CN110702619B - 现场光谱过程监控 - Google Patents

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Abstract

本申请公开了现场光谱过程监控。如果在制造过程中传感器采用与流动材料一起漂浮的移动探头的形式，而不是仅当过程移动经过传感器固定位置时采样，那么增强过程监控的精确度可被改进。探头包括与流动材料密封隔离的外壳以及用于通过外壳中的窗口将光传送到流动材料上的光源。空间可变光学滤波器(SVF)捕获从流动材料返回的光，并且将捕获的光分为成分波长信号的光谱，以用于传送至探测器阵列，这提供了对于每个成分波长信号的功率读数。

Description

现场光谱过程监控
本申请是申请日为2016年8月5日，申请号为201610636017.5，发明名称为“现场光谱过程监控”的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及现场光谱过程监控。
背景
在药物、食品、馏出物和化合物的制备中使用的制造过程可以包括混合过程的一些类型的传感器检测，例如光谱、pH以及热量的探询。这些传感器典型地附接至处理容器的壁，并且使用伸出到制造过程中的探头来监控过程的参数。但是，具有固定位置的传感器的固定性质将检测能力限制于传感器的固定位置的附近地区中的产品并且可能不提供关于过程的其他部分的信息。
发明内容
在可变光学滤波器之前可需要准直元件，以防止线性可变滤波器的光谱选择性退化。退化可能发生，这是因为光学滤波器可包括薄介质膜的堆叠，并且薄介质膜的波长选择特性通常取决于射入光的入射角，其可以使薄膜滤波器的波长准确性和光谱选择性变差。但是，对于本公开的设备，其可能有利的是通过消除体积大的透镜而更多的减小了分光仪的尺寸。
本公开的实施例涉及以下方面：
(1)一种探头，包括：
密封的外壳；
光源，其用于将光传输到材料上；
窗口，其位于所述外壳中，其中所述窗口在来自所述材料的光的传输的、折射的或反射的波长中的一个或多个处是光学地透明的；
光学滤波器，其用于捕获来自所述材料的传输的、折射的或反射的光，并且用于将所捕获的光分为成分波长信号的光谱；以及
探测器阵列，其用于提供对于多个所述成分波长信号的功率读数。
(2)根据(1)所述的探头，其中，所述光学滤波器包括空间可变光学滤波器，所述空间可变光学滤波器包括：
上游空间可变带通光学滤波器；以及
下游空间可变带通光学滤波器，其顺序地放置在所述上游可变带通光学滤波器的下游，并且沿着所捕获的光的光学路径以固定的预定距离与所述上游空间可变带通光学滤波器分开，
其中，所述上游空间可变带通光学滤波器和所述下游空间可变带通光学滤波器中的每一个具有带通中心波长，所述带通中心波长至少沿着横向于所述光学路径的共同的第一方向以相互协调的方式变化，以及
其中，在预定接收角外部的、沿着所述上游空间可变光学滤波器的每个带通中心波长的光比在所述预定接收角内部的光衰减得更多。
(3)根据(1)所述的探头，其中，所述外壳包括从由球形、圆柱形、长球形、椭圆形和环形构成的组中选择的形状。
(4)根据(1)所述的探头，其中，所述外壳包括布置在所述外壳的外侧上的结构特征。
(5)根据(4)所述的探头，其中，所述结构特征包括浅凹、短截棒、半圆或矩形肋、脉络状物或指状物中的一个或多个。
(6)根据(1)所述的探头，还包括：
控制器，其用于存储对于每个成分波长信号的功率读数；以及
通信设备，其用于将所述功率读数传输至远程基站。
(7)根据(6)所述的探头，其中，所述通信设备是无线通信设备。
(8)根据(1)所述的探头，还包括用于确定所述探头的确切位置或取向的定位系统追踪器。
(9)根据(1)所述的探头，还包括用于在所述探头浸入所述材料中时推进所述探头的推进系统。
(10)根据(1)所述的探头，还包括用于在所述探头浸入所述材料中时调整所述探头的浮力的浮力调整系统。
(11)根据(1)所述的探头，还包括储藏室和所述外壳上的舱口，所述舱口可操作以打开和关闭所述储藏室。
(12)根据(11)所述的探头，还包括用于存储对于每个成分波长信号的功率读数的控制器；其中，所述控制器包括用于在所述功率读数达到预定水平时发出信号使所述舱口打开且释放来自所述储藏室的物质的编程。
(13)根据(6)所述的探头，其中，所述通信设备是有线通信设备；并且其中所述外壳被连线至建造物。
(14)根据(1)所述的探头，还包括用于从所述窗口除掉碎片的窗口清洁器。
(15)根据(1)所述的探头，其中，所述光源安装在所述外壳内部以用于通过所述窗口将光传送至所述材料上。
(16)根据(1)所述的探头，其中，所述外壳包括从所述外壳中的开口在所述光源和所述光学滤波器之间穿过其延伸至所述外壳中的出口的导管。
(17)根据(1)所述的探头，还包括：
多个窗口，其在所述外壳周围间隔开；
多个光源，其在所述外壳内以用于通过所述多个窗口中的相应的一个窗口将光传送至所述材料上；
多个光学滤波器，其用于捕获从所述材料传送通过的以及反射或折射的光，并且用于将所捕获的光分成成分波长信号的光谱；以及
多个探测器阵列，其用于提供对于多个所述成分波长信号的功率读数。
(18)根据(17)所述的探头，还包括用于存储对于每个成分波长信号的功率读数的控制器；其中，所述控制器包括用于将来自所述成分波长信号的功率读数进行平均的编程。
(19)根据(17)所述的探头，还包括用于存储对于每个成分波长信号的功率读数的控制器；其中，所述多个光学滤波器包括不同的光谱通带；并且其中，所述控制器包括用于将来自至少两个探测器阵列的功率读数与不同的光谱通带组合以用于生成组合的光谱的编程。
(20)根据(17)所述的探头，还包括挡板，所述挡板在所述外壳内可移动至每个光源和对应的光学滤波器之间的位置，以用于在预定时间段之后重新校准每个光电探测器阵列。
(21)一种用于监控的监控系统，所述监控系统包括：
多个探头，每个探头包括：
密封的外壳；
光源，其用于将光传输到材料上；
窗口，其位于外壳中，其中所述窗口在来自所述材料的光的传输的、折射的或反射的波长中的一个或多个处是光学地透明的；
光学滤波器，其用于捕获来自所述材料的传输的、折射的或反射的光，并且用于将所捕获的光分为成分波长信号的光谱；以及
探测器阵列，其用于提供对于多个所述成分波长信号的功率读数；以及
基站，其与所述多个探头通信。
(22)根据(21)所述的监控系统，其中，所述基站接收来自所述多个探头的功率读数，并且响应于所接收的功率读数调整对于所述材料的参数。
(23)一种监控的方法，包括：
将至少一个探头放置在材料中；
每个探头包括：
密封的外壳；
光源，其用于将光传输到所述材料上；
窗口，其位于外壳中，其中所述窗口在来自所述材料的光的传输的、折射的或反射的波长中的一个或多个处是光学地透明的；
光学滤波器，其用于捕获来自所述材料的传输的、折射的或反射的光，并且用于将所捕获的光分为成分波长信号的光谱；以及
探测器阵列，其用于提供对于多个所述成分波长信号的功率读数；以及
当所述探头连同所述材料一起行进时，在基站处重复地接收来自在不同位置处的所述探头中的每一个的功率读数。
(24)根据(23)所述的方法，还包括：
响应于所述功率读数，调整所述材料的参数。
(25)根据(23)所述的方法，还包括：
通过激活推进系统来调整所述探头中的一个的位置。
(26)根据(23)所述的方法，还包括从所述探头的至少一个内释放物质。
(27)根据(23)所述的方法，还包括捕获所述材料的样本。
附图说明
图1是探头的顶视图的图示；
图2是图1的探头的截面图的图示；
图3A至图3D是用于图1的探头的可选形状的图示；
图4是图1和图2的探头的等距视图的图示；
图5是双SVF滤波器的侧视图的图示；
图6是分光仪的侧视图的图示；
图7a和图7b分别是用于与图1至图4的探头一起使用的V形混合容器的侧视图和端视图的图示；
图8是用于与图1至图4的探头一起使用的沉淀池的图示；以及
图9是用于与图1至图4的探头一起使用的过程的图示。
具体实施方式
在诸如液体、粉末和气体的流动材料中的各个时间和位置处的谱估计提供了强有力的过程监控能力。图1是根据下文描述的示例实现方案的探头1的顶视图的图示，并且图2是该探头1的截面图的图示。探头1可以是基于空间可变滤波器(SVF)的光谱探头，并且包括外壳2，其在形式上可以是整体的或多个部分的并且可以是密封的，从而使探头1对于在其中其被浸入探头将测量的材料中的应用是稳定的。外壳2可以根据应用而采用若干形状中的一个或其组合，包括但不限于，球形(图1和图2)、环形1A(图3A)、圆环1B(图3B)、椭球或长椭球(橄榄球)1C(图3C)以及圆柱1D(图3D)。在一个示例实施方案中，外壳2可以由抗腐蚀材料制成或包括抗腐蚀材料，诸如不锈钢或高分子材料。
外壳2可以包括在外壳2上分隔开的一个或多个窗口4，或者外壳2可以完全透明，即，连续窗口。在各个示例实现方案中，外壳2可以包括1至20中任意个窗口4或更多个窗口4。一个或多个窗口4使得从周围材料中反射或折射的光能够由在探头1内的对应的线性或空间可变光学滤波器(SVF)7来捕获。反射或折射的光可以源自一个或多个内部光源6、外部光源(未示出)、环境光或其组合。SVF 7可以离散或连续的变化。滤波器7可以基于其他色散元件(例如光栅或棱镜)，或者可以基于其他技术(例如，MEMS、染料和颜料、FTIR以及拉曼)。SVF 7将捕获的光分成成分波长信号的光谱以用于分析。
窗口4可以由任何适合的材料制成，其可选的是透明的以用于期望的传输和反射或折射的波长，例如，蓝宝石、硅、特氟龙、玻璃等。内部光源6可以是任何适合的光源，例如钨或LED光源，用于传输光的需要的波段，例如，可见光(350nm至900nm)和/或近红外光(NIR)。在示例性实现方案中，对于近红外光，光源6可以包括一个或多个板载白炽灯(例如，真空钨灯)，其提供在仪器的作用范围上(例如，对于NIR在900nm至1700nm的范围中，或者在900nm至2150nm的范围中)的宽带照明(例如，超过500nm、超过700nm或超过1000nm)。一个灯6是足够的；但是，两个灯提供了更多的光以用于与其相互作用的样本，从而具有更短的整合时间(integration time)。
在示例实施方案中，如图2中所示，从外壳2中的开口延伸到外壳2中直到外壳2的出口的导管19可以被提供，使得流动材料(例如，液体)能够在外壳2内的光源6和SVF 7之间经过，以用于经由光电探测器8和控制器12生成传输谱。整个导管19对于所传输的光可以是透明的，提供将从光源6传输到SVF 7的光的必要窗口，或者导管19的一个或多个部分可以是透明的，提供用于传输的、反射的或折射的光的所需窗口。
在每个SVF 7之下安装的是光电探测器8的阵列，其形成分光仪15且生成用于每个成分波长信号的能量读数，从而提供反射光的光谱。在每个探头1中的分光仪15的每一个可以具有相同的光谱范围，或者不同的分光仪15可以具有不同的光谱范围，例如重叠或相邻的，以使得来自个体分光仪15的宽的光谱范围能够被拼接在一起。另一个示例实施方案可包括多个光纤束，每个光纤束连接至单个分光仪15以用于光供给以及数据收集。每个束可与不同的窗口4进行通信，并且可以顺序地耦合到单个分光仪15。
光电探测器8可以是宽带探测器阵列，例如，多于500nm、多于600nm、或者多于700nm宽，诸如覆盖950nm至1650nm的砷化铟镓(InGaAs)探测器，如果期望或需要其可以延伸至1150nm至2150nm。对于多个分光仪探头1和多个探头系统，在每个系统内的每个探头1和不同的探头1内的不同的分光仪15可具有光源6、滤波器7以及光电探测器8，其具有不同的光谱范围以覆盖更宽的光谱(例如，紫外光至红外光)以实现测试的宽范围。
内框架11可以安装在外壳2的内部以用于支撑全部的SVF 7和光电探测器阵列8。内框架11可以由印刷电路板材料、塑料、金属、陶瓷或其他适合的材料中的一个或多个制成或包括这些材料。控制器12可以安装在内框架11之内或之上。控制器12可以包括适当的硬件(例如安装在印刷电路板13上的处理器和存储芯片)连同适当的软件，以用于控制全部的探头特征，包括光谱生成、存储和分析，从而提供自含式光谱探头1以用于浸入材料中，特别是当材料正在移动或在产品中流动时。
可被包括在探头1内的其他类型的传感器14包括但不限于pH传感器、温度传感器、压力传感器、电压传感器、速度传感器、加速计、陀螺仪以及板载照相机和前视红外(FLIR)传感器。在各个示例实现方案中，探头1可以包括位于探头1的外壳2周围的多个类似的和/或不同的传感器。这些多个传感器14可以使多个数据集能够被探询并且提高各个测量的质量。传感器14中的每一个连同光电探测器阵列8被连接至控制器12以用于控制和数据存储。
每个探头1可以包括在外壳2内的一个或多个挡板16，呈现移动到每个分光仪15之前的位置上以及从该位置移开的校准用基准作为校准过程的一部分。在图2中所示的示例实现方案中，挡板16安装在旋转臂17的端部上，该旋转臂17围绕连接至内框架11的中心锚点18旋转。挡板16可以在预定时间之后(例如，至少每隔5分钟的操作)，或者在预定数量的使用之后(例如，至少在每300个光谱读数之后)重新校准每个分光仪15。
挡板16包括校准的反射率基准，其将在光源6和窗口4之间旋转以将来自每个光源6的光直接反射至相应的SVF 7。来自这个已知基准的反射率然后与先前测试相比较以确定探头1内的照明的任何改变。
通信模块21被提供以使控制和/或数据信号能够将在控制器12和基站之间发送(如图7至图9中所示)。在示例实现方案中，基站可以通过过程监控工程师监控。在另一个示例实现方案中，基站可以包括自动过程控制系统。通信模块21可以是无线收发器、有线通信电缆连接、光电收发器或声音收发器中的一个或多个。无线的通信模块21可需要放置在外壳2之内或之外的天线(未示出)以实现与基站的实时数据传送连接。
探头1可以利用可替换的可充电电池22来自供电和/或可以由邻接或配合可选通信电缆连接(未示出)的有线电力电缆24来供电。电力电缆24可以充当使通信模块21与基站相互连接的通信线路以及用于从流动介质中重新得到探头1的绳。由于外壳2可以是密封的，因此在示例实现方案中，电池22可以利用感应连接来充电。在示例性实现方案中，控制器电路12可以使用定位系统跟踪器(未示出)，例如，全球定位系统(GPS)，以追踪探头1在制造或监控过程内的位置。另一个可能的定位追踪系统包括在探头1中的无线电发射器(未示出)以用于向定位在处理容器周围的定向无线电接收器的阵列(未示出)发出信号。定向无线电接收器的阵列可以用于调整探头1在固定处理容器或系统内的位置，从而基站和/或每个探头的控制器12可以确定探头的位置。惯性测量单元(IMU)(未示出)也可被提供以使控制器12或基站能够监控探头1在过程容器内行进的定向和方向。
在一个示例实现方案中，探头1可以与其意图探询的过程相容，例如，外壳2可以由IP67或更高的塑性NEMA 4等制成，以用于封装厄米性和灰尘入口以及对其所浸入的材料的相容的化学阻力。在示例实现方案中，探头1可以具有可变浮力以调整其用于液体过程中的浮力。如上所述，探头1可以在过程内自由移动或者可以经由绳附接至固定物体以用于过程后收回。
在示例实现方案中，外壳2可以被加固以处理来自制造过程内的混合或加压作用的影响。在示例实现方案中，探头1可用于需要延伸的监控时间的过程中，并且控制器12可以包括指示光电探测器8和传感器14变为低功率“待机”模式的编程，以在长过程周期期间节约能量。
图4是根据以下描述的示例植入的探头1的等距视图的图示。探头1的外壳2可以包括促进利用且通过探头浸入其中的材料的移动和稳定性的结构特征。结构特征例如可包括浅凹(dimple)、小或大的肋部、短截棒(stub)、半圆或矩形肋、脉络状物或指状物。图4的示例实现方案的探头1包括多个肋3。结构特征可提供对于探头1的保护以免与例如容器壁的其他物体接触。结构特征还可在探头1行进穿过流动材料时提供在流动材料内的增强的混合和/或减少的凝聚。结构特征还可帮助保持探头1相对于探头1浸入其中的材料的流动方向的取向，促进与材料的热交换，以及将待测量的材料引导至传感器窗口4的前面以用于测量以及用于移除可能会与其附着的碎片。
外壳2还可包括用于访问储藏室10的舱口9。舱口9可以响应于来自基站的信号或响应于来自控制器12的内部信号(例如，光谱读数或其他达到预定或期望水平的测试信号)而通过控制器12打开。在示例实现方案中，储藏室10可包含用于促进化学过程的物质，例如，催化剂。在示例实现方案中，储藏室10可包含用于标记特定位置的物质，例如，染料。在示例实现方案中，储藏室10可包含用于改变探头1浸入其中的物质的化学参数的物质，例如，pH或毒性。可选地，舱口9可以响应于来自控制器12和/或基站的信号而打开，以将探头浸入其中的材料的流体捕获在储藏室10中，以用于进一步的测试或用于控制探头1的浮力。
探头1还可包括分离的浮力系统31，其将使每个探头1的浮力在被插入到流动材料中之前或在流动材料中的主动监控期间能够被单独地调整，以使探头1能够被引导或被推进到不同的位置、以及在流动材料内的不同深度。浮力系统31可包括用于从储存池或囊32中排出流体的流体排出设备从而降低探头1的密度和/或用于捕获周围流体的流体进入设备从而增加探头1的密度。
探头1还可包括推进系统33，其将使每个探头1的位置能够由控制器12和/或基站调整。推进系统33可以包括存储在储存池中的流体的加压爆发的释放，能够被激励以朝向处理池中的金属结构吸引探头1的电磁体，或推进器。
在特定应用中，可由控制器12控制的窗口清洁系统25可以被提供以周期性地擦拭或将窗口4的外部的积料移除。清洁系统25可包括具有安装在外壳1上的刮水系统的外部同心壳(未示出)。刮水系统可包括安装在旋转或平移臂27上的刮水器26，其可以横扫窗口4。可选地或除刮水系统之外，推进系统33可以在流动材料的体积内以高速旋转探头1，以通过离心力摆脱在窗口4上的任何积料。其他清洁系统可以包括提供声波搅拌以清洁窗口4的一个或多个声波搅拌器、加热窗口4且去除湿粉末的加热器、以及产生放电的电力源。
图5是根据以下描述的示例实现方案的双SVF滤波器的侧视图的图示。图6是根据以下描述的示例实现方案的分光仪的测视图的图示。空间可变滤波器(SVF)7包括沿着x轴可变的(例如，线性或非线性)带通的中心波长，并且在一些实施例中在y轴上形成2D空间可变滤波器(SVF)。
因此，SVF 7可包括在光束37的光学路径36中由预定的规定距离L分开的顺序放置的上游空间可变带通光学滤波器(SVF)35A和下游空间可变带通光学滤波器(SVF)35B，如在Smith等人于2015年8月5日提交的题为“OPTICAL FILTER AND SPECTROMETER”的美国专利申请No.14/608,356和No.14/818,986中所公开的，其通过引用并入本文。上游SVF 35A和下游SVF 35B的每一个具有沿着由x轴表示的共用第一方向38以相互协调的方式变化的带通中心波长λT。第一方向38横向于光学路径36。通过非限制性示例的方式，上游35A和下游35BSVF二者的带通中心波长λT具有各自的单调线性相关。光学滤波器7的配置使得与下游SVF35B的光谱选择性对光束37的对准的程度的对应依赖性相比，光学滤波器7的光谱选择性对光束37的对准的程度的依赖性变小。
在图5的示例中，上游35A和下游35B SVF彼此对准，使得对应于下游滤波器35B的参考带通中心波长λ0的参考点x0被直接放置在对应于上游滤波器35A的参考带通中心波长λ0的参考点x0之下。上游滤波器35A起到对于下游滤波器35B的空间滤波器的作用，限定对于下游滤波器35B的预定或预设的接收角39。接收角39由在参考波长λ0处的左40L和右40R边缘光线限制，每一个以关于法线的角θ行进至上游35A和下游35B滤波器并且在相同的参考点x0处穿透下游滤波器35B。接收角39可以源自上游滤波器35A的通带41A，如下所述。
在图5中示出的几何结构中，左边缘光线40L在位置x0–Δx处穿透上游滤波器35A。在该位置处的传输波长λL的根据方程式(1)是λL＝λ0–DΔx。由于左边缘光线40L在参考波长λ0处，因此左边缘光线40L将根据上游SVF 35A的通带41A的选择且预定的带宽来衰减；为了这个示例，例如，10dB带宽被看作为2DΔx。因此，左边缘光线40L将通过预定衰减例如10dB来衰减。同样地，右边缘光线40R在位置x0+Δx处穿透上游SVF 35A。在该位置处的传输波长λR的根据方程式(1)是λR＝λ0+DΔx。右边缘光线40R将通过预定衰减例如10dB来衰减。在接收角39内的参考波长λ0处的全部光线将通过小于预定水平(例如，10dB)的值来衰减；并且在接收角39外部的参考波长λ0处的全部光线将通过大于预定水平(例如，10dB)的值来衰减，从而大大地减小在大于接收角39的入射角处的将被传输至下游SVF 35B的光量，从而消除对于体积大的准直透镜和光学器件的需求。上游SVF 35A起到空间滤波器的作用，有效地限制了将由下游SVF 35B在单独的波长中分开的射入光的数值孔径(NA)。这导致了与单个下游SVF 35B的光谱选择性对光束37的对准的程度的对应相关系相比，SVF 7的光谱选择性的依赖性的较少。术语“光谱选择性”可包括如通带宽度、杂散光抑制、消光比等的这些参数。
上游35A和下游35B SVF的中心波长λT在第一方向38上可以是单调递增或递减的。带通中心波长λT在沿着上游SVF 35A和下游35B SVF的第一方向38的x坐标轴上的依赖性可以是相同的，或是不同的以实现光学滤波器7的波长响应和/或接收角的调整。在一个实施例中，上游SVF 35A和下游35B SVF的带通中心波长λT彼此对准，使得连接对应于上游SVF35A和下游35B SVF的相同的带通中心波长λT的位置的线与下游SVF35B的法线形成小于预定量(例如30°)的角度。对于与法线的非零角，接收锥可以看起来倾斜。因此，有可能通过将上游SVF35A和下游SVF35B在第一方向38上相对于彼此偏移来改变接收锥的方向。为了获得更好的总体通过量，沿着第一方向38的对应于上游SVF35A的带宽的横向距离Δx1可以大于沿着第一方向38的对应于下游SVF35B的带宽的对应的横向距离Δx2。在一个示例实现方案中，上游SVF 35A和下游SVF 35B的每一个具有3dB通带，不大于上游SVF 35A和下游SVF 35B的对应波长范围的10％。
参考图6，分光仪15包括光学滤波器7和放置在下游SVF 35B的光学路径下游中的光电探测器阵列8。光电探测器阵列8可包括沿着第一方向38且可选地沿着第二垂直方向(到页面中)放置的像素44，用于探测例如由来自光源6的流动材料反射的光束的单个光谱分量的光能级。在示例实现方案中，光电探测器阵列可以是2D光电探测器阵列，其公开在Smith等人于2015年8月5日提交的题为“OPTICAL FILTER AND SPECTROMETER”的美国专利申请No.14/818,986中，其通过引用并入本文。因此，光束可以是会聚的、发散的、准直的等。如上所解释的，包括上游SVF 35A和下游SVF 35B的光学滤波器7的双滤波器结构导致光学滤波器7的光谱选择性对返回光的对准的程度的依赖性减少。
在一个示例实现方案中，光电探测器阵列8可以与下游SVF 35B直接接触。光电探测器阵列8可以被灌封材料充满以便形成封装45。封装45的一个功能是隔离光电探测器阵列8，同时不掩盖光学滤波器7的下游SVF35B的通光孔径46。封装45的另一个功能是保护上游35A和下游35B滤波器的边缘免受冲击、潮湿等的影响。
应用
图7a和图7b分别是与探头1一起使用的V形混合容器的侧视图和端视图的图示。参考图7a和图7b，多个探头1可以用在对于例如制药工业中的批处理系统的监控系统中。处理池51包括用于支撑诸如V形混合容器53的混合容器的支撑框架52。混合容器53包括用于投入原料的至少一个输入口54以及用于排出制成品的至少一个输出口55。搅拌器或切碎器56可以被提供在混合容器53内以减少原料的大小和/或将各种原料混合在一起。搅拌器56可以利用链轮和链条结构57来旋转，或利用由电动机58驱动的一些其他适合的驱动组件来旋转。控制系统59可以被提供用于控制原料的投入、搅拌器56的激活与速度以及经由输出口55排出制成品的时间。控制系统59可以根据存储在由计算机控制器驱动的非永久性存储器上的预设编程来自动控制，或者可以在选定时间处需要人为干涉。
一个或多个探头1可以与原料放置在一起，或者与通过分开的输入口54投放的不同原料分开放置，并且之后连同原料一起，同时它们彼此混合和/或由于它们的化学性质或外部因素(诸如温度或压力的变化，或添加催化剂)而彼此作用。在整个过程中，探头1经由控制器12和通信模块21可以在预定时间间隔处例如经由WIFI无线地将光谱数据连续传送至控制系统59(基站)，以提供化学过程的持续的状态更新。控制系统59和/或控制器12可利用光谱数据或以许多不同方式中的一个由其他传感器14收集的任意其他测试数据。在一个示例实现方案中，控制系统59和/或控制器12可利用光谱和测试数据来确定过程何时完成，即，关掉进程且输出制成品。另外，控制系统59和/或控制器12可利用光谱和测试数据来调整搅拌器56的频率或速度和/或调整化学过程的参数，例如，调整温度、压力以及催化剂的量中的任意一个或多个。对于多步骤过程，控制系统59和/或控制器12可利用光谱和测试数据来启动过程中的后续步骤，例如，当过程和测试数据达到期望的输出水平时。控制系统59和/或控制器12甚至可以基于光谱和测试数据在特定时间处经由舱口9从储藏室10分配额外的催化剂和原料。
控制系统59和/或控制器12可使用每个探头的定位系统(例如，GPS)来识别各个探头1的位置，并且可以基于该探头1的位置来确定下一步骤中，优先考虑哪个探头1具有更大的重要性。另外，由于每个探头1可具有多个分光仪15，因此控制系统59和/或控制器12可将用于每个探头1的光谱数据进行平均。平均过程可包括消除高和低的测量值或者在与剩余测量值的平均值的预定偏差之外的任何值测量值。平均可包括平均来自每个探头1内的不同窗口4/分光计15的不同光谱和/或平均在整个流动材料的体积的多个位置处的来自多个探头1的光谱。控制器12和控制系统59还可包括适合的编程以执行其他光谱处理，包括区分相似或不同的光谱区域以比较读数或组合不同的重叠或相邻的光谱以生成更宽的光谱。
每个探头1的位置可以通过利用板载推进系统33、板载浮力系统31来调整，或者通过在每各探头1外部的过程推进系统来调整，诸如在预定或期望位置处通电的电磁体60以在期望方向上吸引探头1中的一个或多个或者将探头1中的一个或多个吸引到容器53的期望区域中。在这个系统中，探头1能够在制成品被输出输出口55时被容易地收集用于重新使用。
参考图8，探头1可以用在包括沉淀池61的连续过程中。沉淀池61包括输入口62和搅拌器或耙子63，该输入口接近池61的中部、用于投放原始或未处理的原料，该搅拌器或耙子63安装在旋转轴64的端部上并且围绕沉淀池61的底部旋转。输出口65被设置在沉淀池61的底部中以用于输出已加工原料，例如增稠的液体。溢流通道66被设置在沉淀池61的顶部周围以捕获全部的较轻的流体和材料，其升到沉淀池61的顶部。
一个或多个探头1可以与通过输入口62的原料放置在一起，并且之后连同原料一起，同时它们彼此混合和/或由于它们的化学性质或外部因素(诸如温度或压力的变化，或添加催化剂)而彼此作用。在整个过程中，控制器12可以在预定时间间隔处例如经由WIFI无线地将光谱数据连续传送至基站69，以提供化学过程的持续的状态更新。基站69和/或控制器12可简单地利用光谱数据或以许多不同方式中的一个由其他传感器14收集的任意其他测试数据。例如，基站69和/或控制器12可利用光谱和测试数据来确定过程何时到达特定阶段，即，经由输出口65输出制成品。另外，基站69和/或控制器12可利用光谱和测试数据来调整耙子63的频率或速度和/或调整化学过程的参数，例如，调整温度、压力以及催化剂的量中的任意一个或多个。对于多步骤过程，基站69和/或控制器12可利用光谱和测试数据来启动过程中的后续步骤，例如，当过程和测试数据达到期望的输出水平时。控制器12和/或基站69甚至可以基于光谱和测试数据在特定时间处经由舱口9从储藏室10分配额外的催化剂和原料。
基站69和/或控制器12可使用每个探头的定位系统(例如，GPS)来识别各个探头1的位置，并且可以在确定下一步骤时基于该位置来优先考虑哪个探头1具有更大的重要性。另外，由于每个探头1可具有多个分光仪15，因此基站69和/或控制器12可用于每个探头1的光谱数据进行平均。平均过程可包括消除高和低的测量值或者在与剩余测量值的平均值的预定偏差之外的任何值测量值。
每个探头1的位置可以利用板载推进系统33、板载浮力系统31通过控制器12和/或基站69来调整，或者通过使用在每个探头1外部的过程推进系统来调整，诸如在预定或期望位置处通电的电磁体68，以在期望方向上吸引探头1中的一个或多个或者将探头1中的一个或多个吸引到沉淀池61的期望区域中。在这个系统中，探头1可具有不同的浮力特性，例如，一个用于沉淀到底部以用于输出输出口65，而一个用于升到顶部以用于输出溢流通道66。因此，探头1能够在制成品被输出各个输出口65和66时被容易地收集以用于重新使用。
参考图9，诸如酿酒过程的多步骤过程可包括几个步骤，例如，过滤(lautering)、煮沸、发酵、调理(conditioning)、滤清(filtering)以及包装，其可需要通过监控系统提供的精确监控，监控系统包括基站70以及经由无线网络(例如，WIFI)通信的多个探头1。探头1可在每个步骤处被插入到每个处理池中，或者探头1可与原料行进通过各个步骤和处理容器。
麦芽处理是在其中大麦籽粒71被准备以用于酿酒的过程。当麦芽处理完成，籽粒71在磨粉机72中被碾磨或压碎以打散谷粒且暴露子叶，其包含大部分的碳水化合物和糖。
糖化将在麦芽处理阶段过程中释放的淀粉转换为能够被发酵的糖。磨碎的籽粒在被称为糖化锅73的大容器中与热水混合。在这个容器中，籽粒和水被混合在一起以产生麦芽汁。在糖化期间，在麦芽中存在的自然产生的酶将籽粒中的淀粉(长链碳水化合物)转化为较小的分子或单糖(单糖、二糖和三糖)。这个“转化”称为糖化。糖化过程的结果是富有糖的液体或“麦芽汁”，其然后在称为过滤的过程中通过糖化锅73的底部或在单独的池74中滤过。探头1可以放置到糖化锅73中以监控麦芽汁中的淀粉的浓度和酶的浓度。在过滤之前，糖化温度可以被升高到大约75-78℃(167-172℉)(称为捣出(mashout))以使酶失效。探头1可以在接近糖化锅73或过滤池74的底部来使用以使用温度传感器14来确保在整个容器中温度处于期望的范围内，并且使用探头分光仪中的一个来确保酶的浓度被减少至期望或可接受的水平。额外的水可以被洒在籽粒上以在称为洒水的过程中提取额外的糖。
麦芽汁被移动到被认为“铜(copper)”的大池75或壶中，在其中其利用啤酒花且有时是其他原料76(诸如药草和糖)被煮沸。这个阶段是在其中发生许多化学和技术反应，并且在其中做出关于啤酒的味道、颜色和气味的重要决定。煮沸过程用于终止酶工艺、沉淀蛋白质、异构化啤酒花树脂以及浓缩和灭菌麦芽汁。啤酒花将味道、芳香和苦味加入啤酒。来自探头1的光谱信号可以用于确定各种元素的浓度以及麦芽汁的颜色。在煮沸的结尾，加入啤酒花的麦芽汁沉淀以在称为“回旋沉淀槽”77的容器中变得澄清，在其中麦芽汁中的更多的固体颗粒被析出。
在回旋沉淀槽77之后，麦芽汁经由热交换器78快速冷却至其中能够添加酵母的温度。热交换器78包括冷水桶内的管子。非常重要的是将麦芽汁快速冷却至在其中能够安全添加酵母的水平，这是由于酵母不能在高温中生长。因此，探头1上的温度传感器14可快速确定何时麦芽汁已在整个热交换器78中均匀地冷却到期望温度。在麦芽汁通过热交换器78之后，冷却的麦芽汁进入发酵池79。一种类型的酵母被选择且添加或“投放”到发酵池79中。当酵母被添加到麦芽汁时，发酵过程开始，其中糖转变为酒精、二氧化碳和其他成分。在发酵池79中，探头1提供与那些元素的浓度相关的光谱信号。当发酵完成时，酿酒师可将啤酒静置(rack)到新的池中，称为调理池80。啤酒的调理是其中啤酒成熟、味道变得平滑并且不希望的味道被去掉的过程。此处，来自探头1的光谱信号提供了当啤酒已经达到其最优状态时的明确指示以及其他特性(诸如，pH)的监控。在调理一周或数月之后，啤酒使用滤清器81来滤清，并且被强充碳酸气以用于装瓶或者在木桶中澄清。
探头1还可用在大得多的监控系统中，诸如在活动的河流、湖泊、海洋和其他水道中，以监控诸如污染(例如，漏油)的各个元素的浓度以及其他影响因素，例如，温度和pH。探测的位置和时间的组合以及所检测的污染的类型可使得能够确定污染源以及产生的损害，例如水特性的改变，下游。
由于探头1的尺寸减小，它们还可用于监控人类或其他动物活体。特别地，探头1可以被咽下，并且随着探头1穿过患者的消化系统，光谱数据可以被传送到医生的基站，以监控含量、pH、温度以及各种其他特征。
在示例实现方案中，探头1可以从一些形式的飞行机器中落下，例如，飞机、气球、直升机和航天器，以监控各种大气特征，例如，臭氧、过敏原、污染物。
本公开不会限制在通过本文描述的特定示例实现方案的范围中。事实上，除了本文描述的那些之外，通过以上描述和所附附图，对于本领域技术人员而言其他实现方案和修改是明显的。因此，这些其他的实现方案和修改旨在落入本公开的范围内。此外，虽然本公开已经在用于特定目的的特定环境中的特定实现方案的背景中进行了描述，但是本领域技术人员将意识到，其有用性不被限制于此并且本公开可以对于任何数量的目的在任何数量的环境中被有益地实现。因此，在权利要求应该考虑到如本文所述的本公开的完整篇幅和精神来解释。

Claims (19)

1.一种探头，包括：
外壳；
光源，其用于将光传输到材料上；
导管，其从所述外壳中的开口延伸到所述外壳中的出口；
光学滤波器，其用于捕获从所述材料折射或反射的光；以及
探测器阵列，其基于所述导管生成传输谱，所述导管使所述材料能够在所述光源和所述光学滤波器之间经过。
2.根据权利要求1所述的探头，其中，所述光学滤波器是空间可变滤波器(SVF)。
3.根据权利要求1所述的探头，其中，所述外壳是密封的。
4.根据权利要求1所述的探头，其中，所述外壳包括一个或多个窗口，所述一个或多个窗口对于特定波长是光学地透明的。
5.根据权利要求1所述的探头，其中，所述光源包括一个或多个板载白炽灯。
6.根据权利要求1所述的探头，还包括：
光电探测器阵列，其基于使所述材料能够在所述光源和所述光学滤波器之间经过的所述导管来产生传输光谱。
7.根据权利要求1所述的探头，其中，整个所述导管对于光是透明的。
8.根据权利要求1所述的探头，还包括：
内框架，其被安装在所述外壳的内部并支撑所述光学滤波器。
9.根据权利要求1所述的探头，还包括：
控制器；和
一个或多个传感器，所述一个或多个传感器位于所述外壳周围并连接到所述控制器。
10.根据权利要求1所述的探头，还包括：
分光仪，
其中，所述外壳包括重新校准所述分光仪的挡板。
11.根据权利要求10所述的探头，
其中，所述外壳包括窗口，以及
其中，所述挡板包括校准的反射率基准，所述校准的反射率基准在所述光源和所述窗口之间旋转以将来自所述光源的所述光反射到所述光学滤波器。
12.一种系统，包括：
外壳，其包括挡板；
导管，其从所述外壳中的开口延伸到所述外壳中的出口，其中，所述导管使材料能够在所述系统的两个组件之间经过；以及
探测器阵列，其基于所述导管生成传输谱。
13.根据权利要求12所述的系统，还包括：
用于将光传输到材料上的光源。
14.根据权利要求12所述的系统，还包括：
光学滤波器，其用于捕获从材料折射或反射的光。
15.根据权利要求12所述的系统，其中，所述两个组件包括光源或光学滤波器中的一个或多个。
16.根据权利要求15所述的系统，还包括：
旋转臂，
其中，所述挡板被安装在所述旋转臂的端部上。
17.根据权利要求16所述的系统，还包括：
内框架；和
中心锚点，其连接到所述内框架，
其中，所述旋转臂围绕所述中心锚点旋转。
18.根据权利要求12所述的系统，还包括：
分光仪，
其中，所述挡板重新校准所述分光仪。
19.根据权利要求12所述的系统，其中，所述外壳还包括以下项中的一个或多个：
促进利用且通过所述系统浸入其中的材料的移动和稳定性的结构特征，或者
用于访问储藏室的舱口，其用于储存用于促进化学过程的物质。
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