分光計及流體分析系統(tǒng)的制作方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種分光計，特別用于構建在流體-分析系統(tǒng)的傳感器模塊中。此外， 本發(fā)明涉及一種具有這樣的分光計的流體-分析系統(tǒng)。
【背景技術】
[0002] 分光計在用于分析流體、特別用于分析（飲用）水方面具有重要意義，因為其使得 可無接觸地且在附加或不附加添加劑的情況下測量重要參數。對此，例如包括測量光譜吸 收系數（SAC)，例如在254nm的情況下，或測量有機碳量（T0C)。
[0003] 希望分析設備具有多個和/或可替換的傳感器模塊，傳感器模塊應是盡可能地 小。然而，具有低成本組件（透鏡、光柵和孔徑）的分光計的緊湊結構具有缺點。問題特別 在于，在其上呈現光譜的像場強烈成拱形。強烈成拱形是因為受限制的結構空間，其要求具 有受限的焦距的透鏡，且由此要求小的透鏡半徑。

【發(fā)明內容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于，提供一種緊湊的分光計，具有改進的呈現光譜分辨率。
[0005] 該目的通過具有權利要求1所述的特征的分光計實現。在從屬權利要求中給出根 據本發(fā)明的分光計的有利和有效的設計方案。
[0006] 特別地，設置根據本發(fā)明的分光計用于構建在傳感器模塊中，且其包括輻射源以 及下述的、限定光程或沿著光程布置的組件：樣品空間，第一透鏡，衍射件，第二透鏡，以及 探測器。根據本發(fā)明，在樣品空間與衍射件之間設置限制孔徑，用于限制撞擊到衍射件上的 射線束的有效直徑。
[0007] 關于從輻射源出發(fā)的光程，所述部件優(yōu)選以給定的順序被布置，其中，限制孔徑位 于第一透鏡之前或之后，下文中還將進一步描述。當然，在不脫離本發(fā)明的框架的情況下， 分光計還可包括其他部件。
[0008] 獨立于輻射源發(fā)出的射線的波長，下文中，概念"射線"和"光"同義使用。
[0009] 用于容納流體的器皿、介質通道或其他合適的容器的優(yōu)選可被流體流動通過的內 部空間可用作為用于待檢查的流體的樣品空間。
[0010] 特別地，根據本發(fā)明的分光計的透鏡是凸出透鏡，即，具有正折射能力的透鏡，優(yōu) 選為平凸透鏡，其將平行的射線束轉換成收斂的射線束。
[0011] 特別地，考慮反射光柵、透視光柵或棱鏡作為衍射件。
[0012] 在垂直于光軸的平面中觀察撞擊到衍射件上的射線束的有效直徑，其中，光軸例 如通過被布置在輻射源與樣品空間之間的進入孔徑和第一透鏡，或單獨通過第一透鏡被限 定，且至少直至衍射件指明光程的主方向。更確切的說，在下述方向上的射線束的最大寬度 視作為有效直徑，獨立于射線束是否圓形、橢圓形或其他形狀地成形，在該方向上（若需要 則在轉向之后）分解成光譜分量。
[0013] 本發(fā)明基于下述認識，即，即便在具有簡單（低成本）部件的小分光計的情況下也 可實現非常好的分辨率。根據本發(fā)明，限制孔徑負責改進分辨率，其限制撞擊到衍射件上的 射線束的有效直徑。如同對于每個常用的光學分光計中的那樣，撞擊到衍射件上的光，在借 助于第二透鏡被聚焦到對于相關的波長范圍而光敏的探測器上之前，通過衍射件被拆分成 其光譜色。限制孔徑用于使得僅僅很窄的射線束撞擊到衍射件上。由此，通過不可避免的 像場拱形而決定的光學錯誤在探測器面中強烈減小，即，呈現的光譜的分辨率或清晰度明 顯改進。諸如彩色或球形像的其他成像錯誤也強烈減弱。
[0014] 為特別在使用具有相對較大直徑的第一透鏡時實現分辨率的顯著改進，在該情況 下限制孔徑的寬度應明顯小于第一透鏡的直徑。
[0015] 對于本發(fā)明的優(yōu)選應用，證明有益的是限制孔徑的寬度在0. 1至1. 5mm的范圍中， 優(yōu)選在〇? 1至1.0mm的范圍中。
[0016] 根據本發(fā)明的一優(yōu)選實施方式，第一透鏡的焦距在厘米的范圍中，優(yōu)選在3至7cm的范圍中。同樣地，第二透鏡的焦距在厘米的范圍中，優(yōu)選在2至5cm之間。
[0017] 改進與定義為S=RB/d的銳化因子關聯的分辯率，其中，RB =像場半徑，且d=限 制孔徑的寬度。針對可用的結果，銳化因子在各種情況下應大于10,優(yōu)選在30至70的范圍 中。
[0018] 如上所述的，對于限制孔徑的布置基本上存在兩種可能。第一種可能提出，限制孔 徑布置在第一透鏡與衍射件之間。在第一透鏡之后的該區(qū)域中，輻射源的光被對準，該區(qū)域 也被稱為傅里葉空間。因此，限制孔徑至準直透鏡的距離實際上可任意選擇，這允許更大的 設計自由度。
[0019] 例如，限制孔徑可通過部件中的窄的光通道形成，其優(yōu)選也作為用于第一透鏡的 支架。該部件滿足雙功能。
[0020] 根據一特別節(jié)省空間的設計方案，限制孔徑被形成在承載在第一透鏡面對衍射件 的一側上的層中，即，該層在限制孔徑的位置上被中斷。
[0021] 用于定位限制孔徑的第二種可能性提出，其在光程中直接被布置在第一透鏡之 前。在該情況下，限制孔徑應盡可能靠近第一透鏡，因為在此輻射源的光還沒有通過第一透 鏡被對準。
[0022] 限制孔徑再次可節(jié)省空間地被形成在承載在第一透鏡面對樣品空間的一側上的 層中，即，該層在限制孔徑的位置被中斷。
[0023] 在使用特別小的第一透鏡的情況下，例如在0. 1至1. 5mm的范圍中，優(yōu)選在0. 1至 1. 0_的范圍中，限制孔徑可簡單地通過直接包圍第一透鏡的支架而形成。
[0024] 優(yōu)選地，線性探測器特別是行傳感器（Zeilensensor)用作為探測器，因為這樣的 探測器僅需要小的結構空間，且不強制要求平面的、二維探測器，用于獲取光譜。
[0025] 根據本發(fā)明的一優(yōu)選實施方式，探測器的光學敏感區(qū)域的最大擴展在厘米范圍 中，優(yōu)選在1至4cm的范圍中。
[0026] 針對水分析領域中的應用，其中待探測的物質僅以非常小的濃度存在，要求或至 少有利的是，輻射源的光以盡可能長的路程通過流體。因此，樣品空間應在光程的方向上具 有幾個厘米的長度，優(yōu)選長于4cm。
[0027] 對于分析流動的流體，下述結構是有利的，在該結構中，樣品空間與流入通道和流 出通道連接，二者優(yōu)選通過環(huán)路匯入到樣品空間中，其中，環(huán)路被構建在包圍樣品空間的殼 體中。
[0028] 根據本發(fā)明的分光計的衍射件優(yōu)選被構建成鏡光柵。除了對于分析所要求的衍射 (Beugung)外，鏡光柵額外用于偏轉射線束。通過鏡光柵的合適的布置，下述部件可布置在 前述部件旁邊，使得結構空間可在光軸的方向上縮短。衍射件也可以是被涂覆成具有合適 縫隙幾何形狀的衍射光柵，或僅被構建成窄的，如縫隙那么寬。
[0029] 對于多種應用，氙-閃光燈適合作為輻射源，其光從UV范圍直至紅外范圍。
[0030] 根據本發(fā)明的分光計的第一結構類型，在光程中額外布置進入孔徑，優(yōu)選或多或 少直接在輻射源之后。進入孔徑確保用于測量的光總是精確地在同一地點進入分光計。
[0031] 通過下述布置得到特別緊湊的結構，在該布置中，樣品空間在光程中被定位在進 入孔徑之后。由此，樣品空間被集成到合適的分光計中，由此整體減小結構尺寸。
[0032] 本發(fā)明也實現一種具有前述類型的分光計的流體-分析系統(tǒng)。
[0033] 當根據上述第一結構類型的分光計具有進入孔徑時，這具有下述缺點，S卩，進入孔 徑必須精確地朝向輻射源定向，這導致相應的安裝成本。在本發(fā)明的一特別擴展方案中，根 據本發(fā)明的分光計的結構在這方面簡化。根據該簡化的第二結構類型，在輻射源與分光計 的樣品空間之間不設置進入孔徑。然而在該情況下，流體-分析系統(tǒng)包括電子單元，其被設 置成使得其在計算多個（相繼的）測量時考慮由探測器獲取的光譜的推移。由此，缺少的 進入孔徑和其定向通過計算方法代替。
[0034] 優(yōu)選地，初始校準通過將光譜的特征最大值分配至探測器的傳感器的一個像素而 實現?；谠撓袼兀鄳趥鞲衅鞯钠渌袼氐牟ㄩL被固定分配。
[0035] 理想地，每個測量單個地根據所獲取的光譜的所選擇的特征區(qū)域以計算窗的形式 被校準或修正，該計算窗通過波長區(qū)域或傳感器對應波長區(qū)域的像素區(qū)域和強度區(qū)域限 定。
[0036] 在大多數情況下，最簡單的是，根據計算窗內的光譜的最大值計算位置不同測量 之間的推移。然后針對每個所獲取的光譜確定經修正的波長軸，且根據該匹配對測量取平 均值。
[0037] 根據一有利的整體結構，根據本發(fā)明的流體_分析系統(tǒng)包括傳感器模塊和分析單 元，至少一個根據本發(fā)明的分光計被構建到該傳感器模塊中。傳感器模塊可通過鎖定夾固 定在分析單元中，同時產生電連接和流體連接。由此明顯簡化了傳感器模塊的裝配和連接。
【附圖說明】
[0038] 下文和參考附圖中給出本發(fā)明的其他特征和優(yōu)點。附圖中：
[0039] 圖1示出具有根據本發(fā)明的傳感器模塊的模塊化流體_分析系統(tǒng)的透視圖；
[0040] 圖2示出根據本發(fā)明的傳感器模塊的透視圖；
[0041] 圖3示出具有根據本發(fā)明的分光計的根據本發(fā)明的傳感器模塊的剖視圖；
[0042]圖4用于傳感器模塊中的待檢查的流體的流動過程的示例；
[0043] 圖5示出通過不帶有第二孔徑的非根據本發(fā)明的分光計的光程；
[0044] 圖6示出帶有第二孔徑的根據本發(fā)明的分光計的光程；
[0045] 圖7a至7f示出第二孔徑的其他布置和實施方式；
[0046] 圖8a至8f示出第二孔徑的幾何結構形式的不同實施例；
[0047] 圖9示出通過根據替選結構類型的簡化示出的根據本發(fā)明的分光計的兩個光程；
[0048] 圖10示出兩個由探測器的相繼測量獲取的光譜的切口的示意圖；
[0049] 圖11以曲線圖示出三個測量的光譜，其中，光強度承載相對于探測器-傳感器的 像素位置繪圖；以及
[0050] 圖12示出描繪的曲線圖中的在沒有修正y軸的情況下的經平均的光譜和在修正 y軸的情況下的經平均的光譜。
【具體實施方式】
[0051] 在圖1中示出模塊化構建的流體-分析系統(tǒng)10,其包括在此為具有顯示器14的電 子模塊12形式的電子單元，，以及在此為分析模塊16形式的分析單元。一個或多個傳感 器模塊18可被裝配到在該分析模塊16中。該裝配通過簡單的方式借助于被置于傳感器模 塊18上的鎖定夾20而實現。在鎖定該鎖定夾20時，除了將傳感器模塊18固定在分析模 塊16中，同時產生所有需要的電連接和流體連接。在圖2中示出單個的傳感器模塊18,具 有相應的電子連接部22和流體連接部24a，24b。
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