CN107664616A - 光谱测量设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于过程测量点的光谱测量设备，包括：壳体；辐射源，布置在壳体中；耦合和解耦光学系统，将辐射源的辐射从壳体中解耦并辐射到布置在壳体外的测量区域中，并将来自测量区域的测量辐射耦合到壳体中；光谱仪，布置在壳体中并相对于耦合和解耦光学系统对齐使得通过光谱仪检测经由耦合和解耦光学系统从测量区域耦合到壳体中的辐射，光谱仪将检测到的辐射分散到光谱中并通过检测器记录生成的光谱；电子设备组件，布置在壳体中并连接至检测器并通过使用检测器来检测记录的光谱并对其进行处理；以及连接装置，连接至壳体以将壳体连接至过程容器，过程容器包含测量介质，测量区域位于过程容器的容积区域内，容积区域包含测量介质。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于过程测量点的光谱测量设备，尤其是拉曼(Raman)光谱仪。
背景技术
在生产过程中，可以在气体、液体、固体和多相混合物中执行光谱测量以获得与生产过程有关或者与作为过程的产物而形成的物质有关的知识，尤其是其数量和质量。通过光谱测量，也可以获得与过程的离析物和/或添加剂的浓度相关的测量值。例如，在生物化学生产过程中，可以监视营养物质的浓度和/或在生成过程中使用的微生物的代谢物的浓度和/或在过程中产生的产物在过程介质中的浓度，并且可以基于获得的测量数据来控制和/或调节过程顺序。过程介质通常包含在过程容器(诸如，反应器、发酵罐)中或者在导管中。
非常适用于分析和监视气态、固态和液态过程介质的光谱测定方法是拉曼光谱法。它是基于原子或者分子的电磁辐射的非弹性散射(被称为拉曼效应)。辐射到测量介质中的辐射的最大部分被测量介质的分子弹性散射，作为所谓的瑞利(Rayleigh)散射。这部分被散射的辐射具有与激发辐射相同的波长。在被样品分子的非弹性散射中，发生能量传递，其中，与激发辐射相互作用的分子可以经由虚拟状态转变成能量更高的状态(斯托克斯(Stokes)散射)或者能量较低的状态(反斯托克斯散射)。在第一种情况下，消耗掉能量，所以被散射的辐射具有比激发辐射低的能量。在另一种情况下，释放出能量，所以被散射的辐射具有比激发辐射高的能量。拉曼光谱是根据其与激发辐射的频率差异(通常用波数指定，cm-1)对被非弹性散射的辐射的强度的图示。拉曼光谱法是振动光谱法，即，使用拉曼光谱法而检测到的能量传递与分子或者其功能团的特性振动能量级对应。因此，基于拉曼光谱中的某些峰值或者波段，可以确定样品中存在某些分子并且基于相应峰值或者波段的强度来确定这些分子的浓度。
针对含有水的过程介质——尤其是生物系统或者生物技术过程，拉曼光谱法的优点在于：水是非常弱的拉曼散射体，从而可以在溶液的拉曼光谱中容易地看到溶解于水中的分子的拉曼信号这一事实。另外，拉曼光谱法不需要样品的任何附加制备并且可以在短时间内提供测量值。因此，针对过程分析和过程控制，该方法尤其吸引人。
在现有技术中，习惯从过程容器中抽取过程介质的样品并且在实验室中通过光谱仪对这些样本进行检查，以确定通过所获得的光谱数据而确定的相应测量值。可以通过数据处理单元(例如，传统的计算机)来分析通过光谱仪检测到的光谱。这种情况下的问题在于取样，因为它会在从过程容器中抽取样品与最终测量值的可用性之间产生显著的时延。而且，从例如在食品技术中和在制药工业和/或生物技术的过程中需要保持无菌的过程中抽取样品与设备和人员的高投入相关联，以便适当地抽取样品而不污染过程。根据过程的类型，如果样品或者过程介质与过程容器的环境发生意外接触，则在取样期间也可以存在健康危害。
从US 5,862,273已知的是一种具有探头的拉曼光谱仪，该探头可以作为光谱测定接口被集成到过程容器中，作为内联探头。探头经由光纤形式的光波导连接至光谱仪的附加组件，尤其是连接至激光辐射源和光谱仪。对具有连接至实际光谱仪并且可能经由光波导连接至附加评估单元的探头的这种光谱测量设备的缺点在于无法在任何任意距离内实现光导连接这一事实。另外，光纤的光学性质可以影响测量或者必须通过合适的装置(例如，滤波器)来抑制。这增加了设备投入。
从WO 2006/081380 A2已知的是一种紧凑型拉曼光谱仪。其包括容纳于单个壳体中的激光光源、低分辨率分散元件和检测阵列。将待检查的样品引入到物体固定器上的紧凑型光谱仪中。该紧凑型光谱仪的确不需要在壳体外部延伸的任何光导；另一方面，它不适合连接至过程，尤其是连接至工业过程。
发明内容
因此，本发明的目的在于指定一种克服从现有技术已知的测量设备的缺点的光谱测量设备。该测量设备将尤其适合用于过程分析，同样尤其适合集成在过程的控制和/或调节中。
该目的通过一种光谱测量设备和一种过程测量点来实现。在下文中列出了有利的实施例。
根据本发明的用于过程点的光谱测量设备(其尤其可以是拉曼光谱仪)包括：
壳体；
辐射源，该辐射源被布置在壳体中；
耦合和解耦光学系统，该耦合和解耦光学系统被设计为将辐射源的辐射从壳体中解耦并且将其辐射到被布置在壳体外的测量区域中，并且被设计为将来自测量区域的测量辐射耦合到壳体中；
光谱仪，该光谱仪被布置在壳体中并且相对于耦合和解耦光学系统对齐从而使得通过光谱仪检测经由耦合和解耦光学系统从测量区域耦合到壳体中的辐射，以及其中，光谱仪被配置为将检测到的辐射分散到光谱中并且通过检测器记录所生成的光谱；
电子设备组件，该电子设备组件被布置在壳体中并且连接至检测器并且被配置为通过检测器检测记录的光谱并且对其进行处理，尤其是基于光谱来确定与测量介质中的至少一种分析物的浓度相关的被测量；以及
连接装置，该连接装置连接至壳体，尤其是牢固地连接至壳体，以将壳体连接至过程容器，该过程容器包含测量介质，其中，测量区域位于过程容器的容积区域内，容积区域包含测量介质。
通过将辐射源、耦合和解耦光学系统、光谱仪和电子设备组件布置在测量设备的壳体中，尤其是布置在测量设备的单个壳体中，测量设备被设计成非常紧凑并且可以在没有过程探头的情况下工作，该过程探头必须通过光导连接至可能被布置在离过程一段距离处的光谱仪。通过连接至壳体的连接装置，测量设备可以贴附至过程容器的连接件。壳体可以优选地被设计成是密封的，尤其是气密密封的，并且因此可以防止光谱测量设备的光学系统和电子组件受到过程、腐蚀性化学品、或者存在爆炸危险的环境的负面影响。因此，测量设备通用于具有各种要求的过程。
在一个实施例中，光谱测量设备可以进一步包括被布置在壳体中的电源单元，该电源单元为辐射源和电子设备组件供电。
设备的连接装置可以包括过程连接件，该过程连接件可以贴附至过程容器的补充连接件，尤其是贴附至承载有测量介质的管或者包含过程介质的反应容器(例如，发酵罐)的补充连接件。
在替选实施例中，连接装置可以包括流通池或者卷筒件，该流通池或者该卷筒件具有连接件，尤其是法兰，该连接件位于两个相对端上并且可以安装在过程容器中，尤其是安装在承载有测量介质的管中。
电子设备组件可以包括至少一个微处理器和一个非易失性存储器，在该非易失性存储器中存储有计算机程序，该计算机程序提供光谱测量设备的功能并且可以由微处理器执行，其中，计算机程序用于控制光谱测量设备，尤其是辐射源、耦合和解耦光学系统的可控部分、检测器、和/或测量设备的电源单元，并且记录和处理光谱。
辐射源可以包括高强度的大体上单色的辐射源，尤其是激光器，其中，通过将辐射到所述测量区域中的辐射源的辐射的拉曼散射来生成从测量区域耦合到壳体中的测量辐射的至少一部分。
光谱仪可以包括光学滤波器，该光学滤波器用于去除通过弹性瑞利散射而生成的测量辐射的部分。光谱仪和电子设备组件可以记录和处理通过斯托克斯散射和/或反斯托克斯散射而生成的拉曼光谱。
耦合和解耦光学系统可以包括至少一个窗口，该至少一个窗口被布置在壳体的壁中并且对于辐射源的辐射和测量辐射是可穿透的。在一个实施例中，耦合和解耦光学系统可以具有：至少一个耦合光导，该耦合光导将辐射源和窗口连接在一起；以及一个解耦光导，该解耦光导将窗口和光谱仪连接在一起。然而，在没有光导的情况下，耦合和解耦也可以通过使用形成和引导光束的传统光学元件(诸如，透镜和反射镜)发生。
在有利的实施例中，测量设备可以进一步具有超声源，该超声源连接至窗口或者被布置在窗口处或者在窗口附近，尤其是在壳体的外部，并且/或者连接至连接件装置，以清洗窗口。
在有利的实施例中，壳体是防爆的，例如，根据保护级别Ex-d。同时或者替选地，壳体可以是防溅的。
电子设备组件可以具有用于与被布置在壳体外部的控制单元进行无线或者有线通信的至少一个接口。控制单元可以被设计为处理电子设备组件输出的信号。优选地，控制单元用于控制过程，因为作为测量介质的过程介质由光谱测量设备监视。
如果提供了用于无线通信的接口，则可以将该接口设计用于根据蓝牙标准——尤其是根据蓝牙4.0或者低功耗蓝牙技术进行通信。这允许与支持蓝牙的便携式操作器单元——尤其是与平板PC或者智能电话进行通信，该支持蓝牙的便携式操作器单元被提供有用于测量设备的操作软件，该操作软件尤其被设计为移动应用软件(app或者移动app)。
电子设备组件和/或控制单元和/或操作器单元可以具有处理器和非易失性存储器，其中，在非易失性存储器中，存储有计算机程序，该计算机程序可以由处理器执行并且用于通过所记录的光谱确定测量介质中的至少一种分析物——尤其是多种分析物的浓度或者从该分析物推导出的测量。例如，分析物可以是葡萄糖。
耦合和解耦光学系统可以包括至少第一光导并且可以将辐射从辐射源传输至测量介质，和/或其中，第二光导将测量辐射从测量介质传输至光谱仪。
辐射源可以辐射在红外范围内的波长的辐射。
光谱测量设备可以包括反射镜设备，该反射镜设备使传入的测量辐射朝检测器转向。
为此，反射镜设备可以包括至少第一反射镜和第二反射镜，并且反射镜可以分别至少在第一位置与第二位置之间独立于彼此倾斜，其中，反射镜在处于第一位置时使测量辐射朝检测器转向。
光谱测量设备可以包括分散元件，该分散元件将测量光分成至少第一波长和第二波长的测量光，以及其中，前述反射镜设备的第一反射镜使第一波长的测量光朝检测器转向，以及其中，前述反射镜设备的第二反射镜使第二波长的测量光朝检测器转向。
在一个实施例中，检测器被设计为单点检测器，即，不被设计成矩阵或者阵列。
本发明还涉及一种过程测量点，其包括：根据前述权利要求中的一项所述的至少一个光谱测量设备和经由连接装置连接至光谱测量设备的壳体的一个过程容器。例如，过程容器可以是承载有测量介质的管或者包含测量介质的反应器或者发酵罐。
连接装置可以包括集成到过程容器的壁中的浸没转换设备，该设备被设计为至少在缩回到设备的检修腔中的检修位置与延伸到过程容器中的测量位置之间移动壳体的过程侧部分，该过程侧部分包括窗口，该窗口用于将辐射耦合到位于过程容器中的测量区域中并且从测量区域中解耦辐射。
过程测量点可以进一步包括：操作器单元，该操作器单元被布置在壳体外部并且以无线或者有线的通信方式连接至电子设备组件；和/或控制单元，该控制单元被布置在壳体外部并且以无线或者有线的通信方式连接至电子设备组件。例如，操作器单元和/或控制单元可以包括测量变换器。例如，操作器单元可以是便携式设备，诸如智能电话或者平板PC。操作器单元也可以是经由信号线连接至电子设备组件的测量变换器或者工业PC，经由该信号线，尤其可以传输数据，可能还可以传输电力。操作器单元可以依次经由现场总线连接至控制站。替选地，电子设备组件也可以按照无线或者有线的方式经由现场总线直接连接至控制单元，尤其是连接至可编程逻辑控制器。
附图说明
在下文中，参照附图所示的示例性实施例更详细地描述了本发明。在附图中：
图1示出了第一光谱测量设备；
图2示出了具有第二光谱测量设备的过程测量点；
图3示出了第三光谱测量设备；
图4示出了反射镜设备的示意图
图5示出了第四光谱测量设备；
具体实施方式
图1示意地图示了光谱测量设备1，该光谱测量设备1用于检测固态、液态、或者气态测量介质2的拉曼光谱。测量设备1包括壳体3，在该壳体3中布置有辐射源4、耦合和解耦光学系统5、光谱仪6、电子设备组件7、和电源单元8。电源单元8经由电力和/或信号电缆10导电连接至被布置在壳体3外部的电压源9。可以经由信号电缆10为测量设备1供电，其中，信号电缆10同时用于将测量设备1连接至较高级别的控制单元(未示出)并且允许在控制单元与测量设备1之间进行双向通信。电子设备组件7具有无线电接口11，该无线电接口11被设计为根据蓝牙标准——尤其是蓝牙4.0或者更高的蓝牙标准将在电子设备组件7中存储和生成的数据通信至操作器单元12。无线电接口11还被设计为根据蓝牙标准经由无线电接收来自操作器单元12的数据并且将它们输出至电子设备组件7以进行进一步处理。替选地或者另外，无线电接口11可以被设计为通过WLAN和/或以太网传输数据。
连接至壳体3的是流通池13，该流通池13具有连接件14和15，该连接件14和15可以连接至包含测量介质的过程容器。在本示例中，流通池13可以安装在处理系统中的承载有测量介质2的导管中或者在该导管的旁路中。在流通池13中，可选地，可以安装有附加传感器，诸如流速传感器、温度传感器、电化学分析传感器(诸如氧气、pH或者导电性传感器)、或者压力传感器(此处未示出)。
在本示例中，光谱测量设备1被设计为检测拉曼光谱。当然，可选地或者另外，辐射源、光谱仪、耦合和解耦光学系统、以及电子设备组件也可以被设计为检测附加光谱，诸如，在不同波长范围内的吸收或者荧光光谱。测量设备可以尤其具有多个辐射源，这多个辐射源分别发出不同波长范围的辐射。
在本示例中，辐射源4是激光器，该激光器发出波长在500nm到1000nm波长范围内的大体上单色的辐射。
在此处所示的示例中，耦合和解耦光学系统5包括：光导，该光导可以由多根光纤组成；以及窗口16。一方面，光导将辐射源4连接至窗口16，并且，另一方面，将窗口16连接至光谱仪6。窗口16被集成到壳体3的壳体壁17中，该壁同时形成流通池13的壁。耦合和解耦光学系统5被设计为将辐射源4所发出的辐射从壳体3中解耦并且将其集中到位于在壳体3外部的流通池13中的测量区域18中。为此，耦合和解耦光学系统可以具有附加光学元件，尤其是透镜(此处未示出)。同样，耦合和解耦光学系统被设计为将被存在于测量区域18中的测量介质的分子散射的辐射(此处也被称为测量辐射)耦合回到壳体3中并且经由光导将其递送至光谱仪6。
如上所述，测量辐射包括高比例的弹性散射瑞利辐射、以及通过非弹性散射而生成的较长波辐射(斯托克斯散射)的一部分和通过非弹性散射而生成的较短波辐射(反斯托克斯散射)的一部分。光谱仪6包括光学元件，诸如，反射镜、滤波器或者点阵，该光学元件被配置为从测量辐射中过滤掉瑞利辐射部分。另外，光谱仪6包括：分散元件，该分散元件用于对无瑞利辐射部分的测量辐射的单独的波长——尤其是在斯托克斯辐射的波长范围内的单独的波长，进行光谱分离；以及检测器，该检测器根据波长检测其强度并且以光谱的形式记录该强度。例如，检测器可以包括光电二极管单元或者光电二极管阵列、CCD阵列、或者CCD摄像头。为了传输数据，将检测器连接至电子设备组件7，以便可以将所记录的光谱输出至电子设备组件7以进行进一步处理。
为了控制测量设备1，也将电子设备组件7连接至辐射源4和光谱仪6并且连接至电源单元8。电子设备组件7包括处理器和非易失性存储器，在该非易失性存储器中，存储有一个或者多个计算机程序，该一个或者多个计算机程序可以由处理器执行并且提供测量设备1的功能。这些功能可以包括：一方面，控制测量设备1，以及，另一方面，处理由光谱仪6检测到的光谱和通过光谱来确定测量值。例如，电子设备组件7可以被设计为通过光谱来确定测量介质中的一种或者多种确定的分析物的浓度或者取决于该分析物的被测量。可以通过无线电接口11将光谱或者从该光谱推导出的值从电子设备组件7无线传输至操作器单元12。
在此处所示的示例中，操作器单元12被设计为智能电话或者平板计算机。它包括无线电接口，该无线电接口可与无线电接口11兼容并且被配置为检测和处理通过电子设备组件7的无线电接口11传输的数据，并且，反之亦然，还经由无线电将数据——尤其是命令和/或参数值传输至电子设备组件7的无线电接口11。电子设备组件7能够处理和/或存储以这种方式接收的数据。操作器单元12具有至少一个处理器和一个非易失性存储器，在该非易失性存储器中，存储有计算机程序，尤其是移动应用(移动app)，该计算机程序提供用于显示从测量设备1接收到的信息——尤其是显示光谱和/或通过该光谱确定的测量值的功能。移动应用的附加功能允许通过操作器单元12对测量设备1进行参数化。
与窗口16相对，将超声生成器19被布置在流通池13的壁上。可以不时使所述超声生成器运行以清洗窗口16。这可以通过单独的操作元件从外部发起，或者超声生成器19可以连接至电子设备组件7并且可以由电子设备组件7控制(在图1中未示出)。
图1所示的测量设备1因为将所有组件都容纳在单个壳体3中而变得尤其紧凑，并且可以通过将测量设备1贴附至过程容器并且借由便携式操作器单元12对测量设备1进行参数化来使测量设备1操作。以这种方式，测量设备可以按照相同的方式并且通过相同的过程作为传统的测量设备被安装，而不理会如下事实：在过程测量技术的某些方面中使用光谱测量设备还不是非常普遍并且还未被建立，以至于不需要特殊训练或者添加特殊过程。
图2示意地示出了根据第二示例性实施例的过程测量点100，该过程测量点100具有用于检测拉曼光谱的光谱测量设备101。测量设备101具有壳体103和牢固地连接至壳体103的过程连接件120，该过程连接件120贴附至过程容器122的连接件121，该连接件121是过程连接件120的补充。在此处所示的示例中，过程容器122是反应器，该反应器包含过程介质102，在该过程介质102中执行生物技术过程。
为了检测拉曼光谱，测量设备101具有与图1所示的测量设备1相同的组件，即，辐射源104、具有光导和窗口116的耦合和解耦光学系统105、光谱仪106、以及电子设备组件107，该电子设备组件107可以检测和处理由光谱仪106记录的光谱并且还被设计为控制测量设备101。测量设备的这些部件完全类似地被设计成第一示例性实施例的测量设备1的相同部件并且以相同的方式运行。
经由开关电源单元108为测量设备101供电。经由开关电源单元108，将测量设备101——尤其是电子设备组件107连接至信号电缆123，该信号电缆123又连接至包括测量变换器的操作器单元124。测量变换器可以经由现场总线连接件125连接至现场总线以进行通信，尤其是根据工业标准，诸如Foundation Fieldbus、Profibus、Modbus等。替选地或者另外，测量变换器也可以被设计成支持以太网。经由将测量设备101连接至操作器单元124的信号电缆123，可以同时优选地传输电力和数据。
测量设备101的壳体103具有突出到过程容器122内的部分，该部分在其过程侧端上由窗口116关闭。通过窗口116，可以将辐射解耦到测量区域118中，该测量区域118位于过程容器中并且在执行生物技术过程的同时由测量介质填充。在测量区域118中，可以通过窗口116将被测量介质的分子散射的辐射耦合回到设备中作为测量辐射并且将其递送至光谱仪106以记录光谱。
测量变换器124包括至少一个处理器和一个非易失性存储器，在该非易失性存储器中，存储有计算机程序，该计算机程序提供测量变换器的功能。这些功能包括：从电子设备组件107接收由电子设备组件107检测到并且可能由电子设备组件107进一步处理的光谱和/或由电子设备组件107通过光谱确定的数据，尤其是测量值。操作器单元124可以处理接收到的光谱或者数据并且通过该光谱或者该数据推导出附加值。测量变换器可以尤其根据工业标准将呈信号形式的接收到的光谱和/或数据输出至现场总线接口125，该信号可以由经由现场总线连接至操作器单元124的较高级别的单元处理。
操作器单元124可以具有显示器，例如，以显示单元的形式，在该显示器上，可以显示光谱和通过该光谱推导出的值。操作器单元124可以进一步具有输入单元，诸如，键盘、开关或者触摸屏，经由该输入单元，用户可以录入命令或者参数。以这种方式，操作器单元124可以用于对测量设备101进行参数化。
在有利的实施例中，壳体103可以被设计成防爆的，例如，根据保护级别Ex-d(压力密封式封装)。
图3和图5示出了所要求保护的光谱测量设备的附加实施例。在不限制保护范围的情况下，下面将与图1中的参考符号相同的参考符号用于相同的特征，例如，光谱测量设备具有参考符号“1”。
图3示出了测量设备1的另一实施例。在这种情况下，仅仅示出了基本组件，并且仅仅讨论了与前述示例性实施例的不同之处。该被布置包括辐射源4，该辐射源4通过耦合和解耦光学系统5朝测量介质发出辐射。在这种情况下，辐射源4被设计成红外光源。耦合和解耦光学系统5也可以包括光导。耦合和解耦光学系统5包括光学窗口16，通过该光学窗口16，辐射到达测量区域18。测量介质位于测量区域18中，或者在测量区域18周围流动或者流过测量区域18。替选地，测量区域18包括液槽(cuvette)，然后在此处有意义地使用该液槽。在适用的情况下，如果壳体3的壁由对于辐射源4所发出的辐射可穿透的适当材料制成，则也可以省略由玻璃制成的光学窗口。在辐射穿过测量介质之后，其作为测量辐射通过光学窗口16回到壳体3中。此处，通过耦合和解耦光学系统5将该辐射引导至光谱仪6。在接收器侧，光导也可以将测量辐射从接收器侧光学窗口16引导至光谱仪6。所有上述组件都位于壳体3中。
光谱仪6包括反射镜设备30，该反射镜设备30使传入的测量辐射Min朝检测器32转向。在这种情况下，反射镜设备30包括多个单独的反射镜31，该反射镜31至少可以在第一位置与第二位置之间倾斜。反射镜设备30被设计为数字反射镜设备(DMD)。图4示出了这一情况；图4a大致示出了第一位置，并且图4b示出了第二位置。在第一位置中，反射镜31将测量辐射Min朝检测器32引导作为反射的测量辐射Mout，而第二位置中的辐射不会打在检测器上。例如，可以使单独的反射镜旋转±12°。在一个实施例中，约一百万个这种反射镜位于一个芯片上。例如，产生912x 1140个反射镜的分辨率。单独的反射镜之间的距离可以是几微米，例如，7.6μm。反射镜的非常快的响应时间和移动时间是优选的，例如，5μs。
图5示出了更详细地阐释了具有反射镜设备30的测量设备1的实施例。在辐射由光源4发出并且穿过测量区域18中的测量介质之后，可能需要各种光学元件40，这些光学元件40在此处并未做详细阐释。其示例是聚焦透镜、或者准直透镜或者聚焦反射镜。示例性实施例包括光学元件41，该光学元件41将测量辐射分成其光谱部分，因此，通常被称为分散元件。其示例是点阵——尤其是衍射点阵、对应的透镜、或者棱镜。在该示例中，在点阵41的下游，较短波长42的辐射位于上部区域中，并且较长波长43的光位于该图的下部区域中。
辐射现在打在反射镜设备30上。由于通过分散元件41对测量辐射进行光谱分裂，所以光现在在各个位置处打在反射镜设备30上。根据要检测哪一个波长，仅仅使对应的反射镜翻转，即，根据测量辐射的光谱部分使反射镜在第一位置与第二位置之间翻转。如果较短波长42的光打在第一反射镜44上，则第一反射镜44翻转，并且，因此，将光朝检测器32引导。如果较长波长43的光打在第二反射镜45上，则第二反射镜45翻转，并且，因此，将光朝检测器32引导。所有反射镜均独立于彼此翻转。自然，多个反射镜也可以同时翻转，尤其是如果打在反射镜设备30上的光束比单个反射镜大。检测器32被设计为单点检测器，即，不需要二极管阵列或者矩阵。
除了此处详细描述的示例性实施例之外，根据本发明的测量设备的各种附加实施例也是可能的。例如，光谱测量设备也可以经由浸没转换设备连接至过程容器，在不必将光谱测量设备与过程容器断开连接的情况下，该浸没转换设备允许定期清洗、校准和/或调整测量设备。
Claims (24)
1.一种用于过程测量点的光谱测量设备，尤其是一种拉曼光谱仪，所述光谱测量设备包括：
壳体；
辐射源，所述辐射源被布置在所述壳体中；
耦合和解耦光学系统，所述耦合和解耦光学系统被设计为将所述辐射源的辐射从所述壳体中解耦并且将其辐射到被布置在所述壳体外的测量区域中，并且被设计为将来自所述测量区域的测量辐射耦合到所述壳体中；
光谱仪，所述光谱仪被布置在所述壳体中并且相对于所述耦合和解耦光学系统对齐，从而使得通过所述光谱仪检测经由所述耦合和解耦光学系统从所述测量区域耦合到所述壳体中的测量辐射，以及其中，所述光谱仪被配置为将检测到的辐射分散到光谱中并且通过检测器记录所生成的光谱；
电子设备组件，所述电子设备组件被布置在所述壳体中并且连接至所述检测器并且被配置为通过所述检测器检测记录的光谱并且对其进行处理，尤其是基于所述光谱来确定与所述测量介质中的至少一种分析物的浓度相关的被测量；以及
连接装置，所述连接装置连接至所述壳体，尤其是牢固地连接至所述壳体，以将所述壳体连接至过程容器，所述过程容器包含测量介质，其中，所述测量区域位于所述过程容器的容积区域内，所述容积区域包含所述测量介质。
2.根据权利要求1所述的光谱测量设备，
进一步包括电源单元，所述电源单元被布置在所述壳体中，所述电源单元为所述辐射源和所述电子设备组件供电。
3.根据权利要求1或者2所述的光谱测量设备，
其中，所述连接装置包括过程连接件，所述过程连接件可以贴附至过程容器的补充连接件，尤其是贴附至承载有所述测量介质的管或者包含所述过程介质的反应容器——例如发酵罐——的补充连接件。
4.根据权利要求1至3中的一项所述的光谱测量设备，
其中，所述连接装置包括流通池或者卷筒件，所述流通池或者所述卷筒件具有连接件，尤其是法兰，所述连接件位于两个相对端上并且可以安装在过程容器中，尤其是安装在承载有所述测量介质的管中。
5.根据权利要求1至4中的一项所述的光谱测量设备，
其中，所述电子设备组件包括至少一个微处理器和一个非易失性存储器，在所述非易失性存储器中存储有计算机程序，所述计算机程序提供所述光谱测量设备的功能并且可以由所述微处理器执行，
其中，所述计算机程序用于控制所述光谱测量设备，尤其是所述辐射源、所述耦合和解耦光学系统的可控部分、所述检测器、和/或所述测量设备的所述电源单元，并且记录和处理所述光谱。
6.根据权利要求1至5中的一项所述的光谱测量设备，
其中，所述辐射源包括大体上单色的辐射源，尤其是激光器，以及其中，通过被辐射到所述测量区域中的所述辐射源的辐射的拉曼散射来生成从所述测量区域耦合到所述壳体中的所述测量辐射。
7.根据权利要求6所述的光谱测量设备，
其中，所述光谱仪包括光学滤波器，所述光学滤波器用于去除通过瑞利散射而生成的所述测量辐射的部分。
8.根据权利要求5至7中的一项所述的光谱测量设备，
其中，所述光谱仪和所述电子设备组件记录和处理通过斯托克斯散射和/或反斯托克斯散射而形成的拉曼光谱。
9.根据权利要求1至8中的一项所述的光谱测量设备，
其中，所述耦合和解耦光学系统包括至少一个窗口，所述至少一个窗口被布置在所述壳体的壁中并且对于所述辐射源的辐射和所述测量辐射是可穿透的。
10.根据权利要求9所述的光谱测量设备，
进一步包括超声源，所述超声源被布置在所述窗口处或者在所述窗口附近，尤其是在所述壳体的外部，以清洗所述窗口。
11.根据权利要求1至10中的一项所述的光谱测量设备，
其中，所述壳体是防爆的。
12.根据权利要求1至11中的一项所述的光谱测量设备，
其中，所述电子设备组件具有用于与被布置在所述壳体外部的控制单元进行无线或者有线通信的至少一个接口。
13.根据权利要求1至12中的一项所述的光谱测量设备，
其中，所述电子设备组件具有通信接口，所述通信接口用于将信号发送至操作器单元，尤其是无线地并且尤其是根据蓝牙标准，并且用于从所述操作器单元接收信号，尤其是根据蓝牙标准。
14.根据权利要求1至13中的一项所述的光谱测量设备，
其中，所述电子设备组件和/或所述控制单元和/或所述操作器单元具有处理器和非易失性存储器，其中，在所述非易失性存储器中，存储有计算机程序，所述计算机程序由所述处理器执行并且用于通过所记录的光谱确定所述测量介质中的至少一种分析物的浓度——尤其是多种分析物的浓度或者从其推导出的值。
15.根据权利要求1至14中的一项所述的光谱测量设备，
其中，所述分析物是葡萄糖。
16.根据权利要求1至15中的一项所述的光谱测量设备，
其中，所述耦合和解耦光学系统包括至少第一光导并且将辐射从所述辐射源传输至所述测量介质，和/或其中，第二光导将测量辐射从所述测量介质传输至所述光谱仪。
17.根据权利要求1至16中的一项所述的光谱测量设备，
其中，所述辐射源辐射在红外范围内的波长的辐射。
18.根据权利要求1至17中的一项所述的光谱测量设备，
包括反射镜设备，所述反射镜设备使传入的测量辐射朝所述检测器转向。
19.根据权利要求18所述的光谱测量设备，
其中，所述反射镜设备包括至少第一反射镜和第二反射镜，并且所述反射镜可以分别至少在第一位置与第二位置之间独立于彼此倾斜，其中，所述反射镜在处于所述第一位置时使所述测量辐射朝所述检测器转向。
20.根据权利要求19所述的光谱测量设备，
进一步包括分散元件，所述分散元件将测量光分成至少第一波长和第二波长的测量光，以及其中，所述第一反射镜使所述第一波长的测量光朝所述检测器转向，以及其中，所述第二反射镜使所述第二波长的测量光朝所述检测器转向。
21.根据权利要求16至20中的一项所述的光谱测量设备，
其中，所述检测器被设计为单点检测器。
22.一种过程测量点，包括根据前述权利要求中的一项所述的至少一个光谱测量设备和经由所述连接装置连接至所述光谱测量设备的所述壳体的一个过程容器。
23.根据权利要求22所述的过程测量点，
其中，所述连接装置包括集成到所述过程容器的壁中的浸没转换设备，所述浸没转换设备被设计为在缩回到所述浸没转换设备的检修腔中的检修位置与延伸到所述过程容器中的测量位置之间移动至少所述壳体的过程侧部分，所述过程侧部分包括窗口，所述窗口用于将辐射耦合到位于所述过程容器中的所述测量区域中并且从所述测量区域中解耦辐射。
24.根据权利要求22或者23所述的过程测量点，
进一步包括：控制单元，所述控制单元被布置在所述壳体外部并且连接至所述电子设备组件以进行通信；和/或操作器单元，所述操作器单元被布置在所述壳体外部并且连接至所述电子设备组件以进行无线或者有线通信。
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