水生环境水参数测试系统和方法
【专利说明】水生环境水参数测试系统和方法
[0001] 相关申请数据
[0002] 本申请要求2013年6月19日提交的、标题为"AquaticEnvironmentWater ParameterTestingSystemsandMethods" 的美国临时专利申请号 61/837, 154 的优先权 的权益，该申请以引用的方式以其全文并入本文。
[0003] 本申请还涉及共同拥有的以下各个专利申请：标题为"Submersible ChemicalIndicatorApparatusesForUseInAquatic-EnvironmentMonitoring/ MeasuringSystem" 的美国专利申请号 13/713,495 ;和标题为"AquaticEnvironment Water-QualityMonitorHavingaSubmersibleChemicalIndicatorWheel" 的美 国专利申请号 13/713, 537;和标题为"EmbeddedIndicatorDyeMonitoringSystem andMethodforAnAquaticEnvironment" 的美国专利申请号 13/713, 568 ;和标 题为"CombinedI1luminator/LightCollectorsForOpticalReaders" 的美国专 利申请号 13/713, 595 ;和标题为"DosageProtectionSystemandMethodForAn AquaticEnvironment" 的美国专利申请号 13/713,629 ;和标题为"ChemicalIndicator ObstructionDetectionSystemandMethodForAnAquaticEnvironment" 的美国 专利申请号 13/713, 668;和标题为"RateofChangeProtectionSystemandMethod foranAquaticEnvironment" 的美国专利申请号 13/713, 714;和标题为"Monitoring ofPhoto-AgingofLight-BasedChemicalIndicatorsUsingCumulativeExposure Tracking,andSystems,Methods,Apparatuses,andSoftwareRelatingThereto" 的 美国专利申请号 13/713,737 ;和标题为"MonitoringofPhoto-AgingofLight-Based ChemicalIndicatorsUsingIllumination-BrightnessDifferentialScheme,and Systems，Methods，Apparatuses，andSoftwareRelatingThereto" 的美国专利申请号 13/713, 773 ;和标题为"AssistedDosingofAquaticEnvironmentsForMaintaining WaterQualityTherein,andSystems,Methods,Apparatuses,andSoftwareRelating Thereto" 的美国专利申请号 13/713, 818 ;和标题为"OpticalReaderOpticCleaning SystemsHavingMotionDeployedCleaningElements,andMethodsofCleaningAn OpticalReaderOptic"的美国专利申请号13/713,864,这些美国专利申请各自与本申请 在同一天提交：2012年12月13日，其中的每一者均以引用的方式以其全文并入本文。 发明领域
[0004] 本申请大体涉及水质管理领域，诸如鱼和珊瑚水族箱、游泳池和热水浴缸以及其 它水生环境。具体来说，本发明针对水生环境水参数测试系统和方法。
[0005] 发明概述
[0006] 在一种实现方式中，提供了水生环境水参数测试系统。该水生环境水参数测试系 统包括直接固持液体样品的样品室部分，该样品室部分包括：形成样品室的一个或多个壁； 和化学指示剂元件，该化学指示剂元件具有一个或多个化学指示剂，该一个或多个化学指 示剂被设计和构造成当一个或多个化学指示剂暴露于液体样品时，指示液体样品内的预定 成分的水平，该一个或多个化学指示剂适于通过经历可检测的物理变化指示所述水平，该 化学指示剂元件被可移除地连接至水生环境水参数测试系统，该化学指示剂元件包括信息 存储和通信元件，该信息存储和通信元件包括一个或多个化学指示剂中的至少一者的身份 信息；和电子设备部分，该电子设备部分包括：处理元件；信息存储和通信读取器，该信息 存储和通信读取器被设计和构造成当化学指示剂元件被连接时从信息存储和通信元件读 取一个或多个化学指示剂中的至少一者的身份信息并且向处理元件提供一个或多个化学 指示剂中的至少一者的身份信息；和光学读取器，该光学读取器被设计和构造成检测物理 变化并且向处理元件提供物理变化的信息以确定预定成分的水平，该光学读取器元件被设 计和构造成使得光学读取器元件的第一端与液体样品在液体样品被放置在样品室中时接 触。
[0007] 在另一种实现方式中，提供了水生环境水参数测试系统。该水生环境水参数测试 系统包括用于直接固持液体样品的样品室部分，该样品室部分包括：形成样品室的一个或 多个壁；和化学指示剂元件，该化学指示剂元件具有一个或多个化学指示剂，该一个或多个 化学指示剂被设计和构造成当一个或多个化学指示剂暴露于液体样品时，指示液体样品内 的预定成分的水平，该一个或多个化学指示剂适于通过经历可检测的物理变化指示所述水 平；和电子设备部分，该电子设备部分包括：处理元件；电导率测量元件，该电导率测量元 件具有被构造成在液体样品处于样品室中时与液体样品接触并且检测液体样品的电导率 值的第一部分，该电导率测量元件连接至处理元件以用于为处理元件提供电导率值；和光 学读取器，该光学读取器被设计和构造成检测物理变化并且向处理元件提供物理变化的信 息，该处理元件被构造成使用电导率值来校准液体样品的电导率的物理变化的信息并且确 定预定成分的水平。
[0008] 在另一种实现方式中，提供了确定水生环境中的成分水平的方法。该方法包括提 供用于分析的水生环境的液体样品；确定液体样品的电导率；使化学指示剂元件的化学指 示剂暴露于液体样品；测量来自化学指示剂的光学读数；以及使用液体样品的电导率来校 正光学读数。
[0009] 在另一种实现方式中，提供了用于水生环境水参数测试系统的化学指示剂元件， 该水生环境水参数测试系统具有能够生成激发能的光源和用于检测光的光传感器。该化学 指示剂元件包括化学指示剂，该化学指示剂对第一激发能作出响应以响应于第一激发能生 成第一发射能；和薄膜材料，该薄膜材料具有第一侧和第二侧，该化学指示剂与该第一侧相 关，该薄膜材料被构造成：吸收和/或允许传输第一激发能的光的一个或多个波长，以及反 射第一发射能的光的一个或多个波长。
[0010] 详述
[0011] 公开了水生环境水参数测试装置、它的各种可能特征和用于在水生环境中实现测 量的方法。在描述若干示例性水质监测系统之前，例如定义术语"水生环境"以给读者供本 文所公开系统、设备、方法和软件的广泛适用性的意义。如本文以及随附权利要求书中所使 用，"水生环境"应当是指其中存在水并且希望测量指示水质的至少一个参数的任意环境。 进而，通过一种或多种化学品包括矿物质在水中的存在、缺乏和/或量和/或一种或多种材 料诸如有机物质、无机微粒、细菌等在水中的存在、缺乏和/或量以及它们的任意组合来测 量"质量"。水生环境的示例包括但不限于水族箱，这些水族箱包括：水族箱液箱和水族箱管 道；游泳池/跳水池/造浪池，包括游泳池/跳水池/造浪池管道；热水浴缸，包括热水浴缸 管道；鱼塘，包括鱼塘管道；饮用水供应装置，包括其管道；污水处理设施；饮水器；水显示 器；湖泊和礁湖以及用于它们的控制结构和管道（诸如位于游乐园和其它具有高度受控环 境的设施）；以及食品加工设备，这些食品加工设备使用例如水清洗食物、烹饪食物、运输 食物（仅举几个例子）。当然，本领域技术人员能够想到与本发明的教示相关的水生环境的 其它示例。关于这一点，虽然本文中的许多示例涉及用于保存鱼、珊瑚和/或其它水生生物 的水族箱设置，但本领域技术人员将很容易能够使本文中的基本教示实际上适于其中需要 水质测量的任何其它水生环境。
[0012] 图1说明了水生环境水参数测试系统100的一个示例性实施方案的高级图解表 示。测试系统100包括电子设备部分105和样品室部分110。如以下相对于多个示例更详 细论述，电子设备部分105包括与测试系统100的操作相关的一个或多个电子和/或硬件 元件。可以包含在电子设备部分105中的示例电子和硬件元件包括但不限于处理器元件、 用户接口（例如，显示器元件、用户输入元件）、光学读取器元件、存储器（例如，包括用于操 作测试系统100的一个或多个功能的指令）、用户访问元件（例如，无线网络元件、有线网络 元件、光纤、IR发射器）、可移除存储器装置（例如，存储卡插槽/读取器）、温度测量元件、 电导率测量元件、水搅拌元件、电源、信号调节元件、化学指示剂元件识别装置、通用串行总 线和端口以及它们的任意组合。
[0013] 电子设备部分105包括外壳115,该外壳用于封闭电子设备部分105的电子和/或 硬件元件中的一者或多者。外壳115可由任何合适材料制成。壳体的示例材料包括但不限 于ABS塑料、腈纶、不锈钢和它们的任意组合。外壳115可以被制为使得能够防止水进入外 壳（例如，可以对外壳进行防水处理）。
[0014] 另外如以下相对于多个示例更详细论述，样品室部分110包括一个或多个壁结 构，该一个或多个壁结构形成用于固持将使用测试系统100测试的水样品的室的至少一部 分。样品室部分110还包括用于使水样品能够放到样品室中的开口（未示出）。用于将水 样品放置在样品室中的示例方式包括但不限于：使测试系统100完全或部分浸入将取样的 水中，从而使水样品能够进入样品室部分110的开口；使用测试系统将水样品S进样品室 部分110的开口中；使用杯子或其它容器将水样品转移到样品室部分110的开口中；使用 注射器将水样品转移到样品室部分110的开口中；使用栗将水样品转移到样品室部分110 的开口中；以及它们的任意组合。
[0015] 还可以包括用于开口的盖子。这种盖子可以执行多种功能中的任一种。盖子的示 例功能包括但不限于：密封样品室以防止水样品溢出；阻止光进入样品室；热稳定性；以及 它们的任意组合。以下论述了关于用于水样品放置的盖子和开口的附加细节（例如，相对 于图25A、25B、26A和26B所示的水生环境水参数测试系统）。
[0016] 在一个不例中，外壳115的外表面120可以暴露于样品室，以使得外表面120形成 样品室的边界的一部分。以下进一步论述了具有这种特征的示例。
[0017] 样品室部分110还包括化学指示剂元件，该化学指示剂元件包括化学指示剂。化 学指示剂可以结合从电子设备部分105的光学读取器元件中输出的光一起作用，以产生可 检测的物理变化，该物理变化可以用于确定样品室中的水样品的参数值。
[0018] 电子设备部分105和样品室部分110在图1中示为是连接的。在一个示例中，电 子设备部分105和样品室部分110被构造成是在正常使用期间不可分离的零件（例如，外 壳115的一个或多个部分可以与样品室部分110的外壳的一个或多个部分邻接）。在另一 个示例中，样品室部分110的至少一部分是与电子设备部分105可分离的。在一个这样的 示例中，样品室部分110的化学指示剂元件是与测试系统100可分离的。图2说明了测试 系统200的一个示例性实施方案的高级图解表示，其中样品室部分的至少一部分205是与 测试系统200的剩余部分210 (例如，电子设备部分和样品室部分的一部分）可分离的。化 学指示剂元件的分离可以提供多个好处中的任一个。可由可分离化学指示剂元件提供的 示例好处包括但不限于：改变将使用测试系统100所测试的参数的能力；对测试系统100 的干净部分（例如，电子设备部分105的光学读取器元件的外表面、样品室的内表面、电极 等）的访问的提供；老化化学指示剂材料的更换；由用户或工厂进行的校准；以及它们的任 意组合。以下进一步论述了用于使化学指示剂元件与测试系统100分离的方式的示例。在 一个示例中，可移除地连接的化学指示剂元件形成样品室部分的一个或多个壁的至少一部 分（例如，使样品室部分能够固持液体样品）。在另一个示例中，可移除地连接的化学指示 剂元件与样品室部分在样品室部分的开口处连接，以使得当连接至开口时，化学指示剂元 件关闭开口。
[0019] 水生环境水参数测试系统（诸如系统100、200)和相关方法的示例性方面和特征 现在相对于图3至7和以下附加附图所示的示例性实现方式进行论述。附图中所示的单独 示例可以包括这些方面和/或特征中的一者或多者。然而，水生环境水参数测试系统可以 包括可单独论述和示出的方面和/或特征的任意组合。方面和/或特征的细节和示例将在 它们以示例实现方式呈现时进行论述并且这样的细节和示例可以应用于以下论述的全部 实现方式。
[0020] 如上所述，光学读取器元件（例如，作为电子设备部分的一部分）和化学指示剂 (作为样品室部分的化学指示剂元件的一部分）结合起来作用以确定水参数值。水生环境 水参数测试系统可以测试一个或多个水参数。不同的水生环境可能需要测量不同的参数。 这样的参数可以指示水质量等级、成分的量和/或水样品的属性和/或水样品的其它方面。 如以下进一步论述，了解水参数值可以使测试系统的用户能够利用这样的信息进行多个任 务中的一个或多个。示例任务包括但不限于：手动调节水生环境的一种或多种化学添加剂； 向自动化系统提供水参数值用于自动地调节水生环境的一个或多个化学添加剂；调节（例 如，手动地或自动地）水生环境的温度；向在线服务提供水参数值（例如，为了信息或查询 的目的）；使触发器报警装置向根据本发明的水生环境和/或水生环境水参数测试系统的 用于提供报警；以及它们的任意组合。示例水参数包括但不限于pH值、碳酸盐硬度、总硬 度、电导率、钙含量、镁含量、溶解氧（〇2)含量、二氧化碳含量、氨含量、磷酸盐含量、硝酸盐 含量、亚硝酸盐含量、铁含量和它们的任意组合。可以使用一个或多个参数以确定另一个参 数的值。在一个这样的示例中，多个参数值可以结合起来使用以确定另一个参数值（例如， 测量二氧化碳和pH值以计算碳酸盐硬度的值）。
[0021] 图3说明了水生环境水参数测试系统300的一种示例性实现方式。示出测试系统 300的截面。本领域技术人员应理解，测试系统300为三维结构。该结构可以具有与本文 公开内容一致的各种形状、尺寸和构造。测试系统300包括电子设备部分305和样品室部 分310。电子设备部分305包括与样品室部分310的化学指示剂元件320对齐的光学读取 器元件315。样品室部分310包括用于使待测试水样品能够放置到由样品室部分310的结 构元件（例如，样品室部分310的一个或多个壁、电子设备部分305的外表面、化学指示剂 元件320、测试系统300的其它元件和它们的任意组合）所形成的样品室中的开口（未示 出）。样品室部分（诸如样品室部分310)中的开口的示例位置包括但不限于：位于样品室 部分的上表面/上壁中、位于样品室部分的侧表面/侧壁中和它们的任意组合。样品室部 分可以包括使样品能够被添加的超过一个开口。此外，样品室部分可以包括一个或多个开 口，该一个或多个开口使化学指示剂元件能够附接至样品室部分。以下进一步论述了这样 的开口的示例。
[0022] 化学指示剂元件（诸如化学指示剂元件320)包括一个或多个化学指示剂。化学 指示剂是被设计并且构造成与水样品接触并且随着一个或多个成分和/或属性的量而经 历可检测物理变化的化学结构，该一个或多个成分和/或属性是水样品变化的一部分。可 检测物理变化的示例包括但不限于：荧光强度的变化；荧光衰减（例如，荧光寿命）；相荧 光性；电磁能吸光度的变化（反射率的变化）；颜色变化（例如，可见的颜色、不可见的颜 色）；两个或更多个波长之间的荧光比率的变化；以及它们的任意组合。如上所述，化学指 示剂可以用于确定一个或多个水参数，以上论述了这些水参数的示例和方面。
[0023]用于化学指示剂的化学材料是大量的并且可以基于以下考虑因素来选择：待测试 水生环境；待测试参数；待测试水的成分和/或属性的值的动态范围；将用作光学读取器元 件的一部分的照明光源和波长（例如，其中对于荧光可检测物理变化来说，需要激发能）； 温度；盐度；和/或其它考虑因素。在一个示例中，化学指示剂包括一种或多种指示剂染料 (例如，荧光染料）。在一个这样的示例中，使一种或多种指示剂染料在合适的介质中固定 化。示例固定化介质包括但不限于凝胶、聚合物基质（例如，纤维素基质）、水凝胶、塑料（例 如，微孔PTFE)和它们的任意组合。在一个示例中，固定化包括染料到纤维素纤维的共价结 合，这些纤维素纤维进而在介质诸如水凝胶中固定化。
[0024] 化学指示剂可以是可浸入水中的。在一个示例中，可浸入水中的指示剂在水中是 稳定的（例如，活性指示剂染料保持包含在介质中以使得指示剂染料不会与指示剂染料所 浸入的水混合和/或改变指示剂染料所浸入的水）。化学指示剂可以是可逆的（例如，当水 样品的一个或多个参数变回到原始水平时，化学指示剂回到前一种物理状态）。
[0025] 在一个示例中，用于检测钙、镁和/或二氧化碳的化学指示剂可以包含在化学指 示剂元件中。对钙敏感的化学指示剂染料的示例包括但不限于钙检测氨基萘酰亚胺、钙检 测二萘嵌苯二酰胺和它们的任意组合。对镁敏感的化学指示剂染料的示例包括但不限于 基于氨基萘酰亚胺的镁检测染料、基于光子诱导电子转移过程（PET)的镁检