ДАТЧИК С ПЕРЕМЕННОЙ ДЛИНОЙ ПУТИ
SENSOR HAVING VARIABLE PATH LENGTH

[0001] Данное изобретение относится к датчику, имеющему переменную длину пути пропускания, для использования в оптическом анализе, в частности - датчику с переменной длиной пути для оптического анализа материала на месте, особенно материала на производственной линии; в реакционном сосуде; баке для хранения или другом контейнере для насыпных материалов.
[0002] В производственных процессах часто требуется измерение и отслеживание содержимого производственной линии или реакционного сосуда. Может быть важным наличие возможности следить за реакцией внутри технологического резервуара или отслеживать содержимое производственной линии, когда оно проходит через технологическую установку, без проведения их содержимого через сложную обходную систему трубопроводов с насосом, клапанами и обмывочным устройством. Такое отслеживание обеспечивает возможность управления процессом в реальном времени. К тому же в фармацевтической или пищевой промышленности может быть важным минимизировать взаимодействие содержимого с внешним оборудованием, которое может увеличить риск загрязнения, так что анализ на месте является предпочтительным.
[0003] Оптический спектрометрический анализ, в частности анализ с помощью инфракрасного излучения, является неразрушающим и особенно подходит для такого измерения и отслеживания, поскольку многие материалы, в частности органические материалы, обладают крайне характерными свойствами поглощения инфракрасного излучения. Таким образом, путем измерения в образце поглощения инфракрасного излучения, зависимого от длины волны, в любой из аналитических конфигураций пропускания, отражения или пропускания и отражения может быть определена информация о физической структуре и составе образца. Инфракрасную спектроскопию успешно используют при анализе широкого ряда продуктов, включая молоко, зерновые, масла, фармацевтические препараты и биотопливо.
[0004] Из документа WO 96/12174 известно предоставление датчика, имеющего головку датчика для расположения в реакционном сосуде для того, чтобы определять его содержимое оперативным оптическим анализом. Датчик содержит первое пропускающее свет устройство в трубке, которая подведена к сосуду, и предназначено для пропускания света в оптический интерфейс на внутренней поверхности гнезда, которое образовано в головке датчика, чтобы принимать образец для анализа. Рефлектор расположен на противолежащей внутренней поверхности гнезда, чтобы отражать свет обратно к противолежащему окну, откуда его пропускают за пределы реакционного сосуда для анализа освещенного образца. Привод предоставлен для изменения длины пути пропускания между пропускающим свет устройством в трубке и рефлектором.
[0005] Также из документа LJS-A-5708273 известно предоставление оптического датчика с переменной длиной пути для анализа материала на производственной линии. Датчик содержит головку датчика, в которой образовано щелевое отверстие для приема образца, подлежащего освещению. Оптические волокна заканчиваются у окна в первой трубчатой оболочке, которая образует одну сторону щелевого отверстия, а зеркало установлено на второй трубчатой оболочке, расположенной для скользящего сцепления с первой, и образует противоположную сторону отверстия. Зеркало и окно взаимодействуют вместе, чтобы ограничивать путь света через отверстие и, следовательно, через образец, подлежащий анализу. Привод с ручным управлением соединен с одной или обеими оболочками для скольжения одной относительно другой. Разделение зеркала и окна, таким образом, регулируют, чтобы изменять длину пути пропускания света через гнездо.
[0006] Согласно первому аспекту данного изобретения предоставлена головка датчика, в которой образовано отверстие для приема образца, подлежащего анализу, причем головка содержит пару оптических интерфейсов, каждый из которых расположен на противолежащей внутренней поверхности отверстия для того, чтобы ограничивать путь пропускания через отверстие, где по меньшей мере один из пары оптических интерфейсов содержит элемент, пропускающий световое излучение на длине волны, приспособленный позволять интересующему световому излучению перемещаться между внутренней частью головки датчика и отверстием. Оптический датчик также содержит подвижную диафрагму, как вариант, в форме сильфона, в которой расположен один из пары оптических интерфейсов для перемещения с ее помощью, а привод функционально соединен с диафрагмой, чтобы управлять ее движением с целью изменения длины пути.
[0007] По выбору головка датчика также содержит шарнирную систему, взаимодействующую с приводом для того, чтобы перемещать оптический интерфейс, расположенный в диафрагме по дуге для изменения длины пути. Движение по дуге вызывает отсутствие параллельности между оптическими интерфейсами, поскольку длина светового пути изменяется и тем самым уменьшает любые отрицательные воздействия отражений между интерфейсами. Кроме того, шарнирная система может обеспечивать диафрагму повышенной стабильностью, чтобы противостоять нежелательному перемещению, вызванному внешними влияниями, такими как изменения давления или сила, приложенная текущим в трубопроводе материалом.
[0008] Диафрагма может содержать плоский гибкий лист или, в другом случае, гофрированный лист или сильфом, чтобы обеспечивать увеличенный диапазон перемещения и быть образованной таким образом, чтобы прикладывать силу смещения, противостоящую расширению диафрагмы, это может быть заменено отдельным устройством смещения, таким как пружина, когда это требуется.
[0009] По выбору другой из пары оптических интерфейсов может также быть расположен в связанной диафрагме, которая также способна передвигаться с целью изменения длины пути пропускания через материал между интерфейсами.
Прозрачный оптический элемент расположен на подвижной диафрагме.
Оптический датчик также содержит источник световой энергии, расположенный в головке датчика за одним из оптически прозрачных элементов, при этом за вторым из оптически прозрачных элементов расположен дополнительный коллектор световой энергии для того, чтобы собирать световую энергию от источника после прохождения пути для светового излучения.
Второй оптический интерфейс содержит отражатель, расположенный с обеспечением отражения света по направлению к прозрачному элементу.
[0010] Эти и другие преимущества станут более понятными после рассмотрения следующего описания примеров осуществления головки датчика в соответствии с данным изобретением, которое выполнено со ссылкой на изображения сопутствующих графических материалов, на которых:
[0011] фиг.1 представляет собой изображение головки датчика в соответствии с данным изобретением;
[0012] фиг.2 представляет собой изображение сечения A-A через головку датчика с фиг.1;
[0013] фиг.3 представляет собой изображение головки датчика с фиг.1 и 2 в оптическом соединении с альтернативным анализатором; на фиг.3a - с локальным дифракционным спектрометром, а на фиг.3b - с удаленным анализатором;
[0014] фиг.4 представляет собой изображение еще одного примера головки датчика в соответствии с данным изобретением;
[0015] фиг.5 представляет собой изображения ряда альтернативных приводов для перемещения диафрагмы.
[0016] Теперь рассматривается фиг.1, представляющая собой изображение примера головки 2 датчика в соответствии с данным изобретением, которая здесь предназначена для вставки в технологический трубопровод, реакционный сосуд, бак для хранения или контейнер для насыпных материалов. Головка 2 датчика снабжена областью 4 интерфейса, включающей здесь уплотнительное кольцо 6, которая предназначена для того, чтобы стыковаться с и герметизировать от соответствующего интерфейса, например, на технологическом трубопроводе (не показан). Эта область 4 интерфейса служит как граница, отделяющая ближний конец 8 головки 2 датчика от дальнего конца 12. Ближний конец 8 при применении располагается вне трубопровода, тогда как дальний конце 12 предназначен для погружения в материал, как правило, текущий материал в трубопроводе. Отверстие, в данном варианте осуществления гнездо 10, расположено в головке 2 датчика за областью 6 интерфейса и в направлении дальнего конца 12 головки 2 датчика. Гнездо 10 обеспечивает пробное пространство 14, в которое может проходить часть материала в производственной линии, в данном изобретении протекать, для анализа. Пара оптических интерфейсов 16, 18 расположена противоположно друг другу в гнезде 10 на соответствующих противолежащих внутренних поверхностях 20, 22 гнезда 10. В данном варианте осуществления только один из оптических интерфейсов 18 показан расположенным на движущейся диафрагме, здесь гофрированной для образования диафрагмы 24 сильфонного типа, но будет понятно, что другой из пары оптических интерфейсов 16 также может быть расположен на его собственной движущейся диафрагме. Оптические интерфейсы 16, 18 взаимодействуют вместе для того, чтобы ограничивать длину пути (показанную в общем стрелкой 26) для излучения через отверстие и, следовательно, через образец материала для анализа, расположенный в гнезде 10 между оптическими интерфейсами 16, 18.
[0017] Фактическая длина пути пропускания будет зависеть от анализируемого материала и, в частности, от области длин волн световой энергии, применяемой в анализе. Исключительно в качестве примера головка 2 датчика данного варианта осуществления может быть приспособлена для анализа с использованием световой энергии в средневолновой области инфракрасного излучения. В этой конфигурации промежуток между оптическими интерфейсами 16, 18 составляет порядка 40 мкм и его регулируют, как описано ниже, до около 20 мкм. В таких обстоятельствах, где ожидаемое изменение в длине оптического пути является подходящим, гофрированная диафрагма может легко быть заменена диафрагмой, сконструированной главным образом как плоский лист материала.
[0018] Малое относительное смещение оптических интерфейсов 16, 18 и общая необходимость в нескольких уплотнениях, динамических или статических, делает преимущественной установку одного из интерфейсов 18 на гибкой, как правило, металлической диафрагме 24 сильфонного типа. Эта диафрагма 24 сильфонного типа может быть или стандартным сильфоном, который сваривают с краем соответствующей внутренней поверхности 10 и оптическим интерфейсом 18, или все может быть соединено в цельную деталь, как показано в данном варианте осуществления. В любом случае диафрагма 24 сильфонного типа может быть изготовлена настолько жесткой, что она, благодаря предварительному натяжению во время сборки, может также действовать как возвратная пружина для привода. Конструкция может преимущественно быть изготовлена в достаточной мере стабильной, так что внутренний поток материала в трубопроводе, флуктуации давления и т.п. не будут оказывать никакого значительного влияния на относительные положения интерфейсов 16, 18.
[0019] Фиг.2 представляет собой изображение сечения A-A через головку 2 датчика с фиг.1, на которой элементы, общие для графических материалов, представлены с одинаковыми цифровыми обозначениями. Головка 2 датчика содержит первую полость 28 и вторую полость 30, разделенную пробным пространством 14. Оптический интерфейс 18 содержит первое окно 32, которое вместе с диафрагмой 24 сильфонного типа герметизирует первую полость 28 от доступа материала из пробного пространства 14. Оптический интерфейс 16 в данном варианте осуществления показан таким, который содержит второе окно 34, которое герметизирует вторую полость 30 от доступа материала из пробного пространства 14.
[0020] Источник 34 светового излучения, здесь источник средневолновой области инфракрасного излучения, расположен во второй полости 30 для того, чтобы генерировать световое излучение для передачи через второе окно 34 вдоль светового пути 26, ограниченного вторым и первым окнами 34, 32, и в первую полость 28 через первое окно 32. Источник 36 светового излучения снабжают питанием от внешнего источника (не показано) с помощью электрических кабелей, которые проходят через изоляционный провод 38 в головке 2 датчика.
[0021] В альтернативном варианте осуществления источник 36 может быть заменен подходящим оптоволокном, которое может быть проведено через изоляционный провод 38 и заканчиваться во второй полости 30 за вторым окном 34.
[0022] Фокусирующие оптические приборы 40, 42 представлены на скользящей опоре 44 и фокусируют свет от источника 36 после того, как он прошел световой путь 26. Опора 44 предназначена для обеспечения механическое соединения между диафрагмой сильфонного типа (здесь с оптическим интерфейсом 18) и приводом, здесь пьезоэлектрическим приводом 46. Регулировочные шайбы 48 могут быть предоставлены, чтобы обеспечивать пазовое регулирование угла первого окна 32 относительно второго окна 34, и показаны расположенными между одним краем привода 46 и неподвижной внутренней частью 50 головки 2 датчика.
[0023] В этом варианте осуществления выбран круговой пьезоэлектрический привод 46, поскольку он очень точный, быстрый и имеет высокую повторяемость. Ход и скорость подъема/ослабления может контролироваться электрически. Привод 46 также может поддерживать подъем, составляющий микроны. Пьезоэлектрический привод является стандартным изделием, и может быть предложен привод с внешним диаметром около 20 мм и внутренним диаметром 12 мм. Этот тип и размер является очень мощным с блокирующей силой около 8000 H, которую прикладывают при использовании очень жесткой возвратной пружины. В этой конструкции также легко осуществить начальную настройку регулировочными шайбами 48, которые являются более стойкими, крепкими и надежными, чем регулировочные винты или т.п., которые, конечно, могут заменять регулировочные шайбы 48.
[0024] Фиг.3 представляет собой изображения других примеров конструкций ближнего конца 8 головки 2 датчика с фиг.1 и 2. На фиг.3a головка 2 датчика с фиг.1 и 2 показана с ее ближним концом 8, образованным в виде оболочки для локального дифракционного спектрометра, при этом спектрометр обозначен в целом цифрой 52.
[0025] Имеется статическая дифракционная решетка 54, содержащаяся в ближнем конце 8 и образующая часть спектрометра 52, и дополнительная детекторная сетка 56. Решетку 54 и сетку совместно устанавливают в традиционной конфигурации, так что свет, принимаемый на решетке 54, рассеивается в соответствии с длиной его волны, и каждая область длин волн отбрасывается на различную связанную область детекторной сетки 56. Таким образом, измерения интенсивности, зависящей от длины волны, могут быть выполнены по полученному свету, и может быть определена информация о составе в пробном пространстве 14, включенном в световой путь 26.
[0026] Как известно в данной области техники, оптический формирователь, здесь клинообразный волновод 58, также предоставлен в данном варианте осуществления как элемент спектрометра 52 и соединяет решетку 54 и детекторную решетку 56 оптически. Этот оптический формирователь 58 может быть эффективно сконфигурирован для подачи падающего света оптимальным образом сначала на решетку 54, а затем на детекторную сетку 56. Фокусирующие оптические устройства 40, 42 служат для того, чтобы фокусировать свет, входящий в первую полость 28 через окно 32 в волновод 58. Свет затем направляют на решетку 54, а рассеянный свет от решетки 54 - на детекторную сетку 56.
[0027] Конфигурация головки 2 датчика с дифракционным спектрометром 52 является очень привлекательной, поскольку единственной движущейся частью является устройство диафрагмы 24 и окна 32. Следовательно, ожидается, что она будет весьма нечувствительной к вибрациям, а также легка в обращении во время калибровки или управления, когда оператору может потребоваться снять датчик с трубопровода.
[0028] Управляющая электроника для детекторной сетки 56 и источника 36 света или обоих может быть удобно размещена в оболочке 8. Сушильный картридж 62, такой как картридж, наполненный известным осушителем силикагелем, может быть предоставлен по желанию для того, чтобы поддерживать оболочку 8 внутри сухой.
[0029] На фиг.3b головка 2 датчика с фиг.1 и 2 показана с ее ближним концом 8, образованным в виде оболочки для конца 64 оптоволокна 68, при этом конец 64 удерживают в головке 2 датчика, закрепленным по центру при помощи опоры 70.
[0030] В данном варианте осуществления фокусирующие оптические устройства 40, 42 действуют, чтобы фокусировать свет, который входит в первую полость 28 через окно 32 на конец 64 оптоволокна 68. Оптоволокно 68 действует как оптическое соединение между головкой 2 датчика и удаленным анализатором (на показан), таким как Фурье-анализатор, спектрометр или другой анализатор, подходящий для использования при определении информации о составе или другой информации (например, наличия или отсутствия материала) из света, собранного таким образом. Это устройство имеет преимущества малого числа подвижных частей и относительно компактно по конструкции по сравнению, например, со спектрометром с фиг.3a.
[0031] В варианте осуществления, описываемом сейчас, наподобие используемого со средневолновым инфракрасным светом оптоволокно 68 является относительно хрупким и восприимчивым к механическим повреждениям от, например, вибраций в рабочей среде головки 2 датчика. Здесь гибкая трубка 72 может быть использована преимущественно для того, чтобы предоставлять некоторую механическую защиту для оптоволокна 68. На самом деле такая защита может выгодно применяться с другими типами оптоволокна.
[0032] Второй пример осуществления головки 74 датчика в соответствии с данным изобретением представлен на фиг.4 и может, как поймет специалист, легко заменять головку 2 датчика в устройствах, изображенных на фиг.3.
[0033] На фиг.4 изображена часть головки 74 датчика, которая составляет первую полость 78 головки 74 датчика, похожую на первую полость 28 головки 2 датчика с фиг.2. В данном варианте осуществления, аналогично фиг.2, но не показано, головка 74 датчика также содержит вторую полость, в которой расположен источник светового излучения.
[0034] Также аналогично головке 2 датчика с фиг.2 первая полость 78 данного варианта осуществления головки 74 датчика содержит скользящую опору 80 для поддержки фокусирующих оптических устройств 82, 84 и обеспечения механического контакта между приводом 86, здесь одностековый пьезоэлектрический привод, в противоположность круговому, используемому в варианте осуществления с фиг.2, и диафрагмой 88 сильфонного типа. Аналогично варианту осуществления с фиг.2 оптический интерфейс 90, содержащий окно 92, удерживают в диафрагме 88 сильфонного типа для перемещения с ее помощью, когда привод 86 функционирует, чтобы толкать скользящую опору 80 для растягивания диафрагмы 88 сильфонного типа, действуя против возвратной пружины, встроенной в диафрагму сильфонного типа. Отдельная возвратная пружина может быть предоставлена дополнительно или альтернативно для того, чтобы направлять диафрагму 88 сильфонного типа в сжатое положение.
[0035] Шарнирная система 94 предоставлена в механическом соединении с одной стороной диафрагмы 88 сильфонного типа, в данном варианте осуществления в механическом соединении с одной стороной скользящей опоры 80, в целом противоположно точке, в которой привод 86 приспособлен прикладывать силу, чтобы толкать диафрагму 88 сильфонного типа.
[0036] Шарнирная система 94 преимущественно обеспечивает увеличенную жесткость диафрагмы 88 сильфонного типа, которая стремится противостоять любому перемещению окна 92, которое может быть вызвано внутренним потоком материала в трубопроводе, флуктуациями давления и т.п. Шарнирная система 94 взаимодействует с приводом 86, чтобы обеспечивать малое угловое перемещение окна 92 относительно другого окна второй полости, когда привод перемещает диафрагму 88 сильфонного типа. Это создает частичную непараллельность между двумя окнами, что может преимущественно предотвращать нежелательные явления отражения, создаваемые между окнами.
[0037] Шарнирная система 94 данного варианта осуществления показана такой, которая содержит один шарнир, но множество шарниров, например два узких шарнира, радиально разделенных углом от 30 до 60 градусов, могут быть применены для того, чтобы обеспечивать увеличенную жесткость.
[0038] Регулировочные шайбы 96 могут быть предоставлены для того, чтобы обеспечивать пазовое угловое регулирование окна 92, и дополнительные регулировочные шайбы 98 могут применяться, чтобы устанавливать базовое разделение между окнами.
[0039] Хотя варианты осуществления, рассмотренные выше, описывают головки датчиков для измерения пропускания, в которых, чтобы определять световой путь через образец в оптическом интерфейсе, применяют окна, будет понятно, что могут быть предоставлены другие оптические интерфейсы, с помощью которых измерения пропускания могут быть выполнены в оптическом датчике с переменной длиной пути согласно данному изобретению. Одно или оба окна могут быть заменены линзой или другим прозрачным оптическим элементом; один из оптических элементов может быть замен отражателем, вторая полость удалена, а излучение и сбор света могут быть выполнены в первой полости, возможно, с использованием надлежащим образом приспособленного оптоволоконного устройства. В еще одной модификации датчика в соответствии с данным изобретением другой из двух оптических интерфейсов может также составлять часть своей собственной подвижной диафрагмы или подобной тем, что описаны в соответствии с примерами осуществления, изложенными в этом документе, или, возможно, образованной другим способом в виде плоского листа гибкого материала, такого как металлический лист.
[0040] Другие приводы также могут быть использованы в качестве замены для пьезоэлектрических приводов, описанных со ссылкой на фиг.2 и 4 выше, отступая от сути изобретения, как заявлено. Примеры четырех других приводов, которые подходят для использования в данном изобретении, описаны в общих чертах со ссылкой на графические материалы фиг.5. Для облегчения сравнения с ранее описанными вариантами осуществления на фиг.5a представлено изображение головки 100a датчика, которая функционирует в целом согласно описанию головки 2 датчика, данному выше, а на фиг.5b представлено изображение головки 100b датчика, которая функционирует в целом согласно описанию головки 74 датчика, данному выше.
[0041] Головка 100a датчика с фиг.5a использует круговой пьезоэлектрический привод 102а, чтобы воздействовать на полую трубу 104a, которую крепят одним концом к регулируемой диафрагме 106а сильфонного типа, в которой расположено окно 108а. Окно 108а размещено в гнезде 110a, образованном в головке 100a датчика для приема пробного материала, и противоположно второму окну 112a. Окна 108а и 112a ограничивают длину светового пути между частью пробного материала, подлежащего анализу. В отличие от ранее описанной головки 2 датчика пружина 114a также предоставлена, чтобы замещать или, по меньшей мере, увеличивать силу пружины обратного смещения диафрагмы 106a сильфонного типа, стремясь сжать диафрагму 106a сильфонного типа.
[0042] Головка 100b датчика с фиг.5b отличается от головки с фиг.5a тем, что одностековый пьезоэлектрический привод 102b заменяет круговой привод 102а с фиг.5а, и тем, что предоставлен шарнир 116b, взаимодействующий с приводом 102b, чтобы подвергать окно 108b, расположенное в диафрагме 106b сильфонного типа, малому угловому перемещению, когда диафрагму сильфонного типа расширяют для того, чтобы уменьшать световой путь между противолежащими окнами 108b, 112b. Пружина 114b снова предоставлена, чтобы направлять диафрагму 106b сильфонного типа в сжатое состояние.
[0043] Рассматривая теперь головку 100 с датчика, показанную на фиг.5c, привод содержит кулачок 118c, непосредственно соединенный с полой световой трубкой 104c, так что, когда кулачок 118c вращается, световая трубка 104c и, следовательно, окно 108c совершает возвратно-поступательное движение, чтобы изменять световой путь. В головке 100d датчика, показанной на фиг.5d, кулачок 118d воздействует на световую трубку 104d косвенно посредством гибкого механического соединения 120d. Соединение 120d крепят одним концом к световой трубке 104d, а также противоположным концом. Когда кулачок 118d вращается, механическое соединение 120d изгибается, перемещая световую трубку 104d, чтобы изменять световой путь.
[0044] Согласно варианту осуществления головки датчика 100e, который показан на фиг.5e, предоставлен магнитный или электромагнитный привод (здесь магнит) 122e для того, чтобы прямо воздействовать на световую трубку 104e, заставляя ее двигаться, чтобы изменять длину пути пропускания, когда привод активируют и деактивируют. В головке 100f датчика с фиг.5f магнитный или электромагнитный привод (здесь электромагнит) 122f воздействует на световую трубку 104f косвенно посредством гибкого механического соединения 120f. Соединение 120f крепят одним концом к световой трубке 104f, а также противоположным концом. Когда привод активируют и деактивируют, механическое соединение 120f изгибается, перемещая световую трубку 104f, чтобы изменять длину пути.
[0045] Например, головка датчика в соответствии с данным изобретением может быть успешно применена для того, чтобы производить оптические измерения на двух или более различных длинах пути, и результаты используют для проведения анализа, в котором компенсацию ухода частоты производят без обращения к использованию контрольной выборки за так называемой «установкой на нуль». Методология и обоснование, применяемые здесь, аналогичны тем, что описаны в документе WO 2006/058741, содержание которого включено в данный документ в качестве ссылки; что касается множественной длины пути, как правило, двойной длины пути, измерения проводят с использованием шарнирного кюветного держателя образца для получения меняющейся длины пути через образец, подлежащий анализу. Таким образом, головка датчика в соответствии с данным изобретением может быть изготовлена для того, чтобы обеспечивать множество различных длин пути для света, излученного из источника. Рассчитывают величину, которая зависит от отношения интенсивностей излучения, прошедшего две длины пути из множества различных длин пути для одной и той же из одной или более излученных длин волн и из которой могут быть получены количественные и/или качественные показатели образца.