TWI443324B - 用以處理監測之光學測量探針 - Google Patents
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Description
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學測量探針。
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，而近端耦合於評估裝置，例如近紅外線光譜儀(NIR spectrometer)。
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)來耦合至測量部位。
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。
因此可省去耗時又離線的採樣分析法。
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、pO2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。
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入光孔，則會因冷卻而凝固。
因此，根據以上介紹，本發明的目標是要提供一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，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、光柵或聲光可調濾光器(AOTF spectrometer)、或基於CCD或光電二極體陣列(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 spectrometer)。
在該測量探針的遠端與近端之間配置一心軸，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(配置於處理裝置的區域)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工材料可沉積的面積會減少到36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械穩定性、撓性以及在適當時，負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，在適當時，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、撓性或緊密性有關的損失。
假若測量探針具有驅氣裝置(purging device)為較佳，其中該驅氣裝置具有配置於心軸區域的驅氣導管以及配置於遠端區的驅氣孔。該驅氣孔挨著入光孔為較佳。此一驅氣裝置可用來藉由驅氣來去除黏著測量探針遠端區的沉積物，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、氙))、或可輸送的固體，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續、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。
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△S/t時要開始驅氣動作的結論。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，有可能選擇用於光纖的玻璃以及配置能與製程條件和所用之電磁光譜匹配的光纖。
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孔。在此，將在該測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。
此外，在心軸的區域中或測量探針的近端區中，可提供聯結器用來耦合光源進入導光連接物的測量光線。
此一類型的改進特別適合測量探針用來做反射測量。在此情形下，有已知光譜之光源的光線會投射至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散射光或放射光譜。
將該測量探針設計成適合在近紅外線範圍內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。此一波長範圍特別適合用來做基板組合物(substrate composition)的反射測量，因為許多有關分子在近紅外線範圍(NIR range)內的吸收非常好。
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。
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任何方式來限定本發明。
第1圖圖示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11。測量探針10也有例如與光譜儀(未圖示)耦合的近端13。
該測量探針的遠端與近端之間配置一剛性套筒14，該剛性套筒包含在這兩個末端之間的導光連接物。該導光連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剛性套筒14為遠端的區域11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。
此外，該測量探針有驅氣裝置15，其係具有配置於剛性套筒區域的驅氣導管以及配置於遠端11區域的驅氣孔16。
此一驅氣裝置可用來藉由驅氣來去除黏著測量探針遠端區的沉積物，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、氙))、或可輸送的固體，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。
此外，該測量探針有用於測量光線的專屬光學波導管17，而且把入光孔配置於中央，而四周配置多個出光孔18。
可將該測量探針設計成適合做反射、拉曼、濁度或螢光測量。在所有的情形下，光譜已知之光源的測量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，特別是光譜儀。
10‧‧‧光學測量探針
11‧‧‧遠端
12‧‧‧入光孔
13‧‧‧近端
14‧‧‧剛性套筒
15‧‧‧驅氣裝置
16‧‧‧驅氣孔
17‧‧‧光學波導管、導光連接物
18‧‧‧出光孔
第1圖圖示用以處理監測的光學測量探針10。
10‧‧‧光學測量探針
11‧‧‧遠端
12‧‧‧入光孔
13‧‧‧近端
14‧‧‧剛性套筒
15‧‧‧驅氣裝置
16‧‧‧驅氣孔
17‧‧‧光學波導管、導光連接物
18‧‧‧出光孔
Claims (3)
- 一種用以處理監測介質中材料的光學反射測量探針(10)，其係具有：a)帶有入光孔(12)的遠端(11)，b)耦合至評估裝置的近端(13)，其中c)配置一剛性套筒(14)於該測量探針的遠端與近端之間，該剛性套筒(14)包含在這兩個末端之間的導光連接物，其中該導光連接物包含不具有任何撓性護套的光纖波導束(fiber-optic waveguide bundles)，且其中d)在相對於該剛性套筒(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，其中一在該剛性套筒(14)和該遠端的區域之間的過渡段(transition)係圓錐形，用以減少污物，其中測量探針具有一驅氣裝置(15)(purging device)，該驅氣裝置(15)具有配置於該剛性套筒(14)之驅氣導管且具有配置於該遠端的驅氣孔(16)，該驅氣孔(16)係接近於該入光孔，其中該驅氣導管輸送相同於被監測的使用於處理中之介質的介質，其中該驅氣裝置係可連續地、以固定的時間間隔、或在需要清潔時執行驅氣，及其中該驅氣裝置產生脈衝或高壓驅氣。
- 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 a)另一導光連接物(17)，其係供耦合至具有已知光譜之光源的測量光線；b)以及，出光孔(18)，其位於該測量探針的遠端區。
- 如申請專利範圍第1項的光學測量探針，其中該測量探針係經設計成適合在近紅外線範圍內做反射測量。
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