近红外物质浓度测量与基于光纤中的光纤布拉格光栅的温度分布图测量的仪器技术的组合的制作方法

专利名称：近红外物质浓度测量与基于光纤中的光纤布拉格光栅的温度分布图测量的仪器技术的组合的制作方法
近红外物质浓度测量与基于光纤中的光纤布拉格光栅的温度分布图
测量的仪器技术的组合
本发明涉及一种把近红外(NIR)物质浓度测量与带有用来进行 温度分布图测量的光纤布拉格光栅(FBG)的玻璃光纤的光谱分析结 合在一起的仪器技术组合方法。
通常在对化学-制药设备中的复杂物质混合物进行在线测量时，通 常需要用到傅立叶变换型近红外光镨仪(FT-NER)。(参见PROCESS, 4/2003, "Bessere Daten ftier effizientere Prozess，，)。目前这种4义器 出现在工艺设计设备中，这种工艺设计设备中带有为多个光学探测 器(比如Bruker, Matrix-F公司的产品)的使用而加入的光多路转换 器。在这种光谱仪中集成了关键的光学部件(光源，干涉器，探测 器，干涉仪波长校准所用的参考激光)。为了得到较好的信噪比， 需要把具有较大光载截面(若千个100微米)的多模玻璃光纤 (MM-Glas-Faser)进行处理耦合。这些光谱仪本身具有较高的分辨 率，并且覆盖了较大的光谱带宽(大约800纳米至2.5微米)。
在基于使用光学强度较弱的单模玻璃光纤(SM-玻璃光纤)的原 理的带有FBG的玻璃光纤进行温度分布图测量中[参见DE 0403132404 A bzw. Zur FBG誦Technologie s. R. Kashyap, "Fiber Bragg Gratings", Academic Press, 458(1999), www.inventivefiher.com sg/FBG.html-K.O. Hill et Al:， Appl. Phys. Lett. 32,第647页(1978)],那些光学 部件明显具有与在用FT-NIR光谱分析测量物质浓度时所表现出的不 同的性质。因为FBG技术最初且绝大多数运用于光信息传输领域， 所以，相关的光学部件也进行了专门的调节，以便适应这种技术领 域的要求。通常会使用窄带的、高分辨率的二极管阵列光谱仪，或 者扫描式激光源，或者光纤光谱仪。光源(SLED (超辐射发光二极
管)或者扫描激光源)需要和光谱仪相匹配，且具有几十纳米的典 型带宽。
这两种技术(用于物质浓度测定的FT-NIR和带有FBG的玻璃光 纤的光谱分析)使用的光谱段有重叠，且都用在化学-制药设备，石 油化工设备，尤其是在精炼中，比如食品加工业中的设备(反应器， 柱馏器(比如用来蒸馏，提取或者烘干)，结晶器，烘干器，炉子， 特殊的微波加热炉或者感应炉)。这就产生了对基于通用设备的需 求。
因此从现有技术出发，需要解决一个问题，即，需要改进光学部 件和/或它们的组合，以使两个探测器(用于浓度测量的处理光栅和 用于温度测量的带有FBG的玻璃光纤)可基于共同的设备(优选为 在光多路转换中)来进行操作。
FT-NIR光镨分析和带有FBG的光纤的光谱分析的仪器技术组合 在现有技术中还没有被提到过。
让人惊奇的是，在对光学部件进行特定配置且使用特定的附加光 源的情况下，物质混合物和带有FBG的玻璃光纤的混合光谱分析是 有可能的。因此在实现本发明时，在现有技术中，有充分已知的、 商业上可以得到的器件，玻璃光纤等(参见以上现有技术)可供使 用。
因此，根据本发明的光谱分析装置包括至少一个用于FBG光纤和 NIR测量单元所需的光源，至少一个用来接通光谱仪和测量段的光 多路转换器，至少一段FBG光纤和至少一条为NIR光谱分析所用的 玻璃光纤，干涉仪，探测器和信号估计/控制单元，这些部件中的一 些已经集成在更为复杂的部件(比如FT-NIR光谱仪)中。
因此，现在就可以只用 一台装置来执行对化学-制药工业中的设备 的两种不同种类的测量任务。通过光多路转换，也可以用一台光谱 仪来实施许多测量任务，尤其是不同种类的任务的准同时测量。这
可以对单个的测量的成本下降起很大的作用，特别是在只需访问过 程控制系统一次时。因此，当在不同的设备中测量物质浓度和用光 纤布拉格光栅进行温度测量时，使用本发明的仪器组合是完全有意 义的。
这种方法对于FBG温度测量的一个特别优点还在于，由于分析器 的较大光谱接收和较大光语宽度的光源的原因，在玻璃光纤段上的 FBG光谱分布能以较大的光语间隔依次排列，这样，由温度变化所 引起的可能的光谱变化不会很快导致与玻璃光纤上另一 FBG的光谱 重叠。这个优点也可以作为备选或者作为补充来使用，以在一段光 纤上刻出多个FBG，而在温度变化时却不会引起FBG上的单个光谱 的重叠。
根据本发明的方法，FT-N1R光谱仪将会在如图解

图1所示的在 一个装置中被使用。干涉仪位于环行器和探测器之间的光路中。在 这种方式和方法下，两种光谱分析方法中的每一种都可以由对各自 光语分析而言最佳的部件来构成单独的光路。与通常带有两个同步 驱动多模转换的多通道FT-NIR光语仪装置不同的是，在本发明的方 法中提供了附加的单模转换器，该单模转换器也可以和另外两个转 换器同步地操作。转换器的互连在这种情况下是受控的，使得与干 涉仪入口相连的测量通道也可以^皮供给相应的光源。在这种情况下， 可能的测量段(NIR探测器和带有FBG的玻璃光纤)的总数只由处 于干涉仪入口上游的多路转换器的输入通道的数量来限定。
NIR光谱分析(物质浓度测定)所用的光源是通常使用的光源(比 如卣素灯)，它相应地耦合在多沖莫玻璃光纤中，和/或通过利用在多 路转换器输出口相连的多才莫玻璃光纤而与光多路转换器直接耦合。
在带有FBG的玻璃光纤的光谱仪中，使用为此特别常用的宽带光 源(比如ELED或者带有光纤尾纤的SLED)。然而这种光源;故限制 在可用发射带宽的几十纳米范围内。
本领域的技术人员没有预计到，通过单模玻璃光纤可以达到的光
强也足够用来对FT-NIR光谱进行分析。FT-NIR光谱仪通常由高得 多的光强(通常在多模玻璃光纤中可以实现)来驱动，因此非常让 人惊奇的是，在单模玻璃光纤中可以达到的低光强甚至也足够用来 操作光谱仪，并使得根据本发明的组合操作也能够实现。
更让人惊奇的是，即使借助于传统的白炽灯，特别是卣素灯，以 及能够把光集中在单冲莫玻璃光纤端面上的光强聚合器，来代替ELED 和/或SLED，也可以为FT-N1R光谱仪的探测器提供足够的光。这种 让人惊奇的原因在于，多模光纤和单模光纤的耦合效率的不同，单 模光纤的耦合效率要比多模光纤的耦合效率低大约20,000倍(在横 截面的几何面积的不同和数值孔径的不同)。因此在一个优选的方 案中，可以借助于根据需要而不同地耦合的共用光源，来执行NIR 光谱分析和FBG的温度测量。
作为上述处理的一个可选方案，当每个光谱分析单元(带FBG的 光纤或者NIR测量单元)^皮提供了各自的匹配光源时，就可以省略 用来切换光源的一个或者甚至是所有的多路转换器。这是出于经济 上的考虑(图解图2)，或者是因为各自的类型只有一个测量段(带 FBG的光纤或者NIR测量单元)可以操作。但是，这种可能性也可 以专门用来选择针对各种不同的带有FBG的玻璃光纤而特别匹配的 光源。
在一种变型中，借助于各自适合的多路转换器，就可以选择性地 将单独的光源连接到每个测量段上。在一个实施例中优选的是，只 从光纤的一端来实施FBG光谱分析。
优选的是，通过仪器控制器，可以对测量段的时间顺序利用光谱 方法进行;险查。
另外，在另一个特别优选的实施例中，也有可能选择性地在反射 或者透射中测量FBG光谱。
在另 一种变型中，带有FBG的玻璃光纤的 一个或者多个测量"R的 环行器可以由2x2的耦合器来代替。然而，这种组合通常同4支大的
光强损失联系在一起(图解图3)。尽管如此，当必须要覆盖较大的 光语宽度时，它还是被证明是很有优势的，因为环行器在光谱边缘 中的增大的衰减会超出2x2耦合器的光强损失。
在另一种变型中，用于一个或多个测量段的带有FBG的测量光 纤，在没有使用环行器或者2x2耦合器的情况下，可直接连接到接 受光照的光纤和干涉器的入口多路转换器之间的光路中，这样就可 以在透射中被估计(图解图4)。然而，这不是FBG光谱的温度估 计的优选方案，因为这种装置展示出FBG光镨的不对称性。
在另一种变型中，多个光源通过2x2耦合器相互连接，用于带 有光纤布拉格光栅的玻璃光纤上的光谱分析(图解图5)。在这种方 式下，有效光谱光照带宽可以得到扩展。对于多于两个的光源，这 一原理也可以被级联。这种多个光源的光谱组合也同样是一个优选 的实施例。
在另 一个同样优选实施例中，使用共用的通向过程控制系统的数 据通路，用于测量物质浓度和温度和/或温度分布图。
根据本发明的光谱分析装置可以使用在食品工业、食品加工业、 化学-制药工业和石油化工、尤其是精炼中的各种不同工艺过程中， 用来得到适当的数据。在这些工业中要求或者似乎需要进行物质浓 度测量和/或者温度和/或温度分布图测量的每个工艺技术构造中，根 据本发明的光谱分析装置是适合于作为测量仪器的。
优选、尤其优选或者尤其特别优选的是，那些使用被称为优选、 尤其优选或者尤其特别优选的参数、连接、定义和说明的实施例。
然而，在本说明书中概括地阐述或者在优选范围内阐述的定义、 参数、连接和说明也可以任意地彼此组合，也就是说，在各自的范 围和优选范围之间任意地组合。
下面的实例旨在用来说明本发明，不能理解成对本发明有限制。
实例
图解图6中描述了用来对NIR探测器和用于温度测量的光纤布拉 格光栅进行基于仪器的混合光谱分析估计的配置。这里使用了 ELED 用作光源，其带有由AOS, Dresden提供的FBG估计单元(AWE) 中的下游光学MEMS多路转换器，以进行光纤布拉格光栅估计。布 拉格光栅^皮写入同样由AOS提供的SMF-28光纤中。而环行器则使 用由Opneti提供的CIR-3-2-10-FA型号。所述配置中的FT-NIR光语 仪是Bruker公司的Matrix-Duplex仪器。以此方式测得的光纤布拉格 光栅光谱如光谦图1所示。
在图解图7中，对图解图6的配置进行了改进，4吏得带有带有聚光 器的卣素灯被用来为带有光纤布拉格光栅的玻璃光纤提供光照。光 谱图2显示了由此测得的光纤布拉格光栅的光谱。
权利要求
1.一种光谱分析装置，包括用于FBG光纤和NIR测量单元的至少一个光源、至少一个用于连接测量段和光谱仪的光多路转换器、至少一条FBG光纤、至少一条用于NIR光谱分析的玻璃光纤、干涉仪、探测器和信号估计/控制单元，以便将用来进行物质浓度测量的近红外光谱分析和带有用来测量温度和/或温度分布图的光纤布拉格光栅的玻璃光纤的光谱分析进行仪器技术的组合，其特征在于，傅立叶变换光谱仪的干涉仪置于测量段的输出端和探测器之间。
2. 根据权利要求1所述的光谱分析装置，其特征在于，借助 于各自匹配的光多路转换器，单独的光源可以选择性地连在各测 量段上。
3. 根据权利要求1所述的光语分析装置，其特征在于，每个 测量段也可以在不使用光多路转换器的情况下装备有各自的光 源。
4. 根椐权利要求1所述的光语分析装置，其特征在于，能够 只从玻璃光纤的一端来实施带有光纤布拉格光栅的玻璃光纤上的 光语分析。
5. 根据权利要求1所述的光镨分析装置，其特征在于，能够 通过仪器控制器对测量段的时间顺序利用光谘方法进行检查。
6. 根据权利要求1所述的光谱分析装置，其特征在于，也能 够选择性地在透射中在带有光纤布拉格光栅的玻璃光纤上实施光 谱分析。
7. 根据权利要求1所述的光谱分析装置，其特征在于，SLED、 ELED或者白炽灯可以被用作带有光纤布拉格光栅的玻璃光纤上 的光谱分析用的光源。
8. 根据权利要求1所述的光谱分析装置，其特征在于，多个 带有光纤布拉格光纤的玻璃光纤上的光谱分析用的多个光源可以 交替地进行光谱组合。
9. 根据权利要求1所述的光谱分析装置，其特征在于，为了测量物质浓度和温度和/或温度分布图，使用了通往过程控制系统 的共用的数据通路。
10. —种用来确定物质浓度和温度和/或温度分布图的方法， 其特征在于，在化学-制药工业，石油化工业、特别是精炼的工艺 技术设备中，以及食品加工业的工艺技术设备中，使用了根据权 利要求1至9中任一项所述的光镨分析装置。
全文摘要
本发明涉及一种把近红外(NIR)物质浓度测量与带有用来进行温度分布图测量的光纤布拉格光栅(FBG)的玻璃光纤的光谱分析组合在一起的仪器技术组合的方法。
文档编号G01K11/00GK101107511SQ200680003006
公开日2008年1月16日 申请日期2006年1月17日 优先权日2005年1月28日
发明者W·博彻斯 申请人:拜尔技术服务有限责任公司