TW200825403A - Optical measurement probe for process monitoring - Google Patents

Description

200825403 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關於一種用以處理監測之光學測量探 針，特別是用於反射測量固體、乳化劑及懸浮液的光 5 學測量探針。 【先前技術】 在處理裝置的領域中，光學測量探針常用來監測 流程工業的處理，特別是化學、藥品及食品工業。測 10 量探針可用來及時測量起始原料、半成品及成品（固 體、乳化劑及懸浮液）的濃度、材料特性、濁度 (turbidity)及純度。 光學測量探針的優點為可不用採樣地操作使得同 時測定多種分析物的濃度成為有可能而且也可用於不 15 適宜的環境（有毒、有腐蝕性、有放射性、有爆炸、不 孕、污染的風險）。 該等探針通常為光纖元件，它有入光孔的遠端配 置於處理裝置，亦即或多或少接近分析物或與其直接 接觸，而近端搞合於評估裝置，例如近紅外線光譜儀 2〇 ( NIR spectrometer ) 〇 該等探針通常藉助有已知光譜的光源來執行加工 材料（process material )的反射測量，彼等的光線經常 經由配置於測量探針中之個別光學波導管（optical waveguide )來麵合至測量部位。 5 200825403 因此，例如，在擠壓時聚合物熔解的製程控制 (process control)期間有可能快速可靠及時地測出熔 解聚合物的正確化學成分。 j 因此可省去耗時又離線的採樣分析法。 5 因此，藉由組合用光學構件得到的測量變數與其 他不是用光學構件得到的測量變數（溫度、壓力、p〇2 等等），可相當精確地採集到製程條件的描繪，而且有 可能正確及時地干涉該製程。以此方式可避免由於生 產停機或故障而導致的操作損失。 10 例如，該等系統包含一或更多個光纖測.量探針與 一評估裝置（例如，近紅外線光譜儀），而且可購自拜 耳公司，商標為“Spectrobay”。另一供應商為Sentronic。 該等測量探針至少在遠端區域必須具有極強健耐 用的設計，因為在該等處理裝置中普遍處於化學、熱 15 及機械的極端狀態。因此，彼等通常有光纖核心和撓 性金屬加強件。為了產生必要的穩定性，目前市上的 一般測量探針有至少8毫米的直徑，其係延伸至測量 探針的遠端區。 然而，此類測量探針的主要問題是對於污物有高 20 度敏感性。例如，來自處理裝置的材料傾向沉積於測 量探針遠端的入光孔，從而可能破壞反射測量值。必 須預期破壞的測量值，特別若是入光孔位於處理裝置 的流量減少區，這意謂如果沉積物形成後不容易消除 掉，及/或如果處理裝置中有熱塑性的材料一旦沉積於 6 200825403 入光孔，則會因冷卻而凝固。 【發明内容】 因此，根據以上介紹，本發明的目標是要提供一 5種用於及時製程控制的光學測量探針，其係較不容易 受到測得數值被沉積物及污物破壞的影響。 憑藉本發明申請專利範圍的獨立項的特徵來達成 此目標。附屬項指出較佳的具體實施例。 據此，提供一種用以處理監測之光學測量探針， 1〇其係具有配置於處理裝置區域且有入光孔的遠端以及 耦合於評估裝置的近端。 例如，該評估裝置可為光度測定器（photometer ) 或光譜儀，特別是傅立葉變換近紅外線或紅外線光譜 儀、光柵或聲光可調遽光器（AOTF spectrometer )、或 15 基於CCD或光電二極體p車列（photodiode array )的光 譜儀。特別是，在螢光測量（fluorescence measurements ) 的情形下，該評估裝置也可為例如光電倍增器 (photomultiplier )。評估範圍可由紫外線延伸到紅外 線。該評估裝置也可為拉曼光譜儀（Raman 2〇 spectrometer) ° 在該測量探針的遠端與近端之間配置一心轴，該 心軸包含在這兩個末端之間的導光連接物 (light-guiding connection)。在相對於該心軸及/或該 近端為遠端的區域中，該測量探針有減少之外徑。在 7 200825403 5 10 15 20 此，在該心軸與該外徑減少之測量探針的遠端區之間 可提供一圓錐形過渡段。 以此方式，該測量探針只有小面積讓處理裝置區 域中的污物沉積，並且使移動中之加工材料必定會施 加以擦掉任何黏著沉積物的力減少到最低可能程度。 舉例來說，假定測量探針的遠端區（配置於^理 裝^的區域）有2毫米的外徑，而心軸與近端區各有 12毫米的外徑。因此，由於有本發明的錐形使得加 材料可沉積的面積會減少到分之一。 原則上，除了實際的光學波導管以外，光學波導 束有塗層和大體呈撓性的加強物。這兩個組件是負責 機，穩定性、撓性以及在適#時，貞責光學波導束的 緊密性，而且明顯有助於光學波導束的外徑。 本發明的測量探針省去遠端區的撓性護套反而在 此區域有剛性套筒，在適#時，它至少有幾個部份是 變尖呈錐形。以此方式，有可能大幅減少測量探針在 此區域的外徑而不需承受與機械穩定性、撓 性有關的損失。 假若測量探針具有驅氣裝置（purgingdevice)為 =佳’其找驅氣裝置具有配置於心純域的驅氣導 =及配置於通端區的驅氣孔。該驅氣孔挨著入光孔 一驅氣裳置可用來藉由驅氣來去除黏著測 里如針退端區的沉積物，儘管面積已減少。 在此’可用來引導驅氣介質進入驅氣裝置的聯結 工 8 200825403 器（coupling)是設於心軸的區域或設於測量探針的近 端區。 合適的驅氣介質為液體，例如水或溶劑、氣體（例 如空氣或惰性氣體（氮、氬、氤））、或可輸送的固體， 5 例如粉末或微粒劑（microgranule )。驅氣介質的選擇 係取決於製程條件以及驅氣介質與加工材料的相容 性。 同樣，有可能使用用於相關製程的起始原料、半 成品或成品作為驅氣介質。該等也可呈液態、氣態或 10 可輸送的固態。以此方式，在適當時，驅氣介質有可 能為製程的整體部份或數量整合部份，特別是生產過 程之中的。 該驅氣裝置係經設計成可連績、以固定的時間間 隔或在需要清洗時可執行驅氣為特別較佳。 15 就後一情況而言，由測量探針產生且用評估裝置 監測的測量訊號有可能用來作為測量探針遠端區中任 何可能污物的指示符（indicator )。為了這個目的，特 別是，可規定關於有污物的結論以及若是測量訊號迅 速變成高於特定閥值AS/t時要開始驅氣動作的結論。 20 為了這個目的，將該驅氣裝置設計成藉此能以脈衝方 式及/或高壓產生驅氣為較佳。 本發明測量探針的導光連接物包含光學波導管或 光纖波導束為較佳。人們已使用光纖波導束有一段相 當長時間而且有各種不同的設計。特別是，有可能選 9 200825403 擇用於光纖的玻璃以及配置能與製程條件 磁光譜匹配的光纖。 斤用之' 將該測量探針設計成適合做反射測量為特別較 佳。此一類型的測量方法使得在線上與成品接觸的非 5破壞性測量成為有可能。同樣，可將測量探針設計成 適合螢光測量及/或拉曼測量而且也適合濁度測量。 在本發明測量探針的另一具體實施例中，該測量 探針有另一導光連接物供耦合至具有已知光譜之光源 的測量光線，以及在該測量探針的遠端區中有出光 10孔。在此，將在该須彳量探針遠端區中的出光孔配置成 挨著入光孔為較佳；通常是把入光孔配置於中央，而 四周配置多·個出光孔。 第二導光連接物也包含光學波導管或光纖波導束 為較佳。 15 此外，在心軸的區域中或測量探針的近端區中， 可k供聯結器用來搞合光源進入導光連接物的測量光 線0 此一類型的改進特別適合測量探針用來做反射測 1°在此情形下，有已知光譜之光源的光線會投射至 20加工材料藉此可從反射光的光譜變化來推斷加工材料 的成分變化及其類似者。 此外’此一類型的改進也特別適合用來做拉曼或 螢光測量。在此情形下，光譜已知的激發光係經由出 光孔投射至加工材料，而裝置評估通過入光孔收到的 200825403 散射光或放射光譜。 將5亥測1楝針設計成適合在近紅外線範圍内做反 射測量為特別較佳。根據國際協定，近紅外線（NIR)範 圍是在750至2500奈米之間的電磁光譜。此一波長範 5圍特別適合用來做基板組合物（substrate 的反射測i，因為許多有關分子在近紅外線範圍（NIR range)内的吸收非常好。 因此，在食品工業、化學及藥品工業的製程控制 中，近紅外線反射測量是極常見的事。 10 【實施方式】 以下用附圖以及更詳細的說明來解釋本發明。應 瞭解，在此背景下，附圖僅供說明而且不是想要以ς 何方式來限定本發明。 15 第1圖圖不用以處理監測的光學測量探針10 ,其 係具有配置於處理裝置（其牆壁用虛線表示）區域且 有入光孔12的遠端U。測量探針1〇也有例如與 儀（未圖示）輕合的近端13。 ~ 該測量探針的遠端與近端之間配置一心軸14，該 2〇心軸包含在這兩個末端之間的導光連接物。該導光^ 接物為具有塗層及撓性金屬加強物的光纖波導管或光 學波導束。該測量探針在相對於心軸i 4為遠 '中有減少之外徑。以此方式，該測量探針只有小面 積讓處理裝置區域中的污物沉積，並且使移動中之加 11 200825403 工材料必定會施加 最低可能程度。 以擦掉任何黏著沉積物的力減少到 於」二：該測量探針有驅氣裝置15，其係具有配置 ;A V的驅氣導官以及配置於遠端11 域的驅氣 5 孔 16 〇 此驅氣衣置可用來藉由驅氣來去除黏著測量探 針返端區的沉積物，儘管面積已減少。 ^在此，合適的驅氣介質為液體，例如水或溶劑、 氣體（例如空氣或惰性氣體（氮、氬、氣））、或可輸送 W的固體，例如粉末或微粒劑。特別是，有可能使用用 於相關製程的起始原料、半成品或成品作為驅氣介質。 、胃—此外，該測量探針有用於測量光線的專屬光學波 ‘ & 17，而且把入光孔配置於中央，而四周配置多個 出光孔18。 15 、可將該測量探針設計成適合做反射、拉曼、濁度 ，蚤光測量。在所有的情形下，光譜已知之光源的測 里光線係經由光學波導管17及出光孔而輻射至加工材 料，而且經由入光孔12來接收反射光或因激發而放射 的螢光並且經由導光連接物引導至評估裝置，特別是 20光譜儀。 【圖式簡單說明】 第1圖圖示用以處理監測的光學測量探針1〇。 12 200825403 【主要元件符號說明】 10 光學測量探針 11 遠端 12 入光孔 5 13 近端 14 心車由 15 驅氣裝置 16 驅氣孔 17 光學波導管、導光連接物 10 18 出光孔 15 13

Claims (1)

1. 200825403 十、申請專利範圍： 1. 一種用以處理監測的光學測量探針（10)，其係具有： a) 帶有入光孔（12)的遠端（11)，其係配置於處理裝置 的區域， 5 b) 耦合至評估裝置的近端（13)，其中 c) 配置一心轴（14)於該測量探針的遠端與近端之 間，該心軸（14)包含在這兩個末端之間的導光連接 物， 其特徵在於· 10 d) 在相對於該心轴（14)及/或該近端（13)為遠端的區 域（11)中，該測量探針有減少之外徑。 2. 如申請專利範圍第1項的光學測量探針，其中該測量 探針具有驅氣裝置（15)，該驅氣裝置（15)具有配置於該 心軸之區域的驅氣導管與配置於該遠端之區域的驅氣 15 孔(16) 〇 3. 如申請專利範圍第2項的光學測量探針，其中該驅氣 裝置係經設計成可連續地、以固定的時間間隔、或在 需要清潔時執行驅氣。 4. 如申請專利範圍第2項或第3項的光學測量探針，其 20 中該驅氣裝置係經設計成藉此能以脈衝方式及/或高 壓產生驅氣。 5. 如以上所有申請專利範圍中之任一項的光學測量探 針，其中該導光連接物包含光纖波導管或光學波導束。 ,200825403 6· 如以上所有申請專利範圍中之任一碩的光學測景探 針’其中該測量探針係經設計成適合做反射測景。 7·如以上所有申請專利範圍中之任一項的光學測景探 針，其中該測量探針具有 a) 另一導光連接物（17)，其係供耦合至具有已妒光諸 之光源的測量光線； b) 以及，出光孔（18)，其位於該測量探針的遠端區。 &如以上所有申請專利範圍中之任一項的光學測量探 針’其中_量探針係經設計成適合在近紅外線範圍内 做反射測量。 15 20 15