專利名稱：可變路徑長度探測器的制作方法
可變路徑長度探測器本發明涉及一種用于光學分析并具有可變傳輸路徑長度的探測器，特別是涉及一種用于材料(尤其是在工藝管線、反應容器、存儲罐或其他散裝容器內的材料)的原位光學分析的可變路徑長度探測器。在工業性過程中經常要求測量和監控工藝管線或反應容器的內容物。可能很重要的是能夠對工藝罐內的反應進行跟蹤或在工藝管線穿過處理系統時對其內容物進行監測而不通過帶有泵、閥和沖洗安排的復雜旁路系統來傳送其內容物。這種監測提供了實時過程控制的可能性。此外，在藥物或食品制作行業中，可能很重要的是將這些內容物與外部設備的相互作用最小化，這種相互作用可能會增加污染風險，因此原位分析是優選的。光學光譜分析(特別是紅外線分析)是非破壞性的、并且特別適合此類測量和監測，因為許多材料(特別是有機材料)顯示出高度特征性的紅外線吸收性能。因此，通過測量一個樣品中的波長相關的紅外線吸收，無論是在傳輸、反射或透反射(transflectance)分析配置中，都可確定有關樣品的物理結構和組成的信息。紅外光譜學已成功地用于分析多種多樣的產品，包括奶類、谷物、油類、藥品和生物燃料。從WO 96/12174中已知提供一種具有探測器頭部的探測器，用于放置在反應容器中以便通過在線光學分析來確定其內容物。這種探測器包括在一個管內的第一光傳輸裝置，該管延伸進入該容器內并且是旨在用于將光透射到一個槽縫的內表面上，該槽縫形成在該探測器頭部內以便接收用于分析的樣品。一個反射器被定位在該槽縫的相對的內表面上，以便將光朝向相對的窗口反射回去，光從該窗口透到反應容器外部用于分析被照射的樣品。提供了一個致動器用于改變管內的光傳輸裝置與反射器之間的傳輸路徑長度。從US-A-5，708，273中還已知提供一種可變路徑長度的光學探測器用于分析工藝管線內的材料。這種探測器包括一個探測器頭部，其中形成了一個用于接收被照射樣品的開槽的孔。光纖末端終止于在形成該開槽孔一側的第一管狀外殼內的一個窗口處，并且在第二管狀外殼上安排了一個反射鏡，該第二管狀外殼被安置成與第一管狀外殼滑動接合并且形成該孔的相對側。該反射鏡和窗口一起配合以限定穿過該孔病因此穿過待分析的樣品的光路。一個手動操作的致動器被連接到一個外殼或兩個外殼上用于使一個外殼相對于另一個外殼而滑動。該反射鏡與窗口的分離由此而受到調節，以便改變穿過該槽縫的光的傳輸路徑長度。根據本發明的一個第一方面，在此提供了一種探測器頭部，其中形成了一個用于接收待分析樣品的開孔，該頭部包括一對光接口，該對光接口各自被設置在該開孔的一個相對內表面上以限定穿過該開孔的傳輸路徑，其中該對光接口中的至少一個包括對于該波長中的光輻射透明的一個元件，該元件被配置成允許所感興趣的光輻射在該探測器頭部的內部與該開孔之間傳播。該光學探測器進一步包括一個可移動的隔膜，可選擇地處于一個波紋管的形式，其中該對光接口中的一個被定位成隨其移動，并且一個致動器可操作地連接到該隔膜上以控制其移動，以此改變該路徑長度。可任選地，該探測器頭部進一步包括一個鉸鏈系統，該鉸鏈系統與該致動器協作在一個弧線中移動位于該隔膜內的光接口，以此改變該路徑長度。該弧形運動由于光路長、度的改變而導致在這些光接口之間缺少平行性、并由此降低了在這些接口之間反射的任何不良影響。此外，該鉸鏈系統可提供穩定性增加的隔膜，以抵抗由于外界影響如壓力變化或管線中流動材料所施加的力所造成不希望的移動。該隔膜可包括一個扁平的柔性片或可替代地一個波紋片或波紋管，以提供一個增大的移動范圍并且被形成為以便施加一種抵抗該隔膜延伸的偏置力，這在需要時可以替代一個分離的偏置裝置，如一個彈簧。可任選地，這對光接口中的另一個也可以被定位在一個相關聯的隔膜之內，該相關聯的隔膜也是可移動的，以此改變穿過在這些接口之間的材料的傳輸路徑的路徑長度。通過考慮參見附圖對根據本發明的探測器頭部的多個示例性實施方案的以下說明，這些優點和其他優點將變得更加清晰 圖I圖示了根據本發明的一個探測器頭部圖2圖示了通過圖I的探測器頭部的一個剖面A-A圖3圖示了圖I和圖2的探測器頭部到替代性分析儀的光耦合；在圖3a中光耦合到一個局部光柵分光計上，而在圖3b中光耦合到一個遠程分析儀上。圖4圖示了根據本發明的另一個示例性探測器頭部。圖5圖示了用于移動該隔膜的幾種替代性致動器。現在考慮
圖1，其中對根據本發明的一個示例性探測器頭部2進行了圖解，該探測器頭部在此是旨在用于插入一個工藝管線、反應容器、存儲罐或其他散裝容器之中。探測器頭部2配有一個接口區4，在此該接口區包括一個密封環6并且它是旨在用于同一個在例如工藝管線(未示出)上的相應的接口對接并且密封。這個接口區4的作用是將該探測器頭部2的近端8與遠端12分離的一個邊界。在使用中，近端8是位于管線外部，而遠端12是旨在用于在管線中浸入材料中，一般為流動性材料。一個開孔，在本實施方案中為一個槽縫10，被定位于探測器頭部2內接口區6之后并且朝向探測器頭部2的遠端12。槽縫10提供了一個樣品空間14，在工藝管線內的材料的一部分可進入(在本實施方案中為流入)該樣品空間以供分析。一對光接口 16，18在該槽縫10內被定位成彼此相對地在該槽縫10的對應的相對的內表面20，22上。在本實施方案中，這些光接口中的一個18被示出是位于一個可移動的隔膜之內，在此該隔膜是有波紋的以形成一個波紋管隔膜24，但應該理解的是，該對光接口的另一個16也可以被定位在其自己的可移動隔膜之內。這些光接口 16，18配合而共同限定穿過該開孔并因此穿過一個位于這些光接口 16，18之間的槽縫10內的供分析的材料樣品的一個輻射路徑長度(總體上用箭頭26示出)。傳輸路徑的實際長度將取決于待分析的材料，并且特別是取決于在這種分析中采用的光能的波長區域。僅通過舉例來說，本實施方案的探測器頭部2可被配置成使用中紅外線波長區域內的光能進行分析。在這種配置中，在這些光接口 16，18之間的間隙具有大約40 μ m的數量級，并且按以下說明可調整到大約20 μ m。在這種光學路徑長度的預期變化合適的情況下，該波紋隔膜可以方便地被一個構造為基本上扁平片材的隔膜替代。這些光接口 16，18的小的相對位移以及極少密封件(無論是動態還是靜態)，的總體要求使得將接口之一 18安裝在柔性(典型地是金屬)波紋管隔膜24中是有利的。這個波紋管隔膜24既可以是焊接到適當的內表面10和光接口 18的邊緣上的一個標準波紋管，也可以全部整合成一體，如本實施方案中所展示。在這兩種情況下，波紋管隔膜24可以制作足夠硬，這樣通過在裝配過程中的預張力使它還可以作為致動器的復位彈簧起作用。這種結構可以有利地制作得足夠穩定，這樣使得在管線內材料的內部流動、壓力波動等將不會對接口 16，18的相對位置具有任何顯著的影響。現在轉到圖2，這是通過圖I的探測器頭部2的截面A-A，并且圖中對共同的元件給予相同的參考數字。探測器頭部2包括由樣品空間14分開的第一腔28和第二腔30。光接口 18包括第一窗口 32，該第一窗口與波紋管隔膜24配合密封第一腔28來防止來自樣品空間14的材料侵入。在本實施方案中,光接口 16被不出包括第二窗口 34,該第二窗口密封第二腔30來防止來自樣品空間14的材料侵入。一個光輻射源34 (在這里為中紅外線輻射源)被定位在第二腔30內，以產生通過第二窗口 34沿由第二和第一窗口 34,32限定的光路26傳輸并且通過第一窗口 32進入第一腔28的光福射。光福射源36通過多個電接頭而得到來自一個外部電源(未不出)的電力，這些電接頭穿過探測器頭部2中的一個導管38。
在一個替代性實施方案中，光輻射源36可由一個合適的光纖代替，該光纖可穿過導管38并且終止在第二腔30內第二窗口 34之后。在一個可滑動的底座44上提供了多個聚焦光學器件40，42，它們將來自光輻射源36并已經穿越光路26之后的光聚焦。底座44被安排成在波紋管隔膜(在此為光接口 18)與一個致動器(在此為壓電致動器46)之間提供一種機械性連接。可提供多個墊片48以便提供第一窗口 32相對于第二窗口 34的角度的坡口調整(grove adjustment),并且在此它們被顯示出置于在致動器46的一端與探測器頭部2的一個固定的內部部分50之間。這這個實施方案中，選擇了一個圓形壓電致動器46，因為這種致動器很精確、快速并且具有高的可重復性。可電動地控制行程和上升/松弛速度。這個驅動器46還能夠維持在微米級上平行的上升。這個壓電致動器是一個標準產品，并且可以建議的一種具有約20mm的外徑和12_的內徑。這種類型和大小是非常強有力的，具有大約8000N組的力，這可供用于一個非常硬的回位彈簧。在這種設計中，它也很容易通過墊片48來進行初始調整，這與調整螺絲或類似物(當然它們可以取代墊片48)相比是更加穩定、牢固和可靠的。圖3示出了圖I和圖2的探測器頭部2的近端8的多種不同的示例性構造。在圖3a中，顯示圖I和圖2的探測器頭部2被示出使其近端8形成為一個用于本地光柵分光計的外殼，該分光計總體上用數字52表示。一個靜態衍射光柵54和互補探測器陣列56包含在近端8之中并且形成了分光計52的一部分。光柵54和陣列是在一種常規結構中相互安排的，這樣使得光柵54上接收的光是根據其波長來分布的并使每個波長區域入射在探測器陣列56的一個不同的相關區域內處。在這種方式下，可以在所接收的光線上進行波長相關的強度測量，并且可以確定有關包括在光路26中的樣品空間14內的材料的組成信息。如本領域內所知，在本實施方案中還提供了一個光學調節器(opticalconditioner)(在此是一個楔形波導58)作為分光計52的一個元件,并且該光學調節器將光柵54與探測器陣列56光學連接。有益地，這個光學調節器58可配置成以一種最佳方式將入射光首先呈遞到光柵54上、然后到探測器陣列56上。這些聚焦光學器件40，42的作用是將通過窗口 32進入第一腔28的光聚焦到波導58之中。然后，將光引導到光柵54上，并且將來自光柵54的散射光引導到探測器陣列56。
探測器頭部2的光柵分光計52配置是非常有吸引力的，因為唯一的運動部件是隔膜24與窗口 32的安排。因此，這預計將對震動是非常不敏感的，并且在校準或控制的過程中還是容易處理的，在校準或控制過程中，操作員可能需要將傳感器從管線上卸除。用于探測器陣列56和光源36之一或兩者的電子控制系統可以方便地由外殼8容納。可任選地提供一個干燥濾盒62 (如填充已知的干燥劑、硅膠的干燥濾盒)，以使外殼8內部保持干燥。在圖3b中，圖I和圖2的探測器頭部2顯示為以其近端8形成作為光纖68的一端64的外殼，該端64是由一個支架70保持在探測器頭部2內被固定并處于中心。在本實施方案中，這些聚焦光學器件40，42的作用是使通過窗口 32進入第一腔28的光聚焦到光纖68的端64上。光纖68作為探測器頭部2與一個遠程分析儀(未示出)之間的光學耦聯，該遠程分析儀例如是傅里葉變換分析儀、分光計或適合用于從所收集的光中確定構成或其他信息(比如材料的存在或缺失)的其他分析儀。這種安排具有移動部件少 的優點、并且與例如圖3a的分光計系統相比在設計上是相對緊湊的。在目前說明的實施方案中，正如使用中紅外線光的情況，光纖68是比較脆的并且易受到(例如)在探測器頭部2工作環境中的振動而造成的機械損傷。在這里，可以有利地采用一個柔性管72，以便對光纖68提供一些機械保護。確實，這種保護可以有益地用于其他類型的光纖。根據本發明的探測器頭部74的第二示例性實施方案在圖4中示出，并且如普通技術人員所知，它可以很容易地替換圖3中描述的組件中的探測器頭部2。圖4中示出的是探測器頭部74的部分，這部分構成了探測器頭部74的第一腔78，它與圖2的探測器頭部2的第一腔28類似。在本實施方案中，類似于圖2但未示出，探測器頭部74還包括一個第二個腔，一個光輻射的源被定位于其中。同樣類似于圖2的探測器頭部2，本實施例的探測器頭部74的第一腔78包含一個滑動底座80，用于支持聚焦光學器件82，84并提供在一個致動器86與一個波紋管隔膜88之間的接觸，在此該致動器是一個單堆疊式壓電致動器而不是圖2的實施方案中所用的圓形致動器。類似于圖2的實施方案，一個包括窗口 92的光接口 90被保持在波紋管隔膜88中用于當致動器86工作而推動滑動底座80來伸長波紋管隔膜88時與其一起移動，從而作用于形成在該波紋管隔膜內的回位彈簧上。可額外地或者可替代地提供一個分離的回位彈簧，它傾向于將波紋管隔膜88朝向一個收縮的位置偏移。在到波紋管隔膜88 —側的機械連接中提供了一個鉸鏈系統94，這里在本實施方案中，是在到滑動底座80的一側機械連接中，總體上與設置致動器86以便施加一個力來推動波紋管隔膜88的點相對。這個鉸鏈系統94有利地為波紋隔膜88提供了增大的剛度，這傾向于抵抗由于管線內材料的內部流動、壓力波動等造成的窗口 92的任何移動。鉸鏈系統94與致動器86協作以便隨著致動器使波紋管隔膜88移動而提供使窗口 92相對于第二腔的其他窗口的小的角度運動。這在兩個窗口之間形成了一種有限的不平行性，這可以有利地防止在這些窗口之間形成不想要的反射偽影。本實施方案的鉸鏈系統94被示出包括一個單一鉸鏈而非多個鉸鏈，例如，可以采用徑向分開30至60度之間的角度兩個狹窄的鉸鏈以增加剛度。
可提供多個墊片96來對窗口 92進行坡度角(grove angular)調整，并且可采用多個另外的墊片98來設置這些窗口之間的底部分離。雖然以上討論的這些實施方案說明了用于傳輸測量的多種探測器頭部，其中在一個光接口中采用了多個窗口來限定通過一個樣品的光路，然而，應當認識到也可提供其他光接口， 通過這些光接口，傳輸測量可以在根據本發明的一個可變路徑長度的光學探測器中進行。可以用一個透鏡或其他透明的光學元件替代這兩個窗口之一或二者；這些光學元件之一可以用一個反射件來替代，第二腔可被去除，并且可在第一腔中既進行光產生也進行光收集，或許使用一種適當配置的光纖安排。在根據本發明的探測器的另一種修改中，該對中的另一個光接口也可以被結合到其自己的可移動隔膜之中，或者相似于有關在此處列舉的示例性實施方案所說明的隔膜，或者也許可替代地形成為一個柔性材料如金屬板的扁平片。其他致動器也可以用作以上參見圖2和圖4說明的壓電致動器的替代品，而不偏離提出了權利要求的本發明。參見圖5的圖解，概括地說明了適用于本發明的四個另外的致動器的實例。為了便于同先前說明的實施方案進行比較，圖5a展示了一個探測器頭部100a，它總體上是根據以上給出的探測器頭部2的說明來工作的，并且圖5b展示了一個探測器頭部100b，它總體上是根據以上給出的探測器頭部74的說明來工作的。圖5a的探測器頭部IOOa采用了一個圓形壓電致動器102a來做用在一個空心管104a上，該空心管在一端被附接到一個可調的波紋管隔膜106a上，其中定位了一個窗口108a。窗口 108a被設置在一個槽縫IlOa內，該槽縫形成在探測器頭部IOOa內用于接收樣品材料并與一個第二窗口 112a相對。這些窗口 108a和112a在待分析樣品材料的部分之間限定了一個光路。與早先說明的探測器頭部2不同，還提供一個彈簧114a以替代(或至少增大)傾向于使波紋管隔膜106a收縮的波紋管隔膜106a的回位偏移彈簧力。圖5b的探測器頭部IOOb與圖5a的探測器頭部的不同之處在于，一個單一堆疊式壓電致動器102b替代了圖5a的圓形致動器102a，并且在于提供了可與致動器102b配合的一個鉸鏈116b來致使位于波紋管隔膜106b內的窗口 108b隨著波紋管隔膜被擴張而進行一個小的角運動，以此減少在相對的窗口 108b，112b之間的光路。同樣，提供了一個彈簧114b來傾向于使波紋管隔膜106b朝向一種收縮狀態偏移。現在考慮圖5c中展示的探測器頭部100c，該致動器包括直接連接到中空光管104c上的一個凸輪118c，這樣使得隨著凸輪118c的轉動，光管104c并且因此窗口 108c發生往復運動以改變該光路。在圖5d所示的探測器頭部IOOd中，凸輪118d通過一種撓性機械連接120d間接作用在光管104d上。這個連接120d被固定成朝向光管104d的一端并且還朝向相反端。隨著凸輪118d轉動，造成該機械連接120d彎曲，從而使導光管104d移動以改變光路。根據圖5e所示的探測器頭部IOOe的實施方案，提供一個磁鐵或螺線管致動器(此處為磁鐵)122e來直接作用在光路104e上，從而使其移動以便隨著致動器的通電和斷電而改變傳輸路徑的路徑長度。在圖5f的探測器頭部IOOf中，一個磁鐵或螺線管致動器(此處為螺線管)122f通過一個撓性機械連接120f間接地作用在光管104f上。連接120f被固定成朝向導光管104f并且還朝向相反端。隨著致動器通電和斷電，這致使機械連接120f彎曲，從而移動光管104以改變路徑長度。通過舉例的方式，根據本發明的探測器頭部可以有用地用于在兩個或更多不同的路徑長度上進行光學測量，并且結果可用于進行分析，其中對偏差進行了補償而無需求助于使用參比樣品來進行所謂的“零點設置”。在此應用的方法和推理是類似于WO 2006/058741中關于使用鉸接的比色杯樣品架進行多個路徑長度(典型地是雙路徑長度)測量來實現穿過待分析樣品的可變路徑長度所說明的情況，其內容通過引用結合在此。因此，根據本發明的探測器頭部可用于呈現出對于從該光源發出的輻射的多個不同的路徑長度。一個數值被計算出，該數值是取決于對于該一個或多個所發射的波長中的同一個而言已經穿越了該多個不同路徑長度的兩個路徑長度的輻射強度之比，并且從該數值中可以產生該樣品的定量和定性指示之一或二。
權利要求
1.一個探測器，具有一個探測器頭部，其中形成了用于接收一個待分析樣品的一個開孔，該頭部包括一對光接口，每個光接口被置于該開孔的一個相對的內表面處以限定使光輻射穿過該開孔的一個路徑，其中該對光接口中的至少一個包括一個適當地透明的元件，該元件被適配成允許在所感興趣的一個或多個波長區域內的光輻射在該探測器頭部的內部與該開孔之間傳播，其特征在于，該光學探測器進一步包括一個可移動的隔膜，其中該對光接口中的一個被定位成隨該隔膜一起移動；以及一個致動器，該致動器可操作地連接到該隔膜上以控制其移動以此改變該路徑長度。
2.如權利要求I所述的探測器，其特征在于，該探測器頭部進一步包括一個鉸鏈系統，該鉸鏈系統與該致動器是可配合的以一個弧線來移動位于該隔膜內的光接口，以此改變該路徑長度。
3.如權利要求I所述的探測器，其特征在于，該可移動隔膜是以一個波紋管的形式。
4.如以上任何權利要求所述的探測器，其特征在于，該光學透明元件被定位于該可移動隔膜之內。
5.如以上任何一項權利要求所述的探測器，其特征在于，該對光接口中的另一個被定位于一個第二隔膜之內，該第二隔膜是可移動的以改變該路徑長度。
6.如以上任何一項權利要求所述的探測器，其特征在于，該對光接口中的另一個還包括一個適當地透明的元件，該元件被適配成允許光在該探測器頭部的內部與該開孔之間傳播。
7.如權利要求6所述的探測器，其特征在于，該光學探測器進一步包括一個光能源，該光能源被置于該探測器頭部內這些光學透明元件之一的后面，并且其特征在于，一個互補的光能收集器被置于這些光學透明元件中另一個的后面，以便在來自該光源的光能已經穿越該光輻射路徑后對其進行收集。
8.如權利要求I至5中任一項所述的探測器，其特征在于，該另一個光接口包括一個反射件，該反射件被設置成朝向該透明元件反射光。
9.如以上任何一項權利要求所述的探測器，其特征在于，該致動器包括一個壓電致動器。
10.如權利要求I所述的探測器，其特征在于，該探測器頭部進一步包括一個容納在其近端中的光柵分光計，以便接收在穿越該光輻射路徑后已經穿過位于該隔膜內的該光接口的光。
11.如權利要求I所述的探測器，其特征在于，該致動器被定位于該探測器頭部之內。
全文摘要
在此提供了一種探測器，該探測器具有一個探測器頭部(2)，其中形成了一個開孔(10)用于接收一個有待分析的樣品。這個頭部(2)包括一對光接口(16，18)，每個光接口被置于該開孔(10)的一個對應的相對的內表面(20，22)處以限定穿過該開孔(10)的一個用于光輻射的路徑(26)。這對光接口中的至少一個(18)包括對于在所感興趣的這個或這些波長區域中的光輻射而言透明的一個元件(32)、并且被設置成允許該光輻射在探測器頭部的內部(28)與開孔(10)之間傳播。這種探測器進一步包括一個可移動的隔膜(24)，在該隔膜中，這對光接口(16，18)中的一個(18)被定位成隨該隔膜一起移動，并且一個致動器(46)被定位在該探測器頭部(2)之內并且可操作地連接到該隔膜(24)上以控制其移動，以此改變用于光輻射的路徑(26)的路徑長度。
文檔編號G01N21/85GK102667451SQ200980162549
公開日2012年9月12日 申請日期2009年12月10日 優先權日2009年12月10日
發明者克里斯蒂安·博恩 申請人:福斯分析股份公司