探測氣密封包裝中洩漏的儀器和方法
2023-06-07 16:04:16
專利名稱：探測氣密封包裝中洩漏的儀器和方法
技術領域：
本發明涉及分析氣密封包裝內的氧濃度和探測氣密封包裝中洩漏的儀表和技術。
背景技術：
易於腐爛的產品，諸如加工食品、堅果和切片的水果和蔬菜，經常放置在灌注惰性氣體諸如氮氣或氬氣的氣密封包裝中，以實現包裝內的氧濃度小於3％，由此延長產品的保存壽命。這樣的包裝通常稱為調控氣氛包裝(CAP)或改變氣氛包裝(MAP)。
包裝內的氣體的灌注不足和/或包裝中的洩漏會大大地減少預計的保存壽命，導致不希望的腐爛。因此，CAP/MAP的適當的質量控制工作典型地至少涉及包裝的定期試驗，以確定氣密封包裝內的氧成分和包裝存在的任何洩漏。
分析CAP/MAP的頂部空間(headspace)內的氧濃度的各種各樣的儀器和方法是本領域技術人員所熟知的，該儀器包括由明尼蘇達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。簡而言之，這些儀器涉及利用空心針刺穿採樣包裝，通過空心針能夠抽出頂部空間的氣體的樣品並通過氧氣感測器來進行分析。參見授權給William Mayer的美國專利No.5212993，其公開的內容包括在此以供參考。
氣密封包裝中洩漏探測的各種各樣的儀器和方法也是知道的。洩漏探測典型地涉及在包裝內部的壓力(內壓)和包裝外部的壓力(外壓)之間形成壓差一諸如通過壓縮包裝或在圍繞包裝的氣氛中抽真空，然後探測給定的可能與包裝中存在洩漏有關的變量的任何改變。具體的例子包括將包裝沉沒在液體中並探測包裝內的任何液體(授權給Allen Chien等人的美國專利No.6763702)，擠壓包裝並探測任何壓力衰減(授權給Frank Raspante等人的美國專利No.6427524)，擠壓包裝並探測任何容積衰減(授權給William Frievalt的美國專利No.5533385)以及將包裝放置在真空腔內並探測任何真空損失(授權給Edwin Simpson的美國專利No.5150605)。
雖然這些儀器和技術的每一種一般對於分析氣密封包裝內的氧濃度或探測氣密封包裝中的洩漏是有效的，但是對下列的基本需要一直存在，它們是(i)用於探測氣密封包裝中的洩漏的快速的、容易的、廉價的和精確的儀器和技術，和(ii)能夠提供氣密封包裝內的氧濃度的精確分析和氣密封包裝的任何洩漏的探測的儀器和技術，利用同一個單獨的包裝和利用單個整體儀器來進行這些試驗。
發明內容
本發明的第一方面是探測氣密封包裝中洩漏的儀器。該儀器包括(a)具有空腔的針，(b)質量流量傳感器，和(c)真空泵。質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量流量傳感器能夠感測來自被抽空的包裝的任何連續質量流。
本發明的第二方面是用於分析氣密封包裝內的氣體的氧濃度以及探測氣密封包裝中的洩漏的儀器。該儀器包括(a)具有空腔的針，(b)氧氣傳感器，(c)質量流量傳感器和(d)真空泵。該氧氣傳感器和該質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量流量傳感器相流體連通，以便(A)將氣體樣品通過針的空腔從氣密封包裝內泵出，與氧氣傳感器可操作地接觸，從而能夠感測樣品的氧濃度，(B)抽出氣密封包裝中的氣體成分，以及(C)使質量流量傳感器能夠感測來自被抽空的包裝的任何連續的質量流。
本發明的第三方面是探測氣密封包裝中的洩漏的方法。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)通過針的空腔從氣密封包裝內抽出任何氣體成分，以在氣密封包裝內形成真空，和(d)測量來自被抽空的氣密封包裝內的質量流量。感測來自被抽空的氣密封包裝的大於閾值的質量流量，指示氣密封包裝中有洩漏。
本發明的第四方面是分析氣密封包裝內的氣體的氧濃度和探測氣密封包裝中的洩漏的方法。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)通過針的空腔泵送氣密封包裝內的氣體的樣品，並使之與氧氣傳感器可操作地接觸從而感測樣品中的氧濃度，(d)通過針的空腔從氣密封包裝內抽出氣體成分，以在氣密封包裝內形成真空，和(e)測量來自被抽空的氣密封包裝的質量流量。感測來自被抽空的氣密封包裝的大於閾值的質量流量，指示氣密封包裝中有洩漏。
圖1是本發明的一個實施例的側視圖。
圖2是圖1所示的針的遠端的放大截面側視圖。
具體實施例方式
術語表10儀器20針21針的遠端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質量流量傳感器80管道80a、80b和80c的集體標記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 隔膜結構如圖1所示，本發明的第一個方面是用於分析氣密封包裝100的氣體成分102的氧濃度和探測氣密封包裝100中的洩漏的儀器10。
儀器10能夠有效地用於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，半柔性包裝諸如塗蠟的紙盒和薄壁聚乙烯瓶，到柔性包裝諸如由聚對苯二甲酸乙二醇酯(即MYLAR)或聚乙烯膜製造的袋子。
參照圖1，第一個方面的儀器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、質量流量傳感器70和用於密封地相互連接儀器10的各個構件的適當的管道80a、80b和80c以下集體標記為管道80。
如圖2所示，針20構造並設置成帶有空腔29和有效地用於刺穿包裝100的側壁(未編號)的銳利尖角的遠端21。隔膜200優選地粘結到包裝100的側壁一特別是當包裝100是高度柔性的時一在用針20刺穿包裝100之前，以維持針20周圍的氣密封。
參照圖1，真空泵60通過管道80密封地連接到針20的空腔29。一旦針20已經插穿包裝100，使真空泵60運行通過針20的空腔29從包裝100中抽出包裝100中的氣體成分102的樣品並與氧氣傳感器40可操作地接觸。
基本上任何類型的真空泵60適合用於儀器10，而選擇主要地取決於電源的選擇(即電池或電力線)、所希望的可攜帶程度(即手提式或臺面式)和預計的用途(即大容量或小容量包裝的試驗)。對於大多數應用，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，優選為4-8 lb/in2的真空度的真空泵，使用標準消費電池(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源中選擇任何一種，這些來源諸如由明尼蘇達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優選地定位在真空泵60的上遊，以避免從包裝100抽取的用於分析的氣體樣品的潛在汙染。
如在美國專利No.5212993中詳細地描述的，結合其公開內容以作參考，閥門50諸如三通閥優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抽取的進入氧氣傳感器40的氣體樣品的壓力在分析之前能夠正常化。氣體樣品壓力的這種正常化已經發現可提高分析的精確度。
質量流量傳感器70定位在真空泵60的下遊，用於測量由真空泵60從包裝100抽取的氣體成分102的質量流量。可選地，質量流量傳感器70可以定位在真空泵60的上遊。關注的是，在由真空泵60從包裝100已抽出空氣體成分120和在包裝100內已建立穩定狀態的真空之後由質量流量傳感器70測得的質量流量。在這個階段當測得的質量流量大於或等於閾值時表示包裝100存在洩漏，當其小於閾值時表示包裝100不存在任何洩漏。
實用閾值的選擇取決於若干因素，這些因素包括由真空泵60抽取的真空程度、製造包裝100所用的材料等。一般地，當真空泵60抽取的真空度在約4-8 lb/in2之間時約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量流量傳感器70可從一些來源得到，這些來源包括麻薩諸塞州的Wilmington市的MKS儀器公司。
在針20和真空泵60之間，優選地在針20和氧氣傳感器40之間使用壓力傳感器30，在真空泵60運行的同時用於測量和報告包裝100內的壓力。
壓力傳感器30、氧氣傳感器40、選擇閥50、真空泵60和質量流量傳感器70優選地通過微控制器或處理器(未示出)可操作地相互連接，微控制器或處理器用於控制各個構件的運行以及接收與處理由各個傳感器所產生的數據信號。這些構件連同有關的管道80和電源(未示出)優選地安裝在一個單獨的外殼(未示出)內，該外殼安裝有(i)入口(未示出)，該入口被構造和布置成連接到一段管道80a以使針20與安裝在外殼內的構件相流體連通，和(ii)用於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可以構造為可攜式或臺面式單元。
使用選擇具有固體成分101和氣體成分102的包裝100的單元用於分析。隔膜200選擇地粘接到包裝100的外表面(未編號)。隔膜200和包裝100由針20的遠端21穿過足夠的距離，以使空腔29與包裝100中的內容物相流體連通。針20然後留在插入位置供進行剩餘程序。剩餘程序可以手動或自動實現。下面公開的內容將基於儀器10的自動運行來給出。
用戶通過壓下啟動按鈕(未示出)開始分析。閥門50被驅動以使針20與真空泵60相流體連通並關閉排氣道90。然後啟動真空泵60以通過管段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。然後，停運真空泵60，驅動閥門50以打開排氣道90並使氧氣傳感器40內的氣體樣品的壓力正常化。一旦氣體樣品的壓力正常化，驅動閥門50以關閉排氣道90，觸發氧氣傳感器40以感測、記錄和報告從包裝100中抽出的氣體樣品中的氧濃度。
在完成由氧氣傳感器40進行的分析之後，氧氣傳感器40不再工作，啟動真空泵60以從包裝100中抽出氣體成分102並抽真空。觸發質量流量傳感器70，在從包裝100抽出氣體成分102之後感測通過管道80的質量流量。感測出的質量流量可以簡單地記錄和報告，但是優選地首先與閾值相比較。當穩定狀態的真空下的質量流量小於閾值時，感測的質量流量與「沒有探測到洩漏」的指示一起被記錄和報告，或當穩定狀態的真空下的質量流量大於或等於閾值時，感測的質量流量與「探測到洩漏」的指示一起被記錄和報告。然後，使真空泵60和質量流量傳感器70不工作。
權利要求
1.一種儀器，包括(a)針，它具有空腔；(b)質量流量傳感器，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，以及與質量流量傳感器流體連通以引導來自被抽空的包裝的質量流與質量流量傳感器可操作地接觸，從而能夠感測來自被抽空的包裝的任何連續質量流。
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)將氣體樣品通過針的空腔從氣密封包裝內泵出，與氧氣傳感器可操作地接觸，從而能夠感測樣品的氧濃度，(B)抽出氣密封包裝的氣體成分，以及(ii)與質量流量傳感器相流體連通，以便引導來自被抽空的包裝的質量流與質量流量傳感器可操作地接觸，從而能夠感測來自被抽空的包裝的任何連續質量流。
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)通過針的空腔從氣密封包裝內抽出任何氣體成分，以在氣密封包裝內形成真空；和(d)測量來自被抽空的氣密封包裝內的質量流量，因此，來自被抽空的氣密封包裝的大於閾值的質量流量指示氣密封包裝中有洩漏。
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)通過針的空腔泵送氣密封包裝內的氣體樣品並使之與氧氣傳感器可操作地接觸從而感測樣品中的氧濃度；(d)通過針的空腔從氣密封包裝內抽出氣體成分，以在氣密封包裝內形成真空；和(e)測量來自被抽空的氣密封包裝的質量流量，因此，來自被抽空的氣密封包裝的大於閾值的質量流量指示氣密封包裝中有洩漏。
全文摘要
一種探測氣密封包裝中洩漏的儀器，該儀器包括(i)空心針；(ii)質量流量傳感器，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，且與質量流量傳感器相流體連通以引導來自被抽空的包裝的質量流與質量流量傳感器可操作地接觸，以能夠感測來自被抽空的包裝的任何連續的質量流。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的氣體的氧濃度。
文檔編號G01N1/00GK1997881SQ200580007575
公開日2007年7月11日 申請日期2005年12月13日 優先權日2005年1月10日
發明者D·W·邁耶, T·A·阿謝曼 申請人:膜康公司