CN109799194B

CN109799194B - 光谱测量装置

Info

Publication number: CN109799194B
Application number: CN201811266516.5A
Authority: CN
Inventors: 比约恩·哈斯; 约阿希姆·博勒
Original assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Current assignee: Endress and Hauser Conducta GmbH and Co KG
Priority date: 2017-11-17
Filing date: 2018-10-29
Publication date: 2022-06-03
Anticipated expiration: 2038-10-29
Also published as: US20190154505A1; CN109799194A; DE102017127122B4; US10760968B2; DE102017127122A1

Abstract

本发明公开光谱测量装置(1)，用于过程自动化系统的测量点，包括：宽带光源(2)，其用于通过入口光圈(7)将光辐射到待测量的样品(9)上，其中光的光束形成照射平面(x‑y)；限光器(5)，其将光限制为与所述照射平面(x‑y)成一定角度，特别是90°，由此在该角度下产生不同量的光；色散元件(4)，其用于根据光的波长分离光；和检测器(3)，其用于接收根据光的波长分离的光，其中所述光源(2)将光发送通过样品(9)射向所述入口孔(7)、限光器(5)和色散元件(4)，并且光照射到所述检测器(3)，其中所述检测器(3)被设计为二维检测器并且被定向成使得能够以所述角度，即，特别是90°接收光。

Description

光谱测量装置

技术领域

本发明涉及一种用于过程自动化系统的测量点的光谱测量装置。

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进行光谱测量，以获得关于生产过程或作为过程产物形成的物质(特别是物质的数量或质量)的结果。通过光谱测量，可以获得与该过程的离析物和/或辅助材料的浓度相关的被测变量的值。例如，在生物化学生产过程中，可以对在生产过程中使用的微生物的营养素的浓度和/或代谢物的浓度和/或在过程中于过程介质中产生的产物的浓度进行监测，并且进行过程控制和/或借助于如此获得的测量数据进行调节。过程介质通常被包含在过程容器中，诸如反应器、发酵罐或管道中。

在吸收光谱学中，主要使用宽带光源，例如，通过使用透明窗口或试管将该宽带光源的光引导通过待研究的介质，然后在光学光谱仪中进行分析。因此，光谱仪包括检测单元，该检测单元包括：光圈-特别是狭缝-成像系统，和检测器，以及前面提到的光源，检测器和相应的光束路径。

存在于介质中的物质和物质混合物可以通过其特征吸收谱线来识别。根据分子光谱，因此感兴趣的是不同的波长。在此重要的是，不仅各个谱线的识别是相关的，而且它们的绝对信号强度也是相关的，因为可以由此计算出与各个浓度有关的信息。特别是，许多对过程自动化系统的应用具有重要意义的物质具有紫外(UV)光谱范围内的吸收谱线。因此，为了分析这种物质的混合物，UV吸收光谱仪尤其需要针对这一波长范围设计的检测器和相关的适当光源。

基本上，可以在LED、热灯(例如，卤素灯)和气体放电灯之间进行区分。

卤素灯是宽频率范围内光谱吸收测量的理想选择。它们具有相当稳定的发射光谱并且发出连续光。然而，由于灯丝中实际可能的温度，在紫外光谱范围内几乎不可能有任何信号分量。特别是在350nm以下的短波光范围内，几乎不存在任何光强度。气体放电灯的特征在于，通过光源的共振的相对光强度不形成连续光谱，而是相反，形成清晰限定的高振幅区域和具有非常低的信号强度的区域。这种特性对于定量吸收测量尤其是一个关键挑战，因为它需要一个具有极高信号动态的检测器，以实现稳定的测量。

例如，可以通过使照明气体处于极高压力下并且在非常高的温度下操作来实现利用气体放电灯的清晰光谱线的变宽，例如，利用所谓的氙气高压灯情况就是如此。由高压引起的发光介质中的频繁原子核冲击导致量子力学过渡的中断和清晰光谱线的变宽。这些类型的高压灯通常需要防爆外壳和单独的冷却系统，这意味着它们仅在特殊情况下用于工业传感器。因此，在实践中必需采取适当的步骤，以便能够在所有频率范围内执行吸收测量，而不管高的信号动态，即谐振上的有很多信号，而之间的信号很少。

另外，与用于可见光谱范围的或多或少连续照明光源相比，如同也用于天花板照明那样，UV光源需要相当高的激发能量。例如，这些可以被实现用于以高能量的单独闪光进行控制的气体放电灯。这些灯通常只能在几年的长期操作期间以非常低的重复率(例如，10Hz)运行。

作为最终变体，UV LED也用作光源。然而，与上述灯相比，这些灯仅具有非常窄的频谱，并且因此不适合用于许多波长的吸收特性的宽带分析。

总之，可以注意到，对于工业UV光谱学的大多数实际应用，可以仅考虑用单个闪光进行控制的UV气体放电灯，并且实际上，所述灯在其发射光谱中具有大量的具有强烈强度的清晰谱线，同时，波长范围介于之间，且几乎没有任何发射光。

如今，成本有效的光谱检测器通常在硅基上构建，并且特别地是，具有特征波长相关的灵敏度。此外，这增加了检测器中宽带吸收所需的动态范围。

特别地是，CCD和CMOS检测器用于光谱仪。CMOS传感器具有实际需要的高动态范围；然而，它们通常没有最佳的线性特性，这对吸收测量尤为重要；在吸收测量的情况下，所测量到的透射光谱的强度通常除以参考测量值的强度。即，例如，将样品液体填充到照射的液体试管中时产生的光量除以将纯水注入透射试管的测量强度的测量值。取决于吸收速率和波长，强度的显著差异可导致这两个测量值。特别是在高动态范围的情况下，CMOS检测器通常无法获得任何可靠的定量结果，特别是在温度变化时。

相比之下，CCD传感器通常具有出色的线性度，但通常只有大幅减小的动态范围。

通常，使用高线性度CCD传感器，特别是用于绝对透射测量。当使用连续照明光源时，由于CCD检测器上的曝光时间缩短或延长，可以实现非常高的动态范围。然而，当使用UV闪光灯时，这种方法被排除，因为通常1ns及以下的闪光脉冲持续时间远小于CCD检测器的最小的可调曝光时间，并且可能由于可能的仅有的低闪光脉冲重复率，通常不会有多于一个闪光脉冲的曝光。

发明内容

本发明所要解决的问题是提供一种光谱仪，特别是作为紫外吸收光谱仪的一部分，其以高线性度工作并且具有高动态范围。

该问题通过一种光谱测量装置解决，该装置包括：宽带光源，该宽带光源用于通过入口光圈将光辐射到待测的样品上，其中光束，特别是在光谱仪的内部，形成照射平面；特别是不对称的限光器，它将光限制为与照射平面成一定角度，特别是90°，由此在该角度下产生不同量的光；色散元件，该色散元件用于根据光的波长分离光；检测器，该检测器用于接收根据光的波长分离的光，其中光源将光发送通过样品照射到入口光圈、限光器和色散元件，并且光特别是随后照射到检测器，其中检测器被设计为二维检测器并且被定向成使得可以在该角度(即，特别是90°)下接收光。

这导致高动态，并且可以实现高线性。

在一个实施例中，吸收光谱仪中的光，即，光谱测量装置中的光，顺着从光源经由样品到光谱仪中的路径，并且在那里进入入口光圈、限光器和色散元件朝向检测器。在一个实施例中，改变指定组件的顺序。

在一个实施例中，用于使来自光源的光平行化(准直)的光学系统布置在光源与样品之间。这是使用准直光学器件完成的。因此，平行光基本上透过样品。光学系统包括一个或多个透镜、透镜系统或光纤缆线。

在一个实施例中，在样品和入口光圈之间，布置光学系统，其引导或传导光通过入口光圈。光学系统包括一个或多个透镜、镜子、分束器、透镜系统或光纤缆线。

在一个实施例中，限光器具有不对称设计。在一个实施例中，限光器至少沿其最长边缘具有不同的宽度或厚度。

在一个实施例中，入口光圈包括所述限光器。

在一个实施例中，限光器是圆锥形的。

在一个实施例中，限光器沿着该角度连续地设计。换句话说，沿着该角度的光被连续地限制。

在一个实施例中，限光器是阶梯状的。

在一个实施例中，限光器布置在光源和色散元件之间。在一个实施例中，由限光器投射在检测器上的阴影不形成清晰的结构，而是形成模糊的滑动阴影。

在一个实施例中，光谱仪包括至少一个成像系统，用于在色散元件的方向上传导来自光源的光和/或在检测器的方向上传导来自色散元件的光。

在一个实施例中，成像系统包括凹面镜。

在一个实施例中，色散元件包括光栅。

在一个实施例中，限光器布置在光源与成像系统之间，其中成像系统将来自光源的光传导到色散元件。

在一个实施例中，限光器布置在色散元件与成像系统之间，其中成像系统将来自光源的光传导到检测器。

在一个实施例中，限光器布置在成像系统与检测器之间，其中成像系统将来自光源的光传导到检测器。

在一个实施例中，限光器被设计为光阑。

在一个实施例中，光阑具有梳状设计。

在一个实施例中，非对称限光器被设计成使得与照射平面(x-y)成所述角度、特别是90°的光被限制，使得在该角度下，连续产生不同量的光。

在一个实施例中，光谱测量装置，特别是吸收光谱仪，包括测量路径(测量光)和参考路径(参考光)，其中来自光源的光可以经由测量路径和参考路径传导，其中参考路径路过样品。

对于精确的吸收测量值，应该能够彼此独立地检查不同的干扰信号源。作为干扰源，尤其还考虑了灯的老化。为此原因，独立地测量光源的光谱，其中光通过待研究的样品周围的参考路径传导。在一个实施例中，光耦合到样品上游的光纤缆线并且再次在入口光圈的上游去耦。

在一个实施例中，光通过参考路径或测量路径辐射，即，经由可枢转的光阑而通过待研究的样品辐射。可枢转的可移动的光阑可以例如经由电动马达移动。

在一个实施例中，在吸收光谱仪中，参考路径的光耦合到光谱仪中经由限光器的空间上分离开来的区域接着发生，使得参考光和测量光的空间分离也在二维检测器上接着发生。在该实施例中，通过一次检测二维强度光谱，同时接收参考光和测量光。

关于以脉冲模式运行的气体放电闪光灯，该实施例可以提供以下优点：可以通过始终同时检测参考光和脉冲的测量信号来补偿光源的脉冲之间的强度波动。例如，如果闪光的光量在脉冲之间波动10％，则可以在2维检测器上的空间上分离开来的参考光范围中识别出该波动，并且例如通过将测量到的测量光强度除以测量到的参考光强度而在数学上进行补偿。

当使用机械“快门”(例如，通过电动马达实现)时，仅可替换地是，可以针对各个闪光检测参考路径或测量路径，并且随着光源的强度波动，平均需要比始终经由参考路径直接检测各个脉冲的强度波动更大的测量时间。

关于测量信号的强度和由此对于检测器中的测量值所需的动态范围，重要的是，通常，参考路径和通过待研究的样品传导的光可以具有不同的幅度，例如，由于在用于照射介质的透明试管的窗口中可能必须考虑相当大的强度损失。

在一个实施例中，检测器相对于x-z轴倾斜，特别是相对于x轴倾斜。

附图说明

参考以下附图更详细地解释这一点。

图1示出了要求保护的光学吸收光谱仪。

图2示出了限光器的实施例。

图3示出了由图2的限光器在检测器上产生的图像。

图4示出了限光器的实施例。

图5示出了光学吸收光谱仪的实施例。

图6A、图6B、图6C示出了限光器的实施例，此时它可以用在图5的光谱仪中。

图7示出了具有参考路径的吸收光谱仪的实施例。

图8示出了具有参考路径的吸收光谱仪的实施例。

图9示出了用于图7或图8的实施例之一的限光器的实施例。

图10示出了由图9的限光器在检测器上产生的图像。

具体实施方式

在附图中，相同的特征用相同的参考符号标识。在下文中，“左右”轴线将被指定为x轴，“上下”轴线将被指定为y轴，并且来自纸平面的轴线将被指定为z轴。

所要求保护的光谱测量系统整体用附图标记1标记并且在图1中示出。

吸收光谱仪1包括宽带光源2，例如脉冲闪光灯、检测器3(见下文)、入口光圈7和色散元件4。色散元件4被设计为光栅，更准确地说，被设计为反射光栅。其它可能性例如是棱镜、特殊镜子或透射光栅。

来自光源2的光例如通过透镜10平行化(准直化)并且通过样品9辐射。作为准直的结果，光的空间选择也可能跟着发生，因此，例如，只有来自灯的空间中心的光分量通过样品辐射。通过光的空间选择可能产生的一个优点是光的选择发生在光源中的如下区域：这些区域在各个闪光之间具有特别低的脉冲之间的波动。为此，使用附加的针孔光阑，如果合适的话(阻挡来自光源的周边区域的光)，或者使用现有技术中已知的其它光学装置。

透镜10将光引导到用于检测的光谱仪的入口光圈7上。作为使用单个透镜10的替代方案，使用透镜系统、光纤、镜子系统等。

所示的吸收光谱仪1包括入口光圈7、限光器5和用于将光束6从入口光圈7引导到色散元件4的第一成像系统8a。光谱仪包括用于将光束6从色散元件4引导到检测器3的第二成像系统8b。在色散元件4和检测器3之间的光束路径中，根据现有技术，可以集成传统的光学元件，例如用于阻挡更高的衍射级信号的偏转镜或光学分级滤光器。成像系统8a、8b大致实现在凹面镜上。

来自光源的光通过入口光圈7在成像系统8a的方向上辐射。光圈7沿z轴定向。光形成光束6，其特征在于“左”光束2.l和“右”光束2.r。光束2.l和2.r跨越照射平面。该照射平面对应于x-y平面或与x-y平面平行。

如果用光谱(宽带光源1)照射入口光圈7，则在x-z轴上的检测器平面上也获得光圈形式的谱线，但是光谱分离。

检测器3被设计为二维(2-D)检测器。因此，检测器3是在x-y轴上定向的检测器阵列。同时，光谱仪整体被设计成使得不同信号幅度在检测器3的不同的z坐标上，但具有相同的光谱性征。

在一个实施例中，检测器3相对于x-z轴倾斜，特别是相对于x轴倾斜。

为此，限光器5布置在光源1与样品9和因此检测器3之间。限光器将光源1的光限制成与照射平面(即，x-y平面)成大约90°的角度。因此，限光器将光限制于z轴上。因此，在z轴上接着产生不同量的光，其最终到达检测器3。限光器5可以具有不对称的设计。为此，限光器的宽度或厚度沿着例如其最长边缘是不同的。

入口光圈7大致设计为入口狭缝，特别是入口狭缝7。

光圈7的一种可能性是使用入口狭缝7，其特别是不对称的，作为限光器5。如果狭缝被扩大，则通常在检测器3上获得更多的光，但是，代价是光谱分辨率较低。如果如图2中所示的那样锥形地执行狭缝，即，在x-z平面上，(白色区域透射光)，则图3中的图像在x-z检测器平面上产生，具有(作为示例)三条清晰频率谱线。附图标记“B”对应于蓝光，附图标记“G”对应于黄光，并且附图标记“R”对应于红光。由此，如果适合的话，则使z轴的符号镜像。决定性因素是，在z平面上的具有小狭缝的区域中只有非常低的信号幅度是可用的，但是在具有大的狭缝的区域中有大量信号。

根据强度和波长，通过从不同的z坐标的检测器平面获取信息的事实，可以有利地利用这种效果。针对在检测器3中被最佳控制的那条谱线(z坐标)的每个波长，推断测量信号的强度。

因此，光电检测器3(例如，CCD)的动态范围可以大大增加。该机构既可用于连续光源，诸如卤素灯，也可用于脉冲闪光灯。

图4示出了限光器的设计，其中限光器具有阶梯状设计。

实施例包括在凹面镜8a附近的z轴上的限光器5。图示了一个实施例，在该实施例中，限光器5布置在入口光圈7与成像系统8a之间的距离的大约1/3处。限光器5是空间光阑，其使得模糊的阴影沿着z轴投射在检测器3上。这在图5中示出。

同时，相对于光圈7的光阑在x-z平面上具有如图6A、图6B和图6C中所示的形式。x-z平面上的狭缝7的形状以黑色勾勒出轮廓。这里也可以使用连续灰色滤光器。图6B和图6C中所示结构的优点在于，在这里，由于模糊的图像，可以通过“黑/白”光阑实现z方向上的连续强度曲线，如可以例如通过结构化的黑化板实现的那样。这种黑化结构可以以连续灰色滤光器的形式更简单且更具成本效益地实现。

重要的是在x-y检测器区域上产生模糊的阴影，并且因此在检测器3上产生作为z坐标的函数的改变的变化量的光。

现在可以控制光电检测器3，使得在具有最大检测器幅度的波长上的最大阴影区域中的检测器3的像素不会过激发。对于具有较少信号的波长，确定具有z坐标的像素的被测变量，对此较少的阴影是有效的。

有利地是，选择读出方向，使得首先读出检测器中的具有低信号电平的谱线(z轴)，然后读出具有高信号电平的谱线。

图7示出了具有光的测量路径ME和参考路径RE的吸收光谱仪1。测量路径ME是上面关于例如图1描述的测量路径。

参考路径RE是不被引导通过样品9的光路。相反，光路被传导路过样品。在样品的下游，所述光路被引导通过入口光圈7。可以应用与图1和图5有关的陈述。如果适合的话，则产生限光器5的不同实施例；在这方面，请参见下文和图9。

在图7的实施例中，参考路径RE包括几个偏转器11，它们形成偏转器系统。为此，来自光源2的光利用几个元件(例如，镜子或半透明镜子)被引导到样品9周围。特别地是，最靠近光源2和入口光圈7布置的偏转器元件11分别被设计为半透明镜。在一个实施例中，这些被设计为倾斜的镜子。根据是否将要测量测量路径ME或参考路径RE，倾斜的镜子相应地移动。倾斜的镜子具有单稳态或双稳态设计。倾斜的镜子通过电动马达或磁力控制。具有半透明镜的第一变体的优点在于可以连续地执行参考测量(与样品测量同时)，使得脉冲控制光源的脉冲之间的波动例如也可以得到补偿。

在图8的实施例中，参考路径RE包括光纤缆线12。光纤缆线12接收来自光源2的光并且将其传导到样品9周围。在样品的下游，来自光纤缆线12的光再次耦合，即，通过入口光圈7传导。如果适合的话，则可以在光源的下游设置分束器、半透明镜或倾斜的镜子，以便在参考路径RE和测量路径ME之间切换。

图9示出了限光器5的实施例，其特别适合用于图7和图8中的光谱仪。限光器5包括两个区域5.1和5.2。第一区域5.1基本上对应于图2或图4的实施例。第二区域5.2是第一区域5.1的附加区域。第二区域5.2包括如图所示的圆圈；但是，其它形式，如正方形、矩形等也是可能的。与第一区域5.1中的一样，三角形或阶梯式结构也是可能的。具有两个区域5.1、5.2的限光器5布置成使得来自参考路径5.2的光总是通过第二区域5.2辐射。因此，第一区域5.1总是具有从测量路径ME辐射通过的光。结果，图10中的图像在检测器3上产生。因此，来自参考路径RE的光总是到达检测器3上的相同位置，并且特别地是，在空间上与来自测量路径ME的光分离开来。当在检测器3上接收到二维图像时，因此可以在每种情况下针对每个光脉冲同时检测出参考路径和测量路径的强度。因此，可以在数学上补偿光源强度的脉冲之间的波动。

附图标记

1 光谱测量装置

2 光源

2.l 左光束

2.r 右光束

3 检测器

4 色散元件

5 限光器

6 光束

7 入口光圈

8a、b 成像系统

9 样品

10 透镜

11 偏转器系统

12 光纤缆线

B 蓝色

G 黄色

R 红色

ME 测量

RE 参考

X 空间方向

Y 空间方向

Z 空间方向

Claims

1.一种用于过程自动化系统的测量点的光谱测量装置(1)，所述光谱测量装置(1)包括：

-宽带光源(2)，所述宽带光源(2)用于通过入口狭缝光圈(7)将光辐射到待测的样品(9)，其中所述光的光束形成照射平面(x-y)；

-限光器(5)，所述限光器(5)将所述光限制为与所述照射平面(x-y)成90°的角度，所述限光器将所述光限制于z轴上，由此在该角度下产生不同量的光；

-色散元件(4)，所述色散元件(4)用于根据光的波长分离光；和

-检测器(3)，所述检测器(3)用于接收根据光的波长分离的光，其中所述光源(2)将所述光通过所述样品(9)辐射到所述入口狭缝光圈(7)、所述限光器(5)和所述色散元件(4)，并且所述光照射到所述检测器(3)，

其中所述检测器(3)被设计为二维检测器，并且被定向成使得在90°的所述角度下，能够接收光。

2.根据权利要求1所述的光谱测量装置(1)，其中所述入口狭缝光圈(7)包括所述限光器(5)。

3.根据权利要求2所述的光谱测量装置(1)，其中所述限光器(5)是圆锥形的。

4.根据权利要求2所述的光谱测量装置(1)，其中所述限光器(5)是阶梯状的。

5.根据权利要求1所述的光谱测量装置(1)，其中所述限光器(5)布置在光源(2)与色散元件(4)之间。

6.根据权利要求1-5中一项所述的光谱测量装置(1)，包括至少一个成像系统(8a、8b)，所述至少一个成像系统(8a、8b)用于在所述色散元件(4)的方向上传导来自所述光源(2)的光和/或在所述检测器(3)的方向上传导来自所述色散元件(4)的光。

7.根据权利要求6所述的光谱测量装置(1)，其中所述至少一个成像系统(8a、8b)包括凹面镜。

8.根据权利要求1-5中一项所述的光谱测量装置(1)，其中所述色散元件(4)包括光栅。

9.根据权利要求5所述的光谱测量装置(1)，其中所述限光器布置在光源(2)与一个成像系统(8a)之间，并且其中所述成像系统(8a)将所述光从所述光源(2)传导到所述色散元件(4)。

10.根据权利要求5所述的光谱测量装置(1)，其中所述限光器(5)被设计为光阑。

11.根据权利要求10所述的光谱测量装置(1)，其中所述光阑具有梳状设计。

12.根据权利要求1-5中一项所述的光谱测量装置(1)，其中所述限光器(5)被设计成使得与所述照射平面(x-y)成90°的光是有限的，使得在该角度下，不断产生不同量的光。

13.根据权利要求1-5中一项所述的光谱测量装置(1)，其中所述测量装置(1)包括测量路径(ME)和参考路径(RE)，其中来自所述光源(2)的光能够经由所述测量路径(ME)和所述参考路径(RE)传导，其中所述参考路径(RE)路过所述样品(9)。

14.根据权利要求13所述的光谱测量装置(1)，其中所述检测器(3)上的、与所述照射平面(x-y)成90°的通过所述限光器(5)的所述参考路径(RE)的光在空间上与所述测量路径(ME)的光分离开来。

15.根据权利要求13所述的光谱测量装置(1)，其中所述入口狭缝光圈(7)包括所述限光器(5)，并且所述参考路径(RE)的光经由光纤耦合到所述限光器(5)。

16.根据权利要求13所述的光谱测量装置(1)，其中，为了补偿所述光源(2)的光强度波动，通过数学过程将在空间上分离开来的所检测到的所述检测器(3)上的所述参考路径(RE)的光强度与所述测量路径(ME)的光强度相关联。

17.根据权利要求16所述的光谱测量装置(1)，其中，数学过程为除法。

18.根据权利要求1至5中一项所述的光谱测量装置(1)，其中准直光学系统(10)仅将来自所述光源(2)的空间有限区域的光成像到所述检测器(3)上。

19.根据权利要求1至5中一项所述的光谱测量装置(1)，其中准直光学系统(10)仅将来自所述光源(2)的中心的光成像到所述检测器(3)上。