[發明專利]光譜測量裝置

有效

• 申請號: 201811266516.5
• 申請日: 2018-10-29
• 公開（公告）號: CN109799194B
• 公開（公告）日: 2022-06-03
• 發明（設計）人: 比約恩·哈斯;約阿希姆·博勒
• 申請（專利權）人: 恩德萊斯和豪瑟爾分析儀表兩合公司
• 主分類號: G01N21/25
• 分類號: G01N21/25
• 代理公司: 中原信達知識產權代理有限責任公司 11219
• 代理人: 蔡石蒙;車文

本發明公開光譜測量裝置(1)，用于過程自動化系統的測量點，包括：寬帶光源(2)，其用于通過入口光圈(7)將光輻射到待測量的樣品(9)上，其中光的光束形成照射平面(x?y)；限光器(5)，其將光限制為與所述照射平面(x?y)成一定角度，特別是90°，由此在該角度下產生不同量的光；色散元件(4)，其用于根據光的波長分離光；和檢測器(3)，其用于接收根據光的波長分離的光，其中所述光源(2)將光發送通過樣品(9)射向所述入口孔(7)、限光器(5)和色散元件(4)，并且光照射到所述檢測器(3)，其中所述檢測器(3)被設計為二維檢測器并且被定向成使得能夠以所述角度，即，特別是90°接收光。

技術領域

本發明涉及一種用于過程自動化系統的測量點的光譜測量裝置。

背景技術

在生產過程中，可以在氣體、液體、固體和多相混合物中進行光譜測量，以獲得關于生產過程或作為過程產物形成的物質(特別是物質的數量或質量)的結果。通過光譜測量，可以獲得與該過程的離析物和/或輔助材料的濃度相關的被測變量的值。例如，在生物化學生產過程中，可以對在生產過程中使用的微生物的營養素的濃度和/或代謝物的濃度和/或在過程中于過程介質中產生的產物的濃度進行監測，并且進行過程控制和/或借助于如此獲得的測量數據進行調節。過程介質通常被包含在過程容器中，諸如反應器、發酵罐或管道中。

在吸收光譜學中，主要使用寬帶光源，例如，通過使用透明窗口或試管將該寬帶光源的光引導通過待研究的介質，然后在光學光譜儀中進行分析。因此，光譜儀包括檢測單元，該檢測單元包括：光圈-特別是狹縫-成像系統，和檢測器，以及前面提到的光源，檢測器和相應的光束路徑。

存在于介質中的物質和物質混合物可以通過其特征吸收譜線來識別。根據分子光譜，因此感興趣的是不同的波長。在此重要的是，不僅各個譜線的識別是相關的，而且它們的絕對信號強度也是相關的，因為可以由此計算出與各個濃度有關的信息。特別是，許多對過程自動化系統的應用具有重要意義的物質具有紫外(UV)光譜范圍內的吸收譜線。因此，為了分析這種物質的混合物，UV吸收光譜儀尤其需要針對這一波長范圍設計的檢測器和相關的適當光源。

基本上，可以在LED、熱燈(例如，鹵素燈)和氣體放電燈之間進行區分。

鹵素燈是寬頻率范圍內光譜吸收測量的理想選擇。它們具有相當穩定的發射光譜并且發出連續光。然而，由于燈絲中實際可能的溫度，在紫外光譜范圍內幾乎不可能有任何信號分量。特別是在350nm以下的短波光范圍內，幾乎不存在任何光強度。氣體放電燈的特征在于，通過光源的共振的相對光強度不形成連續光譜，而是相反，形成清晰限定的高振幅區域和具有非常低的信號強度的區域。這種特性對于定量吸收測量尤其是一個關鍵挑戰，因為它需要一個具有極高信號動態的檢測器，以實現穩定的測量。

例如，可以通過使照明氣體處于極高壓力下并且在非常高的溫度下操作來實現利用氣體放電燈的清晰光譜線的變寬，例如，利用所謂的氙氣高壓燈情況就是如此。由高壓引起的發光介質中的頻繁原子核沖擊導致量子力學過渡的中斷和清晰光譜線的變寬。這些類型的高壓燈通常需要防爆外殼和單獨的冷卻系統，這意味著它們僅在特殊情況下用于工業傳感器。因此，在實踐中必需采取適當的步驟，以便能夠在所有頻率范圍內執行吸收測量，而不管高的信號動態，即諧振上的有很多信號，而之間的信號很少。

另外，與用于可見光譜范圍的或多或少連續照明光源相比，如同也用于天花板照明那樣，UV光源需要相當高的激發能量。例如，這些可以被實現用于以高能量的單獨閃光進行控制的氣體放電燈。這些燈通常只能在幾年的長期操作期間以非常低的重復率(例如，10Hz)運行。

作為最終變體，UV LED也用作光源。然而，與上述燈相比，這些燈僅具有非常窄的頻譜，并且因此不適合用于許多波長的吸收特性的寬帶分析。

總之，可以注意到，對于工業UV光譜學的大多數實際應用，可以僅考慮用單個閃光進行控制的UV氣體放電燈，并且實際上，所述燈在其發射光譜中具有大量的具有強烈強度的清晰譜線，同時，波長范圍介于之間，且幾乎沒有任何發射光。