

9. Устройство (10) по п.8, которое дополнительно содержит контроллер для управления механизмом (70) в виде функции объема V, скорости сканирования B и средней объемной плотности потока j mean.

10. Способ анализа текучего вещества (18) объема V, который содержит последовательные стадии, на которых осуществляют:
- пропускание текучего вещества (18) через поверхность фильтра (14) фильтра (12), где объемная плотность потока текучего вещества, усредненная по поверхности фильтра, равна j mean; и
- сканирование поверхности фильтра (14) со скоростью сканирования B;
где площадь A поверхности фильтра (14), по существу, равна оптимальной площади A opt, которую определяют как
A o p t = V B j m e a n .

11. Способ по п.10, который дополнительно содержит стадию, на которой осуществляют:
- корректирование поверхности фильтра (14) с тем, чтобы адаптировать площадь A к объему V, скорости сканирования B и средней объемной плотности потока j mean.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области изготовления полимерных нанокомпозитов, которые могут быть использованы в качестве конструкционных материалов в космической, авиационной, строительной и других отраслях промышленности.

Изобретение относится к способам контроля степени загрязнения моющих растворов минеральными примесями, смытыми с шерсти, при ее промывке в моечных агрегатах. Способ включает измерение плотности моющего раствора в г/см3 с одновременным измерением температуры испытуемого раствора в ванне моечного агрегата с последующим определением с помощью трехкоординатной номограммы по плотности в г/см3 и температуре в °C сухого остатка моющего раствора в г/дм3.

Изобретение относится к способу и устройству датчика для определения величины целевых частиц на контактной поверхности, прилегающей к пробоотборной камере, в которой могут обеспечиваться целевые частицы.

Изобретение относится к технической диагностике агрегатов машин, имеющих замкнутую систему смазки, и предназначено для анализа содержания продуктов загрязнения в работающем масле и экспресс-диагностики технического состояния машин.

Изобретение относится к способу оценки концентрации смолоподобных веществ в водной суспензии титрованием и может быть использовано в области экспериментальной и промышленной биотехнологии.

Изобретение относится к производству фильтров для улавливания твердых частиц с содержанием ферромагнитных примесей и может быть использовано для количественной оценки в закрытых трубопроводах ферромагнитных частиц в жидкости и газе.

Изобретение относится к пограничной области между физикой, химией и биологией. .

Изобретение относится к оптическим диагностическим приборам, предназначенным для измерения распределения концентрации и размеров наночастиц в жидкостях. .

Использование: для контроля концентрации магнитных суспензий. Сущность изобретения заключается в том, что закрепляют ультразвуковой преобразователь вблизи одного из торцов тонкой пластины, находящейся в воздухе, преобразователь изготавливают и возбуждают таким образом, чтобы в пластине распространялась нормальная волна, чувствительная к продольному импедансу жидкости, например симметричная волна Лэмба нулевого порядка, принимают эхо-сигнал, отраженный от противоположного торца пластины, измеряют его амплитуду, затем начинают погружать пластину в измерительный сосуд, в который поступает контролируемая суспензия, до ее подачи к контролируемому изделию из ферромагнитных материалов обеспечивают перемещение пластины по направлению, перпендикулярному к поверхности эмульсии, при этом движение пластины и в воздухе, и в самой эмульсии производится с постоянной скоростью V, при этом продолжают измерения амплитуды эхо-сигнала, отраженного от противоположного торца пластины, с выбранной цикличностью, фиксируют момент начала погружения пластины в жидкость, например, по уменьшению амплитуды эхо-сигнала, запоминают численное значение амплитуды и момент времени, соответствующий этому уменьшению, затем включают измерение временного интервала, измеряют и запоминают численные значения амплитуды каждого n-го эхо-сигнала во время погружения, в момент времени Т, равный L/V (L - заранее выбранная глубина погружения), движение пластины прекращают, вычисляют коэффициент затухания эхо-сигналов на единицу длины и среднее значение коэффициента затухания, после чего по рассчитанному среднему значению и градуировке, которую проводят заранее на суспензиях с известными концентрациями магнитных частиц, судят о концентрации исследуемой суспензии. Технический результат: повышение достоверности контроля концентраций магнитных суспензий. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к способу и устройству для обнаружения загрязнений в текучей среде (1). Причем текучая среда (2), загрязненная частицами, подается с помощью первого дозирующего насоса (3) на устройство (4) для измерения загрязненности или плотности частиц в загрязненной текучей среде. Указанные способ и метод характеризуются тем, что текучая среда (2), загрязненная частицами, перед поступлением на устройство (4) для измерения загрязненности смешивается с очищенной текучей средой (5) в заданном соотношении. Затем осуществляют измерение плотности частиц или загрязненности смешанной текучей среды (6), и с помощью вычислительного устройства (7) определяется плотность частиц или загрязненность загрязненной текучей среды (2). Техническим результатом является обеспечение возможности определения степени загрязнения текучей среды. 2 н. и 15 з.п. ф-лы, 5 ил.

Использование: для измерения продольного и сдвигового импендансов жидкостей. Сущность изобретения заключается в том, что с помощью ультразвукового преобразователя возбуждают в двух тонких волноводах различные нулевые моды нормальных волн, измеряют коэффициенты затухания каждого типа волны в волноводах и рассчитывают продольный и сдвиговый импедансы исследуемой жидкости, при этом волноводы акустического блока изготавливают в виде тонких полос различной толщины, возбуждают в них нулевую моду волны Лэмба, калибруют акустический блок путем последовательного измерения в обоих волноводах коэффициентов затухания нулевой моды волны Лэмба при их последовательном погружении в две жидкости с известными продольным и сдвиговым импедансами, из полученных уравнений рассчитывают коэффициенты, связывающие импедансы жидкости с коэффициентом поглощения волны Лэмба в волноводах, затем погружают волноводы в исследуемую жидкость, измеряют коэффициенты затухания нулевой моды волны Лэмба в обоих волноводах и с помощью найденных численных значений коэффициентов по известным соотношениям рассчитывают продольный и сдвиговый импедансы исследуемой жидкости. Технический результат: обеспечение возможности автоматического контроля состояния жидкостей в условиях их эксплуатации без измерения нулевой моды горизонтально поляризованной нормальной волны. 2 ил.

Изобретение относится к определению объемной концентрации мелкодисперсных взвешенных частиц в потоке жидкости или газа и может быть использовано для непрерывного контроля процессов очистки воды в биологических очистных сооружениях. Проточная измерительная ячейка устройства выполнена в виде усеченного прозрачного или с прозрачными окнами конуса, в который вставлен и зафиксирован на заданном расстоянии от стенок ячейки сплошной или пустотелый прозрачный стержень конической формы таких размеров и таким образом, что разность квадрата внутреннего радиуса ячейки и квадрата наружного радиуса прозрачного стержня, измеренных в одном сечении ячейки, постоянна для всех сечений ячейки. Источник света содержит делитель светового потока, обеспечивающий сканирование световым лучом сечений ячейки по всей длине ячейки, а фотоприемник выполнен в виде линейки отдельных фотоприемников, содержащей как минимум два независимых фотоприемника. Изобретение обеспечивает повышение точности измерений. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

Группа изобретений относится к контролю (мониторингу) содержания механических примесей в потоках жидких сред. Способ контроля содержания механических примесей в рабочих жидкостях, в частности в жидком углеводородном топливе, заключается в том, что поток топлива пропускают, поддерживая постоянный расход, через систему фильтрующих перегородок с последовательно уменьшающимися размерами пор, при этом измеряют давление перед каждой фильтрующей перегородкой и давление за ней, вычисляют на основании изменения разности давлений гидравлическое сопротивление фильтрующей перегородки по времени, затем по полученным данным определяют степень засорения фильтрующей перегородки путем сравнения с имеющимися тарировочными данными, показывающими изменение гидравлического сопротивления фильтрующей перегородки в зависимости от содержания механических примесей, и на основе этих данных определяют количество в топливе механических примесей определенного размера. Также описано устройство и система для реализации способа. Достигается оперативный контроль (мониторинг) наличия в топливе механических примесей, их весового количества и распределения частиц по размерным диапазонам при оценке эффективности схемы подготовки топлива. 3 н. и 4 з.п. ф-лы,2 ил.

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для определения концентрации сажи в моторном масле двигателей внутреннего сгорания. Заявленное изобретение касается способа определения концентрации сажи в моторном масле двигателей внутреннего сгорания, при котором определенное количество моторного масла с определенной скоростью течения направляется вдоль измерительного участка (2) и/или через него. Моторному маслу в области измерительного участка (2) подается энергия по меньшей мере от одного источника (13) энергии таким образом, что содержащиеся в моторном масле частицы сажи по меньшей мере частично поглощают эту энергию. Затем количество энергии, поглощенное в области участка (2) измерения, регистрируется и исходя из этого определяется концентрация сажи в моторном масле. Кроме того, заявлено устройство для определения концентрации сажи в моторном масле двигателей внутреннего сгорания. Технический результат - повышение точности получаемых данных. 2 н. и 13 з.п. ф-лы, 3 ил.
Наверх