CN118076882A - 具有可变路径长度的浸没式探头 - Google Patents

Abstract

一种用于借助光定量分析和/或定性分析流体如液体或气体的浸没式探头(1)，光沿光路(L)被引导穿过流体(F)，包括适于浸没入流体中的测量头(10)，测量头具有可连接至光源的用于被引导至流体(F)的光的输入光导体(14)和可连接至探测器的用于从流体(F)引导出的光的输出光导体(15)、其彼此相向的表面(20a,21a)接触流体(F)的第一和第二光学窗(20,21)和至少一个光偏转机构(17,18)，光偏转机构布置在从输入光导体(14)射出的或进入输出光导体(15)的光的光路中且将来自输入光导体(14)的光通过第一光学窗(20)偏转到流体(F)中或将来自流体(F)的光偏转向输出光导体(15)。浸没式探头的特点是第一和第二光学窗(20,21)相互呈楔形布置，且其指向楔内的表面(20a,21a)朝向待分析流体(F)，其中至少一个光偏转机构(17,18)和光学窗(20,21)彼此相对基本上在楔口的方向上来回运动。

Description

具有可变路径长度的浸没式探头

技术领域

本发明涉及用于借助光定量分析和/或定性分析流体如液体或气体的浸没式探头的领域，该光沿光路被引导穿过流体。本发明尤其涉及具有可变路径长度的浸没式探头。

现有技术

浸没式探头尤其被用于监测生化和化学反应。所述应用主要在生产质检和通过监测作为反应过程考察的一部分的离析物、产物和可能的中间分子的生化/化学反应机制的研究中。直接在反应容器内获得光谱信息，其通过光纤被传输至分光光度计中。该技术是无损的、无干扰的、节省时间和成本且有助于避免人工/人类错误。

因此在浸没式探头领域中知道了借助穿过流体的光的分析确定是否存在流体组成部分和/或其浓度。在此，光首先被引导穿过流体且接着被引导至光谱仪，在光谱仪中例如通过吸收光谱法分析穿过的光。接着可从光谱中识别所寻找的组成部分或确定其在流体内的浓度。这样的浸没式探头例如由US5,077,481A或US5,418,614A公开了。

在这些已知的浸没式探头中，光从光源借助光导体被引入浸没式探头中并且被耦合输入形成在浸没式探头中的样本腔，待分析流体位于样本腔内或可穿过样本腔。位于光路中的样本腔界面例如光学窗、透镜等在此限定各不同的固定测量参数，尤其是穿过待分析流体的光的固定路径长度，其对于信号评估是有意义的。

这样的具有固定路径长度的浸没式探头有以下缺点，测量仅依据一组测量所需的参数来执行。如上所述，属于所述参数的首先就是穿过流体(一般是液体、但也可以想到气体)的测量光(信号光或激发光)的路径长度。即，在常见的浸没式探头中穿过样本的光的光谱强度仅与路径长度相关地被确定(在也仅以路径长度进行的校准的帮助下)。这限制动态测量范围，这尤其可能在饱和极限附近导致非线性。

此外，在测量期间内精确保持路径长度对于精确定性分析所找寻的流体内组成部分是极其有意义的，故在测量期间内或测量之间的路径长度偏差不利地影响测量结果精度和进而所寻找的组成部分的可靠定量确定。在比较长的路径长度情况下，其偏差还无法得到足够重视，但是，尤其在所寻找的流体内组成部分的高浓度情况下必须采用比较短的路径长度，此时也仅其微小偏差使测量结果变得非线性且因此有损于分析精度。

US2004/0086214A1公开一种浸没式探头，其中路径长度借助多个分别单独安装到探头体(测量头)上的不同尺寸的样本腔可被改变。US5,185,834A公开一种浸没式探头，其中路径长度通过选择在光导体和反光镜之间的不同垫块可被调节。但在两种浸没式探头中，路径长度无法在测量期间内在流体内被调节或改变，使得每次单独测量遇到上述问题，即，仅使用一个路径长度用于评估所记录的光谱。即，如果在所述现有技术文献中更换样本腔或垫块，则不仅路径长度改变，其它参数如透光面的光学特性也改变，故无法在不引入其它不精确性或错误至测量结果的情况下实现不同结果的整合。

WO96/12174A1公开一种浸没式探头，在此光导体和安装在其上的与反光镜一起限定样本腔的透镜相对于反光镜在第一和第二位置之间相对于光导体和反光镜被轴向调节，因此实现两个不同的路径长度。在此，第一路径长度用于产生参考信号，第二路径长度用于产生分析信号。

WO21/067565A1、US10,976,259B或DE102017122125A1公开了从原理上讲与前述WO‘174相似的浸没式探头，在此，光纤或聚焦透镜相对于样本腔的后壁被移动以便实现不同的路径长度。

EP3318714A1公开浸没式探头，在此，射出激发光或接收信号光的光导体的尖可相反移动以改变路径长度。

EP3045521B1或EP3365658A1公开浸没式探头，具有分级表面的棱镜或可移入光学窗限定不同的但固定的路径长度。

在所有这些机构中不利的是，界定样本腔的光学表面垂直于光轴取向且因此在光路内出现反光，反光导致光多次穿过待分析流体并且使信号失真。此外，在具有弯曲反光镜的浸没式探头中出现了光以不同的角度穿过样本腔内流体，并且焦点位置相对于一个或两个界定样本腔的表面改变，这也导致测量精度受到不利影响。

发明主题

鉴于上述缺点，本发明的任务是提供一种浸没式探头，其允许改善在借助光定量和/或定性分析流体如液体或气体时的测量精度。另一任务是提供一种结构尽量简单的浸没式探头，其允许自动记录沿可变路径长度的光谱。

该任务通过权利要求1的或并列权利要求14的主题来完成。本发明的优选设计来自从属权利要求。

根据本发明，在第一方面中提供一种用于借助光定量分析和/或定性分析流体如液体或气体的浸没式探头，光沿一条光路被引导穿过流体，浸没式探头包括适于浸没入该流体中的测量头，测量头具有可连接至光源的用于引导至流体的光的输入光导体和可连接至探测器的用于从该流体引导出的光的输出光导体、其彼此相向的表面接触流体的第一和第二光学窗和至少一个光偏转机构，光偏转机构布置在从该输入光导体射出的或进入该输出光导体的光的光路中并将来自输入光导体的光通过第一光学窗偏转到流体中或将来自流体的光偏转向输出光导体，其特点是，第一和第二光学窗相互呈楔形布置并且其指向楔内的表面朝向待分析流，其中至少一个光偏转机构和光学窗彼此相对地基本上在楔口的方向上来回运动。

呈楔形布置的光学窗因此限定装有流体的样本腔的两个侧面，光穿过光学窗沿光路进入待分析流体中或从待分析流体中射出。如果现在使光偏转机构和光学窗彼此相对基本上在楔口方向上运动，这优选在测量期间内连续完成，则沿楔的高度方向/方向的位置改变，在该位置处光照中光学窗。被光偏转机构偏转的光因此照中第一或第二光学窗的不同部位。由于该至少一个光偏转机构是可活动的，以致穿过流体的光也总是照中光偏转机构，从而不需要在工作中定向光偏转机构或者只需执行一次(例如在工厂)。在此，基本上在楔口方向上的运动是指如下运动，在此该运动的至少一个方向分量平行于呈楔形布置的光学窗的角对半分线(或运动非垂直于角对半分线进行)。根据本发明的相对运动造成在两个窗之间的光的路径长度也改变，即，穿过样本腔内的待分析流体的光的路径长度改变。故可以通过最简单方式、即仅通过至少一个光偏转机构相对于光学窗的简单相对运动能以可控方式改变穿过流体的路径长度，从而优选可以连续记录下光谱连同各自不同的路径长度。

本发明浸没式探头因此基于如下基本构想，记录多个路径长度下的光谱且因此确定与路径长度x相关的函数I(x)、即强度I的斜率以获得明显更高的测量精度。换言之，本发明因此允许通过记录在不同路径长度下的光谱而相比于具有固定路径长度的常见探头提供显著扩宽的动态测量范围。另外，例如可实现流体组成部分的精确浓度确定，因为吸收性依据不同路径长度来定。

这种布置的另一优点是由于允许精确知晓楔角的楔形的几何形状简单而穿过流体的路径长度的变化可从光偏转机构的运动(调节)长度中来定。

最终，窗的楔形布置具有以下优点，进入样本腔的和/或从样本腔射出的光没有垂直(即以入射角0°)穿过各自窗，而是以入射角>0°。这阻止在至少一个窗的光学界面处(一次或多次)所反射的光留在光路(光程)中且导致不希望的不利地影响测量结果的多次穿过流体。

呈楔形布置的光学窗能接触或连接且同时形成用于光相对于流体进出的连续呈楔形延伸的光学面。若现在使光偏转机构运动以致光路位移向楔尖，则本身可实现最短路径长度，其是分析流体内强吸收性组成部分必需的。

在一个实施方式中如此布置第一或第二光学窗，光基本垂直于它入射。例如，第一或第二光学窗可平行于至少一个光偏转机构相对于光学窗运动方向布置。

在一个优选实施方式中在测量头内如此设置相互呈楔形布置的光学窗，即，楔的角对半分线平行于至少一个光偏转机构相对于光学窗运动方向。

在另一实施方式中，在光路中在第二光学窗后面设有一反光镜，反光镜将穿过流体的光经过第二光学窗、流体和第一光学窗反射回到至少一个光偏转机构。浸没式探头因此利用反光以便光可再次穿过流体且因此相比于简单穿过流体将路径长度倍增。将穿过流体的光耦合输入输出光导体中通过至少一个光偏转机构进行，至少一个光偏转机构适于偏转激发光还有信号光。

优选地，该至少一个光偏转机构包括第一和第二光偏转机构。在此，第一光偏转机构用于将来自输入光导体的光经过第一窗偏转到流体中，第二光偏转机构用于将穿过流体的光偏转到输出光导体中。

第二光偏转机构在此情况下优选在光路中布置在第二光学窗的后面并且将从流体穿过第二光学窗的光偏转进入输出光导体。浸没式探头因此在此实施方式中设立用于光简单透射过流体，光随后通过第二光偏转机构被转向至输出光导体并耦合输入其中。由于第二光偏转机构(在光路内在第二光学窗后面)随第一光偏转机构(在第一光学窗前面)可相对于光学窗活动，故穿过流体的光总是照中第二光偏转机构，即便当穿过流体的该光的路径长度改变时。

在此实施方式的一个变型中设有切换机构，借此可以在位于光路内在第二光学窗之后和第二光偏转机构之前的位置与位于该光路外的位置之间布置反光镜。这允许浸没式探头在借助单次透过流体的测量与借助两次透过的测量之间切换。

优选地，反光镜在此可随光偏转机构一起活动。通过这种方式，在第一光偏转机构、反光镜和第二光偏转机构之间的相对定位和取向总是一样的。

视布置的不同，第一和第二光偏转机构可以例如在浸没式探头具有反光镜时布置在第一光学窗侧，反光镜可使光两次穿过流体，或者第一光偏转机构布置在第一窗侧而第二光偏转机构布置在第二窗侧，从而它可一次将穿过光的流体偏转向输出光导体。但根据本发明也可以设有其它光偏转机构，例如两个在第一窗侧和一个在第二窗侧。在任何情况下，技术人员能确定在第一窗侧是否应该设有光偏转机构用于从输入光导体中偏转出激发光以及将信号光偏转向输出光导体，或者为此是否采用两个单独的光偏转机构、例如采用第一光偏转机构用于偏转激发光和采用第二光偏转机构用于偏转信号光。

在一个优选实施方式中，浸没式探头包括用于沿光路最佳聚焦激发光的一个或多个透镜。透镜在此可以特别优选地安置在输入光导体的出口和/或输出光导体的入口处。也可以作为前述方式的代替或补充地想到安置在光偏转机构上。另一方面，可以为了最佳聚焦而将光偏转机构也设计成凹面反光镜，故可放弃透镜。

优选地，浸没式探头包括与光偏转机构操作连接的调节机构，其可以使光偏转机构优选平行于该楔的角对半分线运动。该调节机构优选也操作连接至可选的反光镜。

输出和输入光导体一般在测量头内被固定。但也可以想到输入和输出光导体也随该至少一个光偏转机构一起运动。光导体为此可连接至调节机构。

调节机构有利地包括马达、尤其优选是步进马达、接合至马达轴的丝杠和接合至光偏转机构的螺母，丝杠插入该螺母中。故可以与马达尤其是步进马达组合地实现极其精确的光偏转机构调节运动。螺母在此可以固定集成到光偏转机构的保持光偏转机构的保持结构中。

但作为调节机构，根据一个替代设计也可以考虑线性马达，其直接接合至光偏转机构。

还可能但并非必须的是该浸没式探头具有调节机构的电子控制装置。但优选的是调节机构可从浸没式探头外来控制。对此，调节机构优选可接合至探测器如光谱仪或分光光度计或提供调节机构的电子控制的计算机。

由呈楔形布置的光学窗沿光路界定的样本腔优选是敞开的，使得流体能流过样本腔。但同样可以想到的是样本腔设计成可关闭或被关闭以便容纳规定流体量。

用于激发样本腔内的流体的光在此情况下优选是在UV、VIS(可见)或IR范围内的光。

该至少一个光偏转机构优选是偏转棱镜，其适于将来自输入光导体的光相对于第一光学窗以90°偏转到流体中或将来自流体的光以90°偏转到输出光导体。但同样可以想到偏转反光镜，例如平面反光镜或凹面反光镜作为光偏转机构。光偏转机构也可以是弧形光导体，单独的或作为输入或输出光导体的一部分，例如呈弧形光导端形式。

优选由石英玻璃构成的光学窗在一个优选实施方式中是与待分析流体接触的测量头外表面。

根据本发明，在第二方面提供一种用于借助光定量分析和/或定性分析流体如液体或气体的浸没式探头，光沿光路被引导穿过该流体，浸没式探头包括适于浸没入流体中的测量头，测量头具有能连接至光源的用于引导至流体的光的输入光导体和能连接至探测器的用于从该流体引导出的光的输出光导体、其彼此相向的表面接触流体的光学窗和反光镜和至少一个光偏转机构，光偏转机构布置在从输入光导体射出的或进入输出光导体的光的光路中并将来自输入光导体的光通过第一光学窗偏转到流体中或将来自流体的光偏转向该输出光导体，其中反光镜适于将穿过流体的光经过流体和光学窗反射回至光偏转机构或第二光偏转机构，其特点是，光学窗和反光镜相互呈楔形布置并且其指向楔内的表面朝向该待分析流体，其中一方面是该至少一个光偏转机构且另一方面是该光学窗和反光镜彼此相对基本在楔口方向上来回运动。

在此情况下(即相比于本发明的第一方面)，光学窗和反光镜限定装有流体的样本腔的两个侧面。如果使一方面是光偏转机构和另一方面是光学窗和反光镜彼此相对基本朝向楔口运动，这又优选可以测量期间内连续完成，则沿楔高度方向/方向的光在此照中光学窗或反光镜的位置改变。被光偏转机构偏转的光因此照中光学窗或反光镜的不同部位。由于至少一个光偏转机构是活动的，故所反射的穿过流体的光也总是照中光偏转机构，使得工作时的定向不是必需的或只需进行一次(例如在工厂)。在此，基本朝向楔口的运动是指如下运动，此时至少一个运动方向分量平行于呈楔形布置的光学窗的角对半分线(或运动不垂直于角对半分线进行)。根据本发明的相对运动造成在光学窗和反光镜之间灯光的路径长度也改变，即，穿过样本腔内待分析流体的光的路径长度改变。因此可以通过最简单方式、即仅通过光偏转机构相对于光学窗和反光镜的简单相对运动以可控方式来改变经过流体的路径长度，从而优选能连续记录下伴随各自不同的路径长度的光谱。

就像在第一方面中那样，第二方面的浸没式探头也基于以下基本构思，记录在多个路径长度下的光谱且因此确定与路径长度x相关的函数I(x)、即强度I的斜率，以获得明显更高的测量精度。也获得第一方面的进一步优点，例如相比于具有固定路径长度的常见探头的显著扩宽的动态测量范围、通过依据不同路径长度的吸收性的流体组成部分的精确浓度确定以及基于知晓楔角和光偏转机构运动(调节)长度的路径长度变化的精确确定。

在第二方面中，光学窗和反光镜的楔形布置也有以下优点，进入样本腔的和/或从其中射出的光没有垂直地(即以入射角0°)穿过各自窗，而是以入射角>0°。这阻止在光路(光程)中的不希望的反射。

光学窗和反光镜能接触或连接。如果现在使光偏转机构运动以致光路位移向楔尖，则本身可以实现最短路径长度，其对于分析流体内的强吸收性组成部分是必需的。

在一个优选实施方式中如此布置反光镜，即，光基本上与之垂直地入射。该反光镜例如可以平行于该偏转机构的运动方向布置。

浸没式探头优选包括一个与该至少一个光偏转机构操作连接的能使至少一个光偏转机构运动的调节机构。

就像也在具有两个光学窗的实施方式中那样，在一个光学窗与一个反光镜形成一个楔角的方面的情况下，至少一个光偏转机构可以包括第一和第二偏转机构，它们在此情况下布置在第一光学窗侧。

附图简介

以下将参照附图来描述本发明的浸没式探头，其仅表明示例性而非限制性的本发明实施方式：

图1是本发明浸没式探头的第一实施方式的截面图，在此该光偏转机构相对于相互呈楔形布置的光学窗被调节或运动，从而出现穿过待分析流体的大的路径长度，

图2是对应于图1的截面图，但在此该光偏转机构相对于相互呈楔形布置的光学窗被调节或运动，从而出现穿过待分析流体的小的路径长度，

图3a是在对应于图1的状态中的本发明浸没式探头的第二实施方式的截面图，其在此具有光垂直所入射至的光学窗，此时有穿过待分析流体的大的路径长度(图3b的剖切平面A-A)，

图3b是属于图3a的俯视图，

图4a是在对应于图2的状态中的本发明浸没式探头的第二实施方式的截面图，此时有穿过待分析流体的小的路径长度(图4b的剖切平面B-B)，

图4b是属于图4a的俯视图，

图5a是在对应于图1的状态中的本发明浸没式探头的第三实施方式的截面图，在此具有在第二光学窗之后的活动的反光镜并且有穿过待分析流体的大的路径长度(图5c的剖切平面A-A)，

图5b是图5a的沿线C-C的截面图，

图5c是属于图5a的俯视图，

图6a是在对应于图2的状态中的本发明浸没式探头的第三实施方式的截面图，在此有穿过待分析流体的小的路径长度(图6c的剖切平面B-B)，

图6b是沿图6a的线D-D的截面图，

图6c是属于图6a的俯视图，

图7a是在对应于图1的状态中的本发明浸没式探头的第四实施方式的截面图，其在此有在第二光学窗之后的固定的反光镜并且有穿过待分析流体的大的路径长度(图7c的剖切平面A-A)，

图7b是沿图7a的线C-C的截面图，

图7c是属于图7a的俯视图，

图8a是在对应于图2的状态中的本发明浸没式探头的第四实施方式的截面图，在此有穿过待分析流体的小的路径长度(图8c的剖切平面B-B)，

图8b是沿图8a的线D-D的截面图，

图8c是属于图8a的俯视图，

图9a是在对应于图1的状态中的本发明浸没式探头的另一方面的截面图，在此有穿过待分析流体的大的路径长度(图9c的剖切平面A-A)，

图9b是沿图9a的线C-C的截面图，

图9c是属于图9a的俯视图，

图10a是在对应于图1的状态中的本发明浸没式探头的另一方面的截面图，在此有穿过待分析流体的小的路径长度(图10c的剖切平面B-B)，

图10b是沿图10a的线D-D的截面图，

图10c是属于图10a的俯视图。

优选实施方式说明

在图1和2中以竖向截面图示出本发明的浸没式探头1的第一优选实施方式。此处所用的方向说明涉及从上方探入流体中的浸没式探头。浸没式探头1包括测量头10，其在此实施方式中是浸没式探头的壳体并且基本上具有柱形(水平)横截面。在此实施方式中也考虑其它横截面形状如正方形、长方形、四边形、不规则形状等。测量头10指定用于插入流体例如液体F中。流体在此可以存在于容器、管路中或也可以没有实质边界。浸没式探头1的测量头10在其上端具有法兰11，法兰适于固定在容器壁或管壁上。所述壁以及最好存在于法兰11上的固定就例如像开口为了简单起见而在此未被示出。

柱形柄12向下连接至法兰11，柄用于容纳输入光导体14和输出光导体15，它们例如可设计成玻璃纤维。在柄12的与法兰11相对的一端，沿测量头10的竖向纵轴线设置两个相互呈楔形布置的光学窗20、21，其指向楔内的表面20a和21a朝向流体F并与之接触。在本实施例中，两个光学窗20、21在竖向上在上方连接而形成楔尖23，楔尖位于测量头纵轴线上。楔的角对半分线位于测量头纵轴线上。样本腔P位于光学窗20、21之间，待分析流体F位于样本腔内。但也可以想到楔形布置，其尖在竖向上向下取向，在此情况下，样本腔可以向上通过设于楔边之间的壁与测量头10的内侧面(密封)分界开。

输入光导14以其在测量头10外的一端连接至未示出的光源，光源提供适用于流体光谱分析的光波长。输入光导14的另一端被固定在测量头10的柄12内，例如利用传统手段如粘接、螺纹连接等。

在输入光导14的另一端上有一个透镜16，其将来自光源的激发光集束并引导至光偏转机构17、在本实施方式中是偏转棱镜17，其将激发光的光路相对于呈楔形布置的窗20、21中的光学窗20以90°偏转。

在此，激发光以非垂直的入射角(>0°)照中指向楔外的光学窗20表面20b，使得占据输入光功率的一小部分、但是不可忽略的部分的可能有的反光从光路中偏转出并且不会不利地影响测量结果。

接着光穿过光学窗20的对准楔内的表面20a和样本腔P内流体。在穿过样本腔P的光路L(L1,L2)的另一侧，光穿过另一光学窗21并到达光偏转机构18、也优选是偏转棱镜18。它将穿过流体F的光偏转至安装在输出光导15下端的透镜19。输出光导体15的从测量头10向外伸出的上端连接至此处未示出的探测器例如光谱仪或分光光度计，借此能光谱分析与流体F相互作用的光。

偏转棱镜17、18在楔口的方向上来回运动，在本实施例中平行于楔的角对半分线和测量头10的纵轴线，如图1和图2所示。为此，偏转棱镜17、18被固定在一个支座25内，支座活动且被引导地安装在测量头10的柄12内。支座25包括螺母26，其与丝杠接合，丝杠不可转动地连接至马达28、在优选实施例中是步进马达28的轴。

图1示出处于如下状态的浸没式探头，在此，偏转机构(偏转棱镜)17、18位于相对于呈楔形布置的光学窗20、21靠下的位置中，使得光路不得不经过穿过位于样本腔P内的流体F的路径长度L1(长路径)。在此状态或位置下，浸没式探头1可被用于接收待分析流体F的光谱，其信号强度I(x)与在图1中为x＝L1的路径长度x相关。

如果就像图2所示的那样现在使偏转棱镜17、18相对于呈楔形布置的光学窗20、21向上运动，例如做法是马达28被启动且通过丝杠27和螺母26的组合抬起支座25和进而偏转棱镜17、18，则被偏转棱镜17偏转的激发光照中光学窗20的表面20b上的另一点(在此更靠上)，沿路径长度L2(短路径)穿过样本腔P内的流体并且穿过光学窗21射出样本腔，随后其经过偏转棱镜18被偏转向输出光导体15并且经过透镜19被耦合输入其中。输出光导将穿过待分析流体F的光引导至探测器，在这里记录下光谱，其与针对光路x＝L2的光路x相关强度I(x)被记录。

故利用本发明的浸没式探头可以通过光偏转机构17、18的简单运动、在本例子中是调节运动来改变穿过位于样本腔P内的流体F的激发光的路径长度，在本实施例中是从图1的路径长度x＝L1改变为图2中的路径长度x＝L2。显然，这种浸没式探头1不限于所示的两个路径长度L1和L2，而是获得所有位于其间的路径长度L1<x<L2并且可以连续调节。

对此，优选设有布置在测量头10外的用于马达28的控制装置(未示出)，其可以与光源和探测器结合地完成测量且在此能连续改变路径长度。

在图3a、图3b和图4a、图4b中示出本发明浸没式探头的第二实施方式。浸没式探头的结构基本上对应于图1和图2的浸没式探头，故相同的零部件带有相同的附图标记。从图3b和4b的俯视图中可以清楚看到输出和输入光导体14、15对准偏转棱镜17、18。在此实施方式中如此布置第二窗21，即，从偏转棱镜17穿过第一窗20和流体F的光垂直入射到第二窗21。在此实施方式中如此布置第二窗21，即，它平行于棱镜17、18的运动方向。棱镜在此与以前一样容置在支座25内并且通过由马达28、丝杠27和安装在支座25上的螺母26组成的调节机构而运动。

在图5a、图5b、图5c和图6a、图6b、图6c中示出本发明的浸没式探头的第三实施方式。此实施方式包含图1和图2的两个光学窗的布置，但是在此情况下在第二光学窗21之后设有反光镜24，其将穿过流体F的光经过第二光学窗21、再次经过流体F和第一光学窗20反射回第二光偏转机构(偏转棱镜18)。第二光偏转机构在此实施例中正好在第一偏转机构(偏转棱镜17)旁安置在测量头10内，在第一光学窗20的同一侧。反光镜24也像偏转棱镜17、18那样被固定在支座25中且因此借助调节机构(马达28、丝杠27、螺母26)关于光学窗是活动的。

在示出分别处于第一位置(图5b)和第二位置(图6b)的偏转机构17、18和反光镜24的图5b和图6b中能清楚看到穿过流体的光路如何在从第一位置运动到第二位置时缩短。

在图7a、图7b、图7c和图8a、图8b、图8c中示出本发明浸没式探头的第四实施方式。

此实施方式包含图1的两个光学窗的布置并且就像在图5和图6中那样在此情况下也在第二光学窗21之后设有反光镜29，反光镜将穿过流体F的光经过第二光学窗21、再经过流体F和第一光学窗20反射回第二光偏转机构(偏转棱镜18)。但在此实施例中反光镜29固定在测量头10内，即它不随光偏转机构17、18运动。在此情况下，反光镜29所具有的尺寸(高度)基本上对应于光偏转机构17、18的最大调节距离(最大运动长度)。反光镜29在此最好被固定在反光镜支座30中，其安装在测量头10内且可容易取出以便例如清洁。第二光偏转机构18(偏转棱镜18)也在此实施例中正好在第一偏转机构(偏转棱镜17)旁安置在测量头10内，在第一光学窗20的同一侧。

若光偏转机构17、18借助调节机构从图7a至图7c所示的位置运动到图8a字图8c所示的位置，则光在不同于先前位置的位置穿过光学窗20、21和流体F并在不同的位置照中反光镜29，光在此被反射。故在所述位置之间实现穿过流体的不同路径长度x(L2≤x≤L1)，其中光在此实施例中两次穿过流体F。故可与不同的路径长度x对应地记录下与路径长度相关的包含强度I(x)的光谱。

在图9a至图9c和图10a至图10c中示出本发明的浸没式探头的另一方面。浸没式探头100包括测量头110，测量头如在先前实施例中那样具有法兰部111和例如柱形部112。不同于前述实施方式，浸没式探头100代替第二(透光)窗地包括反光镜121例如镜面化表面。反光镜121与第一光学窗120形成该楔角。取而代之，浸没式探头100就像图7和8的实施方式的浸没式探头那样包括第一和第二光偏转机构(偏转棱镜)117、118，它们在光学窗120的同一侧布置在测量头110内。自然也可以想到的是第一和第二光偏转机构被一个单独的光偏转机构取代，其不仅适于将自输入光导体114(带有透镜116)的光经由光学窗120耦合输入流体F，也适于将由反光镜121反射的穿过流体F和窗120的光耦合输入输出光导体115(带有透镜119)。在任何情况下，光偏转机构或第一和第二光偏转机构117、118相对于光学窗120和反光镜121是活动的(图中的竖向)并且为此固定在调节机构的支座125上。在此实施例中，调节机构也包括马达128、丝杠127和设置在支座125上的螺母126。在工作中，通过偏转机构117、118的运动将光路从图9a至图9c所示的大路径长度L1调节到图10a至图10c所示的小路径长度L2。

因此，利用以上概述的还有依据各不同实施例所描述的本发明，可以通过比较用于不同路径长度x的光谱强度I(x)来确定在流体F内的所寻找的组成部分的吸收性(所谓的斜率光谱法)并且通过这种方式完成所寻找组成部分的很精确的浓度测量。

此外，通过激发光以及穿过样本的光非垂直光入射到一个或两个呈楔形布置的光学窗，避免耦合输入出现在光学界面处的反光到分析光路中。

尤其是，本发明提供特别间的那且维护少的结构，其还可以设计成极其可靠且机械耐用，以允许也在极端条件下使用浸没式探头。

Claims (16)

1.一种用于借助光来定量和/或定性分析流体(F)的浸没式探头(1)，所述流体(F)例如是液体或气体，所述光沿光路被引导穿过所述流体(F)，所述浸没式探头包括适于浸没入所述流体(F)中的测量头(10)，所述测量头具有用于引导至流体(F)的光的输入光导体(14)和用于从所述流体(F)引导出的光的输出光导体(15)、第一光学窗(20)、第二光学窗(21)和至少一个光偏转机构(17,18)，所述光偏转机构被布置在从所述输入光导体(14)射出的或射入所述输出光导体(15)的光的光路中并且将来自所述输入光导体(14)的光通过所述第一光学窗(20)偏转到所述流体(F)中或将来自所述流体(F)的光偏转向所述输出光导体(15)，所述输入光导体(14)能连接至光源，所述输出光导体(15)能连接至探测器，所述第一光学窗(20)和所述第二光学窗(21)的彼此相向的表面(20a,21a)接触所述流体(F)，其特征是，所述第一光学窗(20)和所述第二光学窗(21)相互呈楔形布置并且其指向楔内的表面(20a,21a)朝向待分析的所述流体(F)，其中，所述至少一个光偏转机构(17,18)和所述第一光学窗(20)、所述第二光学窗(21)彼此相对地基本上在楔口的方向上来回运动。

2.根据权利要求1所述的浸没式探头(1)，其中，呈楔形布置的所述光学窗(20,21)被连接并且在此形成用于光的进入和离开所述流体(F)的连续呈楔形延伸的光学面。

3.根据权利要求1或2所述的浸没式探头(1)，其中，所述第一光学窗(20)或所述第二光学窗(21)被布置成它使所述光基本上垂直于其入射。

4.根据权利要求1或2所述的浸没式探头(1)，其中，相互呈楔形布置的所述光学窗(20,21)被设置在所述测量头(10)内，使得所述楔的角对半分线平行于所述至少一个光偏转机构(17,18)相对于所述光学窗(20,21)的运动方向。

5.根据前述权利要求中任一项所述的浸没式探头(1)，其中，在所述光路中在所述第二光学窗(21)后方设有反光镜(24,29)，所述反光镜将穿过所述流体(F)的所述光经过所述第二光学窗(21)、所述流体(F)和所述第一光学窗(20)反射回到所述至少一个光偏转机构(17,18)。

6.根据前述权利要求中任一项所述的浸没式探头(1)，其中，所述至少一个光偏转机构包括第一偏转机构(17)和第二偏转机构(18)。

7.根据权利要求6所述的浸没式探头(1)，其中，所述第二光偏转机构(18)在所述光路内被布置在所述第二光学窗(21)后方并且偏转从所述流体(F)穿过所述第二光学窗(21)出来的光以进入所述输出光导体(15)。

8.根据权利要求7所述的浸没式探头，其中，设有转换机构，借助所述转换机构能在位于所述光路内在所述第二光学窗(21)后方并且在所述第二光偏转机构(18)的前方的位置与位于所述光路外的位置之间布置所述反光镜(24,29)。

9.根据权利要求5至8中任一项所述的浸没式探头，其中，所述反光镜(24)随所述光偏转机构(17,18)一起运动。

10.根据前述权利要求中任一项所述的浸没式探头(1)，其中，所述浸没式探头(1)具有一个或更多个用于沿所述光路进行激发光的光学聚焦的透镜(16,19)。

11.根据前述权利要求中任一项所述的浸没式探头(1)，其中，所述浸没式探头(1)包括与所述光偏转机构(17,18)操作连接的调节机构(26,27,28)，所述调节机构(26,27,28)能使所述光偏转机构(17,18)运动。

12.根据权利要求11所述的浸没式探头(1)，其中，所述调节机构包括马达(28)、与所述马达的轴接合的丝杠(27)和与所述光偏转机构(17,18)接合的螺母(26)，所述丝杠(27)插入所述螺母中。

13.根据前述权利要求中任一项所述的浸没式探头(1)，其中，所述至少一个光偏转机构是偏转棱镜(17,18)，所述偏转棱镜(17,18)适于将来自所述输入光导体(14)的光相对于所述第一光学窗(20)以90°偏转入所述流体中或者将来自所述流体(F)的光以90°偏转向所述输出光导体(15)。

14.一种用于借助光来定量分析和/或定性分析流体(F)的浸没式探头(100)，所述流体(F)例如是液体或气体，所述光沿光路被引导穿过所述流体(F)，所述浸没式探头包括适于浸没入所述流体中的测量头(110)，所述测量头具有用于引导至所述流体(F)的光的输入光导体(114)和用于从所述流体(F)引导出的光的输出光导体(115)、光学窗(120)和反光镜(121)、至少一个光偏转机构(117,118)，所述输入光导体(114)能连接至光源，所述输出光导体(115)能连接至探测器，所述光学窗(120)和所述反光镜(121)的彼此相向的表面接触所述流体(F)，所述光偏转机构被布置在从所述输入光导体(114)射出的或射入所述输出光导体(115)的光的光路中并且将来自所述输入光导体(114)的光通过所述第一光学窗偏转到所述流体(F)中或将来自所述流体(F)的光偏转向所述输出光导体(115)，其中，所述反光镜(121)适于将穿过所述流体(F)的光经过所述流体(F)和所述光学窗(120)反射回至所述光偏转机构(117)或所述第二光偏转机构(118)，其特征是，所述光学窗(120)和所述反光镜(121)相互呈楔形布置并且它们指向楔内的表面(120a,121a)朝向待分析的所述流体(F)，其中一方面是所述至少一个光偏转机构(117,118)且另一方面是所述光学窗(120)和所述反光镜(121)彼此相对基本上在所述楔口的方向上来回运动。

15.根据权利要求14所述的浸没式探头(100)，其中，所述反光镜(121)被布置成光基本上垂直于所述反光镜(121)入射。

16.根据权利要求14或15所述的浸没式探头(100)，其中，所述浸没式探头(100)包括与所述至少一个光偏转机构(117,118)操作连接的调节机构(126,127,128)，所述调节机构(126,127,128)能使所述至少一个光偏转机构(117,118)运动。