取样并检测容器中的化合物的存在的方法和系统

本发明涉及一种从象玻璃瓶或塑料瓶那样的容器取样并确定某些物质，如残余污物存在与否的检查系统。更确切地说，本发明涉及一种改进了的取样分析系统及方法，它用以确定象沿传送装置快速通过容器分拣系统检查站的饮料瓶那样的容器中是否存在残余污物那样的物质。

在许多工业部门，包括饮料工业，产品装在用过后再清洗并重新装料使用的容器中。典型的可回收容器（如饮料瓶）是用易于清洁的玻璃制成的。对这些容器先清洗，再检查其内有无异物。

玻璃容器有其缺点：易碎，体积大，较重。因此，人们很希望采用塑料瓶，因为塑料瓶不易碎，比同样体积的玻璃容器轻。然而，塑料容易吸收多种有机化合物，之后这些有机化合物又可能被产品吸收，从而影响容器中产品的质量。这些有机化合物实例有含氮化合物如氨，有机氮化合物和含汽油及各种清洁溶液的碳氢化合物。

因此，本发明的主要目的是提供一种用以检查随传送装置快速移动的材料中特定物质，如碳氢化合物那样的污染物是否存在的方法和系统。

本发明的另一目的是提供一种系统和方法用以在容器随传送装 置移动时，对其内残余物作取样和分析，同时不以任何方式停止或阻碍容器的运动，以实现每分钟200-1000瓶的高取样速度。

本发明的另一目的是提供一种系统和方法，用以对随传送装置移动的容器内的残余物作取样分析，同时不使任何取样分析装置与被测容器接触。

本发明的另一目的是提供一种系统和方法，它可不将任何取样器或类似物插入容器就对随传送装置移动的容器内的残余物作取样分析。

本发明的这些目的是通过提供一种对一些物质（如容器中挥发性残余物）取样并确定其有无的方法和装置来实现的。根据本发明的一个实施例，其方法包括如下步骤：把流体注入所述容器以取代其内至少一部分成分;对容器进行抽吸，从而抽出被取代的容器内成分的试样;分析抽出的试样以确定其中这些特定残余物存在与否。

在一最佳实施方案中，注入到容器中的流体是压缩空气，该压缩空气通过一喷嘴注入，以在容器内产生一气流。这股气流造成容器内汽化成分的气雾，它从开口处冒出，然后被容器外的抽吸装置的抽走以取容器成分的一部分作试样。

注入流体和抽取试样可以是连续操作，也可是分步操作。如采用分步操作，开始向容器注入流体的步骤最好在时间上先于抽取试样步骤的开始，以为形成试样气雾提供时间。然而，注入和抽取步骤的执行可在时间上略有交叠。另外，注入和抽取也可在时间上分开，但 这要取决于期望的取样速度。另外一个选择方案是使注入和抽取在同一段时间内同步进行。

在一最佳实施方案中，流体从喷嘴的注入及靠抽吸装置的抽取在检查站同时进行。在此实施方案中，容器或瓶子在一快速移动的传送装置上快速连续通过检查站。瓶子以每分钟200到1000个的速度通过检查站。最佳速度是每分钟400个瓶子，这与现行的饮料瓶填充速度是一致的。自然，此系统在瓶子静止时，或以低于每分钟200个瓶子的速度移动时仍然能工作。期望的检查速度可因被检查和填充的瓶子大小而变。注入喷嘴在传送装置运动方向上位于抽吸装置的吸管的上游，这样，流体向容器的注入在时间上略先于所产生的试样气雾的抽取。

在本发明的另一实施方案中，一部分抽取的试样（约90%）被分流，剩下部分试样通过一分析器，以确定那些残余物的存在与否。将试样第一部分分流的目的是把通过分析器的试样的量限制到一可控制量，以实现高速分析。另外，如试样体积过大，探测器可能被弄脏或堵塞。然而，最初是希望将样品气雾基本上全部抽去，以清洁检查站区域，使之不含样品气雾，从而给下一容器提供一个干净的环境。这样就消除了在给定时刻与被检容器无关的残余物信号上的乱真携带（容器污染物的相互干扰）。

如果需要，第一样品的分流部分可被引到一选择设置的空气过滤器并循环到正注入到下一个抵达检查站的容器的压缩空气中。这 样可充分利用样品中分流了的第一部分和用于分流和压缩的泵，避免将样品第一部分排放到检查站周围的环境中。

在另一实施方案中，一个电扇被用来将样品气雾吹向检查站下游。可在检查站上安置一罩子，以给这一区域提供合适的空气动力学环境。

本发明的进一步应用范围可从下面的详细描述得到清楚的了解。然而，需要指出的是，这些详细描述和例子，在用来说明本发明的最佳实施方案时，只是作为例子给出的，因为对本行业熟悉的人，从这个详细描述便可明了在本发明的原则和范围内的各种变化及修改。

从以下仅作为例子给出因而并不限定本发明的详细描述和附图可更全面的理解本发明，在附图中：

图1是本发明的取样及残余物分析系统的示意框图，其中显示了沿一传送装置顺序通过一检查站、剔出系统和清洗站的多个容器。

图1A是类似图1的一个系统的示意框图，其中有两个检查站和探测头。

图2是一个示意框图，它显示了图1的系统在一检测系统中可能的实现方案，其中污染物可是含氮化合物。

图3是一个适用于本发明系统和方法的装置的最佳形式的正视图，它包括一个部分地包容系统组件的护罩和一个在检查站上方沿 传送装置的取样区。

图4是图3中护罩的底视图。

图5是图3中护罩的侧剖面图，以及

图6是护罩底板的部分剖面图，其中显示出一通气装置，用以使气流沿容器运动方向通过样品区。

参照图1，可见有一个沿箭头A方向移动的传送装置10，它有多个无盖、顶端开口的容器C（例如，体积约1500毫升的塑料饮料瓶），这些容器在传送装置上分立排列，以便顺序地通过检查站12、剔出机构28和传送装置32而到达清洗系统。为实现更高的检查速度，容器C可相互接触，而不是分开。容器C内的东西一般可能包括空气、残余污染物的挥发物、和容器内原有的产品如饮料的挥发物。供给压缩空气的空气注入器14上装有与在检查站12上的容器C分开一段距离但处于同一直线上的喷嘴16。即喷嘴16被设在容器之外，并且不与之相触。喷嘴16把压缩空气引入容器以取代至少一部分容器内的东西，从而放出一样品气雾18到被测容器外边。

CO2可用来替代压缩空气作注入流体。而且，压缩空气或CO2可被加热以增加被测化合物的挥发性。

对每分钟200到1000个瓶的速度，通过喷嘴16注入溶器C的空气量一般约在10C.C.的数量级。最佳瓶速为每分钟400个，这与现行饮料瓶装填速度一致。期望的检测速度可因被检测和填充的瓶子大小而变化。自然地，瓶子也可是静止的，或以小于每分钟200个 的速度移动，而本系统照样正常工作。瓶内的成分只有大约10C.C.被移到瓶外，形成样品气雾18。

还装有一个抽气取样器22，它可包括一个与取样管20相连的真空泵或类似物。取样管装在空气注入器14附近，最好在其下游（如约1/16吋处），以便能与邻近容器C顶部开口处附近的样品气雾保持流体联系。

喷咀16和管20都不与在检查站12的容器接触，而是位于容器外并与其开口很接近的地方。这样布置的优点是无须与容器C有实际接触，也无须将任何探头插入容器中，从而不会阻碍容器沿传送装置的快速移动，也不会降低取样速度。在本发明的系统和方法中，可以实现每分钟200到1000个瓶子的高取样速度。传送装置10最好被连续驱动，以实现这样的高速度，而不在检查站有瓶子停止或减速现象。

一条分流管线24与抽气取样器22相连，以使取自进入管20的气雾18的样品预定部分（最好约90%）可被通过分流管线24分流。剩下的部分样品通到确定某种物质是否存在的残余物分析器26，然后被排去。将取自气雾18的样品大部分分流的一个目的，是减少通过抽气取样器22到残余物分析器26的样器量，以实现高速分析。这样做是使残余物分析器26所检测的样品量易于得到控制。使样品一部分分流的另一个目的是能够用抽气器22基本上将样品气雾18的全部从检查站区域除去，并使其多余部分通过分流管线24分流。在 一最佳实施方案中，通过分流管线24的部分多余样品又回到空气注入器14，以便通过喷嘴16注入到下一个随传送装置10移动的容器。然而，也可简单地将分流管线24通到大气中。

应当理解的是，样品气雾18可在原地被分析，而无须输送到远处的分析器如26。它也可被吹向而不是抽向分析器26。

装有一个微处理器控制器34，以控制空气注入器14、抽气取样器22、残余物分析器26、剔除机构28和一个可选的电扇15。包括并列的发射源和光电检测器的容器探测器17与跨过传送装置10的一个反射器（未示出）相对地设置。当一容器到达检查站并暂时截断反射到光电检测器的射线时，探测器17就通知控制器34。可选择设置的电扇15被用来产生一股吹向样品气雾18的气流，气流方向最好沿容器C移动的方向，以利于在每个容器被取样后清除检查站12附近的样品气雾。这样清除了检查站区域的气体，从而不会有现存样品气雾18的余留成分能在下一个容器C到达检查站备检时污染检查站区域。这样就排除了容器间的取样夹带（carryover）。电扇15的工作循环由微处理器34控制，如图1所示。电扇15最好在系统其它部分工作期间能连续工作。

当残余物分析器26确定某一容器C受到一种不希望有的残余物污染时，微处理器控制器34就给剔出机构28一个剔出信号。剔出机构28将剔出的污染瓶子转向到传送装置30，并允许可接受的未污染瓶子在传送装置32上通行到一个清洗机（未画出）。

一个可选方案是把瓶子检查站置于传送方向上瓶子清洗机的下游，或在清洗机之后加一套检查站和残余物取样分析系统。事实上，当对瓶子作某些污染物检查时，可能最好将检查站和系统置于清洗机之后。例如，如果污染物是一种碳氢化合物，如不溶于水的汽油，则将瓶子清洗后更容易检测碳氢化合物残余物。这是因为在清洗过程中，瓶子被加热并用水清洗，可溶于水的化学挥发物被加热而从瓶子上解附，然后溶于清洗水中。另一方面一些碳氢化合物不溶于水，就可被清洗机下游的取样器22在排除水溶性化学物质后取样。所以，如果瓶子受检前通过一清洗机，对这些碳氢化合物的检测就可在没有其它水溶性化学物质的潜在干扰的情况下进行。

参照图1A，其中显示一个类似图1的分析与分拣系统，它在两个分立的检查站12（Ⅰ）和12（Ⅱ）处有两个探测头Ⅰ和Ⅱ。第一个检测头包括喷嘴16（Ⅰ）和取样管20（Ⅰ），第二个检测头有喷嘴16（Ⅱ）和取样管20（Ⅱ）。两个喷嘴16（Ⅰ），16（Ⅱ）通过一条气路与一公共空气注入器14相连，且两个取样管20（Ⅰ），20（Ⅱ）的每一个均与一公共真空源，即抽吸取样器22相连。

两个检测头的开、关受由微处理器控制器34发出的控制信号控制，以同时检查两个容器。例如，在图1A中，与容器C2和C3分别对准的检测头Ⅰ和Ⅱ被同时启动，以将空气吹入容器C2和C3，并将样品气雾18（Ⅰ）和18（Ⅱ）吸入抽吸取样器22。抽吸取样器22有适当的阀门系统和两根分别通向两个分立的分析器26（Ⅰ）和26（Ⅱ）的 输出管道23（Ⅰ）和23（Ⅱ）。分析器26（Ⅰ）分析通过管20（Ⅰ）吸入的样品，而分析器26（Ⅱ）同时分析通过管20（Ⅱ）吸入的样品。所以，比如，容器C2和C3内的东西可同时被分析。结果，如假设传送装置移动速度一样，图1A中系统的取样速率是图1的单头系统的取样速率的两倍。

检测头Ⅰ和Ⅱ被微处理器控制器34开启的时间足够长，以形成样品气雾18（Ⅰ）和18（Ⅱ），并将每个样品的一部分吸入取样管20（Ⅰ），20（Ⅱ）。然后控制器34关闭检测头Ⅰ和Ⅱ。在检测头Ⅰ和Ⅱ关闭时，容器C3通过检测头Ⅱ下方移动到容器C5先前的位置，且容器C2通过检测头Ⅰ和Ⅱ下方到达容器C4先前的位置。同时容器C0与检测头Ⅰ对准，容器C1与检测头Ⅱ对准，而检测头Ⅰ和Ⅱ又被启动以分别对容器C0和C1内的东西作取样与分析。随着每个检测头Ⅰ和Ⅱ被控制器34开启，对每个跟着传送装置10在其下移动的容器作取样，这一过程就不断继续下去。

可以看出，可同样地采用其它数目的检测头。例如，可用四个检测头和四个相应的分析器，以实现同样传送速度条件下，四倍于一检测头系统的取样速率。类似地，三个检测头提供三倍的取样速率，等等。

除了增加取样速率外，另一优点是采用普通空气注入器、抽吸取样器和控制器。多个便宜的检测头可与单个较贵的取样机一起使用，以实现这样的高取样速率。

如图所示，喷嘴16被用来产生一股通入被测容器（未画出）的气流。通过喷嘴16的气流可被加热和降温，如果应用中加热空气是有利的话。与喷嘴16并置的是一样品输入管20，它包括一个在其输出端的过滤器40，用以滤除样品中的颗粒。抽吸作用是从与分析器27相通的泵82的抽吸侧加到管20上的。

样品的一部分（例如，每分钟约6000C.C.的总样品流的90-95%），如对图1的描述那样，通过与泵46抽吸侧相连，经由分流管线24被分流。泵46使空气通过一个搜集器48和一个常开气流控制阀50，然后再回到气流输出喷嘴16。一个反压调节器54帮助控制通过喷嘴16的气流的压力，并把多余空气从出气口57排出。气流控制器50通过线50A接收来自微处理器控制器34的控制信号，以维持阀开通，从而允许气流流向喷嘴。

泵46通过与电路断路器76的输出端相连的线46A得到电能，电路断路器76又与AC滤波器74和AC供电系统PS的输出端相连。

图2实施方案中的检测器组件27是一个分析器，它用化学荧光法检测被查容器中选定化合物（如含氮化合物）的残余物。这是一种常见的检测器，它包括一个腔，用来混合臭氧和氧化氮或其它能与臭氧反应的化合物，以使它们发生反应，一个射线发送元件（带适当滤波器）和一个射线探测器，能够探到参与反应物质的化学荧光。例如，当得自在有氧化物（如空气中的氧气）存在条件下加热氮化合物（如 氨）的NO与臭氧发生化学反应时，在预定波长（如0.6到2.8微米波长）范围内，有特征光发出。化学荧光发射射线的选定部分及基强度可由光电放大管探测。

因此，在图2的系统中，大气空气被通过入口60和空气过滤62引到臭氧发生器64。在那里臭氧靠诸如空气中放电产生出来，并通过臭氧过滤器66和气流控制阀68被引到检测组件27，在那里与来自容器，并经由入口管20、过滤器40、流量限制器42和变换器44的样品混合。流入入口管20的样品通过一个变换器44（如电热镍管），在流到探测组件27前其温度在变换器内被升到约800℃到900℃。温度在400℃到1400℃范围内也是可以接受的。当含氮化合物（如氨）被这样加热时，就有NO（氧化氮）产生，并被加到检测组件27的腔内。其它非NO化合物也可能与O3反应，且在变换器44中也可产生化学荧光，例如通过加热汽油或洗涤剂残余物得到的有机化合物。

由变压器72供电的温度控制器70被用来控制变换器44的温度。

探测组件27中已通过其腔的样品经过积累器（accumulator）85和泵82被输出到一个臭氧洗涤器56，然后再到排出口57，以便为来自沿图1的传送装置10移动的下一个容器的样品清洁残余物检测器。（如前述可用一（可选设置的）电扇，（图2中未画出），帮助清除样品输入管20周围的剩余样品气雾。）与检测结果有关的探测组件27 的输出被经由一前置放大器输出到微处理器34，微处理器34又把此信息以适当方式输入记录仪83。记录仪83最好是常规的纸带记录仪，或类似物，它显示被分析样品的信号辐度与时间的关系。

微处理器34可被编程，以识别来自探测组件27的光电探测器的作为一“击”（hit）或某一种残余物的探测的信号峰，此信号峰定期出现（基于在检查站探测到的容器到达），其斜率和强度到达一预设值后要维持一段预设时间。

微处理器控制器34也向瓶子剔出器28输出一信号，以剔出污染瓶子，并将它们从通向清洗机的通路中分出来。

残余物分析器27装有一标定端86，用以调节与探测组件相连的高压电源26A。还装有一个与微处理器控制器34相连的记录仪衰减输入端88，用以调节记录仪的工作。探测组件27从高压源26A得以供电。

其它控制包括操作面板90，它包括一键盘和显示区，使操作者能以适当方式控制探测组件27的工作。

与电源PS输出端相联的直流电源78给所有有关组件提供直流电。

设有一个可选的报警器80A，以给操作者一个有受污染容器的信号。报警器80A通过输出控制线与微处理器控制器34的输出端相耦合。一个故障报警器80B也与微处理器控制器相连，以接收错误或故障信号，如当压力超出某预设范围时，来自压力开关58或真 空阀87的错误或故障信号。

也可安装其它安全装置，如真空表89，反压控制阀54，以保证系统正常工作。

整个图2中系统的大多组组件最好封在一不锈钢箱92内。该箱被一回流热交换器91冷却。热交换器91有两个气密的部分91A和91B，其中由适当的电扇提供对流气流。

图2所示的系统装在图3所示的装置内，它一般包括一个长方形不锈钢箱92，用以将图2的大部分组件封在一气密环境中。箱92的后部有适当的门和接近面板，以在需要维修时，能使人接近系统的组件。箱92装在由支脚组件96支撑的矩形支架94上。支架94的前后两面都装有轨道或槽94A。支架94后面的轨道94A被用来沿垂直方向调节箱92，使之适合不同高度的传送装置。横梁支架98做得能沿轨道94A在支架94前面上下滑动。用以加热样品中被抽吸作分析那部分的变换器44悬臂伸出到横梁支架98。护罩100也在横梁支架98上悬壁伸出并用来封住变换器44，并在检查站取样区上方构成一通道;容品C使沿传送装置10从该站中通过。这一罩的进一步细节在以下将描述的图4-6中显示。

把横梁支架98安装在轨道94中，有利于在竖直方向上调节罩100和空气注入喷嘴和取样管20，以适应其下不同尺寸的容器C。

参照图4-6，可见罩100包括一上腔102，用以容纳变换器44和一个电扇15A。在罩100的上腔102底部开有一小口102A。管 44A从变换器44底部伸出并与穿过口102A的样品输入管20相连。同样也从口102A伸出并与样品管20相邻的是喷嘴16。腔室102内的电扇15A给整个腔室加压，使样品气雾及任何其它大气物质不能进入口102A。所以它可保持变换器44周围的干净。

电扇15A产生的气流也可用来引导一股气流通过通气板110（板110上至少有一个通气孔）而穿过被检容器上方的取样区。图6中显示了这股气流的作用，其中可见气流AS通过通气孔110A把位于检查站取样区的样品气雾18的剩余物吹向传送装置10的下游侧。因此，由电扇与相应的通气孔产生的气流连续地清洁取样区，从而使后续容器不受已查过容器的样品污染。

在由罩100的底壁106形成的开口处，通气板110是可逆的，从而若传送装置10沿与图6相反向移动，则只须将板110简单换向，使之指向相反方向的通气孔110A，并引导空气在此方向上指向传送装置下游端。

更仔细参看图4和图5，罩100的底部包括一弯曲的底面;该底面包括一弯曲区106，它与挡板108一起构成检查站取样区上方的弯曲的罩或通道。构成这一通道或罩的目的，是将样品气雾容纳在有限空间范围内，以便使电扇15A和通气板110产生的气流引入一空气动力学范围内，这样有利于从检测区除去任何样品气雾18的残留物。将取样区包容在这样一个隧道状区域内也提高通过样品管的取样效率。

前面参照图1描述的瓶子位置探测器，在图5中示作组件17并设在挡板108的底部。组件17包括一并置的光源和光电探测器，它们与装在罩的对面壁上的反射器17A准直。所以，可见进入由表面106和挡板108构成的通道的容器C会切断光路，从而产生一个表明检查站有容器的信号。

以上对本发明做了描述，但很明显，它可有许多方面的变化。例如，其它形式的高速分析器，如电子俘获测器或光离子探测器，也可被用来替代图2中描述的化学荧光分析器。

一种最佳的探测器是美国专利第3845309号（Helm等）中描述的那种脉冲荧光气体分析器，该专利的公开在此被用作参考。在这样的分析器中，被吸入一腔内并被来自闪光管的辐射能量照亮的气态样品产生能被一光电探测器收到的荧光和射线。这种分析器在′309专利中被引用，如可从马萨诸塞州Franklin的Thermo Enviroment Instruments Inc.得到的43型脉冲荧光SO2分析器，当作了除去带滤波器的修改后，成为一个对一些碳氢化合物如汽油及其它石油制品中存在的多环芳香族碳氢化合物具有高灵敏度的探测器。此修改后的气体荧光分析器可用作图1和图2系统中的残余物分析器26（在后一种系统中，不需要臭氧发生器和臭氧处理组件，而且变换器44也不是必要的。）

而且，吸到管20中的样品可分成两股或多股气流并输入多个分析器27。结果，每个分析器26（图1）都可被用来检测不同类型的污 染物。也可用完全不同类型的分析器代替分析器27（图2），这些替代分析器能在变换器中对样品作预处理。在这种情况下，样品的一部分通到此不同类型变换器，一部分通到变换器44。

另外，被测物质不仅限于容器中的物质。例如本发明的系统与方法可用来检测吸附在树脂碎条或碎片中的挥发物，或回收以制造新饮料瓶的碎条或碎片状塑料品。这些碎塑料品可直接放在传送带10上，通过图1的检查站12;或者把这些塑料品放在篮，桶或其它容器内，作批量检查。

根据本发明的方法和系统，其它可被检验的材料包括各种食品，例如要查胺含量的鱼、待查试剂的药品或除草剂、橡胶制品如待查发泡剂的轮胎、卷筒材料如造纸厂产的待查酸含量的纸、甚至服装也可被检查看是否有挥发物如爆炸品或毒品。这些材料可在沿一传送装置通过检查站时被检测，而不管其在不在容器内。在后一种情况下，通过喷嘴引向材料的压缩空气或其它流体的高流速和/或加热可能是必要的，以得到待测探发物满意的样品。

另外，被测瓶子也可是新的，从未充过饮料。这样可对新瓶子作制造工艺的副产品如过量酸、醛的检查。

上面提到的变化不应被认为是对本发明的原则与范围的背离，所有这些对本行业熟练人员来说是很明白的修改都应包括在下列权利要求的范围内。