CN102667451A - 可变路径长度探测器 - Google Patents
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Abstract
在此提供了一种探测器，该探测器具有一个探测器头部（2），其中形成了一个开孔（10）用于接收一个有待分析的样品。这个头部（2）包括一对光接口（16，18），每个光接口被置于该开孔（10）的一个对应的相对的内表面（20，22）处以限定穿过该开孔（10）的一个用于光辐射的路径（26）。这对光接口中的至少一个（18）包括对于在所感兴趣的这个或这些波长区域中的光辐射而言透明的一个元件（32）、并且被设置成允许该光辐射在探测器头部的内部（28）与开孔（10）之间传播。这种探测器进一步包括一个可移动的隔膜（24），在该隔膜中，这对光接口（16，18）中的一个（18）被定位成随该隔膜一起移动，并且一个致动器（46）被定位在该探测器头部（2）之内并且可操作地连接到该隔膜（24）上以控制其移动，以此改变用于光辐射的路径（26）的路径长度。
Description
本发明涉及一种用于光学分析并具有可变传输路径长度的探测器，特别是涉及一种用于材料（尤其是在工艺管线、反应容器、存储罐或其他散装容器内的材料）的原位光学分析的可变路径长度探测器。
在工业性过程中经常要求测量和监控工艺管线或反应容器的内容物。可能很重要的是能够对工艺罐内的反应进行跟踪或在工艺管线穿过处理系统时对其内容物进行监测而不通过带有泵、阀和冲洗安排的复杂旁路系统来传送其内容物。这种监测提供了实时过程控制的可能性。此外，在药物或食品制作行业中，可能很重要的是将这些内容物与外部设备的相互作用最小化，这种相互作用可能会增加污染风险，因此原位分析是优选的。
光学光谱分析（特别是红外线分析）是非破坏性的、并且特别适合此类测量和监测，因为许多材料（特别是有机材料）显示出高度特征性的红外线吸收性能。因此，通过测量一个样品中的波长相关的红外线吸收，无论是在传输、反射或透反射（transflectance）分析配置中，都可确定有关样品的物理结构和组成的信息。红外光谱学已成功地用于分析多种多样的产品，包括奶类、谷物、油类、药品和生物燃料。
从WO 96/12174中已知提供一种具有探测器头部的探测器，用于放置在反应容器中以便通过在线光学分析来确定其内容物。这种探测器包括在一个管内的第一光传输装置，该管延伸进入该容器内并且是旨在用于将光透射到一个槽缝的内表面上，该槽缝形成在该探测器头部内以便接收用于分析的样品。一个反射器被定位在该槽缝的相对的内表面上，以便将光朝向相对的窗口反射回去，光从该窗口透到反应容器外部用于分析被照射的样品。提供了一个致动器用于改变管内的光传输装置与反射器之间的传输路径长度。
从US-A-5,708,273中还已知提供一种可变路径长度的光学探测器用于分析工艺管线内的材料。这种探测器包括一个探测器头部，其中形成了一个用于接收被照射样品的开槽的孔。光纤末端终止于在形成该开槽孔一侧的第一管状外壳内的一个窗口处，并且在第二管状外壳上安排了一个反射镜，该第二管状外壳被安置成与第一管状外壳滑动接合并且形成该孔的相对侧。该反射镜和窗口一起配合以限定穿过该孔病因此穿过待分析的样品的光路。一个手动操作的致动器被连接到一个外壳或两个外壳上用于使一个外壳相对于另一个外壳而滑动。该反射镜与窗口的分离由此而受到调节，以便改变穿过该槽缝的光的传输路径长度。
根据本发明的一个第一方面，在此提供了一种探测器头部，其中形成了一个用于接收待分析样品的开孔，该头部包括一对光接口，该对光接口各自被设置在该开孔的一个相对内表面上以限定穿过该开孔的传输路径，其中该对光接口中的至少一个包括对于该波长中的光辐射透明的一个元件，该元件被配置成允许所感兴趣的光辐射在该探测器头部的内部与该开孔之间传播。该光学探测器进一步包括一个可移动的隔膜，可选择地处于一个波纹管的形式，其中该对光接口中的一个被定位成随其移动，并且一个致动器可操作地连接到该隔膜上以控制其移动，以此改变该路径长度。
可任选地，该探测器头部进一步包括一个铰链系统，该铰链系统与该致动器协作在一个弧线中移动位于该隔膜内的光接口，以此改变该路径长度。该弧形运动由于光路长度的改变而导致在这些光接口之间缺少平行性、并由此降低了在这些接口之间反射的任何不良影响。此外，该铰链系统可提供稳定性增加的隔膜，以抵抗由于外界影响如压力变化或管线中流动材料所施加的力所造成不希望的移动。
该隔膜可包括一个扁平的柔性片或可替代地一个波纹片或波纹管，以提供一个增大的移动范围并且被形成为以便施加一种抵抗该隔膜延伸的偏置力，这在需要时可以替代一个分离的偏置装置，如一个弹簧。
可任选地，这对光接口中的另一个也可以被定位在一个相关联的隔膜之内，该相关联的隔膜也是可移动的，以此改变穿过在这些接口之间的材料的传输路径的路径长度。
通过考虑参见附图对根据本发明的探测器头部的多个示例性实施方案的以下说明，这些优点和其他优点将变得更加清晰：
图1图示了根据本发明的一个探测器头部
图2图示了通过图1的探测器头部的一个剖面A-A
图3图示了图1和图2的探测器头部到替代性分析仪的光耦合；在图3a中光耦合到一个局部光栅分光计上，而在图3b中光耦合到一个远程分析仪上。
图4图示了根据本发明的另一个示例性探测器头部。
图5图示了用于移动该隔膜的几种替代性致动器。
现在考虑图1，其中对根据本发明的一个示例性探测器头部2进行了图解，该探测器头部在此是旨在用于插入一个工艺管线、反应容器、存储罐或其他散装容器之中。探测器头部2配有一个接口区4，在此该接口区包括一个密封环6并且它是旨在用于同一个在例如工艺管线（未示出）上的相应的接口对接并且密封。这个接口区4的作用是将该探测器头部2的近端8与远端12分离的一个边界。在使用中，近端8是位于管线外部，而远端12是旨在用于在管线中浸入材料中，一般为流动性材料。一个开孔，在本实施方案中为一个槽缝10，被定位于探测器头部2内接口区6之后并且朝向探测器头部2的远端12。槽缝10提供了一个样品空间14，在工艺管线内的材料的一部分可进入（在本实施方案中为流入）该样品空间以供分析。一对光接口16，18在该槽缝10内被定位成彼此相对地在该槽缝10的对应的相对的内表面20，22上。在本实施方案中，这些光接口中的一个18被示出是位于一个可移动的隔膜之内，在此该隔膜是有波纹的以形成一个波纹管隔膜24，但应该理解的是，该对光接口的另一个16也可以被定位在其自己的可移动隔膜之内。这些光接口16，18配合而共同限定穿过该开孔并因此穿过一个位于这些光接口16，18之间的槽缝10内的供分析的材料样品的一个辐射路径长度（总体上用箭头26示出）。
传输路径的实际长度将取决于待分析的材料，并且特别是取决于在这种分析中采用的光能的波长区域。仅通过举例来说，本实施方案的探测器头部2可被配置成使用中红外线波长区域内的光能进行分析。在这种配置中，在这些光接口16，18之间的间隙具有大约40μm的数量级，并且按以下说明可调整到大约20μm。在这种光学路径长度的预期变化合适的情况下，该波纹隔膜可以方便地被一个构造为基本上扁平片材的隔膜替代。
这些光接口16，18的小的相对位移以及极少密封件（无论是动态还是静态），的总体要求使得将接口之一18安装在柔性（典型地是金属）波纹管隔膜24中是有利的。这个波纹管隔膜24既可以是焊接到适当的内表面10和光接口18的边缘上的一个标准波纹管，也可以全部整合成一体，如本实施方案中所展示。在这两种情况下，波纹管隔膜24可以制作足够硬，这样通过在装配过程中的预张力使它还可以作为致动器的复位弹簧起作用。这种结构可以有利地制作得足够稳定，这样使得在管线内材料的内部流动、压力波动等将不会对接口16，18的相对位置具有任何显著的影响。
现在转到图2，这是通过图1的探测器头部2的截面A-A，并且图中对共同的元件给予相同的参考数字。探测器头部2包括由样品空间14分开的第一腔28和第二腔30。光接口18包括第一窗口32，该第一窗口与波纹管隔膜24配合密封第一腔28来防止来自样品空间14的材料侵入。在本实施方案中，光接口16被示出包括第二窗口34，该第二窗口密封第二腔30来防止来自样品空间14的材料侵入。
一个光辐射源34（在这里为中红外线辐射源）被定位在第二腔30内，以产生通过第二窗口34沿由第二和第一窗口34，32限定的光路26传输并且通过第一窗口32进入第一腔28的光辐射。光辐射源36通过多个电接头而得到来自一个外部电源（未示出）的电力，这些电接头穿过探测器头部2中的一个导管38。
在一个替代性实施方案中，光辐射源36可由一个合适的光纤代替，该光纤可穿过导管38并且终止在第二腔30内第二窗口34之后。
在一个可滑动的底座44上提供了多个聚焦光学器件40，42，它们将来自光辐射源36并已经穿越光路26之后的光聚焦。底座44被安排成在波纹管隔膜（在此为光接口18）与一个致动器（在此为压电致动器46）之间提供一种机械性连接。可提供多个垫片48以便提供第一窗口32相对于第二窗口34的角度的坡口调整（grove adjustment），并且在此它们被显示出置于在致动器46的一端与探测器头部2的一个固定的内部部分50之间。
这这个实施方案中，选择了一个圆形压电致动器46，因为这种致动器很精确、快速并且具有高的可重复性。可电动地控制行程和上升/松弛速度。这个驱动器46还能够维持在微米级上平行的上升。这个压电致动器是一个标准产品，并且可以建议的一种具有约20mm的外径和12mm的内径。这种类型和大小是非常强有力的，具有大约8000N组的力，这可供用于一个非常硬的回位弹簧。在这种设计中，它也很容易通过垫片48来进行初始调整，这与调整螺丝或类似物（当然它们可以取代垫片48）相比是更加稳定、牢固和可靠的。
图3示出了图1和图2的探测器头部2的近端8的多种不同的示例性构造。在图3a中，显示图1和图2的探测器头部2被示出使其近端8形成为一个用于本地光栅分光计的外壳，该分光计总体上用数字52表示。
一个静态衍射光栅54和互补探测器阵列56包含在近端8之中并且形成了分光计52的一部分。光栅54和阵列是在一种常规结构中相互安排的，这样使得光栅54上接收的光是根据其波长来分布的并使每个波长区域入射在探测器阵列56的一个不同的相关区域内处。在这种方式下，可以在所接收的光线上进行波长相关的强度测量，并且可以确定有关包括在光路26中的样品空间14内的材料的组成信息。
如本领域内所知，在本实施方案中还提供了一个光学调节器（optical conditioner）（在此是一个楔形波导58）作为分光计52的一个元件，并且该光学调节器将光栅54与探测器阵列56光学连接。有益地，这个光学调节器58可配置成以一种最佳方式将入射光首先呈递到光栅54上、然后到探测器阵列56上。这些聚焦光学器件40，42的作用是将通过窗口32进入第一腔28的光聚焦到波导58之中。然后，将光引导到光栅54上，并且将来自光栅54的散射光引导到探测器阵列56。
探测器头部2的光栅分光计52配置是非常有吸引力的，因为唯一的运动部件是隔膜24与窗口32的安排。因此，这预计将对震动是非常不敏感的，并且在校准或控制的过程中还是容易处理的，在校准或控制过程中，操作员可能需要将传感器从管线上卸除。
用于探测器阵列56和光源36之一或两者的电子控制系统可以方便地由外壳8容纳。可任选地提供一个干燥滤盒62（如填充已知的干燥剂、硅胶的干燥滤盒），以使外壳8内部保持干燥。
在图3b中，图1和图2的探测器头部2显示为以其近端8形成作为光纤68的一端64的外壳，该端64是由一个支架70保持在探测器头部2内被固定并处于中心。
在本实施方案中，这些聚焦光学器件40，42的作用是使通过窗口32进入第一腔28的光聚焦到光纤68的端64上。光纤68作为探测器头部2与一个远程分析仪（未示出）之间的光学耦联，该远程分析仪例如是傅里叶变换分析仪、分光计或适合用于从所收集的光中确定构成或其他信息（比如材料的存在或缺失）的其他分析仪。这种安排具有移动部件少的优点、并且与例如图3a的分光计系统相比在设计上是相对紧凑的。
在目前说明的实施方案中，正如使用中红外线光的情况，光纤68是比较脆的并且易受到（例如）在探测器头部2工作环境中的振动而造成的机械损伤。在这里，可以有利地采用一个柔性管72，以便对光纤68提供一些机械保护。确实，这种保护可以有益地用于其他类型的光纤。
根据本发明的探测器头部74的第二示例性实施方案在图4中示出，并且如普通技术人员所知，它可以很容易地替换图3中描述的组件中的探测器头部2。
图4中示出的是探测器头部74的部分，这部分构成了探测器头部74的第一腔78，它与图2的探测器头部2的第一腔28类似。在本实施方案中，类似于图2但未示出，探测器头部74还包括一个第二个腔，一个光辐射的源被定位于其中。
同样类似于图2的探测器头部2，本实施例的探测器头部74的第一腔78包含一个滑动底座80，用于支持聚焦光学器件82，84并提供在一个致动器86与一个波纹管隔膜88之间的接触，在此该致动器是一个单堆叠式压电致动器而不是图2的实施方案中所用的圆形致动器。类似于图2的实施方案，一个包括窗口92的光接口90被保持在波纹管隔膜88中用于当致动器86工作而推动滑动底座80来伸长波纹管隔膜88时与其一起移动，从而作用于形成在该波纹管隔膜内的回位弹簧上。可额外地或者可替代地提供一个分离的回位弹簧，它倾向于将波纹管隔膜88朝向一个收缩的位置偏移。
在到波纹管隔膜88一侧的机械连接中提供了一个铰链系统94，这里在本实施方案中，是在到滑动底座80的一侧机械连接中，总体上与设置致动器86以便施加一个力来推动波纹管隔膜88的点相对。
这个铰链系统94有利地为波纹隔膜88提供了增大的刚度，这倾向于抵抗由于管线内材料的内部流动、压力波动等造成的窗口92的任何移动。铰链系统94与致动器86协作以便随着致动器使波纹管隔膜88移动而提供使窗口92相对于第二腔的其他窗口的小的角度运动。这在两个窗口之间形成了一种有限的不平行性，这可以有利地防止在这些窗口之间形成不想要的反射伪影。
本实施方案的铰链系统94被示出包括一个单一铰链而非多个铰链，例如，可以采用径向分开30至60度之间的角度两个狭窄的铰链以增加刚度。
可提供多个垫片96来对窗口92进行坡度角（grove angular）调整，并且可采用多个另外的垫片98来设置这些窗口之间的底部分离。
虽然以上讨论的这些实施方案说明了用于传输测量的多种探测器头部，其中在一个光接口中采用了多个窗口来限定通过一个样品的光路，然而，应当认识到也可提供其他光接口，通过这些光接口，传输测量可以在根据本发明的一个可变路径长度的光学探测器中进行。可以用一个透镜或其他透明的光学元件替代这两个窗口之一或二者；这些光学元件之一可以用一个反射件来替代，第二腔可被去除，并且可在第一腔中既进行光产生也进行光收集，或许使用一种适当配置的光纤安排。在根据本发明的探测器的另一种修改中，该对中的另一个光接口也可以被结合到其自己的可移动隔膜之中，或者相似于有关在此处列举的示例性实施方案所说明的隔膜，或者也许可替代地形成为一个柔性材料如金属板的扁平片。
其他致动器也可以用作以上参见图2和图4说明的压电致动器的替代品，而不偏离提出了权利要求的本发明。参见图5的图解，概括地说明了适用于本发明的四个另外的致动器的实例。为了便于同先前说明的实施方案进行比较，图5a展示了一个探测器头部100a，它总体上是根据以上给出的探测器头部2的说明来工作的，并且图5b展示了一个探测器头部100b，它总体上是根据以上给出的探测器头部74的说明来工作的。
图5a的探测器头部100a采用了一个圆形压电致动器102a来做用在一个空心管104a上，该空心管在一端被附接到一个可调的波纹管隔膜106a上，其中定位了一个窗口108a。窗口108a被设置在一个槽缝110a内，该槽缝形成在探测器头部100a内用于接收样品材料并与一个第二窗口112a相对。这些窗口108a和112a在待分析样品材料的部分之间限定了一个光路。与早先说明的探测器头部2不同，还提供一个弹簧114a以替代（或至少增大）倾向于使波纹管隔膜106a收缩的波纹管隔膜106a的回位偏移弹簧力。
图5b的探测器头部100b与图5a的探测器头部的不同之处在于，一个单一堆叠式压电致动器102b替代了图5a的圆形致动器102a，并且在于提供了可与致动器102b配合的一个铰链116b来致使位于波纹管隔膜106b内的窗口108b随着波纹管隔膜被扩张而进行一个小的角运动，以此减少在相对的窗口108b，112b之间的光路。同样，提供了一个弹簧114b来倾向于使波纹管隔膜106b朝向一种收缩状态偏移。
现在考虑图5c中展示的探测器头部100c，该致动器包括直接连接到中空光管104c上的一个凸轮118c，这样使得随着凸轮118c的转动，光管104c并且因此窗口108c发生往复运动以改变该光路。在图5d所示的探测器头部100d中，凸轮118d通过一种挠性机械连接120d间接作用在光管104d上。这个连接120d被固定成朝向光管104d的一端并且还朝向相反端。随着凸轮118d转动，造成该机械连接120d弯曲，从而使导光管104d移动以改变光路。
根据图5e所示的探测器头部100e的实施方案，提供一个磁铁或螺线管致动器（此处为磁铁）122e来直接作用在光路104e上，从而使其移动以便随着致动器的通电和断电而改变传输路径的路径长度。在图5f的探测器头部100f中，一个磁铁或螺线管致动器（此处为螺线管）122f通过一个挠性机械连接120f间接地作用在光管104f上。连接120f被固定成朝向导光管104f并且还朝向相反端。随着致动器通电和断电，这致使机械连接120f弯曲，从而移动光管104以改变路径长度。通过举例的方式，根据本发明的探测器头部可以有用地用于在两个或更多不同的路径长度上进行光学测量，并且结果可用于进行分析，其中对偏差进行了补偿而无需求助于使用参比样品来进行所谓的“零点设置”。在此应用的方法和推理是类似于WO 2006/058741中关于使用铰接的比色杯样品架进行多个路径长度（典型地是双路径长度）测量来实现穿过待分析样品的可变路径长度所说明的情况，其内容通过引用结合在此。因此，根据本发明的探测器头部可用于呈现出对于从该光源发出的辐射的多个不同的路径长度。一个数值被计算出，该数值是取决于对于该一个或多个所发射的波长中的同一个而言已经穿越了该多个不同路径长度的两个路径长度的辐射强度之比，并且从该数值中可以产生该样品的定量和定性指示之一或二者。
权利要求书(按照条约第19条的修改)
1.一个探测器，具有一个探测器头部，其中形成了用于接收一个待分析样品的一个开孔，该头部包括一对光接口，每个光接口被置于该开孔的一个相对的内表面处以限定使光辐射穿过该开孔的一个路径，其中该对光接口中的至少一个包括一个适当地透明的元件，该元件被适配成允许在所感兴趣的一个或多个波长区域内的光辐射在该探测器头部的内部与该开孔之间传播，其特征在于，该光学探测器进一步包括：一个可移动的隔膜，其中该对光接口中的一个被定位成随该隔膜一起移动；以及一个致动器，该致动器可操作地连接到该隔膜上以控制其移动以此改变该路径长度，其特征在于，该探测器头部进一步包括一个铰链系统，该铰链系统与该致动器是可配合的以一个弧线来移动位于该可移动隔膜内的光接口，以此改变该路径长度。
2.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，该可移动隔膜是以一个波纹管的形式。
3.如以上任何权利要求所述的探测器，其特征在于，该光学透明元件被定位于该可移动隔膜之内。
4.如以上任何一项权利要求所述的探测器，其特征在于，该对光接口中的另一个被定位于一个第二隔膜之内，该第二隔膜是可移动的以改变该路径长度。
5.如以上任何一项权利要求所述的探测器，其特征在于，该对光接口中的另一个还包括一个适当地透明的元件，该元件被适配成允许光在该探测器头部的内部与该开孔之间传播。
6.如权利要求5所述的探测器，其特征在于，该光学探测器进一步包括一个光能源，该光能源被置于该探测器头部内这些光学透明元件之一的后面，并且其特征在于，一个互补的光能收集器被置于这些光学透明元件中另一个的后面，以便在来自该光源的光能已经穿越该光辐射路径后对其进行收集。
7.如权利要求1至4中任一项所述的探测器，其特征在于，该另一个光接口包括一个反射件，该反射件被设置成朝向该透明元件反射光。
8.如以上任何一项权利要求所述的探测器，其特征在于，该致动器包括一个压电致动器。
9.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，该探测器头部进一步包括一个容纳在其近端中的光栅分光计，以便接收在穿越该光辐射路径后已经穿过位于该隔膜内的该光接口的光。
10.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，该致动器被定位于该探测器头部之内。
Claims (11)
1.一个探测器，具有一个探测器头部，其中形成了用于接收一个待分析样品的一个开孔，该头部包括一对光接口，每个光接口被置于该开孔的一个相对的内表面处以限定使光辐射穿过该开孔的一个路径，其中该对光接口中的至少一个包括一个适当地透明的元件，该元件被适配成允许在所感兴趣的一个或多个波长区域内的光辐射在该探测器头部的内部与该开孔之间传播，其特征在于，该光学探测器进一步包括：一个可移动的隔膜，其中该对光接口中的一个被定位成随该隔膜一起移动；以及一个致动器，该致动器可操作地连接到该隔膜上以控制其移动以此改变该路径长度。
2.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，该探测器头部进一步包括一个铰链系统，该铰链系统与该致动器是可配合的以一个弧线来移动位于该隔膜内的光接口，以此改变该路径长度。
3.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，该可移动隔膜是以一个波纹管的形式。
4.如以上任何权利要求所述的探测器，其特征在于，该光学透明元件被定位于该可移动隔膜之内。
5.如以上任何一项权利要求所述的探测器，其特征在于，该对光接口中的另一个被定位于一个第二隔膜之内，该第二隔膜是可移动的以改变该路径长度。
6.如以上任何一项权利要求所述的探测器，其特征在于，该对光接口中的另一个还包括一个适当地透明的元件，该元件被适配成允许光在该探测器头部的内部与该开孔之间传播。
7.如权利要求6所述的探测器，其特征在于，该光学探测器进一步包括一个光能源，该光能源被置于该探测器头部内这些光学透明元件之一的后面，并且其特征在于，一个互补的光能收集器被置于这些光学透明元件中另一个的后面，以便在来自该光源的光能已经穿越该光辐射路径后对其进行收集。
8.如权利要求1至5中任一项所述的探测器，其特征在于，该另一个光接口包括一个反射件，该反射件被设置成朝向该透明元件反射光。
9.如以上任何一项权利要求所述的探测器，其特征在于，该致动器包括一个压电致动器。
10.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，该探测器头部进一步包括一个容纳在其近端中的光栅分光计，以便接收在穿越该光辐射路径后已经穿过位于该隔膜内的该光接口的光。
11.如权利要求1所述的探测器，其特征在于，该致动器被定位于该探测器头部之内。
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