專利名稱：探測(cè)氣密封包裝中泄漏的儀器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及分析氣密封包裝內(nèi)的氧濃度和探測(cè)氣密封包裝中泄漏的儀表和技術(shù)。
背景技術(shù)：
易于腐爛的產(chǎn)品，諸如加工食品、堅(jiān)果和切片的水果和蔬菜，經(jīng)常放置在灌注惰性氣體諸如氮?dú)饣驓鍤獾臍饷芊獍b中，以實(shí)現(xiàn)包裝內(nèi)的氧濃度小于3％，由此延長(zhǎng)產(chǎn)品的保存壽命。這樣的包裝通常稱為調(diào)控氣氛包裝(CAP)或改變氣氛包裝(MAP)。
包裝內(nèi)的氣體的灌注不足和/或包裝中的泄漏會(huì)大大地減少預(yù)計(jì)的保存壽命，導(dǎo)致不希望的腐爛。因此，CAP/MAP的適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量控制工作典型地至少涉及包裝的定期試驗(yàn)，以確定氣密封包裝內(nèi)的氧成分和包裝存在的任何泄漏。
分析CAP/MAP的頂部空間(headspace)內(nèi)的氧濃度的各種各樣的儀器和方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員所熟知的，該儀器包括由明尼蘇達(dá)州明尼阿波利斯市的MOCON公司供貨的PAC CHECK系列的頂部空間氧氣分析儀。簡(jiǎn)而言之，這些儀器涉及利用空心針刺穿采樣包裝，通過(guò)空心針能夠抽出頂部空間的氣體的樣品并通過(guò)氧氣感測(cè)器來(lái)進(jìn)行分析。參見授權(quán)給William Mayer的美國(guó)專利No.5212993，其公開的內(nèi)容包括在此以供參考。
氣密封包裝中泄漏探測(cè)的各種各樣的儀器和方法也是知道的。泄漏探測(cè)典型地涉及在包裝內(nèi)部的壓力(內(nèi)壓)和包裝外部的壓力(外壓)之間形成壓差一諸如通過(guò)壓縮包裝或在圍繞包裝的氣氛中抽真空，然后探測(cè)給定的可能與包裝中存在泄漏有關(guān)的變量的任何改變。具體的例子包括將包裝沉沒在液體中并探測(cè)包裝內(nèi)的任何液體(授權(quán)給Allen Chien等人的美國(guó)專利No.6763702)，擠壓包裝并探測(cè)任何壓力衰減(授權(quán)給Frank Raspante等人的美國(guó)專利No.6427524)，擠壓包裝并探測(cè)任何容積衰減(授權(quán)給William Frievalt的美國(guó)專利No.5533385)以及將包裝放置在真空腔內(nèi)并探測(cè)任何真空損失(授權(quán)給Edwin Simpson的美國(guó)專利No.5150605)。
雖然這些儀器和技術(shù)的每一種一般對(duì)于分析氣密封包裝內(nèi)的氧濃度或探測(cè)氣密封包裝中的泄漏是有效的，但是對(duì)下列的基本需要一直存在，它們是(i)用于探測(cè)氣密封包裝中的泄漏的快速的、容易的、廉價(jià)的和精確的儀器和技術(shù)，和(ii)能夠提供氣密封包裝內(nèi)的氧濃度的精確分析和氣密封包裝的任何泄漏的探測(cè)的儀器和技術(shù)，利用同一個(gè)單獨(dú)的包裝和利用單個(gè)整體儀器來(lái)進(jìn)行這些試驗(yàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的第一方面是探測(cè)氣密封包裝中泄漏的儀器。該儀器包括(a)具有空腔的針，(b)質(zhì)量流量傳感器，和(c)真空泵。質(zhì)量流量傳感器與由針限定的空腔密封流體連通。真空泵與由針限定的空腔及質(zhì)量流量傳感器相流體連通以從氣密封包裝抽空氣體以及使質(zhì)量流量傳感器能夠感測(cè)來(lái)自被抽空的包裝的任何連續(xù)質(zhì)量流。
本發(fā)明的第二方面是用于分析氣密封包裝內(nèi)的氣體的氧濃度以及探測(cè)氣密封包裝中的泄漏的儀器。該儀器包括(a)具有空腔的針，(b)氧氣傳感器，(c)質(zhì)量流量傳感器和(d)真空泵。該氧氣傳感器和該質(zhì)量流量傳感器與由針限定的空腔相密封流體連通。真空泵與由針限定的空腔以及與氧氣傳感器和質(zhì)量流量傳感器相流體連通，以便(A)將氣體樣品通過(guò)針的空腔從氣密封包裝內(nèi)泵出，與氧氣傳感器可操作地接觸，從而能夠感測(cè)樣品的氧濃度，(B)抽出氣密封包裝中的氣體成分，以及(C)使質(zhì)量流量傳感器能夠感測(cè)來(lái)自被抽空的包裝的任何連續(xù)的質(zhì)量流。
本發(fā)明的第三方面是探測(cè)氣密封包裝中的泄漏的方法。該方法包括(a)選擇氣密封包裝，(b)用具有空腔的空心針刺穿該氣密封包裝，(c)通過(guò)針的空腔從氣密封包裝內(nèi)抽出任何氣體成分，以在氣密封包裝內(nèi)形成真空，和(d)測(cè)量來(lái)自被抽空的氣密封包裝內(nèi)的質(zhì)量流量。感測(cè)來(lái)自被抽空的氣密封包裝的大于閾值的質(zhì)量流量，指示氣密封包裝中有泄漏。
本發(fā)明的第四方面是分析氣密封包裝內(nèi)的氣體的氧濃度和探測(cè)氣密封包裝中的泄漏的方法。該方法涉及(a)選擇氣密封包裝，(b)用具有空腔的空心針刺穿氣密封包裝，(c)通過(guò)針的空腔泵送氣密封包裝內(nèi)的氣體的樣品，并使之與氧氣傳感器可操作地接觸從而感測(cè)樣品中的氧濃度，(d)通過(guò)針的空腔從氣密封包裝內(nèi)抽出氣體成分，以在氣密封包裝內(nèi)形成真空，和(e)測(cè)量來(lái)自被抽空的氣密封包裝的質(zhì)量流量。感測(cè)來(lái)自被抽空的氣密封包裝的大于閾值的質(zhì)量流量，指示氣密封包裝中有泄漏。


圖1是本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的側(cè)視圖。
圖2是圖1所示的針的遠(yuǎn)端的放大截面?zhèn)纫晥D。
具體實(shí)施例方式
術(shù)語(yǔ)表10儀器20針21針的遠(yuǎn)端29針的空腔30壓力傳感器40氧氣傳感器50閥門60真空泵70質(zhì)量流量傳感器80管道80a、80b和80c的集體標(biāo)記80a 一段使針和氧氣傳感器相互連接的管道80b 一段使氧氣傳感器和真空泵相互連接的管道80c 一段使真空泵和質(zhì)量流量傳感器相互連接的管道90排氣道
100 包裝101 包裝中的固體成分102 包裝中的氣體成分200 隔膜結(jié)構(gòu)如圖1所示，本發(fā)明的第一個(gè)方面是用于分析氣密封包裝100的氣體成分102的氧濃度和探測(cè)氣密封包裝100中的泄漏的儀器10。
儀器10能夠有效地用于各種各樣的氣密封包裝100，所述包裝從剛性包裝諸如聚氯乙烯管，半柔性包裝諸如涂蠟的紙盒和薄壁聚乙烯瓶，到柔性包裝諸如由聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(即MYLAR)或聚乙烯膜制造的袋子。
參照?qǐng)D1，第一個(gè)方面的儀器10包括針20、壓力傳感器30、氧氣傳感器40、選擇閥50、真空泵60、質(zhì)量流量傳感器70和用于密封地相互連接儀器10的各個(gè)構(gòu)件的適當(dāng)?shù)墓艿?0a、80b和80c以下集體標(biāo)記為管道80。
如圖2所示，針20構(gòu)造并設(shè)置成帶有空腔29和有效地用于刺穿包裝100的側(cè)壁(未編號(hào))的銳利尖角的遠(yuǎn)端21。隔膜200優(yōu)選地粘結(jié)到包裝100的側(cè)壁一特別是當(dāng)包裝100是高度柔性的時(shí)一在用針20刺穿包裝100之前，以維持針20周圍的氣密封。
參照?qǐng)D1，真空泵60通過(guò)管道80密封地連接到針20的空腔29。一旦針20已經(jīng)插穿包裝100，使真空泵60運(yùn)行通過(guò)針20的空腔29從包裝100中抽出包裝100中的氣體成分102的樣品并與氧氣傳感器40可操作地接觸。
基本上任何類型的真空泵60適合用于儀器10，而選擇主要地取決于電源的選擇(即電池或電力線)、所希望的可攜帶程度(即手提式或臺(tái)面式)和預(yù)計(jì)的用途(即大容量或小容量包裝的試驗(yàn))。對(duì)于大多數(shù)應(yīng)用，具有約250～1000cm3/min的最大氣體體積流量和能夠抽取最大約1-15 lb/in2，優(yōu)選為4-8 lb/in2的真空度的真空泵，使用標(biāo)準(zhǔn)消費(fèi)電池(例如，AAA、AA、A、C、D或9V電池)將是足夠的。
氧氣傳感器40可以從一些容易得到的多種多樣的氧氣傳感器來(lái)源中選擇任何一種，這些來(lái)源諸如由明尼蘇達(dá)州的明尼阿波利斯市的MOCON公司供貨的PAC CHECK系列的頂部空間氧氣分析儀。氧氣傳感器40優(yōu)選地定位在真空泵60的上游，以避免從包裝100抽取的用于分析的氣體樣品的潛在污染。
如在美國(guó)專利No.5212993中詳細(xì)地描述的，結(jié)合其公開內(nèi)容以作參考，閥門50諸如三通閥優(yōu)選地定位在氧氣傳感器40和真空泵60之間，以使由泵60從包裝100抽取的進(jìn)入氧氣傳感器40的氣體樣品的壓力在分析之前能夠正?；?。氣體樣品壓力的這種正?；呀?jīng)發(fā)現(xiàn)可提高分析的精確度。
質(zhì)量流量傳感器70定位在真空泵60的下游，用于測(cè)量由真空泵60從包裝100抽取的氣體成分102的質(zhì)量流量?？蛇x地，質(zhì)量流量傳感器70可以定位在真空泵60的上游。關(guān)注的是，在由真空泵60從包裝100已抽出空氣體成分120和在包裝100內(nèi)已建立穩(wěn)定狀態(tài)的真空之后由質(zhì)量流量傳感器70測(cè)得的質(zhì)量流量。在這個(gè)階段當(dāng)測(cè)得的質(zhì)量流量大于或等于閾值時(shí)表示包裝100存在泄漏，當(dāng)其小于閾值時(shí)表示包裝100不存在任何泄漏。
實(shí)用閾值的選擇取決于若干因素，這些因素包括由真空泵60抽取的真空程度、制造包裝100所用的材料等。一般地，當(dāng)真空泵60抽取的真空度在約4-8 lb/in2之間時(shí)約0.1cm3/min的閾值可以有效地用作所述閾值。
儀器10中使用的合適的氣體質(zhì)量流量傳感器70可從一些來(lái)源得到，這些來(lái)源包括馬薩諸塞州的Wilmington市的MKS儀器公司。
在針20和真空泵60之間，優(yōu)選地在針20和氧氣傳感器40之間使用壓力傳感器30，在真空泵60運(yùn)行的同時(shí)用于測(cè)量和報(bào)告包裝100內(nèi)的壓力。
壓力傳感器30、氧氣傳感器40、選擇閥50、真空泵60和質(zhì)量流量傳感器70優(yōu)選地通過(guò)微控制器或處理器(未示出)可操作地相互連接，微控制器或處理器用于控制各個(gè)構(gòu)件的運(yùn)行以及接收與處理由各個(gè)傳感器所產(chǎn)生的數(shù)據(jù)信號(hào)。這些構(gòu)件連同有關(guān)的管道80和電源(未示出)優(yōu)選地安裝在一個(gè)單獨(dú)的外殼(未示出)內(nèi)，該外殼安裝有(i)入口(未示出)，該入口被構(gòu)造和布置成連接到一段管道80a以使針20與安裝在外殼內(nèi)的構(gòu)件相流體連通，和(ii)用于和使用者通訊的用戶輸入裝置(未示出)和可視的顯示屏(未示出)。
儀器10可以構(gòu)造為便攜式或臺(tái)面式單元。
使用選擇具有固體成分101和氣體成分102的包裝100的單元用于分析。隔膜200選擇地粘接到包裝100的外表面(未編號(hào))。隔膜200和包裝100由針20的遠(yuǎn)端21穿過(guò)足夠的距離，以使空腔29與包裝100中的內(nèi)容物相流體連通。針20然后留在插入位置供進(jìn)行剩余程序。剩余程序可以手動(dòng)或自動(dòng)實(shí)現(xiàn)。下面公開的內(nèi)容將基于儀器10的自動(dòng)運(yùn)行來(lái)給出。
用戶通過(guò)壓下啟動(dòng)按鈕(未示出)開始分析。閥門50被驅(qū)動(dòng)以使針20與真空泵60相流體連通并關(guān)閉排氣道90。然后啟動(dòng)真空泵60以通過(guò)管段80a從包裝100中將氣體成分102的樣品抽入氧氣傳感器40。典型地，約2-5ml的樣品就足夠了。然后，停運(yùn)真空泵60，驅(qū)動(dòng)閥門50以打開排氣道90并使氧氣傳感器40內(nèi)的氣體樣品的壓力正?；?。一旦氣體樣品的壓力正?；?qū)動(dòng)閥門50以關(guān)閉排氣道90，觸發(fā)氧氣傳感器40以感測(cè)、記錄和報(bào)告從包裝100中抽出的氣體樣品中的氧濃度。
在完成由氧氣傳感器40進(jìn)行的分析之后，氧氣傳感器40不再工作，啟動(dòng)真空泵60以從包裝100中抽出氣體成分102并抽真空。觸發(fā)質(zhì)量流量傳感器70，在從包裝100抽出氣體成分102之后感測(cè)通過(guò)管道80的質(zhì)量流量。感測(cè)出的質(zhì)量流量可以簡(jiǎn)單地記錄和報(bào)告，但是優(yōu)選地首先與閾值相比較。當(dāng)穩(wěn)定狀態(tài)的真空下的質(zhì)量流量小于閾值時(shí)，感測(cè)的質(zhì)量流量與“沒有探測(cè)到泄漏”的指示一起被記錄和報(bào)告，或當(dāng)穩(wěn)定狀態(tài)的真空下的質(zhì)量流量大于或等于閾值時(shí)，感測(cè)的質(zhì)量流量與“探測(cè)到泄漏”的指示一起被記錄和報(bào)告。然后，使真空泵60和質(zhì)量流量傳感器70不工作。
權(quán)利要求
1.一種儀器，包括(a)針，它具有空腔；(b)質(zhì)量流量傳感器，它與由針限定的空腔密封流體連通；和(c)真空泵，它與由針限定的空腔流體連通以從氣密封包裝中抽空氣體，以及與質(zhì)量流量傳感器流體連通以引導(dǎo)來(lái)自被抽空的包裝的質(zhì)量流與質(zhì)量流量傳感器可操作地接觸，從而能夠感測(cè)來(lái)自被抽空的包裝的任何連續(xù)質(zhì)量流。
2.一種儀器包括(a)針，它具有空腔；(b)氧氣傳感器，它與由針限定的空腔以密封流體連通；(c)質(zhì)量流量傳感器，它與由針限定的空腔密封流體連通；(d)真空泵，它(i)與由針限定的空腔相流體連通以便(A)將氣體樣品通過(guò)針的空腔從氣密封包裝內(nèi)泵出，與氧氣傳感器可操作地接觸，從而能夠感測(cè)樣品的氧濃度，(B)抽出氣密封包裝的氣體成分，以及(ii)與質(zhì)量流量傳感器相流體連通，以便引導(dǎo)來(lái)自被抽空的包裝的質(zhì)量流與質(zhì)量流量傳感器可操作地接觸，從而能夠感測(cè)來(lái)自被抽空的包裝的任何連續(xù)質(zhì)量流。
3.一種方法，包括下列步驟(a)選擇氣密封包裝；(b)用具有空腔的空心針刺穿氣密封包裝；(c)通過(guò)針的空腔從氣密封包裝內(nèi)抽出任何氣體成分，以在氣密封包裝內(nèi)形成真空；和(d)測(cè)量來(lái)自被抽空的氣密封包裝內(nèi)的質(zhì)量流量，因此，來(lái)自被抽空的氣密封包裝的大于閾值的質(zhì)量流量指示氣密封包裝中有泄漏。
4.一種方法，包括下列步驟(a)選擇氣密封包裝；(b)用具有空腔的空心針刺穿氣密封包裝；(c)通過(guò)針的空腔泵送氣密封包裝內(nèi)的氣體樣品并使之與氧氣傳感器可操作地接觸從而感測(cè)樣品中的氧濃度；(d)通過(guò)針的空腔從氣密封包裝內(nèi)抽出氣體成分，以在氣密封包裝內(nèi)形成真空；和(e)測(cè)量來(lái)自被抽空的氣密封包裝的質(zhì)量流量，因此，來(lái)自被抽空的氣密封包裝的大于閾值的質(zhì)量流量指示氣密封包裝中有泄漏。
全文摘要
一種探測(cè)氣密封包裝中泄漏的儀器，該儀器包括(i)空心針；(ii)質(zhì)量流量傳感器，它與由空心針限定的空腔相密封流體連通；和(iii)真空泵。真空泵與由針限定的空腔相流體連通以從氣密封包裝中抽出氣體，且與質(zhì)量流量傳感器相流體連通以引導(dǎo)來(lái)自被抽空的包裝的質(zhì)量流與質(zhì)量流量傳感器可操作地接觸，以能夠感測(cè)來(lái)自被抽空的包裝的任何連續(xù)的質(zhì)量流。該儀器還可以包括與由空心針限定的空腔相密封流體連通的氧氣傳感器以分析氣密封包裝內(nèi)的氣體的氧濃度。
文檔編號(hào)G01N1/00GK1997881SQ200580007575
公開日2007年7月11日 申請(qǐng)日期2005年12月13日 優(yōu)先權(quán)日2005年1月10日
發(fā)明者D·W·邁耶, T·A·阿謝曼 申請(qǐng)人:膜康公司